Оптическая полезная нагрузка для Lasercomm Science

ОПАЛЫ
	Художественное изображение нисходящей линии связи OPALS. Изображение предоставлено JPL/Caltech.
Оператор	Лаборатория реактивного движения
Производитель	Лаборатория реактивного движения
Тип инструмента	Коммуникации
Функция	Лазерная связь
Продолжительность миссии	90 дней
Начало деятельности	18 апреля 2014 г.
Веб-сайт	http://phaeton.jpl.nasa.gov
Характеристики
Масса	159 килограммов
Номер запущен	1
Скорость передачи данных	50 Мбит/с
Хост-космический корабль
Космический корабль	Международная космическая станция
Дата запуска	18 апреля 2014 г.
Ракета	Капсула Дракона Falcon 9
Запуск сайта	Мыс Канаверал
ИДЕНТИФИКАТОР КОСПЭРЭ	1998-067А
Орбита	Низкая околоземная орбита

Оптическая полезная нагрузка для лазерной связи ( OPALS ) — это инструмент связи космического корабля, разработанный в Лаборатории реактивного движения , который проходил испытания на Международной космической станции (МКС) с 18 апреля по 17 июля 2014 года для демонстрации технологии лазерных систем связи между космическим кораблем и землей. станции. ^{[ 2 ]}

Целью OPALS является проведение исследований по замене традиционной радиочастотной (РЧ) связи , которая в настоящее время используется на космических кораблях. ^{[ 3 ]} Это позволит космическому кораблю увеличить скорость передачи данных по нисходящей линии связи в 10–100 раз. ^{[ 4 ]} Он также будет иметь меньше ошибок, чем радиочастотная связь. ^{[ 3 ]}

Он был запущен с мыса Канаверал к МКС 18 апреля 2014 года на капсуле пополнения запасов Falcon 9 SpaceX CRS-3 Dragon . ^{[ 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 были изучены:

Обеспечение оптической связи между землей и космосом в различных природных и эксплуатационных условиях. ^{[ 7 ]}
Обработка искаженных данных ^{[ 7 ]}
Разработка процедуры настройки оптической линии связи ^{[ 7 ]}
Какое оборудование используется для отправки и приема сигнала ^{[ 7 ]}

Архитектура миссии

Коммуникации и команды передавались в летную систему через систему управления миссией (MOS), которая представляет собой процесс, разработанный командой OPALS. Когда команда хотела запустить лазерную нисходящую линию связи, она поступила следующим образом. ^{[ 7 ]}

Информация начинается с полетной MOS, расположенной в центре управления полетами JPL, где планируется связь с полетной системой.
Информация отправляется в Центр поддержки операций Хантсвилля (HOSC) в Центре космических полетов Маршалла , где она передается по радиочастотной связи в Систему служб отслеживания данных и ретрансляции (TDRSS) , которая представляет собой массив спутников связи.
TDRSS отправляет информацию на МКС и в систему полета, опять же через радиочастотную связь.
Полетная система выполняет лазерную нисходящую линию связи, которую принимает Лаборатория телескопов оптической связи (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, где расположена наземная система OPALS.
Информация наконец передается главному исследователю миссии OPALS для анализа.

Этот процесс выполняется за считанные секунды. ^{[ 8 ]} В случае коммуникаций, не являющихся лазерной передачей (например, проверки работоспособности системы), архитектура практически такая же. Восходящая линия связи та же, после шагов 1-3. Нисходящая линия связи вместо перехода к OCTL проходит по тому же пути, что и восходящая линия связи, за исключением обратного направления. ^{[ 7 ]} Как и в восходящем канале, все коммуникации осуществляются через радиочастоту.

Хотя большинство нисходящих каналов проходило через OCTL, некоторые проходили через другие наземные станции, включая наземную оптическую станцию Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в Оберпфаффенхофене, Германия , и Европейского космического агентства наземную станцию на горе Тейде, Тенерифе, Канарские острова . ^{[ 9 ]}^{[ 6 ]}

Системы

OPALS имеет две аппаратные системы: полетную систему, которая отправляет лазерные сигналы с МКС, и наземную систему, которая помогает полетной системе знать, куда направлять и получать нисходящие сигналы.

