The Data Deluge and the Limits of Current Space Communications

إن وصول الإنسان إلى النظام الشمسي يولد قدراً غير مسبوق من البيانات العلمية، بينما يبث تلسكوب جيمس ويب الصور الفائقة الأطياف، ويرسم المريخون الكوكب في شكل مقياس فرعي، وترمي البعثات المقبلة إلى إعادة العينات من سطح المريخ، ومع ذلك فإن القدرة على إرسال هذه البيانات إلى الأرض لا تزال تشكل عقبة خطيرة.

ويتيح الاتصال البديل، المعروف أيضا بالاتصالات الليزرية أو الليزركوم، مسارا مباشرا لسد هذه الفجوة، إذ يمكن للمهندسين، من خلال التحول من الموجات اللاسلكية إلى الضوء الليزري شبه المزود بالأشعة، أن يحشدوا ترددات أكبر بكثير من الناقلات لنقل البيانات بمعدلات تتراوح بين 10 و 100 مرة أكثر من أحدث النظم القائمة على الترددات، باستخدام معدات أصغر وأقصر، وهذا التحول المعماري ليس مجرد تحديث أساسي.

مؤسسة الترددات الراديوية وزراعتها المتنامية

وتعتمد الاتصالات الفضائية العميقة الحالية اعتمادا كبيرا على الهوائيات الأرضية القوية والمرسلات التي تستخدمها المركبات الفضائية ذات التصميم العرفي، حيث تُستخدم هذه البيانات ذات النطاقات العالية التي تبلغ 70 مترا في غولدستون ومدريد وكانبيرا، وهي تعمل أساسا في نطاقات الترددات العالية والقابلية للتنبؤ، كما أن معدلات الترددات العالية التي تُستخدم في نطاق الترددات اللاسلكية، غير أن هذه تفرض قيودا صارمة.

شبكة الفضاء العميق

إن الشبكة هي مورد مشترك، وكل بعثة نشطة من محطة الفضاء الدولية إلى وقت محدد في المدارات الصوتية، حيث أن عدد البعثات التي تتسع نطاقها، والتنافس على نظام الطاقة الشمسية غير القابل للتكثيف، هو أكثر من ذلك، حيث إن هذه الميزانيات ذات القدرة على إحداث الاحتياج المادي، وهي منافسة على نظام الطاقة الشمسية غير المكثفة، قد قامت الوكالة الوطنية للتصنيف الصناعي بدعم القيود التي تفرضها الشبكة (32 GHz) والتي تتيح زيادة كبيرة في معدل البيانات على النطاق الترددي من حيث يتراوح بين 4 و5 x

فك عبوات نظم لاسيركوم البصرية

وتُنقل نظم لاسيركوم البيانات باستخدام الضوء المتجانس والمحتكروم في الطيف القريب من الحمراء (المتوسط 1064 نانوغرام أو 1550 نانو متراً) وتنشأ الميزة الرئيسية عن تدني موجة الضوء مقارنة بالموجات الإذاعية، مما يتيح تحقيق مكاسب أكبر بكثير من فترات الارتداد الأصغر، واختلاف الشعاعات الأضيق بكثير، والفوائد التشغيلية عميقة وممتدة عبر عدة مقاييس الرئيسية.

  • ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((
  • (ب) حجم وطول وكفاءة الطاقة (SWaP): بالنسبة لمعدل بيانات معين، فإن محطة طرفية بصرية أصغر حجماً وأقل من مكافئ لنموذج الترددات، ويمكن أن تكون الآلات الأساسية لمحطة ليزركوم حجماً مناظير ثنائية مقارنة بطبقة عالية الجودة من الموجات الترددية التي قد تتطلب خفضاً كبيراً في حجمها.
  • Absolute Security and Interference Immunity:] The tight beam divergence of a laser beam (often only arcseconds wide) provides inherent spatial security. Intercepting the signal requires being physically positioned within the extremely narrow beam path, making jamm frequencying and eavesdropping exceedingly difficult. Additionally, optmical signals.
  • Reduced Power Aperture Product:] The figure of merits for communications systems is often the `power aperture product" (PAp). because the gain of an optical Telscope is much higher than an RF plate of the same size, lasercom systems achieve the same link performance with a significantly lower PAp. This means a smaller TVscope on the spacecraft and a Tel infrastructure

