Een nieuw laseraanwijsplatform ontwikkeld aan het MIT kan helpen bij het lanceren van miniatuursatellieten in het snelle dataspel.

Sinds 1998, bijna 2, 000 satellieten ter grootte van een schoenendoos, bekend als CubeSats, zijn de ruimte in gelanceerd. Vanwege hun kleine frame en het feit dat ze kunnen worden gemaakt van kant-en-klare onderdelen, CubeSats zijn aanzienlijk betaalbaarder om te bouwen en te lanceren dan traditionele kolossen die honderden miljoenen dollars kosten.

CubeSats zijn game-changers geworden in satelliettechnologie, omdat ze in zwermen kunnen worden opgestuurd om goedkoop grote delen van het aardoppervlak te bewaken. Maar aangezien steeds meer capabele geminiaturiseerde instrumenten CubeSats in staat stellen zeer gedetailleerde beelden te maken, het kleine ruimtevaartuig worstelt om efficiënt grote hoeveelheden gegevens naar de aarde te verzenden, vanwege kracht- en groottebeperkingen.

Het nieuwe laseraanwijsplatform voor CubeSats, die wordt gedetailleerd in het journaal optische techniek , stelt CubeSats in staat om gegevens te downlinken met minder bronnen aan boord tegen aanzienlijk hogere snelheden dan momenteel mogelijk is. In plaats van elke keer dat een CubeSat een grondstation passeert slechts een paar beelden te verzenden, de satellieten moeten bij elke flyby duizenden afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen downlinken.

"Om waardevolle inzichten te verkrijgen uit aardobservaties, hyperspectrale beelden, die beelden op vele golflengten maken en terabytes aan gegevens creëren, en die erg moeilijk zijn voor CubeSats om naar beneden te komen, kan worden gebruikt, " zegt Kerri Cahoy, universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. "Maar met een lasercomsysteem met hoge snelheid zou je deze gedetailleerde beelden snel kunnen verzenden. En ik denk dat deze mogelijkheid de hele CubeSat-benadering zal maken, veel satellieten in een baan om de aarde gebruiken, zodat u wereldwijde en realtime dekking kunt krijgen, meer een realiteit."

Cahoy, wie is de Rockwell International Career Development Associate Professor aan het MIT, is een co-auteur van het papier, samen met afgestudeerde student Ondrej Cierny, wie is de hoofdauteur.

Voorbij radio

Satellieten downlinken doorgaans gegevens via radiogolven, die voor hogere snelheid-links naar grote grondantennes worden gestuurd. Elke grote satelliet in de ruimte communiceert binnen hoogfrequente radiobanden waardoor ze snel grote hoeveelheden gegevens kunnen verzenden. Maar grotere satellieten zijn geschikt voor de grotere antenneschotels of arrays die nodig zijn om een ​​snelle downlink te ondersteunen. CubeSats zijn te klein, en hebben ook beperkte toegang tot frequentiebanden die verbindingen met hoge snelheid kunnen ondersteunen.

"Kleine satellieten kunnen deze banden niet gebruiken, omdat er veel regelgevende hindernissen moeten worden genomen, en toewijzing gaat meestal naar grote spelers zoals enorme geostationaire satellieten, ' zegt Cahoy.

Bovendien, de zenders die nodig zijn voor data-downlinks met hoge snelheid kunnen meer stroom verbruiken dan miniatuursatellieten aankunnen, terwijl ze nog steeds een nuttige lading ondersteunen. Om deze redenen, onderzoekers hebben gekeken naar lasers als een alternatieve vorm van communicatie voor CubeSats, omdat ze aanzienlijk compacter zijn en energiezuiniger zijn, veel meer gegevens in hun strak gefocuste stralen verpakken.

Maar lasercommunicatie vormt ook een grote uitdaging:omdat de bundels veel smaller zijn dan de bundels van radiogolven, er is veel meer precisie nodig om de stralen op een ontvanger op de grond te richten.

"Stel je voor dat je aan het einde van een lange gang staat en een dikke balk wijst, als een zaklamp, op een schot in de roos aan de andere kant, "zegt Cahoy. "Ik kan een beetje met mijn arm wiebelen, en de straal zal nog steeds de roos raken. Maar als ik in plaats daarvan een laserpointer gebruik, de balk kan gemakkelijk van de roos af bewegen als ik maar een klein beetje beweeg. De uitdaging is om de laser in de roos te houden, zelfs als de satelliet wiebelt."

Kleur, omgeleid

NASA's optische communicatie en sensordemonstratie maakt gebruik van een CubeSat-lasercommunicatiesysteem dat in wezen de hele satelliet kantelt en kantelt om de laserstraal uit te lijnen met een grondstation. Maar dit stuursysteem vereist tijd en middelen, en om een ​​hogere datasnelheid te bereiken, een krachtigere laser - die een groot deel van het vermogen van de satelliet kan gebruiken en aanzienlijke hoeveelheden warmte aan boord kan genereren - is nodig.

