JP2618769B2 - 衛星通信方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地上局と、互いに異な
る軌道に配置された複数の通信衛星との間で通信を行な
う為の衛星通信方法に関する。この衛星通信方法は、例
えば陸上移動体衛星通信、ミリ波パーソナル衛星通信あ
るいは高品位衛星放送等に利用可能である。

【０００２】

【従来の技術】従来の典型的な衛星通信システムにおい
ては、地球の赤道に沿った円軌道に配置され、地球上の
特定のサービスエリアに対して相対的に静止した所謂静
止通信衛星が広く利用されていた。しかしながら、静止
通信衛星を用いた場合、比較的低緯度の地域に関しては
十分な仰角が得られるのに対して、高緯度地域において
は仰角が著しく小さくなる為通信障害が生ずる可能性が
ある。

【０００３】これに対して、近年異なった周回軌道上に
複数の通信衛星を配置し全地球的な規模で通信を行なう
為のシステムが提案されている。この種の衛星通信シス
テムとしては、例えば文献「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｈ
ａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ａ Ｐｅｒｓｏｎａ
ｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓａ
ｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ」ＣＣＩＲ ＩＷＰ８／
１４−５２（１９９０年８月１日）に開示されたモトロ
ーラ社のイリジウムシステムがある。このシステムは、
互いに交差する複数の周回軌道上に合計７７個の通信衛
星を打ち上げ、全地球的な規模でパーソナル通信を行な
う為のものである。図６にかかるイリジウムシステムの
通信衛星配置を示す。図示する様に、地球１の周りに
は、等経度間隔で設定された周回軌道（円軌道）２ａ，
２ｂ，…，２ｎに配置された複数の通信衛星３ａ，３
ｂ，…，３ｎが定常的に周回している。これらの通信衛
星は互いに連係しておりどの時点においても地球全体を
カバーする様になっているので、あらゆる地域に対して
２４時間体制で通信を行なう事が可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たイリジウムシステムにおいては、地球全体に渡って略
一様な受信電力を維持する為、通信に用いられる周波数
伝送帯域幅は静止通信衛星の場合に比較すると非常に狭
く例えばＬ帯に限定されている。従って、通信回線容量
が小さく、地上局数が増大すると対応しきれなくなると
いう課題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は周波数伝送帯域幅が広くとれ利用者
が増大した場合にも十分対応する事のできる衛星通信方
法を提供する事を目的とする。かかる目的を達成する為
に、本発明は基本的に地上局と、互いに異なる軌道に配
置された複数の通信衛星との間で通信を行なう為の衛星
通信方法を採用している。その特徴的部分として、各通
信衛星は共通の構造を有する通信アンテナを搭載すると
ともに、個々の通信衛星の通信アンテナにはその軌道高
度に応じた所定周波数の伝送帯が割り当てられている。
かかる構成により、従来に比し全伝送帯域を広げる事が
可能となる。即ち、本衛星通信方法は異なる楕円軌道に
配置された複数の通信衛星を対象とし、各通信衛星に対
してその楕円軌道遠地点高度に比例した周波数の伝送帯
を割り当てている。かかる構成により、地上局における
受信電力を全伝送帯域に渡って実質的に一定にする事が
可能となる。本通信方法は、楕円軌道上に配置された通
信衛星に加えて静止軌道に配置された追加の通信衛星を
含む事も可能である。この様なシステムにおいて、例え
ば静止軌道上の通信衛星にＣ帯を割り当て、地球に一番
近い内側楕円軌道上の通信衛星にＵＨＦ帯を割り当て、
次の中間楕円軌道上の通信衛星にＬ帯を割り当て、一番
遠い外側楕円軌道上の通信衛星にＳ帯を割り当てる事が
できる。軌道高度に応じて特定の周波数伝送帯が割り当
てられた各通信衛星は、共通の通信アンテナを搭載して
おり、例えば開口径が６ｍφ級のメッシュ反射鏡型通信
アンテナを用いている。

【０００６】あるいは、他の実施態様として、静止軌道
上の通信衛星にＫｕ帯を割り当て、内側楕円軌道上の通
信衛星にＵＨＦ帯を割り当て、中間楕円軌道上の通信衛
星にＬ帯を割り当て、外側楕円軌道上の通信衛星にＳ帯
を割り当てる事もできる。かかる場合、各通信衛星は例
えば開口径が２ｍφ級の反射鏡型通信アンテナを共通に
搭載している。

