La comunicación láser en el espacio es el uso de la comunicación óptica en el espacio libre en el espacio exterior . La comunicación puede ser completamente en el espacio (un enlace láser entre satélites ) o en una aplicación de tierra a satélite o de satélite a tierra. La principal ventaja de utilizar la comunicación láser sobre ondas de radio es un mayor ancho de banda , lo que permite la transferencia de más datos en menos tiempo.
En el espacio ultraterrestre, el rango de comunicación de la comunicación óptica en el espacio libre [1] es actualmente del orden de varios miles de kilómetros, [2] adecuado para el servicio entre satélites . Tiene el potencial de salvar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz . [3]
Demostraciones y pruebas
Antes de 1990
El 20 de enero de 1968, la cámara de televisión del módulo de aterrizaje lunar Surveyor 7 detectó con éxito dos láseres de argón del Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona y el Observatorio Table Mountain en Wrightwood, California . [4]
1991-2000
En 1992, la sonda Galileo demostró ser una detección unidireccional exitosa de la luz láser de la Tierra, ya que la sonda exterior vio dos láseres terrestres desde 6 millones de kilómetros. [5]
El primer éxito de enlace láser-comunicación desde el espacio se llevó a cabo por Japón en 1995 entre el satélite ETS-VI GEO de la JAXA y el 1,5-m NICT ' s estación de tierra óptico en Tokio (Japón) el logro de 1 Mbit / s. [6]
2001-2010
En noviembre de 2001, el satélite Artemis de la Agencia Espacial Europea logró el primer enlace entre satélites láser del mundo en el espacio , proporcionando un enlace de transmisión óptica de datos con el satélite de observación de la Tierra del CNES SPOT 4 . [7]
En mayo de 2005, el instrumento altímetro láser Mercury a bordo de la nave espacial MESSENGER estableció un récord de comunicación bidireccional . Este láser de neodimio infrarrojo bombeado por diodos , diseñado como un altímetro láser para una misión en órbita de Mercurio, pudo comunicarse a una distancia de 24 millones de kilómetros (15 millones de millas), mientras la nave se acercaba a la Tierra en un sobrevuelo. [8]
En 2006, Japón llevó a cabo el primer enlace descendente de comunicación láser LEO a tierra desde el satélite OICETS LEO de JAXA y la estación terrestre óptica de NICT. [9]
En 2008, la ESA utilizó tecnología de comunicación láser diseñada para transmitir 1,8 Gbit / s a lo largo de 45 000 km, la distancia de un enlace LEO - GEO . Dicho terminal se probó con éxito durante una verificación en órbita utilizando el satélite de radar alemán TerraSAR-X y el satélite estadounidense NFIRE . Los dos terminales de comunicación láser (LCT) [10] utilizados durante estas pruebas fueron construidos por la empresa alemana Tesat-Spacecom [11] en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). [12]
2011-2020
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para transmitir una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter a aproximadamente 390.000 km (240.000 millas) de distancia. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al utilizado en los CD. [13]
En septiembre de 2013, un sistema de comunicación láser fue uno de los cuatro instrumentos científicos lanzados con la misión Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) de la NASA. Después de un tránsito de un mes a la Luna y un control de la nave espacial de 40 días, los experimentos de comunicaciones láser se realizaron durante tres meses a finales de 2013 y principios de 2014. [14] Los datos iniciales regresaron del equipo de demostración de comunicación láser lunar (LLCD) en LADEE estableció un récord de ancho de banda de comunicaciones espaciales en octubre de 2013 cuando las primeras pruebas que utilizaron un rayo láser pulsado para transmitir datos sobre los 385.000 km (239.000 millas) entre la Luna y la Tierra pasaron datos a una " velocidad récord de descarga de 622 megabits por segundo ( Mbps ) ", [15] y también demostró una velocidad de carga de datos sin errores de 20 Mbit / s desde una estación terrestre a LADEE en órbita lunar . El LLCD es el primer intento de la NASA de comunicación espacial bidireccional utilizando un láser óptico en lugar de ondas de radio , y se espera que conduzca a sistemas láser operativos en los satélites de la NASA en los próximos años. [15]
