우주에서의 레이저 통신

Laser communication in space
레이저를 통해 우주에서 광학적으로 통신하는 두 개의 태양 에너지 위성을 보여주는 다이어그램입니다.

우주에서의 레이저 통신은 우주에서의 자유 공간 광통신의 사용이다.통신은 완전한 공간(위성 간 레이저 링크) 또는 지상에서 위성 또는 위성에서 지상으로 응용될 수 있습니다.전파상에서 레이저 통신을 사용하는 주된 장점은 대역폭이 증가하여 더 짧은 시간에 더 많은 데이터를 전송할 수 있다는 것입니다.

우주공간에서 자유공간 광통신의[1] 통신범위는 현재 위성간 서비스에 적합한 수천km [2]수준이다.그것은 광망원경을 [3]빔 익스팬더로 사용하여 수백만 킬로미터의 행성간 거리를 연결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

데모 및 테스트

1990년 이전

1968년 1월 20일, 서베이어 7호 달 착륙선의 텔레비전 카메라는 아리조나 킷 피크 국립 천문대와 캘리포니아 [4]라이트우드의 테이블 마운틴 천문대에서 두 개의 아르곤 레이저를 성공적으로 감지했습니다.

1991-2000

1992년, 갈릴레오 탐사선은 6백만 킬로미터(3,700,000 mi) 떨어진 곳에서 두 개의 지상 레이저가 탐사선에 [5]의해 관측되었기 때문에 지구로부터의 레이저 빛의 단방향 탐지에 성공했음을 증명했다.

우주로부터의 최초의 레이저 통신 링크는 1995년에 일본이 JAXA의 ETS-VI GEO 위성과 도쿄에 있는 국립 정보통신기술연구소(NICT)의 광지상국 사이에 실시해,[6] 1 Mbit/s를 달성했습니다.

2001-2010

2001년 11월 유럽우주국(ESA) 위성 아르테미스가 우주 공간에서 세계 최초의 레이저 위성 간 링크를 달성하여 CNES 지구 관측 위성 SPOT [7]4와 광학 데이터 전송 링크를 제공하였다. LEO-GEO [8]링크 거리인 40,000km(25,000mi)에 걸쳐 50Mbps를 달성하였다.2005년부터, 아르테미스는 일본의 위성간 광통신 공학 시험 [9]위성인 KIRARI로부터 쌍방향 광신호를 중계해 왔다.

2005년 5월, MESSENGER 우주선에 탑재된 Mercury 레이저 고도계에 의해 쌍방향 통신 기록이 수립되었다.수성 궤도 임무를 위한 레이저 고도계로 설계된 이 다이오드 펌프 적외선 네오디뮴 레이저는 우주선이 지구에 [10]근접했을 때 2400만 킬로미터(1500만 마일)의 거리를 가로질러 통신할 수 있었다.

2006년에는 JAXA의 OICETS LEO 위성과 NICT의 [11]광지상국으로부터 최초의 LEO간 레이저 통신 다운링크를 실시.

2008년 ESA는 LEO-GEO 링크의 거리인 40,000km(25,000mi)에 걸쳐 1.8기가비트/초를 전송하도록 설계된 레이저 통신 기술을 사용했습니다.이러한 단말기는 독일 레이더 위성 TerraSAR-X와 미국 근접장 적외선 실험(NFIRE) 위성을 이용한 궤도 내 검증에서 성공적으로 테스트되었다.이러한 테스트에 사용된 2개의 레이저 통신 터미널(LCT)[12][13]은 독일 Tesat-Spacecom사가 독일 항공우주센터(DLR)[14]와 협력하여 구축했습니다.

2011-2020

LLCD의 광학 모듈 설명
성공적인 OPALS 실험

2013년 1월, NASA는 모나리자의 이미지를 약 39만 km (240,000 mi) 떨어진 달 정찰 궤도선으로 전송하기 위해 레이저를 사용했다.대기 간섭을 보상하기 위해 CD에서 사용되는 것과 유사한 오류 정정 코드 알고리즘을 [15]구현했습니다.

