JP2005229448A - 宇宙通信転送装置、衛星及び地上局 - Google Patents

Abstract

【課題】 ユーザ衛星からのデータを地上局が早期に得られるようにする。
【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

この発明は、小型の衛星と、小型の衛星との間でデータを転送する宇宙通信転送装置と、その宇宙通信転送装置からのデータを授受する地上局に関するものである。

従来の観測衛星等の宇宙機通信装置には大型のハイゲインアンテナが搭載されている。これは宇宙機通信装置が静止軌道上のデータ中継衛星にデータ中継を依頼するためである。この場合、データ中継衛星に対し高レート（高速）のデータ伝送を実施するので、狭いビーム幅による大電力の送信を行う必要がある。このため従来の宇宙機通信装置は、大型のアンテナを装備している。また、送信電波のビーム方向を常にデータ中継衛星方向に対し自動追尾させるための大型アンテナ駆動用のジンバルシステムも装備した大規模な構成となっている。
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。

ところで、近年、専用のミッションをもつ小型の衛星による観測システムが実用化されている。この場合に衛星自体が小型であるために、それに搭載するアンテナも小型になり、ハイゲインアンテナを搭載することはできない。小型衛星の航行高度は低高度である場合が多く、従って速く飛行する。このため地上局と直接交信をしようとすると、衛星と通信することができる時間が短く、例えば、約１０分以下、数分しかない。この間に多量のデータを衛星から地上へ１回でダウンロード（伝送）することは、とてもできない。こうしたことから、小型のユーザ衛星でも小電力で高速に地上局と通信できる方法が待ち望まれていた。
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＞

観測衛星等により取得された大量の観測データは、通常、データ中継衛星を経由して地上局へ伝送される。データ中継を依頼する観測衛星がデータ中継衛星と通信できる時間帯は限られている。データ中継衛星へ大量のデータを伝送するためには、高速データ伝送に適したハイゲインアンテナ系を観測衛星に搭載することが必要となっている。ハイゲインアンテナ系は、大きさ、重量共に大きく、かつ高額であり、今後、活用が予想される小型宇宙機や小型衛星には搭載できないという課題がある。

このように小型の衛星に対して大型のハイゲインアンテナは搭載できず、高速のデータ通信ができないという課題がある。

また、常に小型宇宙機や小型衛星のトラッキングのために、小型宇宙機や小型衛星のデータ設定をデータ中継衛星で行う必要がある。しかし、多数の小型宇宙機や小型衛星に対してデータ設定をするためデータ中継衛星を使用することは運用負荷の観点からも難しいという課題がある。

この発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、例えば、小型衛星とのデータ通信が制限されないようにすることを目的とする。

この発明に係る宇宙通信転送装置は、
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。

本発明によれば、データ中継衛星と通信するためのハイゲインアンテナを持たない小型衛星も、宇宙通信転送装置を経由することで、ハイゲインアンテナを搭載していると同様の通信を地上局と行うことができる効果がある。

実施の形態１．
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は、本実施の形態におけるデータ転送システム構成図である。
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。

ユーザ衛星５０は、例えば、オムニディレクショナルアンテナを搭載した小型衛星であり、所定範囲まで有効な電波を放射することができる。ここで、所定範囲とは、半径約１００ないし３００キロメートルの宇宙空間をいう。この所定範囲は、図１で、半径ｒで示される短距離領域をいう。ここで、オムニディレクショナルアンテナとは、無指向性アンテナのことをいい、約３００キロメートル程度まで電波を放射するアンテナをいう。

通信転送衛星１０は、例えば、ハイゲインアンテナを搭載した衛星であり、データ中継衛星９０とのデータ通信が可能である。ここで、ハイゲインアンテナとは、高利得アンテナのことをいい、静止衛星との通信が可能な電波を放射するアンテナをいう。
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。

図１に示すように、本実施の形態においては、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０から常に所定範囲内にいるように、ユーザ衛星５０を航行させる。その結果、ユーザ衛星５０は通信転送衛星１０と常に通信を行うことができる。
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。

