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(kāi)發(fā)機構（JAXA）最早將在2021年度內開(kāi)始運用在人造衛星間通信中采用光的系統。光通信的數據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(jìn)行通信的示意圖（JAXA提供）

  在日常生活中通過(guò)智能手機和個(gè)人電腦使用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，一般是將攜帶信息的數字信號轉換為光，通過(guò)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(luò )方面，多是使用電波。電波不易受到天氣的影響，容易傳輸較遠距離，能夠相對輕松地收發(fā)數據。

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

  采用該系統時(shí)衛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(dòng)服務(wù)的5G的目前速度（每秒2~4GB）。通過(guò)同步衛星中轉，將地球觀(guān)測衛星拍攝的森林和田野等圖像傳回地球。

  同步衛星已經(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(guān)測衛星的地面裝置和同步衛星之間能正常收發(fā)光信號。2021年度內將發(fā)射地球觀(guān)測衛星“大地3號”，在經(jīng)過(guò)數月的動(dòng)作確認后開(kāi)始運用LUCAS系統。

  之所以用同步衛星中轉，是因為地球觀(guān)測衛星在繞地球1周的90分鐘里只有約10分鐘能向地面傳輸數據，存在時(shí)間方面的制約。如果采用中轉方式，可傳輸時(shí)段能達到約4倍，能實(shí)時(shí)發(fā)送數據的時(shí)間將延長(cháng)。

  大地3號的特點(diǎn)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(guò)，高分辨率圖像的數據量非常大。如果采用傳輸速度達到電波7倍以上的光，則能在相同時(shí)間內傳輸7倍以上的數據。即使以高分辨率拍攝自然環(huán)境和發(fā)生災害時(shí)的災區圖像，也能順暢通信，有望用于救援活動(dòng)和農業(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(guò)在途中設置中轉器來(lái)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(wú)法通過(guò)水等來(lái)對光產(chǎn)生的熱進(jìn)行冷卻。日本NEC開(kāi)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(kāi)發(fā)的裝置（照片由JAXA提供）

  光通信還有其他優(yōu)點(diǎn)。在采用電波的情況下，如果無(wú)序進(jìn)行通信，將會(huì )產(chǎn)生干擾，導致無(wú)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。

  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(cháng)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(shí)現衛星間的光通信。美國國家航空航天局（NASA）也計劃在2021年度內啟動(dòng)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空間站“Gateway”的構想。預計宇宙空間站和各個(gè)衛星之間將采用光通信。

  日本的LUCAS系統的優(yōu)點(diǎn)是采用與光纖相同波長(cháng)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(chuàng )企業(yè)SpaceX提出計劃稱(chēng)，把每顆可向1000公里以上廣大范圍發(fā)射電波的衛星用作接入互聯(lián)網(wǎng)的“基站”，在全世界構建互聯(lián)網(wǎng)利用環(huán)境。衛星間的通信計劃采用光信號。

  此外，還有在衛星和地面之間的通信中采用光的構想。雖然面臨著(zhù)光比電波更容易受到雨和云影響的課題，不過(guò)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(shí)施在向地面傳輸衛星數據時(shí)根據情況區別使用電波和光的實(shí)驗。