Una nuova piattaforma di puntamento laser sviluppata al MIT potrebbe aiutare a lanciare satelliti in miniatura nel gioco dei dati ad alta velocità.

Dal 1998, quasi 2, 000 satelliti delle dimensioni di una scatola da scarpe noti come CubeSats sono stati lanciati nello spazio. A causa della loro struttura minuta e del fatto che possono essere realizzati con parti standard, I CubeSat sono significativamente più convenienti da costruire e lanciare rispetto ai colossi tradizionali che costano centinaia di milioni di dollari.

I CubeSat hanno cambiato le regole del gioco nella tecnologia satellitare, in quanto possono essere inviati in stormi per monitorare a buon mercato vaste aree della superficie terrestre. Ma poiché strumenti miniaturizzati sempre più capaci consentono a CubeSats di acquisire immagini altamente dettagliate, il minuscolo veicolo spaziale lotta per trasmettere in modo efficiente grandi quantità di dati sulla Terra, a causa di vincoli di potenza e dimensioni.

La nuova piattaforma di puntamento laser per CubeSats, che è dettagliato nel giornale Ingegneria ottica , consente a CubeSats di effettuare il downlink dei dati utilizzando meno risorse di bordo a velocità significativamente più elevate di quanto sia attualmente possibile. Invece di inviare solo poche immagini ogni volta che un CubeSat passa sopra una stazione di terra, i satelliti dovrebbero essere in grado di effettuare il downlink di migliaia di immagini ad alta risoluzione ad ogni passaggio ravvicinato.

"Per ottenere preziose informazioni dalle osservazioni della Terra, immagini iperspettrali, che acquisiscono immagini a molte lunghezze d'onda e creano terabyte di dati, e che sono davvero difficili da abbattere per CubeSat, può essere utilizzato, "dice Kerri Cahoy, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT. "Ma con un sistema lasercom ad alta velocità saresti in grado di inviare rapidamente queste immagini dettagliate. E penso che questa capacità renderà l'intero approccio CubeSat, utilizzando molti satelliti in orbita in modo da ottenere una copertura globale e in tempo reale, più una realtà".

Cahoy, chi è il professore associato Rockwell International Career Development al MIT, è coautore del documento, insieme allo studente laureato Ondrej Cierny, chi è l'autore principale.

Oltre la radio

I satelliti in genere effettuano il downlink dei dati tramite onde radio, che per collegamenti a velocità più elevata vengono inviati ad antenne di terra di grandi dimensioni. Tutti i principali satelliti nello spazio comunicano all'interno di bande radio ad alta frequenza che consentono loro di trasmettere rapidamente grandi quantità di dati. Ma i satelliti più grandi possono ospitare le antenne o gli array più grandi necessari per supportare un downlink ad alta velocità. I CubeSat sono troppo piccoli, e hanno anche un accesso limitato alle bande di frequenza che potrebbero supportare collegamenti ad alta velocità.

"I piccoli satelliti non possono usare queste bande, perché richiede l'eliminazione di molti ostacoli normativi, e l'allocazione in genere va a grandi attori come enormi satelliti geostazionari, " dice Cahoy.

Cosa c'è di più, i trasmettitori necessari per i downlink di dati ad alta velocità possono utilizzare più energia di quella che i satelliti in miniatura possono ospitare pur continuando a supportare un carico utile. Per queste ragioni, i ricercatori hanno considerato i laser come una forma alternativa di comunicazione per CubeSats, poiché sono di dimensioni notevolmente più compatte e sono più efficienti dal punto di vista energetico, impacchettando molti più dati nei loro fasci strettamente focalizzati.

Ma le comunicazioni laser presentano anche una sfida significativa:poiché i raggi sono molto più stretti dei raggi delle onde radio, ci vuole molta più precisione per puntare i raggi verso un ricevitore a terra.

"Immagina di stare in fondo a un lungo corridoio e di puntare una grossa trave, come una torcia, a un bersaglio bersaglio all'altra estremità, " Cahoy dice. "Posso muovere un po' il braccio, e il raggio colpirà ancora il bersaglio. Ma se invece uso un puntatore laser, il raggio può facilmente allontanarsi dal bersaglio se mi muovo solo un po'. La sfida è mantenere il laser sul bersaglio anche se il satellite si muove".

Colore, deviato

La dimostrazione delle comunicazioni ottiche e dei sensori della NASA utilizza un sistema di comunicazione laser CubeSat che essenzialmente inclina e inclina l'intero satellite per allineare il suo raggio laser con una stazione di terra. Ma questo sistema di guida richiede tempo e risorse, e per ottenere una velocità di trasmissione dati più elevata, è necessario un laser più potente, che può utilizzare una grande frazione della potenza del satellite e generare quantità significative di calore a bordo.

