JP2023023216A - 衝突回避方法、地上設備、コマンド送信方法、および、コマンド送信プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】北上する衛星と南下する衛星との衝突が予見された場合に、一方の衛星である回避衛星のみが衝突回避行動をとることにより衛星同士の衝突を回避する衝突回避方法を提供したい。
【解決手段】衝突回避方法は、複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションにおいて、北上衛星と、南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、北上衛星と、南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、北上衛星と、南下衛星との衝突を回避する方法である。
【選択図】図１３

Description

本開示は、衝突回避方法、地上設備、コマンド送信方法、および、コマンド送信プログラムに関する。

メガコンステレーションの登場とデブリ増加等に伴う軌道上物体数の激増により宇宙空間における衝突リスクが増大している。そのため、他の衛星またはデブリ等との衝突を回避する方法が待望されている。さらに、万が一同一軌道高度で衛星同士等の衝突が発生した結果飛散した多数の破片がデブリ化し、デブリ化した多数の破片が近傍軌道を飛翔し始めた場合に、同一軌道高度の他の衛星に連鎖的に衝突するリスクが発生する。この連鎖的な衝突が止まらなくなる状態は、ケスラーシンドロームと呼ばれ、警戒されている。特許文献１は、複数の軌道面の軌道高度が互いに異なる場合における衝突回避方法を開示している。

国際公開第２０２０／１５８５０５号パンフレット

特許文献１が開示する衝突回避方法によれば、複数の軌道面の軌道高度が同じである場合において衛星同士の衝突を回避することができないという課題がある。

本開示は、北上する衛星と南下する衛星との衝突が予見された場合に、一方の衛星である回避衛星のみが衝突回避行動をとることにより衛星同士の衝突を回避する衝突回避方法を提供することを目的とする。

本開示に係る衝突回避方法は、
複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、前記複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、前記複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションにおける衝突回避方法であって、
前記衛星コンステレーションを構成するいずれかの衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、前記衛星コンステレーションを構成する前記北上衛星以外のいずれかの衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記北上衛星と、前記南下衛星との衝突を回避する方法である。

本開示によれば、北上する衛星と南下する衛星との衝突が予見された場合に、一方の衛星である回避衛星のみが衝突回避行動をとることにより衛星同士の衝突を回避する衝突回避方法を提供することができる。

中緯度交差点の衝突危険領域を示す図。 実施の形態１に係る衛星コンステレーション維持システム１００の概略を示す図。 実施の形態１に係る衛星コンステレーション維持システム１００の構成例を示す図。 実施の形態１に係る衛星３０の構成例を示す図。 実施の形態１に係る地上設備５００の構成例を示す図。 実施の形態１に係る衛星コンステレーション維持システム１００の構成例を示す図。 ８機の衛星３０が均等位相で飛翔する円軌道を示す図。 法線ベクトルが互いに異なる軌道面同士が交差する点における衝突リスクを示す図。 軌道面毎の衛星３０の飛翔位置の位相をずらした様子を示す図であり、（ａ）は位相をずらしていない図、（ｂ）は位相を９度ずらした図、（ｃ）は位相を１８度ずらした図、（ｄ）は位相を２７度ずらした図、（ｅ）は位相を３６度ずらした図。 図９に示す軌道面を重ねた様子を示す図であり、（ａ）は傾斜がない場合を示す図、（ｂ）は傾斜がある場合を示す図。 図９に示す軌道面に軌道傾斜角をつけた様子を示す図であり、（ａ）は軌道面１を示す図、（ｂ）は軌道面２を示す図、（ｃ）は軌道面３を示す図、（ｄ）は軌道面４を示す図、（ｅ）は軌道面５を示す図、（ｆ）は第１の軌道面を示す図、（ｇ）は第２の軌道面を示す図、（ｈ）は第３の軌道面を示す図、（ｉ）は第４の軌道面を示す図、（ｊ）は第５の軌道面を示す図。 軌道の交点を説明する図であり、（ａ）は第１の軌道面を示す図、（ｂ）は第２の軌道面を示す図、（ｃ）は第３の軌道面を示す図、（ｄ）は第４の軌道面を示す図、（ｅ）は第５の軌道面を示す図、（ｆ）は第１の軌道面を示す図、（ｇ）は第２の軌道面を示す図、（ｈ）は第３の軌道面を示す図、（ｉ）は第４の軌道面を示す図、（ｊ）は第５の軌道面を示す図。 軌道面同士の交線上で軌道高度が一致する点を示す図であり、（ａ）は第１の軌道面を示す図、（ｂ）は第２の軌道面を示す図、（ｃ）は第３の軌道面を示す図、（ｄ）は第４の軌道面を示す図、（ｅ）は第５の軌道面を示す図、（ｆ）は第１の軌道面を示す図、（ｇ）は第２の軌道面を示す図、（ｈ）は第３の軌道面を示す図、（ｉ）は第４の軌道面を示す図、（ｊ）は第５の軌道面を示す図。 軌道面同士の交線上で軌道高度が一致する点を示す図であり、（ａ）は第１の軌道面を示す図、（ｂ）は第２の軌道面を示す図、（ｃ）は第３の軌道面を示す図、（ｄ）は第４の軌道面を示す図、（ｅ）は第５の軌道面を示す図。 軌道面同士の交線上で軌道高度が一致する点を示す図であり、（ａ）は第１の軌道面を示す図、（ｂ）は第２の軌道面を示す図、（ｃ）は第３の軌道面を示す図、（ｄ）は第４の軌道面を示す図、（ｅ）は第５の軌道面を示す図。 位相をずらした軌道面の順番を変更した具体例を示す図であり、（ａ）は第１の軌道面を示す図、（ｂ）は第４の軌道面を示す図、（ｃ）は第２の軌道面を示す図、（ｄ）は第５の軌道面を示す図、（ｅ）は第３の軌道面を示す図、（ｆ）は第１の軌道面を示す図、（ｇ）は第４の軌道面を示す図、（ｈ）は第２の軌道面を示す図、（ｉ）は第５の軌道面を示す図、（ｊ）は第３の軌道面を示す図。 実施の形態１の変形例に係る地上設備５００の構成例を示す図。

