초소형 위성은 전파 대신 레이저를 사용하여 고속 데이터를 보낼 수 있음

• 새로운 레이저 포인팅 시스템은 CubeSats가 더 적은 온보드 리소스를 사용하여 훨씬 더 높은 속도로 데이터를 다운링크하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 이 시스템은 지상 수신기에 레이저를 보내는 조종 가능한 작은 거울로 구성되어 있습니다.

지난 20년 동안 2,000개 이상의 CubeSats(10*10*10센티미터 큐빗 단위의 배수로 구성된 미니어처 위성)가 우주로 발사되었고 계획되어 있습니다. CubeSat 1개는 일반적으로 1.33kg 미만이며 전자 장치 및 구조에 상용 기성품 기기를 사용합니다.

CubeSats는 배포 비용을 줄이고 나머지 발사체와 탑재체에 대한 위험을 최소화하며 종종 여러 개로 발사하는 데 적합합니다. 그들은 기존의 무거운 우주선보다 개발 및 발사 비용이 더 저렴하여 위성 기술에 혁명을 일으켰습니다.

그러나 지난 몇 년 동안 이 소형 위성은 대량의 데이터를 지구로 효율적으로 전송하는 데 어려움을 겪었습니다. 크기와 전력 제약이 이 문제의 두 가지 주요 원인입니다.

데이터 집약적이고 복잡한 구성 요소가 초분광 이미저 및 다중 대역 복사계와 같은 소형 위성에 통합됨에 따라 다운링크 수요는 기존 무선 주파수 통신을 사용하는 것이 거의 불가능해지는 지점까지 빠르게 증가할 수 있습니다.

현재 위성은 전파를 사용하여 지상국으로 데이터를 전송합니다. 우주의 거의 모든 주요 위성에는 대량의 데이터를 대형 지상 안테나로 빠르게 보내기 위해 고주파 무선 대역이 할당되었습니다. 고속 데이터 전송을 지원하는 데 필요한 더 큰 장비를 수용할 수 있습니다.

반면에 CubeSats는 크기가 비교적 작고 고주파 무선 대역에 대한 액세스가 제한적입니다. 또한 이러한 위성은 고속 데이터 다운링크에 적합한 전력 소모 송신기를 수용할 수 없습니다.

해결책:레이저 포인팅 시스템

이제 MIT의 연구원들은 더 적은 수의 온보드 리소스를 사용하여 훨씬 더 빠른 속도로 데이터를 다운링크할 수 있는 이 소형 위성을 위해 거의 루빅스 큐브 크기인 레이저 포인팅 시스템을 고안했습니다.

이를 통해 지상국을 통과하는 CubeSat는 각 비행과 함께 테라바이트의 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 레이저 포인팅 시스템을 궤도에 있는 여러 CubeSats에 적용하면 전역 및 실시간 범위를 전달할 수 있습니다.

참조:광학 공학 | 도이:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

레이저가 훨씬 더 많은 데이터를 전달할 수 있지만 레이저 기반 통신 시스템은 예외적인 과제입니다. 레이저 빔은 매우 좁기 때문에 지상 수신기로 정확하게 향해야 하며 이는 소리만큼 쉽지 않습니다.

새로운 레이저 포인팅 플랫폼은 다운링크에 필요한 시간과 에너지를 최소화하는 동시에 더 높은 전송 속도를 달성합니다. 이것은 레이저 빔을 마주하고 레이저가 거울에서 우주 공간과 지상 기반 안테나를 향해 반사될 수 있는 방식으로 정렬되는 조종 가능한 소형 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 거울로 구성됩니다.

추가 빔

이러한 거울에는 몇 가지 장점이 있습니다. 예를 들어 전체 위성이 약간 어긋난 경우에도 거울의 위치를 ​​수정할 수 있지만 레이저 빔이 어디로 향하는지에 대한 피드백은 제공하지 않습니다.

새로운 레이저 포인팅 플랫폼 | 크레딧:MIT

이러한 상황에 대처하기 위해 연구원들은 시스템에 추가 레이저 파장을 통합했습니다. 미러 위치를 자동으로 조정하여 지상 수신기에 레이저를 전달합니다.

레이저 포인팅 시스템은 데이터 빔에 다른 파장(색상)의 보정 빔을 추가합니다. 이제 미러에서 반사되는 두 개의 빔이 있습니다. 두 번째 빔은 dichroic beam splitter라는 광학 요소를 통과하여 보정 빔(특정 파장, 즉 추가 색상)을 데이터 빔에서 멀리 편향시킵니다.

레이저가 지상 안테나를 향해 이동하는 동안 편향된 빔은 온보드 카메라로 다시 향하게 됩니다. 카메라는 지상 안테나에서 오는 빔도 수신합니다.

읽기:초당 1페타비트를 전송하는 가장 빠른 새로운 광섬유

그런 다음 시스템은 이 두 빔을 일치시키고 둘 다 카메라 센서의 동일한 지점에 착륙하면 온보드 MEMS 미러가 완벽하게 정렬됩니다. 그렇지 않으면 맞춤 알고리즘을 사용하여 미러를 올바른 위치로 기울입니다.