Лазерная связь в космосе. Лазерная связь - еще один способ беспроводной связи
П осмотрите на ваш радиоприемник. Вы увидите, что в диапазоне длинных волн «умещаются» передачи двух-трех радиостанций, на более коротких волнах (их называют средними) уже можно услышать их пять -десять. И наконец, в области коротких волн звучит буквально каждый миллиметр шкалы радиоприемника: вращая ручку настройки, вы слышите писк морзянки, сигналы радиомаяков, разноязычную речь и музыку. Станций так много, что приходится шкалу коротких волн растягивать, она делается в несколько раз длиннее, чем все остальные диапазоны приемника. Это не случайность, а закономерность: чем короче электромагнитные волны, тем больше их может уместиться, не мешая друг другу, на одном отрезке шкалы.
Но свет - такие же электромагнитные колебания, как и радиоволны, только гораздо короче. Поэтому оптический диапазон в пятьдесят тысяч раз шире радиодиапазона. Значит, если использовать свет для связи так, как мы это делаем с радио, можно добиться невиданной плотности передаваемых сообщений! Для этого нужно, чтобы передатчики друг другу не мешали. Этого можно добиться, если каждую передачу вести на строго определенной длине волн.
С радиоволнами все просто: передатчик может излучать электромагнитные волны любой длины. На них очень легко «нагрузить» сообщение. Волна, несущая какой-то сигнал -речь, музыку,- называется модулированной. Модуляция бывает двух видов: частотная (когда меняется длина волны излучения) и амплитудная (когда меняется его интенсивность). Так же модулировать можно было бы и свет, не будь он смесью разных электромагнитных волн, а будь одной волной достаточной интенсивности. Короче, нужен был лазер. И как только он появился, за него тут же ухватились связисты. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах.
Конечно, нет, нужно исключить все вредные погодные воздействия, пустив свет по волоконному световоду.
Лазерный луч попадает в модулятор - устройство, которое «накладывает» на него передаваемый сигнал (речь, музыку, телевизионное изображение) - и уходит в волоконный кабель. Бесчисленное число раз отразившись от его стенок и пройдя в нем сотни и сотни метров, модулированный луч попадает в устройство, которое снова превращает его в привычный нам электрический сигнал.
По этому же световоду можно направить излучение второго лазера, с другой длиной волны, третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть тоньше волоса, можно одновременно передавать 32 ООО телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволит создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений, как сегодня работает радиотрансляция. Часто в одном жгуте комбинируют волоконные световоды и обычные электрические провода.
Есть и еще одно очень важное соображение, которое имеют в виду, создавая волоконно-оптическую связь. Два электрических провода, лежащие рядом, могут мешать друг другу. Переменный ток, текущий в одном проводе, вызывает такой же ток, только послабее, в другом. Возникает ложный сигнал -шум, треск, а то и музыка или речь, мешающие передаче по другому проводу. Такие сигналы-помехи называются наводками. Электрические искры и молнии дают наводки, принимаемые радиоприемником.
Особенно опасны наводки для работы электронно-вычислительных машин. В США был случай, когда огромную космическую ракету пришлось взорвать через несколько секунд после старта: из-за одной-единственной ошибки в вычислениях она сошла с траектории и грозила упасть на город. Расследование показало, что виновато маленькое реле: его неисправный контакт искрил, искра вызывала наводку, а та, в свою очередь,-сбой в работе машины. Крошечная искра стоила американцам нескольких миллионов долларов...
Для того чтобы избежать по-мех, провод одевают в «экран», или «броню» - плетеный чулок из медных нитей. Все высокочастотные кабели обязательно делаются в броне, именно так устроен кабель, идущий от антенны к телевизору. Но и это, как мы уже видели, не всегда помогает.
С волоконным световодом таких неприятностей не произойдет, слой непрозрачной краски на его поверхности - вот и вся изоляция. Поэтому считают, что миниатюрные полупроводниковые лазеры и оптическое волокно скоро вытеснят электронные приборы и кабели из вычислительной техники.
Лазеры уже можно гасить, зажигать и менять их яркость при помощи другого лазера, так, как включают, выключают и усиливают электрический ток электронные лампы и транзисторы. Свет заменяет электричество!
