NASA激光通信系统创传输速度新纪录

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 9 -11.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 9 -11. DOI: 10.1016/j.eng.2024.02.004
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NASA激光通信系统创传输速度新纪录

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NASA Satellite Sets Blistering Optical Communication Speed Record

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Chris Palmer,Chris Palmer. NASA激光通信系统创传输速度新纪录[J]. 工程（英文）, 2024, 34(3): 9-11 DOI:10.1016/j.eng.2024.02.004

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2023年4月，一颗在地表上空约500 km处运行的卫星通过激光通信链路以创纪录的200 Gb∙s-1的速率，向位于美国加利福尼亚州洛杉矶以北95 km处的地面接收器发送了数千兆字节数据，这一速率比大多数城市中最快的互联网速度还要快100多倍[1]。相较于卫星通信的传统射频（RF）链路，它也快了1000多倍，是有史以来空对地激光传输所达到的最高数据传输速率[1]。这一创纪录的速度是由一个纸巾盒大小的通信有效载荷实现的，它就是TBIRD（terabyte infrared delivery，太字节红外传输）系统。该系统由美国国家航空航天局（NASA）运营，是该机构研发的新型激光通信平台之一，代表着众多国家和私营公司为了增加太空通信带宽而全力推动技术创新的方向。
TBIRD由麻省理工学院（美国马萨诸塞州列克星敦）林肯实验室的研究人员设计，提供了前所未有的传输速度，以低成本支持NASA的科考任务。TBIRD搭载于一颗重约11 kg的CubeSat卫星上，其组件最初是为地面光纤网络所开发的，包含一个高速激光调制解调器、一个大型高速存储驱动器和一个光信号放大器（图1）[2]。
位于美国新泽西州霍博肯的史蒂文斯理工学院的物理学副教授Rainer Martini是太空激光通信领域的科研专家，他说：“TBIRD为NASA打开了新世界的大门，证明了从太空获得比互联网更快的通信速度是完全能够实现的。此外，它不仅效果好，而且成本低廉。”
20世纪50年代以来，大部分空间通信传输都是使用无线电波通过深空网络（Deep Space Network）完成；深空网络是一种能够发送和接收信息的全球天线阵列[3]。在随后的几十年里，天基科学仪器变得越来越复杂，以至于它们日常产生的数据比通过标准空对地RF通信链路返回地球的数据还要多。国际空间站上甚至还有一种名为“高光谱成像仪”（Hyper-spectral Imager Suite）的仪器；由于空间站下行链路速率较低，该仪器的数据需要通过货船上的存储驱动器发送回地球[4]。Martini说：“当下，我们已经拥有能够从太空中捕捉高质量数据的仪器，问题是如何将这些数据传回地球。”
与无线电波相比，激光通信中使用的激光器可以以更高的速率传输数据，从而在每次传输的过程中实现更多数据的封装。除了提高速度，激光通信系统可以做得比RF传输设备更小、更轻、功耗更低。然而，与RF信号不同的是，光学信号会受大气和天气条件的影响而失真，从而导致数据丢失。为了解决这个问题，TBIRD将信息传输到位于美国加利福尼亚州赖特伍德附近的NASA喷气推进实验室（JPL）桌山天文台（Table Mountain Observatory, TMO）的光学地面站，这个站点被选中的原因是其上空现有的云量最小[5]。TMO利用一米望远镜和自适应光学系统来校正大气光学湍流引起的光学下行链路信号失真。只有当停在近地轨道（LEO）的TBIRD与地面站同时在视线范围之内时，数据传输才有可能实现，因此该卫星必须在约5 min之内完成信息发送。但当传输速率达到200 Gb∙s-1时，每次传输的数据量都超过了2 Tb，大约相当于1000部高清电影的数据量[1]。
然而，仅仅在视线范围内是不够的。与RF通信不同，激光通信要求激光束精确地对准地面上的接收器。Martini说：“使用无线电波时，你发射的是7 GHz的大波束，只要瞄准大致的方向，它就可以正常工作了。但当你以更高的数据速率（约40 GHz）发射激光时，光束会变得更窄，跟踪起来就比较困难。”
以前的天基激光通信设备通常将激光安装在万向节上以实现精确瞄准。但是，由于体积较小，TBIRD转而依靠从地面站发射的激光接收误差信号来校正方向[1]。
TBIRD通过波长分离支持多个信道，其创纪录的200 Gb∙s-1下行链路是通过组合两个100 Gb∙s-1通道来实现的。在未来的技术迭代中，卫星可以通过配置组合更多信道以获得更高的速率[1]。总部位于美国加利福尼亚州卡尔斯巴德的Viasat公司为商业和军用市场提供高速率卫星宽带通信服务和安全网络服务，其副总裁兼首席技术官Hamid Hemmati预测，整个行业的技术革新将带来更高的传输速度，“通过大约十年的时间，卫星激光通信的速度有望达到每秒1 TB。”
