JP2001111469A - 同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計方法とその軌道を用いた衛星システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 傾斜同期軌道衛星を用いた通信システムで、
単一ビームの単一のアンテナを用いても、連続した通信
ができる同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能
な衛星軌道配置の設計方法とその軌道を用いた衛星シス
テムを提供することを目的とする。 【解決手段】 傾斜同期楕円軌道に複数の衛星を配置
し、地表の経度緯度による座標に投影した軌道の交差す
る軌道交点において、用いる衛星を切り替えることによ
り、同一アンテナビーム内での衛星切り替えを行ない、
見かけ上同一の衛星が周回するループ状軌道を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、同一アンテナビ
ーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計方
法とその軌道を用いた衛星システムに関するものであ
る。特に傾斜同期軌道衛星を追尾するアンテナに関し、
アンテナの追尾動作が滑らかに行なわれるアンテナを持
ったシステムに関している。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星は、通信、放送、位置測定、科
学観測、資源探査、あるいは各種の地上観測等に利用さ
れている。この人工衛星と地上局との間の通信において
は、地上局から人工衛星を見通せなくてはならない。

【０００３】人工衛星と地上局との間の通信において
は、地上局から人工衛星を常時見通せると好都合である
が、これには、低い軌道に多数の衛星を配置する方法と
高い軌道で地球の自転に同期して周回する同期軌道衛星
を用いる方法が知られている。

【０００４】低い軌道に多数の衛星を配置する方法とし
て、世界中のそれぞれの地上局で、常時どれかを見通せ
る様にしたイリジウム衛星システムが知られているが、
地上局から見て衛星が移動するため、衛星が見通し範囲
外に移動する前に、通信対象衛星を見通し範囲内の別の
衛星に切り替える必要がある。

【０００５】一方、同期軌道衛星を通信に用いると、地
上局から見た場合、この衛星は常時地上局の見通し範囲
内にとどまる場合もある。この場合には、通信対象衛星
を切り替えなくても連続した通信が可能である。しか
し、高仰角の確保などを目的として、地上局から見て特
定のエリア内にある衛星のみを対象にして通信を行う場
合には、衛星の切り替えが必要になる。

【０００６】従来の人工衛星で、同期軌道衛星として知
られているものには、静止衛星があるが、これは、地上
からは見かけ上、静止しているため、衛星を追尾する必
要がなく、地上アンテナもその方角を固定でき、衛星切
り替えが不要であるなどの利点はあるものの、衛星を配
置できる場所が赤道上空約３５，８００ｋｍの一本の円
周上に限定されるという欠点もある。このため、同一の
電磁波の周波数を用いて通信を行う静止衛星は、通信に
使用するアンテナのビーム幅よりも十分に大きい一定以
上の間隔を置いて配置されるが、利用価値の高い周波数
を用いる衛星については、既にほぼ容量の限界まで配置
されており、新たな衛星の配置が困難になっている場合
もある。

【０００７】また、日本などの中緯度地域では、地上局
から見た静止衛星の方向は、東の地平線から仰角四十数
度の南の空を通って西の地平線にいたる、一本の線上に
限定されるため、天頂付近や、北天、低仰角の南天など
の特定のエリアにとどまる衛星にはなり得ない。

【０００８】中緯度地域で、通信対象となる衛星の移動
範囲を天頂付近の特定のエリアに限定する人工衛星に
は、北半球または南半球の一方に遠地点を持つ傾斜同期
楕円軌道による衛星通信システムがあり、これは、特開
平１１−３４９９６号公報に開示されている。この人工
衛星は、北半球または南半球の一方のみに重点を置い
て、高仰角で移動体通信サービスを行うものである。高
仰角を確保するため複数機の衛星を用いて、一定時間間
隔で通信対象衛星を切り替えて使用するが、切り替え時
に地上局から見た２機の衛星の方向は、約２０度離れて
いる。

【０００９】さらに、中緯度地域で地上局から見た衛星
の移動範囲が天頂周辺に限定され、北半球と南半球との
両方にサービスエリアを持つ衛星通信システムとして
は、傾斜同期円軌道による衛星通信システム（８の字軌
道を用いた衛星通信システム）があり、これは、例え
ば、電子情報通信学会誌論文（信学技法 ＳＡＴ９９−
１０（１９９９−０５））に記載されている。この人工
衛星は、地球に固定した経度と緯度とを座標軸として８
の字形の軌道を持つが、高仰角の移動体通信を目的とす
るため、移動体局から見て常に仰角が最大である衛星と
通信を行うように、通信対象衛星を切り替えながら使用
する。衛星切り替え時に、地上局から見た衛星の離角は
十数度である。

