激光指向系统可以帮助小微卫星向地球传输数据
自1998年以来，已有近2000个鞋盒大小的卫星CubeSat被发射到太空。由于它们的小巧框架以及它们可以用现成的零件制成，因此CubeSats的制造和发射成本远远低于传统庞然大物。
CubeSats已经成为卫星技术的游戏规则改变者，因为它们可以成群发送，以便廉价地监视地球表面的大片区域。但随着越来越多的小型化仪器使CubeSat能够拍摄非常详细的图像，由于功率和尺寸的限制，微型航天器难以有效地将大量数据传输到地球。
用于CubeSat的新型激光指向平台（在光学工程期刊中有详细介绍）使CubeSat能够以比现有技术更高的速率使用更少的机载资源来下载数据。每次CubeSat经过地面站时，卫星应该能够下载数千个高分辨率图像，而不是每次只发送一些图像。
“为了从地球观测中获得有价值的见解，可以使用高光谱图像，这些图像可以拍摄多个波长的图像并创建数TB的数据，而且CubeSats很难下降，”航空航天副教授Kerri Cahoy说道。在麻省理工学院。“但是使用高速率的lasercom系统，你可以快速发送这些详细的图像。我认为这种能力将使整个CubeSat方法，使用轨道上的许多卫星，这样你就可以获得全球和实时报道，更多是现实。“
Cahoy是麻省理工学院罗克韦尔国际职业发展副教授，他是该论文的共同作者，也是研究生Ondrej Cierny，他是第一作者。
超越无线电
卫星通常通过无线电波下行数据，无线电波用于将较高速率链路发送到大型地面天线。空间中的每个主要卫星都在高频无线电频段内通信，使它们能够快速传输大量数据。但是更大的卫星可以容纳支持高速下行链路所需的更大的天线盘或阵列。CubeSats太小，并且对可支持高速链路的频段的访问也很有限。
“小型卫星不能使用这些频段，因为它需要清除许多监管障碍，并且通常会分配给像大型地球静止卫星这样的大型播放器，”Cahoy说。
更重要的是，高速率数据下行链路所需的发射机可以使用比微型卫星更多的功率，同时仍然支持有效载荷。由于这些原因，研究人员将激光作为CubeSat的另一种通信形式，因为它们的尺寸更加紧凑，功率更高，在紧密聚焦的光束中包含更多的数据。
但激光通信也存在一个重大挑战：由于光束比无线电波束更窄，因此将光束指向地面上的接收器需要更加精确。
“想象一下，站在一条长长的走廊的尽头，指着一个像手电筒一样的胖梁，在另一端的靶心上，”Cahoy说道。“我可以稍稍摆动一下手臂，光束仍会撞到靶心。但如果我使用激光指示器，如果我移动一点点，光束就可以很容易地从靶心移开。挑战是保持激光即使卫星摆动，它仍然在靶心上。“
颜色，转移
NASA的光通信和传感器演示使用CubeSat激光通信系统，该系统基本上倾斜和倾斜整个卫星，使其激光束与地面站对齐。但是这种转向系统需要时间和资源，并且为了实现更高的数据速率，需要更强大的激光器 - 它可以使用卫星的大部分功率并在船上产生大量的热量。
Cahoy和她的团队希望开发出一种精确的激光指向系统，该系统可以最大限度地减少下行链路所需的能量和时间，并且可以使用功率更低，更窄的激光器，但仍能实现更高的数据传输速率。
该团队开发了一个激光指向平台，比Rubik的立方体略大，它包含一个小型的，现成的可操纵MEMS镜。镜子比计算机键盘上的一个键小，面向一个小的激光器，并且成角度，以便激光可以从镜子反射回空间，然后朝向地面接收器。
“即使整个卫星有点错位，你仍然可以用这个镜子来纠正它，”Cierny说。“但是这些MEMS镜子并没有给你关于他们指向的位置的反馈。说你的系统镜子是不对齐的，这可能发生在发射过程中的一些振动之后。我们如何纠正这一点，并确切知道我们在哪里指点？”
