JP2005229448A - 宇宙通信転送装置、衛星及び地上局 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 通信転送衛星10に、所定範囲の内にある衛星群との間で小電力のデータ通信を行う短距離用通信部12と、前記所定範囲の外にある衛星との間で大電力のデータ通信を行う長距離用通信部15と、前記短距離用通信部と前記長距離用通信部とを用いて前記所定範囲の内にある衛星群と前記所定範囲の外にある衛星とが相互にデータ通信を行うよう通信制御する制御部13とを備えた。ユーザ衛星は小出力の通信機能のままで通信距離内の通信転送衛星10と高速転送を行い、通信転送衛星10はこのデータをデータ中継衛星に大出力高速通信で転送し、データ中継衛星が地上局と交信するようにしたので、地上局がユーザ衛星からのデータを早期に得られる。
【選択図】 図2
Description
また、データ中継衛星が通信対象となる衛星を追尾するためには、事前にデータ中継衛星に通信対象となる衛星の予測位置を時系列で与える必要がある。また、ジンバルシステムで駆動されるデータ中継衛星のアンテナの駆動方向を地上局から設定する必要がある。
NASDA 宇宙開発事業団ホーム、プレスリリース、2003年02月、データ中継技術衛星「こだま」と環境観測技術衛星〜、インターネット<URL:http://www.nasda.go.jp/press/2003/02>
所定範囲の内にある衛星群と通信を行う短距離用通信部と、
前記所定範囲の外にある衛星と通信を行う長距離用通信部と、
前記短距離用通信部と前記長距離用通信部との通信を制御する制御部、
とを備えたことを特徴とする。
この実施の形態では、複数のユーザ衛星からのデータを、早期に効率よく転送する通信転送衛星について説明する。また、その通信転送衛星を利用してデータを効率よく送受信するユーザ衛星と地上局について説明する。
また、地上局からのユーザ衛星に対するコマンドを早期に効率よく転送する場合についても説明する。
ここで、ユーザ衛星は、宇宙機とも呼ばれる衛星であり、小型衛星あるいは本発明の衛星の一例である。また、通信転送衛星は、宇宙通信転送装置の一例である。
ここで、小型衛星とは、一辺が1メートル以下、あるいは、径が1メートル以下程度の衛星をいう。一例として、10センチメートルサイズのキュービック衛星やカード型衛星が挙げられる。
図1のデータ転送システムは、ユーザ衛星50、通信転送衛星10、データ中継衛星90及び地上局70からなる。
データ中継衛星90は、例えば、遥かに高度が高い軌道を航行する赤道上の静止衛星であり、地上局70と常にデータ通信が可能である。データ中継衛星90は、所定範囲の外にあるものとする。
なお、データ中継衛星90は、後で説明するように、厳密な静止衛星のみでなくて、準天頂衛星等の仰角が高くて地上と長時間通信ができる衛星であればよい。
すなわち、通信転送衛星10は、所定範囲の半径約100ないし300キロメートル内にいるユーザ衛星50と常に通信を行うことができる。
そして、通信転送衛星の高度が500キロメートルとすると、通信転送衛星10が地球を一周する所要時間が約90分となる。そして、通信転送衛星10が地球を周回する間に、図1のA点からデータ中継衛星側で地球を回ってB点までが、通信転送衛星10とデータ中継衛星90との通信可能範囲であり、通信転送衛星10がデータ中継衛星90と通信できる時間は約40分となる。その間、通信転送衛星10はデータ中継衛星90と通信が可能である。
1)ミッション実証衛星 1トンないし250キログラム
2)小型実証衛星 100キログラムないし250キログラム
3)マイクロ衛星 50キログラム
4)ナノ衛星 1ないし数キログラム
5)シリコン組込み衛星 1キログラム以下
また、短距離とは、300キロメートル程度までの距離を指し、長距離とはそれとは1桁または2桁も長い距離を指すものとする。長距離とは、一例として、地球からデータ中継衛星90までの距離をいう。
