宇宙からの生放送はどうやって実現されるのでしょうか?宇宙WIFIを構築するものは何ですか?

2021年7月6日、我が国は「天聯1号05号」という衛星の打ち上げに成功しました。神舟12号、天問、珠容の火星着陸が「全国民の目の前で」行われたのに比べると、今回の打ち上げミッションは特に控えめなものに見える。しかし、この目立たない小型衛星の打ち上げは、前2回の「宇宙からの生中継」と密接に関係している。 「天聯」がどのようにして「祝容」と「天文」に近づくのかを一緒に学びましょう！

宇宙と地上はどのように通信するのでしょうか?なぜ衛星を使って WIFI を設定するのですか?

すべての宇宙船の打ち上げおよび飛行ミッションでは、飛行中の打ち上げロケットおよび宇宙船の追跡、測定、および制御が必要です。宇宙飛行指揮管制センターでは何千ものデータが収集され、処理されて発行される指示に変換されます。その中には、地上の計測管制所に設置されたり、海上を漂流したりして宇宙船と地上の指揮管制センターとの「橋渡し」の役割を果たす外洋計測船も少なくありません。

しかし、地球の曲率の影響により、低軌道および中軌道の宇宙船の地上における軌道カバレッジは非常に限られています。一部の静止軌道衛星を除き、他の宇宙船、特に高度 400KM で動作する低軌道および中軌道の宇宙船は、「すべてを制御下に置く」ために、地球の表面に均等に配置された数百の追跡および制御ステーションが必要です。冷戦時代のアメリカとソ連でさえ、それはできなかっただろう。海上追跡管制船の配備場所は比較的柔軟ですが、船舶の準備、海況、気象条件の影響により全てをカバーすることは困難です。

宇宙船が中国の領空を通過する時間は非常に短く、中国国内の観測所や通信所が有効な通信を維持できる時間は限られている。地球の曲率の影響を取り除くには、追跡ポイントと制御ポイントを高く設置し、より遠くまで見通す必要があります。そのため、過去の米国やソ連、そして現在の中国は、深宇宙に目を向け、数万キロメートルの高さの静止軌道に追跡管制局を設置しています。

この軌道を選択する上で重要な要素が 2 つあります。1 つは同期です。この軌道における衛星の公転周期は地球の自転周期と同じです。そのため、静止軌道衛星は固定された衛星地上受信局と24時間通信することができ、非常に便利です。 2つ目は、十分に高いことです。低軌道衛星、有人宇宙船、宇宙ステーションのほとんどは、高度 100 ～ 400 km に分布しています。少数の航法衛星や雷軌道衛星は高度20,000kmにあり、静止軌道の高度は36,000kmにも達します。地球-月間のトランスファー軌道上にある特別な注意を必要とする少数の宇宙船を除き、他のすべての宇宙船は静止軌道のすぐ近くにあります。

1980年代には、米国が世界初のデータ中継衛星の打ち上げを主導しました。そして2008年、我が国は初のデータ中継衛星「天聯1号」の打ち上げに成功し、我が国のデータ中継と宇宙計測制御のギャップを埋めました。

2008年4月25日、わが国初のデータ中継衛星「天聯1号01号」が西昌衛星発射センターで打ち上げられました。

画像提供：新華社通信/李剛撮影

利用可能なWLAN「天聯」：中国に宇宙データ「ルーター」を持たせる

2003年、我が国は有人宇宙飛行の計測・制御ニーズを全面的にサポートするため、天聯1号中継衛星システムプロジェクトを設立し、開始しました。

天聯1号は、中国航天科技集団が成熟した東方紅3号汎用プラットフォームをベースに開発したもので、三軸安定化技術を採用した同期衛星の第一世代として、衛星共通プラットフォームの全体設計、通信チャネルアンテナ、完全な三軸姿勢安定化技術、デュアルコンポーネント統合推進システムなどの分野では、当時の同様の国際衛星（中容量）の先進レベルに達していました。 1997年の最初の打ち上げ以来、天聯衛星の開発が始まった2003年までに6機の衛星の打ち上げに成功し、中国の公共ネットワークサービス、VASTサービス、および特定のテレビ信号伝送タスクを担ってきました。成熟した先進的な静止軌道衛星として、天聯1号の開発中に当然ながら優先プラットフォームとなりました。

