Le Laser Link de la NASA affiche un record

Un groupe de chercheurs de la NASA, du MIT et d'autres institutions ont réalisé la liaison de communication laser espace-sol la plus rapide à ce jour, doublant le record qu'ils avaient établi l'année dernière. Avec des débits de données de 200 gigabits par seconde, un satellite peut transmettre plus de 2 téraoctets de données, soit environ 1 000 films haute définition, en un seul passage de 5 minutes au-dessus d'une station au sol.

"Les implications sont considérables car, en termes simples, plus de données signifie plus de découvertes", déclare Jason Mitchell, ingénieur en aérospatiale au programme Space Communications and Navigation de la NASA.

La nouvelle liaison de communication a été rendue possible grâce au système TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) en orbite à environ 530 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Lancé dans l'espace en mai dernier, TBIRD a atteint des débits de liaison descendante allant jusqu'à 100 Gb/s avec un récepteur au sol en Californie en juin dernier. C'était 100 fois plus rapide que les vitesses Internet les plus rapides dans la plupart des villes, et plus de 1 000 fois plus rapide que les liaisons radio traditionnellement utilisées pour les communications avec les satellites.

Les réseaux de données les plus rapides sur Terre reposent généralement sur des communications laser sur fibre optique. Cependant, un Internet laser à haut débit n'existe pas encore pour les satellites. Au lieu de cela, les agences spatiales et les opérateurs de satellites commerciaux utilisent le plus souvent la radio pour communiquer avec des objets dans l'espace. La lumière infrarouge que les communications laser peuvent utiliser a une fréquence beaucoup plus élevée que les ondes radio, permettant des débits de données beaucoup plus élevés.

"Il y a actuellement des satellites en orbite limités par la quantité de données qu'ils sont capables de transmettre en liaison descendante, et cette tendance ne fera qu'augmenter à mesure que des satellites plus performants seront lancés", déclare Kat Riesing, ingénieur en aérospatiale et membre du personnel du MIT Lincoln Laboratory sur le L'équipe TBIRD. "Même un imageur hyperspectral - HISUI sur la Station spatiale internationale - doit renvoyer des données sur Terre via des disques de stockage sur des cargos en raison des limitations des taux de liaison descendante. TBIRD est un grand catalyseur pour les missions qui collectent des données importantes sur le climat et les ressources de la Terre, ainsi que des applications astrophysiques telles que l'imagerie des trous noirs."

Le laboratoire MIT Lincoln a conçu TBIRD en 2014 comme un moyen peu coûteux et à grande vitesse d'accéder aux données sur les engins spatiaux. L'un des principaux moyens de réduire les dépenses consistait à utiliser des composants commerciaux prêts à l'emploi développés à l'origine pour une utilisation terrestre. Ceux-ci incluent des modems optiques à haut débit développés pour les télécommunications par fibre et un stockage à grande vitesse et à grand volume pour stocker des données, explique Riesing.

Situé à bord du satellite Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) de la NASA, TBIRD a été transporté en orbite lors de la mission de covoiturage Transporter-5 de SpaceX depuis la station de la Force spatiale de Cap Canaveral en Floride le 25 mai 2022. Le satellite PTD-3 pèse environ 12 kilogrammes. CubeSat a à peu près la taille de deux boîtes de céréales empilées, et sa charge utile TBIRD n'est pas plus grande qu'une boîte de mouchoirs moyenne. "La volonté de l'industrie de petits émetteurs-récepteurs optiques à faible puissance et à haut débit de données nous a permis d'obtenir un facteur de forme compact adapté même aux petits satellites", a déclaré Mitchell.

"Il y a actuellement des satellites en orbite limités par la quantité de données qu'ils sont capables de transmettre en liaison descendante, et cette tendance ne fera qu'augmenter à mesure que des satellites plus performants seront lancés." —Kat Riesing, ingénieur aérospatial, MIT Lincoln Laboratory

Le développement de TBIRD s'est heurté à un certain nombre de défis. Pour commencer, les composants terrestres ne sont pas conçus pour survivre aux rigueurs du lancement et de l'exploitation dans l'espace. Par exemple, lors d'un test thermique simulant les températures extrêmes auxquelles les appareils pourraient être confrontés dans l'espace, les fibres de l'amplificateur de signal optique ont fondu.