目前，麻省理工学院团队正在努力将TBIRD的覆盖范围扩大至月球，以支持未来科学任务的开展；如NASA的载人月球飞越任务阿尔忒弥斯二号（Artemis II），传输速率为1~5 Gb∙s-1 [1]。TBIRD技术也可用于地面建筑物之间的通信或在铺设光纤系统成本高昂的荒凉地形上使用[1]。卫星从“好奇号”火星车传输数据的速率为2 Mb∙s-1，Martini说：“我希望看到类似的东西用于从火星传输数据。现在，火星车的运营商在决定传输什么数据时必须非常谨慎，因为你无法传输所有的数据。”
TBIRD并不是NASA赞助的唯一一项空对地激光通信技术。2021年12月，NASA启动了激光通信中继演示（LCRD）计划，这是一个在地球上空35 406 km轨道上运行的双向光通信系统，数据传输速度高达1.24 Gb∙s-1 [6]。LCRD将中继集成LCRD LEO用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T，于2023年10月安装至国际空间站）的数据。体积仅有冰箱大小的ILLUMA-T同样由麻省理工学院建造，它将从空间站实验中收集信息，并将数据发送到LCRD， LCRD随后将信息转发给TMO和位于美国夏威夷州哈雷阿卡拉的另一个地面站[5]。JPL的高级工程师Sabino Piazzolla领导的团队为TMO配备了接收来自TBIRD的数据的传输系统，他说：“这十分具有挑战性，但我们能够使用相同的光学工作台支持LCRD和TBIRD两种不同的光学地面操作。”
此外，NASA还开发了猎户座阿尔忒弥斯二号光通信系统（Orion Artemis Ⅱ Optical Communications System，O2O），该系统将以260 Mb∙s-1的速率将月球表面的高分辨率图像和视频传回地球[6]。在为期十天的任务中，O2O还将能够发送和接收“猎户座”飞船与NASA地球任务控制中心之间的飞行计划、语音信息和其他通信[7]。
NASA的另一项光学通信工作是在Psyche航天器上进行的深空光通信（Deep Space Optical Communications，DSOC）实验（图2），该航天器将于2029年与距离地球约3.6 × 109 km的富含金属的小行星16 Psyche会合[8]。DSOC由一个红外激光器和一个连接在22 cm望远镜上的光子计数相机组成。“DSOC最近成功地将数据以高达260 Mb∙s-1的速率传输到了光学地面站。”Piazzolla在提到这项穿越1.6 × 107 km的太空传输时说，“迄今为止，这是光通信系统中继数据最远的一次。”
欧盟、日本、中国以及一些私营公司已经拥有或正在开发太空激光通信平台。欧洲航天局的欧洲数据中继系统（EDRS）将LEO卫星与地球同步轨道上的两颗卫星连接起来，然后以1.8 Gb∙s-1的速度将数据中继到欧洲地面站。这两颗卫星始终位于欧洲地面站上方，这种安排有助于避免LEO卫星必须等待地面站同步视线的过程中可能出现的时间延迟[9]。日本的激光利用通信系统（LUCAS）卫星也位于地球同步轨道上，以1.8 Gb∙s-1的速度与地面站进行双向激光通信[10]。
中国长光卫星技术股份有限公司已经成功利用激光将遥感图像以10 Gb∙s-1的速率从吉林一号卫星传输到高速移动的车载地面站[11]。该公司计划将传输速率提高到40~100 Gb∙s-1。它还致力于在其100多颗卫星之间建立星间光链路，这种链接将有助于解决中国地面站相对缺乏的问题。
遵循类似的策略，亚马逊的柯伊伯计划（Project Kuiper，美国华盛顿州雷德蒙德）正在与美国国防部合作，研究通过该公司互联网卫星上的激光通信终端将遥感卫星的数据直接传输到LEO军事网状网络的可能性[12]。该项目将让Kuiper卫星以较高的速率将数据从商业成像卫星中继到地面上的军事用户。同样地，SpaceX公司声称其星链星座也有类似的能力，据说其卫星网络上安装了8000多个太空激光器，可以在每个链路上以100 Gb∙s-1的速率传输数据[13]。
Hemmati说：“通常来说，与激光通信连接的大型卫星星座有一个好处——数据可以从一颗卫星传输到另一颗卫星，然后再进行下载，不需要额外配套大量的地面站。”
Kuiper、Starlink和Viasat在美国国防高级研究计划局（DARPA）选中的11个研究机构之列，它们协助开发技术并制定技术标准用以创建“LEO卫星互联网”[14]。这样的网络将在目前无法互相通信的军事、政府和商业卫星星座之间建立无缝通信。其他开发太空激光通信技术或将此类技术纳入下一代卫星研发的知名科技公司包括Lockheed Martin [15]、三菱[16]、Northrup Grumman [15]和索尼[17]。
“激光技术只是通信工具箱中的一个工具。”Hemmati说，“它不会取代RF通信。但是，如果你需要在单个波束上实现高于10 Gb∙s-1的超高容量并且可以容忍云中断，那么激光通信将会是一个非常强大的工具。如果你想将容量扩展到每秒数百吉比特或每秒数万亿字节，那么激光技术则是唯一的选择。”
