Een team van ingenieurs van het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), in Laurier, Maryland, heeft met succes een hoge bandbreedte aangetoond, free-space optische (FSO) communicatiesysteem tussen twee bewegende schepen, bewijzen van operationeel nut van FSO-technologie in de maritieme omgeving.

Juan Juárez, de technische leiding voor het team dat de technologie ontwikkelt, zei dat APL de eerste organisatie is die met succes een dergelijke optische communicatiecapaciteit met hoge capaciteit - tot 10 gigabit per seconde - onderweg gebruikt, aan boord van schepen op zee, en in uitdagende nearshore-omgevingen.

"We hebben bandbreedtes aangetoond die enkele orden van grootte hoger waren dan alle huidige radiofrequentie [RF]-communicatiemogelijkheden op marineschepen, en op grotere afstanden dan eerder gedemonstreerde FSO-technologie voor maritieme toepassingen, "Zei Juarez. "Dit is het equivalent van maximaal 2, 000 gebruikers kijken tegelijkertijd naar high-definition videostreams via de optische link."

Het Lab demonstreerde zijn nieuwste compacte vormfactorsysteem tijdens de Trident Warrior-oefening 2017, een jaarlijks evenement waar zeilers de nieuwste innovaties in oorlogsvoeringsystemen op zee uitproberen en feedback geven over die systemen aan commandanten en ontwikkelaars.

Contact houden

Marineschepen gebruiken doorgaans RF-systemen om te communiceren, maar de marine zoekt ook naar alternatieve communicatiemiddelen voor het geval, voor technische, operationele of ecologische redenen, radiotransmissie is niet beschikbaar. "Marineplatforms moeten in toenemende mate effectief opereren in verminderde RF- of emissiebeheersingsomstandigheden met behoud van hun tactische voordeel en situationeel bewustzijn, " merkte Juárez op.

Optische communicatiesystemen in de vrije ruimte - die gebruikmaken van draadloze transmissie om optische gegevenssignalen met hoge bitsnelheden te leveren - bieden een overtuigende aanvullende communicatiemogelijkheid voor conventionele RF- en microgolfcommunicatie door veilige hoge gegevenssnelheden buiten het conventionele RF-spectrum te bieden.

Commerciële FSO-systemen bestaan, maar voldoen doorgaans niet aan defensiebehoeften, Juárez zei, "specifiek op het gebied van systeemmobiliteit, link bereik, en datasnelheid tijdens het werken in de sterk sprankelende terrestrische omgeving, vooral dicht bij het water." FSO-demonstratiesystemen die eerder voor terrestrische defensietoepassingen waren gebouwd, waren te groot, of de mobiliteit miste, datasnelheden, of reeksen om praktisch te zijn op marineplatforms.

Over land en zee

Het systeem van APL overwint veel van deze uitdagingen. De eerste testweek was schip-naar-kust, vanaf het motorschip (M/V) Merlin voor de kust van Naval Base Point Loma, San Diego, naar de parkeerplaats van het 3rd Fleet Headquarters. Het team behaalde meer dan 14 uur aan verbindingstijd, inclusief tijdens 4- tot 6-voet volle zee; 1-2 gigabit foutloos datatransport op afstanden van meer dan 25 kilometer; spraakcommunicatie op meer dan 35 kilometer; chatberichten tot 45 kilometer, de maximaal beschikbare zichtlijn; en herhaalbaar, halfautomatische overnames over het gehele zichtbereik.

Ook in die eerste week Vice-admiraal Nora Tyson, commandant van de Amerikaanse 3e Vloot, bezocht de testlocatie op het land en werd door het team op het schip geïnformeerd over de optische verbinding - de eerste keer dat een driesterrenadmiraal een videoteleconferentie hield via een optische verbinding.

"De weersomstandigheden tijdens de twee weken van testen waren typerend voor San Diego's 'June Gloom' en gaven het APL-team voldoende mogelijkheden om te laten zien dat onze FSO-technologie zelfs bij sommige niveaus van mist en waas kan werken, "Zei Juarez. "Terwijl de mistlaag aanwezig was, verbindingen van meer dan 10 kilometer werden bereikt, hoewel het zicht soms werd teruggebracht tot 2-3 kilometer."

Tijdens de tweede testweek de tweede set hardware werd aan boord van de Sea Hunter geïnstalleerd, een autonoom continu onbemand vaartuig (ACTUV) ontwikkeld door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en het Office of Naval Research. De Sea Hunter werd voor deze demonstratie tijdelijk bemand door een zeskoppige Space and Naval Warfare Command-bemanning naast het APL-testteam.

Meerdere verbindingen tussen de twee schepen werden bereikt in deining van 3 tot 5 voet, meer dan 10 kilometer bereik, met ACTUV Sea Hunter met een snelheid van 24 knopen en M/V Merlin met een snelheid van 12 knopen in een "V"-formatie waardoor de schepen snel van elkaar konden scheiden, terwijl de verbindingen met verschillende snelheden en bewegingen worden gehandhaafd.

"Ondanks zeeën waarin beide schepen met de deining meebewogen, de link bleef solide, " zei Juarez. De FSO-apparatuur kreeg te maken met aanzienlijke zeespray, en de alomtegenwoordige mist in de zeelaag van San Diego voegde een extra uitdaging toe aan de schip-tot-schip verbindingen. Niettemin, eerste datasnelheden tot 7,5 gigabit werden bereikt via een verbinding tussen twee schepen.

Spelveranderende technologie

APL's compacte, mobiel FSO-demonstratiesysteem is het hoogtepunt van meer dan een decennium aan laboratoriumprestaties op het gebied van optica in de vrije ruimte.

APL leidde het zeer succesvolle DARPA Free Space Optical Experimental Network Experiment (FOENEX) om communicatiesystemen met hoge bandbreedte in de praktijk te testen, integratie van FSO en radiofrequentietechnologie in een mesh-airborne netwerk. "Na FOENEX hebben we besloten te investeren in de ontwikkeling van een systeem om te bewijzen dat een compacte, optisch systeem in de vrije ruimte zou kunnen werken in de zeer uitdagende maritieme omgeving, "Zei Juarez. "Zoals APL bewees in Trident Warrior 2017, FSO-technologie is eindelijk een levensvatbare, niet-RF-communicatietechnologie voor platforms van de Amerikaanse marine."

"De bewezen prestaties van APL's lasercommunicatiesystemen openen verschillende potentiële toepassingen, "Zei Mike White, hoofd van de lucht- en raketverdedigingssector van APL. "We kijken ernaar uit om samen te werken met sponsors en oorlogsvechters om deze baanbrekende technologie verder te ontwikkelen."