Už za pár týdnů (23. června) má do kosmického prostoru zamířit družice STPSat-6 patřící americkému ministerstvu obrany. Nás bude v rámci tohoto článku zajímat pouze jedno zařízení na její palubě, které se označuje zkratkou LCRD (Laser Communications Relay Demonstration). Jeho úkolem bude prokázat možnosti a schopnosti laserové komunikace. S tím, jak se neustále rozvíjí pilotovaná i nepilotovaná kosmonautika, mohly by budoucí mise využívat nového způsobu komunikace se Zemí. Už od počátku letů na oběžnou dráhu v 50. letech minulého století používaly družice (a později i kosmické lodě) rádiovou komunikaci k posílání dat na Zemi a přijímání pokynů opačným směrem. Laserová (též optická) komunikace tyto možnosti rozšíří o nesrovnatelně lepší možnosti.
Proč lasery?
S tím, jak se vědecké přístroje vyvinuly do současné podoby, kdy sbírají data ve vysokém rozlišení (třeba video ve 4K), potřebují kosmické mise možnost přenést tyto nasbírané údaje na Zemi. S pomocí laserů bude možné urychlit proces přenosu dat a podpořit tak větší množství objevů. Laserová komunikace má umožnit přenést na Zemi desetkrát až stokrát větší objem dat než tradiční rádiové systémy. Pro představu – s použitím současných komunikačních prostředků byste potřebovali zhruba 9 týdnů na přenos kompletní mapy Marsu na Zemi. Přes lasery by to trvalo pouze devět dní.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Laserové komunikační systémy jsou ideální pro kosmické mise, protože potřebují méně prostoru, hmotnosti i elektrické energie. Menší hmotnost znamená více místa pro vědecké přístroje a menší spotřeba elektřiny zase méně zatíží energetické systémy sondy. To vše jsou velmi důležité důvody, které hrají roli při návrzích a rozpracování konceptů misí. „LCRD prokáže všechny výhody používání laserových systémů a umožní nám naučit se, jak je nejlépe využívat v ostrém provozu,“ říká David Israel, hlavní vědecký pracovník přístroje LCRD z Goddardova střediska v marylandském Greenbeltu a dodává: „Když tyto schopnosti podrobněji prověříme, budeme moci začít implementovat laserovou komunikaci do více misí – uděláme z ní standardní způsob, jak posílat a přijímat data.“
Zdroj: https://www.nasa.gov
Jak to funguje?
Rádiové vlny i infračervené záření jsou elektromagnetické záření – liší se jen vlnovou délkou a tím pádem i umístěním v elektromagnetickém spektru. Stejně jako rádiové vlny, je i infračervené záření neviditelné pro lidské oko, ale každý den s ním přicházíme do styku – ať už jde o dálkové ovládání k televizi nebo o tepelný zářič. Kosmické sondy modulují svá data do elektromagnetických signálů, které cestují kosmickým prostorem mezi sondou a pozemní stanicí. V průběhu cesty se komunikační svazek rozšiřuje.
Infračervené záření se od rádiových vln liší tím, že data jsou uloženy do mnohem těsnějších vln. To znamená, že pozemní stanice dokáže v jednu chvíli přijmout více dat. Ačkoliv tedy laserová komunikace není rychlejší, je možné během jednoho spojení přenést více dat. Laserové komunikační terminály v kosmickém prostoru využijí užší svazek než rádiové vlny, což se hodí k minimalizaci rušení, ale také pro drastické zmenšení oblasti, na které někdo může zachytit komunikační přenos. Teleskop pro laserovou komunikaci musí být v době přenosu na vzdálenost tisíců či milionů kilometrů naprosto přesně orientován na pozemní stanici. Dokonce i odchylka drobného zlomku stupně může způsobit, že laser úplně mine svůj cíl. Inženýři z NASA se proto museli zaměřit na to, aby bylo možné dosáhnout přesnosti nutné ke spojení.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Laser Communications Relay Demonstration
Zařízení LCRD bude umístěno na geostacionární dráze, odkud bude moci podporovat mise v okolí Země. První dva roky budou věnovány testování laserové komunikace a jejím možnostem. Připraveno je velké množství experimentů, které mají dále zpřesnit související technologie a zlepšit znalosti inženýrů pro potenciální budoucí aplikace.
Prvotní experimentální fáze LCRD využije pozemních stanic v Kalifornii a na Havaji – Optical Ground Station 1 a 2 budou simulovat uživatele. To umožní NASA vyhodnotit účinky atmosférického rušení laserů a také se vyzkouší proces přepojení z jednoho uživatele na jiného. Po této experimentální fázi přejde LCRD do fáze podpory kosmických misí. Jeho úkolem bude posílat a přijímat data od družic pomocí laserů, aby bylo možné prokázat výhody laserové komunikace.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Prvním kosmickým zákazníkem systému LCRD bude přístroj ILLUMA-T (Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal), který chce NASA v roce 2022 dopravit na ISS. Tento terminál má sbírat data z experimentů a přístrojů na palubě stanice a rychlostí 1,2 gigabitů za sekundu je odešle na zařízení LCRD. Přístroj LCRD pak data stejnou rychlostí odešle na Zemi.
