Cyberprzestrzeń kosmiczna. Od radia, przez lasery, po kwanty
Komunikacja ze statkami kosmicznymi jest trudna. Sygnały, które przechodzą pomiędzy statkiem kosmicznym a stacjami naziemnymi, są bardzo słabe, a z powodu dużych odległości ich przemieszczenie zajmuje dużo czasu.
Na przykład podróż sygnału między Ziemią a Marsem może trwać do 24 minut, zaś odebranie sygnału wysłanego przez Voyagera 1, który dotarł poza granice Układu Słonecznego, może zająć prawie cały dzień. Ponieważ sprzęt znajdujący się na pokładzie statku kosmicznego nie może być zbyt skomplikowany i rozbudowany, stacje naziemne muszą kompensować to swoimi możliwościami. Aby odfiltrować szumy z przychodzącego sygnału, szybkość danych musi być jednak zmniejszona. Napływające z daleka sygnały zbierane są przez układ antenowy NASA Deep Space Network (1).
Kompresja pomaga, lasery bardziej
NASA od wielu lat dąży do poprawy jakości łączy kosmicznych. Ponad dekadę temu podjęła działania w celu połączenia trzech starych kosmicznych sieci komunikacyjnych, NASA Space Network (SN), Nearearth Network (NEN) i DeepSpace Network (DSN), w jedną znacznie szybszą, bardziej wydajną sieć przesyłu danych.
Opracowany przez NASA w ostatnich latach protokół Internetowy miał zabezpieczać przed opóźnieniami w komunikacji lub zakłóceniami spowodowanymi burzami słonecznymi. Przeszedł testy w misjach bliskich Ziemi, jak również w głębokiej przestrzeni kosmicznej. Wzrost prędkości transferu danych mają zapewnić także nowsze nadajniki mikrofalowe w paśmie Ka (26-40 GHz). Na przykład sonda Lunar Reconnaissance Orbiter może wysyłać lub odbierać z prędkością 100 megabitów na sekundę za pomocą swojego nadajnika pasma Ka.
W sierpniu 2021 r. zespół, składający się z naukowców z Uniwersytetu Wirginii Zachodniej, otrzymał finansowanie z NASA mające na celu rozwój techniki transferu danych w kosmosie. Badacze z tej uczelni, Plyush Mehta i jego współpracownik Nasser Nasrabadi, pracują z NASA Goddard i NASA IV&V nad ulepszonym algorytmami kompresji danych, opartymi na sztucznej inteligencji na symulowanych systemach statków kosmicznych przy użyciu zbiorów danych z poprzednich misji kosmicznych.
Jak wiadomo, na statkach kosmicznych nie ma miejsca, nie jest też to pożądane, ze względu na zagrożenia np. promieniowaniem, na przechowywanie dużych ilości danych np. na twardych dyskach. Naukowcy wysunęli hipotezę, że optymalnym rozwiązaniem dla transferu danych jest kompresja zebranych danych, podobna do metody, która zmniejsza duże pliki na komputerze stacjonarnym przed wysłaniem ich pocztą elektroniczną, przy czym odbiorca dekompresuje plik, aby go otworzyć.
Kompresja danych była stosowana w misjach NASA od początku ery kosmicznej. Jednak wraz z ciągłym ulepszaniem technologii czujników wymagania stawiane systemom komunikacji w kosmosie stale rosną. Wyzwaniem jest teraz udoskonalenie algorytmów w celu zwiększenia wydajności tej kompresji bez utraty najbardziej użytecznych i ważnych informacji.
Kompresja, zwłaszcza udoskonalona, do pewnego stopnia pomoże, ale większą rewolucję w kosmicznej telekomunikacji przynieść może napędzana laserem komunikacja optyczna, w miejsce obecnej, opartej na częstotliwościach radiowych. Lasery mogą pozwolić na przesyłanie danych z prędkością do 600 megabitów na sekundę, a może nawet z prędkością przekraczającą 1 gigabit na sekundę z Księżyca lub Marsa. Ten strumień danych może być jeszcze większy dla statku kosmicznego w pobliżu Ziemi.
Komunikacja może odbywać się w całości w przestrzeni kosmicznej (międzysatelitarne łącze laserowe) lub w aplikacji ziemia-satelita lub satelita-ziemia. W przestrzeni kosmicznej zasięg komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni jest obecnie rzędu kilku tysięcy kilometrów, co jest odpowiednie dla usług międzysatelitarnych. Potencjalnie może ona pokonywać odległości międzyplanetarne rzędu milionów kilometrów, wykorzystując teleskopy optyczne jako ekspandery wiązki.
