Современные технологии передачи данных стремительно развиваются, и одним из наиболее перспективных направлений становится лазерная связь со спутниками. Недавно китайские учёные продемонстрировали прорыв в этой области: им удалось передавать данные с геостационарного спутника на скорости в 1 гигабит в секунду, что в пять раз превышает максимальные показатели популярной сети Starlink. Достижение стало возможным благодаря применению малоэнергетического 2-ваттного лазера и инновационной технологии преодоления атмосферных искажений. Передача данных с помощью лазеров обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с традиционными радиочастотными методами. Оптические сигналы имеют более высокую частоту, что дает возможность увеличивать скорость передачи информации и снижать задержки.
Однако при передаче лазерного сигнала из космоса на поверхность Земли возникает серьёзная проблема — атмосферная турбулентность. Атмосфера рассеивает и искажает лазерный луч, что приводит к потере качества сигнала, снизив его интенсивность и делая прием сложным. Именно борьба с этими атмосферными искажениями стала ключевой задачей для команды китайских исследователей. Во главе исследования стоят профессор Ву Цзянь из Пекинского университета почты и телекоммуникаций и учёный Чжао Лю из Китайской академии наук. Их коллектив предложил уникальное решение, основанное на сочетании адаптивной оптики (АО) и приёме с разнообразием мод (MDR).
Эти две технологии в тандеме позволили значительно уменьшить негативное влияние турбулентных слоёв атмосферы и повысить устойчивость приема оптического сигнала. Адаптивная оптика представляет собой методику динамического корректирования волн лазерного сигнала, искажаемых атмосферой, путем мгновенного изменения формы призматических и зеркальных элементов в оптической системе. Благодаря этому лазерный луч становится более сфокусированным и четким при прохождении через turbulents слой воздуха. При этом технология приема с разнообразием мод — это новаторский подход, который обеспечивает захват и обработку скаттеренных и многомодовых сигналов, что значительно расширяет возможности приема оптических данных даже в условиях сильных искажений. Уникальность работы китайских исследователей заключается в том, что они успешно интегрировали АО и MDR в единую систему, добившись синергетического эффекта.
Это позволило осуществить передачу данных со скоростью 1 Гбит/с с геостационарной орбиты на расстоянии более 36 000 километров. Причем мощность лазера составила всего 2 ватта — сравнимо с силой свечи — что говорит о высокой эффективности и экономичности новой технологии. Для понимания масштаба этого достижения стоит отметить, что сервис Starlink от компании SpaceX оперирует на низкой околоземной орбите около 500-600 километров, и его максимальная скорость передачи данных достигает лишь несколько сотен мегабит в секунду. Китайская же технология отправляет сигнал практически с неподвижного геостационарного спутника, который располагается в 60 раз выше. Это существенно расширяет возможности покрытия и стабильности сигнала, так как геостационарные спутники постоянно находятся над одной и той же точкой земной поверхности.
Реализация такой сложной задачи требует тщательного учета всех факторов, влияющих на распространение лазерных сигналов. Атмосферная турбулентность — это хаотическое изменение температуры и плотности воздуха, возникающее на различных высотах. Это приводит к появлению световых пятен, рассеивающихся на сотни метров при достижении поверхности. В предыдущих исследованиях применялись либо адаптивная оптика, либо разнообразие мод, однако ни одна из этих технологий по отдельности не могла гарантировать стабильность связи при сильных атмосферных возмущениях. Подход китайских учёных типичен для современных тенденций в сфере космических коммуникаций: комбинирование уже известных технологий для достижения новых качественных результатов.
Усиление лазерной связи на таких больших расстояниях позволяет создавать новые инфраструктуры глобального интернета, снижать задержки в передаче данных и улучшать безопасность связи. Кроме того, низкая мощность лазера — всего 2 ватта — означает снижение потребления энергии и, соответственно, повышение эффективности спутниковых систем. Это особенно важно для длительных миссий и уменьшения нагрузки на энергетические ресурсы спутников. Новое открытие китайских исследователей подходит для широкого спектра применений: от обеспечения скоростного интернета в удалённых регионах Земли до создания быстродействующих каналов связи для управления космическими аппаратами и межспутниковой кооперации. Возможность передавать HD-видео и большие объёмы данных практически без задержки открывает дорогу для инноваций в телекоммуникациях, телемедицине, науке и образовании.
Стоит подчеркнуть, что технология передачи оптических данных из космоса — это активная область международных исследований. Конкуренция среди ведущих космических держав стимулирует разработку новых методов борьбы с атмосферными эффектами и улучшение характеристик спутниковых систем. Китайское исследование вносит весомый вклад в эту глобальную гонку за качественную и доступную связь. Невзирая на успехи Starlink и других коммерческих космических операторов, возможность работы с геостационарных орбит и использовать инновационные технологии коррекции сигнала является серьезным конкурентным преимуществом. Это также способствует снижению зависимости от радиочастотных каналов, которые ограничены своей пропускной способностью и подвержены помехам.
