新開發的激光指向系統可使微型衛星向地球傳送數據！

麻省理工學院開發的一種新激光指向平台可能有助於將微型衛星發射到高速數據遊戲中。自1998年以來，近2000顆鞋盒大小的立方體衛星被發射到太空。由於立方體衛星嬌小的外形，而且可以用現成的部件製造，因此與耗資數億美元的傳統龐然大物相比，建造和發射立方體衛星的成本要低得多。立方體衛星已經成為衛星技術的顛覆者，因為它們可以成群結隊地發射，以低廉的成本監測地球表面大片區域。但隨著越來越強大的微型化設備使立方體衛星能夠拍攝非常詳細的圖像，由於功率和尺寸的限制，這種微型航天器難以有效地向地球傳輸大量數據。《光學工程》(Optical Engineering)詳細介紹了立方體衛星新的激光指向平台

它使立方體衛星能夠以比目前可能的更高的速率以更少的機載資源下行數據。而不是每次立方體衛星經過地面站時只發送幾張圖像，衛星應該能夠在每次飛越時下行數千張高解析度圖像。麻省理工學院(MIT)航空航天學副教授凱里?卡霍伊(Kerri Cahoy)表示:：要從地球觀測中獲得有價值的洞見，可以使用高光譜圖像，這種圖像可以拍攝多種波長的圖像，產生tb級的數據，而立方體衛星很難將其拍攝下來。但是有了高速率的激光通信系統，就可以迅速地將這些詳細的圖像發送下去。這種能力將使整個立方體衛星接近地球，在軌道上使用許多衛星，這樣就可以得到全球和實時的覆蓋，更加真實。卡霍伊是麻省理工學院(MIT)羅克韋爾國際職業發展副教授，也是這篇論文的作者之一。

超越無線電

衛星通常通過無線電波下行數據，為了獲得更高的速率鏈路，無線電波被發送到大型地面天線。太空中的每一顆主要衛星都在高頻無線電頻段內通信，這使得它們能夠迅速傳輸大量數據。但更大的衛星可以容納更大的天線盤或陣列，以支持高速率下行。立方體衛星太小了，而且對支持高速鏈路的頻段的訪問也有限。小型衛星不能使用這些頻帶，因為它需要清除許多監管障礙，而這些頻帶通常分配給大型衛星，比如大型地球同步衛星。更重要的是，用於高速數據下行鏈路的發射機可以比小型衛星在支持有效載荷的同時所能容納的功率更大。

麻省理工學院開發的一種新激光指向平台可能有助於將名為立方體衛星(CubeSats)微型衛星發射到高速數據中。圖片：Jennifer Chu

由於這些原因，研究人員已經將激光作為立方體衛星通信的一種替代形式，因為立方體衛星的體積更小，功率效率更高，在緊密聚焦的光束中封裝了更多數據。但是激光通信也提出了一個重大的挑戰：因為光束比無線電波的光束要窄得多，所以要把光束對準地面上的接收器需要更高的精度。想像一下站在一條長長的走廊盡頭，用一束像手電筒一樣的強光對準另一端的靶心。可以稍微擺動一下胳膊，光束還是會擊中靶心的。但如果我用激光筆，光束可以很容易地離開靶心如果我移動一點點。挑戰是即使衛星擺動，也要保持激光在靶心上。

顏色，轉向

美國國家航空航天局的光通信和感測器演示使用了立方體衛星激光通信系統，該系統實質上是傾斜整個衛星，使其激光束與地面站對齊。但是這個轉向系統需要時間和資源，為了獲得更高的數據速率，需要一種更強大的激光，這種激光可以利用衛星的大部分能量，並在衛星上產生大量的熱量。卡霍伊和團隊希望開發一種精確的激光指向系統，這種系統可以將下行所需的能量和時間降到最低，並能夠使用功率更低、更窄的激光器，同時仍能實現更高的數據傳輸速率。該團隊開發了一個激光指向平台，比魔方稍大一點，包含一個小型的、現成的、可操縱MEMS鏡像。

這面鏡子比電腦鍵盤上的一個鍵還小，它面對著一個小激光器，並且是有角度的，這樣激光器就可以從鏡子上反射到太空，然後向下到達地面接收器。即使整個衛星有一點偏差，仍然可以用這面鏡子來校正，但這些MEMS鏡像不會給你反饋它們指向哪裡。假設反射鏡在系統中沒有對準，這可能在發射過程中振動後發生。我們怎樣才能糾正這個問題，並確切地知道我們指的是哪裡？作為解決方案，Cierny開發了一種校準技術，這種技術通過測量激光與地面目標的偏差程度來確定，並自動校正鏡子的角度，使激光精確地對準接收端。

這項技術在光學系統中加入了額外的激光顏色或波長。因此不只是數據束通過，另一束不同顏色的校準光束也通過。兩束光都從鏡子上反射回來，校準光束通過一種「二色分光鏡」，這種分光鏡是一種光學元件，可以將特定波長的光(在這種情況下，是其他顏色的光)從主光束中分離出來。當剩下的激光向地面站發射時，被轉移的光束被定向回機載攝像機。該攝像機還可以直接從地面站接收上行激光束或信標，這是用來使衛星能夠指向正確的地面目標。如果信標光束和校準光束精確地落在機載攝像機探測器上的同一位置，系統就會對齊，研究人員就可以確定激光器處於正確的位置，以便與地面站向下連接。

圖片：Massachusetts Institute of Technology

然而如果光束落在相機探測器的不同部位，Cierny開發的一種演算法會引導機載MEMS鏡像傾斜或傾斜，從而校準激光束光斑與地面站的信標光斑重新校準。這就像貓和老鼠兩個點進入相機，想傾斜鏡子，讓一個點在另一個點的上面。為了測試這項技術的準確性，研究人員製作了一個實驗台，包括激光指向平台和一個類似信標的激光信號。這個裝置是為了模擬一個場景，在這個場景中，一顆衛星在地面站上空400公里的高度飛行，並在10分鐘的立交橋上傳輸數據。研究人員將所需的最小指向精度設置為0.65毫弧度——這是一種對應於他們的設計可以接受的角度誤差測量。

在實驗中改變了信標激光器的入射角度，並觀察鏡子如何傾斜和傾斜來匹配信標。最後校準技術達到了0.05毫拉的精度，遠遠超過了任務所需的精度。這個結果意味著這項技術可以很容易地進行調整，使之比最初計劃的更窄的激光束精確地對準，從而使立方體衛星能夠以高數據速率傳輸大量數據，如植被、野火、海洋浮游植物和大氣氣體的圖像和視頻。這表明可以安裝一個低功耗的系統，在這個小平台上製造這些窄波束，這個小平台比以前建造的任何類似設備都要小10到100倍。唯一比實驗室的結果更令人興奮的事情是從軌道上看到這一切。這真的激勵了我們去建立這些系統，並讓它們運行起來。

博科園-科學科普｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊文獻:《Optical Engineering》

論文DOI: 10.1117/1.OE.58.4.041605

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