大容量のデータを送信するには電波ではなくレーザーを使う

・新しいレーザーポインティングシステムは、より少ない搭載資源で、より高速なデータダウンリンクを可能にします。

・このシステムは、レーザーを地上の受信機に向ける小型で可動式のミラーで構成されています。

過去20年の間に、10*10*10センチメートルの立方体の倍数で構成される小型衛星であるCubeSatsが2000個以上、宇宙に向けて打ち上げられ、また打ち上げられることが計画されています。1つのCubeSatは通常1.33キログラム以下であり、電子機器などの市販の機器に使用されています。

CubeSatsは、場所を取らず、ロケットの他の部分や最大積載量を最小限に抑え、複数での打ち上げに適しています。従来の重量のある宇宙船よりも開発・打ち上げコストが安いため、衛星技術に革命を起こしています。

しかし、ここ数年、この小型衛星が大容量のデータを効率よく地球に転送することに苦労しています。その主な理由は、衛星の大きさと電力の制約です。

小型衛星にハイパースペクトルイメージャやマルチバンドラジオメータなど、より多くのデータを扱う複雑な機材が搭載されると、従来の無線周波数通信ではほとんど不可能なダウンリンクの需要が急速に高まる可能性があります。

現在、人工衛星は電波を使って地上局にデータを送信しています。宇宙空間にある主要な衛星のほとんどに高周波の電波帯が割り当てられ、大容量のデータを地上の大型アンテナに高速で送信することができるようになっています。また、高速データ通信に必要な大型の機器を搭載することも可能です。

一方、CubeSatは比較的小型で、高周波の電波帯域へのアクセスも限られています。また、高速データ転送に適した消費電力の高い送信機を搭載することができません。

解決策: レーザーポインティングシステム

今回、MITの研究者たちは、この小型衛星のために、ルービックキューブほどの大きさのレーザーポインティングシステムを考案し、少ない搭載資源で、より高速にデータをダウンリンクすることを可能にしました。

地上局の上空を通過するCubeSatは、1回の低空飛行でテラバイト単位のデータを送信することが可能になります。このレーザーポインティングシステムを軌道上の複数のCubeSatに採用すれば、グローバルかつリアルタイムで送信する範囲が広がります。

レーザーはより多くのデータを伝送することができますが、レーザーを利用した通信システムには課題があります。レーザービームは非常に細いため、地上の受信機に正確に照射する必要がありますが、これは口で言うほど簡単なことではありません。

新しいレーザーポインティングプラットフォームは、ダウンリンクに必要な時間とエネルギーを最小限に抑え、より高い伝送速度を達成することができます。MEMSミラーは、レーザービームを当て、レーザーがミラーから宇宙空間に跳ね返り、地上のアンテナに向かうように配置されています。

追加のビーム

このミラーには、衛星全体が多少ずれてもミラーの位置を修正できるなどの利点がありますが、レーザー光がどこに向いているかわかりません。

新型レーザーポインティングプラットフォーム | 画像元: MIT

そこで研究者たちは、このシステムにもう1波長のレーザーを組み込みました。これにより、鏡の位置が自動的に調整され、地上の受信機にレーザーが照射されるようになりました。

レーザーポインティングシステムは、データビームに波長（色）の異なるキャリブレーションビームを追加します。2本目のビームはダイクロイック・ビームスプリッターと呼ばれる光学素子を通過し、校正用ビーム（特定の波長、つまり追加された色）をデータビームから遠ざけるように偏向させます。

レーザーが地上のアンテナに向かって移動する間、偏向されたビームは搭載されているカメラに向けられます。カメラは地上アンテナから来るビームも受信します。

そして、この2つのビームを照合し、カメラのセンサー上の同じ場所に2つとも届けば、搭載されたMEMSミラーは完璧にアライメントされていることになるのです。そうでない場合は、カスタムアルゴリズムを使用してミラーを正しい位置に傾けます。