La carga útil óptica para Lasercomm Science ( OPALS ) es un instrumento de comunicación de 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 comunicaciones láser entre naves espaciales y tierra. estaciones. [2]
Operador | Laboratorio de propulsión a chorro |
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Fabricante | Laboratorio de propulsión a chorro |
Tipo de instrumento | Comunicaciones |
Función | Comunicaciones láser |
Duración de la misión | 90 dias |
Comenzó operaciones | 18 de abril de 2014 |
Sitio web | http://phaeton.jpl.nasa.gov |
Propiedades | |
Masa | 159 kilogramos [1] |
Número lanzado | 1 |
Velocidad de datos | 50 Mb / s |
Nave espacial anfitriona | |
Astronave | Estación Espacial Internacional |
Fecha de lanzamiento | 18 de abril de 2014 |
Cohete | Cápsula de dragón Falcon 9 |
Sitio de lanzamiento | cabo Cañaveral |
ID COSPAR | 1998-067A |
Orbita | Orbita terrestre baja |
El propósito de OPALS es investigar para reemplazar las comunicaciones tradicionales de radiofrecuencia (RF) que se utilizan actualmente en las naves espaciales. [3] Esto permitirá que las naves espaciales aumenten la velocidad a la que se transmiten los datos de 10 a 100 veces. [4] También tendrá menos errores que la comunicación de RF. [3]
Se lanzó desde Cabo Cañaveral a la ISS el 18 de abril de 2014 en un reabastecimiento de cápsulas Falcon 9 SpaceX CRS-3 Dragon . [5]
El experimento utilizó productos comerciales en lugar de componentes calificados para uso espacial. [6]
Objetivos científicos
El objetivo de la misión OPALS era demostrar un enlace descendente de un video corto desde el espacio utilizando comunicación láser. Al hacerlo, se estudió lo siguiente:
Arquitectura de la misión
Las comunicaciones y los comandos se enviaron al sistema de vuelo a través del Sistema de Operaciones de Misión (MOS), que es un proceso desarrollado por el equipo de OPALS. Cuando el equipo quiso ejecutar un enlace descendente láser, fue de la siguiente manera [7]
- La información comienza en el vuelo MOS ubicado el control de la misión en JPL, donde está prevista la comunicación con el sistema de vuelo.
- La información se envía al Centro de Soporte de Operaciones de Huntsville (HOSC) en el Centro de Vuelo Espacial Marshall, donde se envía a través de RF al Sistema de Servicios de Retransmisión y Datos de Seguimiento (TDRSS) , que es una matriz de satélites de comunicaciones
- El TDRSS envía la información a la ISS y al sistema de vuelo, nuevamente a través de RF
- El sistema de vuelo ejecuta el enlace descendente láser, que es recibido por el Laboratorio del Telescopio de Comunicaciones Ópticas (OCTL) en Wrightwood, California, donde se encuentra el sistema de tierra OPALS.
- La información finalmente 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 las comunicaciones que no son de transmisión láser (por ejemplo, comprobaciones del estado del sistema), la arquitectura es muy parecida. El enlace ascendente es el mismo, siguiendo los pasos 1-3. El enlace descendente en lugar de descender al OCTL sigue la misma ruta que el enlace ascendente, excepto hacia atrás. [7] Al igual que el enlace ascendente, todas las comunicaciones se realizan a través de RF.
Aunque la mayoría de los enlaces descendentes pasaron por el OCTL, algunos pasaron por otras estaciones terrestres, incluida la estación terrestre óptica del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Oberpfaffenhofen, Alemania y la estación terrestre de la Agencia Espacial Europea en el Teide, Tenerife, Islas Canarias . [9] [6]
Sistemas
El OPALS tiene 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 dónde apuntar y recibe sus enlaces descendentes.
