JP2009094936A - アンテナ切替装置および人工衛星 - Google Patents

Abstract

【課題】 衛星に搭載された衛星搭載アンテナを切替える際の、地上における衛星運用者の負担を大幅に軽減するとともに、アンテナ切替時の観測データ喪失を防ぐ。
【解決手段】 少なくとも２以上の送信アンテナと、ＲＦ送信系１１と、送信アンテナとＲＦ送信系１１との接続を切替えるアンテナ切替スイッチ２１と、衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性を含む通信回線パラメータに基づき、通信予定時間内に地上局の受信限界電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う送信アンテナをＲＦ送信系１１に接続するようにアンテナ切替コマンドを生成し、アンテナ切替スイッチ２１の切替接続を制御する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、人工衛星（以下、衛星）に搭載された衛星搭載アンテナを、地上局との通信用に切替えるアンテナ切替装置に関する。

衛星は軌道上で、衛星搭載のミッションデータプロセッサに記録された観測データの再生データ、もしくは、リアルタイムの観測データを、衛星通信回線を介して地上局にダウンリンクする。その際、太陽観測や深宇宙観測を目的として慣性航法する周回衛星や、地球観測において観測地域に衛星姿勢を向けて観測する周回衛星などについては、地上局からの衛星の見え方が時間とともに変わる。このため、ダウンリンクに使用する少なくとも２つの衛星搭載アンテナは、その指向方向が異なる方向を向くように取付けられ、送信に使用する衛星搭載アンテナを、地上局が可視となる軌道上で切替える必要がある。従来、衛星にスイッチ回路を設けて、衛星に搭載された複数の衛星搭載アンテナを切替えるアンテナの切替装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３２４００９号公報（図３）

従来は、地上側で運用者が、衛星搭載アンテナの切替時刻を計算し、アンテナ切替用のコマンドセットを地上局から送信している。切替時刻を決めるためにはまず、衛星搭載の姿勢制御系計算機（CPU）が行っている軌道伝播計算と同じ計算を、地上側でも実施する。

この軌道伝播の計算結果に加えて、衛星姿勢、通信回線パラメータ、および地上局位置情報から、切替時刻が計算される。これらの計算作業は運用者にとって大きな負担であり、また切替時刻の計算を誤ると、所望の使用アンテナへの切替が実行されず、観測データの喪失につながる。

また、衛星搭載用アンテナの切替時、アンテナ切替動作を実行するためのコマンドセットを、衛星搭載の通信データ処理系CPUに向け、地上局からアップロードする。このコマンドセットの送信順序を誤ると、RF送信機およびアンテナ切替用スイッチなどの衛星搭載機器に損傷を与えることになる。

以上に説明したように、従来、衛星で行うのと同じ軌道伝播計算を、地上運用者が実施する必要があり、その作業は運用者にとって大きな負担になるという問題があった。また、アンテナ切替時刻や切替コマンドの送信順序を誤ると、観測データ喪失や衛星搭載機器の損傷を引き起こすことに繋がるという問題があった。

本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、衛星に搭載された衛星搭載アンテナを切替える際の、地上における衛星運用者の負担を大幅に軽減するとともに、アンテナ切替時の観測データ喪失や、衛星搭載機器の損傷を防ぐすることを目的とする。

この発明によるアンテナ切替装置は、少なくとも２以上の衛星搭載アンテナのそれぞれについて、衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性に基づき、通信予定時間内に地上局の受信電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う衛星搭載アンテナを選択し、選択した衛星搭載アンテナへの切替信号を生成するものである。

また、この発明によるアンテナ切替装置は、少なくとも２以上の衛星搭載アンテナと、送信機と、上記衛星搭載アンテナと送信機との接続を切替えるアンテナ切替スイッチと、衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性に基づき、通信予定時間内に上記衛星搭載アンテナから送信され地上局で受信する受信電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う衛星搭載アンテナを上記送信機に接続するようにアンテナの切替信号を生成し、上記アンテナ切替スイッチの切替接続を制御する計算機と、を備えたものであっても良い。

