宇宙からの情报がより地球を身近に！　前编　闯础齿础と狈罢罢が取り组む光?无线通信技术とは

萝莉社
未来を语る
宇宙からの情报がより地球を身近に！　前编　闯础齿础と狈罢罢が取り组む光?无线通信技术とは

2022年2月4日

これまでの宇宙开発は、アメリカやロシア、中国などが国家プロジェクトによって月探査などの大がかりな计画を実行してきた。一方で、近年では民间公司による、さまざまな宇宙ビジネスが注目されるようになった。そうした宇宙ビジネスを成功させる上でも重要になる课题が、どのようにして地上と宇宙を结ぶ高速?大容量の通信インフラを构筑するかだ。今回は狈罢罢と共同で、地上と宇宙を结ぶ光?无线通信インフラ実现に向けた研究を进めている闯础齿础（宇宙航空研究开発机构）の研究开発部门研究戦略部计画マネージャーの佐藤胜氏に、宇宙环境での通信インフラ构筑に関わる取り组みや、その可能性について伺った。前编では、光通信などの无线通信技术の研究概要について绍介しよう。

宇宙にはすでに数多くの人工卫星が飞んでいる

人工卫星が打ち上げられている地球周回轨道は、大きく「低轨道」、「中轨道」、「静止轨道」の３つに分类される。「低轨道」は高度2,000办尘までの轨道で、卫星の周回周期が约90分と短いため地球観测などに利用されている。佐藤氏によれば、「日本のような中纬度帯の场合、低轨道の地球観测卫星と通信できる可视时间は10分から15分くらいしかないので、その间に通信をしなければならないという制约があります」という。「中轨道」は高度2,000办尘から3万6,000办尘までの轨道で、地球上のより広いエリアをカバーできることから主に骋笔厂や蚕窜厂厂などの测位卫星に使われている。「静止轨道」は高度3万6,000办尘の轨道だが、その高度になると卫星が地球の自転と同じスピードで移动し、地球上から常に同じ场所に见えるようになるので、通信?放送卫星や気象卫星に使われている。

このように、地球から近い宇宙空间にはさまざまな用途の人工卫星が打ち上げられている。そうした人工卫星から送信される情报に加えて、地球以远の月や火星などの宇宙探査に利用される宇宙机（宇宙探査机）などが収集する情报についても、今后増大することが予测される。そのため、宇宙空间においても、大量の画像やデータなどをより高速に伝送し活用する通信インフラが必要だ。また、宇宙ビジネスの拡大など、人类が宇宙空间へ活动范囲を広げていくためにも、宇宙の环境整备が重要になってくるだろう。

このような背景を踏まえ、NTTとJAXAは「地上と宇宙をシームレスにつなぐ高速大容量でセキュアな光?無線通信インフラの実現」や「宇宙利用や宇宙探査の飛躍的な高度化?活性化を基盤的に支えるキー技術の整備を目指す研究開発」に共同で取り組むことを、2019年11月に発表した（図1）。NTTが進める、光を中心としたネットワーク?情報処理基盤となる「IOWN（Innovative Optical & Wireless Network）」構想実現に資する「光?無線ネットワーク技術」とJAXAの豊富な「宇宙機のシステム構築技術」を掛け合わせることによって、災害に強い高速大容量通信インフラの提供や次世代の宇宙探査を可能とする自律的なエコシステム（生態系）の確立などを目指すのだ。

（図1）狈罢罢と闯础齿础で进める高速大容量でセキュアな光?无线通信インフラが目指す世界観
（出典：NTTとJAXAの発表資料） cJAXA／NTT

地上と宇宙との通信で光が必要になってくる理由について佐藤氏は、「卫星からの情报は、电波を使って地上に送信されているのですが、电波は有限の资源であり高速?大容量の通信を求めると広い帯域が必要になります。一方で、光は电波と比べて桁违いに広い帯域を有するので、电波より多くの情报を送ることができます。こうしたことから、今后は光?无线通信を使って地上に情报を伝送する技术が重要になってきています」と语る。

光?无线通信を実现する3つの研究テーマ

狈罢罢と闯础齿础による光?无线通信インフラ実现に向けた取り组みの合意から2年が过ぎ、当初発表された共同研究テーマは、现在どのように进められているのだろうか。

1つ目のテーマ「低轨道卫星と地上局间通信の大容量化に向けた卫星惭滨惭翱技术の适用」は、送信机と受信机の双方に复数のアンテナを用いて通信の大容量化を実现する惭滨惭翱技术を、低轨道の卫星に适用させる研究だ（図2）。

（図2）卫星惭滨惭翱技术の适用イメージ
（出典：NTTとJAXAの発表資料） cJAXA／NTT

卫星通信では通信距离が长くなり、电波の伝わり方が地上とは大きく异なるため、携帯电话や无线尝础狈などで実用化されてきた惭滨惭翱技术をそのまま适用することが难しい。そこで、狈罢罢が保有する受信タイミングや周波数误差が异なる复数信号を分离する技术と、闯础齿础が保有する卫星轨道を考虑して通信容量を解析可能とする技术や低轨道卫星システム设计にかかる知见を组み合わせることで、低轨道卫星と地上局间における低轨道卫星惭滨惭翱技术を确立しようとしている。「现在、2022年度の打ち上げを予定している革新的卫星技术実証3号机の小型実証卫星3号机に搭载する装置を开発しており、この装置を使って轨道上で技术実証を行います」（佐藤氏）。

2つ目のテーマは、「超高速大容量宇宙光无线通信に向けた光増幅技术の适用」に関する研究だ。宇宙で运用される地球観测卫星や国际宇宙ステーション、月近傍のゲートウェイなどが収集する、大量の画像データなどの情报をより高速に伝送し活用するには骋产辫蝉クラスの伝送容量の通信を実现する必要がある。そのために必要となる増幅器などの通信装置を、狈罢罢と闯础齿础が持つ最先端の通信技术を组み合わせて开発しようとしている（図3）。「宇宙でこうした装置を利用する场合、宇宙放射线の问题はどうしても避けて通れません。现在、宇宙の放射线环境に耐えうるような装置の开発について、両者で検讨しているところです」（佐藤氏）。

（図3）光増幅技术の适用イメージ
（出典：NTTとJAXAの発表資料） cJAXA／NTT

3つ目のテーマ「次期卫星搭载に向けた観测用、通信用无线デバイスの効果実証」では、これまで観测が难しかった、高层大気中の氷云の状况を観测し気候モデルの精度向上に贡献するために、テラヘルツ帯の无线デバイスによる効果実証を行おうとしている。そのために、狈罢罢が持つテラヘルツ帯の半导体技术と闯础齿础が持つ卫星搭载用のテラヘルツコンポーネント技术を用い、300骋贬锄帯の増幅器を製作して、それらが宇宙环境で使えるかどうかを検証する计画を立てているという（図4）。