2008年4月25日、同システムの01号衛星はインド洋上空に打ち上げられ、位置を確定し、「神舟7号」データ中継サービスに参加して成功裏に完了した。天聯1号02号と03号衛星は2011年と2012年に打ち上げられ、それぞれ西太平洋と西アフリカ上空に配置されました。これらは同時に動作し、地上アプリケーションシステム、中継端末などとともに追跡およびデータ中継衛星システムを形成します。これにより、中国は世界で3番目に中低軌道宇宙船に全世界をカバーする中継衛星システムを確立した国となり、現在、中低軌道宇宙船に全世界をカバーする中継衛星システムを持つ2か国のうちの1か国となりました。

天聯1号衛星プラットフォームの設計寿命は8年、サブシステムの設計寿命は6年であるため、元の天聯1号01～03号衛星は耐用年数を過ぎても軌道上に長年留まっており、緊急に交換が必要です。そのため、我が国は2016年と今年、耐用年数を迎えた中継衛星の代わりとして、それぞれ天聯1号04号と05号の衛星を打ち上げ、我が国の月面着陸と火星探査ミッションに参加しました。

天聯2号中継衛星は東方紅4号衛星プラットフォームをベースとしており、天聯1号に比べて搭載能力と寿命が大幅に向上している。

また、我が国は、人類初の月の裏側探査に向けたデータブリッジを構築するため、2018年12月に我が国および世界初の地球軌道外専用中継通信衛星である鵲橋中継衛星を打ち上げた。写真は、中国の宇宙追跡管制システム「WALN」に嫦娥4号探査機と月探査車が正常に接続された様子を示している。鵲橋衛星と天聯2号衛星のサービスにより、わが国の中継衛星は「2.0」時代を迎えました。

「天国への道」は混雑しているが混雑していない：宇宙での「インターネット速度」を速くするにはどうすればいいか？

私の国の初期の航空宇宙テレメトリでは、宇宙船の通信に「統合 S バンド追跡制御システム」と呼ばれるシステムが使用されていました。生放送でよく聞く「USBトラッキングは正常」の由来もこれです。しかし、各宇宙船に搭載される機器の性能向上により、アクセスされるデータ量も増加し、従来のSバンド帯域幅では不足が増してきたため、技術者はより高周波のテレメトリシステムに目を向けるようになりました。電磁波特性の観点から見ると、波長が短くビームが狭いほど、周波数が高くなり、帯域幅が広くなり、伝送速度が速くなります。従来の衛星通信で使用されてきた Ka バンドは、当然のことながら、宇宙ベースの測定と制御の第一選択肢となります。

天聯1号は、SバンドとKaバンドの衛星間リンクをサポートするために、S/Kaバンドデュアルフィードパラボラアンテナを搭載して設計されました。ミリ波帯に入ることで、S帯に比べて帯域幅が2桁以上拡大し、伝送速度も大幅に向上しました。天聯衛星システム通信のリンクのダウンリンク速度は 1.2Gbps に達します。中継衛星地上局は宇宙データをリアルタイムで受信し、そのデータを北京飛行管制センターに送信し、わずか数秒の遅延で異なる識別子に従って自動的に配布します。これは、神舟10号の送信映像が、数分間しか続かなかった神舟5号の「PPT」から、比較的スムーズな「ライブティーチング」にアップグレードされた理由でもある。

高速伝送の要件により、関連するアンテナのビームは非常に狭くなります。動作波長が短いほど、アンテナ反射面の形状精度が高くなります。高いゲインを得るには、アンテナの電気的サイズ（アンテナ直径/動作波長）が十分に大きくなければなりません。天聯1号は、限られたアンテナ容積で十分な電気サイズを確保するために、アルミニウム合金のフレキシブルメッシュアンテナを使用しています。これは我が国の衛星に搭載された最大の電気通信アンテナにもなりました。また、搭載されている閉ループ捕捉追跡技術と連携して、高速で移動するユーザー宇宙船を捕捉・追跡します。

