MIT新激光器有助于衛(wèi)星處理大量數(shù)據(jù)的下行

麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在研究一種新的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將允許CubeSat使用激光與地球進(jìn)行高帶寬通信。

新的激光指向平臺(tái)使用第二個(gè)定向光束保持主要數(shù)據(jù)光束聚焦，使CubeSat能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，從而無需重型天線或浪費(fèi)推進(jìn)劑。CubeSats的尺寸經(jīng)常小于一條吐司面包，但卻具有巨大的潛力，可以徹底改變科學(xué)，商業(yè)和軍事的空間探索和開發(fā)。 CubeSats可以在需要時(shí)立即發(fā)送，也可以在巨大的衛(wèi)星陣列中發(fā)送，用于全球范圍內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)或反導(dǎo)防御等事件，單個(gè)的大衛(wèi)星盡管單體性能強(qiáng)大但卻沒有這種能力。

但CubeSat的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)方面不是很好。由于缺乏強(qiáng)大的無線電發(fā)射器和較大的天線，CubeSats一次只能發(fā)送相當(dāng)于幾張圖像的數(shù)據(jù)。然而，為了使它們更實(shí)用，CubeSats需要能夠快速地發(fā)回大量高光譜圖像等內(nèi)容。這意味著需要設(shè)法讓其能夠以高速率傳輸回上TB的數(shù)據(jù)。

即使是傳統(tǒng)的無線電也存在這種數(shù)據(jù)流的問題，而CubeSats由于只能有限地訪問必要的無線電頻率，因此近年來空間工程師將激光視為更快的通信手段，例如NASA此前在進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)麻省理工學(xué)院的最新結(jié)論，激光不僅在帶寬方面更有優(yōu)勢(shì)，而且比無線電設(shè)備的外形更緊湊，功率效率更高。但由于CubeSats的體積小，如何對(duì)準(zhǔn)和發(fā)射激光也存在問題。傳統(tǒng)航天器或國際空間站（ISS）的激光實(shí)驗(yàn)已經(jīng)精心設(shè)計(jì)了瞄準(zhǔn)機(jī)制，使它們專注于接收地球站，但CubeSat系統(tǒng)必須傾斜整個(gè)衛(wèi)星以對(duì)準(zhǔn)波束。這會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，能量和推進(jìn)劑。

在航空和航天學(xué)副教授Kerri Cahoy的帶領(lǐng)下，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種精確指向激光并將其保持在目標(biāo)狀態(tài)的新方法，無需移動(dòng)CubeSat或配備高功率激光器。激光指向平臺(tái)在距離僅有幾英寸的一側(cè)，使用另一個(gè)小型激光器，從一個(gè)小的，現(xiàn)成的，可操縱的MEMS反射鏡反射，將其對(duì)準(zhǔn)地面接收器。這種方法聰明的一點(diǎn)是，系統(tǒng)不僅瞄準(zhǔn)激光，而且有助于將其鎖定在目標(biāo)上，這樣就無需在軌道上重新校準(zhǔn)它。這套激光系統(tǒng)是通過發(fā)射兩種不同顏色的激光來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)是數(shù)據(jù)光束，另一個(gè)是校準(zhǔn)光束。當(dāng)光束被鏡子反射時(shí)，校準(zhǔn)光束通過一個(gè)特殊的光學(xué)元件，根據(jù)光線的顏色分割光束。

發(fā)生這種情況時(shí)，校準(zhǔn)光束將被發(fā)送到CubeSat上的板載相機(jī)，而數(shù)據(jù)光束將前往目標(biāo)。該攝像機(jī)還接收從地面站發(fā)送的參考光束。通過比較這兩者，系統(tǒng)可以調(diào)整發(fā)射器的鏡子，使激光器保持鎖定狀態(tài)。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了測(cè)試，模擬衛(wèi)星在400公里（250英里）的高度通過頭頂10分鐘。通過改變參考光束的角度，團(tuán)隊(duì)最終能夠?qū)⑿?zhǔn)集中在0.05毫弧度范圍內(nèi)?！斑@表明你可以安裝一個(gè)低功率系統(tǒng)，可以在這個(gè)微小的平臺(tái)上制作這些窄光束，比以前做過的任何東西都要小10到100倍，”Cahoy說。 “唯一比實(shí)驗(yàn)室結(jié)果更令人興奮的事情就是從軌道上看到這一點(diǎn)，希望這研究和試驗(yàn)結(jié)果能真的激發(fā)了這些系統(tǒng)的構(gòu)建并將它們帶到了那里。”