Sự gia tăng nhanh chóng của vệ tinh đang khiến quỹ đạo thấp của Trái đất ngày càng đông đúc, làm tăng nguy cơ va chạm và gây áp lực lên hạ tầng truyền dữ liệu khi phổ tần vô tuyến dần quá tải. Trong bối cảnh đó, công nghệ truyền thông bằng laser được xem là hướng kết nối mới cho ngành không gian thế hệ tiếp theo.
Quỹ đạo quá tải
Những năm gần đây, số lượng vệ tinh quanh Trái đất tăng với tốc độ rất nhanh. Triển khai hệ thống Starlink năm 2019, Công ty SpaceX hiện đã có hơn 10.200 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo. Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) dự báo, đến cuối thập niên tới, khoảng 100.000 vệ tinh có thể cùng hoạt động quanh Trái đất. Phần lớn các vệ tinh hiện nay đều dùng sóng radio để truyền dữ liệu xuống mặt đất. Đây cũng là công nghệ đang được sử dụng cho điện thoại di động, wifi, bluetooth hay truyền hình.
Nhưng sóng radio chỉ chiếm một phần nhỏ trong phổ điện từ (dải các loại sóng và bức xạ tồn tại trong tự nhiên). Phần phổ tần radio có thể khai thác cho truyền thông là hữu hạn nên phải được Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) quản lý và phân bổ.
Barry Evans, giáo sư truyền thông vệ tinh tại Đại học Surrey (Anh), cho biết tình trạng quá tải phổ tần bắt đầu xuất hiện khi ngày càng nhiều hệ thống vệ tinh cùng hoạt động trên một số dải tần giống nhau.
Ví dụ như Starlink và Eutelsat OneWeb cùng sử dụng Ku-band (khoảng 11-14 Gigahertz) để truyền dữ liệu xuống mặt đất, nguy cơ nhiễu sóng và chồng lấn tín hiệu gia tăng. Các công ty hiện phải phối hợp chia sẻ phổ tần hoặc điều chỉnh thời điểm phát tín hiệu, song giới chuyên gia cho rằng đây chỉ là giải pháp tạm thời.
Các vệ tinh hoạt động ở những độ cao khác nhau cũng có thể gây nhiễu tín hiệu. Chẳng hạn, khi trạm mặt đất thu tín hiệu từ OneWeb ở độ cao khoảng 1.200km, vệ tinh Starlink bay thấp hơn, khoảng 500km, nếu đi ngang vùng phủ sóng có thể gây nhiễu tạm thời. Hiện tượng này gọi là In-Line Events. Trong bối cảnh dữ liệu từ không gian tăng mạnh, sóng radio được cho là khó đáp ứng lâu dài trước nhu cầu truyền video độ phân giải cao, dữ liệu cảm biến và internet vệ tinh toàn cầu.
Thách thức kỹ thuật
Trước áp lực đó, ngành công nghiệp vũ trụ đang chuyển sang khai thác tia laser để truyền dữ liệu. Khác với sóng radio phát tán rộng trong không gian, tia laser truyền theo chùm rất hẹp nên gần như không bị nhiễu bởi các hệ thống khác, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện mức độ bảo mật.
Ông Dalius Petrulionis, đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của Công ty Astrolight (Litva), cho biết nhiều vệ tinh thế hệ mới hiện đã tích hợp liên kết laser. Trong mạng Starlink, dữ liệu giữa các vệ tinh đã được truyền bằng laser ở một số tuyến kết nối ngoài không gian. Tuy nhiên, truyền thông laser từ vệ tinh xuống mặt đất vẫn là thách thức kỹ thuật lớn vì tia laser rất nhạy với điều kiện khí quyển. Mây, sương mù, hơi nước hay biến động nhiệt trong không khí… đều có thể làm méo tín hiệu.
Để khắc phục hạn chế này, các công ty đang phát triển hệ thống bù nhiễu quang học (AO), cho phép chùm laser tự điều chỉnh theo biến động khí quyển trong thời gian thực. Hệ thống này thường gồm cảm biến mặt sóng để đo độ méo tín hiệu, gương biến dạng để hiệu chỉnh chùm laser và máy tính điều khiển tốc độ cao.
Theo Cơ quan Không gian Mỹ (NASA), một số hệ thống còn sử dụng hai loại gương biến dạng hoạt động song song, trong đó một gương xử lý các biến dạng lớn, chậm, còn gương kia xử lý dao động nhỏ nhưng nhanh. Các bộ điều khiển phải thực hiện khoảng 100-1.000 lần điều chỉnh mỗi giây.
Trong một thử nghiệm truyền dữ liệu laser tốc độ 5Gbps, hệ thống AO gồm 137 phần tử điều khiển đã giúp giảm tỷ lệ lỗi dữ liệu xuống dưới 10⁻⁶, tương đương chưa tới 1 lỗi trên 1 triệu bit dữ liệu, gần như không còn sai lệch đáng kể.
Ngoài méo tín hiệu, hệ thống truyền laser còn phải xử lý tình trạng cường độ ánh sáng dao động do biến động không khí. Một số mạng truyền laser sử dụng ngôi sao laser nhân tạo để tạo điểm tham chiếu, giúp đo chính xác mức độ nhiễu loạn khí quyển. Bên cạnh phần cứng quang học, các công ty cũng ứng dụng AI và thuật toán học máy để giảm chi phí, tăng tốc xử lý tín hiệu.
NASA gần đây thử nghiệm thành công hệ thống truyền thông laser trên tàu Orion thuộc chương trình Artemis II, truyền hơn 100GB dữ liệu từ khu vực gần Mặt trăng về Trái đất. Trong khi đó, Astrolight, công ty công nghệ không gian của Lithuania, đang xây dựng trạm mặt đất quang học đầu tiên tại Greenland với sự hỗ trợ của ESA và đã đưa 3 thiết bị truyền laser thử nghiệm lên quỹ đạo.
Truyền thông quang học, còn gọi là truyền thông laser, sử dụng tia hồng ngoại thay cho sóng radio truyền thống để gửi dữ liệu giữa vệ tinh với nhau hoặc từ vệ tinh xuống mặt đất. Công nghệ này cho phép tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và gần như không bị nhiễu tín hiệu.