鵲橋中継衛星のアンテナがデバッグ中です。出典：中国航天科技集団公式サイト

天聯2号と鵝橋中継衛星は、高強度、低熱膨張係数、高反射率の極細金メッキモリブデン線繊維を撚る技術を採用しており、アンテナのサイズがさらに大きくなり、重量が約90％削減されています。

我が国の「天問1号」が火星に向かい、我が国の深宇宙探査時代の幕開けとなる中、計測制御距離は80万～10億キロメートルの宇宙空間にまで拡大する必要がある。大容量かつ超長距離の計測・制御伝送機能を実現するには、70メートル級のアンテナが必要になります。この大きさのアンテナを衛星上に設置するのはほぼ不可能です。そのため、鵲橋中継衛星が嫦娥4号の月面着陸ミッションを支援していた時期に、我が国は超長距離衛星間レーザーリンク通信技術の実験も行いました。搭載された軽量コンパクトなレーザー通信端末は、レーザーがマイクロ波より数桁広いという特性により、膨大な情報交換容量を提供し、数千マイル離れた深宇宙で1Gbpsレベルのデータ伝送を実現し、将来、わが国の各地の太陽系外惑星を航行する探査機も「WIFIサービス」を享受できるようになる。

複数の宇宙船が同時にオンラインになっている場合、Tianlian はどのようにして「共有ホットスポット」を実現するのでしょうか?

中継衛星は高い位置に設置され、遠くまで見渡すことができるため、当然ながら地上の追跡管制局よりも多くの宇宙船を監視する必要があります。特に近年の宇宙船の打ち上げコストの削減により、近い将来、軌道上の宇宙船の数は爆発的に増加することが予想され、中継衛星追跡および制御ネットワークの多重アクセス機能に対する要求が高まります。しかし、中継衛星の通信帯域幅リソースには限りがあります。宇宙船によって、データレート、変調方式、帯域幅、ドップラーシフトが異なります。したがって、複数のユーザーがリンクリソースを効率的に共有できるようにする方法は、計測制御ネットワークが複数の宇宙船のサービスをサポートするために解決する必要がある重要な課題です。

異なるユーザーの航空機が計測・制御ネットワークを共有するシミュレーションの概略図

中継衛星ペイロードの数と容量が限られているという問題に対応するため、天聯向けに宇宙ベースの追跡および制御ネットワーク用のより効率的なオンデマンド アクセス システムが設計されました。追跡および制御リソースを割り当てるために、ハイブリッド フリー/オンデマンド割り当て戦略 (CFDAMA) が使用されました。チャネル負荷が低い場合、タイムスロット リソースは主に空き割り当てを通じて取得されます。チャネル負荷が高い場合、タイムスロットは主にオンデマンドでリソース予約要求を送信することによって割り当てられます。

通常、中継衛星はデータ パケットを対応する中継衛星地上局に透過的に転送します。中継衛星地上局は、地上ネットワークを介してデータパケットを地上リソーススケジューリングセンターに直接転送し、ユーザー航空機と中継衛星間の接続シーケンスに従って、ユーザー航空機と現在の中継衛星間の利用可能な通信時間を検索し、対応するデータ伝送サービス指示を生成し、スケジュールされた時点でタイマーをトリガーして、データ伝送サービス指示をユーザー航空機に送信します。指示を受けた後、ユーザー航空機はデータ伝送サービスバックホールを実行します。この動作モードにより、天聯チャネルの利用率を最大化することができ、理論的には 256 のユーザー航空機がリンク リソースを効率的に共有できるようになります。

「天連」の打ち上げは、国内外の地上追跡管制局や測量船「元旺」と協力し、我が国の航空宇宙追跡管制ネットワークをさらに拡大しました。また、人類の宇宙活動が最も単純な「ショートメッセージ放送」から「ライブビデオ放送」へとアップグレードされ、宇宙がもはや私たちにとって遠いものではなくなったことも理解できました。衛星数の爆発的な増加、宇宙ステーション建設の初期形成、深宇宙探査の継続的な加速に伴い、中継衛星システムの通信およびサービス機能に対する需要も日々増加します。将来、我が国では、宇宙船に、より改善され、より高速で、より遠くまで通信サービスを提供するために、より強力な「天聯」ネットワークが稼働するようになるだろう。