麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種新激光指向平臺可能有助于將微型衛(wèi)星發(fā)射到高速數(shù)據(jù)游戲中。自1998年以來，近2000顆鞋盒大小的立方體衛(wèi)星被發(fā)射到太空。由于立方體衛(wèi)星嬌小的外形，而且可以用現(xiàn)成的部件制造，因此與耗資數(shù)億美元的傳統(tǒng)龐然大物相比，建造和發(fā)射立方體衛(wèi)星的成本要低得多。立方體衛(wèi)星已經(jīng)成為衛(wèi)星技術(shù)的顛覆者，因?yàn)樗鼈兛梢猿扇航Y(jié)隊(duì)地發(fā)射，以低廉的成本監(jiān)測地球表面大片區(qū)域。但隨著越來越強(qiáng)大的微型化設(shè)備使立方體衛(wèi)星能夠拍攝非常詳細(xì)的圖像，由于功率和尺寸的限制，這種微型航天器難以有效地向地球傳輸大量數(shù)據(jù)。《光學(xué)工程》(Optical Engineering)詳細(xì)介紹了立方體衛(wèi)星新的激光指向平臺
它使立方體衛(wèi)星能夠以比目前可能的更高的速率以更少的機(jī)載資源下行數(shù)據(jù)。而不是每次立方體衛(wèi)星經(jīng)過地面站時(shí)只發(fā)送幾張圖像，衛(wèi)星應(yīng)該能夠在每次飛越時(shí)下行數(shù)千張高分辨率圖像。麻省理工學(xué)院(MIT)航空航天學(xué)副教授凱里·卡霍伊(Kerri Cahoy)表示:：要從地球觀測中獲得有價(jià)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(chǎn)生tb級的數(shù)據(jù)，而立方體衛(wèi)星很難將其拍攝下來。但是有了高速率的激光通信系統(tǒng)，就可以迅速地將這些詳細(xì)的圖像發(fā)送下去。這種能力將使整個(gè)立方體衛(wèi)星接近地球，在軌道上使用許多衛(wèi)星，這樣就可以得到全球和實(shí)時(shí)的覆蓋，更加真實(shí)?？ɑ粢潦锹槭±砉W(xué)院(MIT)羅克韋爾國際職業(yè)發(fā)展副教授，也是這篇論文的作者之一。
超越無線電
衛(wèi)星通常通過無線電波下行數(shù)據(jù)，為了獲得更高的速率鏈路，無線電波被發(fā)送到大型地面天線。太空中的每一顆主要衛(wèi)星都在高頻無線電頻段內(nèi)通信，這使得它們能夠迅速傳輸大量數(shù)據(jù)。但更大的衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星不能使用這些頻帶，因?yàn)樗枰宄S多監(jiān)管障礙，而這些頻帶通常分配給大型衛(wèi)星，比如大型地球同步衛(wèi)星。更重要的是，用于高速數(shù)據(jù)下行鏈路的發(fā)射機(jī)可以比小型衛(wèi)星在支持有效載荷的同時(shí)所能容納的功率更大。
麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種新激光指向平臺可能有助于將名為立方體衛(wèi)星(CubeSats)微型衛(wèi)星發(fā)射到高速數(shù)據(jù)中。圖片：Jennifer Chu
由于這些原因，研究人員已經(jīng)將激光作為立方體衛(wèi)星通信的一種替代形式，因?yàn)榱⒎襟w衛(wèi)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(shù)據(jù)。但是激光通信也提出了一個(gè)重大的挑戰(zhàn)：因?yàn)楣馐葻o線電波的光束要窄得多，所以要把光束對準(zhǔn)地面上的接收器需要更高的精度。想象一下站在一條長長的走廊盡頭，用一束像手電筒一樣的強(qiáng)光對準(zhǔn)另一端的靶心?？梢陨晕[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(diǎn)點(diǎn)。挑戰(zhàn)是即使衛(wèi)星擺動，也要保持激光在靶心上。
顏色，轉(zhuǎn)向
美國國家航空航天局的光通信和傳感器演示使用了立方體衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是傾斜整個(gè)衛(wèi)星，使其激光束與地面站對齊。但是這個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要時(shí)間和資源，為了獲得更高的數(shù)據(jù)速率，需要一種更強(qiáng)大的激光，這種激光可以利用衛(wèi)星的大部分能量，并在衛(wèi)星上產(chǎn)生大量的熱量。卡霍伊和團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)一種精確的激光指向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以將下行所需的能量和時(shí)間降到最低，并能夠使用功率更低、更窄的激光器，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)激光指向平臺，比魔方稍大一點(diǎn)，包含一個(gè)小型的、現(xiàn)成的、可操縱MEMS鏡像。
