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NASA2015年以后的激光通信计划

2015-10-27 10:23
逆光飞舞
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  美国NASA总部空间通信与导航(SCaN)项目技术部DonaldM等人在 Free Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVII会议上作大报告,介绍了NASA 2015年以后的光通信计划,摘译如下:

  1. NASA历史 LLCD 任务及其影响

  当今的射频(RF)通信是从NASA任务返回更多科学数据的瓶颈,尤其是从地球同步轨道(GEO)以上空间返回的数据。自由空间光通信(FSOC)使用激光发射器,以高于射频频率 10,000 倍的频率进行发射,让更多信息位传给光束,从而可打破这种瓶颈。同理,光系统匹配的更短波长让更窄传输光束发散,这种发散可转换成接收器处更为集中的通信功率,并降低更小更轻光圈往返的发射功率。

  NASA历史 LLCD 任务(如图1所示)证明了这种新技术在从 400,000 km 的绕月轨道上的数据下行速率为 622 Mbps 时的潜力。这几乎要比我们最佳的 Ka波段无线电从月球上获取的数据率高一个数量级。LLCD 还证明,光能传送更加高效的通信系统,因为使用的 LLCD的质量比 LRO(质量为61 kg,功率为 120 W)轻一半(只有30.7 kg),功率低 25%(只有90 W)。这种返回数据量及尺寸、重量和功率(SWaP)的改进对 NASA今后的行星任务极富吸引力,因为他们计划通过扩大采集到的数据量,并为宇宙飞船上的仪器提供更多资源来大大增加总的返回科学数据。

图 1 NASA首次历史性的专用激光通信示范:2013年LADEE进行的LLCD任务。

  LLCD还证明了 20 Mbps 的上行速率(用于回送往返月球的零误差高清视频,这使得今后人类探月任务极富吸引力),还为宇宙飞船提供了同步厘米级高精度测距,这可用于改进行星天体的重力模型。

  但是,LLCD 示范的实际性突破是其近乎完美运行的立场取得的巨大成功,其要求使用的系统要从探月 LADEE 仪器上返回真实高价值的科学数据以便调查研究月球环境。LLCD 空间终端和主要的地面终端(两者都由麻省理工学院林肯实验室设计、制造和运行)证明,每次传输在闭环跟踪 15微弧度上行和下行光束后几乎同时采集信号,而在一系列工况下传输零误差数据,包括通过薄云(这证明了系统具有大量的裕量)传输,而在白天 LADEE 宇宙飞船与太阳的夹角在 3 度以内,并且LADEE和月球与地平线的夹角小于 5度。LLCD 空间终端也证明,在主地面终端与两个辅地面终端之间 2 分钟以内进行的常规连接“交接”,这由美国加州桌山 NASA喷气推进实验室(JPL)和位于西班牙特纳利夫岛的欧洲宇航局(ESA)提供。LLCD运行从2013年10月中旬持续到 2013年11 月中旬,之后空间终端被“冷储藏”。 2014年3月,LLCD恢复运行并无延期运行带来的问题,但在 2014年 4月结束工作于与月球上的 LADEE 宇宙飞船发生了碰撞。

  NASA 人类探索和作战任务委员会(HEOMD)和科学任务委员会(SMD)的管理层都明白,LLCD 已经证实了其运行性能和能力完全能与 NASA 赫赫有名的射频基深空网络(DSN)相比。LLCD做了一个激光通信(lasercomm)的案例,作为对RF计划切实可行的运行补充,而不是老是停留在 NASA网络的“未来技术”上。

  2. NASA接下来的工作:深空与行星探索激光通信

图 2 NASA JPL深空光通信(DSOC)项目,从火星反向传输的速度可达250 Mbps

  LLCD的历史成功为 NASA JPL进行的 NASA 前期深空光终端(DOT)工作注入了新动力。具体来说,NASA"空间技术任务理事会(STMD)和 SMD 现在已与HEOMD SCaN项目密切合作,在2017年财政年末,使重新命名的深空光通信(DSOC)终端达到6级技术成熟度(TRL),以便在即将开始的“2020探索”任务中作为政府提供的设备(GFE)。

  如图2所示,DSOC用于从近地小行星开始向外到木星的工作,并以 250 Mbps以上的速率从火星反向传输数据(0.42 AU或63 Mkm)(如图 2所示),而消耗质量为28千克,功率76 瓦。但是,与 LLCD相比,DSOC 还遇到其他难题,包括 l000×以上的链路(链路损耗 60 dB以上),千瓦级地面上行光束,宇宙飞船上观察上行光束的光子计数探测器阵列以及对数量级改进借助惯性稳定的波束指向和下行光束较大提前瞄准角的需求。与 LLCD相比,DSOC 还要求更多的地面接收器光阑,目前正在研究开发 12 米的望远镜,尽管目前计划是在 Palomar 山上使用 5 米的 Hale 望远镜从火星以 100 Mbps 以上的速率反向传输数据。注意根据火星勘测轨道飞行器(MRO)Ka 波段发射器测得的数据,从火星证实的最高 RF 数据速率为 6 Mbps,所以DSOC 反映了对火星科学界迄今接收到的数据的数量级改进。

图 3 拟采用于火星2020探测器(Mars 2020 rover)的光通讯终端的继电器和DTE激光链路

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