NASA のレーザー通信リレーのデモンストレーション: レーザーを使用して宇宙データを地上に送信

マシュー・D・ピーターズ、NASAゴダード宇宙飛行センター、2021年12月5日

LCRDは国際宇宙ステーションと地上の間でデータを中継します。 クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター概念画像ラボ

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"}]">天の川。 これらのミッションが目的地に到着すると、科学機器が画像、ビデオ、宇宙に関する貴重な洞察を取得します。 宇宙と地上の通信インフラにより、これらのミッションで収集されたデータが地球に届くことが可能になります。 それを受信する地上局がなければ、これらのミッションで収集された驚異的なデータは宇宙に留まり、地球上の科学者や研究者に届けることができなくなります。

宇宙探査の黎明期以来、NASA のミッションは主にこの情報の転送に無線周波数通信に依存してきました。 しかし、この秋、NASA のレーザー通信リレー デモンストレーション (LCRD) が、宇宙から地上にデータを通信する革新的な方法であるレーザー通信を開始し、披露する予定です。

光地上局 (OGS) -1 および -2 として知られる LCRD の地上局は、カリフォルニア州のテーブル マウンテンとハワイのハレアカラにあります。 これらの人里離れた高地の場所は、晴天に恵まれた天候条件を考慮して選ばれました。 レーザー通信はデータ転送速度の向上を可能にしますが、雲や乱気流などの大気の擾乱により、レーザー信号が地球の大気圏に突入する際に中断される可能性があります。

LCRD の地上局である光地上局 -1 および -2 は、ミッションの成功を可能にします。 クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダード宇宙飛行センターのロン・ミラー氏は、「地元の気象学の仕組みでは、山の頂上では塵も少なく、大気の乱流も少ないため、レーザー通信には最適だ」と述べ、元メリーランド州グリーンベルトのNASAゴダード宇宙飛行センターのロン・ミラー氏は語った。ハワイのOGS-2。 「標高約 10,000 フィートなので、頂上の下で起こる大気や天候の多くを上回ります。頂上では晴れた日が続いても、山の中間点付近では曇りになるのがよくあることです。」

NASA の通信技術者がこれらのサイトを選択したのは、通常、気象パターンが相互に補完し合うためです。 カリフォルニアの OGS-1 が曇っているとき、ハワイの OGS-2 は晴れる傾向があり、その逆も同様です。 雲の範囲を監視し、どの観測所を使用するかを決定するために、商用パートナーのノースロップ・グラマンは、ハレアカラの気象状況を観測する大気監視観測所を提供しました。 この監視ステーションは、24 時間年中無休でほぼ自律的に稼働します。 OGS-1 は、テーブル マウンテンでも同様の気象監視機能を備えています。

これらの場所では通常は晴天にもかかわらず、NASA の技術者は、OGS-1 と OGS-2 が受信するデータに対する大気の乱気流の影響を軽減するために引き続き取り組む必要があります。 これを行うために、両方のステーションは補償光学の力を活用します。

ハワイ州ハレアカラにある NASA のレーザー通信リレー デモンストレーション (LCRD) の光地上局 2 (OGS-2)。 クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター

「補償光学システムは、センサーを使用して、宇宙船から降りてくる電磁信号の歪みを測定します」と、南カリフォルニアにある NASA のジェット推進研究所で OGS-1 開発および運用のマネージャーを務めるトム・ロバーツ氏は述べています。 「その歪みを測定できれば、形状を変える可変鏡を通してその歪みを送信して、大気によって引き起こされる収差を取り除くことができます。これにより、素晴らしい原始的な信号を得ることができます。」

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"}]"> JPL の光通信望遠鏡研究所。LCRD の前はレーザー通信のデモンストレーションに使用されていました。 OGS-1 を LCRD サポートに対応させるために、エンジニアは地上局をアップグレードし、システムを変更してより高い基準に引き上げる必要がありました。 そのようなアップグレードの 1 つは、望遠鏡が LCRD との間でレーザー信号を送受信できるように、ミラーを交換して反射率を向上させ、レーザー閾値を高くすることを含むものでした。

ミッション支援に先立って、LCRDは約2年間をかけてテストと実験を実施する。 この間、OGS-1 と OGS-2 はシミュレートされたユーザーとして機能し、あるステーションから LCRD にデータを送信し、次に次のステーションにデータを送信します。 これらのテストにより、航空宇宙コミュニティは LCRD から学び、将来のレーザー通信システムの実装に向けて技術をさらに改良することができます。

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"}]">国際宇宙ステーションはデータを LCRD に送信し、LCRD はそれを OGS-1 または OGS-2 に送信します。

LCRD は、国防総省の宇宙試験プログラム衛星 6 (STPSat-6) でホストされるペイロードです。 LCRD はレーザー通信ペイロードですが、宇宙船は依然として地上への無線周波数接続を持っています。 ニューメキシコ州ラスクルーセス近くのホワイトサンズコンプレックスにあるペイロード対地上リンクターミナル（PGLT）は、追跡、遠隔測定、およびコマンドデータを電波を介して宇宙船に通信します。

NASA は、ホワイトサンズにある LCRD のミッション オペレーション センターで LCRD の地上要素 (OGS-1、OGS-2、および PGLT) を管理しています。

「ミッションオペレーションセンターはLCRDシステムの中枢頭脳です」とゴダード社のLCRD地上部門マネージャー、ミリアム・ウェナーステン氏は語った。 「ペイロードと 3 つの地上局すべての構成を同時に調整し、さまざまな光サービスとリンクのスケジュールを設定します。」

地上インフラがなければ、驚異的な科学データや探査データが地球上の研究者に届けられることはありません。 LCRD の地上セグメントはミッションの成功に不可欠であり、エンジニアにレーザー通信をテストして改良する機会を提供します。 次に、LCRD はレーザー通信の新時代の到来を告げ、ミッションは宇宙の衛星や探査機から集められた洞察に前例のないアクセスを得ることができます。

宇宙試験プログラム 3 (STP-3) ミッションの一部である STPSat-6 は、2021 年 12 月 7 日までにフロリダ州のケープカナベラル宇宙軍基地から United Launch Alliance Atlas V 551 ロケットで打ち上げられます。STP は、によって管理されています。米国宇宙軍の宇宙システム司令部。

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"}]"> MITリンカーン研究所。 LCRD は、宇宙技術ミッション総局の一部である NASA の技術実証ミッション プログラムと、ワシントン DC にある NASA 本部の宇宙通信航法 (SCaN) プログラムを通じて資金提供されています。ゴダード氏が OGS-2 を管理し、JPL が OGS-1 を管理しています。