この発明によれば、衛星に搭載された衛星搭載アンテナを切替える際の、地上における衛星運用者の負担を大幅に軽減するとともに、アンテナ切替時の観測データ喪失や衛星搭載機器の損傷を抑えることができる。

実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１では、人工衛星（衛星）の実運用時、衛星と地上局の通信、特に衛星から地上局へのデータのダウンリンクに使用する複数の衛星搭載アンテナを、衛星にて自動的に切替えるアンテナ切替装置について説明する。

図１は、実施の形態１によるアンテナ切替装置を搭載した衛星について、その運用形態を示す図である。
図において、衛星３は第１の衛星搭載アンテナである送信アンテナ１と、第２の衛星搭載アンテナである送信アンテナ２とを備えている。勿論、送信アンテナは２つに限ることはなく、３つ以上の複数個備えていても良い。衛星３は、地球５の上空を周回し、送信アンテナ１または送信アンテナ２を介して、軌道６上で地上局４と交信する。衛星３は図中の矢印の方向に向かって軌道上を移動しているものとする。地上局上空で、衛星３が観測データをダウンリンクする際、衛星３と地上局４との位置関係と衛星３の姿勢と各送信アンテナの利得特性により、使用する送信アンテナ１または送信アンテナ２を途中で切替える。

図に示す例の場合、衛星３の送信アンテナ１の電波放射面に対してその裏面側の方向に電波を放射するように送信アンテナ２を配置し、送信アンテナ１と送信アンテナ２が、互いに反対方向を向いている。これにより、例えば衛星３が地上局４の上空を飛翔する場合、衛星３が図の右側から地上局４に近付くときは送信アンテナ１を介して地上局４との交信が行われ、衛星３が図の左側に向かい地上局４から遠ざかるときは送信アンテナ２を介して地上局４との交信が行われる。
すなわち、衛星３の送信アンテナ１のビームカバレッジ（送信アンテナのビームの覆域）が地上局４を覆い、送信アンテナ１から地上局４が可視となって、送信アンテナ１が軌道６上で地上局４と交信可能な位置に到達すると、送信アンテナ１から地上局４に観測データが送信される。
その後、衛星３の移動に伴い、衛星３の送信アンテナ２のビームカバレッジ（送信アンテナのビームの覆域）が地上局４を覆い、送信アンテナ２が軌道６上で地上局４と交信可能な位置に到達する。この際、送信アンテナ１が地上局４と交信不能な軌道位置に至ると、地上局４と交信するアンテナが送信アンテナ１から送信アンテナ２に自律的に切り替わる。そして、送信アンテナ２から地上局４に観測データが送信される。

なお、アンテナ切替え時に、使用する送信アンテナの情報と、アンテナを切替えるタイミング（切替時刻）を示す情報と、アンテナの切替動作開始から切替処理が完了するまでの各種手続きを実行するためのコマンドを示すコマンドセット情報と、アンテナの切替えが正常に終了したことを示すステータス情報とが、テレメトリとして、衛星３から地上局４に送られる。
この実施の形態１では、使用する送信アンテナを切替えるとき、衛星３に搭載されたアンテナ切替装置が自律的にアンテナの切替信号を生成する。このため、地上局４から衛星３に対して、アンテナ切替の動作手順を制御するコマンドセットを送る必要はない。

