Chiński satelita laserowy bije Starlink: gigabit z orbity 36 tys. km

Chińczycy zaskoczyli świat technologii komunikacyjnej. Naukowcy z Uniwersytetu Pekińskiego i Chińskiej Akademii Nauk wykorzystali satelitę na orbicie geostacjonarnej, czyli około 36 tysięcy kilometrów nad powierzchnią Ziemi, i osiągnęli zaskakujący wynik – gigabitowy transfer danych przy laserze o mocy zaledwie 2 watów. To mniej niż zużywa typowa energooszczędna żarówka, a jednocześnie pozwala na przesyłanie danych pięć razy szybciej niż działająca już sieć Starlink.

Chińscy naukowcy pokazali satelitarny internet nowej generacji: gigabitowy transfer danych z orbity geostacjonarnej przy mocy zaledwie 2 watów.

Eksperyment przeprowadzony w obserwatorium Lijiang w prowincji Junnan sugeruje, że optyczne łącza satelitarne mogą w przyszłości wyprzedzić klasyczne systemy radiowe, w tym sieć Starlink. Kluczem nie był sam laser na orbicie, lecz sprytne „poskładanie” zdeformowanej wiązki na Ziemi.

Laser słabszy niż nocna lampka, a szybszy niż Starlink

Chiński zespół badawczy z Uniwersytetu Pekińskiego i Chińskiej Akademii Nauk wykorzystał satelitę na orbicie geostacjonarnej, czyli około 36 tys. km nad równikiem. Na jego pokładzie pracował laser o mocy zaledwie 2 watów. To poziom bliższy energooszczędnej żarówce niż klasycznym nadajnikom dalekiego zasięgu.

Pomimo tak niewielkiej mocy, udało się osiągnąć prędkość łącza rzędu 1 Gbps w dół, czyli w stronę Ziemi. Według porównań przytaczanych przez badaczy, to mniej więcej pięć razy szybciej niż typowe parametry uzyskiwane w działającej już sieci Starlink. I to przy znacznie większej odległości między satelitą a odbiornikiem.

1 Gbps z orbity 36 tys. km i nadajnika 2 W – to tempo, które pozwoliłoby przesłać film HD z Szanghaju do Los Angeles w mniej niż pięć sekund.

Starlink korzysta z tysięcy satelitów krążących zaledwie kilkaset kilometrów nad Ziemią. Chiński eksperyment sięga ponad 60 razy dalej, a mimo to osiąga przepływność kojarzoną dziś raczej ze światłowodem niż z komunikacją kosmiczną.

Obserwatorium Lijiang: teleskop zamiast domowej anteny

Cały test oparto na infrastrukturze obserwatorium astronomicznego w Lijiang. Odbiornik nie przypominał więc konsumenckiej anteny satelitarnej, lecz zaawansowany system optyczny z:

• teleskopem o średnicy 1,8 metra,
• układem 357 mikroluster korekcyjnych,
• modułem rozdzielającym wiązkę na wiele kanałów optycznych.

W praktyce oznacza to, że wiązka światła docierająca z kosmosu nie była „łapana” wprost. Najpierw przechodziła przez etap bardzo szybkiej korekcji, a dopiero potem trafiała do dalszego przetwarzania. Cały eksperyment zbudowano nie wokół samego lasera, lecz wokół walki z największym wrogiem takich łączy – atmosferą.

Atmosfera jako główny przeciwnik transmisji

Próżnia kosmiczna jest dla wiązki laserowej idealnym środowiskiem. Prawdziwe problemy zaczynają się dopiero tuż nad odbiornikiem, w gęstym, ruchliwym powietrzu. Turbulencje, zmiany temperatury i gęstości powietrza sprawiają, że światło się rozprasza, wygina i traci pierwotny kształt.

Do tej pory badacze zazwyczaj stawiali na jedno z dwóch rozwiązań:

Przy słabej lub umiarkowanej turbulencji każde z tych narzędzi działa przyzwoicie. W silnych zaburzeniach powietrza, typowych dla obserwatoriów w górach, jedno rozwiązanie zwykle nie wystarcza.

Połączenie dwóch technik: AO-MDR

Chiński zespół zdecydował się połączyć oba podejścia w jednym łańcuchu odbiorczym, określanym skrótowo jako „synergia AO‑MDR”. Po stronie odbiorczej przebiegało to w kilku krokach.

Etap pierwszy: wygładzenie fali świetlnej

Najpierw sygnał trafiał na układ optyki adaptacyjnej. 357 mikroluster reagowało w czasie rzeczywistym na zmiany kształtu nadchodzącej fali. System na bieżąco korygował błędy wprowadzane przez atmosferę, zbliżając wiązkę do idealnego profilu.

To rozwiązanie wywodzi się z astronomii obserwacyjnej, gdzie stosuje się podobne techniki, aby „wyostrzyć” obraz gwiazd rozmywany przez powietrze.

