Сколько потребуется времени, чтобы передать из космоса на Землю 1000 фильмов в Blu-ray качестве? Странный вопрос, ответ на который вас удивит — около 5 минут. Такое стало возможно благодаря новому рекорду скорости установленному проектом NASA Laser Link 200 Гбит/с.
Такая широкая линия связи стала возможной благодаря системе TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), находящейся на высоте около 530 километров над поверхностью Земли. Запущенный в космос в мае прошлого года, TBIRD к июню прошлого года достиг скорости нисходящей линии связи до 100 Гбит/с с помощью наземного приемника в Калифорнии. Это более чем в 1000 раз быстрее, чем радиоканалы, традиционно используемые для связи со спутниками.
Самые быстрые сети передачи данных на Земле обычно полагаются на лазерную связь по оптоволокну. Однако высокоскоростного лазерного интернета для спутников пока не существует. Вместо этого космические агентства и операторы коммерческих спутников чаще всего используют радио для связи с объектами в космосе. Инфракрасный свет, который может использовать лазерная связь, имеет гораздо более высокую частоту, чем радиоволны, что обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных.
Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института разработала TBIRD в 2014 году как недорогой и высокоскоростной способ доступа к данным на космических кораблях. Разработка TBIRD столкнулась с рядом проблем. Начнем с того, что наземные компоненты не предназначены для того, чтобы выдерживать суровые условия запуска и работы в космосе. Например, во время теплового испытания, имитирующего экстремальные температуры, с которыми устройства могут столкнуться в космосе, расплавились волокна в усилителе оптического сигнала.
Проблема заключалась в том, что при первоначальном использовании атмосфера могла способствовать охлаждению усилителя за счет конвекции. При испытаниях в вакууме, имитирующем космос, выделяемое усилителем тепло улавливалось. Чтобы решить эту проблему, исследователи работали с поставщиком усилителя, чтобы модифицировать его так, чтобы вместо этого он выделял тепло за счет проводимости.
Кроме того, лазерные лучи из космоса на Землю могут искажаться из-за атмосферных воздействий и погодных условий. Это может привести к потере мощности и, в свою очередь, к потере данных для лучей. Чтобы компенсировать это, ученые разработали собственную версию автоматического повторного запроса (ARQ) — протокола для контроля ошибок при передаче данных по каналу связи. При таком расположении наземный терминал использует низкоскоростной сигнал восходящей линии связи, чтобы сообщить спутнику, что он должен повторно передать любой блок данных или кадр, которые были потеряны или повреждены. Новый протокол позволяет наземной станции сообщать спутнику, какие кадры он принял правильно, поэтому спутник знает, какие из них следует ретранслировать, и не тратить время на отправку данных, которые ему не нужны.
Еще одна проблема, с которой столкнулись ученые, связана с тем, что лазеры формируют гораздо более узкие лучи, чем радиопередачи. Для успешной передачи данных эти лучи должны быть направлены точно на их приемники. Это часто достигается установкой лазера на карданном подвесе. Однако из-за небольшого размера TBIRD вместо этого он маневрирует CubeSat, несущим его, чтобы направить его на землю, используя любые получаемые им сигналы ошибки для исправления ориентации спутника. Эта стратегия без подвеса также помогла еще больше сократить TBIRD, удешевив ее запуск.
По словам разработчиков, архитектура TBIRD может поддерживать несколько каналов за счет разделения длин волн, что обеспечивает более высокие скорости передачи данных. Именно так 28 апреля компания TBIRD установила нисходящий канал со скоростью 200 Гбит/с, используя два канала со скоростью 100 Гбит/с.
Следующим шагом исследовательской группы является изучение того, где можно применить эту технологию в предстоящих миссиях. Помимо этого, ученые также хотят изучить возможности для использования аналогов TBIRD на Луне, чтобы поддерживать будущие миссии. Рассматриваемые скорости находятся в диапазоне от 1 до 5 Гбит/с, что может показаться не таким уж большим показателем, если не брать во внимание то, что Луна находится, примерно, в 400 000 км от Земли.
