2022年5月，一颗小型CubeSat卫星上的TeraByte红外传输(TBIRD)有效载荷被发射到距地球表面300英里的轨道上。从那时起，TBIRD通过光通信连接到加利福尼亚州的一个地面接收器，以每秒100千兆的破纪录速度传输了千兆字节的数据——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无线电频率链路高1000多倍，是迄今为止从太空到地面的激光链路所达到的最高数据速率。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能力的手段。今天，太空中的科学仪器产生的数据通常比通过典型的空间-地面通信链路返回到地球的数据要多。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，下行传输他们梦寐以求的所有数据。

TBIRD通信有效载荷由林肯实验室设计和制造，集成到人族轨道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。美国宇航局艾姆斯研究中心建立这个项目是为了开发一种立方体卫星总线(为有效载荷提供动力和操纵的“飞行器”)，以更快和更低的成本将科学和技术演示人员送入轨道。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，那里的大多数天气发生在山顶以下，使这部分天空相对晴朗，适合激光通信。该地面站利用了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(以纠正大气湍流造成的失真)，林肯实验室提供了tbird专用的地面通信硬件。

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:“我们已经证明了在比以往任何时候都小的数据包中实现了比以往任何时候都更高的数据速率。”“虽然用激光从太空发送数据听起来很未来，但我们每天使用的光纤互联网背后也有同样的技术概念。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。”

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)光纤连接的高数据速率链接。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、可靠地分布在全球各地。

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地面切换。

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，以及航天器从地球更远地进入深空。

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。这种畸变导致光束经历功率损失，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。工业界已经开始使用激光通信扩散低轨道交联，目的是增强现有的地面骨干，并提供一个潜在的互联网骨干，为农村地区的用户服务。去年，NASA启动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。在接下来的任务中，一个实验室开发的激光通信终端将被发射到国际空间站，在那里终端将与LCRD“对话”，并支持阿尔特米斯2号，一个载人计划，将在未来的载人登月前飞过月球。

王说:“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用现成组件。然而，地面部件的设计并不适合在严酷的太空环境中生存，它们的运行可能会受到大气效应的影响。通过TBIRD，该实验室开发了应对这两个挑战的解决方案。

商业组件适应空间

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。正如王解释的那样，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。”Curt Schieler是Wang团队的技术人员。“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框架，这是一种用来指向狭窄激光束的机制。相反，TBIRD依赖于实验室开发的错误信号概念，用于航天器的精确体指向。错误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。如果没有万向节，有效载荷甚至可以进一步缩小。

“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，”王说。“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200gb，使超过2tb的数据能够在经过地面站的5分钟内向下传输，相当于1000部高清电影。”

林肯实验室与美国宇航局戈达德太空飞行中心合作开发了TBIRD任务和技术。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。