Sistema de vuelo
El sistema de vuelo (que se muestra a la derecha) tiene tres partes principales, el contenedor sellado, el transceptor de cardán óptico y el mecanismo de sujeción liberable de 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 1.550 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 cardán donde se transmitió con una divergencia de haz de 1,5 milirradianes . [12]
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 del láser, es posible que el cardán no brille sobre 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 mirada (el área donde puede apuntar) se limite a 36 ° de ancho en elevación y 106 ° en azimut , donde el eje azimutal generalmente está 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 las pasadas, la dirección en la que debe apuntar el cardán a lo largo de la pasada debe calcularse previamente. [13] La lista de direcciones para que el cardán apunte se calculó en función del vector de estado de GPS de la ISS y el cuaternión de actitud . [13] La necesidad de que esta lista fuera precisa era muy importante debido a un 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 realizarse a estima . [13] Una vez que el sistema de vuelo detecta la baliza desde el sistema terrestre, rastrea la baliza con el cardán. [13]
El FRAM es la interfaz entre OPALS y la ISS. [10] No fue diseñado por el equipo de OPALS, pero era una pieza existente diseñada por el equipo de la ISS en el Centro Espacial Johnson. [14]
Sistema de tierra
El sistema de tierra es lo que recibe la señal de los enlaces descendentes láser del sistema de vuelo. [7] Con mayor frecuencia, el Laboratorio del Telescopio de Comunicaciones Ópticas (OCTL) en Wrightwood, California se utilizó 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 de tierra es indicar al sistema de vuelo 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 1550 nanómetros de paso de banda de 3 nanómetros frente a una cámara de adquisición de arseniuro de galio indio y un detector de fotodiodo de avalancha , que evita que el receptor sea abrumado por la luz solar dispersada por la atmósfera terrestre durante el día. [13]
Resultados
OPALS intentó 26 enlaces descendentes, de los cuales 18 tuvieron éxito. La mitad de los éxitos se intentaron por la noche y la otra mitad durante el día. [13] A continuación se muestra una lista de varios intentos de enlace descendente. [13]
Fecha | Hora | Estación de tierra | Hora del día | Fracaso / Éxito |
---|---|---|---|---|
27 de junio de 2014 | 19:05 UTC | OCTL | Tiempo de día | Fallo debido a un umbral de detección de baliza muy alto |
9 de julio de 2014 | 14:09 UTC | OCTL | Tiempo de día | Fallo debido a un umbral de detección de baliza muy bajo |
19 de agosto de 2014 | DLR | Fallo debido a condiciones nubladas y umbral de detección de baliza bajo | ||
1 de julio de 2014 | 18:26 UTC | OCTL | Tiempo de día | Fallo debido a una falsa perturbación de la baliza |
23 de junio de 2014 | 03:59 UTC | OCTL | Tiempo de día | Fallo debido a una señal de baliza débil |
21 de julio de 2014 | OCTL | Fallo debido a una señal de baliza débil | ||
23 de junio de 2014 | OCTL | Fallo debido a una señal de baliza débil | ||
9 de septiembre de 2014 | ESA | Tiempo de día | Fallo debido a problemas de luz parásita | |
14 de octubre de 2014 | DLR | Fallo debido a consideraciones de límite de aceleración | ||
5 de junio de 2014 [3] | OCTL | Noche | Éxito |
A pesar de que muchos enlaces descendentes se consideran fallos, algunos de esos fallos pudieron enviar el paquete de datos completo, ya que los datos del enlace descendente consistían en el mismo paquete de datos repetido muchas veces.
Generalmente, los enlaces descendentes tuvieron más éxito durante el día que durante la noche. Los enlaces descendentes también sufrieron en caso de nubosidad, aunque en algunas ocasiones consiguió readquirir la señal. Se encontraron algunas dificultades con los enlaces descendentes a estaciones terrestres de alta latitud, como DLR.
