Bezprzewodowe rozwiązanie do przesyłania danych w satelitach
Jednym z wyzwań w projektowaniu satelitów są znajdujące się wewnątrz nich ciężkie i skomplikowane wiązki przewodów. W typowym satelicie te ręcznie montowane kable i osłony stanowią nawet 15% całkowitej masy suchej, przy czym linie do przesyłu danych stanowią połowę tego ciężaru. Ponieważ wiązki przewodów trudno ujednolicić, wprowadzanie zmian na późnym etapie projektowania jest wyjątkowo kosztowne i pracochłonne. W kompaktowych platformach, takich jak CubeSaty i mikrosatelity, okablowanie istotnie ogranicza przestrzeń wewnątrz, komplikuje montaż i testowanie oraz uniemożliwia swobodne rozmieszczanie komponentów. Łączność radiowa pozwoliłaby wyeliminować fizyczne przewody, ale wiązałaby się z ryzykiem zakłóceń elektromagnetycznych. Z kolei standardowe czujniki optyczne wykorzystujące fotodiody nie radzą sobie z rozróżnianiem sygnałów docierających jednocześnie z wielu nadajników. Zespół finansowanego przez UE projektu OCC4SAT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przyczynił się do częściowego zastąpienia tradycyjnych przewodów, wdrażając technologię komunikacji optycznej z wykorzystaniem kamery(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (OCC) jako lekkiej, bezprzewodowej alternatywy do wewnętrznego przesyłu danych. Zamiast polegać wyłącznie na fizycznych kablach lub falach radiowych, technologia OCC wykorzystuje łącza optyczne krótkiego zasięgu zasilane przez małe nadajniki LED i odbiorniki oparte na kamerach. „Ponieważ czujniki kamer w naturalny sposób rejestrują układ przestrzenny i spektrum kolorów, pojedyncza kamera może służyć jako centralny optyczny punkt dostępu, odbierając dane z wielu nadajników LED bez konieczności stosowania oddzielnego kabla dla każdego łącza komunikacyjnego”, wyjaśnia koordynator projektu Jose Rabadán-Borges. „Kamera rozdziela wiele równoczesnych strumieni danych według położenia i długości fali, wykorzystując schematy wielokrotnego dostępu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oparte na podziale przestrzennym i długości fali, co pozwala na komunikację optyczną o wysokiej gęstości bez zakłóceń elektromagnetycznych”.
Narzędzia cyfrowe i prototypy fizyczne do komunikacji optycznej
Aby zweryfikować tę koncepcję, badacze z projektu OCC4SAT opracowali zintegrowany łańcuch technologiczny oparty na wynikach dwóch demonstracji. Pierwszym elementem jest symulator cyfrowy, który modeluje propagację światła, śledzenie promieni, odbicia powierzchniowe, szum kamery oraz generowanie obrazów syntetycznych. Pozwala to inżynierom na testowanie rozmieszczenia łączy oraz ocenę zarówno ścieżek optycznych w linii wzroku, jak i odbitych, jeszcze przed zbudowaniem sprzętu. To narzędzie cyfrowe przyspiesza projektowanie satelitów i ogranicza liczbę prób i błędów. Drugim elementem jest fizyczny prototyp demonstracyjny łączący sprzęt nadawczy i odbiorczy OCC. Po stronie nadajnika zastosowano emitery LED, układy elektroniczne i mikrokontroler sterujący transmisją z wykorzystaniem modulacji kluczowania włącz-wyłącz (on-off keying) oraz modulacji amplitudy impulsów. Odbiornik wykorzystuje kompaktowe kamery dostępne na rynku, systemy pozyskiwania obrazu oraz algorytmy demodulacji opracowane w ramach projektu. Badacze przetestowali tryb migawki globalnej w przypadku wielu łączy optycznych o niskiej szybkości transmisji danych oraz tryb migawki kroczącej przy wyższych szybkościach transmisji, w którym obraz rejestrowany jest wiersz po wierszu. Następnie zweryfikowali te technologie w realistycznych makietach satelitów typu CubeSat 12U i mikrosatelitów, wyposażonych w odblaskowe ścianki i wewnętrzne przeszkody. „Testy potwierdziły, że światło odbijające się od powierzchni wewnętrznych pozwala utrzymać niezawodną komunikację poza linią wzroku, gdy bezpośrednia linia wzroku jest blokowana”, stwierdza Rabadán-Borges. „Ponadto, ponieważ czujniki kamer są z natury bardzo czułe, diody LED nadajnika mogą pracować przy zmniejszonej mocy, nie uniemożliwiając odbiornikowi wykrywania słabych sygnałów pochodzących z diod LED o małej mocy lub niewielkich rozmiarach. To pozwala zmniejszyć ogólne zużycie energii w satelitach o ograniczonej mocy”.
Od testów satelitarnych do innych zastosowań przemysłowych
Po pomyślnym zrealizowaniu wszystkich głównych celów i osiągnięciu piątego poziomu gotowości technologicznej (TRL 5) badacze z projektu OCC4SAT opracowali ramy obejmujące wymagania systemowe, specyfikacje, projekty nadajników i odbiorników, prototypy, makiety, metody walidacji oraz cyfrową platformę symulacyjną. Chociaż wdrożenie operacyjne wymaga podjęcia dalszych kroków, obejmujących opracowanie modeli inżynieryjnych, wstępną kwalifikację środowiskową i demonstrację na orbicie, sama technologia zapowiada się obiecująco. „Poza systemami kosmicznymi to bezprzewodowe rozwiązanie optyczne oferuje wyraźne korzyści dla bezzałogowych statków powietrznych, robotyki, zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy, platform obronnych oraz środowisk przemysłowych, w których kluczowe znaczenie ma lekka i odporna na zakłócenia elektromagnetyczne komunikacja”, podsumowuje Rabadán-Borges.
