Лазерные системы связи

ПИ24 сайт

Этот дайджест патентной информации посвящен обзору мирового уровня техники в области лазерных систем связи.

Лазерная связь относится к беспроводным оптическим системам связи и является одним из самых актуальных направлений. Благодаря своей высокой пропускной способности, эффективности при низком коэффициенте шума, недорогой стоимости, низкой мощности, а также своей гибкости и устойчивости к радиопомехам направление развивается и пополняется новыми разработками.
Общий принцип работы беспроводной лазерной связи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра. В качестве передатчика выступает мощный полупроводниковый лазерный диод. Данные в приемопередатчике кодируются различными помехоустойчивыми кодами, модулируются лазерным излучателем, фокусируются оптической системой в узкий компилированный луч и передаются в атмосферу. Приемник фокусирует оптический сигнал на лавинном фотодиоде, который преобразует оптический пучок в электрический сигнал, демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.

По сути лазерные системы связи работают аналогично волоконно-оптическим линиям связи, за исключением того, что луч передается через свободное пространство. При лазерной связи передатчик и приемник должны находиться в пределах прямой видимости.

Рисунок 1 – Передача данных с помощью лазерной связи между LCRD и ILLUMA-T.НАСА/ Dave Ryan

Одним из основных способов применения лазерных систем связи являются космические исследования.
Космические миссии становятся все более сложными, объем данных, который собирается и передается на Землю, быстро растет. В этой связи большинство компании и космические агентства в том числе заняты разработкой оптических средств связи для устранения текущих ограничений радиочастотной связи.
В России первая передача данных с помощью оптических систем состоялась еще в 2011 году. Эксперимент был проведен в рамках программы отработки технологии приема-передачи информации по космическим лазерным каналам связи между Землей и МКС. Были протестированы конструктивные решения для межспутниковой лазерной системы, а также исследованы возможности и условия работоспособности линий лазерной связи Земля-космический аппарат (КА) в различных атмосферных условиях.

Рисунок 2 – Дорожная карта НАСА по развитию лазерной связи – доказательство эффективности технологии в различных режимах

Известно довольно много проектов по лазерной коммуникации НАСА: Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T), TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), Psyche и другие. Из последних событий - успешная двусторонняя передача, состоявшаяся 5 декабря 2023 года, данных между расположенной на МКС лазерной установкой ILLUMA-T и спутником-ретранслятором LCRD, размещенном на геосинхронной околоземной орбите. И успешная демонстрационная передача тестового 15-секундного видеофайла с помощью «flight laser transiver» за 101 секунду от зонда Психея до Земли (NASA’s Deep Space Optical Communications experiment) 11 декабря 2023 года. Этот этап является частью демонстрации технологии НАСА, направленной на потоковую передачу видео и других данных с очень высокой пропускной способностью из глубокого космоса, что позволит в будущем осуществлять полеты человека за пределы околоземной орбиты.
Партнерский проект между ESA и оператором Airbus по созданию высокоскоростной системы оптической связи в космосе существует более 10 лет. Европейская система передачи данных (EDRS) - система обмена данными между геостационарными спутниками EDRS-A и EDRS-C (запущены в 2016 и 2019 годах), спутниками на низкой околоземной орбите, другими космическими аппаратами, беспилотными летательными аппаратами и наземными станциями. 12 июня 2023 года EDRS установила свою 75 000–ю связь со спутниками наблюдения Земли на низкой околоземной орбите, отправив более 4,5 петабайт данных в Европу. Во время лесных пожаров летом 2022 года в Греции EDRS была использована для их обнаружения. Ранее EDRS обеспечила 1 000 000 минут связи не только с четырьмя спутниками Sentinel, которые наблюдают за Землей и являются частью программы ЕС «Коперник», но и с МКС, которая впервые начала использовать EDRS в январе 2022 года.

14 декабря 2023 года компания Amazon провела успешную передачу данных с помощью лазерной связи между прототипами КА для группировки спутниковой связи Amazon Project Jupiter (технология OISL). Система позволяет передавать данные напрямую между спутниками, что исключает необходимость передачи данных на Землю. Она может обеспечить доступ в интернет в таких местах, как открытое море или удаленные регионы.
При всех своих преимуществах оптическая связь по-прежнему сталкивается с рядом проблем. Например, в отличие от радиосвязи, которая может передаваться широким лучом, покрывающим своим сигналом целевые области, оптическая связь передается относительно узким лучом, направленным непосредственно на приемник.
При вещании с расстояния в тысячи или миллионы миль наведение оптического коммуникационного телескопа должно быть чрезвычайно точным. Отклонение даже на долю градуса может привести к тому, что лазер полностью не попадет в цель.

