Lancement cet été, la NASA Démonstration de relais de communication laser (LCRD) présentera les pouvoirs dynamiques des technologies de communication laser. Avec la présence humaine et robotique toujours croissante de la NASA dans l’espace, les missions peuvent bénéficier d’une nouvelle façon de «parler» avec la Terre.
Illustration du programme de test spatial Satellite-6 (STPSat-6) du département américain de la Défense avec la charge utile de démonstration du relais de communication laser (LCRD) communiquant des données via des liaisons infrarouges. Crédit: NASA
Depuis le début des vols spatiaux dans les années 1950, les missions de la NASA ont exploité les fréquences radio les communications pour envoyer des données depuis et vers l’espace. Communications laser, également connues sous le nom de communications optiques, permettront aux missions de disposer de capacités de données sans précédent.
Pourquoi les lasers?
À mesure que les instruments scientifiques évoluent pour capturer des données haute définition comme la vidéo 4K, les missions auront besoin de moyens accélérés pour transmettre des informations à la Terre. Avec les communications laser, la NASA peut accélérer considérablement le processus de transfert de données et permettre davantage de découvertes.
Les communications laser permettront de transmettre de 10 à 100 fois plus de données à la Terre que les systèmes de radiofréquence actuels. Il faudrait environ neuf semaines pour transmettre une carte complète de Mars à la Terre avec les systèmes de radiofréquence actuels. Avec les lasers, cela prendrait environ neuf jours.
Représentation graphique de la différence de débit de données entre les communications radio et laser. Crédits: NASA
De plus, les systèmes de communication laser sont idéaux pour les missions car ils nécessitent moins de volume, de poids et de puissance. Moins de masse signifie plus de place pour les instruments scientifiques, et moins de puissance signifie moins d’épuisement des systèmes d’alimentation des engins spatiaux. Ce sont toutes des considérations extrêmement importantes pour la NASA lors de la conception et du développement des concepts de mission.
«Le LCRD démontrera tous les avantages de l’utilisation de systèmes laser et nous permettra d’apprendre comment les utiliser au mieux sur le plan opérationnel», a déclaré le chercheur principal David Israel au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. «Avec cette capacité encore plus prouvée, nous pouvons commencer à implémenter des communications laser sur plus de missions, ce qui en fait un moyen standardisé d’envoyer et de recevoir des données.»
Comment ça fonctionne
Les ondes radio et la lumière infrarouge sont des rayonnements électromagnétiques avec des longueurs d’onde à différents points du spectre électromagnétique. Comme les ondes radio, la lumière infrarouge est invisible à l’œil humain, mais nous la rencontrons tous les jours avec des choses comme les télécommandes de télévision et les lampes chauffantes.
Les missions modulent leurs données sur les signaux électromagnétiques pour parcourir les distances entre les engins spatiaux et les stations au sol sur Terre. Au fur et à mesure que la communication se propage, les vagues se propagent.
La lumière infrarouge utilisée pour les communications laser diffère des ondes radio parce que la lumière infrarouge emballe les données dans des ondes beaucoup plus serrées, ce qui signifie que les stations au sol peuvent recevoir plus de données à la fois. Bien que les communications laser ne soient pas nécessairement plus rapides, davantage de données peuvent être transmises en une seule liaison descendante.
Les terminaux de communication laser dans l’espace utilisent des largeurs de faisceau plus étroites que les systèmes de radiofréquence, fournissant des «empreintes» plus petites qui peuvent minimiser les interférences ou améliorer la sécurité en réduisant considérablement la zone géographique où quelqu’un pourrait intercepter une liaison de communication. Cependant, un télescope de communications laser pointant vers une station au sol doit être exact lorsqu’il émet à des milliers ou des millions de kilomètres de distance. Un écart ne serait-ce qu’une fraction de degré peut faire en sorte que le laser manque complètement sa cible. Comme un quart-arrière lançant un ballon de football à un receveur, le quart-arrière a besoin de savoir où envoyer le ballon, c’est-à-dire le signal, afin que le receveur puisse attraper le ballon dans la foulée. Les ingénieurs en communication laser de la NASA ont des missions laser minutieusement conçues pour garantir que cette connexion puisse avoir lieu.
Démonstration de relais de communication laser
Situé en orbite géosynchrone, à environ 22 000 miles au-dessus de la Terre, le LCRD sera en mesure de soutenir des missions dans la région proche de la Terre. Le LCRD passera ses deux premières années à tester les capacités de communication laser avec de nombreuses expériences pour affiner davantage les technologies laser, augmentant ainsi nos connaissances sur les applications futures potentielles.
La phase d’expérimentation initiale du LCRD s’appuiera sur les stations au sol de la mission Californie et Hawaii, Optical Ground Station 1 et 2, en tant qu’utilisateurs simulés. Cela permettra à la NASA d’évaluer les perturbations atmosphériques sur les lasers et de pratiquer le changement de support d’un utilisateur à l’autre. Après la phase d’expérimentation, le LCRD passera à des missions spatiales de soutien, envoyant et recevant des données vers et depuis des satellites via des lasers infrarouges pour démontrer les avantages d’un système de relais de communications laser.
Le premier utilisateur dans l’espace de LCRD sera la NASA jeModem utilisateur et borne d’amplification LCRD en orbite terrestre basse intégrés (ILLUMA-T), qui devrait être lancé sur la Station spatiale internationale en 2022. Le terminal recevra des données scientifiques de haute qualité provenant d’expériences et d’instruments à bord de la station spatiale, puis transférera ces données au LCRD à 1,2 gigabits par seconde. Le LCRD le transmettra alors aux stations au sol au même débit.
LCRD et ILLUMA-T suivent la révolutionnaire 2013 Démonstration des communications laser lunaires, qui a transmis des données sur un signal laser à 622 mégabits par seconde, prouvant les capacités des systèmes laser sur la Lune. La NASA a de nombreuses autres missions de communication laser actuellement à différents stades de développement. Chacune de ces missions augmentera nos connaissances sur les avantages et les défis des communications laser et uniformisera davantage la technologie.
LCRD est une charge utile de la NASA à bord du programme de test spatial du ministère de la Défense Satellite-6 (STPSat-6). STPSat-6, qui fait partie de la troisième mission du programme de test spatial (STP-3), sera lancé sur une fusée United Launch Alliance Atlas V 551 depuis la station Space Force de Cap Canaveral en Floride. STP est exploité par le Space and Missile Systems Center de l’US Space Force.
Le LCRD est dirigé par Goddard et en partenariat avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et le MIT Lincoln Laboratory. Le LCRD est financé par le programme de missions de démonstration technologique de la NASA, qui fait partie de la direction des missions de technologie spatiale, et le programme de communications et de navigation spatiales (SCaN), au sein de la direction des missions d’exploration et d’opérations humaines.
La source: NASA
