Le système de communication réalise la liaison laser la plus rapide depuis l'espace à ce jour

Dec 04, 2023

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En mai 2022, la charge utile TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) à bord d'un petit satellite CubeSat a été lancée en orbite à 300 miles au-dessus de la surface de la Terre. Depuis lors, TBIRD a fourni des téraoctets de données à des taux record allant jusqu'à 100 gigabits par seconde - 100 fois plus rapides que les vitesses Internet les plus rapides dans la plupart des villes - via une liaison de communication optique vers un récepteur au sol en Californie. Ce débit est plus de 1 000 fois supérieur à celui des liaisons radiofréquence traditionnellement utilisées pour les communications par satellite et le plus élevé jamais atteint par une liaison laser de l'espace au sol. Et ces vitesses record ont toutes été rendues possibles par une charge utile de communication à peu près de la taille d'une boîte de mouchoirs.

Le laboratoire Lincoln du MIT a conceptualisé la mission TBIRD en 2014 comme un moyen de fournir une capacité sans précédent aux missions scientifiques à faible coût. Aujourd'hui, les instruments scientifiques dans l'espace génèrent régulièrement plus de données qu'il n'est possible de renvoyer sur Terre via des liaisons de communication espace-sol typiques. Avec de petits terminaux spatiaux et terrestres à faible coût, TBIRD peut permettre aux scientifiques du monde entier de tirer pleinement parti des communications laser pour transmettre toutes les données dont ils pourraient rêver.

Conçue et construite au Lincoln Laboratory, la charge utile de communication TBIRD a été intégrée à un CubeSat fabriqué par Terran Orbital dans le cadre du programme Pathfinder Technology Demonstrator de la NASA. Le centre de recherche Ames de la NASA a établi ce programme pour développer un bus CubeSat (le "véhicule" qui alimente et dirige la charge utile) pour mettre en orbite des démonstrateurs scientifiques et technologiques plus rapidement et à moindre coût. Pesant environ 25 livres et de la taille de deux boîtes de céréales empilées, le CubeSat a été lancé en orbite terrestre basse (LEO) à bord de la mission de covoiturage Transporter-5 de Space X depuis la station de la Force spatiale de Cap Canaveral en Floride en mai 2022. La station terrestre optique est situé à Table Mountain, en Californie, où la plupart des conditions météorologiques ont lieu sous le sommet de la montagne, ce qui rend cette partie du ciel relativement claire pour la communication laser. Cette station au sol exploite le télescope d'un mètre et l'optique adaptative (pour corriger les distorsions causées par la turbulence atmosphérique) du laboratoire de télescope de communications optiques du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, le laboratoire Lincoln fournissant le matériel de communication au sol spécifique à TBIRD.

"Nous avons démontré un débit de données plus élevé que jamais dans un boîtier plus petit que jamais", déclare Jade Wang, responsable du programme du laboratoire pour la charge utile et les communications au sol TBIRD et chef adjoint du groupe de technologie des communications optiques et quantiques. "Bien que l'envoi de données depuis l'espace à l'aide de lasers puisse sembler futuriste, le même concept technique se cache derrière l'Internet par fibre optique que nous utilisons tous les jours. La différence est que les transmissions laser ont lieu dans l'atmosphère ouverte, plutôt que dans des fibres confinées."

Des ondes radio à la lumière laser

Qu'il s'agisse de visioconférence, de jeu ou de streaming de films en haute définition, vous utilisez des liaisons à haut débit qui traversent des fibres optiques en verre (ou parfois en plastique). Environ le diamètre d'une mèche de cheveux humains, ces fibres sont regroupées en câbles, qui transmettent des données via des impulsions lumineuses à déplacement rapide provenant d'un laser ou d'une autre source. Les communications par fibre optique sont primordiales à l'ère d'Internet, dans laquelle de grandes quantités de données doivent être distribuées rapidement et de manière fiable à travers le monde chaque jour.

Pour les satellites, cependant, un Internet à haut débit basé sur les communications laser n'existe pas encore. Depuis le début des vols spatiaux dans les années 1950, les missions se sont appuyées sur les fréquences radio pour envoyer des données vers et depuis l'espace. Par rapport aux ondes radio, la lumière infrarouge utilisée dans les communications laser a une fréquence beaucoup plus élevée (ou une longueur d'onde plus courte), ce qui permet de regrouper plus de données dans chaque transmission. Les communications laser permettront aux scientifiques d'envoyer 100 à 1 000 fois plus de données que les systèmes à radiofréquence d'aujourd'hui, ce qui s'apparente à notre passage terrestre de l'accès commuté à l'Internet à haut débit.

De l'observation de la Terre à l'exploration spatiale, de nombreuses missions scientifiques bénéficieront de cette accélération, d'autant plus que les capacités des instruments progressent pour capturer de plus grandes quantités de données haute résolution, que les expériences impliquent davantage de contrôle à distance et que les engins spatiaux voyagent plus loin de la Terre dans l'espace lointain.

