Una soluzione senza cavi per il trasferimento dei dati nei satelliti
La progettazione dei satelliti deve affrontare un collo di bottiglia all’interno del veicolo spaziale, ovvero i cablaggi pesanti e complessi. In un satellite tipico, questi cavi e schermature assemblati a mano rappresentano fino al 15 % della massa secca totale, e le linee dati ne costituiscono circa la metà. Poiché questi cablaggi sono difficili da standardizzare, apportare modifiche in una fase avanzata del processo di progettazione è notoriamente costoso e richiede un grande impiego di manodopera. In piattaforme compatte come i CubeSat e i microsatelliti, questo cablaggio limita fortemente lo spazio interno, complica l’assemblaggio e i test e vincola i componenti a posizioni rigide. I collegamenti radio potrebbero eliminare i cavi fisici, introducendo però interferenze elettromagnetiche, mentre i sensori ottici standard basati su fotodiodi faticano a distinguere simultaneamente i segnali provenienti da più trasmettitori. Il progetto OCC4SAT(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha contribuito a sostituire parzialmente i cavi tradizionali introducendo la Optical Camera Communication(si apre in una nuova finestra) (OCC) come alternativa leggera e wireless per il trasferimento interno dei dati. Anziché affidarsi esclusivamente a cavi fisici o onde radio, l’OCC usa collegamenti ottici a corto raggio alimentati da piccoli trasmettitori a LED e ricevitori basati su telecamere. «Poiché i sensori delle telecamere acquisiscono naturalmente la disposizione spaziale e gli spettri cromatici, una singola telecamera può fungere da punto di accesso ottico centrale, ricevendo dati da più trasmettitori a LED senza bisogno di un cavo separato per ogni collegamento di comunicazione», spiega il coordinatore del progetto, Jose Rabadán-Borges. «La telecamera separa più flussi di dati simultanei in base alla posizione e alla lunghezza d’onda usando schemi di accesso multiplo(si apre in una nuova finestra) a divisione spaziale e di lunghezza d’onda, consentendo una comunicazione ottica ad alta densità senza interferenze elettromagnetiche.»
Strumenti digitali e prototipi fisici per le comunicazioni ottiche
Per dimostrare questo concetto, OCC4SAT ha sviluppato una catena tecnologica integrata incentrata su due risultati dimostrativi. In primo luogo, un simulatore digitale modella la propagazione della luce, il ray tracing, i riflessi superficiali, il rumore della telecamera e la generazione di immagini sintetiche. Questo consente agli ingegneri di testare il posizionamento dei collegamenti e di valutare sia i percorsi ottici in linea di vista che quelli riflessi prima di realizzare l’hardware. In tal modo, lo strumento digitale accelera la progettazione dei satelliti e riduce i test basati su tentativi ed errori. In secondo luogo, un dimostratore fisico combina l’hardware del trasmettitore e del ricevitore OCC. Il lato trasmettitore usa emettitori ottici a LED, elettronica di pilotaggio e controllo basato su microcontrollore, usando la modulazione on-off e la modulazione di ampiezza d’impulso. Il ricevitore sfrutta telecamere commerciali compatte, sistemi di acquisizione delle immagini e algoritmi di demodulazione sviluppati nell’ambito del progetto. Il progetto ha testato le modalità global-shutter per collegamenti ottici multipli a bassa velocità e le modalità rolling-shutter per velocità di trasmissione dati più elevate, sfruttando l’acquisizione delle immagini riga per riga. Gli ingegneri hanno convalidato queste tecnologie all’interno di modelli realistici di CubeSat da 12U e microsatelliti, dotati di pareti riflettenti e ostacoli interni. «Le prove hanno confermato che la luce che rimbalza sulle superfici interne può garantire una comunicazione affidabile fuori linea di vista quando le linee di vista dirette sono ostruite», afferma Rabadán-Borges. «Inoltre, poiché i sensori delle telecamere sono naturalmente molto sensibili, i LED trasmettitori possono funzionare a potenza ridotta, senza impedire al ricevitore di rilevare segnali deboli provenienti da LED di bassa potenza o di piccole dimensioni, riducendo così il consumo energetico complessivo all’interno di satelliti con limitazioni di potenza.»
Dai test satellitari ad altri impieghi industriali
Dopo aver raggiunto con successo tutti i suoi obiettivi principali e aver conseguito il livello di maturità tecnologica 5, OCC4SAT ha offerto un quadro di riferimento dedicato ai requisiti di sistema, alle specifiche, ai progetti di trasmettitori e ricevitori, ai prototipi, ai modelli di prova, ai metodi di validazione e a una piattaforma di simulazione digitale. Sebbene l’attuazione operativa richieda ancora ulteriori passaggi, come lo sviluppo di modelli ingegneristici, la prequalificazione ambientale e l’esecuzione di dimostrazioni in orbita, la tecnologia si è dimostrata promettente. «Al di là dei sistemi spaziali, questo approccio ottico senza cavi offre chiari vantaggi per i velivoli senza pilota, la robotica, i sistemi avanzati di assistenza alla guida, le piattaforme di difesa e gli ambienti industriali in cui è fondamentale avere comunicazioni leggere e immuni alle interferenze elettromagnetiche», conclude Rabadán-Borges.