【０００７】さらに好ましくは、静止軌道上の通信衛星
に大開口径及び小開口径を有する一対の反射鏡型通信ア
ンテナを搭載しＣ帯及びＫｕ帯を同時に割り当てるとと
もに、楕円軌道上に配置された他の通信衛星には少くと
も該一対の通信アンテナのうちの何れか一方を搭載し２
種類のアンテナの混在するシステムとしても良い。かか
る場合、大開口径通信アンテナとしては例えば６ｍφ級
を用い、小開口径通信アンテナとしては例えば２ｍφ級
のアンテナを用いる事ができる。

【０００８】一般に、各通信衛星に搭載された共通の構
造を有する通信アンテナとしては、同一開口径を有する
反射鏡アンテナを用いる事が適している。この反射鏡ア
ンテナは、例えば本衛星通信方法の最小伝送帯波長より
も十分小さな網目間隔を有する金属線メッシュからなる
鏡面を具備している。

【０００９】

【作用】本発明によれば、複数の通信衛星に対して、異
なった周波数伝送帯を割り当てる事により、通信システ
ム全体として利用可能な伝送帯域幅を従来に比し大きく
取れる様にしている。各通信衛星に周波数伝送帯を割り
当てる場合、衛星軌道高度即ち地上局と通信衛星との距
離に応じて適切に設定しているので、全伝送帯域に渡っ
て地上局における受信電力を実質的に一定とする事がで
きる。一般に、電磁波伝搬の分野において認められてい
る様に、受信電力は軌道高度の二乗に反比例し且つ伝送
周波数の二乗に比例する。従って、遠距離にある通信衛
星に対して高周波数伝送帯を割り当て、近距離にある通
信衛星に低周波数伝送帯を割り当てる事により、全シス
テムに渡って受信電力を一定にする事が可能である。

【００１０】又、複数の通信衛星は共通の構造を有する
通信アンテナを搭載している。個々の通信衛星毎に異な
った通信アンテナを用意する必要がない為システム全体
の構築コストを節約する事が可能である。この共通構造
を有する通信アンテナは、例えば本通信システムの最小
伝送帯波長よりも十分小さな網目間隔を有する金属線メ
ッシュからなる反射鏡アンテナを用いる事ができ、全伝
送帯域に渡って有効な送受信作用を奏する事ができる。

【００１１】本発明にかかる衛星通信システムは特定の
地域に対して遠地点高度の異なる複数の楕円軌道に配置
された通信衛星を含んでいる。赤道に沿って設定される
静止軌道と異なり、楕円軌道は特定の地域例えば高緯度
地域に対して傾斜角を自由に設定する事ができ、通信衛
星に対する仰角を十分大きくとれる。従って、通信障害
のない衛星通信システムを構築する事が可能である。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる衛星通信システ
ムの第１実施例を示す模式的な全体図である。本システ
ムは、地球１の表面に位置する特定サービスエリア６に
配置された地上局と、互いに異なる軌道８ａ，８ｂ，８
ｃ及び８ｄに配置された複数の通信衛星４ａ，４ｂ，４
ｃ及び４ｄとの間で宇宙通信を行なうものである。なお
本実施例においては合計４個の通信衛星が用いられてい
るが、これに限られるものではない。各通信衛星４ａな
いし４ｄは共通の構造を有する通信アンテナ５ａないし
５ｄを搭載している。個々の通信衛星の通信アンテナに
はその軌道高度即ちサービスエリア６からの距離に応じ
た所定周波数の伝送帯が割り当てられている。本システ
ムは、異なる遠地点高度あるいは遠地点距離を有する３
個の楕円軌道８ｂ，８ｃ及び８ｄに配置された３個の通
信衛星４ｂ，４ｃ及び４ｄを含んでいる。この楕円軌道
上の通信衛星に対して、その遠地点高度に比例した周波
数の伝送帯を割り当てる事により、サービスエリア６に
配置された地上局における受信電力を全伝送帯域に渡っ
て実質的に一定となる様にしている。本システムは、さ
らに上述した３個の楕円軌道８ｂないし８ｄとは異なる
軌道高度を有する静止軌道８ａに配置された追加の通信
衛星４ａを含んでいる。この静止軌道上に固定された通
信衛星４ａはさらに他の周波数伝送帯を分担している。
本システムは、楕円軌道上の複数の通信衛星のみから構
築する事もできるが、静止軌道上の通信衛星を含む事に
よりさらに利用範囲若しくは応用範囲が広がる。加え
て、本システムは楕円軌道や静止軌道に加えて他の周回
軌道に配置される通信衛星を包含する事もできる。

