큐브위성 기반 우주 레이저 통신 기술 동향

CubeLCT는 큐브위성 폼팩터에 맞춰 개발되었으며, 9 × 9.5 × 3.5 cm³(~0.3 U)의 크기와 0.397 kg의 무게 및 8.5 W의 피크 소비전력 특성을 갖는 큐브위성용 레이저 통신 터미널로 저궤도에서의 운영 기간은 약 5년이다. 0.3 U 크기로 소형화하기 위해 CubeLCT는 인쇄 회로기판(PCB, printed circuit board)을 광학 벤치로 사용하여 광학 부품을 PCB에 배치하고 통합했다[17–20]. 초기 CubeLCT의 PCB 재료의 열변형에 따른 정렬 틀어짐 및 오류를 방지하기 위한 목적으로 열팽창계수(CTE, coefficient of thermal expansion)가 제로에 가까운 Copper-Invar-Copper(CIC) 사용이 고려되었으나, 설계 분석단계에서 CIC 재료를 사용함에도 불구하고 고온과 저온의 우주 환경조건에서 PCB 상단에 통합된 광기계(optomechanics)의 움직임으로 인해 정렬을 보장하기 어려운 것으로 나타났고, 이를 해결하기 위해 DLR은 광학 부품을 두 개의 알루미늄 블록으로 감싸는 방향으로 설계를 변경했다[20]. 그 결과 CubeLCT에는 알루미늄과 열팽창계수가 불일치하는 CIC 재료를 대신해 일반적인 PCB 재료 사용이 가능하게 되었다.

일반적으로 송신 빔과 수신 빔의 정렬 복잡도는 광학요소들의 자유도 증가에 따라 기하급수적으로 증가한다. 이러한 이유에서 두 알루미늄 블록에 통합되는 CubeLCT의 모든 광학 요소들은 조정 가능한 메커니즘 없이 구축되도록 설계되었다. 이와 같은 접근방법은 광기계의 정확한 제작과 함께 제작 공차를 고려한 광학시스템 설계 및 분석을 요구한다[20]. CubeLCT에서 수신 광학부의 개구는 20 mm 크기를 가지며, 레이저 광원은 전자 메인보드 위에 집적되고, 드라이버 전자 장치는 수동 냉각 요소가 상단에 위치한 인쇄 회로기판에 위치하며, 수신기 센서는 별도의 PCB에 탑재되어 모듈식으로 집적된다[19,20].

OSIRIS4CubeSat 프로젝트 개발은 향후 더 높은 데이터 전송 속도 제공 기능을 포함하여 양자 키 배포(quantum key distribution)와 위성 간 링크 기능도 동일 플랫폼을 활용하여 제공 가능하도록 모듈식 설계 접근 방식이 고려되었다. 이러한 이유로 OSIRIS4CubeSat 플랫폼은 큰 틀에서 재설계하지 않고 광학, 전자, 기계, 소프트웨어, 제어 및 인터페이스 등 하위 시스템(subsystem)을 모듈식으로 쉽게 변경 및 조정함으로써 추가적인 성능 향상과 기능 확장 이 가능하다[18].

CubeLCT는 1,550 nm(C-band) 데이터 전송 파장을 활용하여 저궤도에서 광지상국으로 약 100 Mbps 속도로 다운링크 전송이 가능한 광무선 통신 하위 시스템을 갖는다. 광지상국과 저궤도 CubeLCT 간 업링크에는 1,590 nm(L-band) 전송 파장이 활용되며, 업링크 빔은 비콘 역할로도 활용된다[17–20].

CubeLCT 데이터 통신은 소형 온보드 장치에서 100 mW 피크 전력으로 구동하는 고출력 레이저 다이오드(high power laser diode) 신호 세기를 변조하고, 광 검출기에서 직접 신호를 검출하는 IM/DD(intensity modulation/direct detection) 방식을 사용한다. CubeLCT 내부는 외부 신호로부터 완전히 독립적이며, 어떠한 데이터 처리도 수행하지 않도록 설계되었다. 이러한 이유로 순방향 오류 수정(FEC, forward error correction)을 포함한 채널 코딩은 큐브위성 버스에서 수행되며, 필요에 따라 온보드 컴퓨터(OBC, onboard computer), 소프트웨어 정의 라디오(SDR, software defined radio), 페이로드 컨트롤러(PCON, payload controller) 등 기타 큐브위성 하위 시스템에서 채널 코딩 수행이 가능하다[18].

