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激光指向系统可以帮助微小的卫星向地球传输数据

教育快3新闻 | 2018-12-16 | 标签:平台提供了鞋盒大小的CubeSat需要精确传输大量数
麻省理工学院开发的新型激光指向平台可以帮助将微型卫星发射到高速数据游戏中。

自1998年以来,已有近2000个鞋盒大小的卫星CubeSat被发射到太空。由于它们的小巧框架以及它们可以用现成的零件制成,因此CubeSats的制造和发射成本远远高于传统庞然大物,价值数亿美元。  

CubeSats已经成为卫星技术的游戏规则改变者,因为它们可以成群发送,以便廉价地监视地球表面的大片区域。但随着越来越多的小型化仪器使CubeSat能够拍摄非常详细的图像,由于功率和尺寸的限制,微型航天器难以有效地将大量数据传输到地球。

用于CubeSat的新型激光指向平台(在光学工程期刊中有详细介绍)使CubeSat能够以比现有技术更高的速率使用更少的机载资源来下载数据。每次CubeSat经过地面站时,卫星应该能够下载数千个高分辨率图像,而不是每次只发送一些图像。

“为了从地球观测中获得有价值的见解,可以使用高光谱图像,这些图像可以拍摄多个波长的图像并创建数TB的数据,而且CubeSats很难下降,”航空航天副教授Kerri Cahoy说道。在麻省理工学院。“但是使用高速率的lasercom系统,您可以快速发送这些详细的图像。而且我认为这种能力将使整个CubeSat方法成为可能,使用轨道上的许多卫星,这样你就能获得全球和实时覆盖,更多的是现实。“

Cahoy是麻省理工学院罗克韦尔国际职业进展时时彩副教授,他是该论文的共同作者,也是研究生Ondrej Cierny,他是第一作者。

超越无线电

卫星通常通过无线电波下行数据,无线电波用于将较高速率链路发送到大型地面天线。空间中的每个主要卫星都在高频无线电频段内通信,使它们能够快速传输大量数据。但是更大的卫星可以容纳支持高速下行链路所需的更大的天线盘或阵列。CubeSats太小,并且对可支持高速链路的频段的访问也很有限。

“小型卫星不能使用这些频段,因为它需要清除许多监管障碍,并且通常会分配给像大型地球静止卫星这样的大型播放器,”Cahoy说。

更重要的是,高速率数据下行链路所需的发射机可以使用比微型卫星更多的功率,同时仍然支持有效载荷。由于这些原因,研究人员将激光作为CubeSat的另一种通信形式,因为它们的尺寸更加紧凑,功率更高,在紧密聚焦的光束中包含更多的数据。

但激光通信也存在一个重大挑战:由于光束比无线电波束更窄,因此将光束指向地面上的接收器需要更加精确。

“想象一下,站在一条长长的走廊的尽头,指着一个像手电筒一样的胖梁,在另一端的靶心上,”Cahoy说道。“我可以稍微摆动一下手臂,光束仍会撞到靶心。但是,如果我使用激光指示器,如果我移动一点点,光束可以很容易地从靶心移开。挑战是即使卫星摆动,也要将激光保持在靶心上。“

颜色,转移

NASA的光通信和传感器演示使用CubeSat激光通信系统,该系统基本上倾斜和倾斜整个卫星,使其激光束与地面站对齐。但是这种转向系统需要时间和资源,并且为了实现更高的数据速率,需要更强大的激光器 - 它可以使用卫星的大部分功率并在机上产生大量的热量。

Cahoy和她的团队希望开发出一种精确的激光指向系统,该系统可以最大限度地减少下行链路所需的能量和时间,并且可以使用功率更低,更窄的激光器,但仍能实现更高的数据传输速率。

该团队开发了一个激光指向平台,比Rubik的立方体略大,它包含一个小型的,现成的可操纵MEMS镜。镜子比计算机键盘上的一个键小,面向一个小的激光器,并且成角度,以便激光可以从镜子反射回空间,然后朝向地面接收器。

“即使整个卫星有点错位,你仍然可以用这个镜子来纠正它,”Cierny说。“但是这些MEMS镜子并没有给你反馈他们指向的位置。假设镜子在您的系统中未对齐,这可能在发射期间发生一些振动后发生。我们怎样才能纠正这一点,并确切地知道我们指向的位置?“

作为一种解决方案,Cierny开发了一种校准技术,可以确定激光器与地面站目标的偏差程度,并自动校正镜子的角度,以精确地将激光指向其接收器。

该技术将额外的激光颜色或波长结合到光学系统中。因此,不仅仅是数据光束通过,而是通过它发送不同颜色的第二校准光束。两个光束从镜子反射,校准光束通过“二向色分束器”,这是一种光学元件,可以转移特定波长的光 - 在这种情况下,附加颜色 - 远离主光束。当其余的激光向地面站传播时,转向的光束被引导回车载摄像机。该摄像机还可以直接从地面站接收上行激光束或信标; 这用于使卫星指向正确的地面目标。

如果信标光束和校准光束落在车载摄像机探测器上的同一位置,系统就会对准,研究人员可以确定激光器是否正确定位以便下行到地面站。然而,如果光束落在摄像机探测器的不同部分上,Cierny开发的算法指示机载MEMS镜面倾斜或倾斜,以便校准激光束点与地面站的信标点重新对准。

“这就像两个点进入相机的猫和老鼠,你想要翻转镜子使一个点位于另一个点之上,”Cahoy说。



为了测试该技术的准确性,研究人员设计了一个实验室工作台设置,其中包括激光指向平台和类似信标的激光信号。该设置旨在模拟一种情况,即卫星在地面站以上400公里的高度飞行,并在10分钟的立交桥中传输数据。

他们将所需的最低指向精度设置为0.65毫弧度 - 这个度量对应于其设计可接受的角度误差。在他们的实验中,他们改变了信标激光器的入射角度,并观察了镜子如何倾斜和倾斜以匹配信标。最后,校准技术实现了0.05毫弧度的精度 - 远远超过任务所需的精度。

Cahoy表示,结果意味着该技术可以轻松调整,因此它可以精确对准比原计划更窄的激光束,这反过来又可以使CubeSats传输大量数据,如植被,野火,海洋的图像和视频浮游植物和大气气体,数据速率高。

“这表明你可以安装一个低功率系统,可以在这个微小的平台上制作这些窄光束,比以前做过的任何东西都要小10到100倍,”Cahoy说。“唯一比实验室结果更令人兴奋的事情就是从轨道上看到这一点。这真的激发了这些系统的构建并将它们带到那里。“

在美国宇航局太空技术任务理事会的支持下,作为新的CubeSat Lasercom Infrared CrosslinK(CLICK)任务的一部分,与佛罗里达大学和美国宇航局艾姆斯研究中心合作,该团队希望能够做到这一点。

这项研究部分得到了麻省理工学院Deshpande技术创新中心和NASA的支持。



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