激光链路对于卫星中继来说是很好的,但将其带到地面却面临着巨大的挑战

本文发表于 2022年12月26日 编译自spacenews.com

卫星地面段提供商往往对地面光通信持怀疑态度。他们毫不怀疑卫星间光学链路的效用。他们只是质疑企业客户采用光学终端将以多快的速度将近地轨道卫星与地面连接起来。

“就我个人而言,我不认为光学到近地轨道真的会实现,”挪威公司康斯伯格卫星系统(Kongsberg Satellite Systems)总裁兼首席执行官罗尔夫·斯卡特博(Rolf Skatteboe)说。该公司于2020年在希腊建立了第一个商业地面站。“将有很多卫星到卫星的链接。但更有趣的是使用光通信抵达月球和更远的地方。”

Skatteboe于9月15日在巴黎举行的世界卫星商业周专题讨论会上发表了这一评论,他指出KSAT正在运营第一个商用光学地面终端。

SSC卫星管理服务总裁、小组成员尼克·普里博斯基(Nick Priborsky)表示,瑞典航天公司(Swedish Space Corp.)对光通信的采用速度也“持怀疑态度”。“尽管如此,拥有这种体验也很重要。”

SSC当天晚些时候宣布计划在西澳大利亚建立其第一个光学地面站。

政府需求

如果公司对该技术的近期前景持怀疑态度,为什么要建造光学地面站?部分原因是政府机构在买单。

SSC的光学地面终端由欧洲航天局资助。在美国,太空军的太空开发署正在花费数十亿美元购买配备光学终端的卫星,以与其他航天器以及机载和地面终端通信。

对于政府机构来说,部分诉求是安全。光信号在窄光束中传播,使得它们比射频信号更难被拦截或干扰。

航空航天公司(Aerospace Corp.)负责光通信的总工程师尚塔努·古普塔(Shantanu Gupta)表示:“你可以将RF波束发送到你想要的卫星,但在它的阴影中,还有另一颗”卫星“,会发生干扰,因为[射频]光束比光束宽1000到10000倍。”

光学链路还可以加快光学和合成孔径雷达卫星获得的大量地球观测数据从卫星到卫星以及从空间到地面的传输。

古普塔说:“传感器可以产生更多数据。如果你有更宽的管道来降低延迟,这将非常有用,因为大部分处理和计算能力仍然在地面上。”

洛克希德·马丁公司通信和网络技术高级经理朱莉·潘迪亚(Julee Pandya)表示,总体而言,光通信是“实现高数据速率连接和提供平台间弹性的一项伟大技术”。与射频通信一样,光学技术也是一种工具,可以“最大限度地满足特定客户的需求和应用”,Pandya在采访中表示。

洛克希德·马丁公司正在为航天发展局生产卫星,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学信号是否能将数据传输到太空或从太空传输出去。

日本宇宙航空研究开发机构JAXA于2006年在东京的一个地面站与其近地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测卫星上进行的月球激光通信演示将高清视频从地面发送到月球轨道。

人们也没有质疑卫星间光学链路的价值。

古普塔在一次采访中表示:“一般来说,对于卫星间链路,几乎每个人都在考虑光通信。它快到成熟的程度了。”

例如,五角大楼的太空发展局计划发射数百颗具有光学交叉链路的传输层卫星,在世界各地传输图像和数据,再加上射频和光学终端,将其发送到地面。

“一旦你把数据上传到传输层,我就可以把它移到任何需要用到的武器系统上,我就能把数据融合在一起,”SDA局长德里克·图尼尔(Derek Tournear)10月在加利福尼亚州山景市的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,有助于降低光学终端的成本。

早期的光通信演示是由政府机构驾驶定制终端进行的。近年来,公司大幅削减了光学终端的成本,并开始大规模生产,以供应卫星星座。

今年早些时候被旅行者太空公司(Voyager Space)收购的Space Micro公司的首席执行官、董事兼联合创始人大卫·查伊科夫斯基(David Czajkowski)表示:“挑战在于使终端能够以系统能够承受的经济成本和时间表生产。”Space Micro正在与太空军太空系统司令部签订合同,为其提供光学终端。

穿透地球大气层

尽管公司在经济领域取得稳步进展,但地面细分供应商指出了其他挑战。

云和雾阻挡了光信号。地球的大气层会扭曲光波,导致其强度波动。

电子元件制造商通信和电力工业公司总裁安德鲁·艾夫斯在世界卫星商业周小组会议上表示,“建立光链路并使其在没有任何移动的情况下可靠工作,这确实是一项挑战。让他们在一个闪烁的氛围中工作,当一切都有点变化,甚至在温和的天气下这都可能是一个巨大的问题。”

如果这个问题能够得到解决,光学技术“在卫星工业中有一个非常好的家”,休斯网络系统执行副总裁兼总经理保罗·盖斯补充道。“如果你看看在(高通量卫星)世界中,你需要多少容量才能连接到一颗卫星,我们将安装20个关口站或200个更小的网关站。我们这样做是因为我们无法在单个站中获得足够的比特。但如果你能让一条光链路工作,那就太好了。”

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

休斯网络系统国际部副总裁Kartik Seshadri在接受采访时表示:“我需要互联网连接到我的关口站。我需要多种多样、高可用的光纤连接到互联网。”

为了克服这一障碍,公司正在建立地理上分散的地面站网络。

霍尼韦尔小型卫星高级主管安德鲁·西兹马尔(Andrew Csizmar)在《世界卫星商业周刊》(World Satellite Business Week)上表示:“这归结为多样化。如果你有足够的地面站,你将获得所需的吞吐量,但这将是一个全球性的基础。然后,连接就是你如何将回程返回给用户。”

霍尼韦尔正在与Skyroom合作,为约克航天系统公司正在建造的空间开发局卫星提供卫星间光学链路。

处理湍流

公司正在用技术解决地球大气层造成的扭曲。

大气气流可以携带烟雾或水蒸气,干扰光波。

为了抵消大气湍流,波前传感器确定大气对光束的影响,并使用快速转向或可变形反射镜来补偿干扰。地面观测站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,并用自适应光学系统进行校正。”

展望未来,洛克希德·马丁公司正在研究解决大气湍流的非机械技术。

潘迪亚说:“我们希望远离那些难以制造和整合的东西。”。“未来将设想一种非机械解决方案,以提高某些系统的整体可靠性,同时减小尺寸、重量和功率。”

这篇文章最初发表在《太空新闻》杂志2022年11月号上,标题为“行走窄光束:激光链路对卫星中继来说很好,但将其带到地面却充满挑战。”


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