La carga útil óptica para la ciencia de las comunicaciones láser ( OPALS ) es un instrumento de comunicación espacial desarrollado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro que se probó en la Estación Espacial Internacional (ISS) del 18 de abril de 2014 al 17 de julio de 2014 para demostrar la tecnología de los sistemas de comunicación láser entre naves espaciales y estaciones terrestres. [2]
El objetivo de OPALS es investigar cómo reemplazar las comunicaciones por radiofrecuencia (RF) tradicionales que se utilizan actualmente en las naves espaciales. [3] Esto permitirá que las naves espaciales incrementen la velocidad a la que se transmiten los datos entre 10 y 100 veces. [4] También tendrá menos errores que la comunicación por RF. [3]
Se lanzó desde Cabo Cañaveral a la ISS el 18 de abril de 2014 en una cápsula de reabastecimiento Falcon 9 CRS-3 Dragon de SpaceX . [5]
En el experimento se utilizaron productos comerciales en lugar de componentes aptos para uso espacial. [6]
El objetivo de la misión OPALS era demostrar la transmisión de un vídeo corto desde el espacio mediante comunicación láser. Para ello, se estudió lo siguiente:
Las comunicaciones y los comandos se enviaban al sistema de vuelo a través del Sistema de Operaciones de Misión (MOS), que es un proceso desarrollado por el equipo OPALS. Cuando el equipo quería ejecutar un enlace descendente láser, procedía de la siguiente manera [7]
Este proceso se ejecuta en cuestión de segundos. [8] En el caso de comunicaciones que no son transmisión láser (por ejemplo, comprobaciones de estado del sistema), la arquitectura es muy similar. El enlace ascendente es el mismo, siguiendo los pasos 1-3. El enlace descendente, en lugar de bajar al OCTL, sigue el mismo camino que el enlace ascendente, excepto que va hacia atrás. [7] Al igual que el enlace ascendente, todas las comunicaciones se realizan mediante RF.
Aunque la mayoría de los enlaces descendentes pasaban por el OCTL, algunos pasaban por otras estaciones terrestres, incluida la estación terrestre óptica del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Oberpfaffenhofen, Alemania , y la estación terrestre de la Agencia Espacial Europea en el Teide, Tenerife, Islas Canarias . [9] [6]
El OPALS tiene dos sistemas de hardware: el sistema de vuelo, que envía los enlaces descendentes láser desde la ISS, y el sistema terrestre, que ayuda al sistema de vuelo a saber dónde apuntar y recibe sus enlaces descendentes.
El sistema de vuelo (mostrado a la derecha) tiene tres partes principales: el contenedor sellado, el transceptor de cardán óptico y el mecanismo de fijación liberable de vuelo (FRAM) . [10]
El contenedor sellado alberga la electrónica, la aviónica , el láser de comunicaciones y una placa de alimentación personalizada presurizada a 1 atmósfera con aire para mantener la electrónica fría. [7] [10] El láser utiliza una longitud de onda de luz de 1.550 nanómetros con 2,5 vatios de potencia [11] [12] y tiene una apertura de 2,2 centímetros de diámetro. [9] [6] El láser se encaminó a través de fibra al transceptor de cardán donde se transmitió con una divergencia de haz de 1,5 milirradianes . [12]
El transceptor de cardán óptico sostiene la cámara de enlace ascendente y el colimador láser en un cardán de 2 ejes. [10] Debido a consideraciones de seguridad del láser, el cardán no puede brillar sobre nada en la ISS. [7] Para evitar esto, el cardán está diseñado con topes mecánicos e interruptores de límite electromecánicos para que su campo de visión (el área donde puede apuntar) esté limitado a 36° de ancho en elevación y 106° en acimut , donde el eje acimutal generalmente está en la dirección de movimiento de la ISS. [7] Debido a la geometría del campo de visión del cardán, el sistema de vuelo solo puede realizar enlaces descendentes cuando la ISS está al norte de la estación terrestre.
Debido a la rápida evolución de la geometría de la vista durante los pases, la dirección en la que debe apuntar el cardán durante el pase debe calcularse previamente. [13] La lista de direcciones a las que debe apuntar el cardán se calculó en función del vector de estado del GPS de la ISS y del cuaternión de actitud . [13] La necesidad de que esta lista fuera precisa era muy importante debido al error en las predicciones de orientación de la ISS y porque el cardán carecía de codificadores, por lo que todo movimiento del cardán tenía que hacerse mediante estimación . [13] Una vez que el sistema de vuelo detecta la baliza del sistema terrestre, la rastrea con el cardán. [13]
La FRAM es la interfaz entre OPALS y la ISS. [10] No fue diseñada por el equipo de OPALS, sino que era una parte existente diseñada por el equipo de la ISS en el Centro Espacial Johnson. [14]
El sistema de tierra es el que recibe la señal de los enlaces descendentes láser del sistema de vuelo. [7] Con mayor frecuencia, se utilizó el Laboratorio del Telescopio de Comunicaciones Ópticas (OCTL) en Wrightwood, California, como estación terrestre, pero también se utilizaron otras estaciones internacionales. El observatorio tiene un espejo de 1 metro a través del cual se realizan todos los enlaces descendentes láser. [13] El telescopio tiene la capacidad de rastrear objetos que están en la órbita terrestre baja. [13] La función del sistema de tierra es indicar al sistema de vuelo dónde apuntar el láser y luego recibir esa señal. Indica dónde debe apuntar el láser iluminando la ISS con un láser de 976 nanómetros. [7] La señal se recibe a través de un filtro espectral de 1550 nanómetros de paso de banda de 3 nanómetros frente a una cámara de adquisición de arseniuro de galio e indio y un detector de fotodiodo de avalancha , que evita que el receptor se vea abrumado por la luz solar retrodispersada por la atmósfera de la Tierra durante los días. [13]
OPALS intentó 26 enlaces descendentes, de los cuales 18 tuvieron éxito. La mitad de los éxitos se intentaron durante la noche y la otra mitad durante el día. [13] A pesar de que muchos enlaces descendentes se consideraron un fracaso, algunos de ellos lograron enviar el paquete de datos completo, ya que los datos del enlace descendente consistían en el mismo paquete de datos repetido muchas veces.
En general, los enlaces descendentes funcionaban mejor durante el día que durante la noche. Los enlaces descendentes también sufrieron en caso de tiempo nublado, aunque en algunas ocasiones fue posible recuperar la señal. Se encontraron algunas dificultades con los enlaces descendentes a estaciones terrestres de alta latitud, como el DLR.