Космический эксперимент NASA

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Программа NASA демонстрации лазерной связи со спутником на Лунной орбите LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration)

По проекту LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) или LCRD (Laser Communication Relay Demonstration) [1,2] в 2013 году планировался запуск на орбиту Луны терминала лазерной связи с целью передачи информацию с лунной орбиты на наземную станцию через геостационарный спутник. Скорость передачи информации должна была составить 2880 Мбит/с при использовании кодирования с помощью дифференциальной фазовой манипуляции (DPSK) и 622 Мбит/с при фазово-импульсной модуляции (PPM).

Предполагалось также передавать информацию по линии лазерной связи с лунной орбиты прямо на наземные станции. На лунной орбите оптический терминал планировалось установить на исследовательском спутнике LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), внешний вид которого приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Внешний вид спутника LADEE

Лунный лазерный терминал связи состоит из трех основных модулей: оптический модуль (ОМ), модуль модема (ММ) и модуль электроники (МЭ). Иллюстрации внешних видов модулей, разрабатываемых в рамках программы, приведен на рисунках 2-4.

Рисунок 2 - Иллюстрация внешнего вида оптического модуля

Рисунок 3 - Внешний вид модуля модема

Рисунок 4 - Внешний вид модуля электроники

МЭ осуществляет полное управление остальными модулями терминала и осуществляет связь с бортовыми системами спутника. Состав ОМ иллюстрирует рисунок 5.

Рисунок 5 - Состав ОМ (пояснения в тексте)

Оптический модуль, показанный на рисунке 5, содержит 4-дюймовый отражающий телескоп 1, который формирует излучение с расходимостью ~ 15 мкрад. Здесь же находится датчик системы наведения, который представляет собой простой квадрантный детектор с полем зрения около 2 мкрад. Он используется как для обнаружения сигнал при захвате и установлении канала связи, так и для сопровождения и удержания установленного канала. Телескоп установлен на двухосевом карданном приводе с помощью устройства с магнитной инерционной подвеской (MIRU) 2. Основные оптические элементы защищены от внешних воздействий кожухом телескопа с «солнечным» окном 3 и защитной крышкой 4. Во время запуска каждый модуль защищен одноразовой защелкой 5.

По оптическому волокну сигналы передаются в модуль модема, где они обрабатываются. Управление оптическим модулем и соответствующим модем осуществляется модулем электроники.

Настройка системы осуществляется по RF-каналу связи с помощью специальных лазерных маяков.

Главная задача данного проекта - отработка выбранных технологий построения различных модулей системы.

В дальнейшем в первую очередь программы LLCD была поставлена задача демонстрации возможности прямой связи лазерного терминала, находящегося на Лунной орбите с одной из наземных оптических станций NASA или ESA.

2. Космический аппарат LADEE и его научное оборудование

Космический аппарат NASA LADEE был запущен 6 сентября 2013 года ракетой носителем Minotaur V, вес спутника порядка 383 кг, Запас мощности около 295 Вт. Продолжительность миссии около 160 дней, включая 30 дней до выхода на окололунную орбиту, 30 дней подготовки и 100 дней на проведение научно-исследовательских работ.

Основной целью миссии является изучение лунной «атмосферы» (экзосферы) и состава лунной пыли, высота орбиты спутника варьируется от 250 до 50 км.

Космический корабль разработан в NASA Ames Research Center и построен по модульной схеме, которая позволит в будущем собирать аппараты различного назначения подобно бусам (см. рис. 6). LADEE не предназначен для посадки, но разрабатываемая модульная схема предполагает возможность создания и посадочных аппаратов. Такие исследовательские станции могут отправляться на Луну, Меркурий или близлежащие астероиды.

Рисунок 6 - Модульная конструкция аппарата LADEE

Внутри корпуса располагается ракетный двигатель, баки с топливом, и бортовые служебные системы: управления, ориентации, энергоснабжения, терморегуляции и т.п. Научные и экспериментальные приборы расположены на внешней стороне корпуса (см. рис. 7). Три из них позволяют исследовать атмосферу и пыль Луны, а четвертое устройство - LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) - является терминалом лазерной связи для отработки современного способа широкополосной связи в Солнечной системе и передачи HD видео с Луны, Марса, Юпитера или Сатурна.

