På den mörka, tidiga morgonhimlen den 21 mars över NASA:s Wallops Island Flight Facility på Virginia-kusten bar en raketelektronraket med sig ett manifest från National Reconnaissance Office (NRO) med tre samarbetsuppdrag i en låg omloppsbana – inklusive det senaste stycket av hemodlad rymdhårdvara från Naval Postgraduate School (NPS).

Leds av biträdande forskningsprofessorerna Dr. Wenschel Lan, huvudutredare, och Dr. Giovanni Minelli, medföreståndare, från NPS Space Systems Academic Group (SSAG), inkluderar Mola CubeSat-uppdraget som lanserades i rymden ombord på NROL-123 två nyttolaster experiment byggda av NPS – en terahertz-bildkamera (TIC) och en LED on-orbit payload (LOOP) – och en radiosändare byggd av Nya Zeelands Defense Science and Technology-enhet.

NPS Institutionen för fysik Docent Fabio Alves, tillsammans med docent Drago Grbovic och professor emeritus Gamani Karunasiri, har lett arbetet med att främja TIC och tekniken bakom den. Sedan 2018 har ett NPS-campussamarbete mellan Sensor Research Lab och Small Satellite Lab gjort det möjligt för lärare och studenter att utveckla en serie flyglaster för att demonstrera denna banbrytande teknik.

LOOP, byggd av Ph.D. kandidat U.S. Marine Corps Maj. Dillon Pierce, är det första steget mot en optisk spårnings- och kommunikationskapacitet.

Den långsiktiga ansträngningen syftar till att främja NPS-forskningen om optisk kommunikation i fritt utrymme för CubeSats och små satelliter, genom att använda högriktade optiska lasrar för att öka hastigheten och säkerheten för kommunikationer i låg omloppsbana (LEO) samtidigt som man undviker överbelastade radiofrekvenser.

Det första experimentet med LOOP är att visuellt observera de ultraljusa lysdioderna på satelliten. Planerna är att så småningom spåra LOOP med ett 70-centimeters optiskt terminalteleskop baserat ovanpå taket på NPS Spanagel Hall.

"NPS-uppdraget är att utbilda våra krigsforskare, och Mola kommer säkerligen att fortsätta att uppnå det målet", sa Lan.

"Under de senaste åren har vi integrerat den här forskningen i rymdsystems kurser så att studenter kan arbeta med riktig rymdfärdshårdvara som en del av sin vanliga läroplan utöver examensarbetet. Vi har också haft en fantastisk erfarenhet av att arbeta med våra Five Eyes partners, och det har gett oss en chans att samarbeta med våra kollegor på campus också."

Molas nyttolaster stöds direkt av NPS Mobile CubeSat Command and Control (MC3)-nätverk, en försvarsdepartementets sponsrad insats som började 2011 på NPS.

Under åren har SSAG utvecklat partnerskap med nio andra spårningsanläggningar, vilket har lett till ett samhällsbaserat, amerikanskt regeringssponsrat markstationsnätverk för små satelliter, eller SmallSats. Dessa inkluderar tre andra DOD-serviceuniversitet, civila institutioner, industripartners och statliga myndigheter över hela landet, som arbetar inom ett distribuerat driftnätverk som delar spårningsansvar via parallella markstationer.

MC3-projektet bidrar till en viktig samarbetsrelation mellan Five Eyes (FVEY), en underrättelseallians mellan Australien, Kanada, Nya Zeeland, Storbritannien och USA. Dessa länder är parter i ett fördrag om gemensamt samarbete inom signalunderrättelseverksamhet, och MC3-nätverket planerar att så småningom samarbeta med FVEY International SmallSat Command and Control Network (ISC2N).

Av en slump var Minelli och SSAGs fakultetsassistent Alex Savattone i Auckland, Nya Zeeland för lanseringen av NROL-123.

"Vi är i Auckland för ett möte ansikte mot ansikte för att stödja FVEY-programmet. Molas lansering var slumpmässigt för oss eftersom ett av Molas huvudmål är att demonstrera kommunikation med FVEY-markstationerna", säger Minelli.