Система полета

Полетная система (изображена справа) состоит из трех основных частей: герметичного контейнера, приемопередатчика оптического подвеса и механизма съемного крепления для полета (FRAM) . ^{[ 10 ]}

В герметичном контейнере находится электроника, авионика , коммуникационный лазер и специальная силовая плата, находящаяся под давлением воздуха до 1 атмосферы для охлаждения электроники. ^{[ 7 ]}^{[ 10 ]} Лазер использует длину волны света 1550 нанометров и мощность 2,5 Вт. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} и имеет отверстие диаметром 2,2 сантиметра. ^{[ 9 ]}^{[ 6 ]} Лазер направлялся по оптоволокну к приемопередатчику подвеса, откуда он передавался с 1,5 миллирадиана . расходимостью луча ^{[ 12 ]}

ОПАЛЫ в стадии строительства *Изображение предоставлено JPL/Калифорнийским технологическим институтом*

Приемопередатчик оптического подвеса удерживает камеру восходящей линии связи и лазерный коллиматор на двухосном подвесе. ^{[ 10 ]} Из соображений лазерной безопасности подвес не может ничего освещать на МКС. ^{[ 7 ]} Чтобы избежать этого, подвес оснащен механическими упорами и электромеханическими концевыми выключателями, так что его поле зрения (область, на которую он может указывать) ограничено 36° по ширине по углу места и 106° по азимуту , где азимутальная ось обычно находится в направление движения МКС. ^{[ 7 ]} Из-за геометрии поля зрения подвеса полетная система может осуществлять связь вниз только тогда, когда МКС находится к северу от наземной станции.

Из-за быстро меняющейся геометрии обзора во время проходов направление, в котором должен быть направлен стабилизатор на протяжении всего прохода, должно быть заранее рассчитано. ^{[ 13 ]} Список направлений движения подвеса к точке рассчитывался на основе GPS вектора состояния МКС и кватерниона ориентации . ^{[ 13 ]} Необходимость в том, чтобы этот список был точным, была очень важна из-за ошибки в прогнозах ориентации МКС, а также из-за того, что у подвеса не было каких-либо энкодеров, поэтому все движения подвеса приходилось выполнять с помощью точного счисления . ^{[ 13 ]} Как только полетная система обнаруживает маяк от наземной системы, она отслеживает маяк с помощью подвеса. ^{[ 13 ]}

FRAM — это интерфейс между OPALS и МКС. ^{[ 10 ]} Он не был разработан командой OPALS, но представлял собой существующую деталь, разработанную командой МКС в Космическом центре Джонсона. ^{[ 14 ]}

Наземная система

Наземная система — это то, что получает сигнал от лазерных линий связи системы полета. ^{[ 7 ]} Чаще всего в качестве наземной станции использовалась Лаборатория телескопов оптической связи (OCTL) в Райтвуде, Калифорния, но использовались и другие международные станции. В обсерватории имеется 1-метровое зеркало, через которое осуществляются все лазерные линии связи. ^{[ 13 ]} Телескоп имеет возможность отслеживать объекты, находящиеся на низкой околоземной орбите. ^{[ 13 ]} Функция наземной системы — указать летной системе, куда направить лазер, а затем получить этот сигнал. Он указывает, куда должен указывать лазер, освещая МКС лазером с длиной волны 976 нанометров. ^{[ 7 ]} Сигнал принимается через 3-нанометровый полосовой спектральный фильтр с полосой пропускания 1550 нанометров перед камерой сбора данных на основе арсенида индия-галлия и лавинным фотодиодным детектором, который предохраняет приемник от перегрузки солнечным светом, обратно рассеянным атмосферой Земли во время дневных проходов. ^{[ 13 ]}

Результаты

OPALS предприняла 26 попыток установления связи, из которых 18 оказались успешными. Половина успехов была предпринята ночью, а половина – днем. ^{[ 13 ]} Несмотря на то, что многие каналы нисходящей связи считались неудачными, некоторые из этих сбоев смогли отправить весь пакет данных, поскольку данные нисходящей линии связи состояли из одного и того же пакета данных, повторяющегося много раз.