2013년 9월, 레이저 통신 시스템은 NASA의 LADEE(달 대기 및 먼지 환경 탐사기) 임무와 함께 발사된 4개의 과학 기구 중 하나였다.한 달간의 달 착륙과 40일간의 우주선 점검 후, 레이저 통신 실험은 2013년 말과 2014년 [16]초에 3개월에 걸쳐 수행되었다.2013년 10월 달 레이저 통신 시연(LLCD) 장비에서 돌아온 초기 데이터는 달과 지구 사이의 38만5000km(23만9000mi) 상공에서 펄스 레이저 빔을 사용해 데이터를 전송하는 초기 테스트를 통해 초당 622메가비트라는 기록적인 다운로드 속도로 우주 통신 대역폭 기록을 세웠다.d(Mbps))[17] 및 달 궤도의 지구 지상국에서 LADEE로 20 Mbit/s의 무오류 데이터 업로드 속도를 시연했다.LLCD는 전파 대신 광학 레이저를 이용한 NASA의 첫 번째 쌍방향 우주 통신 시도이며, 향후 몇 [17]년 동안 NASA 위성에 레이저 시스템을 작동시킬 것으로 기대된다.

2013년 11월, 제트 플랫폼인 Tornado로부터의 레이저 통신이 처음으로 시연되었습니다.독일 Mynaric(구 ViaLight Communications)의 레이저 단말기는 60km 거리에 걸쳐 1Gbit/s의 속도로 데이터를 전송하고 800km/h의 비행 속도로 데이터를 전송하기 위해 사용되었습니다.이 시나리오에서 추가적인 어려움은 빠른 비행 기동, 강한 진동 및 대기 난류의 영향이었다.시연은 EADS Cassidian Germany가 자금을 지원했으며 독일 항공우주센터 [18][19][20]DLR과 협력하여 진행되었습니다.

2014년 11월, 유럽 데이터 릴레이 시스템(EDRS)의 일부로 기가비트 레이저 기반 통신을 최초로 사용했습니다.[21]2014년에는 시스템 및 운영 서비스 데모를 추가로 실시했습니다.LEO의 EU Sentinel-1A 위성 데이터는 GEO의 ESA-Inmarsat Alphasat에 광학 링크를 통해 전송되고, 그 후 기존의 Ka-밴드 다운링크를 사용하여 지상국으로 중계되었다.새로운 시스템은 최대 7.2 기가비트/[22]초의 속도를 제공할 수 있습니다.Alphasat의 레이저 단자는 TDP-1이라고 불리며 여전히 테스트에 정기적으로 사용됩니다.생산적인 사용을 위한 최초의 EDRS 터미널(EDRS-A)은 유텔샛 EB9B 우주선의 탑재물로 발사되어 2016년 [23]12월에 가동되었습니다.정기적으로 Sentinel 1A/B 및 Sentinel 2A/B 우주선으로부터 대량의 데이터를 지상으로 다운로드합니다.지금까지(2019년 4월) 2만 개 이상의 링크(11PBit)가 [24]실행되었습니다.

2014년 12월, NASA의 OPALS(Optical Payload for Lasercomm Science)는 초당 400 메가비트의 속도로 다운로드되는 우주 대 지상 레이저 통신의 획기적인 발전을 발표했습니다.또한 시스템은 구름 [25]커버로 인해 신호가 손실된 후 추적을 다시 획득할 수 있습니다.OPALS 실험은 2014년 4월 18일 국제우주정거장(ISS)에서 레이저를 사용하여 우주에서 [26]지구로 데이터를 전송하는 가능성을 추가로 테스트하기 위해 시작되었습니다.

일본 [27]마이크로위성(SOCRates)을 이용한 최초의 LEO-to-ground 레이저컴 시연은 2014년 NICT에 의해 이루어졌으며,[28] 2016년 같은 위성을 이용한 최초의 양자 제한 실험이 이루어졌다.

구글 엑스는 2016년 2월 프로젝트 룬의 일환으로 100km(62mi) 거리에 걸쳐 2개의 성층권 풍선 간 안정적인 레이저 통신 연결을 달성했다고 발표했다.연결은 여러 시간 동안 낮과 밤에 안정적이었으며 155 Mbit/[29]s의 데이터 전송 속도에 도달했습니다.

