En ny laser-pekplattform som utvecklats vid MIT kan hjälpa till att skjuta miniatyrsatelliter in i dataspelet med hög hastighet.

Sedan 1998 har nästan 2, 000 satelliter i skokartongstorlekar som kallas CubeSats har skjutits upp i rymden. På grund av sin lilla ram och det faktum att de kan tillverkas av delar från hyllan, CubeSats är betydligt billigare att bygga och lansera än traditionella behemoths som kostar hundratals miljoner dollar.

CubeSats har blivit spelväxlare inom satellitteknik, eftersom de kan skickas upp i flockar för att billigt övervaka stora delar av jordens yta. Men eftersom alltmer kapabla miniatyriserade instrument gör att CubeSats kan ta mycket detaljerade bilder, den lilla rymdfarkosten kämpar för att effektivt överföra stora mängder data ner till jorden, på grund av begränsningar i kraft och storlek.

Den nya laserpekande plattformen för CubeSats, som beskrivs i tidningen Optisk teknik , gör att CubeSats kan nedlänka data med färre resurser ombord till betydligt högre hastigheter än vad som för närvarande är möjligt. Istället för att bara skicka ner några bilder varje gång en CubeSat passerar över en markstation, satelliterna ska kunna nedlänka tusentals högupplösta bilder med varje flyby.

"För att få värdefulla insikter från jordobservationer, hyperspektrala bilder, som tar bilder vid många våglängder och skapar terabyte med data, och som verkligen är svåra för CubeSats att komma ner, kan användas, "säger Kerri Cahoy, docent i luftfart och astronautik vid MIT. "Men med ett högklassigt lasercom-system skulle du kunna skicka ner dessa detaljerade bilder snabbt. Och jag tror att denna förmåga kommer att göra hela CubeSat-tillvägagångssättet, använder många satelliter i omloppsbana så att du kan få global och realtids täckning, mer verklighet. "

Cahoy, som är Rockwell International Career Development Associate Professor vid MIT, är medförfattare på tidningen, tillsammans med doktorand Ondrej Cierny, vem är huvudförfattaren.

Bortom radio

Satelliter nedlänkar vanligtvis data via radiovågor, som för högre hastighetslänkar skickas till stora markantenner. Varje större satellit i rymden kommunicerar inom högfrekventa radioband som gör att de snabbt kan överföra stora mängder data. Men större satelliter rymmer de större antennskålarna eller matriserna som behövs för att stödja en nedlänk med hög hastighet. CubeSats är för små, och har också begränsad tillgång till frekvensband som kan stödja höghastighetslänkar.

"Små satelliter kan inte använda dessa band, eftersom det kräver att många regleringshinder rensas ut, och fördelningen går vanligtvis till stora spelare som stora geostationära satelliter, Säger Cahoy.

Vad mer, de sändare som krävs för höghastighetsdatanedlänkar kan använda mer ström än miniatyrsatelliter kan ta emot samtidigt som de stöder en nyttolast. Av dessa anledningar, forskare har tittat på lasrar som en alternativ kommunikationsform för CubeSats, eftersom de är betydligt mer kompakta i storlek och är mer energieffektiva, packa mycket mer data i sina tätt fokuserade strålar.

Men laserkommunikation utgör också en betydande utmaning:Eftersom strålarna är mycket smalare än strålarna från radiovågor, det krävs mycket mer precision för att rikta strålarna mot en mottagare på marken.

"Tänk dig att stå i slutet av en lång korridor och peka på en fettstråle, som en ficklampa, vid ett bullseye -mål i andra änden, "Säger Cahoy." Jag kan vicka lite på armen, och strålen kommer fortfarande att träffa bullseye. Men om jag använder en laserpekare istället, strålen kan lätt röra sig från bullseye om jag bara rör mig lite. Utmaningen är att behålla lasern på bullseye även om satelliten vickar. "

Färg, avledas

NASA:s optiska kommunikation och sensordemonstration använder ett CubeSat -laserkommunikationssystem som väsentligen tipsar och lutar hela satelliten för att rikta in sin laserstråle mot en markstation. Men detta styrsystem kräver tid och resurser, och för att uppnå en högre datahastighet, en kraftfullare laser - som kan använda en stor del av satellitens kraft och generera betydande mängder värme ombord - behövs.

