Китайські дослідники вперше в межах орбітального експерименту встановили двосторонній високошвидкісний лазерний канал між Землею та Місяцем. Зв’язок було перевірено на відстані понад 400 000 км, а швидкість передавання даних досягла 1,25 Мбіт/с під час передачі на космічний апарат та 100 Мбіт/с під час передачі на Землю.
Експеримент тривав понад рік. Дослідники Центру космічного використання та інженерних технологій (CSU) Китайської академії наук успішно продемонстрували роботу лазерного каналу між наземним комплексом і апаратом на навколомісячній орбіті. Це означає, що китайська технологія космічного лазерного зв’язку вперше вийшла за межі навколоземного простору та була перевірена на місячних відстанях.
Лазерний канал на відстані 400 тисяч кілометрів
Лазерний зв’язок потенційно значно перевершує традиційні радіоканали за пропускною здатністю. Окрім вищої швидкості передавання даних, лазерний промінь має вузьку діаграму спрямованості, що дає змогу використовувати компактні термінали та зменшує ймовірність перехоплення сигналу.
Однак передавання лазерного сигналу між Землею та Місяцем значно складніше, ніж звичайний зв’язок на навколоземній орбіті. Відстань перевищує 400 тисяч кілометрів, а найменші помилки в наведенні можуть призвести до того, що вузький промінь пройде повз ціль.
За словами керівника експерименту Ян Лея з CSU, завдання можна порівняти зі спробою «просилити голку за тисячі кілометрів». Навіть невеликі коливання космічного апарата або атмосферні збурення над наземною станцією здатні помітно змінити напрямок лазерного променя.
Для вирішення проблеми дослідники розробили систему захоплення та супроводу, яка одночасно враховує рух апарата, атмосферні й оптичні викривлення, а також затримку поширення світлового сигналу. Це дозволило наземному та космічному обладнанню зберігати точне наведення під час руху.
Слабкий сигнал довелося «виловлювати» за окремими фотонами
Після проходження сотень тисяч кілометрів лазерний сигнал стає надзвичайно слабким. Наземний телескоп може отримувати лише кілька фотонів за один момент часу, при цьому корисний сигнал доводиться відокремлювати від світла Місяця, зірок і штучного освітлення.
Щоб розв’язати цю проблему, команда розробила високошвидкісну надпровідну систему реєстрації одиничних фотонів та високочутливі алгоритми обробки даних. Вони дають змогу виділяти корисний сигнал навіть за дуже низького співвідношення сигнал/шум.
Дослідникам також довелося розв’язати проблему швидкості передавання даних. Вони розробили технології широкосмугової обробки сигналів і спеціальні схеми кодування, що дають змогу протидіяти шумам і зменшувати ймовірність помилок.
100 Мбіт/с — від Місяця до Землі
За підсумками випробувань швидкість висхідного каналу становила близько 1,25 Мбіт/с, а низхідного — 100 Мбіт/с. Таке співвідношення пояснюється тим, що основний обсяг даних майбутніх місячних місій передаватиметься від космічних апаратів на Землю: це зображення, результати спостережень і наукові вимірювання.
Китайські дослідники наводять наочне порівняння. Передавання одного зображення поверхні Місяця у роздільній здатності 8K традиційним мікрохвильовим каналом зі швидкістю близько 5 Мбіт/с займає приблизно 4–5 хвилин. За швидкості лазерного каналу 100 Мбіт/с той самий файл можна передати приблизно за 12 секунд.
Навіщо Китаю лазерний зв’язок із Місяцем
Китай розглядає нову технологію насамперед як основу для майбутніх місячних місій. У міру збільшення кількості наукових апаратів, посадкових модулів і пілотованих експедицій обсяг інформації, що передається, зростатиме, і традиційні радіоканали можуть стати обмежувальним чинником.
Високошвидкісний лазерний зв’язок можна буде використовувати для передавання великих масивів зображень і наукових даних між місячними апаратами та Землею. Крім того, вузькоспрямований промінь дає змогу створювати компактні термінали зв’язку та потенційно зменшує вимоги до розмірів бортового обладнання.
У майбутньому подібні технології можуть бути потрібні не лише для зв’язку з Місяцем, а й у дальніших місіях, де обсяг наукової інформації постійно збільшуватиметься.
Від навколоземного зв’язку до місячного простору
Проведений експеримент став важливим етапом розвитку китайського лазерного зв’язку. Раніше подібні технології переважно випробовувалися на навколоземних відстанях, де вимоги до наведення та енергетики значно нижчі.
Тепер китайські дослідники підтвердили можливість підтримувати двосторонній високошвидкісний канал на відстані понад 400 тисяч кілометрів. Це не означає негайної відмови від традиційного радіозв’язку, однак створює нову можливість для передавання великих обсягів інформації під час майбутніх місячних і дальніх космічних місій.
Китай планує використати отриманий досвід у програмі пілотованих польотів на Місяць, створенні місячної дослідницької станції та наступних місіях у далекому космосі.
