日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）最早將在2021年度內開始運用在人造衛星間通信中採用光的系統。光通信的數據傳輸速度是以往採用電波的通信的7倍以上，接近目前的高速通信標準5G。如果在太空中普及大容量的光通信，也有望用於網際網路連接、與環月基地的通信等新用途。

 

在太空中利用光進行通信的示意圖（JAXA提供）

 

       在日常生活中通過智慧手機和個人電腦使用網際網路時，一般是將攜帶資訊的數位信號轉換為光，通過光纖電纜將資訊傳送給接收方。光是地面通信基礎設施的主角。

 

       另一方面，在太空中及太空與地面的聯絡方面，多是使用電波。電波不易受到天氣的影響，容易傳輸較遠距離，能夠相對輕鬆地收發數據。

 

       JAXA將開始運用的通信系統「LUCAS」把與地面相對靜止的同步衛星和環繞地球周圍、拍攝各種情況的2顆地球觀測衛星結合起來。在同步衛星上安裝主要接收光信號的裝置，在地球觀測衛星上安裝傳輸光的裝置，以此交換資訊。

 

       採用該系統時衛星間的通信速度為每秒1.8GB，有望接近在智慧手機等之上啟動服務的5G的目前速度（每秒2~4GB）。通過同步衛星轉机，將地球觀測衛星拍攝的森林和田野等圖像傳回地球。

 

       同步衛星已經由日本國産火箭「H2A」43號機於2020年11月送入太空。JAXA攜手日本情報通信研究機構（NICT），確認了在模擬地球觀測衛星的地面裝置和同步衛星之間能正常收發光信號。2021年度內將發射地球觀測衛星「大地3號」，在經過數月的動作確認後開始運用LUCAS系統。

 

       之所以用同步衛星轉机，是因為地球觀測衛星在繞地球1周的90分鐘裏只有約10分鐘能向地面傳輸數據，存在時間方面的制約。如果採用轉机方式，可傳輸時段能達到約4倍，能實時發送數據的時間將延長。

 

       大地3號的特點是精度高，即使離地面600公里以上，也能以80釐米間隔拍攝地面情況。不過，高解析度圖像的數據量非常大。如果採用傳輸速度達到電波7倍以上的光，則能在相同時間內傳輸7倍以上的數據。即使以高解析度拍攝自然環境和發生災害時的災區圖像，也能順暢通信，有望用於救援活動和農業、漁業。

 

 

       信號收發裝置性能的提高使太空中的光通信變為可能。在海底光纜中採用的通過在途中設置轉机器來擴增光信號的方式在太空檔中難度很大。需要發送地面10倍以上的高輸出功率的光信號，但無法通過水等來對光産生的熱進行冷卻。日本NEC開發了即使發出強力雷射也能散熱的裝置，太空中的光通信變為可能。

 

NEC開發的裝置（照片由JAXA提供）

 

       光通信還有其他優點。在採用電波的情況下，如果無序進行通信，將會産生干擾，導致無法通信。電波通信需要取得牌照，以及與其他國家和組織針對頻率進行協調。

 

       另一方面，光之間不易相互干擾。雖然存在光強度等安全基準，但據日本情報通信研究機構的宇宙通信研究室室長豐嶋守生表示，「不需要牌照和國際間頻率協調」。

 

       在海外，歐洲航太局（ESA）已經實現衛星間的光通信。美國國家航空航太局（NASA）也計劃在2021年度內啟動衛星間的光通信。

 

       在美國主導的載人月球探測計劃「阿爾忒彌斯（Artemis）計劃」當中，NASA提出在繞月軌道建設宇宙太空站「Gateway」的構想。預計宇宙太空站和各個衛星之間將採用光通信。

 

       日本的LUCAS系統的優點是採用與光纖相同波長的光，能控制零部件成本。通信速度也達到NASA系統的約1.5倍。

 

       美國太空初創企業SpaceX提出計劃稱，把每顆可向1000公里以上廣大範圍發射電波的衛星用作接入網際網路的「基地台」，在全世界構建網際網路利用環境。衛星間的通信計劃採用光信號。

 

       此外，還有在衛星和地面之間的通信中採用光的構想。雖然面臨著光比電波更容易受到雨和雲影響的課題，不過其思路在於能否充分利用大容量的光。日本情報通信研究機構預定在2024年實施在向地面傳輸衛星數據時根據情況區別使用電波和光的實驗。

 

       日本經濟新聞（中文版：日經中文網）大越優樹

 

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