Оптическая нагрузка для Lasercomm Science - Optical PAyload for Lasercomm Science

Для использования в других целях см. Опалы (значения).
ОПАЛЫ
Лазерные лучи OPALS передают данные на Землю.jpg
Художники, визуализирующие нисходящий канал OPALS Изображение предоставлено JPL / Caltech
ОператорЛаборатория реактивного движения
ПроизводительЛаборатория реактивного движения
Тип инструментаСвязь
ФункцияЛазерные коммуникации
Продолжительность миссии90 дней
Начались операции18 апреля 2014 г.
Интернет сайтhttp://phaeton.jpl.nasa.gov
Характеристики
Масса159 килограмм[1]
Номер запущен1
Скорость передачи данных50 Мбит / с
Хост космический корабль
Космический корабльМеждународная космическая станция
Дата запуска18 апреля 2014 г.
РакетаКапсула Falcon 9 Dragon
Запустить сайтмыс Канаверал
COSPAR ID1998-067A
ОрбитаНизкая околоземная орбита

Оптическая нагрузка для Lasercomm Science (ОПАЛЫ) это прибор связи космического корабля разработан в Лаборатория реактивного движения это было проверено на Международная космическая станция (МКС) с 18 апреля 2014 г. по 17 июля 2014 г. для демонстрации технологии для лазерная связь системы между космическими кораблями и наземными станциями.[2]

Цель OPALS - провести исследования по замене традиционных радиочастотная (RF) связь которые в настоящее время используются на космических кораблях.[3] Это позволит космическим аппаратам увеличить скорость передачи данных по нисходящей линии в 10–100 раз.[4] Также будет меньше ошибок, чем при радиочастотной связи.[3]

Он стартовал из мыс Канаверал к МКС 18 апреля 2014 г. Сокол 9 SpaceX CRS-3 Капсула дракона пополнение запасов.[5]

В эксперименте использовались коммерческие продукты, а не компоненты, пригодные для использования в космосе.[6]

Научные цели

Целью миссии OPALS было продемонстрировать передачу короткого видео из космоса с помощью лазерной связи. При этом было изучено следующее:

  • Поддержание оптической связи между землей и космосом в различных условиях окружающей среды и эксплуатации.[7]
  • Обработка искаженных данных[7]
  • Разработка процедуры установки оптической связи[7]
  • Какое оборудование используется для отправки и приема сигнала[7]

Архитектура миссии

Коммуникации и команды отправлялись в систему полета через систему управления полетами (MOS), которая является процессом, разработанным командой OPALS. Когда команда хотела выполнить лазерный нисходящий канал, все пошло следующим образом[7]

  1. Информация начинается с рейса MOS, расположенного управление полетами в JPL, где планируется связь с системой полета
  2. Информация отправляется в Центр поддержки операций Хантсвилля (HOSC) по адресу: Центр космических полетов Маршалла куда отправляется по РФ в Система отслеживания данных и услуг ретрансляции (TDRSS), который представляет собой группу спутников связи
  3. TDRSS отправляет информацию на МКС и в систему полета, снова через RF.
  4. Система полета выполняет лазерный нисходящий канал, который принимается Лаборатория телескопов оптической связи (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, где расположена наземная система OPALS
  5. Информация, наконец, передается главному исследователю миссии OPALS, чтобы группа проанализировала

Этот процесс выполняется за считанные секунды.[8] В случае коммуникаций, которые не являются лазерной передачей (например, проверки работоспособности системы), архитектура во многом такая же. Восходящий канал такой же, следующие шаги 1-3. Нисходящий канал вместо перехода к OCTL проходит по тому же пути, что и восходящий канал, за исключением обратного.[7] Как и в восходящем канале, все коммуникации проходят через RF.

Хотя большинство нисходящих линий прошло через OCTL, некоторые прошли через другие наземные станции, включая Немецкий аэрокосмический центр (DLR) оптическая наземная станция в Оберпфаффенхофен, Германия и Европейского космического агентства наземная станция в Гора Тейде, Тенерифе, Канарские острова.[9][6]

Системы

Система полета
Система полета OPALS Изображение предоставлено JPL / Caltech

OPALS имеет две аппаратные системы: полетную систему, которая отправляет лазерные нисходящие каналы с МКС, и наземную систему, которая помогает полетной системе знать, куда направить, и принимает свои нисходящие каналы.