En noviembre de 2013, se demostró con éxito por primera vez la comunicación láser desde una plataforma a reacción Tornado . Se utilizó un terminal láser de la empresa alemana Mynaric (anteriormente ViaLight Communications) para transmitir datos a una velocidad de 1 Gbit / s en una distancia de 60 km y a una velocidad de vuelo de 800 km / h. Los desafíos adicionales en este escenario fueron las maniobras de vuelo rápidas, las fuertes vibraciones y los efectos de la turbulencia atmosférica. La demostración fue financiada por EADS Cassidian Alemania y se realizó en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán DLR . [16] [17] [18]
En noviembre de 2014, se llevó a cabo el primer uso de comunicación basada en láser gigabit como parte del Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS). [19] En 2014 se llevaron a cabo más demostraciones del sistema y del servicio operativo. Los datos del satélite EU Sentinel-1A en LEO se transmitieron a través de un enlace óptico a la ESA-Inmarsat Alphasat en GEO y luego se transmitieron a una estación terrestre utilizando un Ka convencional -enlace descendente de banda. El nuevo sistema puede ofrecer velocidades de hasta 7,2 Gbit / s. [20] El terminal láser en Alphasat se llama TDP-1 y todavía se usa regularmente para pruebas. El primer terminal EDRS (EDRS-A) para uso productivo se lanzó como carga útil en la nave espacial Eutelsat EB9B y se activó en diciembre de 2016. [21] Descarga de forma rutinaria datos de gran volumen de Sentinel 1A / B y Sentinel 2A / Nave espacial B a tierra. Hasta el momento (abril de 2019) se han realizado más de 20000 enlaces (11 PBit). [22]
En diciembre de 2014, OPALS de la NASA anunció un gran avance en la comunicación láser espacio-tierra, descargando a una velocidad de 400 megabits por segundo. El sistema también puede volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se pierde debido a la nubosidad. [23] El experimento OPALS se lanzó el 18 de abril de 2014 en la ISS para seguir probando el potencial de utilizar un láser para transmitir datos a la Tierra desde el espacio. [24]
La primera demostración de lasercom de LEO a tierra utilizando un microsatélite ( SÓCRATES ) fue realizada por NICT en 2014, [25] y los primeros experimentos cuánticos limitados desde el espacio se realizaron utilizando el mismo satélite en 2016. [26]
En febrero de 2016, Google X anunció que había logrado una conexión de comunicación láser estable entre dos globos estratosféricos a una distancia de 100 km (62 millas) como parte del Proyecto Loon . La conexión se mantuvo estable durante muchas horas y durante el día y la noche y alcanzó una velocidad de datos de 155 Mbit / s. [27]
En junio de 2018, se informó que el Laboratorio de conectividad de Facebook (relacionado con Facebook Aquila ) había logrado una conexión aire-tierra bidireccional de 10 Gbit / s en colaboración con Mynaric . Las pruebas se llevaron a cabo desde un avión Cessna convencional a una distancia de 9 km hasta la estación óptica en tierra. Si bien el escenario de prueba tenía peores vibraciones de plataforma, turbulencia atmosférica y perfiles de velocidad angular que una plataforma objetivo estratosférica, el enlace ascendente funcionó a la perfección y logró un rendimiento del 100% en todo momento. El rendimiento del enlace descendente ocasionalmente se redujo a aproximadamente el 96% debido a un parámetro de software no ideal que se decía que se podía arreglar fácilmente. [28]
En abril de 2020, el Small Optical Link para la Estación Espacial Internacional (SOLISS) creado por JAXA y Sony Computer Science Laboratories, estableció una comunicación bidireccional entre la Estación Espacial Internacional y un telescopio del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones de Japón. [29]
El 29 de noviembre de 2020, Japón lanzó el satélite de órbita geoestacionaria de retransmisión de datos ópticos entre satélites con tecnología de comunicación por láser de alta velocidad, denominado LUCAS (Sistema de comunicación por láser). [30] [31]
2021-presente
En junio de 2021, la Agencia de Desarrollo Espacial de EE. UU. Planea lanzar dos cubosats de 12U a bordo de una misión de viaje compartido SpaceX Falcon 9 a una órbita sincrónica con el sol . Se espera que la misión demuestre los enlaces de comunicación láser entre los satélites y un MQ-9 Reaper controlado de forma remota . [32]
Misiones futuras
En abril de 2021, la demostración de relé de comunicaciones láser de la NASA debería lanzarse como parte de la USAF STP-3 , para las comunicaciones entre GEO y la superficie de la Tierra.
