Miniatursatelliten können Laser anstelle von Funkwellen verwenden, um Hochgeschwindigkeitsdaten zu senden

• Ein neues Laser-Pointing-System könnte CubeSats dabei helfen, Daten mit viel höheren Raten und weniger Onboard-Ressourcen herunterzuladen.
• Das System besteht aus einem kleinen, lenkbaren Spiegel, der den Laser auf den bodengestützten Empfänger richtet.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden und sollen mehr als 2.000 CubeSats – Miniatursatelliten, die aus Vielfachen von 10*10*10 Zentimeter Kubit-Einheiten bestehen – ins All geschossen werden und sollen. Ein einzelner CubeSat ist normalerweise leichter als 1,33 Kilogramm und verwendet für seine Elektronik und Struktur handelsübliche Instrumente.

CubeSats reduzieren die Einsatzkosten, minimieren das Risiko für den Rest der Trägerrakete und der Nutzlasten und eignen sich oft für den Start in mehreren. Sie haben die Satellitentechnologie revolutioniert, da sie kostengünstiger zu entwickeln und zu starten sind als herkömmliche schwere Raumfahrzeuge.

In den letzten paar Jahren hatten diese Miniatursatelliten jedoch Schwierigkeiten, große Datenmengen effizient zur Erde zu übertragen. Ihre Größen- und Leistungsbeschränkungen sind die beiden Hauptgründe für dieses Problem.

Da immer datenintensivere und komplexere Komponenten in Miniatursatelliten integriert werden, beispielsweise Hyperspektral-Imager und Multiband-Radiometer, kann der Downlink-Bedarf schnell bis zu einem Punkt ansteigen, an dem es fast unmöglich wird, konventionelle Hochfrequenzkommunikation zu verwenden.

Derzeit verwenden Satelliten Funkwellen, um Daten an Bodenstationen zu übertragen. Fast allen großen Satelliten im Weltraum wurden Hochfrequenz-Funkbänder zugewiesen, um schnell große Datenmengen an große Bodenantennen zu senden. Sie können größere Geräte aufnehmen, die zur Unterstützung der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erforderlich sind.

CubeSats hingegen sind relativ klein und haben nur begrenzten Zugang zu hochfrequenten Funkbändern. Außerdem können diese Satelliten keine stromverbrauchenden Sender aufnehmen, die für Hochraten-Daten-Downlinks geeignet sind.

Die Lösung:Laser-Pointing-System

Jetzt haben Forscher des MIT ein Laser-Pointing-System entwickelt – fast so groß wie ein Zauberwürfel – für diese Miniatursatelliten, das es ihnen ermöglicht, Daten mit viel höheren Raten und weniger Onboard-Ressourcen downzulinken.

Es ermöglicht einem CubeSat, der über eine Bodenstation fährt, bei jedem Vorbeiflug Terabyte an Daten zu übertragen. Wenn dieses Laserpointing-System für mehrere CubeSats im Orbit verwendet wird, können sie eine globale Abdeckung in Echtzeit liefern.

Referenz: Optiktechnik | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Obwohl Laser viel mehr Daten übertragen können, stellen auf Lasern basierende Kommunikationssysteme eine außergewöhnliche Herausforderung dar. Da Laserstrahlen sehr schmal sind, müssen sie präzise auf bodengebundene Empfänger gerichtet werden, was nicht so einfach ist wie Geräusche.

Die neue Laserpointing-Plattform würde den Zeit- und Energiebedarf für einen Downlink minimieren und gleichzeitig höhere Übertragungsraten erzielen. Es besteht aus einem kleinen, steuerbaren mikroelektromechanischen Systemspiegel (MEMS), der einem Laserstrahl zugewandt und so ausgerichtet ist, dass der Laser vom Spiegel in den Weltraum und in Richtung einer bodengestützten Antenne abprallen kann.

Ein zusätzlicher Strahl

Diese Spiegel haben mehrere Vorteile – zum Beispiel kann die Position des Spiegels korrigiert werden, selbst wenn der gesamte Satellit leicht falsch ausgerichtet ist – aber sie geben keine Rückmeldung darüber, wohin sie den Laserstrahl richten.

Neue Laserpointing-Plattform | Kredit:MIT

Um mit solchen Situationen umzugehen, haben die Forscher eine zusätzliche Laserwellenlänge in ihr System eingebaut. Es passt die Position des Spiegels automatisch an, um den Laser auf den bodengestützten Empfänger zu richten.

Das Laser-Pointing-System fügt dem Datenstrahl einen Kalibrierstrahl unterschiedlicher Wellenlänge (Farbe) hinzu. Jetzt werden zwei Strahlen vom Spiegel reflektiert:Der zweite durchläuft ein optisches Element namens dichroitischer Strahlteiler, das den Kalibrierungsstrahl (bei einer bestimmten Wellenlänge, d. h. der zusätzlichen Farbe) vom Datenstrahl weglenkt.

Während sich der Laser auf die bodengestützte Antenne zubewegt, wird der abgelenkte Strahl zurück auf eine Bordkamera gerichtet. Die Kamera empfängt auch den von der Bodenantenne kommenden Strahl.

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Das System passt dann beide Strahlen an und wenn sie beide an derselben Stelle auf dem Sensor der Kamera landen, ist der integrierte MEMS-Spiegel perfekt ausgerichtet. Andernfalls wird ein benutzerdefinierter Algorithmus verwendet, um den Spiegel in die richtige Position zu neigen.