CubeSats erreichen schnellere Datenverbindungen per Laser, reduzieren Bordressourcen

Ein neues Laser-Ausrichtungssystem könnte CubeSats helfen, Daten mit viel höheren Raten an Bodenstationen zu senden, bei geringerem Bordressourcenverbrauch. Das System besteht aus einem kleinen, steuerbaren Spiegel, der den Laser auf den bodenbasierten Empfänger richtet.

Hintergrund: CubeSats und Datenübertragung

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden über 2.000 CubeSats – Miniatursatelliten aus Vielfachen von 10×10×10 cm Einheiten – gestartet oder sind geplant. Ein einzelner CubeSat wiegt meist unter 1,33 kg und nutzt kommerzielle Standardkomponenten für Elektronik und Struktur.

CubeSats senken Bereitstellungskosten, minimieren Risiken für Trägerrakete und Nutzlast und eignen sich oft für Mehrfachstarts. Sie revolutionierten Satellitentechnologie, da sie günstiger zu entwickeln und starten sind als herkömmliche schwere Raumfahrzeuge.

In den letzten Jahren kämpften diese Miniatursatelliten jedoch damit, große Datenmengen effizient zur Erde zu übertragen. Ihre Größe und Energiebeschränkungen sind die Hauptgründe.

Da immer mehr datenintensive und komplexe Komponenten in Miniatursatelliten integriert werden – beispielsweise hyperspektrale Imager und Multiband-Radiometer – kann der Downlink-Bedarf schnell einen Punkt erreichen, an dem herkömmliche Funkkommunikation fast unmöglich wird.

Derzeit nutzen Satelliten Radiowellen zur Datenübertragung an Bodenstationen. Fast alle großen Satelliten haben hochfrequente Radiobänder zugewiesen, um große Datenmengen schnell an große Bodenantennen zu senden. Sie können die für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung nötige größere Ausrüstung unterbringen.

CubeSats sind hingegen relativ klein und haben begrenzten Zugang zu hochfrequenten Radiobändern. Auch können sie keine stromfressenden Sender für High-Rate-Downlinks unterbringen.

Die Lösung: Laser-Ausrichtungssystem

Forscher am MIT entwickelten nun ein Laser-Ausrichtungssystem – fast so groß wie ein Rubik's Cube – für diese Miniatursatelliten, das Downlinks mit viel höheren Raten bei weniger Bordressourcen ermöglicht.

Es erlaubt einem CubeSat, der über eine Bodenstation fliegt, Terabytes Daten pro Überflug zu übertragen. Wird dieses System bei mehreren CubeSats im Orbit eingesetzt, können sie globale Echtzeit-Abdeckung liefern.

Referenz: Optical Engineering | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Obwohl Laser viel mehr Daten übertragen können, stellen laserbasierte Kommunikationssysteme eine besondere Herausforderung dar. Da Laserstrahlen sehr schmal sind, müssen sie präzise auf bodenbasierte Empfänger gerichtet werden – was nicht so einfach ist, wie es klingt.

Die neue Laser-Ausrichtungsplattform minimiert Zeit und Energie für einen Downlink und erreicht gleichzeitig höhere Übertragungsraten. Sie besteht aus einem kleinen, steuerbaren MEMS-Spiegel (Micro-Electro-Mechanical System), der einem Laserstrahl zugewandt ist und so ausgerichtet ist, dass der Laser vom Spiegel ins Weltraum und zur bodenbasierten Antenne reflektiert wird.

Ein zusätzlicher Strahl

Diese Spiegel haben Vorteile – beispielsweise kann die Spiegelposition korrigiert werden, selbst wenn der gesamte Satellit leicht fehlausgerichtet ist –, aber sie geben kein Feedback darüber, wohin sie den Laserstrahl richten.

Neue Laser-Ausrichtungsplattform | Credit: MIT

Um damit umzugehen, integrierten Forscher eine zusätzliche Laserwellenlänge in ihr System. Sie justiert die Spiegelposition automatisch, um den Laser auf den bodenbasierten Empfänger zu richten.

Das Laser-Ausrichtungssystem fügt einen Kalibrierstrahl anderer Wellenlänge (Farbe) zum Datenstrahl hinzu. Nun reflektieren zwei Strahlen vom Spiegel: der zweite durchläuft ein optisches Element namens Dichroischer Strahlteiler, der den Kalibrierstrahl (bei einer bestimmten Wellenlänge, also der zusätzlichen Farbe) vom Datenstrahl ablenkt.

Während der Laser zur bodenbasierten Antenne wandert, wird der abgelenkte Strahl zurück zu einer Bordkamera gerichtet. Die empfängt auch den Strahl von der Bodenantenne.

Das System gleicht beide Strahlen ab: landen beide am selben Punkt auf dem Kamerasensor, ist der MEMS-Spiegel perfekt ausgerichtet. Andernfalls kippt ein benutzerdefinierter Algorithmus den Spiegel in die korrekte Position.