一方、通信転送衛星１０は、この所定範囲の外にあるデータ中継衛星９０とも通信を行う。図１では、通信転送衛星１０の高度を正確に表現するとユーザ衛星５０との関係や地球との関係が表せないので、かなり誇張して通信転送衛星１０の高度を高く描いている。しかし、例えば、地球半径を約６４００キロメートルとし、通信転送衛星１０の高度が５００キロメートルとすると、通信転送衛星１０は、地球半径（６４００キロメートル）のほぼ８パーセントの距離だけ離れた地球の上空を周回している。
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。

［背景技術］で述べたように、ユーザ衛星５０から地上局７０へ直接に通信する場合は、前記周回時間約９０分の１０分の１以下、すなわち、数分の通信時間しか得られない。そして、次に再び周回して同じ地上局７０の上空を通過するまでユーザ衛星５０はデータを送信できない。

これに対して本構成によると、短距離内であればユーザ衛星５０は常に通信転送衛星１０と通信ができる。そして、通信転送衛星１０とデータ中継衛星９０との伝送期間として１０倍近い通信時間が確保できる。

ユーザ衛星５０と地上局７０との直接通信では、通常は通信速度が数Ｋｂｐｓ程度の低速であった。これに対し、本構成では、ユーザ衛星５０は通信転送衛星１０と数Ｍｂｐｓ程度の高速通信を行うことができる。

つまり、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０との通信は、時間の制約が少なく、かつ高速の通信が可能になる。ここで、高速通信とは、Ｍｂｐｓ程度以上の通信速度をいうものとする。また、低速通信とは、それより１桁または２桁小さな通信速度をいうものとする。

データ中継衛星９０は、周波数帯域を広く取った大容量の高速通信により、短時間に地上局７０と通信を終了する。従って、ユーザ衛星５０は、見かけ上、高速で地上局７０と通信ができる。

また、データ中継衛星９０として、複数のデータ中継衛星を活用すれば、地球全体をカバーすることになり、さらに大きな効果が得られる。

本実施の形態におけるデータ転送システムは、例えば、ランデブー・ドッキング等のミッションにおいて有効である。ドッキング等の重要なイベント実施時において、常にユーザ衛星の状態を確認する必要がある。本構成によれば、データ中継衛星等を利用して、ユーザ衛星の状態を常時モニタすることが可能になる。

近年、小型衛星を使用したミッションが多数実施されているが、これらの小型衛星は、重量で分類して以下のように区分される。
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

前記小型実証衛星より軽い衛星の大きさは、約５０センチメートル以下である。従って、ハイゲインアンテナ、あるいは、遠くにあるデータ中継衛星と通信を行う大電力通信機（トランスポンダ）は、重量、寸法、消費電力いずれから見ても搭載ができない。

しかし、通信に必要な電力は通信距離の２乗に比例して必要になる。例えば、距離が１００倍になると所要電力は１０，０００倍が必要である。逆に、距離が１／１００になれば電力は１／１０，０００でよい。

従って、ユーザ衛星が、例えば、１００キロメートル程度の短距離で他の衛星と通信を行うのであれば、必要な通信電力は、静止衛星との距離である約３６０００キロメートルの間で必要な大電力の約１３万分の１［（１００／３６０００）^２＝１／１２９６００］でよい。

ここで、小電力とは、１００ワット以下を指し、大電力とは７ないし１０キロワット程度以上を指すものとする。
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。

短距離用通信であれば、通信電力は小電力で十分である。また、短距離用通信であれば、搭載の容易な、半球方向に対して無指向性特性を備えているオムニディレクショナルアンテナが有効である。オムニディレクショナルアンテナの通信速度は、数Ｍｂｐｓ程度の高速が設定できる。オムニディレクショナルアンテナは、単に、オムニアンテナともいわれる。オムニディレクショナルアンテナは、無指向性特性を備えており、半球内にある複数のユーザ衛星５０との通信が可能になるので、特に、通信転送衛星１０が複数のユーザ衛星５０と通信する場合に有効である。

図１の構成において、通信転送衛星１０が重要な役割を持つので、以下、通信転送衛星１０について説明する。
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。