CubeLCT를 통해 광지상국으로 최대 달성 가능한 다운링크 속도는 광지상국에서 수신되는 광신호의 세기와 직접적으로 관련이 있다. 따라서 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해 CubeLCT로부터 광지상국으로 더 많은 광신호 에너지가 도달하여 광-전 변환(optical-electrical conversion)이 일어날 수 있도록 돕는 기술이 요구된다. 이를 위해 CubeLCT와 광지상국 간 정확한 상호지향과 양방향 광정렬이 필수적이다. CubeLCT에는 광지상국을 정확하게 지향할 수 있도록 하기 위해 위성의 자세 결정 및 제어 시스템과 함께 절대 포인팅 영역에 대한 요구사항을 ±1° 범위 내로 유지하도록 포인팅 오류를 보상하고, 정확한 광정렬이 가능하도록 돕는 FSM 장치가 탑재되어 있다. 또한 CubeLCT는 신호의 전파 시간 경과에 따른 경로 오차를 보상하기 위한 PAA 보정 기능도 포함하고 있다. 이를 통해 CubeLCT는 단일 광지상국과 최대 15분간 통신이 가능하다. 광지상국에서는 CubeLCT와 정밀한 레이저 통신 링크 구축을 위해 비콘 레이저 빔을 CubeLCT를 향해 송신한다. CubeLCT에서는 광학시스템에 내장된 QPD 광 검출기를 활용하여 광지상국으로부터 전송된 비콘 신호를 검출하고, CubeLCT와 광지상국 간 포인팅 오류 값을 제어시스템에 제공함으로써 FSM 제어를 통해 포인팅 오류를 보상한다. 포인팅 오류 수정을 위해 CubeLCT 내부에는 비콘과 동일한 광 경로로 광지상국을 향해 광신호가 정확히 전송될 수 있도록 하는 FPA 장치와 제어 루프 컨트롤을 담당하는 마이크로 컨트롤러가 탑재된다. ±1°의 시야(FOV, field-of-view)를 커버할 수 있는 FPA 장치는 200 Hz 대역폭의 제어 루프를 통해 높은 에너지 밀도의 광신호가 광지상국으로 정확히 전달될 수 있도록 한다[18].

CubeLCT는 우주 데이터 시스템 자문 위원회(CCSDS, Consultative Committee for Space Data Systems)의 O3K(Optical On-Off Keying) 표준을 따른다[18]. O3K를 위한 CCSDS 표준화 실무그룹은 DLR 주도로 시작되었으며, CubeLCT 레이저 통신 터미널의 상업적 사용 확장에 기여했다. CubeLCT는 데이터 통신을 위한 인터페이스로 저전압 차등신호(LVDS, low voltage differential signal) 방식을 지원하며, TM/TC(Telemetry and Telecommands) 통신을 위해 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 인터페이스를 지원한다. 또한 우주에서 재프로그램밍(reprogramming) 가능하도록 JTAG(joint test action group) 인터페이스가 구현되어 있다[19–21]. CubeLCT는 추가 개발 로드맵에 따라 향후 저궤도-광지상국 간 1 Gbps 다운로드 속도 지원 및 위성 간 양방향 100 Mbps 광통신 링크 지원이 가능하도록 인터페이스를 제공한다.

DLR 광지상국은 독일 Oberpfaffenhofen에 위치한 통신 및 항법 연구소 건물 옥상에 고정식으로 장착되어 있다. 통신 및 항법 연구소 건물 옥상에 설치된 DLR 광지상국은 40 cm 직경의 주경을 갖는 반사형 망원경 구조를 갖는다. DLR은 고정식 광지상국과 별도로 이동식 광지상국(TOGS, transportable optical ground station)을 2011년 개발했다. 이동식 광지상국은 접이식 구조를 통해 최대 3.5 m 높이까지 배치 가능한 60 cm 직경의 알루미늄 Ritchie-Chrétien 망원경 구조를 갖는다[19]. Ritchie-Chrétien 망원경은 이동 중 충격과 먼지로부터 보호받기 위해 탄소 섬유로 만들어진 충격 흡수 마운트에 설치된다. 이동식 광지상국의 신속한 위치 선정과 자세 결정을 위해 위성 내비게이션 및 자세 센서 기반 매개변수 자동 식별 시스템이 사용되며, GPS 위치 기반 레이저 반사경이 추가 개발되어 활용되고 있다. 이동식 광지상국은 재해 발생 후 재난 현장에 대한 항공 사진 또는 위성 사진을 신속하게 다운링크하여 실시간 정보를 바탕으로 인명 구조 및 피해 상황 파악 등 다양한 임무 수행이 가능하도록 하는 역할을 한다. 아울러 이동식 광지상국은 기상 조건에 의한 영향을 줄임으로써 위성-지상 간 레이저 통신이 원활히 수행되도록 돕는 기능 외에도 구름의 범위 및 기상 통계 측면에서 고정식 광지상국의 신규 위치 선정 및 평가 수단으로 활용된다[19].

