System laserowy pomoże małym zwierzakom przesyłać dane na Ziemię

Nowa platforma laserowa, opracowany w mit, może pomóc niewielkim satelitów wejść do gry szybkiej transmisji danych. Od 1998 roku rozpoczęto prawie 2000 satelitów wielkości обувную pudełko, znanych jako . Ze względu na miniaturowe formy i faktu, że można je zbierać z gotowych części, CubeSat znacznie tańsze w montażu i uruchomieniu, niż tradycyjne potwory o wartości setek milionów dolarów.

CubeSat zmienili zasady tworzenia satelitów, ponieważ można je uruchamiać rojów dla taniego monitoringu dużych obszarów powierzchni Ziemi. Ale ponieważ sami CubeSat wyposażają się coraz bardziej i bardziej zaawansowanych narzędzi, małe statki kosmiczne nie mają czasu, aby skutecznie przesyłać duże ilości danych na Ziemię z powodu ograniczeń mocy i wielkości.

CubeSat: mały posłaniec Ziemi

Nowa platforma laserowa dla CubeSat, szczegółowo opisany w czasopiśmie Optical Engineering, pozwala "кубсатам" przesyłać dane w dół za pomocą mniej pokładowych zasobów przy znacznie wyższych prędkościach, niż są obecnie. Zamiast wysyłać kilka zdjęć za każdym razem, gdy "кубсат" przechodzi przez stację naziemną, satelity będą mogli wysyłać tysiące obrazów o wysokiej rozdzielczości z każdym prześwitem.

", Aby uzyskać cenne informacje z obserwacji Ziemi, można użyć гиперспектральные obrazy, które biorą zdjęcia na różnych długości fal światła i tworzą terabajty danych, ich "кубсатам" bardzo trudno jest przekazywać", mówi Kerry Кахой, profesor aeronautyki i astronautyki w MIT. "Ale szybki system лазеркома będziemy mogli wysyłać te szczegółowe obrazy dość szybko. I myślę, że ta umiejętność sprawi, że w ogóle podejście CubeSat, z wykorzystaniem wielu satelitów na orbicie, bardziej realistyczne, tak, że mamy globalne i natychmiastowe pokrycie".

poza радиодиапазона

Towarzysze zazwyczaj przekazują dane do ziemi za pomocą fal radiowych; więcej szybkich linii wiążą się z dużymi lądowe antenami. Każdy duży satelita w kosmosie komunikuje się w wysokich o częstotliwości radiowej, co pozwala mu na szybkie przesyłanie dużych ilości danych. Ale duże satelity mogą dostosować się do dużych радиотарелкам macierzy, które obsługują szybką transmisję. "Кубсаты" są zbyt małe i mają ograniczony dostęp do pasmach częstotliwości, które obsługują szybkie kanały.

"Małe satelity nie mogą korzystać z tych pasów, bo trzeba rozwiązać kilka regulacyjnych pytań, uzyskanie pozwolenia, w tym zazwyczaj zajmują się duzi gracze jak dużych satelitów geostacjonarnych", mówi Кахой.

Ponadto, nadajniki, niezbędne dla szybkiej transmisji danych, mogą używać więcej energii, niż mogą sobie pozwolić, aby zwolnić małe satelity, które nadzienia. Z tego powodu inżynierowie zwrócili się do лазерам jako alternatywnej formy komunikacji dla "кубсатов", ponieważ lasery znacznie szczuplejsze i bardziej efektywne w wydatkowania energii – kurczą się więcej danych w dokładnie skupiać się wiązki.

Jednak laserowe komunikacji również borykają się z problemami: ponieważ wiązki znacznie węższe, niż promienie fal radiowych, wymaga znacznie więcej precyzji kierowania wiązki na odbiornik na ziemi.

"Wyobraź sobie, że stoisz na końcu długiego korytarza i kieruj gruby promień, jak z latarki, na cel z jabłkiem na drugim końcu", mówi Кахой. "Mogę trochę ruszyć ręką i promień i tak trafi w dziesiątkę. Ale jeśli wezmę wskaźnik laserowy promień łatwo może wyjść z jabłka, jeśli trochę się ruszam. Zadanie polega na tym, jak utrzymać laser w яблочке nawet jeśli satelita będzie drżeć".

