Table of Contents
הגדלה צריכה ל- Faster Satellite Communications
ככל שההסתמכות של האנושות על תשתיות מבוססות חלל – מהתבוננות כדור הארץ ואינטרנט פס רחב ועד לחיפוש עמוק בחלל והגנה – הביקוש לקשרי נתונים לווייניים אמינים מעולם לא היה גדול יותר.
מידע חינם על חופש תנועה אופטית
תקשורת אופטית חינם לחלל היא טכנולוגיית שידור אלחוטית המעסיקה קרן לייזר מודולה לשאת נתונים על פני פערים אטמוספריים או ואקום. בניגוד לכבלים סיבים אופטיים, אשר מגבילים אור לשקעי זכוכית, FSO propagates ישירות דרך אוויר פתוח או ואקום של החלל.העיקרון הבסיסי דומה סיבים אופטיים - איסוף נתונים דיגיטליים על גלי אור - אך ללא המדיום הפיזי.
עבור יישומים לווייניים, FSO פועלת בספקטרום הקרוב-infrared (בדרך כלל 1550 nm, יישר עם מרכיבים סיבים אופטיים קיימים) המשדר על לוויין פולט קרן לייזר מתואם מאוד מכוונת מקלט על לוויין אחר או תחנת קרקע. at the המקלט, טלסקופ אוסף את האור, אשר מתמקדת אז על photodetector כי ממיר את האות האופטי בחזרה לתוך דרישות מיקרוסקופיות גדולות (לעתים קרובות) אבל מכניקה).
הבדלי מפתח של רדיו Frequency תקשורת
- (FLT:0)Bandwidth ו-Data rate:BuildFLT:1) FSO יכול לתמוך תיאורטית בעשרות ג'יגה-בייט לשנייה ומעבר, בעוד לוויין טיפוסי מקשר בין מספר ג'יגה-ביט לשנייה.
- (FLT:0)Beam Spread:FLT:1 אותות RF התפשטו נרחב (הבדלי קרן גדולים) הדורש אנטנה גדולה יותר וגורם להפרעות לייזר להישאר הדוקים לאורך מרחקים ארוכים, צמצום ההתערבות ומאפשר שימוש חוזר בתדירות.
- (FLT:0) סודיות: 1 (FLT:1) קרן הלייזר הצרה הופכת את הירוט קשה מאוד ללא חסימת פיזית של הקישור, מתן ביטחון טבועה בהשוואה לקרינה האטומית של RF.
- (בקיצור:0) , 000: ספקטרום אופטי (בפחד, גלוי, אולטרה סגול) הוא במידה רבה בלתי מוסדר, עקיפה את תהליכי הרישוי הנצפים והיקרים עבור להקות RF.
קידום טכנולוגי חדש של נהיגה FSO אימוץ
בעוד שמושגים FSO קיימים כבר עשרות שנים, רק פריצות דרך הנדסיות שנעשו לאחרונה הפכו קישורים אופטיים לווייניים מעשיים למציאות.התתת-התת'ים הבאים מפרטת את ההתקדמות המשפיעה ביותר.
High-Precision Pointing, Acquisition, and Tracking (PAT)
מכיוון שדבור לייזר מלוויינים במסלול כדור הארץ נמוך (LEO) חייב להכות מקלט תחנת קרקע רק כמה עשרות סנטימטרים רחב מעל מרחק של 500-1,000 ק"מ, הדיוק המצביע הנדרש הוא על סדר של כמה מיקרורדיאנים.זה כמו גם כמה עשרות סנטימטרים רחב יותר מ -100 קילומטרים משם, בעוד שתי הפלטפורמות נעות קילומטרים לשנייה.
אופטיקה אופטית ל-Automation
זעזוע אטמוספירי – הנגרמת על ידי שינויי טמפרטורה ולחץ – עיוותי לייזר של אדים, מה שגורם לדבורה של קרן, פיסול (מפרק), והפצת מערכות אופטיות אדפטיות הסתגלות (AO) שפותחו במקור עבור טלסקופים אסטרונומיים, עכשיו לשחק תפקיד קריטי ב- FSO לווייני אלגוריתמים מתפתלים.מערכות אלה משתמשים ב-Gatefront כדי למדוד ועיוותים לראייתנים מתקדמים (reperactable) כדי לשפר את ה-peractable-pertual-pertens.
