これにより、月面着陸を4Kの超鮮明な映像でライブで視聴することが可能になります

広大な宇宙を見上げたとき、宇宙でミッションを遂行する宇宙飛行士や宇宙船が地上とどのように通信しているのか疑問に思ったことはありませんか?距離が長いとデータ伝送に支障が生じますか?

従来の深宇宙通信：良好な信号を得たい場合、アンテナは短くすることはできない

深宇宙通信について紹介する前に、まず深宇宙通信で使われる「無線周波数伝送システム」について理解する必要があります。いわゆる無線周波数伝送システムとは、無線周波数通信を行うことができる装置を指します。宇宙通信に使用される無線周波数帯域は、主に 30MHz から 30GHz の範囲に集中しています。このスペクトル部分は、マイクロ波通信と短波通信の一部をカバーし、主に衛星信号やテレビ信号の送信などに使用されます。

深宇宙ミッションを実行する宇宙船は、通常、通信に 2.02 ～ 2.30 GHz の周波数帯域を使用します。無線周波数伝送システムにより、深宇宙探査機はデータの送信など地球との通信が可能になります。

この通信方法の問題点は明らかです。データの受信が遅いのです。ニューホライズンズ冥王星探査機を例にとると、地球から73億キロ離れた場所から送信されるデータのダウンリンク速度は1秒あたり1〜4KBに過ぎず、すべてのデータを送信するのに約20か月かかります。

「無線RF伝送システム」について理解できたところで、深宇宙通信そのものに戻りましょう。原則として、深宇宙通信には送信機と受信機という 2 つの中核要素があります。

送信機は変調された情報を電磁波にエンコードし、波の特性を変えて関連データを「埋め込み」ます。電磁波は空間を移動して受信機に到達し、受信機は電磁波を復調および復号して送信者の情報を取得します。

無線周波数伝送システムを使用する場合、信号対雑音比を改善するために、より大きな直径のアンテナが必要になります。ただし、信号対雑音比を改善するということは帯域幅を圧縮することを意味し、1 秒あたりの伝送速度は制限されます。

国際宇宙ステーションに設置されたILLUMA-Tレーザー探査装置

(画像提供: NASA)

アンテナの直径を単純に拡大することは不可能です。 NASA の深宇宙ネットワークは、重量が 7,000 トンを超え、非常に大きなサーボ機構を備えた 70 メートルのアンテナを使用しています。したがって、1秒あたりに伝送できるデータ量を増やすために帯域幅を増やすには、通信方法を変更する必要があります。

オーストラリアのキャンベラにあるキャンベラ深宇宙通信センターの無線アンテナ。通信方法を変えることで、より多くのデータを伝送できるようになります。

(画像提供: NASA)

4K高解像度の月面着陸ビデオを見たいですか?レーザー通信があなたを助けます

NASA は、宇宙から地上へデータを通信する革新的な方法、レーザー通信リレー実証プロジェクト (LCRD) を開始しました。 2021年12月7日、プロジェクトはエンジニアリング検証フェーズに入りました。

実験は高度35,000キロメートルの静止軌道で実施された。具体的な実施計画としては、STPSat-6検出器を軌道上に打ち上げ、ハワイとカリフォルニアの2つの地上局を空対地レーザーで接続し、国際宇宙ステーションの光端末を利用してデータを送受信し、改良されたレーザー通信技術を検証することだ。

LCRD実証プロジェクトの光学モジュール。赤外線レーザーを放射するために使用される。

(画像提供: NASA)

高軌道レーザー通信が成功すれば、同期軌道よりも低い場所でもレーザー通信が可能になります。

LCRD 実証プロジェクトは、NASA 初の双方向光通信中継衛星です。その前身は2013年に打ち上げられた月レーザー通信実証（LLD）である。後者は宇宙レーザー伝送の実現可能性を検証し、前者は宇宙レーザーの伝送速度を数億ビットから10億ビットに高め、帯域幅を改善した。

2013年に開始された月レーザー通信実証プロジェクトでは、地球と月間のレーザー通信の実現可能性が検証されました。

(画像提供: NASA)

NASAのレーザー通信中継の実証は、将来の宇宙通信への扉を開いたと言え、深宇宙通信技術は劇的な変化を遂げることになるだろう。

たとえば、アポロの月面着陸の際、月面探査機は無線周波数システムを使用して月面着陸の状況をリアルタイムで送信し、地上では粗い白黒ビデオしか受信できませんでした。レーザー伝送を使用すれば、月周回軌道から4Kの高解像度の月面着陸ビデオをアップロードできます。伝送速度に関しては、目に見えない赤外線レーザーを介してデータが送受信され、そのデータ伝送速度は従来の宇宙船の無線周波数通信システムの10〜100倍です。

2013 年の月レーザー通信のデモンストレーションでは、月から地球へ毎秒数億ビットの速度でデータを送信する能力が実証されました。これは、100 を超える高精細テレビチャンネルに同時に相当します。