【００１０】また、傾斜同期楕円軌道による衛星通信シ
ステムで、３機の衛星を８時間間隔で配置して高仰角を
得るという提案が、論文、Ｉｎｃｌｉｎｅｄ ＧＥＯ
ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓ
ｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ ｐｈａ
ｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ（４８ｔｈ Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ
ＣｏｎｇｒｅｓｓＯｃｔｏｂｅｒ ６−１０、１９７
７／Ｔｕｒｉｎ、Ｉｔａｌｙ、１−６）に記載されてい
る。しかし、この論文には、衛星を切り替える方法につ
いては開示されていない。また、地上局のアンテナをも
含めたシステムについての言及は無い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の衛星シ
ステムでは、静止衛星を除き、衛星を追尾するアンテナ
を複数用意するか、独立に任意の方向に指向することが
可能な複数のビームを持つ特殊なアンテナを用意する必
要があった。特に、上記の様に多数の衛星を次々と切り
替えて使うシステムでは、地上から見た衛星の方位角お
よび仰角は、連続していないため、アンテナの指向方向
を変えるための時間が必要であり、通信を途切れさせな
いためには、複数のアンテナビームを用いる必要があっ
たためである。

【００１２】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
通信対象となる衛星の移動範囲を、比較的自由に特定の
エリアに限定することが可能で、通信に使用する電磁波
の周波数を静止衛星と共用することが可能な、傾斜同期
軌道衛星を用いた通信システムで、単一ビームの単一の
アンテナを用いても、連続した通信ができる同一アンテ
ナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設
計方法とその軌道を用いた衛星システムを提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、特に衛星の切り替えを瞬時
に行うために、地上における複数の地点への情報の中継
あるいは発信に使われる傾斜同期楕円軌道にある複数の
衛星と通信装置からなる衛星システムで、衛星に関して
は、その軌道傾斜角は、５度以上８５度以下であり、衛
星を地上から天頂方向に望む地点で構成された経度と緯
度とを座標軸とする二次元平面上の衛星軌道について
は、複数の衛星が概略同じ衛星軌道を持ち、それぞれの
衛星軌道は傾斜同期楕円軌道による軌道の交差する軌道
交点を有し、通信装置については、信号の受信あるいは
送信に用いるアンテナの方向変えることなく、第一の衛
星軌道の軌道交点にある第一の衛星との通信が可能で、
第二の衛星軌道の軌道交点にある第二の衛星との通信が
可能なアンテナを備え、第一の衛星の軌道交点付近か
ら、該軌道交点付近に再び戻るまで、該アンテナは、第
一の衛星を追尾し、該第一の衛星の軌道交点付近におい
て、該アンテナは、同一アンテナビーム内に第一の衛星
と第二の衛星を捉えつつ、情報の中継あるいは発信に使
われる衛星を、第一の衛星軌道の軌道交点付近にある第
一の衛星から、第二の衛星軌道の軌道交点付近にある第
二の衛星へ切り替えることを特徴としている。

【００１４】また、請求項２に記載の発明は、情報の中
継あるいは発信に使われる衛星を、第一の衛星軌道の軌
道交点付近にある第一の衛星から、第二の衛星軌道の軌
道交点付近にある第二の衛星へ切り替えることにより、
衛星を地上から天頂方向に望む地点で構成された経度と
緯度とを座標軸とする二次元平面上の衛星軌道につい
て、見かけ上交点を含まないループ状の軌道を周回する
衛星を利用する構成としたことを特徴としている。

【００１５】また、請求項３に記載の発明は、高性能ア
ンテナを利用するために、上記した請求項２に記載の発
明の構成に加えて、信号の受信あるいは送信に用いるア
ンテナのビーム幅は、２度以下であることを特徴として
いる。

【００１６】また、請求項４に記載の発明は、高性能ア
ンテナで切り替え対象となる２つの衛星を捉えるため
に、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、情
報の中継あるいは発信に使われる衛星を、第一の衛星軌
道の軌道交点付近にある第一の衛星から、第二の衛星軌
道の軌道交点付近にある第二の衛星へ切り替える衛星切
り替え時に、地上のサービスエリア内から見た衛星離角
が１度以下であることを特徴としている。

【００１７】また、請求項５に記載の発明は、高仰角に
ある衛星を利用するために、上記した請求項２に記載の
発明の構成に加えて、衛星を地上から天頂方向に望む地
点で構成された経度と緯度とを座標軸とする二次元平面
上の衛星軌道について、見かけ上交点を含まないループ
状の軌道は、サービスエリアの天頂を周回することを特
徴としている。

【００１８】また、請求項６に記載の発明は、北斜面に
ある地域やビルの北壁から衛星を利用するために、上記
した請求項２に記載の発明の構成に加えて、衛星を地上
から天頂方向に望む地点で構成された経度と緯度とを座
標軸とする二次元平面上の衛星軌道について、見かけ上
交点を含まないループ状の軌道全体が、サービスエリア
の北天に属することを特徴としている。

【００１９】また、請求項７に記載の発明は、静止衛星
よりも低仰角の衛星を利用するために、上記した請求項
２に記載の発明の構成に加えて、衛星を地上から天頂方
向に望む地点で構成された経度と緯度とを座標軸とする
二次元平面上の衛星軌道について、見かけ上交点を含ま
ないループ状の軌道全体が、静止衛星軌道より低仰角の
南天に属することを特徴としている。

【００２０】また、請求項８に記載の発明は、概略１２
時間ごとに衛星の切り替えを行うシステムとするため
に、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、複
数の衛星の属する傾斜同期軌道の離心率は概略零であ
り、該複数の衛星は、偶数機の衛星であって、概略赤道
上空付近で衛星を切り替えることを特徴としている。

