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Articulo de referencia

Carga útil óptica para la ciencia de las comunicaciones láser

{{Cite news|url = http://www.aerospaceamerica.org/Documents/AerospaceAmerica%20PDFs%20-%202014/September%202014/AA_Sept2014.pdf|title = Demonstrating Laser Comms|last = Selinger...

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El Optical PAyload for Lasercomm Science ( OPALS ) es un instrumento de comunicación para naves espaciales desarrollado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro que se probó en la Estación Espacial Internacional (ISS) del 18 de abril de 2014 al 17 de julio de 2014 para demostrar la tecnología de los sistemas de comunicación láser entre naves espaciales y estaciones terrestres. [ 2 ]

El propósito de OPALS es investigar la sustitución de las comunicaciones tradicionales por radiofrecuencia (RF) que se utilizan actualmente en las naves espaciales. [ 3 ] Esto permitirá a las naves espaciales aumentar la velocidad de descarga de datos entre 10 y 100 veces. [ 4 ] Además, tendrá menos errores que la comunicación por RF. [ 3 ]

Fue lanzado desde Cabo Cañaveral a la ISS el 18 de abril de 2014 en una cápsula de reabastecimiento CRS-3 Dragon de SpaceX Falcon 9. [ 5 ]

El experimento utilizó productos comerciales en lugar de componentes calificados para el espacio. [ 6 ]

Objetivos científicos

El objetivo de la misión OPALS era demostrar la transmisión de un vídeo corto desde el espacio mediante comunicación láser. Para ello, se estudió lo siguiente:

  • Mantenimiento de un enlace óptico entre la tierra y el espacio con diversas condiciones ambientales y operativas [ 7 ]
  • Procesamiento de datos distorsionados [ 7 ]
  • Diseño del procedimiento para la configuración del enlace óptico [ 7 ]
  • ¿Qué equipo se utiliza para enviar y recibir señales [ 7 ]?

Arquitectura de la misión

Las comunicaciones y los comandos se enviaban al sistema de vuelo a través del Sistema de Operaciones de Misión (MOS), que es un proceso desarrollado por el equipo OPALS. Cuando el equipo quería ejecutar un enlace descendente láser, el proceso era el siguiente [ 7 ].

  1. La información comienza en el MOS de vuelo ubicado en el centro de control de la misión en JPL, donde se planifican las comunicaciones con el sistema de vuelo.
  2. La información se envía al Centro de Apoyo a las Operaciones de Huntsville (HOSC) en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall , donde se transmite por radiofrecuencia al Sistema de Servicios de Retransmisión y Datos de Seguimiento (TDRSS) , que es una red de satélites de comunicaciones.
  3. El TDRSS envía la información a la ISS y al sistema de vuelo, nuevamente a través de radiofrecuencia.
  4. El sistema de vuelo ejecuta el enlace descendente del láser, que es recibido por el Laboratorio de Telescopios de Comunicaciones Ópticas (OCTL) en Wrightwood, California, donde se encuentra el sistema terrestre de OPALS.
  5. Finalmente, la información se entrega al investigador principal de la misión OPALS para que el equipo la analice.

Este proceso se ejecuta en cuestión de segundos. [ 8 ] En el caso de comunicaciones que no son transmisión láser (por ejemplo, comprobaciones del estado del sistema), la arquitectura es muy similar. El enlace ascendente es el mismo, siguiendo los pasos 1 a 3. El enlace descendente, en lugar de ir hacia abajo al OCTL, sigue la misma ruta que el enlace ascendente, pero en sentido inverso. [ 7 ] Al igual que el enlace ascendente, todas las comunicaciones son a través de RF.

Aunque la mayoría de los enlaces descendentes pasaron por el OCTL, algunos pasaron por otras estaciones terrestres, incluyendo la estación terrestre óptica del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Oberpfaffenhofen, Alemania , y la estación terrestre de la Agencia Espacial Europea en el Monte Teide, Tenerife, Islas Canarias . [ 9 ] [ 6 ]

Sistemas

Sistema de vuelo
Sistema de vuelo OPALS. Crédito de la imagen: JPL/Caltech.

El sistema OPALS cuenta con dos sistemas de hardware: el sistema de vuelo, que envía los enlaces descendentes láser desde la ISS, y el sistema terrestre, que ayuda al sistema de vuelo a saber hacia dónde apuntar y recibe sus enlaces descendentes.

