Laserkommunikation i rummet

Laserkommunikation i rummet Steen Eiler Jørgensen, stud.scient, Dansk Selskab for Rumfartsforskning Flemming Hansen, Teknologichef, civ.ing., lic.techn. Dansk Rumforskningsinstitut FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 1

ESA s SILEX Eksperiment Forhistorie 1977 ESA udbyder for første gang et studie om højhastigheds laserkommunikation i rummet på grundlag af CO 2 lasere (10.5 µm bølgelængde) 1980 Studium af halvlederlasere til optiske intersatellit forbindelser 1985 SILEX programmet indledes 1993 Bygningen af ESA's Optical Ground Station (OGS), placeret på Observatorio del Teide, Tenerife, 2393 m over havet påbegyndes 1998 24. marts: SPOT-4 (CNES jordobservationssatellit) opsendes i lav bane med en optisk terminal om bord 2001 12. juli: Artemis (Advanced Data Relay and Technology Mission satellite) opsendes i en forkert bane på grund af svigt i Ariane 5 s øverste trin (592 x 17528 km i stedet for 858 x 35853 km) Få dage senere er Artemis bragt ind i en 31000 km cirkulær bane ved at bruge det meste af satellittens kemiske drivstof 2003 19. Februar: Ved hjælp af Artemis innovative ion-motor har satellitten i løbet af 18 måneder nået den endelige position i geostationær bane over ækvator (15 mn drivkraft, banehøjden øges med 15 km pr dag) FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 2

ESA s SILEX Eksperiment Idéen med eksperimentet er at sende data fra lavtgående satellitter via laser til en geostationær satellit hvorfra det videresendes til Jorden. Den lavtgående satellit kan derfor sende data i ca. halvdelen af sit omløb, 45 50 min., mod højst 12 15 min., hvis den sender direkte til jorden FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 3

ESA s SILEX Eksperiment Den optiske SILEX terminal er med sine 157 kg og et strømforbrug på 150 W, SILEX næppe et attraktivt alternativ til en radioenhed på højst 1/10 af massen og 1/4 af strømforbruget Man skal dog have for øje at SILEX terminaler blev konstrueret på basis af sen-80 ernes teknologi. Diodelaserens udgangseffekt var beskedne 60mW ved 830 nm. Et 25 cm teleskop udgør terminalens antenne FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 4

ESA s SILEX Eksperiment SPOT-4 PASTEL Acquisition forløb Placering af den optiske PASTEL terminal på ryggen af SPOT-4 Komunikation mellem SPOT-4 og Artemis FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 5

ESA s SILEX Eksperiment Dækningsområder Dækningsområde med SPOT-4 uden SILEX fra jordstationer i Kiruna og Toulouse Dækningsområde med SPOT-4 via SILEX FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 6

ESA s SILEX Eksperiment Systemkonfiguration FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 7

Første billede transmitteret fra SPOT-4 til Artemis via SILEX Lanzarote, De Canariske Øer 30 november 2001, kl. 17:45 Transmissionshastighed: 50 Mbit/s La Santa Parque Nacional de Timanfaya Arrecife Puerto del Carmen Playa Blanca Aeropuerto Lanzarote FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 8

Første billede fra ENVISAT via SILEX Arkhangelsk, Rusland 13 marts 2003 Transmissionshastighed: 50 Mbit/s FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 9

Lasereksperiment med SMART-1 SMART-1 vil beytte sit AMIE kamera som modtager. Formålet med eksperimentet er at studere udbredelsesforhold gennem atmosfæren ved forskellige elevationsvinkler Uplinket vil benytte en Ti:Safir laser, hvis bølgelængde kan indstilles mellem 750 nm and 900 nm. Til SMART-1 eksperimentet benyttes 847 nm bølgelængde og udgangseffekt: 6 W. ESA's Optical Ground Station (OGS) er placeret på Observatorio del Teide, Tenerife, 2393 m over havet FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 10