【００２１】また、請求項９に記載の発明は、上述の見
かけ上衛星の周回する見かけ上のループ状軌道を小さく
し、常時一定機数の衛星が配置されるようにするため、
上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、傾斜同
期楕円軌道の近地点引数は概略９０度または２７０度で
あり、その傾斜同期楕円軌道上にある衛星の数は３機以
上で、利用する衛星の属するループ状の軌道に、衛星切
り替え時を除き、常時一定機数の衛星が存在することを
特徴としている。

【００２２】また、請求項１０に記載の発明は、電磁波
周波数資源の有効利用を図るために、上記した請求項２
に記載の発明の構成に加えて、第一の地上局と第一の衛
星との間で送受信する際に用いる電磁波の周波数は、第
一の衛星から見て見通し範囲にあるが、本発明に属する
か否かを問わない第二の地上局と第二の衛星との間で送
受信する際に用いる電磁波の周波数と同じ周波数を、ア
ンテナのビーム幅以上に異なった放射方向で利用するこ
とを特徴としている。

【００２３】また、請求項１１に記載の発明は、衛星軌
道および衛星の配置を設計するために、同一アンテナビ
ーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計方
法で、初期値として、全衛星数Ｎを定め、見かけ上衛星
の周回するループ状軌道を周回する衛星数Ｍを定め、軌
道周期が１恒星日となるように、軌道長半径を概略４２
１６４ｋｍとし、軌道パラメータの設定するために、昇
交点赤経を概略３６０／Ｎ度毎に配置し、適当なの軌道
傾斜角を仮定し、見かけ上衛星の周回するループ状軌道
の平均経度をサービス範囲に応じて設定して、その平均
経度を与える平均近点離角を求め、近地点引数に関して
は、見かけ上衛星の周回するループ状軌道が北半球にあ
る場合は近地点引数を概略２７０度と設定し、あるい
は、見かけ上衛星の周回するループ状軌道が南半球にあ
る場合は近地点引数を概略９０度と設定し、あるいは、
Ｍ＝（１／２）Ｎの場合は近地点引数を任意の値に設定
し、離心率に関しては、Ｍ＝（１／２）Ｎの場合は、離
心率を０と設定し、近地点引数が概略２７０度の場合
は、衛星が最北端を通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の直
下地点の経度が見かけ上衛星の周回するループ状軌道の
平均経度と等しくなる離心率を求め、近地点引数が概略
９０度の場合は、衛星が最南端を通過した（Ｍ／２Ｎ）
恒星日後の直下地点の経度が見かけ上衛星の周回するル
ープ状軌道の平均経度と等しくなる離心率を求め、軌道
パラメータの最適化するために、上記の手続で求めた離
心率に概略等しい離心率を用いて、衛星が最北端を通過
した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の衛星と最北端通過する（Ｍ
／２Ｎ）恒星日前の衛星に関し、地上から見た離角が、
サービス範囲内から見たアンテナのビーム幅よりも小さ
くなるような離心率の範囲を求め、上記の手続で求めた
離心率の範囲内で、アンテナ追尾特性や仰角特性、他の
衛星との離角を評価し、離心率を決定するが、適当な特
性が得られなければ、上記の仮定した適当なの軌道傾斜
角を僅かに変更し、上記の見かけ上衛星の周回するルー
プ状軌道の平均経度を調整して、上記の、その平均経度
を与える平均近点離角を求める手続に戻って離心率を決
定する、ことを特徴としている。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。先ず本発明の基礎となる
事項を図１〜図５を用いて説明する。次に本発明の第一
の実施形態である天頂周回軌道について、図６および図
７を用いて説明する。次に、第二の実施形態である北点
周回軌道について、図８を用いて説明する。次に第三の
実施形態である静止衛星と周波数を共用する場合につい
て、図９を用いて説明する。次に、第四の実施形態であ
る複数の衛星システムを用いる場合の周波数資源の有効
活用について図１０を用いて説明する。次に、第五の実
施形態である低仰角周回軌道について、図１１を用いて
説明する。次に、第六の実施形態である測位に適用した
場合ついて、図１２および図１３を用いて説明する。次
に第七の実施形態である、同一アンテナビーム内での衛
星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計方法について説
明する。

【００２５】先ず本発明の基礎となる事項を以下に説明
する。図１は、傾斜軌道傾斜角を４５度、近地点引数を
２７０度としたとき、離心率ｅをパラメータとして、
０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．３、と
変えたときの、衛星の一時間毎の軌跡の変化を示す図
で、離心率が０のときの軌跡の中心を原点として示した
図である。図１において、例えば離心率０のときには、
２４時間の軌跡は１２時間のループ２つからできている
ことが分かる。離心率が大きくなるほど北側のループが
小さくなって、衛星が北側のループを周回する時間は短
くなり、図１において離心率０．２以上では、北側のル
ープがなくなって、全体で１つの大きなループになる。

