日本將在太空采用光通信，速度媲美5G

  ICC訊 日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）最早將在2021年度內開始運用在人造衛(wèi)星間通信中采用光的系統(tǒng)。光通信的數(shù)據(jù)傳輸速度是以往采用電波的通信的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，也有望用于互聯(lián)網(wǎng)連接、與環(huán)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能手機和個人電腦使用互聯(lián)網(wǎng)時，一般是將攜帶信息的數(shù)字信號轉換為光，通過光纖電纜將信息傳送給接收方。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(lián)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，能夠相對輕松地收發(fā)數(shù)據(jù)。

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

  采用該系統(tǒng)時衛(wèi)星間的通信速度為每秒1.8GB，有望接近在智能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(wèi)星中轉，將地球觀測衛(wèi)星拍攝的森林和田野等圖像傳回地球。

  同步衛(wèi)星已經(jīng)由日本國產(chǎn)火箭“H2A”43號機于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(wèi)星的地面裝置和同步衛(wèi)星之間能正常收發(fā)光信號。2021年度內將發(fā)射地球觀測衛(wèi)星“大地3號”，在經(jīng)過數(shù)月的動作確認后開始運用LUCAS系統(tǒng)。

  之所以用同步衛(wèi)星中轉，是因為地球觀測衛(wèi)星在繞地球1周的90分鐘里只有約10分鐘能向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，存在時間方面的制約。如果采用中轉方式，可傳輸時段能達到約4倍，能實時發(fā)送數(shù)據(jù)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厘米間隔拍攝地面情況。不過，高分辨率圖像的數(shù)據(jù)量非常大。如果采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(shù)據(jù)。即使以高分辨率拍攝自然環(huán)境和發(fā)生災害時的災區(qū)圖像，也能順暢通信，有望用于救援活動和農(nóng)業(yè)、漁業(yè)。

  信號收發(fā)裝置性能的提高使太空中的光通信變?yōu)榭赡堋Ｔ诤５坠饫|中采用的通過在途中設置中轉器來擴增光信號的方式在太空當中難度很大。需要發(fā)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產(chǎn)生的熱進行冷卻。日本NEC開發(fā)了即使發(fā)出強力激光也能散熱的裝置，太空中的光通信變?yōu)榭赡堋?

NEC開發(fā)的裝置（照片由JAXA提供）

  光通信還有其他優(yōu)點。在采用電波的情況下，如果無序進行通信，將會產(chǎn)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(xié)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(jù)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(xié)調”。

  在海外，歐洲航天局（ESA）已經(jīng)實現(xiàn)衛(wèi)星間的光通信。美國國家航空航天局（NASA）也計劃在2021年度內啟動衛(wèi)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空間站“Gateway”的構想。預計宇宙空間站和各個衛(wèi)星之間將采用光通信。

  日本的LUCAS系統(tǒng)的優(yōu)點是采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(tǒng)的約1.5倍。

  美國太空初創(chuàng)企業(yè)SpaceX提出計劃稱，把每顆可向1000公里以上廣大范圍發(fā)射電波的衛(wèi)星用作接入互聯(lián)網(wǎng)的“基站”，在全世界構建互聯(lián)網(wǎng)利用環(huán)境。衛(wèi)星間的通信計劃采用光信號。

  此外，還有在衛(wèi)星和地面之間的通信中采用光的構想。雖然面臨著光比電波更容易受到雨和云影響的課題，不過其思路在于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?zhèn)鬏斝l(wèi)星數(shù)據(jù)時根據(jù)情況區(qū)別使用電波和光的實驗。