Exploiter la technologie laser pour transmettre les données des missions NASA vers la Terre

La NASA lance des satellites, des rovers et des orbiteurs pour explorer la place de l'humanité dans la Voie lactée. Lorsque ces missions atteignent leurs destinations, leurs instruments scientifiques capturent des images, des vidéos et des informations précieuses sur le cosmos. L'infrastructure de communication dans l'espace et au sol permet aux données collectées par ces missions d'atteindre la Terre. Sans stations au sol pour les recevoir, cependant, les données extraordinaires capturées par ces missions resteraient coincées dans l'espace, incapables d'atteindre les scientifiques et chercheurs sur Terre.

Depuis l'aube de l'exploration spatiale, les missions de la NASA ont principalement compté sur les communications par radiofréquence pour ce transfert d'information. La démonstration de relais de communications laser (LCRD) de la NASA, basée dans l'espace, présentera les communications laser — une manière révolutionnaire de communiquer des données de l'espace vers le sol.

Stations au sol optiques

Les stations au sol de LCRD, appelées Station Optique au Sol (OGS) -1 et -2, sont situées sur Table Mountain, Californie, et Haleakalā, Hawaï. Ces endroits reculés et à haute altitude ont été choisis pour leurs conditions météorologiques claires. Bien que les communications laser puissent fournir des taux de transfert de données accrus, les perturbations atmosphériques telles que les nuages et la turbulence peuvent perturber les signaux laser lorsqu'ils entrent dans l'atmosphère terrestre.

« La façon dont la météorologie locale fonctionne, il y a peu de poussière et moins de turbulence atmosphérique au sommet de la montagne, ce qui est excellent pour les communications laser », explique Ron Miller du Centre de vol spatial Goddard de la NASA. « C'est à environ 3000 mètres d'altitude, donc vous êtes au-dessus d'une grande partie de l'atmosphère et de la météo qui se produit en dessous du sommet. Il est très courant d'avoir une belle journée ensoleillée au sommet et d'être nuageux vers le milieu de la montagne. »

Les ingénieurs en communications de la NASA ont sélectionné ces sites car leurs schémas météorologiques se complètent généralement. Lorsque l'OGS-1 en Californie est nuageux, l'OGS-2 à Hawaï tend à être dégagé — et vice versa. Pour surveiller la couverture nuageuse et déterminer quelle station doit être utilisée, le partenaire commercial Northrop Grumman a fourni une station de surveillance atmosphérique qui observe les conditions météorologiques à Haleakalā. Cette station de surveillance fonctionne presque de manière autonome 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. L'OGS-1 dispose de capacités de surveillance météorologique similaires à Table Mountain.

Malgré la météo généralement claire à ces endroits, les ingénieurs de la NASA doivent encore travailler pour réduire les effets de la turbulence atmosphérique sur les données reçues par l'OGS-1 et l'OGS-2. Pour ce faire, les deux stations exploitent la puissance de l'optique adaptative.

« Un système d'optique adaptative utilise un capteur pour mesurer la distorsion du signal électromagnétique qui descend du vaisseau spatial », explique Tom Roberts, responsable du développement et des opérations de l'OGS-1 au Laboratoire de propulsion par réaction de la NASA en Californie du Sud. « Si nous pouvons mesurer cette distorsion, nous pouvons l'envoyer à travers un miroir déformable qui change de forme pour éliminer ces aberrations induites par l'atmosphère. Cela nous permet d'avoir un signal net et pur. »

Alors que l'OGS-2 a été développé spécifiquement pour la mission LCRD, l'OGS-1 est basé au Laboratoire de télescope de communications optiques du JPL, qui a été utilisé pour des démonstrations précédentes de communications laser. Pour préparer l'OGS-1 au soutien de LCRD, les ingénieurs ont dû mettre à niveau la station au sol. Une telle mise à niveau impliquait le remplacement des miroirs pour avoir une meilleure réflectivité et une puissance laser plus élevée.

Avant le soutien de mission, LCRD passera environ deux ans à effectuer des tests et expériences. Pendant ce temps, l'OGS-1 et l'OGS-2 agiront comme utilisateurs simulés, envoyant des données d'une station à LCRD puis vers l'autre. Ces tests permettront à la communauté aérospatiale d'apprendre de LCRD et d'affiner davantage la technologie pour la future mise en œuvre de systèmes de communications laser. Après la phase expérimentale, LCRD soutiendra les missions dans l'espace. Des missions, comme un terminal sur la Station Spatiale Internationale, enverront des données à LCRD, qui les renverra ensuite vers l'OGS-1 ou l'OGS-2.

LCRD est une charge utile hébergée sur le satellite Space Test Program Satellite-6 (STP-Sat-6) du Département de la Défense. Bien que LCRD soit une charge utile de communications laser, le vaisseau spatial aura toujours une connexion radiofréquence au sol. Le Terminal de Liaison Charge Utile-Sol (PGLT) situé au Complexe White Sands près de Las Cruces, Nouveau-Mexique, communiquera les données de suivi, de télémétrie et de commande au vaisseau spatial par ondes radio. La NASA gère les éléments au sol de LCRD — OGS-1, OGS-2 et PGLT — depuis le centre d'opérations de mission de LCRD à White Sands.

« Le centre d'opérations de mission est le cerveau central du système LCRD », déclare Miriam Wennersten, gestionnaire du segment au sol de LCRD au NASA Goddard. « Il coordonne la configuration de la charge utile et les trois stations au sol en même temps, planifiant les divers services et liaisons optiques. »

Sans infrastructure au sol, les données extraordinaires de science et d'exploration ne parviendraient pas aux chercheurs sur Terre. Le segment au sol de LCRD sera crucial pour le succès de la mission, offrant aux ingénieurs l'opportunité de tester et affiner les communications laser. En retour, LCRD inaugurer une nouvelle ère de communications laser, où les missions auront un accès sans précédent aux informations glanées depuis les satellites et sondes dans l'espace.