Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) nutzt die Präzision der optischen Wellenlängenmessgeräte von Yokogawa, um eine exakte Abstimmung von Lasern zu gewährleisten, die in der Erde-Weltraum-Kommunikation verwendet werden.
Die ESA betreibt ein Netzwerk aus geostationären Satelliten, das als European Data Relay System (EDRS) bekannt ist. Diese Satelliten kommunizieren mit einer Konstellation europäischer Low Earth Orbit (LEO)-Satelliten, die als Sentinels bezeichnet werden und für Erdüberwachungsanwendungen eingesetzt werden.
EDRS-Satelliten verwenden Funkkommunikation, um Bilder und andere Daten von LEO-Satelliten auf Bodenserver hochzuladen.
Die Herausforderung besteht darin, dass die zunehmende Menge an Informationen, die von LEO- und geostationären Satelliten sowie Satellitenkonstellationen kommen, dazu führen wird, dass die verfügbare Bandbreite von Funkkommunikationsverbindungen bald zu gering sein wird, um den Bedarf an Datenübertragungen zu decken.
Laserbasierte optische Kommunikation ist die offensichtliche Antwort, eine Technik, die bereits verwendet wird, um Daten zwischen LEO-Satelliten und dem EDRS-Netzwerk zu übertragen. Optische Kommunikation ist eine bewährte Technologie auf der Erde und bildet das Rückgrat des Internets.
Die optische Kommunikation im offenen Weltraum zwischen der Erde und einem Satelliten erfordert jedoch eine spezielle Lasertechnologie.
Dies liegt daran, dass optische Signale, die zwischen der Erde und dem Weltraum übertragen werden, Störungen durch verschiedene Quellen, wie Wolken oder andere Wetterphänomene, unterliegen Darüber hinaus können optische Signale im Weltraum nicht durch das physikalische Medium, durch das sie übertragen werden, von externen optischen Störquellen abgeschirmt werden Reise, wie eine Glasfaser auf der Erde.
Optische Kommunikationssysteme müssen ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis erreichen, um die Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger aufrechtzuerhalten.
Im EDRS der ESA werden Signale mit einer hochpräzise spezifizierten Infrarotwellenlänge von 1064,625 nm (Nanometer) ±11 pm (Pikometer) übertragen, mit nahezu null Schwankungen in der Spitzenwellenlänge. Dadurch kann der Empfänger das gesendete Schmalbandsignal einrasten und Störsignale eliminieren. Mit dieser Technologie kann der EDRS-Satellit auch dann arbeiten, wenn die Sonne in seiner Sichtlinie steht.
Die ESA implementiert optische Erd-Satelliten-Kommunikationstechnologie an ihrer optischen Bodenstation (OGS) auf der spanischen Insel Teneriffa und am Aristarchos 2,2-m-Teleskop am Chelmos-Observatorium auf dem Peloponnes, Griechenland.
Die Aufrechterhaltung der genauen Wellenlänge des Senders ist ein kritischer Teil des Betriebs des Aristarchos-Systems, was durch eine Technik erreicht wird, bei der der Laser des Senders von einer 808-nm-Laserdiode gepumpt wird, um eine präzise Ausgabe von 1064,625 nm zu erzeugen. Diese Wellenlänge wird präzise gesteuert, indem die Betriebstemperatur des Sendelasers eingestellt wird.
Die Messung optischer Kommunikationssysteme erfolgt normalerweise mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA), einem hochgenauen und zuverlässigen Instrument, das neben anderen Kriterien die optische Wellenlänge analysiert.
OSAs wie der AQ6370D von Yokogawa erreichen eine Wellenlängenmessgenauigkeit von ±10 pm (Pikometer) bei einer Referenzwellenlänge von 1550 nm und ±100 pm bei 1064,625 nm. Das ist zwar eine hohe Präzision, reicht aber nicht aus, um die Anforderungen der Aristarchos-Installation zu erfüllen.
Zoran Sodnik ist Direktor für optische Kommunikationstechnologie in der ESA-Direktion für Telekommunikation und eingebettete Anwendungen. Er ist verantwortlich für das optische Kommunikationssystem, das mit dem Aristarchos-Teleskop installiert wird. Laut Sodnik „arbeitet EDRS mit Frequenzen, die in Vielfachen von Terahertz gemessen werden, und die Wellenlängen von Sender und Empfänger liegen nicht mehr als 28 Gigahertz auseinander. Das bedeutet, dass die Laserfrequenz auf Gigahertz-Präzision abgestimmt und dann mit der gleichen Präzision und Genauigkeit gemessen werden muss.“
In Zusammenarbeit mit Simac Electronics, einem in den Niederlanden ansässigen Anbieter von Mess- und Konnektivitätstechnologien, wählte die ESA ein spezialisiertes optisches Wellenlängenmessgerät, das AQ6151B von Yokogawa.
Das Instrument verwendet ein Michelson-Interferometer, das in der Lage ist, Wellenlängen mit großer Präzision zu messen. Beim AQ6151B, dem Hochpräzisionsmodell der AQ6150-Serie, ist die Genauigkeit mit ±0,2 ppm spezifiziert. Die Anlage in Aristarchos ist in drei Wellenlängenbereichen erhältlich und verwendet die Wide-Range-Version, die die Wellenlängen von 900 nm bis 1700 nm abdeckt.
Die AQ6150-Serie bietet eine hohe Geschwindigkeit mit der Fähigkeit, eine Messung in 0,2 Sekunden zu erfassen, zu analysieren und an einen PC zu übertragen. Neben der hohen Genauigkeit bietet die AQ6150-Serie die gleichzeitige Messung von bis zu 1024 Wellenlängen und verarbeitet eine Eingangssignalleistung von nur -40 dBm.
Der AQ6151B verfügt außerdem über integrierte Analysefunktionen und erfordert keine Programmierung, wodurch er einfach zu bedienen ist.
Sodnik war zuversichtlich, dass der Einsatz des optischen Wellenlängenmessgeräts von Yokogawa die von der ESA gewünschten Ergebnisse liefern würde: Die ESA hat die Instrumente von Yokogawa in der Vergangenheit ausgiebig eingesetzt und sie immer als äußerst genau und zuverlässig angesehen. Diese neueste Installation am Chelmos-Observatorium erforderte eine extrem hohe Präzision. Ich habe nicht gezögert, mich für ein Produkt von Yokogawa zu entscheiden: Es hat meine Erwartungen voll erfüllt.“
Mit dem hochpräzisen AQ6151B zur Abstimmung der Laser hofft die ESA, dass die optische Übertragung die Last der Verarbeitung von Datenverkehr mit hoher Bandbreite übernehmen und die Funkkommunikation als primäres Mittel zum Senden und Empfangen von Daten von den Satelliten ersetzen kann.
