The Storm Riders
Writer
JAXA (Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản) và NEC đã công bố thành công trong việc truyền dữ liệu dung lượng lớn giữa các vệ tinh bằng công nghệ truyền thông quang học băng tần 1,5μm, lần đầu tiên trên thế giới.
Theo hai công ty, vào ngày 10 tháng 1 năm 2025, dữ liệu quan sát từ vệ tinh radar tiên tiến "Daichi 4" (ALOS-4) của JAXA đã được truyền đến trạm mặt đất thông qua vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học trên quỹ đạo địa tĩnh, cách đó khoảng 40.000km, bằng cách sử dụng hệ thống liên lạc vệ tinh quang học "LUCAS" với bước sóng 1,5μm. Đây là lần đầu tiên dữ liệu của Daichi 4 được truyền về Trái Đất thông qua vệ tinh địa tĩnh bằng công nghệ này.
Tốc độ truyền dữ liệu đạt 1,8 Gbps, nhanh hơn 7,5 lần so với vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu "Kodama" (DRTS) sử dụng công nghệ sóng vô tuyến trước đây (240 Mbps), lập kỷ lục thế giới về tốc độ truyền thông quang học giữa các vệ tinh.
Shiro Yamakawa, thành viên nhóm dự án JDRS của JAXA, cho biết: "Thời gian liên lạc với vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu chỉ trong vòng 40 phút. Công nghệ truyền thông quang học không chỉ giúp kéo dài thời gian liên lạc và tăng tính tức thời mà còn cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao. Trong khi truyền dữ liệu trực tiếp về trạm mặt đất cần nhiều lần truyền, thì LUCAS cho phép thu thập dữ liệu quan sát trên diện rộng chỉ trong một lần liên lạc."
Ông cũng cho biết thêm: "Chúng tôi đã chứng minh khả năng truyền dữ liệu tức thời với dung lượng cực lớn, khoảng 13.000km, tương đương 1/3 chu vi Trái Đất, bằng cách truyền dữ liệu liên tục đến vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học trong khi chụp ảnh. Hình ảnh có độ phân giải 10m của các khu vực từ băng biển Bắc Cực, đô thị châu Âu đến khu bảo tồn thiên nhiên nhiệt đới đã được truyền tải tức thời bằng LUCAS. Kết hợp với khả năng vận hành lệnh khẩn cấp thông qua LUCAS, công nghệ này sẽ giúp nắm bắt tình hình nhanh chóng và trên diện rộng trong trường hợp thiên tai."
NEC là nhà thầu chính của dự án LUCAS, phụ trách thiết kế hệ thống, sản xuất thiết bị đầu cuối quang học, hỗ trợ thử nghiệm hệ thống vệ tinh và vận hành ban đầu. JAXA đã phóng vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học vào tháng 11/2020 và Daichi 4 vào tháng 7/2024. Từ tháng 10/2024, JAXA đã thiết lập liên kết truyền thông quang học giữa Daichi 4 và vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học để thử nghiệm công nghệ.
Việc sử dụng vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học cho phép truyền tín hiệu tốc độ cao, dung lượng lớn, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị truyền thông. Do chùm tia hẹp, nên ít bị nhiễu và có khả năng bảo mật cao, chống lại sự can thiệp và nghe trộm. Đường kính ăng-ten của thiết bị đầu cuối quang học trên vệ tinh địa tĩnh (OGLCT) của LUCAS chỉ 15cm.
Trong không gian, vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học di chuyển với tốc độ khoảng 3,1km/giây trên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao khoảng 36.000km, trong khi vệ tinh quan sát Trái Đất di chuyển với tốc độ khoảng 7,6km/giây trên quỹ đạo thấp. Để duy trì kết nối và chiếu tia laser chính xác vào vệ tinh mục tiêu ở khoảng cách 40.000km, với độ rộng chùm tia chỉ khoảng 500m, công nghệ này sử dụng kỹ thuật khuếch đại công suất cao và điều khiển tia laser.