【００２６】図２は、近地点引数を２７０度、軌道傾斜
角ｉを４５度、離心率ｅを０．０９８６７」とした軌道
に３機の衛星からなるシステムで、衛星切り替えの、一
時間前、衛星切り替え時、一時間後の位置を示す図であ
る。図２において、２４時間の軌跡は、８時間のループ
と１６時間のループとからできていることが分かる。こ
のループに８時間間隔で、衛星を配置した場合には、衛
星が軌跡の交点付近にある場合を除き、８時間のループ
には１機の衛星が、１６時間のループには２機の衛星が
常時配置される事が分かる。特に８時間のループに限っ
てみた場合、３機の衛星のうちのどれかが配置されてお
り、３機とも同じ性能の衛星の場合には、あたかも１機
の衛星が、８時間のループを周回している様に見える。
図２に示されているように、北側の小ループに入る衛星
は、南南東より入り、そのループから出る衛星は、南南
西の方向に出て行くことが分かる。

【００２７】本発明は、この様に、傾斜同期楕円軌道に
複数の衛星を配置し、その傾斜同期楕円軌道の一部のル
ープに注目すると、見かけ上衛星がこのループを周回す
るように見える現象を利用するものである。

【００２８】図３は、軌道傾斜角ｉが２０度から８０度
まで、５度毎について、離心率を変化させたとき、北半
球側のループを衛星が周回するのに要する時間を示す図
である。離心率ｅ＝０のとき、どの軌道傾斜角ｉでも、
北半球側のループには０．５日配置されることになり、
傾斜同期軌道に偶数機の衛星を配置することにより、軌
道交点で、衛星を切り替えることにより、上述の様に、
見かけ上衛星がこのループを周回するように見えるよう
にすることができる。

【００２９】また、軌道傾斜角ｉ＝７５度、離心率ｅ＝
０．５９９８８の時、北半球側のループを衛星が周回す
るのに要する時間は、０．２５日であるが、この軌道に
時間的に等間隔に４機の衛星を配置することにより、１
機の衛星が、見かけ上このループを周回しているように
見えるようにすることができる。

【００３０】あるいはまた、軌道傾斜角ｉ＝６５度、離
心率ｅ＝０．１９６８７の時、北半球側のループを衛星
が周回するのに要する時間は、０．４日であるが、この
軌道に時間的に等間隔に５機の衛星を配置することによ
り、２機の衛星が、見かけ上このループを周回している
ように見えるようにすることができる。

【００３１】図４は、システムの衛星数が、３、４、
５、７の場合で、北半球側のループにある衛星数がそれ
ぞれ１、１、２、３の時に、軌道交点での衛星切り替え
条件を満たす離心率ｅと軌道傾斜角ｉの関係を示す図で
ある。軌道傾斜角ｉが増加するに従って離心率ｅが増加
する。ここで、特に、軌道傾斜角ｉ＝６３．４度は、地
球の偏平な形状による衛星軌道の近地点引数の移動がな
くなる、という特徴を持った傾斜角であり、従って、こ
の軌道傾斜角では、近地点引数維持のための軌道制御が
不要になる。

【００３２】図５は、衛星切り替え時に許容する衛星離
角と、離心率について許容する誤差の関係を示す図であ
る。追尾用アンテナを連続して滑らかに運転しながら衛
星の切り替えを行うためには、衛星離角は、追尾用アン
テナ特性と密接に関係している。衛星の切り替えを瞬時
に行うためには、アンテナビームの中に切り替えの対象
となる２つの衛星が入っている必要がある。一般に、固
定衛星通信のためのアンテナビームは、１度以下である
が、衛星離角は、アンテナビーム角の半分以下であるこ
とが望ましい。

【００３３】次に本発明の第一の実施形態である天頂周
回軌道について、図６および図７を用いて説明する。

【００３４】図６は、東京を中心とする天頂周回軌道の
例を示し、衛星を切り替えることによって、あたかも同
じ衛星が天頂を中心としたループ上を回転しているよう
に見える軌道をとることを示す図である。ここで、近地
点引数は２７０度であり、図６（ａ）は、軌道傾斜角ｉ
＝４０．４度、離心率ｅ＝０．１０４２５の軌道で、４
機の衛星のうち１機が、北半球側のループを見かけ上周
回する様子を示す図であり、図６（ｂ）は、軌道傾斜角
ｉ＝４４．９度、離心率ｅ＝０．０９８６７の軌道で、
３機の衛星のうち１機が、北半球側のループを見かけ上
周回する様子を示す図であり、図６（ｃ）は、軌道傾斜
角ｉ＝５０．７度、離心率ｅ＝０．０８７２３の軌道
で、５機の衛星のうち２機が、北半球側のループを見か
け上周回する様子を示す図であり、図６（ｄ）は、軌道
傾斜角ｉ＝５４．３度度、離心率ｅ＝０．０７８０７の
軌道で、７機の衛星のうち３機が、北半球側のループを
見かけ上周回する様子を示す図である。

【００３５】図７は、図６の天頂周回軌道の例に関し、
その仰角特性を示す図である。これらの衛星システム
は、単独で用いても良いが、複数の衛星システムを同時
に用いることも可能である。

