Обсуждение космических программ
8,792,365 39,579
 

  fzr1000 ( Слушатель )
26 авг 2021 23:39:13

Росатом завершает создание лазерной космической связи

новая дискуссия Новость  523

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) из Сарова завершают создание уникальной установки лазерной космической связи, над созданием которой бьются технари во всем мире.
Российские ученые обоснованно считают, что их установка способна обеспечить уровень связи, невозможный для современных радиоволн. Дело в том, что нынешние системы космической связи уже подошли к своему пределу. К тому же, при увеличении количества спутников на околоземной орбите проблема «космического шума» станет не менее острой, чем вопрос «космического мусора».

Почему же у современных радиоволн существует предел пропускной способности? И что могут решить космические лазеры связи? Об этом — в материале ФАН.

Радиоволнам пора на покой

На сегодняшний день космическая связь осуществляется с помощью все тех же радиоволн, как это было 70 лет тому назад, на заре космической эры. Однако у волн радиодиапазона есть большое число недостатков, главным из которых является пропускная способность канала связи.

 

По классической физике объем передачи данных в таком канале прямо зависит от используемой частоты: чем она выше, тем проще передать в одном и том же канале больший объем полезных данных. Радиоволны, на которых построена современная космическая связь, хороши во многих других параметрах. Например, атмосфера Земли для них в основном прозрачна, а оборудование для их передачи и приема достаточно несложное. Но вот с частотой у них беда — она очень низкая по сравнению с видимым светом или даже инфракрасными лучами.

Как следствие, в одном канале связи в космосе мы можем передать очень небольшой объем информации в единицу времени — не более 1 Гб/секунду. Такой объем информации вполне достаточен для связи с одиночным спутником, однако уже на десяток аппаратов, чтобы они не мешали друг другу, придется нарезать гораздо более скромные значения — 100 Мб/сек, как у бытового оптоволокна.

Ситуация еще более осложняется, когда приходится запускать на орбиты сотни и даже тысячи аппаратов, как это планируется, например, для системы глобального интернета компании SpaceX Илона Маска — программы Starlink. В этом случае аппараты в космосе просто начинают «перекрикивать» друг друга, занимая один и тот же канал связи и мешая друг другу.

При этом передавать данные по узкому лучу, в принципе, можно и в диапазоне радиоволн, но так гораздо сложнее: радиоволны плохо фокусируются. Кроме того, тот же глобальный интернет предполагает, что спутник «светит» широким конусом сигнала, и уже на Земле абоненты «разбирают» из него нужные им пакеты данных.

Именно по этим причинам компания Маска сейчас взяла временный перерыв в запусках спутников Starlink. Уже запущенные и находящиеся на орбите 1657 спутников нужно постоянно синхронизировать между собой, а этому как раз и препятствует допотопная система связи, унаследованная со времен Королева и Вернера фон Брауна. А ведь полная группировка Starlink должна включать от 12 до 42 тысяч отдельных аппаратов!

  

     

Оптоволокно» для космоса

В свою очередь, у лазерной связи частота колебаний очень высокая: на частотах, которые используют современные лазеры, мы можем передавать по одному каналу до 100 Гб — в сто раз больше, чем у радиоволн. При этом для целей космической связи можно использовать, например, инфракрасные лазеры, чтобы попасть в нужное «окно прозрачности» атмосферы и не зависеть от погоды.

Вторым преимуществом лазера является узкая направленность. В отличие от радиоволн, его энергия практически не рассеивается в зависимости от расстояния. И это дает сразу два плюса.

Во-первых, сам лазерный передатчик может быть маломощным, что очень важно для спутника, где каждый киловатт энергии солнечных батарей буквально на вес золота.

Во-вторых, перехватить направленный лазерный луч практически невозможно. А это уже интересно как для гражданского применения в системах защищенной связи, так и для вездесущих военных. Которые, кстати, уже давно присматриваются к возможностям таких мега-группировок в космосе, как Starlink Илона Маска.

Кроме того, лазерные каналы находятся в той области электромагнитного спектра, которая не регламентируется надзором за частотами, поэтому специальных разрешений на ее использование получать не нужно.