次に、アンテナ切替装置の構成について説明する。
図２はアンテナ切替装置の構成を示す図である。
図において、送信アンテナ１および送信アンテナ２は衛星３に搭載され、それぞれアンテナ切替スイッチ１２の第１の出力信号端子２１および第２の出力信号端子２２に接続される。アンテナ切替スイッチ１２の入力端子２３は、ＲＦ送信系１１に接続される。送信機から構成されるＲＦ送信系１１は、ミッションデータプロセッサ１０から観測データが入力される。ＲＦ送信系１１は、入力された観測データに基づいて変調信号を生成し、マイクロ波帯の通信波長域のＲＦ（Radio Frequency）信号に周波数変換して、送信アンテナ１または送信アンテナ２に送信電波を給電する送信機を構成する。ミッションデータプロセッサ１０は、衛星３に搭載された観測装置１６により観測された観測データを受信し、受信データをデータレコーダ（図示せず）に記録したり、記録データの再生を行う。データレコーダはミッションデータプロセッサ１０の内部に設けられるか、もしくは外部から接続されていても良い。また、ミッションデータプロセッサ１０は、観測装置１６の動作を制御する。ミッションデータプロセッサ１０は、データレコーダに記録された観測データもしくは、観測装置１６によってリアルタイムに観測される観測データを、ＲＦ送信系１１に出力する。観測装置１６としては、例えば地球５の表面や大気温度、大気の成分や、地球５の画像、他の惑星や太陽など他の天体の画像や活動状態を示す情報を観測し、観測したデータをテレメトリとして出力する。

計算機１３は、例えば姿勢制御系ＣＰＵのような衛星搭載ＣＰＵやメモリから構成され、記憶装置１５が接続されている。計算機１３は、ミッションデータプロセッサ１０の記録処理を制御する記録コマンドを生成し、ミッションデータプロセッサ１０に入力する。計算機１３は、ミッションデータプロセッサ１０の再生処理を制御するための再生コマンドまたは再生停止コマンドを生成し、ミッションデータプロセッサ１０に入力する。計算機１３は、ＲＦ送信系１１の送信出力を制御し、送信出力ゲインを切替える送信ゲイン切替コマンドや、送信を開始するための送信開始コマンドや、送信出力を停止するための送信停止コマンドなどを生成し、ＲＦ送信系１１に入力する。計算機１３は、アンテナ切替スイッチ１２の入力端子２３と第１、第２の出力端子２１、２２との接続を切替えるためのアンテナ切替コマンド（アンテナの切替信号）を生成し、アンテナ切替スイッチ１２に入力する。アンテナ切替スイッチ１２は、ＲＦ送信系１１を送信アンテナ１に接続するためのアンテナ切替コマンドを受けると、入力端子２３を第１の出力端子２１に接続する。また、アンテナ切替スイッチ１２は、ＲＦ送信系１１を送信アンテナ２に接続するためのアンテナ切替コマンドを受けると、入力端子２３を第２の出力端子２２に接続する。勿論、アンテナ切替スイッチ１２は３端子以上の出力端子を有していても良く、冗長系を構成したり、さらに多くの送信アンテナに切替え接続しても良い。
また、計算機１３は、無指向性の受信アンテナ１７を備えており、地上局４あるいは他の地上局から送信されアップロードされるコマンドや軌道情報および通信回線パラメータなどの地上局送信データ（アップリンクデータ）を受信し、受信信号をＲＦ受信系１８に出力する。ＲＦ受信系１８では、受信したアップリンクデータについて波形整形や信号増幅、周波数変調などの処理を行い、処理信号を記憶装置１５に格納する。
記憶装置１５は、軌道上で地上局からアップロードされるアップリンクデータに基づいて、データベースを書き換え可能となっている。