作为一种解决方案，Cierny开发了一种校准技术，可以确定激光器与地面站目标的偏差程度，并自动校正镜子的角度，以精确地将激光指向其接收器。
该技术将额外的激光颜色或波长结合到光学系统中。因此，不仅仅是数据光束通过，而是通过它发送不同颜色的第二校准光束。两束光从镜子反射，校准光束通过“二向色分束器”，这是一种光学元件，可转移特定波长的光 - 在这种情况下，附加颜色远离主光束。当其余的激光向地面站传播时，转向的光束被引导回车载摄像机。该摄像机还可以直接从地面站接收上行激光束或信标; 这用于使卫星指向正确的地面目标。
如果信标光束和校准光束落在车载摄像机探测器上的同一位置，系统就会对准，研究人员可以确定激光器是否正确定位以便下行到地面站。然而，如果光束落在摄像机探测器的不同部分上，Cierny开发的算法指示机载MEMS镜面倾斜或倾斜，以便校准激光束点与地面站的信标点重新对准。
“这就像两个点进入相机的猫和老鼠，你想要翻转镜子使一个点位于另一个点之上，”
为了测试该技术的准确性，研究人员设计了一个实验室工作台设置，其中包括激光指向平台和类似信标的激光信号。该设置旨在模拟一种情况，即卫星在地面站以上400公里的高度飞行，并在10分钟的立交桥中传输数据。
他们将所需的最低指向精度设置为0.65毫弧度 - 这一指标对应于其设计可接受的角度误差。在他们的实验中，他们改变了信标激光器的入射角度，并观察了镜子如何倾斜和倾斜以匹配信标。最后，校准技术实现了0.05毫弧度的精度 - 远远超过任务所需的精度。
Cahoy表示，结果意味着该技术可以轻松调整，因此它可以精确对准比原计划更窄的激光束，这反过来又可以使CubeSats传输大量数据，如植被，野火，海洋的图像和视频浮游植物和大气气体，数据速率高。
“这表明你可以安装一个低功率系统，可以在这个微小的平台上制作这些窄光束，比以前做过的任何东西都要小10到100倍，”Cahoy说。“唯一比实验室结果更令人兴奋的事情就是从轨道上看到这一点。这真的激发了这些系统的构建并将它们带到了那里。”
自1998年以来，已有近2000个鞋盒大小的卫星CubeSat被发射到太空。由于它们的小巧框架以及它们可以用现成的零件制成，因此CubeSats的制造和发射成本远远低于传统庞然大物。
CubeSats已经成为卫星技术的游戏规则改变者，因为它们可以成群发送，以便廉价地监视地球表面的大片区域。但随着越来越多的小型化仪器使CubeSat能够拍摄非常详细的图像，由于功率和尺寸的限制，微型航天器难以有效地将大量数据传输到地球。
用于CubeSat的新型激光指向平台（在光学工程期刊中有详细介绍）使CubeSat能够以比现有技术更高的速率使用更少的机载资源来下载数据。每次CubeSat经过地面站时，卫星应该能够下载数千个高分辨率图像，而不是每次只发送一些图像。
“为了从地球观测中获得有价值的见解，可以使用高光谱图像，这些图像可以拍摄多个波长的图像并创建数TB的数据，而且CubeSats很难下降，”航空航天副教授Kerri Cahoy说道。在麻省理工学院。“但是使用高速率的lasercom系统，你可以快速发送这些详细的图像。我认为这种能力将使整个CubeSat方法，使用轨道上的许多卫星，这样你就可以获得全球和实时报道，更多是现实。“
Cahoy是麻省理工学院罗克韦尔国际职业发展副教授，他是该论文的共同作者，也是研究生Ondrej Cierny，他是第一作者。
超越无线电
卫星通常通过无线电波下行数据，无线电波用于将较高速率链路发送到大型地面天线。空间中的每个主要卫星都在高频无线电频段内通信，使它们能够快速传输大量数据。但是更大的卫星可以容纳支持高速下行链路所需的更大的天线盘或阵列。CubeSats太小，并且对可支持高速链路的频段的访问也很有限。
