NASA-Daten mit Lasern auf den Boden bringen

Die NASA startet Satelliten, Rover und Orbiter, um den Platz der Menschheit in der Milchstraße zu untersuchen. Wenn diese Missionen ihr Ziel erreichen, erfassen ihre wissenschaftlichen Instrumente Bilder, Videos und wertvolle Einblicke in den Kosmos. Die Kommunikationsinfrastruktur im Weltraum und am Boden ermöglicht es den von diesen Missionen gesammelten Daten, die Erde zu erreichen. Ohne Bodenstationen, die sie empfangen, würden die außergewöhnlichen Daten, die von diesen Missionen erfasst wurden, jedoch im Weltraum hängen bleiben und Wissenschaftler und Forscher auf der Erde nicht erreichen können.

Seit Beginn der Weltraumforschung haben sich NASA-Missionen für diese Informationsübertragung hauptsächlich auf Hochfrequenzkommunikation verlassen. Die weltraumgestützte Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) der NASA wird die Laserkommunikation demonstrieren – eine revolutionäre Art der Datenübertragung vom Weltraum zum Boden.

Die Bodenstationen von LCRD, bekannt als Optical Ground Station (OGS) -1 und -2, befinden sich auf dem Tafelberg, Kalifornien, und Haleakalā, Hawaii. Diese abgelegenen, hoch gelegenen Orte wurden aufgrund ihrer klaren Wetterbedingungen ausgewählt. Während die Laserkommunikation höhere Datenübertragungsraten bieten kann, können atmosphärische Störungen wie Wolken und Turbulenzen Lasersignale stören, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten.

„So wie die lokale Meteorologie funktioniert, gibt es auf der Spitze des Berges minimalen Staub und weniger atmosphärische Turbulenzen, was großartig für die Laserkommunikation ist“, sagte Ron Miller vom Goddard Space Flight Center der NASA. „Es ist ungefähr 10.000 Fuß hoch, also sind Sie über einem Großteil der Atmosphäre und des Wetters, die sich unterhalb des Gipfels abspielen. Es ist sehr üblich, einen schönen sonnigen Tag auf dem Gipfel zu haben und in der Mitte des Berges bewölkt zu sein.“

Die Kommunikationsingenieure der NASA haben diese Orte ausgewählt, weil sich ihre Wettermuster normalerweise gegenseitig ergänzen. Wenn OGS-1 in Kalifornien bewölkt ist, ist OGS-2 in Hawaii tendenziell klar – und umgekehrt. Um die Bewölkung zu überwachen und zu bestimmen, welche Station verwendet werden soll, stellte der Handelspartner Northrop Grumman eine atmosphärische Überwachungsstation zur Verfügung, die die Wetterbedingungen in Haleakalā beobachtet. Diese Überwachungsstation läuft fast autonom 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche. OGS-1 verfügt über ähnliche Wetterüberwachungsfunktionen am Tafelberg.

Trotz des normalerweise klaren Wetters an diesen Orten müssen die NASA-Ingenieure noch daran arbeiten, die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen auf die von OGS-1 und OGS-2 empfangenen Daten zu reduzieren. Dazu nutzen beide Stationen die Leistungsfähigkeit der adaptiven Optik.

„Ein adaptives optisches System verwendet einen Sensor, um die Verzerrung des elektromagnetischen Signals zu messen, das von der Raumsonde kommt“, sagte Tom Roberts, Manager für OGS-1-Entwicklung und -Betrieb am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Wenn wir diese Verzerrung messen können, können wir sie durch einen verformbaren Spiegel schicken, der seine Form ändert, um die von der Atmosphäre verursachten Aberrationen zu beseitigen. Dadurch erhalten wir ein schönes, makelloses Signal.“

Während OGS-2 speziell für die LCRD-Mission entwickelt wurde, befindet sich OGS-1 im Optical Communications Telescope Laboratory des JPL, das für frühere Demonstrationen der Laserkommunikation verwendet wurde. Um OGS-1 für die LCRD-Unterstützung vorzubereiten, mussten die Ingenieure die Bodenstation aufrüsten. Ein solches Upgrade beinhaltete den Austausch der Spiegel, um ein besseres Reflexionsvermögen und einen höheren Laser zu haben.

Vor der Missionsunterstützung wird LCRD etwa zwei Jahre damit verbringen, Tests und Experimente durchzuführen. Während dieser Zeit fungieren OGS-1 und OGS-2 als simulierte Benutzer und senden Daten von einer Station an LCRD und dann an die nächste. Diese Tests werden es der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft ermöglichen, von LCRD zu lernen und die Technologie für die zukünftige Implementierung von Laserkommunikationssystemen weiter zu verfeinern. Nach der experimentellen Phase wird LCRD Weltraummissionen unterstützen. Missionen, wie ein Terminal auf der Internationalen Raumstation, senden Daten an LCRD, das sie dann an OGS-1 oder OGS-2 überträgt.

LCRD ist eine gehostete Nutzlast des Weltraumtestprogramms Satellite-6 (STP-Sat-6) des US-Verteidigungsministeriums. Während LCRD eine Nutzlast für die Laserkommunikation ist, wird das Raumfahrzeug immer noch eine Hochfrequenzverbindung zum Boden haben. Das Payload to Ground Link Terminal (PGLT) im White Sands Complex in der Nähe von Las Cruces, New Mexico, wird Ortungs-, Telemetrie- und Befehlsdaten über Funkwellen an das Raumschiff übermitteln. Die NASA verwaltet die Bodenelemente von LCRD – OGS-1, OGS-2 und PGLT – vom Mission Operations Center von LCRD in White Sands aus.

„Das Mission Operations Center ist das zentrale Gehirn des LCRD-Systems“, sagte Miriam Wennersten, LCRD-Bodensegmentmanagerin von NASA Goddard. „Es koordiniert die Konfiguration der Nutzlast und aller drei Bodenstationen gleichzeitig und plant die verschiedenen optischen Dienste und Verbindungen.“

Ohne Bodeninfrastruktur würden außergewöhnliche Wissenschafts- und Explorationsdaten die Forscher auf der Erde nicht erreichen. Das Bodensegment von LCRD wird entscheidend für den Erfolg der Mission sein und den Ingenieuren die Möglichkeit bieten, die Laserkommunikation zu testen und zu verfeinern. Im Gegenzug wird LCRD eine neue Ära der Laserkommunikation einleiten, in der Missionen einen beispiellosen Zugang zu Erkenntnissen haben werden, die von Satelliten und Sonden im Weltraum gewonnen wurden.