Mỹ tìm cách chống ‘bịt mắt’ vệ tinh bằng công nghệ tiết kiệm 95% điện năng
Khi không gian ngày càng trở thành một mặt trận cạnh tranh mới, liên lạc vệ tinh quân sự cũng đứng trước nguy cơ bị gây nhiễu nhiều hơn. Nếu tín hiệu giữa vệ tinh và lực lượng mặt đất bị làm gián đoạn, hoạt động chỉ huy, trinh sát và phối hợp tác chiến có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Vì vậy, Lầu Năm Góc đang tìm cách tăng khả năng bảo vệ các mạng vệ tinh trước những đòn tấn công điện tử. Một trong những hướng đi đáng chú ý đến từ Phòng thí nghiệm Lincoln của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).
Các kỹ sư tại đây đang phát triển một loại ăng-ten siêu nhẹ, có thể duy trì kết nối ngay cả trong môi trường bị gây nhiễu mạnh. Điểm nổi bật là hệ thống này chỉ tiêu thụ khoảng 5% điện năng so với một số ăng-ten truyền thống, tức giảm tới 95% mức tiêu thụ điện.
Nguyên mẫu được thiết kế cho các chòm vệ tinh quỹ đạo Trái Đất tầm thấp dạng tăng cường, hay pLEO. Đây là mô hình sử dụng số lượng lớn vệ tinh nhỏ hoạt động cùng nhau. Vì các vệ tinh này có kích thước hạn chế, mọi thiết bị trên đó đều phải gọn nhẹ, tiết kiệm điện và dễ triển khai hàng loạt.
Theo nhóm nghiên cứu, loại ăng-ten mới vẫn có thể thực hiện định hướng chùm tia tiên tiến, tức tập trung tín hiệu vào đúng khu vực cần liên lạc và giảm tác động từ nguồn gây nhiễu. Nhờ vậy, vệ tinh có thể giữ kết nối ổn định hơn mà không cần tiêu tốn quá nhiều năng lượng.
Bài toán điện năng của vệ tinh quân sự
Vệ tinh quân sự hiện đại cần các ăng-ten có thể nhanh chóng đổi hướng tín hiệu và giảm tác động từ nguồn gây nhiễu. Nhờ đó, người vận hành vẫn có thể duy trì liên lạc ngay cả khi đối phương tìm cách làm gián đoạn đường truyền.
Tuy nhiên, các mảng ăng-ten quét pha truyền thống có một hạn chế lớn. Chúng tiêu thụ nhiều điện, dùng phần cứng phức tạp và không thật sự phù hợp với các vệ tinh nhỏ. Trong khi đó, các chòm vệ tinh quân sự tương lai lại có xu hướng gồm nhiều vệ tinh cỡ nhỏ hoạt động cùng nhau, nên mọi thiết bị trên đó phải gọn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng.
Để giải quyết vấn đề này, Phòng thí nghiệm Lincoln phát triển một loại ăng-ten mảng phản xạ (ăng-ten reflectarray) có tên HoNi BAJR. Thay vì gắn bộ khuếch đại lên từng phần tử ăng-ten như các hệ thống cũ, thiết kế này sử dụng một bề mặt phản xạ gồm nhiều phần tử nhỏ có thể điều khiển riêng lẻ.
Có thể hình dung HoNi BAJR như một “tấm gương thông minh” cho sóng vô tuyến. Khi tín hiệu đi tới bề mặt phản xạ, các phần tử trên đó sẽ điều chỉnh pha của sóng rồi phản xạ tín hiệu về một ăng-ten thu riêng. Quá trình này giúp hệ thống định hình và lái chùm tia đến đúng hướng cần thiết, đồng thời giảm đáng kể độ phức tạp của phần cứng.
Theo nhóm kỹ sư, thiết kế trên có thể giảm khoảng 95% lượng điện tiêu thụ so với các hệ thống mảng truyền thống. Kích thước nhỏ gọn cũng giúp ăng-ten dễ tích hợp lên các vệ tinh nhỏ trong chòm pLEO. Đây là lý do công nghệ này được xem là hướng đi hấp dẫn cho mạng vệ tinh quân sự thế hệ mới.
Michael Craton, thành viên kỹ thuật thuộc Nhóm Liên lạc Vệ tinh Chiến thuật của Phòng thí nghiệm Lincoln, cho rằng các mạng vệ tinh tương lai cần những hệ thống có thể mở rộng dễ dàng, đồng thời giảm yêu cầu về kích thước, khối lượng, điện năng và chi phí. Theo ông, mục tiêu của nhóm là đạt hiệu năng cao hơn bằng phần cứng đơn giản và rẻ hơn, đồng thời chuẩn bị trước cho các mối đe dọa mới trước khi chúng trở thành vấn đề nghiêm trọng trên thực tế.