以下、本開示の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。また、以下の図面では各構成の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。図中の矢印はデータの流れまたは処理の流れを主に示している。また、実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「表」、「裏」といった方向あるいは位置が示されている場合がある。それらの表記は、説明の便宜上、そのように記載しているだけであって、装置、器具、あるいは部品といった構成の配置および向きを限定するものではない。
また、「部」を、「回路」、「工程」、「手順」、「処理」、「手段」または「サーキットリー」に適宜読み替えてもよい。

実施の形態１．
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
傾斜円軌道を採用するメガコンステレーションでは、図１に示すように、中緯度帯に格子状に形成される複数の軌道面の交差線上における同一高度の交差点が全て衝突リスクを有する。そこで、予め設計段階において全ての通過タイミングをずらすこと、および、想定外のタイミングずれが発生した場合においても、衛星同士の衝突を回避できる仕組みが必要となる。
本実施の形態では、軌道面毎の衛星３０の飛翔位置を変えて、北上する衛星３０同士ないし南下する衛星３０同士の衝突を解消し、さらに、北上する衛星３０と南下する衛星３０との衝突が予見された場合に、北上する衛星３０が衝突回避行動をとる衝突回避方法を提供する。

図２は、本実施の形態に係る衛星コンステレーション維持システム１００の概略を示している。
衛星コンステレーション維持システム１００は、本図に示すように、衛星コンステレーション２０と、地上設備５００とを備える。本明細書では、人工衛星を単に衛星と表記することもある。

衛星コンステレーション２０は、典型的には１００機以上の衛星３０を備える衛星メガコンステレーションである。衛星コンステレーション２０の具体例は［参考文献１］および［参考文献２］に開示されている。メガコンステレーションの具体例は［参考文献３］に開示されている。衛星コンステレーション維持システム１００は、これらの参考文献に開示されている機能を適宜備える。
衛星コンステレーション２０が含む各衛星３０は、具体例として、地上に存在する利用者に通信サービス等を提供する。

［参考文献１］
特開２０２１－０５４１６７号公報
［参考文献２］
特開２０２１－０７０３４２号公報
［参考文献３］
国際公開第２０２１／０６０４９２号パンフレット

地上設備５００は、通信装置９５０と衛星制御装置５０１とを備え、各衛星３０と通信することによって衛星コンステレーション２０を制御する。
衛星制御装置５０１は、各衛星３０を制御するための各種コマンドを生成するコンピュータであり、処理回路および入出力インタフェース等のハードウェアを備える。処理回路は各種コマンドを生成する。入出力インタフェースには入力装置および出力装置が接続される。衛星制御装置５０１は、入出力インタフェースを介して、通信装置９５０に接続される。
通信装置９５０は、各衛星３０と通信を行う。具体的には、通信装置９５０は、各種コマンドを各衛星３０へ送信する。

図３は、本実施の形態に係る衛星コンステレーション維持システム１００の構成例を示している。
衛星コンステレーション維持システム１００は、コンピュータを備える。図３では、１つのコンピュータの構成を示しているが、実際には、衛星コンステレーション２０を構成する複数の衛星の各衛星３０、および、衛星３０と通信する地上設備５００の各々にコンピュータが備えられる。そして、複数の衛星の各衛星３０、および、衛星３０と通信する地上設備５００の各々に備えられたコンピュータが連携して、本実施の形態に係る衛星コンステレーション維持システム１００の機能を実現する。以下において、衛星コンステレーション維持システム１００の機能を実現するコンピュータの構成の一例について説明する。

衛星コンステレーション維持システム１００は、衛星３０と地上設備５００とを備える。衛星３０は、地上設備５００の通信装置９５０と通信する衛星通信装置３２を備える。

衛星コンステレーション維持システム１００は、プロセッサ９１０を備えるとともに、メモリ９２１、補助記憶装置９２２、入力インタフェース９３０、出力インタフェース９４０、および通信装置９５０といった他のハードウェアを備える。プロセッサ９１０は、信号線を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。

衛星コンステレーション維持システム１００は、機能要素として、衛星コンステレーション維持部１１０を備える。衛星コンステレーション維持部１１０の機能は、ハードウェアあるいはソフトウェアにより実現される。

衛星コンステレーション維持部１１０は、衛星コンステレーション２０を維持するための処理を実行する機能を有する。

プロセッサ９１０は、衛星コンステレーション維持プログラムを実行する装置である。衛星コンステレーション維持プログラムは、衛星コンステレーション維持部１１０の機能を実現するプログラムである。
プロセッサ９１０は、演算処理を行うＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。プロセッサ９１０の具体例は、ＣＰＵ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。