A Comparative Lens: RF vs. Optical for Deep Space

ومن المفيد، تقديرا للقيمة الاستراتيجية للزركوم، إجراء مقارنة مباشرة، وقد توفر حلقة اتصال فضائية عميقة ذات النطاق X 100 كيلو متر من المريخ باستخدام هوائي مركبات فضائية من مسافة 2 مترا، ومحطة أرضية من مسافة 70 مترا، ويمكن أن توفر هذه الوصلات البصرية من نفس المركبة الفضائية باستخدام تلسكوب من عيار 30 سم وتلسكوب من محطة أرضية طولها 5 أمتار زيادة من 10 إلى ألف متر في شكل قطع من القطع.

لماذا لازركوم يبقى تحد هندسي هائل

If optical communication offers so many advantages, why has it not already replaced RF systems? The answer lies in the extreme engineering challenges introduced by the very physics that makes it so attractive. The tight beam divergence that provides security also demands pointing accuracy that is orders of magnitude greater than RF systems. Atmospheric disturbances that barely affect long-wavelength radio waves can completely disrupt or degrade an optical link.

التوجيه، المقتنيات، والتتبع

وكثيرا ما يقارن إغلاق وصلة بصرية مشتركة بين الكواكب بمقياس للليزر من عدة كيلومترات، بينما تتجه كل من النقاط المرجعية والدايم إلى ارتفاع عدد الكيلومترات في الساعة، ويجب أن تُعرف المركبة الفضائية موقفها الخاص، والموقع الدقيق للمحطة الأرضية البعيدة، والتوجه الدقيق للمركبة المتناهية الصغر.

Atmospheric Interference and Weather dependency

إنّ أجواء الأرض مُشَغَّلةٌ إلى أكثر موجاتٍ بصرية، فالكلاود هي الخصم الرئيسي لشبكة ليزركومية، ومحطة أرضية مُغطاة بسحابات سميكة لا يمكن أن تُستلم أو تنقل إشارة بصرية، وتبعية الطقس تتطلب نشر شبكات أرضية متنوعة جغرافياً، وإذا كانت التلسكوب الرئيسي في كاليفورنيا تحت غطاء سحابي، فإنّ النظام يُبعد فوراً عن الوصل إلى محطة متف البصر في إسبانيا أو أستراليا.

التفاعلات بين التكامل والمركبات الفضائية

إن إدماج محطة بصرية في مركبة فضائية أكثر تعقيدا من الغليان على هوائي لمحطة RF، ويجب أن يكون لشعاع الليزر خط غير مربوط من الأنظار، يمكن أن يتضارب مع الألواح الشمسية، أو الأدوات العلمية، أو البطانيات الحرارية، وأن يكون لدى أجهزة الرصد الجوي الحساس، القدرة على إحداث التلوث (الدروع، التفوق) التي يمكن أن تحط من قدرة جهاز الإطلاق الليزري، وأجهزة تحديد درجة حرارة.

البعثات الرئيسية التي تمهد الطريق لعملية لاسركوم

ويجري بالفعل الانتقال من التكنولوجيا التجريبية إلى الهياكل الأساسية التشغيلية، بقيادة سلسلة من البعثات البارزة من ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، والصناعة الخاصة، وهذه البعثات تتقاعد بصورة منهجية المخاطر التقنية المرتبطة بالاتصالات بالليزر العميقة في الفضاء.

"مُهمة "ناسا" في "لازر الاتصالات

(أ) إنّ بروتوكولات التطوّر الأرضية المُطلَقة في كانون الأول/ديسمبر 2021 هي أول عملية للبث الضوئي ذي الاتجاهين، حيث توجد في مدار أرضي متزامن، وتُستخدم هذه الشبكة كموقع اختباري ومُعدّل، حيث تُقدّم 1.2 غلوبة من خلال مُعدّل، وهي ليست مهمة لكوكب محدد؛ وهي مصمّمة لإثبات المفاهيم النهائية المطلوبة لاستخدام الفضاء في المستقبل.