次に、計算機１３による送信アンテナの切替え制御動作について説明する。図３は、計算機１３の処理フローを示す図である。
まず、計算機１３は、送信アンテナの切替計算処理として、使用する送信アンテナの順番と切替時刻を計算する（ステップＳ１）。
続いて、送信アンテナの切替に必要なアンテナ切替コマンドセットを自動的に出力する（ステップＳ２）。
この際、衛星３から地上局４にダウンリンクするデータとして、リアルタイム観測データか再生データの何れかを選択する。
リアルタイム観測データをダウンリンクする場合は、出力されるアンテナ切替コマンドセットとして、コマンドセットＡを出力する。
「コマンドセットＡ」：次の手順１〜手順３の順序で動作させる。
＜手順１（時刻Ｔ１）＞：送信停止コマンドを出力し、ＲＦ送信系１１のＲＦ送信出力OFF。
＜手順２（時刻Ｔ２）＞：アンテナ切替コマンドをアンテナ切替スイッチ１２に出力し、送信アンテナの切替。
＜手順３（時刻Ｔ３）＞：送信開始コマンドを出力し、ＲＦ送信系１１のＲＦ送信出力ON。
また、記録した観測データを再生し、再生データをダウンリンクする場合は、出力されるアンテナ切替コマンドセットとして、コマンドセットＢを出力する。
「コマンドセットＢ」：次の手順１ｂ〜手順５ｂの順序で動作させる。
＜手順１ｂ（時刻Ｔ１）＞：再生停止コマンドを出力し、ミッションデータプロセッサ１０の再生STOP。
＜手順２ｂ（時刻Ｔ２）＞：送信停止コマンドを出力し、ＲＦ送信系１１のRF送信出力OFF。
＜手順３ｂ（時刻Ｔ３）＞：アンテナ切替コマンドをアンテナ切替スイッチ１２に出力し、送信アンテナの切替。
＜手順４ｂ（時刻Ｔ４）＞：送信開始コマンドを出力し、ＲＦ送信系１１のRF送信出力ON。
＜手順５ｂ（時刻Ｔ５）＞：再生コマンドを出力し、ミッションデータプロセッサ１０の再生START。

ここで、ステップＳ１で行われる送信アンテナの切替計算処理について、細部を説明する。この切替計算では、衛星３と地上局４の位置関係（相対距離、衛星３から地上局４を見込む方向）、衛星３の姿勢、および衛星３と地上局４との通信回線に関する送信アンテナ利得を含むパラメータ（通信回線パラメータ）を使用する。衛星３の位置と姿勢は、衛星に搭載された計算機１３の姿勢制御系ＣＰＵにより計算される。
この際、地上で測距された衛星軌道情報は、地上局４あるいは他の地上局から事前に衛星３へアップロードされる。この軌道情報を基に、計算機１３の姿勢制御系ＣＰＵが衛星軌道伝播計算を行い、軌道伝播データを得て、時刻に対応した衛星位置を把握する。
また、衛星搭載の姿勢センサ（図示せず）が衛星姿勢を検知し、計算機１３の姿勢制御系ＣＰＵが、衛星３の姿勢を把握する。
また、地上局４の位置と通信回線に用いる通信回線パラメータの構成データについては、計算機１３の記憶装置１５の搭載メモリに、打上げ前にデータベースとして登録しておく。打上げ後も必要に応じて、搭載メモリにアップロードし、データベースを書き換えることが可能である。
なお、衛星軌道伝播とは、ある時刻の衛星位置の軌道６要素を初期値として、ケプラー運動により、時刻とともに衛星位置が変化することを意味し、軌道伝播計算は、ある時刻の衛星位置の軌道６要素を初期値として、ケプラー運動により、時刻とともに変化する衛星位置を計算することを表し、衛星軌道伝播データを算出する。衛星軌道伝播データは、（時刻、衛星位置）データ、（時刻、軌道６要素）データで構成される。

