Čínský laserový satelit překonává Starlink: gigabit z orbity 36 tisíc km

Laser slabší než noční lampička, a přesto rychlejší než Starlink

Čínský výzkumný tým z Pekingské univerzity a Čínské akademie věd provedl experiment, který mění pohled na satelitní komunikaci. Na palubě geostacionárního satelitu, kroužícího přibližně 36 tisíc kilometrů nad rovníkem, pracoval laser s výkonem pouhé 2 watty. To je úroveň srovnatelná spíše s úspornou žárovkou než s klasickým dálkovým vysílačem.

Přesto se podařilo dosáhnout přenosové rychlosti 1 Gbps směrem k Zemi. Podle srovnání, která badatelé uvádějí, je to přibližně pětkrát více, než jaké parametry běžně nabízí fungující síť Starlink — a to přes mnohem větší vzdálenost mezi satelitem a přijímačem.

1 Gbps z orbity vzdálené 36 tisíc km a vysílače o výkonu 2 W — toto tempo by umožnilo přenést HD film ze Šanghaje do Los Angeles za méně než pět sekund.

Starlink využívá tisíce satelitů kroužících jen několik set kilometrů nad Zemí. Čínský experiment sahá více než šedesátkrát dál, přesto dosahuje propustnosti, která dnes bývá spojována spíše s optickými kabely než s vesmírnou komunikací.

Observatoř Lijiang: místo, kde teleskop nahradil domácí anténu

Celý test byl postaven na infrastruktuře astronomické observatoře v Lijiang v provincii Yunnan. Přijímač tedy vůbec nepřipomínal běžnou satelitní anténu — šlo o pokročilý optický systém složený z několika klíčových prvků:

• teleskop s průměrem 1,8 metru,
• soustava 357 korekčních mikrozrcátek,
• modul rozdělující paprsek do více optických kanálů.

Světelný paprsek přicházející z vesmíru tak nebyl zachycován přímo. Nejprve prošel fází velmi rychlé korekce a teprve poté pokračoval k dalšímu zpracování. Celý experiment nestál na samotném laseru, ale na řešení největšího nepřítele takových spojů — atmosféry.

Atmosféra jako hlavní soupeř přenosu

Kosmické vakuum je pro laserový paprsek ideálním prostředím. Skutečné problémy nastávají až těsně nad přijímačem, v husté a pohyblivé vrstvě vzduchu. Turbulence, teplotní změny a rozdíly v hustotě vzduchu způsobují, že se světlo rozptyluje, ohýbá a ztrácí původní tvar.

Dosud vědci obvykle volili jedno ze dvou řešení:

• Adaptivní optika — systém zrcátek, která se v reálném čase deformují, aby „narovnala" světelnou vlnu zkreslenou atmosférou.
• Módově diverzitní příjem — zachycování více rozptýlených složek signálu a jejich digitální spojování za účelem obnovení přenášené informace.

Při slabých nebo mírných turbulencích každý z těchto nástrojů funguje obstojně. Při silném vzdušném rušení, typickém pro horské observatoře, ale jedno řešení zpravidla nestačí.

Spojení dvou technik: synergie AO-MDR

Čínský tým se rozhodl obě metody propojit do jediného přijímacího řetězce, označovaného zkráceně jako „synergie AO-MDR". Na straně přijímače probíhal proces v několika krocích.

První fáze: vyhlazení světelné vlny

Signál nejprve dopadal na soustavu adaptivní optiky. Zmíněných 357 mikrozrcátek reagovalo v reálném čase na změny tvaru přicházející vlny. Systém průběžně opravoval chyby způsobené atmosférou a přibližoval paprsek ideálnímu profilu.

Toto řešení má kořeny v observační astronomii, kde se podobné techniky používají k „zostření" obrazu hvězd rozmazávaného vrstvami vzduchu.

Druhá fáze: rozdělení a výběr nejsilnějších kanálů

Po úvodní korekci prošel signál takzvaným vícerovinnným konvertorem. Ten rozkládá paprsek do osmi základních kanálů lišících se módovým typem šíření světla. Přijímač poté vybral tři nejsilnější ze všech osmi a spojil je do jednoho datového proudu určeného k dekódování.