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. «Автор» конструкции и хозяин этого устройства -белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже и согревают зверя.
Волоконно-оптические кабели оказались настолько удобными добавлениями к лазерному лучу, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но, в конце концов, не так давно был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера, например, такого, какой стоит в цехе завода имени Лихачева.
У проводных систем передачи данных появился конкурент – лазер. По лазерному лучу можно передавать до 10 Гбит информации в секунду: в сетях радиосвязи такая скорость невозможна. Лазерная связь совершенно безвредна для человека и имеет множество других достоинств. Правда, лазерный луч не может пробиться сквозь туман.
У лазерной связи своя ниша – она применяется на коротких дистанциях в местах, где возникают сложности с прокладкой кабеля. Операторам лазерной связи не нужно получать разрешение на ввоз оборудования и на использование частот.
Свет в окошке
В Москве и Петербурге все офисные центры поделены между различными операторами связи. Если, к примеру, здание обслуживает «Совинтел», то «Комстару» провести линию в этот офисный комплекс крайне трудно (лишь в очень редких случаях одно здание обслуживают два оператора связи). При этом владельцы офисных комплексов, как правило, не разрешают ставить на крышах своих домов радиосистемы для связи с другими операторами. Лазерная связь помогает преодолеть эти сложности. В офисе можно установить беспроводной оптический аппарат, который направит луч через окно на ближайший ретранслятор «своего» оператора связи и будет по этому лучу передавать информацию. Это позволяет пользователям обходиться без дорогого сервиса, навязываемого арендодателем, и самостоятельно налаживать более удобную и дешевую связь. При смене офиса оборудование можно демонтировать и перевезти на новое место.
Лазер может решить и проблемы крупных предприятий. Установить связь между офисом и производственными площадками – дело хлопотное. В условиях плотной городской застройки проложить кабель по территории завода и прилегающих улиц очень трудно. Но даже если кабель проложен, это не значит, что все проблемы позади. Коммунальные службы то и дело вскрывают асфальт для ремонта городских коммуникаций, частенько при этом перерубая проложенные кабели. Подвесные же кабели часто становятся жертвой подъемных кранов и штормового ветра. Лазерному лучу экскаватор не страшен. Кроме того, световой луч невозможно украсть и сдать как цветной металлолом, поэтому лазерной связи неопасны воры, промышляющие выкапыванием кабелей из-под земли.
Да и подслушивание лазерных систем – дело очень сложное. Если на пути луча поставить несанкционированное приемное устройство, то связь мгновенно прервется. Разместить подслушивающие устройства рядом с приемником и передатчиком тоже нельзя: они будут видны невооруженным взглядом.
20 лет без научной перепискиПопытки построить беспроводную связь при помощи лазерного луча предпринимались в Москве еще в конце 1960-х. Передатчики были установлены в здании МГУ на Ленинских горах и в одном из домов на Зубовской площади, неподалеку от станции метро «Парк культуры». Установка размером с комнату передавала сигнал успешно, но только в ясную погоду. Специалисты решили, что зависимость от состояния атмосферы слишком высока. Связь при помощи инфракрасного луча была признана бесперспективным направлением, и исследования были свернуты на 20 лет. Эта пауза дорого обошлась отечественной науке. В конце 1980-х советские исследователи вернулись к теме, но довести свои испытания до коммерческих образцов не успели. За них это сделали западные конкуренты.
Системы передачи данных при помощи инфракрасного луча появились на мировом рынке в начале 1990-х. Одним из первопроходцев была канадская A.T.Schindler. Вслед за ней свои разработки вывели фирмы Jolt и SilCom. В конце 1990-х на Западе среди производителей оборудования для лазерной связи в лидеры выбилась PAV Data Systems, а пионерам SilCom и A.T.Schindler пришлось слегка потесниться. Кроме того, в области лазерной связи свои разработки имеют американо-германская Lightpointe Communications (бывш.Eagle Optoelectronics), американские Astroterra, LSA Photonics, Lucent Technologies.
Дождь и туман
Поначалу зарубежные системы обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 м и обслуживали локальные сети передачи данных. В конце 1990-х появились системы следующего поколения – более надежные и «дальнобойные», позволяющие обслуживать сети городского масштаба.
