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Démonstration de relais de communication laser de la NASA : transmettre des données spatiales au sol avec des lasers
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Démonstration de relais de communication laser de la NASA : transmettre des données spatiales au sol avec des lasers

Jun 17, 2023

Par Matthew D. Peters, Centre de vol spatial Goddard de la NASA5 décembre 2021

Le LCRD relayera les données entre la Station spatiale internationale et le sol. Crédit: Laboratoire d'images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA

NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA launches satellites, rovers, and orbiters to investigate humanity's place in the Milky WayThe Milky Way is the galaxy that contains our Solar System and is part of the Local Group of galaxies. It is a barred spiral galaxy that contains an estimated 100-400 billion stars and has a diameter between 150,000 and 200,000 light-years. The name "Milky Way" comes from the appearance of the galaxy from Earth as a faint band of light that stretches across the night sky, resembling spilled milk." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Voie Lactée. Lorsque ces missions atteignent leur destination, leurs instruments scientifiques capturent des images, des vidéos et des informations précieuses sur le cosmos. Les infrastructures de communication dans l'espace et au sol permettent aux données collectées par ces missions d'atteindre la Terre. Sans stations au sol pour les recevoir, les données extraordinaires capturées par ces missions seraient bloquées dans l'espace, incapables d'atteindre les scientifiques et les chercheurs sur Terre.

Depuis l'aube de l'exploration spatiale, les missions de la NASA se sont principalement appuyées sur les communications par radiofréquence pour ce transfert d'informations. Mais cet automne, la démonstration de relais de communications laser (LCRD) de la NASA lancera et présentera les communications laser - un moyen révolutionnaire de communiquer des données de l'espace au sol.

Les stations au sol du LCRD, appelées Optical Ground Station (OGS) -1 et -2, sont situées à Table Mountain, en Californie, et à Haleakalā, à Hawaï. Ces endroits éloignés et à haute altitude ont été choisis pour leurs conditions météorologiques claires. Alors que les communications laser peuvent 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 pénètrent dans l'atmosphère terrestre.

Les stations au sol du LCRD, Optical Ground Station -1 et -2, permettront le succès de la mission. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

"La façon dont la météorologie locale fonctionne, il y a un minimum de poussière et moins de turbulence atmosphérique au sommet de la montagne, ce qui est excellent pour les communications laser", a déclaré Ron Miller du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et ancien responsable du développement pour OGS-2 à Hawaï. "C'est à environ 10 000 pieds d'altitude, donc vous êtes au-dessus d'une grande partie de l'atmosphère et des conditions météorologiques qui se produisent sous le sommet. Il est très courant d'avoir une belle journée ensoleillée au sommet et d'être nuageux au milieu de la montagne."

Les ingénieurs des communications de la NASA ont sélectionné ces sites parce que leurs conditions météorologiques se complètent généralement. Lorsque OGS-1 en Californie est nuageux, OGS-2 à Hawaï a tendance à être clair - 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, sept jours sur sept. OGS-1 a des capacités de surveillance météorologique similaires à Table Mountain.

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

La station terrestre optique 2 (OGS-2) de démonstration de relais de communication laser (LCRD) de la NASA à Haleakalā, Hawaï. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

"Un système d'optique adaptative utilise un capteur pour mesurer la distorsion du signal électromagnétique provenant du vaisseau spatial", a déclaré Tom Roberts, responsable du développement et des opérations OGS-1 au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. "Si nous pouvons mesurer cette distorsion, nous pouvons alors l'envoyer à travers un miroir déformable qui change de forme pour éliminer les aberrations induites par l'atmosphère. Cela nous permet d'avoir un signal agréable et vierge."

While OGS-2 was developed specifically for the LCRD mission, OGS-1 is based at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Le laboratoire de télescope de communications optiques du JPL, qui avant le LCRD était utilisé pour les précédentes démonstrations de communications laser. Pour préparer OGS-1 pour le support LCRD, les ingénieurs ont dû mettre à niveau la station au sol, en modifiant le système pour le mettre à un niveau supérieur. L'une de ces mises à niveau a consisté à remplacer les miroirs pour avoir une meilleure réflectivité et des seuils laser plus élevés afin que le télescope puisse recevoir et envoyer des signaux laser vers et depuis le LCRD.

Avant le soutien de la mission, le LCRD passera environ deux ans à effectuer des tests et des expériences. Pendant ce temps, OGS-1 et OGS-2 agiront comme des utilisateurs simulés, envoyant des données d'une station au LCRD puis à la suivante. Ces tests permettront à la communauté aérospatiale d'apprendre du LCRD et d'affiner davantage la technologie pour la mise en œuvre future des systèmes de communication laser.

After the experimental phase, LCRD will support in-space missions. Missions, like a terminal on the International Space StationThe International Space Station (ISS) is a large spacecraft in orbit around the Earth that serves as a research laboratory and spaceport for international collaboration in space exploration. It was launched in 1998 and has been continuously occupied by rotating crews of astronauts and cosmonauts from around the world since 2000. The ISS is a joint project of five space agencies: NASA (USA), Roscosmos (Russia), JAXA (Japan), ESA (Europe), and CSA (Canada). It orbits the Earth at an altitude of approximately 400 kilometers (250 miles), and provides a unique platform for scientific research, technological development, and human space exploration." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La Station spatiale internationale enverra des données au LCRD, qui les transmettra ensuite à OGS-1 ou OGS-2.

Le LCRD est une charge utile hébergée sur le Satellite-6 (STPSat-6) du Programme d'essais spatiaux du ministère de la Défense. Bien que le LCRD soit une charge utile de communication laser, le vaisseau spatial aura toujours une connexion radiofréquence au sol. Le terminal de liaison charge utile-terre (PGLT) situé au complexe de White Sands près de Las Cruces, au 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 du LCRD - OGS-1, OGS-2 et PGLT - à partir du centre des opérations de mission du LCRD à White Sands.

"Le centre des opérations de la mission est le cerveau central du système LCRD", a déclaré Miriam Wennersten, responsable du segment sol du LCRD de Goddard. "Il coordonne la configuration de la charge utile et des trois stations au sol en même temps, en programmant les différents services et liaisons optiques."

Sans infrastructure au sol, des données scientifiques et d'exploration extraordinaires ne parviendraient pas aux chercheurs sur Terre. Le segment sol du LCRD sera essentiel au succès de la mission, offrant aux ingénieurs la possibilité de tester et d'affiner les communications laser. À son tour, le LCRD inaugurera une nouvelle ère de communications laser, où les missions auront un accès sans précédent aux informations recueillies auprès des satellites et des sondes dans l'espace.

STPSat-6, qui fait partie de la mission Space Test Program 3 (STP-3), sera lancé sur une fusée United Launch Alliance Atlas V 551 depuis la station de la Force spatiale de Cap Canaveral en Floride au plus tôt le 7 décembre 2021. STP est géré par le Commandement des systèmes spatiaux de l'US Space Force.

LCRD is led by Goddard and in partnership with JPL and the MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Laboratoire Lincoln du MIT. Le LCRD est financé par le programme de missions de démonstration technologique de la NASA, qui fait partie de la direction des missions de technologie spatiale, et le programme de communications et de navigation spatiales (SCaN) au siège de la NASA à Washington, DC Goddard gère OGS-2, tandis que JPL gère OGS-1.