А что же Россия? Эксперимент с лазерной связью в нашей стране запланирован на 2024 год, и сейчас в Сарове уже ведутся работы по изготовлению опытных комплектов аппаратуры. Один аппарат такой связи будет стоять на транспортном корабле «Прогресс», а второй — на МКС. Между этими двумя станциями будут отрабатываться процедура и техника связи, которая в ближайшем будущем позволит масштабировать эту технологию на сколь угодно большое число космических аппаратов.

Так что вскоре Россия сможет решить проблему «космического шума», которая оказалась даже острее проблемы космического мусора.
  • +0.27 / 17
  • АУ
ОТВЕТЫ (20)
 
 
  Коломбет ( Слушатель )
27 авг 2021 09:19:13

Это кто такую чушь написал? Чуши больно!
  • +0.02 / 6
  • АУ
 
 
  fzr1000 ( Слушатель )
27 авг 2021 09:48:43

В другом источнике написано 100 гб в сек 
"Используемая сейчас в космосе радиосвязь имеет ряд недостатков, - цитируется в статье научный сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ Сергей Григорович. - Частоты очень низкие, мы можем передать небольшой объем информации в единицу времени - не более 1 Гб. У лазерной связи частота колебаний очень высокая, мы можем передавать по одному каналу до 100 Гб. 
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
  Коломбет ( Слушатель )
27 авг 2021 13:41:32

Просто "бытовое оптоволокно" как раз и создавали для скоростей от 1 Гб,с
  • -0.01 / 1
  • АУ
 
  slavae ( Слушатель )
27 авг 2021 10:40:03

Плюсы хорошие. Вот только объясните мне, как они будут целиться своим лазером в спутник. Или в обратку.
  • +0.03 / 2
  • АУ
 
 
  fzr1000 ( Слушатель )
27 авг 2021 11:27:03

 Я не знаю, даром же Саров одно из самых засекреченых мест в РФ. 
Но как то будут. 
  • +0.04 / 2
  • АУ
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
28 авг 2021 00:57:56

Никак не будут. В атмосфере луч моментально "расплывается" на неоднородностях плотности. Оптический канал возможен только между объектами на орбите. А канал орбита-Земля остается радиоканалом. Это 900 Мбод в лучшем случае. При этом кодирование с восстановлением ошибок (турбо-коды) забирает от половины полосы и более.
  • +0.02 / 2
  • АУ
 
 
  iron-zorin ( Слушатель )
27 авг 2021 13:32:32

А если дождь?
Подозреваю, что это будет применяться для связи между спутниками. Относительные скорости у них могут быть минимальные и совешенно предсказуемые.
 
  • +0.02 / 2
  • АУ
 
 
 
  san76. ( Слушатель )
27 авг 2021 13:41:20

Совсем не силен в лазерном излучении, но вот первая же книжка в интернете говорит о "окнах" прозрачности


График прозрачности слоя атмосферы толщиной 1830 м, водность которой 17 мм, при дымке, концентрация которой соответствует прохождению 60% излучения с длиной волны  0,61 мкм, приведен на рис. XI. 22 [5].
В результате избирательного поглощения существуют полосы прозрачности или «окна» прозрачности. С увеличением высоты над уровнем моря ширина «окон» прозрачности атмосферы увеличивается вследствие уменьшения плотности воздуха и количества водяных паров.

ссылка
  • -0.04 / 2
  • АУ
 
 
 
  LightElf ( Слушатель )
27 авг 2021 15:03:35
Сообщение удалено
LightElf
25 авг 2023 15:31:08
Отредактировано: LightElf - 25 авг 2023 15:31:08

  • +0.01
 
 
 