Le problème était que, lorsqu'il était utilisé comme prévu à l'origine, l'atmosphère pouvait aider à refroidir l'amplificateur par convection. Lors d'un test sous vide, simulant l'espace, la chaleur générée par l'amplificateur a été piégée. Pour résoudre le problème, les chercheurs ont travaillé avec le fournisseur de l'amplificateur pour le modifier afin qu'il libère plutôt de la chaleur par conduction.

De plus, les faisceaux laser de l'espace vers la Terre peuvent être déformés par les effets atmosphériques et les conditions météorologiques. Cela peut entraîner une perte de puissance, et à son tour une perte de données, pour les faisceaux.

Pour compenser, les scientifiques ont développé leur propre version de la demande de répétition automatique (ARQ), un protocole de contrôle des erreurs de transmission de données sur une liaison de communication. Dans cet agencement, le terminal au sol utilise un signal de liaison montante à faible débit pour faire savoir au satellite qu'il doit retransmettre tout bloc de données, ou trame, qui a été perdu ou endommagé. Le nouveau protocole permet à la station au sol d'indiquer au satellite quelles trames il a reçues correctement, afin que le satellite sache lesquelles retransmettre et ne perde pas de temps à envoyer des données qu'il n'a pas à retransmettre.

Un autre défi auquel les scientifiques ont été confrontés découlait de la façon dont les lasers se forment dans des faisceaux beaucoup plus étroits que les transmissions radio. Pour une transmission de données réussie, ces faisceaux doivent être dirigés précisément vers leurs récepteurs. Ceci est souvent accompli en montant le laser sur un cardan. En raison de la petite taille de TBIRD, cependant, il manœuvre à la place le CubeSat qui le transporte pour le pointer vers le sol, en utilisant tous les signaux d'erreur qu'il reçoit pour corriger l'orientation du satellite. Cette stratégie sans cardan a également contribué à réduire davantage TBIRD, le rendant moins cher à lancer.

L'architecture de TBIRD peut prendre en charge plusieurs canaux grâce à la séparation des longueurs d'onde pour permettre des débits de données plus élevés, explique Riesing. C'est ainsi que TBIRD a réalisé une liaison descendante de 200 Gb/s le 28 avril, en utilisant deux canaux de 100 Gb/s, explique-t-elle. "Cela peut encore évoluer lors d'une future mission si le lien est conçu pour le prendre en charge", note Riesing.

"En termes simples, plus de données signifie plus de découvertes." —Jason Mitchell, ingénieur aérospatial, NASA

La prochaine étape de l'équipe de recherche consiste à explorer où appliquer cette technologie dans les missions à venir. "Cette technologie est particulièrement utile pour les missions scientifiques où la collecte d'un grand nombre de données peut apporter des avantages significatifs", a déclaré Riesing. "Un concept de mission rendu possible par cela est la mission Event Horizon Explorer, qui étendra le travail passionnant du télescope Event Horizon dans l'imagerie des trous noirs avec une résolution encore plus élevée."

Les scientifiques veulent également explorer comment étendre cette technologie à différents scénarios, tels que l'orbite géostationnaire, explique Riesing. De plus, dit Mitchell, ils cherchent des moyens de pousser les capacités de TBIRD aussi loin que la lune, afin de soutenir les futures missions là-bas. Les débits envisagés se situent entre 1 et 5 Gb/s, ce qui "peut ne pas sembler être une grande amélioration, mais rappelez-vous que la Lune est à environ 400 000 km de la Terre, ce qui est une distance assez longue à parcourir". dit Mitchell.

La nouvelle technologie peut également être utilisée dans les liaisons de données atmosphériques à grande vitesse au sol. "Par exemple, d'un bâtiment à l'autre, ou sur un terrain inhospitalier, comme d'un sommet à l'autre, où le coût de pose des systèmes de fibres pourrait être exorbitant", explique Riesing.