Uma nova plataforma de apontamento a laser desenvolvida no MIT pode ajudar a lançar satélites em miniatura no jogo de dados de alta velocidade.

Desde 1998, quase 2, 000 satélites do tamanho de uma caixa de sapatos, conhecidos como CubeSats, foram lançados no espaço. Devido à sua estrutura pequena e ao fato de poderem ser feitos de peças prontas para uso, Os CubeSats são significativamente mais acessíveis para construir e lançar do que os gigantes tradicionais que custam centenas de milhões de dólares.

Os CubeSats se tornaram revolucionários na tecnologia de satélites, já que eles podem ser enviados em bandos para monitorar de forma barata grandes áreas da superfície da Terra. Mas como instrumentos miniaturizados cada vez mais capazes permitem que CubeSats tire imagens altamente detalhadas, a pequena espaçonave luta para transmitir com eficiência grandes quantidades de dados para a Terra, devido a restrições de potência e tamanho.

A nova plataforma de apontamento a laser para CubeSats, que é detalhado no jornal Engenharia Ótica , permite que o CubeSats faça downlink de dados usando menos recursos integrados a taxas significativamente mais altas do que é possível atualmente. Em vez de enviar apenas algumas imagens cada vez que um CubeSat passa por uma estação terrestre, os satélites devem ser capazes de fazer downlink de milhares de imagens de alta resolução a cada sobrevôo.

"Para obter informações valiosas das observações da Terra, imagens hiperespectrais, que tiram imagens em muitos comprimentos de onda e criam terabytes de dados, e quais são realmente difíceis para o CubeSats entender, pode ser usado, "diz Kerri Cahoy, professor associado de aeronáutica e astronáutica no MIT. "Mas com um sistema lasercom de alta taxa, você seria capaz de enviar essas imagens detalhadas rapidamente. E acho que essa capacidade fará com que todo o CubeSat se aproxime, usando muitos satélites em órbita para que você possa obter cobertura global e em tempo real, mais uma realidade. "

Cahoy, que é o professor associado de desenvolvimento de carreira da Rockwell International no MIT, é co-autor do artigo, junto com o estudante de graduação Ondrej Cierny, quem é o autor principal.

Além do rádio

Os satélites normalmente fazem downlink de dados por meio de ondas de rádio, que para links de taxas mais altas são enviados para grandes antenas terrestres. Todos os principais satélites do espaço se comunicam em bandas de rádio de alta frequência que os permitem transmitir grandes quantidades de dados rapidamente. Mas satélites maiores podem acomodar as antenas maiores ou arranjos necessários para suportar um downlink de alta taxa. CubeSats são muito pequenos, e também têm acesso limitado a bandas de frequência que podem suportar links de alta taxa.

"Pequenos satélites não podem usar essas bandas, porque requer a eliminação de muitos obstáculos regulatórios, e a alocação normalmente vai para grandes jogadores, como enormes satélites geoestacionários, "Cahoy diz.

O que mais, os transmissores necessários para downlinks de dados de alta taxa podem usar mais energia do que os satélites em miniatura podem acomodar, embora ainda suportem uma carga útil. Por estas razões, pesquisadores têm olhado para os lasers como uma forma alternativa de comunicação para CubeSats, já que são significativamente mais compactos em tamanho e são mais eficientes em termos de energia, empacotando muito mais dados em seus feixes fortemente focados.

Mas as comunicações de laser também apresentam um desafio significativo:como os feixes são muito mais estreitos do que os feixes de ondas de rádio, é preciso muito mais precisão para apontar os feixes para um receptor no solo.

"Imagine ficar no final de um longo corredor e apontar uma trave grande, como uma lanterna, em um alvo alvo na outra extremidade, "Cahoy diz." Eu posso mexer meu braço um pouco, e o feixe ainda atingirá o alvo. Mas se eu usar um apontador laser, o feixe pode facilmente se mover para fora do alvo se eu me mover um pouco. O desafio é manter o laser no alvo mesmo se o satélite se mexer. "

Cor, desviado

As comunicações ópticas e demonstração de sensores da NASA usam um sistema de comunicação a laser CubeSat que basicamente inclina e inclina todo o satélite para alinhar seu feixe de laser com uma estação terrestre. Mas este sistema de direção requer tempo e recursos, e para alcançar uma taxa de dados mais alta, um laser mais poderoso - que pode usar uma grande fração da energia do satélite e gerar quantidades significativas de calor a bordo - é necessário.

