「深宇宙光通信」で約3100万kmの彼方から超高解像度ビデオのストリーミングに成功

NASA（アメリカ航空宇宙局）の小惑星探査機「Psyche（サイキ）」には「深宇宙光通信（DSOC; Deep Space Optical Communications）」と呼ばれる実験的な光通信装置が搭載されています。将来的な宇宙探査ミッションでの需要が見込まれる大容量のデータ送信を想定した実験であり、初の通信は2023年11月14日に行われました。

Psycheから地球までの距離が約3100万kmとなった2023年12月11日、NASAのJPL（ジェット推進研究所）によって、深宇宙光通信実験装置の性能をテストするため、ネコの動画を含む15秒間のビデオ映像の送信テストが行われました。その結果、最大267Mbps (※1) という高速な通信速度を達成しました。これは従来の深宇宙探査機に対する通信と比べて100倍も高速であり、JPLによればほとんどのブロードバンドインターネット接続よりも高速であるとのことです。このデモンストレーションは、深宇宙から高速のデータ伝送を達成したという意味で、重要なマイルストーンです。

※1…1秒間に1ビット (1/8バイト) のデータが転送されている速度が1bps (ビット毎秒) です。267Mbpsとは、1秒間に267メガビット (約33メガバイト) のデータが転送されていることを意味します。

【▲図1: 今回ストリーミングに成功した15秒の動画のキャプチャ画像。レーザーポインターの光に反応しているネコのテイターズの様子の他、様々な情報がオーバーレイされています（Credit: NASA & JPL-Caltech)）】

【▲動画: 今回の実験で送受信された動画】
(Credit: NASA & JPL-Caltech)

■高速なデータ送受信を試す「深宇宙光通信」実験

2023年11月13日に打ち上げられたNASAの小惑星探査機「Psyche（サイキ）」は、同名の16番小惑星「Psyche（プシュケ、プシケ）」の探査が主要なミッションですが、他にもいくつかの機器を搭載しています。その1つが「深宇宙光通信」と呼ばれる実験的な通信装置です。これは現状の、あるいは近い将来の宇宙探査ミッションにおける課題を解決するために搭載されました。

探査機に搭載される機器は年々進歩し、大量の科学データを収集できるようになりましたが、それに伴い探査機と地球との通信速度がボトルネックとなっています。例えば火星探査機「MRO（マーズ・リコネサンス・オービター）」は偵察衛星並ともたとえられるほどの高解像度で火星表面を撮影しますが、通信速度が最大でも5.2Mbpsなため、1枚の画像を送信するのに約1.5時間、データをすべて送信するまでに約7.5時間ほどの時間がかかります。通信速度のボトルネックは、近い将来の宇宙探査ミッション、例えば火星の有人探査において大きな課題となり得ます。

【▲図2: Psycheに搭載された深宇宙光通信実験装置（Credit: NASA & JPL-Caltech）】

深宇宙光通信実験装置は、通信速度を飛躍的に増大させることが可能な技術を試験する目的でPsycheに搭載されました。装置に採用されている光通信は、有線の光ケーブルの代わりにデータを近赤外線レーザーの形で飛ばし、地球との送受信を行うための技術です。従来の電波による通信と比べると、近赤外線レーザーは遠方の宇宙機と大量のデータを送受信するのに適しています。

しかし、光通信の実用化に向けては、地球大気などによるレーザーへの影響、超遠距離まで届くように調整されたレーザーの生成、常に動いている宇宙機に向けて正確にレーザーの照射方向を定める方法、そしてこれらの工夫をしてもなお減衰して微弱になったレーザーを受信する光受信機など、乗り越えるべき高度な技術的課題や未知の要素が複数存在します。これまでは地上と静止軌道（高度約3万6000km）の間での実験が行われていたものの、深宇宙光通信実験装置による実験は、通信距離を月の公転軌道より遠方（約38万km）に一気に拡大することを目的としていました。

最初の通信実験は、Psycheの打ち上げ直後の2023年11月14日に行われました。2023年12月4日には合計1.3テラビット（約163ギガバイト）のデータの送受信を行い、最大通信速度267Mbpsを実現しました。1.3テラビットという数値は、NASAの金星探査機「マゼラン」が1990年から1994年にかけて収集・送信した全データ（1.2テラビット）よりも多いデータ量です。

■約3100万kmの彼方から超高解像度ビデオのストリーミングに成功！

Psycheには映像を撮影する機器は搭載されていないため、深宇宙光通信実験で通常やり取りされるデータはテキストデータとなります。しかし原理的には、動画のデータをやりとりすることも可能です。

