Лазерный передатчик

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Идеи по начинке

Сообщение BarsMonster » 26 окт 2015, 17:11

maxrez писал(а):Ещё попробую просчитать какую расфокусировку лазера мы можем себе позволить, чтобы уверенно попасть в детектор, но при этом сохранить достаточное количество фотонов на единицу информации для уверенной детекции. Пока вопрос: какой скорости передачи хотите достичь?


Предлагаю рассматривать варианты ширины пучка 10 минут, 1 минута и 0.1 минуты.
Минимальная приемлемая скорость - 100 килобит/c.
Последний раз редактировалось BarsMonster 26 окт 2015, 19:05, всего редактировалось 1 раз.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Идеи по начинке

Сообщение gionov » 26 окт 2015, 17:52

BarsMonster писал(а):Минимальная приемлемая скорость - 100 килобит.

Наверно, 100 килобод?

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Идеи по начинке

Сообщение BarsMonster » 26 окт 2015, 19:05

gionov писал(а):
BarsMonster писал(а):Минимальная приемлемая скорость - 100 килобит.

Наверно, 100 килобод?

Именно так, поправил. Первые оценки для этих расхождений пучка у меня есть, будет интересен независимый результат.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Идеи по начинке

Сообщение Ejj » 26 окт 2015, 19:47

П.С. прошу прощения, что не ответил в личку. У меня пока нет прав на это.

Спасибо, что сказали об этом. :)
Сама по себе задержка на данном этапе не важна, подожду.

Но если мы будем завязаны на отсутствие облаков для связи - насколько это увеличит потребный запас времени на передачу ЦИ?

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Идеи по начинке

Сообщение gionov » 26 окт 2015, 20:00

Просто надо использовать пару мест с хорошим астроклиматом, например, Каракумы и Бетпак-Дала.
Ну или Чили, Гавайи и Испания :-)

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Идеи по начинке

Сообщение maxrez » 27 окт 2015, 11:32

BarsMonster писал(а):А что за MPPC у вас используются?

Hamamatsu S12572-010c
Ещё есть microPMT H12403. С которым сейчас работаю.
Плохо то, что все эти сенсоры не чувствительны на длину волны 1064нм. Тут либо придётся повышать длину волны до 800-900нм или искать другой сенсор. Так на вскидку что-то типа такого: лавинный фотодиод Hamamtsu G8931 http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/ ... index.html или ФЭУ Hamamtsu R5509-73 http://www.hamamatsu.com/jp/en/R5509-73.html Ну или SPAD (single photon avalanche diode) http://www.lasercomponents.com/de-en/pr ... -counting/
Последний мне нравится больше всего. Квантовая эффективность на 1064нм у него почти такая же как и у ФЭУ R5509-73, но он и меньше и думаю будет гораздо дешевле. Надо будет их подробно сравнить по детекции 1064нм света. Пока лишь я сравнивал сенсоры по детекции УФ света или ИК света с длинной волны 800-900нм.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Идеи по начинке

Сообщение BarsMonster » 28 окт 2015, 19:45

maxrez писал(а):Тут либо придётся повышать длину волны до 800-900нм

Многомодовые диодные лазеры на 808нм - это вполне рутина, и возможно нашим ТЗ может удовлетворить (у меня они конечно есть).
Далее 780nm, новых нет, но в DVD есть )
Ну а дальше - диодные красные (650nm).
Зеленые DPSS - серийные быстро не модулируются и слишком капризны по температурам для космоса, так что не вариант.

В общем, нужно смотреть, что из этого можно в 10 угловых минут запихнуть (вернее какую часть излучения).

Дифракционно-ограниченный, одномодовый лазер с хорошим КПД - короче 1064нм слишком экзотично будет иметь. Ну и остается еще 1.55мкм, что точно требует других детекторов.

По счетчикам фотонов - не уверен, что они все могут работать, когда скорость счета порядка 50-100млн фотонов в секунду.

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Идеи по начинке

Сообщение maxrez » 28 окт 2015, 20:02

BarsMonster писал(а):
maxrez писал(а):Тут либо придётся повышать длину волны до 800-900нм

Многомодовые диодные лазеры на 808нм - это вполне рутина, и возможно нашим ТЗ может удовлетворить (у меня они конечно есть).
Далее 780nm, новых нет, но в DVD есть )
Ну а дальше - диодные красные (650nm).
Зеленые DPSS - серийные быстро не модулируются и слишком капризны по температурам для космоса, так что не вариант.

