ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ В КОСМОСЕ

PROSPECTS OF THE USE OF LASER COMMUNICATION IN SPACE

Oleg Malofeev

Student, Moscow Aviation Institute, Russia, Moscow

Аннотация. Статья посвящена исследованию перспектив использования лазерной связи в космосе как альтернативы традиционным способам передачи информации. В последние годы наблюдается рост интереса к лазерным технологиям, которые обещают значительно повысить скорость передачи данных и улучшить качество связи между космическими объектами и Землей. В статье рассматриваются основные принципы работы лазерной связи, ее преимущества, а также возникающие сложности. Анализируются текущие проекты и эксперименты, проводимые различными космическими агентствами и частными компаниями, направленные на внедрение лазерной связи. Статья подчеркивает важность дальнейших исследований и разработок в этой области для обеспечения эффективной коммуникации в рамках будущих космических миссий и освоения дальнего космоса.

Abstract. The article is devoted to the study of the prospects of using laser communication in space as an alternative to traditional methods of information transmission. In recent years, there has been a growing interest in laser technologies, which promise to significantly increase the speed of data transmission and improve the quality of communication between space objects and the Earth. The article discusses the basic principles of laser communication, its advantages, as well as emerging difficulties. The current projects and experiments conducted by various space agencies and private companies aimed at the introduction of laser communication are analyzed. The article highlights the importance of further research and development in this area to ensure effective communication within the framework of future space missions and deep space exploration.

Ключевые слова: космическая лазерная связь, передача информации.

Keywords: space laser communication, information transmission.

Сегодня космическая связь представляет собой одно из самых сложных и многообещающих направлений в развитии коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже обеспечили нас такими услугами, как GPS, ГЛОНАСС, высокоточные цифровые карты, интернет и голосовая связь в самых удаленных уголках Земли, но мы стремимся к большему.

В мире существуют разнообразные сети связи, объединяющие космические аппараты и наземные станции.

Поддержка связи на расстоянии 55 миллионов километров осуществляется международной сетью радиотелескопов и средств связи Deep Space Network (DSN), которая является частью NASA. В России для связи с удаленными космическими аппаратами используется Восточный центр дальней космической связи, расположенный недалеко от Уссурийска.

На данный момент DSN включает три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Эти станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать свои зоны действия. Спутник Mars Odyssey, самый долговечный космический аппарат, когда-либо отправленный на Марс, обменивается данными с DSN через антенну с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов осуществляется на УВЧ-антенну [1].

Чем дальше межпланетные станции от нас, тем сложнее уловить их радиосигналы. Поскольку мы не можем разместить орбитальные спутники по всей Солнечной системе, нам приходится строить огромные параболические антенны. Например, главная антенна радиотелескопа DSS-63 Мадридского комплекса дальней космической связи имеет зеркало диаметром более 70 метров и весит 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом по одной тонне каждый.

Антенна не только принимает сигналы, но и передает их. Несмотря на то, что траектория движения Земли была давно рассчитана, точно направить огромную антенну на маленький объект в космосе — задача непростая. Для поиска удаленных объектов применяется радиотриангуляция: две наземные станции сравнивают углы, под которыми сигнал попадает на антенну в разные моменты времени, что позволяет вычислить расстояние до объекта и его местоположение.

С 1960 года межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Одним из перспективных решений этой проблемы является лазерная связь.

Первый эксперимент по космической лазерной связи был проведен российскими учеными на МКС 25 января 2013 года. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer тестировалась двусторонняя лазерная связь между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/с с аппарата на наземную станцию и 20 Мбит/с с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли [2].

Преимущества лазерной связи включают:

• Высокую скорость передачи данных;
• Отсутствие необходимости в координации с Международным союзом электросвязи.

Однако у нее есть и недостатки: оптический сигнал хуже проходит через атмосферу, а лазерный луч нужно точно наводить на цель.

Успешный опыт лазерной связи в космосе уже признан значительным достижением учеными NASA. Ранее они использовали радиоволны для обмена информацией с космосом, но эти волны почти в 100 раз медленнее инфракрасного излучения. Системы лазерной связи кодируют данные в инфракрасный свет, что позволяет передавать больше информации за один раз и быть более компактными при меньшем энергопотреблении.

Для миссии Artemis II система оптической связи Orion Artemis II (O2O) будет передавать на Землю видео и изображения лунной поверхности высокого разрешения, а также осуществлять голосовые вызовы, передавать файлы данных, планы полетов и другие сообщения. O2O сможет передавать информацию со скоростью до 260 Мбит/с на наземные оптические станции NASA [3].

Российские ученые из МФТИ разработали прототип компактного терминала лазерной связи для космических аппаратов, который значительно ускорит передачу данных на наземные станции и обеспечит быструю связь между спутниками. Установка подходит также для малых космических аппаратов класса CubeSat, как сообщает пресс-служба МФТИ. Разработчики отметили, что их терминал потребляет около 15 Вт и способен передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с на расстояниях около 1500 км. Корпус и некоторые детали системы были изготовлены с использованием 3D-печати и ЧПУ-станков, а все компоненты помещаются в компактную коробку, которую можно установить на микроспутники.

Высокая скорость передачи информации и дальность работы лазерной системы связи позволит российским орбитальным аппаратам обмениваться данными как между собой, так и с наземными станциями. Для многоспутниковых группировок необходима межспутниковая система связи, и использование лазеров для этой цели имеет большой потенциал благодаря отсутствию атмосферных помех, что обеспечивает высокую скорость передачи данных.

«Допустим, в системе функционирует 100-200 спутников, между которыми нужно установить связь. Это можно сделать с помощью межспутникового интернета, предварительно установив на спутники терминалы с лазером. Такой интернет позволит моментально передать, например, изображение, которое сделал спутник над Вашингтоном, в Москву. Дело в том, что спутнику, который находится над Америкой, лететь к Москве будет долго, соответственно, картинку мы будем ждать несколько часов. С лазерной связью эта проблема отпадает: данные как по паутине будут передаваться от одного аппарата к другому», — рассказал старший преподаватель МФТИ Иван Завьялов [4].

Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.