محاكاة لنقل البيانات وترحليها من محطة الفضاء الدولية إلي محطة ارضية عبر LCRD .

.

العرض التوضيحي لاتصالات الليزر The Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) سيعرض القدرات الفريدة للاتصالات الضوئية Optical Communications . حاليًا ، تستخدم معظم بعثات ناسا اتصالات التردد اللاسلكي Radio Frequency Communications أو ما يسمي اتصالات الراديو لإرسال البيانات من وإلى المركبات الفضائية. تم استخدام موجات الراديو في الاتصالات الفضائية منذ بداية استكشاف الفضاء ولها سجل حافل بالنجاح. ومع ذلك ، نظرًا لأن البعثات الفضائية تولد وتجمع المزيد من البيانات ، فإن الحاجة إلى قدرات اتصالات معززة تصبح ذات أهمية قصوى.

 

الاتصالات البصرية Optical Communications هي واحدة من هذه التحسينات وستوفر فوائد كبيرة للمهام Missions ، بما في ذلك زيادة عرض النطاق الترددي Bandwidth من 10 إلى 100 مرة أكثر من أنظمة التردد اللاسلكي. بالإضافة إلى ذلك ، توفر الاتصالات الضوئية متطلبات أقل من حيث الحجم والوزن والطاقة. الحجم الأصغر يعني مساحة أكبر للأدوات العلمية Science Instruments . الوزن الأقل يعني إطلاقًا أقل تكلفة. تعني الطاقة الأقل استنزافًا أقل لبطاريات المركبة الفضائية. مع الاتصالات الضوئية المكملة للراديو ، سيكون للبعثات قدرات اتصالات لا مثيل لها.

 

سيتم استضافة حمولة العرض التوضيحي لاتصالات الليزر LCRD على متن القمر الصناعي لبرنامج اختبار الفضاء Space Test Program Satellite 6 والمعروف اختصار بـ STPSat-6 التابع لوزارة الدفاع الأمريكية. بمجرد الوصول إلى المدار ، سيبدأ المهندسون الموجودون في مركز عمليات Mission Operations Center مهمة العرض التوضيحي لاتصالات الليزر LCRD في لاس كروسيس Las Cruces ، نيو مكسيكو New Mexico ، عملية التنشيط Activation Process عن طريق تشغيل الحمولة Payload وتجهيزها لبدء نقل البيانات عبر ليزر الأشعة تحت الحمراء Infrared Lasers . إلي حين إطلاق أول مستخدم لخدماته في نقل البيانات ، سوف يمارس LCRD إرسال بيانات الاختبار Test Data من وإلى محطاته الأرضية Ground Stations . سيتم إرسال بيانات الاختبار هذه من خلال إشارات التردد اللاسلكي من مركز عمليات البعثة ، ثم ستقوم المركبة الفضائية LCRD بالرد باستخدام الإشارات الضوئية. ستشمل بيانات الاختبار هذه البيانات الصحية للمركبة الفضائية Spacecraft Health Data ؛ بيانات التتبع والقياس عن بعد والأوامر Tracking, Telemetry, and Command Data ؛ وعينة من بيانات مستخدم User Data للتأكد من أن LCRD يعمل بشكل صحيح.

 

سترسل البعثات المتواجدة في الفضاء بياناتها إلى LCRD ، والتي ستنقل أو ترحل بدورها البيانات بعد ذلك إلى محطات أرضية محددة على الأرض. تعمل وكالة ناسا على الاستفادة من أقمار ترحيل الاتصالات Communications Relay Satellites منذ عام 1983 عندما تم إطلاق أول قمر صناعي للتتبع وترحيل البيانات Tracking and Data Relay Satellite . مع المرحلات Relays ، لا يُطلب من المهمات أن يكون لها خط رؤية Line-of-Sight مباشر مع الهوائيات Antennas المتواجدة على الأرض ، مما يزيد من تغطية الاتصالات. ينشئ LCRD مسارًا مستمرًا للبيانات المتدفقة من المهمات والبعثات المتواجدة في الفضاء ونقلها إلى المحطات الأرضية على الأرض ، مما يساهم في توفير نظامًا كاملاً من طرف إلى طرف End-to-End System . بالإضافة إلى ذلك ، فإن قدرة LCRD على إرسال واستقبال البيانات من المهمات والمحطات الأرضية تجعل النظام ثنائي الاتجاه Two-Way System . تجعل هذه الإمكانات معًا تجعل من LCRD التابع لناسا ليكون أول مرحل ضوئي ثنائي الاتجاه يعمل من طرف إلى طرف Two-Way, End-to-End Optical Relay .

 

على عكس اتصالات التردد اللاسلكي ، لا يمكن للإشارات الضوئية اختراق التغطية السحابية Cloud Coverage ، لذلك يجب على ناسا بناء نظام مرن بدرجة كافية لتجنب الانقطاعات بسبب الطقس. سينقل LCRD البيانات الواردة من البعثات إلى محطتين أرضيتين ، تقعان في جبل تيبل Table Mountain ، كاليفورنيا California ، وفي هاليكالا Haleakalā ، هاواي Hawaii . تم اختيار هذه المواقع بسبب توفر الحد الأدنى من التغطية السحابية فوقهما. سيختبر LCRD سيناريوهات مختلفة للتغطية السحابية ، ويجمع معلومات قيمة حول مرونة الاتصالات الضوئية.

