深宇宙レーザー通信記録、想像の余地はどれほど？前編

最近、米国の探査機スピリットは1600万キロ離れた地上施設との深宇宙レーザー通信試験を完了し、宇宙光通信距離の新記録を樹立しました。では、スピリットのメリットは何でしょうか？レーザー通信? 技術原理とミッション要件を踏まえると、どのような困難を克服する必要があるのでしょうか？ 将来、深宇宙探査分野への応用の見通しは？

技術革新、挑戦を恐れない
深宇宙探査は、宇宙研究者が宇宙を探査する過程において、極めて困難な課題です。探査機は遠く離れた星間空間を横断し、極限の環境と過酷な条件を克服し、貴重なデータを取得・伝送する必要があり、通信技術が重要な役割を果たします。

模式図深宇宙レーザー通信スピリット衛星探査機と地上観測所間の実験

10月13日、探査機スピリットが打ち上げられ、少なくとも8年に及ぶ探査の旅が始まりました。ミッション開始当初、スピリットは米国パロマー天文台のヘール望遠鏡と連携し、近赤外線レーザー符号化を用いて地球上のチームとデータを通信する深宇宙レーザー通信技術をテストしました。そのために、検出器とレーザー通信装置は少なくとも4種類の困難を克服する必要がありました。それぞれ、遠距離、信号の減衰と干渉、帯域幅の制限と遅延、エネルギーの制限、および放熱の問題に注意を払う必要があります。研究者は長い間これらの困難を予測し、準備してきました。そして、一連の重要な技術を突破し、スピリットが深宇宙レーザー通信実験を行うための良好な基盤を築きました。
まず、スピリット検出器は高速データ伝送技術を使用し、伝送媒体としてレーザービームを選択し、高出力レーザー送信機の利点を活かしてレーザー伝送速度と高い安定性を実現し、深宇宙環境でのレーザー通信リンクを確立しようとしています。
第二に、通信の信頼性と安定性を向上させるため、スピリット検出器は効率的な符号化技術を採用しています。この技術は、データ符号化を最適化することで、限られた帯域幅内でより高いデータ伝送速度を実現します。同時に、前方誤り訂正符号化技術を用いることで、ビットエラー率を低減し、データ伝送精度を向上させます。
第三に、インテリジェントなスケジューリングおよび制御技術の活用により、プローブは通信リソースの最適な利用を実現します。この技術は、タスク要件や通信環境の変化に応じて通信プロトコルと伝送速度を自動的に調整し、限られたエネルギー条件下でも最良の通信結果を保証します。
最後に、信号受信能力を向上させるため、スピリット探査機はマルチビーム受信技術を採用しています。この技術は、複数の受信アンテナをアレイ状に配置することで、信号の受信感度と安定性を向上させ、複雑な深宇宙環境においても安定した通信接続を維持します。

利点は明らかで、秘密に隠されている
外の世界では、レーザスピリット探査機の深宇宙通信試験の中核を成すレーザーですが、深宇宙通信の飛躍的な進歩にレーザーが貢献する具体的なメリットは何でしょうか？その謎とは一体何でしょうか？
一方、深宇宙探査ミッションにおける膨大なデータ、高解像度の画像や動画への需要の高まりは、深宇宙通信におけるデータ伝送速度の高速化を必然的に要求する。通信伝送距離は数千万キロメートルから始まることが多く、電波は次第に「無力」になってきている。
レーザー通信は情報を光子に符号化しますが、近赤外線は電波に比べて波長が狭く周波数が高いため、より効率的でスムーズな情報伝送を実現する空間データ「ハイウェイ」の構築が可能です。この点は、初期の低軌道宇宙実験で予備的に検証されています。適切な適応措置を講じ、大気干渉を克服した後、レーザー通信システムのデータ伝送速度は、従来の通信手段のほぼ100倍に達しました。