Badania nad wykorzystaniem laserów w kosmosie zaczęły się już ponad pół wieku temu. W 1968 roku kamera telewizyjna lądownika księżycowego Surveyor 7 wykryła dwa lasery argonowe z Kitt Peak National Observatory w Arizonie i Table Mountain Observatory w Wrightwood w Kalifornii. Pierwsze udane połączenie laserowo-komunikacyjne z kosmosu, o przepustowości 1 Mbit/s, zostało przeprowadzone przez Japonię w 1995 r. między satelitą GEO ETS-VI JAXA a optyczną stacją naziemną w Tokio.
W listopadzie 2001 r. satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Artemis zrealizował pierwsze na świecie laserowe łącze międzysatelitarne, zapewniając optyczną transmisję danych z satelitą CNES SPOT 4. Osiągnął prędkość 50 Mbit/s na odległości 40 tys. km, czyli na odległość pomiędzy niską orbitą LEO a geostacjonarną.
w wersjach - niekorygowanej i korygowanej
W styczniu 2013 roku NASA wykorzystała lasery do przesłania portretu Mony Lisy na orbitę Lunar Reconnaissance Orbiter oddaloną o około 390 000 km. Aby skompensować zakłócenia atmosferyczne, zaimplementowano algorytm kodu korekcji błędów podobny do tego używanego w płytach CD (2). We wrześniu 2013 roku system komunikacji laserowej był jednym z czterech instrumentów naukowych wystrzelonych z misją NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer).
Eksperymenty z komunikacją laserową zostały przeprowadzone w ciągu trzech miesięcy na przełomie 2013 i 2014 r. Wstępne dane zwrócone z urządzeń Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) na LADEE ustanowiły rekord przepustowości komunikacji kosmicznej, 622 megabitów na sekundę. W 2014 r. przeprowadzono kolejne demonstracje systemowe i operacyjne usług. Dane z satelity Sentinel-1A były przesyłane za pomocą łącza optycznego do satelity ESA-Inmarsat Alphasat na orbicie geostacjonarnej, a następnie przekazywane do stacji naziemnej w paśmie Ka. Nowy system osiągał prędkość do 7,2 Gbit/s.
W kwietniu 2020 roku Small Optical Link for International Space Station (SOLISS), stworzony przez JAXA i Sony Computer Science Laboratories, ustanowił dwukierunkową komunikację między ISS a teleskopem Narodowego Instytutu Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych Japonii. W czerwcu 2021 r. Amerykańska Agencja Rozwoju Kosmicznego wystrzeliła dwa satelity 12U CubeSats na pokładzie misji SpaceX Falcon 9 Transporter-2 rideshare na orbitę synchroniczną ze Słońcem. Misja ma zademonstrować laserowe łącza komunikacyjne między satelitami a zdalnie sterowanym MQ-9 Reaper.
W końcu w grudniu 2021 r. NASA wystrzeliła Laser Communications Relay Demonstration (LCRD). LCRD jest pierwszym systemem komunikacji kosmicznej NASA opartym na laserach. Celem LCRD jest przetestowanie komunikacji optycznej w przestrzeni kosmicznej.
LCRD do transmisji danych będzie używać światła laserowego w podczerwieni (3). Dane są kodowane na tych sygnałach elektromagnetycznych i przesyłane z powrotem do ziemskich komend misji. Część widma elektromagnetycznego leżąca w podczerwieni ma znacznie wyższą częstotliwość niż fale radiowe. Ta różnica umożliwia inżynierom przechowywanie większej ilości danych w każdej transmisji, która jest wysyłana z powrotem na Ziemię. LCRD jest w stanie przesyłać dane na Ziemię z prędkością 1,2 gigabita na sekundę.
Komunikacja laserowa w głębokim kosmosie będzie testowana w ramach misji do planetoidy 16 Psyche, której start planowany jest na 2022 r. System nosi nazwę Deep Space Optical Communications (DSOC) i oczekuje się, że zwiększy on wydajność i efektywność komunikacji statków kosmicznych od dziesięciu do stu razy w porównaniu z konwencjonalnymi środkami.
LCRD jest wyposażony w dwa terminale optyczne. Jeden terminal jest przeznaczony do odbierania danych z innego pojazdu kosmicznego. Dane te są następnie kodowane na wiązkach laserowych. Drugi terminal transmituje zakodowane dane z LCRD do naukowców na stacjach naziemnych. LCRD umieszczono na satelicie na orbicie geosynchronicznej, ponad 35 000 km nad Ziemią. Zdolność LCRD zarówno do wysyłania, jak i odbierania danych z misji i stacji naziemnych czyni system dwukierunkowym. Wszystkie te możliwości sprawiają, że LCRD jest pierwszym dwukierunkowym, kompleksowym przekaźnikiem optycznym NASA.
