麻省理工学院研究人员开发新型激光指向系统可使微型卫星向地球传输大量数据

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背     景

1998年以来，共有近2000颗“立方体卫星”（CubeSats）被发射到太空中，这种微型卫星的造价和发射费用较低。虽然小型传感器可使立方体卫星拍摄到细节图像，但由于功率和尺寸的限制，卫星航天器很难将大量数据有效地传送到地球。

为了提高链路的速率，卫星通常利用无线电传输下行数据，这些数据需要发送到大型地面天线。较大的卫星可以容纳更大的天线盘或天线阵列，从而支持高速下行链路。但CubeSats的体积过小，访问频段有限，无法支持高速率的链接。

麻省理工学院航空与航天副教授克里·卡霍伊表示，高速率数据下行链路所需要的电能远超小微型可承载的电能。综合上述原因，研究人员将激光作为立方体卫星的另一种通信方式，但同时激光通信面临一个重大的挑战：由于激光束比无线电波的光束窄得多，因此需要更精确地将激光束指向地面上的接收器。

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平台简介

新型激光指向系统使CubeSats以更高的速率、更少的载荷资源传输下行链路数据。当前，卫星只能在经过地面站时一次性地发送几张图片，但是利用该系统，卫星可以一次发送数千张高分辨率的图像。

该系统体积比魔方略大，包含一个小型商业现货的可操控微机电（MEMS）反射镜。反射镜比电脑键盘的按键还要小，以某种角度直接面向激光束，这样激光就可以从镜子中反射出来，进入太空和地面接收器。该系统将减少下行链路所需的电能和时间，并能够使用低功率、窄激光束，获得更高的数据传输速率。

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技术延伸

因微机电反射镜无法反馈其指向信息，在卫星发射过程中将会导致系统中的反射镜产生偏差。研究团队在此基础上开发了一种校准技术，利用彩色激光和光束波长开发出能确定激光偏离地面站的距离、自动校正反光镜角度并能精确地将激光指向地面接收器。

为了测试这项技术的准确性，研究人员制作了一个实验室台，其中包括激光指向平台和一个类似信标的激光信号。该装置的设计是为了模拟一种场景，即卫星在地面站上方400千米的高空飞行并传输数据。研究人员将所需的最小指向精度设置为0.65毫弧度。在他们的实验中，他们改变了信标激光的入射角度，并观察了镜子如何倾斜以匹配信标。最终经检测，此项校准技术可以达到0.05毫弧度的精度，这一精度远远超过激光传输任务要求。此次试验结果表明，这项技术经调整后可以精确地对准更窄的激光束，从而使CubeSat能够以较高的速率传输大量数据（如植被、火灾、海洋浮游植物等的图像和视频）。

来源：麻省理工学院网站/图片来自互联网

军事科学院军事科学信息研究中心   张珂

编辑：刘伟雪

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