Chiński satelita laserowy zawstydza Starlink. 1 Gb/s z orbity 36 tys. km

Na chińskim obserwatorium w Lijiang przetestowano satelitarną łączność laserową, która przebija prędkości znane z systemu Starlink.

Eksperyment z wykorzystaniem niewielkiego, dwuwatowego lasera na satelicie geostacjonarnym pokazał, że przy sprytnej konstrukcji stacji naziemnej da się osiągnąć gigabitowe prędkości transmisji, mimo ogromnej odległości i szalejących nad Ziemią turbulencji atmosferycznych.

Laser z orbity geostacjonarnej szybszy niż Starlink

Chińscy naukowcy opisali w czasopiśmie Acta Optica Sinica udany test łącza laserowego z satelity znajdującego się około 36 tys. km nad Ziemią. W ramach eksperymentu osiągnięto prędkość transmisji rzędu 1 Gb/s, korzystając z nadajnika o mocy zaledwie 2 watów.

1 Gb/s z satelity geostacjonarnego przy mocy 2 W – to wynik, który badacze określają jako około pięciokrotnie wyższy niż typowe prędkości oferowane przez Starlink, mimo ponad 60-krotnie większej odległości.

W przeliczeniu na codzienny użytek oznacza to wysłanie pełnometrażowego filmu HD z Szanghaju do Los Angeles w mniej niż pięć sekund. To już nie wizja, tylko demonstracja praktycznego połączenia, które działało w rzeczywistych warunkach, a nie w sterylnym laboratorium.

Przeczytaj również: Brazylijskie mokradła ukryte za Amazonią: cichy gigant magazynuje węgiel

Atmosfera jako główny wróg łączności laserowej

Satelita znajdował się na orbicie geostacjonarnej, czyli takiej, na której pozostaje zawsze nad tym samym punktem na Ziemi. To ogromne ułatwienie dla naziemnej anteny, ale równocześnie spore wyzwanie, bo sygnał musi pokonać długi odcinek przez kosmos, a na końcu zderzyć się z chaotycznym ruchem powietrza nad stacją odbiorczą.

To właśnie atmosfera staje się największym problemem w optycznej łączności satelitarnej. Ruchy mas powietrza, zmiany temperatury i gęstości powodują zniekształcenia fali świetlnej, rozmazują wiązkę i rozrzucają fotony. Im dłuższa droga, tym mocniej widać efekt „migotania” sygnału.

Przeczytaj również: Ta odmiana jabłek bije rekordy sprzedaży. Co w niej tak kusi?

Chiński zespół potraktował te zawirowania nie jako drobną niedogodność, lecz jako główny temat eksperymentu. Cały system w Lijiang zbudowano po to, by zapanować nad tym, co dzieje się z wiązką na ostatnich kilometrach jej podróży.

Telescop 1,8 m i 357 mikroluster: jak „poskromiono” wiązkę

Rdzeniem stacji naziemnej był teleskop o średnicy 1,8 metra. Za nim umieszczono układ korekcyjny z 357 mikrolusterkami sterowanymi w czasie rzeczywistym.

Przeczytaj również: Te dwa znaki zodiaku w marcu wraca do nich nierozwiązana sprawa

Układ mikroluster działa jak błyskawicznie reagujące szkło deformujące – każde z nich delikatnie zmienia kąt, by „prostować” zniekształconą falę świetlną, zanim trafi ona do dalszych etapów odbioru.

To rozwiązanie wywodzi się z astronomii, gdzie technika adaptive optics od lat pomaga ostrzyć obrazy gwiazd rozmazane przez atmosferę. Tu jednak chodziło już nie o ładne zdjęcia, lecz o poprawne odtworzenie cyfrowych danych z bardzo słabego sygnału.

AO-MDR: duet technik, który przełamał ograniczenia

Wcześniejsze próby optycznych łączy satelitarnych zwykle korzystały z jednego z dwóch podejść:

• adaptive optics – korygowanie kształtu czoła fali świetlnej za pomocą ruchomych luster,
• mode diversity reception – zbieranie kilku różnych „modów” (śladów) zniekształconego sygnału i wspólne ich przetwarzanie.

Samodzielnie, w warunkach silnych turbulencji, żadne z tych rozwiązań nie dawało satysfakcjonujących wyników. Zespół z Chin połączył więc obie metody, opisując je jako synergię AO-MDR.

Najpierw adaptacyjna optyka z mikrolustrami na bieżąco korygowała nadchodzącą wiązkę. Następnie sygnał trafiał do tzw. multi-plane light converter, który rozdzielał go na osiem kanałów bazowych. Z tych ośmiu wybierano trzy najmocniejsze, a dopiero potem łączono je i dekodowano dane.

