Satelitska komunikacija laserom

Sateliti međusobno umreženi pomoću lasera mogli bi donijeti novu kvalitetu vojnim kuminikacijskim sustavima i osigurati veliku propusnost i brzinu dostave podataka na globalnoj razini

Zapovjedništva bez dobre i sigurne komunikacije ? Foto: Lockheed Martin

Ambiciozan razvojni program TSAT (transformacijski satelitski komunikacijski sustav) američkog ratnog zrakoplovstva nudi fantastičnu viziju budućnosti: vojni zapovjednici diljem zemaljske kugle gotovo trenutačno dijele širokopojasne podatke, zahvaljujući mreži utemeljenoj na internet protokolu čiji se promet u svemiru usmjerava pomoću laserski umreženih geosinkronih satelita. Program, kao i prijašnji vojni komunikacijski programi, umnogome ovisi o sazrijevanju potrebnih tehnologija i njihovom uvođenju u operativnu uporabu.
Tvrtke Boeing i Lockheed Martin rade na razvoju, projektiranju i izradi TSAT svemirskog segmenta u sklopu programa vrijednog 514 milijuna USD ugovorenog s ratnim zrakoplovstvom u siječnju 2004. Golemi troškovi na ostalim razvojnim satelitskim programima ratnog zrakoplovstva uzrokovali su smanjivanje proračuna tijekom prethodne tri godine. To je rezultiralo smanjivanjem ambicija TSAT programa. Datum prvog lansiranja već je bio pomaknut s 2011. na 2014. godinu. Prošlog listopada stariji voditelji ratnog zrakoplovstva rangirali su program kao jedan s najvišim prioritetima u pogledu financiranja, ali je kongresni odbor za financiranje smanjio zahtijevana sredstva u fiskalnoj 2007. godini. Cijena za planiranu skupinu od pet satelita mogla bi dosegnuti između 16 i 18 milijardi USD.

Industrijski su timovi uspješno izveli laboratorijsku demonstraciju nekih ključnih TSAT podsustavnih tehnologija, kao što su laserski komunikacijski terminali i procesorski preusmjerivači, u svrhu smanjenja tehničkih rizika programa. Time se pokazalo kako se podatkovni paketi informacija velikom brzinom preusmjeravaju u orbiti uz pomoć laserskih linkova između dva satelita, a isto tako i izvedivost laserskog širokopojasnog prijenosa podataka između satelita i letjelice (s posadom ili bez posade) na velikim visinama. Pitanje je samo – po kojoj cijeni?
Odluka ratnog zrakoplovstva od prije gotovo godinu dana za dvostrukim smanjenjem broja laserskih komunikacijskih terminala na inicijalnim Block I satelitima sa četiri na dva, te na četverostruko smanjenje njihove procesorske propusnosti, omogućila je bitno smanjenje težine i složenosti prve svemirske letjelice koja bi se trebala lansirati. To je u skladu s novom svemirskom strategijom koja navodi postupno povećanje performansi i sposobnosti novih svemirskih letjelica što se lansiraju tijekom vremena u skladu s time kako koja od tehnologija sazrijeva za operativnu uporabu.

Prema navodima glasnogovornika tvrtki Boeing i Lockheed Martin, kresanjem sposobnosti satelita Block I (dio TSAT programa) te uspješnim testiranjem komponenti, dobio se mnogo pristupačniji program za raspravu u Kongresu i američkom vladinom financijskom uredu i osiguralo moguće lansiranje TSAT-a tijekom 2014., ali preostale su i neke tehničke, financijske i političke zapreke do pune operativnosti.

Block I sateliti ponudit će prijenos podataka pri brzini od 2,5 do 10 Gbps (gigabita po sekundi). Protok od 2,5 Gbps mogao bi istodobno prenositi 150 HDTV kanala ili pet puta više standardnih TV kanala. Slijedeći model Block II predviđa protok od 40 Gbps, što odgovara istodobnom prijenosu 3000 HDTV kanala.

Iako tvrtke Boeing i Lockheed Martin navode kako njihove tehnološke demostracije protiču dobro, voditelji obje tvrtke priznaju kako je projektiranje, izrada i dokazivanje sposobnosti slanja podataka između satelita, međusobno udaljenih 80 000 km, sve samo ne jednostavno.

Izrada preusmjerivača podataka (routera) velike brzine za svemirsku letjelicu koja mora izdržati uvjete lansiranja na raketi i funkcionirati još desetljećima u teškim svemirskim uvjetima i eksploataciji, vrlo je komplicirana.

Istraživači koji rade na razvoju tehnologija programa TSAT ističu kako u ovom slučaju nema vojnog standarda (norme) koju bi trebalo ispuniti, pa zato tvrtka mora smisliti vlastite. Istraživači osmišljavaju svemirske standarde za slobodne svemirske laserske linkove: valne oblike, kolika osjetljivost, koliko fotona je potrebno kako bi se odredilo je li podatkovni bit informacije (ima svjetla – nema svjetla) nazočan.