שינוי משופר וקידוד שיימס
כדי למקסם את הנתונים באמצעות חישוב בתנאים של ערוץ היברידי, מערכות FSO משתמשות בפורמטים מתקדמים של Modulation (PPM) הוא בשימוש נרחב בגלל יעילות האנרגיה שלה - כל הדופק מועבר ברווח זמן מסוים, צמצום דרישות כוח ממוצע. עבור יעילות ספקטרלית גבוהה יותר, quadrature amplitude Modulation (QAM) נבדקים.
אינטגרציה מינימלית ושילוב משותף
גודל, משקל וכוח (SWAP) מגבלות של לווינים קטנים (CubeSats, קטן הנעות) דרשה צמצום רדיקלי של מסופי אופטיקה.חדשנות כגון דיודות לייזר מונוליטי, photonics for beam Hiing (השלבים האופטימיים של שבבים), ותבניות טלסקופ קומפקטיות (למשל, באמצעות סטיות לייזר) מופחתות ממרחק של 5 ק"מ (ALT2 ק"מ) ל-APTN) מ-APTN) ל-APTN2 ליטרים של תותחנים (D2 ליטרים של פחמן (D) ו-APTNLXC) ו-APTNUMF (D2 (D2 C2 C2 C).
מקורות לייזר חזקים וספקניים
טכנולוגיות לייזר חדשות, כולל לייזרים סיבים ו לייזרים קוונטיים, לספק כוח תפוקה גבוה יותר עם איכות של קרן טובה יותר מאשר עיצובים יציבים יותר של מדינת מוצקה.העלייה בכוח משפרת את שולי הקישור, ומאפשרת הפעלה באמצעות כיסוי ענן מתון או במהלך twilight.בנוסף, חלוקת רוחב גל מספרי גל (WDM) - שימוש באורכי לייזר מרובים על אותו טלסקופ - קיבולת של חוקרים ב-frefretretretretretretrets ב-R (GR) ב-R.
היתרונות של FSO על תדירות רדיו עבור קישורים לווייניים
בעוד RF נשאר חיוני עבור יישומים מסוימים (ברודאק, מגדלי תאים, קישורים חזקים בכל מזג האוויר), FSO מציעה יתרונות ברורים שהופכים אותו אטרקטיבי יותר ויותר עבור משימות לוויין אינטנסיביות נתונים.
שיעורי נתונים בלתי צפויים
היתרון המשכנע ביותר הוא רוחב פס גולמי.רדיו בלהקות קו ו Ka מציעים כמה ג'יגה-ביט לשנייה במערכות FSO ב- FSO ב- FSO במטרה לפיתוח היעד 10–100 Gbps לקישור.LCRD של נאס"א הראה 1.244 Gbps מהמסלול הגיאולוגי לקרקע, ו- IFLT המתקרב של הסוכנות מאפשר אחסון ל-LCRD נמוך של כדור הארץ אוbitm ו-Arushbsol (ALT) למגבלות של 1.2ALT2 ל-R.
קיצור של Low Interference and Frequency Reuse
תדרי RF הם משאב נדיר המנוהל על ידי גופים בינלאומיים.הפרעה מלוויינים אחרים, רשתות תאיות ארציות ומערכות מכ"ם מגבילה את שיעורי הנתונים האפשריים של FSO, הגוון הצר ביותר של FSO (הפצה של מיקרו-ממדית) פירושו שקישורים אופטיים רבים יכולים לפעול קרוב - אפילו מלוויינים שונים לאותה תחנת קרקע - ללא מגע.זה מאפשר קבוצות דחוסות (כמו הדור השני של סטאר) לפעול באופן יעיל לתיאום לייזרים (ללא תואמים).
אבטחה מוגברת והתנגדות ל- Jamming
הדבורה הצרה עושה את FSO קשה מאוד ליירט או להקיש. כדי לפייס, ספקולציה תצטרך למקם פיזית מקלט בקו הישיר של קרן, אשר כמעט בלתי אפשרי למשך מעבר לווייני.יתר על כן, קישורים לייזרים חסינים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ורדיו- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , מתן קישוריות חזקה עבור פתרונות צבאיים, מודיעין, תשתיות קריטיות.
