Die neue Plattform lasergesteuerten, entwickelt am Massachusetts Institute of Technology, kann helfen Miniatur-Satelliten ins Spiel kommen High-Speed-Datenübertragung. Seit 1998 gestartet wurde fast 2000-Satelliten in der Größe mit dem Schuhkarton, bekannt als CubeSat. Aufgrund Ihrer winzigen Form und der Tatsache, dass Sie können sammeln von Fertigteilen, CubeSat deutlich billiger in der Montage und der Ausführung als herkömmliche Monster im Wert von Hunderten Millionen Dollar.
CubeSat änderten die Prinzipien der Schaffung der Satelliten, da kann man Sie laufen den ganzen Rudeln zur preiswerten überwachung von großen Bereichen der Oberfläche der Erde. Aber da selbst CubeSat rüsten immer mehr und mehr fortgeschrittene Werkzeuge, kleine Raumschiffe nicht schaffen effektiv übertragen große Datenmengen auf die Erde wegen der Einschränkungen bei der Leistung und Größe.
CubeSat: kleine Bote Erde
Die neue Plattform-Laser-Führung für CubeSat, ausführlich beschrieben in der Zeitschrift Optical Engineering, ermöglicht «кубсатам» übertragen Sie die Daten nach unten mit weniger on-Board-Ressourcen bei viel höheren Geschwindigkeiten als möglich in der heutigen Zeit. Anstatt senden mehrere Bilder jedes mal, wenn «кубсат» geht durch die Bodenstation, Satelliten erhalten die Gelegenheit, um Tausende von Bildern mit hoher Auflösung mit jedem Flug.
«Um wertvolle Informationen aus der Beobachtung der Erde, können Sie гиперспектральные Bild, die nehmen Bilder auf einer Vielzahl von Wellenlängen des Lichts und schaffen die mehrere Terabyte an Daten, deren «кубсатам» sehr schwer zu übertragen», sagt Kerry Kakha, Assistant Professor für Aeronautik und Astronautik am MIT. «Aber mit High-Speed-System лазеркома wir senden diese detailreiche Aufnahmen schnell genug. Und ich denke, diese Fähigkeit wird im Allgemeinen Ansatz CubeSat, mit Hilfe einer Reihe von Satelliten in der Umlaufbahn, realistischer, so dass wir die Globale und vorübergehende Deckung».
Außerhalb der Wellenbereich
Die Satelliten in der Regel übertragen die Daten auf die Erde mit Hilfe von Radiowellen; mehr High-Speed-Linien verbinden sich mit den großen terrestrischen Antennen. Jeder größte Satellit im Weltraum kommuniziert im hochfrequenten Funk, was ihm ermöglicht, schnell die übertragung großer Datenmengen. Aber die großen Begleiter können sich viel радиотарелкам oder Arrays, die Hochgeschwindigkeitsübertragung unterstützen. «Кубсаты» sind zu klein und haben eingeschränkten Zugriff auf die Frequenzbänder, die Sie unterstützen High-Speed-Kanäle.
«Kleine Satelliten können nicht diese Streifen, weil es notwendig ist, zu lösen Haufen von rechtlichen Fragen, die Erlaubnis erhalten, diese in der Regel beschäftigen sich die großen Spieler wie die großen geostationären Satelliten», sagt Kakha.
Darüber hinaus Sender, die für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen, können mehr Energie verbrauchen, als Sie sich leisten können, frei zu kleine Satelliten, unterstützen die Arbeit der Füllung. Aus diesem Grund wandte sich an Ingenieure Lasern als Alternative Form der Kommunikation für «кубсатов», weil Laser sind wesentlich kompakter und effizienter im Energieverbrauch – Sie schrumpfen mehr Daten in einem sorgfältig fokussierten Strahlen.
Jedoch Laser-Kommunikation auch vor Herausforderungen: da Strahlen viel schmäler als die Strahlen Radiowellen, erfordert viel mehr Präzision, um die Strahlen auf den Empfänger auf der Erde.
«Stellen Sie sich vor, stehen am Ende eines langen Korridors und richten Sie die dicken Strahl, wie aus einer Taschenlampe, die auf dem Ziel mit denen auf dem anderen Ende», sagt Kakha. «Ich kann ein wenig meine Hand zu bewegen und der Strahl sowieso ins Bullseye. Aber wenn ich den Laserpointer, der Strahl kann leicht kommen mit Bullseye, wenn ich ein wenig пошевельнусь. Die Herausforderung besteht darin, wie man die Laser in яблочке auch wenn der Satellit wird wackeln».