このシステムは、通信転送衛星１０を新しく介在させて、通信転送衛星１０が得たデータをデータ中継衛星９０に送信する点が特徴である。
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。

以下、各衛星の詳細構成について説明する。
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。

また、通信転送衛星１０は、メモリ１４を備え、メモリ１４に前記所定範囲の内にあるユーザ衛星５０と前記所定範囲の外にあるデータ中継衛星９０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。

また、通信転送衛星１０は、通信転送衛星１０自身の基準方向を検出するセンサ１９と通信転送衛星１０自身の位置情報を検出するＧＰＳ受信部１８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。

また、通信転送衛星１０は、センサ１９が検出した基準方向またはＧＰＳ受信部１８（位置情報受信部）が検出した位置情報に基づいて、所定範囲の内にあるユーザ衛星５０及び所定範囲の外にあるデータ中継衛星９０との通信方向を制御する姿勢・軌道制御部３１を備えている。

また、通信転送衛星１０は、ユーザ衛星５０に姿勢または軌道制御を指示する軌道制御指示部３２を備えている。

また、通信転送衛星１０は、ユーザ衛星からのデータをデータ中継衛星へ、または、データ中継衛星からのデータをユーザ衛星へ、相互にデータ通信を行うよう通信制御する制御部１３を備えている。
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６は、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０とデータ中継衛星９０との通信リンクを説明する図である。
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。

このとき、必要があれば、電波の指向性を全球方向の指向性とするため、オムニディレクショナルアンテナを、通信転送衛星１０の上面と下面とに、あるいは、左面と右面とに、複数設ける構成にしてもよい。また、オムニディレクショナルアンテナの半球周辺の利得低下を補うためにオムニディレクショナルアンテナを複数設ける構成にしてもよい。その結果、広範囲の方向をカバーする。

他方、通信転送衛星１０は、データ中継衛星９０とは広い周波数帯域を用い、大容量で高速（例えば、数Ｍｂｐｓ）の衛星間通信リンク２を形成する。
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。

通信転送衛星１０は、２系統の通信リンクを張ることができ、制御部１３は、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ことにより、２系統の通信リンク間のデータ転送機能を備えている。

また、通信転送衛星１０は、データのバッファリング用のメモリ１４を備えており、制御部１３は、メモリ１４を用いてデータのバッファリングする。メモリ１４は、通信不可能時間に受信したデータを一時蓄積するものである。このバッファリングのおかげで、通信可能時間の制限が緩和される。

更に、センサ１９は、通信転送衛星１０の姿勢制御のために、または、通信転送衛星１０の軌道制御のために、地球方向（基準方向）を検出する。センサ入力部１７は、このセンサ１９からの入力を受け、制御部１３に転送する。

次に、通信転送衛星１０の通信動作を説明する。
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。

衛星間通信リンク２が確立できない間、制御部１３は、ユーザ衛星からのデータをメモリ１４にバッファリングする。衛星間通信リンク２が確立できない間とは、図１におけるＢ点からデータ中継衛星９０より見て地球の裏側を経由してのＡ点に至る間である。そして、データ中継衛星から見て通信転送衛星１０がＡ点に現れ衛星間通信リンク２が再び確立された場合、制御部１３は、メモリ１４にバッファリングされていたデータをデータ中継衛星９０に向けて高速転送する。

また、地上局からのコマンドに対しても、制御部１３は、逆の伝達路をたどって同様の転送動作を行う。

データ中継衛星９０の高度は、通信転送衛星１０の高度に比べて桁違いに高い。従ってデータ中継衛星９０から見ると、通信転送衛星１０が地球を半周弱周回する間、衛星間通信リンク２の確立が可能である。即ち、比較的長い期間にわたって通信が可能であり、通信転送衛星１０を経由してユーザ衛星５０のデータを高速で長時間中継できる。

また、制御部１３は、ユーザ衛星５０からのデータが、データ中継衛星９０の割当て回線伝送量を上回る場合、データを通信転送衛星１０のメモリ１４に蓄えておく。そして、制御部１３は、メモリ１４に蓄えておいたデータを、他の伝送要求があまり無い時間帯に、データ中継衛星９０に転送して、そこから地上局７０へ伝送する。
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。