המונחים: Optical Spectrum
בניגוד לגלי רדיו, תדרים אופטיים (בפחד, גלוי, אולטרה סגולט) אינם מוקצה על ידי הרגולטורים הלאומיים. מפעילי לוויין יכולים להשתמש בספקטרום האופטי כולו ללא תשלום דמי רישוי או לעבור תהליכי אישור ארוכים.זה מפחית מאוד את המכשולים לכניסת מפעילי קבוצות כוכבים חדשים ומאפשר הקצאה דינמית של רוחב פס על הביקוש.
צריכת חשמל נמוכה יותר
מכיוון ש משדרי לייזר הם מאוד כיוון ויעילים, האנרגיה הנדרשת לשלוח כל ביט נמוכה יותר מאשר משדרי RF (במיוחד כאשר בוחנים את הכוח הגבוה הדרוש לאנטנות RF רחבות-באם).
דרישות מפתח ושימוש במקרים
FSO עבור קישורים נתונים לווייניים מועבר מהדגמה לפריסה מבצעית על פני תחומים מרובים.
כדור הארץ ותצפיות מרוחקות
גבוה ברזולוציה אופטית וסינטטית של מכ"ם (SAR) יוצר טרה-ביאטים של נתונים מדי יום.במקום לאחסן נתונים עד הזדמנות לקישור, לוויינים יכולים לשדר בזמן אמת באמצעות קישורים אופטיים לתחנות קרקע או לווייני תקשורת.הסוכנות החלל האירופית של מקסFLT:0EDRS (מערכת שמירת נתונים אירופית) 1LT משתמש קישורי לייזר כדי להעביר נתונים מ-Inttinels כמו מטרמינלים חשמליים.
אינטרנט רחב פסים
SpaceX's Starlink (הפרשות 2 ומעבר) משתמש בקישורים בין-כוכביים (ISL) כדי ליצור רשת מרש בחלל, ניתוק נתונים אופטיים בין לווינים לפני שהוא יורד למסופי משתמשים.זה מפחית את הגמישות עבור תנועה למרחקים ארוכים ולהימנע התלות ברשת צפופה של תחנות קרקע.
תקשורת חללית וירח
למשימות לירח, למאדים ומעבר לכך, FSO מציעה דרך להעביר נתונים גבוהים על מרחקים בין כוכבי לכת ללא משקל ועונשי חשמל של אנטנה RF גדולים.המשימה של נאס"א (הכניסה ל-20 כוללת את FLT:0Deep Space Optical Communications (DSOC)FLT:1, במטרה להפגין 1bps-Flowed in 20 שער ה-FLT:0dows for Clouds for FLT:0ds for Fuptative Space Optical Communications אופטית) למערכות רדיו אופטיות (DSOC) קרינת רדיו אופטיות (DSOC) קרינת רדיו אופטיות) קרינת רדיו (DSOC) קרינת רדיו אופטית's) קרינת רדיו אופטית's) קרינת רדיו (DSOC) קרינת רדיו 1FLT:1, 4FLT:1, 4FLT:1, 4FLT:1, ו-FLT:1, במטרה להוכיח 1FLT 1F2, ו-FLT 1FPS) קרינת רדיו אופטיתמחדשנית של נאס"מחדשהפצה של נאס"מחדשהספקית') קרינת רדיו קרינת רדיו קרינת רדיו אופטית') קרינת רדיו קרינת רדיו
ממשלה ותקשורת צבאית
קישורים מאובטחים, עמידים בפני מילואים, חיוניים לחידוש, מעקב ופקדים.משרד ההגנה האמריקאי מפעיל טרמינלים אופטיים על מטוסים, ספינות ולוויינים כדי ליצור רשת רב-דומיין גמישה.סוכנות מחקר מתקדם (DARPA) מפעילה יוזמות כמו קונסולת לייזר:0CERTOFLTsalLTs, לפיתוח מחדש של סוללות אופטיות ופעולות מעקב קבועות (מתחרות לייזר) יכולות לפעול גם כן.