На расстоянии до 1600 м системы работают прекрасно. Однако при передаче данных на большее расстояние качество связи снижается. Кроме того, лазерные системы не освободились от метеозависимости. Самая страшная преграда для лазерной связи – туман.
В свою очередь, радиорелейные системы «падают» во время дождя. В этой связи разработчики предлагают строить высоконадежные каналы связи на основе двух линий, одна из которых передает информацию по радио, а другая – по лазерному лучу. Соответственно одна «падает» в дождь, а другая – в туман. «Если нужно получить канал высокой надежности на дистанции до 3 км, то это идеальный вариант», – утверждает Александр Клоков, технический директор представительства американской MicroMax , дистрибутора и интегратора беспроводных оптических систем.
Случаются и другие естественные преграды. Например, говорят, что одна из сотовых компаний до сих пор размышляет, как поступить с выросшим на пути лазерного луча деревом – то ли срубать его, то ли аппарат переставить…
Западные и российские производители не конкурируют друг с другом
Источник: MicroMax Computer Intelligence, Inc
Плюнь в колодец
Преимущества лазерного луча оценил «Транстелеком». У этой компании возникли трудности с «Ростелекомом» и местными «Электросвязями»: конкуренты, владеющие инфраструктурой связи, не подпускают «Транстелеком» к кабельным колодцам. В итоге «Транстелеком» махнул рукой на колодцы и собирается подключать корпоративных клиентов к своим магистралям посредством лазерного луча.
Кроме того, лазерным лучом как каналом передачи сигнала пользуются операторы сотовой связи. Они применяют лазер в тех местностях, где в радиоэфире множество помех – например, в аэропортах.
Заместитель технического директора компании «Соник Дуо» (сеть «МегаФон») Игорь Парфенов
рассказал «Ко», что в московской сети «МегаФон» работают более 10 оптических систем. Компания намерена в течение 2003 года следить за их работой и по результатам наблюдений принять решение о целесообразности массового использования этого оборудования. Пока претензий к работе техники у «Соник Дуо» нет.
В свою очередь, руководитель группы инсталляции радиорелейного оборудования «Вымпелкома» Георгий Павленко сообщил, что его компания использует лазерные установки исключительно для временной работы, пока не получено разрешение на установку радиорелейной аппаратуры. «На постоянной основе эти системы лучше использовать на расстоянии до 500 м. Помимо тумана помехой для них является солнечный свет, поэтому необходимо устанавливать специальные фильтры», – говорит Павленко.
В МТС корреспонденту «Ко» рассказали, что сейчас лазерные приборы обеспечивают связь на участках, суммарная длина которых не превышает 1% от общей протяженности сети. Скорее всего, лазерная связь не превысит этого порога. «Оптические сети хороши для построения микросетей, на использование лазера не требуется разрешения Госсвязьнадзора. Но, к сожалению, практика нашей компании показала, что лазер пока обеспечивает надежную связь на расстоянии не более 500 метров».
В России оборудование для беспроводной связи на основе инфракрасного луча производят НИИ прецизионного приборостроения, компания «Катарсис» из Санкт-Петербурга, Рязанский государственный приборный завод, компании «НТЦ» из Новосибирска и «Сцептор» (последняя создана на базе Московского энергетического института), а также Воронежский институт связи.
Никто из производителей, кроме «Катарсиса», не продвинулся дальше опытного производства. В России хорошие инженеры, которые создают правильную технику, но совершенно не умеют ее продавать. «Например, простейший разъем должен быть стандартным. А у отечественных аппаратов разъемы многоштырьковые. Это, конечно, хороший разъем, но он больше подходит для ракет, – рассказывает Александр Клоков. – Установка российских систем требует распайки кабеля на месте, но какой здравомыслящий оператор пошлет своих работников паять что-нибудь на крышу?»
Отечественные и зарубежные системы пока не конкурируют друг с другом, поскольку находятся в разных «весовых категориях» (см. таблицу). По мнению Александра Клокова, в 2002 году в России будет продано в общей сложности около 400 систем лазерной связи.
30 января на орбиту был запущен спутник Eutelsat 9B. Он стал первым спутником, оснащённым системой EDRS (Европейская система передачи данных). Желая узнать подробности о новой технологии, корреспондент Mediasat отправился в офис разработчика модуля EDRS – компании Tesat, которая расположена в небольшом немецком городке Бакнанг. Руководитель отдела лазерных технологий Матиас Моцигемба провёл для нас экскурсию по предприятию и рассказал о технологии лазерной связи, которая пока ещё мало известна в мире.
