Sistema de sincronización óptica espacial PDF

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IngenIería InvestIgacIón

y

tecnología

volumen XXI (número 1), enero-marzo 2020 1-13 ISSN 2594-0732 FI-UNAM artículo arbitrado Información del artículo: Recibido: 29 de agosto de 2019, aceptado: 8 de octubre de 2019 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0) license http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2020.21n1.009

Sistema de sincronización óptica espacial para comunicaciones ópticas en satélites pequeños operando en órbita baja Optical Spatial synchronization system for optical communications on small satellites operating in low-earth orbit Arvizu-Mondragón Arturo

Nuñez-Alfonso Juan Manuel

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-0001-6926-2197

Universidad Nacional Autónoma de México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000 0003 4097

Santos-Aguilar Joel

0063 Meza-Pérez Jacobo Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-0002-4854-0896

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, México Correo: [email protected] https://orcid.org/00000002-9063-8715 Domínguez-Retamoza Efren

Gutiérrez-Martínez Celso

Antonio

Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-0002-

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-0003-4633-9125

2985-5681 López-Leyva

Muraoka-Espiritu Ramón

Josue Aarón

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, México Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-0003-4748-0841

CETYS Universidad, México Colegio de Ingeniería Correo: [email protected] https://orcid.org/0000-00023004-5686

Resumen En este trabajo reportamos el desarrollo de un sistema de sincronización óptica espacial para satélites pequeños operando en órbita baja (LEO). Este sistema se requiere para un enlace de comunicaciones ópticas satélite-estación terrena. Como parte fundamental, se diseñó e implementó una montura de precisión gimbal con dos grados de libertad controlada por tornillos de ajuste fino y un algoritmo ad-hoc. Se generó en laboratorio una estrella artificial utilizando una fuente láser, fibra monomodo y un telescopio astronómico. Utilizando dicha estrella es posible, sin lanzar el satélite, certificar el buen desempeño del gimbal respecto al seguimiento de un faro láser artificial en pruebas de laboratorio. Reportamos asimismo la caracterización del desempeño del subsistema Gimbal en enlaces ópticos atmosféricos. Por otro lado, como base para este diseño, se considera que previamente a la adquisición del faro se llevaría a cabo mediante las etapas de RF, GPS y sistema de actitud, los cuales formarían parte de la plataforma del satélite bajo diseño. Así, las efemérides de la trayectoria satelital son parte fundamental en la etapa de apuntamiento, rastreo y seguimiento inicial del sistema. Debido a la complejidad del sistema reportado en este escrito, se requirió la participación de especialistas de diversas insti- tuciones tales como el CICESE, el INAOE, Cetys-Universidad Ensenada y el Observatorio Astronómico Nacional de la UNAM. Los subsistemas reportados en este trabajo se desarrollaron dentro del marco de un proyecto con Fondos de la Agencia Espacial Mexicana. Descriptores: Gimbal, seguimiento, adquisición, rastreo, faro óptico.

Abstract In this paper, we report the development of a spatial optical synchronization system required in small satellites operating in lowearth orbit to establish an optical communication link between the satellite and an earth station. As a fundamental part of this system, we designed and implemented a precision gimbal with two degrees of freedom controlled by fine adjustment screws and an ad-hoc algorithm. We generate in the laboratory an artificial star using a laser source, monomode fiber and an astronomical telescope. Befo- re that the satellite be eventually placed in orbit, it is possible to certify the good performance of our gimbal with respect to the tracking of an optical beacon using such artificial star in laboratory tests. We also report the characterization of the performance of our gimbal subsystem in atmospheric optical links. On the other hand, as a basis for this design, we took into account that prior to the acquisition of the optical beacon a coarse tracking process would be carried out through the RF, GPS and attitude system stages, which would be part of the platform of the satellite under design. Thus, the ephemerides of the satellite trajectory are a fundamental part in the process of acquisition, tracking, and initial pointing of the system. Due to the complexity of the system reported in this paper, the participation of specialists from various institutions such as CICESE, INAOE, Cetys Universidad campus Ensenada and the National Astronomic Observatory-UNAM in Ensenada, B.C., Mexico, was required. We developed the subsystems reported in this paper within the framework of a project with funds from the Mexican Space Agency. Keywords: Gimbal, acquisition, tracking, pointing, optical beacon.

http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2020.21n1.009

SiStema de Sincronización óptica eSpacial para comunicacioneS ópticaS en SatéliteS pequeñoS operando en órbita baja