メモリ９２１は、データを一時的に記憶する記憶装置である。メモリ９２１の具体例は、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、あるいはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）である。
補助記憶装置９２２は、データを保管する記憶装置である。補助記憶装置９２２の具体例は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）である。また、補助記憶装置９２２は、ＳＤ（登録商標）（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ）メモリカード、ＣＦ（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ（登録商標））、ＮＡＮＤフラッシュ、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ブルーレイ（登録商標）ディスク、またはＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）といった可搬記憶媒体であってもよい。

入力インタフェース９３０は、マウス、キーボード、あるいはタッチパネルといった入力装置と接続されるポートである。入力インタフェース９３０は、具体的には、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）端子である。なお、入力インタフェース９３０は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）と接続されるポートであってもよい。
出力インタフェース９４０は、ディスプレイといった出力機器のケーブルが接続されるポートである。出力インタフェース９４０は、具体的には、ＵＳＢ端子またはＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）端子である。ディスプレイは、具体的には、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。

通信装置９５０は、レシーバとトランスミッタを有する。通信装置９５０は、具体的には、通信チップまたはＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）である。衛星コンステレーション維持システム１００は、通信装置９５０を介して、地上設備５００と衛星３０との通信を行う。

衛星コンステレーション維持プログラムは、プロセッサ９１０に読み込まれ、プロセッサ９１０によって実行される。メモリ９２１には、衛星コンステレーション維持プログラムだけでなく、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）も記憶されている。プロセッサ９１０は、ＯＳを実行しながら、衛星コンステレーション維持プログラムを実行する。衛星コンステレーション維持プログラムおよびＯＳは、補助記憶装置に記憶されていてもよい。補助記憶装置に記憶されている衛星コンステレーション維持プログラムおよびＯＳは、メモリ９２１にロードされ、プロセッサ９１０によって実行される。なお、衛星コンステレーション維持プログラムの一部または全部がＯＳに組み込まれていてもよい。

衛星コンステレーション維持システム１００は、プロセッサ９１０を代替する複数のプロセッサを備えていてもよい。これら複数のプロセッサは、衛星コンステレーション維持プログラムの実行を分担する。それぞれのプロセッサは、プロセッサ９１０と同じように、衛星コンステレーション維持プログラムを実行する装置である。

衛星コンステレーション維持プログラムにより利用、処理または出力されるデータ、情報、信号値および変数値は、メモリ９２１、補助記憶装置９２２、または、プロセッサ９１０内のレジスタあるいはキャッシュメモリに記憶される。

衛星コンステレーション維持プログラムは、衛星コンステレーション維持部１１０の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えた各処理、各手順あるいは各工程を、コンピュータに実行させる。また、衛星コンステレーション維持方法は、衛星コンステレーション維持システム１００が衛星コンステレーション維持プログラムを実行することにより行われる方法である。
本明細書に記載のいずれのプログラムも、コンピュータ読取可能な記録媒体あるいは記憶媒体に格納されて提供されてもよい。また、本明細書に記載のいずれのプログラムも、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。

図４は、本実施の形態に係る衛星３０の構成例を示している。
衛星３０は、衛星制御装置３１と衛星通信装置３２と推進装置３３と姿勢制御装置３４と電源装置３５とを備える。衛星３０は、その他、各種の機能を実現する構成要素を備えるが、図４に関して、衛星制御装置３１と衛星通信装置３２と推進装置３３と姿勢制御装置３４と電源装置３５とについて説明する。
衛星制御装置３１は、推進装置３３と姿勢制御装置３４とを制御するコンピュータであり、処理回路を備える。具体的には、衛星制御装置３１は、地上設備５００から送信される各種コマンドに従って、推進装置３３と姿勢制御装置３４とを制御する。
衛星通信装置３２は、地上設備５００と通信する装置である。具体的には、衛星通信装置３２は、自衛星に関する各種データを地上設備５００へ送信する。また、衛星通信装置３２は、地上設備５００から送信される各種コマンドを受信する。
推進装置３３は、衛星３０に推進力を与える装置であり、衛星３０の速度を変化させる。具体的には、推進装置３３は電気推進機である。具体的には、推進装置３３は、イオンエンジンまたはホールスラスタである。
姿勢制御装置３４は、衛星３０の姿勢と衛星３０の角速度と視線方向（Ｌｉｎｅ Ｏｆ
Ｓｉｇｈｔ）といった姿勢要素を制御するための装置である。姿勢制御装置３４は、各姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢制御装置３４は、各姿勢要素を所望の方向に維持する。姿勢制御装置３４は、姿勢センサとアクチュエータとコントローラとを備える。姿勢センサは、ジャイロスコープ、地球センサ、太陽センサ、スター・トラッカ、スラスタおよび磁気センサといった装置である。アクチュエータは、姿勢制御スラスタ、モーメンタムホイール、リアクションホイールおよびコントロール・モーメント・ジャイロといった装置である。コントローラは、姿勢センサの計測データまたは地上設備５００からの各種コマンドにしたがって、アクチュエータを制御する。
電源装置３５は、太陽電池、バッテリおよび電力制御装置といった機器を備え、衛星３０に搭載される各機器に電力を供給する。

