究極のQRPp/QRSS/DX――ボイジャーとの通信

1. 250億km先から届く、ほとんど消えた声

ボイジャーとの通信を、アマチュア無線の語彙で「究極のQRPp、QRSS、DX」と呼ぶならば、その言い方には、意外なほど技術的な実感がある。地球上の弱信号通信が夢想してきた極限が、太陽圏の彼方において、いまなお日常業務として遂行されているからである。

ボイジャーは、宇宙に向けて叫んでいるのではない。ほとんど聞こえない声で、なお語り続けている。そして地球は、その声を聞くために、巨大な耳を澄ませている。

2. ボイジャーとは何か――1977年から続く通信

ボイジャーとは、NASAが1977年に打ち上げた2機の無人惑星探査機、ボイジャー1号とボイジャー2号のことである。もともとは木星と土星、その衛星や環を近接観測するために計画された探査機であり、後にボイジャー2号は天王星と海王星にも到達した[12]。

少しややこしいことに、先に打ち上げられたのはボイジャー2号である。ボイジャー2号は1977年8月20日、ボイジャー1号は1977年9月5日に打ち上げられた[12]。番号は打ち上げ順ではなく、木星・土星へ先に到達する軌道をとったボイジャー1号に与えられたものである。

現在、ボイジャー1号と2号はいずれも太陽圏を越え、恒星間空間へ入った探査機として、地球へ観測データを送り続けている[7]。2機はいまも太陽から遠ざかり続けており、ボイジャー1号は太陽に対して約17.0km/s、ボイジャー2号は約15.4km/sで進んでいる[11]。

つまり本稿でいう「ボイジャーとの通信」とは、約半世紀前に打ち上げられた2機の探査機と、地球上の深宇宙通信網とのあいだで、今も続いている極限的な無線通信を指している。

3. QRPp、QRSS、DXという無線家のまなざし

QRPとは低電力通信を意味するアマチュア無線の用語であり、一般にはCWで5W以下、SSBで10W PEP以下の運用を指すことが多い[1]。QRPpは、さらに微小な電力を指して用いられる愛称的な語である。

一方、QRSSとは、通常のCWよりもはるかに遅い速度で送信し、極めて狭い帯域で信号を読み取る弱信号通信の技法である[2]。信号を遅くし、帯域を狭くし、時間を味方につける。そこにQRSSの本質がある。

そしてDXとは、遠距離通信を意味する無線家の語である。地球上のDXでも十分に胸が躍るが、相手が太陽圏外の探査機となれば、その距離感はもはや地上の無線通信の尺度をはるかに越える。ボイジャーとの通信は、弱信号通信であると同時に、究極の遠距離通信でもある。

ボイジャー探査機の送信機そのものは、アマチュア無線でいうQRPp送信機とは異なる。Xバンド送信系は20W級の出力をもち、資料によっては高出力時のRF出力を18W、あるいは送信機出力を約22W級として扱う記述がある[3]。

ここで見るべきなのは、送信機の銘板出力よりも、数百億kmという途方もない距離を隔てて、地球側の受信点にどのような信号として現れるかである。

4. 22Wは宇宙を越えるか――アンテナ利得の力

ボイジャー通信で決定的な役割を果たすのが、アンテナ利得である。ボイジャーには3.7m級の高利得アンテナが搭載され、地球に向けて通信を行う[4]。このアンテナのXバンド利得は約48dBiであり、ビーム幅はおよそ0.5度とされる[3]。

つまり、20W級の送信電力は、宇宙空間へ漫然とばら撒かれているのではない。地球という一点へ向け、細く、鋭く、針のように絞り込まれている。

20W級の送信機に48dBiのアンテナ利得を加えると、等方放射に換算した実効放射電力はメガワット級に相当する。送信機の出力だけを見れば小さい。しかしアンテナが方向を与えると、それは宇宙の闇を貫く鋭い声になる。

とはいえ、宇宙空間を伝わる電波は、距離の2乗に従って薄まっていく。ボイジャーの通常テレメトリで使われるXバンド、すなわち8.4GHz付近の周波数で、距離を約250億kmとすれば、自由空間損失は概算で約319dBにも達する[13]。

これは日常感覚を完全に越えた数値である。電波は消えたのではない。ただ、あまりにも薄く引き延ばされる。地球に届くそれは、もはや「信号が来ている」というより、雑音の海面にかすかに現れる皺のようなものである。

