Nové dobrodružství kocoura Felixe? Ne, ale první UHD video z dalekého kosmu

Zatímco v dávném českém reklamním spotu Kocour Felix usilovně přemítá nad rojem včel se složeným nápisem „Pracuj a šetři!“, aby nakonec vyrazil do budovy spořitelny, americká oranžová mourovatá kočka Taters se na videu honí za laserovým ukazovátkem pracujícím na vlnové délce 650 nm v červené oblasti viditelného spektra.

Nové technologie a využívání stále vyšších kmitočtů

Americká vesmírná agentura NASA uskutečnila 11. prosince první demonstraci optické komunikace mimo systém Země-Měsíc. Optické, nebo laserové, komunikace umožňují výrazně zrychlit datový přenos (až 100x) ve srovnání se současnými radiofrekvenčními systémy. Infračervené světlo zabalí data do mnohem kratších vln (o délce µm) a tak umožní přijmout v kratším čase větší objemy dat. Tak jako metalické spoje přecházely na radiokomunikační systémy vzduchem, tak se dá očekávat přechod z optických vláken modulovaných laserem na optické komunikace ve volném prostoru s využitím elektromagnetického spektra. Na názorné srovnání vlnových délek, kmitočtů a jejich využití se podívejte na následujícím obrázku

Vizualizace elektromagnetického spektra (Zdroj NASA: Introdduction to the Electromagnetic Spectrum)

Technologie komunikace pomocí laseru pro spojení bod-bod není nic nového. I u nás jsou dostupná pro pozemní komunikace tohoto typu laserová pojítka, která navíc nepodléhají kmitočtové regulaci, avšak požadavek přímé viditelnosti a závislost na počasí omezují jejich použitelnost na stovky metrů při maximálních rychlostech desítek Mb/s a s pevně ukotvenými přijímači a vysílači.

Z hlubokého vesmíru se však vyzkoušená a otestovaná radiofrekvenční komunikace blíží limitu šířky pásma, což zvyšuje potřebu modernizovaných komunikačních systémů. Očekává se, že budoucí vesmírné mise budou přenášet obrovské objemy vědeckých dat, včetně obrázků a videí ve vysokém rozlišení, což výrazně zvýší nároky na požadovanou šířku pásma.

Něco o vývoji vesmírné laserové komunikace

Laserová komunikace využívá infračerveného světla (s vlnovou délkou okolo 1 µm neboli 1000 nm) na přímou vzdálenosti i v případě kosmického prostoru, kde jediným útlumovým prvkem laserového paprsku je zemská atmosféra. Přenášená data mají podobu bitů (nejmenších jednotek dat, které může počítač zpracovat) zakódovaných ve fotonech laseru – kvantových částicích světla. Poté, co speciální supravodivé vysoce účinné pole detektorů detekuje fotony, jsou použity nové techniky zpracování signálu k extrakci dat z jednotlivých fotonů, které dorazí na přijímací systémy na Zemi.

Pro družice a kosmické lodě jsou laserové terminály ideální, protože vyžadují menší rozměry a výkony, což se jeví jako klíčová výhoda. Výzvou při tom je přesnost nastavení středu laserového paprsku z pohybujícího se vesmírného objektu pro využití maximální energie a průchod zemskou atmosférou, zejména mraky. Není třeba zdůrazňovat, že se jedná o dvojcestné duplexní uspořádání.

V roce 2013 test Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD) společnosti NASA testoval rekordní rychlost (600 Mb/s) při přenosu dat uplinku a downlinku mezi Zemí a Měsícem.

V roce 2021 byla spuštěna demonstrace laserového komunikačního systému při testovaní širokopásmové optické komunikace z geostacionární oběžné dráhy a demonstrování přenosových schopností, aby kosmická loď nemusela udržovat přímou viditelnost se Zemí při přímém spojení mezi družicemi. Další využití pokračovala z mezinárodní kosmické stanice ISS, nebo i spojení z malých družic „cubesat“.

V roce 2022 vyzkoušel projekt NASA TeraByte InfraRed Delivery (TBIR) historicky nejvyšší přenosovou rychlost ze satelitu na nízké oběžné dráze k pozemnímu přijímači. V rámci tohoto projektu byla posílána data 120minutových a 200minutových filmů vícekrát za den rychlostí 200 Gb/s.