Рисунок 7 - Научные приборы, установленные на LADEE

Прибор UVS - Ultraviolet-Visible Spectrometer - это небольшой телескоп для наблюдения свечения атмосферного лимба во время пересечения спутником терминатора (границы освещенной Солнцем и теневой стороны поверхности) и измерения спектров свечения для определения состава экзосферы.

NMS - Neutral Mass Spectrometer - это квадрупольный масс-спектрометр для изучения состава и массы молекул и атомов газов, находящихся в экзосфере Луны.

Прибор LDEX - Lunar Dust Experiment - это времяпролетный масс-анализатор для изучения состава лунной пыли по массе частиц.

Общий вид терминала лазерной связи LLCD показан выше на рис. 2. Связь планируется поддерживать с тремя приемными станциями на Земле, показанными на рис. 8. Станцию на Тенерифе в Испании предоставляет Европейское космическое агентство по программе сотрудничества с NASA.

Рисунок 8 - Наземные оптические станции связи с лунным аппаратом LADEE

Кроме звездных датчиков, на LADEE нет камер, которые могли бы производить съемку поверхности Луны, т.е. фактически аппарат не сможет собрать массив информации, достаточный для реальной проверки эффективности системы лазерной передачи. Поэтому, данные будут передаваться сначала с Земли на спутник, а потом обратно. Для передачи научных данных в традиционном режиме LADEE оборудован радиопередатчиком и антенной S-диапазона.

3. Основные компоненты линии лазерной космической связи для проведения эксперимента LLCD

Проект выполнялся под руководством Massachusetts Institute of Technology MIT и Lincoln Laboratory LI в кооперации с NASA's Goddard Spaceflight Center. Его основная цель - продемонстрировать двухстороннюю оптическую связь аппарата, находящегося на окололунной орбите и наземного приемного комплекса со скоростью передачи данных с Луны на Землю 620 Мбит/с и 20 Мбит/с в обратном направлении с Земли на Луну. Кроме этого аппаратура продемонстрирует возможность лазерной дальнометрии с точностью измерения времени двойного пролета света в пределах 200 пс, что обеспечивает субсантиметровую точность измерений дальности. Некоторые параметры и схема взаимодействия аппаратуры и органов управления системы космического эксперимента показана на рис. 9.

Рисунок 9 - Система демонстрации лазерной связи с лунной орбитой

Лунный лазерный космический терминал (Lunar Lasercom Space Terminal (LLST)), как уже указывалось в разделе 1, установлен на космическом аппарате LADEE (см. рис. 7) и состоит из оптического модуля, модема и модуля электроники. Во время работы система потребляет 137 Вт мощности и весит около 32 кг. Оптический модуль установлен снаружи космического аппарата, модули модема и электроники размещены внутри.

Оптический модуль (см. рис. 10 и 11, а также рис. 2 и 5) имеет 10-ти сантиметровый телескоп Кассегрена (первичное вогнутое и вторичное выпуклое зеркала, съюстированные вдоль оптической оси для фокусировки излучения на детектор). Телескоп смонтирован на двухосевом шарнирном узле, чтобы иметь возможность принимать сигнал при различной ориентации LADEE. Ансамбль имеет систему магнитогидродинамической инерциальной стабилизации для устранения влияния каких-либо высокочастотных возмущений и сохранения направления оптической оси с высокой точностью. В модуле используется детектор на основе Indium-Gallium-Arsenide c широким полем зрения, осуществляющий прием и захват направления распространения оптического сигнала с Земли.

Рисунок 10 - Конфигурация и состав оптического модуля

Рисунок 11. Конструкция оптического модуля

Оптические волокна соединяют телескоп с модулем модема, в котором смонтированы приемник и передатчик оптического сигнала. Для точной пространственной подстройки оптического сигнала оптоволокна установлены на пьезоэлектрических актюаторах. Модуль модема состоит из четырех послойных блоков (см. рис. 12, а также рис. 3): блок питания, цифровой, аналоговый и электрооптический блоки, которые перед интегрированием в единый модуль модема собираются и тестируются по отдельности. Система поддерживает скорости передачи данных вниз от 39 до 620 Мбит/с, что позволяет демонстрировать оптическую связь при различных атмосферных условиях.

Цифровая электроника модема позволяет передавать вниз данные, полученные от различных устройств, включая данные научных исследований, данные телеметрии и переадресацию данных, принятых терминалом снизу. Для кодировки данных используется эффективный half-rate code, затем данные кодировки накладываются на оптический носитель в результате фазово-импульсной модуляции (pulse-position modulation).

