深宇宙通信はどのようにして接続性を維持するのでしょうか?検出器には「良い声」があり、地上には「良い耳」がある

宇宙には高エネルギー放射線が多く存在し、無線信号が妨害される可能性があります。では、深宇宙探査機との通信をどのように維持するのでしょうか?

1977年9月5日、宇宙探査機「ボイジャー1号」が打ち上げられた。この頃から地上の管制センターと常時通信を続け、人類が足を踏み入れたことのない深宇宙の様子を常に映し出していた。しかし、2023年11月、人類はボイジャー1号との連絡が途絶えた。正確に言うと、ボイジャー1号は現在も地球に向けて信号を送信しているが、残念ながらその信号は意味をなさない文字化けしたコードになってしまっている。地上チームとボイジャー1号が大変な苦労をしながらようやく連絡を取り戻したのは、今年4月末になってからだった。人類がより遠い宇宙を探索し続けるにつれて、非常に重要な疑問が徐々に浮かび上がってきます。それは、深宇宙通信の接続をどのように維持できるのか、ということです。

深宇宙を航行するボイジャー1号探査機のレンダリング

深宇宙探査機との通信はどれくらい難しいのでしょうか?

1965年、カリフォルニア工科大学の航空学博士課程の学生で、NASAでパートタイムで働いていたゲイリー・フランドローは、1970年代後半から1980年代前半にかけて、木星、土星、天王星、海王星が地球と弧を描くことを発見した。この弧は176年に1度現れると推定されています。宇宙船がこの弧上の各惑星の上を飛行すると、惑星の重力によって加速されます。飛行時間の誤差を数十分以内に制御できれば、複数の重力加速により、探査機が地球から海王星まで飛行するのにかかる時間を30年から12年に短縮できる。以前、マリナー10号探査機は重力を利用して金星と水星への接近通過を加速し、同様の操作の利点を予備的に検証した。

天体の重力を利用して加速する宇宙船の模式図

この100年に一度のチャンスをつかむため、NASAは1977年の夏、15日以内に2機の「姉妹」宇宙船、ボイジャー2号とボイジャー1号を打ち上げました。それらは土星の近くで「別れ」、その後ボイジャー1号は土星の環を通過し、タイタンを通過し、太陽系の惑星面から飛び出しました。ボイジャー2号は単独で天王星と海王星へ向かい続けた。

2012年8月25日、ボイジャー1号は太陽圏を通過し、科学者が以前から予測していたプラズマ密度の急上昇現象を検出しました。 2024年現在、約47年間の飛行を経て、ボイジャー1号は地球から約240億キロメートル離れており、これは地球と太陽の距離の160倍に相当します。距離が非常に長いため、地上チームはボイジャー1号からの無線信号を受信するのに少なくとも22.5時間待つ必要があり、ボイジャー1号が深宇宙ネットワークを通じて地球の信号を受信するまでに少なくとも同じ時間待つ必要があります。さらに、ボイジャー1号は毎日3～4光秒（約30万キロメートル）の距離を飛行することを考えると、地球とボイジャー1号間の通信の待ち時間は今後も増加し続けるでしょう。

ボイジャー1号探査機運用効果図

ボイジャー1号が地球から遠ざかるにつれて、地球との効果的な通信を維持することがますます困難になるでしょう。一方、ボイジャー1号の信号送受信は主に電波に依存しており、無線信号の強度は距離の2乗に反比例します。距離が長くなるにつれて、無線信号は弱くなり、トランシーバー自体と宇宙背景によって生成されるノイズ干渉がますます顕著になります。一方、過去半世紀にわたり、地球上の放送、テレビ、携帯電話などの無線信号への干渉が深刻化しており、地上チームがボイジャー1号からの完全な情報を受け取ることはますます困難になるでしょう。

では、深宇宙通信の安定性を確保するにはどうすればよいでしょうか?これには宇宙船と地上チームの協力が必要です。

深宇宙探査機には良い音声が必要

第一の要因はエネルギー供給です。

地球にはっきりと「聞こえる」ようにするには、深宇宙探査機は大きな「声」、つまり信号強度が「強力」でなければならないので、必要なエネルギーを過小評価することはできません。深宇宙通信で安定したコンタクトを維持したい場合、まず探査機に十分なエネルギーが供給されていることを確認する必要があると言えます。