CubeLCT는 2021년 1월 미국 플로리다 케이프 커네버럴 우주군 기지(space force station)에서 OSIRIS4CubeSat 프로젝트 개발 결과의 궤도 시연(IOD, in-orbit demonstration)과 기능 확인을 통한 신뢰성 검증을 목적으로 PIXL-1(Photo Images Cross Laser-1) 임무를 위한 3 U 규격(3.4 kg)의 소형 큐브위성 플랫폼인 CubeL(GomSpace사 제작)에 탑재되어 SpaceX의 Falcon-9을 이용해 태양 동주기 궤도(SSO, sun-synchronous orbit)로 발사되었다[18–20]. PIXL-1은 큐브위성 규모의 소형 위성에 탑재 가능한 컴팩트한 레이저 통신시스템을 설계 및 제작하고, 이를 활용하여 실제로 지구 저궤도에서 촬영한 고해상도 이미지를 광지상국으로 레이저 통신을 통해 전송하는 것을 목표로 독일 DLR과 TESAT사가 공동으로 수행한 임무이다. CubeLCT의 신호는 2021년 8월 광지상국에서 처음으로 수신되었으며, 이후 CubeLCT에 내장된 FPA 추적 루프 활성화를 통해 2021년 9월 초 첫 번째 추적 잠금(tracking lock) 프로세스를 완료했다. CubeLCT와 지상 간 통신 시험에는 독일 DLR의 고정식 광지상국과 이동식 광지상국이 함께 사용되었다. 안타깝게도 광지상국에서 CubeLCT 신호 수신에는 성공했으나, 온보드 별 추적기(star tracker)가 안정적인 추적에 필요한 수준의 성능을 발휘하지 못하고, 보조 센서인 자력계(magnetometer) 또한 별 추적기에 비해 큰 오차를 보임으로써 OSIRIS4CubeSat 프로젝트는 아직까지 최종 단계를 완전히 완료하지 못한 상황이다[18]. 현재 CubeLCT와 광지상국 간 성공적인 데이터 다운링크 최종 목표 달성을 위해 DLR의 우주 작전 센터(GSOC, German Space Operations Center)와 GomSpace사가 함께 별 추적기의 정확성을 높이고, 자세 방향 제어시스템(AOCS, attitude orientation control system)을 안정화하여 포인팅 정확도를 향상시키기 위해 협력하고 있다.

