Лазер в космосе и новые архитектуры: межспутниковая оптическая связь как новый этап развития космических коммуникационных сетей
Эксперименты по осуществлению оптической лазерной связи в космосе начались во второй половине семидесятых. Первый успешный опыт был проведен в 1995 году: спутник на ГСО Японского агентства аэрокосмических исследований, ETS-VI, успешно передал сигнал на оптическую наземную станцию Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) в Токио. Японским исследователям тогда удалось достичь скорости 1 Мбит/с. Как с тех пор продвинулись исследования и успехи в этой области — в материале SATCOMRUS.
В чем сложности и преимущества межспутниковой оптической связи
Оптическая связь имеет два преимущества перед таковой в радиочастотном диапазоне:
· большую скорость;
· отсутствие необходимости координации в Международном союзе электросвязи (МСЭ).
Но при этом оптический сигнал гораздо хуже проходит через атмосферу. Плюс лазерный луч нужно наводить на цель гораздо точнее. Но это имеет и свои плюсы: такой луч труднее перехватить, что увеличивает защищенность линии. Это подтверждают и руководители компаний, работающие с лазерными терминалами (OCT), в частности — Свен Реттиг, глава отдела продаж Tesat Spacecom, дочерней фирмы Airbus. Он считает, что сегодня самой сложной частью OCT является программное обеспечение для поддержки соединения — алгоритм наведения, отслеживания и удержания второго терминала.
Серьезным фактором развития оптических каналов стал рост NewSpace и взрывное развитие стартапов в этой сфере. Внедрение инноваций, повышение роли космических технологий в повседневной жизни, трансформация индустрии привели к новым требованиям по оперативности передачи больших объёмов данных. Зачастую радиочастотные каналы связи уже не могут удовлетворить новые запросы рынка, и оптические технологии остаются единственным решением.
При этом очевидно, что оптические каналы никогда не вытеснят радиочастотные, а будут их дополнять, что крайне выгодно для космической отрасли, поскольку такой подход открывает новые рынки, не отбирая деньги у существующих игроков.
Спутник, находящийся на низкой орбите (НОО), может устойчиво коммуницировать с пользователем на Земле крайне ограниченное время, и для выхода клиента в глобальную коммуникационную сеть — интернет, а также любую частную или корпоративную структуру — необходимо соединение со станцией сопряжения. То есть, для осуществления постоянного подключения аппарат должен одновременно видеть и пользователя, и станцию сопряжения. Такой подход заставляет оператора строить большое число дорогих наземных станций и затрудняет устойчивую связь в отдаленных регионах — посреди океана, пустыни или тайги. При этом межспутниковые лазерные каналы (OISL) позволяют коммуникационной системе на НОО серьезно сократить количество используемых станций сопряжения.
Второй бонус от OISL — уменьшение общей задержки сигнала в сети. Связь между двумя терминалами может осуществляться быстрее, чем по наземным линиям, поскольку ВОЛС не идет напрямую от одного пользователя к другому, а многочисленные узлы наземной системы увеличивают задержку. Один из несостоявшихся проектов в этой обоасти нацеливался на рынок биржевой торговли, обещая брокерам связь Лондонской биржи с Сингапурской быстрее, чем у наземных провайдеров. Тот проект в итоге не нашел финансирования, но сегодня операторы НОО-группировок — как существующих, так и перспективных — регулярно эту тему поднимают.
И третье перспективное применение OISL — линии связи в многофункциональных мультиорбитальных сетях. Так, трафик со спутников наблюдения за Землей постоянно растет, и его нужно оперативно передавать потребителю. Зачастую последний не может ждать, пока космический аппарат с нужными ему данными пролетит над его земной станцией. OISL позволяет транслировать данные на геостационарный КА, откуда уже можно организовать постоянно действующий магистральный канал в любую точку зоны покрытия.
Для эффективной работы таких сетей стандартизация оптической связи и «спутник-спутник», и «спутник-Земля» может стать очень перспективной. Агентство космического развития США (SDA) уже установило особый стандарт. Но, во-первых, программы SDA ориентированы на военных, во-вторых, оговоренная стандартом скорость — 2,5 Гбит/с — не устраивает игроков рынка, т.к. технологии способны на большее. Мустафа Везироглу, генеральный директор Mynaric, уверен, что одной из основных тенденций развития станет обеспечение совместимости лазерной связи между космическими и земными оптическими терминалами (OCT) различных разработчиков. При этом Везироглу имеет хорошее представление о единственном существующем на сегодня стандарте, поскольку Mynaric — поставщик OCT головным подрядчикам по двум военным космическим программам SDA. И он уверен, что рынок потребует более актуального стандарта.
