Comunicación mediante láser en el espacio exterior
Un diagrama que muestra dos satélites alimentados con energía solar que se comunican ópticamente en el espacio mediante láseres.
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 totalmente en el espacio (un enlace láser entre satélites ) o en una aplicación tierra-satélite o satélite-tierra. La principal ventaja de utilizar comunicaciones láser en lugar de ondas de radio es un mayor ancho de banda , lo que permite la transferencia de más datos en menos tiempo.
En el espacio exterior, el alcance de las comunicaciones ópticas en el espacio libre es actualmente del orden de cientos de miles de kilómetros. [1] Se ha demostrado la comunicación óptica basada en láser entre la Tierra y la Luna y tiene el potencial de salvar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz . [2]
En 1992, la sonda Galileo demostró con éxito la detección unidireccional de la luz láser procedente de la Tierra, cuando la sonda que partía vio dos láseres terrestres a 6.000.000 km (3.700.000 millas) de distancia. [4]
En noviembre de 2001, el primer enlace láser entre satélites del mundo se logró en el espacio gracias al satélite Artemis de la Agencia Espacial Europea (ESA) , que proporcionó un enlace de transmisión de datos ópticos con el satélite de observación de la Tierra SPOT 4 del CNES . [6] Alcanzando 50 Mbps a lo largo de 40.000 km (25.000 mi), la distancia de un enlace LEO-GEO. [7] Desde 2005, ARTEMIS ha estado retransmitiendo señales ópticas bidireccionales desde KIRARI, el satélite japonés de pruebas de ingeniería de comunicaciones ópticas entre satélites. [8]
En mayo de 2005, el altímetro láser Mercury , a bordo de la nave espacial MESSENGER , estableció un récord de distancia de comunicación bidireccional . Este láser infrarrojo de neodimio bombeado por diodos , diseñado como altímetro láser para una misión en órbita alrededor de Mercurio, fue capaz de comunicarse a una distancia de 24 000 000 km (15 000 000 millas) mientras la nave se acercaba a la Tierra en un vuelo de aproximación. [9]
En 2006, Japón llevó a cabo el primer enlace descendente de comunicación láser de LEO a tierra desde el satélite LEO OICETS de JAXA y la estación terrestre óptica de NICT. [10]
En 2008, la ESA utilizó una tecnología de comunicación láser diseñada para transmitir 1,8 Gbit/s a lo largo de 40.000 km (25.000 mi), la distancia de un enlace LEO-GEO. Este terminal se probó con éxito durante una verificación en órbita utilizando el satélite de radar alemán TerraSAR-X y el satélite estadounidense Near Field Infrared Experiment (NFire). Los dos terminales de comunicación láser (LCT) [11] utilizados durante estas pruebas fueron construidos por la empresa alemana Tesat-Spacecom [12] , en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). [13]
2011–2020
Representación del módulo óptico del LLCDEl exitoso experimento OPALS
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para enviar una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a unos 390.000 km (240.000 mi) de distancia por la noche desde la estación de medición de distancia por láser de próxima generación (NGSLR) en el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA con base en la Tierra. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al que se utiliza en los CD . [14]
En noviembre de 2013 se demostró por primera vez con éxito la comunicación por láser desde una plataforma de 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 a una distancia de 60 km y a una velocidad de vuelo de 800 km/h a la luz del día. Otros desafíos en este escenario fueron las rápidas maniobras de vuelo, las fuertes vibraciones y los efectos de la turbulencia atmosférica. La demostración fue financiada por EADS Cassidian Alemania y se llevó a cabo en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán DLR . [17] [18] [19]
En noviembre de 2014, se llevó a cabo el primer uso de comunicación basada en láser de gigabit como parte del Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS). [20] En 2014 se llevaron a cabo más demostraciones del sistema y del servicio operativo. Los datos del satélite Sentinel-1A de la UE en LEO se transmitieron a través de un enlace óptico al Alphasat de la ESA-Inmarsat en GEO y luego se retransmitieron a una estación terrestre utilizando un enlace descendente de banda Ka convencional . El nuevo sistema puede ofrecer velocidades de hasta 7,2 Gbit/s. [21] El terminal láser del Alphasat se llama TDP-1 y todavía se utiliza regularmente para pruebas. El primer terminal EDRS (EDRS-A) para uso productivo se ha lanzado como carga útil en la nave espacial Eutelsat EB9B y se activó en diciembre de 2016. [22] Rutinariamente descarga datos de gran volumen desde las naves espaciales Sentinel 1A/B y Sentinel 2A/B a tierra. Hasta el momento (abril de 2019) se han realizado más de 20 000 enlaces (11 PBit ). [23]
