Illustration de la démonstration de relais de communication par laser de la NASA (LCRD) communiquant avec la Station spatiale internationale par le biais de liaisons laser. Le LCRD a achevé avec succès sa première année d’expérimentation, offrant un aperçu de l’avenir de la transmission de données depuis l’espace. Le système utilise la lumière infrarouge, ce qui permet d’intégrer 10 à 100 fois plus de données dans une seule transmission que les systèmes traditionnels à ondes radio. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA
Après une année d’expériences réussies, le projet LCRD (Laser Communications Relay Demonstration) de la NASA présente l’avenir de la transmission de données dans l’espace. Utilisant la lumière infrarouge, le LCRD permet des transmissions contenant 10 à 100 fois plus de données que les systèmes traditionnels à ondes radio. Le succès du projet LCRD et de son extension à venir, ILLUMA-T, indique que la communication laser pourrait grandement améliorer les futures missions spatiales en fournissant des capacités de relais de données plus efficaces et plus robustes.
Le premier système de relais laser bidirectionnel de la NASA a achevé sa première année d’expérimentation le 28 juin – une étape importante pour une technologie qui change la donne et qui pourrait constituer l’avenir de l’envoi et de la réception de données depuis l’espace.
Le Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) utilise la lumière infrarouge, ou des lasers invisibles, pour transmettre et recevoir des signaux plutôt que les systèmes d’ondes radio traditionnellement utilisés sur les engins spatiaux. Les faibles longueurs d’onde de la lumière infrarouge permettent aux missions spatiales de contenir beaucoup plus de données – 10 à 100 fois plus – dans une seule transmission. Plus de données signifie plus de découvertes.
Visualisation artistique de la démonstration de relais de communication par laser de la NASA. Crédit : NASA
Aujourd’hui, à mi-parcours de sa phase d’expérimentation, le LCRD a démontré les avantages significatifs des communications laser par rapport aux systèmes traditionnels à ondes radio.
Situé en orbite géosynchrone à 22 000 miles au-dessus de la Terre, le LCRD sert actuellement de plateforme d’expérimentation pour la NASA, d’autres agences gouvernementales, des universités et des entreprises commerciales, afin de tester les capacités de communication par laser. Après sa phase d’expérimentation, la mission a la possibilité de devenir un relais opérationnel. Cela signifierait que les futures missions utilisant les communications laser n’auraient pas besoin d’une ligne de visée claire vers la Terre et enverraient simplement leurs données au LCRD, qui les transmettrait ensuite vers la Terre.
Les avantages des communications laser : Efficaces, plus légères, sûres et flexibles. Crédit : NASA / Dave Ryan
Le LCRD, et les communications laser en général, sont nés de la nécessité d’améliorer l’efficacité des transmissions de données vers et depuis l’espace. Le LCRD a été lancé pour tester et affiner cette technologie dans le cadre d’un partenariat entre le programme SCaN (Space Communications and Navigation) de la NASA et le Space Technology Mission Directorate de la NASA.
« Jusqu’à présent, nous avons publié les premiers articles sur les résultats préliminaires des expériences, mais nous prévoyons de publier d’autres enseignements afin que l’industrie aérospatiale puisse tirer profit de cette démonstration technologique aux côtés de la NASA », a déclaré Dave Israel, chercheur principal du LCRD au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. « Les premiers résultats sont remarquables, et le fait de voir des quantités massives de données descendre en une fraction de temps est vraiment extraordinaire ».
Station terrestre optique 2 (OGS-2) du Laser Communication Relay Demonstration (LCRD) de la NASA à Haleakalā, Hawaii. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA
Certaines de ces expériences comprennent l’étude de l’impact de l’atmosphère sur les signaux laser. Alors que les communications laser peuvent normalement offrir des débits de données plus élevés, l’humidité, les nuages, les vents violents et d’autres perturbations atmosphériques peuvent perturber les signaux laser lorsqu’ils pénètrent dans l’atmosphère terrestre.
« L’une des choses qui nous a surpris, c’est l’impact des conditions météorologiques sur les opérations de l’expérience. Nous construisons généralement nos stations au sol dans des endroits éloignés, à haute altitude et bénéficiant de conditions météorologiques favorables – les stations du LCRD se trouvent à Hawaï et en Californie », a déclaré Rick Butler, responsable des expériences du LCRD à Goddard. « Les pluies et les chutes de neige historiques qui se sont abattues sur le sud de la Californie cette année nous ont permis de mieux comprendre l’impact des conditions météorologiques sur la disponibilité des signaux. Cela nous a également confortés dans l’idée qu’un plus grand nombre de stations au sol signifie un plus grand nombre d’options pour la disponibilité du signal ».