衛星制御装置３１に備わる処理回路について説明する。
処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。
処理回路において、一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、残りの機能がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。つまり、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。
専用のハードウェアは、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはこれらの組み合わせである。

図５は、本実施の形態に係る地上設備５００の構成例を示している。
地上設備５００は、全ての軌道面の多数の衛星３０をプログラム制御する。地上設備５００は、地上装置の例である。地上装置は、地上アンテナ装置、地上アンテナ装置に接続された通信装置、あるいは電子計算機といった地上局と、地上局にネットワークで接続されたサーバあるいは端末としての地上設備から構成される。また、地上装置には航空機、自走車両、あるいは移動端末といった移動体に搭載された通信装置を含んでもよい。

地上設備５００は、各衛星３０と通信することによって衛星コンステレーション２０を形成する。地上設備５００は、衛星コンステレーション維持システム１００に備えられる。地上設備５００は、プロセッサ９１０を備えるとともに、メモリ９２１、補助記憶装置９２２、入力インタフェース９３０、出力インタフェース９４０、および通信装置９５０といった他のハードウェアを備える。プロセッサ９１０は、信号線を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。地上設備５００のハードウェアについては、図３に示す衛星コンステレーション維持システム１００で説明したものと同様である。図３および図４では、地上設備５００に備えられるハードウェアについて説明した。しかし、同様の機能を有するハードウェアは、衛星３０および地上設備５０以外の、システム、衛星、装置、あるいは設備に備えられていてもよい。

地上設備５００は、機能要素として、軌道制御コマンド生成部５１０と、衛星解析部５２０とを備える。軌道制御コマンド生成部５１０および衛星解析部５２０の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせにより実現される。

通信装置９５０は、衛星コンステレーション２０を構成する衛星群の各衛星３０を追跡管制する信号を送受信する。また、通信装置９５０は、軌道制御コマンド５１を各衛星３０に送信する。

衛星解析部５２０は、衛星コンステレーション２０の状態と、衛星３０の状態等を解析する。具体例として、衛星解析部５２０は、衛星３０同士が衝突するリスクがあるか否かを判定する。

軌道制御コマンド生成部５１０は、衛星３０に送信する軌道制御コマンド５１を生成する。具体的には、軌道制御コマンド生成部５１０は、下記の動作例を実現するコマンドを衛星３０に送信する。なお、軌道制御コマンド生成部５１０がコマンドを送信する方法はコマンド送信方法に相当する。軌道制御コマンド生成部５１０にコマンドを送信させるプログラムはコマンド送信プログラムに相当する。コマンド送信プログラムは衛星コンステレーション維持プログラムの一部であってもよい。コマンド送信プログラムは、地上設備５００に、衝突回避方法を実現するための処理を実行することを要求するコマンドを衛星３０に適宜送信させる。
このようにして軌道制御コマンド生成部５１０および衛星解析部５２０は、衛星コンステレーション維持部１１０の機能を実現する。すなわち、軌道制御コマンド生成部５１０および衛星解析部５２０は、衛星コンステレーション維持部１１０の機能の具体例に相当する。

図６は、本実施の形態に係る衛星コンステレーション維持システム１００の機能構成例を示す図である。
衛星３０は、さらに、衛星コンステレーション２０を形成する衛星コンステレーション維持部１１０ｂを備える。そして、複数の衛星の各衛星３０の衛星コンステレーション維持部１１０ｂと、地上設備５００の各々に備えられた衛星コンステレーション維持部１１０とが連携して、本実施の形態に係る衛星コンステレーション維持システム１００の機能を実現する。なお、衛星３０の衛星コンステレーション維持部１１０ｂは、衛星制御装置３１に備えられていてもよい。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
＜実施の形態１に係る動作例１＞
本動作例は衛星コンステレーション２０における衝突回避方法に当たる。衛星コンステレーション２０において、複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星３０が飛翔軌道高度を飛翔している。飛翔軌道高度は、ある範囲の軌道高度であってもよく、楕円軌道における各高度であってもよい。また、各衛星３０は地球周回軌道を飛翔している。衛星コンステレーション２０において、複数の軌道面を構成する軌道面の数はｎ（ｎは２以上の整数）であり、複数の軌道面の各々を飛翔している衛星の数はｍ（ｍは２以上の整数）であり、複数の軌道面は経度方向に均等に配置されており、複数の軌道面の各々において、複数機の衛星３０は、位相角が均等になるよう飛翔しており、衛星コンステレーション２０において、複数の軌道面の各軌道面を飛翔している衛星が赤道上空を北上して飛翔する位相が３６０／（ｍ×ｎ）度ずつずれるよう同期して飛翔するのが合理的である。
本動作例において、北上衛星と南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、北上衛星と南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、北上衛星と、南下衛星との衝突を回避する。北上衛星は、衛星コンステレーション２０を構成するいずれかの衛星３０であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星３０である。南下衛星は、衛星コンステレーション２０を構成する北上衛星以外のいずれかの衛星３０であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星３０である。回避衛星は、北上衛星であってもよく、南下衛星であってもよいが、以下では回避衛星は北上衛星であるものとする。回避衛星を北上衛星と南下衛星との一方に定めることは、本動作例の特徴の１つである。