De första timmarna efter att Mola sköts upp var intensiva och spännande, eftersom teamet försökte etablera kommunikation med satelliten. Och det gick väldigt bra.

"Teamet, ledd av Dr. Wenschel Lan och Dr. Gio Minelli, hade inhämtande av data från CubeSat vid det första passet efter utplaceringen", säger Dr. Jim Newman, SSAG-ordförande.

Det kan låta enkelt – men det är det inte, med många procedursteg som måste slutföras när elektronraketen har utplacerat sina nyttolaster i låg jordomloppsbana (LEO).

"När rymdfarkosten skjuts ut, kommer den att driva upp sig själv," förklarade Minelli före uppskjutningen. "Den kommer att slå på sin GPS-mottagare för att bestämma sin position. Dess stjärnspårare kommer att ta bilder av stjärnorna och bestämma satellitens orientering baserat på en förladdad stjärnkarta. Om batterinivåerna är tillräckliga kommer satelliten sedan att slå på sina reaktionshjul och försök att stabilisera sig själv, med sina solpaneler vända mot solen."

Känslorna under uppskjutningen och utplaceringen av Mola var något spända, eftersom både studenters och forskares år av hårda arbete hade byggts upp fram till det ögonblicket, när satelliten passerade över NPS, redo att försöka kommunicera cirka 90 minuter efter uppskjutningen.

"Det har varit en lång väg - vi skrev ursprungligen vitboken som beskrev detta koncept 2019. Så småningom fick vi finansiering, navigerade pandemin och byggde den", sa Minelli. "Vi är ett väldigt litet team och vi är många som lägger ner på ett sådant här uppdrag. Varje gruppmedlem och elev bidrog avsevärt, annars skulle det här inte fungera."

Praktiskt, upplevelsebaserat studentinlärning har varit en kärnprioritet för SSAG sedan starten 1982. Denna senaste uppskjutning bygger på NPS första försök att skjuta upp satelliter i rymden. Tillbaka på 1990-talet ledde den mångåriga SSAG-ordföranden Dr Rudy Panholzer designen, utvecklingen, byggandet och lanseringen av PANSAT, eller Petite Amateur Navy Satellite. Programmet stödde mer än 50 magisterexamen och utbildade många andra.

PANSAT sattes in från rymdfärjan Discovery på STS-95 1998, samma flygning som inkluderade tidigare Project Mercury-astronauten och USA:s senator John Glenn, och den presterade över alla förväntningar. Med en batteritid och inbyggda system som beräknas fungera i cirka 36 månader, förblev PANSAT i kommunikation med NPS markstationer i nästan åtta år!

SSAG-teamet har lanserat nyttolaster på rymdfärjan, flera CubeSats, små satelliter och innovativ CubeSat-utbyggnadsteknik. Och Mola och framtida projekt är nu redo att fortsätta bygga vidare på denna viktiga flyghistoria.

Enligt Lan har denna historia i det förflutna och kommer i framtiden att stödja marinrelevant lärande – att utveckla prisvärda rymdtillgångar som inte bara är inlärningsmöjligheter för elever, utan också kommer att demonstrera skalbar teknologi för marin- och försvarsoperationer i rymden.

"Ett av våra mål för SSAG är att ha satelliter som eleverna kan använda för att lära sig rymdfarkoster," sa Lan. "Vi har haft så många studenter som redan bidrar till Mola, och de kommande årskullarna kommer att fortsätta att skörda frukterna."

Naval förmåga inom den maritima domänen beror i allt högre grad på effektiva kunskaper och färdigheter, såsom de som lärs ut vid NPS, för att distribuera och driva system i rymddomänen.

"NPS ger den typ av praktisk inlärningserfarenhet med direkt uppdragsansökan som vår marinens sekreterare, Carlos Del Toro, hade nytta av själv när han var en NPS Space Systems-student, och vi avser att fortsätta att erbjuda våra studenter sådana möjligheter i framtiden", sa Newman.

Tillhandahålls av Naval Postgraduate School