Miniatuursatellieten kunnen lasers gebruiken in plaats van radiogolven om gegevens met hoge snelheid te verzenden

• Een nieuw laseraanwijssysteem kan CubeSats helpen om data met veel hogere snelheden te downlinken met minder bronnen aan boord.
• Het systeem bestaat uit een kleine, bestuurbare spiegel die de laser op de grondontvanger richt.

In de afgelopen twee decennia zijn er meer dan 2.000 CubeSats - miniatuursatellieten bestaande uit veelvouden van 10 * 10 * 10 centimeter el-eenheden - en zijn ze gepland om in de ruimte te worden gelanceerd. Een enkele CubeSat is meestal lichter dan 1,33 kilogram en gebruikt voor zijn elektronica en structuur commerciële standaardinstrumenten.

CubeSats verlagen de inzetkosten, minimaliseren het risico voor de rest van het lanceervoertuig en de ladingen, en ze zijn vaak geschikt voor lancering in veelvouden. Ze hebben een revolutie teweeggebracht in de satelliettechnologie omdat ze betaalbaarder zijn om te ontwikkelen en te lanceren dan conventionele zware ruimtevaartuigen.

De afgelopen paar jaar hebben deze miniatuursatellieten echter moeite gehad om grote hoeveelheden gegevens efficiënt naar de aarde over te brengen. Hun omvang en stroombeperkingen zijn de twee belangrijkste redenen voor dit probleem.

Naarmate meer data-intensieve en complexe componenten worden ingebouwd in miniatuursatellieten, bijvoorbeeld hyperspectrale imagers en multiband radiometers, kan de vraag naar downlink snel toenemen tot het punt waarop het bijna onmogelijk wordt om conventionele radiofrequentiecommunicatie te gebruiken.

Op dit moment gebruiken satellieten radiogolven om gegevens naar grondstations te verzenden. Bijna alle grote satellieten in de ruimte hebben hoogfrequente radiobanden toegewezen gekregen om snel grote hoeveelheden gegevens naar grote grondantennes te sturen. Ze zijn geschikt voor grotere apparatuur die nodig is om gegevensoverdracht met hoge snelheid te ondersteunen.

CubeSats daarentegen zijn relatief klein van formaat en hebben beperkte toegang tot hoogfrequente radiobanden. Deze satellieten kunnen ook geen stroomverbruikende zenders accommoderen die geschikt zijn voor data-downlinks met hoge snelheid.

De oplossing:laseraanwijssysteem

Nu hebben onderzoekers van MIT een laseraanwijssysteem ontworpen - bijna zo groot als Rubik's kubus - voor deze miniatuursatellieten waarmee ze gegevens met veel hogere snelheden kunnen downlinken met minder bronnen aan boord.

Het zal een CubeSat die over een grondstation gaat in staat stellen om bij elke flyby terabytes aan gegevens te verzenden. Als dit laseraanwijssysteem wordt gebruikt voor meerdere CubeSats in een baan om de aarde, kunnen ze wereldwijde en realtime dekking bieden.

Referentie: Optische techniek | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Hoewel laser veel meer gegevens kan vervoeren, vormen communicatiesystemen op basis van lasers een uitzonderlijke uitdaging. Omdat laserstralen erg smal zijn, moeten ze nauwkeurig worden gericht op ontvangers op de grond, wat niet zo eenvoudig is als geluiden.

Het nieuwe laseraanwijsplatform zou de tijd en energie die nodig is voor een downlink minimaliseren, terwijl hogere transmissiesnelheden worden bereikt. Het bestaat uit een kleine, bestuurbare spiegel van het micro-elektromechanische systeem (MEMS) die naar een laserstraal is gericht en zo is uitgelijnd dat de laser van de spiegel de ruimte in en naar een antenne op de grond kan kaatsen.

Een extra straal

Deze spiegels hebben verschillende voordelen - de positie van de spiegel kan bijvoorbeeld worden gecorrigeerd, zelfs als de hele satelliet enigszins scheef staat - maar ze geven geen feedback over waar ze de laserstraal naartoe sturen.

Nieuw laseraanwijsplatform | Krediet:MIT

Om met dergelijke situaties om te gaan, hebben onderzoekers een extra lasergolflengte in hun systeem ingebouwd. Het past automatisch de positie van de spiegel aan om de laser op de grondontvanger te richten.

Het laser-aanwijssysteem voegt een kalibratiestraal van verschillende golflengten (kleur) toe aan de datastraal. Nu zijn er twee bundels die door de spiegel worden gereflecteerd:de tweede gaat door een optisch element genaamd dichroïsche bundelsplitser, die de kalibratiebundel (op een bepaalde golflengte, d.w.z. de extra kleur) afbuigt van de databundel.

Terwijl de laser naar de antenne op de grond beweegt, wordt de afgebogen straal terug gericht naar een camera aan boord. De camera ontvangt ook de straal die van de grondantenne komt.

Lezen:de nieuwe snelste optische vezel verzendt 1 petabit/seconde

Het systeem matcht vervolgens beide stralen en als ze allebei op dezelfde plek op de sensor van de camera landen, is de ingebouwde MEMS-spiegel perfect uitgelijnd. Anders wordt een aangepast algoritme gebruikt om de spiegel naar de juiste positie te kantelen.