海洋を航行する船舶同士が衝突するリスクが予見された場合に、衝突を回避する回避行動をとるべき船舶の条件が予め定められている。しかし、宇宙空間において衛星同士が衝突するリスクが予見された場合に、回避行動をとるべき衛星の条件は現時点では定められていない。そのため、衛星同士が衝突するリスクが予見された場合に、双方が回避行動をとらなければ衛星同士が衝突するリスクが解消せず、また、双方が回避行動をとった結果、予見された場所とは異なる場所で衛星同士が衝突するリスクが生じることがある。
地球周回衛星コンステレーションでは、複数の軌道面が交差する点において、南半球から北半球に向かって北上している衛星と、北半球から南半球に向かって南下している衛星とが衝突するリスクがある。しかし、予めこれらの衛星同士の衝突が予見された場合に、ある条件を満たす衛星のみが回避行動をとるよう定めれば、衛星同士の衝突を確実に回避することができる。ある条件は、典型的には南半球から北半球に向かって北上していることである。
また、仮に双方の衛星が独立して回避行動をとるものとすると、回避した結果として予見された位置とは別の位置で衛星同士が衝突するリスクが生じることがある。そのため、船舶の海上航行ルールと同様に回避行動をとる側を予めルールとして決めることが要諦となる。

また、衛星３０が赤道上空を北上して飛翔する位相が軌道面毎に３６０／（ｍ×ｎ）度ずつずれていることにより、南半球から北半球に向けて北上している衛星３０同士、および、北半球から南半球に向けて南下している衛星３０同士は、同じ緯度を通過するタイミングが互いに異なるので、衛星３０同士が衝突するリスクがないという効果がある。

任意の２つの軌道間では、北半球側と南半球側とでそれぞれ、南半球から北半球に向けて北上する衛星３０と、北半球から南半球に向けて南下する衛星３０とのそれぞれの軌道が交差する点がある。北上する衛星３０と南下する衛星３０との交差点における各衛星３０が通過するタイミングを予めずらしておくことにより、衛星３０同士の衝突を回避することができる。
想定外の理由で設計公差を逸脱して交差点を通過するタイミングがずれることにより２つの衛星３０同士の衝突が予見される場合がある。この場合において、北上する側の衛星３０が推進装置３３を稼働して軌道を変更することにより、２つの衛星３０同士の衝突を回避することができる。この際、推進装置３３を稼働させて衛星３０が衛星３０の進行方向において増速することにより衛星３０の軌道高度が上昇する性質、または、推進装置３３を稼働させて衛星３０が衛星３０の進行方向において減速することにより衛星３０の軌道高度が下降する性質を利用して、北上する側の衛星３０が高度方向に移動して２つの衛星３０の軌道高度を互いに異なる軌道高度とすることにより衛星３０同士の衝突を回避することができる。また、衛星３０が赤道上空または赤道上空近傍を通過する際に当該衛星３０の軌道面外方向に推進装置３３を稼働することにより、当該衛星３０の軌道傾斜角が変化する性質がある。そこで、北上する側の衛星３０は、この性質を利用して高度方向と直行する方向へ移動することにより、軌道高度以外の通過位置を変化させて衛星３０同士の衝突を回避してもよい。
衛星コンステレーション維持システム１００は、衛星３０同士の衝突の予見方法として、衛星コンステレーション２０の事業者が衛星群の軌道情報を収集し、収集した軌道情報に基づいて予め接近衝突解析をする方法を採用してもよいし、近年ＳＳＡ（Ｓｐａｃｅ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ Ａｗａｒｅｎｅｓｓ）の活動が活発になっていることに伴い、宇宙監視をする事業者から接近衝突警報を受ける方法を採用してもよい。
回避行動については、北上する衛星３０に対して衛星コンステレーション２０の具備する地上設備５００から推進装置３３の稼働指令を送信すればよい。

ここで、ｎ面の傾斜円軌道に対応する軌道面が経度方向に３６０／ｎ度ずつ位相をずらして均等に配置されており、各軌道面にｍ機の衛星３０が３６０／ｍ度ずつ位相をずらして均等に配置されて飛翔している衛星コンステレーション２０の例として、ｍ＝８、ｎ＝５である場合を説明する。

図７は、８機の衛星３０が均等位相で飛翔する円軌道を軌道面の法線方向から見た様子を模式的に示している。
１つの軌道面内で位相角４５度おきに衛星３０を均等に配置した場合、８機の衛星３０が同位相を維持しながら同一高度を飛翔するので、同一軌道面内で衛星３０同士が衝突するリスクはない。

図８は、法線ベクトルが互いに異なる軌道面同士が交差する点において、衛星３０同士の衝突リスクがある様子を示している。ここで、衝突リスクがある２点の各々において、衛星３０の軌道高度が一致しているものとする。衝突リスクを解消する手段として、交線上の２点を通過するタイミングをずらすことは有効である。各衛星３０が赤道上空の通過タイミングに着目して、５つの軌道面の全ての衛星３０の赤道上空通過タイミングが互いに異なれば交点において衛星３０同士が衝突するリスクを解消することができる。