2023年12月11日、超高解像度ビデオのストリーミング (※2) が可能であるかを試す実験が行われました。今回の実験ではデモンストレーションも兼ねており、15秒のUltra-HD動画には、NASAのJPLの職員の飼い猫であるオレンジ色のトラ猫「テイターズ（Taters）」が赤色のレーザーポインターの光を追いかける様子が含まれています。動画にはその他にもPsyche探査機の軌道、予定されている通信用レーザーの出力、予想されるアップリンク速度、通信に使用される光の波長といった技術的データに加え、テイターズの毛色や心拍数といった追加情報がオーバーレイされています。

※2…動画のデータを受信しつつ再生も行うこと。

【▲図3: 今回の動画送受信実験の概要。動画データはJPLのテーブルマウンテン天文台から送信され、Psycheの深宇宙光通信実験装置を経由し、パロマー天文台で受信されます（Credit: NASA & JPL-Caltech）】

15秒の動画データはまずアメリカのカリフォルニア州ビッグ・パインズにあるJPLのテーブルマウンテン天文台からPsyche探査機に向けて送信され、深宇宙光通信実験装置の「フライト・レーザー・トランシーバー（Flight Laser Transceiver）」を経由し、カリフォルニア州サンディエゴのパロマー天文台に設置されたヘール望遠鏡で受信されました。この時、地球とPsycheとの距離は約3100万km (地球と月との距離の約80倍、地球と太陽との距離の約0.2倍) 離れていたため、ヘール望遠鏡がPsycheからのデータを受信するまでに約101秒の間が空きました。

【▲図4: 受信した動画をモニターに写している様子。画面右側にはフレームごとの静止画データを表す文字列が現れています（Credit: NASA & JPL-Caltech）】

通信実験は成功し、超高解像度ビデオをストリーミングすることにも成功しました。最大速度は267Mbpsであり、従来の深宇宙探査機に対する通信速度よりも100倍も高速な通信を達成しました。JPLによると、この通信速度はほとんどのブロードバンドインターネット接続よりも高速です。実際、パロマー天文台はこの動画を受信した後、地上のインターネット回線を通じてJPLへデータを送信しましたが、深宇宙を経由した光通信よりも遅い速度でしか送信することができませんでした。今回の実験の成功は、超高解像度ビデオを月より遠い場所で送受信した世界初の成果です。

1928年にアメリカで初めてテレビの試験放送が行われましたが、この時に放送されたのは黒猫のキャラクター「フィリックス・ザ・キャット（Felix the Cat）」のアニメーションビデオでした。今回のデモンストレーションでネコが採用されたのは、ネコがインターネットで人気のコンテンツであるだけではなく、こうした歴史的な背景にインスピレーションを得たと語られています。

■将来の宇宙ミッションへの応用に重要なマイルストーン

今回の深宇宙光通信実験の成功は、レーザーを通じて地球と探査機との間で高速のデータ通信が可能であることを示すとても分かりやすい例です。地球と金星との距離は最短で約4000万km、地球と火星との距離は最短で約5600万kmであることを考えると、今回実験に成功した約3100万kmという距離は、惑星間での高速通信が現実に可能なことを示しています。

実験の成功は光通信技術における重要なマイルストーンであり、NASAのパメラ・メルロイ副長官は以下のように成果を強調しています。

“This accomplishment underscores our commitment to advancing optical communications as a key element to meeting our future data transmission needs.”
“Increasing our bandwidth is essential to achieving our future exploration and science goals, and we look forward to the continued advancement of this technology and the transformation of how we communicate during future interplanetary missions.”

「この成果は、将来のデータ伝送のニーズを満たすための重要な要素として光通信を進歩させるという私たちの取り組みを強調するものです。」
「将来の探査や科学の目標を達成するには、帯域幅 (※通信周波数の幅) の拡大が不可欠であり、この技術の継続的な進歩と、将来の惑星間ミッション中の通信方法の変革を期待しています。」

 

Source

Ian J. O’Neill. “NASA’s Tech Demo Streams First Video From Deep Space via Laser”. (JPL) JPLraw. “The Video NASA’s Laser Communications Experiment Streamed From Deep Space”. (YouTube) JPLraw. “NASA Tech Demo Streams First Video From Deep Space Via Laser (Media Reel)”. (vimeo)

文／彩恵りり