全球首次使用1.5μm光卫星间通信成功传输海量任务数据

近日，作为激光利用通信系统（LUCAS）激光通信终端总承包商的日本宇宙航空研究开发机构（下称“JAXA”）和NEC公司（下称“NEC”），在距离约40000公里的地球静止轨道上使用LUCAS在高级陆地观测卫星-4“大智-4”（ALOS-4）和光学数据中继卫星之间进行了世界上最快的光通信（波长带：1.5μm，通信速度：1.8Gbps），并成功完成了通过地球静止卫星向地面站的观测数据首次传输。

2024年10月，日本宇宙航空研究开发机构和NEC公司成功实现了配备有专用于地球观测卫星的光学利奥激光通信终端（OLLCT）的“DAICHI-4”，与配备专用于地球静止卫星的光学地球激光通信终端的光学数据中继卫星之间的光学卫星间通信，继续进行技术演示。因此，研究团队成功地使用光通信传输了“DAICHI-4”观测数据。利用LUCAS的这种数据传输的成功实现了大量观测数据的即时下行链路，这很难通过与缺乏可访问地面站的地区的地面站直接通信来实现。

上图显示了通过LUCAS下行的第一张图像，该图像由“DAICHI-4”在大约30分钟内观测到的大量任务数据生成，穿越北极、欧洲和非洲大陆。虽然直接传输到地面站需要多次传输，但LUCAS的使用将大面积观测数据的采集缩小到了一次传输。

激光的带宽比无线电波宽几个数量级（1.5μm波段为5THz），使其能够传输比无线电波更多的信息。此外，通过使用高度聚焦的光束，干扰或窃听的风险很小。激光的使用对于未来在太空中实现高速、高容量通信至关重要。在LUCAS中，光通信已被应用于地球静止卫星上的数据中继系统。通过在地球观测卫星和地球静止卫星之间使用光通信，LUCAS能够以“1.8 Gbps”的速度从地球观测卫星传输数据，即速度比使用上一代无线电波的数据中继测试卫星“KODAMA”（DRTS）的“240Mbps”传输速率快7.5倍。

上图：显示了安装在卫星外部的激光通信终端的光学部件
下图：OLLCT的光学元件比OGLCT的小，由于尺寸减小，可安装性得到改善

低轨道上的“DAICHI-4”与地球静止轨道上的光学数据中继卫星之间的距离约为40000公里。高速移动的对应卫星的捕获和通信，需要精确的光学系统及控制技术。具体而言，虽然高度约为36000公里的地球静止轨道上的光学数据中继卫星以约3.1公里/秒的速度移动，低轨道上的地球观测卫星以约7.6公里/秒旋转，但即使在40000公里的距离，也必须将仅扩展约500米的激光束精确地连续引导到对方卫星。为了实现这一目标，需要激光的高输出光学放大技术和将激光引向对方卫星的捕获和跟踪技术。

在这个项目中，NEC开发了LUCAS的总体系统设计，以及LUCAS的关键组成部分——光学数据中继卫星和地球观测卫星的激光通信终端。1.5μm波段是LUCAS的标志，其使用基于NEC在陆地和水下光纤通信系统方面的发展成就，也是为了在未来与该系统集成而开发的。虽然1.5μm波段在功率效率方面相对不足，但最近地球静止卫星和低地球轨道卫星之间长距离高速传输的成功，有望加速其在天基光通信中的应用。

LUCAS通过光通信以1.8Gbps的速度实现高速/大容量数据传输

“DAICHI-4”还搭载了日本宇宙航空研究开发机构和NEC公司开发的SPAISE3（天基自动识别系统实验3），该系统特别用于观察拥挤海域的船只。同样对于SPAISE3的观测数据，光通信使得实时传输大量数据成为可能。这样，使用LUCAS的高速数据通信不仅有助于利用和推广SAR数据，还有助于其他卫星的各种数据，从而发挥保护人们生命和安全的社会基础设施的作用。

自20世纪90年代以来，日本宇宙航空研究开发机构和NEC公司一直在从事太空光通信。在日本政府制定的2023财年空间技术战略中，空间光通信也被确定为具有战略重要性的技术。日本宇宙航空研究开发机构在光通信方面进行了研究和开发，以此作为解决未来地球观测卫星数据传输容量和即时性要求不断提高的解决方案。

同时，NEC公司负责设计LUCAS系统，制造激光通信终端，支持卫星系统测试，并管理卫星系统的初始功能验证操作。在这一成功的基础上，双将继续与相关组织和合作伙伴合作，加快卫星间光通信的技术发展，为日本太空发展的进步做出贡献。