DLR은 소형 군집 위성을 활용한 위성 간 통신(ISL) 시대를 대비하여 CubeLCT를 위성 간 통신 분야로 확장하기 위한 CubeISL 프로젝트를 시작했다. 2025년 발사 예정인 CubeISL 프로젝트의 목표는 최대 1,500 km 거리에서 100 Mbps 속도로 양방향 데이터 전송이 가능한 위성 간 레이저 통신 시스템의 개발 및 실증이며, 이와 함께 지상으로 데이터 다운로드 전송 속도를 1 Gbps로 높이는 목표를 설정했다[22]. CubeISL 페이로드는 크기 1 U, 무게 1 kg, 최대 소비전력 30 W, 위성 간 데이터 전송 속도 100 Mbps, 광지상국 다운링크 속도 1 Gbps 및 FPA 관심 영역 ±1° 이내 값을 갖는다. CubeISL은 큐브위성 간 양방향 통신 및 CCSDS의 O3K 표준과 호환 운영하기 위해 1,537 nm와 1,553 nm(C-band) 두 파장을 사용함으로써 송신 빔과 수신 빔을 구분하도록 구성된다. 또한 광지상국으로부터 1,590 nm(L-band) 비콘 빔 수신이 가능하도록 구성된다[18,22]. CubeISL은 CubeLCT의 모듈식 접근 방식의 도움으로 개발에 필요한 노력이 감소하고, 개발과 인증에 필요한 시간 단축이 가능하다. CubeLCT를 기반으로 하는 CubeISL 터미널은 CubeLCT와 동일한 20 mm 수신 개구 크기를 가지며, 고출력 레이저 다이오드를 비롯하여 CubeLCT에 적용된 대부분의 부품 재사용이 가능하다. CubeISL에는 CubeLCT와 차별적으로 양방향 데이터 통신을 위한 APD 광검출기와 1 W 광 출력을 생성하기 위한 EDFA(erbium doped fiber amplifier) 증폭기가 송신기 시스템에 추가 장착된다. 또한 CubeISL은 송신 데이터를 준비하고, 수신 데이터를 분석하는 동시에 큐브위성 버스에 인터페이스를 제공하는 등 CubeISL의 주요 운영 프로세서 역할을 하는 데이터 처리 장치(DHU, data handling unit)를 추가 탑재한다.

DLR 통신 및 항법 연구소와 RSC3(responsive Space Cluster Competence Center)는 CubeISL의 시연 및 검증을 위해 약 8 kg 무게의 12 U(2 × 6 U) 큐브위성(30 × 20 × 10 cm³)을 2대를 활용할 예정이다[18]. 2대의 큐브위성은 모두 높은 경사도의 지구 저궤도로 발사될 예정이며, 최대 통신 거리인 1,500 km까지 다양한 거리에 대해 큐브위성 간 양방향 레이저 통신 실험을 수행할 예정이다. CubeISL 검증을 위해 위성에는 추진기가 장착되며, 두 위성의 알려진 위치와 실제 위치 간 차이를 포함하여 최대 허용 오차 ±0.1°를 갖도록 GNSS(global navigation satellite system) 수신 센서가 장착된다. 또한 위성의 정밀한 자세 결정 및 제어를 위해 별 추적기가 장착된다. CubeISL 검증을 위한 두 큐브위성의 운영은 DLR GSOC에서 담당하며, 이를 위해 큐브위성은 GSOC 지상국과 호환을 위해 극초단파(UHF, ultra high frequency) 방식을 대신하여 TM/TC용 S-band 대역의 트랜시버를 사용한다. CubeISL 레이저 통신 터미널은 큐브위성 간 ISL 외에도 메인 위성과 다수의 큐브위성이 클러스터를 형성하여 운영되는 개념을 추가 검증할 예정이다[18]. 추가 검증의 목적은 큐브위성의 운용 전력 수준에 적합하지 않은 작업을 메인 위성의 온보드에서 처리할 수 있도록 메인 위성이 큐브위성의 데이터를 수집하고, 메인 위성에서 처리한 결과를 큐브위성 간 ISL을 통해 다시 전달하는 기술을 검증함으로써 우주 위성 인프라의 효율적 활용법을 완성하고자 하는데 있다.

TBIRD 프로젝트를 위해 MIT 링컨연구소는 3 U보다 작은 크기와 3 kg 이하 무게를 갖는 우주 레이저 통신 터미널을 설계 및 제작했다. 레이저 통신 터미널의 핵심인 광 어셈블리(optical assembly)는 다운링크 데이터 전송을 위한 22 mm 직경의 송신부 개구와 업링크 데이터 수신을 위해 23 mm 직경의 수신부 개구를 별도로 갖는 바이스태틱(bistatic) 광학구조를 가지며, 액추에이터(actuator)가 없는 모놀리식(monolithic) 하우징에 장착된다[10]. Terran Orbital사는 6 U 크기의 큐브위성 버스를 설계 및 제작하고, 제트추진연구소의 OCTL은 TBIRD 레이저 통신 터미널에서 지상의 OCTL 광지상국으로 전송된 광신호가 단일 모드 광섬유에 높은 효율로 입사되게 함으로써 안정적 데이터 통신이 가능하도록 1 m 직경의 망원경과 적응광학 시스템을 구축하고 일부 기능을 개선했다[10]. MIT 링컨연구소는 레이저 통신 터미널 외에도 OCTL 광지상국과 TBIRD 큐브위성 간 업로드 및 다운로드를 위해 필요한 고속 디지털 전자 장치를 설계하고 제작했다. TBIRD 레이저 통신 터미널에는 테라바이트 데이터 캐시 처리를 위해 PC급 고속 SSD(solid state drive) 4개로 구성된 2 TB 버퍼가 설계되어 온보드에 장착되었다[24]. SSD는 다른 COTS 구성 요소와 함께 감마 및 양성자 방사선 테스트를 거쳤으며, 우주 임무에 적합한 것으로 확인되었다.

