麻省理工学院新设计的激光器帮助立方体卫星处理大量的下行数据。

发布日期:2019-05-06

    原始名称:麻省理工学院新设计的激光帮助立方体卫星处理大量的下行数据

    麻省理工学院的一个小组正在研究一种新的瞄准系统,该系统将允许立方体卫星使用激光与地球进行高带宽通信。新的激光指向平台使用第二定向光束来保持主数据光束的聚焦,使得CubeSat能够传输大量数据,而无需沉重的天线或浪费推进剂。

    立方体卫星通常比一块吐司面包小,但它们在科学、商业和军事太空探索和发展方面具有巨大的潜力。立方体卫星可以随时发送,或者以巨大的卫星阵列发送,用于全球天气预报或反导弹防御活动。单个大型卫星,尽管性能强大,却没有这种能力。

    但是CubeSat的主要缺点之一是它们不擅长发送数据。由于缺乏强大的无线电发射机和更大的天线,立方体卫星一次只能发送相当于几个图像的数据。然而,为了使它们更加实用,CubeSats需要能够快速返回大量高光谱图像和其他内容。这意味着它需要能够以高速将数据发送回结核。

    甚至传统的无线电也有这种数据流问题,立方体卫星对必需的无线电频率的访问有限,所以近年来空间工程师已经将激光视为更快的通信手段,例如NASA以前的实验。根据麻省理工学院的最新结论,激光不仅在带宽上具有更多的优势,而且具有比无线电设备更紧凑的形状和更高的功率效率。

    然而,由于立方体卫星的尺寸很小,如何对准和发射激光也是一个问题。在常规航天器或国际空间站(ISS)上进行的激光实验精心设计了瞄准机制,以集中于接收地球站,但立方体卫星系统必须使整个卫星倾斜以对准波束。它浪费了大量的时间、精力和推进剂。

    麻省理工学院的研究小组在航空和航天学副教授凯里·卡霍伊的带领下,正在开发一种不用移动立方体卫星或配备高功率激光器就能将激光指向并保持在目标状态的新方法。激光指向平台在几英寸之外。使用另一个小激光器,它从一个小的,现成的,可操纵的MEMS反射镜反射,并与地面接收器对准。

    这种方法的妙处在于,该系统不仅瞄准激光,而且帮助锁定到目标上,因此不需要在轨道上重新校准。这种激光系统是通过发射两种不同颜色的激光来实现的。一个是数据束,另一个是校准束。

    当光束被反射镜反射时,校准后的光束通过一个特殊的光学元件来根据光的颜色分割光束。当这种情况发生时,校准光束将被发送到立方体卫星上的机载相机,并且数据光束将到达目标。相机还接收来自地面站的参考光束。通过比较两者,系统可以调整发射镜以保持激光锁定。

    到目前为止,该系统已经在实验室条件下进行了测试,模拟卫星在400千米(250英里)的高空飞行了10分钟。通过改变参考光束的角度,研究小组最终能够将校准聚焦在0.05毫弧度范围内。

    卡霍伊说:“这表明,你可以在这个小平台上安装一个低功率系统来制造这些窄梁,这个小平台比以往任何时候都要小10到100倍。”唯一比实验室结果更令人兴奋的是从轨道上看到这一点,并且希望这项研究和测试结果将真正激励这些系统的构建并将它们带到那里。