 
  navi2 ( Слушатель )
27 авг 2021 17:05:16

С лазерной связью между спутниками - всё на тоненького.
Передатчик. КПД обыкновенных радиочастотных выходных каскадов передатчиков около 70%. КПД лазеров, как преобразователей энергии электрического тока в энергию света, в фотоны (это тоже электромагнитные колебания) 25%. Т.е. имеем очевидный проигрыш. НО! Лазер может генерировать настолько малорасходящийся луч, что его приходится для практических применений расширять с помощью линз.
Приемник. Чувствительность традиционных радиоприемных систем обычно ограничивается уровнем помех и природных шумов в месте приёма. Если считать, что этого нет, то тогда чувствительность традиционных радиоприёмных систем определяется шумами антенны и шумами полупроводниковых переходов входных каскадов, по сравнению с которыми шумами антенны можно пренебречь (они меньше на 1-2 порядка)
Фотодиоды, это тоже полупроводниковые переходы. Шумят так же. Однако у них есть КПД - квантовая эффективность называется. Так вот по этому показателю Фотодиод проигрывает банальному МШУ. Фотодиод преобразует фотоны в электричество с эффективностью 5-10%.
ИТОГО. В лазерной системе связи имеем проигрыш по энергетике на уровне выходных и входных каскадов в 28 раз.


Надо понимать, что прицеливание лазерными лучами конечно решит проблему проигрыша в энергетике и даст выигрыш. Но как решить такую задачу на малых космических аппаратах низкой стоимости и не имеющих системы ориентирования в пространстве я пока не читал.
  • +0.16 / 9
  • АУ
 
 
 
 
 
  LightElf ( Слушатель )
27 авг 2021 23:18:54
Сообщение удалено
LightElf
25 авг 2023 15:31:03
Отредактировано: LightElf - 25 авг 2023 15:31:03

  • +0.01
 
 
 
 
 
 
  navi2 ( Слушатель )
01 сен 2021 16:12:47

Вы излучаете в сторону спутника - корреспондента. Мажете. Должны получить управляющий сигнал доворота приемопередающего модуля.
Как?
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
 
 
  ленивый черепах ( Слушатель )
28 авг 2021 17:52:21

=
Да, интересно бы знать немного другие параметры, что-то вроде "плотность передачи информации на единицу затраченной энергии", какие-нибудь "количество битов на микроватт" и сравнить радио и лазер.
  • +0.04 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
28 авг 2021 21:19:39

Выделенное – бессмысленная характеристика. Рулит исключительно отношение сигнал-шум.
  • +0.02 / 1
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  ленивый черепах ( Слушатель )
28 авг 2021 22:09:59

=
Характеристика была предложена в ответ на "В лазерной системе связи имеем проигрыш по энергетике на уровне выходных и входных каскадов в 28 раз. " где рассматривались КПД и энергия, но никак не другая важная характеристика - передача информации.
=
Что касается вашего "Рулит исключительно отношение сигнал-шум.", то передача фонариком сообщений азбукой морзе на 50 метров в сумерках, имеет ну просто отличное соотношение сигнал-шум, однако этот метод врядли можно использовать  для нормальной современной связи.
Так что ваше утверждение требует еще кучу уточнений и условий, а в общем виде - не годится вообще.
  • +0.09 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
31 авг 2021 00:51:28

Еще раз – максимально возможная скорость передачи данных с заданным уровнем ошибок в реальном канале зависит исключительно от соотношения сигнал-шум.
Читаем теорию кодирования и связи, после чего все вопросы про фонарики и прочие глупости отпадают. Нетерпеливые могут почитать википедию – там изложено коротко, но достаточно понятно.
  • +0.04 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  ленивый черепах ( Слушатель )
01 сен 2021 14:50:26

=
еще раз - вы просто не поняли о чем речь, но решили помахать шашкой.
машите дальше, мне лениво.
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
  Kirill62 ( Слушатель )
29 авг 2021 10:53:12

Обыкновенную  спутниковую связь, связь лазерная не отменяет. Работать эта связка ("радио волна-лазер. волна") может одновременно, в режиме похожем на дуплексный 
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
  Barsuk ( Слушатель )
28 авг 2021 01:57:47

Непонятно, почему речь идет об 1 Гб/с как о пределе технологии. Например, пиковая пропускная способность 5G составляет 20 Гб/с. И это речь о дешевой, массовой технологии.
  • -0.04 / 3
  • АУ
 
 
  adolfus ( Слушатель )
28 авг 2021 21:15:51

Никаких 1Гб/с – 900 Мбод с использованием существующих технологий. А чтобы было понятно, изучаем теорию связи, после чего идем на сайт комитета CCSDS, где все подробно изложено в отношении именно к космической связи, включая  пакетную передачу данных по каналу орбита-Земля.
  • -0.02 / 1
  • АУ
 
<< ЦИК РФ
Начал испытания! >>