Оптическая коммутация в космосе

Оптическая коммутация стремительно развивается в космическом пространстве. Этот вид высокоскоростной связи имеет значительный потенциал. Оптика свободного космоса (FSO) и сервисные системы обеспечивают быструю передачу пакетов сигналов для наземных, внеземных сетей. Для обслуживания связи задействованы сверхвысокие полосы пропускания. Коммуникационные каналы уже охватывают весь земной шар.

Основные преимущества

Оптические коммуникации глубокого космоса, Deep Space Optical Communications (DSOC), и околоземные кластеры обеспечивают

• высокую скорость приема-передачи;
• надежную шифровку данных;
• свободную трансляцию в любом режиме;
• пониженное энергопотребление.

По сравнению с радиочастотным диапазоном, скорость прохождения сигналов быстрее в 10-100 раз. При кодировке данных используют алгоритмы квантового шифрования. На трансляциях по оптическим каналам можно обойтись без запросов на доступ к радиочастотным диапазонам.

Оптическая связь на межпланетных космических кораблях

Специалисты NASA организовали передачу данных с космического корабля «Психея». Тестовые пакеты преодолели 16 миллионов километров (это 40-кратная дистанция между Землей и Луной). Точность фокусировки примерно соответствует попаданию лазерной указкой в монету на двухкилометровом расстоянии.

Бортовой лазерный приемопередатчик 14.11.2023 получил сигнал от лазерного целеуказателя на Тейбл-Маунтин, Калифорния, и выполнил коррекцию. После юстировки нисходящая линия связи нацелилась точно на приемную станцию, которая расположена в 130 км южнее маяка.

Технология DSOC использует более плотные, по сравнению с радиоволнами, инфракрасные пакеты. Поэтому приемопередатчики на межпланетных кораблях успешно транслируют высококачественные фото, трехмерные видео космических объектов, другую объемную информацию.

Спутниковые системы

Околоземные аппараты применяют оптические сигналы для связи

• земля-космос;
• друг с другом;
• с орбитальными станциями.

Типичная схема состоит в запуске группировки из нескольких спутников. Каждый аппарат оснащен 4 оптическими терминалами. После активации связи во всех направлениях формируется пространственная ячеистая структура.

В сети встроено резервирование мощности. При возникновении аварийных ситуаций сигналы обходят неисправные спутники. Эти кластеры обмениваются данными друг с другом, орбитальными станциями и наземными службами.

Международные кластеры спутников

К основным участникам «космической оптической гонки» относятся

• EDRS;
• Telesat Lightspeed LEO Network;
• Project Kuiper;
• Rivada Space Networks;
• SpaceX.

Низкоорбитальные группировки состоят из сети от 188 (Telesat Lightspeed LEO Network) до более 12000 (SpaceX) спутников. Например, колонии Starlink находятся на высоте 550 километров. Расчетное время задержки от спутника до телекоммуникационного шкафа равно 20 мс. Аппараты обеспечивают скорость потокового вещания 50-500 Мбит в секунду.

Инновационные технологии

Оптическое оборудование оснащено

• мощными узконаправленными лазерами;
• высокоточными оптико-механическими установками;
• фотонными интегрированными чипами (PICs);
• чувствительными детекторами.

Кодировку, расшифровку обеспечивают скоростные цифровые модули. Адаптивная, когерентная оптика компенсирует атмосферные аберрации. Переносимые, перевозимые станции, стойки 19, 21, 32 дюйма оборудованы ресиверами, опорно-поворотными установками.

Когда нужна космическая оптическая связь

Низкоорбитальные кластеры с геостационарными аппаратами подходят для трансляции данных мониторинга морских, наземных пространств, воздушных потоков. Пакеты данных поступают в метеорологические, противопожарные службы. Это важный источник информации для правительственных структур, служб безопасности. Автономные приемники устанавливают на военных летательных аппаратах.

Мобильные приемопередатчики покупают частные лица. Спутниковые комплекты необходимы в малонаселенных районах, если сложна или экономически нецелесообразна прокладка кабельных оптико-волоконных систем. По прогнозам Global Market Estimates, в стоимостном выражении рынок вырастет с 4,4 миллиардов долларов до 47,5 миллиардов долларов в 2027 году.