W przeciwieństwie do komunikacji radiowej, sygnały optyczne nie mogą przenikać przez chmury, więc NASA musi zbudować system na tyle elastyczny, aby uniknąć przerw spowodowanych pogodą. LCRD będzie przekazywał dane otrzymane z misji do dwóch stacji naziemnych, zlokalizowanych w Table Mountain w Kalifornii i Haleakalā na Hawajach. Miejsca te zostały wybrane ze względu na minimalne zachmurzenie.
Rozwój techniki nie stanął w innych miejscach. Japoński Narodowy Instytut Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych (NICT) zademonstruje w 2022 r. najszybsze dwukierunkowe laserowe łącze telekomunikacyjne między orbitą geosynchroniczną a ziemią o przepustowości 10 Gbit/s, wykorzystując terminal laserowy HICALI (High-speed Communication with Advanced Laser Instrument) na pokładzie satelity ETS-9.
Wymiary systemów laserowych są znacznie bardziej kompaktowe w porównaniu z technologią komunikacji radiowej. Mniejsze rozmiary pozwalają na uzyskanie większej przestrzeni dla innych aparatów i instrumentów naukowych. Technologia komunikacji optycznej wymaga mniejszej mocy do działania. Niższe zapotrzebowanie na energię mniej obciąża baterie i wydłuża ich żywotność.
Warto wspomnieć również, że korporacje Big Tech takie jak SpaceX, Facebook i Google oraz szereg startupów realizuje obecnie różne koncepcje oparte na technologii komunikacji laserowej. Najbardziej obiecujące zastosowania komercyjne można znaleźć we wzajemnym połączeniu satelitów lub platform wysokogórskich w celu zbudowania wysokowydajnych optycznych sieci szkieletowych. Inne zastosowania obejmują przesyłanie dużych ilości danych bezpośrednio z satelity, samolotu lub bezzałogowego statku powietrznego (UAV) na ziemię.
Zaczynają się także badania możliwości jeszcze nowszych technik komunikacji, opartych na zasadach kwantowych. Tego rodzaju transmisje satelitarne kilka lat temu demonstrowali już Chińczycy (4). Niedawno pojawiła się informacja o wspólnych pracach Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA i Azure Quantum Microsoftu. Obie strony nie ujawniają wielu szczegółów, co jeszcze bardziej intryguje.
Europejski kosmiczny Internet
Nie tylko NASA buduje kosmiczny Internet. SpaceDataHighway (SDH) firmy Airbus to projekt zmierzający do zapewnienia usług łączności szerokopasmowej między Międzynarodową Stacją Kosmiczną a Ziemią. Airbus twierdzi, że usługa SDH stanowi zmianę rzędu wielkości w szybkości komunikacji kosmicznej, wykorzystując technologię laserową i satelity na geostacjonarnej orbicie Ziemi, aby zapewnić usługi transferu danych w czasie rzeczywistym.
Usługa SDH wykorzystuje infrastrukturę komunikacji laserowej Europejskiego Systemu Przekazywania Danych (EDRS) będącą własnością firmy Airbus i przez nią obsługiwaną, aby zapewnić wysoką przepustowość zarówno satelitom na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), jak i platformom powietrznym. SDH ma umożliwić użytkownikom przesyłanie danych - takich jak obrazy, wideo i głos - z satelitów LEO i platform powietrznych za pomocą komunikacji laserowej poprzez satelity geostacjonarne EDRS-A i EDRS-C do odbierających stacji naziemnych w Europie.
Platforma obsługuje transfer danych z satelitów, platform powietrznych i innych użytkowników z szybkością 1,8 Gb/s, z wolumenem transmisji do 40 TB (terabajtów) dziennie. W systemie tym uznawanym za pierwszą na świecie geostacjonarną konstelację komunikacji laserowej, satelity mogą łączyć się z ISS, jak również z nisko orbitującymi satelitami obserwacyjnymi na odległość do 45 tys. km.