התפלגות מפתח קוונטית (QKD)
FSO היא הדרך המעשית היחידה להפיץ מפתחות הצפנה קוונטיים על פני מרחקים גדולים באמצעות לווין.הדבורים הצרים והאותים ברמת צילום יחיד ב QKD דורשים את הזיהוי המדויק והגילוי הנמוך שמערכות אופטיות מספקות.הלווין Micius של סין הדגים את QKD הבין יבשתי באמצעות קישור לייזר.רשתות תקשורת מאובטחות קוונטיות יתבססו במידה רבה על FSO.
אתגרים עקביים ואסטרטגיות מייגציה
למרות התקדמות מהירה, קישורי לוויין FSO עומדים בפני מכשולים טכניים משמעותיים שיש להתגבר עליהם לשימוש מבצעי נרחב.
השפעות אטמוספיריות: עננים, ערפל ו Turbulence
כיסוי ענן הוא המכשולים החמורים ביותר עבור מקלטים אופטיים מבוססי קרקעיים.ענני Dense יכולים להעצים קרן לייזר על ידי 20-60 dB, מה שהופך את הקמת בלתי אפשרית. Fog וגשם כבד גורם פיזור וקליטה. כדי להפחית את זה, היברידי RF / טרמינלים אופטיים לעבור לקישור RF נמוך יותר (למשל, Ka-band) כאשר מזג אוויר סטטיסטי מפלס את הנתיב האופטי.
עקבו אחרי Dynamics
דינמיקת High-platform (Satellites tding, אנטנה מזחלת, ריצוף תרמי) יכול לשבור את המנעול. מערכות בקרה מתקדמות לשלב כעת מזון קדימה מנתוני הגישה החללית ופילטרים חיזויים.עבור מסופי טיסה, גימבלציה בשילוב עם מראות מהירים ממריצים לפצות על הרטטים.
אור רקע והתערבות
אור השמש, אור הירח, מקורות אור ארצי יכולים ליישב photodetectors. Narrowband אופטי מסננים ופילטר מרחבי (מסכות חור) להפחית רעש רקע.עבור קישורים בשעות היום, באמצעות אורכי גל סביב 1064 nm (אשר אינטנסיביות השמש נמוכה יותר) או מסנן קיטוב יכול לעזור.חלק מהמערכות להשתמש דופק או סיבולת כדי להבחין בין רעש.
סקלאלה ועלויות
בעוד עלויות הרכיב נופלות, מסופים אופטיים משולבים לחלוטין נשארים יקרים יותר מ- RF מקבילות.ייצור גבוה לקונסטלציה הוא עלויות נהיגה למטה.עיצובים מודולריים (למשל, FLT:0:0 טרמינלים אופטיים של ראטפל 10:1) עלות כעת על סדר של כמה מאות אלפי דולרים בכל אחד, ומפת דרכים מבטיחות תת-50ks עבור טרמינלים בשנים הקרובות.
בעיות תגמול והתאמה
למרות שספקטרום אופטי אינו מורשה, תיאום עם תעופה (דאגות בטיחות עיניים עבור לייזרים חזקים) והימנעות לוויינית (אסלר מצביע על אופטיקה רגישה של לוויין אחר) דורש סטנדרטים בינלאומיים כמו ITU ו- CCSDS מפתחים סטנדרטים בין-אופציונליים לפרוטוקולים תקשורת אופטיים כדי להבטיח טרמינלים ממוכרים שונים יכולים לדבר אחד עם השני.
כיוונים עתידיים: העשור הבא של קישורים לווייניים FSO
מסלול המחקר והפיתוח של FSO מבטיח עוד יכולות טרנספורמטיביות.
AI-Enhanced הסתגלות אופטיקה וניהול קישורים
מודלים של למידת מכונות המוכשרים על נתונים אטמוספריים יכולים לחזות דפוסים סוערים ולהתאים מראות מפוזרים באופן פרואקטיבי, צמצום השקיפות בלולאות תיקון. AI גם מאפשר שיתוף פעולה אוטומטי בין תחנות קרקע, beam repointing במהלך מעברי לוויין, והתאמה אישית של קצב חכם לתנאי מזג אוויר. Reinforcement Learning סוכנים יכולים לייעל את רשתות קבוצות האופטיקה עבור עדשות מינימליות או חישוביות מינימליות דרך.