ユーザ衛星５０との間で衛星間近傍通信リンク５を確立するための姿勢または軌道制御用として、通信転送衛星１０の位置情報が必要である。または、データ中継衛星９０との間で衛星間通信リンク２を確立するためにも通信転送衛星１０の位置情報が必要である。そのため、通信転送衛星１０は、通信転送衛星１０自身の姿勢または軌道制御用として、ＧＰＳ衛星からの位置情報をＧＰＳ受信部１８が得て、通信転送衛星１０自身の位置を知ることができる。

更に、通信転送衛星１０に搭載したセンサ１９からの入力を受けるセンサ入力部１７がセンサ情報を受ける。後述するユーザ衛星において詳細に説明するが、受動的制御の場合に、センサ１９が地球方向を向くよう姿勢を制御する。また、能動的制御の場合は、例えば、ジャイロ、または、ＧＰＳによる姿勢検出装置が搭載されている。

前記衛星間近傍通信リンク５の確立、または、衛星間通信リンク２の確立のため通信転送衛星１０自身の姿勢制御が行われる。この通信転送衛星１０自身の姿勢制御は、前記の位置情報やセンサ入力に基づいて姿勢・軌道制御部３１が行う。この制御は、アンテナ単独の姿勢制御のこともあるし、通信転送衛星１０自体を制御してアンテナを適切な方向に向けることもある。

いずれにしても、小型のユーザ衛星には、ハイゲインアンテナを搭載する余裕がない。しかし、相対的に大型の通信転送衛星１０には、データ中継衛星９０の方向を自動追尾可能なジンバル機構を持てる。また、データ中継衛星に電波が届く大電力のハイゲインアンテナ１６と、長距離用通信部１５が搭載できる。
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。

軌道制御指示部３２は、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０と通信できるように、ユーザ衛星の姿勢または軌道を制御する制御指示データを生成する。この制御指示データは、オムニディレクショナルアンテナ５１を介してユーザ衛星に送られる。

次に、ユーザ衛星５０の内部構成を図３により説明する。
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。

ユーザ衛星５０は、通信転送衛星１０との通信ができるよう、ユーザ衛星５０自身の姿勢の基準になる地球方向（基準方向）検出用のセンサ５９を搭載する。そして、ユーザ衛星５０は、このセンサ５９からの入力を受けるためのセンサ入力部５７を備えている。

更に、ユーザ衛星５０は、ユーザ衛星５０自身の位置情報を得るＧＰＳ受信部５８と、ユーザ衛星５０自身の姿勢または軌道を制御する姿勢・軌道制御部６１を備えている。

また、更に、ユーザ衛星５０は、例えば、撮像装置６９からの画像データを受ける観測器入力部６２を備えている。

ユーザ衛星５０の動作を説明する。
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。

次に、ユーザ衛星５０による姿勢制御または軌道制御の動作を説明する。
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。

なお、前記の画像データ送信において、ユーザ衛星５０は、観測器入力部６２から得た観測データを必要があればメモリ５４にバッファリングする。そして通信転送衛星１０との衛星間近傍通信リンク５が確立された後、制御部５３はそのバッファリングしたデータを通信転送衛星１０に送る。

先に述べたように、通信に必要な電力は通信距離の２乗に比例する。そのため半径が３００キロメートル程度での短距離の通信には、オムニディレクショナルアンテナによる小電力通信、かつ、高速通信が可能である。
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。

また、地上からユーザ衛星５０への緊急の要求、例えば、撮影要求が発生した場合、衛星へ即時にコマンドを送る必要がある。この場合も、前記構成により、待ち時間が少なくなる。

また、ユーザ衛星５０は、ＧＰＳ受信部５８で得た位置データを、短距離用通信部５２を経由して通信転送衛星１０へ送る。
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。

ところで、ユーザ衛星５０が、例えば、通信転送衛星１０から１５０キロメートル内に留まるためには、ユーザ衛星５０自身の姿勢または軌道を制御する必要がある。即ち、通信転送衛星１０からの距離を保つとともに、通信転送衛星１０と衛星間近傍通信リンクが確立できる方向とを保たねばならない。

