麻省理工研发激光卫星打破太空数据传输速度纪录
11月8日，麻省理工学院林肯实验室宣布，由该实验室设计和研制的“太字节红外传输”（TBIRD）有效载荷，成功以每秒100千兆比特的速度从卫星向地球传输数据。这一数据速率比传统上用于卫星通信的射频链路高1000倍以上，同时也是从太空到地面的激光链路所达到的最高数据速率，而这创纪录的TBIRD有效载荷仅有一个“纸巾盒”大小。林肯实验室表示这一速率将彻底改变未来的太空科研工作。
愿景
2014年，林肯实验室将TBIRD任务概念化，旨在寻求一种低成本、小型化、轻量化的方式来解决太空中大量科学仪器向地面快速传输数据的诉求。
搭上“快车”
作为美国宇航局探路者技术演示器的一部分，TBIRD有效载荷被集成到“立方体卫星” 上。“立方体卫星” 源于美国宇航局埃姆斯研究中心启动的“立方体卫星巴士”项目，(为有效载荷提供动力和操纵的“飞行器”，重约 11 克)，旨在低成本、高效率地将科学和技术演示器送入轨道。“立方体卫星” 由卫星解决方案供应商Terran Orbital 公司研制。
2022年5月26日，携带TBIRD通信有效载荷的“立方体卫星” 从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队基地搭乘SpaceX公司第五次小卫星专属拼单发射任务“运输者5号”顺利升空。
TBIRD技术革新
1、运用成熟的商用组件
为了降低成本，TBIRD利用最初为地面光纤网络开发的商用现成组件，包括：高速光调制解调器、大型高速存储驱动器和光信号放大器。然而，现有的商用组件无法适应严酷的太空环境。当团队第一次通过模拟太空环境的热测试来测试光信号放大器时，光纤熔化了。为此研究团队与供应商合作修改光信号放大器，改为通过传导释放热量，解决了这一问题。
2、开发定制款“自动重发请求”版本
为了处理大气影响造成的数据丢失，实验室开发了定制版自动重发请求 (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。使用 ARQ，接收器（在本例中为地面终端）通过低速率上行链路信号提醒发送器（卫星）重新传输任何丢失或损坏的数据块（帧）。
3、去掉“万向节”
“万向节”是一种指向窄激光束的机制。取而代之的是，TBIRD依靠实验室开发的误差信号概念来精确定位航天器。误差信号被提供给立方体卫星之后校准，准确地将整个卫星的主体指向地面站。
从无线电到激光
对于卫星而言，基于激光通信的高速互联网目前还不存在。自1950年代开始太空飞行以来，各项太空任务一直依赖无线电频率在太空之间发送数据。与无线电波相比，激光通信中使用的红外光具有更高的频率（或更短的波长），允许在每次传输中包含更多数据。然而，基于激光的空间通信带来了一些工程挑战。与无线电波不同，激光形成窄光束。为了成功的数据传输，这个窄光束必须精确地指向位于地面上的接收器（例如望远镜）。尽管激光可以在太空中传播很长的距离，但由于大气效应和天气条件，激光束可能会变形。这种失真会导致光束出现功率损耗，从而导致数据丢失。在过去的40年里，林肯实验室一直在通过各种计划来应对这些挑战。至此，这些挑战已经得到可靠解决，激光通信正迅速被广泛采用。工业界已经开始使用激光通信扩大近地轨道(LEO)激光交联，目的是增强现有的地面骨干网，并提供潜在的互联网骨干网为农村偏远地区的用户提供服务。去年，NASA 启动了激光通信中继演示(LCRD)，一种基于实验室设计的双向光通信系统。在即将到来的任务中，实验室开发的激光通信终端将被发射到国际空间站，该终端将与 LCRD 进行“链接”，并支持“阿尔忒弥斯- II”载人登月计划 。
未来
林肯实验室研究团队表示，从地球观测到太空探索，许多科学任务将受益于TBIRD系统的高传输速率，包括解决随着航空航天仪器升级捕获更多高分辨率数据之后的传输问题，以及深空探索任务数据回传等。未来， TBIRD有望将速率提高到每秒200千兆比特。