При поддержке Космического агентства Германии компания Tesat разработала Терминал лазерной связи (LCT), который обеспечивает поддержку передачи данных на высокой скорости между низкоорбитальными (LEO) и геостационарными (GEO) спутниками. Терминал делает возможной передачу данных на скорости 1,8 гбит/сек на расстояние до 45 000 километров. Эти LCT-терминалы и должны стать основой магистральных каналов передачи данных в системе EDRS, которая должна обеспечить передачу данных между LEO и GEO спутниками.
Матиас Моцигемба: «Теперь у нас есть возможность предоставления услуг высокого качества в режиме, приближённом к режиму реального времени. Это имеет огромное значение! LEO-спутник делает снимок и отправляет его на GEO-спутник, который, в свою очередь, отправляет его на землю в радиочастотном диапазоне. Лазерный луч отличное решение в вакууме, однако, в условиях атмосферы это не самый лучший выбор, поскольку облака могут создавать помехи. Для защиты телевизионного сигнала вы можете использовать высокие скорости передачи данных и защищённую от помех оптическую технологию в фидерной линии. Появление технологии лазерных коммуникаций можно сравнить с началом использования оптического волокна вместо медного».
Телепорт системы наблюдения за Землёй может быть иностранным сервисом, использующим наземные незащищённые линии.
Служба оптической передачи данных (с LEO на GEO и с GEO на наземную станцию передачи).
Наземная станция может располагаться в своей стране в зоне прямой видимости GEO-спутника.
S/C – суверенитет ваших информационных активов.
Необходимость разработки этой технологии была продиктована растущим спросом на ёмкости передачи данных для гражданских и военных спутников наблюдения, HALE миссий. Идея создания системы EDRS была выдвинута Еврокомиссией, которая уже занимается группировкой спутников Sentinel, программой Copernicus. Следующим шагом должно стать создание межспутниковых каналов связи. Компания Eutelsat предложила ёмкости для модуля связи на спутнике Eutelsat 9B. После семи лет разработки первого и второго поколения LCT в июле 2013 года была запущена система LCT на Alphasat. Система LCT на спутнике Sentinel-1A была успешно интегрирована в декабре 2013. В декабре 2014 года был запущен и введён в эксплуатацию спутник Sentinel 1A. В ноябре 2014 Европейское космическое агентство и Tesat провели совместную презентацию в прямом эфире, во время которой в режиме, приближённом к режиму реального времени было отправлено изображение с радара на спутнике Sentinel-1A через Alphasat на расстояние 41 700 километров на наземную станцию.
«Технически нет никакой разницы между оборудованием для лазерной связи, установленным на Alphаsat, и аналогичным оборудованием на Eutelsat 9B. Alphasat продемонстрировал технические возможности проекта, в то время как система EDRS на спутнике Eutelsat 9 B – это коммерческий сервис, предложенный Airbus Defense and Space. Обычно у спутника наблюдения за Землёй есть 10 минут для контакта с наземной станцией и 90 минут на оборот вокруг Земли. Это значит, что вы можете использовать космический актив лишь на 10%, и в случае чрезвычайной ситуации или стихийного бедствия слишком много времени уходит на ожидание контакта с наземной станцией наблюдения. Теперь же, во время наблюдений за морскими судами, к примеру, вы сможете обнаружить неполадку в течение 15 минут» , — говорит Матиас Моцигемба.
Ключевым элементом линейки продуктов является LCT-135 (телескоп с лучом диметром 135 мм) для межспутникового канала GEO/LEO. Как и в случае с предыдущей моделью, LCT-125, устройство объединяет в одном блоке все оптические, механические и электрические подмодули терминала, такие как система распределения электроэнергии, бортовой процессор, модули слежения и сбора данных, а также система обработки данных. Данные с AOCS-датчиков спутника с лёгкостью передаются на LCT через стандартный интерфейс – LIAU (Блок адаптации лазерного интерфейса).
Параметры LCT:
- Радиус действия – 45 000 км.
- Вес: 53 кг.
