Minh họa về Trình diễn rơle liên lạc lasser của NASA (LCRD liên lạc với Trạm vũ trụ quốc tế qua các liên kết laser. Ảnh: Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA

LCRD là tổ hợp không gian có hai thiết bị đầu cuối quang học, một thiết bị đầu cuối nhận dữ liệu từ tàu vũ trụ của người dùng, thiết bị đầu cuối còn lại truyền dữ liệu đến các trạm mặt đất trên Trái đất. Các modem của LCRD dịch dữ liệu kỹ thuật số thành tín hiệu laser, ược truyền qua các chùm ánh sáng được mã hóa bằng các mô-đun quang học của rơle.

Hệ thống rơle chuyển tiếp laser hai chiều đầu tiên của NASA đã hoàn thành năm thử nghiệm đầu tiên ngày 28/6, một cột mốc quan trọng đối với công nghệ mang tính đột phá, có thể là công nghệ tương lai truyền tải dữ liệu hai chiều trái đất-không gian.

Thiết bị trình diễn công nghệ Rơle Liên lạc Laser (LCRD) sử dụng ánh sáng laser hồng ngoại, chùm tia laser vô hình để truyền và nhận tín hiệu thay cho hệ thống sóng vô tuyến thông thường, được sử dụng trên các tàu vũ trụ. Các bước sóng giới hạn chặt chẽ của laser hồng ngoại cho phép những sứ mệnh không gian đóng gói nhiều dữ liệu hơn đáng kể, gấp 10 đến 100 lần trong một lần truyền. Dung lượng dữ liệu lớn hơn cung cấp nhiều thông tin hơn cho những nghiên cứu khoa học.

Sử dụng ánh sáng laser hồng ngoại, LCRD cho phép truyền tải dữ liệu lớn hơn gấp 10 đến 100 lần so với những hệ thống sóng vô tuyến truyền thống. Thành công của LCRD và phần mở rộng sắp tới của công nghệ, ILLUMA-T, cho thấy giao tiếp bằng laser có thể tăng cường khả năng thực hiện thành công những sứ mệnh không gian trong tương lai bằng giải pháp cung cấp phương tiện chuyển tiếp dữ liệu mạnh mẽ và hiệu quả hơn.

Đồ họa mô phỏng Trình diễn Rơle Truyền thông Laser của NASA giao tiếp qua các kênh liên lạc laser. Ảnh: NASA

Trên nửa chặng đường trong giai đoạn thử nghiệm, tổ hợp thiết bị chuyển tiếp hai chiều LCRD cho thấy những lợi thế rất lớn của thông tin liên lạc bằng laser so với những hệ thống truyền thông liên lạc bằng sóng vô tuyến truyền thống.

Bay trên quỹ đạo địa tĩnh cách Trái đất 22.000 dặm (35.000 km), LCRD hiện đang hoạt động như một nền tảng thử nghiệm phục vụ cho lợi ích của NASA, các cơ quan chính phủ, học viện và doanh nghiệp thương mại để thử nghiệm và kiểm tra khả năng liên lạc bằng laser. Sau giai đoạn thử nghiệm, tổ hơp thiết bị có thể trở thành một nguyên mẫu thiết bị hoạt động chuyển tiếp thông tin.

Khi thiết bị thử nghiệm đáp ứng được các yêu cầu của NASA và chính phủ Mỹ, những sứ mệnh không gian trong tương lai sẽ sử dụng công nghệ thông tin liên lạc bằng laser, không cần thiết phải có đường truyền thẳng rõ ràng tới Trái đất, chỉ cần gửi dữ liệu tới LCRD, gói dữ liệu sau đó sẽ được truyền xuống Trái đất và ngược lại.

LCRD nói riêng và công nghệ thông tin liên lạc bằng laser nói chung được hình thành từ nhu cầu truyền dữ liệu hiệu quả hơn đến và đi từ không gian. LCRD đã được ra mắt để thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ này trên cơ sở hợp tác giữa chương trình Điều hướng và Truyền thông Không gian (SCaN) của NASA và Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Vũ trụ của NASA.

