激光链路非常适合卫星中继,但将其带到地面也充满挑战

专家列举光通信的挑战和机遇

卫星地面段供应商往往对地面光通信持怀疑态度。

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他们并不怀疑光学星际链路的实用性。

他们只是质疑企业客户采用光学终端将近地轨道卫星与地面连接起来的速度有多快。

“就我个人而言,我认为光学到近地轨道不会真正实现,”挪威公司 Kongsberg Satellite Systems 总裁兼首席执行官 Rolf Skatteboe 说,该公司于 2020 年在希腊建立了第一个商业地面站。“将会有有很多卫星到卫星的链接。 但更有趣的是对月球及更远地区的光学。”

Skatteboe 于 9 月 15 日在巴黎举行的世界卫星商业周小组讨论会上发表了上述评测,他指出 KSAT 正在运营第一个商业光学地面终端。

SSC 卫星管理服务总裁 Nick Priborsky 表示,瑞典航天公司对光通信的采用速度“也持怀疑态度”。 “尽管如此,获得这种经验也很重要。”

SSC 当天晚些时候宣布了在西澳大利亚建立第一个光学地面站的计划。

政府需求

如果公司对这项技术的近期前景持怀疑态度,为什么还要建造光学地面站? 部分原因是政府机构正在买单。

SSC 的光学地面终端由欧洲航天局资助。 在美国,太空部队的太空发展局正在花费数十亿美元购买配备光学终端的卫星,以便与其他航天器以及机载和地面终端进行通信。

对于政府机构来说,部分吸引力在于安全。 光信号在窄光束中传播,这使得它们比射频信号更难拦截或干扰。

Aerospace Corp. 光通信总工程师 Shantanu Gupta 说:“你可以将 RF 波束发送到你想要发送的卫星,但在它后面的阴影中还有另一颗”卫星。 “干扰会发生,因为 [RF] 光束比光束宽 1,000 到 10,000 倍。”

光链路还可以加快光学和合成孔径雷达卫星获得的海量地球观测数据在卫星之间以及从太空到地面的传输。

Nick Priborsky,SSC 卫星管理服务总裁。 图片来源:2022 年世界卫星商业周

“你正处于传感器可以生成更多数据的时刻,”古普塔说。 “如果你有粗管道以低延迟降低它,那将非常有用,因为大部分处理和计算能力仍然在地面上。”

总的来说,光通信是“一项伟大的技术,可以实现高数据速率连接并在平台之间提供弹性,”洛克希德马丁公司通信和网络技术高级经理 Julee Pandya 说。 Pandya 在接受采访时说,与 RF 通信一样,光学技术是可以“最大限度地满足特定客户需求和应用的利益”的工具。

洛克希德马丁公司正在为空间发展局生产卫星,这些卫星配备了空中客车美国子公司 Tesat-Spacecom 提供的光学终端。

代价是什么?

怀疑论者并不怀疑光信号能否在太空中传输数据。

日本航天局 JAXA 于 2006 年在东京的一个地面站与其低地球轨道光学轨道间工程测试卫星之间建立了一条光学链路。 2013 年,美国宇航局在月球大气和尘埃环境探索者卫星上进行的月球激光通信演示从地面向月球轨道发送了高清视频。

人们也没有质疑光学星际链路的价值。

“一般来说,对于星间链路,几乎每个人都在考虑光学,”古普塔在接受采访时说。 “它快要成熟了。”

五角大楼的太空发展局,为 example,计划发射数百颗具有光学交联的传输层卫星,以在全球范围内传输图像和数据,并通过射频和光学终端将它们发送到地面。

“一旦你将数据放到传输层上,我就可以将它移动到它需要去的任何武器系统,我可以融合数据,”SDA 主任 Derek Tournear 于 10 月在加利福尼亚州山景城举行的 MilSat 研讨会上说。

SDA 对光学技术的信任投票加上该机构的购买力正在帮助降低光学终端的成本。

早期的光通信演示是由政府机构使用定制终端进行的。 近年来,公司削减了光学终端的成本,并建立了大规模制造来供应卫星星座。

Space Micro 的首席执行官、董事兼联合创始人 David Czajkowski 说:“挑战在于怎样以系统能够承受的经济成本和时间表生产终端。”该公司于今年早些时候被 Voyager Space 收购。 Space Micro 根据合同向太空部队太空系统司令部提供光学终端。

穿透地球大气层

虽然公司在经济方面取得稳步进展,但地面段供应商指出了其他挑战。

云和雾会阻挡光信号。 地球的大气层扭曲了光波,导致其强度波动。

激光链路非常适合卫星中继,但将其带到地面也充满挑战 1希腊的 KSAT 光学地面站。 学分:KSAT

电子元件制造商 Communications and Power Industries 总裁安德鲁·艾弗斯 (Andrew Ivers) 在世界卫星商业周的座谈会上表示,让光链路“在没有任何移动的情况下建立并让它们可靠地工作确实具有挑战性”。 “让他们在闪烁的气氛中工作,当一切都在一点点移动,甚至天气温和时,可能是一个大问题。”

如果这个问题能够得到解决,那么光学技术“在卫星行业拥有一个非常非常好的家,”休斯网络系统公司执行副总裁兼总经理保罗加斯克补充道。 “如果你看看你需要多少容量才能到达卫星 [high-throughput satellite] world,我们将放置 20 个网关或 200 个更小的网关。 我们这样做是因为我们无法在单个流中获得足够的位。 但如果你能让光链路正常工作,那就太好了。”

为了减轻天气的影响,组织会为光学地面站寻找阳光充足的地方或山顶。 不幸的是,这些站点并不总是提供必要的地面基础设施。

“我需要互联网连接到我的网关,”休斯网络系统国际部副总裁 Kartik Seshadri 在接受采访时说。 “我需要多样化、高度可用的光纤连接到互联网。”

为了清除这个障碍,公司正在建立地理上分散的地面站网络。

“这归结为多元化,”霍尼韦尔小卫星高级总监安德鲁·奇兹马尔 (Andrew Csizmar) 在世界卫星商业周上表示。 “如果你有足够多的地面站,你将获得所需的吞吐量,但这将在全球范围内进行。 那么连接性就是关于怎样将回程返回给用户。”

霍尼韦尔正在与 Skyloom 合作,为 York Space Systems 正在建造的航天发展局卫星提供星间光学链路。

应对动荡

公司正在利用技术解决地球大气层造成的扭曲问题。

大气气流可以携带干扰光波的烟雾或水蒸气。

激光链路非常适合卫星中继,但将其带到地面也充满挑战 2Andrew Ivers,通信和电力行业总裁。 图片来源:2022 年世界卫星商业周

为了抵消大气湍流,波前传感器确定大气对光束的影响,并采用快速转向或可变形镜来补偿干扰。 地面天文台采用类似的技术来提高航天图像的质量。

“这是一个控制回路,”古普塔说。 “你能感觉到它并用自适应光学技术纠正它。”

展望未来,洛克希德马丁公司正在研究解决大气湍流问题的非机械技术。

“我们希望摆脱那些难以制造和集成的东西,”Pandya 说。 “未来设想了一种非机械解决方案,以提高其中一些系统的整体可靠性,并减小尺寸、重量和功率。”

这篇文章最初发表在 2022 年 11 月号的 SpaceNews 杂志上,标题为“走窄波束:激光链路非常适合卫星中继,但将其带到地面的挑战比比皆是。”