Vojne istraživačke ustanove i komercijalne tvrtke desetljećima rabe radiofrekvencijske mikrovalove za komunikaciju, a TSAT će slične signale rabiti između satelita i zemaljskih postaja.
Stručnjaci tvrde kako je jedina razlika između laserskog i mikrovalnog odašiljanja – snaga. Ali laserski snop putuje pri valnim duljinama vidljive ili infracrvene svjetlosti između 400 i 700 nanometara, što je 10 000 puta manje nego mikrovalovi. To pokazuje kako laseri mogu dovesti istu količinu energije 10 000 puta dalje, vrlo usmjerenim i vrlo preciznim energetskim snopovima na veliku udaljenost i velikom brzinom (brzinom svjetlosti). Točnost ovisi o pomno podešenim visokokvalitetnim zrcalima unutar laserskog komunikacijskog terminala.

Optičke naprave u terminalu moraju izdržati lasere velike snage koje iznose milijarde Watta po kvadratnom centimetru, što je milijardama puta više nego snaga lasera u kućnim DVD reproduktorima. Kontrola snopa ovisi o odvođenju snopa iz pukotine, oscilatora ili pojačala, bez gubitka energije ili kvalitete snopa, te njegovim usmjeravanjem pomoću optike i zrcala.
To nije jednostavno ostvariti, jer energija snopa može biti previše snažna za molekule zrcala pa ih ispariti, ili pak zrcalo može apsorbirati energiju i tako uzrokovati gubitak snage snopa.

Ugovarači, razumljivo, ne žele govoriti o tome kako planiraju proizvesti i kontrolirati takav snop. Jedan od načina da se to propisno izvede za ostale laserske aplikacije, kao što je zrakoplovni laserski oružni sustav, je adaptivna optika – deformabilna zrcala koja se oblikuju pomoću stotina malenih aktuatora (mehanizama za pomicanje-okretanje) koji mijenjaju svaku površinu zrcala stotinama puta u sekundi. Ta se tehnologija često rabi u većim astronomskim teleskopima.

Sa svemirskom letjelicom koja putuje na udaljenosti od 80 000 km snop se mora precizno usmjeriti zbog toga što se na toj udaljenosti čak i laserska zraka počinje rasipati, a to pak može rezultirati gubitkom dijela podatkovnih informacija tijekom odašiljanja.

Jedna od sposobnosti koju industrijski timovi moraju posebno pomno istestirati je sposobnost satelita da pristupi i prati drugi satelit te šalje usko fokusirani snop fotona k prijamnom terminalu, a sve to brzinom svjetlosti i kroz slobodni svemirski prostor. U Boeingovom TSAT razvojnom timu smatraju kako laserski komunikacijski terminali moraju prihvatiti i držati prijenos infracrvenih valnih duljina čak i pri zakretanju svemirske letjelice. Problematika će biti još više izražena kad satelit pokuša uspostaviti laserski link prema bespilotnim letjelicama na velikim visinama zbog atmosferskih pojava (oblaci, kiša i slični atmosferski uvjeti) koje loše utječu na lasersku zraku.

Kako bi se kompenzirale atmosferske distorzije, laserske zrake moraju biti predistorzirane pomoću adaptivne optike koja oblikuje površinu zrcala reflektirajući zrake koje tako mijenjaju tok. Mikrovalovi koji imaju veće valne duljine ostaju gotovo nepromijenjeni prolaskom kroz atmosferu, ali samo laseri mogu omogućiti protok podataka i manipulacije potrebne za internetske brzine koje bi TSAT trebao omogućiti.

Sadašnje generacije satelitskih sustava koji se koriste za IP bazirano preusmjeravanje su generalno transponderski sateliti, kako se navodi u dokumentima nedavnog sastanka dužnosnika Gophal of Hughes Network Systems. Ovi tipovi satelita reflektiraju uplink signal (frekvencijski prijenos od Zemlje prema satelitu) prema downlink frekvencijama (prijenos signala sa satelita prema Zemlji) ponašajući se kao golemo mikrovalno ogledalo koje se nalazi u svemiru. TSAT, s druge strane, može samostalno obrađivati digitalni signal. Takvo obrađivanje signala na licu mjesta, tj. u satelitu, uzima podatkovne pakete, prima uplink signale, preusmjerava ih ili preklapa prema određenim downlink lokacijama, te također demodulira uplink signal pa ga remodulira kako bi formirao digitalni downlink signal.

