麻省理工学院开发的一种新的激光指向平台可能有助于将微型卫星发射到高速数据游戏中。
自1998年以来，大约有2000颗鞋盒大小的卫星被发射到太空，这些卫星被称为立方体卫星。由于立方体卫星体型娇小，而且可以用现成的部件制造，因此与造价数亿美元的传统巨型卫星相比，立方体卫星的建造和发射成本要低得多。
立方体卫星已经成为卫星技术领域的游戏规则改变者，因为它们可以成群发射，以低成本监测地球表面的大片区域。但是，随着功能日益强大的微型仪器使立方体卫星能够拍摄高度详细的图像，由于功率和尺寸的限制，这个微型航天器难以有效地将大量数据传输到地球。
新的立方体卫星激光瞄准平台详细在日志中光学工程，使立方体卫星下行数据使用更少的机载资源，大大高于目前可能的速度。立方体卫星在每次飞越地面站时，不应该只发送几张图像，而是应该能够在每次飞越时下行数千张高分辨率图像。
“为了获得地球观测的有价值的见解，高光谱图像，它在许多波长中拍摄图像并创造数据，并且可以使用立方体难以使用，”航空航天和航天助理副教授Kerri Cahoy说在麻省理工学院。“但是使用高速激光器系统，您可以快速向下发送这些详细的图像。我认为这种能力将使整个CubeSat方法，在轨道中使用很多卫星，因此您可以获得全球和实时覆盖，更多的现实。“
Cahoy是MIT的罗克韦尔国际职业发展助理教授，是本文的共同作者，以及研究生ondrej Cierny，谁是领先作者。
除了广播
卫星通常通过无线电波进行下行数据传输，这种速率较高的无线电波被发送到大型地面天线。太空中的每颗主要卫星都使用高频无线电波段进行通信，这使它们能够快速传输大量数据。但更大的卫星可以容纳更大的天线盘或阵列，以支持高速率下行链路。立方体卫星太小，而且对支持高速率链路的频带的访问也有限。
卡霍伊说:“小型卫星不能使用这些波段，因为这需要清除许多监管障碍，而且分配通常由大型地球同步卫星等大型参与者完成。”
更重要的是，高速数据下行所需的发射机在支持有效载荷的情况下，比小型卫星所能容纳的功率要大。由于这些原因，研究人员已经将激光作为立方体卫星通信的一种替代形式，因为它们体积更小，功率效率更高，在紧密聚焦的光束中封装了更多的数据。
但是激光通信也存在显着的挑战：因为光束比来自无线电波的光束更窄，所以需要更精确的精度来指向地面上的接收器处的光束。
卡霍伊说:“想象一下，站在一条长长的走廊的尽头，用一束像手电筒一样的光束对准另一端的靶心。”“我可以稍微摆动一下我的胳膊，光束仍然会击中靶心。但如果我用激光笔，只要我移动一点点，光束就能轻易离开靶心。我们面临的挑战是，即使卫星在摆动，也要保持激光对准靶心。”
颜色，转移
美国宇航局的光通信和传感器演示使用立方体激光通信系统，该系统基本上尖端尖端和倾斜整个卫星，以将其激光束与地面站对齐。但是，这种转向系统需要时间和资源，并实现更高的数据速率，更强大的激光器 - 这可以使用大部分卫星的功率并产生大量的热量。
Cahoy和她的团队观察了一个精确的激光指向系统，可以最大限度地减少下行链路所需的能量和时间量，并使低功率较窄的激光器仍然实现更高的数据传输速率。
该团队开发了一种激光指向平台，比魔方稍大一点，它包含了一个小型的、现成的、可操纵的MEMS镜子。这面镜子比电脑键盘上的一个单键还要小，它面对着一个小激光，并且有一定的角度，这样激光就可以从镜子上反弹，进入太空，然后落到地面接收器上。
“即使整个卫星有点错位，你仍然可以用这个镜子来纠正，”Cierny说。“但这些MEMS反射镜不会给你关于它们指向哪里的反馈。假设你的系统中的镜子没有对准，这可能发生在发射过程中的一些振动之后。我们如何纠正这种情况，并确切地知道我们的方向?”
作为一种解决方案，Cierny开发了一种校准技术，该技术决定了激光从地面站目标中未对准的程度，并且自动校正镜子的角度，精确地将激光指向其接收器的激光。
该技术将额外的激光颜色或波长掺入光学系统中。因此，而不是仅仅通过数据波束，通过它发送不同颜色的第二校准光束。两个光束反弹镜子，校准梁通过“二向分子分离器”，一种光学元件的类型，其转移特定波长的光 - 在这种情况下，附加颜色远离主梁。当激光的其余部分向地面行进时，转向光束被引导回车载相机。该相机还可以直接从地面站接收上行的激光束或标号;这用于使卫星能够在正确的地面目标处点。
如果信标光束和校准梁在船上摄像机的探测器上精确相同的点，则系统对齐，并且研究人员可以确保激光正确地定位到地面站的下行链路。然而，如果光束落在摄像机探测器的不同部分，则由Cierny开发的算法将车载MEMS镜头指示尖端或倾斜，使校准激光束点与地面站的信标斑点进行重新调整。
卡霍伊说:“这就像猫和老鼠的两个点进入相机，你想要倾斜镜子，让其中一个点在另一个上。”
为了测试这项技术的准确性，研究人员搭建了一个实验室工作台，包括激光指向平台和一个类似信标的激光信号。这是为了模拟卫星在地面站上空400公里的高度飞行，并在10分钟的立交桥上传输数据的场景而设计的。
他们将所需的最小指向精度设定为0.65毫radians -一个与他们的设计可接受的角度误差相对应的测量值。在他们的实验中，他们改变了信标激光的入射角度，并观察了镜子如何倾斜和倾斜以匹配信标。最后，校准技术达到了0.05毫radians的精度——远比任务所需的精度要高。
Cahoy说结果意味着这项技术可以很容易地调整,以便它可以精确对齐甚至比原计划更窄的激光束,可以反过来使立方体卫星传输大量的数据,如图像和视频的植被,火灾,海洋浮游植物和大气气体,在高数据率。
卡霍伊说:“这表明，你可以安装一个低功率系统，使这些狭窄的光束在这个小平台上，比以前任何类似的东西都要小10到100倍。”“唯一比实验室结果更令人兴奋的是在轨道上看到这个结果。这真的激发了建立这些系统并让它们到达那里。”
在美国宇航局空间技术任务理事会的支持下，该团队与佛罗里达大学和美国宇航局艾姆斯研究中心合作，作为新立方卫星激光通信红外交叉链接(CLICK)任务的一部分，希望能够做到这一点。
这项研究得到了麻省理工学院德什潘德技术创新中心和美国宇航局的部分支持。
提交：航空+国防