الاتصالات البصرية في أعماق الفضاء بشأن الطب النفسي

ربما أكثر مهمّة ليزركوم متوقعة هي المظاهرة التكنولوجية التي تحلق على متن مركبة فضائية تابعة لـ (ناسا) والتي أطلقت في أكتوبر 2023

نظام إرسال البيانات الأوروبي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية والمبادرات التجارية

إنّ (إس أي دي آر إس) (إس إس أي إس إس أي إس أي إس أي إس إي آر دي ديتا هييواي) هي شبكة تشغيلية من سواتل (جي أو) تستخدم محطات ليزر لنقل البيانات من سواتل رصد المدار المنخفض إلى محطات أرضية في وقت قريب من الواقع، وهذا النظام يثبت أنّ مفهوم الليزرك على نطاق تجاري، وينقل سواتل بيانات رصد الأرض يومياً.

بناء الهياكل الأساسية لشبكة إنترنت مشتركة بين الكواكب

إن الرؤية الطويلة الأجل للتواصل بين الكواكب ليست سلسلة من الروابط بين النقاط بل شبكة مرنة وقابلة للتقسيم تفرز النظام الشمسي، وهذه الشبكة العازلة التي تُستخدم في تركيبات مختلطة تجمع بين الترددات من أجل القيادة والسيطرة الحرجتين، والوصلات البصرية لتخلف البيانات ذات الحجم الكبير.

أما المركبات الفضائية البصرية التي توجد في نقاط لاغرانج الاستراتيجية (مثلا، طراز Sun-Earth L1، L2، المريخ L1) فستستخدم كحد أدنى، وتتلقى باستمرار بيانات من مسبار الفضاء العميق، وتربطها بالأرض عندما يتعاون الطقس المقدس، ويمكن أن تنقل مركبة فضائية قرب المريخ ملقاة بيانات يومية عن طريق الليزر إلى جهاز مداري مصغر، يحدث ذلك فقط أن يكون لها رأي واضح في محطة أرضية.

الآثار المترتبة على العلم واستكشاف البشر

وسيترتب على نشر شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية في أعماق الفضاء آثار تحولية على العلوم الروبوتية واستكشاف البشر، ويعني ذلك بالنسبة لعلوم الكواكب نهاية اختناقات البيانات، إذ أن البعثات المقبلة إلى قمر الجليد وزحل (أوروبا، وكونسيلادوس) يمكن أن ترسل إلى مسارات فيديو عالية التعريف وإلى كميات هائلة من البيانات الرادارية والقابلية، مما يتيح للعلماء دراسة عمليات دينامية مثل عمليات الكشف عن الجليد.

"لإستكشاف البشر للمريخ، "الليزركوم" غير قابل للتفاوض، إحتفاظ طاقم على سطح المريخ يتطلب اتصالاً عالي النطاق بالشبكة من أجل القياس الطبي عن بعد، التواصل مع الأرض مع طاقم العمل الآلي عن بعد، وصولاً إلى قواعد البيانات الضخمة، القدرة على بث الفيديو عن طريق الزمن الحقيقي من سطح المريخ إلى التحكم في المهمة على الأرض، على الرغم من تأخر الجهاز الفني

الاستنتاج: الانتقال الهجين غير المنصف

إنّ نظام الموجات الشمسية لن يختفي بين عشية وضحاها، ونظائرها ستبقى العمود الفقري للتحكم في الاتصالات السلكية وأجهزة القياس المنخفضة السعر في حالات الطوارئ بسبب موثوقيتها وطابعها الاذاعي، لكنّ مستقبل نقل البيانات بين الكواكب العالية يعود إلى النظم البصرية، وفيزياء الضوء توفر مساراً لمعدلات البيانات التي لا يمكن تطابقها، باستخدام محطات أصغر حجماً، وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.