“小型卫星不能使用这些频段，因为它需要清除许多监管障碍，并且通常会分配给像大型地球静止卫星这样的大型播放器，”Cahoy说。
更重要的是，高速率数据下行链路所需的发射机可以使用比微型卫星更多的功率，同时仍然支持有效载荷。由于这些原因，研究人员将激光作为CubeSat的另一种通信形式，因为它们的尺寸更加紧凑，功率更高，在紧密聚焦的光束中包含更多的数据。
但激光通信也存在一个重大挑战：由于光束比无线电波束更窄，因此将光束指向地面上的接收器需要更加精确。
“想象一下，站在一条长长的走廊的尽头，指着一个像手电筒一样的胖梁，在另一端的靶心上，”Cahoy说道。“我可以稍稍摆动一下手臂，光束仍会撞到靶心。但如果我使用激光指示器，如果我移动一点点，光束就可以很容易地从靶心移开。挑战是保持激光即使卫星摆动，它仍然在靶心上。“
颜色，转移
NASA的光通信和传感器演示使用CubeSat激光通信系统，该系统基本上倾斜和倾斜整个卫星，使其激光束与地面站对齐。但是这种转向系统需要时间和资源，并且为了实现更高的数据速率，需要更强大的激光器 - 它可以使用卫星的大部分功率并在船上产生大量的热量。
Cahoy和她的团队希望开发出一种精确的激光指向系统，该系统可以最大限度地减少下行链路所需的能量和时间，并且可以使用功率更低，更窄的激光器，但仍能实现更高的数据传输速率。
该团队开发了一个激光指向平台，比Rubik的立方体略大，它包含一个小型的，现成的可操纵MEMS镜。镜子比计算机键盘上的一个键小，面向一个小的激光器，并且成角度，以便激光可以从镜子反射回空间，然后朝向地面接收器。
“即使整个卫星有点错位，你仍然可以用这个镜子来纠正它，”Cierny说。“但是这些MEMS镜子并没有给你关于他们指向的位置的反馈。说你的系统镜子是不对齐的，这可能发生在发射过程中的一些振动之后。我们如何纠正这一点，并确切知道我们在哪里指点？”
作为一种解决方案，Cierny开发了一种校准技术，可以确定激光器与地面站目标的偏差程度，并自动校正镜子的角度，以精确地将激光指向其接收器。
该技术将额外的激光颜色或波长结合到光学系统中。因此，不仅仅是数据光束通过，而是通过它发送不同颜色的第二校准光束。两束光从镜子反射，校准光束通过“二向色分束器”，这是一种光学元件，可转移特定波长的光 - 在这种情况下，附加颜色远离主光束。当其余的激光向地面站传播时，转向的光束被引导回车载摄像机。该摄像机还可以直接从地面站接收上行激光束或信标; 这用于使卫星指向正确的地面目标。
如果信标光束和校准光束落在车载摄像机探测器上的同一位置，系统就会对准，研究人员可以确定激光器是否正确定位以便下行到地面站。然而，如果光束落在摄像机探测器的不同部分上，Cierny开发的算法指示机载MEMS镜面倾斜或倾斜，以便校准激光束点与地面站的信标点重新对准。
“这就像两个点进入相机的猫和老鼠，你想要翻转镜子使一个点位于另一个点之上，”
为了测试该技术的准确性，研究人员设计了一个实验室工作台设置，其中包括激光指向平台和类似信标的激光信号。该设置旨在模拟一种情况，即卫星在地面站以上400公里的高度飞行，并在10分钟的立交桥中传输数据。
他们将所需的最低指向精度设置为0.65毫弧度 - 这一指标对应于其设计可接受的角度误差。在他们的实验中，他们改变了信标激光器的入射角度，并观察了镜子如何倾斜和倾斜以匹配信标。最后，校准技术实现了0.05毫弧度的精度 - 远远超过任务所需的精度。
Cahoy表示，结果意味着该技术可以轻松调整，因此它可以精确对准比原计划更窄的激光束，这反过来又可以使CubeSats传输大量数据，如植被，野火，海洋的图像和视频浮游植物和大气气体，数据速率高。
“这表明你可以安装一个低功率系统，可以在这个微小的平台上制作这些窄光束，比以前做过的任何东西都要小10到100倍，”Cahoy说。“唯一比实验室结果更令人兴奋的事情就是从轨道上看到这一点。这真的激发了这些系统的构建并将它们带到了那里。”