Demonstration der optischen Kommunikation und sensoren der NASA verwendet ein Laser-Kommunikations-CubeSat auf, das im wesentlichen kippt und schiebt den ganzen Satelliten, um das ausrichten der Laserstrahl mit einer Bodenstation. Aber dieses Lenksystem erfordert Zeit und Ressourcen, um eine höhere Datenübertragungsrate benötigen Sie leistungsfähigere Laser, die in der Lage, wenn nötig, verwenden Sie einen großen Teil der Leistung von Satelliten und erzeugen eine beträchtliche Wärmemenge an Bord.
Kakha und Ihr Team haben die Entwicklung der genaue lasergesteuerten System, das минимизировала würde die Menge an Energie und Zeit, die für die übertragung der Daten auf die Erde, und würde eine weniger starke, schmale Laser, aber alle erreichen Sie schnellere übertragungsraten.
Das Team entwickelt eine Plattform für lasergelenkte, etwas größer als der «Zauberwürfel», die enthält eine kleine und eine fertige schaltbare MEMS-Spiegel. Es ist ein Spiegel, der kleiner als die Tasten auf der Tastatur, gezogen zu einem kleinen Laser und befindet sich in einem Winkel, so dass der Laser abprallen vom Spiegel in den Raum und gehen nach unten, zum Land Empfänger.
«Selbst wenn der ganze Satellit, ein wenig verschoben, kann dies mit diesem Spiegel», sagt eines der Teammitglieder. «Aber der MEMS-Spiegel nicht geben Ihnen Feedback darüber, wo zeigen. Angenommen, der Spiegel ist in Ihrem System, kann das geschehen, weil einige Vibrationen während des Starts. Wie uns es beheben, wie Sie wissen genau, wohin wir darauf?».
Als Lösung Wissenschaftler haben eine Methode zur Kalibrierung, die bestimmt, wie der Laser versetzt zum Zweck seiner Bodenstation, und passt automatisch den Winkel des Spiegels, um genau Zielen Laser auf seinen Empfänger.
Diese Methode beinhaltet eine zusätzliche Laser-Farbe, oder die Wellenlänge, in das optische System. So, anstatt einfach überspringen Bündel von Daten, gesendet wird und die zweite Kalibrier-Strahl, eine andere Farbe. Beide prallen Strahl vom Spiegel und der Kalibrierungs-Strahl durchläuft «дихроичный Strahl durchlässt», ein optisches Element, das lehnt die bestimmte Wellenlängen des Lichts — in diesem Fall eine zusätzliche Farbe — von der breiten Strahl. Wenn der Rest der Laserstrahlung geht an die Bodenstation, der Strahl geht zurück in die Bord-Kamera. Diese Kamera kann auch den steigenden Laserstrahl, oder der Leuchtturm, direkt von der Bodenstation; dies wird helfen, Begleiter, Tune auf die richtige Boden-Ziel.
Wenn der Strahl des Leuchtturms und der Kalibrierungs-Bündel fallen genau in der gleichen Stelle auf dem Detektor on-Board-Kamera-System ausgerichtet, und die Forscher können sicher sein, dass der Laser richtig positioniert für die Kommunikation mit einer Bodenstation. Allerdings, wenn die Strahlen fallen in verschiedene Teile des Detektors Kamera, ein spezieller Algorithmus leitet die integrierte MEMS-Spiegel so, dass es kippt und der Kalibrierungs-Laserstrahl ausgerichtet ist mit einem der Bodenstation des Leuchtturms.
«Es ist wie ein Katz-und-Maus zwei Punkte erreicht, die sich in die Kamera, Sie müssen kippen Sie den Spiegel so, daß ein Punkt war über den anderen».
Zur überprüfung der Genauigkeit der Methode, die Wissenschaftler entwickelt haben Labor-Prüfstand mit Laser-Anzeige-Plattform und ein Laser-Signal durch die Art Leuchtturm. Die Installation sollte simulieren ein Szenario, in dem der Satellit fliegt auf einer Höhe von 400 Kilometer über der Bodenstation und überträgt die Daten innerhalb einer 10-minütigen Sitzung.
Die Wissenschaftler stellten die minimale erforderliche Präzision in der Lenkung 0,65 milliradiant — diese Maßnahme winkelfehlers akzeptabel für Ihre Entwürfe. Am Ende Kalibrierverfahren erlaubt bekommen Genauigkeit 0,05 milliradiant, dass viel genauer, als es die Mission erfordert.
«Dies zeigt, dass dies auf einer winzigen Plattform installieren, können Sie das System mit niedrigem Stromverbrauch und schmale Balken, und es wird in 10-100 mal kleiner als alles, was jemals geschaffen wurde ähnliches vor», sagt Kakha. «Das einzige, was es wäre interessant Laborwerte zu sehen, wie es geschieht, aus dem Orbit. Hier ist, was motiviert die Entwicklung solcher Systeme und die Ausgabe dort».
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