來自NASA、MIT和其他機構的一組研究人員實現了迄今為止最快的空地激光通信鏈路，比去年創下的紀錄翻了一番。在每秒200千兆比特的數據速率下，一顆衛星可以在地面站上傳輸超過2兆字節的數據，大約相當于1000部高清電影。

NASA太空通信和導航項目的航空航天工程師Jason Mitchell說：“這一影響深遠，因為簡單地說，更多的數據意味著更多的發現。”

新的通信鏈路是通過在地球表面上方約530公里的軌道上運行的TeraByte紅外發射（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）系統實現的。TBIRD于去年5月發射到太空，截至去年6月，它在加利福尼亞州的地面接收器實現了高達100 Gb/s的下行鏈路速率。這是大多數城市最快網速的100倍，也是傳統上用于與衛星通信的無線電鏈路的1000多倍。

地球上速度最快的數據網絡通常依靠光纖上的激光通信。然而，目前還不存在用于衛星的高速激光互聯網。相反，航天機構和商業衛星運營商最常用無線電與太空中的物體進行通信。激光通信可以使用的紅外光具有比無線電波高得多的頻率，從而實現更高的數據速率。

航天工程師、麻省理工學院林肯實驗室TBIRD團隊的工作人員Kat Riesing說：“目前軌道上的衛星受到其能夠下行鏈路的數據量的限制，隨著更多能力的衛星的發射，這一趨勢只會增加。由于下行鏈路速率的限制，即使是國際空間站上的高光譜成像儀HISUI也必須通過貨船上的存儲驅動器將數據發送回地球。TBIRD是收集地球氣候和資源重要數據的任務以及黑洞成像等天體物理學應用的重要推動者?！?/p>

麻省理工學院林肯實驗室于2014年將TBIRD設想為一種低成本、高速的航天器數據訪問方式。它減少開支的一個關鍵方法是使用最初為地面用途開發的商用現成組件。Riesing說，其中包括為光纖通信開發的高速率光學調制解調器和用于保存數據的高速大容量存儲。

TBIRD位于NASA的探路者技術演示者3號（PTD-3）衛星上，于2022年5月25日在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地執行SpaceX公司的“Transporter-5”拼車任務時被送入軌道。PTD-3衛星是一顆大約12公斤重的立方體衛星，大約有兩個堆疊的麥片盒大小，其TBIRD有效載荷不大于平均的紙巾盒。Mitchell說：“工業界對小型、低功耗、高數據率光學收發器的追求使我們能夠實現即使適用于小型衛星的緊湊外形。”

TBIRD的發展面臨著諸多挑戰。首先，地面組件并不是為了經受發射到太空和在太空中運行的嚴酷考驗而設計的。例如，在模擬設備在太空中可能面臨的極端溫度的熱測試期間，光信號放大器中的光纖熔化了。

問題是，當按原計劃使用時，大氣可以通過對流幫助冷卻放大器。在真空模擬空間中進行測試時，放大器產生的熱量被吸收。為了解決這個問題，研究人員與放大器的供應商合作對其進行了修改，使其通過傳導來釋放熱量。

此外，從太空到地球的激光束可能會因大氣影響和天氣條件而失真。這會導致波束的功率損失，進而導致數據丟失。

作為補償，科學家們開發了他們自己的自動重復請求(ARQ)版本，這是一種用于控制通信鏈路上數據傳輸錯誤的協議。在這種安排中，地面終端使用低速率上行鏈路信號來讓衛星知道它必須重新發送已經丟失或損壞的任何數據塊或幀。新協議允許地面站告訴衛星它正確接收到了哪些幀，這樣衛星就知道應該重新發送哪些幀，而不必浪費時間發送數據。

科學家們面臨的另一個挑戰源于激光是如何形成比無線電傳輸窄得多的光束的。為了成功地傳輸數據，這些波束必須精確地對準它們的接收器。這通常是通過將激光器安裝在萬向架上來實現的。然而，由于TBIRD體積小，它反而操縱攜帶它的CubeSat 將其指向地面，使用它接收到的任何誤差信號來糾正衛星的方向。這種無萬向架的策略還有助于進一步縮小TBIRD，使其發射成本更低。

Riesing說，TBIRD的架構可以通過波長分離支持多個信道，從而實現更高的數據速率。她解釋說，這就是TBIRD如何在4月28日通過使用兩個100 Gb/s信道實現200 Gb/s下行鏈路的。Riesing指出：“如果該鏈接旨在支持未來的任務，那么它可以進一步擴展?！?/p>

研究團隊的下一步是探索在即將到來的任務中應用這項技術的地方。Riesing說：“這項技術對科學任務特別有用，在那里收集大量數據可以帶來顯著的好處。由此實現的一個任務概念是Event Horizon Explorer任務，它將擴展Event Horizon Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激動人心的工作?！?/p>

Riesing說，科學家們還想探索如何將這項技術擴展到不同的場景，例如地球靜止軌道。此外，Mitchell說，他們正在尋找將TBIRD的能力推向月球的方法，以支持未來在那里的任務。Mitchell表示，正在考慮的速率在1到5 Gb/s的范圍內，這“可能看起來沒有太大的改善，但請記住，月球距離地球大約40萬公里，這是一個相當長的距離”。

這項新技術還可能用于地面的高速大氣數據鏈路。Riesing說：“例如，從一棟建筑到另一棟建筑，或者穿過不適宜居住的地形，比如從山頂到山頂，鋪設光纖系統的成本可能過高?！?/p>

審核編輯：劉清