【００３６】次に、第二の実施形態である北点周回軌道
について、説明する。図８は、軌道傾斜角を大きくし
て、北点周回衛星とする軌道による仰角特性を示す図で
ある。図８（ａ）は、軌道傾斜角ｉ＝６３．４度、離心
率ｅ＝０．２６７９の軌道で、３機の衛星のうち１機
が、北半球側のループを見かけ上周回する様子を示す図
であり、図８（ｂ）は、軌道傾斜角ｉ＝８０度、離心率
ｅ＝０．６７３６の軌道で、３機の衛星のうち１機が、
北半球側のループを見かけ上周回する様子を示す図であ
る。この様に、軌道傾斜角ｉを大きくとることによっ
て、見かけ上北側の空を周回する衛星を構成することが
可能であり、従来の静止衛星では利用できなかった北斜
面やビルの北側壁面での利用が容易にできるようになっ
た。また、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉ
ｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の測位にこの構成の衛星システ
ムを付加することにより、より広域の衛星からの情報を
得ることができるため、測位時の精度向上を図ることが
できる。

【００３７】次に第三の実施形態である静止衛星と周波
数を共用する場合について説明する。図９は、軌道傾斜
角を変えたときの軌道の形と静止衛星との離角を示す図
である。この図９に示されている様に、軌道傾斜角ｉ
が、１０度以上であれば、静止衛星と十分な離角を持
ち、一般に固定衛星通信用のアンテナビームは十分に狭
い角度であるため、地上局と、本発明の傾斜同期楕円軌
道にある衛星との間で、静止衛星で用いられているもの
と同じ周波数を用いて送受信することができることが分
かる。

【００３８】次に、第四の実施形態である複数の衛星シ
ステムを用いる場合の周波数資源の有効活用について図
１０を用いて説明する。図１０は、静止衛星と本発明の
衛星システムを多数用いて、周波数資源の有効活用を図
った例で、静止衛星および各衛星システムの軌道の仰角
特性を示す図である。このような構成によれば、固定衛
星通信用のアンテナビームは十分に狭い角度のため、地
上局と各衛星との間での送受信は、同一の周波数を用い
ることができるので、周波数資源を有効に使うことがで
きる。

【００３９】次に、第五の実施形態である低仰角周回軌
道について説明する。図１１は、低仰角周回軌道例で、
その仰角特性を示す図である。図１１（ａ）は、軌道傾
斜角ｉ＝７８度、離心率ｅ＝０．６００９の軌道で、平
均経度が地球の裏側にあり、３機の衛星のうちの１機
が、北半球側のループを見かけ上周回する様子を示す図
であり、図１１（ｂ）は、軌道傾斜角ｉ＝４０度、離心
率ｅ＝０．０７４０４の軌道で、３機の衛星のうちの１
機が、南半球側のループを見かけ上周回する様子を示す
図である。この構成によれば、南天側や北天側に低仰角
周回軌道を実現できる。この様な低仰角にある場合は、
建物の窓の内側にアンテナを置いても通信に利用するこ
とができるようになる。特に、南天側の軌道は、静止衛
星の軌道よりも低仰角にすることができるという特徴が
あり、北天側の軌道も、同様に、低仰角にすることがで
きる。

【００４０】次に、第六の実施形態である測位に適用し
た場合ついて、図１２および図１３を用いて説明する。
図１２は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉ
ｎｇＳｙｓｔｅｍ）と同じ原理の衛星測位システムに適
用した例を示す図で、５衛星からなるシステムで、軌道
は、近地点引数を９０度とし、北半球に近地点を置くこ
とにより、北半球側のループを大きくして、その北半球
側のループに３衛星を配置し、この配置により、ＧＰＳ
衛星や静止衛星との組み合わせに適した本発明の衛星軌
道の仰角特性を示す図である。軌道傾斜角ｉ＝５０．７
度、離心率ｅ＝０．０８７２３の軌道を用いている。こ
の構成は、都市部でＧＰＳ衛星の見える数が少ない場合
の衛星の補完や、静止衛星と組み合わせて、通常の方法
による測位に用いることができる。また、この構成で
は、ＧＰＳとは独立な衛星測位システムに用いる場合、
衛星に原子時計を搭載せずに時刻信号を地上から供給し
て、その時刻データとする場合、各衛星について同一位
置で衛星を切り替えることができるため、位置の違いに
依存した時刻信号のずれの発生を最小限に抑えることが
できる。さらにまた、本システムで移動体衛星通信サー
ビスを複合して提供する場合、ループ内の３衛星の少な
くとも２つを用いて、ダイバーシティを構成することが
できるので、通信の遮断される確率を著しく抑制するこ
とができる。

【００４１】図１３は、７衛星からなるシステムで、軌
道は、近地点引数を９０度とし、北半球に近地点を置く
ことにより、北半球側のループを大きくして、その北半
球側のループに４衛星を配置し、この配置により、衛星
ダイバーシティを利用した移動体衛星通信や測位に適し
た本発明の衛星軌道の仰角特性を示す図である。軌道傾
斜角ｉ＝５４．３度、離心率ｅ＝０．０７８０７の軌道
を用いている。この構成は、図１２の構成と比べて、仰
角の高さに特徴を有し、常時、２機の衛星について、概
略７０度程度の仰角を確保することができる。