Sistema de vuelo

El sistema de vuelo (representado a la derecha) tiene tres partes principales: el contenedor sellado, el transceptor de cardán óptico y el mecanismo de fijación de liberación para vuelo (FRAM) . [ 10 ]

El contenedor sellado alberga la electrónica, la aviónica , el láser de comunicaciones y una placa de alimentación personalizada presurizada a 1 atmósfera con aire para mantener la electrónica fría. [ 7 ] [ 10 ] El láser utiliza una longitud de onda de luz de 1550 nanómetros con 2,5 vatios de potencia [ 11 ] [ 12 ] y tiene una apertura de 2,2 centímetros de diámetro. [ 9 ] [ 6 ] El láser se dirigió a través de fibra al transceptor de cardán donde se transmitió con una divergencia de haz de 1,5 milirradianes . [ 12 ]

ÓPALOS en construcción
OPALS en construcción. Crédito de la imagen: JPL/Caltech.

El transceptor de cardán óptico sostiene la cámara de enlace ascendente y el colimador láser en un cardán de 2 ejes. [ 10 ] Debido a consideraciones de seguridad láser, el cardán no puede iluminar nada en la ISS. [ 7 ] Para evitar esto, el cardán está diseñado con topes mecánicos e interruptores de límite electromecánicos de modo que su campo de visión (el área hacia donde puede apuntar) está limitado a 36° de ancho en elevación y 106° en acimut , donde el eje acimutal está generalmente en la dirección de movimiento de la ISS. [ 7 ] Debido a la geometría del campo de visión del cardán, el sistema de vuelo solo puede realizar enlaces descendentes cuando la ISS está al norte de la estación terrestre.

Debido a la geometría de visualización que cambia rápidamente durante los pasos, la dirección en la que debe apuntar el cardán durante todo el paso debe precalcularse. [ 13 ] La lista de direcciones a las que debe apuntar el cardán se calculó en función del vector de estado GPS de la ISS y el cuaternión de actitud . [ 13 ] La necesidad de que esta lista fuera precisa era muy importante debido al error en las predicciones de orientación de la ISS y porque el cardán carecía de codificadores, por lo que todo el movimiento del cardán tenía que hacerse por estima . [ 13 ] Una vez que el sistema de vuelo detecta la baliza del sistema terrestre, la rastrea con el cardán. [ 13 ]

El FRAM es la interfaz entre OPALS y la ISS. [ 10 ] No fue diseñado por el equipo de OPALS, sino que era una pieza existente diseñada por el equipo de la ISS en el Centro Espacial Johnson. [ 14 ]

Sistema de tierra

El sistema terrestre es el que recibe la señal de los enlaces descendentes láser del sistema de vuelo. [ 7 ] Con mayor frecuencia, se utilizó el Laboratorio de Telescopios de Comunicaciones Ópticas (OCTL) en Wrightwood, California, como estación terrestre, pero también se utilizaron otras estaciones internacionales. El observatorio tiene un espejo de 1 metro a través del cual se realizan todos los enlaces descendentes láser. [ 13 ] El telescopio tiene la capacidad de rastrear objetos que se encuentran en órbita terrestre baja. [ 13 ] La función del sistema terrestre es indicar al sistema de vuelo hacia dónde apuntar el láser y luego recibir esa señal. Indica hacia dónde debe apuntar el láser iluminando la ISS con un láser de 976 nanómetros. [ 7 ] La señal se recibe a través de un filtro espectral de paso de banda de 3 nanómetros y 1550 nanómetros delante de una cámara de adquisición de arseniuro de indio y galio y un detector de fotodiodo de avalancha , que evita que el receptor se vea saturado por la luz solar retrodispersada por la atmósfera terrestre durante los pasos diurnos. [ 13 ]

Resultados

OPALS intentó 26 enlaces descendentes, de los cuales 18 fueron exitosos. La mitad de los intentos exitosos se realizaron de noche y la otra mitad durante el día. [ 13 ] A continuación se muestra una lista de varios intentos de enlace descendente. [ 13 ]

A pesar de que muchos enlaces descendentes se consideraron un fallo, algunos de esos fallos lograron enviar el paquete de datos completo, ya que los datos del enlace descendente consistían en el mismo paquete de datos repetido muchas veces.