Система полета

Система полета (изображена справа) состоит из трех основных частей: герметичного контейнера и оптического подвес трансивер, а Летный отсоединяемый механизм крепления (FRAM).[10]

В герметичном контейнере находится электроника, авионика, коммуникационный лазер и специальная силовая плата с воздухом под давлением 1 атмосфера для охлаждения электроники.[7][10] Лазер использует длину волны света 1550 нанометров при мощности 2,5 Вт.[11][12] и имеет отверстие диаметром 2,2 см.[9][6] Лазер был направлен по оптоволокну к приемопередатчику карданного подвеса, где он передавался с 1,5 миллирадиан расходимость пучка.[12]

OPALS в стадии строительства
OPALS в стадии строительства Изображение предоставлено JPL / Caltech

Приемопередатчик оптического кардана удерживает камеру восходящего канала и лазерный коллиматор на 2-осевом подвесе.[10] Из соображений безопасности при работе с лазером стабилизатор может не светить ни на что на МКС.[7] Чтобы этого избежать, подвес имеет механические упоры и электромеханические концевые выключатели так что его поле зрения (область, на которую он может указывать) ограничено 36 ° по высоте и 106 ° по высоте. азимут, где азимутальная ось обычно находится в направлении движения МКС.[7] Из-за геометрии поля обзора карданного подвеса полетная система может выполнять связь по нисходящей линии только тогда, когда МКС находится к северу от наземной станции.

Из-за быстро меняющейся геометрии обзора во время проходов необходимо предварительно рассчитать направление, в котором должен указывать стабилизатор на протяжении всего прохода.[13] Список направлений, по которым стабилизатор должен указывать, был рассчитан на основе ISS. GPS вектор состояния и кватернион отношения.[13] Необходимость в том, чтобы этот список был точным, была очень важна из-за ошибок в прогнозировании ориентации МКС и из-за того, что в подвесе не было никаких кодеров, поэтому все движения подвеса должны были выполняться через счисление.[13] Как только полетная система обнаруживает маяк от наземной системы, она отслеживает маяк с помощью подвеса.[13]

FRAM - это интерфейс между OPALS и ISS.[10] Он не был разработан командой OPALS, но был уже существующей частью, разработанной командой МКС в Космическом центре Джонсона.[14]

Наземная система

Наземная система - это то, что получает сигнал от лазерных нисходящих линий полетной системы.[7] Чаще всего в качестве наземной станции использовалась лаборатория телескопов оптической связи (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, но также использовались и другие международные станции. Обсерватория оснащена 1-метровым зеркалом, через которое осуществляются все лазерные нисходящие линии связи.[13] Телескоп может отслеживать объекты, находящиеся на низкой околоземной орбите.[13] Функция наземной системы состоит в том, чтобы указать системе полета, куда направить лазер, а затем получить этот сигнал. Он указывает, куда должен указывать лазер, освещая МКС лазером с длиной волны 976 нм.[7] Сигнал принимается через полосовой 3-нанометровый спектральный фильтр 1550 нм перед арсенид галлия индия камера для сбора данных и лавинный фотодиод детектор, который защищает приемник от попадания солнечного света рассеянный назад мимо атмосферы Земли в течение дня.[13]

Полученные результаты

OPALS попытался установить 26 нисходящих каналов, 18 из которых были успешными. Половина успехов была предпринята ночью, а половина - днем.[13] Ниже приведен список из нескольких попыток нисходящего канала.[13]

ДатаВремяНаземная станцияВремя сутокНеудача / успех
27 июня 2014 г.19:05 UTCOCTLДневное времяОтказ из-за очень высокого порога обнаружения маяков
9 июля 2014 г.14:09 UTCOCTLДневное времяОтказ из-за очень низкого порога обнаружения маяков
19 августа 2014 г.DLRОтказ из-за облачности и низкого порога обнаружения маяков
1 июля 2014 г.18:26 UTCOCTLДневное времяОтказ из-за ложного срабатывания маяка
23 июня 2014 г.03:59 UTCOCTLДневное времяОтказ из-за слабого сигнала маяка
21 июля 2014 г.OCTLОтказ из-за слабого сигнала маяка
23 июня 2014 г.OCTLОтказ из-за слабого сигнала маяка
9 сентября 2014 г.ЕКАДневное времяОтказ из-за проблем с рассеянным светом
14 октября 2014 г.DLRОтказ из-за соображений ограничения ускорения
5 июня 2014 г.[3]OCTLНочьУспех

Несмотря на то, что многие нисходящие линии связи считались неудачными, некоторые из этих сбоев смогли отправить весь пакет данных, поскольку данные нисходящего канала состояли из одного и того же пакета данных, повторяемого много раз.