В дальнейшем для вывода на орбиту десятков тысяч аппаратов различного назначения нужны будут умные алгоритмы с использованием искусственного интеллекта маршрутизации передаваемого потока данных. Это позволит фактически вынести интернет в космос. Такие технологии уже разрабатываются и внедряются: например, Telesat заключил десятилетний договор с Aalyria Spacetime на управление потоком данных в низкоорбитальной коммуникационной системе Lightspeed.
Оптическая связь имеет два преимущества перед таковой в радиочастотном диапазоне:
· большую скорость;
· отсутствие необходимости координации в Международном союзе электросвязи (МСЭ).
Но при этом оптический сигнал гораздо хуже проходит через атмосферу. Плюс лазерный луч нужно наводить на цель гораздо точнее. Но это имеет и свои плюсы: такой луч труднее перехватить, что увеличивает защищенность линии. Это подтверждают и руководители компаний, работающие с лазерными терминалами (OCT), в частности — Свен Реттиг, глава отдела продаж Tesat Spacecom, дочерней фирмы Airbus. Он считает, что сегодня самой сложной частью OCT является программное обеспечение для поддержки соединения — алгоритм наведения, отслеживания и удержания второго терминала.
Серьезным фактором развития оптических каналов стал рост NewSpace и взрывное развитие стартапов в этой сфере. Внедрение инноваций, повышение роли космических технологий в повседневной жизни, трансформация индустрии привели к новым требованиям по оперативности передачи больших объёмов данных. Зачастую радиочастотные каналы связи уже не могут удовлетворить новые запросы рынка, и оптические технологии остаются единственным решением.
При этом очевидно, что оптические каналы никогда не вытеснят радиочастотные, а будут их дополнять, что крайне выгодно для космической отрасли, поскольку такой подход открывает новые рынки, не отбирая деньги у существующих игроков.
Спутник, находящийся на низкой орбите (НОО), может устойчиво коммуницировать с пользователем на Земле крайне ограниченное время, и для выхода клиента в глобальную коммуникационную сеть — интернет, а также любую частную или корпоративную структуру — необходимо соединение со станцией сопряжения. То есть, для осуществления постоянного подключения аппарат должен одновременно видеть и пользователя, и станцию сопряжения. Такой подход заставляет оператора строить большое число дорогих наземных станций и затрудняет устойчивую связь в отдаленных регионах — посреди океана, пустыни или тайги. При этом межспутниковые лазерные каналы (OISL) позволяют коммуникационной системе на НОО серьезно сократить количество используемых станций сопряжения.
Второй бонус от OISL — уменьшение общей задержки сигнала в сети. Связь между двумя терминалами может осуществляться быстрее, чем по наземным линиям, поскольку ВОЛС не идет напрямую от одного пользователя к другому, а многочисленные узлы наземной системы увеличивают задержку. Один из несостоявшихся проектов в этой обоасти нацеливался на рынок биржевой торговли, обещая брокерам связь Лондонской биржи с Сингапурской быстрее, чем у наземных провайдеров. Тот проект в итоге не нашел финансирования, но сегодня операторы НОО-группировок — как существующих, так и перспективных — регулярно эту тему поднимают.
И третье перспективное применение OISL — линии связи в многофункциональных мультиорбитальных сетях. Так, трафик со спутников наблюдения за Землей постоянно растет, и его нужно оперативно передавать потребителю. Зачастую последний не может ждать, пока космический аппарат с нужными ему данными пролетит над его земной станцией. OISL позволяет транслировать данные на геостационарный КА, откуда уже можно организовать постоянно действующий магистральный канал в любую точку зоны покрытия.
Для эффективной работы таких сетей стандартизация оптической связи и «спутник-спутник», и «спутник-Земля» может стать очень перспективной. Агентство космического развития США (SDA) уже установило особый стандарт. Но, во-первых, программы SDA ориентированы на военных, во-вторых, оговоренная стандартом скорость — 2,5 Гбит/с — не устраивает игроков рынка, т.к. технологии способны на большее. Мустафа Везироглу, генеральный директор Mynaric, уверен, что одной из основных тенденций развития станет обеспечение совместимости лазерной связи между космическими и земными оптическими терминалами (OCT) различных разработчиков. При этом Везироглу имеет хорошее представление о единственном существующем на сегодня стандарте, поскольку Mynaric — поставщик OCT головным подрядчикам по двум военным космическим программам SDA. И он уверен, что рынок потребует более актуального стандарта.
