Использование лазерных технологий для доставки данных миссий NASA на Землю

NASA запускает спутники, роверы и орбиталы для изучения места человечества в Млечном Пути. Когда эти миссии достигают своих пунктов назначения, их научные инструменты захватывают изображения, видео и ценные сведения о космосе. Коммуникационная инфраструктура в космосе и на земле позволяет данным, собранным этими миссиями, достичь Земли. Однако без наземных станций для приёма эти необычайные данные, захваченные миссиями, застряли бы в космосе, не в силах достичь учёных и исследователей на Земле.

С зарождения космической разведки миссии NASA в основном полагались на радиочастотную связь для этой передачи информации. Космическая демонстрация лазерной ретрансляции (LCRD) NASA продемонстрирует лазерную связь — революционный способ передачи данных из космоса на землю.

Наземные станции LCRD, известные как Оптические наземные станции (OGS) -1 и -2, расположены на горе Табл Маунтин, Калифорния, и Халеакала, Гавайи. Эти удалённые, высокогорные места выбраны за их ясные погодные условия. Хотя лазерная связь может обеспечивать более высокие скорости передачи данных, атмосферные помехи, такие как облака и турбулентность, могут прерывать лазерные сигналы при входе в атмосферу Земли.

«То, как работает местная метеорология, обеспечивает минимум пыли и меньше атмосферной турбулентности на вершине горы, что отлично для лазерной связи», — сказал Рон Миллер из Космического полётного центра Goddard NASA. «Это около 10 000 футов вверх, так что вы над большей частью атмосферы и погоды, происходящей ниже вершины. Очень часто бывает солнечный день на вершине и облачно в районе середины горы».

Инженеры по связям NASA выбрали эти места, потому что их погодные модели обычно дополняют друг друга. Когда OGS-1 в Калифорнии затянуто облаками, OGS-2 на Гавайях, как правило, ясно — и наоборот. Для мониторинга облачности и определения используемой станции коммерческий партнёр Northrop Grumman предоставил атмосферную мониторинговую станцию, наблюдающую за погодными условиями в Халеакала. Эта станция работает практически автономно 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. У OGS-1 есть похожие возможности мониторинга погоды на Табл Маунтин.

Несмотря на обычно ясную погоду в этих местах, инженерам NASA всё равно нужно работать над снижением влияния атмосферной турбулентности на данные, принимаемые OGS-1 и OGS-2. Для этого обе станции используют силу адаптивной оптики.

«Система адаптивной оптики использует датчик для измерения искажения электромагнитного сигнала, приходящего от космического аппарата», — сказал Том Робертс, менеджер по разработке и эксплуатации OGS-1 в Реактивной лаборатории NASA в Южной Калифорнии. «Если мы можем измерить это искажение, мы можем пропустить его через деформируемое зеркало, меняющее свою форму, чтобы убрать те аберрации, которые индуцирует атмосфера. Это позволяет нам иметь чистый, безупречный сигнал».

Пока OGS-2 была разработана специально для миссии LCRD, OGS-1 базируется в Лаборатории оптического коммуникационного телескопа JPL, которая использовалась для предыдущих демонстраций лазерной связи. Чтобы подготовить OGS-1 к поддержке LCRD, инженерам пришлось обновить наземную станцию. Одним из таких обновлений была замена зеркал на такие с лучшей отражательной способностью и более высокой лазерной мощностью.

До поддержки миссии LCRD потратит около двух лет на проведение тестов и экспериментов. В это время OGS-1 и OGS-2 будут действовать как имитированные пользователи, отправляя данные с одной станции на LCRD, а затем вниз на следующую. Эти тесты позволят аэрокосмическому сообществу узнать из LCRD и дальнейшим образом усовершенствовать технологию для будущей реализации систем лазерной связи. После экспериментальной фазы LCRD будет поддерживать космические миссии. Миссии, такие как терминал на МКС, будут отправлять данные на LCRD, который затем перенаправит их на OGS-1 или OGS-2.

LCRD — это размещаемая полезная нагрузка на Спутнике-6 программы космических испытаний Министерства обороны (STP-Sat-6). Хотя LCRD — полезная нагрузка лазерной связи, космический аппарат всё равно будет иметь радиочастотное соединение с землёй. Терминал связи полезной нагрузки с землёй (PGLT), расположенный в комплексе Уайт-Сэндс بالقرب Лас-Крусес, штат Нью-Мексико, будет передавать данные отслеживания, телеметрии и команд на космический аппарат по радиоволнам. NASA управляет наземными элементами LCRD — OGS-1, OGS-2 и PGLT — из центра операций миссии LCRD в Уайт-Сэндс.

«Центр операций миссии — это центральный мозг системы LCRD», — сказала Мириам Веннерстен, менеджер наземного сегмента LCRD в NASA Goddard. «Он координирует конфигурацию полезной нагрузки и всех трёх наземных станций одновременно, планируя различные оптические сервисы и каналы».

Без наземной инфраструктуры необычная наука и данные исследования не дошли бы до исследователей на Земле. Наземный сегмент LCRD будет критически важен для успеха миссии, предоставляя инженерам возможность тестировать и усовершенствовать лазерную связь. В свою очередь, LCRD откроет новую эру лазерной связи, где миссии будут иметь беспрецедентный доступ к знаниям, извлекаемым из спутников и зондов в космосе.