太空激光器时代成熟:卫星的光通信已准备好进入黄金时段


卫星通信的故事是一个寻找更多带宽的故事。物理学定义了搜索的范围——跨越遥远空间的通信只能通过电磁频谱(即EMS)来实现,在电磁频谱或EMS中,频率越高(波长越短),波形中可编码的数据越多。从S波段到C波段,再到X波段和K波段,无线电频率(即RF),卫星通信已经从低频拨号速度发展到今天的每秒数千兆位、波长小于1厘米的超高吞吐量卫星。

但在电磁频谱中,最高频率出现在频谱的可见光端,甚至比最高频率的Ka波段射频高出10000倍。自70年代和80年代光纤通信发展以来,这种技术就已经存在,可以在可见光下对数据进行编码。在那个时候,激光已经是一项成熟的技术,用于激光碟或CD播放器等消费电子设备。

使用激光传输卫星数据——有时被称为自由空间光通信(FSOC)——在理论上已经有40多年的可能性。1995年,日本航空航天探索局(Japan Aerospace Exploration Agency)演示了这项技术,成功地实现了从其工程测试卫星KIKU-6到东京地面站的每秒1兆位数据下载速度。

如今,从初创企业到航空航天巨头和主要国防承包商,十几家公司正在开发和销售自由空间光学技术,用于与地面站或在轨卫星或其他航天器之间的通信,速度高达每秒100千兆比特。今年将启动多个测试或示范项目,如果成功,未来2到4年内,FSOC技术将最终开始在军事和商业星座中大规模部署。

那么,如果卫星通信的故事真的是一个寻找更大带宽的故事,那么关于FSOC的使用,可能最相关的问题是:为什么花了这么长时间?

一种新的技术范式


国防和政府承包商CACI的光通信和网络高级主管托马斯·伍德(Thomas Wood)表示,导致技术部署延迟的一个因素是激光通信是一种全新的模式。从Ku频段到Ka频段可能需要更换天线,但基本上是相同的技术。这是一个渐进的变化。激光通信技术完全不同——我们不使用天线,而是使用望远镜;我们使用的是掺铒光纤放大器,而不是基于氮化镓晶体管的放大器。

伍德解释说,这种范式转变让运营商对采用感到紧张。一开始,人们非常担心把赌注押在一种相对未经验证的技术上,用于[太空]任务,如果它不起作用,你就不能出去修理它。

他承认,工程方面的挑战是重大的。在轨卫星在低地球轨道(LEO)以17000英里/小时的速度运行,激光通信使用的光束比射频窄得多,这意味着指向的精度必须要高得多。伍德说:“大量的技术发展已经用于建造精确定位系统,我想说这是一个现在已经解决的问题。”

这些解决方案很快就会被所有人看到。伍德告诉ViaSatellite,在过去几年里,CACI已经向NASA交付了三个飞行中的FSOC系统的组件,计划在未来两年内发射。其中之一,ILLUMA-T系统将于明年安装在国际空间站上。ILLUMA-T将使国际空间站成为NASA激光通信中继演示的第一个轨道用户;一颗去年发射的地球静止轨道(GEO)卫星,可以接收来自其他卫星和航天器的光通信,并将其发射到地球。

然后是猎户座阿尔忒弥斯II光通信系统,即O2O,计划于2023年搭载猎户座航天器的首次载人飞行,NASA计划在本世纪末将宇航员送上月球。O2O将展示从环绕月球甚至可能是火星轨道的宇宙飞船传输宽带数据的能力。

伍德指出,你可能看过阿波罗11号登月时拍摄的静态、模糊、急促的黑白视频。好吧,下次他们重返月球时,NASA将通过高清视频中讲述一个更好的故事。

伍德认为,NASA对FSOC的承诺将推动更广泛的商业和政府采用这项技术,他说这是工程师和技术专家辛勤工作的结果。他说:“20多年来,我们通过各种各样的演示和大量优秀的工程工作,逐步改进了技术,并表明我们已经将风险降低到人们愿意打赌的程度。”

CACI在这上面下了很大的赌注。去年12月,该公司完成了对SA Photonics的收购。伍德表示,该公司在解决将由LEO巨型星座创建的光通信大众市场方面处于有利地位。这并不是这家每年60亿美元的承包巨头在该领域的第一笔投资。伍德自己在CACI的职业生涯始于三年前,他的雇主LGS Innovations被收购。LGS Innovations曾是贝尔实验室(Bell Labs)的子公司,专门为国家安全机构提供光学和其他高安全通信技术。

CACI远非孤家寡人。根据卫星咨询公司NSR的预测,未来十年,卫星激光通信终端的市场价值将达到30亿美元。

Blue Marble Communications总裁兼首席执行官尼尔·尼科尔森(Neal Nicholson)表示,尽管有市场预测,但太空是一个非常无情的环境,技术挑战仍然相当大。他说,在最近的过去,[FSOC]技术本身不仅存在挑战,而且还受到航天器故障、发射延迟和其他各种问题的阻碍,他警告说,不要盲目预测一定会成功。

尼科尔森说,“Blue Marble”自身的历史证明了这些挑战。该公司开发了适用于空间部署的耐辐射光学调制解调器,能够达到每秒100-200千兆比特的速度,但找不到任何人能够制造接收光学编码数据的终端前端。

