要約:
これまで、地上職員は、8K の超高解像度の月のパノラマ写真が月軌道から送り返されるまで 4 ～ 5 分待たなければなりませんでした。現在では、同じ写真を約 12 秒で送信できます。この変化をもたらしたのは、最近完了した地球と月の双方向高速レーザー通信試験です。この実験により、地球と月の間の距離40万キロメートルに安定した高速レーザーリンクが確立されました。これは、地球と月の間に「情報ハイウェイ」を敷設することに相当します。
地球と月のスケールでの双方向レーザー通信の概略図。画像出典: 中国科学院宇宙応用工学技術センター
シス-月レーザー通信の利点は何ですか?地球と月の間で双方向のレーザー通信を実現するには、どのような技術的困難を克服する必要がありますか?今後どのような変化が起こるのでしょうか？こうした問題に焦点を当て、9月1日、科技日報の記者は関連専門家にインタビューした。
最初の質問: 地球と月のレーザー通信の利点は何ですか?
従来の無線周波数通信は電波に依存しますが、レーザー通信は原理的に光ファイバーブロードバンドに近い光波伝送を使用します。レーザー通信の最大の利点は、広い帯域幅と高速な速度です。衛星に設置されている機器のサイズ、重量、消費電力が同等の場合、レーザー通信の速度は従来のマイクロ波通信よりも 10 ～ 100 倍高速になる可能性があります。
「無線周波数は、車線が限られており、交通が飽和しやすい通常の高速道路のようなものです。一方、レーザーは、同時にはるかに大量のデータを送信できる複数車線の高速道路のようなものです。」中国科学院宇宙利用工学技術センターの研究者ヤン・レイ氏は、地球と月の間の距離では、従来の無線周波数通信では高精細ビデオや膨大な科学データを送信するのが非常に困難だが、レーザー通信なら簡単に送信できると説明した。
レーザー通信のもう 1 つの利点は、秘密が漏洩しにくいことです。レーザービームは特に集中しており、電波のように周囲に「ブロードキャスト」することはありません。エネルギーはどこにでも伝わるわけではないため、他の人が途中で信号を傍受することは困難になります。 「レーザーは懐中電灯のようなもので、当たるとどこでも光ります。電子レンジは、広範囲に届く拡声器放送に似ていますが、誰でも聞くことができます。」ヤン・レイは生き生きと言いました。
2 番目の質問: 400,000 キロメートルの双方向レーザー通信ではどのような問題を克服する必要がありますか?
400,000 キロメートルは地球の赤道の 10 周に相当し、光が月から地球まで伝わるのに 1 秒以上かかります。このような長距離で双方向のレーザー通信を実現するには、信号が弱い、狙いを定めるのが難しい、通信が遅いという 3 つのハードルを克服する必要があります。
レーザー光線は一方向に集中しますが、40 万キロメートル移動した後でもかなり拡散します。地上の望遠鏡に到達すると、打ち上げられたときの状態がほんの少ししか残っていない可能性があり、非常に弱くなるでしょう。地上の受信側は、背景ノイズから弱い光子を「認識」するために高感度の検出器を使用する必要があります。 「この目的のために、私たちは超伝導ナノワイヤ単一光子検出器アレイを構築しました。これは、光子を捕捉できる超高感度の『目』のようなものです。ノイズが非常に少なく、非常に迅速に応答します。自社開発の信号処理アルゴリズムと組み合わせることで、たとえ信号が非常に弱く、ノイズによってほとんど『かき消される』場合でも、多くの干渉から信号を『追い出す』ことができます。」ヤン・レイは言った。
同時に、レーザービームは非常に狭く、地球と月は常に動いており、衛星プラットフォーム自体もわずかに振動します。地上局と衛星は常に正確に位置合わせされている必要があります。少しでもずれているとリンクが切れている可能性があります。 Yang Lei 氏は、「これは、北京からのレーザー光線を月面の小さな移動点に向けてロックしておくのと同じです。」
と例えました。
画像ソース: Visual China
この問題を解決するために、研究チームはいくつかの方法を考え出しました。まず、衛星の軌道を正確に計算し、事前に位置を予測します。これにより、両側の望遠鏡がどこを指すかを認識し、ターゲットを見逃すことがなくなります。 2 番目に、地上局が複数のレーザー ビームを 1 つに結合して送信します。そして、温度と仰角の変化に応じてリアルタイムで方向を修正し、衛星への安定した着陸を確保します。第三に、送信端と受信端の両方で強力な光絶縁が行われ、放射される強力なレーザーが検出器を盲目にするのを防ぎ、光信号の同時受信と受信が互いに干渉しません。
信号は受信されました。送信速度は維持される必要があります。問題は、これらのフォトンが規則的なキューに入ってくるのではなく、まばらで断続的に来ることです。これらを完全な情報にまとめるには、時刻がピコ秒レベルまで非常に正確である必要があります。ピコ秒の概念とは何ですか? 1兆分の1秒、これはまばたきにかかる時間よりも数え切れないほど短いです。同チームは、ピコ秒レベルの時間認識と大帯域通信処理技術を特別に開発した。これは、各光子に超正確な「タイムスタンプ」を割り当てるのと同等であり、混乱なくシームレスに組み合わせることができる。
質問 3: このテクノロジーは将来の月探査や深宇宙ミッションにどのように役立ちますか?
「将来、私たちは国際的な月科学研究ステーションを建設し、そこでさまざまな科学実験（テスト）を実施する予定です。これらの科学実験（テスト）では、膨大な量のデータが生成されます。データをどのように地球に送信するかは、常に通信のボトルネックであり、科学研究の進歩を制限しています。この技術的ブレークスルーは、ボトルネックを打破する上で非常に重要です。」中国科学院宇宙応用工学技術センターの副所長、王強氏はこう語る。
さらに重要なことは、地球と月の間の距離は単なる出発点にすぎないということです。楊磊氏は、今回実証された高精度追跡、微弱信号検出、高速単一光子信号処理などの技術は、火星、小惑星、さらには深宇宙ミッションにもさらに拡張することができ、我が国の深宇宙探査を効果的に支援し、より独創的な科学的成果を達成するだろうと述べた。
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