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レーザー通信科学用光学ペイロード（OPALS）は、ジェット推進研究所で開発された宇宙船通信機器であり、宇宙船と地上局間のレーザー通信システムの技術を実証するために、2014年4月18日から2014年7月17日まで国際宇宙ステーション（ISS）で試験されました。[ 2 ]
OPALSの目的は、現在宇宙船で使用されている従来の無線周波数（RF）通信に代わる研究を行うことです。 [ 3 ] これにより、宇宙船はデータダウンリンクの速度を10～100倍に向上させることができます。[ 4 ] また、RF通信よりもエラーが少なくなります。[ 3 ]
2014年4月18日、ファルコン9ロケットによるスペースX CRS-3ドラゴン補給船で、ケープカナベラルから国際宇宙ステーション（ISS）に向けて打ち上げられた。[ 5 ]
この実験では、宇宙空間での使用が認められた部品ではなく、市販の製品が使用された。[ 6 ]
OPALSミッションの目標は、レーザー通信を用いて宇宙から短い動画を地上に送信することを実証することであった。その過程で、以下の点が研究された。
通信とコマンドは、OPALSチームが開発したプロセスであるミッションオペレーションシステム（MOS）を介して飛行システムに送信されました。チームがレーザーダウンリンクを実行したい場合、次のようになります[ 7 ]。
このプロセスは数秒で実行されます。[ 8 ] レーザー伝送ではない通信（システム健全性チェックなど）の場合、アーキテクチャはほぼ同じです。アップリンクは、ステップ1～3に従って同じです。ダウンリンクはOCTLにダウンする代わりに、アップリンクと同じ経路を逆方向に通ります。[ 7 ] アップリンクと同様に、すべての通信はRFを介して行われます。
ほとんどのダウンリンクはOCTLを経由したが、一部は他の地上局を経由した。これには、ドイツのオーバープファッフェンホーフェンにあるドイツ航空宇宙センター（DLR）の光地上局や、カナリア諸島テネリフェ島のテイデ山にある欧州宇宙機関の地上局が含まれる。[ 9 ] [ 6 ]
OPALSには2つのハードウェアシステムがあります。1つはISSからレーザーダウンリンクを送信する飛行システム、もう1つは飛行システムがレーザーをどこに向けるべきかを判断し、ダウンリンクを受信する地上システムです。
飛行システム（右図参照）は、密閉容器、光学ジンバル送受信機、および飛行解放式アタッチメント機構（FRAM）の3つの主要部分から構成されている。[ 10 ]
密閉容器には、電子機器、航空電子機器、通信用レーザー、および電子機器を冷却するために空気で 1 気圧に加圧されたカスタム電源ボードが収められています。[ 7 ] [ 10 ] レーザーは 1,550 ナノメートルの光波長と 2.5 ワットの出力を使用し[ 11 ] [ 12 ]、直径 2.2 センチメートルの開口部があります。[ 9 ] [ 6 ] レーザーは光ファイバーを通してジンバル トランシーバーに送られ、そこで 1.5ミリラジアンのビーム発散で送信されました。[ 12 ]
光学ジンバルトランシーバーは、アップリンクカメラとレーザーコリメータを2軸ジンバル上に保持します。[ 10 ] レーザーの安全性の考慮により、ジンバルはISS上の何物にも光を当てることはできません。[ 7 ] これを回避するために、ジンバルは機械式ストッパーと電気機械式リミットスイッチを備えて設計されており、その視野（ジンバルが指すことができる領域）は仰角36°、方位角106°に制限されています。ここで、方位角軸は一般的にISSの移動方向です。[ 7 ] ジンバルの視野の幾何学的形状のため、飛行システムはISSが地上局の北にあるときのみダウンリンクを実行できます。
通過中の視線ジオメトリが急速に変化するため、通過全体を通してジンバルが指すべき方向を事前に計算する必要があります。[ 13 ] ジンバルが指すべき方向のリストは、ISS GPS状態ベクトルと姿勢クォータニオンに基づいて計算されました。[ 13 ] ISS の姿勢予測に誤差があること、およびジンバルにエンコーダがないため、ジンバルのすべての動きを推測航法 で行う必要があったため、このリストの正確さが非常に重要でした。[ 13 ] 飛行システムが地上システムからのビーコンを検出すると、ジンバルでビーコンを追跡します。[ 13 ]
FRAMはOPALSとISS間のインターフェースである。[ 10 ] これはOPALSチームによって設計されたものではなく、ジョンソン宇宙センターのISSチームによって設計された既存の部品である。[ 14 ]
地上システムは、飛行システムのレーザーダウンリンクからの信号を受信するものです。[ 7 ] 地上局としては、カリフォルニア州ライトウッドにある光通信望遠鏡研究所（OCTL）が最も頻繁に使用されましたが、他の国際局も使用されました。この観測所には、すべてのレーザーダウンリンクが行われる1メートルの鏡があります。[ 13 ] この望遠鏡は、低地球軌道にある物体を追跡する機能を持っています。[ 13 ] 地上システムの機能は、飛行システムにレーザーをどこに向け、その信号を受信するかを指示することです。976ナノメートルのレーザーでISSを照射することで、レーザーをどこに向けるべきかを示します。[ 7 ]信号は、インジウムガリウムヒ素取得カメラとアバランシェフォトダイオード検出器 の前にある3ナノメートルバンドパス1550ナノメートルスペクトルフィルターを通して受信されます。これにより、日中の通過時に地球の大気によって後方散乱された太陽光によって受信機が圧倒されるのを防ぎます 。[ 13 ]
OPALSは26回のダウンリンクを試み、そのうち18回が成功した。成功したうちの半分は夜間に、残りの半分は日中に試みられた。[ 13 ] 以下は、いくつかのダウンリンク試行のリストである。[ 13 ]
多くのダウンリンクが失敗とみなされたにもかかわらず、ダウンリンクデータは同じデータパッケージを何度も繰り返して構成されていたため、それらの失敗の中にはデータパッケージ全体を送信できたものもあった。
一般的に、ダウンリンクは夜間よりも日中の方が成功率が高かった。曇天時にはダウンリンクに悪影響が出たが、場合によっては信号を再取得できた。DLRのような高緯度地上局へのダウンリンクには、若干の困難が見られた。