Etap drugi: rozdzielenie i wybór najsilniejszych kanałów

Po wstępnej korekcji sygnał przechodził przez tzw. konwerter wielopłaszczyznowy. To element, który rozkłada wiązkę na osiem kanałów bazowych różniących się trybem propagacji światła.

Następnie odbiornik wybierał trzy najmocniejsze kanały spośród ośmiu i łączył je w jeden strumień danych do dekodowania. W ten sposób system zakładał, że część informacji po drodze ulegnie rozproszeniu, ale wykorzysta te ścieżki, które przetrwały w najlepszej formie.

Zastosowanie AO‑MDR zwiększyło udział użytecznego sygnału z około 72% do ponad 91%, co oznacza wyraźny skok nie tylko prędkości, ale i niezawodności łącza.

Dlaczego wysokość orbity ma tak duże znaczenie

Orbitujący geostacjonarnie satelita „zawisa” optycznie nad jednym punktem na równiku, obracając się z tą samą prędkością kątową co Ziemia. Z punktu widzenia odbiornika na powierzchni wygląda jak nieruchomy punkt na niebie.

To ogromne ułatwienie dla stacji naziemnej: antena czy teleskop nie musi w kółko śledzić szybko przemieszczających się satelitów, jak w przypadku konstelacji na niskich orbitach. Zapłata za tę wygodę jest jednak wysoka:

Im dalej od Ziemi znajduje się satelita, tym słabszy sygnał dociera do odbiornika, bo energia wiązki rozkłada się na coraz większą powierzchnię. W przypadku łącza optycznego trzeba też wziąć pod uwagę fakt, że ostatni odcinek przez atmosferę staje się trudniejszy wraz z długością całej trasy. Każda drobna deformacja po drodze bardziej boli przy długim torze optycznym.

Z tego powodu osiągnięcie przepływności rzędu 1 Gbps z orbity geostacjonarnej przy mocy 2 W wywołało tak duże zainteresowanie. Pokazuje to, że przy odpowiednio wysublimowanym odbiorniku można myśleć o przyszłych laserowych „autostradach danych” z dużych wysokości.

Nie terminal domowy, lecz szkielet sieci

Stacja w Lijiang zdecydowanie nie jest prototypem urządzenia, które można postawić na balkonie. To masywna instalacja teleskopowa, wymagająca precyzyjnej mechaniki, skomplikowanej elektroniki sterującej i zaawansowanego oprogramowania w czasie rzeczywistym.

Taki profil sprawia, że tego typu łącza najlepiej pasują do roli węzłów szkieletowych. Można sobie wyobrazić kilka scenariuszy użycia:

• przesył ogromnych ilości danych z satelitów obserwacyjnych do centrów danych na lądzie,
• łączność międzyodległymi punktami kontynentów, gdzie położenie kabli światłowodowych jest kosztowne lub ryzykowne,
• budowę „mostów” danych między geostacjonarnymi satelitami komunikacyjnymi a naziemnymi węzłami sieci 5G i następców.

Typowy użytkownik domowy może zyskać na takim systemie pośrednio – dzięki temu, że dane i tak trafią ostatecznie do istniejącej infrastruktury operatorów internetowych, a stamtąd do routera w mieszkaniu.

Co ten eksperyment mówi o przyszłości internetu satelitarnego

Wiele dyskusji o łączności z orbity krąży dziś wokół liczby satelitów i częstotliwości radiowych. Chiński test przesuwa środek ciężkości w inne miejsce: pokazuje, że ogromny potencjał drzemie też w „ostatnim etapie” po stronie odbiorczej.

Wiązka laserowa, która w teorii wydaje się delikatna i podatna na zakłócenia, przy odpowiednim podejściu zamienia się w bardzo wydajne narzędzie. Klucz leży w tym, by nie udawać, że atmosfera nie istnieje, tylko uczynić z jej kaprysów część projektu. System AO‑MDR w Lijiang właśnie to robi – akceptuje, że sygnał zostanie rozbity, a potem uczy się wybierać jego najlepsze fragmenty.

Dla inżynierów planujących globalną infrastrukturę komunikacyjną oznacza to kilka rzeczy. Optyczne łącza satelitarne mogą stać się poważnym uzupełnieniem, a czasem alternatywą dla klasycznych nadajników radiowych. Zwłaszcza tam, gdzie liczy się duża przepustowość przy ograniczeniach energetycznych i tam, gdzie nie chcemy dodatkowo „zagęszczać” już zatłoczonych pasm radiowych.

Z perspektywy użytkownika końcowego ważne będzie jeszcze jedno: takie systemy, jeśli trafią do praktycznego zastosowania, mogą zmniejszyć różnice w dostępie do szybkiego internetu między zurbanizowanymi regionami a obszarami trudnymi technicznie – od odległych wysp po polarne stacje badawcze. Ostateczny sukces będzie zależeć nie tylko od technologii laserów, ale też od tego, jak szybko da się „skondensować” skomplikowaną stację z Lijiang do bardziej kompaktowych, tańszych rozwiązań.