东方时讯网2022年5月，一颗小型CubeSat卫星上的TeraByteInfraRedDelivery(TBIRD)有效载荷被发射到离地球表面300英里的轨道上。从那时起，TBIRD以高达每秒100吉比特的创纪录速度——比大多数城市最快的互联网速度快100倍——通过光通信链路向加利福尼亚州的地面接收器传输了数TB的数据。
这一数据速率比传统上用于卫星通信的射频链路高出1,000多倍，并且是从太空到地面的激光链路实现的最高数据速率。而这些创纪录的速度都是通过大约纸巾盒大小的通信有效载荷实现的。
麻省理工学院林肯实验室在2014年将TBIRD任务概念化为以低成本为科学任务提供前所未有的能力的一种手段。今天太空中的科学仪器通常会产生比通过典型的空对地通信链路返回地球更多的数据。凭借小型、低成本的空间和地面终端，TBIRD可以让世界各地的科学家充分利用激光通信来下载他们梦寐以求的所有数据。
TBIRD通信有效载荷在林肯实验室设计和建造，被集成到TerranOrbital制造的CubeSat上，作为NASA探路者技术演示程序的一部分。NASA艾姆斯研究中心制定了该计划，以开发CubeSat总线(为有效载荷提供动力和操纵的“车辆”)，以更快、更便宜地将科学和技术演示器送入轨道。
CubeSat重约25磅，大小相当于两个堆叠的麦片盒大小，于2022年5月从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站乘坐SpaceX的Transporter-5拼车任务发射到近地轨道(LEO)。光学地面站是位于加利福尼亚州的桌山，大多数天气都发生在山顶以下，这使得这部分天空对于激光通信来说相对清晰。该地面站利用NASA喷气推进实验室光通信望远镜实验室的一米望远镜和自适应光学器件(以校正大气湍流引起的失真)，林肯实验室提供TBIRD专用地面通信硬件。
“我们在比以往任何时候都更小的封装中展示了比以往任何时候都更高的数据速率，”该实验室负责TBIRD有效载荷和地面通信的项目经理兼光学和量子通信技术组助理负责人JadeWang说。“虽然使用激光从太空发送数据听起来很超前，但我们每天使用的光纤互联网背后采用的是相同的技术概念。不同之处在于激光传输发生在开放的大气中，而不是在封闭的光纤中。”
从无线电波到激光
无论是视频会议、游戏还是高清流媒体电影，您都在使用跨越由玻璃(有时是塑料)制成的光纤的高数据速率链路。这些纤维的直径大约是一根头发丝，它们被捆绑成电缆，通过来自激光或其他来源的快速传播的光脉冲传输数据。光纤通信对于互联网时代至关重要，在这个时代，每天必须在全球范围内快速可靠地分发大量数据。
然而，对于卫星来说，基于激光通信的高速互联网还不存在。自1950年代太空飞行开始以来，任务一直依赖无线电频率向太空发送数据和从太空发送数据。与无线电波相比，激光通信中使用的红外线具有更高的频率(或更短的波长)，这使得每次传输可以打包更多的数据。激光通信将使科学家能够发送比今天的射频系统多100到1,000倍的数据——类似于我们从拨号到高速互联网的地面切换。
从地球观测到太空探索，许多科学任务都将受益于这种加速，特别是随着仪器能力的提高以捕获更大量的高分辨率数据、实验涉及更多的远程控制以及航天器从地球进一步航行到深空。
然而，基于激光的空间通信带来了一些工程挑战。与无线电波不同，激光形成窄光束。为了成功传输数据，这个窄波束必须精确指向位于地面上的接收器(例如，望远镜)。尽管激光可以在太空中传播很远的距离，但由于大气影响和天气条件，激光束可能会发生扭曲。这种失真会导致光束失去功率，从而导致数据丢失。
在过去的40年里，林肯实验室一直在通过各种项目应对这些和相关的挑战。至此，这些挑战已经得到可靠解决，激光通信正迅速得到广泛应用。业界已经开始使用激光通信扩大LEO交叉链路，目的是增强现有的地面骨干网，并提供潜在的互联网骨干网，为农村地区的用户提供服务。
去年，NASA推出了激光通信中继演示(LCRD)，这是一种基于实验室设计的双向光通信系统。在即将进行的任务中，实验室开发的激光通信终端将被发射到国际空间站，终端将在那里与LCRD进行“对话”，并支持ArtemisII，这是一项将在未来载人飞行之前飞越月球的载人计划登月。
“随着对天基激光通信的兴趣和发展不断扩大，林肯实验室继续挑战可能的极限，”Wang说。“TBIRD预示着一种新方法有可能进一步提高数据速率能力;缩小尺寸、重量和功率;并降低激光通信任务成本。”
TBIRD旨在降低这些成本的一种方法是利用最初为地面光纤网络开发的商用现成组件。然而，地面组件并不是为了在严酷的太空中生存而设计的，它们的运行可能会受到大气效应的影响。通过TBIRD，实验室开发了应对这两个挑战的解决方案。
适用于空间的商业组件
TBIRD有效载荷集成了三个关键的商用现成组件：高速光调制解调器、大型高速存储驱动器和光信号放大器。
所有这些硬件组件都经过了冲击和振动、热真空和辐射测试，以了解硬件在太空中的表现如何，在太空中会受到强大的力量、极端温度和高辐射水平的影响。当团队通过模拟太空环境的热测试首次测试放大器时，纤维熔化了。正如Wang解释的那样，在真空中，不存在大气，因此热量被困住，无法通过对流释放。该团队与供应商合作修改放大器，改为通过传导释放热量。
为了应对大气影响造成的数据丢失，该实验室开发了自己的自动重复请求(ARQ)版本，这是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议。使用ARQ，接收器(在本例中为地面终端)通过低速率上行链路信号提醒发送器(卫星)重新传输任何丢失或损坏的数据块(帧)。
TBIRD系统工程师CurtSchieler解释说：“如果信号丢失，数据可以重新传输，但如果传输效率低下——这意味着你将所有时间都花在发送重复数据而不是新数据上——你可能会损失很多吞吐量。”王氏课题组技术人员。“使用我们的ARQ协议，接收器告诉负载它正确接收了哪些帧，因此负载知道要重新传输哪些帧。”
TBIRD的另一个新方面是它没有万向节，这是一种用于指向窄激光束的机制。相反，TBIRD依靠实验室开发的误差信号概念来精确定位航天器的主体。错误信号被提供给CubeSat总线，因此它知道如何准确地将整个卫星的主体指向地面站。如果没有万向节，有效载荷可以进一步小型化。
“我们打算展示一种低成本技术，能够快速将大量数据从LEO传输到地球，以支持科学任务，”Wang说。“在短短几周的运营中，我们已经实现了这一目标，实现了前所未有的高达每秒100吉比特的传输速率。接下来，我们计划练习TBIRD系统的其他功能，包括将速率提高到每秒200吉比特，使超过2TB数据的下行链路——相当于1,000部高清电影——在地面站的单次5分钟内通过。”