法線ベクトルの経度成分が均等に分散配置された５つの軌道面の各々を法線方向から見た様子を並べ、さらに、軌道面毎の衛星３０の飛翔位置を赤道面を基準にして均等にずらすと図９に示すようになる。なお、図９の（ａ）から（ｅ）は、位相が３６０／（ｍ×ｎ）度ずつずれている様子を示している。
図１０の（ａ）は、図９に示す５つの軌道面の法線ベクトルを一致させて、５つの軌道面全てを重ね合わせた様子を示している。図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）と同様の図であり、各軌道が傾斜軌道である場合において各軌道を北極から見た様子を示す図である。
軌道面毎に９度ずつ位相をずらすことにより５つの軌道面で赤道上空を衛星３０が通過するタイミングが互いに異なる。そのため、各８機の合計４０機が、赤道上空で衝突することはない。なお、１つの軌道面内で偶数機の衛星３０が均等に配置されて飛翔する場合に、当該軌道面内において対向する位置に配置された衛星３０同士が赤道上空を通過するタイミングが一致するが、当該衛星３０同士は当該軌道面内における衝突対象ではない。

次に、傾斜軌道の法線ベクトルの相違の影響を説明する。
仮に、図９に示す５つの軌道面を全て軌道傾斜角相当分同じ方向に傾斜させて北極から見ると、図１１の（ａ）から（ｅ）に示すようになる。
さらに、法線ベクトルの経度方向成分を等配分して傾斜させると図１１の（ｆ）から（ｊ）に示すようになる。ここで、各軌道面に対して第ｋ（ｋは１以上５以下の整数）の軌道面と名称をつけている。なお、軌道面の数が５つであるため、各軌道面は経度方向に７２度ずつ回転されている。
第１の軌道面を基準とした場合に、第２の軌道面から第５の軌道面の各々と第１の軌道面との交点を描くと図１２の（ａ）から（ｅ）に示すようになる。
軌道面の傾斜を示すために軌道面の最北端に星印をつけると、図１２の（ｆ）から（ｊ）に示すようになる。
軌道面同士の交線上で軌道高度が一致する点を北半球側と南半球側との各々において示すと図１３の（ａ）から（ｅ）に示すようになる。なお、矢印は衛星３０の飛翔方向を示している。
各軌道面８機の位相を表示すると図１３の（ｆ）から（ｊ）に示すようになる。
南半球から北上する衛星３０に「昇」と示し、北半球から南下する衛星３０に「降」と示し、第１の軌道面を飛翔する衛星３０を示す文字を上に記載し、その他の軌道面を飛翔する衛星３０を示す文字を下に記載すると図１４に示すようになる。図１４より、いずれの交点も南半球から北上する衛星３０と、北半球から南下する衛星３０との交点であることがわかる。
なお、赤道を通過するタイミングが全ての衛星３０間で互いに異なっていても、北上する衛星３０の軌道と南下する衛星３０の軌道との交点であって赤道上空以外の中緯度帯で発生する交点においては、衛星３０同士が衝突するリスクが発生する。法線ベクトルの経度方向を一致させて各軌道面を赤道上空から見た場合に、図１０の（ｂ）に示すように同一緯度において異なる軌道面の衛星３０が同じタイミングで北上と南下をしているためである。ただし、互いに異なる２つの軌道の交点は上述の通り予め既知であるため、当該２つの軌道の各々を飛翔する衛星３０同士が同じタイミングで当該交点を通過しないよう、設計初期段階において設定することは可能である。
８機の衛星３０が飛翔する軌道面を５つ組み合わせる場合においては図１５に示す通り交点を同時に通過する組み合わせがないので、定常運用において衛星３０同士の衝突は発生しない。
このように、衝突回避方法では、衛星コンステレーション２０の設計段階において、理想的運用状態において全ての交点で衛星３０同士が衝突しないことを確認する。

本動作例によれば、軌道面毎に衛星３０の飛翔位置をずらすことにより、北上する衛星３０同士、南下する衛星３０同士の衝突リスクを解消することができる。また、本動作例によれば、北上する衛星３０と南下する衛星３０との衝突が予見された場合に、一方の衛星３０である回避衛星のみが衝突回避行動をとることにより衛星３０同士の衝突を回避することができる。

＜実施の形態１に係る動作例２＞
本動作例は、実施の形態１に係る動作例１を拡張した動作例に当たる。本動作例では、衛星コンステレーション２０において、複数の軌道面は、衛星コンステレーション２０を構成する衛星３０が赤道上空を北上して飛翔する位相が（３６０／（ｍ×ｎ））×ｉ（ｉは１以上ｎ－１以下の整数）度となる順番に経度方向に配置されている。

本動作例によれば、軌道面の交点が形成される緯度と、衛星３０が軌道面を飛翔する位置の組み合わせによって衝突確率が変動することから、設計段階において最も衝突確率が低くなる軌道面の並び順を選択することにより、設計公差を超える不慮の事態においても衝突リスクを低減することができるという効果がある。

本動作例では、設計公差の範囲内で、軌道面内の衛星３０同士の位相角と、軌道面同士の経度方向の法線ベクトル成分の離角と、軌道高度と、離心率と、軌道傾斜角との少なくともいずれかが変化した場合においても、全ての交点で衛星３０同士の衝突がないことを確認する。