В целом, нисходящие каналы были более успешными днем, чем ночью. Нисходящие каналы также пострадали в случае пасмурной погоды, хотя в некоторых случаях им удавалось восстановить сигнал. Были обнаружены некоторые трудности с нисходящей связью с высокоширотными наземными станциями, такими как DLR.

См. также

Ссылки

^ Селинджер, Марк (сентябрь 2014 г.). «Демонстрация лазерной связи» (PDF) . Журнал . Архивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2015 года . Проверено 8 ноября 2014 г.
^ «НАСА - Оптическая полезная нагрузка для лазерной связи» . www.nasa.gov . Проверено 11 июля 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б «OPALS: световые лучи повышают скорость передачи данных» . www.jpl.nasa.gov . 9 декабря 2014 года . Проверено 21 октября 2015 г.
^ «ОПАЛС НАСА для передачи данных из космоса с помощью лазера» . www.jpl.nasa.gov . 11 июля 2013 года . Проверено 11 июля 2020 г.
^ SpaceX. «Манифест запуска» . СпейсИкс . Архивировано из оригинала 06 апреля 2020 г. Проверено 19 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Оайда; и др. (2017). «Резюме проекта оптической линии связи и проверочных испытаний системы оптической полезной нагрузки для Lasercomm Science (OPALS) » . Серия конференций Общества инженеров фотооптического приборостроения (Spie) . 10563 . Бибкод : 2017SPIE10563E..38W . дои : 10.1117/12.2304100 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Абрахамсон, Мэтью Дж.; Синдий Олег Владимирович; Оайда, Богдан В.; Фрегосо, Сантос; Боулз-Мартинес, Джессика Н.; Кокоровский, Майкл; Вилкерсон, Маркус В.; Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Кониха, Александр Л.; Университет аэронавтики Эмбри-Риддла (9 мая 2014 г.). Архитектура эксплуатации системы миссии OPALS для демонстрации оптической связи на МКС . Американский институт аэронавтики и астронавтики . дои : 10.2514/6.2014-1627 . ISBN 978-1-62410-221-9 .
^ «Настольное ТВ — 082615_MSFC_CutIn_Opals» . av.ndc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 07 марта 2016 г. Проверено 9 ноября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Оайда, Богдан В.; Ву, Уильям; Эркмен, Барис И.; Бисвас, Абхиджит; Эндрюс, Кеннет С.; Кокоровский, Майкл; Вилкерсон, Маркус (1 января 2014 г.). «Проектирование оптической линии связи и проверочные испытания системы оптической полезной нагрузки для лазерной связи (OPALS)». В Хеммати, Хамид; Боросон, Дон М. (ред.). Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVI . Том. 8971. С. 89710U–89710U–15. дои : 10.1117/12.2045351 . Проверено 8 апреля 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Космос, звезды, Марс, Земля, планеты и многое другое — Лаборатория реактивного движения НАСА» . phaeton.jpl.nasa.gov . Архивировано из оригинала 15 октября 2015 г. Проверено 21 октября 2015 г.
^ «НАСА передает «Привет, мир!» Видео из космоса с помощью лазера» . www.jpl.nasa.gov . 6 июня 2014 года . Проверено 21 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Райт, Миссури; Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Тан, РР; NuphotonTechnologies, Inc (10 октября 2014 г.). «Квалификационные испытания оптоволоконных лазерных передатчиков и орбитальная проверка коммерческой лазерной системы» (PDF) . Международная конференция по космической оптике . Проверено 8 ноября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Абрахамсон, Мэтью Дж.; Оайда, Богдан В.; Синдий Олег; Бисвас, Абхиджит (1 января 2015 г.). «Осуществление оперативного двустороннего лазерного обнаружения полезной нагрузки OPALS на Международной космической станции». В Хеммати, Хамид; Боросон, Дон М. (ред.). Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVII . Том. 9354. С. 935408–935408–21. дои : 10.1117/12.2182473 .
^ Контрольный список выхода в открытый космос, STS-121 . Космический центр Джонсона. 2006. стр. 20–22.