绿色建筑技术与建筑造型设计分析！
随着我国社会经济的不断发展，生态环境及人地矛盾等问题也越发地凸显出来。在这种环境下，就需要我国大力发展绿色环保技术，进而取代传统的生产技术，以降低对环境的污染。建筑行业的工程量庞大、建筑周期长、材料耗损大，因此更需要注重绿色建筑技术的应用，这样才能最大限度地降低对环境的污染，实现资源的节约，进而在追求功能性、美观性的基础上，推动建筑行业的持续发展。只有对绿色建筑技术进行充分的掌握，才能够提高建筑设计的合理性、艺术性，确保建筑物的生态效益、社会效益得到凸显。
绿色建筑技术在建筑行业发展中的现实意义
从我国建筑行业的发展现状看，我国的能源损耗较为严重，建设过程中的环境污染问题日益严峻。随着我国正在推行的绿色建筑政策，将会对城市的规划与发展带来全新的方向。依据我国发布的《绿色建筑行动方案》，在城镇化建筑物的建筑施工中，要求大力使用绿色建筑技术，并严格、强制落实节能标准，以确保城镇建筑物达到绿色建筑标准。而绿色建筑体系，不仅包括生态环保及土地集约利用，还包括再生能源利用、再生水利用及废弃物的回收利用等。在建筑行业的发展过程中，只有大力发展绿色建筑技术，并将其纳入建筑总体规划当中，才能对建筑过程中出现的各种违法、浪费、破坏行为进行约束，以全面推动建筑行业的健康发展。
绿色建筑技术在设计上的应用分析
绿色建筑设计不仅包涵场地规划、绿色规划，还包括建筑设计、造型设计、节能设计、能源利用、室内环境、节水与节材等内容。在利用绿色建筑技术进行设计时，还需要结合建筑地点的实际状况、气候条件等，充分利用光照、水源，通过围护结构的热工设计，光能利用、污水处理，来选用适当的绿色建筑材料，来营造一个良好的室内外建筑环境。
1.建筑形态与节能设计
绿色建筑设计，与传统的建筑物设计存在着根本性的差异，绿色建筑设计需要在设计前，需要通过量化分析，对能源损耗量、材料选用、采光条件、光照条件等进行优化设计。
2.绿色建筑设计的规划分析
在建筑场地的规划中，可利用先进的计算机建模技术，从建筑物朝向、布局及建筑物光、热、风、水等能源上，进行优化分析，再对设计方案的合理性进行调整，确保每一建筑物内都能够得到充足的日光，达到良好的通风条件、采光条件。
3.建筑物气候适宜性设计分析
在建筑物的设计分析上，还要基于建筑物的功能属性，从空间结构、室内外物理条件、地域气候、美观舒适、安全经济等着手，以顺应当地的气候条件与地质地貌，来对建筑物进行有效设计，达到人与自然融合发展的需求。建筑场地的环境问题，会导致资源与能源利用上的差异性，因此，除了要对绿色材料进行选择，还要顺应当地的气候、地质、水文特征。
绿色建筑技术对于建筑造型的设计影响
绿色建筑技术，会对建筑造成设计产生着直接性的影响，尤其在场地选择、节能节水、室内环境、材料与资源等方面尤为显著。因此，在进行绿色建筑的造型设计时，还需要对当地的各种绿色因素进行充分了解，并分析其可利用性，进而设计出让人耳目一新，又别具一格的建筑物。
1.绿色技术对建筑物空间布局的影响
在绿色建筑的设计中，通常利用采光、绿色植物及自然通风等技术，来节约建筑施工材料，以创建出一个自然、和谐、舒适的室内外环境，让建筑物更加的绿色环保。例如：在20世纪90年代建成的法兰克福商业银行，就充分利用了自然采光与自然通风，在隔八层在三角形平面侧边设置一个花园，通过旋转上升的花园设计，让每一层建筑物都得到良好的通风与采光，且造型独特，成为当时最著名的欧洲建筑物之一。此外，楼层还使用了双层玻璃的幕墙节能技术，以提高建筑物的保温隔热效果。
2.通风技术对建筑物造型设计的影响
