Espacio: Comunicaciones via Láser


Este 4 de Diciembre la NASA dispone a lanzar un satelite en orbita GEO con la carga util conocida como  «LCRD» –Laser Communications Relay Demonstration– la primera demostración tecnológica de la agencia de un sistema de retransmision por láser (infrarrojo) bidireccional  para probar enlaces  1.2 gigabits por segundo (Gbps), ampliando hasta 10 veces la capacidad de la tecnologia actual. Este es un Hito importante, como parte de las misiones similares que han evolucionado, lanzadas desde el 2013, y continuando con las previstas para enlaces con misiones a la luna y la del proximo año que se dirigira al asteroide Physche (una mision de espacio profundo) el cual portara una carga útil de demostracion tecnologica (DSOC) «Deep Space Optical Communication» , que usara en el primer año de los 3 y medio que durara la travesia hasta su destino. China por su parte quien también ha validado pruebas en órbita va un paso adelante en la aplicación de este sistema en su sistema de Navegación por Satélite (GNSS) BeiDou para ver velocidades de transmisión de datos y precisión en la navegación no logradas hasta ahora.

Desde la década de 1960, los programas en los EE.UU., Japón y Europa han buscado desarrollar un satélite de comunicaciones por láser, pero no lograron resolver algunos de los problemas prácticos involucrados. Uno de ellos lo presenta la atmósfera: las moléculas de aire pueden absorber o reflejar la luz, por lo que muy pocas partículas de luz llegan a su destino. Las turbulencias también puede distorsionar o sacudir los rayos láser de modo que las señales de luz se vuelvan demasiado borrosas para leer, especialmente en áreas urbanas con intensa actividad humana. Similar a cómo si se bloquea el control remoto de un televisor se bloquea la señal, los seres humanos ya utilizan el concepto detrás de las comunicaciones láser con sus televisores.  Usando luz infrarroja, los controles remotos envían señales para controlar un televisor.

LCRD es dirigido por el centro Goddard  en asociación con el Laboratorio de Propulsión a Chorro  (JPL) de la NASA en el sur de California y el Laboratorio Lincoln del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) . LCRD está financiado mediante el programa de Misiones de Demostración de Tecnología de la NASA, que es parte de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial, y el programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN, por sus siglas en inglés) en la sede de la NASA.

En enero de 2020, la carga útil del vuelo LCRD fue entregada a las instalaciones de Northrop Grumman en Sterling, Virginia, para su integración en STPSat-6, el Satélite numero 6 del Programa de Pruebas Espaciales del Departamento de Defensa de EE. UU. Durante todo el proceso de desarrollo, el equipo del LCRD de la NASA trabajó en estrecha colaboración con la Fuerza Espacial y con socios comerciales como Northrop Grumman y el Laboratorio Lincoln del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).

La carga útil del LCRD viajará a bordo del  STPSat-6, cuyo lanzamiento está previsto para el 4 de diciembre(2021) desde Cabo Cañaveral (Florida). Los componentes de la carga útil de LCRD a bordo del satélite GEO, en su totalidad tiene «el tamaño de un colchón tamaño King».

Una misión en vista de revolucionar las comunicaciones en el espacio. LCRD enviará datos de prueba desde y hacia sus estaciones terrestres usando la tecnología láser en el espectro infrarrojo (espectro no visible) en vez de los sistemas de radiofrecuencia habituales con el objetivo de transmitir datos de diez hasta cien veces más rápido que lo normal, hacia  la Tierra.

Aun cuando las comunicaciones ópticas no sustituirán las radiofrecuencias, dado que estas ultimas tiene sus propios beneficios ante las perturbaciones atmosféricas —como las nubes y las turbulencias— las que pueden interferir con las señales de láser a medida que viajan a través de la atmósfera de la Tierra.

Con los láseres trabajando en el espectro infrarrojos, el LCRD  se enviará datos a la Tierra desde una órbita geosincrónica a 1.2 gigabits por segundo (Gbps). Esto  hace posible, por ejemplo, descargar una película en menos de un minuto, o que mientras que las ondas de radio pueden retransmitir 10 fotos en un minuto, la tecnología láser podrá retransmitir 100. Transmitir la información de un mapa completo del planeta Marte, con la tecnología actual se tarda hasta tres meses, con la tecnología láser, requeriría  en poco más de una semana. Esta capacidad, comparable a las conocidas conexiones a internet con fibra óptica, resulta fundamental para las próximas misiones de exploración espacial a la Luna o espacio profundo, como sera probado en la misión del 2022 al asteroide Physche.