2018년 6월 Facebook의 Connectivity Lab(Facebook Aquila 관련)은 Mynaric과 협력하여 양방향 10Gbit/s의 공대지 연결을 달성했다고 보고되었습니다.테스트는 광학 지상국까지 9km(5.6mi) 거리에 있는 기존의 세스나 항공기에서 수행되었다.테스트 시나리오가 성층권 대상 플랫폼보다 플랫폼 진동, 대기 난류 및 각속도 프로파일이 더 나빴지만 업링크는 흠잡을 데 없이 작동했으며 항상 100% 처리량을 달성했다.이상적이지 않은 소프트웨어 파라미터로 인해 [30]다운링크 스루풋이 약 96%까지 떨어질 수 있습니다.이러한 파라미터는 수정이 용이하다고 알려져 있습니다.

2020년 4월에는 JAXA와 소니 컴퓨터 사이언스 연구소가 만든 국제우주정거장용 소형광학링크(SOLISS)가 ISS와 일본 [31]정보통신기술연구소의 망원경과의 쌍방향 통신을 확립했다.

2020년 11월 29일, 일본은 고속 레이저 통신 기술인 LUCS(Laser Usilizing Communication System)[32][33]를 탑재한 위성간 광학 데이터 중계 정지 궤도 위성을 발사했다.

2021-현재

2021년 6월, 미국 우주 개발국은 태양 동기 궤도로의 스페이스X 팔콘 9 트랜스포터 2의 차량 공유 임무에 탑승한 두 대의 12U 큐브샛을 발사했다.이 임무는 인공위성과 원격조종 MQ-9 [34]리퍼 사이의 레이저 통신 연결을 시연할 것으로 예상된다.

장래의 미션

2021년 12월 7일, NASA의 Laser Communications Relay Demoration(LCRD; 레이저 통신 릴레이 데모)은 지구 동기 궤도와 지구 표면 간의 통신을 위해 USAF STP-3의 일부로 발사되었다.

2022년에 [35]발사될 예정인 소행성 16호 프시케에 대한 프시케 임무에서 심우주에서의 레이저 통신이 시험될 것이다.이 시스템은 DSOC([36]Deep Space Optical Communications)[36][35]라고 불리며 기존보다 10배에서 100배 정도 우주선 통신 성능과 효율성을 높일 것으로 기대된다.

일본 정보통신기술원(NICT)은 2022년 ETS-9 엔진 탑재 고속레이저통신단말기(HIALI)를 이용해 지구동기궤도와 지상의 쌍방향 레이저컴 링크를 10기가비트/초로 시연한다.1년 [38]후 [37]LEO의 CubeSat과 GEO의 HICALI 간에 동일한 고속으로 위성 간 링크가 처음 제공됩니다.

상업용

스페이스X, 페이스북, 구글과 같은 기업들과 일련의 스타트업들은 현재 레이저 통신 기술을 기반으로 다양한 컨셉을 추구하고 있다.가장 유망한 상용 애플리케이션은 고성능 광백본 네트워크를 구축하기 위한 위성 또는 고고도 플랫폼의 상호 연결에서 찾을 수 있습니다.다른 애플리케이션에는 위성, 항공기 또는 무인항공기(UAV)에서 [39]지상으로 직접 대량의 데이터를 전송하는 것이 포함된다.

연산자

여러 회사가 지구 저궤도에 있는 위성 별자리를 위해 우주에서 레이저 통신을 사용하여 글로벌 초고속 인터넷 접속을 제공하고자 합니다.항공기와 성층권 플랫폼의 네트워크에도 유사한 개념이 추구된다.