Внешние ссылки

[1] Селинджер, Марк (сентябрь 2014 г.). «Демонстрация лазерной связи» (PDF) . Журнал . Архивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2015 года . Проверено 8 ноября 2014 г.

[NASA-OPALS-2] «НАСА - Оптическая полезная нагрузка для лазерной связи» . www.nasa.gov . Проверено 11 июля 2020 г.

[:2-3] Jump up to: ^а ^б «OPALS: световые лучи повышают скорость передачи данных» . www.jpl.nasa.gov . 9 декабря 2014 года . Проверено 21 октября 2015 г.

[jpl-2013-4] «ОПАЛС НАСА для передачи данных из космоса с помощью лазера» . www.jpl.nasa.gov . 11 июля 2013 года . Проверено 11 июля 2020 г.

[5] SpaceX. «Манифест запуска» . СпейсИкс . Архивировано из оригинала 06 апреля 2020 г. Проверено 19 октября 2015 г.

[Oaida-alt-6] Jump up to: ^а ^б ^с Оайда; и др. (2017). «Резюме проекта оптической линии связи и проверочных испытаний системы оптической полезной нагрузки для Lasercomm Science (OPALS) » . Серия конференций Общества инженеров фотооптического приборостроения (Spie) . 10563 . Бибкод : 2017SPIE10563E..38W . дои : 10.1117/12.2304100 .

[:0-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Абрахамсон, Мэтью Дж.; Синдий Олег Владимирович; Оайда, Богдан В.; Фрегосо, Сантос; Боулз-Мартинес, Джессика Н.; Кокоровский, Майкл; Вилкерсон, Маркус В.; Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Кониха, Александр Л.; Университет аэронавтики Эмбри-Риддла (9 мая 2014 г.). Архитектура эксплуатации системы миссии 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] «Настольное ТВ — 082615_MSFC_CutIn_Opals» . av.ndc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 07 марта 2016 г. Проверено 9 ноября 2015 г.

[:5-9] Jump up to: ^а ^б Оайда, Богдан В.; Ву, Уильям; Эркмен, Барис И.; Бисвас, Абхиджит; Эндрюс, Кеннет С.; Кокоровский, Майкл; Вилкерсон, Маркус (1 января 2014 г.). «Проектирование оптической линии связи и проверочные испытания системы оптической полезной нагрузки для лазерной связи (OPALS)». В Хеммати, Хамид; Боросон, Дон М. (ред.). Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVI . Том. 8971. С. 89710U–89710U–15. дои : 10.1117/12.2045351 . Проверено 8 апреля 2023 г.

[:1-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Космос, звезды, Марс, Земля, планеты и многое другое — Лаборатория реактивного движения НАСА» . phaeton.jpl.nasa.gov . Архивировано из оригинала 15 октября 2015 г. Проверено 21 октября 2015 г.

[Hello-2014-11] «НАСА передает «Привет, мир!» Видео из космоса с помощью лазера» . www.jpl.nasa.gov . 6 июня 2014 года . Проверено 21 октября 2015 г.

[:4-12] Jump up to: ^а ^б Райт, Миссури; Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Тан, РР; NuphotonTechnologies, Inc (10 октября 2014 г.). «Квалификационные испытания оптоволоконных лазерных передатчиков и орбитальная проверка коммерческой лазерной системы» (PDF) . Международная конференция по космической оптике . Проверено 8 ноября 2015 г.

[:3-13] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Абрахамсон, Мэтью Дж.; Оайда, Богдан В.; Синдий Олег; Бисвас, Абхиджит (1 января 2015 г.). «Осуществление оперативного двустороннего лазерного обнаружения полезной нагрузки OPALS на Международной космической станции». В Хеммати, Хамид; Боросон, Дон М. (ред.). Лазерная связь в свободном космосе и распространение в атмосфере XXVII . Том. 9354. С. 935408–935408–21. дои : 10.1117/12.2182473 .

[14] Контрольный список выхода в открытый космос, STS-121 . Космический центр Джонсона. 2006. стр. 20–22.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]