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SOTA プロジェクト

概要 技術解説
  1. 特徴
  2. 構成
  3. サクセスクライテリア
  4. 実験方法
成果
研究プロジェクト SOTA プロジェクト 見出しアイコン

Small Optical TrAnsponder : SOTA

小型光トランスポンダ : SOTA

現在、衛星で取得された地球観測データを地上に伝送するための通信には電波が使われていますが、 電波は干渉の問題があることやキャリア周波数が低いことなどから、通信速度の向上が困難です。このような問題点を解決する方法の一つとして 「宇宙光通信」が期待されています。

NICTでは長年にわたって宇宙光通信の研究を推進しており、その一環として超小型衛星に搭載可能な小型光トランスポンダ (Small Optical TrAnsponder:SOTA)を開発しました。SOTAは2014年5月にSOCRATES(Space Optical Communications Research Advanced TEchnology Satellite)に 搭載されて打ち上げられ、2016年11月まで運用されていました。

衛星-地上間の光通信では、通信に用いる光信号が大気中を伝搬することによって生じる大気ゆらぎが問題になります。 大気ゆらぎはランダムな自然現象であり、ゆらぎを事前に予測することは困難であることが知られています。
NICTでは、SOTAを用いて衛星-地上間光通信における光の伝搬データを取得し、そのデータを解析することで、今後の宇宙光通信の実用に向けた研究を進めています。

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技術解説

1. 特徴

  • 超小型衛星で世界で初めての衛星-地上間光通信に成功
  • 小型・軽量・低電力な装置のため、超小型衛星にも搭載可能
     (ジンバル搭載型の衛星搭載用光通信機器としては世界最小)
  • 二軸駆動架台により、指向方向を制御
  • 波長が異なる複数のレーザ光源を搭載可能
  • 海外の宇宙機関との共同実験を実施

2. 構成

SOTAの外観を図1に、制御装置の外観を図2に、概要を表1に示します。
SOTAは全部で4種類のレーザを搭載していますが、 TX1とTX4が通信用のレーザで、画像などのデータを送ることができます。 TX2 とTX3は偏光測定用のレーザで、将来的な量子鍵配送のための基礎実験ができます。
通信速度は1Mbpsと10Mbpsを選択できるようになっており、通信方式はNon-Return to Zero(NRZ)方式で行われます。
SOTAの受信・追尾波長は1064nmで、衛星-地上間光通信の際は地上からの1064nmの光を検出し追尾します。
他にSOTAは誤り訂正符号機能も搭載されており、Reed-Solomon符号とLow-density generator matrix(LDGM)符号の 2種類を符号を選択することが可能です。


表1 仕様

レーザ波長

TX1

976 nm

TX2&3

800 nm-band

TX4

1549 nm

RX

1064 nm

通信速度

1,10 Mbps

通信方式

On-off keying(NRZ)

受信開口径

4.5 cm

ジンバル可動範囲

Az: ±50 deg
El: -22deg. ~ +78 deg

消費電力

1.7 ~ 12.6 W

図1. 小型光トランスポンダ(SOTA)の外観
図2. 制御装置の外観

3. サクセスクライテリア

表2にSOTAのサクセスクライテリアを示します。
SOTAには「ミニマムサクセス」から「エクストラサクセス」の 4段階のサクセスクライテリアが設定されています。SOTAは全ての部品が宇宙用ではなく、民生品を一部用いているので、 ミニマムサクセスではSOTAの起動確認や各機器の確認を主としています。2015年までにフルサクセスまでの実験を実施し成功し、 その後エクストラサクセスの殆どの実験を実施しました。