프로젝트. 프로젝트 컨셉 환경 시나리오 데이터 레이트 공급자. 상황
유럽 데이터 릴레이 시스템(EDRS)[a] LEO 지구 관측 위성과 정보, 감시 및 정찰 임무를 위한 GEO 위성으로의 데이터 릴레이 지리, LEO 공간 대 공간 1.8 기가비트/초 테사트-스페이스콤[40] 동작중
레이저 광통신 우주에서 광백본 네트워크를 구축하는 글로벌 통신용 위성 별자리 MEO 공간 대 공간, 공간 대 지면 100 기가비트/초[41] 볼 에어로스페이스 & 테크놀로지[42] 발전
스페이스 링크 LEO 위성을 위한 MEO로부터의 데이터 릴레이 서비스 MEO, LEO 공간 대 공간 마이너릭[43] 발전
Warp Hub 인터샛 LEO 지구 관측 위성을 위한 위성 간 데이터 릴레이, 우주 대 지상 통신에는 RF가 사용됩니다. MEO 공간 대 공간 1 기가비트/초[44] 발전
분석[45] 공간 지구 관측 위성용 인스페이스 하이브리드 RF/광학 데이터 릴레이 네트워크 레오 공간 대 지면 발전
브리지[46] 통신 LEO 지구 관측 위성에서 지상으로 데이터를 직접 전송 레오 공간 대 지면 1 기가비트/초 서리 위성 기술[47] 발전
구름자리 위성 데이터 스토리지 보안 및 대륙간 연결 보안 레오 공간 대 공간 마이너릭[48] 발전
SDA 국방 우주 아키텍처 미국 국방부(DoD)[49]의 요구에 부응하는 여러 층으로 구성된 증식 LEO 별자리. 레오 공간 대 공간 발전
DARPA 블랙잭 새로운 상업용 LEO 별자리에[49] 의해 제공되는 새로운 군사 우주 능력의 실행 가능성을 테스트하기 위한 위험 감소 노력 레오 공간 대 공간 Mynaric,[50] SA Photonics[51] 발전
사자자리 글로벌 통신용 위성 메가컨스텔링 레오 공간 대 공간 탈레스 알레니아 공간[52] 종료됨[53]
원웹 제2세대[54] 글로벌 통신용 위성 메가컨스텔링 레오 공간 대 공간 발전
스타링크 글로벌 통신용 위성 메가컨스텔링 레오 공간 대 공간 100 기가비트/초[55] SpaceX / Starlink 액티브[56][57]
텔레샛 LEO 별자리 글로벌 통신용 위성 메가컨스텔링 레오 공간 대 공간 발전
구글 룬[29] 성층권 풍선 네트워크에 의해 제공되는 농촌 및 외딴 지역의 통신 성층권 공대공 0.155 기가비트/초 종료됨
페이스북 아퀼라[58] 고고도 플랫폼 네트워크에 의해 제공되는 농촌 및 외딴 지역용 통신 성층권 공대공, 공대지 10 기가비트/초 마이너릭[30] 종료됨
  1. ^ EDRS는 Airbus와 유럽 우주국 간의 공공-민간 파트너십이다.

써플라이어

레이저 통신 장비의 실질적인 시장은 이러한 프로젝트가 언제 완전히 [59]실현될 수 있는지를 확립할 수 있습니다.장비 공급업체의 새로운 진보는 비용을 절감하면서 레이저 통신을 가능하게 합니다.빔 변조는 소프트웨어로서 개량되고 있으며, 짐벌도 개량되고 있습니다.냉각 문제가 해결되었고 광자 검출 기술이 [citation needed]개선되고 있습니다.현재 시장에서 활약 중인 주목할 만한 기업은 다음과 같습니다.

회사 제품 상태
Ball Aerospace and Honeywell[60] [1] 개발 중인
에콰도르 우주국[61][62][2] TRL9 - 실제 가동 중
헨솔트 [3]
LGS 이노베이션[63]
Mostcom JSC [4] 개발 중인
마이너릭 [5]
소니[64] 개발 중인
서리 위성 기술 개발 중인
테사트-스페이스콤 %5B6%5D 생산중
탈레스 알레니아 공간
경혈[65] [7] 개발 중인

안전한 통신

레이저 신호가 간섭 패턴의 형태를 띠는 레이저 N-슬릿 간섭계를 사용하는 안전한 통신이 제안되어 신호를 가로채려는 시도가 간섭 [66][67]패턴의 붕괴를 초래합니다.이 기술은 구별할 수 없는[66] 광자의 집단을 사용하며, 실제 관심[68] 있는 전파 거리에 걸쳐 작동하는 것으로 입증되었으며, 원칙적으로 우주의 [66]먼 거리에도 적용될 수 있다.

이용 가능한 레이저 기술을 가정하고 간섭 신호의 차이를 고려할 때 위성 간 통신 범위는 약 2,000km(1,200mi)[69]로 추정된다.이러한 추정치는 지구 궤도를 도는 일련의 위성에 적용할 수 있다.우주선이나 우주 정거장의 경우, 통신 범위는 최대 10,000 km(6,200 mi)[69]까지 증가할 것으로 추정된다.Laser Focus World는 공간 간 통신을 보호하기 위한 이 접근방식을 2015년 [70]최고의 광전자 개발 중 하나로 선정했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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