5. 地球側の巨大な耳――DSNと70mアンテナ

地球側では、NASA/JPLの深宇宙通信網、Deep Space Network、略してDSNの巨大アンテナ群がボイジャーの信号を受ける。

DSNは、ゴールドストーン、マドリード、キャンベラに置かれた深宇宙通信のための地上局ネットワークである。地球上におよそ120度ずつ離れて配置されているため、地球が自転しても、どこかの局が探査機を見られるようになっている。

とくに70m級アンテナは、ボイジャー通信にとって重要な役割を担ってきた[5]。ボイジャー通信は、送信側の鋭い指向性と、受信側の巨大な開口面との合作である。3.7mのアンテナで細く撃ち、70mのアンテナで受ける。さらに低雑音受信機、周波数追尾、ドップラー補正、デジタル信号処理、誤り訂正を組み合わせる。

感度のよいアマチュア無線機でも、SSB/CWで0.16µV、50Ω換算で約-123dBm程度の信号を受信できれば優秀である[9]。しかし、ボイジャーから地球に届く信号は概算で-150〜-160dBm級であり、これはそのさらに30dB前後下、すなわち電力にして1000分の1程度の世界である。通常の受信機で「聞こえる」信号ではない。

DSNの強みは、受信機単体の感度だけでは測れない。アンテナを含めた受信システム全体の感度にある。70mアンテナはXバンドで約74dBi級の利得を持ち、受信系のシステム雑音温度は17K級に抑えられている[8][13]。

17Kという雑音温度は、温度目盛りに換算すれば約-256℃に相当する。ただし、これは受信機全体がその温度まで冷えているという意味ではない。受信系がどれほど熱雑音を出しているかを温度に置き換えた、通信工学上の指標である。

微弱な電波は、最初に増幅される前に雑音に埋もれてしまえば、後段でいくら増幅しても取り戻せない。そのためDSNでは、受信機前段を極低温に冷却し、HEMTなどの低雑音増幅器を用いて、受信系そのものが発する雑音を可能な限り小さくしてきた。

これは、地球側の「耳」が、より大きくなっただけでなく、より静かで鋭敏になってきたことを意味する。

6. コマンドは明日の位置へ投げる

地球側からのコマンド送信もまた、アンテナ利得に大きく依存している。ボイジャーへの上り回線はSバンドで行われ、DSNの70m局では20kW級の送信機が用いられる[3][13]。

しかし70mアンテナのSバンド利得は約63.5dBiに達するため、実効放射電力は約105〜106dBW、等方放射換算で数百億ワット級となる[10]。ここでも重要なのは、送信機の電力の大きさそのものより、それをどれほど鋭く宇宙の一点へ集中できるかである。

したがって、地上局にも高い方向制御精度が求められる。Sバンドとはいえ、70mアンテナのビーム幅は概算で0.1度台にすぎない。

しかも、その標的は静止していない。ボイジャー1号は太陽に対して約17.0km/sで移動しており、1日では約147万km進む計算になる。ボイジャー2号も約15.4km/s、1日で約133万km進む[11]。

地球で受けているボイジャーの電波は、すでに約1日前の便りである。したがって、地上局が相手にするのは、空に「今見えている」探査機ではない。昨日の姿から今日の位置を推定し、さらにコマンド電波が届く明日の位置を予測して、アンテナを向けるのである。

地球から送信されるコマンドは、約1日弱をかけてボイジャーへ到達する。探査機はそれを受信し、実行し、その状態変化をテレメトリとして地球へ送り返す。しかし、そのテレメトリが地上局に届くまでにも、ほぼ同じ時間が必要である。

したがって地上の運用者は、昨日送った指令の成否を、明日になってようやく読むことになる。これは遠隔操作というより、宇宙の彼方にいる老いた機械との往復書簡に近い。

これは、数百億km彼方にある探査機へ向けて、約1日後の宇宙空間に置かれた小さな約束の場所へ電波を投げる、ということである。

7. アンテナを向け続ける――姿勢制御という生命線

鋭いアンテナ利得は、鋭い姿勢制御を要求する。ボイジャーは3軸安定化された探査機であり、天体基準またはジャイロ基準の姿勢制御を用いて、高利得アンテナを地球へ向け続ける[4]。