IntroduccIón Lose nl a c e sdec omuni c a c i one sópt i c a se s pa c i a l e s( e nt r e unoova r i oss a t é l i t e sc onunaovar i a se s t a c i one st e r r e na s )pue de nr e al i z ar s eat r a vé sdel aa t mós f e r at e r r e s t r ey e le s pa c i oe xt e r i or( Fi gur a1 ) .Ene s t et i podee nl ac e ss e ut i l i z an nor ma l me nt el á s e r e sc omof ue nt e se mi s or asy e t apa s de f ot ode t e c c i ón c omo e l e me nt os r e c e pt or e s r e qui r i e ndoe lus odeant e na sópt i c as( t e l e s c opi osyl e nt e s )t ant oe nl ae t apat r a ns mi s or ac omoe nl ar e c e pt or a ( Fi gur a2) .Unac ar a c t e r í s t i c ai mpor t ant edel oss i s t e -mas dec omuni c ac i ónópt i c aa t mos f é r i c ae se lr e que r i r“ l í ne a devi s t a”pa r apode rope r a ra de c uada me nt e( Fi -gur a1) . Par al ogr are s t al í ne adevi s t as er e a l i z ae npr i -me rl uga r l a ope r ac i ón de a punt ami e nt oyr as t r e o gr ue s oe nt r e t r a ns mi s oryr e c e pt or ,pa r al oc ua lpue de nut i l i za r s el as e t apa sde RF ,GPS y s i s t e ma de a c t i t ud c uando s on i nc l ui dase nl apl a t a f or made ls a t é l i t e ;l ase f e mé r i de sde l at r a ye c t or i as a t e l i t als one nt onc e spa r t ef undame nt ale n l ae t a padea punt ami e nt o ,r a s t r e oys e -gui mi e nt oi ni c i a l de ls i s t e ma .Unave zques ec ons i guel al í ne adevi s t a pa r ae s t a bl e c e rune nl ac eópt i c os a t e l i -t a l ,s er e qui e r eun s i s t e ma de s i nc r oni z ac i ón ópt i c ae s -pac i al ,t a mbi é n de nomi na do s i s t e ma de a punt a mi e nt o,adqui s i c i ón y r a s t r e o( o ATP por s us s i gl as e ni ngl é s ,Ac q ui s i t i o n T r a c k i ng a nd Po i nt i ng) ,que us ac omúnme nt e un ha z ópt i c o no modul a do ( f ar o ópt i c o) .Ade má s ,da do que di c hos i s t e made beope r a re nl aa t mós f e r at e -r r e s t r e ,s u bue nde s e mpe ñopue deve r s el i mi t a doporl aa t e nua c i ón de lf a r oópt i c ooc as i ona daporl apr e s e nc i a

demol é c ul asdegasya e r os ol e s( ye nal gunosc a s os , de bi doal apr e s e nc i adec ont ami na nt e s )ade másde l at ur bul e nc i a ópt i c a( Andr e ws& Phi l l i ps ,2 00 5) , ( Fi gur a 3) .Loss i s t e ma sde s i nc r oni z ac i ón ópt i c a e s pac i a le m-pl e adospa r as a t é l i t e sme di anoso de ma yort amaño ,a s íc omoa que l l osques ee mpl e ane n e nl a c e sópt i c ost e -r r e s t r e spue de ns e rc ons i de r a dos c omo una t e c nol ogí a madur a; s i n e mba r go ,l a i nve s t i gac i ón y de s ar r ol l ot e c -nol ógi c o dedi c hos s i s t e ma saún c ont i núa a ni ve li nt e r -na c i onalde f or ma i mpor t ant e , pr i nc i pa l me nt e ( a unque no e x c l us i va me nt e )par ae nl ac e sdes a t é l i t e sdeme nor e sdi me ns i one st ant opar ac omuni c a c i one sc l á s i c a s c omoc uánt i c as( Change ta l . ,2 01 9;Ros ee ta l . ,2 01 8; Abr a hams one ta l . ,20 15 ;Ka yma ke ta l . ,2 01 8) .Ese n e s t eúl t i mopunt odondes ee nc uadr ae lt r a ba j oa quí pr e s e n- t a do y e ne lc ont e xt o de un pr o ye c t o de s a r r ol l ado c on Fondos de l a Age nc i a Es pa c i a l Me xi c ana .