Experiment z hlubiny naší sluneční soustavy

V rámci mise Psyche, která odstartovala 13. října ke kovovému asteroidu obíhajícím okolo Slunce mezi Marsem a Jupiterem, došlo 11. prosince k otestování laserové komunikace z hlubokého vesmíru v rámci experimentu Deep Space Optical Communication (DSOC). Jde o systém, který se skládá z letového laserového transceiveru umístěného na lodi, pozemního laserového vysílače a pozemního laserového přijímače. V každém z těchto prvků byly implementovány nové pokročilé technologie.

Kosmický segment

Vesmírná loď Psyche je vybavena laserovým transceiverem DSOC, který obsahuje jak laserový vysílač pracující na vlnové délce blízké infračervené oblasti spektra (0,75 – 2,5 mikrometrů) k odesílání vysokorychlostních dat do pozemního systému, tak citlivou fotony počítající kameru pro příjem pozemního laseru. 22centimetrový aperturní teleskop transceiveru je namontován na izolační a zaměřovací sestavě, která stabilizuje optiku a izoluje ji od vibrací kosmické lodi. Laserový hardware je vybaven sluneční clonou a vyčnívá z boku kosmické lodi, což z něj dělá jednu ze snadno identifikovatelných částí Psyche.

Kosmická loď NASA Psyche je zde zobrazena v čisté místnosti v zařízení Astrotech Space Operations poblíž Kennedyho vesmírného střediska agentury na Floridě 8. prosince 2022. Letový laserový transceiver DSOC se zlatým krytem je vidět poblíž středu, připojený ke kosmické lodi. (Foto:NASA)

Pozemní systémy

Vysokovýkonný infračervený laserový vysílač v zařízení laboratoří JPL(Jet Propulsion Laboratory) v Kalifornii vysílá modulovaný laserový paprsek k transceiveru o nízké rychlosti 1,6 kb/s. Uplinkový laser také funguje jako maják pro transceiver (beacon), na který se nasměruje. Data odeslaná zpět transceiverem DSOC z Psyche jsou shromažďována Halovým teleskopem o průměru 5,1 metru na Palomar Observatoři v San Diego v Kalifornii s použitím citlivého supravodivého nanovláknového kvantového přijímače fotonů k demonstraci vysoké rychlosti. přenosu dat.

První meziplanetární komunikace s Taters

Experiment DSOC agentury NASA je první demonstrací optické komunikace mimo systém Země-Měsíc. Ukázka laserové komunikace, která byla spuštěna je navržena tak, aby přenášela data z hlubokého vesmíru rychlostí 10 až 100krát vyšší než nejmodernější radiofrekvenční systémy používané v dnešních misích do hlubokého vesmíru.

Přenos 15sekundového UHD videa se uskutečnil v rámci technického experimentu v blízké infračervené oblasti odpovídajíc přibližně kmitočtu 220 THz. Experiment DSOC vysílal 11. prosince streamované video s ultra vysokým rozlišením z rekordní vzdálenosti 31 milionů kilometrů, tedy asi 80násobku vzdálenosti Země-Měsíc. Tento milník je součástí technologické demonstrace NASA zaměřené na streamování velmi širokopásmového videa a dalších dat z hlubokého vesmíru.

Podívejte se na krátké video s ultra vysokým rozlišením, nahrané před spuštěním přenosu, které představuje oranžovou mourovatou kočku jménem Taters, honící se za červeným bodem ukazovátka.

Video s hrající si kočičkou po průletu sluneční soustavou v experimentu NASA

Překryvná grafika ilustruje několik funkcí z technického dema, jako je orbitální dráha Psyche (pod číslem 9 v úvodním snímku), vzdálenost lodi od Země 1,5 AU v astronomických jednotkách ((pod číslem 2), kopule dalekohledu Palomar a technické informace o laseru a jeho datové přenosové rychlosti (pod č.5, kde je výkon laseru buď 2 W nebo 4W podle fáze dema). Uvedena je také srdeční frekvence (okolo 130 tepů/min pod č. 13), barva a plemeno kočky Taters. Podrobné informace jsou k dispozici i s vysvětlením v tomto odkazu.