Поиск патентных публикаций (патентные заявки, патенты на изобретения и полезные модели) по теме «Лазерные системы связи» проводился в следующих базах патентной информации:

база данных ФИПС (Российская Федерация);

база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);

база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).

Поиск проводился по ключевым словам laser (лазер), infrared (инфракрасный), communication (связь),
links (связи), satellites (спутники), space (космос), spacecrafts (космические аппараты), orbit (орбита), optical (оптический) и подклассам МПК H04B 10/00, B64G. В результате поиска было отобрано 1327 патентных семей и 2763 патентных публикаций (заявки, патенты на ИЗ, ПО, ПМ) за период с 01.01.1997 по 31.12.2022. Для анализа тенденций выбрана группировка по патентным семействам.

Анализ патентной активности в мире

Рисунок 3 – Распределение количества патентных публикаций в мире (изобретательская активность)

Рисунок 4 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам и патентным ведомствам (топ-10)

Рисунок 5 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам (топ-5) в период с 1997 г. по 2008 г.

Рисунок 6 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам (топ-5) в период с 2009г. по 2022 г.

На рисунке 3 прослеживается динамичный рост изобретательской активности в отношении рассматриваемого направления. Причем за крайние 10 лет объем патентных публикаций стабильно наращивается. С учетом актуальности космический миссий на дальние расстояния, а также усложнения требований к передаваемым данным такую тенденцию вполне можно назвать обоснованной.
Из распределений на рисунках 4–6 видно, что в Китае, США и Японии запатентовано наибольшее количество технических решений. При этом основной объем публикаций в США приходится на первые десять лет рассматриваемого периода и далее активность падает (в Японии аналогичная динамика). В Китае же ситуация противоположная. Данная тенденция может быть основана на том, что востребованность разработок в данном направлении в США (и Японии) появилась раньше.

Рисунок 7 – Распределение количества патентных публикаций по статусу действия

Анализ патентной активности организаций в мире

Рисунок 8 – Распределение количества патентных публикаций по организациям (топ-20).

С целью изучения выбираемых стратегий патентования целесообразно рассмотреть более подробно патентные портфели организаций Китая, Японии и США (рисунок 4) с самой высокой изобретательской активностью. Для анализа деятельности организаций выбрана группировка по патентным публикациям.
Changchun University of Technology (CUST) Чанчуньский университет науки и технологии был основан в 1958 году Китайской Академией наук. Наиболее сильные направления — оптоэлектронная техника, лазерные технологии, механическая и биомедицинская инженерия. Является одним из 20 китайских университетов Шанхайской организации сотрудничества.

Рисунок 9 – Распределение количества патентных публикаций CUST по годам

Рисунок 10 – География патентирования CUST.

Доля действующих патентов: 63,3%
Патентные публикации с наибольшим числом цитирования:

CN105827310B «Wide angle beam expander-based multipoint laser communication optical antenna» (Широкоугольная оптическая антенна для многоточечной лазерной связи на базе расширителя луча), дата публикации 22.05.2018
CN102231645B «Optical antenna for multipoint laser communication « (Оптическая антенна для многоточечной лазерной связи), дата публикации 16.04.2014

CN115208469B «Optical power stable receiving method and device based on atmospheric channel reciprocity» (Способ и устройство получения стабильной оптической мощности, основанные на взаимности атмосферного канала), дата публикации 29.11.2022

Nippon Electric Corporation (NEC)

Японская компания, производитель электронной, компьютерной техники, телекоммуникационного оборудования, лидер в области интеграции информационных и сетевых технологий, одна из крупнейших мировых телекоммуникационных компаний. В декабре 2020 года компания анонсировала проект по разработке терминала лазерной связи для японского космического агентства.

Рисунок 11 – Распределение количества патентных публикаций NEC по годам

Рисунок 12 – География патентирования NEC

Доля действующих патентов: 55,6%
Патентные публикации с наибольшим числом цитирования:

EP3119019A1 «Spatial light receiving apparatus and spatial light receiving method» (Устройство для приема пространственного света и способ приема пространственного света), дата публикации 18.01.2017

US8891964B2 «Dynamic multidimensional optical networking based on spatial and spectral processing» (Динамическая многомерная оптическая сеть, основанная на пространственной и спектральной обработке), дата публикации 18.11.2014

US10574448B2 «Multidimensional coded modulation for wireless communications with physical layer security» (Многомерная кодированная модуляция для беспроводной связи с защитой на физическом уровне), дата публикации 25.02.2020

The Boeing Company (BOEING)
Американская корпорация, один из крупнейших в мире производителей авиационной, космической и военной техники. Еще в 2007 году компания Boeing успешно продемонстрировала возможности системы лазерной связи Transformational Satellite (TSAT) обеспечивать мощные операции на трех скоростях передачи данных во время испытаний ВВС США. А в апреле 2023 года Boeing объявил о заключении соглашения о сотрудничестве с Ball Aerospace & Technologies Corp. для разработки технологий лазерной связи, которые повысят эффективность спутниковой связи в десять и более раз.