- Скорость передачи данных (полный дуплекс):
для EDRS – 1,8 гбит/сек, для других миссий – 5,65 гбит/сек. - Мощность передачи: 2,2 Вт
- Максимальная потребляемая мощность: 160Вт
- Габариты: 0.6 x 0.6 x 0.7 м.
С середины 20 века началось активное исследование микроволн. Американский физик Чарльз Таунс решил усилить интенсивность микроволнового луча. Возбудив молекулы аммиака до высокого энергетического уровня путем нагревания или электрической стимуляции, ученый затем пропускал сквозь них слабый микроволновой луч. В результате получался мощный усилитель микроволнового излучения, который Таунс в 1953 г. назвал «мазером». В 1958 г. Таунс и Артур Шавлов сделали следующий шаг: вместо микроволн они попытались усилить видимый свет. На основе этих экспериментов Майман и создал в I960 г. первый лазер.
Создание лазера позволило решить широкий спектр задач, которые способствовали значительному развитию науки и техники. Что позволило в конце 20-го, начале 21-го веков получить такие разработки как: волоконно-оптические линии связи, медицинские лазеры, лазерную обработку материалов (термообработка, сварка, резка, гравировка и прочее), лазерное наведение и целеуказание, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов и многое другое. Все эти изобретения значительно упростили, как и жизнь обычного человека, так и позволили разрабатывать новые технические решения.
В этой статье будут приведены ответы на следующие вопросы:
1) Что такое беспроводная лазерная связь? Каким образом она осуществлена?
2) Какие условия применения лазерной связи в космосе?
3) Какое оборудование необходимо для осуществления лазерной связи?
Определение беспроводной лазерной связи, способы ее осуществления.
Беспроводная лазерная связь — вид оптической связи, использующий электромагнитные волны оптического диапазона (свет), передаваемые через атмосферу или вакуум.
Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу.
На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.
Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.
Из вышесказанного следует, что ключевыми приборными элементами для осуществления лазерной связи являются полупроводниковый лазерный диод и высокочувствительный фотодиод (лавинный фотодио). Рассмотрим чуть более подробно принцип их действия.
Лазерный диод - полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсной населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Пример современного лазерного диода предоставлен на рисунке 1.
Лавинные фотодиоды - высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). Пример современного лавинного фотодиода предоставлен на рисунке 2.
Условия применения лазерной связи в космосе.
Одним из перспективных направлений развития систем космической связи, являются системы, основанные на передачи информации по лазерному каналу, поскольку данные системы могут обеспечить большую пропускную способность, при меньшем энергопотреблении, габаритных размерах и массе приемопередающей аппаратуры, чем использующиеся в данный момент системы радиосвязи.
Потенциально системы космической лазерной связи могут обеспечивать исключительно высокую скорость информационного потока – от 10-100 Мбит/с до 1-10 Гбит/с и выше.
Однако существует ряд технических проблем, которые необходимо решить, для реализации лазерных каналов связи между космическим аппаратом (КА) и Землей:
- необходима высокая точность наведения и взаимного сопровождения на расстояниях от полутысячи до десятков тысяч километров и при движении носителей с космическими скоростями.
- Существенно усложняются принципы приема-передачи информации по лазерному каналу.
- Усложняется оптико-электронная аппаратура: точная оптика, прецизионная механика, полупроводниковые и волоконные лазеры, высокочувствительные приемники.
Эксперименты по осуществлению космической лазерной связи
Эксперименты по реализации систем лазерной связи для передачи больших массивов информации ведут как Россия, так и Соединенные Штаты Америки.
Система лазерной связи (СЛС) РФ
В 2013 году был проведен первый Российский эксперимент по передаче информации с помощью лазерных систем с Земли на Российский сегмент Международной Космической Станции (РС МКС) и обратно.
Космический эксперимент «СЛС» проводился с целью отработки и демонстрации российской технологии и аппаратуры приема-передачи информации по космической лазерной линии связи.
Задачами эксперимента являются:
- отработка в условиях космического полета на РС МКС основных технологических и конструктивных решений, закладываемых в штатную аппаратуру межспутниковой лазерной системы передачи информации;
- отработка технологии приема-передачи информации с использованием лазерной линии связи;
- исследование возможности и условий работоспособности лазерных линий связи «борт КА – наземный пункт» при различном состоянии атмосферы.