Dzięki temu podejściu odsetek „użytecznego” sygnału wzrósł z 72 do ponad 91 procent. Zysk dotyczył więc nie tylko prędkości, ale także stabilności i jakości połączenia.

Dlaczego wysokość orbity robi aż taką różnicę

Systemy takie jak Starlink operują na niskiej orbicie okołoziemskiej – to wysokości rzędu kilkuset kilometrów. W przypadku satelity geostacjonarnego mówimy o dystansie 36 tys. km, a więc ponad 60 razy większym.

Na niskiej orbicie łatwiej uzyskać dobry sygnał: wiązka pokonuje krótszą drogę, więc mniej się rozprasza, a wpływ atmosfery jest odrobinę mniejszy. W zamian rośnie złożoność całej konstelacji – trzeba setek lub tysięcy satelitów, które nieustannie przesuwają się po niebie i wymagają skomplikowanego zarządzania.

Satelita geostacjonarny „wisi” nad jednym obszarem, więc nie trzeba śledzić jego ruchu. Trudnością staje się tutaj dystans. Każdy foton niesie ze sobą mniej energii, a sygnał po prostu słabnie. Dlatego osiągnięcie 1 Gb/s z takiej wysokości przy mocy nadajnika porównywalnej z nocną lampką robi tak duże wrażenie na ekspertach od telekomunikacji.

Nie router do domu, tylko węzeł szkieletowy

Stacja odbiorcza w Lijiang to nie jest sprzęt, który ktoś postawi sobie obok telewizora. Ogromny teleskop, precyzyjne mikrolustra, zaawansowana elektronika i optyka – to infrastruktura, która bardziej przypomina centrum węzłowe niż domowy terminal.

Badacze podkreślają, że takie rozwiązania najlepiej sprawdzą się jako łącza szkieletowe, czyli „autostrady” danych między dużymi punktami sieci. Umożliwiają bardzo szybkie przesyłanie informacji z satelitów obserwacyjnych, statków kosmicznych czy odległych regionów, a następnie wprowadzanie ich do naziemnych sieci światłowodowych.

Scenariusz, w którym jedna potężna stacja naziemna odbiera terabajty danych z orbitujących platform i rozdziela je dalej, staje się dużo bardziej realistyczny po tym, co pokazano nad prowincją Junnan.

Co to może zmienić dla internetu satelitarnego

Jeśli podobne techniki trafią do komercyjnych systemów, operatorzy zyskają nowe narzędzie: szybkie, optyczne łącza z orbity geostacjonarnej, które mogą uzupełniać klasyczne transmisje radiowe. Dla użytkownika końcowego może się to przełożyć na:

• większą przepustowość w godzinach szczytu,
• szybsze aktualizacje oprogramowania i treści multimedialnych,
• lepszą obsługę transmisji wideo w wysokiej rozdzielczości,
• stabilniejsze łącza dla zastosowań profesjonalnych, np. centrów danych czy stacji badawczych.

W tle widać też wyścig technologiczny. Skoro niewielki laser zdołał „przegonić” parametry kojarzone ze Starlinkiem, presja na rozwój optycznych łączy satelitarnych znacząco rośnie. Systemy tego typu kuszą odpornością na zakłócenia radiowe i trudniejszym podsłuchem, bo wiązka światła jest znacznie bardziej kierunkowa niż fale radiowe.

Laser, turbulencje i przepustowość: kilka praktycznych wniosków

Warto pamiętać, że 2-watowy laser nie jest tu magią samą w sobie. Klucz leży w inteligentnym „poskładaniu” tego, co dotarło do Ziemi. Gdyby użyć zwykłego odbiornika, większość energii rozmytej przez atmosferę po prostu by się zmarnowała.

Przykład z Lijiang pokazuje, że w projektowaniu łączności kosmicznej coraz ważniejsza staje się strona naziemna. Nawet stosunkowo prosta platforma orbitalna, wyposażona w umiarkowany nadajnik, może osiągać znakomite parametry, jeśli po drugiej stronie czeka odpowiednio sprytny i czuły odbiornik.

Trzeba też brać pod uwagę ryzyka. Łącza optyczne są uzależnione od pogody – chmury, mgła czy intensywny smog mogą znacząco pogorszyć jakość połączenia. Z tego powodu większość koncepcji sieci zakłada hybrydę: równoległe użycie laserów i klasycznych fal radiowych, tak aby w razie problemów jeden kanał mógł zastąpić drugi.

Jeśli takie systemy wejdą do szerokiego użytku, mogą ułożyć nową hierarchię w infrastrukturze internetu satelitarnego. Konstelacje na niskiej orbicie wciąż będą odpowiedzialne za „ostatnią milę” do użytkownika, ale to geostacjonarne łącza optyczne mogą stać się kręgosłupem, przez który przepływa gros globalnego ruchu danych między kontynentami i głównymi węzłami sieci.