Обычно нисходящие каналы были более успешными днем, чем ночью. Нисходящие линии также страдали в случае пасмурной погоды, хотя в некоторых случаях им удавалось повторно принимать сигнал. Были обнаружены некоторые трудности с подключением к наземным станциям в высоких широтах, таким как DLR.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Селинджер, Марк (сентябрь 2014 г.). «Демонстрация лазерной связи» (PDF). Журнал. Архивировано из оригинал (PDF) 12 августа 2015 г.. Получено 8 ноября 2014.
  2. ^ «НАСА - Оптическая нагрузка для науки о лазерной связи». www.nasa.gov. Получено 11 июля 2020.
  3. ^ а б c "OPALS: световые лучи увеличивают скорость передачи данных". www.jpl.nasa.gov. 9 декабря 2014 г.. Получено 2015-10-21.
  4. ^ "OPALS НАСА для передачи данных из космоса с помощью лазера". www.jpl.nasa.gov. 11 июля 2013 г.. Получено 2020-07-11.
  5. ^ SpaceX. "Запуск манифеста". SpaceX. Получено 2015-10-19.
  6. ^ а б c Оайда; и другие. "резюме Проектирование оптического канала и проверочные испытания системы Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS)".
  7. ^ а б c d е ж грамм час я j k Abrahamson, Matthew J .; Синдий, Олег В .; Oaida, Bogdan V .; Фрегосо, Сантос; Боулз-Мартинес, Джессика Н .; Кокоровский, Майкл; Вилкерсон, Маркус В .; Лаборатория реактивного движения / Калифорнийский технологический институт; Кониха Александр Л .; Эмбри-Риддлский авиационный университет (9 мая 2014 г.). Операционная архитектура системы OPALS для демонстрации оптической связи на МКС. Американский институт аэронавтики и астронавтики. Дои:10.2514/6.2014-1627. ISBN  978-1-62410-221-9.
  8. ^ "DesktopTV - 082615_MSFC_CutIn_Opals". av.ndc.nasa.gov. Архивировано из оригинал на 2016-03-07. Получено 2015-11-09.
  9. ^ а б Oaida, Bogdan V .; Ву, Уильям; Erkmen, Baris I .; Бисвас, Абхиджит; Andrews, Kenneth S .; Кокоровски, Майкл; Вилкерсон, Маркус (01.01.2014). «Проектирование оптической линии связи и проверочные испытания оптической полезной нагрузки для системы Lasercomm Science (OPALS)». Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVI. 8971. С. 89710U – 89710U – 15. Дои:10.1117/12.2045351.[мертвая ссылка ]
  10. ^ а б c d «Космос, звезды, Марс, Земля, планеты и многое другое - Лаборатория реактивного движения НАСА». phaeton.jpl.nasa.gov. Архивировано из оригинал на 2015-10-15. Получено 2015-10-21.
  11. ^ "НАСА лучи" Привет, мир! " Видео из космоса через лазер ». www.jpl.nasa.gov. 6 июня 2014 г.. Получено 2015-10-21.
  12. ^ а б Wright, M. W .; Лаборатория реактивного движения / Калифорнийский технологический институт; Tang, R. R .; NuphotonTechnologies, Inc (10.10.2014). «Квалификационные испытания волоконных лазерных передатчиков и орбитальная проверка коммерческой лазерной системы» (PDF). Международная конференция по космической оптике. Получено 8 ноября 2015.
  13. ^ а б c d е ж грамм час я Abrahamson, Matthew J .; Oaida, Bogdan V .; Синдий Олег; Бисвас, Абхиджит (01.01.2015). «Достижение оперативного двустороннего лазерного обнаружения полезной нагрузки OPALS на Международной космической станции». Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVII. 9354. С. 935408–935408–21. Дои:10.1117/12.2182473.
  14. ^ Контрольный список для выхода в открытый космос, STS-121. Космический центр Джонсона. 2006. С. 20–22.

внешняя ссылка