【００１３】上述した様に、各通信衛星４ａないし４ｄ
には共通の構造を有する通信アンテナ５ａないし５ｄが
搭載されている。かかる通信アンテナは例えば同一開口
径を有する反射鏡アンテナを用いる事ができる。この反
射鏡アンテナは、本衛星通信システムの最小伝送帯波長
よりも十分小さな網目間隔を有する金属線メッシュから
なる鏡面を具備している。かかる金属線メッシュの微細
構造を図２に示す。このメッシュは、網状に編まれた金
属線９からなり、網目間隔Ｓが電磁波の波長に比べて十
分小さく設定されており、入射電磁波を実質的に１００
％の効率で反射する事ができる。

【００１４】図３は、図２に示す金属線メッシュを具備
した反射鏡型通信アンテナの模式的な斜視図である。図
示する様に、本反射鏡アンテナは、金属メッシュからな
る湾曲反射面１０を備えている。さらに、湾曲反射面１
０の焦点位置には一次放射器１１が装着されている。一
次放射器１１から放射された伝送電磁波はメッシュ反射
面１０により効率的に反射され地上のサービスエリアに
向かって放射される。逆に、地上局から送信された電磁
波は湾曲反射面１０により反射された後、一次放射器１
１の方向に収束される。湾曲反射面１０は全ての通信衛
星に対して同一の開口径を有しており、同一の網目間隔
Ｓを備えている。

【００１５】再び図１に戻って、個々の通信衛星に対す
る周波数伝送帯の割り当て方法を説明する。この割り当
ては、サービスエリアに配置された地上局の受信アンテ
ナにおける受信電力を実質的に一定なものとする事を目
的とする。

【００１６】一般に、電磁波伝搬現象に対してフリスの
伝達公式が適用される。これは以下の関係式（１）によ
って表わされる。 Ｗｒ＝Ｗｔ／（１６π）^２×（λ／ｄ）^２ＧｔＧｒ ………… （１） 関係式（１）において、Ｗｒは受信電力、Ｗｔは送信電
力、Ｇｒは受信アンテナ利得、Ｇｔは送信アンテナ利
得、λは伝送波長及びｄは送信アンテナと受信アンテナ
との間の距離である。今、送信アンテナの開口径をＤ
ｔ、又受信アンテナの開口径をＤｒとすると、アンテナ
利得と開口径との間に以下の関係式（２）及び（３）が
成立する。 Ｇｔ＝（πＤｔ／λ）^２ …………………………………… （２） Ｇｒ＝（πＤｒ／λ）^２ …………………………………… （３） 次に、関係式（２）及び（３）を関係式（１）に代入す
ると以下の関係式（４）が得られる。 Ｗｒ＝π^２Ｗｔ／１６ ^２ ×（Ｄｔ／ｄ）^２×（Ｄｒ／λ）^２ … （４）

【００１７】この様にして得られた関係式（４）を図１
に示す本発明の衛星通信システムに適用してみる。この
場合、Ｗｒはサービスエリア６に位置する地上局の受信
電力を表わし、Ｗｔは個々の通信衛星４ａないし４ｄに
搭載された送信アンテナ５ａないし５ｄの送信電力を表
わし、Ｄｔは該送信アンテナの開口径を表わし、ｄは地
上局と各通信衛星との間の距離即ち軌道高度を表わし、
Ｄｒは地上局の受信アンテナの開口径を表わし、λは宇
宙通信に用いられる電磁波の波長を表わす。本システム
においては、個々の通信衛星４ａないし４ｄに搭載され
るアンテナ５ａないし５ｄは共通の構造を有しているの
であるから、パラメータＷｔ及びＤｔは一定である。
又、パラメータＤｒも一定である。従って、関係式
（４）から明らかな様に、地上局における受信電力Ｗｒ
は軌道高度の二乗に反比例し且つ波長の二乗に反比例す
る。あるいは、伝送周波数の二乗に比例する。即ち、軌
道高度が高くなる程受信電力が減少し、逆に伝送周波数
が高くなる程受信電力は増大する。即ち、軌道高度と伝
送周波数は互いに相補的な関係にある。この相補的な関
係を利用して本システムの全伝送帯域に渡って受信電力
を略一定にする事ができる。