В общем, нужно смотреть, что из этого можно в 10 угловых минут запихнуть (вернее какую часть излучения).

Дифракционно-ограниченный, одномодовый лазер с хорошим КПД - короче 1064нм слишком экзотично будет иметь. Ну и остается еще 1.55мкм, что точно требует других детекторов.

По счетчикам фотонов - не уверен, что они все могут работать, когда скорость счета порядка 50-100млн фотонов в секунду.


Тут ещё надо посмотреть по графику пропускной способности атмосферы. В ИК области есть зоны сильного поглащения света. Ну а в видимой области пропускная способность атмосферы плавно снижается к УФ области.

Зеленый не вариант совершенно. Думаю, что 808нм будет самое то.

По счётчикам фотонов: не совсем понял, что именно им может мешать в работе?

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 10 ноя 2015, 12:15

Закончил первую версию калькулятора лазерной линии связи. Расчёты простые. Как входные данные используются данные по длине волны лазера, его мощности и угла расхождения луча. Также надо ввести расстояние передатчик-приёмник, диаметр зеркала телескопа приёмника, желаемую скорость переноса информации и квантовую эффективность детектора.
Калькулятор рассчитывает энергию фотона, и сколько фотонов испустит лазер за 1 секунду в режиме постоянного свечения (внимание! при импульсных лазерах расчёт другой!). Потом из данных угла расхождения луча и расстояния передатчик-приёмник мы получаем площадь зоны на которую попадает излучение от лазера. Пока считаем, что фотоны в этой зоне распределяются равномерно по площади. (Надо выяснить какая функция описывает реальное распределение фотонов). Учитываем пропускную способность атмосферы для данной длины волны и апертуру детектора. Получаем число фотонов, которое попадает в детектор за 1 секунду. Умножаем это число на квантовую эффективность детектора и делим скоростью информационного потока и получаем сколько фотонов, распознанных детектором приходится на 1 информационный символ.
Эти расчёты помогут выбрать детектор и определить параметры лазерного канала.

Пока могу сказать, что как детектор нам больше всего подходит SPAD (single photon avalanche detector). Не путать с APD! (avalanche photo-diode).

Далее дополню ещё кое-какие расчёты в калькулятор и сделаю документ сравнения разных детекторов.

Ссылка на калькулятор. https://www.dropbox.com/s/1clygxrjca581au/laser%20link%20budget.xlsx?dl=0
laser calc.png
laser calc.png (127.51 KiB) 3628 просмотра

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 10 ноя 2015, 14:32

maxrez писал(а):...

Читаю внимательно вашу тему.
До массово-габаритных и энергетических характеристик еще далеко. :(
Планируется на КА лазерный передатчик или приемо-передатчик?

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 10 ноя 2015, 15:32

Ejj писал(а):Читаю внимательно вашу тему.
До массово-габаритных и энергетических характеристик еще далеко. :(
Планируется на КА лазерный передатчик или приемо-передатчик?


Конечно. Работы ещё не початый край.
Пока не ясно какой мощности лазер нам нужен.

Думаю, что планируется только передатчик. В принципе если что можно сделать и приёмник. Малую апертуру на стороне спутника можно компенсировать мощностью передатчика, более узким лучом и точностью наведения.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 10 ноя 2015, 15:51

Да, нужен приемо-передатчик.
Потому что параболическую антенну большого диаметра на малом и активно маневрирующем КА разместить сложно, а если еще при этом будет требоваться обеспечить совместную работу радиолинии на прием, к примеру, и лазерной линии на передачу - задача становится очень сложной.
Сейчас под лазерный приемо-передатчик я в весовой сводке отвожу объем в виде "бочонка" сантиметров 30 в диаметре, 60 см в длину, весом в 15 кг. Длину при необходимости изменять можно достаточно просто. Диаметр наращивать свыше заложенного будет сложно, но при необходимости возможно. Главное не выйти за бюджет массы.

