L’Agenzia spaziale europea utilizza gli strumenti Yokogawa per ottenere una precisa sintonizzazione laser per i satelliti

Pubblicato il 7 febbraio 2022

L’Agenzia spaziale europea (ESA) sta utilizzando la precisione dei misuratori di lunghezza d’onda ottici di Yokogawa per garantire un’accurata sintonizzazione dei laser utilizzati nelle comunicazioni tra la Terra e lo spazio.

L’ESA gestisce una rete di satelliti geostazionari nota come European Data Relay System (EDRS). Questi satelliti comunicano con una costellazione di satelliti europei LEO (Low Earth Orbit) chiamati Sentinel, utilizzati per applicazioni di monitoraggio della Terra. I satelliti EDRS utilizzano la comunicazione radio per caricare le immagini dei satelliti LEO e altri dati sui server terrestri.

La sfida della crescente quantità di informazioni dai satelliti LEO e geostazionari ,e dalle costellazioni di satelliti, porterà al fatto che la larghezza di banda disponibile per i collegamenti di comunicazione radio sarà presto troppo bassa per soddisfare le esigenze di trasferimento dei dati dell’ESA.

La risposta ovvia è la comunicazione ottica basata su laser, una tecnica già utilizzata per trasferire i dati tra i satelliti LEO e la rete EDRS. Le comunicazioni ottiche sono una tecnologia collaudata sulla Terra e costituiscono la spina dorsale di Internet. Tuttavia, le comunicazioni ottiche nello spazio libero tra la Terra e un satellite richiedono una speciale tecnologia laser. Questo perché i segnali ottici trasmessi tra la Terra e lo spazio sono soggetti a interferenze da varie sorgenti, come nuvole o altri fenomeni meteorologici. Inoltre, i segnali ottici nello spazio libero non possono essere schermati da fonti esterne di interferenza ottica da parte del mezzo fisico attraverso il quale viaggiano, come una fibra ottica sulla Terra.

I sistemi di comunicazione ottica devono raggiungere un rapporto segnale/rumore sufficiente per mantenere il collegamento tra trasmettitore e ricevitore. Nell’EDRS dell’ESA, i segnali vengono trasmessi a una lunghezza d’onda infrarossa specificata in modo molto preciso di 1064,625 nm (nanometri) ±11 pm (picometri), con una varianza quasi nulla nella lunghezza d’onda di picco. Ciò consente al ricevitore di agganciarsi al segnale a banda stretta trasmesso ed eliminare i segnali di interferenza. Con questa tecnologia, il satellite EDRS può funzionare anche quando il sole è nel suo campo visivo.

L’ESA sta implementando la tecnologia di comunicazione ottica Terra-satellite nella sua stazione ottica di terra (OGS) sull’isola spagnola di Tenerife e presso il telescopio Aristarchos da 2,2 m presso l’osservatorio di Chelmos nel Peloponneso in Grecia.

Il mantenimento dell’esatta lunghezza d’onda del trasmettitore è una parte fondamentale del funzionamento del sistema Aristarcos, ottenuto mediante una tecnica in cui il laser del trasmettitore viene pompato da un diodo laser da 808 nm per generare un’uscita accurata di 1064,625 nm ±11 pm. Questa lunghezza d’onda è controllata accuratamente regolando la temperatura di esercizio del laser del trasmettitore.

La misurazione dei sistemi di comunicazione ottica viene solitamente eseguita utilizzando un analizzatore di spettro ottico (OSA), uno strumento altamente accurato e affidabile che analizza la lunghezza d’onda ottica oltre ad altri parametri.

Gli OSA come l’AQ6370D di Yokogawa raggiungono una precisione di misurazione della lunghezza d’onda di ±10 pm (picometri) a una lunghezza d’onda di riferimento di 1550 nm e ±100 pm a 1064,625 nm. Sebbene ciò sia estremamente accurato, non è ancora abbastanza accurato per soddisfare le esigenze dell’installazione di Aristarchos.

Zoran Sodnik è il responsabile della tecnologia delle comunicazioni ottiche presso la direzione delle telecomunicazioni e delle applicazioni integrate dell’ESA. È responsabile del sistema di comunicazioni ottiche installato con il telescopio Aristarchos. Sodnik afferma: “L’EDRS opera a frequenze misurate in multipli di terahertz e le lunghezze d’onda del trasmettitore e del ricevitore non sono distanti più di 28 Gigahertz. Ciò significa che la frequenza del laser deve essere impostata con precisione da Gigahertz e quindi misurata con lo stesso livello di precisione e accuratezza.”

In collaborazione con Simac Electronics, un fornitore olandese di connettività e tecnologie di misurazione, l’ESA ha selezionato un misuratore di lunghezza d’onda ottico specializzato, l’AQ6151B di Yokogawa.

Lo strumento utilizza un interferometro Michelson in grado di misurare la lunghezza d’onda in modo molto accurato. Nell’AQ6151B, il modello ad alta precisione della serie AQ6150, la precisione è specificata a ±0,2 ppm. Disponibile in tre gamme di lunghezze d’onda, l’installazione di Aristarchos utilizza la versione Wide Range che copre lunghezze d’onda da 900 nm a 1700 nm.

La serie AQ6150 offre alta velocità con la possibilità di acquisire, analizzare e trasferire una misura su un PC entro 0,2 secondi. Oltre all’elevata precisione, la serie AQ6150 offre misurazioni simultanee fino a 1024 lunghezze d’onda e gestisce una potenza del segnale in ingresso fino a -40 dBm.

L’AQ6151B ha anche funzioni di analisi integrate e non richiede programmazione, cosa che lo rende facile da usare.

Sodnik era fiducioso che l’uso del misuratore di lunghezza d’onda ottico Yokogawa avrebbe prodotto i risultati che l’ESA stava cercando: “L’ESA ha utilizzato ampiamente gli strumenti Yokogawa in passato e li ha sempre trovati estremamente precisi e affidabili. Quest’ultima installazione all’osservatorio di Chelmos ha richiesto una precisione estremamente elevata. Non ho esitato a scegliere un prodotto Yokogawa: ha soddisfatto pienamente le mie aspettative.’

Utilizzando l’accurato AQ6151B per sintonizzare i laser, l’ESA prevede che la trasmissione ottica potrebbe assumersi l’onere di gestire il traffico ad alta larghezza di banda, sostituendo la comunicazione radio come mezzo principale per inviare e ricevere dati dai satelliti.



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