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(yùn)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(gè)人電腦使用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，一般是將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)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(duì)輕松地收發(fā)數(shù)據(jù)。

  JAXA將開始運(yùn)用的通信系統(tǒng)“LUCAS”把與地面相對(duì)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(cè)衛(wèi)星結(jié)合起來(lái)。在同步衛(wèi)星上安裝主要接收光信號(hào)的裝置，在地球觀測(cè)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(shí)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(dòng)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(cè)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(guó)產(chǎn)火箭“H2A”43號(hào)機(jī)于2020年11月送入太空。JAXA攜手日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT），確認(rèn)了在模擬地球觀測(cè)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(hào)。2021年度內(nèi)將發(fā)射地球觀測(cè)衛(wèi)星“大地3號(hào)”，在經(jīng)過數(shù)月的動(dòng)作確認(rèn)后開始運(yùn)用LUCAS系統(tǒng)。

  之所以用同步衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，是因?yàn)榈厍蛴^測(cè)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(shí)間方面的制約。如果采用中轉(zhuǎn)方式，可傳輸時(shí)段能達(dá)到約4倍，能實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間將延長(zhǎng)。

  大地3號(hào)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，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(shí)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(shí)的災(zāi)區(qū)圖像，也能順暢通信，有望用于救援活動(dòng)和農(nóng)業(yè)、漁業(yè)。

  信號(hào)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(lái)擴(kuò)增光信號(hào)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(hào)，但無(wú)法通過水等來(lái)對(duì)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(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(dǎo)致無(wú)法通信。電波通信需要取得牌照，以及與其他國(guó)家和組織針對(duì)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(bào)通信研究機(jī)構(gòu)的宇宙通信研究室室長(zhǎng)豐嶋守生表示，“不需要牌照和國(guó)際間頻率協(xié)調(diào)”。

  在海外，歐洲航天局（ESA）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的光通信。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）也計(jì)劃在2021年度內(nèi)啟動(dòng)衛(wèi)星間的光通信。

  在美國(guó)主導(dǎo)的載人月球探測(cè)計(jì)劃“阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)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(jì)宇宙空間站和各個(gè)衛(wèi)星之間將采用光通信。

  日本的LUCAS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用與光纖相同波長(zhǎng)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(guó)太空初創(chuàng)企業(yè)SpaceX提出計(jì)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(jì)劃采用光信號(hào)。

  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(bào)通信研究機(jī)構(gòu)預(yù)定在2024年實(shí)施在向地面?zhèn)鬏斝l(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)情況區(qū)別使用電波和光的實(shí)驗(yàn)。