通信転送衛星10は、短距離にあるユーザ衛星50とオムニディレクショナルアンテナを用いて通信を行う。通信転送衛星10は、小電力である100ワット以下で高速の通信を行う。この小電力は、データ中継衛星との通信に必要な大電力の10キロワット程度に比べて2桁程度も小さい。
一方、通信転送衛星10は、高高度にあるデータ中継衛星90とハイゲインアンテナを用いて高速、大電力で通信を行う。
こうして、通信転送衛星10自身を中心として、半径100ないし150キロメートル内の短距離にユーザ衛星50がある間、通信転送衛星10は、ユーザ衛星50と、常時、確実に通信が可能である。
このようにして、ユーザ衛星50から地上局70へ、画像データ等の大量データを高速に送ることができる。
また、逆に、ユーザ衛星50に対するコマンド送信も、通信転送衛星10を介在させて転送することができる。
図2は、通信転送衛星10の内部構成を示す図である。
通信転送衛星10は、所定範囲の内にあるユーザ衛星と通信を行う短距離用通信部12と、所定範囲の外にある衛星と通信を行う長距離用通信部15と、短距離用通信部12と前記長距離用通信部15との通信を制御する制御部とを備えている。
GPS受信部18は、通信転送衛星10の位置を知るためにGPS衛星からの測位信号を受信し位置情報を得るものである。GPS受信部18は、位置情報受信部の一例である。
制御部13は、中央処理装置とファームウエアやソフトウエアなどで構成され、信号線やバスを用いて図2に示した各部を制御するものである。
図2と図6において、通信転送衛星10は、前記ユーザ衛星50との衛星間近傍通信リンク5を確立してユーザ衛星と通信を行う。そして通信転送衛星10は、オムニディレクショナルアンテナ11と、半径300キロメートル程度内で小電力の通信を行う短距離用通信部12とを用いてユーザ衛星50とデータを高速で送受信する。
通信転送衛星10は、ハイゲインアンテナ16と、大電力の通信を行う長距離用通信部15とによりデータ中継衛星90とデータの送受信を行う。
例えば、地上局からのコマンドにより、あるユーザ衛星50が大量のデータを地上へ送信する例を述べる。
ユーザ衛星50は、衛星間近傍通信リンク5を経由して、通信転送衛星10に向けて多量のデータを送ってくる。通信転送衛星10の短距離用通信部12は、制御部13の通信制御のもとに、このデータをオムニディレクショナルアンテナ11を経由して受信する。
そして、制御部13の通信制御のもとに、長距離用通信部15はこのデータをハイゲインアンテナ16に向けて出力する。この出力により、衛星間通信リンク2を経由してデータ中継衛星90にデータ伝送が行われる。
また、制御部13は、ユーザ衛星50が通信転送衛星10と通信不可能な位置にいる場合も、地上からのコマンドを通信転送衛星10のメモリ14に蓄えておく。そしてユーザ衛星50が衛星間近傍通信リンク5を確立可能な短距離、例えば、半径150キロメートル内に入った後に、制御部13は、メモリ14に蓄えておいたデータを、通信転送衛星10からユーザ衛星50へ転送する。
なお、他機関、外国ユーザによる宇宙機(ユーザ衛星)に対しても、ユーザ衛星が所定範囲内の短距離の領域へ位置を移動すれば、衛星間近傍通信リンク5を確立して同様のサービスを行うことができる。
図3において、ユーザ衛星50は、通信転送衛星10との通信用にオムニディレクショナルアンテナ51を備えている。
また、ユーザ衛星50は、所定範囲である300キロメートル程度以内にある衛星と通信を行う短距離用通信部52を備えている。ユーザ衛星50は、更に、通信制御を行う制御部53と、データのバッファリング用のメモリ54を備えている。
例えば、地上局70からのコマンドにより、撮像装置69により観測された画像データを送信する場合を考える。