Модуляция данных, передаваемых вниз, осуществляется в электрооптическом слое модема, имеющем конфигурацию задающий генератор-усилитель. Модуляция в задающем лазере с длиной волны излучения 1550 нм осуществляется с использованием оптического модулятора на ниобате лития. Двухступенчатый усилитель с выходной мощностью до 0,5 Вт создан на базе оптоволокна, легированного эрбием. Накачка каждой из ступеней осуществляется двумя лазерами на длине волны 976 нм, стабилизированной благодаря применению дифракционной решетки.

В приемнике данных, передаваемых по оптической линии связи вверх, используется прямое детектирование сигнала, предварительно усиленного малошумящим усилителем на оптическом волокне, легированном ионами эрбия (EDFA). Сигнал вначале проходит фазово-импульсный демодулятор, а затем декодируется в программируемой пользователем вентильной матрице (field programmable gate array) на базе статической памяти с произвольным доступом высокой плотности (SRAM).

Рисунок 12 - Конфигурация модема и его расположение на LADEE

Модуль электроники создан на базе единой компьютерной платы, обеспечивающей управление и обратную связь всех блоков системы терминала лунной лазерной связи. Модуль имеет интерфейсы для передачи команд и телеметрии как между блоками терминала, так и с блоками и с центральным компьютером космического аппарата по его каналам быстрой связи. Модуль электроники управляет датчиками и механизмами оптического блока для выполнения и контроля алгоритмов последовательности операций и стабилизации положения оптического блока и его оптических пучков. Он также конфигурирует и передает команды в модуль модема и блоки LADEE для ретрансляции вниз информации, полученной с Земли, а также данных о времени и высоте орбиты космического аппарата. Внешний вид модуля электроники показан на рис. 13.

Рисунок 13 - Модуль электроники

Лунный лазерный наземный терминал (Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT)) NASA, расположенный в комплексе White Sands, имеет сборку из восьми телескопов. Четыре рефрактивных телескопа диаметром 15 см служат для передачи лазерных пучков вверх, а четыре телескопа отражательного типа диаметром 40 см являются приемными (см. рис. 14).

Рисунок 14 - Оптический блок наземного терминала лазерной связи LLGT

Телескопы оптического блока оптоволоконными кабелями соединены с соответствующей приемной и передающей аппаратурой, расположенной в отсеке управления. Все телескопы закреплены в единой шарнирной установке, позволяющей направлять всю сборку в требуемую область небесной полусферы. Каждый телескоп оснащен быстрым зеркалом наведения для подстройки режима приема и корректировки взаимного положения осей телескопов в сборке. Для поддержания условий работы и защиты телескопная сборка помещена в корпусе из стеклопластика (см. рис. 15).

В отсеке управления, расположенном рядом с телескопной сборкой (см. рис. 15), размещены все блоки модемов и электроники, обеспечивающие работу наземного терминала. Сигналы для передачи данных наверх с фазово-импульсной модуляцией (PPM) обеспечиваются четырьмя оптическими передатчиками на базе оптоволоконных усилителей, легированных эрбием с мощностью до 10 Вт. Длины волн каждого из каналов отстроены друг от друга, чтобы сделать возможным некогерентное смешение сигналов в космическом терминале.

Рисунок 15 - Общая конфигурация наземного терминала LLGT

В приемном блоке данных, передаваемых с орбиты Луны, используются сверхпроводящие наноматрицы со счетом фотонов (superconducting nanowire detector arrays (SNDAs)), обладающие высокой эффективностью детектирования световых фотонов [7, 8]. Новая технология детектирования, разработанная в Национальном институте стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) и Лаборатории NASA по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) позволяет извлечь больше полезной информации из единичных фотонов света.

Матрица из датчиков, изготовленная на поверхности специализированного чипа (см. рис. 16), позволяет определить точное положение в системе именно того датчика, который поглотил частицу инфракрасного света, фотон. Кроме этого, устройство позволяет зарегистрировать точное время получения оптического сигнала.

Рисунок 16 - Детектор на основе нанопроводников

Одним из решений увеличения информационной плотности лазерных коммуникационных каналов является использование дополнительной модуляции, основанной на пространственном положении и форме импульса света. В таком варианте каждый фотон импульса излучается в строго определенный момент времени и имеет пространственное положение, отличное от положения других фотонов, что позволяет закодировать в рамках одного импульса более одного бита информации.