レーザー通信リレー実証プロジェクトは、1.2ギガビット/秒の速度を達成するように設計されています。この速度であれば、静止軌道から1分で映画をアップロードすることができます。

無線周波数システムと比較すると、レーザー通信システムは小型、軽量で、消費電力も少なくなります。これらの利点は、より高い帯域幅と相まって、無人探査機や宇宙飛行士が太陽系のさまざまな天体を探索するのに大いに役立ちます。

月面着陸の生中継には期待があるが、まだ道のりは長い

レーザー通信の最も実用的な意義は、月への帰還の過程を見る機会が得られることです。月は私たちから約38万キロ離れています。光の速度は秒速30万キロメートルに近いので、目立った遅延はないと言えます。こうすることで、月面着陸のライブ中継がより鮮明になり、ハイビジョンのライブ中継を視聴するのと同等になります。

もちろん、宇宙レーザー通信には欠点もあります。従来の宇宙船の無線周波数通信とは異なり、光信号は雲を透過できません。つまり、宇宙ベースのレーザー通信を実行する場合、天候による通信中断を避けるために、複数の中継局を設置する必要があるということです。 NASAは、この地域に雲が少ないことから、カリフォルニア州のメサとハワイ州のアカラの2つの地上局を選んだ。

ハワイのレーザー通信地上受信装置

(画像提供: NASA)

さらに、レーザー通信の開発はまだ初期段階にあるため、無線周波数通信が置き換えられることを心配する必要はありません。レーザー通信は無線通信の欠点を補い、深宇宙ミッションの通信機能をさらに強力にすることができます。厳密に言えば、深宇宙通信には200万キロメートル以上の距離が必要です。 NASA が同期軌道と月周回軌道で実施したテストは、レーザー通信の初期段階に過ぎません。地球-月系内に完全な接続メカニズムを確立することによってのみ、それを他の深宇宙ミッションに拡張することができます。

NASAレーザー通信実証衛星

(画像提供: NASA)

通信距離を延長する場合、遅延の問題を避けることは困難です。例えば、宇宙飛行士を火星に着陸させる場合、火星が地球に最も近いときには信号の遅延は約 4 分、火星が地球から最も遠いときには信号の遅延は約 24 分です。当然のことながら、遅延によって引き起こされるその他の影響に対処する前に、まずレーザー通信伝送の安定性を確保する必要があります。

レーザー通信の未来は明るく、リアルタイム制御も夢ではない

将来の応用としては、レーザー通信は太陽系のさらに遠くにある小惑星や天体の探査ミッションにも拡張される可能性があります。基本的なデータ伝送に加えて、3D高解像度ビデオ信号も地球に送信することができ、地上の科学者が遠方の天体の着陸装置をリアルタイムで操作することができ、実質的に遠隔監視と制御を実現します。この応用シナリオは、地球外天体の表面の無人着陸機探査に適しており、無線周波数とレーザーを組み合わせて火星の地下洞窟のリアルタイム探査を行うこともできます。

天体統合情報ネットワークのトレンドが近づくにつれ、従来のマイクロ波通信方式は帯域幅と速度に制限され、現在のマルチメディアビジネスのニーズを満たすことがますます困難になっています。レーザー通信も、マイクロ波通信に代わる最良のソリューションの 1 つになりつつあります。特に、航空輸送、宇宙打ち上げなどの大規模な航空宇宙プロジェクトやその他主要なアプリケーションでは、レーザー通信技術によって高ダイナミック衛星レーザーネットワークを構築し、宇宙ベースの情報サービスの範囲を拡大することもできます。

レーザー通信技術は、高ダイナミック衛星レーザーネットワークを構築し、宇宙ベースの情報サービスの範囲を拡大することもできます。

(画像提供: NASA)

中国の北斗衛星と地上局の間でもレーザー信号伝送が使用されていることは注目に値します。関連する高速通信実験が完了しており、速度は5Gネットワ​​ークよりも高速です。

近い将来、我が国は世界初のグローバルレーザー通信ネットワークを構築し、衛星インターネットの大規模な応用も実現するでしょう。最近、CCTVなどのメディアで新世代の大型ロケットが開発中であるというニュースが報じられましたが、これは我が国が近い将来に有人月面着陸を達成できるかもしれないことを意味します。レーザー通信技術が成熟するにつれ、有人月面着陸の分野にも応用され、中国の月面着陸のリアルタイム生中継が実現すると信じています。

参考文献:

[1] レーザー通信中継実証プロジェクトホームページ：

https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html

[2] NASAの光通信における次のステップ

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf

[3] 鄭雲強、劉桓、孟家成、王玉飛、聶文超、呉俊霞、魏廷廷、魏仙濤、袁瞻超、王偉、謝小平。空中レーザー通信と主要技術の研究の進歩と動向 [J/OL]。赤外線・レーザー工学：1-15 [2021-12-17]。