Una nueva plataforma de puntero láser desarrollada en el MIT puede ayudar a lanzar satélites en miniatura al juego de datos de alta velocidad.

Desde 1998, casi 2, Se han lanzado al espacio 000 satélites del tamaño de una caja de zapatos conocidos como CubeSats. Debido a su pequeña estructura y al hecho de que pueden fabricarse con piezas estándar, Los CubeSats son significativamente más asequibles de construir y lanzar que los gigantes tradicionales que cuestan cientos de millones de dólares.

Los CubeSats se han convertido en revolucionarios en la tecnología satelital, ya que pueden enviarse en bandadas para monitorear de manera económica grandes franjas de la superficie de la Tierra. Pero como los instrumentos miniaturizados cada vez más capaces permiten a los CubeSats tomar imágenes muy detalladas, la pequeña nave espacial lucha por transmitir de manera eficiente grandes cantidades de datos a la Tierra, debido a limitaciones de potencia y tamaño.

La nueva plataforma de puntero láser para CubeSats, que se detalla en la revista Ingenieria optica , permite a CubeSats realizar un enlace descendente de datos utilizando menos recursos integrados a velocidades significativamente más altas de lo que es posible actualmente. En lugar de enviar solo unas pocas imágenes cada vez que un CubeSat pasa sobre una estación terrestre, los satélites deberían poder transmitir miles de imágenes de alta resolución con cada sobrevuelo.

"Para obtener información valiosa de las observaciones de la Tierra, imágenes hiperespectrales, que toman imágenes en muchas longitudes de onda y crean terabytes de datos, y que son realmente difíciles de bajar para los CubeSats, puede ser usado, "dice Kerri Cahoy, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Pero con un sistema de comunicación láser de alta velocidad, podría enviar estas imágenes detalladas rápidamente. Y creo que esta capacidad hará que todo el CubeSat se acerque, utilizando muchos satélites en órbita para que pueda obtener una cobertura global y en tiempo real, más de una realidad ".

Cahoy, quien es el profesor asociado de desarrollo profesional de Rockwell International en el MIT, es coautor del artículo, junto con el estudiante de posgrado Ondrej Cierny, quien es el autor principal.

Más allá de la radio

Los satélites normalmente transmiten datos a través de ondas de radio, que para enlaces de mayor velocidad se envían a grandes antenas terrestres. Todos los satélites importantes en el espacio se comunican dentro de bandas de radio de alta frecuencia que les permiten transmitir grandes cantidades de datos rápidamente. Pero los satélites más grandes pueden acomodar las antenas o matrices más grandes necesarias para soportar un enlace descendente de alta velocidad. Los CubeSats son demasiado pequeños, y también tienen acceso limitado a bandas de frecuencia que podrían admitir enlaces de alta velocidad.

"Los satélites pequeños no pueden utilizar estas bandas, porque requiere superar muchos obstáculos regulatorios, y la asignación suele ir a grandes jugadores como enormes satélites geoestacionarios, "Dice Cahoy.

Y lo que es más, Los transmisores necesarios para los enlaces descendentes de datos de alta velocidad pueden utilizar más energía de la que pueden acomodar los satélites en miniatura sin dejar de admitir una carga útil. Por estas razones, Los investigadores han mirado a los láseres como una forma alternativa de comunicación para CubeSats, ya que tienen un tamaño significativamente más compacto y son más eficientes energéticamente, empaquetando muchos más datos en sus haces estrechamente enfocados.

Pero las comunicaciones láser también presentan un desafío importante:debido a que los rayos son mucho más estrechos que los rayos de las ondas de radio, se necesita mucha más precisión para apuntar los rayos a un receptor en el suelo.

"Imagínese parado al final de un pasillo largo y apuntando una viga gruesa, como una linterna, en un objetivo de diana en el otro extremo, "Dice Cahoy." Puedo mover un poco el brazo, y el rayo seguirá dando en la diana. Pero si utilizo un puntero láser en su lugar, el rayo puede moverse fácilmente fuera de la diana si me muevo un poco. El desafío es mantener el láser en la diana incluso si el satélite se mueve ".

Color, desviado

La demostración de sensores y comunicaciones ópticas de la NASA utiliza un sistema de comunicaciones láser CubeSat que básicamente inclina e inclina todo el satélite para alinear su rayo láser con una estación terrestre. Pero este sistema de dirección requiere tiempo y recursos, y para lograr una mayor velocidad de datos, Se necesita un láser más potente, que puede utilizar una gran fracción de la potencia del satélite y generar cantidades significativas de calor a bordo.

