麻省理工学院开发的一种新激光指向平台可能有助于将微型卫星发射到高速数据游戏中。自1998年以来，近2000颗鞋盒大小的立方体卫星被发射到太空。由于立方体卫星娇小的外形，而且可以用现成的部件制造，因此与耗资数亿美元的传统庞然大物相比，建造和发射立方体卫星的成本要低得多。立方体卫星已经成为卫星技术的颠覆者，因为它们可以成群结队地发射，以低廉的成本监测地球表面大片区域。但随着越来越强大的微型化设备使立方体卫星能够拍摄非常详细的图像，由于功率和尺寸的限制，这种微型航天器难以有效地向地球传输大量数据。《光学工程》(Optical Engineering)详细介绍了立方体卫星新的激光指向平台
它使立方体卫星能够以比目前可能的更高的速率以更少的机载资源下行数据。而不是每次立方体卫星经过地面站时只发送几张图像，卫星应该能够在每次飞越时下行数千张高分辨率图像。麻省理工学院(MIT)航空航天学副教授凯里·卡霍伊(Kerri Cahoy)表示:：要从地球观测中获得有价值的洞见，可以使用高光谱图像，这种图像可以拍摄多种波长的图像，产生tb级的数据，而立方体卫星很难将其拍摄下来。但是有了高速率的激光通信系统，就可以迅速地将这些详细的图像发送下去。这种能力将使整个立方体卫星接近地球，在轨道上使用许多卫星，这样就可以得到全球和实时的覆盖，更加真实。卡霍伊是麻省理工学院(MIT)罗克韦尔国际职业发展副教授，也是这篇论文的作者之一。
超越无线电
卫星通常通过无线电波下行数据，为了获得更高的速率链路，无线电波被发送到大型地面天线。太空中的每一颗主要卫星都在高频无线电频段内通信，这使得它们能够迅速传输大量数据。但更大的卫星可以容纳更大的天线盘或阵列，以支持高速率下行。立方体卫星太小了，而且对支持高速链路的频段的访问也有限。小型卫星不能使用这些频带，因为它需要清除许多监管障碍，而这些频带通常分配给大型卫星，比如大型地球同步卫星。更重要的是，用于高速数据下行链路的发射机可以比小型卫星在支持有效载荷的同时所能容纳的功率更大。
麻省理工学院开发的一种新激光指向平台可能有助于将名为立方体卫星(CubeSats)微型卫星发射到高速数据中。图片：Jennifer Chu
由于这些原因，研究人员已经将激光作为立方体卫星通信的一种替代形式，因为立方体卫星的体积更小，功率效率更高，在紧密聚焦的光束中封装了更多数据。但是激光通信也提出了一个重大的挑战：因为光束比无线电波的光束要窄得多，所以要把光束对准地面上的接收器需要更高的精度。想象一下站在一条长长的走廊尽头，用一束像手电筒一样的强光对准另一端的靶心。可以稍微摆动一下胳膊，光束还是会击中靶心的。但如果我用激光笔，光束可以很容易地离开靶心如果我移动一点点。挑战是即使卫星摆动，也要保持激光在靶心上。
颜色，转向
美国国家航空航天局的光通信和传感器演示使用了立方体卫星激光通信系统，该系统实质上是倾斜整个卫星，使其激光束与地面站对齐。但是这个转向系统需要时间和资源，为了获得更高的数据速率，需要一种更强大的激光，这种激光可以利用卫星的大部分能量，并在卫星上产生大量的热量。卡霍伊和团队希望开发一种精确的激光指向系统，这种系统可以将下行所需的能量和时间降到最低，并能够使用功率更低、更窄的激光器，同时仍能实现更高的数据传输速率。该团队开发了一个激光指向平台，比魔方稍大一点，包含一个小型的、现成的、可操纵MEMS镜像。
这面镜子比电脑键盘上的一个键还小，它面对着一个小激光器，并且是有角度的，这样激光器就可以从镜子上反射到太空，然后向下到达地面接收器。即使整个卫星有一点偏差，仍然可以用这面镜子来校正，但这些MEMS镜像不会给你反馈它们指向哪里。假设反射镜在系统中没有对准，这可能在发射过程中振动后发生。我们怎样才能纠正这个问题，并确切地知道我们指的是哪里？作为解决方案，Cierny开发了一种校准技术，这种技术通过测量激光与地面目标的偏差程度来确定，并自动校正镜子的角度，使激光精确地对准接收端。
这项技术在光学系统中加入了额外的激光颜色或波长。因此不只是数据束通过，另一束不同颜色的校准光束也通过。两束光都从镜子上反射回来，校准光束通过一种“二色分光镜”，这种分光镜是一种光学元件，可以将特定波长的光(在这种情况下，是其他颜色的光)从主光束中分离出来。当剩下的激光向地面站发射时，被转移的光束被定向回机载摄像机。该摄像机还可以直接从地面站接收上行激光束或信标，这是用来使卫星能够指向正确的地面目标。如果信标光束和校准光束精确地落在机载摄像机探测器上的同一位置，系统就会对齐，研究人员就可以确定激光器处于正确的位置，以便与地面站向下连接。
图片：Massachusetts Institute of Technology
然而如果光束落在相机探测器的不同部位，Cierny开发的一种算法会引导机载MEMS镜像倾斜或倾斜，从而校准激光束光斑与地面站的信标光斑重新校准。这就像猫和老鼠两个点进入相机，想倾斜镜子，让一个点在另一个点的上面。为了测试这项技术的准确性，研究人员制作了一个实验台，包括激光指向平台和一个类似信标的激光信号。这个装置是为了模拟一个场景，在这个场景中，一颗卫星在地面站上空400公里的高度飞行，并在10分钟的立交桥上传输数据。研究人员将所需的最小指向精度设置为0.65毫弧度——这是一种对应于他们的设计可以接受的角度误差测量。
在实验中改变了信标激光器的入射角度，并观察镜子如何倾斜和倾斜来匹配信标。最后校准技术达到了0.05毫拉的精度，远远超过了任务所需的精度。这个结果意味着这项技术可以很容易地进行调整，使之比最初计划的更窄的激光束精确地对准，从而使立方体卫星能够以高数据速率传输大量数据，如植被、野火、海洋浮游植物和大气气体的图像和视频。这表明可以安装一个低功耗的系统，在这个小平台上制造这些窄波束，这个小平台比以前建造的任何类似设备都要小10到100倍。唯一比实验室的结果更令人兴奋的事情是从轨道上看到这一切。这真的激励了我们去建立这些系统，并让它们运行起来。
博科园-科学科普｜研究/来自：麻省理工学院
参考期刊文献:《Optical Engineering》
论文DOI: 10.1117/1.OE.58.4.041605
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