Demonstration des Laserkommunikationsrelais der NASA: Weltraumdaten mit Lasern auf den Boden bringen

Von Matthew D. Peters, Goddard Space Flight Center der NASA, 5. Dezember 2021

LCRD wird Daten zwischen der Internationalen Raumstation und der Erde weiterleiten. Bildnachweis: Conceptual Image Lab des Goddard Space Flight Center der 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"}]"> Milchstraße. Wenn diese Missionen ihr Ziel erreichen, erfassen ihre wissenschaftlichen Instrumente Bilder, Videos und wertvolle Erkenntnisse über den Kosmos. Die Kommunikationsinfrastruktur im Weltraum und am Boden ermöglicht es den von diesen Missionen gesammelten Daten, die Erde zu erreichen. Ohne den Empfang durch Bodenstationen würden die von diesen Missionen erfassten außergewöhnlichen Daten im Weltraum stecken bleiben und Wissenschaftler und Forscher auf der Erde nicht erreichen können.

Seit den Anfängen der Weltraumforschung verlassen sich NASA-Missionen für diese Informationsübertragung hauptsächlich auf Hochfrequenzkommunikation. Aber diesen Herbst wird die Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) der NASA Laserkommunikation starten und präsentieren – eine revolutionäre Art der Datenübertragung vom Weltraum zur Erde.

Die Bodenstationen von LCRD, bekannt als Optical Ground Station (OGS) -1 und -2, befinden sich auf dem Tafelberg in Kalifornien und in Haleakalā auf Hawaii. Diese abgelegenen, hochgelegenen Standorte wurden aufgrund ihrer klaren Wetterbedingungen ausgewählt. Während Laserkommunikation höhere Datenübertragungsraten ermöglichen kann, können atmosphärische Störungen – wie Wolken und Turbulenzen – Lasersignale stören, wenn sie in die Erdatmosphäre gelangen.

Die Bodenstationen des LCRD, die Optical Ground Station -1 und -2, werden den Erfolg der Mission ermöglichen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

„Aufgrund der Funktionsweise der lokalen Meteorologie gibt es auf dem Gipfel des Berges nur minimalen Staub und weniger atmosphärische Turbulenzen, was sich hervorragend für die Laserkommunikation eignet“, sagte Ron Miller vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und ehemaliger Entwicklungsleiter für OGS-2 auf Hawaii. „Er liegt etwa 10.000 Fuß hoch, man befindet sich also über einem Großteil der Atmosphäre und des Wetters, die unterhalb des Gipfels auftreten. Es ist sehr üblich, dass es oben einen schönen sonnigen Tag gibt und es in der Mitte des Berges bewölkt ist.“

Die Kommunikationsingenieure der NASA haben diese Standorte ausgewählt, weil sich ihre Wetterbedingungen normalerweise ergänzen. Wenn OGS-1 in Kalifornien bewölkt ist, ist OGS-2 auf Hawaii tendenziell klar – und umgekehrt. Um die Wolkenbedeckung zu überwachen und zu bestimmen, welche Station verwendet werden soll, stellte der Handelspartner Northrop Grumman eine atmosphärische Überwachungsstation zur Verfügung, die die Wetterbedingungen in Haleakalā beobachtet. Diese Überwachungsstation arbeitet nahezu autonom, 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche. OGS-1 verfügt über ähnliche Wetterüberwachungsfunktionen am Tafelberg.

Trotz des normalerweise klaren Wetters an diesen Standorten müssen die NASA-Ingenieure weiterhin daran arbeiten, die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen auf die von OGS-1 und OGS-2 empfangenen Daten zu verringern. Zu diesem Zweck nutzen beide Stationen die Leistungsfähigkeit der adaptiven Optik.