TBIRD 시스템은 우주 레이저 통신 터미널 버퍼(2 TB)에서 광지상국 버퍼(2 TB)로 100 Gbps 전송 모드 또는 200 Gbps 전송 모드로 데이터 전송이 가능하다. 레이저 통신 터미널에 포함된 버퍼는 200 Gbps 모드에서 100 Gbps의 판독 속도를 두 개의 채널 중 하나에 제공하며, 이때 다른 100 Gbps 채널은 가상 버퍼의 더미 데이터(dummy data)로 채워지도록 설계되었다[6]. TBIRD 레이저 통신 터미널은 OCTL 광지상국에서 제공하는 1,534 nm 업링크 신호를 활용하여 큐브위성이 자세 결정 및 제어 시스템을 통해 광지상국을 정확히 지향하도록 10 Hz 속도로 피드백을 제공하는 기능이 포함되었 있다. 한편, OCTL 광지상국은 공간 다이버시티(spatial diversity)를 위해 4채널로 구성된 낮은 데이터 속도(2 kbps)의 광학 업링크를 제공하도록 설계되었으며, 광학 업링크 신호는 자동 반복 요청 피드백 기능 구현과 함께 큐브위성의 본체 포인팅과 공간 추적을 위한 비콘 역할로 사용 가능하도록 설계되었다[6,7].

TBIRD 레이저 통신 터미널은 트랜시버, FPGA(field programmable gate array) 및 SSD 등 모든 전자 부품이 동작하는 동안 최대 100 W의 전력이 소비되며, 그 결과 약 3℃–4℃ 온도 상승이 발생하여 통신 임무 지속 시간이 제한된다[6]. 이러한 이유에서 송신 및 수신 광학부는 열적 드리프트(thermal drift)를 방지하기 위해 전자장치로부터 열적으로 절연되도록 설계되었다.

TBIRD 레이저 통신 터미널과 광지상국 간 다운링크는 채널당 최대 100 Gbps 속도의 COTS 기반 광섬유 트랜시버에서 생성된 1,550 nm 광신호가 파장 분할 다중화되어 1 W 출력을 갖는 EDFA로 전송되고, 최종적으로 송신부 개구를 통해 150 μrad 이하 발산각으로 방사됨으로써 시작된다. 100 Gbps 또는 200 Gbps 모드로 선택적 동작이 가능한 레이저 통신 터미널의 최대 광 출력은 0.8 W이며, 200 Gbps 모드에서 광 출력은 두 채널 간에 균등하게 배분된다[6,24]. TBIRD 레이저 통신 터미널이 200 Gbps 모드로 동작하는 경우, 100 Gbps 모드 대비 COTS 모뎀 하나를 추가 활성화되고 약 20 W의 추가 전력 소모가 필요하다. 다운링크에 사용되는 트랜시버는 기존 1,550 nm 대역의 유선 광통신에서 사용되는 이중 편파(dual polarization) QPSK(quadranture phase shift keying) 변조와 FEC를 함께 활용하여 전력측면에서 효율적이고, 오류 없는 작동이 가능하도록 했다. TBIRD 다운링크 통신에서 페이딩이 없는 경우, 최대 데이터 처리량 100 Gbps 및 200 Gbps에 대해 광지상국의 광 검출기에서 요구되는 수신 전력은 각각 약 –42 dBm 및 –39 dBm 수준이다[7].