先ず、撮像装置69からの画像データを観測器入力部62が入力する。この観測器入力部62が入力した撮像装置69からの画像データを、制御部53の制御のもとに、短距離用通信部52からオムニディレクショナルアンテナ51に高速送信する。このデータは先に述べたように衛星間近傍通信リンク5を経由して通信転送衛星10に送信される。
この場合、通信転送衛星10または地上局70からの指示により、オムニディレクショナルアンテナ51と短距離用通信部52とを経由して姿勢制御のコマンドを受ける。そして制御部53はその内容を解読して、姿勢・軌道制御部61に姿勢制御または軌道制御を指示する。これにより衛星間近傍通信リンク5が保持できる。
従来のユーザ衛星は、直接に地上局へデータを送るので、地上局からの可視角度が狭いことから通信時間が数分間に制限されている。しかも、数Kbps程度の低速通信しかできない。
しかし、本構成では、短距離の衛星間近傍通信リンク5は高速であり、しかも所定範囲の短距離を保つので常時使用が可能である。
制御部53は、地上局からのコマンドの受信や、地上局70への前記観測データのバッファリングと送信を制御する。
受動的制御の場合は、原則的には地球磁場を利用して地球磁場に対してセンサが地球方向に向くよう制御される。
能動的制御の場合は、ジャイロ、GPS受信機、GPSによる姿勢検出装置が搭載されており、撮像装置69が地球を向くように、あるいは、他の所定方向を向くよう制御される。姿勢制御にはスラスタ、ホイール等が使用される。
受動的制御、能動的制御のいずれの場合でも、姿勢はランダムではなく、一定方向を向くよう制御されている。従って適切な姿勢または位置制御によって、衛星と一体となったオムニディレクショナルアンテナの電波の放射方向を、通信転送衛星10との衛星間近傍通信リンク5の確立ができる方向に制御できる。
姿勢・軌道制御部61は、この制御指示データに基づいて、ユーザ衛星50の軌道制御を行って、通信転送衛星10との距離が通信可能圏内にあるよう制御する。また、姿勢制御を行って電波の放射方向を制御する。
11)地球観測ミッション 画像データ、赤外画像データ、ステレオ画像データ
12)宇宙科学ミッション 望遠鏡観測データ、宇宙空間観測データ、
宇宙VLBIデータ
13)軌道上サービスミッション インスペクション画像データ
準天頂衛星900は、一例として赤道面から約45度の傾斜角になるように、また、地上35800キロメートル上空を地球の自転に合わせて1日に1周回している。
また、赤道面との交点(昇交点赤経)において120度ずつ離れるように3機の衛星が配置されている。3機の準天頂衛星900は、軌道面は異なるが、8時間ずつ交代するように切れ目無く日本上空に位置している。
その緯度と経度の関係を示す航跡は、「8の字」を描いて少し経度に関してシフトする。しかしそれでも日本においては仰角が70度以上となり、交信を遮られることが少ない角度を確保できる準天頂衛星が交代で常に存在することになる。つまり地上局は、常に通信ができることになる。
図5において、地上局は、主な機能としてデータの高速受信とコマンドの送信の機能を備えている。また、地上局70は、通信転送衛星10や、姿勢制御または軌道制御機能を備えているユーザ衛星50に対して姿勢または位置制御も行う。
また、地上局70は、この位置情報から対応するユーザ衛星50の相対位置を計測する相対位置計測部71を備えている。
更に、地上局70は、この計測したユーザ衛星50と通信転送衛星10との相対値から通信転送衛星10との妥当な姿勢または距離を求めるランデブー計画部72を備えている。また、ランデブー計画部72は、ユーザ衛星50と通信転送衛星10とのランデブーの計画を立てる。ここで、ランデブーとは、軌道上にある衛星同士を接近させ、編隊状態で飛行させることをいう。
また、地上局70は、求めた妥当な距離または姿勢を保つよう衛星に指示する位置指令部73を備えている。