Рисунок 13 – Распределение количества патентных публикаций Boeing по годам

Рисунок 14 – География патентирования Boeing

Доля действующих патентов: 61,9%
Патентные публикации с наибольшим числом цитирования:

US10313010B2 «Laser communications in super-geosynchronous earth orbit» (Лазерная связь на сверхгеосинхронной околоземной орбите), дата публикации 04.06.2019

US10009101B2 «Laser communications following an atmospheric event» (Лазерная связь после атмосферного события), дата публикации 26.06.2018

US8355635B1 «Gyro-aided pointing control for laser communications» (Гироскопическое управление наведением для лазерной связи), дата публикации 15.01.2013

Важным показателем является цитируемость публикаций, которая влияет на такую характеристику как «вес» патента. Из полученных результатов видно, что патентные портфели каждой организации легли в основу других технических решений.
Также все 3 организации поддерживают действие более половины объёма патентов. Что может говорить о ценности охраняемых разработок, с учётом взятого временного периода.
Разработки организаций по большей части предлагают решения в области точности наведения лазерных лучей, конструктивных свойств приёмо-передаточных устройств и способов обработки передаваемой информации.

Анализ количества патентных публикаций по классам (подклассам) МПК (в мире)

Рисунок 15 – Распределение количества патентных публикаций классам МПК (топ-20) (за исключением используемых в качестве ключевых)

H04B 07/185	Системы радиосвязи, т.е. системы с использованием излучения радиорелейные системы активные радиорелейные системы станции, расположенные в космосе или на самолетах
H04J 14/02	Оптические мультиплексные системы с уплотнением по длинам волн
H04J 14/00	Оптические мультиплексные системы
G02B 06/42	Световоды; конструктивные элементы устройств, содержащих световоды и другие оптические элементы, например соединения соединение световодов соединение световодов с оптоэлектронными элементами
G02B 26/06	Оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, например, переключение, стробирование, модуляция для управления фазой света
G02B 26/08	Оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, например, переключение, стробирование, модуляция для управления направлением света
G01S 01/70	Маяки и системы маяков, излучающие сигналы с характеристиками, позволяющими обнаружить их с помощью приемников ненаправленного действия, и определяющие направления и положения, фиксированные относительно маяков; приемники для этих систем с использованием электромагнитных волн иных, чем радиоволны
H04Q 11/00	Избирательные устройства для многократных систем
H04L 09/08	Устройство для секретной или скрытой связи с ключевым распределением
H04L 01/00	Устройства для обнаружения или предотвращения ошибок в принятой информации
G02F 01/29	Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика для управления положением или направлением луча света, т.е. отклонением луча
G02B 27/10	Прочие оптические системы; прочие оптические приборы системы разделения (расщепления) или объединения луча
G02F 01/00	Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика
G02B 27/09	Прочие оптические системы; прочие оптические приборы формирование луча, например изменением площади поперечного сечения, не отнесенное к другим рубрикам
H04J 14/06	Оптические мультиплексные системы с поляризационным уплотнением
H01S 03/00	Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне
G02B 27/28	Прочие оптические системы; прочие оптические приборы системы поляризации
H01S 03/10	Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне устройства для управления интенсивностью, частотой, фазой, поляризацией или направлением стимулированного излучения, например переключением, стробированием, модуляцией или демодуляцией
G01J 01/20	Фотометрия, например фотографические экспозиметры действующие по принципу сравнения с эталонным световым излучением или электрической величиной путем изменения интенсивности измеренной или эталонной величины с целью выравнивания их воздействия на детектор, например путем изменения угла падения
G01B 11/02	Измерительные приборы, характеризуемые использованием оптических средств для измерения длины, ширины или толщины