A mayo de 2023, EDRS tiene más de un millón de minutos de comunicaciones [24] con más de 50 000 enlaces entre satélites exitosos. [25] [26]
En diciembre de 2014, el sistema de carga óptica para la ciencia de las comunicaciones láser (OPALS) de la NASA anunció un gran avance en la comunicación láser entre el espacio y la Tierra, ya que permite descargar datos a una velocidad de 400 megabits por segundo. El sistema también es capaz de volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se pierda debido a la nubosidad. [27] El experimento OPALS se lanzó el 18 de abril de 2014 a la Estación Espacial Internacional (ISS) para seguir probando el potencial de utilizar un láser para transmitir datos a la Tierra desde el espacio. [28]
La primera demostración de comunicación láser LEO-tierra utilizando un microsatélite japonés ( SOCRATES ) fue realizada por NICT en 2014, [29] y los primeros experimentos limitados cuánticamente desde el espacio se realizaron utilizando el mismo satélite en 2016. [30]
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 mi) como parte del Proyecto Loon . La conexión fue estable durante muchas horas y durante el día y la noche y alcanzó una velocidad de datos de 155 Mbit/s. [31]
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 una aeronave Cessna convencional a 9 km (5,6 mi) de distancia de la estación terrestre óptica. Si bien el escenario de prueba tuvo peores vibraciones de la plataforma, turbulencia atmosférica y perfiles de velocidad angular que una plataforma objetivo estratosférica, el enlace ascendente funcionó sin problemas y logró un rendimiento del 100% en todo momento. El rendimiento del enlace descendente ocasionalmente cayó a aproximadamente el 96% debido a un parámetro de software no ideal que se dijo que se podía solucionar fácilmente. [32]
En abril de 2020, el Small Optical Link for International Space Station (SOLISS), creado por JAXA y Sony Computer Science Laboratories, estableció una comunicación bidireccional entre la ISS y un telescopio del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones de Japón. [33]
Primer vídeo transmitido por láser desde Psyche . Subido antes del lanzamiento, el breve vídeo de ultraalta definición muestra a un gato atigrado naranja llamado Taters, la mascota de un empleado del JPL, persiguiendo un puntero láser, con gráficos superpuestos. Los gráficos ilustran varias características de la demostración técnica, como la trayectoria orbital de Psyche, la cúpula del telescopio de Palomar e información técnica sobre el láser y su velocidad de bits de datos. También se muestran la frecuencia cardíaca, el color y la raza de Tater. [36]
Las comunicaciones láser en el espacio profundo se probarán en la misión Psyche al asteroide del cinturón principal 16 Psyche , lanzada en 2023. [39] El sistema se llama Comunicaciones Ópticas del Espacio Profundo (DSOC), [40] y se espera que aumente el rendimiento y la eficiencia de las comunicaciones de la nave espacial de 10 a 100 veces con respecto a los medios convencionales. [40] [39] En abril de 2024, la prueba se completó con éxito con la nave espacial Psyche a una distancia de 140 millones de millas. [41]
Misiones futuras
El Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) de Japón demostrará en 2022 el enlace de comunicación láser bidireccional más rápido entre la órbita geoestacionaria y la tierra a 10 Gbit/s utilizando el terminal de comunicación láser HICALI (comunicación de alta velocidad con instrumento láser avanzado) a bordo del satélite ETS-9 (satélite de prueba de ingeniería IX), [42] así como el primer enlace intersatélite a la misma alta velocidad entre un CubeSat en LEO y HICALI en GEO un año después. [43] A partir de mayo de 2024 [actualizar], se ha diseñado y está en desarrollo un terminal de tipo Full Trasceiver compatible con CubeSat. Se espera que CubeSOTA se lance durante el año fiscal japonés 2025 con el terminal para "demostrar varios escenarios, incluidos LEO-tierra, LEO-HAPS y LEO-LEO". CubeSOTA "será la primera validación en órbita de los terminales". [44]
LunaNet es un proyecto de la NASA y la ESA y una red de datos propuesta que tiene como objetivo proporcionar una “Internet lunar” para naves espaciales e instalaciones cis-lunares . La especificación del sistema incluye comunicaciones ópticas para enlaces entre la Tierra y la Luna, así como para enlaces entre satélites lunares y la superficie lunar.