Feuille de route de la NASA sur les communications laser. Crédit : NASA / Dave Ryan
En outre, l’expérience météorologique a permis aux ingénieurs d’améliorer les systèmes d’optique adaptative de la NASA, qui sont intégrés dans les stations au sol et utilisent un capteur pour mesurer et corriger la distorsion du signal provenant du vaisseau spatial.
Une autre expérience a été menée avec l’Aerospace Corporation, qui a construit un terminal compatible avec le LCRD pour envoyer et recevoir des données avec le LCRD. Cette expérience a confirmé la capacité du LCRD à travailler avec des utilisateurs externes.
Les ingénieurs ont également profité du LCRD pour tester des capacités de mise en réseau telles que le réseau tolérant aux retards et aux interruptions (DTN) sur les liaisons laser. Le DTN permet aux missions de bénéficier d’une connectivité inégalée en stockant et en transmettant les données à des points du réseau afin de garantir que les informations critiques atteignent leur destination.
La NASA utilise des technologies de communication laser pour fournir aux missions des capacités de communication améliorées. Les communications laser permettent aux missions de renvoyer plus de données sur une seule liaison. Plus de données signifie plus de découvertes. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA
Les systèmes de communication laser peuvent également permettre des capacités de navigation plus précises. Une expérience de navigation en cours a montré que les ingénieurs peuvent recevoir des données de localisation plus précises sur une liaison laser que sur des ondes radio standard. Cela signifie que le système de communication laser peut également servir de plateforme pour améliorer les données de synchronisation et de localisation, un élément essentiel du GPS.
« Les démonstrations technologiques telles que le LCRD permettent à la NASA et à ses partenaires de mettre en œuvre de nouvelles capacités et de les tester dans un scénario opérationnel », a déclaré Trudy Kortes, directrice des démonstrations technologiques au sein du Space Technology Mission Directorate de la NASA, au siège de l’agence à Washington. « Cela permet aux ingénieurs de se faire une idée du potentiel d’une technologie et de voir à quoi pourraient ressembler les applications futures. C’est pourquoi il est si important de tester les opérations dans un environnement pertinent ».
Les systèmes tels que le LCRD démontrant les capacités des communications laser, les futures missions scientifiques et d’exploration humaine qui adopteront cette technologie pourraient être en mesure de transmettre davantage de données vers la Terre. À mesure que les instruments des missions scientifiques progressent et recueillent davantage de données, les systèmes de communication embarqués doivent également évoluer pour transmettre ces données aux chercheurs. Des charges utiles comme le LCRD montrent comment les systèmes de communication laser peuvent profiter aux missions spatiales et les aider à atteindre leurs objectifs scientifiques.
Le LCRD fait partie d’une série de missions de démonstration de la technologie des communications laser. L’agence poursuit ses efforts d’infusion avec de futurs terminaux embarqués sur la Station spatiale internationale, le vaisseau spatial Artemis II Orion qui voyagera autour de la Lune, et l’expérience Deep Space Optical Communications à bord du vaisseau spatial Psyche, qui testera les communications laser plus loin de la Terre que jamais auparavant lorsque Psyche se dirigera vers son astéroïde de destination dans l’espace lointain.
Après une année d’expérimentation réussie, l’équipe du LCRD se prépare maintenant au lancement, fin 2023, du terminal d’amplification et de modem utilisateur intégré LCRD en orbite terrestre basse de la NASA, ou ILLUMA-T. Une fois dans la station spatiale, ILLUMA-T enverra des données d’expérience au LCRD, qui les transmettra ensuite au sol. Cela permettra à la NASA de tester les communications laser entre l’orbite terrestre basse et l’orbite géosynchrone et de mettre en évidence les avantages des capacités de relais du LCRD.
Le LCRD est une charge utile de la NASA embarquée à bord du satellite STPSat-6 (Space Test Program Satellite-6) du ministère de la défense. STPSat-6, qui fait partie de la mission Space Test Program 3 (STP-3), a été lancé par une fusée Atlas V 551 de United Launch Alliance depuis la station spatiale de Cap Canaveral en Floride. La NASA exploite STPSat-6 pour le compte du ministère de la défense.
Le LCRD est dirigé par Goddard en partenariat avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et le Lincoln Laboratory du MIT. Le LCRD est financé par le programme Technology Demonstration Missions de la NASA, qui fait partie du Space Technology Mission Directorate, et par le programme Space Communications and Navigation (SCaN) au siège de la NASA.