NEC đã giải quyết những thách thức này bằng cách áp dụng các công nghệ mới vào thiết bị đầu cuối quang học trên cả vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu và vệ tinh quan sát Trái Đất. Cụ thể, ba công nghệ cốt lõi là:
Hiroaki Miyoshi, chuyên gia của NEC, mô tả truyền thông quang học trong không gian là "môn võ tổng hợp", kết hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như nhiệt, quang học, điện, cơ khí, điều khiển, quỹ đạo, phần mềm và hệ thống. "NEC đã hợp tác với JAXA trong việc phát triển công nghệ vũ trụ của Nhật Bản từ năm 1970. Thành tựu này là kết quả của hơn 50 năm nỗ lực của các kỹ sư NEC".
Việc ứng dụng băng tần 1,5μm dựa trên kinh nghiệm của NEC trong việc phát triển hệ thống truyền thông cáp quang mặt đất và dưới biển. "Chúng tôi đã đưa băng tần 1,5μm vào không gian. Băng tần này đã có sẵn chuỗi cung ứng về công nghệ và truyền thông quang học, và có thể được ứng dụng làm nền tảng công nghiệp cho sự phát triển của ngành vũ trụ. NEC sẽ dẫn đầu thế giới trong việc thiết lập 1,5μm là bước sóng tiêu chuẩn", ông tự tin cho biết.
NEC tin rằng thành công của việc truyền dữ liệu tốc độ cao, đường dài giữa vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp sẽ thúc đẩy việc ứng dụng truyền thông quang học trong không gian. Công ty sẽ tiếp tục hợp tác với các tổ chức và đối tác liên quan để phát triển công nghệ truyền thông quang học giữa các vệ tinh, đóng góp vào sự phát triển của ngành vũ trụ Nhật Bản.
"Internet trong không gian sẽ cho phép sử dụng các dịch vụ công cộng xuyên biên giới, chia sẻ cơ sở hạ tầng logistics và duy trì hoạt động kinh tế trong thời đại dân số già. Nó cũng sẽ làm nổi bật các nguồn lực xã hội chưa được khai thác, đóng vai trò là động lực cho sự thịnh vượng trong tương lai. Đây sẽ là nền tảng kỹ thuật số mới, hỗ trợ phát triển kinh tế cho các quốc gia và doanh nghiệp trên toàn thế giới."
Theo hai công ty, vào ngày 10 tháng 1 năm 2025, dữ liệu quan sát từ vệ tinh radar tiên tiến "Daichi 4" (ALOS-4) của JAXA đã được truyền đến trạm mặt đất thông qua vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học trên quỹ đạo địa tĩnh, cách đó khoảng 40.000km, bằng cách sử dụng hệ thống liên lạc vệ tinh quang học "LUCAS" với bước sóng 1,5μm. Đây là lần đầu tiên dữ liệu của Daichi 4 được truyền về Trái Đất thông qua vệ tinh địa tĩnh bằng công nghệ này.
Tốc độ truyền dữ liệu đạt 1,8 Gbps, nhanh hơn 7,5 lần so với vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu "Kodama" (DRTS) sử dụng công nghệ sóng vô tuyến trước đây (240 Mbps), lập kỷ lục thế giới về tốc độ truyền thông quang học giữa các vệ tinh.
Shiro Yamakawa, thành viên nhóm dự án JDRS của JAXA, cho biết: "Thời gian liên lạc với vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu chỉ trong vòng 40 phút. Công nghệ truyền thông quang học không chỉ giúp kéo dài thời gian liên lạc và tăng tính tức thời mà còn cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao. Trong khi truyền dữ liệu trực tiếp về trạm mặt đất cần nhiều lần truyền, thì LUCAS cho phép thu thập dữ liệu quan sát trên diện rộng chỉ trong một lần liên lạc."
Ông cũng cho biết thêm: "Chúng tôi đã chứng minh khả năng truyền dữ liệu tức thời với dung lượng cực lớn, khoảng 13.000km, tương đương 1/3 chu vi Trái Đất, bằng cách truyền dữ liệu liên tục đến vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học trong khi chụp ảnh. Hình ảnh có độ phân giải 10m của các khu vực từ băng biển Bắc Cực, đô thị châu Âu đến khu bảo tồn thiên nhiên nhiệt đới đã được truyền tải tức thời bằng LUCAS. Kết hợp với khả năng vận hành lệnh khẩn cấp thông qua LUCAS, công nghệ này sẽ giúp nắm bắt tình hình nhanh chóng và trên diện rộng trong trường hợp thiên tai."
