CubeSats bereiken snellere datalinks met lasertechnologie, minder onboard middelen nodig

Een nieuw laserwijsysteem kan CubeSats helpen data met veel hogere snelheden te downlinken met minder onboard middelen. Het systeem bestaat uit een kleine, stuurbare spiegel die de laser richt op de grondgebaseerde ontvanger.

De uitdaging van CubeSat-communicatie

In de afgelopen twee decennia zijn meer dan 2.000 CubeSats — miniaturen satellieten bestaande uit veelvouden van 10×10×10 centimeter kubieke eenheden — gelanceerd of gepland te lanceren. Een enkele CubeSat is meestal lichter dan 1,33 kilogram en gebruikt commerciële off-the-shelf instrumenten voor elektronica en structuur.

CubeSats verlagen implementatiekosten, minimaliseren risico's voor de rest van het lancervoertuig en de payload, en zijn vaak geschikt voor lancering in multiples. Ze hebben satelliettechnologie gerevolutioneerd omdat ze goedkoper te ontwikkelen en lanceren zijn dan conventionele zware ruimtevaartuigen.

Echter, de afgelopen paar jaar worstelen deze miniaturen satellieten om grote datavolumes efficiënt naar de aarde over te dragen. Hun grootte en energiebeperkingen zijn de twee hoofdoorzaken.

Naarmate meer data-intensieve en complexe componenten in miniaturen satellieten geïntegreerd worden — bijvoorbeeld hyperspectrale imagers en multiband radiometers — kan de downlink-eis snel stijgen tot een punt waar conventionele radiofrequentiecommunicatie bijna onmogelijk wordt.

Op dit moment gebruiken satellieten radiogolven om data naar grondstations te zenden. bijna alle grote satellieten in de ruimte hebben hoge-frequentie radiobanden toegewezen om snel grote hoeveelheden data naar grote grondantennes te sturen. Ze kunnen grotere apparatuur onderbrengen die nodig is voor hoge-snelheids data-overdracht.

CubeSats zijn daarentegen relatief klein en hebben beperkte toegang tot hoge-frequentie radiobanden. Ook kunnen deze satellieten geen stroomverbruikende zenders onderbrengen die geschikt zijn voor hoge-snelheids downlinks.

De oplossing: Laserwijsysteem

Onderzoekers van MIT hebben nu een laserwijsysteem bedacht — ongeveer de grootte van een Rubik's kubus — voor deze miniaturen satellieten waarmee ze data met veel hogere snelheden kunnen downlinken met minder onboard middelen.

Het stelt een CubeSat die over een grondstation vliegt in staat om terabytes aan data per overvlucht over te dragen. Als dit laserwijsysteem op meerdere CubeSats in de baan wordt ingezet, kunnen ze wereldwijde en real-time dekking leveren.

Referentie: Optical Engineering | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Hoewel laser veel meer data kan dragen, brengen lasergebaseerde communicatiesystemen een uitzonderlijke uitdaging met zich mee. Omdat laserstralen erg smal zijn, moeten ze precies gericht worden op grondgebaseerde ontvangers, wat niet zo eenvoudig is als het klinkt.

Het nieuwe laserwijplatform minimaliseert de tijd en energie die nodig is voor een downlink, terwijl hogere transmissiesnelheden bereikt worden. Het bestaat uit een kleine, stuurbare micro-electro-mechanische systeem (MEMS) spiegel die een laserstraal reflecteert en zo uitgelijnd is dat de laser van de spiegel in de ruimte en naar een grondgebaseerde antenne kan botsen.

Een additionele straal

Deze spiegels hebben verschillende voordelen — bijvoorbeeld kan de positie van de spiegel gecorrigeerd worden zelfs als de hele satelliet iets misgaat uitlijnen — maar ze geven geen feedback over waar ze de laserstraal richten.

Nieuw Laser Wijplatform | Credit: MIT

Om dergelijke situaties aan te pakken, voegden onderzoekers een additionele lasergolfengte toe aan hun systeem. Het past de positie van de spiegel automatisch aan om de laser op de grondgebaseerde ontvanger te richten.

Het laserwijsysteem voegt een kalibratiestraal van een andere golfengte (kleur) toe aan de datastraal. Nu reflecteren twee stralen van de spiegel: de tweede passeert door een optisch element genaamd dichroic beam splitter, die de kalibratiestraal (op een specifieke golfengte, de additionele kleur) van de datastraal afbuigt.

Terwijl de laser naar de grondantenne beweegt, wordt de afgebogen straal terug gewezen naar een onboard camera. De camera ontvangt ook de straal die van de grondantenne komt.

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