TBIRD 시스템은 누락되거나 삭제된 모든 프레임이 성공적으로 수신될 때까지 재전송 되도록 하는 맞춤형 자동 반복 요청 프로토콜을 활용하여 레이저 통신 터미널의 오류 없는 데이터 전송을 보장한다. TBIRD의 자동 반복 요청 프로토콜은 유효 전송 시간이 없는 가상 채널 세트를 형성하도록 함으로써 수신 광량에 밀리초급 변동이 발생하는 경우에도 높은 처리 효율을 달성하도록 맞춤 설계되었다. TBIRD 레이저 통신 터미널에서 광지상국으로 다운링크되는 데이터는 자동 반복 요청 프레임에 캡슐화되어 전송된다. 광지상국이 자동 반복 요청 프레임을 성공적으로 수신한 경우, 광지상국은 이를 TBIRD 레이저 통신 터미널에 알리기 위해 긍정 확인(positive acknowledgement) 신호를 업링크를 통해 반복 전송한다. 자동 반복 요청 프레임 전송에 소요되는 시간은 약 1 ms이고, 프레임 크기는 조정 가능하며 일반적으로 100 Gbps 및 200 Gbps 모드에서 각각 약 15 MB 및 30 MB 수준이다[10]. 자동 반복 요청 메시지는 가상 채널당 1비트로 구성되며, 각 메시지가 단일 Reed-Solomon(223, 255) 업링크 코드의 페이로드 대부분을 채우도록 1,752개의 가상 채널이 있다. 레이저 통신 터미널의 업링크 수신기는 광지상국으로부터 수신한 메시지에 대한 유효성 판단을 위해 각 자동 반복 요청 메시지에 추가된 순환중복검사(cyclic redundancy check) 코드를 확인한다. 유효한 업링크 메시지가 수신되는 경우, 레이저 통신 터미널에서는 모든 가상 채널에 대한 상태 업데이트가 진행된다[24].

TBIRD 임무에서 PAT 프로세스는 TBIRD 큐브위성의 자세 결정 및 제어 시스템에 의존하며, 레이저 통신 터미널의 지향각을 다운링크 빔폭 내로 향하도록 조정하기 위해 광지상국으로부터 수신한 업링크 비콘 각도 측정값을 활용한다. TBIRD 레이저 통신 터미널은 지향각 정밀 조정을 위해 10 μrad RMS(root mean square) 정확도의 10 Hz 포인팅 오류 피드백을 TBIRD 큐브위성의 자세 결정 및 제어 시스템에 제공하고, 폐쇄 루프(closed-loop) 기반 body 포인팅을 통해 데이터 다운링크가 가능하도록 한다[6]. TBIRD의 body 포인팅 방식은 온보드 별 추적기 및 자이로 센서 등 자체 센서 정보에 의존하는 기존의 개방형 루프(open-loop) 포인팅 접근 방식과 차별적이다. TBIRD 큐브위성의 body 포인팅은 큐브위성 버스에 장착된 리액션 휠(reaction wheels)을 활용한다. 약 530 km 고도에서 임무를 수행하는 TBIRD의 PAA 각도는 약 50 mrad 수준이며, 레이저 통신 터미널에 함께 내장된 가시광 카메라의 시야각은 1 rad 수준이다[10].

광지상국은 카메라를 통해 TBIRD 레이저 통신 터미널에서 전송된 다운링크 빔을 가장 먼저 감지하고, 카메라 피드백 정보를 기반으로 김발(gimbal) 포인팅을 수정하기 위해 제어 루프를 닫는다. 이는 광지상국으로 전송된 빔을 적응광학 시스템의 파면 센서로 향하도록 조정하고, 적응광학 시스템의 팁/틸트(tip/tilt) 및 변형 거울 제어 루프를 통해 다운로드 빔을 광섬유 또는 광 검출기에 결합되도록 하기 위함이다. 광지상국에서 적응광학 루프 폐쇄(loop closure)를 위한 다운링크 빔 감지 프로세스는 약 10초가 소요되며, 전체 획득(acquisition) 프로세스는 TBIRD 레이저 통신 터미널에서 초기 업링크 빔을 감지한 후 약 20초 이내에 완료된다[7].

한편, 광지상국은 TBIRD 레이저 통신 터미널을 정확하게 포인팅하기 위해 TBIRD 큐브위성의 궤도력(ephemeris) 정보가 필수적이다. 광지상국에서 TBRID 레이저 통신 터미널로 업로드 되는 빔의 반치전폭(FWHM, Full Width Half Maximum)은 380 μrad 이하 수준으로 0.1 dB 미만의 포인팅 손실을 갖는다[7]. 추적 오류는 바이어스와 0.01 Hz 이하 저주파 드리프트(low-frequency drift)에 의해 결정되고 포인팅 성능은 제어 알고리즘 최적화를 통해 향상 가능하며, 향상된 포인팅 정확도는 더 작은 빔폭 사용을 가능하게 하여 추가 링크 마진 확보에 이점이 있다.