人工衛星は通常、エネルギーの補給に太陽電池パネルに依存しているが、ボイジャー1号は太陽から遠すぎるため太陽エネルギーを使用することができない。この問題を解決するために、ボイジャー1号は原子力、つまり放射性同位元素の熱電電池を使用しました。プルトニウム238の放射性崩壊によって発生する熱エネルギーを利用して直流電流を直接供給する装置です。エネルギー量と同位体崩壊の放出率は外部環境とは何ら関係がないため、これによりボイジャー1号は地球と長期間「対話」するのに十分な「物理的強度」を備えていることが保証されます。

ボイジャー1号とボイジャー2号はどちらも、エネルギーとして3つのプルトニウム同位体電池を使用します。ミッション開始時の原子力電池の初期出力は約470ワットでした。時間が経つにつれて、電力は年間約6.4ワットの割合でゆっくりと減少し、熱電対などのデバイスの性能も徐々に低下し、エネルギー供給効果も徐々に悪くなりました。これまでNASAは、ボイジャー1号の運用寿命をボイジャー1号の打ち上げ50周年にあたる2027年まで延長することを目指し、ボイジャー1号のサブシステム、ヒーター、科学機器の多くを停止していた。その時点では、ボイジャー1号は前進を続けるものの、地球にデータを送信できなくなる。

ボイジャーシリーズ探査機が搭載する「原子力電池」

2つ目は、特別に製作された高利得アンテナです。

ボイジャー1号の電力供給は大きくないため、消費量を「慎重に計算」する必要がある。例えば、搭載されている無線信号送信機の電力はわずか 22.4 ワットで、これは私たちが使用している携帯電話の充電器よりもさらに低いものです。初期の無線信号電力は非常に低いため、対策を講じなければ、ボイジャー 1 号から放射される電波は宇宙の全方向に均等に広がり、地球に「分配」される信号は間違いなく小さすぎるものになります。

総電力の低い無線信号が可能な限り地球に向けて送信されるように、探査機にはカセグレンアンテナが搭載されています。マイクロ波通信に使用される二重反射器アンテナです。シンプルな構造、柔軟な設計、狭いビーム、高ゲイン、低ノイズなどの利点があります。衛星通信に広く使用されています。

ボイジャー1号のメインパラボラアンテナは直径3.66メートルで、Xバンド（約8.4GHz）のカセグレンアンテナとSバンド（約2.3GHz）の前方給電パラボラアンテナで構成されています。このうち、Xバンドのメインアンテナ利得は47dBiで、12Wと22Wの2つの送信電力モードを備えています。サブリフレクターにはSバンド低利得アンテナが搭載されており、主にビーム幅90度の円偏波を地球に送信するために使用され、飛行初期にボイジャー1号の正確な位置合わせが不要になり、姿勢制御の要件が軽減されます。低利得アンテナについては、主にボイジャー1号ミッションの初期段階で姿勢調整に使用されます。

ボイジャー1号探査機のアンテナ構造のクローズアップ

高利得アンテナを利用することで、ボイジャー1号のSバンドとXバンドの信号ビーム幅はそれぞれ0.5度と2.3度に焦点が絞られ、地球に送信される信号強度が大幅に向上しました。このうち、S バンド信号は主にテレメトリ データの送信に使用され、X バンド信号は高解像度の画像や科学データの送信に使用されます。

次に正確な姿勢制御です。

信号伝送用のアンテナ利得を高めるために、ボイジャー 1 号は無線ビームを非常に狭く制御します。高利得アンテナを地球に向けるためには、探査機の姿勢を正確に制御する必要がある。そうしないと、「ほんの少しのミスで大きな誤差が生じ」、探査機が地上局から切断されてしまう可能性が高くなります。

2023年7月21日、NASAがボイジャー2号にコマンドを送信した際にエラーが発生し、アンテナが地球の方向から2度ずれ、地上チームと探査機の接続が瞬時に切断されました。探査機が新たな指示に従ってアンテナを調整した後、ようやく地上チームとの通信を再開したのは8月4日になってからだった。

