NASA の Laser Link が誇る記録

NASA、MIT、その他の機関の研究者グループが、これまでで最速の宇宙から地上へのレーザー通信リンクを達成し、昨年樹立した記録を2倍にしました。 毎秒 200 ギガビットのデータ レートにより、衛星は地上局を 5 分間通過するだけで 2 テラバイトを超えるデータ (高解像度映画 1,000 本に相当) を送信できます。

NASA の宇宙通信および航法プログラムの航空宇宙エンジニア、ジェイソン・ミッチェル氏は、「その影響は広範囲に及びます。なぜなら、単純に言えば、データが増えれば発見も増えるからです」と語る。

新しい通信リンクは、地表約 530 キロメートル上空を周回する TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) システムによって可能になりました。 昨年 5 月に宇宙に打ち上げられた TBIRD は、昨年 6 月までにカリフォルニアの地上受信機で最大 100 Gb/s のダウンリンク速度を達成しました。 これは、ほとんどの都市でのインターネットの最速速度の 100 倍であり、従来衛星との通信に使用されていた無線リンクの 1,000 倍以上でした。

地球上で最も高速なデータ ネットワークは通常、光ファイバーを介したレーザー通信に依存しています。 しかし、衛星用の高速レーザーベースのインターネットはまだ存在していません。 その代わりに、宇宙機関や商業衛星運用者は、宇宙内の物体と通信するために無線を使用することが最も一般的です。 レーザー通信で使用できる赤外線は、電波よりも周波数がはるかに高いため、より高いデータ レートが可能になります。

「現在軌道上にある衛星は、ダウンリンクできるデータ量によって制限されており、より高性能な衛星が打ち上げられるにつれて、この傾向はさらに強まるだろう」と、航空宇宙エンジニアでMITリンカーン研究所のスタッフでもあるカット・リージング氏は言う。 TBIRDチーム。 「国際宇宙ステーションのハイパースペクトル イメージャ (HISUI) でさえ、ダウンリンク レートの制限により、貨物船のストレージ ドライブを介してデータを地球に送信する必要があります。TBIRD は、地球の気候と資源に関する重要なデータを収集するミッションを実現する大きな要因です。ブラックホールイメージングなどの天体物理学への応用も可能です。」

MIT リンカーン研究所は、宇宙船上のデータにアクセスするための低コストで高速な方法として 2014 年に TBIRD を考案しました。 経費削減の主な方法は、もともと地上用に開発された市販の既製コンポーネントを使用することでした。 これらには、ファイバー通信用に開発された高速光モデムや、データを保存するための高速大容量ストレージが含まれるとリージング氏は述べています。

NASA のパスファインダー技術デモンストレーター 3 (PTD-3) 衛星に搭載された TBIRD は、2022 年 5 月 25 日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で軌道に運ばれました。PTD-3 衛星はおよそ 12 キログラムです。 CubeSat は、シリアルの箱を 2 つ重ねたくらいの大きさで、TBIRD のペイロードは平均的なティッシュ箱よりも大きくありません。 「小型、低電力、高データレートの光トランシーバーへの業界の取り組みにより、小型衛星にも適したコンパクトなフォームファクターを実現することができました」とミッチェル氏は言います。

「現在軌道上にある衛星は、ダウンリンクできるデータ量によって制限されており、より高性能の衛星が打ち上げられるにつれて、この傾向はさらに高まるでしょう。」 —Kat Riesing、MIT リンカーン研究所、航空宇宙エンジニア

TBIRD の開発には多くの課題がありました。 まず、地上のコンポーネントは、宇宙への打ち上げや宇宙での運用という過酷な環境に耐えられるように設計されていません。 たとえば、デバイスが宇宙で直面する可能性のある極端な温度をシミュレートした熱テスト中に、光信号増幅器のファイバーが溶けました。

問題は、当初の意図どおりに使用すると、大気が対流によってアンプを冷却する可能性があることでした。 宇宙を模した真空中でテストしたところ、アンプが発生した熱が閉じ込められました。 この問題を解決するために、研究者らはアンプの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た。

さらに、宇宙から地球に届くレーザー光線は、大気の影響や気象条件によって歪みが生じる可能性があります。 これにより、ビームの電力損失が発生し、ひいてはデータ損失が発生する可能性があります。

これを補うために、科学者らは、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。 この構成では、地上端末は低速アップリンク信号を使用して、失われたまたは破損したデータのブロックまたはフレームを再送信する必要があることを衛星に知らせます。 新しいプロトコルにより、地上局はどのフレームを正しく受信したかを衛星に伝えることができるため、衛星はどのフレームを再送信すべきかを認識し、必要のないデータの送信に時間を浪費することがなくなります。

科学者たちが直面したもう 1 つの課題は、レーザーが無線送信よりもはるかに狭いビームをどのように形成するかという点にありました。 データ送信を成功させるには、これらのビームを受信機に正確に向ける必要があります。 これは多くの場合、レーザーをジンバルに取り付けることで実現されます。 ただし、TBIRD はサイズが小さいため、代わりに、受信したエラー信号を使用して衛星の向きを修正し、それを搭載した CubeSat を地上に向けるように操作します。 このジンバルレス戦略は TBIRD をさらに縮小するのにも役立ち、打ち上げコストが安くなりました。

TBIRD のアーキテクチャは、波長分離を通じて複数のチャネルをサポートし、より高いデータ レートを実現できるとリージング氏は述べています。 これが、TBIRD が 4 月 28 日に 2 つの 100 Gb/s チャネルを使用して 200 Gb/s ダウンリンクを達成した方法だと彼女は説明します。 「リンクがサポートするように設計されていれば、これは将来のミッションでさらに拡張できる可能性がある」とリージング氏は指摘する。

「簡単に言えば、より多くのデータはより多くの発見を意味します。」 —ジェイソン・ミッチェル、NASA 航空宇宙エンジニア

研究チームの次のステップは、今後のミッションでこの技術をどこに適用するかを検討することです。 「このテクノロジーは、大量のデータを収集することで大きなメリットが得られる科学ミッションに特に役立ちます」とリージング氏は言います。 「これによって可能になるミッションコンセプトの1つは、イベント・ホライズン・エクスプローラー・ミッションであり、これにより、ブラックホールをさらに高い解像度で画像化するイベント・ホライゾン・テレスコープのエキサイティングな研究が拡張されます。」

科学者らはまた、この技術を静止軌道などのさまざまなシナリオに拡張する方法を検討したいとリージング氏は言う。 さらにミッチェル氏は、彼らは月面での将来のミッションをサポートするために、TBIRDの能力を月の彼方まで推進する方法を検討していると述べた。 検討中の速度は 1 ～ 5 Gb/s の範囲にあり、「あまり改善されていないように見えるかもしれませんが、月は地球から約 40 万 km 離れており、カバーするにはかなり長い距離であることを忘れないでください。」ミッチェル氏は言う。

この新技術は、地上の高速大気データリンクにも使用される可能性がある。 「たとえば、建物から建物へ、あるいは山の頂上から頂上までといった荒涼とした地形では、ファイバーシステムを敷設するコストが法外に高額になる可能性があります」とリージング氏は言う。