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Comunicación láser en el espacio

Diagrama que muestra dos satélites alimentados por energía solar comunicándose ópticamente en el espacio mediante láseres. La comunicación láser en el espacio consiste en el uso...

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Diagrama que muestra dos satélites alimentados por energía solar comunicándose ópticamente en el espacio mediante láseres.

La comunicación láser en el espacio consiste en el uso de comunicación óptica en el espacio libre . La comunicación puede realizarse completamente en el espacio (un enlace láser entre satélites ) o mediante una conexión tierra-satélite o satélite-tierra. La principal ventaja de utilizar comunicaciones láser sobre ondas de radio es el mayor ancho de banda , lo que permite transferir más datos en menos tiempo.

En el espacio exterior, el alcance de la comunicación óptica en espacio libre es actualmente del orden de cientos de miles de kilómetros. [ 1 ] Se ha demostrado la comunicación óptica basada en láser entre la Tierra y la Luna, y tiene el potencial de salvar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz . [ 2 ]

Demostraciones y pruebas

Antes de 1990

El 20 de enero de 1968, la cámara de televisión del módulo lunar Surveyor 7 detectó con éxito dos láseres de argón procedentes del Observatorio Nacional de Kitt Peak en Arizona y del Observatorio de Table Mountain en Wrightwood, California . [ 3 ]

1991–2000

En 1992, la sonda Galileo demostró la detección unidireccional exitosa de luz láser desde la Tierra, ya que dos láseres terrestres fueron vistos desde 6.000.000 km (3.700.000 millas) por la sonda en su viaje de salida. [ 4 ]  

El primer enlace de comunicación láser exitoso desde el espacio fue realizado por Japón en 1995 entre el satélite geoestacionario ETS-VI de NASDA y la estación terrestre óptica de 1,5 m (4 pies 11 pulgadas) del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) en Tokio , logrando 1 Mbit/s . [ 5 ]   

2001–2010

En noviembre de 2001, el satélite Artemis de la Agencia Espacial Europea (ESA) logró el primer enlace láser intersatelital del mundo en el espacio , proporcionando un enlace de transmisión de datos ópticos con el satélite de observación de la Tierra SPOT 4 del CNES . [ 6 ] Se lograron 50 Mbps a través de 40 000 km (25 000 millas) , la distancia de un enlace LEO-GEO. [ 7 ] Desde 2005, ARTEMIS ha estado retransmitiendo señales ópticas bidireccionales desde Kirari , el satélite japonés de prueba de ingeniería de comunicaciones ópticas interórbita . [ 8 ]  

En mayo de 2005, el altímetro láser Mercury , a bordo de la nave espacial MESSENGER , estableció un récord de distancia bidireccional para la comunicación . Este láser de neodimio infrarrojo bombeado por diodos , diseñado como altímetro láser para una misión en órbita alrededor de Mercurio, logró comunicarse a una distancia de 24 000 000 km (15 000 000 mi) mientras la nave se acercaba a la Tierra durante un sobrevuelo. [ 9 ]  

En 2006, Japón llevó a cabo el primer enlace descendente de comunicación láser LEO a tierra desde el satélite LEO OICETS de JAXA y la estación terrestre óptica de NICT. [ 10 ]

En 2008, la ESA utilizó tecnología de comunicación láser diseñada para transmitir 1,8 Gbit/s a través de 40 000 km (25 000 millas) , la distancia de un enlace LEO-GEO. Dicha terminal se probó con éxito durante una verificación en órbita utilizando el satélite radar alemán TerraSAR-X y el satélite estadounidense Near Field Infrared Experiment (NFire). Las dos terminales de comunicación láser (LCT) [ 11 ] utilizadas durante estas pruebas fueron construidas por la empresa alemana Tesat-Spacecom [ 12 ] en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) [ 13 ] .  

2011–2020

Representación del módulo óptico del LLCD
Representación del exitoso experimento OPALS , donde el láser invisible se muestra como un haz visible.