ジャイロが地球の方向を記憶しているわけではない。ジャイロは回転を測る慣性の道具であり、長時間の絶対基準は太陽や恒星、そして地上から与えられる指向情報に依存する。

NASAの説明によれば、ボイジャーのAACS、すなわち姿勢・関節制御サブシステムは、探査機の向きを制御し、高利得アンテナの地球指向を維持する役割を持つ[4]。

この一点が狂えば、通信はたちまち危うくなる。2023年には、ボイジャー2へのコマンドによってアンテナが地球方向から2度ずれ、通信が一時中断した事例があった[6]。わずか2度である。しかし、ボイジャーのアンテナにとっては、それはすでに宇宙の暗闇へ声を外すに足る角度であった。

深宇宙通信とは、送信機と受信機だけの問題ではない。探査機の姿勢、地上局の指向、軌道計算、時間差のすべてがそろって、ようやく通信路が成立する。

8. 遅く、狭く、長く待つ――QRSSとしての深宇宙通信

ここにQRSS的な性格が現れる。QRSSは、信号を遅くし、帯域を狭くし、時間を味方につける技法である。

ボイジャーもまた、高速な会話をしているわけではない。地球からボイジャーへ送るコマンドはSバンド上りで16bps、ボイジャーから地球へ戻る通常テレメトリはXバンド下りで160bpsという低速である[4][13]。なお、ボイジャーの通信系にはSバンド下りも備わっているが、通常の下りテレメトリではXバンドが主系である[3]。

言葉は遅く、帯域は狭く、処理は慎重である。

情報理論的に言えば、帯域を狭くすれば雑音電力を減らすことができる。速度を落とせば、1ビットあたりに使えるエネルギーを増やすことができる。弱い信号を読むには、声を大きくするだけが方法ではない。ゆっくり話し、狭く聞き、長く待つこともまた、通信の方法なのである。

この遅さは、弱さに対する諦めではない。弱い信号を読むための、積極的な戦略である。

9. 老いる探査機、進化する地球の耳

ボイジャー自身は、1977年の機械である。その送信機、発振器、計算機、メモリ、配線、推進系は、すべて半世紀近い時間を越えて老いている。

その老いは、電源にも現れている。ボイジャーは太陽電池ではなく、原子力電池とも呼ばれるRTG、すなわち放射性同位体熱電発電機で動いている。RTGはプルトニウム238の自然崩壊で生じる熱を電気に変える装置であり、原子炉のように核分裂反応を制御しているわけではない。可動部がなく長寿命だが、放射性崩壊と熱電変換系の劣化により、発電量は少しずつ低下していく。JPLも、ボイジャーのRTGは年々わずかに出力が落ち、その補償としてヒーターや不要な機器を停止してきたと説明している[14]。

一方、地球側の受信技術は進化し続けてきた。70mアンテナは改修され、低雑音受信機は進歩し、デジタル信号処理は発射当時とは比較にならない能力を得た。DSS-43、キャンベラの70mアンテナは、もともと64mで運用され、1987年に70mへ拡張され、その後も改修を受けてきた[5]。

これは非対称な通信である。宇宙機側は、1970年代のまま遠ざかっていく。電源は弱まり、使える機器は減り、スラスターも老朽化する。しかし地球側は、より大きな耳を作り、より静かな受信機を作り、より賢い信号処理を実装する。

ボイジャーが今も聞こえる理由は、探査機の堅牢さだけではない。地球側の耳が、半世紀にわたって良くなり続けたからでもある。

10. 弱い信号は、弱いからこそ美しい

ゆえに、「究極のQRPp/QRSS/DX」という表現は、無線家の冗談でありながら、かなり本質を突いている。

低電力、狭帯域、低速度、長時間積分、超高利得アンテナ、極低雑音受信、精密な姿勢制御、そして途方もない距離。これらはすべて、弱信号通信の核心に属している。しかもその距離は、地上の数100kmや地球の裏側どころではない。相手は太陽圏外、数百億kmの彼方にいる。これは、無線家の感覚で言えば、究極のDXでもある。

ボイジャーは、宇宙に向けて叫んでいるのではない。ほとんど聞こえない声で、なお語り続けている。そして地球は、巨大な耳を澄ませて、それを待っている。

この沈黙に近い通信こそ、究極のQRPpであり、究極のQRSSであり、そして究極のDXである。

弱い信号は、弱いからこそ美しい。遠すぎる相手から、届くはずのないものが届くとき、通信には技術を越えた詩情が宿る。

注釈

[1] ARRL “Why QRP?”
QRPは、一般にCWで5W以下、SSBで10W PEP以下とされることが多い。
URL: https://www.arrl.org/why-qrp

[2] KA7OEI “QRSS and you — About VERY low-speed CW”
QRSSはQRS、すなわち「もっと遅く送れ」に由来し、非常に遅いCWを意味する。
URL: https://www.ka7oei.com/qrss1.html

