Новая платформа лазерного наведения, разработанная в Массачусетском технологическом институте, может помочь миниатюрным спутникам вступить в игру высокоскоростной передачи данных. С 1998 года было запущено почти 2000 спутников размером с обувную коробку, известных как CubeSat. Из-за своей миниатюрной формы и того факта, что их можно собирать из готовых деталей, CubeSat значительно дешевле в сборке и запуске, чем традиционные монстры стоимостью сотни миллионов долларов.
CubeSat изменили принципы создания спутников, поскольку их можно запускать целыми стаями для дешевого мониторинга больших участков поверхности Земли. Но поскольку сами CubeSat оснащают все более и более продвинутыми инструментами, крошечные космические аппараты не успевают эффективно передавать большие объемы данных на Землю из-за ограничений по мощности и размеру.
CubeSat: крошечный посланник Земли
Новая платформа лазерного наведения для CubeSat, подробно описанная в журнале Optical Engineering, позволяет «кубсатам» передавать данные вниз, используя меньше бортовых ресурсов при гораздо более высоких скоростях, чем возможны в настоящее время. Вместо того, чтобы отправлять по несколько изображений каждый раз, когда «кубсат» проходит через наземную станцию, спутники получат возможность передавать тысячи изображений с высоким разрешением с каждым пролетом.
«Чтобы получить ценные сведения из наблюдений Земли, можно использовать гиперспектральные изображения, которые берут снимки на множестве длин волн света и создают терабайты данных, их «кубсатам» очень сложно передавать», говорит Керри Кахой, доцент аэронавтики и астронавтики в MIT. «Но с высокоскоростной системой лазеркома мы сможем отправлять эти детализированные изображения достаточно быстро. И я думаю, эта способность сделает в целом подход CubeSat, с использованием множества спутников на орбите, более реалистичным, так что мы получим глобальное и сиюминутное покрытие».
За пределами радиодиапазона
Спутники обычно передают данные на землю при помощи радиоволн; более высокоскоростные линии связываются с большими наземными антеннами. Каждый крупный спутник в космосе осуществляет связь в высокочастотном радиодиапазоне, что позволяет ему быстро передавать большие объемы данных. Но большие спутники могут приспособиться к большим радиотарелкам или массивам, которые поддерживают высокоскоростную передачу. «Кубсаты» слишком малы и обладают ограниченным доступом к полосам частот, которые поддерживают высокоскоростные каналы.
«Небольшие спутники не могут использовать эти полосы, потому что нужно решать кучу регуляторных вопросов, получать разрешение, этим обычно занимаются крупные игроки вроде больших геостационарных спутников», говорит Кахой.
Более того, передатчики, необходимые для высокоскоростной передачи данных, могут использовать больше энергии, чем могут позволить себе высвободить небольшие спутники, поддерживающие работу начинки. По этой причине инженеры обратились к лазерам как к альтернативной форме коммуникации для «кубсатов», поскольку лазеры значительно компактнее и эффективнее в расходовании энергии – они сжимают больше данных в тщательно сфокусированные пучки.
Однако лазерные коммуникации также сталкиваются с проблемами: поскольку пучки намного более узкие, чем лучи радиоволн, требуется гораздо больше точности, чтобы направить пучки на приемник на земле.
«Представьте, что стоите в конце длинного коридора и наводите толстый луч, как из фонарика, на мишень с яблочком на другом конце», говорит Кахой. «Я могу немного пошевелить рукой и луч все равно попадет в яблочко. Но если я возьму лазерную указку, луч легко может выйти с яблочка, если я немного пошевельнусь. Задача состоит в том, как удержать лазер в яблочке даже если спутник будет покачиваться».
Демонстрация оптических коммуникаций и датчиков NASA использует систему лазерных коммуникаций на CubeSat, которая по своей сути наклоняет и толкает весь спутник, чтобы выровнять его лазерный луч с наземной станцией. Но эта система рулевого управления требует времени и ресурсов, и для достижения более высокой скорости передачи данных необходим более мощный лазер, который сможет при необходимости использовать большую часть мощности спутника и генерировать значительное количество тепла на борту.
Кахой и ее команда решили разработать точную систему лазерного наведения, которая минимизировала бы количество энергии и времени, требуемого для передачи данных на землю, и позволила бы использовать менее мощные, узкие лазеры, но все ее достигать более высоких скоростей передачи.
Команда разработала платформу для лазерного наведения, размером чуть больше «кубика Рубика», которая включает небольшое и готовое управляемое зеркало MEMS. Это зеркало, которое по размерам меньше клавиши на клавиатуре, обращено к небольшому лазеру и расположено под углом, так что лазер может отскочить от зеркала в пространство и отправиться вниз, к наземному приемнику.
«Даже если весь спутник немного смещен, это можно исправить с помощью этого зеркала», говорит один из членов команды. «Но зеркала MEMS не дают вам обратной связи о том, куда указывают. Допустим, зеркало смещено в вашей системе, такое может произойти из-за некоторых вибраций во время запуска. Как нам исправить это, как узнать точно, куда мы указываем?».
В качестве решения ученые разработали метод калибровки, который определяет, насколько лазер смещен относительно цели его наземной станции, и автоматически корректирует угол зеркала, чтобы точно направить лазер на его приемник.
Этот метод включает дополнительный цвет лазера, или длину волны, в оптическую систему. Таким образом, вместо того, чтобы просто пропускать пучок данных, посылается и второй калибровочный луч, другого цвета. Оба луча отскакивают от зеркала и калибровочный луч проходит через «дихроичный расщепитель пучка», оптический элемент, который отклоняет определенную длину волны света — в данном случае, дополнительный цвет — от основного луча. Когда остальная часть лазерного излучения уходит к наземной станции, отведенный пучок направляется обратно в бортовую камеру. Эта камера также может принимать восходящий лазерный пучок, или маяк, непосредственно от наземной станции; это поможет спутнику настроиться на правильную наземную цель.
Если луч маяка и калибровочный пучок попадают точно в одно и то же место на детекторе бортовой камеры, система выравнивается, и исследователи могут быть уверены, что лазер правильно расположен для связи с наземной станцией. Однако, если лучи попадают в разные части детектора камеры, специальный алгоритм направляет встроенное зеркало MEMS так, что оно наклоняется и калибровочный лазерный пучок выравнивается с точкой маяка наземной станции.
«Это как кошки-мышки двух точек, попадающих в камеру, вам нужно наклонить зеркало так, чтобы одна точка оказалась над другой».
Чтобы проверить точность метода, ученые разработали лабораторный стенд с лазерно-указательной платформой и лазерным сигналом по типу маяка. Установка должна была имитировать сценарий, в котором спутник пролетает на высоте 400 километров над наземной станцией и передает данные в течение 10-минутного сеанса.
Ученые установили минимальную требуемую точность наведения в 0,65 миллирадиан — эта мера угловой ошибки приемлема для их конструкции. В конце концов, метод калибровки позволил получить точность 0,05 миллирадиан, что намного точнее, чем того требует миссия.
«Это показывает, что на такой крошечной платформе можно установить систему с низким энергопотреблением и узкими пучками, и она будет в 10-100 раз меньше, чем все, что когда-либо создавалось подобное прежде», говорит Кахой. «Единственное, что было бы интереснее результатов лабораторных исследований — увидеть, как это происходит, с орбиты. Вот, что мотивирует создание таких систем и вывод их туда».