次に、通信回線パラメータのデータ構成について説明する。図４は、計算機１３で用いる通信回線パラメータのデータ構成を示す。図に示すように、通信回線パラメータは次の１）〜１０）のデータ項目から構成され、計算機１３の記憶装置１５の搭載メモリにデータベースとして格納される、もしくは計算機１３の内部メモリに一時記憶される。
１）衛星送信電力：予めデータベースに格納
２）衛星内部での送信機〜アンテナ間の給電損失：予めデータベースに格納
３）送信アンテナ利得：予めデータベースに格納されたアンテナパターンデータに基づいて該当個所の値を参照する。参照結果は計算機１３の内部メモリに一時記憶される。
４）衛星と地上局間の自由空間損失：衛星と地上局間の相対距離に基づいて自由空間損失を計算する。計算結果は計算機１３の内部メモリに一時記憶される。
５）地上局アンテナのポインティング損失：予めデータベースに格納
６）偏波損失＋大気吸収損失＋降雨損失：予めデータベースに格納
７）地上局の受信アンテナ利得：予めデータベースに格納
８）地上局受信アンテナのアンテナ端受信レベル：データ項目１）〜７）の各値の和を計算により求める。計算結果は計算機１３の内部メモリに一時記憶される。
９）地上局受信限界電力レベル：予めデータベースに格納
１０）回線マージン：予めデータベースに格納
ここで、回線マージンは、打上げ後の調整時に修正が必要な項目であり、地上局から計算機１３の記憶装置１５の搭載メモリへアップロードすることで書換えられる。他のデータ項目は、通常打上げ後の修正は行わないが、書換え機能が備えられている。

通信回線パラメータを構成する送信アンテナ利得（データ項目３）について、その計算処理の概要を説明する。
各送信アンテナ１、２のアンテナパターンは、地上で実際に測定したアンテナパターンを、アンテナ軸に対するθφ角とアンテナ利得の関係を示すアンテナパターンデータベースに登録しておく。図５はアンテナパターンデータベースに格納される送信アンテナのアンテナパターンを示す図であり、（ａ）はアンテナパターンの例、（ｂ）はアンテナ軸の座標定義（角度θφ）を示す。図６は衛星位置と地上局位置から、搭載アンテナ軸方向に対する地上局方向の図で定義された角度θφを示す図である。また、図７は計算機１３の衛星搭載ＣＰＵに登録する、送信アンテナ利得についてのアンテナパターンデータベース例を示す図である。このアンテナパターンデータベースには、送信アンテナ毎に、図５で定義されたアンテナ軸座標系（角度θφ）での、所定の刻み角度毎の送信アンテナ利得のデータが格納される。
送信アンテナ利得は、送信アンテナ毎に、計算機１３の衛星搭載ＣＰＵによって演算される。この際、通信予定時間内で刻まれた時刻毎に、衛星と地上局の位置関係から該当するθφ角を計算し、その角度に対応するアンテナ利得をアンテナパターンデータベースから得て、得られた送信アンテナ利得を通信回線計算に適用する。

次に、図６を用いて、ある時刻における衛星位置関係に基づいてθφ角を得る計算法を説明する。ある時刻における衛星位置は、衛星軌道情報としての軌道６要素から求まり、ベクトルＳ^→(軌道6要素, 時刻)と表せる。
また同時刻における地上局位置ベクトルＧ^→は、地上局位置から求まり、Ｇ^→ (地上局緯度, 地上局経度, 地上局高度, 時刻)と表せる。
衛星から地上局の見える方向ベクトルＳＧ^→＝ベクトルＧ^→−Ｓ^→と、衛星姿勢から求まる衛星搭載アンテナ方向（送信アンテナ１、２の方向）ａ^→ (衛星姿勢)とのなす角θ（ＳＧ^→,ａ^→）と、φ（ＳＧ^→,ａ^→）から、その角度に対応する送信アンテナのアンテナ利得を、アンテナパターンデータベースから引き出し、通信回線計算に適用する。
このように、地上局の位置と衛星軌道情報に基づいて衛星に対する地上局の相対方向を求め、この相対方向と送信アンテナの姿勢と衛星の姿勢に基づいて、各送信アンテナ１、２から地上局４を望む方向を求める。
かくして、送信アンテナ毎に、アンテナパターンデータベースから送信アンテナ利得を取得する（データ項目３）。また、衛星と地上局間の相対距離に基づいて衛星と地上局間の自由空間損失（データ項目４）を演算することができる。