最後に、通信信号そのものがあります。

ボイジャー 1 号は、深宇宙通信のアップリンクおよびダウンリンク周波数に割り当てられた X バンドおよび S バンド周波数に属する 8.4 GHz および 2.3 GHz の通信周波数を使用します。これら 2 つの帯域を選択した理由は、関連する周波数帯域に干渉がほとんどなく、人工的に生成された無線ノイズが小さいため、信号対雑音比が向上し、地上と宇宙間の無線通信の維持に役立つためです。

しかし、ボイジャー1号は地球から遠すぎる上に、宇宙には複雑で未知の高エネルギー放射線が多数存在するため、無線信号は依然として干渉を受けます。シャノンの公式によれば、実際に通信が達成できる信頼性の高い速度は、信号と背景ノイズの比率によって決まります。つまり、伝送距離が長くなるほど、達成可能な伝送速度は低くなります。

ボイジャー探査機の信号は深宇宙の複雑な要因によって干渉を受けます。

1994年、ボイジャー1号が地球から約60億キロメートル離れたとき、通信速度は毎秒7.2キロビットでした。 2007年、ボイジャー1号が地球から約126億キロ離れたとき、通信速度は毎秒1.4キロビットに低下しました。今年初めの時点で、ボイジャー1号は地球と毎秒160ビットの速度でしか通信できず、これは1990年代のダイヤルアップインターネット接続よりも遅いものだった。

データ伝送の負担を軽減し、同じ伝送容量でより多くのデータを地球に送り返すために、深宇宙探査の分野ではデータ圧縮技術が使用されています。元の画像と科学データを可能な限り保存するために、深宇宙通信では通常、約 3:1 の低い圧縮率のロスレス圧縮が使用されます。圧縮されていないボイジャー 1 号の画像は 800×800 ピクセルで、ピクセルあたり 8 ビットのグレースケールです。実際、典型的な惑星や衛星の画像には、無効な情報である黒が大量に含まれています。隣接するピクセルのグレーレベルの差を計算することにより、画像データ圧縮により、一般的な惑星画像のデータ量を 60% 削減できます。

信号が弱い、干渉があるなどの理由により、地球局が受信したデータに誤りが生じる可能性があります。エラーが見つかるたびにデータを再送信すると、通信遅延が増大し、時間と労力がかかります。そのため、深宇宙探査機では、受信した信号に対して数学的なチェックを実行して誤ったデータを検出できる誤り訂正符号化技術が使用されています。ボイジャー 1 号は当初、カスケード グレイ コード + 畳み込み符号化の単一チャネル テレメトリ システムを使用していましたが、後に軌道上でカスケード リード ソロモン コード + 畳み込み符号化にアップグレードされました。これは、畳み込み符号を内部コードとして、リード ソロモン コードを外部コードとして使用する典型的なカスケード コード方式です。

いわゆるエラー訂正コーディングは、関連情報のビット レートを増加させ、信号の冗長性を高めることによって、情報ビット エラー レートを実際に低減します。グレイ コーディング アルゴリズムを使用して 1 ビットの情報を送信するには 1 ビットのオーバーヘッドが必要ですが、リード ソロモン コード方式では、送信される 5 ビットの情報ごとにオーバーヘッドが 1 ビットに削減され、情報ビット エラー率は 5/1000 から 1/100 万に削減されます。コンピューティング処理能力が向上するにつれて、新しい深宇宙探査機は、チャネルコーディングの性能が向上した Toubo コードや LDPC コードなどのより長いコードを徐々に採用するようになっています。

地上には「良い耳」が必要だ

信頼性の高い深宇宙通信を実現するには、探査機だけに頼ることはできません。地上局も協力して地上と宇宙の通信リンクを開く必要があります。

一方で、全世界をカバーする深宇宙追跡・制御ネットワークの構築も必要です。

地球の自転により信号が遮断され、通信効果に大きく影響するため、世界中に一定数の深宇宙通信施設を配備することによってのみ、地上チームと深宇宙探査機の継続的な接続を確保することができます。

ボイジャー1号と地球間の通信は、NASAの深宇宙ネットワークを通じて行われます。これは、世界中に分散された 3 つの統合追跡、制御、通信施設で構成されたネットワークです。これは、世界で最も強力かつ最大の深宇宙追跡、制御、通信システムでもあります。各施設には、直径70メートルの主アンテナ1基、直径34メートルの補助アンテナ4基～7基、直径26メートルと11メートルの小口径アンテナ1基と中口径アンテナ1基が設置されている。宇宙船と途切れることなく通信できます。

