Une nouvelle plate-forme de pointage laser développée au MIT pourrait aider à lancer des satellites miniatures dans le jeu de données à haut débit.

Depuis 1998, presque 2, 000 satellites de la taille d'une boîte à chaussures appelés CubeSats ont été lancés dans l'espace. En raison de leur petit cadre et du fait qu'ils peuvent être fabriqués à partir de pièces standard, Les CubeSats sont nettement plus abordables à construire et à lancer que les mastodontes traditionnels qui coûtent des centaines de millions de dollars.

Les CubeSats ont changé la donne dans la technologie des satellites, car ils peuvent être envoyés en groupes pour surveiller à moindre coût de grandes étendues de la surface de la Terre. Mais comme des instruments miniaturisés de plus en plus performants permettent aux CubeSats de prendre des images très détaillées, le minuscule vaisseau spatial a du mal à transmettre efficacement de grandes quantités de données vers la Terre, en raison des contraintes de puissance et de taille.

La nouvelle plateforme de pointage laser pour CubeSats, qui est détaillé dans le journal Ingénierie optique , permet à CubeSats de transférer des données en utilisant moins de ressources embarquées à des débits nettement plus élevés qu'il n'est actuellement possible. Plutôt que de n'envoyer que quelques images à chaque passage d'un CubeSat au-dessus d'une station au sol, les satellites devraient être capables de transmettre des milliers d'images haute résolution à chaque survol.

"Pour obtenir des informations précieuses à partir des observations de la Terre, images hyperspectrales, qui prennent des images à de nombreuses longueurs d'onde et créent des téraoctets de données, et qui sont vraiment difficiles à descendre pour les CubeSats, peut être utilisé, " dit Kerri Cahoy, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Mais avec un système lasercom à haut débit, vous seriez en mesure d'envoyer ces images détaillées rapidement. Et je pense que cette capacité rendra toute l'approche CubeSat, utiliser de nombreux satellites en orbite pour obtenir une couverture mondiale et en temps réel, plus une réalité."

Cahoy, qui est le professeur associé Rockwell International Career Development au MIT, est co-auteur de l'article, avec l'étudiant diplômé Ondrej Cierny, qui est l'auteur principal.

Au-delà de la radio

Les satellites transmettent généralement des données via des ondes radio, qui, pour des débits plus élevés, sont envoyés vers de grandes antennes au sol. Chaque satellite majeur dans l'espace communique dans des bandes radio à haute fréquence qui leur permettent de transmettre rapidement de grandes quantités de données. Mais les plus gros satellites peuvent accueillir les plus grandes antennes paraboliques ou les réseaux nécessaires pour prendre en charge une liaison descendante à haut débit. Les CubeSats sont trop petits, et ont également un accès limité aux bandes de fréquences qui pourraient prendre en charge des liaisons à haut débit.

"Les petits satellites ne peuvent pas utiliser ces bandes, car cela nécessite de lever beaucoup d'obstacles réglementaires, et l'allocation va généralement aux grands acteurs comme les énormes satellites géostationnaires, " dit Cahoy.

Quoi de plus, les émetteurs requis pour les liaisons descendantes de données à haut débit peuvent utiliser plus de puissance que les satellites miniatures ne peuvent en supporter tout en prenant en charge une charge utile. Pour ces raisons, les chercheurs se sont tournés vers les lasers comme forme alternative de communication pour les CubeSats, car ils sont nettement plus compacts et consomment moins d'énergie, emballant beaucoup plus de données dans leurs faisceaux étroitement focalisés.

Mais les communications laser présentent également un défi important :parce que les faisceaux sont beaucoup plus étroits que les faisceaux des ondes radio, il faut beaucoup plus de précision pour pointer les faisceaux vers un récepteur au sol.

"Imaginez-vous debout au bout d'un long couloir et pointant une grosse poutre, comme une lampe de poche, à une cible de bullseye à l'autre extrémité, " dit Cahoy. " Je peux remuer un peu mon bras, et le faisceau frappera toujours la cible. Mais si j'utilise un pointeur laser à la place, le faisceau peut facilement s'éloigner de la cible si je bouge juste un peu. Le défi est de garder le laser dans le mille même si le satellite bouge."

Couleur, détourné

La démonstration des communications optiques et des capteurs de la NASA utilise un système de communication laser CubeSat qui incline et incline essentiellement l'ensemble du satellite pour aligner son faisceau laser avec une station au sol. Mais ce système de pilotage demande du temps et des moyens, et pour atteindre un débit de données plus élevé, un laser plus puissant, qui peut utiliser une grande partie de la puissance du satellite et générer des quantités importantes de chaleur à bord, est nécessaire.