NEC là nhà thầu chính của dự án LUCAS, phụ trách thiết kế hệ thống, sản xuất thiết bị đầu cuối quang học, hỗ trợ thử nghiệm hệ thống vệ tinh và vận hành ban đầu. JAXA đã phóng vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học vào tháng 11/2020 và Daichi 4 vào tháng 7/2024. Từ tháng 10/2024, JAXA đã thiết lập liên kết truyền thông quang học giữa Daichi 4 và vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học để thử nghiệm công nghệ.
Việc sử dụng vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học cho phép truyền tín hiệu tốc độ cao, dung lượng lớn, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị truyền thông. Do chùm tia hẹp, nên ít bị nhiễu và có khả năng bảo mật cao, chống lại sự can thiệp và nghe trộm. Đường kính ăng-ten của thiết bị đầu cuối quang học trên vệ tinh địa tĩnh (OGLCT) của LUCAS chỉ 15cm.
Trong không gian, vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu quang học di chuyển với tốc độ khoảng 3,1km/giây trên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao khoảng 36.000km, trong khi vệ tinh quan sát Trái Đất di chuyển với tốc độ khoảng 7,6km/giây trên quỹ đạo thấp. Để duy trì kết nối và chiếu tia laser chính xác vào vệ tinh mục tiêu ở khoảng cách 40.000km, với độ rộng chùm tia chỉ khoảng 500m, công nghệ này sử dụng kỹ thuật khuếch đại công suất cao và điều khiển tia laser.
NEC đã giải quyết những thách thức này bằng cách áp dụng các công nghệ mới vào thiết bị đầu cuối quang học trên cả vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu và vệ tinh quan sát Trái Đất. Cụ thể, ba công nghệ cốt lõi là:
- Hệ thống điều khiển hướng siêu chính xác: Cho phép bám và theo dõi mục tiêu với độ chính xác dưới 1/2000 độ.
- Bộ khuếch đại sợi quang công suất cao 3W: Truyền chùm tia laser 3W qua sợi quang có đường kính vài micromet.
- Hệ thống bù Doppler siêu ổn định 5ppm: Bù đắp hiệu ứng Doppler với độ chính xác 1/200.000 độ, duy trì tính ổn định cao.
Hiroaki Miyoshi, chuyên gia của NEC, mô tả truyền thông quang học trong không gian là "môn võ tổng hợp", kết hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như nhiệt, quang học, điện, cơ khí, điều khiển, quỹ đạo, phần mềm và hệ thống. "NEC đã hợp tác với JAXA trong việc phát triển công nghệ vũ trụ của Nhật Bản từ năm 1970. Thành tựu này là kết quả của hơn 50 năm nỗ lực của các kỹ sư NEC".
Việc ứng dụng băng tần 1,5μm dựa trên kinh nghiệm của NEC trong việc phát triển hệ thống truyền thông cáp quang mặt đất và dưới biển. "Chúng tôi đã đưa băng tần 1,5μm vào không gian. Băng tần này đã có sẵn chuỗi cung ứng về công nghệ và truyền thông quang học, và có thể được ứng dụng làm nền tảng công nghiệp cho sự phát triển của ngành vũ trụ. NEC sẽ dẫn đầu thế giới trong việc thiết lập 1,5μm là bước sóng tiêu chuẩn", ông tự tin cho biết.
NEC tin rằng thành công của việc truyền dữ liệu tốc độ cao, đường dài giữa vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp sẽ thúc đẩy việc ứng dụng truyền thông quang học trong không gian. Công ty sẽ tiếp tục hợp tác với các tổ chức và đối tác liên quan để phát triển công nghệ truyền thông quang học giữa các vệ tinh, đóng góp vào sự phát triển của ngành vũ trụ Nhật Bản.
"Internet trong không gian sẽ cho phép sử dụng các dịch vụ công cộng xuyên biên giới, chia sẻ cơ sở hạ tầng logistics và duy trì hoạt động kinh tế trong thời đại dân số già. Nó cũng sẽ làm nổi bật các nguồn lực xã hội chưa được khai thác, đóng vai trò là động lực cho sự thịnh vượng trong tương lai. Đây sẽ là nền tảng kỹ thuật số mới, hỗ trợ phát triển kinh tế cho các quốc gia và doanh nghiệp trên toàn thế giới."