Demonstracja optycznych komunikacji i czujników NASA wykorzystuje system laserowych komunikacji na CubeSat, który w swej istocie, porady i popycha cały satelita, aby wyrównać jego promień lasera z naziemnej stacji. Ale ten układ wymaga czasu i środków, dla osiągnięcia wyższych prędkości transmisji danych wymaga bardziej potężny laser, który będzie w stanie w razie potrzeby użyć większą część mocy satelity i generować znaczne ilości ciepła na pokładzie.

Кахой i jej zespół postanowili opracować dokładny system laserowy, który минимизировала ilość energii i czasu wymaganego do transmisji danych na ziemię, i pozwolił używać mniej potężne, wąskie lasery, ale jej osiągnięcie wyższych prędkości transmisji.

Zespół opracował platformę do laserowego naprowadzania, o wymiarach nieco więcej "kostki Rubika", która zawiera małe i gotowe sterowane lusterko MEMS. To lustro, które jest wielkości mniej klawiszy na klawiaturze, skierowane do małego lasera i znajduje się pod kątem, tak, że laser może odbijać się od lustra w przestrzeń i udać się w dół, do dworca kolei odbiornika.

"Nawet jeśli cały satelita nieco przesunięty, to można naprawić z pomocą tego lustra", mówi jeden z członków zespołu. "Ale lusterka MEMS nie dają informacje zwrotne o tym, gdzie wskazują. Załóżmy, lustro, przesunięte w systemie, to może wystąpić ze względu na niektórych drgań podczas rozruchu. Jak nam naprawić to, jak dowiedzieć się dokładnie, gdzie wskazujemy?".

Jako rozwiązanie naukowcy opracowali metodę kalibracji, która określa, jak laser przesunięty względem celu jego stacji naziemnej, iautomatycznie dostosowuje kąt lustra, aby skierować wiązkę lasera na jego odbiornik.

Ta metoda zawiera dodatkowy kolor lasera, lub długość fali, w optyczny system. W ten sposób, zamiast po prostu pominąć pakiet danych jest wysyłany i drugi kalibracji lasera, innego koloru. Obie wiązki odbijają się od lustra i kalibracji lasera przechodzi przez "дихроичный расщепитель wiązki", element optyczny, który odrzuca pewną długość fali światła — w tym przypadku kolor dodatkowy — od wiązki głównej. Gdy pozostała część promieniowania laserowego odchodzi do stacji naziemnej, ustawowo wiązka jest kierowana z powrotem do pokładowej celi. Ta kamera może również przyjmować formacji wiązkę światła, lub latarnia morska, bezpośrednio od stacji naziemnej; to pomoże satelicie dostroić do prawidłowego naziemną cel.

Jeśli promień latarni i kalibracji wiązki trafiają dokładnie w to samo miejsce na wykrywaczu kamery na pokładzie, system wyrównany i naukowcy mogą być pewni, że laser poprawnie znajduje się do związku z naziemnej stacji. Jednak, jeśli promienie trafiają w różne części detektora kamery, specjalny algorytm kieruje wbudowane lusterko MEMS tak, że ono pochyla się i kalibracji laser wiązka jest wyrównany z punktem latarni morskiej stacji naziemnej.

"To jest jak kotka i myszkę dwóch punktów, które dostają się do komory, trzeba przechylić lustro tak, aby jeden punkt okazała się nad innym".

Aby sprawdzić dokładność metody, naukowcy opracowali laboratoryjny stoisko z laserowo-pomocą platformy i laserowym sygnałem typu latarni. Instalacja powinna naśladować scenariusz, w którym satelita przelatuje na wysokości 400 km nad naziemnej stacji i przekazuje dane w ciągu 10-minutowej sesji.

Naukowcy ustalili minimalną wymaganą dokładność naprowadzania w 0,65 миллирадиан — środek ten narożny błędy dopuszczalne dla ich konstrukcji. W końcu, metoda kalibracji pozwolił uzyskać dokładność 0,05 миллирадиан, że o wiele dokładniej, niż wymaga tego misja.

"To pokazuje, że na takiej małej platformie można zainstalować system z niskim poborem mocy i wąskimi wiązkami, a ona będzie od 10 do 100 razy mniej, niż wszystko, co kiedykolwiek powstało takiego wcześniej", mówi Кахой. "Jedyne, co byłoby interesujące wyniki badań laboratoryjnych — zobaczyć, jak to się dzieje, z orbity. Oto, co motywuje tworzenie takich systemów i wyprowadzenie ich tam".

Zgadzam się, że to jest fajne? Powiedz w naszej