実施例として、９度ずつ位相をずらした軌道面の並び順を変更した具体例を説明する。本例は実施の形態１に係る動作例１において説明した具体例に基づく。隣り合う軌道面の位相差が常に９度ではなく、１つおきに１８度となる順番に軌道面を左から順に並べると、各軌道面の交点と衛星飛翔位置の関係は図１６の（ａ）から（ｅ）に示すようになる。
本例に示す位相差が保たれている場合、衛星３０同士が衝突する懸念はない。しかしながら、図１６の（ｈ）に示すように、各交点近傍を飛翔する衛星３０が見られる。そのため、各交点近傍において第１の軌道面を飛翔する衛星３０と第２の軌道面を飛翔する衛星３０との間で位相差が小さく、誤差要因に起因して位相差が０になれば衝突する。具体的には、図１６の（ｈ）において、各交点を第２の軌道面の衛星３０が飛翔しており、第１の軌道面の衛星３０が各交点近傍を飛翔している。そのため、第１の軌道面の衛星３０の位相が誤差要因等により少し交点側にずれると、第１の軌道面の衛星３０と第２の軌道面の衛星３０とが衝突する。なお、他の軌道面の組み合わせにおいても、同様に衝突リスクがある。
軌道面あたりの衛星３０の数の増加、または軌道面数の増加等に伴い、設計公差の範囲内での衝突リスクが高まることから、衛星３０の飛翔位置の位相をずらす順番を変えて軌道面を設定することにより衝突確率が変動することを前提として、設計段階において最適な軌道面配置を設定することが有効である。具体的には、設計段階において相対位相差が常に大きな離角になるような軌道面の組み合わせを選択することが、衛星３０同士の衝突回避において効果的である。

設計段階において設計公差を含めて衛星３０同士の衝突が発生しないことを確認すれば、定常運用時には衛星３０同士の衝突が発生しない。
しかしながら、衛星コンステレーション２０の整備段階において新規に衛星３０を軌道投入する場合、寿命を迎えて衛星３０が軌道離脱する場合、または、軌道上の衛星３０に故障が発生して設計段階で想定した軌道情報から逸脱する場合等に、衛星３０同士が衝突するリスクが発生する。
本動作例で示すように、各軌道面に８機の衛星３０が飛翔し、軌道面の数が５つである合計４０機程度の衛星３０から成る衛星コンステレーション２０であれば、広い宇宙空間で衛星３０同士が衝突するリスクはネグリジブルスモールである。しかしながら、近年、同一軌道高度に数千機の衛星３０を飛翔させる構想も増えており、衛星３０の数が十分に増えれば衛星３０同士が衝突するリスクが無視することができないオーダーとなる。

＜実施の形態１に係る動作例３＞
本動作例は、衝突回避方法に相当する。本動作例において、北上衛星と南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、北上衛星が軌道を変更することにより北上衛星と南下衛星との衝突を回避する。

実施の形態１に係る動作例１に示す衝突回避方法は、各衛星３０が同一高度を飛翔する衛星コンステレーション２０において有効であるだけでなく、いかなる地球周回軌道を飛翔する衛星３０にとっても、北上する衛星３０と南下する衛星３０とが衝突するリスクが予見された場合の衝突回避方法として有効である。地球周回軌道は、極軌道と、傾斜軌道と、円軌道と、楕円軌道とのいずれでもよい。なお、衝突回避方法は、北上衛星と南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合において、南下衛星が推進装置３３を稼働して衝突を回避するルールを採用する方法であってもよい。

＜実施の形態１に係る動作例４＞
本動作例は、衝突回避方法に相当する。赤道周回衛星と、北上衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、北上衛星と、赤道周回衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、赤道周回衛星と、北上衛星との衝突を回避する。回避衛星は、典型的には北上衛星である。赤道周回衛星は、地球周回軌道を飛翔している衛星３０であって、赤道上空を飛翔している衛星３０である。
なお、赤道上空を周回する衛星３０は北上も南下もしない。そのため、赤道上空を周回する衛星３０と、北上する衛星３０とが衝突するリスクが予見された場合において、北上する衛星３０のみが衝突回避行動をとることには、実施の形態１に係る動作例１の効果と同様の効果がある。

＜実施の形態１に係る動作例５＞
本動作例は、衝突回避方法に相当する。赤道周回衛星と、南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、赤道周回衛星と、南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、赤道周回衛星と、南下衛星との衝突を回避する。回避衛星は、典型的には赤道周回衛星である。
なお、赤道上空を周回する衛星３０は北上も南下もしない。そのため、赤道上空を周回する衛星３０と、南下する衛星３０とが衝突するリスクが予見された場合において、赤道上空を周回する衛星３０のみが衝突回避行動をとることには、実施の形態１に係る動作例１の効果と同様の効果がある。

＊＊＊他の構成＊＊＊
＜変形例１＞
本実施の形態では、衛星コンステレーション維持部１１０の機能がソフトウェアで実現される。変形例として、衛星コンステレーション維持部１１０の機能がハードウェアで実現されてもよい。図１７は、本変形例を示している。

地上設備５００は、プロセッサ９１０に替えて電子回路９０９を備える。
電子回路９０９は、衛星コンステレーション維持部１１０の機能を実現する専用の電子回路である。
電子回路９０９は、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックＩＣ、ＧＡ（Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ、または、ＦＰＧＡである。
衛星コンステレーション維持部１１０の機能は、１つの電子回路で実現されてもよいし、複数の電子回路に分散して実現されてもよい。
別の変形例として、衛星コンステレーション維持部１１０の一部の機能が電子回路９０９で実現され、残りの機能がソフトウェアで実現されてもよい。