TBIRD 임무를 위한 제트추진연구소의 OCTL 광지상국은 1 m 반사 망원경에서 TBIRD 레이저 통신 터미널로부터 수신한 빔을 쿠데(Coudé) 경로를 통해 단일 모드 광섬유로 연결하기 위한 벤치 탑(bench-top) 적응광학 시스템을 갖추고 있다[6]. OCTL 광지상국에 도달하여 적응광학 시스템을 거쳐 단일 모드 광섬유로 출력되는 광신호는 사전 증폭(preamplification) 및 파장 역다중화(demultiplexing) 과정을 거쳐 지상 모뎀으로 전송되어 복조(demodulation) 및 복호화(decoding) 된다. 지상 모뎀에서 성공적으로 수신된 데이터 프레임은 100 Gbps 속도로 광지상국의 버퍼에 기록되며, 최종적으로 파일 검색 및 분석을 위해 서버로 다운로드 된다. 광지상국에 설치되는 버퍼는 12.5 Gbps 속도로 드라이브에 쓰기가 가능한 8개의 SSD로 구성된 병렬 아키텍처를 가지며 최대 100 Gbps 쓰기 속도를 지원한다. TBIRD 다운링크가 200 Gbps 모드(2채널)로 운영되는 경우, 광지상국 버퍼는 두 개 채널 중 하나의 채널 데이터만 기록한다[6]. OCTL 광지상국은 2022년 초부터 운영을 시작한 LCRD(laser communi-cations relay demonstration) 임무의 주요 광지상국(OGS-1)이기도 하다. OCTL 광지상국은 TBIRD 임무 요구사항을 수용하기 위해 LCRD 임무 지원을 위한 광학 및 운영 설정을 수정하였으며, 일부 설정 조정을 통해 LCRD 모드와 TBIRD 모드 간 전환이 가능하도록 운영되고 있다[6].

TBIRD 업링크 신호는 1,534 nm 파장을 활용하여 이진(binary) 펄스 위치 변조(PPM, pulse position modulation) 방식을 통해 2 kbps 전송 속도로 송신된다. 이때 레이저 통신 터미널의 업링크 수신기가 대기외란의 유효 섬광 지수(effective scintillation index)를 줄임으로써 페이딩 현상을 완화하기 위한 목적으로 업링크 빔은 4개의 공동 조준(co-boresighted) 송신부 개구에서 Spatial diversity 기술을 활용하여 동시에 전송된다[10]. 업링크 빔은 넓은 범위에 걸쳐 우주 레이저 통신 터미널을 지향하기 위해 다운링크 빔 대비 상대적으로 큰 FWHM(약 450 μrad)을 갖는다. 2 kbps 업링크는 주로 FEC 코딩 오버헤드를 고려한 후, 반복 요청 신호 처리에 1.8 kbps의 사용자 데이터 전송 속도(user data rate) 사용이 가능하다[23].

TBIRD 시스템은 태양 동기 궤도 시연(약 고도 530 km)을 위해 2022년 5월 말 PTD (pathfinder technology demonstration)-3 큐브위성에 탑재되어 발사되었으며, 2022년 6월 초 레이저 통신 운영을 시작했다. 2022년 6월부터 11월까지 43회의 실험(야간 29회, 주간 14회)을 통해 광지상국을 통과하는 5분간 200 Gbps 속도로 최대 4.8 TB 데이터를 오류 없이 다운링크하는 전송 시연에 성공했으며, 이는 현재 세계 최고 속도의 우주 플랫폼과 지상 간 데이터 다운링크 결과이다[7]. 43회의 다운링크 전송 시험에서 일반적으로 대기외란에 의한 영향이 상대적으로 적은 야간에 더 좋은 수신 신호 검출 결과가 도출되었다. 다운링크 처리량은 광지상국 하늘을 통과하는 동안 고도(거리) 변화 및 대기 페이딩 변화에 따라 변하는 결과를 보였으며, 일반적으로 높은 고도에서 최대의 다운링크 처리량 결과가 도출되었다[7].