Оптическая полезная нагрузка для лазерной связи ( OPALS ) — это космический коммуникационный инструмент, разработанный в Лаборатории реактивного движения , который испытывался на Международной космической станции (МКС) с 18 апреля по 17 июля 2014 года для демонстрации технологии лазерных систем связи между космическим аппаратом и наземными станциями. [2]
Целью OPALS является исследование возможности замены традиционной радиочастотной (РЧ) связи , которая в настоящее время используется на космических аппаратах. [3] Это позволит космическим аппаратам увеличить скорость передачи данных в 10–100 раз. [4] Также она будет иметь меньше ошибок, чем радиочастотная связь. [3]
Он стартовал с мыса Канаверал к МКС 18 апреля 2014 года на корабле -носителе Falcon 9 SpaceX CRS-3 Dragon . [5]
В эксперименте использовались коммерческие продукты, а не компоненты, пригодные для использования в космосе. [6]
Целью миссии OPALS была демонстрация передачи короткого видео из космоса с помощью лазерной связи. При этом изучалось следующее:
Сообщения и команды отправлялись в систему полета через Mission Operations System (MOS), которая является процессом, разработанным командой OPALS. Когда команда хотела выполнить лазерную связь, это происходило следующим образом [7]
Этот процесс выполняется за считанные секунды. [8] В случае коммуникаций, которые не являются лазерной передачей (например, проверки работоспособности системы), архитектура во многом та же самая. Восходящий канал тот же самый, следуя шагам 1-3. Нисходящий канал вместо того, чтобы идти вниз к OCTL, проходит по тому же пути, что и восходящий канал, за исключением обратного. [7] Так же, как и восходящий канал, все коммуникации осуществляются через радиочастоту.
Хотя большинство нисходящих каналов проходило через OCTL, некоторые из них проходили через другие наземные станции, включая оптическую наземную станцию Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в Оберпфаффенхофене, Германия , и наземную станцию Европейского космического агентства на горе Тейде, Тенерифе, Канарские острова . [9] [6]
OPALS имеет две аппаратные системы: систему полета, которая посылает лазерные сигналы с борта МКС, и наземную систему, которая помогает системе полета определить, куда направлять лазер, и принимает его сигналы.
Система полета (изображена справа) состоит из трех основных частей: герметичного контейнера, оптического карданного приемопередатчика и механизма крепления для полета (FRAM) . [10]
В герметичном контейнере размещаются электроника, авионика , коммуникационный лазер и специальная плата питания, находящаяся под давлением в 1 атмосферу с воздухом для охлаждения электроники. [7] [10] Лазер использует длину волны света 1550 нанометров с мощностью 2,5 Вт [11] [12] и имеет апертуру диаметром 2,2 сантиметра. [9] [6] Лазер был направлен через оптоволокно к карданному приемопередатчику, где он передавался с расходимостью луча 1,5 миллирадиана . [12]
Оптический карданный приемопередатчик удерживает восходящую камеру и лазерный коллиматор на 2-осевом карданном подвесе. [10] Из соображений безопасности лазера карданный подвес не должен освещать ничего на МКС. [7] Чтобы избежать этого, карданный подвес спроектирован с механическими упорами и электромеханическими концевыми выключателями, так что его поле обзора (область, куда он может направлять) ограничено 36° по вертикали и 106° по азимуту , где азимутальная ось, как правило, совпадает с направлением движения МКС. [7] Из-за геометрии поля обзора карданного подвеса система полета может выполнять нисходящие каналы только тогда, когда МКС находится к северу от наземной станции.
Из-за быстро меняющейся геометрии обзора во время проходов, направление, в котором должен указывать подвес на протяжении всего прохода, должно быть рассчитано заранее. [13] Список направлений для указания подвеса был рассчитан на основе вектора состояния GPS МКС и кватерниона ориентации . [13] Необходимость в том, чтобы этот список был точным, была очень важна из-за ошибок в прогнозах ориентации МКС и из-за того, что у подвеса не было никаких энкодеров, поэтому все движения подвеса приходилось выполнять с помощью точного счисления . [13] Как только система полета обнаруживает маяк от наземной системы, она отслеживает маяк с помощью подвеса. [13]
FRAM — это интерфейс между OPALS и МКС. [10] Он не был разработан командой OPALS, но был существующей частью, разработанной командой МКС в Космическом центре имени Джонсона. [14]
Наземная система — это то, что получает сигнал от лазерных нисходящих линий связи полетной системы. [7] Чаще всего в качестве наземной станции использовалась Лаборатория оптических телекоммуникационных телескопов (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, но использовались и другие международные станции. Обсерватория имеет 1-метровое зеркало, через которое осуществляются все лазерные нисходящие линии связи. [13] Телескоп имеет возможность отслеживать объекты, находящиеся на низкой околоземной орбите. [13] Функция наземной системы — указывать полетной системе, куда направить лазер, а затем принимать этот сигнал. Она указывает, куда должен направить лазер, освещая МКС 976-нанометровым лазером. [7] Сигнал принимается через 3-нанометровый полосовой 1550-нанометровый спектральный фильтр перед камерой сбора данных на основе арсенида индия-галлия и лавинного фотодиодного детектора, который не дает приемнику быть перегруженным солнечным светом, рассеянным обратно атмосферой Земли во время дневных пролетов. [13]
OPALS предпринял 26 попыток нисходящих соединений, 18 из которых были успешными. Половина успешных попыток была предпринята ночью, а половина — днем. [13] Несмотря на то, что многие нисходящие соединения считались неудачными, некоторые из этих неудачных попыток смогли отправить весь пакет данных, поскольку данные нисходящего соединения состояли из одного и того же пакета данных, повторенного много раз.
В целом, нисходящие линии связи были более успешными днем, чем ночью. Нисходящие линии связи также страдали в случае облачной погоды, хотя в некоторых случаях удавалось восстановить сигнал. Некоторые трудности были обнаружены с нисходящими линиями связи на высокоширотные наземные станции, такие как DLR.