Las comunicaciones láser en el espacio profundo se probarán en la misión Psyche al asteroide del cinturón principal 16 Psyche , cuyo lanzamiento está previsto para 2022. [33] El sistema se llama Deep Space Optical Communications , [34] y se espera que aumente el rendimiento de las comunicaciones de la nave espacial. y eficiencia de 10 a 100 veces más que los medios convencionales. [34] [33]
El NICT de Japón demostrará en 2022 el enlace lasercom bidireccional más rápido entre la órbita GEO y el suelo a 10 Gbit / s mediante el uso del terminal lasercom HICALI (comunicación de alta velocidad con instrumentos láser avanzados) a bordo del ETS-9 (satélite de pruebas de ingeniería IX). ) satélite, [35] así como el primer enlace entre satélites a la misma alta velocidad entre un CubeSat en LEO y HICALI en GEO un año después. [36]
Uso comercial
Corporaciones como SpaceX , Facebook y Google y una serie de nuevas empresas están persiguiendo varios conceptos basados en la tecnología de comunicación láser. Las aplicaciones comerciales más prometedoras se pueden encontrar en la interconexión de satélites o plataformas de gran altitud para construir redes troncales ópticas de alto rendimiento . Otras aplicaciones incluyen la transmisión de grandes cantidades de datos directamente desde un satélite , avión o vehículo aéreo no tripulado (UAV) a tierra. [37]
Operadores
Varias empresas quieren utilizar la comunicación láser en el espacio para constelaciones de satélites en órbita terrestre baja para proporcionar acceso global a Internet de alta velocidad. Se persiguen conceptos similares para las redes de aeronaves y plataformas estratosféricas.
Proyecto | Concepto de proyecto | Ambiente | Guión | Velocidad de datos | Proveedor | Estado |
---|---|---|---|---|---|---|
Sistema europeo de retransmisión de datos (EDRS) [a] | Retransmisión de datos a satélites GEO desde satélites de observación de la Tierra LEO y para misiones de inteligencia, vigilancia y reconocimiento | GEO , LEO | Espacio-a-espacio | 1,8 Gbit / s | Tesat-Spacecom [38] | Operacional |
Arquitectura espacial de defensa nacional SDA | Constelación de LEO proliferada que consta de múltiples capas que atienden las necesidades del Departamento de Defensa de EE. UU. [39] | LEÓN | Espacio-a-espacio | Desarrollo | ||
Blackjack DARPA | Esfuerzos de reducción de riesgos para probar la viabilidad de las nuevas capacidades espaciales militares proporcionadas por las constelaciones comerciales emergentes de LEO [39] | LEÓN | Espacio-a-espacio | Mynaric [40] , SA Fotónica [41] | Desarrollo | |
Comunicaciones de luz láser | Constelación de satélites para telecomunicaciones globales que construyen una red troncal óptica en el espacio | MEO | Espacio a espacio, espacio a tierra | 100 Gbit / s [42] | Ball Aerospace & Technologies [43] | Desarrollo |
WarpHub InterSat | Relé de datos entre satélites para satélites de observación de la Tierra LEO, la comunicación espacio-tierra utiliza RF. | MEO | Espacio-a-espacio | 1 Gbit / s [44] | Desarrollo | |
BridgeComm [45] | Datos directos aguas abajo de los satélites de observación de la Tierra LEO al suelo | LEÓN | Espacio a tierra | 1 Gbit / s | Tecnología de satélite de Surrey [46] | Desarrollo |
Constelación de nubes | Almacenamiento seguro de datos en satélites y conexiones intercontinentales seguras | LEÓN | Espacio-a-espacio | Mynaric [47] | Desarrollo | |
EOS SpaceLink | Servicios de retransmisión de datos de MEO para satélites LEO | MEO , LEO | Espacio-a-espacio | Mynaric [48] | Desarrollo | |
LeoSat | Megaconstelación de satélites para telecomunicaciones globales | LEÓN | Espacio-a-espacio | Thales Alenia Space [49] | Terminado [50] | |
