NASA的激光链路速度破纪录地达到200Gbps

2023-06-02 08:06

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MIT LINCOLN LABORATORY

来自NASA、MIT和其他机构的一组研究人员实现了迄今为止最快的空地激光通信链路，比去年创下的纪录翻了一番。在每秒200千兆比特的数据速率下，一颗卫星可以在地面站上传输超过2兆字节的数据，大约相当于1000部高清电影。

NASA太空通信和导航项目的航空航天工程师Jason Mitchell说：“这一影响深远，因为简单地说，更多的数据意味着更多的发现。”

新的通信链路是通过在地球表面上方约530公里的轨道上运行的TeraByte红外发射（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）系统实现的。TBIRD于去年5月发射到太空，截至去年6月，它在加利福尼亚州的地面接收器实现了高达100 Gb/s的下行链路速率。这是大多数城市最快网速的100倍，也是传统上用于与卫星通信的无线电链路的1000多倍。

地球上速度最快的数据网络通常依靠光纤上的激光通信。然而，目前还不存在用于卫星的高速激光互联网。相反，航天机构和商业卫星运营商最常用无线电与太空中的物体进行通信。激光通信可以使用的红外光具有比无线电波高得多的频率，从而实现更高的数据速率。

航天工程师、麻省理工学院林肯实验室TBIRD团队的工作人员Kat Riesing说：“目前轨道上的卫星受到其能够下行链路的数据量的限制，随着更多能力的卫星的发射，这一趋势只会增加。由于下行链路速率的限制，即使是国际空间站上的高光谱成像仪HISUI也必须通过货船上的存储驱动器将数据发送回地球。TBIRD是收集地球气候和资源重要数据的任务以及黑洞成像等天体物理学应用的重要推动者。”

麻省理工学院林肯实验室于2014年将TBIRD设想为一种低成本、高速的航天器数据访问方式。它减少开支的一个关键方法是使用最初为地面用途开发的商用现成组件。Riesing说，其中包括为光纤通信开发的高速率光学调制解调器和用于保存数据的高速大容量存储。

TBIRD位于NASA的探路者技术演示者3号（PTD-3）卫星上，于2022年5月25日在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地执行SpaceX公司的“Transporter-5”拼车任务时被送入轨道。PTD-3卫星是一颗大约12公斤重的立方体卫星，大约有两个堆叠的麦片盒大小，其TBIRD有效载荷不大于平均的纸巾盒。Mitchell说：“工业界对小型、低功耗、高数据率光学收发器的追求使我们能够实现即使适用于小型卫星的紧凑外形。”

“There are satellites currently in orbit limited by the amount of data they are able to downlink, and this trend will only increase as more-capable satellites are launched.”

—Kat Riesing, aerospace engineer, MIT Lincoln Laboratory

TBIRD的发展面临着诸多挑战。首先，地面组件并不是为了经受发射到太空和在太空中运行的严酷考验而设计的。例如，在模拟设备在太空中可能面临的极端温度的热测试期间，光信号放大器中的光纤熔化了。

问题是，当按原计划使用时，大气可以通过对流帮助冷却放大器。在真空模拟空间中进行测试时，放大器产生的热量被吸收。为了解决这个问题，研究人员与放大器的供应商合作对其进行了修改，使其通过传导来释放热量。

此外，从太空到地球的激光束可能会因大气影响和天气条件而失真。这会导致波束的功率损失，进而导致数据丢失。

作为补偿，科学家们开发了他们自己的自动重复请求(ARQ)版本，这是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议。在这种安排中，地面终端使用低速率上行链路信号来让卫星知道它必须重新发送已经丢失或损坏的任何数据块或帧。新协议允许地面站告诉卫星它正确接收到了哪些帧，这样卫星就知道应该重新发送哪些帧，而不必浪费时间发送数据。

科学家们面临的另一个挑战源于激光是如何形成比无线电传输窄得多的光束的。为了成功地传输数据，这些波束必须精确地对准它们的接收器。这通常是通过将激光器安装在万向架上来实现的。然而，由于TBIRD体积小，它反而操纵携带它的CubeSat 将其指向地面，使用它接收到的任何误差信号来纠正卫星的方向。这种无万向架的策略还有助于进一步缩小TBIRD，使其发射成本更低。

Riesing说，TBIRD的架构可以通过波长分离支持多个信道，从而实现更高的数据速率。她解释说，这就是TBIRD如何在4月28日通过使用两个100 Gb/s信道实现200 Gb/s下行链路的。Riesing指出：“如果该链接旨在支持未来的任务，那么它可以进一步扩展。”

“Put simply, more data means more discoveries.”

—Jason Mitchell, aerospace engineer, NASA

研究团队的下一步是探索在即将到来的任务中应用这项技术的地方。Riesing说：“这项技术对科学任务特别有用，在那里收集大量数据可以带来显著的好处。由此实现的一个任务概念是Event Horizon Explorer任务，它将扩展Event Horizon Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激动人心的工作。”

Riesing说，科学家们还想探索如何将这项技术扩展到不同的场景，例如地球静止轨道。此外，Mitchell说，他们正在寻找将TBIRD的能力推向月球的方法，以支持未来在那里的任务。Mitchell表示，正在考虑的速率在1到5 Gb/s的范围内，这“可能看起来没有太大的改善，但请记住，月球距离地球大约40万公里，这是一个相当长的距离”。

这项新技术还可能用于地面的高速大气数据链路。Riesing说：“例如，从一栋建筑到另一栋建筑，或者穿过不适宜居住的地形，比如从山顶到山顶，铺设光纤系统的成本可能过高。”