Laser-pegningssystem kan hjælpe små satellitter med at overføre data til Jorden

En ny laser-pegeplatform udviklet på MIT kan hjælpe med at opsende miniature-satellitter ind i højhastighedsdataspillet.

Siden 1998 har næsten 2, 000 satellitter i skoæskestørrelse kendt som CubeSats er blevet sendt ud i rummet. På grund af deres lille ramme og det faktum, at de kan fremstilles af dele på hylden, CubeSats er betydeligt mere overkommelige at bygge og lancere end traditionelle behemoths, der koster hundredvis af millioner af dollars.

CubeSats er blevet game-changers inden for satellitteknologi, da de kan sendes op i flokke for billigt at overvåge store skår af Jordens overflade. Men da stadig mere dygtige miniaturiserede instrumenter gør det muligt for CubeSats at tage meget detaljerede billeder, det lille rumfartøj kæmper for effektivt at overføre store mængder data ned til jorden, på grund af strøm- og størrelsesbegrænsninger.

Den nye laser-pegeplatform til CubeSats, som er detaljeret i journalen Optisk teknik , gør det muligt for CubeSats at downlinke data ved at bruge færre indbyggede ressourcer til væsentligt højere hastigheder, end det er muligt i øjeblikket. I stedet for kun at sende et par billeder ned hver gang en CubeSat passerer over en jordstation, satellitterne skulle være i stand til at nedlinke tusindvis af billeder i høj opløsning med hver flyby.

"For at få værdifuld indsigt fra jordobservationer, hyperspektrale billeder, som tager billeder ved mange bølgelængder og skaber terabyte med data, og som er virkelig svære for CubeSats at komme ned, Kan bruges, "siger Kerri Cahoy, lektor i luftfart og astronautik ved MIT. "Men med et højhastigheds lasercom-system ville du være i stand til at sende disse detaljerede billeder ned hurtigt. Og jeg tror, ​​at denne evne vil få hele CubeSat til at gå, ved at bruge mange satellitter i kredsløb, så du kan få global og realtidsdækning, mere en realitet. "

Cahoy, hvem er Rockwell International Career Development Associate Professor ved MIT, er medforfatter på papiret, sammen med kandidatstuderende Ondrej Cierny, hvem er hovedforfatter.

Ud over radio

Satellitter downloader typisk data via radiobølger, som for højere rate-links sendes til store jordantenner. Alle større satellitter i rummet kommunikerer inden for højfrekvente radiobånd, der gør dem i stand til at transmittere store mængder data hurtigt. Men større satellitter kan rumme de større antenneskåle eller arrays, der er nødvendige for at understøtte et downlink med høj hastighed. CubeSats er for små, og har også begrænset adgang til frekvensbånd, der kunne understøtte højhastighedsforbindelser.

"Små satellitter kan ikke bruge disse bånd, fordi det kræver at fjerne mange lovgivningsmæssige forhindringer, og allokering går typisk til store spillere som enorme geostationære satellitter, " siger Cahoy.

Hvad mere er, de sendere, der kræves til højhastighedsdataindownlinks, kan bruge mere strøm, end miniaturesatellitter kan rumme, mens de stadig understøtter en nyttelast. Af disse grunde, forskere har set på lasere som en alternativ kommunikationsform for CubeSats, da de er betydeligt mere kompakte i størrelse og er mere strømeffektive, pakker meget mere data i deres tæt fokuserede stråler.

Men laserkommunikation udgør også en betydelig udfordring:Fordi strålerne er meget mere smalle end strålerne fra radiobølger, det kræver langt mere præcision at pege strålerne mod en modtager på jorden.

"Forestil dig at stå for enden af ​​en lang gang og pege på en fedtstråle, som en lommelygte, ved et bullseye -mål i den anden ende, "Cahoy siger." Jeg kan vrikke lidt med armen, og strålen vil stadig ramme bullseye. Men hvis jeg i stedet bruger en laserpeger, strålen kan let bevæge sig væk fra bullseye, hvis jeg bevæger mig bare en lille smule. Udfordringen er at holde laseren på bullseye, selvom satellitten vrikker. "

Farve, omdirigeret

NASAs optiske kommunikation og sensordemonstration bruger et CubeSat -laserkommunikationssystem, der i det væsentlige vipper og vipper hele satellitten for at justere sin laserstråle med en jordstation. Men dette styresystem kræver tid og ressourcer, og for at opnå en højere datahastighed, en mere kraftfuld laser - som kan bruge en stor brøkdel af satellitens strøm og generere betydelige mængder varme om bord - er nødvendig.