Dave Israel, nghiên cứu viên chính của LCRD thuộc Viện nghiên cứu Goddard của NASA, tại Trung tâm bay không gian ở Greenbelt, Maryland cho biết: “Cho đến nay, chúng tôi đã xuất bản những bài báo đầu tiên về các phát hiện ban đầu từ những thí nghiệm, đồng thời chúng tôi dự định xuất bản thêm những bài báo về những kinh nghiệm thu được, giúp ngành hàng không vũ trụ thế giới có thể có được những bài học quan trọng từ cuộc trình diễn công nghệ này cùng với NASA. Những kết quả ban đầu thật tuyệt vời, sự xuất hiện ​​một khối lượng dữ liệu khổng lồ trong một khoảng thời gian ngắn thực sự là một điều phi thường.”

Trạm Mặt đất Quang học 2 (OGS-2) trong hệ thống Trình diễn Rơle Truyền thông Laser (LCRD) của NASA ở Haleakalā, Hawaii. Ảnh: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA

Viện nghiên cứu Goddard cũng tiến hành một số thí nghiệm về tác động của khí quyển đối với tín hiệu laser. Mặc dù thông tin liên lạc bằng laser cung cấp tốc độ chuyển tải dữ liệu tăng lên, nhưng độ ẩm, mây, gió lớn và những nhiễu loạn khí quyển khác có thể làm gián đoạn tín hiệu laser khi đi vào bầu khí quyển Trái đất.

Rick Butler, giám đốc thử nghiệm LCRD tại Goddard cho biết: “Một trong những vấn đề được đặc biệt quan tâm là thời tiết ảnh hưởng như thế nào đến những hoạt động thí nghiệm. Chúng tôi thường xây dựng các trạm mặt đất, thu thập tín hiệu từ không gian ở những địa điểm xa xôi, độ cao lớn với điều kiện thời tiết thuận lợi, trạm thu LCRD ở Hawaii và California. Trận mưa và tuyết rơi lịch sử ở Nam California năm 2023 đã mang đến cho chúng tôi cơ hội thực sự hiểu được tác động của thời tiết đối với tính khả dụng của tín hiệu. Điều này cũng củng cố nhận thức, cần nhiều trạm mặt đất hơn để có nhiều tùy chọn hơn cho tính khả dụng của tín hiệu.”

Hơn thế, những thí nghiệm thời tiết cung cấp những dữ liệu cụ thể, giúp các kỹ sư tăng cường khả năng của hệ thống quang học, phù hợp với các điều kiện làm việc của NASA. Những cải tiến của hệ thống quang học được tích hợp vào các trạm mặt đất, sử dụng cảm biến để đo và sửa méo tín hiệu phát ra từ thiết bị trong vũ trụ.

Một thử nghiệm khác được thực hiện với Tập đoàn hàng không vũ trụ Mỹ “Aerospace”. Tập đoàn đã xây dựng một thiết bị đầu cuối tương thích với LCRD để gửi và nhận dữ liệu với sự hỗ trợ của LCRD. Thử nghiệm này đã xác nhận khả năng của LCRD để làm việc với các đối tác bên ngoài NASA.

Các kỹ sư kỹ thuật truyền thông không gian đã sử dụng LCRD như một cơ hội để thử nghiệm những khả năng kết nối mạng như kết nối mạng chịu tải gián đoạn/chậm trễ (DTN) qua các liên kết laser. DTN cung cấp cho các sứ mệnh không gian khả năng kết nối tuyệt vời bằng giải pháp lưu trữ và chuyển tiếp dữ liệu tại các điểm dọc theo mạng liên kết laser, đảm bảo thông tin quan trọng đến đầu thu cuối cùng.

NASA đang kết hợp những công nghệ thông tin liên lạc bằng laser, cung cấp cho các sứ mệnh không gian khả năng liên lạc hiệu suất cao. Giao tiếp bằng laser cho phép các sứ mệnh truyền đi nhiều dữ liệu hơn trong một liên kết duy nhất. Video: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA.

Các hệ thống thông tin liên lạc bằng laser cũng cho phép khả năng điều hướng thông tin chính xác hơn. Một thử nghiệm điều hướng đang được thực hiện cho thấy, các kỹ sư thông tin có thể nhận được dữ liệu vị trí chính xác hơn qua liên kết laser so với sóng vô tuyến tiêu chuẩn. Kết quả này cho thấy, hệ thống thông tin liên lạc bằng laser cũng đóng vai trò là nền tảng căn bản xác định dữ liệu về tọa độ vị trí và thời gian, một tính năng quan trọng của hệ thống định vị vệ tinh GPS .