Se creara una ruta continua para los datos desde las misiones en el espacio hasta el satelite con carga útil LCRD  y de allí a las estaciones terrestres en la Tierra, creando un sistema completo de extremo a extremo. Además, la capacidad de LCRD para enviar y recibir datos de misiones y estaciones terrestres hace que el sistema sea bidireccional.

LCRD pasará aproximadamente dos años realizando pruebas y experimentos de la NASA, otras agencias gubernamentales, el mundo académico y empresas comerciales. luego seran 6 años  de operaciones.

La estandarización:
Estas primeras pruebas permitirán a la comunidad aeroespacial aprender y perfeccionar aún más la tecnología para su implementación futura. El uso de sistemas de comunicaciones láser se volverá frecuente, lo que aumenta la importancia de la estandarización. Seguir estándares comunes para comunicaciones láser eliminará la necesidad de que las misiones diseñen sus sistemas desde cero, lo que resultará en ahorros de costos e interoperabilidad entre naves espaciales.  en  Agosto de 2019 fueron liberadas las publicaciones de las recomendaciones para sistemas de datos espaciales,  dos libros azules de la CCSDS:  (Blue Books ) Optical Communicactions for Physical Layer CCSDS 141.0-B-1 , y el  «Optical Communicactions for Coding and Synchronization CCSDS 142.0-B-1″. Así estas misiones ayudarán a la comunidad aeroespacial a estandarizar las comunicaciones láser para su implementación en misiones futuras

Las Misiones y proyectos:

Futuro

Los terminales láser son ideales para naves espaciales como la Estación Espacial Internacional porque requieren menos tamaño, peso y potencia, un beneficio clave al diseñar nuevos conceptos de misión.

2022, ILLUMA-T,  Integrated LCRD Low Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal a bordo de la estación espacial será el primer usuario experimental en órbita de LCRD, sera un  «Terminal de Amplificador y Módem de Usuario de órbita Terrestre Baja Integrado al LCRD  «. ILLUMA-T proporcionará los datos que serán enviados al LCRD a velocidades de 1.2 Gbps a través de enlaces ópticos transmitiendo imágenes y videos de alta resolución de los experimentos de investigación y desarrollo en curso hasta la Tierra . Así el  LCRD retrasmitira los datos desde el  ILLUMA-T, lo que  será el primer sistema operativo de comunicaciones ópticas para vuelos espaciales tripulados. .

El TBIRD (Terabyte Infrared Delivery) como carga útil de CubeSat o Envío de terabytes por infrarrojo (TBIRD, por sus siglas en inglés) hará demostraciones de enlaces desde LEO  a la tierra (downlinks) por láser a 200 Gbps, con un almacenamiento a bordo de 2.0 TB, lo que establecerá un nuevo récord para las velocidades de datos en las comunicaciones por láser. 200 Gbps

El O2O (Orion Artemis II Optical Communications System), o La terminal de Sistema de comunicaciones ópticas Orion Artemis II  permitirá la transmisión de videos de muy alta definición por luz infrarroja entre la Tierra y los astronautas de Artemis II que viajarán alrededor de la Luna.  Las misiones de la  NASA Artemis II  aprovechará las comunicaciones láser, enviando datos críticos para aumentar nuestro conocimiento de la Luna para cuando la agencia lleve a la primera mujer y al siguiente hombre a la superficie y establezca una presencia sostenible y permitirá una transmisión de video de ultra alta definición entre Artemis II y la Tierra.

2022:  Deep Space Optical Communications (DSOC), la misión Psyche  se embarcará en un viaje de tres años y medio para llegar a su destino en el asteroide del mismo nombre a más de 240 millones de kilómetros. Durante el primer año de su viaje, la Deep Space Optical Communication carga útil de s (DSOC) a bordo probará las comunicaciones láser contra los desafíos distintivos que presenta la exploración del espacio profundo: apuntar a distancias extremas. DSOC brindará a la NASA información sobre las capacidades de comunicaciones láser más lejos que nunca, demostrando que estos sistemas son viables para la exploración del espacio profundo.

CHINA

El Shijian-13,  fue  lanzado con éxito al espacio el 12 de abril de 2017 a las 7:04, desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Xichang,  capaz de transmitir 20 gigabytes por segundo y tiene una vida orbital diseñada de 15 años. El 23 de enero de 2018, se puso en uso oficialmente en operación por la Administración Espacial Nacional China.

