<p>2022年5月，一顆小型CubeSat衛(wèi)星上的TeraByte紅外傳輸(TBIRD)有效載荷被發(fā)射到距地球表面300英里的軌道上。從那時起，TBIRD通過光通信連接到加利福尼亞州的一個地面接收器，以每秒100千兆的破紀錄速度傳輸了千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)&mdash;&mdash;比大多數(shù)城市最快的互聯(lián)網(wǎng)速度快100倍。這一數(shù)據(jù)速率比傳統(tǒng)上用于衛(wèi)星通信的無線電頻率鏈路高1000多倍，是迄今為止從太空到地面的激光鏈路所達到的最高數(shù)據(jù)速率。這些創(chuàng)紀錄的速度都是由一個紙巾盒大小的通信有效載荷實現(xiàn)的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院林肯實驗室在2014年將TBIRD任務概念化，作為一種以低成本為科學任務提供前所未有能力的手段。今天，太空中的科學儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常比通過典型的空間-地面通信鏈路返回到地球的數(shù)據(jù)要多。通過小型、低成本的空間和地面終端，TBIRD可以使來自世界各地的科學家充分利用激光通信的優(yōu)勢，下行傳輸他們夢寐以求的所有數(shù)據(jù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>TBIRD通信有效載荷由林肯實驗室設計和制造，集成到人族軌道公司制造的立方體衛(wèi)星上，作為NASA探路者技術演示項目的一部分。美國宇航局艾姆斯研究中心建立這個項目是為了開發(fā)一種立方體衛(wèi)星總線(為有效載荷提供動力和操縱的&ldquo;飛行器&rdquo;)，以更快和更低的成本將科學和技術演示人員送入軌道。這顆立方體衛(wèi)星重約25磅，有兩個堆疊的麥片盒那么大，于2022年5月由Space X公司的Transporter-5拼車任務從佛羅里達州的卡納維拉爾角太空部隊空間站發(fā)射到近地軌道(LEO)。光學地面站位于加利福尼亞州的桌山，那里的大多數(shù)天氣發(fā)生在山頂以下，使這部分天空相對晴朗，適合激光通信。該地面站利用了NASA噴氣推進實驗室光通信望遠鏡實驗室的一米望遠鏡和自適應光學(以糾正大氣湍流造成的失真)，林肯實驗室提供了tbird專用的地面通信硬件。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該實驗室TBIRD有效載荷和地面通信項目經(jīng)理、光與量子通信技術小組助理組長王玉德(Jade Wang)說:&ldquo;我們已經(jīng)證明了在比以往任何時候都小的數(shù)據(jù)包中實現(xiàn)了比以往任何時候都更高的數(shù)據(jù)速率。&rdquo;&ldquo;雖然用激光從太空發(fā)送數(shù)據(jù)聽起來很未來，但我們每天使用的光纖互聯(lián)網(wǎng)背后也有同樣的技術概念。不同的是，激光傳輸是在開放的大氣中進行的，而不是在封閉的光纖中。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>從無線電波到激光</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>無論是視頻會議、游戲還是高清流媒體電影，你都在使用通過玻璃(有時是塑料)光纖連接的高數(shù)據(jù)速率鏈接。這些纖維大約有一根頭發(fā)的直徑，它們被捆成電纜，通過來自激光或其他光源的快速光脈沖傳輸數(shù)據(jù)。在互聯(lián)網(wǎng)時代，光纖通信是至關重要的，在這個時代，大量的數(shù)據(jù)必須每天快速、可靠地分布在全球各地。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是，對于衛(wèi)星來說，以激光通信為基礎的高速互聯(lián)網(wǎng)還不存在。自20世紀50年代太空飛行開始以來，航天任務一直依靠無線電頻率向太空和從太空發(fā)送數(shù)據(jù)。與無線電波相比，激光通信中使用的紅外光有更高的頻率(或更短的波長)，這允許在每次傳輸中裝入更多的數(shù)據(jù)。激光通信將使科學家能夠發(fā)送比今天的無線電頻率系統(tǒng)多100到1000倍的數(shù)據(jù)&mdash;&mdash;類似于我們從撥號上網(wǎng)到高速互聯(lián)網(wǎng)的地面切換。</p> <p>&nbsp;</p> <p>從地球觀測到太空探索，許多科學任務將從這種加速中受益，特別是隨著儀器能力的進步，可以捕獲更多的高分辨率數(shù)據(jù)，實驗需要更多的遠程控制，以及航天器從地球更遠地進入深空。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，基于激光的空間通信帶來了一些工程挑戰(zhàn)。與無線電波不同，激光形成的光束很窄。為了成功地傳輸數(shù)據(jù)，這個窄光束必須精確地指向位于地面上的接收器(如望遠鏡)。雖然激光可以在太空中傳播很長一段距離，但由于大氣和天氣條件的影響，激光束可能會變形。