MIT新激光器有助于卫星处理大量数据的下行

麻省理工学院的一个团队正在研究一种新的瞄准系统，该系统将允许CubeSat使用激光与地球进行高带宽通信。

新的激光指向平台使用第二个定向光束保持主要数据光束聚焦，使CubeSat能够传输大量数据，从而无需重型天线或浪费推进剂。CubeSats的尺寸经常小于一条吐司面包，但却具有巨大的潜力，可以彻底改变科学，商业和军事的空间探索和开发。 CubeSats可以在需要时立即发送，也可以在巨大的卫星阵列中发送，用于全球范围内的天气预报或反导防御等事件，单个的大卫星尽管单体性能强大但却没有这种能力。

但CubeSat的一个主要缺点是它们在发送数据方面不是很好。由于缺乏强大的无线电发射器和较大的天线，CubeSats一次只能发送相当于几张图像的数据。然而，为了使它们更实用，CubeSats需要能够快速地发回大量高光谱图像等内容。这意味着需要设法让其能够以高速率传输回上TB的数据。

即使是传统的无线电也存在这种数据流的问题，而CubeSats由于只能有限地访问必要的无线电频率，因此近年来空间工程师将激光视为更快的通信手段，例如NASA此前在进行类似的实验。根据麻省理工学院的最新结论，激光不仅在带宽方面更有优势，而且比无线电设备的外形更紧凑，功率效率更高。但由于CubeSats的体积小，如何对准和发射激光也存在问题。传统航天器或国际空间站（ISS）的激光实验已经精心设计了瞄准机制，使它们专注于接收地球站，但CubeSat系统必须倾斜整个卫星以对准波束。这会浪费大量时间，能量和推进剂。

在航空和航天学副教授Kerri Cahoy的带领下，麻省理工学院的团队正在开发一种精确指向激光并将其保持在目标状态的新方法，无需移动CubeSat或配备高功率激光器。激光指向平台在距离仅有几英寸的一侧，使用另一个小型激光器，从一个小的，现成的，可操纵的MEMS反射镜反射，将其对准地面接收器。这种方法聪明的一点是，系统不仅瞄准激光，而且有助于将其锁定在目标上，这样就无需在轨道上重新校准它。这套激光系统是通过发射两种不同颜色的激光来实现的。一个是数据光束，另一个是校准光束。当光束被镜子反射时，校准光束通过一个特殊的光学元件，根据光线的颜色分割光束。

发生这种情况时，校准光束将被发送到CubeSat上的板载相机，而数据光束将前往目标。该摄像机还接收从地面站发送的参考光束。通过比较这两者，系统可以调整发射器的镜子，使激光器保持锁定状态。到目前为止，该系统已经在实验室条件下进行了测试，模拟卫星在400公里（250英里）的高度通过头顶10分钟。通过改变参考光束的角度，团队最终能够将校准集中在0.05毫弧度范围内。“这表明你可以安装一个低功率系统，可以在这个微小的平台上制作这些窄光束，比以前做过的任何东西都要小10到100倍，”Cahoy说。 “唯一比实验室结果更令人兴奋的事情就是从轨道上看到这一点，希望这研究和试验结果能真的激发了这些系统的构建并将它们带到了那里。”