Cahoy och hennes team försökte utveckla ett exakt laserpekningssystem som skulle minimera mängden energi och tid som krävs för en nedlänk, och möjliggöra användning av lägre effekt, smalare lasrar men ändå uppnå högre dataöverföringshastigheter.

Teamet utvecklade en laserpekande plattform, något större än en Rubiks kub, som innehåller en liten, direkt från hyllan, styrbar MEMS -spegel. Spegeln, som är mindre än en enda tangent på ett datortangentbord, står inför en liten laser och är vinklad så att lasern kan studsa av spegeln, in i rymden, och ner mot en markmottagare.

"Även om hela satelliten är lite felriktad, du kan fortfarande rätta till det med den här spegeln, "Säger Cierny." Men dessa MEMS -speglar ger dig inte feedback om vart de pekar. Säg att spegeln är feljusterad i ditt system, vilket kan hända efter vissa vibrationer under lanseringen. Hur kan vi rätta till detta, och vet exakt vart vi pekar? "

Som en lösning, Cierny utvecklade en kalibreringsteknik som avgör hur mycket en laser är felriktad från dess markstationsmål, och korrigerar automatiskt spegelns vinkel för att rikta lasern exakt mot dess mottagare.

Tekniken innehåller en extra laserfärg, eller våglängd, in i det optiska systemet. Så istället för att bara datastrålen går igenom, en andra kalibreringsstråle av annan färg skickas igenom med den. Båda strålarna studsar av spegeln, och kalibreringsstrålen passerar genom en "dikroisk stråldelare, "en typ av optiskt element som avleder en specifik våglängd av ljus - i detta fall, den extra färgen - bort från helljuset. När resten av laserljuset rör sig ut mot en markstation, den omdirigerade strålen riktas tillbaka in i en inbyggd kamera. Denna kamera kan också ta emot en upplänkad laserstråle, eller fyr, direkt från markstationen; detta används för att göra det möjligt för satelliten att peka på rätt markmål.

Om ledstrålen och kalibreringsstrålen landar på exakt samma plats på kamerans detektor, systemet är inriktat, och forskare kan vara säkra på att lasern är korrekt placerad för nedlänkning till markstationen. Om, dock, strålarna landar på olika delar av kameradetektorn, en algoritm som utvecklats av Cierny riktar den inbyggda MEMS -spegeln till att tippa eller luta så att kalibreringslaserstrålpunkten stämmer överens med markstationens ledpunkt.

"Det är som katten och musen på två fläckar som kommer in i kameran, och du vill tippa spegeln så att den ena platsen ligger ovanpå den andra, Säger Cahoy.

För att testa teknikens noggrannhet, forskarna utformade en laboratoriebänk som inkluderade laserpekplattformen och en varningsliknande lasersignal. Installationen var utformad för att efterlikna ett scenario där en satellit flyger på 400 kilometers höjd över en markstation och överför data under en 10-minuters överfart.

De satte den minsta nödvändiga peknoggrannheten till 0,65 milliradianer - ett mått som motsvarar det vinkelfel som är acceptabelt för deras design att ha. I sina experiment varierade de varningsljusets inkommande vinkel och observerade hur spegeln tippade och lutade för att matcha fyren. I slutet, kalibreringstekniken uppnådde en noggrannhet på 0,05 milliradianer - mycket mer exakt än vad uppdraget krävde.

Cahoy säger att resultatet innebär att tekniken enkelt kan justeras så att den exakt kan anpassa ännu smalare laserstrålar än ursprungligen planerat, vilket i sin tur kan göra det möjligt för CubeSats att överföra stora datamängder, som bilder och videor av vegetation, skogsbränder, fytoplankton i havet, och atmosfäriska gaser, vid höga datahastigheter.

"Detta visar att du kan passa ett lågeffektsystem som kan göra dessa smala balkar på denna lilla plattform som är en faktor 10 till 100 mindre än någonting som någonsin har byggts för att göra något liknande tidigare, "Cahoy säger." Det enda som skulle vara mer spännande än laboratorieresultatet är att se detta ske från omloppsbana. Detta motiverar verkligen att bygga dessa system och få dem upp där. "