Cahoy et son équipe ont cherché à développer un système de pointage laser précis qui minimiserait la quantité d'énergie et le temps requis pour une liaison descendante, et permettre l'utilisation de puissances plus faibles, les lasers plus étroits atteignent tout de même des taux de transmission de données plus élevés.

L'équipe a développé une plate-forme de pointage laser, légèrement plus grand qu'un Rubik's Cube, qui intègre un petit, sur l'étagère, miroir MEMS orientable. Le miroir, qui est plus petit qu'une seule touche sur un clavier d'ordinateur, fait face à un petit laser et est incliné de manière à ce que le laser puisse rebondir sur le miroir, dans l'espace, et vers un récepteur au sol.

"Même si tout le satellite est un peu désaligné, vous pouvez toujours corriger cela avec ce miroir, " dit Cierny. "Mais ces miroirs MEMS ne vous donnent pas de retour sur l'endroit où ils pointent. Disons que le miroir est mal aligné dans votre système, ce qui peut arriver après quelques vibrations lors du lancement. Comment pouvons-nous corriger cela, et savoir exactement où nous pointons ?"

Comme solution, Cierny a développé une technique d'étalonnage qui détermine de combien un laser est désaligné par rapport à sa cible de station au sol, et corrige automatiquement l'angle du miroir pour pointer avec précision le laser vers son récepteur.

La technique intègre une couleur laser supplémentaire, ou longueur d'onde, dans le système optique. Ainsi, au lieu de simplement passer le faisceau de données, un deuxième faisceau d'étalonnage d'une couleur différente est envoyé avec lui. Les deux faisceaux rebondissent sur le miroir, et le faisceau d'étalonnage traverse un "séparateur de faisceau dichroïque, " un type d'élément optique qui détourne une longueur d'onde spécifique de la lumière - dans ce cas, la couleur supplémentaire—loin du faisceau principal. Alors que le reste de la lumière laser se dirige vers une station au sol, le faisceau dévié est redirigé vers une caméra embarquée. Cette caméra peut également recevoir un faisceau laser montant, ou balise, directement de la station au sol; ceci est utilisé pour permettre au satellite de pointer vers la bonne cible au sol.

Si le faisceau balise et le faisceau d'étalonnage atterrissent exactement au même endroit sur le détecteur de la caméra embarquée, le système est aligné, et les chercheurs peuvent être sûrs que le laser est correctement positionné pour la liaison descendante vers la station au sol. Si, cependant, les faisceaux atterrissent sur différentes parties du détecteur de caméra, un algorithme développé par Cierny dirige le miroir MEMS embarqué vers l'inclinaison ou l'inclinaison de sorte que le point du faisceau laser d'étalonnage se réaligne avec le point de la balise de la station au sol.

"C'est comme le chat et la souris de deux points entrant dans la caméra, et vous voulez incliner le miroir pour qu'un endroit soit au-dessus de l'autre, " dit Cahoy.

Pour tester la précision de la technique, les chercheurs ont conçu une configuration de paillasse de laboratoire qui comprenait la plate-forme de pointage laser et un signal laser semblable à une balise. La configuration a été conçue pour imiter un scénario dans lequel un satellite vole à 400 kilomètres d'altitude au-dessus d'une station au sol et transmet des données pendant un passage supérieur de 10 minutes.

Ils ont défini la précision de pointage minimale requise à 0,65 milliradians, une mesure qui correspond à l'erreur angulaire acceptable pour leur conception. Dans leurs expériences, ils ont fait varier l'angle d'entrée du laser de la balise et ont observé comment le miroir s'inclinait et s'inclinait pour correspondre à la balise. À la fin, la technique d'étalonnage a atteint une précision de 0,05 milliradians, bien plus précise que ce qu'exigeait la mission.

Cahoy dit que le résultat signifie que la technique peut être facilement modifiée afin qu'elle puisse aligner avec précision des faisceaux laser encore plus étroits que prévu à l'origine, qui peut à son tour permettre aux CubeSats de transmettre de gros volumes de données, telles que des images et des vidéos de végétation, feux de forêt, phytoplancton océanique, et les gaz atmosphériques, à des débits de données élevés.

"Cela montre que vous pouvez installer un système de faible puissance qui peut rendre ces faisceaux étroits sur cette minuscule plate-forme qui est un facteur de 10 à 100 plus petit que tout ce qui a jamais été construit pour faire quelque chose comme ça auparavant, " dit Cahoy. " La seule chose qui serait plus excitante que le résultat du laboratoire est de voir cela fait depuis l'orbite. Cela motive vraiment la construction de ces systèmes et leur mise en place. »