В технологии датчиков используются нанопроводники из нового материала, силицида вольфрама, который обеспечивает высокую чувствительность при детектировании отдельных фотонов. Текущая эффективность преобразования энергии фотонов в электрический сигнал превышает 90 процентов. При температуре не выше -270⁰С нанопроводники датчика находятся в сверхпроводящем состоянии, а весь текущий электрический ток равномерно распределяется между всеми нанопроводниками. Когда нанопроводник поглощает фотон света, его температура резко повышается, сопротивление скачкообразно увеличивается. Ток через него уменьшается, и специальная электронная схема регистрирует точное место и время получения фотона света.

В настоящее время детектор состоит из четырех матриц детекторов, в каждой из которых находится по четыре нанопроводника (см. рис. 16), и разрабатывается детектор, в составе которого будут находиться 64 матрицы из 16 нанопроводников в каждой, возможности которого позволят кодировать в одном импульсе лазерного света до одного байта информации.

Каждое волокно из приемного телескопа наземного терминала заканчивается линзой, фокусирующей излучение на 4 матрицы перекрещивающихся криогенно охлаждаемых детекторов. В другой стойке смонтирована быстрая электроника, которая преобразует аналоговые сигналы в потоки данных и производит их демодуляцию и дешифровку. Кроме этого производятся временные отсчеты доставки данных вверх и вниз, и с высокой точностью определяется время двойного пролета.

С целью оптимизации работы системы в присутствии атмосферной турбулентности при передаче излучения из приемного телескопа в детектор используются оптоволокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (двулучепреломляющие волокна).

Терминал, конфигурация которого показана на рис. 15, разрабатывался в мобильном варианте и в настоящее время установлен на комплексе NASA White Sands, New Mexico.

Для использования в качестве резервных наземных терминалов для демонстрации лазерной связи с орбиты Луны были доработаны еще две наземные обсерватории.

Терминал Lunar Lasercom OCTL Terminal (LLOT) базируется на телескопе оптической связи (OCTL), расположенном на горном плато в лаборатории NASA по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), Калифорния. Телескоп OCTL представляет собой стационарный телескоп с диаметром зеркала 1 метр, установленный на подвижном подвесе. По единому кабелю на телескоп передаются сигналы двухсторонней связи по одному лучу вниз и шести вверх. Внешний вид комплекса показан на рис. 17.

Рисунок 17 - Внешний вид комплекса OCTL лаборатории JPL

Наземный терминал Lunar Lasercom Optical Ground System (LLOGS) расположен на Оптической наземной станции (OGS) Европейского космического агентства (ESA) в обсерватории La Teide Observatory на острове Tenerife (Канарские острова, Испания). Телескоп OGS представляет собой стационарный телескоп, установленный на подвижном подвесе с диаметром зеркала 1 метр. К большому телескопу снаружи пристыкованы два 4-см передающих телескопа, каждый из которых излучает сигнальный луч мощностью 20 Вт. Внешний вид комплекса показан на рис. 18.

Рисунок 18 - Внешний вид комплекса OGS обсерватории La Teide

4. Космический эксперимент по установлению лазерной космической связи LLCD

лазерный орбита космический лунный спутник

Орбитальный аппарат LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), запущенный в космос 6 сентября 2013 года, занял круговую окололунную орбиту 6 октября, начав реализацию 100-дневной исследовательской миссии.

Ввиду ограниченных возможностей по мощности электропитания терминал Lasercom аппарата LADEE может быть использован только после прохождения стадии подготовки аппарата на лунной орбите с полным ресурсом времени около 16 часов. Из-за мощностных ограничений и возможностей прямого видения наземной оптической станции NASA в комплексе White Sands или станции ESA длительность цикла работы ограничена временем, равным 15 минут на каждом витке лунной орбиты, а количество циклов составляет не более 5-ти в день.

27 сентября 2013 космический лазерный терминал LLST был развернут, запитан и протестирован на борту LADEE. После помещения космического аппарата LADEE на окололунную орбиту появилась возможность наведения наземного лазерного терминала на космический аппарат LADEE. После захвата приемным устройством космического терминала сигнала, посылаемого с Земли, произошло замыкание канала двухсторонней связи, и началась передача данных по инфракрасному лазерному лучу назад с Луны на Землю (см. рис. 19).