В дальнейшем для вывода на орбиту десятков тысяч аппаратов различного назначения нужны будут умные алгоритмы с использованием искусственного интеллекта маршрутизации передаваемого потока данных. Это позволит фактически вынести интернет в космос. Такие технологии уже разрабатываются и внедряются: например, Telesat заключил десятилетний договор с Aalyria Spacetime на управление потоком данных в низкоорбитальной коммуникационной системе Lightspeed.
Как компании внедряют технологию межспутниковой связи
В 2021 году SpaceX вывел на орбиту первые аппараты, оснащенные OCT. А до этого Илон Маск заявил, что лазерные каналы сообщения между КА могут сократить задержку сигнала в сети до 20 мсек.
В январе 2023 года инженер SpaceX Трэвис Брешерс на конференции SPIE Photonics West рассказал, что Starlink передает заказчикам более 42 петабайт данных в день «через 9000 лазерных терминалов». OCT могут поддерживать скорость соединения 100 Гбит/с на канал, совершают более 250 тысяч соединений в день, и по заявлению Брешерса, «достаточно надежны».
Брешерс также отметил, что лазерная система Starlink смогла соединить два спутника на расстоянии более 5400 км друг от друга. При этом канал связи проходил через атмосферу на высоте 30 км над поверхностью Земли.
OneWeb тоже не остается в стороне от этой технологии. В 2021 году исполнительный директор OneWeb Сунил Бхарти Миттал заявил, что лазерная межспутниковая связь будет реализована на КА OneWeb второго поколения.
В конце 2023 года другая компания, Amazon, протестировала оптическое межспутниковое соединение на прототипах КА Project Kuiper. Запущенные в октябре аппараты оснащены OCT и в ходе испытаний продемонстрировали передачу данных на скорости 100 Гбит/с. По результатам Amazon решила устанавливать OCT на каждый спутник группировки Kuiper. При этом компания намерена сформировать космическую сотовую систему, в которой сигнал будет передаваться на 30% быстрее, чем по наземным ВОЛС.
Telesat Lightspeed, в свою очередь, планирует многоуровневую полносвязную космическую сеть, одним из элементов которой станут лазерные межспутниковые каналы.
А Rivada планирует создание группировки из 600 аппаратов с лазерными каналами сообщения. Начало запусков запланировано на 2025 год, полное развертывание — на 2028 год. Сеть позиционируется как полносвязная, высокоскоростная и защищенная.
В 2021 году SpaceX вывел на орбиту первые аппараты, оснащенные OCT. А до этого Илон Маск заявил, что лазерные каналы сообщения между КА могут сократить задержку сигнала в сети до 20 мсек.
В январе 2023 года инженер SpaceX Трэвис Брешерс на конференции SPIE Photonics West рассказал, что Starlink передает заказчикам более 42 петабайт данных в день «через 9000 лазерных терминалов». OCT могут поддерживать скорость соединения 100 Гбит/с на канал, совершают более 250 тысяч соединений в день, и по заявлению Брешерса, «достаточно надежны».
Брешерс также отметил, что лазерная система Starlink смогла соединить два спутника на расстоянии более 5400 км друг от друга. При этом канал связи проходил через атмосферу на высоте 30 км над поверхностью Земли.
OneWeb тоже не остается в стороне от этой технологии. В 2021 году исполнительный директор OneWeb Сунил Бхарти Миттал заявил, что лазерная межспутниковая связь будет реализована на КА OneWeb второго поколения.
В конце 2023 года другая компания, Amazon, протестировала оптическое межспутниковое соединение на прототипах КА Project Kuiper. Запущенные в октябре аппараты оснащены OCT и в ходе испытаний продемонстрировали передачу данных на скорости 100 Гбит/с. По результатам Amazon решила устанавливать OCT на каждый спутник группировки Kuiper. При этом компания намерена сформировать космическую сотовую систему, в которой сигнал будет передаваться на 30% быстрее, чем по наземным ВОЛС.
Telesat Lightspeed, в свою очередь, планирует многоуровневую полносвязную космическую сеть, одним из элементов которой станут лазерные межспутниковые каналы.
А Rivada планирует создание группировки из 600 аппаратов с лазерными каналами сообщения. Начало запусков запланировано на 2025 год, полное развертывание — на 2028 год. Сеть позиционируется как полносвязная, высокоскоростная и защищенная.
16/05/2024 АНАЛИТИКА