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NASA建设LCRD通信中继示范项目:用激光将空间数据传送到地面

2021-12-06 08:01 · 稿源: cnbeta

美国国家航空航天局(NASA)一直以来都在发射卫星、漫游车和轨道飞行器,调查人类在银河系中的位置。当这些任务到达它们的目的地时,它们的科学仪器会捕捉到图像、视频和关于宇宙的宝贵见解。空间和地面上的通信基础设施使这些任务收集的数据能够到达地球。如果没有地面站接收,这些任务所捕获的数据将停留在太空中,无法到达地球上的科学家和研究人员手中。

自从太空探索开始以来,美国宇航局的任务主要依靠无线电频率通信来进行这种信息传输。但是今年秋天,NASA的激光通信中继演示(LCRD)将启动并展示激光通信--一种从太空到地面进行数据通信的革命性方式。

LCRD的地面站,被称为光学地面站(OGS)-1和-2,位于加利福尼亚的桌子山和夏威夷的哈雷阿卡拉。选择这些偏远的高海拔地区是因为它们的天气状况晴朗。虽然激光通信可以提供更高的数据传输率,但大气层的干扰--如云层和湍流--会在激光信号进入地球大气层时被破坏。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的罗恩·米勒说:"当地的气象学工作方式,在山顶的灰尘最小,大气湍流也较少,这对激光通信很有利。"他是夏威夷OGS-2的前开发负责人。"它大约在10000英尺高的地方,所以在山顶经常有通透的晴天,而在山的中点附近则是多云,这是非常常见的。"美国宇航局的通信工程师选择这些地点是因为它们的天气模式通常是相互补充的。当加州的OGS-1有云时,夏威夷的OGS-2往往是晴天--反之亦然。为了监测云层覆盖情况并确定使用哪个站点,商业伙伴诺斯罗普·格鲁曼公司提供了一个大气监测站,观察哈雷阿卡拉的天气状况。这个监测站几乎是自主运行的,每天24小时,每周7天。OGS-1在桌山有类似的天气监测能力。

尽管这些地方通常天气晴朗,美国宇航局的工程师仍然必须努力减少大气湍流对OGS-1和OGS-2接收的数据的影响。为了做到这一点,这两个站都利用了自适应光学技术的力量。

位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的OGS-1开发和运营经理汤姆-罗伯茨说:"一个自适应光学系统使用一个传感器来测量从航天器下来的电磁信号的失真。如果我们能够测量到这种失真,那么我们就可以通过一个可变形的镜子,改变其形状来消除大气层引起的那些畸变。这使我们能够得到一个漂亮的、原始的信号。"

虽然OGS-2是专门为LCRD任务开发的,但OGS-1是在JPL的光学通信望远镜实验室进行的,在LCRD之前,该实验室被用于以前的激光通信演示。为了让OGS-1准备好支持LCRD,工程师们必须升级地面站,修改系统以使其达到更高的标准。其中一个升级涉及到更换反射镜,使其具有更好的反射率和更高的激光阈值,以便望远镜能够接收和发送激光信号给LCRD。

在任务支持之前,LCRD将用大约两年的时间进行测试和实验。在这期间,OGS-1和OGS-2将作为模拟用户,从一个站点向LCRD发送数据,然后再向下传递。这些测试将允许航空航天界从LCRD中学习,并进一步完善该技术,以便将来实施激光通信系统。在实验阶段之后,LCRD将支持空间任务。任务,如国际空间站上的终端,将向LCRD发送数据,然后将其传送到OGS-1或OGS-2。

LCRD是国防部空间测试计划卫星-6(STPSat-6)上的一个托管有效载荷。虽然LCRD是一个激光通信装置,但航天器仍有一个与地面的无线电频率连接。位于新墨西哥州拉斯克鲁塞斯附近的白沙综合体的有效载荷到地面链接终端(PGLT)将通过无线电波向航天器传递跟踪、遥测和指令数据。

"任务操作中心是LCRD系统的中心大脑,"戈达德的LCRD地面部分经理Miriam Wennersten说。"它同时协调有效载荷和所有三个地面站的配置,安排各种光学服务和链接。"

如果没有地面基础设施,科学和探索数据将无法送到地球上的研究人员手中。LCRD的地面部分将是任务成功的关键,为工程师提供了测试和完善激光通信的机会。反过来,LCRD将开创一个激光通信的新时代,任务将前所未有地获得从太空中的卫星和探测器收集到的见解。

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