Time optimal scanning strategies for laser communication terminal

This thesis explores the critical role of optical communication in the evolving landscape of satellite telecommunications, with a particular focus on the intricate process of establishing laser links between GEO satellites and ground stations. The introduction delineates the fundamental principles of free-space optical (FSO) communication, tracing its historical trajectory and highlighting its inherent advantages over traditional radio-frequency (RF) systems, such as significantly higher bandwidth, enhanced security, and reduced system footprint. The thesis provides a comprehensive state-of-the-art review of optical acquisition processes, and it explains the implementation of new tools which are made for this very specific purpose. It delves into camera-based beacon detection, the mechanics of bidirectional beacon exchange, and the various scanning strategies employed to overcome initial pointing uncertainties. Experimental validations from pioneering missions like NASA’s Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) and Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), alongside the recent Airbus/CNES TELEO demonstrator are analyzed to illustrate practical advancements. As a matter of fact, this work is motivated by the ongoing progress of a development study at Airbus DS, which is intended to provide improvements over TELEO mission. Thus, this study's purpose is to propose and analyze enhancements to the acquisition process, specifically through optimized step-and-stare scanning methods, aiming for improved speed and automatic operation, contributing to the future realization of high-throughput optical satellite communication systems.

Questa tesi esplora il ruolo delle comunicazioni ottiche nel campo in evoluzione delle telecomunicazioni satellitari, con un focus particolare sul complesso processo di stabilimento di collegamenti laser tra satelliti GEO e stazioni a terra. L'introduzione delinea i principi fondamentali delle comunicazioni ottiche in spazio libero (FSO), tracciando la loro storia e mettendo in evidenza i loro vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali a radiofrequenza (RF), tra cui una superiore velocià, una sicurezza maggiore e un'impronta a terra ridotta. Successivamente, questa tesi fornisce una revisione dello stato dell'arte dei processi di acquisizione ottica e spiega l'implementazione di nuovi strumenti specificamente progettati per questo scopo. Si addentra, poi, nella rilevazione del raggio laser, nei metodi di scambio di fasci bidirezionali e nelle varie strategie di scansione impiegate per superare le iniziali incertezze di puntamento. Le validazioni sperimentali di missioni pionieristiche come la Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) e la Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) della NASA, insieme al recente dimostratore Airbus/CNES TELEO, vengono analizzate per illustrare i progressi pratici. Questo lavoro è motivato dal progresso in corso di uno studio presso Airbus DS, che mira a migliorare la missione TELEO. Lo scopo di questo studio è quindi di proporre e analizzare miglioramenti al processo di acquisizione, in particolare attraverso metodi di scansione step-and-stare ottimizzati, con l'obiettivo di migliorare la velocità di operazione, garantendo la sua automaticità, e contribuendo così alla futura realizzazione di sistemi di comunicazione satellitare ottica ad alta capacità.