Vojnici na terenu ovise o pravodobnoj informiranosti Foto: US Army

S obradom na satelitu, TSAT svemirske letjelice bit će u mogućnosti iskoristiti tehnologiju usmjeravanja zrake u točku koju trenutačno rabe neke komercijalne tvrtke kako bi osigurale globalnu satelitsku komunikacijsku pokrivenost. Ideja je da se usmjeri ili oblikuje jedan veliki downlink snop koji generalno pokriva odabrano vidno polje željenog satelita, a tada uposli frekvencije na transponderu kako bi se koristile za downlink nakon što se primi uplink signal s korisničkog vojnog satelitskog terminala koji se pak može nalaziti bilo gdje u zoni pokrivenosti satelitskim signalom. Za osluškivanje posebnih frekvencija ili uplink potpojasnih signala demodulatori u satelitu rabe specifično usmjeren uplink snop. Satelitske uplink antene mogu odvojiti snopove signala sa satelitskih terminala. Kako je satelit sposoban za odvajanje takvih signala i uplink snopova, isto je tako sposoban ponovno upotrijebiti istu frekvenciju i pojačati svoju frekvencijsku učinkovitost do određenog stupnja. Na taj način može se pokriti čitava Zemlja preklapajućim visokokvalitetnim snopovima.

Za sada su tvrtke Lockheed i Boeing usmjerene na demonstraciju takvih laserskih linkova i orbitalnog procesiranja te dokazivanjem kako je to jednako pouzdano kao i zemaljski sustavi. Kako bi se simulirao svemirski prostor u kojem laserske zrake putuju, tvrtka Lockheed upotrebljava velike komade specijalnog stakla kojim se širi zraka. Nikakvi specifični detalji nisu objavljeni. Tvrtka Boeing pak rabi snažna računala na kojima se simulira širenje zrake, i jedan MIT Lincoln Laboratory testni uređaj kako bi se certificirala laserska komunikacijska uporabljivost.

Prvi Block I TSAT satelit imat će jedan unakrsni-link laserski komunikacijski terminal i drugi terminal ili lasersku glavu, pa će biti uporabljen i kao satelitski unakrsni-link ili kao sigurnosni, nadzorni i izvidnički podatkovni terminal koji će komunicirati s optičkim terminalima ugrađenima u letjelice na velikim visinama. Ovo je polovica predviđenih laserskih glava koje su bile inicijalno planirane. Uz to, prvi će satelit imati samo jednu antenu (bile su predviđene dvije) određenu za koncentriranu pokrivenost odabrane bojišnice gdje se izvode operacije.
Kresanje opremljenosti pomoći će smanjenju težine satelita, a time i pripomoći očuvanju TSAT programa u Kongresu. Generalno, slanje jednog kilograma korisnog tereta u Zemljinu orbitu stoji oko 10 000 USD. Cijena razvoja velikog lansera je ista kao i cijena razvoja velikog zrakoplova – između pet i 10 milijardi USD. Tvrtke Boeing i Lockheed Martin ne žele izložiti koliko će njihov satelitski sustav biti težak zbog toga što su brojke vrlo osjetljive, a to može odlučiti koji će natjecatelj osvojiti TSAT ugovor. Dakako, čak i sa smanjenom težinom nitko ne može previdjeti kako će sateliti biti poprilično veliki. Na primjer, Milstar sateliti su u klasi težine od 4,5 tona, a TSAT će biti znatno teži, najteži geostacionarni sateliti ikad izrađeni.

Internet u svemiru
Uporabom satelita Milstar II američkog ratnog zrakoplovstva radarska slika visoke razlučivosti snimljena iz bespilotne letjelice Global Hawk može biti odaslana za 12 minuta. Novi sateliti s naprednom ekstremno visokom frekvencijom (prethodnica su TSAT-a) bit će sposobni obaviti istu zadaću u vremenu od 23 sekunde. Uporabom TSAT-a predviđeno vrijeme odašiljanja slike bit će manje od sekunde.

Uz pomoć TSAT-a svaki zemaljski, pomorski ili zračni komunikacijski terminal koji se koristi satelitom ima vlastitu Internet Protokol (IP) adresu, a laserski linkani sateliti mogu obrađivati do 8000 istodobnih radiofrekvencijskih (RF) priključaka (veza) koji su otporni na smetnje. To je kombinacija laserskih linkova s preusmjeravajućim i preklapajućim protokolima kao za internet, a sve zato da bi TSAT mreža iskoristila svoju veliku propusnu moć i da bi se zadržavala vitalna značajka – kvaliteta usluge koja je bitna za brojne vojne korisnike.

Sadašnji vojni komunikacijski sateliti služe kao releji koji primaju i odašilju RF signale. Sateliti uzimaju signal i jednostavno ga predaju sljedećem terminalu ili natrag odašiljačkim antenama. Ovdje imamo neko pojačanje signala, ali ne i njegovo procesiranje. U slučaju TSAT-a, sateliti će procesirati signal i ponašati se kao preusmjerivači, primajući podatkovne pakete, dekodirajući ih, određivati finalno odredište različitih podataka i odašiljati ih kamo treba. To je ono što industrijski timovi i ratno zrakoplovstvo misle kad tvrde kako će TSAT osigurati američkim snagama internet u svemiru – slanje informacija gotovo trenutačno, sigurno i jednostavno odabranom primatelju bilo gdje u svijetu.

Marijo PETROVIĆ