En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para enviar una imagen de la Mona Lisa al Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO), situado a unos 390 000 km (240 000 millas) de distancia, durante la noche, desde la Estación de Medición Láser de Satélites de Próxima Generación (NGSLR) del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, ubicado en la Tierra. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al utilizado en los CD . [ 14 ]  

En septiembre de 2013, un sistema de comunicación láser fue uno de los cuatro instrumentos científicos lanzados con la misión LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) de la NASA. Después de un tránsito de un mes a la Luna y una verificación de la nave espacial de 40 días, se realizaron experimentos de comunicaciones láser diurnas durante tres meses a finales de 2013 y principios de 2014. [ 15 ] Los datos iniciales devueltos por el equipo Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) en LADEE establecieron un récord de ancho de banda de comunicación espacial en octubre de 2013 cuando las primeras pruebas que utilizaron un haz láser pulsado para transmitir datos a través de los 385 000 km (239 000 mi) entre la Luna y la Tierra pasaron datos a una "velocidad de descarga récord de 622 megabits por segundo (Mbps)", [ 16 ] y también demostraron una velocidad de carga de datos sin errores de 20 Mbit/s desde una estación terrestre a LADEE en órbita lunar . El LLCD es el primer intento de la NASA de comunicación espacial bidireccional utilizando un láser óptico en lugar de ondas de radio , y se espera que dé lugar a sistemas láser operativos en los satélites de la NASA en los próximos años. [ 16 ]   

En noviembre de 2013, se demostró con éxito por primera vez la comunicación láser desde una plataforma a reacción Tornado . Se utilizó un terminal láser de la empresa alemana Mynaric  (anteriormente ViaLight Communications) para transmitir datos a una velocidad de 1 Gbit/s a una distancia de 60  km y a una velocidad de vuelo de 800  km/h durante el día. Los desafíos adicionales en este escenario fueron las rápidas maniobras de vuelo, las fuertes vibraciones y los efectos de la turbulencia atmosférica. La demostración fue financiada por EADS Cassidian Alemania y se realizó en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán DLR . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

En noviembre de 2014, se llevó a cabo el primer uso de comunicación láser gigabit como parte del Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS). [ 20 ] En 2014 se realizaron más demostraciones del sistema y del servicio operativo. Los datos del satélite EU Sentinel-1A en LEO se transmitieron a través de un enlace óptico al ESA-Inmarsat Alphasat en GEO y luego se retransmitieron a una estación terrestre utilizando un enlace descendente convencional de banda Ka . El nuevo sistema puede ofrecer velocidades de hasta 7,2  Gbit/s. [ 21 ] El terminal láser en Alphasat se llama TDP-1 y todavía se utiliza regularmente para pruebas. El primer terminal EDRS (EDRS-A) para uso productivo se lanzó como carga útil en la nave espacial Eutelsat EB9B y entró en funcionamiento en diciembre de 2016. [ 22 ] Descarga rutinariamente grandes volúmenes de datos de las naves espaciales Sentinel 1A/B y Sentinel 2A/B a tierra. Hasta la fecha (abril de 2019) se han realizado más de 20 000 enlaces (11 PBit ). [ 23 ] A mayo de 2023, EDRS tiene más de un millón de minutos de comunicaciones [ 24 ] con más de 50 000 enlaces intersatelitales exitosos . [ 25 ] [ 26 ]

En diciembre de 2014, la Carga Útil Óptica para la Ciencia de la Comunicación Láser (OPALS) de la NASA anunció un avance significativo en la comunicación láser espacio-tierra, con una velocidad de descarga de 400 megabits por segundo. El sistema también es capaz de recuperar el seguimiento tras la pérdida de la señal debido a la nubosidad. [ 27 ] El experimento OPALS se lanzó el 18 de abril de 2014 a la Estación Espacial Internacional (EEI) para seguir probando el potencial del láser para transmitir datos a la Tierra desde el espacio. [ 28 ]

