100Gbps！麻省理工的通信系统实现了迄今最快的太空-地球激光链路

麻省理工学院林肯实验室的TB级红外传输系统，实现了以100Gbps的速度从卫星向地球发送数据 —— 这一速率将改变未来的科学任务。

上图：TBIRD卫星包含一个高速光调制解调器（顶部）、一个存储驱动器（左侧）和一个光放大器（不可见）。

2022年5月，一颗小型立方体（CubeSat）卫星上的“太字节红外传输（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 通过与加利福尼亚州地面接收器的光通信链路，以每秒高达100千兆位的破纪录速度传输了TB级的数据 —— 这比大多数城市最快的互联网速度快100倍。这一数据速率比传统上用于卫星通信的射频链路高1000多倍，也是从空间到地面的激光链路所达到的最高速率。而这些创纪录的速度都是由一个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，作为一种以低成本为科学任务提供前所未有的能力的手段。今天，太空中的科学仪器产生的数据，比通过典型的天地通信链路返回地球的数据要多。通过小型、低成本的空间和地面终端，TBIRD 可以使来自世界各地的科学家充分利用激光通信的优势，来下载他们梦想中的所有数据。

TBIRD 通信有效载荷由林肯实验室设计和制造，集成到 Terran Orbary 公司制造的立方体卫星上，作为NASA探路者技术演示项目的一部分。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）制定了这一计划，以开发一种立方体卫星（CubeSat）巴士（为有效载荷提供动力和转向的“车辆”），将科学技术演示者更快、更便宜地送入轨道。

这颗立方体卫星重约25磅，有两个堆叠的麦片盒那么大，于2022年5月由Space X公司的 Transporter-5 拼车任务从佛罗里达州的卡纳维拉尔角太空部队空间站发射到近地轨道（LEO）。光学地面站位于加利福尼亚州的桌山，那里的大多数天气变化发生在山顶以下，使山顶部分天空相对晴朗，适合激光通信。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（以校正大气湍流造成的失真），由林肯实验室提供TBIRD专用地面通信硬件。

该实验室 TBIRD 有效载荷和地面通信项目经理、光与量子通信技术小组助理组长王玉德（Jade Wang）说：“我们已经证明，我们在比以往任何时候都更小的封装中，展示了比以往更高的数据速率。虽然使用激光从太空发送数据听起来很有未来感，但我们每天使用的光纤互联网背后都有同样的技术理念。不同的是，激光传输是在开放的大气中进行的，而不是在封闭的光纤中进行的。”

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，你都在使用通过玻璃（有时是塑料）制成的光纤的高数据速率链路。这些纤维大约有一根头发的直径，它们被捆成电缆，通过来自激光或其他光源的快速光脉冲传输数据。在互联网时代，光纤通信是至关重要的，在这个时代，大量的数据必须每天快速、可靠地分发到全球各地。

但是，对于卫星来说，以激光通信为基础的高速互联网还不存在。自20世纪50年代太空飞行开始以来，航天任务一直依靠无线电频率向太空和从太空发送数据。与无线电波相比，激光通信中使用的红外光有更高的频率（或更短的波长），这允许在每次传输中装入更多的数据。激光通信将使科学家能够发送比今天的无线电频率系统多100到1000倍的数据 —— 类似于我们从拨号上网到高速互联网的转换。

从地球观测到太空探索，许多科学任务将从这种加速中受益，特别是随着仪器能力的进步，可以捕获更多的高分辨率数据，实验需要更多的远程控制，以及航天器从地球进入更远、更深的太空。

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，激光形成的光束很窄。为了成功地传输数据，这个窄光束必须精确地指向位于地面上的接收器（如望远镜）。虽然激光可以在太空中传播很长一段距离，但由于大气和天气条件的影响，激光束可能会变形。这种失真会导致波束出现功率损失，从而可能导致数据丢失。

在过去的40年里，林肯实验室一直在通过各种项目解决这些和相关的挑战。在这一点上，这些挑战已经可靠地解决了，激光通信正在迅速被广泛采用。业界已经开始大量使用激光通信的LEO交叉链路，目的是加强现有的地面主干，以及提供一个潜在的因特网主干，为农村地区的用户服务。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。在即将到来的任务中，实验室开发的激光通信终端将被发射到国际空间站，该终端将在那里与LCRD“对话”，并支持阿尔特米斯2号（Artemis II），这是一个载人计划，将在未来的载人登月之前飞越月球。

随着人们对天基激光通信的兴趣和发展的不断扩大，林肯实验室将继续推动着可能性的极限。TBIRD 预示着一种新的方法，具有进一步提高数据速率能力的潜力，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业现成组件。然而，地面组件并不是为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。与TBIRD合作，该实验室开发了应对这两个挑战的解决方案。

上图：TBIRD卫星创造了通过激光在轨道和地球之间传输数据的新纪录。

适用于太空的商业组件

TBIRD有效载荷集成了三个关键的商用现货组件：一个高速率光调制解调器，一个大型高速存储驱动器和一个光信号放大器。

所有这些硬件部件都经过了冲击、振动、热真空和辐射测试，以了解这些硬件在太空中的表现。在太空中，它们将受到强大的力量、极端的温度和高辐射水平的影响。当该团队第一次通过模拟太空环境的热测试测试放大器时，纤维融化了。正如研究人员解释的那样，在真空中，没有大气存在，所以热量被困住，不能通过对流释放。该团队与供应商合作，修改放大器，以通过传导释放热量。

为了处理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，这是一种控制通信链路上数据传输错误的协议。有了ARQ，接收器（在这种情况下，是地面终端）通过低速率上行信号提醒发送方（卫星）重新传输任何丢失或损坏的数据块（帧）。

TBIRD系统工程师柯特·席勒（Curt Schieler）解释说：“如果信号中断，数据可以重新传输，但如果效率低下（意味着你把所有的时间都花在发送重复数据上，而不是新数据），你就会损失很多吞吐量。通过我们的ARQ协议，接收器告诉有效载荷它接收到的帧是正确的，因此，有效载荷知道哪些帧需要重新传输。”

TBIRD的另一个新特点是它没有“万向节”，这是一种用来指向狭窄激光束的机制。取而代之的是，TBIRD依赖于实验室开发的误差信号概念，用于航天器的精确体指向。误差信号被提供给立方体卫星总线，因此它知道如何准确地将整个卫星的主体指向地面站。而且，由于没有了万向节，有效载荷甚至可以进一步缩小。

该实验室 TBIRD 有效载荷和地面通信项目经理、光与量子通信技术小组助理组长王玉德（Jade Wang）表示：“我们打算展示一种低成本的技术，能够快速将大量数据从近地轨道下行连接到地球，以支持科学任务。在短短几周的运营中，我们已经实现了这一目标，实现了每秒100千兆的前所未有的传输速率。下一步，我们计划使用TBIRD系统的其他功能，包括将速率提高到每秒200千兆，使地面站在5分钟内就能下载超过2TB的数据 —— 相当于1000部高清晰度电影。”

麻省理工学院林肯实验室与NASA戈达德太空飞行中心合作开发了TBIRD任务和技术。

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