Ze swojej pozycji na orbicie geostacjonarnej system SDH przekazuje na Ziemię zebrane dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego, co według Airbusa normalnie trwałoby kilka godzin. Inne typowe zastosowania obejmują komunikację wojskową, wywiad, obserwację i rozpoznanie (ISR), obserwację otwartych oceanów, monitorowanie środowiska i zmian klimatycznych oraz reagowanie w sytuacjach kryzysowych. Na początku 2020 r. system SpaceDataHighway osiągnął kamień milowy w postaci 30 tys. udanych połączeń laserowych w ciągu pierwszych czterech lat rutynowego działania. Przy współczynniku niezawodności na poziomie 99,53 proc., połączenia te pobrały do tej pory ponad 1,7 petabajtów danych z kosmosu.
Skoro jest sieć, to przydałby się też GPS
Dobra komunikacja jest niezbędna nie tylko do zbierania danych naukowych i statusowych, ale także do nawigacji statków kosmicznych w Układzie Słonecznym. Aby nawigować statkami kosmicznymi, musimy znać ich pozycję, co nie jest łatwym zadaniem, gdy są one tak daleko. Jednak dzięki pomiarowi trzech parametrów - odległości, prędkości i kąta, pod jakim statek kosmiczny znajduje się na niebie - możliwe jest obliczenie pozycji satelity w niewielkim obszarze przestrzeni.
Aby obliczyć, gdzie statek kosmiczny znajduje się w Układzie Słonecznym, precyzyjnie mierzymy czas, jaki fale elektromagnetyczne potrzebują na przebycie drogi między statkiem kosmicznym a anteną na Ziemi. Nawigatorzy na Ziemi przekazują następnie korekty kursu. Nawigacja statku kosmicznego do odległych miejsc wymaga pracy zespołu naukowców i inżynierów wykorzystujących zaawansowane radia, duże anteny, komputery i precyzyjny sprzęt do pomiaru czasu. Stosowany dotąd system ma ograniczenia, a częściowa autonomiczna nawigacja staje się coraz bardziej powszechna.
Jedną z metod, która była bardziej eksplorowana w ciągu ostatniej dekady, jest nawigacja z wykorzystaniem pulsarów - namagnesowanych, szybko obracających się, umierających gwiazd, które emitują wiązki promieniowania elektronicznego ze swoich biegunów magnetycznych.
Pulsary milisekundowe, których okresy rotacji są krótsze niż dziesięciotysięczne części sekundy, oferują najbardziej precyzyjny znany wzorzec czasu (5). W swego rodzaju niebiańskim GPS-ie statki kosmiczne mogą mierzyć czas pomiędzy otrzymaniem każdego impulsu promieniowania z trzech różnych pulsarów, szukając drobnych zmian w czasach dotarcia, aby wskazać ich lokalizację.
Badania możliwości nawigacji w głębokiej przestrzeni kosmicznej za pomocą pulsarów rentgenowskich po raz pierwszy zostały przeprowadzone przez brytyjskie Narodowe Laboratorium Fizyki i uniwersytet w Leicester, a drugie przez uniwersytet w Helsinkach. Badania wykazały między innymi, że korzyści płynące z zastosowania takiej techniki obejmują zwiększenie autonomii statków kosmicznych, poprawę dokładności pozycjonowania oraz znacznie niższe koszty operacyjne misji dzięki znacznemu ograniczeniu wykorzystania związanych z nią systemów naziemnych.
Pulsary nie są jedynymi obiektami astronomicznymi, które mogą być potencjalnie wykorzystane do nawigacji. W 2016 roku zbadano wykonalność pokładowego systemu nawigacji wizualnej dla należącej do ESA misji Hera (wtedy AIM), która jeszcze w tej dekadzie odwiedzi podwójną asteroidę Didymos. Hera miała użyć swojej kamery pokładowej do określenia pozycji asteroidy w odniesieniu do gwiazd tła. Hera zademonstruje również komunikację ze stacją naziemną za pomocą łącza optycznego, jak również komunikację pomiędzy głównym statkiem kosmicznym i dwoma CubeSatami.
A co z wykorzystaniem Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej, który umożliwia nawigację na Ziemi? Satelity nawigacyjne krążą na orbicie około 22 000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Ponieważ są one skierowane w dół w kierunku Ziemi, wszystkie statki kosmiczne znajdujące się pod nimi są dobrze obsługiwane przez wysyłane przez nie sygnały. Dziesięć lat temu inżynierowie zaczęli udowadniać, że statki kosmiczne znajdujące się poza orbitą satelitów nawigacyjnych mogą również nawigować w przestrzeni kosmicznej, korzystając z ich sygnału "rozproszonego". No więc ostatecznie także sam GPS może posłużyć jako "kosmiczny GPS".
Mirosław Usidus