【００１８】例えば図１に示す衛星通信システムにおい
て、静止軌道８ａ上の通信衛星４ａに搭載されたアンテ
ナ５ａにＣ帯（４ＧＨｚ）を割り当て、外側楕円軌道８
ｂ上の通信衛星４ｂに搭載されたアンテナ５ｂにＳ帯
（２．５ＧＨｚ）を割り当て、中間楕円軌道８ｃ上の通
信衛星４ｃに搭載されたアンテナ５ｃにＬ帯（１．５Ｇ
Ｈｚ）を割り当て、内側楕円軌道８ｄ上の通信衛星４ｄ
に搭載されたアンテナ５ｄにＵＨＦ帯（０．８ＧＨｚ）
を割り当てるとする。これらの伝送周波数帯は固定地上
局若しくは移動地上局に対する通信に適用されるもので
ある。これら異なった伝送周波数帯の受信電力を全て一
定にする為に、各軌道高度が設定される。今、静止衛星
４ａの軌道高度をＲとする。この時、外側通信衛星４ｂ
の軌道高度即ち外側楕円軌道８ｂの遠地点と地球上のサ
ービスエリア６との間の距離をＲ／１．６に設定し、中
間衛星４ｃの楕円軌道高度をＲ／２．７に設定し、内側
通信衛星４ｄの軌道高度をＲ／５に設定する。各通信衛
星４ａないし４ｄに各々搭載されたアンテナ５ａないし
５ｄに対して関係式（４）を適用して受信電力Ｗｒを計
算すると全て一定の値となる。即ち、サービスエリア６
に位置する地上局は所定の開口径を有する受信アンテナ
を用いて、Ｃ帯，Ｓ帯，Ｌ帯及びＵＨＦ帯の送信電磁波
を全て同じ受信電力で受信できる。この様に各伝送帯を
割り当てた場合には、個々の通信衛星には例えば６ｍφ
級のメッシュ反射鏡型通信アンテナを共通に搭載する事
が好ましい。

【００１９】上述した例に代えて、静止衛星４ａにＫｕ
帯（１２ＧＨｚ）を割り当て、外側通信衛星４ｂにＳ帯
を割り当て、中間通信衛星４ｃにＬ帯を割り当て、内側
通信衛星４ｄにＵＨＦ帯を割り当てる様にしても良い。
この場合にも、関係式（４）に従って地上における受信
電力を一定にする様に各衛星軌道の高度が設定される。
又、各衛星に搭載する送信アンテナとしては、例えば開
口径が２ｍφ級の反射鏡型通信アンテナを用いる事がで
きる。

【００２０】次に、図４を参照してサービスエリア６に
配置される地上局の例を示す。本例においてはトラック
１２に搭載された移動型の地上局が示されている。トラ
ック１２の屋根の上には移動体用アンテナ１３が設置さ
れている。このアンテナ１３は個々の通信衛星に対して
電磁波の受信及び／又は送信を行なう。送信を考えた場
合、移動体用アンテナ１３は静止軌道上の静止通信衛星
に指向した放射パタン１４と、楕円軌道上の通信衛星に
指向した放射パタン１５とを有している。サービスエリ
ア６が地球上の比較的高緯度地方に設定されている場合
には、静止衛星に対する仰角が小さくなる為放射パタン
１４のコーン角は大きなものとなる。一方、楕円軌道上
の通信衛星については、楕円軌道の傾斜角を特定のサー
ビスエリアに合わせて設定できる為、仰角を大きくとれ
る。従って、放射パタン１５のコーン角を小さくでき
る。

【００２１】最後に図５は本発明にかかる衛星通信シス
テムの第２実施例を示す模式的全体図である。図１に示
す第１実施例と同様に、本システムも４個の通信衛星を
包含している。衛星４ａは静止軌道８ａに配置され、衛
星４ｋは外側の楕円軌道８ｋに配置され、衛星４ｎは中
間の楕円軌道に配置され、衛星１７ｍは内側の楕円軌道
８ｍに配置されている。静止衛星４ａは大開口径及び小
開口径を有する一対の反射鏡型通信アンテナ５ａ及び１
６ａを搭載している。大開口径アンテナ５ａにはＣ帯
（４ＧＨｚ）が割り当てられ、小開口径アンテナ１６ａ
にはＫｕ帯（１２ＧＨｚ）が割り当てられている。即
ち、大開口径アンテナ５ａは比較的低周波用であり典型
的には６ｍφ級のメッシュ反射鏡型通信アンテナが用い
られる。一方、小開口径通信アンテナ１６ａは比較的高
周波用に設計されたものであり、例えば２ｍφ級の小型
反射鏡アンテナが用いられ開口径と波長との比が一定に
なる様に決められている。