绿色建筑技术中，风能也是较为重要的一项能源，对于建筑物的造型设计起着较大的影响作用。如：伦敦的瑞士再保险公司大厦，便是顺应自然条件，合理利用风能的建筑物。该建筑主要是基于自然通风与气流有序流动，通过子弹头曲线设计，来使建筑物对周边的气流产生有效的引导，使气流能够缓慢流经建筑表面，并通过捕风窗使得室内获得自然通风。另外，子弹头的流线形态，也能够有效避免强风与强烈下旋气流的产生，不仅对风能进行充分的利用，而且让建筑物的造型设计更加的独特、富有新意。
3.节能技术对建筑物设计造型的影响
节能技术是绿色建筑技术中的关键所在，对于建筑物的造型设计也会产生一定的影响。例如：伦敦市行政大厦就是通过遮阳技术，以减小建筑物的散热面积来达到节能目的。从整体上看，伦敦行政大楼为一个不规则正面的变形球体，该建筑与外界环境的接触面积较小，通过紧缩的变形球，有效减小太阳的直射，同时也控制寒冷季节下建筑物热量外界的传播。
4.采光技术对建筑物造型设计的影响
在20世纪60年代的时候，弗赖˙奥托通过对肥皂膜受力的研究，而发现了“光膜”结构，也就是通过孔与膜的组合，形成没有内部张力的单体结构。从德国的斯图加特火车站看，该建筑就是充分利用了“光膜”组合结构，来实现自然采光，且使得建筑物的造型更加的新型。由于火车站的空间较大，采光要求较高，而“光膜”结构是通过钢网、混凝土来构成一个支撑骨架，再在骨架上覆盖透明薄膜来完成，由于支撑骨架未悬挂拉力形态，该拉力的荷载代替的传统的屋顶压力荷载，不仅能够加大的节约材料，而且稳定较高、采光较好。
结束语
在当前科学技术的不断发展下，绿色施工技术也得到了较快的发展，不仅能够有效节约能源，而且能够解决建筑中保温、采光、通风等基本问题，来达到高效、节能的目的。而建筑物的结构性能评价，通常以环保性、功能性、造型作为依据。可以说，绿色建筑是顺应时代发展、尊重自然规律、体现持续发展的绿色建筑行为，无论是现在还是将来，都具有较大的发展空间。
随着我国社会经济的不断发展，生态环境及人地矛盾等问题也越发地凸显出来。在这种环境下，就需要我国大力发展绿色环保技术，进而取代传统的生产技术，以降低对环境的污染。建筑行业的工程量庞大、建筑周期长、材料耗损大，因此更需要注重绿色建筑技术的应用，这样才能最大限度地降低对环境的污染，实现资源的节约，进而在追求功能性、美观性的基础上，推动建筑行业的持续发展。只有对绿色建筑技术进行充分的掌握，才能够提高建筑设计的合理性、艺术性，确保建筑物的生态效益、社会效益得到凸显。
绿色建筑技术在建筑行业发展中的现实意义
从我国建筑行业的发展现状看，我国的能源损耗较为严重，建设过程中的环境污染问题日益严峻。随着我国正在推行的绿色建筑政策，将会对城市的规划与发展带来全新的方向。依据我国发布的《绿色建筑行动方案》，在城镇化建筑物的建筑施工中，要求大力使用绿色建筑技术，并严格、强制落实节能标准，以确保城镇建筑物达到绿色建筑标准。而绿色建筑体系，不仅包括生态环保及土地集约利用，还包括再生能源利用、再生水利用及废弃物的回收利用等。在建筑行业的发展过程中，只有大力发展绿色建筑技术，并将其纳入建筑总体规划当中，才能对建筑过程中出现的各种违法、浪费、破坏行为进行约束，以全面推动建筑行业的健康发展。
绿色建筑技术在设计上的应用分析
绿色建筑设计不仅包涵场地规划、绿色规划，还包括建筑设计、造型设计、节能设计、能源利用、室内环境、节水与节材等内容。在利用绿色建筑技术进行设计时，还需要结合建筑地点的实际状况、气候条件等，充分利用光照、水源，通过围护结构的热工设计，光能利用、污水处理，来选用适当的绿色建筑材料，来营造一个良好的室内外建筑环境。
1.建筑形态与节能设计
绿色建筑设计，与传统的建筑物设计存在着根本性的差异，绿色建筑设计需要在设计前，需要通过量化分析，对能源损耗量、材料选用、采光条件、光照条件等进行优化设计。
