Lasertechnologie benutten om NASA-missiedata naar de aarde te leveren

NASA lanceert satellieten, rovers en orbiters om de plaats van de mensheid in de Melkweg te onderzoeken. Wanneer deze missies hun bestemming bereiken, vangen hun wetenschappelijke instrumenten beelden, video's en waardevolle inzichten over de kosmos op. Communicatie-infrastructuur in de ruimte en op de grond stelt de data die door deze missies verzameld is in staat de aarde te bereiken. Zonder grondstations om het te ontvangen, zou de buitengewone data die door deze missies vastgelegd is, in de ruimte vastzitten, onbereikbaar voor wetenschappers en onderzoekers op aarde.

Sinds de aanvang van de ruimteverkenning hebben NASA-missies primair vertrouwd op radiofrequentiecommunicatie voor deze overdracht van informatie. NASA's ruimte-gebaseerde Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) zal lasercommunicatie demonstreren — een revolutionaire manier om data van de ruimte naar de grond te communiceren.

LCRD's grondstations, bekend als Optical Ground Station (OGS) -1 en -2, zijn gelegen op Table Mountain, Californië, en Haleakalā, Hawaï. Deze afgelegen, hooggelegen locaties zijn gekozen voor hun heldere weersomstandigheden. Hoewel lasercommunicatie verhoogde data-overdrachtsnelheden kan bieden, kunnen atmosferische storingen zoals wolken en turbulentie laser signalen verstoren wanneer ze de aardse atmosfeer binnengaan.

"De manier waarop de lokale meteorologie werkt, er is minimale stof en minder atmosferische turbulentie op de top van de berg, wat geweldig is voor lasercommunicatie," zei Ron Miller van NASA's Goddard Space Flight Center. "Het is ongeveer 10.000 voet omhoog, dus je bent boven een groot deel van de atmosfeer en het weer dat onder de top plaatsvindt. Het is heel gebruikelijk om een mooie zonnige dag aan de top te hebben en bewolkt te zijn rond het midden van de berg."

NASA-communicatie-ingenieurs selecteerden deze sites omdat hun weerspatronen elkaar typisch complementeren. Wanneer OGS-1 in Californië bewolkt is, neigt OGS-2 in Hawaï ertoe helder te zijn — en vice versa. Om wolkenbedekking te monitoren en te bepalen welk station gebruikt moet worden, leverde commercieel partner Northrop Grumman een atmosferische monitoringsstation dat weersomstandigheden op Haleakalā observeert. Deze monitoringsstation draait vrijwel autonoom 24 uur per dag, zeven dagen per week. OGS-1 heeft vergelijkbare weermonitoringscapaciteiten op Table Mountain.

Ondanks de meestal heldere weersomstandigheden op deze locaties, moeten NASA-ingenieurs nog steeds werken om de effecten van atmosferische turbulentie op de data ontvangen door OGS-1 en OGS-2 te reduceren. Om dit te doen, benutten beide stations de kracht van adaptieve optica.

"Een adaptieve optica-systeem gebruikt een sensor om de vervorming van het elektromagnetische signaal dat van het ruimtevaartuig afdaalt te meten," zei 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, dan kunnen we het door een deformeerbare spiegel sturen die zijn vorm verandert om die aberraties die de atmosfeer induceert te verwijderen. Dat stelt ons in staat om een mooi, pristijn signaal te hebben."

Terwijl OGS-2 specifiek ontwikkeld was voor de LCRD-missie, is OGS-1 gebaseerd op JPL's Optical Communications Telescope Laboratory, die gebruikt werd voor eerdere lasercommunicatiedemonstraties. Om OGS-1 klaar te maken voor LCRD-ondersteuning, moesten ingenieurs de grondstation upgraden. Een dergelijke upgrade betrof het vervangen van de spiegels om betere reflectiviteit en hogere laser te hebben.

Voordat de missie-ondersteuning begint, zal LCRD ongeveer twee jaar testen en experimenten uitvoeren. Tijdens deze tijd zullen OGS-1 en OGS-2 fungeren als gesimuleerde gebruikers, data van het ene station naar LCRD sturen en dan naar het volgende. Deze tests zullen de luchtvaartgemeenschap in staat stellen te leren van LCRD en de technologie verder te verfijnen voor toekomstige implementatie van lasercommunicatiesystemen. Na de experimentele fase zal LCRD ruimtemissies ondersteunen. Missies, zoals een terminal op het Internationale Ruimtestation, zullen data naar LCRD sturen, wat het dan naar OGS-1 of OGS-2 zal straalen.

LCRD is een hosted payload op de Department of Defense's Space Test Program Satellite-6 (STP-Sat-6). Terwijl LCRD een lasercommunicatie-payload is, zal het ruimtevaartuig nog steeds een radiofrequentieverbinding met de grond hebben. De Payload to Ground Link Terminal (PGLT) gelegen bij het White Sands Complex in de buurt van Las Cruces, New Mexico, zal tracking, telemetrie en commando data naar het ruimtevaartuig over radiogolven communiceren. NASA beheert LCRD's grond-elementen — OGS-1, OGS-2 en PGLT — vanuit LCRD's missie-operatiecentrum bij White Sands.

"Het missie-operatiecentrum is de centrale hersenen van het LCRD-systeem," zei Miriam Wennersten, LCRD's grondsegmentmanager van NASA Goddard. "Het coördineert de configuratie van de payload en alle drie grondstations tegelijkertijd, het plannen van de diverse optische diensten en links."

Zonder grondinfrastructuur zou buitengewone wetenschappelijke en verkenningdata het niet naar onderzoekers op aarde maken. LCRD's grondsegment zal cruciaal zijn voor het succes van de missie, het bieden van ingenieurs de kans om lasercommunicatie te testen en te verfijnen. Op zijn beurt zal LCRD een nieuw tijdperk van lasercommunicatie inluiden, waar missies ongekende toegang zullen hebben tot inzichten verkregen van satellieten en sondes in de ruimte.