Cahoy en haar team wilden een nauwkeurig laseraanwijssysteem ontwikkelen dat de hoeveelheid energie en tijd die nodig is voor een downlink zou minimaliseren, en het gebruik van een lager vermogen mogelijk maken, smallere lasers bereiken toch hogere datatransmissiesnelheden.

Het team ontwikkelde een laseraanwijsplatform, iets groter dan een Rubik's Cube, waarin een kleine, van de plank, bestuurbare MEMS spiegel. de spiegel, die kleiner is dan een enkele toets op een computertoetsenbord, staat tegenover een kleine laser en is zo gehoekt dat de laser van de spiegel kan weerkaatsen, naar de ruimte, en naar beneden in de richting van een grondontvanger.

"Zelfs als de hele satelliet een beetje verkeerd is uitgelijnd, dat kun je nog corrigeren met deze spiegel, "zegt Cierny. "Maar deze MEMS-spiegels geven je geen feedback over waar ze naar wijzen. Stel dat de spiegel niet goed is uitgelijnd in uw systeem, wat kan gebeuren na wat trillingen tijdens de lancering. Hoe kunnen we dit corrigeren, en precies weten waar we naar verwijzen?"

Als oplossing, Cierny heeft een kalibratietechniek ontwikkeld die bepaalt hoeveel een laser verkeerd is uitgelijnd ten opzichte van het doel van het grondstation, en corrigeert automatisch de hoek van de spiegel om de laser precies op de ontvanger te richten.

De techniek omvat een extra laserkleur, of golflengte, in het optische systeem. Dus in plaats van alleen de datastraal die er doorheen gaat, er wordt een tweede ijkstraal van een andere kleur mee doorgestuurd. Beide stralen weerkaatsen op de spiegel, en de kalibratiebundel gaat door een "dichroïsche bundelsplitser, " een type optisch element dat een specifieke golflengte van licht omleidt - in dit geval de extra kleur - weg van het grootlicht. Terwijl de rest van het laserlicht naar een grondstation gaat, de omgeleide straal wordt teruggestuurd naar een camera aan boord. Deze camera kan ook een uplinked laserstraal ontvangen, of baken, direct vanaf het grondstation; dit wordt gebruikt om de satelliet in staat te stellen naar het juiste gronddoel te wijzen.

Als de bakenstraal en de kalibratiestraal op precies dezelfde plek op de detector van de ingebouwde camera landen, het systeem is uitgelijnd, en onderzoekers kunnen er zeker van zijn dat de laser goed is gepositioneerd voor downlinking naar het grondstation. Indien, echter, de stralen landen op verschillende delen van de cameradetector, een door Cierny ontwikkeld algoritme zorgt ervoor dat de MEMS-spiegel aan boord kantelt of kantelt, zodat de kalibratielaserstraal opnieuw wordt uitgelijnd met de bakenspot van het grondstation.

"Het is alsof de kat en muis van twee plekken in de camera komen, en je wilt de spiegel kantelen zodat de ene plek op de andere ligt, ' zegt Cahoy.

Om de nauwkeurigheid van de techniek te testen, de onderzoekers maakten een laboratoriumbankopstelling met het laseraanwijsplatform en een bakenachtig lasersignaal. De opstelling is ontworpen om een ​​scenario na te bootsen waarin een satelliet op 400 kilometer hoogte boven een grondstation vliegt en gegevens verzendt tijdens een viaduct van 10 minuten.

Ze stellen de minimaal vereiste aanwijsnauwkeurigheid in op 0,65 milliradiaal - een maat die overeenkomt met de hoekfout die acceptabel is voor hun ontwerp. In hun experimenten varieerden ze de inkomende hoek van de bakenlaser en observeerden ze hoe de spiegel kantelde en kantelde om overeen te komen met het baken. Uiteindelijk, de kalibratietechniek bereikte een nauwkeurigheid van 0,05 milliradialen - veel nauwkeuriger dan wat de missie vereiste.

Cahoy zegt dat het resultaat betekent dat de techniek gemakkelijk kan worden aangepast, zodat deze zelfs smallere laserstralen nauwkeurig kan uitlijnen dan oorspronkelijk gepland, waardoor CubeSats op zijn beurt grote hoeveelheden gegevens kan verzenden, zoals afbeeldingen en video's van vegetatie, bosbranden, oceaan fytoplankton, en atmosferische gassen, tegen hoge datasnelheden.

"Dit laat zien dat je een systeem met laag vermogen kunt plaatsen dat deze smalle bundels kan maken op dit kleine platform dat een factor 10 tot 100 kleiner is dan alles wat ooit is gebouwd om zoiets eerder te doen, "zegt Cahoy. "Het enige dat opwindender zou zijn dan het laboratoriumresultaat, is om dit vanuit een baan om de aarde te zien gebeuren. Dit motiveert echt om deze systemen te bouwen en ze daar te krijgen."