El Shijian-13 ( en chino : 实践 十三 号 Shíjiàn shísānhào ) es el primer satélite de comunicaciones de alto rendimiento en China (high-throughput).

Su Sistema de comunicaciones láser: Este es el primer sistema de comunicaciones láser que China utilizó en el satélite de comunicaciones con el satélite de alta órbita (geoestacionaria) , el satélite Shijian-13. El sistema de comunicación láser tiene las ventajas de un gran ancho de banda y una alta velocidad de transmisión, puede cumplir con los requisitos de comunicación de alta capacidad y alta velocidad. Los ingenieros de la agencia también realizo una prueba exitosa de la tecnología de comunicación láser de alta velocidad entre el Shijian-13 desde la órbita Geoestacionaria y la tierra, a una velocidad de hasta 2.4Gbit , siendo así una tecnología que duplica la eficiencia de la transmisión de datos de los satélites a la Tierra, cuya velocidad puede ser tan rápida como las redes móviles de quinta generación.

“La tecnología satelital y la comunicación láser probadas en el Shijian-13 alcanzaron el nivel más avanzado en el mundo, sentando una base sólida para nuestros próximos proyectos”, dijo Li Feng, diseñador de satélites de la Administración Espacial Nacional China.

El satélite conectará estaciones de comunicación chinas en zonas remotas, optimizando la educación a distancia, la comunicación de emergencia y ofreciendo una mejor conexión a Internet a los pasajeros de aviones y trenes de alta velocidad.

El Xingyun-2 es una constelación LEO (en orbita baja) china planificada para comunicaciones de Internet de las cosas (IoT) y operada por Xingyun Satellite Co., una subsidiaria de CASIC con inversores comerciales.

Los satélites cuentan con una carga útil de comunicación de banda L y un paquete de comunicación láser entre satélites. La tasa de transferencia de datos de banda estrecha es de 2,4 a 9,6 kbps de enlace ascendente y de 2,4 kbps de enlace descendente. También porta otra carga útil alojada (no especificada) a bordo.

Los dos primeros satélites 01 y 02  se lanzaron en mayo de 2020 en un Kuaizhou-1A cohete .

Para el 17 de agosto de 2020  Los satélites Xingyun-2 01 y 02 de China verificaron las tecnologías claves para la comunicación láser entre satélites, de acuerdo con la empresa China Space Sanjiang Group.

En concreto, según informa Xinhua, los dos satélites para el proyecto espacial de internet de las cosas IOT (IdC) de China, lanzados el pasado mes de mayo de 2020, han establecido una comunicación bilateral con un proceso de enlace completo y telemetría estable, logrando un avance en la comunicación láser entre satélites para la constelación espacial de IdC del país.

La comunicación láser entre satélites usa láser para transmitir imagen, voz, señal y otra información en el espacio. Tiene las ventajas de una tasa de transmisión alta, una fuerte capacidad contra interferencias, terminales de sistema más pequeñas, peso ligero y bajo consumo de energía.

Puede reducir enormemente la dependencia del sistema de la constelación satelital de las redes en tierra, y así bajar el coste de las estaciones terrestre, ampliando el área de cobertura y logrando medición y control globales. La carga de comunicación láser de cada satélite pesa 6,5 kilogramos y consume 80 vatios de energía

BeiDou 北斗:

En una carrera con los EE. UU. para desarrollar una red de comunicaciones láser en el espacio, el sistema GNSS de China , BeiDou , ha llevado a cabo un experimento entre estaciones terrestres y entre satélites y satélites utilizando láseres en lugar de los habituales radioenlaces. La tecnología podría transmitir datos un millón de veces más rápido que mediante las señales de radio a casi cualquier lugar. Algunos expertos aseguran que podría aumentar la precisión de la navegación por satélite en un factor de 6 a 40, sincronizando los relojes atómicos de los satélites con los rayos láser.
En un desarrollo competitivo pero rezagado, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de los EE. UU. anunció el 29 de noviembre que el lanzamiento de un satélite experimental el 4 de diciembre conducirá a experimentos similares, el LCDR probara la transmisión de datos a través de un rayo láser a 2,8 GB por segundo. Esto se produce después de un retraso de dos años en el proyecto.
Investigadores del Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun, en la provincia nororiental de Jilin, desarrollaron un telescopio de espejo que cambia de forma y es el núcleo de la metodología usada. Podría permitir que un satélite transmita datos a la tierra  o a otro satélite, a varios gigabytes por segundo, en lugar de kilobytes  cuando se usan las radiofrecuencia. Lo que clasifica el experimento con rendimiento de comunicación más rápido de BeiDou .

