Китайские исследователи впервые в рамках орбитального эксперимента установили двусторонний высокоскоростной лазерный канал между Землёй и Луной. Связь была проверена на расстоянии более 400 000 км, а скорость передачи данных достигла 1,25 Мбит/с при передаче на космический аппарат и 100 Мбит/с при передаче на Землю.
Эксперимент проводили более года. Исследователи Центра космического использования и инженерных технологий (CSU) Китайской академии наук успешно продемонстрировали работу лазерного канала между наземным комплексом и аппаратом на окололунной орбите. Это означает, что китайская технология космической лазерной связи впервые вышла за пределы околоземного пространства и была проверена на лунных дистанциях.
Лазерный канал на расстоянии 400 тысяч километров
Лазерная связь потенциально значительно превосходит традиционные радиоканалы по пропускной способности. Кроме более высокой скорости передачи данных, лазерный луч отличается узкой диаграммой направленности, что позволяет использовать компактные терминалы и уменьшает вероятность перехвата сигнала.
Однако передача лазерного сигнала между Землёй и Луной значительно сложнее обычной связи на околоземной орбите. Расстояние превышает 400 тысяч километров, а малейшие ошибки в наведении могут привести к тому, что узкий луч пройдёт мимо цели.
По словам руководителя эксперимента Ян Лэя из CSU, задача сравнима с попыткой «продеть иголку за тысячи километров». Даже небольшие колебания космического аппарата или атмосферные возмущения над наземной станцией способны заметно изменить направление лазерного луча.
Для решения проблемы исследователи разработали систему захвата и сопровождения, которая одновременно учитывает движение аппарата, атмосферные и оптические искажения, а также задержку распространения светового сигнала. Это позволило наземному и космическому оборудованию сохранять точное наведение во время движения.
Слабый сигнал пришлось «вылавливать» по отдельным фотонам
После прохождения сотен тысяч километров лазерный сигнал становится чрезвычайно слабым. Наземный телескоп может получать лишь несколько фотонов за один момент времени, при этом полезный сигнал приходится отделять от света Луны, звёзд и искусственного освещения.
Чтобы решить эту проблему, команда разработала высокоскоростную сверхпроводящую систему регистрации одиночных фотонов и алгоритмы обработки данных высокой чувствительности. Они позволяют выделять полезный сигнал даже при очень низком отношении сигнал/шум.
Исследователям также пришлось решить проблему скорости передачи данных. Они разработали технологии широкополосной обработки сигналов и специальные схемы кодирования, позволяющие противостоять шумам и снижать вероятность ошибок.
100 Мбит/с — от Луны к Земле
По итогам испытаний скорость восходящего канала составила около 1,25 Мбит/с, а нисходящего — 100 Мбит/с. Такое соотношение объясняется тем, что основной объём данных будущих лунных миссий будет передаваться от космических аппаратов на Землю: это изображения, результаты наблюдений и научные измерения.
Китайские исследователи приводят наглядное сравнение. Передача одного изображения поверхности Луны в разрешении 8K по традиционному микроволновому каналу со скоростью около 5 Мбит/с занимает примерно 4–5 минут. При скорости лазерного канала 100 Мбит/с тот же файл можно передать примерно за 12 секунд.
Зачем Китаю лазерная связь с Луной
Китай рассматривает новую технологию прежде всего как основу для будущих лунных миссий. По мере увеличения количества научных аппаратов, посадочных модулей и пилотируемых экспедиций объём передаваемой информации будет расти, и традиционные радиоканалы могут стать ограничивающим фактором.
Высокоскоростная лазерная связь может использоваться для передачи больших массивов изображений и научных данных между лунными аппаратами и Землёй. Кроме того, узконаправленный луч позволяет создавать компактные терминалы связи и потенциально снижает требования к размеру бортового оборудования.
В дальнейшем подобные технологии могут быть востребованы не только для связи с Луной, но и в более дальних миссиях, где объём научной информации будет постоянно увеличиваться.
От околоземной связи к лунному пространству
Проведённый эксперимент стал важным этапом развития китайской лазерной связи. Ранее подобные технологии в основном испытывались на околоземных дистанциях, где требования к наведению и энергетике значительно мягче.
Теперь китайские исследователи подтвердили возможность поддерживать двусторонний высокоскоростной канал на расстоянии свыше 400 тысяч километров. Это не означает немедленного отказа от традиционной радиосвязи, однако создаёт новую возможность для передачи больших объёмов информации во время будущих лунных и дальних космических миссий.
Китай планирует использовать полученный опыт в программе пилотируемых полётов на Луну, создании лунной исследовательской станции и последующих миссиях в глубокий космос.