La primera demostración de comunicación láser LEO-tierra utilizando un microsatélite japonés ( SOCRATES ) fue llevada a cabo por NICT en 2014, [ 29 ] y los primeros experimentos limitados cuánticamente desde el espacio se realizaron utilizando el mismo satélite en 2016. [ 30 ]

En febrero de 2016, Google X anunció haber logrado una conexión de comunicación láser estable entre dos globos estratosféricos a una distancia de 100 km (62 millas) como parte del Proyecto Loon . La conexión se mantuvo estable durante muchas horas, tanto de día como de noche, y alcanzó una velocidad de datos de 155 Mbit/s. [ 31 ]   

En junio de 2018, se informó que el Laboratorio de Conectividad de Facebook (relacionado con Facebook Aquila ) había logrado una conexión bidireccional aire-tierra de 10 Gbit/s en colaboración con Mynaric . Las pruebas se llevaron a cabo desde una aeronave Cessna convencional a una distancia de 9 km (5,6 millas) de la estación terrestre óptica. Si bien el escenario de prueba presentaba vibraciones de plataforma, turbulencia atmosférica y perfiles de velocidad angular peores que los de una plataforma objetivo estratosférica, el enlace ascendente funcionó sin problemas y alcanzó un rendimiento del 100 % en todo momento. El rendimiento del enlace descendente disminuyó ocasionalmente hasta aproximadamente el 96 % debido a un parámetro de software no ideal que, según se indicó, se podía corregir fácilmente. [ 32 ]  

En abril de 2020, el Enlace Óptico Pequeño para la Estación Espacial Internacional (SOLISS), creado por JAXA y los Laboratorios de Ciencias de la Computación de Sony , estableció comunicación bidireccional entre la ISS y un telescopio del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones de Japón. [ 33 ]

El 29 de noviembre de 2020, Japón lanzó el satélite de órbita geoestacionaria para retransmisión óptica de datos entre satélites con tecnología de comunicación láser de alta velocidad, denominado LUCAS (Laser Utilizing Communication System). [ 34 ] [ 35 ]

2021–present

Primer vídeo transmitido por láser desde Psyche . Subido antes del lanzamiento, este breve vídeo de ultra alta definición muestra a Taters, un gato atigrado naranja, mascota de un empleado del JPL, persiguiendo un puntero láser, con gráficos superpuestos. Los gráficos ilustran varias características de la demostración tecnológica, como la trayectoria orbital de Psyche, la cúpula del telescopio de Palomar e información técnica sobre el láser y su velocidad de bits. También se muestran la frecuencia cardíaca, el color y la raza de Taters. [ 36 ]

En junio de 2021, la Agencia de Desarrollo Espacial de EE. UU. lanzó dos CubeSats 12U a una órbita heliosíncrona para demostrar enlaces de comunicación láser entre los satélites y un MQ-9 Reaper controlado remotamente . [ 37 ]

El 7 de diciembre de 2021, la Demostración de Retransmisión de Comunicaciones Láser (LCRD) de la NASA se lanzó como parte del programa USAF STP-3 para establecer comunicaciones entre la órbita geoestacionaria y la superficie terrestre.

En mayo de 2022, se lanzó TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) (en PTD-3 ) y se probaron  comunicaciones de 100 Gbit/s desde una órbita de 300 millas hasta California. [ 38 ]

Las comunicaciones láser en el espacio profundo se probarán en la misión Psyche al asteroide 16 Psyche del cinturón principal , lanzada en 2023. [ 39 ] El sistema se llama Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC), [ 40 ] y se espera que aumente el rendimiento y la eficiencia de las comunicaciones de la nave espacial entre 10 y 100 veces en comparación con los medios convencionales. [ 40 ] [ 39 ] En abril de 2024, la prueba se completó con éxito con la nave espacial Psyche a una distancia de 140 millones de millas. [ 41 ]