表2 サクセスクライテリア
表2 サクセスクライテリア

ミニマムサクセス

機器の起動確認

光学センサ等の健全性確認

サクセス

追尾試験

伝搬データ取得実験

BER測定実験

フルサクセス

データ伝送実験

符号化実験

エクストラサクセス

偏光特性計測実験

複数の光地上局と実験

光によるコマンド運用模擬

4. 実験方法

今回のSOTAを用いた実験システムの構成を図3に示します。
実験では、まず事前に画像データや誤り訂正を付加したデータなどを軌道上で予め生成します。また、光地上局の上空で衛星が可視になる時間に、 光地上局を指向可能なように事前に制御用のコマンドをアップロードし衛星運用条件を設定します。
衛星が光地上局の上空に到達するとSOTAが実験待機状態になります。光地上局からビーコン光を衛星に向けて照射すると、 SOTAはビーコン光を検出しビーコン光の方向を追尾し通信レーザを送信します。
これにより、衛星から光地上局へ光通信により衛星からのデータ伝送が行われます。通信実験中は、光地上局から常にビーコン光を照射しており、 SOTAは常にビーコン光を追尾し続けています。
図4は、地上局から衛星を見た画像で、図5は実施に衛星搭載用カメラで撮影して光通信伝送した地球の画像です。

図3. 実験システムの構成
図4. 地上局から観測した衛星
図5. 衛星搭載用カメラで撮影して光通信伝送した地球の画像
(オーストラリア大陸北東部)
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成果