[3] Richard Ludwig and Jim Taylor, “Voyager Telecommunications”
Voyager通信系、Sバンド上り、Xバンド主下り、Sバンド副下り、HGAの構造、利得、ビーム幅、データレート等の詳細資料。XバンドHGA利得は約48dBi、HGAのXバンドビーム幅は約0.5度、X-TWTAのRF出力は12W/18W、70m局のSバンド送信機は20kWと記載されている。
URL: https://voyager.gsfc.nasa.gov/Library/DeepCommo_Chapter3--141029.pdf

[4] NASA Science “Voyager Spacecraft”
ボイジャーの3軸安定化、AACSによる高利得アンテナの地球指向維持、3.7m高利得アンテナ、Sバンド16bps上り、Xバンド160bps通常下り等についての説明。
URL: https://science.nasa.gov/mission/voyager/spacecraft/

[5] NASA/JPL “NASA Contacts Voyager 2 Using Upgraded Deep Space Network Dish”
DSS-43、キャンベラの70mアンテナ、DSNの構成、Voyager 2へのコマンド送信、アンテナ改修についての説明。
URL: https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-contacts-voyager-2-using-upgraded-deep-space-network-dish/

[6] NASA/JPL “NASA Mission Update: Voyager 2 Communications Pause”
2023年、Voyager 2のアンテナが地球方向から2度ずれ、通信が一時中断した事例。片道光時間18.5時間、結果確認まで37時間を要したことも記載されている。
URL: https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-mission-update-voyager-2-communications-pause/

[7] NASA Science “Where Are Voyager 1 and 2 Now?”
ボイジャー1号・2号の現在位置を確認するためのNASA公式ページ。距離や光時間は時々刻々と変わるため、記事公開時にはここで最新値を確認するとよい。
URL: https://science.nasa.gov/mission/voyager/where-are-voyager-1-and-voyager-2-now/

[8] NASA Technical Reports Server “Deep Space Network, Cryogenic HEMT LNAs”
DSN向け極低温HEMT低雑音増幅器についてのNASA資料。8.4GHz、70mアンテナ天頂方向で、フロントエンド受信系の動作システム雑音温度17Kが報告されている。
URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20070034698

[9] Icom “IC-7300 Specifications”
IC-7300の受信感度例。SSB/CW、2.4kHz帯域、10dB S/Nで0.16µV級の感度が示されている。
URL: https://www.icomjapan.com/lineup/products/IC-7300EUR/

[10] JPL DSN Telecommunications Link Design Handbook, 810-005, Module 205
DSN 70m局のSバンド上り周波数、送信機出力、アンテナ利得、EIRP等の資料。
URL: https://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/205/205D.pdf

[11] NASA Science “Voyager 1” / “Voyager 2”
ボイジャー1号は太陽に対して約17.0km/s、ボイジャー2号は約15.4km/sで移動していると説明されている。
URL: https://science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/
URL: https://science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-2/

[12] NASA Science “Voyager Fact Sheet”
ボイジャー1号・2号の1977年の打ち上げ、当初の木星・土星探査目的、ボイジャー2号の天王星・海王星到達など、ミッションの概要を説明している。
URL: https://science.nasa.gov/mission/voyager/fact-sheet/

[13] SバンドとXバンドについて
深宇宙通信でいうSバンドはおおむね2GHz帯、Xバンドは8GHz帯である。ボイジャーの場合、地球から探査機へのSバンド上りは約2115MHz、探査機から地球へのSバンド下りは約2295MHz、Xバンド下りは約8415MHzである。DSN 70mアンテナの受信系資料では、Sバンド受信範囲は2200〜2300MHz、Xバンド受信範囲は8200〜8600MHzであり、深宇宙下りテレメトリ割当は8400〜8450MHzとされている。
URL: https://voyager.gsfc.nasa.gov/Library/DeepCommo_Chapter3--141029.pdf
URL: https://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/101/101H.pdf

[14] NASA/JPL “NASA’s Voyager Will Do More Science With New Power Strategy”
ボイジャーはRTG、放射性同位体熱電発電機によって電力を得ている。RTGはプルトニウムの崩壊熱を電気に変える装置であり、発電量は年々少しずつ低下する。そのため、ミッション継続のためにヒーターや不要な機器を停止してきたことが説明されている。
URL: https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-voyager-will-do-more-science-with-new-power-strategy/

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