プロセッサ９１０と電子回路９０９とメモリ９２１と補助記憶装置９２２とを総称して、プロセッシングサーキットリとも呼ばれる。つまり、衛星コンステレーション維持システム１００において、衛星コンステレーション維持部１１０の機能は、プロセッシングサーキットリにより実現される。

＊＊＊他の実施の形態＊＊＊
実施の形態１について説明したが、本実施の形態のうち、複数の部分を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、本実施の形態を部分的に実施しても構わない。その他、本実施の形態は、必要に応じて種々の変更がなされても構わず、全体としてあるいは部分的に、どのように組み合わせて実施されても構わない。
なお、前述した実施の形態は、本質的に好ましい例示であって、本開示と、その適用物と、用途の範囲とを制限することを意図するものではない。説明した手順は、適宜変更されてもよい。

２０ 衛星コンステレーション、３０ 衛星、３１ 衛星制御装置、３２ 衛星通信装置、３３ 推進装置、３４ 姿勢制御装置、３５ 電源装置、５１ 軌道制御コマンド、１００ 衛星コンステレーション維持システム、１１０，１１０ｂ 衛星コンステレーション維持部、５００ 地上設備、５０１ 衛星制御装置、５１０ 軌道制御コマンド生成部、５２０ 衛星解析部、９０９ 電子回路、９１０ プロセッサ、９２１ メモリ、９２２ 補助記憶装置、９３０ 入力インタフェース、９４０ 出力インタフェース、９５０ 通信装置。

Claims (10)

1. 複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、前記複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、前記複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションにおける衝突回避方法であって、
   前記衛星コンステレーションを構成するいずれかの衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、前記衛星コンステレーションを構成する前記北上衛星以外のいずれかの衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記北上衛星と、前記南下衛星との衝突を回避する衝突回避方法。
2. 前記回避衛星は前記北上衛星である請求項１に記載の衝突回避方法。
3. 前記複数の軌道面を構成する軌道面の数はｎ（ｎは２以上の整数）であり、前記複数の軌道面の各々を飛翔している衛星の数はｍ（ｍは２以上の整数）であり、
   前記複数の軌道面は、経度方向に均等に配置されており、
   前記複数の軌道面の各々において、前記複数機の衛星は、位相角が均等になるよう飛翔しており、
   前記衛星コンステレーションを構成する衛星において、前記複数の軌道面の各軌道面を飛翔している衛星が赤道上空を北上して飛翔する位相が３６０／（ｍ×ｎ）度ずつずれるよう同期して飛翔している請求項１または２に記載の衝突回避方法。
4. 前記複数の軌道面は、前記衛星コンステレーションを構成する衛星が赤道上空を北上して飛翔する位相が（３６０／（ｍ×ｎ））×ｉ（ｉは１以上ｎ－１以下の整数）度となる順番に経度方向に配置されている請求項３に記載の衝突回避方法。
5. 地球周回軌道を飛翔している衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、地球周回軌道を飛翔している衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより前記北上衛星と前記南下衛星との衝突を回避する衝突回避方法。
6. 地球周回軌道を飛翔している衛星であって、赤道上空を飛翔している衛星である赤道周回衛星と、地球周回軌道を飛翔している衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記赤道周回衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記赤道周回衛星と、前記北上衛星との衝突を回避する衝突回避方法。
7. 地球周回軌道を飛翔している衛星であって、赤道上空を飛翔している衛星である赤道周回衛星と、地球周回軌道を飛翔している衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記赤道周回衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記赤道周回衛星と、前記南下衛星との衝突を回避する衝突回避方法。
8. 複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、前記複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、前記複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションを構成する衛星と通信する地上設備であって、
   前記衛星コンステレーションを構成するいずれかの衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、前記衛星コンステレーションを構成する前記北上衛星以外のいずれかの衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記北上衛星と、前記南下衛星との衝突を回避するよう前記回避衛星にコマンドを送信する地上設備。
9. 複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、前記複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、前記複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションを構成する衛星と通信する地上設備が実行するコマンド送信方法であって、
   前記衛星コンステレーションを構成するいずれかの衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、前記衛星コンステレーションを構成する前記北上衛星以外のいずれかの衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記北上衛星と、前記南下衛星との衝突を回避するよう前記回避衛星にコマンドを送信するコマンド送信方法。
10. 複数の軌道面が経度方向に分散して配置され、前記複数の軌道面の各々は傾斜円軌道に対応する軌道面であり、前記複数の軌道面の各々には、位相角を分散させて複数機の衛星が飛翔軌道高度を飛翔している衛星コンステレーションを構成する衛星と通信する地上設備が備えるコンピュータが実行するコマンド送信プログラムであって、
    前記地上設備に、前記衛星コンステレーションを構成するいずれかの衛星であって、南半球から北半球に向かって北上している衛星である北上衛星と、前記衛星コンステレーションを構成する前記北上衛星以外のいずれかの衛星であって、北半球から南半球に向かって南下している衛星である南下衛星とが衝突するリスクが予見された場合に、前記北上衛星と、前記南下衛星との一方である回避衛星が軌道を変更することにより、前記北上衛星と、前記南下衛星との衝突を回避するよう前記回避衛星にコマンドを送信させるコマンド送信プログラム。

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