Cahoy y su equipo buscaron desarrollar un sistema de puntero láser preciso que minimizara la cantidad de energía y el tiempo necesarios para un enlace descendente. y permitir el uso de potencia más baja, láseres más estrechos y aún así alcanzan velocidades de transmisión de datos más altas.

El equipo desarrolló una plataforma de puntería láser, un poco más grande que un cubo de Rubik, que incorpora un pequeño, fuera de la plataforma, Espejo MEMS orientable. El espejo, que es más pequeño que una sola tecla en un teclado de computadora, se enfrenta a un pequeño láser y está en ángulo para que el láser pueda rebotar en el espejo, en el espacio, y hacia un receptor de tierra.

"Incluso si todo el satélite está un poco desalineado, todavía puedes corregir eso con este espejo, "Dice Cierny." Pero estos espejos MEMS no le dan retroalimentación sobre hacia dónde apuntan. Digamos que el espejo está desalineado en su sistema, lo que puede suceder después de algunas vibraciones durante el lanzamiento. ¿Cómo podemos corregir esto? y saber exactamente hacia dónde apuntamos? "

Como solución Cierny desarrolló una técnica de calibración que determina cuánto está desalineado un láser con respecto a su objetivo de estación terrestre, y corrige automáticamente el ángulo del espejo para apuntar con precisión el láser a su receptor.

La técnica incorpora un color láser adicional, o longitud de onda, en el sistema óptico. Entonces, en lugar de solo pasar el haz de datos, con él se envía un segundo rayo de calibración de un color diferente. Ambos rayos rebotan en el espejo, y el haz de calibración pasa a través de un "divisor de haz dicroico, "un tipo de elemento óptico que desvía una longitud de onda de luz específica; en este caso, el color adicional, lejos de la luz principal. A medida que el resto de la luz láser viaja hacia una estación terrestre, el rayo desviado se dirige de nuevo a una cámara a bordo. Esta cámara también puede recibir un rayo láser de enlace ascendente, o baliza, directamente desde la estación terrestre; esto se utiliza para permitir que el satélite apunte al objetivo terrestre correcto.

Si el haz de la baliza y el haz de calibración aterrizan exactamente en el mismo punto en el detector de la cámara a bordo, el sistema está alineado, y los investigadores pueden estar seguros de que el láser está correctamente posicionado para conectarse a la estación terrestre. Si, sin embargo, los rayos aterrizan en diferentes partes del detector de la cámara, un algoritmo desarrollado por Cierny dirige el espejo MEMS integrado a inclinarse o inclinarse para que el punto del rayo láser de calibración se alinee con el punto de baliza de la estación terrestre.

"Es como el gato y el ratón de dos puntos entrando en la cámara, y quieres inclinar el espejo para que un punto esté encima del otro, "Dice Cahoy.

Para probar la precisión de la técnica, los investigadores diseñaron una configuración de mesa de laboratorio que incluía la plataforma de puntería láser y una señal láser similar a una baliza. La configuración fue diseñada para imitar un escenario en el que un satélite vuela a 400 kilómetros de altitud sobre una estación terrestre y transmite datos durante un paso elevado de 10 minutos.

Establecieron la precisión de apuntado mínima requerida en 0,65 milirradianes, una medida que corresponde al error angular que es aceptable para su diseño. En sus experimentos, variaron el ángulo de entrada del láser de baliza y observaron cómo el espejo se inclinaba e inclinaba para coincidir con la baliza. En el final, la técnica de calibración logró una precisión de 0,05 milirradianes, mucho más precisa de lo que requería la misión.

Cahoy dice que el resultado significa que la técnica se puede modificar fácilmente para que pueda alinear con precisión rayos láser aún más estrechos de lo planeado originalmente. que a su vez puede permitir que CubeSats transmita grandes volúmenes de datos, como imágenes y videos de vegetación, incendios forestales fitoplancton oceánico, y gases atmosféricos, a altas velocidades de datos.

"Esto demuestra que se puede instalar un sistema de baja potencia que puede hacer que estos haces estrechos en esta pequeña plataforma que es un factor de 10 a 100 más pequeño que cualquier cosa que se haya construido para hacer algo como esto antes". "Dice Cahoy." Lo único que sería más emocionante que el resultado del laboratorio es ver esto hecho desde la órbita. Esto realmente motiva la construcción de estos sistemas y su implementación ".