[论文解读] ELROI: A License Plate For Your Satellite

D. M. Palmer, Rebecca M. Holmes|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2018

GNSS positioning and interference参考文献 6被引用 6

一句话总结

ELROI 是一种自供电的毫瓦级光学信标，通过短时全向激光脉冲实现持久、低成本的卫星识别，可被单光子传感器探测。该信标无需宿卫星供电、数据或控制，仅需每秒数个光子即可在一次低地球轨道（LEO）过境中实现明确的ID识别，已通过地面测试验证，并计划于2018年发射升空。

ABSTRACT

Space object identification is vital for operating spacecraft, space traffic control, and space situational awareness, but initial determination, maintenance, and recovery of identity are all difficult, expensive, and error-prone, especially for small objects like CubeSats. Attaching a beacon or license plate with a unique identification number to a space object before launch would greatly simplify the task, but radio beacons are power-hungry and can cause interference. This paper describes a new concept for a satellite license plate, the Extremely Low Resource Optical Identifier or ELROI. ELROI is a milliwatt-scale self-powered autonomous optical beacon that can be attached to any space object to transmit a persistent identification signal to ground stations. A system appropriate for a LEO CubeSat or other small space object can fit in a package with the area of a postage stamp and a few millimeters thick, and requires no power, data, or control from the host object. The concept has been validated with ground tests, and the first flight test unit is scheduled for launch in 2018. The unique identification number of a LEO satellite can be determined unambiguously in a single orbital pass over a low-cost ground station.

研究动机与目标

• 为小型卫星和空间碎片在失去轨道跟踪控制权时解决关键的在轨空间物体识别（SOI）挑战。
• 开发一种低成本、低SWaP（尺寸、重量和功率）的解决方案，实现在卫星在轨寿命期间的持久识别。
• 消除对耗电无线电信标的依赖，此类信标易产生射频干扰（RFI），且在退役后无法工作。
• 实现对被动碎片物体（如已用火箭级间和上面级）的识别，这些物体缺乏电源或通信系统。
• 提供一种标准化、自主的光学标识，可附加于任何空间物体上，无需复杂的集成。

提出的方法

• ELROI 使用低功耗激光二极管在638 nm波长处以短时全向光脉冲编码唯一ID号。
• 采用中心波长为638 nm、带宽Δλ = 10 nm的窄带滤波器，结合单光子探测技术，以抑制背景光。
• 系统采用基于光子探测时间相关性的背景抑制技术，以区分信号与天光及星光。
• 记录光子探测时间并进行处理，利用低复杂度算法解码ID，最大限度减少误报。
• 信标通过小型太阳能电池自供电，实现无需宿卫星供电、数据或控制系统的运行。
• 设计紧凑，仅邮票大小、数毫米厚，适用于立方星及被动空间物体。

实验结果

研究问题

• RQ1 自供电、毫瓦级光学信标是否能仅通过每秒数个光子实现可靠的卫星识别？
• RQ2 结合背景抑制的单光子探测是否能在一次低地球轨道过境中，通过低成本地面站实现明确的ID解码？
• RQ3 信标是否能在卫星整个在轨寿命期间持续运行，且无需宿卫星供电或控制？
• RQ4 该系统是否能识别主动和被动空间物体（包括惰性碎片），且无需姿态控制或通信系统？
• RQ5 在不同背景条件（包括月光和星光）下，系统是否仍保持足够的链路预算？

主要发现

• 滤波后预测信号速率为3.3个光子/秒，背景速率为0.36个光子/秒，为单次轨道过境中的可靠ID解码提供了充足的链路预算。
• 观测时间55至95秒时，码字误码率（CER）降至1/1,000；观测时间105至157秒时，CER达到1/10亿。
• 在典型低地球轨道天空条件下，10厘米立方星在相位角90°时，背景计数率可控制在0.36个光子/秒，即使经过相位截断亦然。
• 信标峰值光学功率为1 mW，平均功率为0.001 mW，可通过小型太阳能电池实现自供电。
• 地面测试已验证系统仅需每秒数个光子即可无歧义地解码ID，证实其适用于低成本地面站。
• 首台飞行测试单元计划于2018年发射，标志着系统从地面验证迈向在轨演示的关键一步。