Система лазерного наведення допоможе крихітним супутникам передавати дані на Землю

Нова платформа лазерного наведення, розроблена в Массачусетському технологічному інституті, може допомогти мініатюрним супутникам вступити в гру високошвидкісної передачі даних. З 1998 року було запущено майже 2000 супутників розміром з взуттєву коробку, відомих як . З-за своєї мініатюрної форми і того факту, що їх можна збирати з готових деталей, CubeSat значно дешевше в збірці і запуску, ніж традиційні монстри вартістю сотні мільйонів доларів.

CubeSat змінили принципи створення супутників, оскільки їх можна запускати цілими зграями для дешевого моніторингу великих ділянок поверхні Землі. Але оскільки самі CubeSat оснащують все більш і більш просунутими інструментами, крихітні космічні апарати не встигають ефективно передавати великі обсяги даних на Землю з-за обмежень по потужності і розміру.

CubeSat: крихітний посланець Землі

Нова платформа лазерного наведення для CubeSat, докладно описана в журналі Optical Engineering, дозволяє «кубсатам» передавати дані вниз, використовуючи менше бортових ресурсів при набагато більш високих швидкостях, ніж можливі в даний час. Замість того, щоб відправляти по кілька зображень кожен раз, коли «кубсат» проходить через наземну станцію, супутники отримають можливість передавати тисячі зображень з високою роздільною здатністю з кожним проходом.

«Щоб отримати цінні відомості із спостережень Землі, можна використовувати гиперспектральные зображення, які беруть знімки на безлічі довжин хвиль світла і створюють терабайти даних, їх «кубсатам» дуже складно передавати», каже Керрі Кахою, доцент аеронавтики і астронавтики в MIT. «Але з високошвидкісною системою лазеркома ми зможемо відправляти ці деталізовані зображення досить швидко. І я думаю, ця здатність зробить в цілому підхід CubeSat, з використанням безлічі супутників на орбіті, більш реалістичним, так що ми отримаємо глобальне і негайне покриття».

За межами радіодіапазону

Супутники зазвичай передають дані на землю за допомогою радіохвиль; більш високошвидкісні лінії зв'язуються з великими наземними антенами. Кожен великий супутник у космосі здійснює зв'язок у високочастотному радіодіапазоні, що дозволяє йому швидко передавати великі обсяги даних. Але великі супутники можуть пристосуватися до великих радиотарелкам або масивів, які підтримують високошвидкісну передачу. «Кубсаты» занадто малі і володіють обмеженим доступом до смугах частот, які підтримують високошвидкісні канали.

«Невеликі супутники не можуть використовувати ці смуги, тому що треба вирішувати купу регуляторних питань, отримувати дозвіл, цим зазвичай займаються великі гравці начебто великих геостаціонарних супутників», говорить Кахою.

Більш того, передавачі, необхідні для високошвидкісної передачі даних, можуть використовувати більше енергії, ніж можуть дозволити собі вивільнити невеликі супутники, що підтримують роботу начинки. З цієї причини інженери звернулися до лазерів як до альтернативної формою комунікації для «кубсатов», оскільки лазери значно компактніше і ефективніше витрачання енергії – вони стискають більше даних у ретельно сфокусовані пучки.

Однак лазерні комунікації також стикаються з проблемами: оскільки пучки набагато вужчі, ніж промені радіохвиль, потрібно набагато більше точності, щоб направити пучки на приймач на землі.

«Уявіть, що стоїте в кінці довгого коридору і наводьте товстий промінь, як з ліхтарика, на мішень з яблучком на іншому кінці», говорить Кахою. «Я можу трохи поворушити рукою і промінь все одно потрапить в яблучко. Але якщо я візьму лазерну указку, промінь легко може вийти з яблучка, якщо я трохи пошевельнусь. Завдання полягає в тому, як утримати лазер в яблучку навіть якщо супутник буде хитатися».