 

العرض التوضيحي لاتصالات الليزر LCRD هو عرض تقني سيمهد الطريق لمهام الاتصالات الضوئية المستقبلية. يمكن للبعثات المستقبلية التي تقرر استخدام الاتصالات الضوئية أن تستخدم LCRD كمرحل Relay لها. سيكون أحد المستخدمين التشغيليين الأوائل لـ LCRD هو مودم مستخدم في المدار الأرضي المنخفض ومدمج بالعرض التوضيحي ومحطة مكبر للصوت ومحطة مكبر إشارة Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T) ، وهي حمولة سيتم استضافتها على محطة الفضاء الدولية. ستتلقى المحطة بيانات علمية عالية الدقة من التجارب والأدوات الموجودة على متن المحطة الفضائية ثم تنقل هذه البيانات إلى LCRD ، والتي ستنقلها بعد ذلك إلى محطة أرضية. بعد وصول البيانات إلى الأرض ، سيتم تسليمها إلى مراكز عمليات البعثات Mission Operation Centers وعلماء البعثات Mission Scientists .

.

مراحل Milestones

 

• في يوم 22 يناير/كانون الثاني 2020 م، تم تسليم حمولة الطيران Flight Payload الخاصةبـ LCRD إلى منشأة نورثروب جرومان Northrop Grumman في ستيرلينج Sterling بولاية فيرجينيا Virginia ، من أجل دمجها في القمر الصناعي لبرنامج اختبار الفضاء 6 التابع لوزارة الدفاع الأمريكية (STPSat-6).

 

• في يوم 7 يوليو/تموز 2020 م، تم دمج حمولة LCRD بالكامل مع STPSat-6 التابع لوزارة الدفاع الأمريكية ودخلت المركبة الفضائية بأكملها في المرحلة النهائية للاختبار البيئي Environmental Testing .

.

حقائق سريعة Fast facts

 

• من المتوقع إطلاق LCRD في ديسمبر 2021 من محطة كيب كانافيرال الجوية Cape Canaveral Air Force Station في فلوريدا Florida كحمولة مستضافة Hosted Payload على متن المركبة الفضائية STPSat-6 والتي ستطلق على متن صاروخ أطلس Atlas V التابع لشركة United Launch Alliance .

 

• عند قيام LCRD بترحيل البيانات لـ ILLUMA-T المتواجد علي متن محطة الفضاء الدولية، سيكون هذا أول نظام اتصالات ضوئية تشغيلي Operational Optical Communications System لرحلات الفضاء البشرية. سوف ترسل ILLUMA-T البيانات إلى LCRD بمعدلات 1.2 جيجابت في الثانية عبر الوصلات الضوئية Optical Links ، مما يسمح بنقل المزيد من بيانات التجربة عالية الدقة والوضوح High-Resolution إلى الأرض.

 

• سيكون LCRD قادرًا على نقل البيانات عبر الإشارات الضوئية بمعدل 1.2 جيجابت في الثانية. هذا ما يقرب من ضعف معدلات العرض القمري التوضيحي للاتصالات بالليزر Lunar Laser Communications Demonstration لعام 2013 م، والذي قام بربط البيانات Downlinked Data من القمر عبر إشارة ضوئية Optical Signal تبلغ 622 ميجا بت في الثانية.

 

• على الرغم من أن أنظمة الاتصالات الضوئية Optical Communications Systems تقلل من الحجم والوزن ومتطلبات الطاقة ، فإن حمولة LCRD بأكملها هي في الواقع بحجم مرتبة سرير ذات حجم كينغ قياسي!

.

الشركاء Partners

 

• مديرية مهمة تكنولوجيا الفضاء Space Technology Mission Directorate .

 

• مديرية مهمة الاستكشاف والعمليات البشرية Human Exploration and Operations Mission Directorate .

 

• مكتب برنامج البعثات الإيضاحية للتكنولوجيا Technology Demonstration Missions program office ، موجه من مركز مارشال لرحلات الفضاء Marshall Space Flight Center .

 

• برنامج الاتصالات والملاحة الفضائية Space Communications and Navigation (SCaN) program ، موجه من مقر ناسا NASA Headquarters .

.

تم تطوير LCRD من قبل مركز جودارد لرحلات الفضاء Goddard Space Flight Center التابع لناسا ، وتم إطلاقه على متن مركبة فضائية تابعة لقوة الفضاء Space Force التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية U.S. Department of Defense . خلال عملية التطوير Development Process ، عمل فريق LCRD التابع لناسا عن كثب مع قوة الفضاء بالإضافة إلى شركاء تجاريين مثل نورثروب جرومان Northrop Grumman ومختبر لينكولن Lincoln Laboratory التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Massachusetts Institute of Technology (MIT)، وهو مركز أبحاث وتطوير ممول فيدراليًا Federally Funded Research and Development Center . قامت شركة نورثروب جرومان بتكامل Integration واختبار الحمولة والمركبة الفضائية ، بينما قدم مختبر لنكولن MIT Lincoln Laboratory تصميمات الأدوات Instruments الخاصة بـ LCRD والتحقق من جميع المكونات التي طورتها ناسا.

.

المصادر

 

1- Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) – NASA

*

.

• مفتاح إيقاف Kill Switch القمر الصناعي

• محرك الدفع الأيوني Ion Thruster الأوروبي بالترددات الراديوية

.