【００４２】次に第七の実施形態である、同一アンテナ
ビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計
方法について説明する。衛星軌道配置の設計は次の手順
に従って行う。

【００４３】先ず初期値として、全衛星数Ｎを定め、見
かけ上衛星の周回するループ状軌道を周回する衛星数Ｍ
を定め、軌道周期が１恒星日（約２３時間５６分）とな
るように、軌道長半径を概略４２１６４ｋｍとする。こ
の場合、衛星切り替えはＭ／Ｎ恒星日毎に行うことにな
る。

【００４４】次に、軌道パラメータの設定するために、
昇交点赤経を３６０／Ｎ度毎に配置し、適当な軌道傾斜
角を仮定し、見かけ上衛星の周回するループ状軌道の平
均経度をサービス範囲に応じて設定してその平均経度を
与える平均近点離角を求め、近地点引数に関しては、見
かけ上衛星の周回するループ状軌道が北半球にある場合
は近地点引数を２７０度と設定し、あるいは、見かけ上
衛星の周回するループ状軌道が南半球にある場合は近地
点引数を９０度と設定し、あるいは、Ｍ＝（１／２）Ｎ
の関係にある場合は近地点引数を任意の値に設定し、離
心率に関しては、Ｍ＝（１／２）Ｎの場合は、離心率を
０と設定し、近地点引数が概略２７０度の場合は、衛星
が最北端を通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の直下地点の
経度が見かけ上衛星の周回するループ状軌道の平均経度
と等しくなる離心率を求め、近地点引数が概略９０度の
場合は、衛星が最南端を通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後
の直下地点の経度が見かけ上衛星の周回するループ状軌
道の平均経度と等しくなる離心率を求める。これは、上
述の軌道交点で、衛星の切り替えを行うためである。

【００４５】さらに、軌道パラメータの最適化するため
に、上記の手続で求めた離心率に概略等しい離心率を用
いて、衛星が最北端を通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の
衛星と最北端通過する（Ｍ／２Ｎ）恒星日前の衛星に関
し、地上から見た離角が、サービス範囲内から見たアン
テナのビーム幅よりも小さくなるような離心率の範囲を
求める。ここでもし、離心率が０の場合がこの範囲に含
まれる場合は、近地点が逆方向にある場合や他の方向に
ある場合も含めて範囲を求める。上記の手続で求めた離
心率の範囲内で、追尾特性や仰角特性、他の衛星との離
角を評価し、離心率を決定する。しかし、適当な特性が
得られなければ、上記の（５）に戻って、軌道傾斜角お
よび見かけ上衛星の周回するループ状軌道の平均経度を
サービス範囲に応じて設定してその平均経度を与える平
均近点離角を求める手続を行なって、再び離心率を決定
する手順を繰り返して最適化する。

【００４６】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００４７】請求項１に記載の発明では、衛星の軌道交
点付近において、同一アンテナビーム内に第一の衛星と
第二の衛星を捉えつつ、第一の衛星軌道の軌道交点付近
にある第一の衛星から、第二の衛星軌道の軌道交点付近
にある第二の衛星へ、切り替える構成にしたので、単一
ビームの単一のアンテナを用いた場合でも、通信を中断
することが無くなった。

【００４８】また、請求項２に記載の発明では、衛星を
地上から天頂方向に望む地点で構成された経度と緯度と
を座標軸とする二次元平面上の衛星軌道について、見か
け上交点を含まないループ状の軌道を周回する衛星を利
用する構成としたので、傾斜同期楕円軌道の緯度の高い
部分あるいは緯度の低い部分を選択して利用できるよう
になった。

【００４９】また、請求項３、４および１０に記載の発
明では、アンテナのビーム幅を制限したので、周波数資
源を有効に活用することができるようになった。

【００５０】また、請求項５に記載の発明では、見かけ
上天頂を周回する軌道を用いることになったので、高仰
角の衛星を用いて通信ができるようになった。

【００５１】また、請求項６に記載の発明では、見かけ
上北側の空を周回する衛星を構成することが可能であ
り、従来の静止衛星では利用できなかった北斜面やビル
の北側壁面での利用が容易にできるようになった。

【００５２】さらに、請求項６に記載の発明では、見か
け上低仰角の北天に属する軌道を用いることが可能てあ
り、北天側に低仰角周回軌道を実現できる。

【００５３】また、請求項７に記載の発明では、静止衛
星軌道より低仰角の南天に属する軌道を用いることにな
ったので、南天側に低仰角周回軌道を実現できる。この
様な低仰角にある構成で、建物の窓の内側にアンテナを
置いても通信に利用することができるようになった。

【００５４】また、請求項８に記載の発明では、軌道傾
斜角は概略零であり、衛星の数を偶数としたので、衛星
の切り替え時間間隔が概略１２時間とすることができ
た。

【００５５】また、請求項９に記載の発明では、傾斜同
期楕円軌道の近地点引数は９０度または２７０度とした
ので、サービスエリア内の全ての地上局から見て上述の
見かけ上衛星の周回する見かけ上のループ状軌道を構成
することができた。

