Low-power modulator for reflective optical communication for pico- and nano-satellites

Abstract

Pico- und Nano-Satelliten bieten eine schnell verfügbare Plattform um kosteneffizient niedrige Erdumlaufbahnen zu erschließen. Der Vorteil ihrer geringen Größe und Gewichts schränkt aber gleichzeitig die Leistungsfähigkeit im Bezug auf die zur Verfügung stehende Energie ein. In Kombination mit den zusätzlichen Volumens- und Gewichtsbeschränkungen reduziert sich das übertragbare Datenvolumen auf einige wenige Megabyte pro Tag. Anwendungen wie die (visuelle) Erdbeobachtung oder die Vermessung der Thermosphäre, werden durch die klassischen funk-basierten Übertragungsmodule auf Grund ihrer limitierten Übertragungskapazität eingeschränkt. Optische Freiraumkommunikation im Besonderen auf reflektiver Basis bietet hier eine vielversprechende Alternative. Dadurch kann der Energiebedarf am Satelliten auf ein Minimum reduziert werden. Ausrichtung und Nachführung eines Laserstrahls auf den Satelliten, sowie die energie-intensive Detektion und Aufbereitung des reflektierten Laserstrahls, werden durch die Bodenstation übernommen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Machbarkeit eines solchen Kommunikationssystems speziell im Hinblick auf den Einsatz in Pico- und Nanosatelliten. Das dargelegte Link Budget für einen LEO Satelliten zeigt, dass ein solches System mit leistbaren Bodenstationen mit Teleskopdurchmessern im 0.3m Bereich möglich ist. Als Modulator für den modulierbaren Retro-Reflektor wird beispielhaft ein LCD verwendet. Durch die ähnlichen optischen Eigenschaften zu neuesten Modulatortechnologien, sind verallgemeinernde Aussagen über das Kommunikationssystem und dessen Leistungsfähigkeit möglich. Das LCD wird auf Eignung als Modulator für reflektive optische Kommunikation ebenso untersucht, wie dessen Weltraumtauglichkeit. Mittels einer speziellen Modulationsart erreicht das System eine Datenrate von 2.5 kbps bei einem Leistungsbedarf von lediglich 40mW und einer Distanz von 70 m. Dabei wurde eine Laserleistung unter 5mW benützt und eine BER von 10 (-3) erzielt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass ein reflektives optisches Kommunikationssystem auf Basis eines modulierbaren LCD-Retro-Reflektors eine ernstzunehmende Alternative für Pico- und Nanosatelliten ist. Zusätzlich wird ein leichteres Tracking der Satelliten ermöglicht. Durch einen Austausch des LCD mit einem schnelleren Modulator, kann die erreichbare Datenrate, unter Beibehaltung des sonstigen Systems, um 2 - 3 Größenordnungen gesteigert werden.

Pico- and nano-satellites (PNS) are promising options for cost-effective and rapid deployable satellite systems. Due to their small size, the available power and therefore the transmittable data volume is limited. Optical communication by means of reflected laser light has the potential to solve this issue. This thesis proposes the use of a modulating retro-reflector (MRR) for energy efficient optical communication with PNS. No laser source or beam steering assembly is necessary at the satellite, thus allowing a weight and energy efficient communication interface. Existing ground stations (GS) used for satellite laser ranging (SLR) provide all equipment required for this system, thereby enabling dual usage of such stations. This thesis investigates feasibility by providing a link budget for communication and tracking of LEO PNS. It is shown that an affordable GS based on small telescopes with diameters in the range of 0.3m in combination with commercial mounts enables the targeted application. A detailed analysis of LCD-MRR is presented, which enables cost-efficient modulators for reflective optical communication. However, space readiness of LCD has not been demonstrated yet. In order to verify the application of LCD, vacuum and temperature tests are performed. A data-rate of 2.5 kbps at an input power of only 40mW is shown in an outdoor communication link. Using a high performance sampling circuit and a laser power below 5mW, a bit error ratio (BER) of below 10 (-3) is achieved. These results successfully demonstrate reflective optical communication as an alternative to current RF based systems. As secondary benefit the retro-reflector allows precise tracking of the satellite during and after its lifetime. Future work is targeted towards replacing the LCD modulator with faster MRRs and utilizing more powerful lasers, carrying the potential to increase the data-rate by 2 to 3 orders of magnitudes.