Misiones futuras

El Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (NICT) de Japón demostrará en 2022 el enlace láser bidireccional más rápido entre la órbita geoestacionaria y la Tierra a 10  Gbit/s mediante el uso del terminal láser HICALI (Comunicación de alta velocidad con instrumento láser avanzado) a bordo del satélite ETS-9 (Satélite de prueba de ingeniería IX) [ 42 ] , así como el primer enlace intersatelital a la misma alta velocidad entre un CubeSat en LEO y HICALI en GEO un año después. [ 43 ] A mayo de 2024 Se ha diseñado y está en desarrollo un terminal de tipo transceptor completo compatible con CubeSat. Se espera que CubeSOTA se lance durante el año fiscal japonés 2025 con el terminal para "demostrar varios escenarios, incluyendo LEO-tierra, LEO-HAPS y LEO-LEO". CubeSOTA "será la primera validación en órbita de los terminales". [ 44 ]

LunaNet es un proyecto de la NASA y la ESA que propone una red de datos para proporcionar una «Internet lunar» a las naves espaciales e instalaciones cislunares . El sistema incluye comunicaciones ópticas para la conexión entre la Tierra y la Luna, así como para la conexión entre satélites lunares y la superficie lunar.

Uso comercial

Corporaciones como SpaceX , Facebook y Google, así como varias empresas emergentes , están desarrollando diversos conceptos basados ​​en la tecnología de comunicación láser. Las aplicaciones comerciales más prometedoras se encuentran en la interconexión de satélites o plataformas de gran altitud para construir redes troncales ópticas de alto rendimiento . Otras aplicaciones incluyen la transmisión de grandes cantidades de datos directamente desde un satélite, aeronave o vehículo aéreo no tripulado (VANT) a tierra. [ 45 ]

Operadores

Varias empresas y organizaciones gubernamentales desean utilizar la comunicación láser en el espacio para constelaciones de satélites en órbita terrestre baja, con el fin de proporcionar acceso global a internet de alta velocidad. Se están explorando conceptos similares para redes de aeronaves y plataformas estratosféricas.

Leyenda
  Activo
  En desarrollo
  Finalizado

Proveedores

Terminal de comunicación óptica Mynaric destinada a uso satelital.

Un mercado sustancial para equipos de comunicación láser podría determinarse cuando estos proyectos se concreten por completo. [ 73 ] Los nuevos avances de los proveedores de equipos están posibilitando las comunicaciones láser a la vez que reducen los costos. Se está perfeccionando la modulación del haz, así como su software y los cardanes. Se han abordado los problemas de refrigeración y la tecnología de detección de fotones está mejorando. Entre las empresas destacadas que operan actualmente en el mercado se incluyen:

Comunicaciones seguras

Se han propuesto comunicaciones seguras utilizando un interferómetro láser de N rendijas, donde la señal láser adopta la forma de un patrón interferométrico, y cualquier intento de interceptar la señal provoca el colapso de dicho patrón. [ 81 ] [ 82 ] Esta técnica utiliza poblaciones de fotones indistinguibles [ 81 ] y se ha demostrado que funciona a distancias de propagación de interés práctico [ 83 ] y, en principio, podría aplicarse a grandes distancias en el espacio. [ 81 ]

Suponiendo que la tecnología láser esté disponible y considerando la divergencia de las señales interferométricas, se ha estimado que el alcance de las comunicaciones satélite a satélite es de aproximadamente 2000 km (1200 millas) . [ 84 ] Estas estimaciones son aplicables a una red de satélites que orbitan la Tierra. Para vehículos espaciales o estaciones espaciales, se estima que el alcance de las comunicaciones aumenta hasta 10 000 km (6200 millas) . [ 84 ] Este enfoque para asegurar las comunicaciones espacio a espacio fue seleccionado por Laser Focus World como uno de los principales desarrollos fotónicos de 2015. [ 85 ]    

Véase también

  • TBIRD , TeraByte InfraRed Delivery - probado en 2022.

Referencias

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Lecturas adicionales

  • David G. Aviv (2006): Comunicaciones láser en el espacio, ARTECH HOUSE ISBN 1-59693-028-4