Uso comercial
En la actualidad, empresas como SpaceX , Facebook y Google , así como una serie de empresas emergentes, están desarrollando diversos 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, una aeronave o un vehículo aéreo no tripulado (UAV) a la tierra. [45]
Operadores
Varias empresas y organizaciones gubernamentales quieren utilizar la comunicación láser en el espacio para constelaciones de satélites en órbita terrestre baja con el fin de proporcionar acceso global a Internet de alta velocidad. Se están aplicando conceptos similares para redes de aeronaves y plataformas estratosféricas.
Es posible que se establezca un mercado sustancial para los equipos de comunicación láser cuando estos proyectos se realicen por completo. [73] Los nuevos avances de los proveedores de equipos están permitiendo las comunicaciones láser al tiempo que reducen el costo. Se está perfeccionando la modulación del haz, al igual que su software y los cardanes. Se han abordado los problemas de enfriamiento y se está mejorando la tecnología de detección de fotones. [ cita requerida ] Entre las empresas destacadas actualmente activas en el mercado se incluyen:
Comunicaciones seguras
Se han propuesto comunicaciones seguras utilizando un interferómetro láser de rendija N , donde la señal láser toma la forma de un patrón interferométrico y cualquier intento de interceptar la señal provoca el colapso del patrón interferométrico. [80] [81] Esta técnica utiliza poblaciones de fotones indistinguibles [80] y se ha demostrado que funciona en distancias de propagación de interés práctico [82] y, en principio, podría aplicarse en grandes distancias en el espacio. [80]
Suponiendo que se disponga de tecnología láser y considerando la divergencia de las señales interferométricas, se ha estimado que el alcance de las comunicaciones entre satélites es de aproximadamente 2.000 km (1.200 mi). [83] Estas estimaciones son aplicables a una serie de satélites que orbitan la Tierra. En el caso de los vehículos espaciales o las estaciones espaciales, se estima que el alcance de las comunicaciones aumenta hasta 10.000 km (6.200 mi). [83] Este enfoque para asegurar las comunicaciones entre espacios fue seleccionado por Laser Focus World como uno de los principales avances en fotónica de 2015. [84]
Carga óptica útil para la ciencia de las comunicaciones láser : prueba de comunicaciones ópticas en 2014 entre la Tierra y la Estación Espacial Internacional Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento(OPALS)
TBIRD , TeraByte InfraRed Delivery: probado en 2022.
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^ ab FJ Duarte y TS Taylor, La física del entrelazamiento cuántico asegura las comunicaciones interferométricas espacio-espacio, Laser Focus World 51(4), 54-58 (2015)
^ J. Wallace, Technology Review: Las 20 mejores opciones tecnológicas para 2015 muestran una amplia gama de avances en fotónica, Laser Focus World 51 (12), 20-30 (2015)
Lectura adicional
David G. Aviv (2006): Comunicaciones espaciales por láser, ARTECH HOUSE ISBN 1-59693-028-4
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