Cahoy e sua equipe procuraram desenvolver um sistema preciso de apontamento a laser que minimizasse a quantidade de energia e tempo necessários para um downlink, e permitir o uso de baixa potência, lasers mais estreitos ainda alcançam taxas de transmissão de dados mais altas.

A equipe desenvolveu uma plataforma de apontamento a laser, ligeiramente maior do que um cubo de Rubik, que incorpora um pequeno, da prateleira, espelho MEMS orientável. O espelho, que é menor do que uma única tecla em um teclado de computador, enfrenta um pequeno laser e é inclinado para que o laser possa ricochetear no espelho, no espaço, e para baixo em direção a um receptor de solo.

"Mesmo que todo o satélite esteja um pouco desalinhado, você ainda pode corrigir isso com este espelho, "Cierny diz." Mas esses espelhos MEMS não fornecem feedback sobre para onde estão apontando. Digamos que o espelho esteja desalinhado em seu sistema, o que pode acontecer após algumas vibrações durante o lançamento. Como podemos corrigir isso, e sabe exatamente para onde estamos apontando? "

Como solução, Cierny desenvolveu uma técnica de calibração que determina o quanto um laser está desalinhado em relação ao alvo da estação terrestre, e corrige automaticamente o ângulo do espelho para apontar com precisão o laser para seu receptor.

A técnica incorpora uma cor de laser adicional, ou comprimento de onda, no sistema óptico. Então, em vez de apenas o feixe de dados passando, um segundo feixe de calibração de uma cor diferente é enviado com ele. Ambos os feixes ricocheteiam no espelho, e o feixe de calibração passa por um "divisor de feixe dicróico, "um tipo de elemento óptico que desvia um comprimento de onda específico de luz - neste caso, a cor adicional - longe do feixe principal. Enquanto o resto da luz do laser viaja em direção a uma estação terrestre, o feixe desviado é direcionado de volta para uma câmera integrada. Esta câmera também pode receber um feixe de laser conectado, ou farol, diretamente da estação terrestre; isso é usado para permitir que o satélite aponte para o alvo correto no solo.

Se o feixe do farol e o feixe de calibração pousarem precisamente no mesmo ponto do detector da câmera a bordo, o sistema está alinhado, e os pesquisadores podem ter certeza de que o laser está posicionado corretamente para fazer o downlink para a estação terrestre. Se, Contudo, os feixes pousam em diferentes partes do detector de câmera, um algoritmo desenvolvido pela Cierny direciona o espelho MEMS a bordo para inclinar ou inclinar para que o ponto do feixe de laser de calibração se realinhe com o ponto do farol da estação terrestre.

"É como o gato e o rato de dois focos entrando na câmera, e você quer inclinar o espelho para que um ponto fique em cima do outro, "Cahoy diz.

Para testar a precisão da técnica, os pesquisadores criaram uma configuração de bancada de laboratório que incluía a plataforma de apontamento de laser e um sinal de laser semelhante a um farol. A configuração foi projetada para simular um cenário em que um satélite voa a 400 quilômetros de altitude acima de uma estação terrestre e transmite dados durante um viaduto de 10 minutos.

Eles definiram a precisão mínima de apontamento necessária em 0,65 miliradianos - uma medida que corresponde ao erro angular aceitável para seu projeto. Em seus experimentos, eles variaram o ângulo de entrada do farol a laser e observaram como o espelho se inclinava e se inclinava para coincidir com o farol. No fim, a técnica de calibração alcançou uma precisão de 0,05 milirradianos - muito mais precisa do que a missão exigida.

Cahoy diz que o resultado significa que a técnica pode ser facilmente ajustada para que possa alinhar com precisão feixes de laser ainda mais estreitos do que o planejado originalmente, que pode, por sua vez, permitir que o CubeSats transmita grandes volumes de dados, como imagens e vídeos de vegetação, incêndios florestais, o fitoplâncton do oceano, e gases atmosféricos, em altas taxas de dados.

"Isso mostra que você pode instalar um sistema de baixo consumo de energia que pode fazer esses feixes estreitos nesta plataforma minúscula que é um fator de 10 a 100 menor do que qualquer coisa que já foi construída para fazer algo assim antes, "Cahoy diz." A única coisa que seria mais emocionante do que o resultado do laboratório é ver isso feito em órbita. Isso realmente motiva a construção desses sistemas e colocá-los lá em cima. "