通信システムが宇宙からの最速レーザーリンクを実現

Dec 04, 2023

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2022 年 5 月、小型 CubeSat 衛星に搭載された TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) ペイロードが、地表上空 300 マイルの軌道に打ち上げられました。 それ以来、TBIRD はカリフォルニアの地上受信機への光通信リンクを介して、最大 100 ギガビット/秒という記録破りの速度でテラバイトのデータを配信してきました。これは、ほとんどの都市のインターネット最速速度の 100 倍です。 このデータ レートは、従来衛星通信に使用されていた無線周波数リンクの 1,000 倍以上であり、宇宙から地上へのレーザー リンクによって達成された史上最高のデータ レートです。 そして、これらの記録的な速度はすべて、ティッシュ箱ほどのサイズの通信ペイロードによって可能になりました。

MIT リンカーン研究所は、2014 年に科学ミッションに前例のない能力を低コストで提供する手段として TBIRD ミッションを概念化しました。 今日、宇宙にある科学機器は、通常の宇宙と地上の通信リンクを介して地球に返送できる量を超える量のデータを日常的に生成しています。 TBIRD は、小型、低コストの宇宙および地上端末を使用することで、世界中の科学者がレーザー通信を最大限に活用して、夢見ることのできたすべてのデータをダウンリンクできるようにします。

リンカーン研究所で設計および構築された TBIRD 通信ペイロードは、NASA のパスファインダー技術デモンストレーター プログラムの一環として、Terran Orbital によって製造された CubeSat に統合されました。 NASA エイムズ研究センターは、科学技術の実証機をより迅速かつ安価に軌道に乗せるための CubeSat バス (ペイロードに電力を供給し、操縦する「車両」) を開発するためにこのプログラムを設立しました。 重さ約 25 ポンド、シリアルの箱を 2 つ重ねた大きさの CubeSat は、2022 年 5 月にフロリダ州のケープカナベラル宇宙軍基地からスペース X のトランスポーター 5 ライドシェアミッションに乗って地球低軌道 (LEO) に打ち上げられました。カリフォルニア州テーブルマウンテンに位置しており、ほとんどの天候は山の頂上の下で起こるため、この部分の空はレーザー通信にとって比較的晴れています。 この地上局は、NASA ジェット推進研究所の光通信望遠鏡研究所の 1 メートル望遠鏡と補償光学系 (大気の乱流による歪みを補正するため) を活用しており、リンカーン研究所は TBIRD 固有の地上通信ハードウェアを提供しています。

同研究所のTBIRDペイロードおよび地上通信プログラムマネージャーであり、光・量子通信技術グループのアシスタントリーダーであるジェイド・ワン氏は、「われわれはこれまで以上に小さなパッケージで、これまで以上に高いデータレートを実証した」と語る。 「レーザーを使用して宇宙からデータを送信するというと未来的に聞こえるかもしれませんが、同じ技術コンセプトが私たちが毎日使用している光ファイバーインターネットの背後にあります。違いは、レーザー送信が閉じ込められたファイバー内ではなく、開放大気中で行われることです。」

電波からレーザー光へ

ビデオ会議、ゲーム、または高解像度の映画のストリーミングなど、ガラス (またはプラスチック) でできた光ファイバーを経由する高速データ リンクを使用しています。 人間の髪の毛ほどの直径のこれらのファイバーはケーブルに束ねられ、レーザーまたはその他の光源からの高速光パルスを介してデータを送信します。 光ファイバー通信はインターネット時代にとって最も重要であり、大量のデータを毎日迅速かつ確実に世界中に配信する必要があります。

しかし、衛星の場合、レーザー通信に基づく高速インターネットはまだ存在していません。 1950 年代に宇宙飛行が始まって以来、ミッションは宇宙との間でデータを送受信するために無線周波数に依存してきました。 電波と比べて、レーザー通信で使用される赤外線は周波数がはるかに高い (または波長が短い) ため、各送信により多くのデータを詰め込むことができます。 レーザー通信により、科学者は今日の無線周波数システムよりも 100 ～ 1,000 倍多くのデータを送信できるようになります。これは、ダイヤルアップから高速インターネットへの地上スイッチに似ています。

地球観測から宇宙探査に至るまで、多くの科学ミッションは、特に高解像度データの大規模な収集に向けて機器の機能が進歩し、実験でより多くの遠隔制御が必要になり、宇宙船が地球からさらに深宇宙へ航行するにつれて、この高速化の恩恵を受けることになるでしょう。

ただし、レーザーベースの宇宙通信には、いくつかの工学的な課題が伴います。 電波とは異なり、レーザー光は細いビームを形成します。 データ送信を成功させるには、この狭いビームを地上にある受信機 (望遠鏡など) に正確に向ける必要があります。 また、レーザー光は宇宙で長距離を移動できますが、大気の影響や気象条件によりレーザー光が歪む可能性があります。 この歪みによりビームの電力損失が発生し、データ損失が発生する可能性があります。