Systém tak počítal s tím, že část informace se po cestě rozptýlí — a cíleně využíval ty trasy, které přežily v nejlepší kondici.

Použití AO-MDR zvýšilo podíl využitelného signálu z přibližně 72 % na více než 91 %, což představuje výrazný skok nejen v rychlosti, ale i ve spolehlivosti spoje.

Proč výška orbity hraje tak zásadní roli

Geostacionární satelit opticky „visí" nad jedním bodem na rovníku, protože se otáčí stejnou úhlovou rychlostí jako Země. Z pohledu pozemského přijímače vypadá jako nehybný bod na obloze. To je pro pozemskou stanici obrovská výhoda — anténa ani teleskop nemusí neustále sledovat rychle se pohybující satelity, jako je tomu u konstelací na nízkých oběžných drahách.

Za toto pohodlí se však platí vyšší cenou. Srovnání různých typů orbit ukazuje zásadní rozdíly:

Čím dál od Země se satelit nachází, tím slabší signál dorazí k přijímači, protože energie paprsku se rozprostírá na stále větší plochu. Proto dosažení propustnosti 1 Gbps z geostacionární orbity při výkonu 2 W vzbudilo takovou pozornost. Dokazuje to, že s dostatečně propracovaným přijímačem lze uvažovat o budoucích laserových „datových dálnicích" z velkých výšek.

Nikoliv domácí terminál, ale páteř sítě

Stanice v Lijiang rozhodně není prototypem zařízení, které si člověk postaví na balkóně. Jde o masivní teleskopickou instalaci vyžadující přesnou mechaniku, složitou řídicí elektroniku a pokročilý software pracující v reálném čase.

Takovýto profil předurčuje tyto spoje k roli páteřních uzlů. Nabízí se hned několik konkrétních scénářů využití:

• přenos obrovských objemů dat z pozorovacích satelitů do datových center na pevnině,
• propojení vzdálených bodů kontinentů tam, kde pokládání optických kabelů je příliš nákladné nebo rizikové,
• budování datových „mostů" mezi geostacionárními komunikačními satelity a pozemními uzly sítí 5G a jejich nástupců.

Běžný domácí uživatel může z takového systému těžit nepřímo — data se nakonec dostanou do stávající infrastruktury internetových operátorů a odtud do routeru v jeho bytě.

Co tento experiment říká o budoucnosti satelitního internetu

Většina diskusí o orbitální konektivitě se dnes točí kolem počtu satelitů a rádiových frekvencí. Čínský test přesouvá těžiště jinam: ukazuje, že obrovský potenciál se skrývá i v „poslední fázi" na straně přijímače.

Laserový paprsek, který se teoreticky zdá křehký a náchylný na rušení, se při správném přístupu mění ve velmi výkonný nástroj. Klíč spočívá v tom, nepředstírat, že atmosféra neexistuje, ale naopak z jejích rozmarů udělat součást celého návrhu. Systém AO-MDR v Lijiang dělá přesně to — akceptuje, že signál bude rozbit, a pak se učí vybírat jeho nejlepší fragmenty.

Pro inženýry plánující globální komunikační infrastrukturu z toho plyne několik závěrů. Optické satelitní spoje se mohou stát závažným doplňkem, někdy i alternativou klasických rádiových vysílačů — zejména tam, kde záleží na vysoké propustnosti při energetických omezeních a kde nechceme dále zahušťovat již přetížená rádiová pásma.

Z pohledu koncového uživatele bude zásadní ještě jedna věc: pokud takovéto systémy najdou praktické uplatnění, mohou pomoci snížit rozdíly v přístupu k rychlému internetu mezi urbanizovanými oblastmi a technicky náročnými regiony — od odlehlých ostrovů až po polární výzkumné stanice. Výsledný úspěch bude záviset nejen na technologii laserů, ale také na tom, jak rychle se podaří složitou stanici z Lijiang „zmenšit" do kompaktnějších a dostupnějších řešení.