微型卫星可以使用激光代替无线电波发送高速数据

在过去的二十年里，超过 2,000 颗立方体卫星——由 10*10*10 厘米肘单位的倍数组成的微型卫星——已经并计划发射到太空。单个立方体卫星通常轻于 1.33 公斤，其电子元件和结构均采用商用现成仪器。

立方体卫星降低了部署成本，最大限度地降低了运载火箭其余部分和有效载荷的风险，而且它们通常适合多次发射。它们彻底改变了卫星技术，因为与传统的重型航天器相比，它们的开发和发射成本更低。

然而，在过去的几年里，这些微型卫星一直在努力将大量数据有效地传输到地球。它们的尺寸和功率限制是造成此问题的两个主要原因。

随着越来越多的数据密集型和复杂组件被集成到微型卫星中，例如高光谱成像仪和多波段辐射计，下行链路需求会迅速增加，以至于几乎不可能使用传统的射频通信。

目前，卫星使用无线电波向地面站传输数据。几乎所有太空中的主要卫星都被分配了高频无线电频段，以快速向大型地面天线发送大量数据。它们可以容纳支持高速数据传输所需的更大设备。

另一方面，立方体卫星的尺寸相对较小，并且它们对高频无线电频段的访问有限。此外，这些卫星无法容纳适用于高速数据下行链路的耗电发射机。

现在，麻省理工学院的研究人员为这些微型卫星设计了一个激光指向系统——几乎与魔方一样大——使它们能够使用更少的机载资源以更高的速率下行数据。

它将使 CubeSat 越过地面站，每次飞越时传输数 TB 的数据。如果将这种激光指向系统用于在轨的多颗立方体卫星，它们可以提供全球实时覆盖。

参考：光学工程 | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 |麻省理工学院

虽然激光可以携带更多的数据，但基于激光的通信系统提出了一个特殊的挑战。由于激光束很窄，需要精确地引导到地面接收器，这并不像声音那么容易。

新的激光指向平台将最大限度地减少下行链路所需的时间和能量，同时实现更高的传输速率。它由一个小型、可操纵的微机电系统 (MEMS) 反射镜组成，该反射镜面向激光束，并以激光可以从反射镜反射到太空并朝向地面天线的方式对齐。

这些反射镜有几个优点——例如，即使整个卫星稍微错位，也可以校正反射镜的位置——但它们不提供关于激光束指向何处的任何反馈。

新的激光指向平台|信用：麻省理工学院

为了应对这种情况，研究人员在他们的系统中加入了额外的激光波长。它会自动调整反射镜的位置，将激光对准地面接收器。

激光指向系统将不同波长（颜色）的校准光束添加到数据光束中。现在有两束光束从镜子反射：第二束通过称为二向色分束器的光学元件，该元件将校准光束（在特定波长，即附加颜色）偏转远离数据光束。

当激光向地面天线移动时，偏转的光束被指向机载相机。相机还接收来自地面天线的波束。

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然后系统匹配这两个光束，如果它们都落在相机传感器上的同一点，则板载 MEMS 反射镜将完美对齐。否则，将使用自定义算法将镜子倾斜到其正确位置。

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