Les satellites miniatures peuvent utiliser des lasers au lieu d'ondes radio pour envoyer des données à haut débit

• Un nouveau système de pointage laser pourrait aider les CubeSats à lier les données à des débits beaucoup plus élevés en utilisant moins de ressources embarquées.
• Le système se compose d'un petit miroir orientable qui dirige le laser vers le récepteur au sol.

Au cours des deux dernières décennies, plus de 2 000 CubeSats – des satellites miniatures composés de multiples de 10*10*10 unités de coudée de centimètre – ont été et devraient être lancés dans l'espace. Un seul CubeSat pèse généralement plus de 1,33 kg et utilise des instruments du commerce pour son électronique et sa structure.

Les CubeSats réduisent le coût de déploiement, minimisent les risques pour le reste du véhicule de lancement et les charges utiles, et ils sont souvent adaptés à un lancement multiple. Ils ont révolutionné la technologie des satellites car ils sont plus abordables à développer et à lancer que les engins spatiaux lourds conventionnels.

Cependant, au cours des dernières années, ces satellites miniatures ont eu du mal à transférer efficacement de gros volumes de données vers la Terre. Leur taille et leurs contraintes de puissance sont les deux principales raisons de ce problème.

Au fur et à mesure que des composants complexes et gourmands en données sont incorporés dans des satellites miniatures, par exemple des imageurs hyperspectraux et des radiomètres multibandes, la demande de liaison descendante peut rapidement augmenter jusqu'au point où il devient presque impossible d'utiliser les communications radiofréquence conventionnelles.

À l'heure actuelle, les satellites utilisent des ondes radio pour transmettre des données aux stations au sol. Presque tous les grands satellites dans l'espace se sont vu attribuer des bandes radio haute fréquence pour envoyer rapidement de gros volumes de données à de grandes antennes au sol. Ils peuvent accueillir des équipements plus importants requis pour prendre en charge la transmission de données à haut débit.

Les CubeSats, en revanche, sont de taille relativement petite et ont un accès limité aux bandes radio haute fréquence. De plus, ces satellites ne peuvent pas accueillir d'émetteurs énergivores adaptés aux liaisons descendantes de données à haut débit.

La solution :système de pointage laser

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont conçu un système de pointage laser - presque de la taille d'un Rubik's cube - pour ces satellites miniatures qui leur permet de transmettre des données à des débits beaucoup plus élevés en utilisant moins de ressources embarquées.

Il permettra à un CubeSat passant au-dessus d'une station au sol de transmettre des téraoctets de données à chaque survol. Si ce système de pointage laser est utilisé sur plusieurs CubeSats en orbite, ils peuvent fournir une couverture mondiale et en temps réel.

Référence : Ingénierie optique | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Bien que le laser puisse transporter beaucoup plus de données, les systèmes de communication basés sur les lasers présentent un défi exceptionnel. Les faisceaux laser étant très étroits, ils doivent être dirigés avec précision vers des récepteurs au sol, ce qui n'est pas aussi simple que les sons.

La nouvelle plate-forme de pointage laser réduirait le temps et l'énergie requis pour une liaison descendante, tout en atteignant des taux de transmission plus élevés. Il se compose d'un petit miroir orientable du système micro-électromécanique (MEMS) qui fait face à un faisceau laser et est aligné de manière à ce que le laser puisse rebondir sur le miroir dans l'espace et vers une antenne au sol.

Un faisceau supplémentaire

Ces miroirs présentent plusieurs avantages — par exemple, la position du miroir peut être corrigée même si l'ensemble du satellite est légèrement désaligné — mais ils ne fournissent aucune information sur l'endroit où ils dirigent le faisceau laser.

Nouvelle plate-forme de pointage laser | Crédit :MIT

Pour faire face à ce genre de situations, les chercheurs ont incorporé une longueur d'onde laser supplémentaire dans leur système. Il ajuste automatiquement la position du miroir pour diriger le laser vers le récepteur au sol.

Le système de pointage laser ajoute un faisceau d'étalonnage de différentes longueurs d'onde (couleur) au faisceau de données. Maintenant, il y a deux faisceaux qui se réfléchissent sur le miroir :le second passe à travers un élément optique appelé séparateur de faisceau dichroïque, qui dévie le faisceau d'étalonnage (à une longueur d'onde particulière, c'est-à-dire la couleur supplémentaire) du faisceau de données.

Pendant que le laser se déplace vers l'antenne au sol, le faisceau dévié est renvoyé vers une caméra embarquée. La caméra reçoit également le faisceau provenant de l'antenne au sol.

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Le système fait alors correspondre ces deux faisceaux et s'ils atterrissent tous les deux au même endroit sur le capteur de la caméra, le miroir MEMS embarqué est parfaitement aligné. Sinon, un algorithme personnalisé est utilisé pour incliner le miroir dans sa position correcte.