Новая система лазерной связи поможет крошечным спутникам передавать большие объёмы данных

Беспрецедентно точная система наведения лазерного луча обеспечит спутникам массой в несколько килограммов канал связи, по которому они смогут передавать изображения и видео высокого качества. Новинка уже прошла наземные испытания, теперь планируется тестирование на орбите.

Описание разработки опубликовано в журнале Optical Engineering Ондреем Чёрным (Ondrej Сierny) и Керри Кахой (Kerri Cahoy) из Массачусетского технологического института (MIT).

Как сообщается в пресс-релизе организации, за последние двадцать лет в космос было запущено почти две тысячи кубсатов. Напомним, что это спутники, состоящие из одного или нескольких блоков, представляющих собой куб с ребром всего десять сантиметров.

Такие "малыши" собираются из стандартных компонентов, поэтому дёшевы в изготовлении. В то же время небольшая масса аппаратов позволяет запускать их практически бесплатно, в качестве "довеска" на ракетах-носителях, выводящих на орбиту более солидные космические аппараты. Впрочем, уже запланированы миссии, в ходе которых кубсаты будут отправлять в космос на отдельных ракетах-носителях.

Маленькие труженики могут принести большую пользу в деле дистанционного зондирования Земли (например, при наблюдении облаков или для поиска очагов лесных пожаров). Современная миниатюрная фототехника позволяет кубсату делать достаточно подробные снимки. Однако в большом количестве передавать их на Землю пока проблемно.

"Чтобы получить ценные сведения из наблюдений Земли, можно использовать гиперспектральные изображения, сделанные на многих длинах волн. [Однако при этом] создаются терабайты данных, которые кубсату передать трудно", – объясняет Кахой.

Обычные спутники используют радиосвязь на высоких частотах. Однако подобную аппаратуру, во-первых, трудно разместить на борту "малыша". Во-вторых, частотные каналы в этом диапазоне – дефицитный ресурс. Их распределяют специальные регулирующие органы, и уж, конечно, приоритет отдаётся большим аппаратам, за которыми стоят столь же большие деньги.

"Небольшие спутники не могут использовать эти полосы, потому что это требует устранения многих регуляторных барьеров, а распределение обычно идёт в пользу крупных игроков, таких как огромные геостационарные спутники", – констатирует Кахой.

Поэтому с 2017 года NASA тестирует на орбите систему лазерной связи OCSD. В этом проекте информация передаётся с кубсата с помощью луча компактного бортового лазера. В такой сигнал можно "упаковать" гораздо больше информации, чем это позволяет доступный кубсатам формат радиосвязи.

Однако, как это часто бывает, решение одной проблемы влечёт за собой другую. Лазерный луч куда более узок, чем конус, в который антенна излучает радиоволны. Поэтому становится трудно навести его на принимающую станцию.

"Представьте себе, что вы стоите в конце длинного коридора и наводите толстый луч, как от фонарика, на мишень на другом конце, – рассказывает Кахой. – Я могу немного пошевелить рукой, и луч всё равно попадёт в яблочко. Но если я вместо [фонарика] использую лазерную указку, луч может легко сойти с мишени, если я немного сдвинусь".

В проекте OCSD эта задача решается просто: если луч соскальзывает с цели, двигатели меняют ориентацию спутника так, чтобы лазер снова светил куда надо.

Однако такое решение не идеально. Во-первых, то и дело поворачивать весь спутник просто неэкономично с точки зрения затрат топлива. Во-вторых, такая система коррекции не позволяет использовать по-настоящему тонкие лучи. А между тем выгодно сделать луч как можно тоньше, чтобы лазер потреблял меньше энергии и выделял на борту меньше тепла. Напомним, что масса кубсата составляет считанные килограммы, и у него на счету каждый ватт.

Инженеры MIT разработали иное решение. Их система использует зеркало, которое меньше, чем клавиша компьютера. Поворот зеркала позволяет корректировать направление луча.

Как убедиться, что луч наведён на станцию? Для этого авторы предусмотрели особую систему. Вместе с основным лучом, несущим информацию, испускается и калибровочный, но на другой длине волны. Оба они отражаются от зеркала, но затем проходят специальное устройство, которое их разделяет.

Основной луч отправляется на Землю, а калибровочный возвращается к приёмнику на борту кубсата. Тот же детектор принимает такой же луч с наземной станции. Задача состоит в том, чтобы совместить два "солнечных зайчика": собственный калибровочный луч спутника и луч, пришедший с Земли. Если это достигнуто, то и основной луч ориентирован правильно.

"Это как кошки-мышки с двумя [световыми] точками, попадающими в камеру, и вы хотите наклонить зеркало так, чтобы одно пятно находилось поверх другого", – комментирует Кахой.

Инженеры испытали своё детище на лабораторном стенде. Имитировалась ситуация, когда спутник находится в 400 километрах над Землёй и имеет десятиминутный сеанс связи с Землёй.

В испытаниях удалось добиться точности наведения в десять угловых секунд. Это в 13 раз лучше минимального порога, который сделал бы технологию конкурентоспособной.

По подсчётам исследователей, такая точность позволит использовать в 10–100 раз более узкие лучи, чем те, что когда-либо испытывались на кубсатах. Сэкономив энергию на ширине луча, можно вложить в него больше информации, передавая не только детальные снимки, но и видео.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, что кубсаты с недавних пор осваивают и межпланетные миссии. Кроме того, мы рассказывали о проекте "лазерного интернета" для Луны.