conclusIones Ene s t et r a ba j ohe mosr e por t adoe lde s ar r ol l odeuns i s t e ma de s i nc r oni za c i ón ópt i c ae s pac i alpar as a t é l i t e s pe que ñosope r ando e n ór bi t aba j a( LEO) .He mosde s c r i t oe ldi s e ño ei mpl e me nt ac i ón deuna mont ur a de pr e c i s i óngi mbalc ondosgr a dosdel i be r t a d,f ot ode t e c c i ón dec ua t r oc ua dr a nt e s ,as íc omo l ae l e c t r óni c ade di gi t a l i z ac i ónyc ont r olpar at or ni l l osdea j us t efino ,l os c ual e sme di ant eunal gor i t moa dhoc ,r i ge ne lbue n

http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2020.21n1.009

Arvizu -MondrAgón A., S AntoS-AguilAr J. d oMínguez -retAMozA e.A., MurAokA-e Spiritu r., nuñez -AlfonSo J.M., MezA-p érez J., gutiérrez-MArtínez C., lópez -leyvA J.A.

f unc i ona mi e nt o de l gi mbal de nt r o de l as e s pe c i fic a c i o- ne s da das . Con l a final i dad de c e r t i fic are lbue n de s e m-pe ño de l os di f e r e nt e s s ubs i s t e mas que c onf or man nue s t r os i s t e ma de s i nc r oni za c i ón ópt i c a e s pac i al ge ne -r a mos e n l abor a t or i o una e s t r e l l a a r t i fic i a l . Re por t amos a s i mi s mo l ac ar a c t e r i z ac i ón de l de s e mpe ño de l s ubs i s -t e maGi mba le nune nl ac eópt i c oa t mos f é r i c o de l ar ga di s t anc i a ,e lc uals er e al i z a de mane r a e xi t os a gr a c i a s a que l a c a r a c t e r i z ac i ón y opt i mi za c i óndel oss ubs i s t e -ma se nl a bor a t or i oc on l osr e que r i mi e nt osdeun e nl a c edel ar gadi s t a nc i a f uea de c uada .Porot r ol ado,c omo ba s epar ae s t e di s e ño,s ec ons i de r aquepr e vi a me nt ee ls e gui mi e nt o gr ue s os el l e var í aac a bome di a nt el a se t a-pasdeRF , GPSys i s t e madea c t i t ud,l osc ua l e sf or ma-

