stringtranslate.com

Оптическая полезная нагрузка для Lasercomm Science

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]

Научные цели

Целью миссии OPALS была демонстрация передачи короткого видео из космоса с помощью лазерной связи. При этом изучалось следующее:

Архитектура миссии

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]

  1. Информация поступает с бортовой станции управления полетом, расположенной в центре управления полетом в JPL, где планируется связь с системой полета.
  2. Информация отправляется в Центр поддержки операций в Хантсвилле (HOSC) в Центре космических полетов им. Маршалла , откуда она передается по радиочастотам в Систему отслеживания данных и ретрансляции (TDRSS) , которая представляет собой массив спутников связи.
  3. TDRSS отправляет информацию на МКС и в систему управления полетом, снова через радиочастоту.
  4. Система полета осуществляет лазерную связь, которая принимается Лабораторией оптических телекоммуникационных телескопов (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, где расположена наземная система OPALS.
  5. В конечном итоге информация передается главному исследователю миссии OPALS для анализа группой.

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]

Системы

Система полета OPALS Изображение предоставлено JPL/Caltech

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

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]

OPALS в стадии строительства
OPALS в процессе строительства Изображение предоставлено JPL/Caltech

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

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]

Результаты

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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Selinger, Mark (сентябрь 2014 г.). "Demonstrating Laser Comms" (PDF) . Журнал . Архивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2015 г. . Получено 8 ноября 2014 г. .
  2. ^ "NASA - Оптическая полезная нагрузка для лазерной связи". www.nasa.gov . Получено 11 июля 2020 г. .
  3. ^ ab "OPALS: Световые лучи ускоряют скорость передачи данных". www.jpl.nasa.gov . 9 декабря 2014 г. Получено 21 октября 2015 г.
  4. ^ "NASA's OPALS to Beam Data From Space via Laser". www.jpl.nasa.gov . 11 июля 2013 г. Получено 11 июля 2020 г.
  5. ^ SpaceX. "Launch Manifest". SpaceX . Архивировано из оригинала 2020-04-06 . Получено 2015-10-19 .
  6. ^ abc Oaida; et al. (2017). "реферат по проектированию оптической линии связи и проверочному тестированию оптической полезной нагрузки для лазерной науки (OPALS)". Серия конференций Общества инженеров фотооптического приборостроения (Spie) . 10563. Bibcode : 2017SPIE10563E..38W . doi : 10.1117/12.2304100 .
  7. ^ abcdefghijk Абрахамсон, Мэтью Дж.; Синдий, Олег В.; Оайда, Богдан В.; Фрегосо, Сантос; Боулз-Мартинес, Джессика Н.; Кокоровски, Майкл; Вилкерсон, Маркус В.; Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Кониха, Александр Л.; Университет аэронавтики Эмбри-Риддла (9 мая 2014 г.). Архитектура операций системы миссии OPALS для демонстрации оптической связи на МКС . Американский институт аэронавтики и астронавтики . doi :10.2514/6.2014-1627. ISBN 978-1-62410-221-9.
  8. ^ "DesktopTV - 082615_MSFC_CutIn_Opals". av.ndc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 2016-03-07 . Получено 2015-11-09 .
  9. ^ ab Oaida, Bogdan V.; Wu, William; Erkmen, Baris I.; Biswas, Abhijit; Andrews, Kenneth S.; Kokorowski, Michael; Wilkerson, Marcus (2014-01-01). "Проектирование оптической линии связи и проверочное тестирование системы оптической полезной нагрузки для лазерной связи (OPALS)". В Hemmati, Hamid; Boroson, Don M. (ред.). Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVI. Том 8971. стр. 89710U–89710U–15. doi :10.1117/12.2045351 . Получено 8 апреля 2023 г. .
  10. ^ abcd "Космос, звезды, Марс, Земля, планеты и многое другое - Лаборатория реактивного движения NASA". phaeton.jpl.nasa.gov . Архивировано из оригинала 2015-10-15 . Получено 2015-10-21 .
  11. ^ "NASA передает видео 'Hello, World!' из космоса с помощью лазера". www.jpl.nasa.gov . 6 июня 2014 г. Получено 21 октября 2015 г.
  12. ^ ab Wright, MW; Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology; Tang, RR; NuphotonTechnologies, Inc (2014-10-10). "Квалификационные испытания волоконно-оптических лазерных передатчиков и орбитальная валидация коммерческой лазерной системы" (PDF) . Международная конференция по космической оптике . Получено 8 ноября 2015 г. .
  13. ^ abcdefgh Абрахамсон, Мэтью Дж.; Оайда, Богдан В.; Синдий, Олег; Бисвас, Абхиджит (2015-01-01). «Достижение оперативного двухстороннего лазерного захвата для полезной нагрузки OPALS на Международной космической станции». В Hemmati, Хамид; Боросон, Дон М. (ред.). Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVII . Том 9354. стр. 935408–935408–21. doi :10.1117/12.2182473.
  14. ^ Контрольный список EVA, STS-121 . Космический центр Джонсона. 2006. С. 20–22.

Внешние ссылки