Chặn nhiễu ngay trên quỹ đạo
Điểm quan trọng nhất của HoNi BAJR là khả năng chống gây nhiễu. Trong môi trường tác chiến điện tử, đối phương có thể phát tín hiệu mạnh từ một hướng nhất định để làm gián đoạn liên lạc vệ tinh. Để đối phó, ăng-ten cần vừa giữ được kết nối với người dùng, vừa làm suy yếu tín hiệu nhiễu.
Các mảng ăng-ten thích nghi thường xử lý vấn đề này bằng cách tạo ra những “điểm khử”, hay còn gọi là null. Có thể hiểu đơn giản, đây là những hướng mà ăng-ten cố tình giảm khả năng thu tín hiệu. Nếu nguồn gây nhiễu đến từ hướng đó, tác động của nó sẽ bị hạn chế, trong khi tín hiệu chính vẫn được duy trì.
Trong các thử nghiệm tại cơ sở kiểm của Phòng thí nghiệm Lincoln, nguyên mẫu HoNi BAJR đã chứng minh khả năng quét chùm tia trên góc rộng. Nhóm nghiên cứu cũng xác nhận ăng-ten có thể chia chùm tia để phục vụ nhiều người dùng cùng lúc mà tín hiệu không suy giảm đáng kể. Đây là điểm quan trọng với vệ tinh quân sự, vì một vệ tinh có thể phải hỗ trợ nhiều đơn vị hoặc nhiều khu vực trong cùng thời điểm.
Nhóm phát triển còn thử tạo ra các vùng triệt nhiễu rộng hơn, thay vì chỉ chặn một điểm gây nhiễu đơn lẻ. Cách làm này dựa trên việc điều chỉnh các búp sóng phụ, tức những hướng phát yếu hơn ngoài chùm tín hiệu chính. Nếu kiểm soát tốt các búp sóng này, hệ thống có thể giảm nhiễu trên phạm vi rộng hơn và bảo vệ đường truyền tốt hơn.
Tuy nhiên, kết quả ban đầu chưa hoàn toàn ổn định. Những thay đổi rất nhỏ của tín hiệu có thể làm ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát búp sóng phụ. Nhóm nghiên cứu cho rằng nếu cải thiện được phương pháp hiệu chỉnh, HoNi BAJR có thể triệt nhiễu chính xác hơn và hoạt động tin cậy hơn trong các nhiệm vụ vệ tinh tương lai.
Hiệu chỉnh là rào cản kỹ thuật lớn nhất
Thách thức lớn nhất của HoNi BAJR hiện nay nằm ở khâu hiệu chỉnh. Với ăng-ten mảng phản xạ, mỗi phần tử nhỏ trên bề mặt phản xạ đều ảnh hưởng đến hướng đi và chất lượng của chùm tín hiệu. Nếu chỉ một phần trong hệ thống bị sai lệch, tín hiệu có thể bị méo, chùm tia lệch hướng hoặc khả năng triệt nhiễu giảm đi.
Điểm khó là loại ăng-ten mảng phản xạ chưa có nhiều kinh nghiệm vận hành trong các hệ thống vệ tinh quân sự như mảng quét pha truyền thống. Vì vậy, các kỹ sư vẫn phải tìm cách đo lường chính xác sai số trên toàn bộ bề mặt ăng-ten, sau đó bù trừ để hệ thống hoạt động ổn định hơn.
Theo nhóm nghiên cứu, hiệu chỉnh tốt sẽ giúp ăng-ten lái chùm tia chính xác hơn, tạo vùng triệt nhiễu hiệu quả hơn và cải thiện hiệu năng tổng thể. Nói cách khác, phần cứng tiết kiệm điện mới chỉ là một nửa bài toán. Phần còn lại là làm sao để công nghệ này vận hành ổn định trong điều kiện thực tế.
Phòng thí nghiệm Lincoln cũng đang đánh giá ăng-ten mảng phản xạ phù hợp nhất với những nhiệm vụ nào trong kiến trúc quân sự tương lai. Kết quả ban đầu cho thấy công nghệ này có thể hữu ích với các nhiệm vụ cần chùm tia theo lịch trình, trên vệ tinh bị giới hạn điện năng hoặc trong môi trường có nguồn nhiễu kéo dài nhưng không thay đổi quá nhanh.
Ông Michael Craton cho rằng thiết kế phần cứng luôn là thách thức, nhưng khó hơn là đưa công nghệ đó vào một hệ thống hoàn chỉnh, vận hành được và đáp ứng đúng yêu cầu nhiệm vụ. Đây sẽ là bước quyết định để HoNi BAJR vượt khỏi giai đoạn nguyên mẫu và trở thành giải pháp thực tế cho các vệ tinh quân sự tương lai.
