Data succesvol verstuurd via lasercommunicatie tussen optische grondstations over 10 km afstand

Bij laser-satellietcommunicatie wordt gebruik gemaakt van satellieten die informatie verzenden naar de aarde in de vorm van onzichtbare lichtsignalen. Hierdoor is veel snellere, goedkopere en veiligere gegevensoverdracht mogelijk dan via de radiofrequenties die nu wereldwijd worden gebruikt voor communicatie. Voor het eerst is er in realistische omstandigheden een stabiele optische datalink tot stand gebracht die compatibel is met bestaande radiofrequentie infrastructuur. Dit is een belangrijke stap in de ontwikkeling van commerciële optische grondstations en de verdere verbetering van veilige en snellere breedbandverbindingen in Nederland en Europa.

Technologische ontwikkelingen zoals zelfrijdende auto's, sociale media met meer video’s en het Internet of Things zorgen voor een groeiende vraag naar meer data. Het huidige radiofrequentiespectrum kan die vraag niet meer aan. Het is te beperkt qua data doorvoer en er maken al heel veel mensen gebruik van. Daardoor treden schaarste en storingen op. Laser-satellietcommunicatie zou uitkomst kunnen bieden.

Deze technologie is op veel verschillende manieren toepasbaar. In de praktijk kan die worden ingezet voor veiliger internetbankieren, zelfrijdende auto's, snel en goed internet in vliegtuigen en op offshore platforms, maar bijvoorbeeld ook voor consumenten, overheden en bedrijven in landelijke dunbevolkte gebieden. Daarnaast is de technologie interessant voor defensiedoeleinden omdat het veiligere communicatie mogelijk maakt voor militairen tijdens missies.

Lasersatellietcommunicatie

Bij deze nieuwe optische communicatietechnologie worden lichtsignalen verzonden om satellieten rechtstreeks met zogenaamde inter-satellietverbindingen te verbinden, maar ook om satellieten en grondstations op aarde te verbinden. Lasercommunicatie kan storing ondervinden van turbulentie in de atmosfeer, waardoor de verbinding minder betrouwbaar wordt. De grondstations zijn daarom voorzien van een belangrijk subsysteem genaamd adaptieve optiek. Samen met methoden voor digitale foutcorrectie kan adaptieve optiek voor een stabiele, betrouwbare dataverbinding zorgen, en dat is waar deze veldproeven op gericht zijn.

Veldproeven

Bij de test die is uitgevoerd als onderdeel van het TOmCAT-project ('Terabit Optical Communication Adaptive Terminal') is gekeken naar de gehele optische communicatieketen, beginnend bij een radiofrequent signaal dat werd geconverteerd naar het optische domein en weer terug. Het verzenden van bits is één ding, maar ze foutloos overdragen is een enorme uitdaging die heel complex is vanwege alle verstoringen die worden veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde.

Een grondverbinding over 10 km, waarbij de satellietterminal op een hoge locatie (Gerbrandytoren in IJsselstein) wordt geplaatst, komt wat verbindingsverstoringen betreft het dichtst in de buurt van een echte verbinding tussen de grond en de ruimte (op een hoogte van 39.000 km boven de aarde). In het demonstratiemodel werden verschillende technologieën gecombineerd, waarmee voor het eerst gedurende meerdere minuten een nagenoeg foutloze communicatie werd bereikt bij een relatief hoge turbulentie, zoals het geval is bij een echte grond-grondverbinding.

Wat dat betreft is deze proef uniek: de toegepaste technologieën zijn allemaal afzonderlijk getest in het lab of soms in de praktijk, maar nu ging het erom om via een optische verbinding en in realistische praktijkomstandigheden een betrouwbare en stabiele end-to-end dataverbinding tot stand te brengen én een interface met de bestaande infrastructuur mogelijk te maken. Alle toegepaste technologie is schaalbaar tot een eindproduct met een snelheid van wel een terabit per seconde. Ter illustratie: dat komt overeen met het overdragen van 5 Blu-ray-films per seconde.

Bekijk de video over de eerste veldproefcampagne.

Aanzienlijk snellere en veiligere data-overdracht

Met satellieten is er over de hele wereld verbinding mogelijk, ook op afgelegen, dunbevolkte plaatsen waar grondgebonden netwerken niet beschikbaar zijn. Eindgebruikers overal ter wereld maken nu via radiofrequenties verbinding met een satelliet.

Om al deze eindgebruikers te kunnen bedienen, verzendt een grondstation de gevraagde gegevens naar de satelliet en dient als de backbone, ook wel de 'feederlink' genoemd. Hiervoor worden nu gewoonlijk radiogolven gebruikt. Door van deze technologie over te gaan op optische technologie, zou er 1000 keer zo veel data kunnen worden verstuurd.

En er zijn nog meer voordelen: om te beginnen ontstaan bij het gebruik van optische links niet dezelfde beschikbaarheidsproblemen als bij het beperkte radiofrequentiespectrum, waarvoor ook nog eens dure licenties moeten worden aangeschaft. Daarnaast is het veiliger omdat er zeer smalle optische laserstralen worden gebruikt in plaats van brede radiosignalen. Hierdoor is afluisteren lastiger en wordt het vanwege de veel smallere bundel sneller opgemerkt.

Volgende stappen

Door deze geslaagde demonstratie kan de volgende stap worden gezet naar een demonstratiemodel dat communiceert met een satelliet in de ruimte, onder leiding van Airbus Defence & Space Netherlands. Naar verwachting zal dit in 2023/2024 gebeuren.

In de daaropvolgende jaren zal een consortium van Nederlandse en Europese bedrijven, onder leiding van Airbus Defence & Space Netherlands, de technologie naar de markt brengen, wat de economische groei in Nederland en Europa kan stimuleren. Dit zal snellere, goedkopere en veiligere gegevensoverdracht mogelijk maken dan ooit tevoren.

Ontwikkeling van optische systemen voor de ruimtevaart

TOmCAT is uitgevoerd met steun uit het ESA ARTES ScyLight programma en gefinancierd door NSO (Netherlands Space Office). TOmCAT is ontwikkeld in samenwerking met: TNO, Airbus Defence and Space Netherlands, Demcon (NL), VDL ETG (NL), Celestia STS (NL), MPB Communications (CAN), Cellnex (NL), KNMI (NL), AAC Hyperion (NL), Hittech Multin (NL), Eutelsat (FR), Airbus DS SAS (FR) en SES (LU). TNO heeft jarenlange ervaring en kennis op het gebied van de ontwikkeling en bouw van geavanceerde FSO-systemen en optische systemen voor de ruimtevaart. TOmCAT is een van de vele projecten waarmee TNO probeert de economische groei in Nederland en Europa te stimuleren. Hierdoor kunnen bedrijven nieuwe producten realiseren, nieuwe kansen creëren en hun concurrentiepositie verbeteren.