NASA の深宇宙ネットワーク システムの建設は 1958 年に開始されました。3 年後、カリフォルニア州ゴールドストーン、オーストラリアのウーメラ、南アフリカのヨハネスブルグに 3 つの深宇宙ステーション システムが建設されました。 1963 年に正式にディープ スペース ネットワークと命名されました。1965 年に、NASA はスペインのマドリードとオーストラリアのキャンベラに 2 つの新しい深宇宙ステーションを建設しました。現在の 3 つのステーションの構造は、NASA がウーメラとヨハネスブルグの施設を閉鎖した後の 1974 年に形成されました。これらのステーションは、カリフォルニア州パサデナにある NASA のジェット推進研究所によって制御、保守、管理されています。

カリフォルニア砂漠のゴールドストーンレーダー基地

米国以外にも、他の国や組織も積極的に深宇宙ネットワークの構築に取り組んでいます。たとえば、ESA はオーストラリアのニューノルセステーション、スペインのセフェロスステーション、アルゼンチンのマラグエイステーションを含む深宇宙ネットワークを構築しており、ドイツのダルムシュタットにある欧州宇宙運用センターによって遠隔操作および制御されています。我が国はジャムス（同国最東部）、カシュガル（同国最西部）、サパラ（アルゼンチン西部）に深宇宙ステーションを配備し、上空の92％以上の通信有効カバレッジを達成しました。ロシア、日本、インドなどの国々も深宇宙追跡管制設備の開発・構築を行っているが、まだ完全な深宇宙追跡管制ネットワークは形成されていない。ロシアが使用している地上施設や特殊艦艇の一部はソ連から継承されたものである。

外国の深宇宙通信地上局

一方、強力な地上設備も必要です。

深宇宙宇宙船の追跡・制御およびデータ伝送に特化した地上設備には、通常、大口径パラボラアンテナ、高出力送信機、超高感度受信システム、信号処理システム、高精度かつ高安定性の時間・周波数システムが装備されています。地球から少なくとも数百万キロメートル離れた深宇宙宇宙船を追跡し、制御することができます。

深宇宙探査ネットワーク用大口径アンテナ

深宇宙通信用の地上設備の中でも、最も目を引くのが巨大なアンテナです。直径70メートルの完全可動式パラボラ高利得反射アンテナは、ボイジャー1号との通信に使用されます。このアンテナは、ボイジャー計画の実施後に、元のアンテナの古い金属パネルと構造サポートを取り外し、新しい外部サポート構造と精密パネルを設置し、パネル表面をサブミリメートルの精度に調整することで、直径64メートルのアンテナからアップグレードされました。さらに、このアンテナには、X バンド RF 信号を正確に集中させるためのホログラフィック アライメント テクノロジーも導入されています。統計によると、直径70メートルのアンテナの面積は3,850平方メートルに達し、バスケットボールコート10面分に相当し、総重量は2,500トン以上、利得は2,000万倍以上です。

直径70メートルのアンテナで集束・増幅されたボイジャー1号の信号強度は、通常の携帯電話が受信できる最も弱い信号のわずか10万分の1です。このような微弱な信号を受信するには、アンテナの受信部品を絶対零度近くまで冷却し、超伝導効果を利用して超高感度と極低ノイズを実現する必要があります。次に、デバイスは受信した信号を増幅して元の信号を復元します。

信号を受信するために「あらゆる努力を払う」ことに加えて、深宇宙探査機に信号を送るためにも「あらゆる努力」が必要です。オーストラリアのキャンベラにある NASA の通信ステーションの直径 70 メートルのアンテナを例に挙げてみましょう。ボイジャー1号の信号受信装置を「管理」するため、地上局は「多額の資金を投入」し、Sバンドの送信出力は400キロワットに達した。それにもかかわらず、地上からボイジャー1号に2.1GHzの周波数で送信されるコマンド速度は1秒あたり16ビットにしか達せず、深宇宙での通信がいかに難しいかを示しています。