Les CubeSats atteignent des liaisons de données plus rapides avec la technologie laser, réduisant les besoins en ressources embarquées

Au cours des deux dernières décennies, plus de 2 000 CubeSats — satellites miniatures composés de multiples unités cubiques de 10×10×10 centimètres — ont été lancés ou sont prévus pour être lancés dans l'espace. Un seul CubeSat pèse généralement moins de 1,33 kilogramme et utilise des instruments commerciaux prêts à l'emploi pour son électronique et sa structure.

Le défi du transfert de données

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

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

À mesure que des composants plus intensifs en données et complexes sont intégrés dans les satellites miniatures, par exemple, des imageurs hyperspectraux et des radiomètres multibandes, la demande de liaison descendante peut augmenter rapidement jusqu'au point où il devient presque impossible d'utiliser les communications radiofréquences conventionnelles.

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

Les CubeSats, en revanche, sont relativement petits et ont un accès limité aux bandes radio à haute fréquence. De plus, ces satellites ne peuvent pas accueillir des émetteurs consommateurs d'énergie adaptés aux liaisons descendantes à haut débit.

La solution : Système de pointage laser

Maintenant, des chercheurs du MIT ont mis au point 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 employé sur plusieurs CubeSats en orbite, ils peuvent fournir une couverture globale et en temps réel.

Référence : Optical Engineering | 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. Puisque les faisceaux laser sont très étroits, ils doivent être dirigés avec précision vers des récepteurs au sol, ce qui n'est pas aussi facile qu'il n'y paraît.

La nouvelle plateforme de pointage laser minimiserait le temps et l'énergie requis pour une liaison descendante, tout en atteignant des taux de transmission plus élevés. Elle consiste en un petit miroir micro-électro-mécanique (MEMS) orientable qui fait face à un faisceau laser et est aligné de manière que le laser puisse rebondir sur le miroir dans l'espace et vers une antenne au sol.

Un faisceau additionnel pour le calibrage

Ces miroirs ont plusieurs avantages — par exemple, la position du miroir peut être corrigée même si le satellite entier se désaligne légèrement — mais ils ne fournissent aucune rétroaction sur l'endroit où ils dirigent le faisceau laser.

Nouvelle plateforme de pointage laser | Crédit : MIT

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

Le système de pointage laser ajoute un faisceau de calibrage de longueur d'onde différente (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 de calibrage (à une longueur d'onde particulière, c'est-à-dire la couleur additionnelle) loin du faisceau de données.

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

Le système fait ensuite 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 vers sa position correcte.