برقراری پیوند ارتباطی لیزری میان تاسواره یونانی اِرمیس-۳ و زمین

نانوماهواره هشت‌واحدی (8U) اِرمیس-۳ (ERMIS-3) که پژوهشگران دانشگاه ملی و کاپودیستری آتن آن را ساخته‌اند، پیوند ارتباطی اپتیکی پایداری را با سرعت ۱ گیگابیت بر ثانیه با یک ایستگاه زمینی در شمال یونان برقرار کرد. این رخداد، نخستین تجربه موفق این کشور در دریافت داده‌های لیزری از یک ماهواره در مدار پایینی زمین به‌شمار می‌رود.[1][5][6]

مغز متفکر این سامانه، پایانه لیزری اطلس-۱ (ATLAS-1) است که استارتاپ لیتوانیایی استرولایت (Astrolight) آن را توسعه داده است. این پایانه پرتوی لیزر فروسرخ نامرئی را به سمت ایستگاه زمینی اپتیکی هولومونداس (Holomondas) می‌تاباند؛ رصدخانه‌ای که دانشگاه ارسطو در تسالونیکی آن را برای این مأموریت بازطراحی کرده و اداره می‌کند.[4][5][6]

این دستاورد نشان داد که پایانه‌های لیزری تجاری و کوچک می‌توانند با دور زدن پهنای باند پرترافیک امواج رادیویی، بستری سریع و ایمن برای جابه‌جایی داده فراهم آورند. این گامی محسوس در توسعه زیرساخت‌های فضایی دانشگاهی و بخش خصوصی اروپا است.[1][4]

دیمیتریس پاپاسترگیو، وزیر حکمرانی دیجیتال یونان، در ارزیابی این مأموریت گفت: «نشانه‌گیری دقیق اپتیکی میان یک تاسواره و رصدخانه‌ای ملی نشان می‌دهد دانشگاه‌ها و شرکت‌های فناوری یونان چگونه می‌توانند بر بسترهای فناورانه نوین هم‌افزایی داشته باشند.» او تأکید کرد که این پروژه مسیر تازه‌ای برای ارتباطات ماهواره‌ای نسل بعد باز می‌کند.[5]

مخابره داده از مدار

برقراری چنین پیوند نوری نیازمند دقتی خارق‌العاده است، چرا که ماهواره با سرعت چندین کیلومتر بر ثانیه از فراز زمین گذر می‌کند. پایانه اطلس-۱ باید سیگنال راهنمای ایستگاه را در کسر کوچکی از زمان شناسایی کند و حین عبور سریع مداری، قفل رهگیری را حفظ کند.[1][6]

برخلاف ماهواره‌های مدار زمین‌ایستا که از دید ناظر زمینی در آسمان ثابت به نظر می‌رسند، یک فضاپیمای مدار پایینی زمین تنها در چند دقیقه افق تا افق را درمی‌نوردد. از این رو هم تلسکوپ زمینی و هم فرستنده ماهواره باید جهت‌گیری زاویه‌ای خود را پیوسته و بدون وقفه تنظیم کنند تا باریکه متمرکز لیزر همواره دقیقاً در کانون گیرنده بماند.[1]

شرکت استرولایت گزارش کرده که سامانه‌های فضایی و زمینی در همان سومین گذر عملیاتی توانستند فرایند جفت‌شدن اپتیکی را به‌طور خودکار انجام دهند. مهندسان این استارتاپ سامانه‌ها را از راه دور در لیتوانی کنترل کردند تا کالیبراسیون اولیه و همگام‌سازی محرک‌های رهگیری پایان یابد.[6]

داده‌ها در حال حاضر با نرخ عملیاتی تثبیت‌شده ۱ گیگابیت بر ثانیه ارسال می‌شوند. با این حال، محاسبات مهندسان روی تراز پیوند (Link Budget) نشان می‌دهد که این سازوکار در نهایت می‌تواند به ظرفیت ۱۰ گیگابیت بر ثانیه نیز دست یابد؛ هرچند این پهنای باند بالاتر هنوز در فضا آزموده نشده است.[5][6]

پس از تکمیل کالیبراسیون، پایداری پیوند نوری در زاویه‌های ارتفاعی بالاتر از ۱۵ درجه به بیش از ۸۵ درصد زمان دسترسی مفید رسید. گیرنده زمینی حتی توانست سیگنال‌ها را در زوایای ارتفاعی کمتر از ۱۰ درجه نیز آشکار کند که حاکی از مقاومت مناسب طراحی اپتیکی در برابر اعوجاجات جوی است.[5][6]

ماهواره اکنون روزانه دو گذر برنامه‌ریزی‌شده لیزری انجام می‌دهد و از یک آزمایش موردی به فاز عملیاتی روزمره رسیده است. داده‌های اولیه تایید می‌کنند که سامانه در گذرهای شبانه و روزانه عملکرد یکسانی دارد و حتی با وجود ابرهای ناپیوسته می‌تواند ارتباط را سرپا نگه دارد.[4][5]

دور زدن ترافیک امواج رادیویی

ارتباطات سنتی ماهواره‌ای بر بستر امواج رادیویی کار می‌کنند؛ فرکانس‌هایی که با محدودیت فیزیکی پهنای باند مواجهند و روند تخصیص فرکانس بین‌المللی آن‌ها بسیار پیچیده است. با افزایش چشمگیر شمار ماهواره‌های مدار پایینی زمین، کمبود طیف رادیویی به بزرگ‌ترین گلوگاه این صنعت تبدیل شده است.[1]

