日本将在太空采用光通信，速度媲美5G

编者按：本文来自“日经中文网”，作者：大越优树，36氪经授权发布。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）最早将在2021年度内开始运用在人造卫星间通信中采用光的系统。光通信的数据传输速度是以往采用电波的通信的7倍以上，接近目前的高速通信标准5G。如果在太空中普及大容量的光通信，也有望用于互联网连接、与环月基地的通信等新用途。

在太空中利用光进行通信的示意图（JAXA提供）

在日常生活中通过智能手机和个人电脑使用互联网时，一般是将携带信息的数字信号转换为光，通过光纤电缆将信息传送给接收方。光是地面通信基础设施的主角。

另一方面，在太空中及太空与地面的联络方面，多是使用电波。电波不易受到天气的影响，容易传输较远距离，能够相对轻松地收发数据。

JAXA将开始运用的通信系统“LUCAS”把与地面相对静止的同步卫星和环绕地球周围、拍摄各种情况的2颗地球观测卫星结合起来。在同步卫星上安装主要接收光信号的装置，在地球观测卫星上安装传输光的装置，以此交换信息。

采用该系统时卫星间的通信速度为每秒1.8GB，有望接近在智能手机等之上启动服务的5G的目前速度（每秒2~4GB）。通过同步卫星中转，将地球观测卫星拍摄的森林和田野等图像传回地球。

同步卫星已经由日本国产火箭“H2A”43号机于2020年11月送入太空。JAXA携手日本情报通信研究机构（NICT），确认了在模拟地球观测卫星的地面装置和同步卫星之间能正常收发光信号。2021年度内将发射地球观测卫星“大地3号”，在经过数月的动作确认后开始运用LUCAS系统。

之所以用同步卫星中转，是因为地球观测卫星在绕地球1周的90分钟里只有约10分钟能向地面传输数据，存在时间方面的制约。如果采用中转方式，可传输时段能达到约4倍，能实时发送数据的时间将延长。

大地3号的特点是精度高，即使离地面600公里以上，也能以80厘米间隔拍摄地面情况。不过，高分辨率图像的数据量非常大。如果采用传输速度达到电波7倍以上的光，则能在相同时间内传输7倍以上的数据。即使以高分辨率拍摄自然环境和发生灾害时的灾区图像，也能顺畅通信，有望用于救援活动和农业、渔业。

信号收发装置性能的提高使太空中的光通信变为可能。在海底光缆中采用的通过在途中设置中转器来扩增光信号的方式在太空当中难度很大。需要发送地面10倍以上的高输出功率的光信号，但无法通过水等来对光产生的热进行冷却。日本NEC开发了即使发出强力激光也能散热的装置，太空中的光通信变为可能。

NEC开发的装置（照片由JAXA提供）

光通信还有其他优点。在采用电波的情况下，如果无序进行通信，将会产生干扰，导致无法通信。电波通信需要取得牌照，以及与其他国家和组织针对频率进行协调。

另一方面，光之间不易相互干扰。虽然存在光强度等安全基准，但据日本情报通信研究机构的宇宙通信研究室室长丰嶋守生表示，“不需要牌照和国际间频率协调”。

在海外，欧洲航天局（ESA）已经实现卫星间的光通信。美国国家航空航天局（NASA）也计划在2021年度内启动卫星间的光通信。

在美国主导的载人月球探测计划“阿尔忒弥斯（Artemis）计划”当中，NASA提出在绕月轨道建设宇宙空间站“Gateway”的构想。预计宇宙空间站和各个卫星之间将采用光通信。

日本的LUCAS系统的优点是采用与光纤相同波长的光，能控制零部件成本。通信速度也达到NASA系统的约1.5倍。

美国太空初创企业SpaceX提出计划称，把每颗可向1000公里以上广大范围发射电波的卫星用作接入互联网的“基站”，在全世界构建互联网利用环境。卫星间的通信计划采用光信号。

此外，还有在卫星和地面之间的通信中采用光的构想。虽然面临着光比电波更容易受到雨和云影响的课题，不过其思路在于能否充分利用大容量的光。日本情报通信研究机构预定在2024年实施在向地面传输卫星数据时根据情况区别使用电波和光的实验。