這面鏡子比電腦鍵盤上的一個(gè)鍵還小，它面對著一個(gè)小激光器，并且是有角度的，這樣激光器就可以從鏡子上反射到太空，然后向下到達(dá)地面接收器。即使整個(gè)衛(wèi)星有一點(diǎn)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里。假設(shè)反射鏡在系統(tǒng)中沒有對準(zhǔn)，這可能在發(fā)射過程中振動后發(fā)生。我們怎樣才能糾正這個(gè)問題，并確切地知道我們指的是哪里？作為解決方案，Cierny開發(fā)了一種校準(zhǔn)技術(shù)，這種技術(shù)通過測量激光與地面目標(biāo)的偏差程度來確定，并自動校正鏡子的角度，使激光精確地對準(zhǔn)接收端。
這項(xiàng)技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)中加入了額外的激光顏色或波長。因此不只是數(shù)據(jù)束通過，另一束不同顏色的校準(zhǔn)光束也通過。兩束光都從鏡子上反射回來，校準(zhǔn)光束通過一種“二色分光鏡”，這種分光鏡是一種光學(xué)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(dāng)剩下的激光向地面站發(fā)射時(shí)，被轉(zhuǎn)移的光束被定向回機(jī)載攝像機(jī)。該攝像機(jī)還可以直接從地面站接收上行激光束或信標(biāo)，這是用來使衛(wèi)星能夠指向正確的地面目標(biāo)。如果信標(biāo)光束和校準(zhǔn)光束精確地落在機(jī)載攝像機(jī)探測器上的同一位置，系統(tǒng)就會對齊，研究人員就可以確定激光器處于正確的位置，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(jī)探測器的不同部位，Cierny開發(fā)的一種算法會引導(dǎo)機(jī)載MEMS鏡像傾斜或傾斜，從而校準(zhǔn)激光束光斑與地面站的信標(biāo)光斑重新校準(zhǔn)。這就像貓和老鼠兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)入相機(jī)，想傾斜鏡子，讓一個(gè)點(diǎn)在另一個(gè)點(diǎn)的上面。為了測試這項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)確性，研究人員制作了一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺，包括激光指向平臺和一個(gè)類似信標(biāo)的激光信號。這個(gè)裝置是為了模擬一個(gè)場景，在這個(gè)場景中，一顆衛(wèi)星在地面站上空400公里的高度飛行，并在10分鐘的立交橋上傳輸數(shù)據(jù)。研究人員將所需的最小指向精度設(shè)置為0.65毫弧度——這是一種對應(yīng)于他們的設(shè)計(jì)可以接受的角度誤差測量。
在實(shí)驗(yàn)中改變了信標(biāo)激光器的入射角度，并觀察鏡子如何傾斜和傾斜來匹配信標(biāo)。最后校準(zhǔn)技術(shù)達(dá)到了0.05毫拉的精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任務(wù)所需的精度。這個(gè)結(jié)果意味著這項(xiàng)技術(shù)可以很容易地進(jìn)行調(diào)整，使之比最初計(jì)劃的更窄的激光束精確地對準(zhǔn)，從而使立方體衛(wèi)星能夠以高數(shù)據(jù)速率傳輸大量數(shù)據(jù)，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(gè)低功耗的系統(tǒng)，在這個(gè)小平臺上制造這些窄波束，這個(gè)小平臺比以前建造的任何類似設(shè)備都要小10到100倍。唯一比實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果更令人興奮的事情是從軌道上看到這一切。這真的激勵(lì)了我們?nèi)ソ⑦@些系統(tǒng)，并讓它們運(yùn)行起來。
博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：麻省理工學(xué)院
參考期刊文獻(xiàn):《Optical Engineering》
論文DOI: 10.1117/1.OE.58.4.041605
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