Zmíněné systémy LCRD a ILLUMA-T naváží na přelomový experiment Lunar Laser Communications Demonstration, při kterém se podařilo přenést laserem data rychlostí 622 megabitů za sekundu. Tehdy se prokázaly schopnosti laserových přenosů od Měsíce. NASA má momentálně v různé fázi rozpracování několik dalších misí, které mají využívat laserovou komunikaci. Každá z těchto misí rozšíří naše znalosti o výhodách i výzvách laserové komunikace a pomůže standardizovat tuto technologii.
Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/
Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/image_for_lcrd_feature_one.jpg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/lcrd_beautyshots_sh4_final_v01.01044_print.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/nasa_fy_2019_budget_overview.pdf
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gsfc_20200117_lcrd_00507.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/illumat.png
Dovolil bych si vysvětlit výhody laseru trochu jiným způsobem. Nejde tu o to, jak jsou vlny „natěsnány“, nejde o frekvenci, vlnovou délku, respektive „barvu“ laseru (který může být infračervený stejně jako řeba modrý nebo UV).
To oč tu běží je tzv. divergence, čili to, že laser vytváří velmi úzký „kužel“ záření, typicky jsou to nějaké setiny stupně. Což je sice zmíněno, ale zaslouží si to více slávy. S radiovými frekvencemi se to nedá vůbec srovnávat, tam je ten kužel širší, a to řádově. Klidně i 100x. V takovém případě se vysílaná energie (v jakékoli konkrétní vzdálenosti) rozloží na 10000x větší plochu.
Přijímačem obou „konkurenčních“ datových spojů je radioteleskop, vs. optický teleskop (vybavený rychlým fotodetektorem, filtrem atd.) Je třeba přiznat, že radioteleskop má jisté výhody – umíme ho vyrobit veliký, takže polapí více energie, a funguje přes mraky – čímž se část výhody laseru vyruší, ale laser i tak zůstává favoritem. U rádiového spojení platí, že čím lepší má být směrovost, tím větší musí být anténa. Ta má potom obvykle takový rozměr, aby se vešla do aerodynamického krytu. Proti tomu laser zabírá zanedbatelné místo. To znamená, že pokud se budou zmenšovat průzkumné sondy pro výzkum komet, asteroidů atd. tak právě laser umožní jejich miniaturizaci, klidně až na rozměry cubesatů. A s tím může přijít jejich sériová výroba, nízké ceny a možnost „mapování“ stovek a tisíců těchto těles. Bez laseru by to nebylo reálné.
O vlnovou délku jde také (Nyquistův–Shannonův vzorkovací teorém). V případě světelného signálu je teoretické omezení přenosové rychlosti ve stovkách terabitů za sekundu. To sice zatím zdaleka technicky nerealizovatelné, ale i tak je možné přenést více informací než na gigaherzových vlnách. Výhoda menšího rozptylu a tedy buď šetření energií na straně vysílače nebo zvýšení odstupu signálu od šumu na straně příjímače (a tedy možnost použít kódování s menší redundancí) je výhoda, která výrazně převažuje.
U laseru je nevýhoda na straně přijímače. Teleskop pro zachycení světelného signálu musí být pevné zrcadlo a tam může být u sond problém s velikostí i hmotností. Navíc musí být stíněné, aby se do něj nedostalo třeba odražené světlo ze zkoumaného objektu nebo nebyl snímač zničen slunečním světlem. Anténa oproti tomu může být lehká a rozkládací a jak víme z konstrukcí špionážních satelitů, je možné vytvořit opravdu velkou drátěnou síť. Nicméně běžná průzkumná sonda během komunikace se Zemí mnohem více dat vysílá než přijímá, tak může být zajímavé hybridní řešení, kdy pro vysokorychlostní přenos dat na Zemi, použije laser a pro příjem a jako zálohu laserového vysílače rádiovou anténu.
Díky moc Vám oběma za velmi zajímavé doplňující informace.
A jak vychází porovnání s evropským EDRS? Trochu jsem čekal, že bude v článku zmíněn i z hlediska provozních zkušeností apod., přece jen už je na oběžné dráze nějaký ten rok. Pokud se dobře pamatuji, tak měla ESA a NASA dohodu o tom kdo vyrobí jaké testovací zařízení pro laserovou komunikace (satelit-satelit, satelit-Země, hluboký vesmír-satelit, hluboký vesmír-Země) nebo se pletu?