אדריכלות RF-אופטימית
מסופי לווייני עתיד ישלבו בצורה חלקה הן את ה-RF והן את הקישורים האופטיים, תוך שימוש באופטימיים לשיעורי נתונים גבוהים כאשר התנאים מתירים ונפילה חזרה ל-RF לאמינות.
תקשורת לייזר למערכת מטוסים בלתי מזויפת (UAS) ופלטפורמות אבטחה גבוהה
קישורים אופטיים מלוויינים לרחפנים או בלונים סטרטוספיריים יכולים לספק קישוריות מתמשכת לתגובה אסון, חקלאות, מעקב אחר הפגנות האחרונות של Airbus ו- Facebook (Aquila) הראו יכולת, אם כי להצביע באווירה נמוכה יותר סוערת נשאר מאתגר.
תקשורת מבוססת ושילוב
FSO היא הטכנולוגיה המאפשרת לרשתות קוונטיות גלובליות. Beyond QKD, הפצת פוטונים מסובכים באמצעות לוויין תאפשר לחזרים קוונטיים על הקרקע, המאפשרים אינטרנט קוונטי.ניסויים בסוכנות החלל הסינית (FLT:0Micius SatelliteFLT:1 השיגו התפלגות סבוכה מעל 1,200 ק"מ.
עיכובים אופטיים-to-Optical Relays ו- Networking
במקום להמיר אותות אופטיים לחשמל ובחזרה לכל הופ, כל הממסרים האופטיים באמצעות מגבר או מעבר (למשל, מעגלים משולבים פוטוניים) יכולים להפחית את הגמישות והצריכת החשמל.ה-FLT:0NASA Godard Space Flight CenterFLT:1 חוקר חיבורים אופטיים בין beams ללא עיבוד זה יכול להוביל ל"ציר אמיתי" שבו לוויינים אופטיים ".
מסקנה
תקשורת אופטית חופשית עברה מעבר למעבדה אל מערכות לוויין תפעוליות, שינוי יסודי בכלכלה וביכולות של קישורים מבוססי חלל נתונים.התפתחויות האחרונות בצביעות דיוק, אופטיקה אדפטיבית, התאמה ומיניסטרציה רכיב פותחו את סדרי הנתונים של מערכות RF גבוהות יותר מאשר מהירויות RF מסורתיות, בעוד אתגרים כמו כיסוי ענן וטרף אטמוספריטי נמשך, ארכיטקטורות היברידיות ואתר לספק פתרונות מעשיים של מערכת ההפעלה FSOC של מערכות האבטחה של מערכות האבטחה הגדולות של מערכות האבטחה של מערכות האבטחה של מערכות האבטחה של מערכות האבטחה של מערכות האבטחה הגדולות יותר, ללא ספקיות ו-DSO, ללא הגבלת זמן גבוהה יותר, ללא הגבלת זמן גבוהה יותר, ללא מגבלות אבטחה גבוהות יותר, ללא מגבלות אבטחה גבוהות יותר, ללא הגבלת זמן, ומשימות האבטחה של מערכות האבטחה של מערכות רדיו מאובטחות אבטחה גבוהות יותר, ומשימות האבטחה של מערכות האבטחה של מערכות רדיו מאובטחות אבטחה גבוהות יותר, ללא הגבלת זמן, ומשימות אבטחה גבוהות יותר, ומשימות אבטחה גבוהות יותר, ללא מגבלות אבטחה גבוהות יותר, ללא הגבלת זמן, ומשימות אבטחה אבטחה גבוהות יותר, ומשימות אבטחה אבטחה אבטחה גבוהות יותר, ללא מגבלות אבטחה מתקדמות יותר, ומשימות אבטחה וירטואליות אבטחה וירטואליות אבטחה מתקדמות יותר, ומשימות אבטחה מתקדמות יותר, ללא הגבלת זמן, ומשימות אבטחה מלאכותית