这些技术后续将如何发展呢？“如果没有带宽限制，那么这将催生一种完全不同的科学研究方式。”Martini说，“你可以让所有的传感器同时进行数据传输，这让你拥有一种了解世界的新能力。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Choi CQ. NASA’s laser link boasts record-breaking 200-Gb/s speed [Internet]. New York City: IEEE Spectrum; 2023 May 29 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Tantillo A. Communications system achieves fastest laser link from space yet [Internet]. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology; 2022 Nov 30 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Woodall T. 60 years of moonshots, made possible by the Deep Space Network [Internet]. New York City: Recurrent; 2022 Nov 30 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Murphy K. What’s next: the future of NASA’s laser communications [Internet]. Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration; 2022 Aug 11 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Hitchens T. Signaling across the cosmos: optical communications are poised for takeoff during NASA’s “Decade of Light” [Internet]. Bellingham: SPIE; 2022 Nov 1 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Strickland A. Lasers on Artemis II will share high-definition video of the moon [Internet]. Atlanta: Cable News Network; 2023 May 9 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Strickland A. ‘First light’: NASA receives laser-beamed message from 10 million miles away [Internet]. Atlanta: Cable News Network; 2023 Nov 24 [cited 2023 Dec 11]. Available from:

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Calzolaio D, Curreli F, Duncan J, Moorhouse A, Perez G, Voegt S. EDRS-C—the second node of the European Data Relay System is in orbit. Acta Astronaut 2020;177:537‒44. . 10.1016/j.actaastro.2020.07.043
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Erwin S. Amazon to link Kuiper satellites to DoD’s mesh network in space [Internet]. Alexandria: SpaceNews; 2022 Oct 14 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Paleja A. Starlink launches V2 mini-satellites with ‘space lasers’ [Internet]. New York City: Interesting Engineering, Inc.; 2023 Oct 3 [cited 2023 Dec 17]. Available from:

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Erwin S. DARPA selects companies for inter-satellite laser communications project [Internet]. Alexandria: SpaceNews; 2022 Aug 10 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Mitsubishi claims breakthrough for laser communication in space [Internet]. Cardiff: SPIE Europe; 2022 Jun 1 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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Rainbow J. Sony launches space laser communications business [Internet]. Alexandria: SpaceNews; 2022 Jun 3 [cited 2023 Dec 6]. Available from:

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