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 10 ноя 2015, 16:11

Ejj писал(а):Да, нужен приемо-передатчик.
Потому что параболическую антенну большого диаметра на малом и активно маневрирующем КА разместить сложно, а если еще при этом будет требоваться обеспечить совместную работу радиолинии на прием, к примеру, и лазерной линии на передачу - задача становится очень сложной.

Параболическая антенна нужна только для передатчика больших объёмов данных. Она не служит для приёмника. Для приёмо-передатчика телеметрии и команд думаю будет вполне достаточно дипольной антенны. Пока ещё не просчитывал.
Так-же не вижу проблемы обеспечения совместной работы радио и лазерного канала.

Ejj писал(а): Сейчас под лазерный приемо-передатчик я в весовой сводке отвожу объем в виде "бочонка" сантиметров 30 в диаметре, 60 см в длину, весом в 15 кг. Длину при необходимости изменять можно достаточно просто. Диаметр наращивать свыше заложенного будет сложно, но при необходимости возможно. Главное не выйти за бюджет массы.

Это зачем такие огромные размеры? :shock: :o Лазерный приёмо передатчик думаю вполне поместится в параллелепипед 150х150х30мм и весом до 0.5кг. В те размеры что вы дали весь спутник войдёт. :mrgreen:

AeroCubeOCSD_AutoD.jpeg
AeroCubeOCSD_AutoD.jpeg (33.87 KiB) 3617 просмотра

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 10 ноя 2015, 16:30

maxrez писал(а):Параболическая антенна нужна только для передатчика больших объёмов данных. Она не служит для приёмника. Для приёмо-передатчика телеметрии и команд думаю будет вполне достаточно дипольной антенны. Пока ещё не просчитывал.
Так-же не вижу проблемы обеспечения совместной работы радио и лазерного канала.

Это зачем такие огромные размеры? :shock: :o Лазерный приёмо передатчик думаю вполне поместится в параллелепипед 150х150х30мм и весом до 0.5кг. В те размеры что вы дали весь спутник войдёт. :mrgreen:

Прикиньте, как возможность будет, радиокомандную линию. Мне сомнительно, что на этой дистанции мы сможем обеспечить постоянный прием и передачу с ненаправленной антенной на КА. А если время работы линии будет лимитироваться выделенными сеансами сети дальней связи - то по большому счету смысла в этой линии телеметрии нет.

Запощенный лазерный приемопередатчик годится для работы на линии Земля-Луна? Какую скорость передачи данных он обеспечит?

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 10 ноя 2015, 17:09

Ejj писал(а):
Прикиньте, как возможность будет, радиокомандную линию. Мне сомнительно, что на этой дистанции мы сможем обеспечить постоянный прием и передачу с ненаправленной антенной на КА. А если время работы линии будет лимитироваться выделенными сеансами сети дальней связи - то по большому счету смысла в этой линии телеметрии нет.


Диполь это направленная антенна с коэффициентом усиления 2.15dBi. Я уверен, что такая передача возможна без особых проблем. Скорости передачи там не большие. Думаю около пары kbit/s.
На картинке расчёт.
radio link budget.png
radio link budget.png (20.44 KiB) 3612 просмотра

Частота 430МГц, расстояние 340 000 км. Антенна передатчика диполь, антенна приёмника YAGI 6 элементов. Мощность передатчика 5 ватт. Ширина канала 1кГц.
Сила сигнала на стороне приёмника -146.60dB (0.01микровольта на входе приёмника). Уровень шума -155.59dB.
Здесь выкладываю калькулятор радио-линии. https://www.dropbox.com/s/ky487fgled9a4 ... .xlsx?dl=0

Спутник без узкополосной линии телеметрии - команды обречён на провал.


Ejj писал(а): Запощенный лазерный приемопередатчик годится для работы на линии Земля-Луна? Какую скорость передачи данных он обеспечит?

Всё сводится к мощности лазера и углу расхождения луча. Ну и системе наведения. Посмотрите подробности проекта: https://directory.eoportal.org/web/eopo ... ocube-ocsd И попробуйте поиграть с данными в калькуляторе. Там всё взаимосвязано.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 10 ноя 2015, 17:29

maxrez писал(а):Диполь это направленная антенна с коэффициентом усиления 2.15dBi.