【００５６】また、請求項１１に記載の発明では、衛星
軌道および衛星の配置を設計する手順を開示したので、
容易に設計することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】軌道傾斜角を４５度、近地点引数を２７０度と
したとき、離心率をパラメータとして、０、０．０５、
０．１、０．１５、０．２、０．３、と変えたときの衛
星の軌跡の変化を示す図で、離心率が０のときの、軌跡
の中心を原点として示した図である。

【図２】軌道傾斜角を４５度、離心率を０．０９８６７
とした軌道に３機の衛星からなるシステムで、衛星切り
替えの、一時間前、衛星切り替え時、一時間後の位置を
示す図である。

【図３】近地点引数が２７０度の場合について、軌道傾
斜角ｉが２０度から８０度まで、５度毎について、離心
率を変化させたとき、北側のループを衛星が周回するの
に要する時間を示す図である。

【図４】システムの衛星数が、３、４、５、７の場合
で、北側のループにある衛星数がそれぞれ１、１、２、
３の時に、軌道交点での衛星切り替え条件を満たす離心
率と軌道傾斜角の関係を示す図である。

【図５】衛星切り替え時に許容する衛星離角と、離心率
について許容する誤差の関係を示す図である。

【図６】東京を中心とする天頂周回軌道の例を示し、衛
星を切り替えることによって、あたかも同じ衛星が天頂
を中心としたループ上を回転しているように見える軌道
をとることを示す図である。

【図７】天頂周回軌道の仰角特性を示す図である。

【図８】軌道傾斜角を大きくして、北点周回衛星とする
軌道による仰角特性を示す図である。

【図９】軌道傾斜角を変えたときの軌道の形と静止衛星
との離角を示す図である。

【図１０】本発明の衛星システムを多数用いた例で、各
衛星システムの軌道の仰角特性を示す図である。

【図１１】低仰角周回軌道例で、その仰角特性を示す図
である。

【図１２】衛星測位システムに適用した例を示す図で、
５衛星からなるシステムで、軌道は、近地点引数を９０
度とし、北半球に近地点を置くことにより、北半球側の
ループを大きくして、その北半球側のループに３衛星を
配置し、この配置により、ＧＰＳ衛星や静止衛星との組
み合わせに適した本発明の衛星軌道の仰角特性を示す図
である。

【図１３】７衛星からなるシステムで、軌道は、近地点
引数を９０度とし、北半球に近地点を置くことにより、
北半球側のループを大きくして、その北半球側のループ
に４衛星を配置し、この配置により、衛星ダイバーシテ
ィを利用した移動体衛星通信や測位に適した本発明の衛
星軌道の仰角特性を示す図である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地上における複数の地点への情報の中継
   あるいは発信に使われる傾斜同期楕円軌道にある複数の
   衛星と通信装置からなる衛星システムで、 衛星に関しては、その軌道傾斜角は、５度以上８５度以
   下であり、衛星を地上から天頂方向に望む地点で構成さ
   れた経度と緯度とを座標軸とする二次元平面上の衛星軌
   道については、複数の衛星が概略同じ衛星軌道を持ち、
   それぞれの衛星軌道は傾斜同期楕円軌道による軌道の交
   差する軌道交点を有し、 通信装置については、信号の受信あるいは送信に用いる
   アンテナの方向変えることなく、第一の衛星軌道の軌道
   交点にある第一の衛星との通信が可能で、第二の衛星軌
   道の軌道交点にある第二の衛星との通信が可能なアンテ
   ナを備え、 第一の衛星の軌道交点付近から、該軌道交点付近に再び
   戻るまで、該アンテナは、第一の衛星を追尾し、該第一
   の衛星の軌道交点付近において、該アンテナは、同一ア
   ンテナビーム内に第一の衛星と第二の衛星を捉えつつ、
   情報の中継あるいは発信に使われる衛星を、第一の衛星
   軌道の軌道交点付近にある第一の衛星から、第二の衛星
   軌道の軌道交点付近にある第二の衛星へ切り替えること
   を特徴とする同一アンテナビーム内での衛星切り替えが
   可能な衛星軌道を用いた衛星システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、情報の中継あるいは発信に使われる衛星
   を、第一の衛星軌道の軌道交点付近にある第一の衛星か
   ら、第二の衛星軌道の軌道交点付近にある第二の衛星へ
   切り替えることにより、衛星を地上から天頂方向に望む
   地点で構成された経度と緯度とを座標軸とする二次元平
   面上の衛星軌道について、見かけ上交点を含まないルー
   プ状の軌道を周回する衛星を利用する構成としたことを
   特徴とする同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可
   能な衛星軌道を用いた衛星システム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、信号の受信あるいは送信に用いるアンテナ
   のビーム幅は、２度以下であることを特徴とする同一ア
   ンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用
   いた衛星システム。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、情報の中継あるいは発信に使われる衛星
   を、第一の衛星軌道の軌道交点付近にある第一の衛星か
   ら、第二の衛星軌道の軌道交点付近にある第二の衛星へ
   切り替える衛星切り替え時に、地上のサービスエリア内
   から見た衛星離角が１度以下であることを特徴とする同
   一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌道
   を用いた衛星システム。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、衛星を地上から天頂方向に望む地点で構成
   された経度と緯度とを座標軸とする二次元平面上の衛星
   軌道について、見かけ上交点を含まないループ状の軌道
   は、サービスエリアの天頂を周回することを特徴とする
   同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌
   道を用いた衛星システム。
6. 【請求項６】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、衛星を地上から天頂方向に望む地点で構成
   された経度と緯度とを座標軸とする二次元平面上の衛星
   軌道について、見かけ上交点を含まないループ状の軌道
   全体が、サービスエリアの北天に属することを特徴とす
   る同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星
   軌道を用いた衛星システム。
7. 【請求項７】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、衛星を地上から天頂方向に望む地点で構成
   された経度と緯度とを座標軸とする二次元平面上の衛星
   軌道について、見かけ上交点を含まないループ状の軌道
   全体が、静止衛星軌道より低仰角の南天に属することを
   特徴とする同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可
   能な衛星軌道を用いた衛星システム。
8. 【請求項８】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、複数の衛星の属する傾斜同期軌道の離心率
   は概略零であり、該複数の衛星は、偶数機の衛星であっ
   て、概略赤道上空付近で衛星を切り替えることを特徴と
   する同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛
   星軌道を用いた衛星システム。
9. 【請求項９】 請求項２に記載の同一アンテナビーム内
   での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ムにおいて、傾斜同期楕円軌道の近地点引数は概略９０
   度または２７０度であり、その傾斜同期楕円軌道上にあ
   る衛星の数は３機以上で、利用する衛星の属するループ
   状の軌道に、衛星切り替え時を除き、常時一定機数の衛
   星が存在することを特徴とする同一アンテナビーム内で
   の衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星システ
   ム。
10. 【請求項１０】 請求項２に記載の同一アンテナビーム
    内での衛星切り替えが可能な衛星軌道を用いた衛星シス
    テムにおいて、第一の地上局と第一の衛星との間で送受
    信する際に用いる電磁波の周波数は、第一の衛星から見
    て見通し範囲にあるが、本発明に属するか否かを問わな
    い第二の地上局と第二の衛星との間で送受信する際に用
    いる電磁波の周波数と同じ周波数を、アンテナのビーム
    幅以上に異なった放射方向で利用することを特徴とする
    同一アンテナビーム内での衛星切り替えが可能な衛星軌
    道を用いた衛星システム。
11. 【請求項１１】 同一アンテナビーム内での衛星切り替
    えが可能な衛星軌道配置の設計方法で、 初期値として、全衛星数Ｎを定め、見かけ上衛星の周回
    するループ状軌道を周回する衛星数Ｍを定め、軌道周期
    が１恒星日となるように、軌道長半径を概略４２１６４
    ｋｍとし、 軌道パラメータの設定するために、昇交点赤経を概略３
    ６０／Ｎ度毎に配置し、適当なの軌道傾斜角を仮定し、
    見かけ上衛星の周回するループ状軌道の平均経度をサー
    ビス範囲に応じて設定して、その平均経度を与える平均
    近点離角を求め、近地点引数に関しては、見かけ上衛星
    の周回するループ状軌道が北半球にある場合は近地点引
    数を概略２７０度と設定し、あるいは、見かけ上衛星の
    周回するループ状軌道が南半球にある場合は近地点引数
    を概略９０度と設定し、あるいは、Ｍ＝（１／２）Ｎの
    場合は近地点引数を任意の値に設定し、離心率に関して
    は、Ｍ＝（１／２）Ｎの場合は、離心率を０と設定し、
    近地点引数が概略２７０度の場合は、衛星が最北端を通
    過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の直下地点の経度が見かけ
    上衛星の周回するループ状軌道の平均経度と等しくなる
    離心率を求め、近地点引数が概略９０度の場合は、衛星
    が最南端を通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の直下地点の
    経度が見かけ上衛星の周回するループ状軌道の平均経度
    と等しくなる離心率を求め、 軌道パラメータの最適化するために、上記の手続で求め
    た離心率に概略等しい離心率を用いて、衛星が最北端を
    通過した（Ｍ／２Ｎ）恒星日後の衛星と最北端通過する
    （Ｍ／２Ｎ）恒星日前の衛星に関し、地上から見た離角
    が、サービス範囲内から見たアンテナのビーム幅よりも
    小さくなるような離心率の範囲を求め、上記の手続で求
    めた離心率の範囲内で、アンテナ追尾特性や仰角特性、
    他の衛星との離角を評価し、離心率を決定するが、適当
    な特性が得られなければ、上記の仮定した適当なの軌道
    傾斜角を僅かに変更し、上記の見かけ上衛星の周回する
    ループ状軌道の平均経度を調整して、上記の、その平均
    経度を与える平均近点離角を求める手続に戻って離心率
    を決定する、ことを特徴とする同一アンテナビーム内で
    の衛星切り替えが可能な衛星軌道配置の設計方法。