Tysklands ambitioner Tysklands TerraSAR satellit vil anvende laserkommunikation til downlink ved 5.5 Gbit/s Det tyske rumagentur DLR vil investere 29 MEUR for perioden 2003-05 i laserkommunikation i rummet "Satellite laser-link technology is considered to have potentially large future applications, especially for military users, as radio spectrum becomes more crowded. Passing information between satellites is viewed as especially promising as laser links with the ground are susceptible to degradation as they pass through the atmosphere. Wittig said that while there are no immediate commercial applications for the technology, it is the role of a government agency like DLR to invest in areas considered too risky for private capital". FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 11

Pentagon s ambitioner Pentagon officials believe that using lasers for satellite communication will greatly speed communication among far-flung forces compared to the current systems that rely on radio frequencies, and give those forces access to nearly unlimited bandwidth. Commanders are particularly eager for more bandwidth so they can transmit data from unmanned aerial vehicles, which have been used extensively by US forces in Afghanistan. FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 12

Firmaer engageret i laserkommunikation i rummet Oerlikon Contraves Space (CH) (Førende europæiske frma) Ball Aerospace (US) COMDEV (CA) NEC (JP) Astrium (FR) Marked GEO-GEO intersatellite links (ISL) (73000 km) LEO to LEO ISL (4500 km) MEO-MEO ISL LEO-GEO inter-orbit links FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 13

Andre anvendelser af laserkommunikation i rummet Intersatellit forbindelser 73030 km Banehøjde 35786 km FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 14

NASA s aktiviteter indenfor optisk kommunikation i rummet Separat præsentation... FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 15

Hvorfor skal vi i Danmark interessere os for optisk kommunikation i rummet??? Danmark har en stærk position både forskningsmæssigt (DTU COM centret) og industrielt inden for optisk kommunikation Desværre er Danmark kun med i ESA s ARTES-1 telekommunikationsprogram (strategidelen) med 0.8 mio. DKK Hvorfor støtter regeringen ikke helhjertet disse muligheder??? Ud over de almindelige forskningsrådsmidler findes der ikke offentlige midler til forskning i indenfor dette område, så længe vi ikke har et nationalt satellitprogram med et tilhørende teknologiudviklingsprogram. Tyskland, USA og andre lande satser betydelige midler på udvikling af laserkommunikation i rummet, Danmark gør ingenting FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 16

Steen Eiler Jørgensen... FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 17

Linkbudgetligningen RF Indeholder tre referencer til frekvensen: Fordobling af frekvensen E b /N 0 stiger 6 db. Eksempel: fra 32 GHz (~1 cm) til gult lys: (32 GHz) 2 14 = 542 THz (572 nm) 14 fordoblinger 6 db = 84 db FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 18

Linkbudgetligningen RF bitfejlrate E b /N 0 hænger sammen med bitfejlraten: FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 19

Optisk kommunikation Antennegain Højere rumlig koncentration af den udstrålede energi FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 20

Optisk kommunikation Detektion Kvanteeffektiviteten η er forholdet mellem antallet af genererede elektroner og antallet af indfaldende fotoner. Herefter defineres responsiviteten R, som FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 21

Optisk kommunikation Detektion Tre grundlæggende detektortyper: fotomultiplikatorrøret p-i-n-fotodioden avalanche-fotodetektoren (APD) 0,4 < λ Si < 1,1 µm 0,8 < λ Ge < 1,8 µm Efter detektion skal signalet forstærkes i en transkonduktansforstærker (også kaldet transimpedansforstærker): R L Parasitisk kapacitans 50 ff < C < 1 pf FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 22

Optisk kommunikation Støj Støj fra flere kilder: himmelbaggrunden kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling blåfarvning af himlen pga. Solens (og Månens og stjernernes) lys zodiakallys Solen, Månen, planeterne og stjernerne detektoren belastningsmodstanden over forstærkeren selve forstærkeren avalanchestøj FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 23