例えば、ユーザ衛星50の軌道制御が必要になったとする。ユーザ衛星の位置データは、ユーザ衛星50のGPS受信部58で受信されて、短距離用通信部52と衛星間近傍通信リンク5を経由して、通信転送衛星10に転送される。そのユーザ衛星の位置データが、通信転送衛星10の短距離用通信部12と長距離用通信部15を経由して衛星間通信リンク2でデータ中継衛星90に転送される。そして、ユーザ衛星の位置データは、データ中継衛星90を経由して、地上局70の長距離用送受信部75で受信される。ここで、通信転送衛星10のGPS受信部18で受信されたGPSデータも合わせて受信される。これらのデータに基づいて、相対位置計測部71は、そのユーザ衛星50と通信転送衛星10との相対位置を計算し、ランデブー計画部72に送る。
姿勢または軌道制御の制御指示データには、姿勢修正や軌道修正のための制御信号が含まれている。ユーザ衛星50は、この具体的な姿勢または軌道制御の制御指示データに基づいて姿勢制御を行う。
図5の構成では、データ受信の構成は明示していないが、データ受信の場合は、位置データと同様に長距離用送受信部75でデータを受ける。そして、受信したデータを図示されていないデータ受信部へ送る。
コマンド送信も同様に、図示されていないコマンド送信部から、データ受信と逆の経路で送られる。
以下、通信が可能となる3つの通信の形態を説明する。
まず、ユーザ衛星50が通信転送衛星10との通信可能な短距離領域内にあるケースを説明する。
図6において、ユーザ衛星50は、通信転送衛星10に対して半径100ないし150キロメートルの短距離領域でフォーメーション飛行をしている。ここで、フォーメーション飛行とは、複数のユーザ衛星50が群れをなしてグループとして編隊飛行することをいう。以下、これら複数のユーザ衛星50を、ユーザ衛星群ともいう。
なお、これらのユーザ衛星50は、地上約300キロメートルないし1000キロメートルにある。
こうして、ユーザ衛星50は、衛星間近傍通信リンク5と、衛星間通信リンク2とを介して、地上局70との間で高速なデータ伝送路を確保したことになる。
ユーザ衛星50は、この通信転送衛星10の位置データと各ユーザ衛星におけるGPS受信部58で受けた位置データとの差分をとることで相対距離を知る。
図7は、ユーザ衛星50が、通信転送衛星10と同一軌道面で異なる高度で飛行する形態を示している。図7において、横方向の矢印は、衛星の飛行方向を示している。ユーザ衛星50が、通信転送衛星10と同じ方向に地球周回を慣性飛行する場合がある。逆に、ユーザ衛星50が、通信転送衛星10と逆の方向に慣性飛行する場合もある。
ユーザ衛星50が、通信転送衛星10との間を常に一定距離以内に保つためには燃料が必要であり、小型のユーザ衛星50の寿命に影響する。図7の形態の場合には、あえて慣性飛行をさせて、所定範囲内を維持せずに通信を行う軌道制御方式である。
図8は、ユーザ衛星50が通信転送衛星10とは全く異なる軌道面で周回する場合を説明している。
即ち、ユーザ衛星50は、通信転送衛星10とフォーメーション飛行をとるための軌道制御をしていない。また、ユーザ衛星50は、通信転送衛星10と同一軌道面を周回していない。つまり、ユーザ衛星50は、通信転送衛星10とは異なる軌道面を、通信転送衛星10よりも低高度または高高度で飛行している。
また、地上局70からのユーザ衛星50に対するコマンドの送信の場合にもあてはまり、ユーザ衛星50が短距離領域内にいない場合に、地上局70からのコマンドをメモリ14に蓄積する。
例えば、数十キログラムのクラスの小型の観測衛星により、地表観測を行い、観測データを地上に送ることができる。
そして、通信転送衛星は、このデータを所定範囲の外にある長距離通信の距離内にあるデータ中継衛星に大電力で高速通信により転送する。
更にデータ中継衛星が地上局と通信を行うようにして、結果的にユーザの観測衛星からのデータを早期に得られるようになる。
所定範囲の内にある衛星群との間で小電力のデータ通信を行う短距離用通信部と、
前記所定範囲の外にある衛星との間で大電力のデータ通信を行う長距離用通信部と、