En general, las transmisiones descendentes tuvieron mejor desempeño durante el día que durante la noche. También se vieron afectadas por la nubosidad, aunque en algunas ocasiones se logró recuperar la señal. Se observaron algunas dificultades con las transmisiones descendentes a estaciones terrestres de alta latitud, como el DLR.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Selinger, Mark (septiembre de 2014). "Demostración de comunicaciones láser" (PDF) . Revista . Archivado del original (PDF) el 12 de agosto de 2015. Recuperado el 8 de noviembre de 2014 .
  2. ↑ "NASA - Carga útil óptica para la ciencia de las comunicaciones láser" . www.nasa.gov . Consultado el 11 de julio de 2020 .
  3. 1 2 3 "OPALS: Los haces de luz permiten que las tasas de datos se disparen" . www.jpl.nasa.gov . 9 de diciembre de 2014. Consultado el 21 de octubre de 2015 .
  4. ↑ "El satélite OPALS de la NASA transmitirá datos desde el espacio mediante láser" . www.jpl.nasa.gov . 11 de julio de 2013. Consultado el 11 de julio de 2020 .
  5. ↑ SpaceX. "Manifiesto de lanzamiento" . SpaceX . Consultado el 19 de octubre de 2015 .
  6. 1 2 3 Oaida; et al. "resumen del diseño de enlace óptico y pruebas de validación del sistema de carga útil óptica para ciencia de comunicaciones láser (OPALS) " . 
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Abrahamson, Matthew J.; Sindiy, Oleg V.; Oaida, Bogdan V.; Fregoso, Santos; Bowles-Martinez, Jessica N.; Kokorowski, Michael; Wilkerson, Marcus W.; Laboratorio de Propulsión a Chorro/Instituto Tecnológico de California; Konyha, Alexander L.; Universidad Aeronáutica Embry-Riddle (9 de mayo de 2014). Arquitectura de operaciones del sistema de misión OPALS para una demostración de comunicaciones ópticas en la ISS . Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi : 10.2514/6.2014-1627 . ISBN 978-1-62410-221-9.
  8. ↑ "DesktopTV - 082615_MSFC_CutIn_Opals" . av.ndc.nasa.gov . Archivado del original el 7 de marzo de 2016. Consultado el 9 de noviembre de 2015 .
  9. 1 2 Oaida, Bogdan V.; Wu, William; Erkmen, Baris I.; Biswas, Abhijit; Andrews, Kenneth S.; Kokorowski, Michael; Wilkerson, Marcus (2014-01-01). "Diseño de enlace óptico y pruebas de validación del sistema Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS)". Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVI . Vol. 8971. pp. 89710U–89710U–15. doi : 10.1117/12.2045351 .  
  10. 1 2 3 4 "Espacio, estrellas, Marte, Tierra, planetas y más - Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA" . phaeton.jpl.nasa.gov . Archivado del original el 15 de octubre de 2015. Consultado el 21 de octubre de 2015 .
  11. ↑ "La NASA transmite el vídeo '¡Hola, mundo!' desde el espacio mediante láser" . www.jpl.nasa.gov . 6 de junio de 2014. Consultado el 21 de octubre de 2015 .
  12. 1 2 Wright, MW; Laboratorio de Propulsión a Chorro/Instituto Tecnológico de California; Tang, RR; NuphotonTechnologies, Inc (10 de octubre de 2014). "Pruebas de cualificación de transmisores láser basados ​​en fibra y validación en órbita de un sistema láser comercial" (PDF) . Conferencia Internacional sobre Óptica Espacial . Recuperado el 8 de noviembre de 2015 .
  13. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Abrahamson, Matthew J.; Oaida, Bogdan V.; Sindiy, Oleg; Biswas, Abhijit (2015-01-01). "Lograr la adquisición láser bidireccional operativa para la carga útil OPALS en la Estación Espacial Internacional". Comunicación láser en espacio libre y propagación atmosférica XXVII . Vol. 9354. pp. 935408–935408–21. doi : 10.1117/12.2182473 .  
  14. ↑ Lista de verificación de EVA, STS-121 . Centro Espacial Johnson. 2006. págs. 20–22 . 
  • Página de la misión del JPL
  • Comunicado de prensa: La Estación Espacial Internacional transmitirá vídeo a la Tierra mediante láser.
  • Artículo destacado: OPALS impulsa la investigación en comunicaciones ópticas espacio-tierra.