Optisk kommunikation Støj Eksempel fra ESA Optical Ground Station Optisk blokdiagram af ESA OGS FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 24

Optisk kommunikation Støj Støj i detektoren: (shot noise): Termisk støj i belastningsmodstanden: Støj i forstærkeren: Samlet støj i modstand og forstærker: FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 25

Optisk kommunikation Støj Avalanche-støj Avalanche Gain Factor: M Excess Noise Factor: x Dvs. signalet forstærkes en faktor M, mens støjen forstærkes en faktor M x. 0,3 < x < 0,5 for Si-APDer, mens 0,7 < x < 1,0 for Ge-APDer. Totale shot noise for APDen: FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 26

Optisk kommunikation Støj Signal-støj-forhold for avalanche-fotodioden Dette fører til en optimal værdi for M: FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 27

Optisk kommunikation linkbudgetligningen Den samlede linkbudgetligning for optisk kommunikation: Hvor Formlerne for antennegain......og strækningstabet......er uændrede i forhold til radioområdet. FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 28

Optisk kommunikation bitfejlrate Sammenhængen mellem signal-støj-forholdet og BER er nu givet ved da der nu er tale om direkte detektion. FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 29

Lasere Typer af lasere: gaslasere (HeNe, CO 2, Ar + ) er upraktiske i rummet halvlederlasere (AlGaAs, InGaAs, GaN, VCSELs) er interessante faststoflasere (Nd:YAG, Nd:YVO 4, Nd:YLF, Ti:Safir, rubin) er holdbare, og har højt output Tre pulsationsmetoder: Q-switching Cavity dumping Mode locking Frekvensdobling vha. KDP (KH 2 PO 4 ) Modulation Q-switching Typisk repetitionsrate 10 Hz 50 khz Typisk pulslængde 50 700 ns Cavity dumping 200 khz 200 MHz 10 15 ns Mode locking 200 500 MHz 30 200 ps FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 30

Modulation OOK On-Off Keying P max kan ikke overstige P CW Laserens effekt udnyttes kun i halvdelen af tiden PPM Pulse Position Modulation P peak er langt større end P CW Én puls repræsenterer mange informationsbits Eks. M = 8: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 eller 7 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 eller 111 dvs. 3 bits. K = log 2 M FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 31

Modulation PPM Varigheden af et dataslot skal helst være sammenlignelig med længden af en puls. Det tager altså (t d + M t slot ) sekunder at transmittere K = log 2 M bits: Q-switched < ca. 100 kbps Mode locked < ca. 300 Mbps FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 32

Protokoller CCSDS - Consultative Committee for Space Data Systems www.ccsds.org Deep spacekommunikation involverer meget lange round-triptider i forhold til kommunikation mellem satellitter i kredsløb om Jorden! FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 33

Optik Gauss-strålen Bessel-strålen FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 34

Optik Teleskoper anvendes som parabolantenner Beam waist og divergensvinkel er omvendt proportionale: Det gælder derfor om at udvide Gauss-beamet ( beam expansion ) FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 35

Opsummering Vejen til høje bitrater og stabile links: maksimere pulsbredden for at få en lav båndbredde ( lavere støj) t puls = 200 ps β= t puls -1 = 5 GHz R L = (2π 5 GHz 250 ff) -1 = 32 Ω Dvs. korte pulser medfører høj båndbredde, som medfører meget støj, som kræver høj sendeeffekt. maksimere energiudsendelsen fra laseren Læg mærke til, at det ikke forbedrer linkbudgettet at reducere bitraten! FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 36

Anvendelsesområder Intersatellitlinks Kan gøres med lav effekt, halvlederlasere og OOK Satellit-up/downlinks Problem: absorption i Jordens atmosfære - især IR Deep space links Kræver pulsede faststoflasere og PPM FH 2003-10-22 Laserkommunikation_i_Rummet.ppt Slide # 37