図４の通信回線パラメータにおける、各データ項目１）〜７）は上記のように決定し、これらの和から、地上局アンテナ端受信レベル（データ項目８）を計算する。計算により得られた地上局アンテナ端受信レベル（データ項目８）が、地上局受信限界電力レベル（データ項目９）と回線マージン（データ項目１０）の和より高いレベルであれば、計算機１３は計算に用いた送信アンテナ（例えば送信アンテナ１）が受信可能であると判断する。
一方、計算により得られた地上局アンテナ端受信レベル（データ項目８）が、地上局受信限界電力レベル（データ項目９）と回線マージン（データ項目１０）の和より低いレベルであれば、計算機１３は計算に用いた送信アンテナ（例えば送信アンテナ２）で受信できないと判断する。
このように、衛星送信電力、衛星内部給電損失、送信アンテナ利得、衛星と地上局間の自由空間損失、地上局アンテナ利得、および回線マージンに基づいて、地上局アンテナ端の受信レベルを求め、求めた受信レベルと地上局受信限界レベルとの比較により、衛星搭載アンテナ毎に通信可否を判定する。

図８は、地上局受信限界レベルに対する、地上局アンテナ端受信レベル変化の代表的な例を示す図である。
ある地上局上空を衛星が通過する約１０分間の通信予定時間内の運用中に、図８（ａ）では、運用開始時は衛星に搭載された送信アンテナ１からRF送信し、約１分後に送信アンテナ２に切替え、運用終了まで送信アンテナ２を使用するケース（１）を示している。
図８（ｂ）では、運用前半の約５分間は送信アンテナ１を使用し、途中で送信アンテナ２に切替えるケース（２）を示している。
図８（ｃ）では、運用開始から終了まで送信アンテナ１を使用し、切替の発生しないケース（３）を示している。
このように、２つの衛星搭載の送信アンテナを用いた場合に、アンテナ毎に得られる地上局アンテナ端受信レベルを計算機１３の衛星搭載ＣＰＵが比較計算し、所定の閾値（地上局受信限界電力レベル）以上となる受信レベルの大小関係が逆転する前後の時刻に合わせて、アンテナ切替コマンドセットを生成する。
この生成されたアンテナ切替コマンドセットが各衛星搭載機器に出力されて、送信アンテナの切替え制御や、ＲＦ送信系の送信制御、ミッションデータプロセッサの再生制御が行われる。
この際、地上局アンテナ端受信レベルが地上局受信限界電力レベルより大きくなる連続した時間が一定以上（例えば１分間以上）続く期間を、通信可能期間として設定する。
例えば図８（ｂ）の例では、通信予定時間内で、送信アンテナ１が所定時間以上（５分間）続く通信可能期間を有しており、この通信可能期間を送信アンテナ１でダウンリンクを行う第１の通信可能期間とする。また、同じ通信予定時間内で、送信アンテナ２が所定時間以上（５分間）続く第２の通信可能期間を有しており、この通信可能期間を第２の通信可能期間とする。この第２の通信可能期間では、送信アンテナ２により通信した場合の地上局アンテナ端受信レベルが送信アンテナ１により通信した場合の地上局アンテナ端受信レベルよりも大きくなっていること、なおかつ送信アンテナ１が通信不可となっていること、を条件として、その地上局アンテナ端受信レベルの大小関係が逆転する前後の時間で、送信アンテナ２を通信すべき衛星搭載アンテナとして選択する。かくして、送信アンテナ１から送信アンテナ２に接続を切替えるようにＲＦ送信系１１との切替接続を制御した後、送信アンテナ２でダウンリンクが行われるようになる。