Cahoy og hendes team søgte at udvikle et præcist laser-pegningssystem, der ville minimere mængden af ​​energi og tid, der kræves til et downlink, og muliggøre brug af lavere effekt, smallere lasere og alligevel opnå højere datatransmissionshastigheder.

Holdet udviklede en laser-pegeplatform, lidt større end en Rubiks terning, der indeholder en lille, fra hylden, styrbart MEMS spejl. Spejlet, som er mindre end en enkelt tast på et computertastatur, står over for en lille laser og er vinklet, så laseren kan hoppe ud af spejlet, ud i rummet, og ned mod en jordmodtager.

"Selvom hele satellitten er en smule forkert justeret, du kan stadig rette for det med dette spejl, "Cierny siger." Men disse MEMS -spejle giver dig ikke feedback om, hvor de peger. Sig, at spejlet er forkert justeret i dit system, som kan ske efter nogle vibrationer under lanceringen. Hvordan kan vi korrigere for dette, og ved præcis, hvor vi peger hen? "

Som en løsning, Cierny udviklede en kalibreringsteknik, der bestemmer, hvor meget en laser er forkert justeret fra sit jordstationsmål, og korrigerer automatisk spejlets vinkel for præcist at rette laseren mod modtageren.

Teknikken indeholder en ekstra laserfarve, eller bølgelængde, ind i det optiske system. Så i stedet for at bare datastrålen går igennem, en anden kalibreringsstråle af en anden farve sendes igennem med den. Begge stråler hopper fra spejlet, og kalibreringsstrålen passerer gennem en "dikroisk strålesplitter, "en type optisk element, der afleder en bestemt lysbølgelængde - i dette tilfælde den ekstra farve - væk fra fjernlyset. Mens resten af ​​laserlyset bevæger sig ud mod en jordstation, den afledte stråle ledes tilbage til et indbygget kamera. Dette kamera kan også modtage en oplinket laserstråle, eller fyrtårn, direkte fra jordstationen; dette bruges til at sætte satellitten i stand til at pege på det rigtige jordmål.

Hvis pejlestrålen og kalibreringsstrålen lander på præcis det samme sted på kameraets detektor, systemet er tilpasset, og forskere kan være sikre på, at laseren er korrekt placeret til nedlinkning til jordstationen. Hvis, imidlertid, strålerne lander på forskellige dele af kameradetektoren, en algoritme udviklet af Cierny dirigerer det indbyggede MEMS -spejl til at vippe eller vippe, så kalibreringslaserstrålens spot stemmer overens med jordstationens fyrtårn.

"Det er som katten og musen af ​​to pletter, der kommer ind i kameraet, og du vil vippe spejlet, så det ene sted er oven på det andet, "Siger Cahoy.

For at teste teknikkens nøjagtighed, forskerne lavede en lab-bænkopsætning, der omfattede laser-pegende platform og et fyrtårn-lignende lasersignal. Opsætningen blev designet til at efterligne et scenarie, hvor en satellit flyver i 400 kilometers højde over en jordstation og transmitterer data under en 10-minutters overkørsel.

De satte den mindste nødvendige pegenøjagtighed til 0,65 milliradianer - et mål, der svarer til den vinkelfejl, der er acceptabel for deres design. I deres eksperimenter varierede de den indkommende vinkel på beacon-laseren og observerede, hvordan spejlet tippede og vippede for at matche beaconen. Til sidst, kalibreringsteknikken opnåede en nøjagtighed på 0,05 milliradianer - langt mere præcis end hvad missionen krævede.

Cahoy siger, at resultatet betyder, at teknikken let kan tilpasses, så den præcist kan justere endnu smallere laserstråler end oprindeligt planlagt, hvilket igen kan sætte CubeSats i stand til at overføre store datamængder, såsom billeder og videoer af vegetation, skovbrande, fytoplankton i havet, og atmosfæriske gasser, ved høje datahastigheder.

"Dette viser, at du kan passe et laveffektsystem, der kan gøre disse smalle bjælker på denne lille platform, der er en faktor på 10 til 100 mindre end noget, der nogensinde er blevet bygget til at gøre sådan noget før, "Cahoy siger." Det eneste, der ville være mere spændende end laboratorieresultatet, er at se dette blive gjort fra kredsløb. Dette motiverer virkelig at bygge disse systemer og få dem derop."