Основная угроза для КА - сбой в системе управления с потерей ориентации. По этой причине в линиях телеметрии стараются использовать ненаправленные антенны.

maxrez писал(а):Частота 430МГц, расстояние 340 000 км.

Среднее расстояние между Землей и Луной - 380 000 км. Для обсуждаемого КА дистанция до Земли будет до 440 000 км, примерно.

maxrez писал(а):Антенна передатчика диполь, антенна приёмника YAGI 6 элементов.

В случае сбоя в системе управления и ориентации КА от этой радиолинии толка не будет.

maxrez писал(а):Здесь выкладываю калькулятор радио-линии. https://www.dropbox.com/s/ky487fgled9a4 ... .xlsx?dl=0

Спасибо!

maxrez писал(а):Спутник без узкополосной линии телеметрии - команды обречён на провал.

У нас не спутник - у нас космический аппарат, который команда боится называть Автоматическая Межпланетная Станция. Примерно половину времени у Луны данный аппарат будет находится на обратной стороне Луны, откуда связь в любом случае невозможна. Разве что через другие КА-ретрансляторы, но их пока в этом проекте нет. И именно там, на обратной стороне Луны, без связи и автономно, наш "КА" должен будет выполнять маневры для построения целевой орбиты или орбит. И если с ним там что-то пойдет не так - мы об этом вообще рискуем не узнать.
Так что радиолиния телеметрии в нашем проекте, по большому счету - рюшечка и традиция. Возлагаемой на подобные линии у ИСЗ функции она выполнять не сможет.

maxrez писал(а):Всё сводится к мощности лазера и углу расхождения луча. Ну и системе наведения. Посмотрите подробности проекта: https://directory.eoportal.org/web/eopo ... ocube-ocsd И попробуйте поиграть с данными в калькуляторе. Там всё взаимосвязано.

Посмотрю завтра, спасибо!
В калькуляторе есть вычисление массы, габаритов и энергопотребления?

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 10 ноя 2015, 18:04

Ejj писал(а):Основная угроза для КА - сбой в системе управления с потерей ориентации. По этой причине в линиях телеметрии стараются использовать ненаправленные антенны.

посмотрите диаграмму излучения диполя. Это почти что ненаправленная антенна. Именно такие антенны и ставят.
dipole-low.gif
dipole-low.gif (28.6 KiB) 3610 просмотра


Ejj писал(а):Среднее расстояние между Землей и Луной - 380 000 км. Для обсуждаемого КА дистанция до Земли будет до 440 000 км, примерно.

Там разница не столь существенная.


Ejj писал(а):В случае сбоя в системе управления и ориентации КА от этой радиолинии толка не будет.

Ещё раз обратите внимание на диаграмму излучения диполя. YAGI стоит не на КА а на Земле. Именно в случае потери ориентации этот канал и спасает ситуацию.


Ejj писал(а):У нас не спутник - у нас космический аппарат, который команда боится называть Автоматическая Межпланетная Станция. Примерно половину времени у Луны данный аппарат будет находится на обратной стороне Луны, откуда связь в любом случае невозможна. Разве что через другие КА-ретрансляторы, но их пока в этом проекте нет. И именно там, на обратной стороне Луны, без связи и автономно, наш "КА" должен будет выполнять маневры для построения целевой орбиты или орбит. И если с ним там что-то пойдет не так - мы об этом вообще рискуем не узнать.
Так что радиолиния телеметрии в нашем проекте, по большому счету - рюшечка и традиция. Возлагаемой на подобные линии у ИСЗ функции она выполнять не сможет.

Попробую объяснить в сравнении линии телеметрии(ЛТ) и линии для больших объёмов данных(ЛД).

_________________________________ЛТ ______________ЛД______
частота (диапазон)____________430МГц(UHF)_____8ГГц (X-band)
ширина канала___________________1-4кГц__________1-10МГц
модуляция___________________FSK, GFSK, MSK________QPSK
мощность передатчика_____________1-5W____________1-5W
антенна передатчика____________2х диполь____1м парабола, Patch
антенна приёмника________________YAGI________2 - 6m парабола

Что мы имеем: ЛТ работает на низкой частоте с простой модуляцией. Следовательно в равнении с ЛД проще в конструкции.
Имеет узкий канал, значит потребляет меньше энергии и меньше чувствительна к шумам.
Для приёма ЛТ нужна сравнительно простая аппаратура, которая есть почти у каждого радио-любителя.
Имеет более простую конструкцию антенны.
Приёмник ЛД сложен. В силу некоторых причин будет не просто его приспособить к работе на КА.

