تقویت توان انتقال داده ماهواره کیوب ست

با وجود این ارتباط لیزری نیز با چالش‌های منحصربه‌فرد خود مواجه است؛ زیرا لیزر نسبت به امواج رادیویی بسیار بوده و پیش‌بینی محل دقیق دریافت آن روی زمین بسیار سخت می‌شود.

پژوهشگر یاد شده افزود:

تصور کنید در انتهای یک راهروی بسیار طولانی ایستاده و با یک پرتوافکن بزرگ مانند چراغ‌قوه قصد دارید چشمی را در انتهای دیگر ساختمان هدف بگیرد. من قادر هستم بازوی خود را به میزان بسیار اندک تکان دهم و نشانه گر همچنان روی هدف باقی خواهد ماند؛ اما اگر بخواهیم از لیزر استفاده کنیم؛ با کوچک‌ترین جابه‌جایی صورت گرفته، هدف از دست می‌رود. چالش ما حفظ نشانه‌گیر لیزری روی هدف است، حتی اگر ماهواره حرکت کند.

سامانه ارتباطات نوری و حسگر نمایش ناسا (OCSD¹) از سیستم ارتباطات لیزری کیوب‌ست استفاده کرده و همه‌ی ماهواره‌ها را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که پرتو لیزری آن ایستگاه زمینی را هدف گرفته باشد؛ اما سیستم هدایت آن به زمان و منابع گوناگونی نیاز دارد. به علاوه به منظور دستیابی به نرخ انتقال داده‌ی بیشتر، به لیزر قدرتمندتری نیاز دارد که حجم بیشتری از انرژی را به خود اختصاص داده و گرمای زیادی تولید می‌کند. به همین منظور پژوهشگران روی توسعه سیستم تحقیق کردند که علاوه بر کاهش انرژی و زمان مورد نیاز، حجم داده‌های در حال انتقال را نیز افزایش دهد.

پژوهشگران برای رفع مشکلات یاد شده، بستری لیزری با ابعادی کمی بزرگ‌تر از مکعب روبیک توسعه دادند که به آینه‌های ممز (MEMS mirror) قابل تنظیم موجود در بازار مجهز هستند. این آینه کوچک‌تر از یک دکمه‌ی موجود روی صفحه‌کلید رایانه است و می‌توان به کمک آن زاویه‌ی لیزر را برای هدف‌گیری ایستگاه زمینی تنظیم کرد.

کرنی (Cierny)، از دیگر پژوهشگران طرح یاد شده اظهار کرد:

حتی اگر کل ماهواره در مکان و زاویه نادرستی قرار بگیرد، همچنان می‌توان با کمک آینه‌های یاد شده آن را اصلاح کرد؛ اما این آینه‌ها نیز بازخوردی را نسبت به این که چه محلی را نشانه گرفته‌اند ارائه نمی‌دهند. تصور کنید آینه موجود در سامانه شما نامنظم است و این موضوع می‌تواند بر اساس ارتعاشات زمان پرتاب ایجاد شده باشد. چگونه می‌توانیم این مسئله را اصلاح کنیم و نشانه گر در کجا قرار دارد؟

پژوهشگران برای رفع این چالش یک روش کالیبره‌ی جدید توسعه دادند که با اندازه‌گیری تعداد دفعات انحراف از ایستگاه زمینی، زاویه‌ی ماهواره را به صورت خودکار تنظیم می‌کند. در این روش از یک لیزر رنگی یا طول موج اضافی در سیستم‌های نوری استفاده می‌شود. این مسئله باعث می‌شود علاوه بر ارسال پرتو حاوی داده‌ها، باریکه‌ی نور دیگری با رنگ متفاوت نیز ارسال شود. هر 2 پرتو از آینه مذکور عبور کرده و پرتوی اضافی با عبور از یک تقسیم‌کننده نوری، جدا می‌شود. سپس در حالی که لیزر اصلی حاوی داده‌ها به سمت ایستگاه زمینی ادامه‌ی مسیر می‌دهد، پرتو دوم مستقیماً به سمت یک دوربین روی تراشه بازگشت داده می‌شود. به طور هم‌زمان این دوربین پرتو دیگری را مستقیماً از ایستگاه زمینی دریافت می‌کند تا بتواند جهت ماهواره را همواره به درستی تنظیم کند.

اگر پرتو زمینی و لیزر اضافی تولید شده، دقیقاً روی یک نقطه از دوربین بازتاب داده شوند، محققان به این نتیجه خواهند رسید که جهت به درستی تنظیم شده است. در غیر این صورت با کمک الگوریتم‌های توسعه داده شده جهت لیزرِ مختص به کالیبره سازی تا زمانی که مجدداً با نقطه برخورد پرتو زمینی یکسان شود، تغییر می‌کند.

به منظور آزمایش دقت دستاورد بالا در محیط آزمایشگاهی، بستری شبیه‌سازی شده آماده شد. در این آزمایش ماهواره‌ای با ارتفاع 400 کیلومتری از سطح ایستگاه زمینی باید در هنگام عبور، تنها در مدت‌زمان 10 دقیقه اطلاعات را منتقل می‌کرد. پژوهشگران نشانه‌گیری را با دقت 0.65 میلیاردیوم راه‌اندازی کردند تا میزان خطای زاویه را در ابعادی که برای آن‌ها موردنیاز است اندازه‌گیری کنند. در طول آزمایش آن‌ها زاویه لیزر را تغییر می‌دادند تا شیوه اصلاح آن توسط آینه بر اساس روش یاد شده مشاهده گردد. در نهایت آن‌ها موفق شدند به دقت 0.05 میلیاردیوم دست یابند که بسیار فراتر از مقدار مورد نیاز بود.

پروژه بالا در همکاری با دانشگاه فلوریدا و مرکز تحقیقات ایمز ناسا (NASA Ames Research Center) توسعه یافته، توسط اداره مأموریت فناوری فضایی این سازمان به عنوان بخشی از طرح «کلیک» (CLICK²) پشتیبانی می‌شود.

1. _{NASA’s Optical Communications and Sensor Demonstration}
2. _{CubeSat Lasercom Infrared CrosslinK}