Передача данных НАСА на Землю с помощью лазеров

НАСА запускает спутники, вездеходы и орбитальные аппараты, чтобы исследовать место человечества в Млечном Пути. Когда эти миссии достигают места назначения, их научные инструменты фиксируют изображения, видео и ценную информацию о космосе. Коммуникационная инфраструктура в космосе и на земле позволяет данным, собранным этими миссиями, достигать Земли. Однако без наземных станций, которые могли бы их получать, экстраординарные данные, собранные этими миссиями, застряли бы в космосе и не смогли бы добраться до ученых и исследователей на Земле.

С самого начала исследования космоса миссии НАСА в основном полагались на радиочастотную связь для передачи информации. Космическая демонстрация ретрансляции лазерной связи НАСА (LCRD) продемонстрирует лазерную связь — революционный способ передачи данных из космоса на землю.

Наземные станции LCRD, известные как Optical Ground Station (OGS) -1 и -2, расположены на Столовой горе, Калифорния, и в Халеакала, Гавайи. Эти отдаленные высокогорные места были выбраны из-за ясных погодных условий. Хотя лазерная связь может обеспечить повышенную скорость передачи данных, атмосферные возмущения, такие как облачность и турбулентность, могут нарушить работу лазерных сигналов, когда они входят в атмосферу Земли.

«Местная метеорология работает так, что на вершине горы минимальное количество пыли и меньшая атмосферная турбулентность, что отлично подходит для лазерной связи», — сказал Рон Миллер из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. «Это примерно 10 000 футов, так что вы находитесь над большей частью атмосферы и погоды, которые происходят под вершиной. Очень часто на вершине бывает хороший солнечный день, а в середине горы пасмурно».

Инженеры НАСА по связи выбрали эти места, потому что их погодные условия обычно дополняют друг друга. Когда OGS-1 в Калифорнии облачно, OGS-2 на Гавайях, как правило, ясно — и наоборот. Чтобы отслеживать облачность и определять, какая станция будет использоваться, коммерческий партнер Northrop Grumman предоставил станцию ​​мониторинга атмосферы, которая следит за погодными условиями в Халеакала. Эта станция мониторинга работает почти автономно 24 часа в сутки, семь дней в неделю. OGS-1 имеет аналогичные возможности мониторинга погоды на Столовой горе.

Несмотря на обычно ясную погоду в этих местах, инженеры НАСА все еще должны работать над уменьшением влияния атмосферной турбулентности на данные, получаемые OGS-1 и OGS-2. Для этого обе станции используют возможности адаптивной оптики.

«Система адаптивной оптики использует датчик для измерения искажения электромагнитного сигнала, исходящего от космического корабля», — сказал Том Робертс, менеджер по разработке и эксплуатации OGS-1 в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. «Если мы сможем измерить это искажение, то мы сможем отправить его через деформируемое зеркало, которое меняет свою форму, чтобы устранить те аберрации, которые вызывает атмосфера. Это позволяет нам получать хороший чистый сигнал».

В то время как OGS-2 был разработан специально для миссии LCRD, OGS-1 базируется в Лаборатории телескопов оптической связи JPL, которая использовалась для предыдущих демонстраций лазерной связи. Чтобы подготовить OGS-1 к поддержке LCRD, инженерам пришлось модернизировать наземную станцию. Одно из таких обновлений включало замену зеркал, чтобы иметь лучшую отражательную способность и более мощный лазер.

До поддержки миссии LCRD потратит около двух лет на проведение испытаний и экспериментов. В течение этого времени OGS-1 и OGS-2 будут действовать как симулированные пользователи, отправляя данные с одной станции на LCRD, а затем на следующую. Эти испытания позволят аэрокосмическому сообществу извлечь уроки из LCRD и дополнительно усовершенствовать технологию для будущего внедрения систем лазерной связи. После экспериментальной фазы LCRD будет поддерживать полеты в космос. Миссии, как терминал на Международной космической станции, отправляют данные в LCRD, который затем передает их на OGS-1 или OGS-2.

LCRD — это полезная нагрузка, размещенная на спутнике-6 программы космических испытаний Министерства обороны США (STP-Sat-6). Хотя LCRD является полезной нагрузкой для лазерной связи, космический корабль по-прежнему будет иметь радиочастотную связь с землей. Терминал связи «Полезная нагрузка с землей» (PGLT), расположенный в комплексе Уайт-Сэндс недалеко от Лас-Крусес, штат Нью-Мексико, будет передавать данные слежения, телеметрии и команды на космический корабль по радиоволнам. НАСА управляет наземными элементами LCRD — OGS-1, OGS-2 и PGLT — из операционного центра LCRD в Уайт-Сэндс.

«Оперативный центр миссии является центральным мозгом системы LCRD», — сказала Мириам Веннерстен, менеджер наземного сегмента LCRD NASA Goddard. «Он одновременно координирует конфигурацию полезной нагрузки и всех трех наземных станций, планируя различные оптические услуги и каналы связи».

Без наземной инфраструктуры экстраординарные научные и разведывательные данные не попадут к исследователям на Земле. Наземный сегмент LCRD будет иметь решающее значение для успеха миссии, предоставив инженерам возможность протестировать и усовершенствовать лазерную связь. В свою очередь, LCRD откроет новую эру лазерной связи, когда миссии получат беспрецедентный доступ к информации, полученной со спутников и космических зондов.