Starlink | Megaconstelación de satélites para telecomunicaciones globales | LEÓN | Espacio-a-espacio | SpaceX / Starlink | Prueba [51] [52] | |
OneWeb Gen Two [53] | Megaconstelación de satélites para telecomunicaciones globales | LEÓN | Espacio-a-espacio | Desarrollo | ||
Constelación Telesat LEO | Megaconstelación de satélites para telecomunicaciones globales | LEÓN | Espacio-a-espacio | Desarrollo | ||
Espacio analítico [54] | Red de retransmisión de datos óptica / RF híbrida en el espacio para satélites de observación de la Tierra | LEÓN | Espacio a tierra | Desarrollo | ||
Google Loon [27] | Telecomunicaciones para áreas rurales y remotas proporcionadas por una red de globos estratosféricos | Estratosfera | Aire-aire | 0,155 Gbit / s | Terminado | |
Facebook Aquila [55] | Telecomunicaciones para zonas rurales y remotas proporcionadas por una red de plataformas a gran altitud | Estratosfera | Aire-aire, aire-tierra | 10 Gbit / s | Mynaric [28] | Terminado |
- ^ EDRS es una asociación público-privada entre Airbus y la Agencia Espacial Europea .
Proveedores
Un mercado sustancial para equipos de comunicación láser puede establecerse cuando estos proyectos se realicen por completo. [56] Los nuevos avances de los proveedores de equipos permiten las comunicaciones láser al tiempo que reducen el costo. La modulación del haz se está refinando, al igual que su software y cardanes. Se han abordado los problemas de enfriamiento y la tecnología de detección de fotones está mejorando. [ cita requerida ] Las empresas notables actualmente activas en el mercado incluyen:
Empresa | Estado del producto |
---|---|
Ball Aerospace y Honeywell [57] [1] | en desarrollo |
Agencia Espacial Ecuatoriana [58] [59] [6] | TRL9 - en producción |
Hensoldt [2] | |
Innovaciones LGS [60] | |
Mynaric [3] | |
Sony [61] | en desarrollo |
Tecnología satelital de Surrey | en desarrollo |
Tesat-Spacecom % 5B4% 5D | en producción |
Thales Alenia Space | |
Transcelestial [62] [5] | en desarrollo |
Mostcom JSC | en desarrollo |
Comunicaciones seguras
Se han propuesto comunicaciones seguras utilizando un interferómetro de ranura en N láser donde la señal del láser toma la forma de un patrón interferométrico, y cualquier intento de interceptar la señal provoca el colapso del patrón interferométrico. [63] [64] Esta técnica utiliza poblaciones de fotones indistinguibles [63] y se ha demostrado que funciona en distancias de propagación de interés práctico [65] y, en principio, podría aplicarse a grandes distancias en el espacio. [63]
Suponiendo la tecnología láser disponible y teniendo en cuenta la divergencia de las señales interferométricas, se ha estimado que el alcance de las comunicaciones de satélite a satélite es de aproximadamente 2.000 km. [66] Estas estimaciones son aplicables a una serie de satélites que orbitan la Tierra. Para los vehículos espaciales o las estaciones espaciales, se estima que el alcance de las comunicaciones aumentará hasta los 10.000 km. [66] Este enfoque para asegurar las comunicaciones espacio-espacio fue seleccionado por Laser Focus World como uno de los principales desarrollos fotónicos de 2015. [67]
Ver también
- Sistema de retransmisión de datos europeo
- Demostración de comunicación láser lunar , probada en octubre / noviembre de 2013
- Demostración de relé de comunicaciones láser : proyecto de la NASA, que se lanzará en 2021
- Constelación de satélites
- Demostración de comunicación láser de Mars
- Carga óptica óptica para Lasercomm Science : prueba de comunicaciones ópticas en 2014 entre la Tierra y la ISS (OPALS)
- Comunicaciones ópticas del espacio profundo : demostración para volar en la nave espacial Psyche en 2022
Referencias
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