Итог: ЛТ - надёжная линия связи которая будет работать даже если аппарат потеряет ориентацию.
ЛТ и ЛД должны быть отделены!


Ejj писал(а):В калькуляторе есть вычисление массы, габаритов и энергопотребления?


Откуда? Это всё будет известно когда кто-то выберет конкретные компоненты. Это работа для инженера. В калькулятор это не запихнуть.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 11 ноя 2015, 05:17

Да, именно таких диаграмм направленности и добиваются. К примеру, в программе "Аполлон" всенаправленная антенна была сформирована из четырех: "Четыре антенны спирально-резонаторного типа, разнесенные друг от друга на угол 90° по периферии блока, обеспечивают всенаправленную диаграмму излучения. Переключение передатчика на один из четырех элементов производится космонавтами.
Узконаправленная антенна состоит из излучателя диаметром 0,27 м и четырех параболических отражателей диаметром 0,8 м. Диаграмма направленности антенны регулируется. Ширина луча может составить 40; 11,3 и 4°,4. В режиме приема коэффициент усиле­ния антенны составляет 3,8; 22,8 и 23,3 дб, а в режиме передачи 9^2; 20,8 и 26,7 дб. Наведение антенны осуществляется с помощью электронного сканирования.
Всёнаправленные антенны используются на околоземном участке орбиты, а также тогда, когда на некоторых участках полета к Луне и от Луны отдельные элементы конструкции корабля экранируют узконаправленную антенну, не позволяя через нее осуществить связь с Землей. Кроме того, работу на всенаправленную антенну предполагается вести в тех случаях, когда из строя выходит узко­направленная антенна."
http://yandex.ru/clck/jsredir?from=yand ... 1284330865
Прочтите, интересный документ.
Если желаете пример более современный - в даташите LRO есть бюджет данных миссии и немного информации об организации радиолинии.

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Лазерный передатчик

Сообщение maxrez » 11 ноя 2015, 12:33

Ejj писал(а):...


Ну а я про что говорю? :) Что должно быть 2 канала. Один приёмо-передающий медленный с ненаправленной антенной а другой передающий быстрый с узко-направленной антенной.
Про организацию антенн: у нас всё-таки не Аполлон и даже не LRO. Ставить несколько спиральных антенн - много места нужно. Как нибудь посчитайте на онлайн калькуляторах их габариты для 430МГц. А ведь на время выведения в космос они должны быть в сложенном виде. Будет ли механизм их развёртывания простым? Кроме того, как вы собираетесь их переключать? Это всё реализуемое, но такая система вносит дополнительный фактор риска. Если мы используем индустриальные компоненты надо максимально упрощать системы. Проще антенну, чем 2 скрещённых диполя вы вряд-ли найдёте. Да и развёртывание там простое (принцип металлической рулетки).

Чтобы проектировать системы, надо сначала понять, что нам от них нужно. А после этого выбирать самое простое решение.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Лазерный передатчик

Сообщение Ejj » 11 ноя 2015, 12:45

maxrez писал(а):
Ejj писал(а):...


Ну а я про что говорю? :) Что должно быть 2 канала. Один приёмо-передающий медленный с ненаправленной антенной а другой передающий быстрый с узко-направленной антенной.

Про организацию антенн: у нас всё-таки не Аполлон и даже не LRO.

На "Аполлоне" оба "канала" запитывались с одних и тех же приемопередатчиков. И разделялись на канал передачи во время маневрирования у Земли, когда использовать направленную антенну не было возможности, и канал передачи во время межпланетного полета и от Луны. Читайте документ, там все написано.

Создатели "Аполлона" не искали способ сделать свое детище посложнее.


Вернуться в «Состав космического аппарата»

Кто сейчас на форуме

Количество пользователей, которые сейчас просматривают этот форум: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость