Comunicación mediante láseres en el espacio exterior.
Un diagrama que muestra dos satélites alimentados por energía solar que se comunican ópticamente en el espacio mediante láseres.
La comunicación láser en el espacio es el uso de comunicación óptica en el espacio libre en el espacio exterior . La comunicación puede realizarse completamente en el espacio (un enlace láser entre satélites ) o en una aplicación tierra-satélite o satélite-tierra. La principal ventaja de utilizar comunicaciones láser sobre ondas de radio es un mayor ancho de banda , lo que permite transferir más datos en menos tiempo.
En el espacio ultraterrestre, el alcance de las comunicaciones ópticas en el espacio libre es actualmente del orden de cientos de miles de kilómetros. [1] Se ha demostrado que la comunicación óptica basada en láser entre la Tierra y la Luna 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 tener éxito en la detección unidireccional de luz láser procedente de la Tierra cuando la sonda saliente vio dos láseres terrestres desde 6.000.000 km (3.700.000 millas). [4]
En noviembre de 2001, el satélite Artemis de la Agencia Espacial Europea (ESA) logró el primer enlace láser entre satélites del mundo en el espacio , proporcionando un enlace de transmisión óptica de datos con el satélite de observación de la Tierra SPOT 4 del CNES . [6] Alcanzar 50 Mbps a lo largo de 40.000 km (25.000 millas), la distancia de un enlace LEO-GEO. [7] Desde 2005, ARTEMIS ha estado transmitiendo señales ópticas bidireccionales desde KIRARI, el satélite japonés de pruebas de ingeniería de comunicaciones ópticas entre satélites. [8]
En mayo de 2005, el instrumento altímetro láser Mercury a bordo de la nave espacial MESSENGER estableció un récord de distancia en comunicación bidireccional . Este láser infrarrojo de neodimio bombeado por diodos , diseñado como altímetro láser para una misión a la órbita de Mercurio, pudo comunicarse a una distancia de 24.000.000 km (15.000.000 de millas), mientras la nave se acercaba a la Tierra en un sobrevuelo. [9]
En 2006, Japón llevó a cabo el primer enlace descendente de comunicación láser LEO-Tierra desde el satélite OICETS LEO de JAXA y la estación terrestre óptica de NICT. [10]
En 2008, la ESA utilizó tecnología de comunicación láser diseñada para transmitir 1,8 Gbit/s a través de 40.000 km (25.000 millas), la distancia de un enlace LEO-GEO. Un terminal de este tipo se probó con éxito durante una verificación en órbita utilizando el satélite de radar alemán TerraSAR-X y el satélite estadounidense de experimento de infrarrojos de campo cercano (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 transmitir una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), a aproximadamente 390.000 km (240.000 millas) de distancia por la noche de la estación de medición de rango láser por satélite de próxima generación (NGSLR) en Goddard, con base en la Tierra, de la NASA. Centro de vuelos espaciales . Para compensar las interferencias atmosféricas, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al utilizado en los CD . [14]
En septiembre de 2013, un sistema de comunicación láser fue uno de los cuatro instrumentos científicos lanzados con la misión LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) de la NASA. Después de un tránsito de un mes a la Luna y una prueba de la nave espacial de 40 días, se realizaron experimentos de comunicaciones láser diurnas durante tres meses a finales de 2013 y principios de 2014. [15] Datos iniciales proporcionados por el equipo de demostración de comunicación láser lunar (LLCD) en LADEE estableció un récord de ancho de banda de comunicaciones espaciales en octubre de 2013 cuando las primeras pruebas que utilizaron un rayo láser pulsado para transmitir datos a lo largo de los 385.000 km (239.000 millas) entre la Luna y la Tierra pasaron datos a una "velocidad de descarga récord de 622 megabits por segundo ( Mbps)", [16] y también demostró una velocidad de carga de datos sin errores de 20 Mbit/s desde una estación terrestre hasta LADEE en órbita lunar . El LLCD es el primer intento de la NASA de comunicación espacial bidireccional utilizando un láser óptico en lugar de ondas de radio , y se espera que conduzca a sistemas láser operativos en los satélites de la NASA en los próximos años. [dieciséis]
En noviembre de 2013 se demostró por primera vez con éxito la comunicación láser desde la plataforma de reacción Tornado . Se utilizó un terminal láser de la empresa alemana Mynaric (antes 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 durante el día. Otros desafíos en este escenario fueron las rápidas maniobras de vuelo, las fuertes vibraciones y los efectos de las turbulencias atmosféricas. La demostración fue financiada por EADS Cassidian Alemania y realizada en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán DLR . [17] [18] [19]
En noviembre de 2014 se utilizó por primera vez una comunicación basada en láser gigabit como parte del Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS). [20] En 2014 se llevaron a cabo más demostraciones de sistemas y servicios operativos. Los datos del satélite EU Sentinel-1A en LEO se transmitieron a través de un enlace óptico al ESA-Inmarsat Alphasat en GEO y luego se retransmitieron a una estación terrestre utilizando un Ka convencional. -enlace descendente de banda . El nuevo sistema puede ofrecer velocidades de hasta 7,2 Gbit/s. [21] El terminal láser de Alphasat se llama TDP-1 y todavía se utiliza regularmente para pruebas. La primera terminal EDRS (EDRS-A) para uso productivo se lanzó como carga útil en la nave espacial Eutelsat EB9B y entró en funcionamiento en diciembre de 2016. [22] Descarga rutinariamente datos de gran volumen desde Sentinel 1A/B y Sentinel 2A/ Nave espacial B a tierra. Hasta el momento (abril de 2019) se han realizado más de 20000 enlaces (11 PBit ). [23]
En 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, la carga útil óptica para ciencia de comunicaciones láser (OPALS) de la NASA anunció un gran avance en la comunicación láser espacio-tierra, descargando a una velocidad de 400 megabits por segundo. El sistema también puede volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se pierde debido a la nubosidad. [27] El experimento OPALS se lanzó el 18 de abril de 2014 a la Estación Espacial Internacional (ISS) para probar más a fondo el potencial del uso de 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 cuánticos limitados desde el espacio se realizaron utilizando el mismo satélite en 2016. [30]
En febrero de 2016, Google X anunció haber logrado una conexión de comunicación láser estable entre dos globos estratosféricos en una distancia de 100 km (62 millas) como parte del Proyecto Loon . La conexión se mantuvo estable durante muchas horas, de día y de 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 un avión Cessna convencional a una distancia de 9 km (5,6 millas) de la estación óptica terrestre. Si bien el escenario de prueba tenía peores vibraciones de plataforma, turbulencia atmosférica y perfiles de velocidad angular que una plataforma objetivo estratosférica, el enlace ascendente funcionó perfectamente 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, según se decía, se solucionaba fácilmente. [32]
En abril de 2020, el Pequeño Enlace Óptico para la Estación Espacial Internacional (SOLISS) creado por JAXA y Sony Computer Science Laboratories, estableció 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 vía láser desde Psyche . Subido antes del lanzamiento, el video corto de ultra alta definición muestra 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 exhiben el ritmo cardíaco, el color y la raza de Tater. [36]
Las comunicaciones láser en el espacio profundo se probarán en la misión Psyche al asteroide 16 Psyche del cinturón principal , lanzada en 2023. [39] El sistema se llama Comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC), [40] y se espera que aumente las comunicaciones de las naves espaciales. rendimiento y eficiencia entre 10 y 100 veces 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 geosincrónica y la Tierra a 10 Gbit/s utilizando el terminal de comunicación láser HICALI (comunicación de alta velocidad con instrumentos láser avanzados) a bordo. el satélite ETS-9 (Engineering Test Satellite IX), [42] así como el primer enlace entre satélites a la misma alta velocidad entre un CubeSat en LEO y HICALI en GEO un año después. [43]
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 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
Actualmente, corporaciones como SpaceX , Facebook y Google , así como una serie de startups, 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, avión o vehículo aéreo no tripulado (UAV) a tierra. [44]
Operadores
Varias empresas y organizaciones gubernamentales quieren utilizar la comunicación láser en el espacio para constelaciones de satélites en órbita terrestre baja para proporcionar acceso global a Internet de alta velocidad. Se aplican conceptos similares para redes de aviones y plataformas estratosféricas.
Es posible que se establezca un mercado sustancial para equipos de comunicación láser cuando estos proyectos se realicen por completo. [72] Los nuevos avances por parte de los proveedores de equipos están permitiendo las comunicaciones láser al tiempo que reducen el costo. La modulación del haz se está perfeccionando, al igual que su software y sus gimbals. Se han solucionado los problemas de refrigeración y la tecnología de detección de fotones está mejorando. [ cita necesaria ] Las empresas destacadas actualmente activas en el mercado 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. [79] [80] Esta técnica utiliza poblaciones de fotones indistinguibles [79] y se ha demostrado que funciona en distancias de propagación de interés práctico [81] y, en principio, podría aplicarse en grandes distancias en el espacio. [79]
Suponiendo la tecnología láser disponible y considerando la divergencia de las señales interferométricas, se ha estimado que el alcance de las comunicaciones entre satélites es de aproximadamente 2000 km (1200 millas). [82] Estas estimaciones son aplicables a una serie de satélites que orbitan alrededor de la Tierra. Para vehículos espaciales o estaciones espaciales, se estima que el alcance de las comunicaciones aumentará hasta 10.000 km (6.200 millas). [82] Este enfoque para asegurar las comunicaciones espacio-espacio fue seleccionado por Laser Focus World como uno de los principales desarrollos fotónicos de 2015. [83]
Carga útil óptica para Lasercomm Science : prueba de comunicaciones ópticas en 2014 entre la Tierra y la ISS Pages displaying short descriptions of redirect targets(OPALS)
TBIRD , entrega por infrarrojos TeraByte: 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)
Otras lecturas
David G. Aviv (2006): Comunicaciones espaciales láser, CASA ARTECH ISBN 1-59693-028-4
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