پیوندهای نوری با گسیل پرتوی باریکی از نور، این محدودیت ظرفیت را برطرف می‌کنند. پهنای باند چشمگیر لیزر به‌ویژه برای دریافت مجموعه‌داده‌های حجیم، نظیر تصاویر ابرطیفی مأموریت‌های سنجش از دور زمین، ضروری و تعیین‌کننده است.[1][5]

علاوه بر ظرفیت بالا، ماهیت فیزیکی باریکه لیزر امنیتی ذاتی به همراه دارد. به دلیل متمرکز بودن فوق‌العاده پرتو، ایجاد اختلال یا شنود آن مستلزم این است که ابزار دشمن دقیقاً در خط دید مستقیم میان ماهواره و تلسکوپ قرار بگیرد؛ فرآیندی که در عمل رهگیری و جمینگ را بسیار دشوار می‌کند.[5]

این ایمنی در برابر جمینگ برای حوزه‌های دفاعی و امنیتی اروپا اهمیتی دوچندان یافته است. امواج رادیویی و سیگنال‌های موقعیت‌یابی زمینی در مناطقی مانند حوزه بالتیک مکرراً دچار تداخل و حملات اختلال‌گر می‌شوند و از این رو جایگزینی فروداده‌های لیزری یک اولویت راهبردی به‌شمار می‌رود.[5]

همکاری مشترک در مقیاس اروپایی

ماهواره اِرمیس-۳ در ۳۰ مارس ۲۰۲۶ سوار بر موشک فالکون ۹ اسپیس‌ایکس و در قالب مأموریت اشتراکی ترنسپورتر-۱۶ (Transporter-16) به فضا پرتاب شد. این ماهواره با دو نانوماهواره دیگر یونانی، اِرمیس-۱ و اِرمیس-۲، همسفر بود که در حال حاضر پروتکل‌های اتصال اینترنت اشیاء بر بستر شبکه سلولی 5G را آزمایش می‌کنند.[1][6]

این مأموریت بخشی از «برنامه اتصال یونان» است که با نظارت آژانس فضایی اروپا اجرا می‌شود. منابع مالی پروژه از «صندوق بازیابی و انعطاف‌پذیری اتحادیه اروپا» تأمین شده که هدف آن تقویت حاکمیت فناورانه قاره و تبدیل یونان به قطب بازپخش داده است.[6]

فردریک روئسنل، مدیر دفتر پیاده‌سازی ابتکارات تاب‌آوری در آژانس فضایی اروپا، این دستاورد را نتیجه همکاری منسجم چندجانبه خواند و گفت این مأموریت نشان داد چگونه پیوند میان صنعت، دانشگاه و نهادهای عمومی می‌تواند به نوآوری‌های راهبردی در سطح جهانی بینجامد.[5]

رصدخانه هولومونداس با این پروژه از یک مرکز صرفاً نجومی به یک پایانه مخابراتی پیشرفته تغییر کاربری داده است. شرکت استرولایت این سایت را به یک هسته اپتیکی اختصاصی و فانوس لیزری هدایت‌گر ۸۰۸ نانومتری مجهز کرده تا پرتوهای ارسالی و دریافتی همواره هم‌محور بمانند.[4][5]

ادغام مهندسی و یکپارچه‌سازی همزمان پایانه مداری و گیرنده زمینی توسط یک تیم، پیچیدگی تنظیم و هم‌راستاسازی اپتیکی را بسیار کاهش داده است. این پیوستگی معماری موجب شده حجم فیزیکی، هزینه ساخت و پیچیدگی سخت‌افزار ایستگاه زمینی به حداقل برسد.[4]

گسترش زیرساخت‌های نوری

برنامه‌ریزی شده است که تجهیزات این ایستگاه زمینی از پروژه تاسواره‌ای دیگری در یونان به نام پیک‌ست (PeakSat) نیز پشتیبانی کنند. آن مأموریت نیز ارتباطات لیزری میان ماهواره‌های کوچک و ایستگاه‌های نوری پراکنده در سراسر کشور را ارزیابی خواهد کرد تا شبکه ملی داده تکمیل شود.[6]

با وجود موفقیت پایدار اِرمیس-۳، تلاطم‌های جوی همواره تهدیدی برای مخابرات اپتیکی هستند. پوشش ابری متراکم می‌تواند پرتوی فروسرخ را به‌طور کامل مسدود کند و آشفتگی حرارتی لایه‌های جو در کیفیت سیگنال نوسان می‌اندازد.[1][5]

برای دستیابی به یک شبکه پهن‌باند لیزری بدون وقفه در سطح جهان، اپراتورها باید شبکه‌ای پراکنده از ایستگاه‌های زمینی در مناطق اقلیمی مختلف بسازند تا چنانچه آسمان یک ایستگاه ابری شد، ماهواره داده‌هایش را بی‌درنگ به ایستگاهی با آسمان صاف گسیل کند.[1]

عملکرد اطلس-۱ در مدار نشان داد سخت‌افزارهای کم‌مصرف و فشرده قادرند این دست‌دادن‌های دقیق نوری را به‌خوبی مدیریت کنند. این تأییدی تجربی بر این واقعیت است که نانوماهواره‌های مقرون‌به‌صرفه نیز می‌توانند وارد شبکه‌های ارتباطی پرظرفیتی شوند که پیش‌تر در انحصار ماهواره‌های غول‌پیکر بود.[1][4]

تیم مهندسی همچنان رفتار این پایانه را در ادامه عمر مداری اِرمیس-۳ رصد خواهند کرد. تجارب حاصل از این پیوندهای روزانه، در طراحی پایانه‌های اپتیکی نسل بعد به کار گرفته خواهد شد تا انتقال داده در مرز نظری ۱۰ گیگابیت بر ثانیه به واقعیت بدل شود.[5][6]