Lille satellitopsendelse fremmer kommunikationseksperimenter, internationalt samarbejde

På den mørke, tidlige morgenhimmel den 21. marts over NASA's Wallops Island Flight Facility på Virginia-kysten bar en Rocket Lab Electron-raket et manifest fra National Reconnaissance Office (NRO) med tre samarbejdsmissioner i kredsløb i lavt kredsløb om Jorden – inklusive det seneste stykke af hjemmedyrket rumhardware fra Naval Postgraduate School (NPS).

Ledet af associerede forskningsprofessorer Dr. Wenschel Lan, hovedforsker, og Dr. Giovanni Minelli, co-principal investigator, fra NPS' Space Systems Academic Group (SSAG), inkluderer Mola CubeSat-missionen, som blev lanceret i rummet ombord på NROL-123, to nyttelast eksperimenter bygget af NPS – et terahertz-billedkamera (TIC) og en LED on-orbit payload (LOOP) – og en radiosender bygget af New Zealands Defense Science and Technology-enhed.

NPS Institut for Fysik Lektor Fabio Alves har sammen med lektor Drago Grbovic og professor emeritus Gamani Karunasiri stået i spidsen for indsatsen for at fremme TIC og teknologien bag den. Siden 2018 har et NPS-campussamarbejde mellem Sensor Research Lab og Small Satellite Lab givet fakultetet og studerende mulighed for at udvikle en række flyvelaster for at demonstrere denne banebrydende teknologi.

LOOPEN, bygget af ph.d. kandidat U.S. Marine Corps Maj. Dillon Pierce, er det første skridt mod en optisk sporings- og kommunikationskapacitet.

Den langsigtede indsats søger at fremme NPS-forskningen i frirums optisk kommunikation til CubeSats og små satellitter ved at bruge stærkt retningsbestemte optiske lasere til at øge hastigheden og sikkerheden af ​​lav-jordskredsløbskommunikation (LEO) og samtidig undgå overbelastede radiofrekvenser.

Det indledende eksperiment med LOOP er visuelt at observere de ultra-lyse LED'er på satellitten. Planerne er til sidst at spore LOOP med et 70-centimeter optisk terminalteleskop baseret på toppen af ​​NPS' Spanagel Hall.

"NPS-missionen er at uddanne vores kriger-lærde, og Mola vil helt sikkert fortsætte med at nå dette mål," sagde Lan.

"I løbet af de sidste par år har vi integreret denne forskning i Space Systems-kurser, så eleverne kan arbejde med ægte rumflyvningshardware som en del af deres almindelige læseplan ud over specialeforskningen. Vi har også haft en fantastisk oplevelse med at arbejde med vores Five Eyes partnere, og det har givet os en chance for også at samarbejde med vores kolleger på campus."

Molas nyttelast understøttes direkte af NPS' Mobile CubeSat Command and Control (MC3) netværk, en indsats sponsoreret af forsvarsministeriet, der begyndte i 2011 hos NPS.

I årenes løb har SSAG udviklet partnerskaber med ni andre sporingsfaciliteter, hvilket har ført til et lokalsamfundsbaseret, amerikansk regeringssponsoreret jordstationsnetværk til små satellitter eller SmallSats. Disse omfatter tre andre DOD-serviceuniversiteter, civile institutioner, industripartnere og statslige agenturer over hele landet, der arbejder inden for et distribueret driftsnetværk, der deler sporingsansvar via parallelle jordstationer.

MC3-projektet bidrager til et vigtigt samarbejdsforhold mellem Five Eyes (FVEY), en efterretningsalliance mellem Australien, Canada, New Zealand, Storbritannien og USA. Disse lande er parter i en traktat om fælles samarbejde inden for signalefterretninger, og MC3-netværket planlægger på sigt at samarbejde med FVEY International SmallSat Command and Control Network (ISC2N).

Ved et tilfælde var Minelli og SSAG-fakultetets forskningsassistent Alex Savattone i Auckland, New Zealand til lanceringen af ​​NROL-123.

"Vi er i Auckland til et møde ansigt til ansigt for at støtte FVEY-programmet. Molas lancering var tilfældigt for os, da et af Molas hovedmål er at demonstrere kommunikation med FVEY-jordstationerne," sagde Minelli.