前記短距離用通信部と前記長距離用通信部とを用いて前記所定範囲の内にある衛星群と前記所定範囲の外にある衛星とが相互にデータ通信を行うよう通信制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
所定範囲の内にある衛星群との間のデータを送受信するオムニディレクショナルアンテナと、
前記所定範囲の外にある衛星との間のデータを送受信するハイゲインアンテナと、
前記オムニディレクショナルアンテナと前記ハイゲインアンテナとを用いて、前記所定範囲の内にある衛星群と前記所定範囲の外にある衛星とが相互にデータ通信を行うよう通信制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
該検出した方向または位置情報に基づいて所定範囲の内にある衛星または所定範囲の外にある衛星との通信方向を制御する姿勢・軌道制御部とを備えたことを特徴とする。
通信距離が300キロメートル以内の短距離通信アンテナと、
前記短距離通信アンテナを用いて特定の通信転送衛星と小電力で通信する短距離用通信部とを備えたことを特徴とする。
所定範囲の通信可能領域内にある特定の通信転送衛星との間でデータを送受信するオムニディレクショナルアンテナと、
前記オムニディレクショナルアンテナが送受信するデータを小電力により通信を行う短距離用通信部とを備えたことを特徴とする。
データ中継衛星を経由してユーザ衛星のデータを受け、またユーザ衛星へコマンドを送信する送受信部と、
前記送受信部で受ける前記ユーザ衛星の位置情報と、前記ユーザ衛星からのデータを転送する通信転送衛星の位置情報とに基づいて位置制御のコマンドを生成する計画部と、
前記計画部で生成された前記位置制御のコマンドを前記データ中継衛星経由で前記ユーザ衛星または前記通信転送衛星に指示する位置指令部とを備えたことを特徴とする。
また、オムニディレクショナルアンテナを搭載しているので、半球方向の通信が可能になるという効果もある。
Claims (5)
- 所定範囲の内にある衛星と通信を行う短距離用通信部と、
前記所定範囲の外にある衛星と通信を行う長距離用通信部と、
前記短距離用通信部と前記長距離用通信部との通信を制御する制御部、とを備えたことを特徴とする宇宙通信転送装置。 - 前記宇宙通信転送装置は、メモリを備え、前記メモリに前記所定範囲の内にある衛星と前記所定範囲の外にある衛星とのいずれか一方の衛星からのデータを蓄積して、他方の衛星と通信可能になった時に、蓄積したデータを当該他方の衛星へ転送することを特徴とする請求項1記載の宇宙通信転送装置。
- 前記宇宙通信転送装置は、基準方向を検出するセンサまたは自身の位置情報を検出する位置情報受信部と、
該検出した基準方向または位置情報に基づいて所定範囲の内にある衛星または所定範囲の外にある衛星との通信方向を制御する姿勢・軌道制御部、とを備えたことを特徴とする請求項1記載の宇宙通信転送装置。 - 通信距離が300キロメートル以内の短距離通信アンテナと、
前記短距離通信アンテナを用いて特定の宇宙通信転送装置と小電力で通信する短距離用通信部、とを備えたことを特徴とする衛星。 - 衛星とデータを送受信する送受信部と、衛星に対して衛星の位置を制御するコマンドを生成する位置指令部とを備えた地上局において、
前記送受信部は、宇宙通信転送装置とデータ中継衛星とを経由してユーザ衛星の位置情報を受信するとともに、データ中継衛星を経由して宇宙通信転送装置の位置情報を受信し、
前記位置指令部は、ユーザ衛星の位置情報と宇宙通信転送装置の位置情報とに基づいて、ユーザ衛星と宇宙通信転送装置との少なくともいずれかの位置を制御するコマンドを生成して、生成したコマンドを前記送受信部からデータ中継衛星を介して受信することを特徴とする地上局。
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