過去 40 年間、リンカーン研究所はさまざまなプログラムを通じてこれらおよび関連する課題に取り組んできました。 現時点では、これらの課題は確実に解決されており、レーザー通信は急速に広く普及しつつあります。 業界は、既存の地上バックボーンを強化し、地方のユーザーにサービスを提供する潜在的なインターネット バックボーンを提供することを目的として、レーザー通信を使用した LEO クロスリンクの普及を開始しました。 昨年、NASA は、実験室の設計に基づいた双方向光通信システムであるレーザー通信リレー デモンストレーション (LCRD) を開始しました。 今後のミッションでは、実験室で開発されたレーザー通信端末が国際宇宙ステーションに打ち上げられ、そこで端末はLCRDと「会話」し、将来の有人宇宙飛行に先立って月面飛行を行う有人プログラムであるアルテミスIIをサポートする予定だ。月面着陸。

「宇宙ベースのレーザー通信への関心と開発の拡大に伴い、リンカーン研究所は可能なことの限界を押し広げ続けています」とワン氏は述べています。 「TBIRD は、データ レート機能をさらに向上させ、サイズ、重量、消費電力を縮小し、レーザーコム ミッションのコストを削減する可能性を備えた新しいアプローチの到来を告げるものです。」

TBIRD がこれらのコストを削減することを目指す 1 つの方法は、もともと地上光ファイバー ネットワーク用に開発された市販の既製コンポーネントを利用することです。 ただし、地上のコンポーネントは宇宙の過酷な環境に耐えられるように設計されておらず、その動作は大気の影響による影響を受ける可能性があります。 TBIRD を使用して、研究所は両方の課題に対するソリューションを開発しました。

スペースに合わせた商用コンポーネント

TBIRD ペイロードには、高速光モデム、大容量高速ストレージ ドライブ、光信号増幅器という 3 つの主要な市販コンポーネントが統合されています。

これらすべてのハードウェア コンポーネントは、強力な力、極端な温度、高い放射線レベルにさらされる宇宙環境でハードウェアがどのように機能するかを知るために、衝撃と振動、熱真空、および放射線のテストを受けました。 チームが最初に宇宙環境をシミュレートした熱テストを通じてアンプをテストしたとき、ファイバーが溶けました。 Wang 氏の説明によれば、真空中では大気が存在しないため、熱が閉じ込められ、対流によって放出することができません。 チームはベンダーと協力して、代わりに伝導を通じて熱を放出するようにアンプを修正しました。

大気の影響によるデータ損失に対処するために、同研究所は、通信リンク上のデータ送信におけるエラーを制御するプロトコルである自動再送要求 (ARQ) の独自バージョンを開発しました。 ARQ を使用すると、受信機 (この場合は地上端末) は、低速アップリンク信号を通じて送信機 (衛星) に、損失または破損したデータ ブロック (フレーム) を再送信するよう警告します。

「信号が途切れた場合でもデータを再送信できますが、効率が悪いと、つまり新しいデータではなく繰り返しデータを送信することにすべての時間を費やすと、大量のスループットが失われる可能性があります」とTBIRDシステムエンジニアのカート・シーラー氏は説明する。王グループの技術スタッフ。 「ARQ プロトコルを使用すると、受信機はどのフレームを正しく受信したかをペイロードに伝えるため、ペイロードはどのフレームを再送信すべきかを認識します。」

TBIRD のもう 1 つの新しい点は、細いレーザー ビームを向けるための機構であるジンバルがないことです。 代わりに、TBIRD は、宇宙船の正確な物体指示のために研究室が開発したエラー信号コンセプトに依存しています。 エラー信号は CubeSat バスに提供されるため、衛星全体の本体を地上局に向ける方法を正確に認識できます。 ジンバルを使用しない場合、ペイロードはさらに小型化できます。

「私たちは、科学ミッションを支援するために、LEO から大量のデータを地球に迅速にダウンリンクできる低コストの技術を実証することを目的としていました」と Wang 氏は言います。 「わずか数週間の運用で、私たちはすでにこの目標を達成し、最大 100 ギガビット/秒という前例のない伝送速度を達成しました。次に、速度を 200 ギガビット/秒に増加するなど、TBIRD システムの追加機能を実行する予定です。地上局を 5 分間通過するだけで、2 テラバイトを超えるデータ (ハイビジョン映画 1,000 本に相当) のダウンリンクが可能になります。」

リンカーン研究所は、NASA ゴダード宇宙飛行センターと提携して TBIRD のミッションと技術を開発しました。

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