Die optische Bodenstation 2 (OGS-2) der Laser Communication Relay Demonstration (LCRD) der NASA in Haleakalā, Hawaii. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

„Ein adaptives Optiksystem verwendet einen Sensor, um die Verzerrung des elektromagnetischen Signals zu messen, das vom Raumschiff ausgeht“, sagte Tom Roberts, Manager für OGS-1-Entwicklung und -Betrieb am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Wenn wir diese Verzerrung messen können, können wir sie durch einen verformbaren Spiegel schicken, der seine Form ändert, um die durch die Atmosphäre hervorgerufenen Aberrationen zu beseitigen. Dadurch erhalten wir ein schönes, makelloses Signal.“

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"}]"> Das Optical Communications Telescope Laboratory des JPL, das vor LCRD für frühere Laserkommunikationsdemonstrationen genutzt wurde. Um OGS-1 für die LCRD-Unterstützung vorzubereiten, mussten die Ingenieure die Bodenstation aufrüsten und das System modifizieren, um es auf einen höheren Standard zu bringen. Ein solches Upgrade umfasste den Austausch der Spiegel, um ein besseres Reflexionsvermögen und höhere Laserschwellen zu erreichen, sodass das Teleskop Lasersignale zum und vom LCRD empfangen und senden kann.

Vor der Missionsunterstützung wird LCRD etwa zwei Jahre damit verbringen, Tests und Experimente durchzuführen. Während dieser Zeit fungieren OGS-1 und OGS-2 als simulierte Benutzer und senden Daten von einer Station an LCRD und dann an die nächste. Diese Tests werden es der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft ermöglichen, von LCRD zu lernen und die Technologie für die zukünftige Implementierung von Laserkommunikationssystemen weiter zu verfeinern.

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"}]">Die Internationale Raumstation wird Daten an LCRD senden, das sie dann an OGS-1 oder OGS-2 sendet.

LCRD ist eine gehostete Nutzlast im Weltraumtestprogramm Satellite-6 (STPSat-6) des Verteidigungsministeriums. Obwohl es sich bei LCRD um eine Laserkommunikationsnutzlast handelt, wird das Raumschiff weiterhin über eine Hochfrequenzverbindung zur Erde verfügen. Das Payload to Ground Link Terminal (PGLT) im White Sands Complex in der Nähe von Las Cruces, New Mexico, wird Tracking-, Telemetrie- und Befehlsdaten über Funkwellen an das Raumschiff übermitteln.

Die NASA verwaltet die Bodenelemente des LCRD – OGS-1, OGS-2 und PGLT – vom LCRD-Missionsbetriebszentrum in White Sands aus.

„Das Mission Operations Center ist das zentrale Gehirn des LCRD-Systems“, sagte Miriam Wennersten, LCRDs Bodensegmentmanagerin von Goddard. „Es koordiniert gleichzeitig die Konfiguration der Nutzlast und aller drei Bodenstationen und plant die verschiedenen optischen Dienste und Verbindungen.“

Ohne Bodeninfrastruktur würden außergewöhnliche Wissenschafts- und Explorationsdaten nicht zu Forschern auf der Erde gelangen. Das Bodensegment des LCRD wird für den Erfolg der Mission von entscheidender Bedeutung sein, da es Ingenieuren die Möglichkeit bietet, die Laserkommunikation zu testen und zu verfeinern. Im Gegenzug wird LCRD eine neue Ära der Laserkommunikation einläuten, in der Missionen beispiellosen Zugang zu Erkenntnissen haben werden, die von Satelliten und Sonden im Weltraum gewonnen werden.

STPSat-6, Teil der Mission Space Test Program 3 (STP-3), wird frühestens am 7. Dezember 2021 mit einer Atlas V 551-Rakete der United Launch Alliance von der Cape Canaveral Space Force Station in Florida starten. STP wird von verwaltet das Space Systems Command der United States 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"}]"> MIT Lincoln Laboratory. LCRD wird durch das Technology Demonstration Missions-Programm der NASA, Teil des Space Technology Mission Directorate, und das Space Communications and Navigation (SCaN)-Programm am NASA-Hauptquartier in Washington, D.C. finanziert. Goddard verwaltet OGS-2, während JPL OGS-1 verwaltet.