Решение проблем оптической связи космос-Земля

Любой, у кого дома есть спутниковая антенна, зависит от радиосвязи между геостационарным спутником и Землей. Потребительские спутниковые службы способны одновременно транслировать сотни каналов телевидения высокой и стандартной четкости по радиочастотному каналу, который надежен практически во всех условиях, кроме сильного дождя.

Спутниковая радиосвязь на самом деле широко используется в промышленности и правительстве для передачи данных с высокой пропускной способностью. Но что произойдет, если даже этой пропускной способности окажется недостаточно? С этой проблемой сталкивается Европейское космическое агентство (ЕКА), учреждение, поддерживаемое 22 европейскими государствами-членами, миссия которого состоит в том, чтобы расширять границы науки и технологий и способствовать экономическому росту в Европе.

Как и в случае с наземными сетями, потребность в полосе пропускания в спутниковой связи быстро растет, и радиоканалы вскоре не смогут удовлетворить этот спрос. Это связано с тем, что полоса пропускания зависит от несущей частоты. В радиосвязи потолок несущих частот составляет около 30 ГГц, тогда как в оптической связи несущие частоты на четыре порядка выше, что соответствует более высокой полосе пропускания.

Геостационарные спутники Европейской системы ретрансляции данных (EDRS) уже используют оптические каналы связи с группировкой европейских спутников на низкой околоземной орбите (LEO), называемых Sentinels, задачей которых является наблюдение за Землей. Однако сегодня спутники EDRS используют радиосвязь для загрузки изображений и других данных со спутников LEO на наземные серверы.

Но в обозримом будущем объёмы информации с НОО, геостационарных спутников и спутниковых группировок станут настолько велики, что пропускная способность их линий радиосвязи окажется слишком низкой. Итак, что будет дальше?

Очевидным ответом является оптическая лазерная связь, поскольку этот метод уже используется для передачи данных между спутниками LEO и сетью EDRS. А оптическая связь, составляющая основу Интернета, является проверенной на Земле технологией. Волоконно-оптические кабели, проходящие по дну океанов и пересекающие континенты, являются средой, через которую миллиарды просмотров страниц ежедневно передаются на экраны компьютеров и смартфонов.

Таким образом, связь по оптоволоконному кабелю — это проверенная технология, обеспечивающая чрезвычайно высокую пропускную способность. Но оптическая связь в открытом космосе между Землей и спутником или между спутниками требует специальной лазерной технологии и невероятно точного измерительного оборудования.

Оптические сигналы, передаваемые между Землей и космосом, подвержены помехам от различных источников — сложность поддержания оптической связи там гораздо выше, чем при оптической связи между спутниками, поскольку в космосе нет ни облаков, ни других погодных явлений, или да и любые другие объекты, мешающие их сигналам.

Системы оптической связи должны обеспечивать достаточное соотношение сигнал/шум для поддержания связи между передатчиком и приемником. В системе EDRS ЕКА сигналы передаются на очень точно заданной длине волны инфракрасного излучения 1064,625 нм ± 11 пм с почти нулевым отклонением пиковой длины волны. Это позволяет приемнику зафиксировать передаваемый узкополосный сигнал и устранить мешающие сигналы. Благодаря этой технологии спутник EDRS может работать, даже когда Солнце находится в его прямой видимости.

ЕКА внедряет технологию оптической связи Земля-спутник на своей оптической наземной станции (OGS) на испанском острове Тенерифе и на 2,2-метровом телескопе Аристарх в обсерватории Хелмос на Пелопоннесе в Греции.

Поддержание точной длины волны передатчика является важной частью работы системы «Аристархос». Для этого ESA использует сложную конструкцию, в которой передающий лазер, так называемый непланарный кольцевой генератор, изготовленный из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом, накачивается лазерным диодом с длиной волны 808 нм для генерации точного выходного сигнала с длиной волны 1064,625 нм ± 11 пм. . Эта точность длины волны контролируется путем регулировки рабочей температуры лазера-передатчика.