2.绿色建筑设计的规划分析
在建筑场地的规划中，可利用先进的计算机建模技术，从建筑物朝向、布局及建筑物光、热、风、水等能源上，进行优化分析，再对设计方案的合理性进行调整，确保每一建筑物内都能够得到充足的日光，达到良好的通风条件、采光条件。
3.建筑物气候适宜性设计分析
在建筑物的设计分析上，还要基于建筑物的功能属性，从空间结构、室内外物理条件、地域气候、美观舒适、安全经济等着手，以顺应当地的气候条件与地质地貌，来对建筑物进行有效设计，达到人与自然融合发展的需求。建筑场地的环境问题，会导致资源与能源利用上的差异性，因此，除了要对绿色材料进行选择，还要顺应当地的气候、地质、水文特征。
绿色建筑技术对于建筑造型的设计影响
绿色建筑技术，会对建筑造成设计产生着直接性的影响，尤其在场地选择、节能节水、室内环境、材料与资源等方面尤为显著。因此，在进行绿色建筑的造型设计时，还需要对当地的各种绿色因素进行充分了解，并分析其可利用性，进而设计出让人耳目一新，又别具一格的建筑物。
1.绿色技术对建筑物空间布局的影响
在绿色建筑的设计中，通常利用采光、绿色植物及自然通风等技术，来节约建筑施工材料，以创建出一个自然、和谐、舒适的室内外环境，让建筑物更加的绿色环保。例如：在20世纪90年代建成的法兰克福商业银行，就充分利用了自然采光与自然通风，在隔八层在三角形平面侧边设置一个花园，通过旋转上升的花园设计，让每一层建筑物都得到良好的通风与采光，且造型独特，成为当时最著名的欧洲建筑物之一。此外，楼层还使用了双层玻璃的幕墙节能技术，以提高建筑物的保温隔热效果。
2.通风技术对建筑物造型设计的影响
绿色建筑技术中，风能也是较为重要的一项能源，对于建筑物的造型设计起着较大的影响作用。如：伦敦的瑞士再保险公司大厦，便是顺应自然条件，合理利用风能的建筑物。该建筑主要是基于自然通风与气流有序流动，通过子弹头曲线设计，来使建筑物对周边的气流产生有效的引导，使气流能够缓慢流经建筑表面，并通过捕风窗使得室内获得自然通风。另外，子弹头的流线形态，也能够有效避免强风与强烈下旋气流的产生，不仅对风能进行充分的利用，而且让建筑物的造型设计更加的独特、富有新意。
3.节能技术对建筑物设计造型的影响
节能技术是绿色建筑技术中的关键所在，对于建筑物的造型设计也会产生一定的影响。例如：伦敦市行政大厦就是通过遮阳技术，以减小建筑物的散热面积来达到节能目的。从整体上看，伦敦行政大楼为一个不规则正面的变形球体，该建筑与外界环境的接触面积较小，通过紧缩的变形球，有效减小太阳的直射，同时也控制寒冷季节下建筑物热量外界的传播。
4.采光技术对建筑物造型设计的影响
在20世纪60年代的时候，弗赖˙奥托通过对肥皂膜受力的研究，而发现了“光膜”结构，也就是通过孔与膜的组合，形成没有内部张力的单体结构。从德国的斯图加特火车站看，该建筑就是充分利用了“光膜”组合结构，来实现自然采光，且使得建筑物的造型更加的新型。由于火车站的空间较大，采光要求较高，而“光膜”结构是通过钢网、混凝土来构成一个支撑骨架，再在骨架上覆盖透明薄膜来完成，由于支撑骨架未悬挂拉力形态，该拉力的荷载代替的传统的屋顶压力荷载，不仅能够加大的节约材料，而且稳定较高、采光较好。
结束语
在当前科学技术的不断发展下，绿色施工技术也得到了较快的发展，不仅能够有效节约能源，而且能够解决建筑中保温、采光、通风等基本问题，来达到高效、节能的目的。而建筑物的结构性能评价，通常以环保性、功能性、造型作为依据。可以说，绿色建筑是顺应时代发展、尊重自然规律、体现持续发展的绿色建筑行为，无论是现在还是将来，都具有较大的发展空间。
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