Ver también
- Comunicaciones ópticas de espacio profundo
- Comunicación óptica en espacio libre
- Comunicación láser en el espacio
- Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer , organizó la demostración de comunicación láser lunar
- Comunicación óptica
Referencias
- ^ Selinger, Mark (septiembre de 2014). "Demostración de comunicaciones láser" (PDF) . Revista . Archivado desde el original (PDF) el 12 de agosto de 2015 . Consultado el 8 de noviembre de 2014 .
- ^ "NASA - Carga óptica óptica para Lasercomm Science" . www.nasa.gov . Consultado el 11 de julio de 2020 .
- ^ a b c "ÓPALOS: los haces de luz permiten que se disparen las tasas de datos" . www.jpl.nasa.gov . 9 de diciembre de 2014 . Consultado el 21 de octubre de 2015 .
- ^ "Ópalos de la NASA para transmitir datos desde el espacio a través de láser" . www.jpl.nasa.gov . 11 de julio de 2013 . Consultado el 11 de julio de 2020 .
- ^ SpaceX. "Manifiesto de lanzamiento" . SpaceX . Consultado el 19 de octubre de 2015 .
- ^ a b c Oaida; et al. "Resumen de diseño de enlace óptico y pruebas de validación del sistema Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS) " .
- ^ a b c d e f g h yo j k Abrahamson, Matthew J .; Sindiy, Oleg V .; Oaida, Bogdan V .; Fregoso, Santos; Bowles-Martínez, Jessica N .; Kokorowski, Michael; Wilkerson, Marcus W .; Laboratorio de Propulsión a Chorro / Instituto de Tecnología 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.
- ^ "DesktopTV - 082615_MSFC_CutIn_Opals" . av.ndc.nasa.gov . Archivado desde el original el 7 de marzo de 2016 . Consultado el 9 de noviembre de 2015 .
- ^ a b Oaida, Bogdan V .; Wu, William; Erkmen, Baris I .; Biswas, Abhijit; Andrews, Kenneth S .; Kokorowski, Michael; Wilkerson, Marcus (1 de enero de 2014). "Diseño de enlace óptico y pruebas de validación del sistema Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS)". Comunicación láser en espacio libre y propagación atmosférica XXVI . 8971 . págs. 89710U – 89710U – 15. doi : 10.1117 / 12.2045351 .[ enlace muerto ]
- ^ a b c d "Espacio, estrellas, Marte, tierra, planetas y más - Laboratorio de propulsión a chorro de la NASA" . phaeton.jpl.nasa.gov . Archivado desde el original el 15 de octubre de 2015 . Consultado el 21 de octubre de 2015 .
- ^ "La NASA transmite '¡Hola, mundo!' Video desde el espacio vía láser " . www.jpl.nasa.gov . 6 de junio de 2014 . Consultado el 21 de octubre de 2015 .
- ^ a b Wright, MW; Laboratorio de Propulsión a Chorro / Instituto de Tecnología de California; Tang, RR; NuphotonTechnologies, Inc (10 de octubre de 2014). "Pruebas de calificación de transmisores láser basados en fibra y validación en órbita de un sistema láser comercial" (PDF) . Congreso Internacional de Óptica Espacial . Consultado el 8 de noviembre de 2015 .
- ^ a b c d e f g h yo Abrahamson, Matthew J .; Oaida, Bogdan V .; Sindiy, Oleg; Biswas, Abhijit (1 de enero de 2015). "Lograr la adquisición operacional de láser bidireccional para la carga útil OPALS en la Estación Espacial Internacional". Comunicación láser en espacio libre y propagación atmosférica XXVII . 9354 . págs. 935408–935408–21. doi : 10.1117 / 12.2182473 .
- ^ Lista de verificación de EVA, STS-121 . Centro Espacial Johnson. 2006. págs. 20–22.
enlaces externos
- Página de misión del JPL
- Comunicado de prensa: Estación Espacial Internacional para transmitir video vía láser de regreso a la Tierra
- Artículo destacado: OPALS impulsa la investigación en comunicaciones ópticas espacio-tierra