Демонстрація оптичних комунікацій і датчиків NASA використовує систему лазерних комунікацій на CubeSat, яка по своїй суті нахиляє і штовхає весь супутник, щоб вирівняти його лазерний промінь з наземною станцією. Але ця система рульового управління вимагає часу і ресурсів, і для досягнення більш високої швидкості передачі даних необхідний більш потужний лазер, який зможе при необхідності використовувати більшу частину потужності супутника і генерувати значну кількість тепла на борту.

Кахою і її команда вирішили розробити точну систему лазерного наведення, яка б мінімізувала кількість енергії і часу, необхідного для передачі даних на землю, і дозволила б використовувати менш потужні, вузькі лазери, але всі її досягати більш високих швидкостей передачі.

Команда розробила платформу для лазерного наведення, розміром трохи більше «кубика Рубіка», яка включає невелике і готове кероване дзеркало MEMS. Це дзеркало, яке за розмірами менше клавіші на клавіатурі, звернене до невеликого лазеру і розташоване під кутом, так що лазер може відскочити від дзеркала простір і відправитися вниз, до наземного приймача.

«Навіть якщо весь супутник трохи зміщений, це можна виправити за допомогою цього дзеркала», говорить один з членів команди. «Але дзеркала MEMS не дають вам зворотного зв'язку про те, куди вказують. Припустимо, дзеркало зміщене у вашій системі, таке може статися із-за деяких вібрацій під час запуску. Як нам виправити це, як дізнатися точно, куди ми вказуємо?».

В якості рішення вчені розробили метод калібрування, який визначає, наскільки лазер зміщений щодо мети його наземної станції, іавтоматично коригує кут дзеркала, щоб точно направити лазер на його приймач.

Цей метод включає додатковий колір лазера, або довжину хвилі, в оптичну систему. Таким чином, замість того, щоб просто пропускати пучок даних, надсилається і другий калібрувальний промінь, іншого кольору. Обидва променя відскакують від дзеркала і калібрувальний промінь проходить через «дихроїчний розщеплювач пучка», оптичний елемент, який відхиляє певну довжину хвилі світла — в даному випадку, додатковий колір — від основного променя. Коли інша частина лазерного випромінювання йде до наземної станції, відведений пучок направляється назад в бортову камеру. Ця камера також може приймати висхідний лазерний пучок, або маяк, безпосередньо від наземної станції; це допоможе супутнику налаштуватися на правильну наземну ціль.

Якщо промінь маяка і калібрувальний пучок потрапляють точно в одне і те ж місце на детекторі бортової камери, система вирівнюється, і дослідники можуть бути впевнені, що лазер правильно розташований для зв'язку з наземною станцією. Однак, якщо промені потрапляють в різні частини детектора камери, спеціальний алгоритм направляє вбудоване дзеркало MEMS так, що вона нахиляється і калібрувальний лазерний пучок вирівнюється з точкою маяка наземної станції.

«Це як кішки-мишки двох точок, які потрапляють в камеру, вам потрібно нахилити дзеркало так, щоб одна точка опинилася над іншою».

Щоб перевірити точність методу, вчені розробили лабораторний стенд з лазерно-вказівної платформою і лазерним сигналом за типом маяка. Установка повинна була імітувати сценарій, в якому супутник пролітає на висоті 400 кілометрів над наземною станцією і передає дані протягом 10-хвилинного сеансу.

Вчені встановили мінімальну необхідну точність наведення в 0,65 миллирадиан — ця міра кутовий помилки прийнятна для їх конструкції. Зрештою, метод калібрування дозволив отримати точність 0,05 миллирадиан, що набагато точніше, ніж того вимагає місія.

«Це показує, що на такій маленькій платформі можна встановити систему з низьким енергоспоживанням і вузькими пучками, і вона буде в 10-100 разів менше, ніж все, що коли-небудь створювалося подібне раніше», говорить Кахою. «Єдине, що було б цікавіше результатів лабораторних досліджень — побачити, як це відбувається, з орбіти. Ось, що мотивує створення таких систем і виведення їх туди».

Погодьтеся, це круто? Розкажіть в нашому