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(jī)構(gòu)（JAXA）最早將在2021年度內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行通信的示意圖（JAXA提供）

  在日常生活中通過智能手機(jī)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(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施的主角。

  另一方面，在太空中及太空與地面的聯(lián)絡(luò)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(yuǎn)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(jié)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(jī)等之上啟動服務(wù)的5G的目前速度（每秒2~4GB）。通過同步衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，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(jī)于2020年11月送入太空。JAXA攜手日本情報通信研究機(jī)構(gòu)（NICT），確認(rèn)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(nèi)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(rèn)后開始運用LUCAS系統(tǒng)。

  之所以用同步衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)方式，可傳輸時段能達(dá)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(dá)到電波7倍以上的光，則能在相同時間內(nèi)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(zāi)害時的災(zāi)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?。在海底光纜中采用的通過在途中設(shè)置中轉(zhuǎn)器來擴(kuò)增光信號的方式在太空當(dāng)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(jìn)行冷卻。日本NEC開發(fā)了即使發(fā)出強(qiáng)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(jìn)行通信，將會產(chǎn)生干擾，導(dǎo)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(jìn)行協(xié)調(diào)。

  另一方面，光之間不易相互干擾。雖然存在光強(qiáng)度等安全基準(zhǔn)，但據(jù)日本情報通信研究機(jī)構(gòu)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(diào)”。

  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(nèi)啟動衛(wèi)星間的光通信。

  在美國主導(dǎo)的載人月球探測計劃“阿爾忒彌斯（Artemis）計劃”當(dāng)中，NASA提出在繞月軌道建設(shè)宇宙空間站“Gateway”的構(gòu)想。預(yù)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(dá)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(gòu)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(gòu)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(jī)構(gòu)預(yù)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。