這種畸變導致光束經(jīng)歷功率損失，從而導致數(shù)據(jù)丟失。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在過去的40年里，林肯實驗室一直在通過各種項目解決這些和相關的挑戰(zhàn)。在這一點上，這些挑戰(zhàn)已經(jīng)可靠地解決了，激光通信正在迅速被廣泛采用。工業(yè)界已經(jīng)開始使用激光通信擴散低軌道交聯(lián)，目的是增強現(xiàn)有的地面骨干，并提供一個潛在的互聯(lián)網(wǎng)骨干，為農(nóng)村地區(qū)的用戶服務。去年，NASA啟動了激光通信中繼演示(LCRD)，這是一種基于實驗室設計的雙向光通信系統(tǒng)。在接下來的任務中，一個實驗室開發(fā)的激光通信終端將被發(fā)射到國際空間站，在那里終端將與LCRD&ldquo;對話&rdquo;，并支持阿爾特米斯2號，一個載人計劃，將在未來的載人登月前飛過月球。</p> <p>&nbsp;</p> <p>王說:&ldquo;隨著人們對天基激光通信的興趣和發(fā)展的不斷擴大，林肯實驗室繼續(xù)推動著可能性的極限。&rdquo;&ldquo;TBIRD預示著一種新的方法，具有進一步提高數(shù)據(jù)速率能力的潛力;縮小尺寸、重量和功率;并降低激光通信任務成本。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>TBIRD旨在降低這些成本的一種方法是利用最初為地面光纖網(wǎng)絡開發(fā)的商用現(xiàn)成組件。然而，地面部件的設計并不適合在嚴酷的太空環(huán)境中生存，它們的運行可能會受到大氣效應的影響。通過TBIRD，該實驗室開發(fā)了應對這兩個挑戰(zhàn)的解決方案。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>商業(yè)組件適應空間</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>TBIRD有效載荷集成了三個關鍵的商用現(xiàn)貨組件:一個高速率光調制解調器，一個大型高速存儲驅動器和一個光信號放大器。</p> <p>&nbsp;</p> <p>所有這些硬件部件都經(jīng)過了沖擊、振動、熱真空和輻射測試，以了解這些硬件在太空中的表現(xiàn)，在太空中，它們將受到強大的力量、極端的溫度和高輻射水平的影響。當該團隊第一次通過模擬太空環(huán)境的熱測試測試放大器時，纖維融化了。正如王解釋的那樣，在真空中，沒有大氣存在，所以熱量被困住，不能通過對流釋放。該團隊與供應商合作，修改放大器，以通過傳導釋放熱量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了處理大氣影響造成的數(shù)據(jù)丟失，該實驗室開發(fā)了自己的自動重復請求(ARQ)版本，這是一種控制通信鏈路上數(shù)據(jù)傳輸錯誤的協(xié)議。有了ARQ，接收器(在這種情況下，是地面終端)通過低速率上行信號提醒發(fā)送方(衛(wèi)星)重新傳輸任何丟失或損壞的數(shù)據(jù)塊(幀)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>TBIRD系統(tǒng)工程師Curt Schieler解釋說:&ldquo;如果信號中斷，數(shù)據(jù)可以重新傳輸，但如果效率低下&mdash;&mdash;意味著你把所有的時間都花在發(fā)送重復數(shù)據(jù)上，而不是新數(shù)據(jù)&mdash;&mdash;你就會損失很多吞吐量。&rdquo;Curt Schieler是Wang團隊的技術人員。&ldquo;通過我們的ARQ協(xié)議，接收器告訴有效載荷它接收到的幀是正確的，因此有效載荷知道哪些幀需要重新傳輸。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>TBIRD的另一個新特點是它沒有框架，這是一種用來指向狹窄激光束的機制。相反，TBIRD依賴于實驗室開發(fā)的錯誤信號概念，用于航天器的精確體指向。錯誤信號被提供給立方體衛(wèi)星總線，因此它知道如何準確地將整個衛(wèi)星的主體指向地面站。如果沒有萬向節(jié)，有效載荷甚至可以進一步縮小。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們打算展示一種低成本的技術，能夠快速將大量數(shù)據(jù)從近地軌道下行連接到地球，以支持科學任務，&rdquo;王說。&ldquo;在短短幾周的運營中，我們已經(jīng)實現(xiàn)了這一目標，實現(xiàn)了每秒100千兆的前所未有的傳輸速率。下一步，我們計劃使用TBIRD系統(tǒng)的其他功能，包括將速率提高到每秒200gb，使超過2tb的數(shù)據(jù)能夠在經(jīng)過地面站的5分鐘內(nèi)向下傳輸，相當于1000部高清電影。&rdquo;</p> <p>林肯實驗室與美國宇航局戈達德太空飛行中心合作開發(fā)了TBIRD任務和技術。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>