尼克尔森说:“我们面临的挑战是找到一个合适的合作伙伴,能够提供价格合理、功能强大的光学头。”。最终,BMC决定在2021年初开发我们自己的前端,并将在今年晚些时候推出完全合格的光终端。

他补充说,在整个行业中,我们非常接近于拥有一些成功的演示,具有可接受的数据速率和可靠的指向、采集和跟踪能力。


带宽需求推动部署


BridgeComm首席执行官巴里·松莫里(Barry Matsumori)表示,另一个阻碍FSOC采用的因素是需求问题。Matsumori指出,射频在一位数甚至几十吉比特每秒的情况下工作良好,直到最近,需求才开始超过射频所能提供的带宽。

现在的需求不仅仅是每秒1千兆比特,不是每秒10千兆比特,而是每秒数十甚至数百千兆比特。而且它呈指数增长。他说,实现这一目标的唯一途径是开始使用光通信或激光通信来增强或补充射频通信。

Matsumori指出,FSOC使用与光纤相同的波长,这意味着他们可以采用已经在电缆上尝试和测试过的技术。我们重复使用激光器,重复使用放大器,重复使用光纤世界中已经摊销的大量设备。但这种重叠也意味着FSOC可以考虑采用新技术,以最大限度地利用光缆带宽。

“现在,真正的问题是,你能以每秒100千兆比特的速度,然后开始对一个信号进行波分多址访问,以达到10倍的[数据速率],也就是每秒1兆比特,”他问道。

Matsumori总结道:“路线图上说,每秒一太比特(TB)并不遥远。”

德国Mynaric的首席财务官、其加利福尼亚子公司Mynaric USA的总裁蒂娜·加陶尔(Tina Ghataore)指出,未来几年,为新的地球观测星座提供服务将需要巨大的带宽增长。

Ghataore说:“合成孔径雷达等新的地球观测技术创建的数据文件的大小,意味着原始数据根本无法使用射频下载。”这就是光通信真正给你带来价值的地方,它不仅能将星上处理过的信息发送进来,还能以非常安全的方式将原始数据发送到地面。

根据成立于2009年的德国航空航天中心(一家政府研究机构)的一家分拆公司Mynaric的首席执行官布朗特·阿尔坦(Bulent Altan)的说法,他认为FSOC的革命远不止是带宽。

阿尔坦认为,这关乎网络的力量。卫星间的光通信链路,或OISL——专门处理卫星间通信的光通信部分——可以赋予新的低轨和中地球轨道(MEO)星座与地面互联网一样的弹性和连通性。

Altan解释说,OISL和智能路由工具——为数据包设计最有效路径的AI算法——结合起来,使卫星星座成为自治网络。smart mesh不会立即将数据带到地面,并向地面网络提供商支付将其移动到最终用户的费用,而是将数据在轨道上移动,并通过最接近最终用户的地面站将其带到地面,使用OISL技术最大限度地提高网络效率。

他说:“光通信的作用是将这些单一的卫星送入轨道,并使它们像互联网一样成为一个连贯的网络。”。

规模经济与标准缺失

但是Ghataore指出,实现新LEO巨型星座的这一愿景意味着能够以相对较低的成本——以负担得起的、可扩展的方式——生产FSOC终端。

但是,国防高级研究计划局(DARPA)战略技术办公室的项目经理格雷格·库伯曼警告说,随着FSOC技术不断扩大以支持巨型星座,有一个巨大的问题。

所有这些星座,每一个都在说不同的语言。想象一下,如果没有适用于Wi-Fi的IEEE 802.11标准,而每个设备制造商都使用自己的技术进入市场。库伯曼说,这是光通信市场上不容开玩笑的情况。

Kuperman说,可见光没有受到监管或许可,标准发展的缓慢速度意味着“像SpaceX或亚马逊这样的公司现在可以更快、更容易地按照自己的标准制造自己的[设备]”。

但由于对光通信设备的技术要求如此严格,因此在推出OISL能力方面所涉及的投资相当可观,这意味着该技术的沉没成本。库伯曼说:“这种高度的定制使得当有人决定某个特定的标准时,他们会投入一笔投资来推广——这是固定的,很难改变。”。

但他补充说,美国政府需要能够利用所有不断扩散的网络上的能力,最大限度地提高其卫星通信的灵活性和弹性,巴尔干化是一种危险:如果每个人都在使用自己的波形说自己的语言,他们自己的编码协议——我们将有这些连接性孤岛——彼此断开。

为了阻止巴贝尔的轨道塔,他在DARPA(天基自适应通信节点,简称Space BACN)运行的项目的目的不是强加一个标准,而是生产一个可以从许多不同系统接收数据的终端。他说:“如果每个人都在说自己的语言,我想成为一名多语者。”

库伯曼说,如果要实现所需的普遍性,太空BACN终端还必须满足三个“100”基准——它必须能够达到每秒100千兆位的数据吞吐量,它必须使用不到100瓦的电力,而且成本必须低于10万美元。

他说,最终的游戏是关于连通性的——我希望能够连接到全球(卫星)网络——就像我连接到AT&T或Verizon基础设施(地面)一样——这有点像管道,没有人想去想,它只需要在那里。


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