来自美国宇航局、麻省理工学院和其他机构的一组研究人员已经实现了迄今为止最快的空地激光通信链路，比他们去年创下的记录翻了一番。凭借每秒 200 吉比特的数据速率，一颗卫星可以在五分钟内通过地面站传输超过 2 TB 的数据——大约相当于 1,000 部高清电影。

“其影响是深远的，因为简单地说，更多的数据意味着更多的发现，”美国宇航局空间通信和导航项目的航空航天工程师杰森米切尔说。

在距地球表面约 530 公里的轨道上运行的TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) 系统使新的通信链路成为可能。TBIRD 于去年 5 月发射升空，到去年 6 月在加利福尼亚州通过地面接收器实现了高达每秒100吉比特的下行链路速率。这比大多数城市最快的互联网速度快 100 倍，比传统上用于与卫星通信的无线电链路快 1,000 多倍。

地球上最快的数据网络通常依赖于光纤激光通信。然而，卫星上还不存在基于激光的高速互联网。相反，太空机构和商业卫星运营商最常使用无线电与太空中的物体进行通信。激光通信可以使用的红外光频率比无线电波高得多，因此可以实现更高的数据速率。

麻省理工学院林肯实验室的航空航天工程师兼工作人员Kat Riesing说：“目前在轨卫星受到它们能够下行传输的数据量的限制，而且这种趋势只会随着更多有能力的卫星的发射而增加。” TBIRD 团队。“由于下行链路速率的限制，即使是国际空间站上的高光谱成像仪HISUI也必须通过货船上的存储驱动器将数据发送回地球。TBIRD 是收集地球气候和资源重要数据以及黑洞成像等天体物理学应用的重要推动者。”

麻省理工学院林肯实验室在 2014 年将 TBIRD 设想为一种低成本、高速访问航天器数据的方式。它减少开支的一个关键方法是使用最初为地面使用开发的商业现成组件。这些包括为光纤通信开发的高速光调制解调器和用于保存数据的高速大容量存储，Riesing 说。

TBIRD位于美国宇航局的探路者技术演示 3 (PTD-3) 卫星上，于 2022 年 5 月 25 日从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站执行SpaceX 的Transporter-5共乘任务，被送入轨道。PTD -3 卫星大约是 12-千克CubeSat大约有两个堆叠的麦片盒大小，其 TBIRD 有效载荷不大于普通纸巾盒。“业界对小型、低功耗、高数据速率光学收发器的推动使我们能够实现甚至适用于小型卫星的紧凑外形，”Mitchell 说。

“目前在轨卫星受到它们能够下行传输的数据量的限制，而且随着能力更强的卫星的发射，这种趋势只会增加。”——Kat Riesing，麻省理工学院林肯实验室航空航天工程师

TBIRD的发展面临着诸多挑战。首先，地面组件并不是为了经受发射到太空和在太空中运行的严酷考验而设计的。例如，在模拟设备在太空中可能面临的极端温度的热测试期间，光信号放大器中的光纤熔化了。

问题是，当按原计划使用时，大气可以通过对流帮助冷却放大器。在真空模拟空间中进行测试时，放大器产生的热量被吸收。为了解决这个问题，研究人员与放大器的供应商合作对其进行了修改，使其通过传导来释放热量。

此外，从太空到地球的激光束可能会因大气影响和天气条件而失真。这会导致波束的功率损失，进而导致数据丢失。

作为补偿，科学家们开发了他们自己的自动重复请求(ARQ) 版本，这是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议。在这种安排中，地面终端使用低速率上行链路信号让卫星知道它必须重新传输任何丢失或损坏的数据块或帧。新协议让地面站告诉卫星它正确接收了哪些帧，这样卫星就知道要重传哪些帧，而不是浪费时间发送它不需要的数据。

科学家们面临的另一个挑战源于激光如何形成比无线电传输窄得多的光束。为了成功传输数据，这些光束必须精确对准它们的接收器。这通常是通过将激光器安装在万向架上来实现的。然而，由于 TBIRD 体积小，它反而操纵携带它的 CubeSat 将其指向地面，使用它接收到的任何误差信号来纠正卫星的方向。这种无万向节的策略还有助于进一步缩小 TBIRD，使其发射成本更低。

Riesing 说，TBIRD 的架构可以通过波长分离支持多个通道，以实现更高的数据速率。这就是 TBIRD 在 4 月 28 日通过使用两个每秒 100 吉比特的信道实现每秒 200 吉比特的下行链路的方式，她解释道。“如果链接旨在支持它，这可以在未来的任务中进一步扩展，”Riesing 指出。

“简而言之，更多的数据意味着更多的发现。”——Jason Mitchell，NASA 航空航天工程师

研究小组的下一步是探索在即将进行的任务中将这项技术应用到哪里。“这项技术对于科学任务特别有用，在这些任务中收集大量数据可以带来显着的好处，”Riesing 说。“由此实现的一个任务概念是Event Horizo??n Explorer任务，它将扩展Event Horizo??n Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激动人心的工作。”

Riesing 说，科学家们还想探索如何将这项技术扩展到不同的场景，例如地球静止轨道。此外，米切尔说，他们正在寻找将 TBIRD 的能力推向远至月球的方法，以支持未来在那里的任务。正在考虑的速率在每秒 1 到 5 吉比特的范围内，“这似乎不是很大的改进，但请记住，月球距离地球大约 400,000 公里，这是一个相当长的距离，”米切尔说.

这项新技术还可以用于地面上的高速大气数据链路。“例如，从一栋楼到另一栋楼，或穿越荒凉的地形，例如从一个山顶到另一个山顶，在这些地方铺设光纤系统的成本可能过高，”Riesing 说。