レーザー通信技術でNASAミッションデータを地球へ高速伝送

NASAは衛星、ローバー、軌道船を打ち上げ、銀河系における人類の位置を探求しています。これらのミッションが目的地に到達すると、科学機器が宇宙に関する画像、動画、貴重な知見を取得します。宇宙と地上の通信インフラにより、これらのミッションが収集したデータが地球に届きます。しかし、それを受信する地上局がなければ、これらのミッションが捉えた並外れたデータは宇宙に留まり、地球の科学者や研究者に届くことはありません。

宇宙探査の夜明け以来、NASAミッションは主に無線周波数通信でこの情報伝達に頼ってきました。NASAの宇宙ベース・レーザー通信中継実証（LCRD）は、宇宙から地上へデータを伝達する画期的な方法であるレーザー通信を実証します。

LCRDの地上局である光学地上局（OGS）-1と-2は、カリフォルニア州のテーブルマウンテンとハワイ州のハレアカラに位置します。これらの遠隔地・高地は好天条件が多いため選ばれました。レーザー通信はデータ転送レートを向上させられますが、雲や乱流などの大気擾乱が地球大気へ入る際にレーザー信号を妨害する可能性があります。

「地域の気象の仕組み上、山頂では粉塵が少なく大気乱流も少ないため、レーザー通信に最適です」とNASAゴダード宇宙飛行センターのロン・ミラー氏は語ります。「標高約1万フィート（約3,000メートル）で、山頂より下で発生する大気と天気の大部分より上にあります。山頂は快晴でも山の中腹は曇っている、ということはよくあります。」

NASA通信エンジニアたちは、これらのサイトの気象パターンが通常互いに補完し合うため選びました。カリフォルニアのOGS-1が曇りのとき、ハワイのOGS-2は晴れている傾向があり、その逆もまた然りです。雲量を監視しどちらの局を使うか決めるため、商業パートナーのノースロップ・グラマンがハレアカラの気象を観測する大気監視ステーションを提供しました。この監視ステーションはほぼ自律的に24時間365日稼働します。OGS-1もテーブルマウンテンで同様の気象監視機能を備えています。

通常は晴れるこれらの場所でも、NASAエンジニアたちはOGS-1とOGS-2で受信するデータへの大気乱流の影響を軽減する努力を続けています。そのため、両局は適応光学の力を活用します。

「適応光学システムは、宇宙船から降りてくる電磁信号の歪みを測定するセンサーを使います」とNASAジェット推進研究所（南カリフォルニア）のOGS-1開発・運用マネージャー、トム・ロバーツ氏は説明します。「その歪みを測定できれば、変形ミラーを通してその形状を変え、大気が誘起する収差を取り除けます。これにより、きれいな原始的な信号を得られます。」

OGS-2はLCRDミッション専用に開発されたのに対し、OGS-1はJPLの光学通信望遠鏡実験室に拠点を置き、以前のレーザー通信実証で使用されてきました。OGS-1をLCRD支援用に準備するため、エンジニアたちは地上局をアップグレードしました。その一つが、反射率を高めより高出力レーザーに対応するためのミラー交換でした。

ミッション支援に先立ち、LCRDは約2年間テストと実験を行います。この間、OGS-1とOGS-2はシミュレートユーザーとして振る舞い、一方の局からLCRDへデータを送り、そこからもう一方へ下ろします。これらのテストにより、航空宇宙コミュニティはLCRDから学び、将来のレーザー通信システム実装に向けて技術をさらに洗練できます。実験フェーズ後、LCRDは宇宙ミッションを支援します。国際宇宙ステーションの端末のようなミッションがデータをLCRDへ送り、LCRDがOGS-1またはOGS-2へビーム伝送します。

LCRDは国防総省の宇宙テストプログラム衛星6（STP-Sat-6）の搭載ペイロードです。LCRDはレーザー通信ペイロードですが、宇宙船は地上との無線周波数接続も保持します。ニューメキシコ州ラス・クルセス近郊のホワイトサンズ複合施設にあるペイロード・ツー・グラウンド・リンク端末（PGLT）が、無線波で宇宙船と追跡、テレメトリ、コマンドデータを通信します。NASAはLCRDの地上エレメント（OGS-1、OGS-2、PGLT）をホワイトサンズのLCRDミッション運用センターから管理します。

「ミッション運用センターはLCRDシステムの中央頭脳です」とNASAゴダードのLCRD地上セグメントマネージャー、ミリアム・ウェンナーステン氏は言います。「ペイロードの構成と3つの地上局すべてを同時に調整し、さまざまな光学サービスとリンクをスケジューリングします。」

地上インフラがなければ、並外れた科学と探査のデータは地球の研究者たちに届きません。LCRDの地上セグメントはミッション成功の鍵となり、エンジニアたちにレーザー通信のテストと洗練の機会を提供します。その結果、LCRDはレーザー通信の新時代を切り開き、ミッションが宇宙の衛星や探査機から得られる知見に前例のないアクセスを持てるようにします。