r í an par t e del a pl a t af or ma de ls a t é l i t ebaj o di s e ño. c a r a c t e r i za c i ón deun s i s t e maGi mba lc on dosgr a dosde Ac t ua l me nt ec ont amosc onl ae s pe c i fic ac i óndeunae s l i be r -t a dpa r ae nl a c e sdec omuni c a c i one sópt i c a se ns a t é l i t e s t ac i ónt e r r e na( r e al i z a dae nc ol a bor a c i ónc one lgr upo pe -que ños .EnSOMIXXXI I ICongr e s odeI ns t r ume nt a c i ón, det r a ba j ode lI NAOE) ,ope r a ndoe nl abandadeRF . T or r e ón,Coahui l a ,Mé x i c o ,2 9 3 1deoc t ubr ede2 01 8 .pp. 1 Bas ándonose ndi c hode s ar r ol l oye lATPde s c r i t oant e 8 . r i or me nt e ,nose nc ont r a most r a ba j andoac t ual me nt ee n He mma t i ,H.( 2 00 6 ) .De e ps p a c eo p t i c a lc o mmuni c a t i o ns .NJ ,US A: l ae s pe c i fic ac i óndel ae t apadeapunt a mi e nt ofinodel a J ohnWi l e ya ndSonsI nc . ,Ho boke n. e s t a c i ónt e r r e naópt i c a .Es t eapunt a mi e nt ofinos e r ái m- ChangJ . ,Sc hi e l e rC. M. ,Ri e s i ngK. M. ,Bur ns i deJ . W. ,Aqui noK. pl e me nt a dome di ant eunme c a ni s mo“ t i pt i l t ”c onpr e & Robi ns on B. S .( 20 1 9 ) .Body poi nt i ng,a c qui s i t i on and c i s i ón de0 . 25mi c r or a d.De bi doal ac ompl e j i dad de l t r a c ki ng f ors ma l ls a t e l l i t el a s e rc ommuni c a t i on.En Pr oc . s i s t e mar e por t adoe ne s t ee s c r i t o,s er e qui r i ól apar t i c i SPI E 1 0 9 1 0, Fr e e Spa c e La s e r Communi c a t i ons XXXI , pac i ón dee s pe c i a l i s t a sdedi ve r s a si ns t i t uc i one st a l e s 1 0 9 1 00 P ,2 2 de ma r -z o de 2 0 1 9. Re c upe r ado de c omoe lCI CESE,e lI NAOE,Ce t ys Uni ve r s i da d Ens e ht t ps : / /doi . or g/1 0 . 1 11 7 /1 2 . 2 5 1 1 15 9 nada y e lObs e r va t or i o As t r onómi c o Na c i ona ldel a La mbe r tS. G. & Ca s e yW. L. ( 19 9 5 ) . La s e rc o mmuni c a t i o nsi nSp a c e . UNAM.Loss ubs i s t e ma sr e por t adose ne s t et r a ba j os e Bos t on, US A: Ar t e c hHous e , I nc . de s a r r ol l a r on de nt r o de lmar c o de un pr oye c t oc on Ka ymak, Y.,Roj a s Ce s s a ,R. ,Fe ng,J . ,Ans a r i ,N.,Zhou,M.& Fondosdel aAge nc i aEs pac i a lMe xi c a na . Zha ngT. ( 2 0 18 ) .As ur v e yona c qui s i t i on, t r a c ki ng,a ndpoi nt i ngme c ha ni s msf ormobi l ef r e e s pa c eopt i c a lc ommuni c a t i ons .I EEECo mmuni c a t i o nsSur v e y s& T ut o r i a l s ,2 0 ( 2 ) ,1 1 04 1 1 2 3 .ht t ps : / /doi . or g1 0 . 1 1 0 9/COMS T. 2 0 1 8 . 2 8 0 4 32 3 a c a r a ,D.& We l f or d,W. T .( 20 0 7 ) .St a rt e s t se no p t i c a ls h o p Al aAge nc i aEs pac i a lMe xi c anaporfinanc i a re lPr oye c - Mal t e s t i ng .3r de d. ,Ma l a c a r a ,D.Ne wJ e r s e y , US A:Wi l e y ,P . ,pp. t oNo.2 75 61 820 16 . 3 9 8 4 3 4 . Me ndi e t a ,J . ,Pa c he c o ,E. ,Ar vi z u,A.& Mur a oka ,R.( 2 0 0 1) . Referencias Opt i c a lc ommuni c a t i on pa yl oa d f or a n e xpe r i me nt a l Abr a hams on,M. J . ,Oai da ,B. V. ,Si ndi y O.& Bi s wa s ,A.( 2 0 1 5 ) . mi c r os a t e l l i t ei nl o w Ea r t hor bi t .EnPr oc .SPI E4 2 7 2 ,Fr e e Ac hi e vi ng ope r a t i ona lt wowa yl a s e rac qui s i t i onf orOP ALS Spa c eLa s e rCom-muni c a t i onTe c hnol ogi e sXI I I . pa yl oa dont heI nt e r na t i ona lSpa c eSt a t i on.EnPr oc e e di ngsof Mor á n,L. ,Mur r i e t a ,J . ,Ar vi z u,A. ,Mur a oka ,R.& Ve l i s ,L. t heS PI E, 9 3 54 , i d. 93 5 4 0 82 1pp. ( 2 01 3 ) .S i s t e mae l e c t r oma gné t i c oATPpa r ae nl a c e sópt i c os Andr e ws ,L. C.& Phi l l i ps ,R. L.( 2 0 0 5 ) .La s e rb e a m p r o p a g a t i o n i na l á m-br i c oss a t e l i t a l e s .En VICongr e s o deI nno va c i ón t hr o ug hr a nd o m me d i a ,Vol .1 .Be l l i ngha m,WA,US A:SPI E Te c nol ógi c ae nEl é c t r i c ayEl e c t r óni c a ,CI TEE2 0 13 ,Ci udad pr e s s . Obr e gón,S o-nor a ,6 8deno vi e mbr e . Ar vi z uMo ndr a gón,A. ,S ant os Agui l a r ,J . ,Domí ngue z Re t amoRos eT. S . ,Ro we nD. W. ,La Lumondi e r eS. ,We r ne rN. I . ,Li na r e s z a ,E. A. ,Me z a Pé r e z ,J . ,Gut i é r r e z -Ma r t í ne z ,C. ,Núñe z Al R. ,F al e rA. ,Wi c ke rJ . ,Coffma n C. M. ,Ma ulG. A. ,Chi e n f ons o , J . M. , Lópe z Le yva , J . A. Di s e ño ,i mpl e me nt a c i óny D. H. ,Ut -t e rA. ,We l l eR. P .&.J a ns onS . W.( 2 0 1 8 ) .Opt i c a l c ommuni c a -t i onsdo wnl i nkf r om a1 . 5 U Cube S a t : OCSD. En I nt e r na t i ona lConf e r e nc eonSpa c eOpt i c s I CS O2 0 1 8 ,Pr oc . ofS PI E, vol . 1 1 1 8 0 ,pp. 11 1 8 0 0J 1 1 1 1 8 00 J 1 2 .

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