こうした小型の衛星の姿勢または軌道制御には、受動的制御、能動的制御いずれかの制御方式が採用されている。
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。

ユーザ衛星５０は、通信転送衛星１０から姿勢または軌道制御の制御指示データを受ける。あるいは、地上局７０から通信転送衛星１０を経由して、姿勢または軌道制御の制御指示データ（コマンド）を受ける。いずれの場合も、ユーザ衛星５０は、通信転送衛星１０から受けた制御指示データを姿勢・軌道制御部６１に送る。
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。

ユーザ衛星５０自身がユーザ衛星５０の軌道制御を行う場合や、通信転送衛星１０がユーザ衛星５０の軌道制御を行う場合は、相対運動をヒル方程式で表して計算して、その計算結果を利用する。

ユーザ衛星５０が用いられるミッションと、前記２つの通信リンクを用いて地上局へ送る観測データとして、以下のものがある。
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

データ中継衛星９０としては、日本のＤＲＴＳ（データ中継技術衛星）や、準天頂衛星、またはアメリカのＴＤＲＳ（Tracking & Data Relay Satellite）がある。ここで準天頂衛星について、簡単に説明する。

図４は準天頂衛星の軌道周回を説明する図である。
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。

次に、地上局７０の本実施の形態に関係する構成を図５により説明する。
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、データ中継衛星９０及び通信転送衛星１０を経由してユーザ衛星５０からのデータとＧＰＳによる位置情報とを得る長距離用送受信部７５を備えている。
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。

地上局７０の動作を説明する。
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。

地上トラッキングステーション８２では、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０の軌道をトラッキングしている。軌道推定部８１では、地上トラッキングステーション８２からのトラッキングデータにより、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０との軌道推定値を計算する。

ランデブー計画部７２は、必要があれば、軌道推定部８１で計算したユーザ衛星５０の軌道推定値を参照する。そして、ランデブー計画部７２は、ユーザ衛星５０の方向と起動制御量を計算する。それに基づいて、位置指令部７３で、具体的な姿勢または軌道制御の制御指示データを作成する。この作成した姿勢または軌道制御の制御指示データは、長距離用送受信部７５から、受信と逆に通信転送衛星１０の経路をたどって、コマンドとして、ユーザ衛星５０に向けて送信される。
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。

なお、地上局７０は、ユーザ衛星５０からのデータの受信と、ユーザ衛星５０へのその他のコマンドの送信とについても、前記軌道制御と同様の方法で行う。
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。

以上のように、ユーザ衛星５０と地上局７０は、通信制約が少なくなり、かつ、高速通信ができることになる。

なお、図５に示した地上局７０のランデブー計画部７２の機能を、図２に示した通信転送衛星１０の軌道制御指示部３２に持ち、通信転送衛星１０の軌道制御指示部３２からランデブー計画をユーザ衛星５０に指示する構成としてもよい。

ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０間での通信が可能であるためには、その距離が例えば、約１００ないし１５０キロメートルの所定範囲内にあるようにする。従って、ユーザ衛星が所定範囲内を通過すればよく、通過中に通信を行うようにすればよい。
以下、通信が可能となる３つの通信の形態を説明する。

１．第１の通信の形態
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は、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０と常に交信可能な短距離領域に留まる場合の通信リンクを説明する図である。
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。

複数のユーザ衛星５０それぞれは、通信転送衛星１０と衛星間近傍通信リンク５により百ワット以下、例えば、約１０ｄＢＷ（約１０Ｗ）の小電力で通信を行う。また、例えば、６Ｍｂｐｓの高速のレートで、通信を行う。
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。

通信転送衛星１０は、複数のユーザ衛星５０とオムニディレクショナルアンテナ１１によりデータ通信を行う。

一方、静止衛星や準天頂衛星等のデータ中継衛星９０は、地上３万６千キロメートルにあり、長距離に離れている。通信転送衛星１０は、このデータ中継衛星とハイゲインアンテナを用いて衛星間通信リンク２により３８ｄＢＷ（約７ＫＷ）から４２．５ｄＢＷ（約１８ＫＷ）の大電力で通信を行う。また、例えば、６Ｍｂｐｓの高速で通信を行う。
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。