  1.    H. Takenaka, A. Carrasco-Casado, M. Fujiwara, M. Kitamura, M. Sasaki, and M. Toyoshima, “Satellite-to-ground quantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite,” Nat. Photonics, vol. 11, pp. 502–508, 2017.
  2.    Carrasco-Casado, H. Takenaka, D. Kolev, Y. Munemasa, H. Kunimori, K. Suzuki, T. Fuse, T. Kubo-Oka, M. Akioka, Y. Koyama, and M. Toyoshima, “LEO-to-Ground Optical Communications using SOTA (Small Optical TrAnsponder) –Payload Verification Results and Experiments on Space Quantum Communications–,” Acta Astronaut., vol. 139, pp. 377–384, 2017.
  3.    Carrasco-Casado, H. Kunimori, H. Takenaka, T. Kubo-Oka, M. Akioka, T. Fuse, Y. Koyama, D. Kolev, Y. Munemasa, and M. Toyoshima, “LEO-to-ground polarization measurements aiming for space QKD using Small Optical TrAnsponder (SOTA),” Opt. Express, vol. 24, no. 11, p. 12254, 2016.
  4.    H. Takenaka and M. Toyoshima, “Study on optical communication link design for 50kg-class small satellites,” in International Conference on Space, Aeronautical and Navigational Electronics, 2010, vol. 2, no. SANE2010-98, pp. 179–184.
  5.    M. Toyoshima, H. Takenaka, Y. Shoji, Y. Takayama, Y. Koyama, and M. Akioka, “Small optical transponder for small satellites,” in Communication Systems Networks and Digital Signal Processing, 2010, pp. 558–561.
  6.    H. Takenaka, M. Toyoshima, Y. Shoji, Y. Takayama, Y. Koyama, and M. Akioka, “Link budget analysis for small optical transponder onboard small satellites,” in International Astronautical Congress, 2010, pp. 1–8.
  7.    Y. Koyama, Y. Takayama, M. Akioka, H. Takenaka, Y. Munemasa, and M. Toyoshima, “Completion of the small optical transponder development for satellite-ground laser communication demonstrations,” in Ka Conf. and ICSSC, 2013, pp. 1–6.
  8.    H. Takenaka, E. Okamoto, and M. Toyoshima, “Low-density Generator Matrix Code for Correcting Errors with a Small Optical Transponder,” in International Conference on Space Optical Systems and Applications, 2015, pp. 1–4.
  9.    H. Takenaka, M. Toyoshima, Y. Takayama, Y. Koyama, and M. Akioka, “Experiment plan for a small optical transponder onboard a 50 kg-class small satellite,” in International Conference on Space Optical Systems and applications, 2011, pp. 113–116.
  10.    D. H. Phung, E. Samain, N. Maurice, D. Albanesse, H. Mariey, M. Aimar, G. M. Lagarde, G. Artaud, J. L. Issler, N. Vedrenne, M. T. Velluet, M. Toyoshima, M. Akioka, D. Kolev, Y. Munemasa, H. Takenaka, and N. Iwakiri, “Telecom & scintillation first data analysis for DOMINO - Laser communication between SOTA, onboard socrates satellite, and MEO OGS,” in IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications, 2016, vol. 9739, pp. 1–14.
  11.    H. Takenaka, M. Toyoshima, Y. Shoji, Y. Takayama, Y. Koyama, and M. Akioka, “Evaluation of the optical communication system for Small Optical TrAnsponder (SOTA) based on the laboratory,” in International Astronautical Congress, 2011, vol. 62.
  12.    Y. Koyama, M. Toyoshima, Y. Takayama, H. Takenaka, K. Shiratama, I. Mase, and O. Kawamoto, “SOTA: Small Optical Transponder for micro-satellite,” in International Conference on Space Optical Systems and Applications, 2011, pp. 97–101.
  13.    H. Takenaka, D. Kolev, Y. Koyama, and M. Akioka, “EXPERIMENTAL RESULTS OF SATELLITE-TO-GROUND LASER COMMUNICATIONS LINK THROUGH ATMOSPHERIC TURBULENCE USING SOTA,” in International Conference on Space Optics, 2016, pp. 1–7.
  14.    H. Takenaka, Y. Koyama, M. Akioka, D. Kolev, N. Iwakiri, H. Kunimori, A. Carrasco-Casado, Y. Munemasa, E. Okamoto, and M. Toyoshima, “In-orbit verification of small optical transponder (SOTA): evaluation of satellite-to-ground laser communication links,” in Proc. SPIE, 2016, p. 973903.
  15.    Y. Takayama, M. Toyoshima, Y. Koyama, H. Takenaka, M. Akioka, K. Shiratama, I. Mase, and O. Kawamoto, “Current development status of Small Optical TrAnsponder (SOTA) for satellite-ground laser communications,” in Proc. SPIE, 2012, p. 824607.
  16.    D. R. Kolev, H. Takenaka, Y. Munemasa, M. Akioka, N. Iwakiri, Y. Koyama, H. Kunimori, and M. Toyoshima, “Overview of International Experiment Campaign with Small Optical TrAnsponder (SOTA),” in International Conference on Space Optical Systems and Applications, 2015, pp. 1–6.
  17.    A. Carrasco-Casado, H. Takenaka, M. Fujiwara, M. Kitamura, M. Sasaki, and M. Toyoshima, “QKD from a microsatellite: The SOTA experience,” Quantum Inf. Sci. Sensing, Comput. X, no. May, p. 10, 2018.
  18.    M. Akioka, H. Takenaka, M. Toyoshima, Y. Koyama, Y. Takayama, and T. Seki, “The NICT’s New OGS for Satellite Laser Communication and SOTA/SOCRATES experiment,” in SpaceOps Conferences, 2016, pp. 1–6.
  19.    A. Carrasco-Casado, H. Takenaka, D. Kolev, Y. Munemasa, H. Kunimori, K. Suzuki, T. Fuse, T. Kubo-Oka, M. Akioka, Y. Koyama, and M. Toyoshima, “LEO-to-Ground Optical Communications using SOTA (Small Optical TrAnsponder) –Payload Verification Results and Experiments on Space Quantum Communications–,” in International Astronautical Congress, 2016, pp. 1–7.
  20.    H. Takenaka, M. Toyoshima, Y. Takayama, Y. Koyama, M. Akioka, E. Okamoto, and T. Kyo, “Study on Error Coding Program for Implementation in SOTA,” in International Conference on Space Optical Systems and Applications, 2012.

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