以上説明したように、計算機１３は、通信予定時間内の刻み時間毎に、次のａ）〜ｆ）の順序で、アンテナ切替えのための演算処理を実行する。
ａ）予め設定された地上局の位置と衛星軌道情報に基づいて衛星３に対する地上局４の相対方向、および衛星３と地上局４間の距離を求める。
ｂ）各送信アンテナ１、２の向きと衛星３に対する地上局４の相対方向と衛星３の姿勢に基づいて送信アンテナ１、２から地上局４を望む方向を求める。
ｃ）送信アンテナ毎にデータベースから衛星送信アンテナ利得を取得する。
ｄ）衛星３と地上局４間の距離に基づいて衛星３と地上局４間の自由空間損失を演算する。
ｅ）衛星送信電力、衛星送信アンテナ利得、衛星と地上局間の自由空間損失、地上局アンテナ利得に基づいて、地上局アンテナ端の受信レベルを求め、求めた受信レベルと地上局受信限界レベルとの比較により、送信アンテナ毎に通信可否を判定する。
ｆ）通信予定時間内に、一定時間以上通信可能となる通信可能期間を有した送信アンテナを、通信を行う送信アンテナとして選択し、切替信号を生成する。
この際、衛星内部給電損失、地上局受信アンテナのポインティング損失、偏波損失＋大気吸収損失＋降雨損失などによる損失分や、回線マージンを考慮して通信可否を判定することは謂うまでもない。
なお、記憶装置１５は、衛星送信電力、衛星内部給電損失、衛星送信アンテナ利得データ、地上局アンテナ利得、地上局受信限界レベル、および回線マージンの各データから構成されるデータベースを格納する。このデータベースは、送信アンテナ毎に、送信アンテナから地上局を望む方向に対応付けられた送信アンテナ利得データが格納される。

実施の形態１のアンテナ切替装置は以上のように構成され、少なくとも２以上の衛星搭載アンテナ（送信アンテナ１、２）と、ＲＦ送信系１１（送信機）と、上記衛星搭載アンテナとＲＦ送信系１１との接続を切替えるアンテナ切替スイッチ２１と、衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性を含む通信回線パラメータに基づき、通信予定時間内に地上局の受信限界電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う衛星搭載アンテナをＲＦ送信系１１に接続するようにアンテナ切替コマンド（アンテナの切替信号）を生成し、アンテナ切替スイッチ２１の切替接続を制御する計算機１３とを備える。
これにより、衛星３に搭載された送信アンテナを切替える際の、地上における衛星運用者の負担を大幅に軽減するとともに、アンテナ切替時の観測データ喪失を低減できる。

なお、従来は、衛星に搭載されている姿勢制御系ＣＰＵと、通信データ処理系ＣＰＵが独立であったため、各ＣＰＵを制御するためのコマンドセットを、衛星搭載の通信データ処理系ＣＰＵに向け、地上局からアップロードしていた。このコマンドセットの順番を誤ると、ＲＦ送信系およびアンテナ切替用スイッチなどの衛星搭載機器に損傷を与えることになる。
しかし、この実施の形態１では、衛星３の軌道位置に基づいて衛星３側で送信アンテナが自律的に切り替わるので、ＲＦ送信系１１やアンテナ切替用スイッチ１２やミッションデータプロセッサ１０などの衛星搭載機器について、その損傷を抑えることができる。

この発明の実施の形態１によるアンテナ切替装置を搭載した衛星の運用形態を示す図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ切替装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による送信アンテナの切替フローを示す図である。 この発明の実施の形態１による衛星搭載CPU内で実施する通信回線計算の図である。 この発明の実施の形態１による送信アンテナのアンテナパターン例を示す図である。 この発明の実施の形態１による衛星位置と地上局位置から、搭載アンテナ軸方向に対する地上局方向の角度を示す図である。 この発明の実施の形態１による送信アンテナ利得についてのデータベース例を示す図である。 この発明の実施の形態１による地上局受信電力限界レベルに対する地上局アンテナ端受信レベル変化例を示す図である。

符号の説明

１ 送信アンテナ（衛星搭載アンテナ）、２ 送信アンテナ（衛星搭載アンテナ）、３衛星、４ 地上局、５ 地球、１０ ミッションデータプロセッサ、１１ ＲＦ送信系、１２ アンテナ切替スイッチ、１３ 計算機、１５ 記憶装置、１６ 観測装置、１７ 受信アンテナ。