通信転送衛星１０は、通信転送衛星１０自身に搭載しているＧＰＳ受信部１８により得た位置データを、衛星間近傍通信リンク５を通じてユーザ衛星５０に伝送する。
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。

ユーザ衛星５０は、衛星間近傍通信リンク５が常に使用できるよう自身の姿勢または軌道を制御し、短距離領域内でフォーメーションを維持する。同一軌道面を飛行する２つの衛星間の運動は、ヒル方程式により記述され、これに基づいてユーザ衛星５０と通信転送衛星１０との相対距離を維持する。

あるいは、ユーザ衛星５０の姿勢・軌道制御部６１が、前述した地上局７０からの制御指示データにより、ユーザ衛星５０の姿勢または軌道を制御する。

以上のように、図６では、複数の衛星がそれぞれ姿勢または軌道制御し、通信転送衛星１０とフォーメーション飛行をする形態を説明した。

２．第２の通信の形態
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７において、ユーザ衛星５０は、通信転送衛星１０より高高度または低高度を周回飛行する。このため、ユーザ衛星５０の高度が通信転送衛星１０より低い場合は通信転送衛星を追い抜き、高度が通信転送衛星１０より高い場合は通信転送衛星に追い抜かれる飛行となる。

従って、図６の場合と異なって、図７の場合は、ユーザ衛星５０は、通信転送衛星１０と常時通信はできないが、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０を追い抜く前後において通信可能になる。または、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０に追い抜かれる前後において通信可能になる。または、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０と交差する前後において通信可能になる。

ユーザ衛星５０は、図７に円で示す短距離領域にいる間は、衛星間近傍通信リンク５を確立する。また、通信転送衛星１０は、可能であれば、通信転送衛星１０とデータ中継衛星９０とのリンクである衛星間通信リンク２を確立する。ユーザ衛星５０は、図６の場合と同様に、通信転送衛星１０を経由した高速のデータ伝送が可能である。この場合は通信可能時間が図６の場合より短いので、データをいったんメモリ１４を使用してバッファリングし、通信可能時に転送することが望ましい。

なお、図７の場合も、短距離領域においては、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０との相互間の運動はヒル方程式で記述され、それに基づいて、ユーザ衛星の姿勢または軌道が制御される。

以上のように、同一軌道面内を飛行する他機関のユーザ衛星に対しても、通信転送衛星との通信インタフェースを合わせ、それらが短距離領域内へ位置を移動した場合に、同様のサービスを行うことができる。

３．第３の通信の形態
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。

この場合も、ある期間、図に円で示す短距離領域にユーザ衛星５０が入ると、図６に示す形態と同様に、衛星間近傍通信リンク５を確立できる。そして、衛星間近傍通信リンク５によりデータの高速伝送が可能である。この場合は、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０と衝突せず、しかも、ユーザ衛星５０ができるだけ通信転送衛星１０の近傍を通過するように、ユーザ衛星５０の軌道を制御する必要がある。そのためには地球の重力、大気等の影響を含む精密モデルによる大規模な演算が必要であり、地上局７０での処理が必要である。

なお、通信転送衛星１０は、テレメトリデータ等の蓄積のため、メモリ１４を使用する必要がある。つまり、通信転送衛星１０は、通信転送衛星１０がデータ中継衛星９０との交信ができない場合に、または、データ中継衛星９０が地上局７０と交信が不可能な場合に、データをメモリ１４に蓄積する。
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。

更に、通信制御に関しては、ユーザ衛星５０と通信転送衛星１０との衛星間近傍通信リンク５の通信速度には、いかに高速とはいえ上限がある。即ち、通信転送衛星１０は、多くのユーザ衛星５０からの要求が重なって限度以上になると、これらのデータ量を抑える制御を行う。