Cahoy e il suo team hanno cercato di sviluppare un preciso sistema di puntamento laser che riducesse al minimo la quantità di energia e il tempo necessari per un downlink, e consentire l'uso di potenza inferiore, laser più stretti ma raggiungono velocità di trasmissione dati più elevate.

Il team ha sviluppato una piattaforma di puntamento laser, leggermente più grande di un cubo di Rubik, che incorpora un piccolo, prêt-à-porter, specchio MEMS orientabile. Lo specchio, che è più piccolo di un singolo tasto sulla tastiera di un computer, è rivolto verso un piccolo laser ed è angolato in modo che il laser possa rimbalzare sullo specchio, nello spazio, e verso il basso verso un ricevitore di terra.

"Anche se l'intero satellite è un po' disallineato, puoi ancora correggerlo con questo specchio, " Cierny dice. "Ma questi mirror MEMS non ti danno un feedback su dove stanno puntando. Diciamo che lo specchio è disallineato nel tuo sistema, che può verificarsi dopo alcune vibrazioni durante il lancio. Come possiamo correggere per questo, e sai esattamente dove stiamo puntando?"

Come soluzione, Cierny ha sviluppato una tecnica di calibrazione che determina di quanto un laser è disallineato dal bersaglio della sua stazione di terra, e corregge automaticamente l'angolo dello specchio per puntare con precisione il laser verso il suo ricevitore.

La tecnica incorpora un colore laser aggiuntivo, o lunghezza d'onda, nel sistema ottico. Quindi, invece di passare solo il raggio di dati, con esso viene inviato un secondo raggio di calibrazione di colore diverso. Entrambi i raggi rimbalzano sullo specchio, e il raggio di calibrazione passa attraverso un "dicroico divisore di raggio, "un tipo di elemento ottico che devia una specifica lunghezza d'onda della luce, in questo caso, il colore aggiuntivo, lontano dal raggio principale. Mentre il resto della luce laser si dirige verso una stazione di terra, il raggio deviato viene reindirizzato verso una telecamera di bordo. Questa fotocamera può anche ricevere un raggio laser in uplink, o faro, direttamente dalla stazione di terra; questo viene utilizzato per consentire al satellite di puntare al giusto bersaglio a terra.

Se il raggio beacon e il raggio di calibrazione atterrano esattamente nello stesso punto sul rilevatore della telecamera di bordo, il sistema è allineato, e i ricercatori possono essere sicuri che il laser sia posizionato correttamente per il downlink alla stazione di terra. Se, però, i raggi atterrano su diverse parti del rilevatore della telecamera, un algoritmo sviluppato da Cierny fa inclinare o inclinare lo specchio MEMS di bordo in modo che il punto del raggio laser di calibrazione si riallinea con il punto del beacon della stazione di terra.

"È come il gatto e il topo di due punti che entrano nella telecamera, e vuoi inclinare lo specchio in modo che un punto sia sopra l'altro, " dice Cahoy.

Per testare la precisione della tecnica, i ricercatori hanno modellato una configurazione da banco da laboratorio che includeva la piattaforma di puntamento laser e un segnale laser simile a un faro. La configurazione è stata progettata per simulare uno scenario in cui un satellite vola a 400 chilometri di altitudine sopra una stazione di terra e trasmette dati durante un cavalcavia di 10 minuti.

Impostano la precisione di puntamento minima richiesta a 0,65 milliradianti, una misura che corrisponde all'errore angolare accettabile per il loro progetto. Nei loro esperimenti hanno variato l'angolo in entrata del laser beacon e hanno osservato come lo specchio si inclina e si inclina per adattarsi al beacon. Alla fine, la tecnica di calibrazione ha raggiunto una precisione di 0,05 milliradianti, molto più precisa di quanto richiesto dalla missione.

Cahoy afferma che il risultato significa che la tecnica può essere facilmente modificata in modo che possa allineare con precisione raggi laser ancora più stretti di quanto originariamente previsto, che a sua volta può consentire a CubeSats di trasmettere grandi volumi di dati, come immagini e video di vegetazione, incendi boschivi, fitoplancton oceanico, e gas atmosferici, a velocità di trasmissione dati elevate.

"Questo dimostra che è possibile montare un sistema a bassa potenza in grado di rendere questi fasci stretti su questa minuscola piattaforma che è un fattore da 10 a 100 più piccolo di qualsiasi cosa sia mai stata costruita per fare qualcosa di simile prima, " Cahoy dice. "L'unica cosa che sarebbe più eccitante del risultato di laboratorio è vedere questo fatto dall'orbita. Questo motiva davvero a costruire questi sistemi e a portarli lassù".