Claims (6)

1. 少なくとも２以上の衛星搭載アンテナのそれぞれについて、衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性に基づき、通信予定時間内に地上局の受信電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う衛星搭載アンテナを選択し、選択した衛星搭載アンテナへの切替信号を生成するアンテナ切替装置。
2. 少なくとも２以上の衛星搭載アンテナと、
   送信機と、
   上記衛星搭載アンテナと送信機との接続を切替えるアンテナ切替スイッチと、
   衛星の軌道および姿勢と地上局の位置とアンテナ利得特性に基づき、通信予定時間内に上記衛星搭載アンテナから送信され地上局で受信する受信電力レベルが所定以上となる通信可能期間を求め、求めた通信可能期間に基づいて通信を行う衛星搭載アンテナを上記送信機に接続するように衛星搭載アンテナの切替信号を生成し、上記アンテナ切替スイッチの切替接続を制御する計算機と、
   を備えたアンテナ切替装置。
3. 上記計算機は、通信予定時間内で所定時間以上続く通信可能期間を有する第１の衛星搭載アンテナを、通信を行う衛星搭載アンテナとして選択した後、
   同じ通信予定時間内で上記第２の衛星搭載アンテナから送信され地上局で受信する受信電力レベルが所定以上であって、かつ第１の衛星搭載アンテナから送信され地上局で受信する受信電力レベルを超えると予想される場合に、第２の衛星搭載アンテナを通信する衛星搭載アンテナとして選択して、第１の衛星搭載アンテナから第２の衛星搭載アンテナに接続を切替えるように、送信機との切替接続を制御することを特徴とする請求項２記載のアンテナ切替装置。
4. 衛星送信電力、衛星内部給電損失、衛星送信アンテナ利得データ、地上局アンテナ利得、地上局受信限界レベル、および回線マージンの各データから構成されるデータベースを格納する記憶装置を備え、
   上記データベースは、衛星搭載アンテナ毎に、衛星搭載アンテナから地上局を望む方向に対応付けられた衛星送信アンテナ利得データが格納され、
   上記計算機は、通信予定時間内の刻み時間毎に、次の１）〜６）の演算を処理する、
   １）予め設定された地上局の位置と衛星軌道情報に基づいて衛星に対する地上局の相対方向、および衛星と地上局間の距離を求める、
   ２）各衛星搭載アンテナの向きと衛星に対する地上局の相対方向と衛星の姿勢に基づいて衛星搭載アンテナから地上局を望む方向を求める、
   ３）衛星搭載アンテナ毎に上記データベースから衛星送信アンテナ利得を取得する、
   ４）衛星と地上局間の距離に基づいて衛星と地上局間の自由空間損失を演算する、
   ５）衛星送信電力、衛星送信アンテナ利得、衛星と地上局間の自由空間損失、地上局アンテナ利得に基づいて、地上局アンテナ端の受信レベルを求め、求めた受信レベルと地上局受信限界レベルとの比較により、衛星搭載アンテナ毎に通信可否を判定する、
   ６）通信予定時間内に、一定時間以上通信可能となる通信可能期間を有した衛星搭載アンテナを、通信を行う衛星搭載アンテナとして選択し、切替信号を生成する、
   ことを特徴とした請求項１または請求項２記載のアンテナ切替装置。
5. 上記記憶装置は、軌道上で地上局からアップロードされるアップリンクデータに基づいて、上記データベースを書き換え可能なことを特徴とした請求項４記載のアンテナ切替装置。
6. 第１の衛星搭載アンテナと、上記第１のアンテナの電波放射面に対して異なる方向に電波を放射する第２の衛星搭載アンテナと、上記請求項１乃至５に記載のアンテナ切替装置とを備えた人工衛星。

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