№	Наименование публикации и патентообладателя	Номер и дата публикации	География патентования
1	"Acquisition, pointing, and tracking architecture for laser communication"(Архитектура сбора данных, наведения и отслеживания для лазерной связи), ITT MFG ENTERPRISES INC	EP1952562B1, 17.03.2010	США Австрия Канада ЕПВ Испания Япония (ВОИС)
2	"Aviation laser communication system and communication method thereof"(Авиационная лазерная система связи и способ связи с ней), PAN YUNBIN	CN107707297A, 16.02.2018	Китай
3	"Wavefront sensing system employing active updating of reference positions and subaperture locations on wavefront sensor"(Система измерения волнового фронта, использующая активное обновление опорных положений и положений субапертуры на датчике волнового фронта), ADAPTIVE OPTICS ASS, NORTHROP GRUMMAN CORP	US7457545B2, 25.11.2008	США
4	“Network of extremely high burst rate optical downlinks”(Сеть оптических нисходящих каналов с чрезвычайно высокой скоростью передачи данных), MASSACHUSETTS INST TECHNOLOGY [US]	US10680712B2,· 09.06.2020	США (ВОИС)
5	“Laser relay for free space optical communications”(Лазерное реле для оптической связи в открытом космосе), RAYTHEON CO	EP2982060B1,· 26.06.2019	США Австралия Китай ЕПВ Израиль Япония Южная Африка (ВОИС)

Выводы на основе анализа патентной активности в РФ

Для анализа тенденций выбрана группировка по патентным семействам.

Рисунок 16 – Распределение количества патентных публикаций по годам

Анализ патентной активности организаций в РФ

Рисунок 17 – Распределение количества патентных публикаций по организациям (топ-10)

Анализ непатентной активности в РФ

Рисунок 18 – Распределение количества непатентных публикаций по годам

Рисунок 19 – Распределение количества непатентных публикаций по организациям (топ-15)

В результате анализа выборки непатентных публикаций в РФ, представленной на рисунках 18 и 19 можно предположить, что рассматриваемое направление активно исследуется и количество научных работ растет.
Исследовательской частью чаще всего занимаются представители научных институтов и университетов. При этом патентная активность кажется незначительной относительно объёма непатентных публикаций.
В отечественное ведомство подавались как российские организации, так и представители организаций из других стран.

Статьи с наибольшим числом цитирования за период с 2012 по 2022 г.

№	Название статьи	Библиоданные
1	«Обзор оптической связи в свободном пространстве: перспектива теории связи»	Khalighi, M. A. Survey on free space optical communication: A communication theory perspective / M. A. Khalighi, M. Uysal //IEEE Communications Surveys and Tutorials. – 2014. – Vol. 16, No. 4. – P. 2231-2258. – DOI 10.1109/COMST.2014.2329501. – EDN YBHMFN.
2	«Оптическая связь в космосе: проблемы и методы их решения»	Kaushal, H. Optical Communication in Space: Challenges and Mitigation Techniques / H. Kaushal, G. Kaddoum // IEEE Communications Surveys and Tutorials. – 2017. – Vol. 19, No. 1. – P. 57-96. – DOI 10.1109/COMST.2016.2603518. – EDN USFFPW.
3	«Синтетическая трехмерная спин-орбитальная связь»	Synthetic 3D spin-orbit coupling / B. M. Anderson, V. M. Galitski, I. B. Spielman, G. Juzeliunas // Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 108, No. 23. – P. 235301. – DOI 10.1103/PhysRev-Lett.108.235301. – EDN RMFEBF

В настоящем дайджесте представлен обзор рынка патентования разработок по направлению «лазерные системы связи». За крайние 10 лет активность исследователей и разработчиков в охране технических решений в области беспроводной лазерной связи уверенно растёт. Направление особенно востребовано среди научных институтов и учебных заведений.
На сегодняшний день рынок насыщен решениями китайских разработчиков, при этом в большинстве случаев непосредственная охрана предоставлена только на территории Китая.
Представленные в патентах технические решения преимущественно относятся к области вопросов точности наведения луча, конструктивных свойств приёмных и передаточных устройств, к способам и моделям обработки данных, а также решениям, где возможно использование радиосвязи и оптической связи совместно.
Основываясь на статистике, можно сказать, что отечественные представители не являются активными заявителями подобных разработок. Среди российских правообладателей также преобладают представители учебных высших заведений и научно-исследовательских институтов.
Рассматриваемое направление не является инновационным. Работы по разработке оптических лазерных систем начались еще в прошлом столетии. На сегодняшний день рынок разработок можно назвать насыщенным.
Но при этом с учетом растущих требований к передаваемой информации, увеличению сложности и дальности миссий, можно предположить, что лазерная связь еще не достигла пика своего развития и для разработчиков еще остались нерешенные вопросы и свободные ниши на рынке.

Следите за новыми выпусками, чтобы быть в курсе важных изменений!

До новых встреч,
ваш #ДайджестПИ

Оставить отзыв о дайджесте

Предыдущий выпуск

Следующий выпуск