Další parametry testu

Z dosavadního popisu se zřejmé, že oranžový mazlíček Taters fyzicky neopustil pevnou zem, protože jeho sledování infračerveného ukazovátka bylo předtočeno a následně odesláno pomalou rychlostí na kosmickou loď Psyche.  Poté bylo posláno zpět ze vzdálenosti 31 miliónů km z pohybujícího se vesmírného objektu. Videosignálu trvalo 101 sekund, než dosáhl Země s maximální bitovou rychlostí systému 267 megabitů za sekundu (Mb/s). Následně byl každý snímek ze smyčkového videa z observatoře Palomar odeslán „živě“ do laboratoře Jet Propulsion Laboratory NASA v jižní Kalifornii, kde se video přehrávalo v reálném čase a opatřilo grafikou.

Podle vedoucího elektroniky projektu, zařízení v kosmu navzdory přenosu ze vzdálenosti milionů kilometrů dokázalo odeslat video rychleji než většina širokopásmových připojení k internetu. Po obdržení videa na observatoři v Palomaru bylo video odesláno do laboratoří JPL přes internet a toto připojení bylo pomalejší než signál přicházející z hlubokého vesmíru.

Perspektivy vesmírné laserové komunikace

Jedním z cílů bylo a je i nadále demonstrovat schopnost streamovat širokopásmové video na miliony kilometrů. Na Psyche nic negeneruje video data, takže obvykle se posílají balíčky náhodně generovaných testovacích dat. Prvního úspěšného spojení bylo dosaženo už 14. listopadu. Od té doby systém prokázal vyšší rychlost stahování dat a zvýšenou přesnost. V noci na 4. prosince projekt prokázal přenosové rychlosti stahování 62,5 Mbps, 100 Mbps a 267 Mbps, což je srovnatelné s rychlostmi stahování širokopásmového internetu. Za tu dobu došlo ke stažení celkem 1,3 terabytů dat.

S úspěšným prvním experimentem bude nyní tým DSOC pracovat na zdokonalení systémů, které řídí zaměřování sestupného laseru na palubě transceiveru. Jakmile toho bude dosaženo, může se začít s demonstrací udržování širokopásmového přenosu dat z transceiveru do observatoře v Palomaru při různých vzdálenostech od Země.

Test kosmických laserů pro optickou komunikaci z hlubokého vesmíru (Screenshot z videa NASA/JPL-Caltech/ASU)

Je totiž nutné kompenzovat dobu, kterou světlo potřebuje k cestování z kosmické lodi na Zemi na obrovské vzdálenosti. V nejvzdálenějším bodě Psyche od naší planety bude fotonům DSOC trvat asi 20 minut, než se vrátí zpět (trvalo jim to asi 50 sekund na cestu z Psyché na Zemi během testu 14. listopadu). Za tu dobu se kosmická loď i planeta pohnuly, takže se uplinkové a sestupné lasery musí přizpůsobit změně polohy. První fáze testů by měla probíhat do května příštího roku, a druhá fáze pak navazovat v roce 2025.

Význam laserové komunikace spočívá právě v kosmickém prostoru, zejména jako mezidružicová spojení. Mezinárodní Telekomunikační Unie ITU na posledním zasedání Světové radiokomunikační konference již signalizovala některá regulatorní opatření právě v komunikaci mezi družicemi na oběžné dráze.

NASA TV – vesmír na dosah ruky

Svého času v síti 23 Českých radiokomunikací byl u nás vysílán dosud jediný program v ultravysokém rozlišení – NASA TV. Ta je dosud oficiální volně šířená vysílací síť pro živé akce a originální obsah, včetně startů, výstupů do vesmíru, událostí misí, nejnovějších zpráv a videí o nich a technických novinkách. Dnes k NASA TV můžete přistupovat případně prostřednictvím svého místního poskytovatele, pokud je v nabídce, jakož i prostřednictvím distribučních platforem třetích stran rozšířených kromě Apple TV převážně na americkém kontinentu.

Kromě toho přepracovaná aplikace NASA odemyká přístup k nové službě streamování videa NASA+, nejnovějším zprávám NASA, vylepšeným interaktivním zážitkům, upozorněním na mise, rozšířené realitě a tisícům obrázků a videí k prozkoumání.

Podkladem pro článek byly informace z webu agentury NASA.

Úvodní snímek: www.nasa.gov