Эксперимент планируется проводить в два этапа.
На первом этапе отрабатывается система приема — передачи информационных потоков по линиям «борт РС МКС–Земля» (3, 125, 622 Мбит/с) и «Земля–борт РС МКС» (3 Мбит/с).
На втором этапе планируется отработка высокоточной системы наведения и системы передачи информации по линии «борт РС МКС – спутник-ретранслятор».
Система лазерной связи на первом этапе эксперимента «СЛС» включает в свой состав две основные подсистемы:
- бортовой терминал лазерной связи (БТЛС), установленный на российском сегменте Международной космической станции (рисунок 3);
- наземный лазерный терминал (НЛТ), установленный на станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе (рисунок 4).
Объекты исследования на 1 этапе КЭ:
- аппаратура бортового терминала лазерной связи (БТЛН);
- аппаратура наземного терминала лазерной связи (НЛТ);
- атмосферный канал распространения излучения.
Рисунок 4. Наземный лазерный терминал: астропавильон с оптико-механическим блоком и юстировочным телескопом
Система лазерной связи (СЛС) — 2 этап.
Второй этап эксперимента будет проводиться после успешного выполнения первого этапа и готовности специализированного КА типа «Луч» на ГСО с бортовым терминалом межспутниковой лазерной системы передачи информации. К сожалению, информации о том, был ли проведен второй этап или нет, в открытых источниках не удалось обнаружить. Возможно, результаты эксперимента засекретили, либо второй этап так и не провели. Схема передачи информации предоставлена на рисунке 5.
Проект OPALS США
Практически одновременно американское космическое агентство NASA начинает развертывание лазерной системы OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).
«Система OPALS представляет собой первую экспериментальную площадку для разработки технологий лазерных космических коммуникаций, а Международная космическая станция будет выступать в роли полигона для испытаний системы OPALS» — рассказывает Майкл Кокоровский (Michael Kokorowski), руководитель проекта OPALS и сотрудник Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), — «Будущие лазерные коммуникационные системы, которые будут разработаны на базе технологий OPALS, смогут обеспечить обмен большими объемами информации, что устранит узкое место, которое в некоторых случаях сдерживает научные исследования и коммерческие предприятия».
Система OPALS представляет собой герметичный контейнер, в котором находится электроника, посредством оптического кабеля связанная с лазерным приемно-передающим устройством (рисунок 6). В состав этого устройства входит лазерный коллиматор и камера слежения, установленные на подвижной платформе. Установка OPALS будет отправлена на борт МКС на борту космического корабля Dragon, который отправится в космос в декабре этого года. После доставки контейнер и передатчик будут установлены снаружи станции и начнется 90-дневная программа полевых испытаний системы.
Принцип работы OPALS:
С Земли специалистами лаборатории Optical Communications Telescope Laboratory в сторону космической станции будет послан луч лазерного света, который выступит в качестве маяка. Оборудование системы OPALS, уловив этот сигнал, с помощью специальных приводов нацелит свой передатчик на наземный телескоп, который будет служить в качестве приемника, и передаст ответный сигнал. В случае отсутствия помех на пути распространения лучей лазерного света коммуникационный канал будет установлен и по нему начнется передача видео- и телеметрической информации, которая в первый раз будет продолжаться порядка 100 секунд.
Европейская система передачи данных (European Data Relay System сокр. EDRS).
Система European Data Relay System (EDRS) — запланированный Европейским космическим агентством проект, по созданию группировки современных геостационарных спутников, которые будут осуществлять передачу информации между спутниками, космическими кораблями, беспилотниками (БПЛА) и наземными станциями, обеспечивая более быструю по сравнению с традиционными методами передачи данных скорость, даже в условиях природных и техногенных катастроф.
EDRS будет использовать новую технологию лазерной связи Laser Communication Terminal (LCT). Лазерный терминал позволит передавать информацию со скоростью 1.8 Гбит/с. Технология LCT предоставит возможность спутникам системы EDRS передавать и получать порядка 50 терабайт данных в день практически в режиме реального времени.