BeiDou y todos los demás satélites GNSS normalmente se comunican entre sí mediante una señal de radio (RF) , que solo puede transmitir mensajes de texto cortos debido al ancho de banda limitado. Con láseres, una red espacial podría transmitir datos un millón de veces más rápido. La comunicación láser ofrece un ancho de banda más amplio, es menos vulnerable al ciberespionaje y utiliza tecnología más ligera y compacta.

Una estación terrestre para la comunicación por láser suele ser una instalación fija con dispositivos sofisticados que incluyen un gran telescopio, una unidad de bloqueo y seguimiento del haz y equipo para el procesamiento de señales. Sin embargo, los científicos e ingenieros del Instituto Changchun empacaron el equipo de recepción en un automóvil para su despliegue móvil.

El ancho de banda del rayo láser puede alcanzar un terabyte (1000 GB) por segundo. Los láseres también son menos susceptibles a ser intervenidos por un tercero y más difíciles de interferir durante la guerra electrónica que las microondas. Un satélite de comunicaciones tradicional suele ser voluminoso, porque requiere antenas enormes y mucha potencia para generar y transmitir una gran cantidad de señales de radio. Los dispositivos láser son más pequeños y livianos, lo que potencialmente permite que los satélites construidos principalmente para otros fines establezcan comunicaciones de alta velocidad entre sí o con el suelo, según un informe de la agencia de noticias china.

Según los informes, los investigadores chinos en Shenyang han desarrollado un espejo telescópico que puede cambiar de forma con una carga eléctrica, para reducir el efecto borroso causado por la turbulencia del aire.

Mozi, el primer satélite cuántico del mundo, alcanzó una velocidad de descarga de 5,1 GB por segundo en 2016 utilizando equipos láser.
Posteriormente, el laboratorio espacial chino Tiangong 2 realizó la primera comunicación láser espacio-terrestre del mundo durante el día, superando otro obstáculo importante en la aplicación práctica. En 2019, una estación terrestre láser china descargó datos de un satélite a 10 GB por segundo.

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.https://www.vhngroup.com/noticias/china-realiza-prueba-comunicacion-alta-velocidad-mediante-laser-satelite-la-tierra/

.https://actualidadaeroespacial.com/satelites-chinos-verifican-tecnologia-de-comunicacion-via-laser/

.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/laser-communications-relay-demonstration-6-things-you-need-to-know
.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/demostraci-n-del-retransmisor-de-comunicaciones-l-ser-de-la-nasa-seis-cosas-que-necesitas
.https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/optical_comm_roadmap_508.pdf
.https://www.abc.es/ciencia/abci-nasa-prueba-laser-para-revolucionar-comunicaciones-espacio-202112040119_noticia.html#vca=rot-se-13&vmc=loultimo&vso=noticia-ciencia&vli=2-la-nasa-prueba-un-laser-para-revolucionar-las-comunicaciones-en-el-espacio
NASA’s Optical Communications Missions in 20202022,Dr. Donald Cornwell, William Marinelli, Badri Younes SCaN Program, NASA Headquarters : nasas_optical_communications_program_for_msbr_oct_2019.pdf
.https://actualidadaeroespacial.com/satelites-chinos-verifican-tecnologia-de-comunicacion-via-laser/
.https://klse.i3investor.com/blogs/future_tech/2021-12-01-story-h1594760886-China_s_BeiDou_in_race_with_Nasa_over_laser_communications_in_space.jsp
.https://www.scmp.com/news/china/science/article/3157885/chinas-beidou-race-nasa-over-laser-communications-space?module=perpetual_scroll&pgtype=article&campaign=3157885

BeiDou lleva a cabo un experimento de comunicación láser, un paso por delante los EE.UU: podría mejorar la precisión de SatNav. .https://insidegnss.com/beidou-conducts-laser-communication-experiment-steps-ahead-of-u-s-could-improve-satnav-accuracy/

.https://space.skyrocket.de/doc_sdat/xingyun-2.htm.https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/kuaizhou-1a.htm. Xingyun-2 01, 02 (XY-2 01, 02)

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