NASA-gegevens naar de grond krijgen met lasers

NASA lanceert satellieten, rovers en orbiters om de plaats van de mensheid in de Melkweg te onderzoeken. Wanneer deze missies hun bestemming bereiken, leggen hun wetenschappelijke instrumenten beelden, video's en waardevolle inzichten over de kosmos vast. Dankzij communicatie-infrastructuur in de ruimte en op de grond kunnen de gegevens die door deze missies worden verzameld, de aarde bereiken. Zonder grondstations om het te ontvangen, zouden de buitengewone gegevens die door deze missies zijn vastgelegd echter in de ruimte blijven steken en wetenschappers en onderzoekers op aarde niet kunnen bereiken.

Sinds het begin van de verkenning van de ruimte, hebben NASA-missies voornamelijk vertrouwd op radiofrequentiecommunicatie voor deze overdracht van informatie. NASA's op de ruimte gebaseerde Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) zal lasercommunicatie demonstreren - een revolutionaire manier om gegevens vanuit de ruimte naar de grond te communiceren.

De grondstations van LCRD, bekend als Optical Ground Station (OGS) -1 en -2, bevinden zich op de Tafelberg, Californië, en Haleakalā, Hawaï. Deze afgelegen, op grote hoogte gelegen locaties zijn gekozen vanwege hun heldere weersomstandigheden. Hoewel lasercommunicatie hogere gegevensoverdrachtsnelheden kan opleveren, kunnen atmosferische storingen zoals wolken en turbulentie lasersignalen verstoren wanneer ze de aardatmosfeer binnendringen.

"Door de manier waarop de lokale meteorologie werkt, is er minimaal stof en minder atmosferische turbulentie op de top van de berg, wat geweldig is voor lasercommunicatie", zegt Ron Miller van NASA's Goddard Space Flight Center. "Het is ongeveer 10.000 voet omhoog, dus je bent boven veel van de atmosfeer en het weer dat zich onder de top voordoet. Het is heel gewoon om een ​​mooie zonnige dag op de top te hebben en bewolkt te zijn rond het midden van de berg.”

NASA-communicatie-ingenieurs hebben deze sites gekozen omdat hun weerpatronen elkaar meestal aanvullen. Wanneer OGS-1 in Californië bewolkt is, is OGS-2 in Hawaï meestal helder - en omgekeerd. Om de bewolking te bewaken en te bepalen welk station moet worden gebruikt, heeft commerciële partner Northrop Grumman een atmosferisch meetstation geleverd dat de weersomstandigheden in Haleakalā waarneemt. Deze meldkamer draait bijna autonoom, 24 uur per dag, zeven dagen per week. OGS-1 heeft vergelijkbare mogelijkheden voor weermonitoring op de Tafelberg.

Ondanks het doorgaans heldere weer op deze locaties, moeten NASA-ingenieurs nog steeds werken aan het verminderen van de effecten van atmosferische turbulentie op de gegevens die door OGS-1 en OGS-2 worden ontvangen. Om dit te doen, maken beide stations gebruik van de kracht van adaptieve optica.

"Een adaptief optisch systeem gebruikt een sensor om de vervorming te meten van het elektromagnetische signaal dat uit het ruimtevaartuig komt", zegt Tom Roberts, de manager van OGS-1-ontwikkeling en -operaties bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. “Als we die vervorming kunnen meten, kunnen we hem door een vervormbare spiegel sturen die van vorm verandert om de aberraties die de atmosfeer veroorzaakt weg te nemen. Dat stelt ons in staat om een ​​mooi, ongerept signaal te hebben.”

Terwijl OGS-2 speciaal is ontwikkeld voor de LCRD-missie, is OGS-1 gebaseerd op JPL's Optical Communications Telescope Laboratory, dat werd gebruikt voor eerdere demonstraties van lasercommunicatie. Om OGS-1 klaar te maken voor LCRD-ondersteuning, moesten ingenieurs het grondstation upgraden. Een van die upgrades was het vervangen van de spiegels voor een betere reflectiviteit en een hogere laser.

Voorafgaand aan missieondersteuning zal het LCRD ongeveer twee jaar besteden aan het uitvoeren van tests en experimenten. Gedurende deze tijd zullen OGS-1 en OGS-2 fungeren als gesimuleerde gebruikers, waarbij gegevens van het ene station naar het LCRD worden verzonden en vervolgens naar het volgende. Met deze tests kan de luchtvaartgemeenschap leren van LCRD en de technologie verder verfijnen voor toekomstige implementatie van lasercommunicatiesystemen. Na de experimentele fase zal het LCRD ruimtemissies ondersteunen. Missies, zoals een terminal op het International Space Station, sturen gegevens naar LCRD, die deze vervolgens naar OGS-1 of OGS-2 sturen.

LCRD is een gehoste payload op het Space Test Program Satellite-6 (STP-Sat-6) van het Department of Defense. Hoewel LCRD een nuttige lading voor lasercommunicatie is, heeft het ruimtevaartuig nog steeds een radiofrequentieverbinding met de grond. De Payload to Ground Link Terminal (PGLT) in het White Sands Complex nabij Las Cruces, New Mexico, zal via radiogolven tracking-, telemetrie- en commandogegevens aan het ruimtevaartuig doorgeven. NASA beheert de grondelementen van LCRD - OGS-1, OGS-2 en PGLT - vanuit het missiecentrum van LCRD in White Sands.

"Het missiecentrum is het centrale brein van het LCRD-systeem", zegt Miriam Wennersten, LCRD's grondsegmentmanager van NASA Goddard. "Het coördineert de configuratie van de nuttige lading en alle drie de grondstations tegelijkertijd en plant de verschillende optische services en verbindingen."

Zonder grondinfrastructuur zouden buitengewone wetenschappelijke en exploratiegegevens de onderzoekers op aarde niet bereiken. Het grondsegment van LCRD zal van cruciaal belang zijn voor het succes van de missie en biedt ingenieurs de mogelijkheid om lasercommunicatie te testen en te verfijnen. Op zijn beurt zal LCRD een nieuw tijdperk van lasercommunicatie inluiden, waarin missies ongekende toegang zullen hebben tot inzichten die zijn verkregen van satellieten en sondes in de ruimte.