Первый спутник связи EDRS должен отправиться на геостационарную орбиту в начале 2016 года с космодрома Байконур на российской ракете-носителе «Протон». Добравшись до геосинхронной орбиты над Европой, спутник проведет лазерные линии связи между четырьмя спутниками «Sentinel-1» и «Sentinel-2», работающими в рамках космической программы по наблюдению за Землей «Коперник», беспилотными летательными аппаратами, а также наземными станциями в Европе, Африке, Латинской Америке, Среднем Востоке и на северо-восточном побережье США.
Второй, аналогичный спутник будет запущен в 2017 году, а запуск третьего спутника запланирован на 2020 год. В сумме эти три спутника смогут покрыть лазерной связью всю планету.
Перспективы развития лазерной связи в космосе.
Преимущества лазерной связи по сравнению с радиосвязью:
- передача информации на большие расстояния
- высокая скорость передачи
- компактность и легкость оборудования для передачи данных
- энергоэффективность
Недостатки лазерной связи:
- необходимость точного наведения приёмных и передающих устройств
- атмосферные проблемы (облачность, пыль и т.д.)
Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Затруднения в виде необходимости точного наведения приёмных и передающих устройств можно решить современными техническими средствами. Кроме того, приемные наземные устройства можно располагать в районах Земли, где количество облачных дней минимально.
Помимо представленных выше проблем, существует еще одна проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в том числе и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.
Таким образом при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот, плохой на первый взгляд, факт мы можем обратить себе на пользу. Поскольку этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать эти самые границы раздела слоев, сред. Мы можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит количество помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время. Зато это позволит удешевить КА за счет экономии на системе наведения. Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса.
На текущий момент, если рассматривать связь «Земля – КА и КА-Земля», оптимальным решением является синергия лазерной и радиосвязи. Достаточно удобным и перспективным является передача данных с КА на Землю с помощью лазерной связи, а с Земли на КА радиосвязью. Связано это с тем, что лазерный приёмный модуль представляет собой достаточно громоздкую систему (чаще всего это телескоп), который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем, известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Такую систему непросто установить на КА, поскольку чаще всего предъявляются требования компактности и малого веса. При этом передатчик лазерного сигнала обладает небольшими габаритами и весом по сравнению с антеннами для передачи радиосигнала.
Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы.
Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды
. Далее рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и искажениям принимаемого сигнала. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней миРаспространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветреСистемы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору
Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:
· блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;
· преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;
· на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;
· усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.
Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5°, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.
После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.
Вот так выглядит установленная система атмосферной лазерной связи. Пропускная способность системы - 100Mbit/sec на расстояние до 3! километров. фото:
Некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных инфракрасное излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет немногим больше 1 км и ограничивается мощностью лазера.
Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе
преимущество - достаточная помехозащищенность, поскольку инфракрасное излучение не взаимодействует с радиоволнами. Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а во-вторых, это весьма сложно осуществить, так как такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками лазер-базированных систем является влияние на устойчивость связи погодных условий.
Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад.
Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей, в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5 до 75 тыс. долл. за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться.
2,5 Гбит/с по лазерному лучу
Компания fSONA Communications представила новую систему беспроводной оптической связи SONAbeam 2500-M, позволяющую достичь скорости передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Основа системы – четыре избыточных передатчика, работающих на длине волны 1550 нм с выходной мощностью лазерного сигнала 560 мВт. На пятикилометровом испытательном полигоне в ясную погоду, система отработала на максимальной скорости и практически без ошибок.
Контрольные вопросы
1. Какие технологии применяются для создания беспроводных сетей?
2. Перечислить основные технологии радиосетей.
3. Что такое точка доступа (access point)?
4. Охарактеризовать технологию 802.11.Что такое направленная и всенаправленная антенна?
5. Что такое роумингом (roaming).?
6. Перечислить технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11;
7. Охарактеризовать технологию Bluetooth .
8. Охарактеризовать технологию HiperLAN .
9. Что такое оптические сети?
10. Что такое микроволновые системы?
11. Охарактеризовать стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)?
12. Что такое беспроводные сети на базе низкоорбитальных спутников Земли?
13. Какие устройства входят в состав инфракрасной системы?
14. Что такое ИК-излучение?
15. Что такое атмосферная лазерная связь?
16. Как происходит прием и передача при атмосферной лазерной связи?