【００２２】一方、楕円軌道上の通信衛星には少くとも
大開口径アンテナ及び小開口径アンテナのうちの何れか
一方が搭載されている。具体的には、外側楕円軌道８ｋ
上の衛星４ｋにはＬ帯の割り当てられた大開口径アンテ
ナ５ｋが搭載されており、中間楕円軌道８ｎに配置され
た衛星４ｎにはＵＨＦ帯が割り当てられた大開口径アン
テナ５ｎが搭載されており、内側楕円軌道８ｍに配置さ
れた小型の通信衛星１７ｍにはＳ帯の割り当てられた小
開口径アンテナ１６ｍが搭載されている。本例において
も、前述した関係式（４）に従って各軌道高度が適切に
設定されているので、サービスエリア６に位置する地上
局はシステムの全伝送帯域に渡って実質的に同一の受信
電力で電磁波を受信する事ができる。

【００２３】なお上述した第１実施例及び第２実施例に
おいては何れも４個の通信衛星を用いてシステムを構築
していたがこれに限られるものではない。使用する伝送
帯の種類に応じて通信衛星の個数を適当に選択する事が
できる。又、上述した実施例においては各楕円軌道には
１個の通信衛星のみが配置されているが、これに限られ
るものではない。例えば、特定のサービスエリアに対し
て２４時間通信を可能とする為、同一の楕円軌道に複数
の通信衛星を配置する様にしても良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、共
通の構造を有する通信アンテナを搭載した複数の通信衛
星を異なった楕円軌道上に配置し、各楕円軌道の遠地点
と地上サービスエリアとの距離に比例した周波数伝送帯
を各通信衛星に割り当てる様にしている。従って、本発
明にかかる衛星通信システムは従来に比し拡大された伝
送帯域幅を有している為通信回線数を大きくとる事がで
き利用者が増大しても十分対応する事ができるという効
果がある。又、全伝送帯域に渡って地上局は同一の受信
電力で電磁波を受信する事ができるという効果がある。
さらに、複数の通信衛星に共通の構造を有する通信アン
テナを搭載する事によりシステム全体の構築コストを低
減する事ができるという効果がある。加えて、楕円軌道
上を周回する通信衛星を介して送受信を行なうので、特
定のサービスエリアの裏側にある地域に対しても通信を
行なう事ができるという効果がある。さらに、地上局を
介して衛星間通信も可能であるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる衛星通信システムの第１実施例
を示す模式図である。

【図２】通信衛星に搭載されるメッシュ反射鏡型通信ア
ンテナの網目構造を示す拡大図である。

【図３】通信衛星に搭載される共通のメッシュ反射鏡型
通信アンテナを示す斜視図である。

【図４】移動体からなる地上局を示す模式的斜視図であ
る。

【図５】本発明にかかる衛星通信システムの第２実施例
を示す模式図である。

【図６】従来の衛星通信システムを示す模式図である。

【符号の説明】

１ 地球 ４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｄ 通信衛星 ５ａ，５ｂ，５ｃ及び５ｄ 通信アンテナ ６ サービスエリア ８ａ 静止軌道 ８ｂ 外側楕円軌道 ８ｃ 中間楕円軌道 ８ｄ 内側楕円軌道

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 俊夫 東京都千代田区岩本町２丁目12番５号 株式会社宇宙通信基礎技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−219727（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−181943（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地上局と、互いに異なる軌道に配置され
   た複数の通信衛星との間で通信を行なう為の衛星通信方
   法において、各通信衛星に共通の構造を有する通信アン
   テナを搭載するとともに、異なる楕円軌道に配置された
   複数の通信衛星の各々に対してその楕円軌道遠地点高度
   に比例した周波数の伝送帯を割り当てる事により、地上
   局における受信電力を全伝送帯域に渡って実質的に一定
   にする事を特徴とする衛星通信方法。
2. 【請求項２】 楕円軌道とは異なる静止軌道に配置され
   た追加の通信衛星にも所定の伝送帯を割り当てる事を特
   徴とする請求項１に記載の衛星通信方法。
3. 【請求項３】 各通信衛星に搭載された共通の構造を有
   する通信アンテナは同一開口径を有する反射鏡アンテナ
   であり、衛星通信システムの最小伝送帯波長よりも十分
   小さな網目間隔を有する金属線メッシュからなる鏡面を
   具備する反射鏡アンテナを用いる事を特徴とする請求項
   １又は２に記載の衛星通信方法。