Trudy Kortes, giám đốc trình diễn công nghệ trong Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Vũ trụ của NASA tại trụ sở chính ở Washington cho biết: “Những cuộc trình diễn công nghệ như LCRD cung cấp cho NASA và các đối tác triển khai các những trang thiết bị với công nghệ mới và thử nghiệm trong một kịch bản hoạt động thực tế. Điều này cho phép các kỹ sư thực sự cảm nhận được tiềm năng của công nghệ và thấy được, các ứng dụng trong tương lai sẽ hoạt động thế nào. Đây chính là nguyên nhân vì sao những chương trình thử nghiệm trong một môi trường phù hợp có ý nghĩa vô cùng quan trọng.”

Hệ thống LCRD đã chứng minh được những ưu thế trong công nghệ liên lạc bằng laser. Trong tương lai, các sứ mệnh không gian khám phá và nghiên cứu khoa học với con người, sử dụng công nghệ truyền thông laser có thể truyền một khối lượng dữ liệu vượt trội hơn truyền thông vô tuyến về Trái đất.

Khi những thiết bị của các sứ mệnh nghiên cứu khoa học phát triển và hoàn thiện, thu thập nhiều dữ liệu hơn, những hệ thống thông tin liên lạc trên tàu vũ trụ cũng phải phát triển để truyền tải khối dữ liệu này cho các nhà nghiên cứu.

Các trang thiết bị như LCRD trong thử nghiệm đã chứng minh, những hệ thống thông tin liên lạc bằng laser có thể mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho các sứ mệnh không gian và giúp các chương trình khám phá không gian đạt được những mục tiêu khoa học đặt ra.

LCRD là một trong nhóm các nhiệm vụ chứng minh tính hiệu quả của công nghệ liên lạc bằng laser. Cơ quan nghiên cứu phát triển LCRD đang tiếp tục thiết kế các thiết bị đầu cuối trong tương lai, sử dụng công nghệ laser trên Trạm vũ trụ quốc tế, tàu vũ trụ Artemis II Orion, dự kiến du hành quanh Mặt trăng và thí nghiệm Truyền thông quang học không gian sâu trên tàu vũ trụ Psyche, thử nghiệm thông tin liên lạc bằng laser trên khoảng cách xa Trái đất chưa từng có, khi Psyche hành trình đến mục tiêu là một tiểu hành tinh trong không gian sâu thẳm.

Sau khi hoàn thành một năm thử nghiệm thành công, nhóm phát triển hệ thống LCRD hiện đang chuẩn bị cho sự ra mắt Thiết bị đầu cuối bộ khuếch đại và modem người dùng quỹ đạo trái đất thấp LCRD tích hợp của NASA vào cuối năm 2023. Thiết bị này còn được gọi là ILLUMA-T.

Khi được lắp đặt trên trạm vũ trụ, ILLUMA-T sẽ gửi dữ liệu thử nghiệm tới LCRD, sau đó LCRD sẽ chuyển dữ liệu xuống trạm mặt đất. Thử nghiệm này sẽ cho phép NASA kiểm tra liên kết thông tin liên lạc bằng laser từ quỹ đạo thấp của Trái đất trên quỹ đạo địa không đồng bộ, xác minh được tính hiệu quả truyền thông trong khả năng chuyển tiếp của LCRD.

LCRD là một tổ hợp thiết bị vũ trụ của NASA trong khuôn khổ Chương trình Thử nghiệm Không gian của Bộ Quốc phòng Mỹ Vệ tinh-6 (STPSat-6). STPSat-6, thuộc sứ mệnh Chương trình Thử nghiệm Không gian 3 (STP-3), được phóng bằng tên lửa của Liên minh phóng tàu vũ tru Atlas V 551 từ Trạm Lực lượng Vũ trụ Cape Canaveral ở Florida ngày 7/12/2021. NASA đang vận hành vệ tinh STPSat-6 cho lợi ích của Bộ Quốc phòng Mỹ.

LCRD thuộc quyền điều hành của Viện nghiên cứu Goddard, hợp tác với Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California và Phòng thí nghiệm MIT Lincoln.