Cependant, la communication spatiale par laser s'accompagne de plusieurs défis d'ingénierie. Contrairement aux ondes radio, la lumière laser forme un faisceau étroit. Pour une transmission de données réussie, ce faisceau étroit doit être pointé précisément vers un récepteur (par exemple, un télescope) situé au sol. Et bien que la lumière laser puisse parcourir de longues distances dans l'espace, les faisceaux laser peuvent être déformés en raison des effets atmosphériques et des conditions météorologiques. Cette distorsion entraîne une perte de puissance du faisceau, ce qui peut entraîner une perte de données.

Au cours des 40 dernières années, Lincoln Laboratory s'est attaqué à ces défis et à d'autres défis connexes par le biais de divers programmes. À ce stade, ces défis ont été résolus de manière fiable et les communications laser sont rapidement largement adoptées. L'industrie a commencé une prolifération de liaisons croisées LEO utilisant des communications laser, dans le but d'améliorer la dorsale terrestre existante, ainsi que de fournir une dorsale Internet potentielle pour desservir les utilisateurs dans les zones rurales. L'année dernière, la NASA a lancé le Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), un système de communication optique bidirectionnel basé sur une conception de laboratoire. Dans les missions à venir, un terminal de communication laser développé en laboratoire sera lancé vers la Station spatiale internationale, où le terminal "parlera" au LCRD et soutiendra Artemis II, un programme en équipage qui volera près de la lune avant un futur équipage alunissage.

"Avec l'intérêt croissant et le développement des communications laser spatiales, le Lincoln Laboratory continue de repousser les limites de ce qui est possible", a déclaré Wang. "TBIRD annonce une nouvelle approche avec le potentiel d'augmenter encore les capacités de débit de données ; réduire la taille, le poids et la puissance ; et réduire les coûts de mission lasercom."

L'un des moyens par lesquels TBIRD vise à réduire ces coûts consiste à utiliser des composants commerciaux prêts à l'emploi développés à l'origine pour les réseaux terrestres à fibre optique. Cependant, les composants terrestres ne sont pas conçus pour survivre aux rigueurs de l'espace, et leur fonctionnement peut être impacté par les effets atmosphériques. Avec TBIRD, le laboratoire a développé des solutions à ces deux défis.

Composantes commerciales adaptées à l'espace

La charge utile TBIRD intègre trois composants clés du commerce : un modem optique à haut débit, un grand lecteur de stockage à haut débit et un amplificateur de signal optique.

Tous ces composants matériels ont été soumis à des tests de choc et de vibration, de vide thermique et de rayonnement pour déterminer comment le matériel pourrait se comporter dans l'espace, où il serait soumis à des forces puissantes, des températures extrêmes et des niveaux de rayonnement élevés. Lorsque l'équipe a testé l'amplificateur pour la première fois via un test thermique simulant l'environnement spatial, les fibres ont fondu. Comme l'explique Wang, dans le vide, il n'y a pas d'atmosphère, donc la chaleur est piégée et ne peut pas être libérée par convection. L'équipe a travaillé avec le fournisseur pour modifier l'amplificateur afin de libérer de la chaleur par conduction à la place.

Pour faire face à la perte de données due aux effets atmosphériques, le laboratoire a développé sa propre version d'Automatic Repeat Request (ARQ), un protocole de contrôle des erreurs de transmission de données sur une liaison de communication. Avec ARQ, le récepteur (dans ce cas, le terminal au sol) alerte l'expéditeur (satellite) via un signal de liaison montante à faible débit pour retransmettre tout bloc de données (trame) qui a été perdu ou endommagé.

"Si le signal tombe, les données peuvent être retransmises, mais si cela est fait de manière inefficace - ce qui signifie que vous passez tout votre temps à envoyer des données répétées au lieu de nouvelles données - vous pouvez perdre beaucoup de débit", explique l'ingénieur système TBIRD Curt Schieler, un membre du personnel technique du groupe de Wang. "Avec notre protocole ARQ, le récepteur indique à la charge utile quelles trames il a reçues correctement, de sorte que la charge utile sait lesquelles retransmettre."

Un autre aspect de TBIRD qui est nouveau est son absence de cardan, un mécanisme permettant de pointer le faisceau laser étroit. Au lieu de cela, TBIRD s'appuie sur un concept de signalisation d'erreur développé en laboratoire pour le pointage précis du corps de l'engin spatial. Des signaux d'erreur sont fournis au bus CubeSat afin qu'il sache exactement comment pointer le corps du satellite entier vers la station au sol. Sans cardan, la charge utile peut être encore plus miniaturisée.

"Nous avions l'intention de démontrer une technologie à faible coût capable de transférer rapidement un grand volume de données de LEO vers la Terre, à l'appui de missions scientifiques", a déclaré Wang. "En quelques semaines d'exploitation, nous avons déjà atteint cet objectif, atteignant des taux de transmission sans précédent allant jusqu'à 100 gigabits par seconde. Ensuite, nous prévoyons d'exercer des fonctionnalités supplémentaires du système TBIRD, notamment l'augmentation des taux à 200 gigabits par seconde, permettant la liaison descendante de plus de 2 téraoctets de données - l'équivalent de 1 000 films haute définition - en un seul passage de cinq minutes sur une station au sol."

Le Lincoln Laboratory a développé la mission et la technologie TBIRD en partenariat avec le Goddard Space Flight Center de la NASA.

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