De første par timer efter Mola blev opsendt var intense og spændende, da holdet søgte at etablere kommunikation med satellitten. Og det fungerede meget godt.

"Teamet, ledet af Dr. Wenschel Lan og Dr. Gio Minelli, havde indhentning af data fra CubeSat på den første passage efter implementering," sagde Dr. Jim Newman, SSAG-formand.

Det lyder måske simpelt – men det er det ikke, med mange proceduremæssige trin, der skulle fuldføres, når elektronraketten udsender sine nyttelaster i lav kredsløb om jorden (LEO).

"Når rumfartøjet skubbes ud, vil det tænde for sig selv," forklarede Minelli før opsendelsen. "Den vil tænde sin GPS-modtager for at bestemme sin position. Dens stjernesporing vil tage billeder af stjernerne og bestemme satellittens orientering baseret på et forudindlæst stjernekort. Hvis batteriniveauerne er tilstrækkelige, vil satellitten derefter tænde sine reaktionshjul og forsøge at stabilisere sig selv med sine solpaneler vendt mod solen."

Følelserne under opsendelsen og indsættelsen af ​​Mola var noget anspændte, da både studerendes og forskeres mange års hårde arbejde havde bygget op til det øjeblik, hvor satellitten passerede over NPS, klar til at forsøge at kommunikere omkring 90 minutter efter opsendelsen.

"Det har været en lang vej - vi skrev oprindeligt hvidbogen, der beskrev dette koncept i 2019. Til sidst fik vi finansieret, navigerede pandemien og byggede den," sagde Minelli. "Vi er et meget lille team, og der er mange af os, der er sat ind i en mission som denne. Hvert teammedlem og elev bidrog væsentligt, ellers ville det ikke fungere."

Praktisk, erfaringsbaseret elevlæring har været en kerneprioritet for SSAG siden dets oprettelse i 1982. Denne seneste opsendelse bygger på NPS' første forsøg på at opsende satellitter ud i rummet. Tilbage i 1990'erne ledede den mangeårige SSAG-formand Dr. Rudy Panholzer design, udvikling, konstruktion og lancering af PANSAT eller Petite Amateur Navy Satellite. Programmet støttede mere end 50 kandidatgrader og uddannede mange andre.

PANSAT blev indsat fra Space Shuttle Discovery på STS-95 i 1998, den samme flyvning, der omfattede den tidligere Project Mercury-astronaut og den amerikanske senator John Glenn, og den klarede sig over al forventning. Med en batterilevetid og indbyggede systemer anslået til at fungere i omkring 36 måneder, forblev PANSAT i kommunikation med NPS jordstationer i næsten otte år!

SSAG-teamet har opsendt nyttelast på rumfærgen, adskillige CubeSats, små satellitter og innovative CubeSat-implementeringsteknologier. Og Mola og fremtidige projekter er nu klar til at fortsætte med at bygge videre på denne vigtige flyvehistorie.

Ifølge Lan har denne historie i fortiden og vil i fremtiden understøtte flådrelevant læring – udvikling af overkommelige rumaktiver, der ikke kun er læringsmuligheder for elever, men som også vil demonstrere skalerbare teknologier til flåde- og forsvarsoperationer i rummet.

"Et af vores mål for SSAG er at have satellitter, som eleverne kan betjene til at lære rumfartøjsoperationer," sagde Lan. "Vi har allerede haft så mange studerende til at bidrage til Mola, og de næste par årgange vil fortsætte med at høste fordelene."

Flådens kapaciteter i det maritime domæne afhænger i stigende grad af effektiv viden og færdigheder, såsom dem, der undervises på NPS, til at implementere og betjene systemer i rumdomænet.

"NPS giver den slags praktisk læringserfaring med direkte missionsansøgning, som vores sekretær for flåden, Carlos Del Toro, selv havde gavn af, da han var en NPS Space Systems-elev, og vi agter at fortsætte med at tilbyde vores studerende sådanne muligheder i fremtiden," sagde Newman.

Leveret af Naval Postgraduate School