Free-Space Optical Communications: Development of a Pointing, Acquisition, and Tracking System

Abstract

The present thesis is an integral subsystem of a Lusospace project, which encompasses the design and conceptual validation of a Pointing, Acquisition, and Tracking (PAT) system. This system will integrate into a low-profile Optical Head (OH) terminal for airborne-to-spacecraft communications. The PAT system bears the responsibility of signal acquisition and ensuring optical alignment between both terminals to uphold communication stability. The document starts by providing the project context and introducing the pertinent background theory that underpins the system's design. A review of the current state of the art follows, highlighting the significance of the work within the broader scope of Free-Space Op- tical Communications (FSOC). Following this, the PAT architecture is described in accordance with the international protocol SDA. [1] The thesis then presents the components involved, their functions, and their specifications, which directly determine the PAT budget across the multiple PAT phases. Finally, a numerical model design is outlined, considering the different budgets as in- puts. The presented thesis ultimately shows how the system's design meets the imposed re- quirements. In conclusion, the critical parameters for the well-functioning of the system are compliant. Some other parameters lack further study. This work contributes not only to Lu- sospace's project but also to the wider development of Free-Space Optical Communications (FSOC).

Esta tese representa parte de um projeto da Lusospace que compreende o desenvolvimento e validação conceptual de um sistema de Pointing, Acquisition and Tracking. (PAT) Este sistema será integrado num terminal de um Optical Head, (OH) de baixo perfil, para comunicações entre aeronaves e satélites. O sistema PAT é responsável por adquirir o sinal do satélite e por garantir o alinhamento entre ambos os percursos óticos, assegurando a estabilidade da comu- nicação. O documento começa por fornecer o contexto do projeto e introduzir a teoria relevante para o design do sistema. De seguida, o estado de arte é apresentado, destacando a relevância do trabalho desenvolvido nesta tese. Depois disso, a arquitetura do sistema PAT é descrita de acordo com o protocolo internacional SDA. [1] Posteriormente, os componentes envolvidos bem como as suas funções são descritos, devidamente. Como consequência das especificações selecionadas, o PAT budget converte as mesmas especificações para contribuições que afetam o funcionamento do sistema. (PAT budget) Por fim, é delineado um modelo numérico que toma em conta as várias incertezas. Este modelo numérico permite aferir se o design do sistema cumpre os requisitos estabelecidos, previamente. Em suma, os requisitos críticos para o funcionamento do sistema são cumpridos. Por outro lado, outros carecem de um estudo mais profundo. Este trabalho contribui não só para o projeto da Lusospace, mas também para o desenvolvimento mais amplo do ramo de comunicações óticas. (FSOC).