また、姿勢制御または軌道制御に関しては、ユーザ衛星５０を木目細かく制御する必要があり、地球重力、大気の影響も含めた精密モデル化を要し、大規模な演算が要求される。

図５に示す構成で、地上局７０は、地上トラッキングステーション８２による追跡と、そのデータによる地上での軌道推定部８１を備えた詳細な軌道計算が必要となる。そして、その計算結果に基づいて位置指令部７３が位置制御の指定をする。

以上のように、図８では、ユーザ衛星５０が通信転送衛星１０とは全く異なる軌道面を周回する形態を説明した。

こうしたユーザ衛星の具体的用途として、観測衛星がある。例えば、観測衛星による地球観測ミッションがある。
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。

ユーザの観測衛星は、小電力の通信機能のままで所定範囲の内である短距離通信の距離にいる通信転送衛星と高速転送を行う。
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。

以上のように、この実施の形態の通信転送衛星は、
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。

また、この実施の形態の通信転送衛星は、
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。

また、前記通信転送衛星は、メモリを備えて、所定範囲の内にある衛星と、所定範囲の外にある衛星とで相互にデータ通信を行うために、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少なくともいずれか一方の衛星からのデータを蓄積して、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少なくともいずれか他方の衛星と通信可能になった場合に、蓄積した一方の衛星からのデータを他方の衛星へ転送することを特徴とする。

また、前記通信転送衛星は、通信転送衛星自身の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。

また、この実施の形態のユーザ衛星は、
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。

また、この実施の形態のユーザ衛星は、
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。

また、この実施の形態の地上局は、
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。

この実施の形態は、静止軌道上にあるデータ中継衛星とのハイゲインアンテナによるデータ伝送能力を備えてある中間的な通信転送衛星を介在させることが特徴である。

また、この実施の形態は、通信転送衛星の周囲を編隊飛行する複数のユーザ衛星、或いは、通信転送衛星の周囲を通過する複数のユーザ衛星と、通信転送衛星とが通信を行うことが特徴である。

また、この実施の形態は、データ中継衛星と通信転送衛星との２つの衛星を介して、ユーザ衛星と地上局とのデータ通信が行われることが特徴である。

この実施の形態によれば、ユーザ衛星は、オムニディレクショナルアンテナによる小電力での高速データ伝送ができるという効果がある。

また、この実施の形態によれば、ユーザ衛星は、大型のハイゲインアンテナではなく、小型のオムニディレクショナルアンテナを搭載しているので、軽量なシステム構築が可能になる効果がある。
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。

この発明の実施の形態１におけるデータ転送システムの構成を示す図である。 実施の形態１における通信転送衛星の内部構成を示す図である。 実施の形態１におけるユーザ衛星の内部構成を示す図である。 準天頂衛星の軌道周回を説明する図である。 実施の形態１における地上局の内部構成を示す図である。 実施の形態１における衛星と通信転送衛星とデータ中継衛星との間の通信形態を示す図である。 他の衛星と通信転送衛星とデータ中継衛星との間の通信形態を示す図である。 他の衛星と通信転送衛星とデータ中継衛星との間の通信形態を示す図である。

符号の説明

２ 衛星間通信リンク、５ 衛星間近傍通信リンク、６ 他機関、外国のユーザ衛星（宇宙機）群、１０ 通信転送衛星、１１ オムニディレクショナルアンテナ、１２ 短距離用通信部、１３ 制御部、１４ メモリ、１５ 長距離用通信部、１６ ハイゲインアンテナ、１７ センサ入力部、１８ ＧＰＳ受信部、３１ 姿勢・軌道制御部、３２ 軌道制御指示部、５０ ユーザ衛星（宇宙機）、５１ オムニディレクショナルアンテナ、５２ 短距離用通信部、５３ 制御部、５４ メモリ、５７ センサ入力部、５８ ＧＰＳ受信部、６１ 姿勢・軌道制御部、６２ 観測器入力部、７１ 相対位置計測部、７２ ランデブー計画部、７３ 位置指令部、７５ 長距離用送受信部、７６ アンテナ、８１ 軌道推定部、８２ 地上トラッキングステーション、９０ データ中継衛星。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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