JP3840539B2 - 通信衛星装置及び衛星通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機能を有する衛星装置に関するものであり、より詳しくは複数の人工衛星を用いた衛星装置及び衛星通信システムに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
衛星通信は広域性同報性を特徴とし、多くのユーザに同時に大量の情報を伝送することを可能にする通信方式であり、地上有線、地上無線にはない特徴を持っている。しかし、衛星開発に関しては、膨大な予算と時間が必要となり、最新技術の搭載が困難である。
にもかかわらず、打ち上げリスクの回避およびコストの低減を目的として、近年の商用衛星は１０年から２０年程度の寿命を付与されている。もし仮に打ち上げ当時、最新の通信技術（デバイス、方式、プロトコル等）を実装できたとしても、打ち上げた瞬間から、それらは地上の通信技術の発展・変遷に追従することが不可能であり、過去の遺物となってしまう恐れがある。
【０００３】
一方、実験衛星ではいくつかの効率的な通信方式が実装され、軌道実績をあげているにもかかわらず、現在の商用衛星のほとんどが、ベントパイプ中継と呼ばれる、単純な周波数変換を行なう中継器のみが搭載され、効率的な交換を行なうための再生中継器やベースバンド交換機等の搭載が見送られている。これは、技術あるいは機能寿命と衛星設計寿命に乖離があることが要因であった。
【０００４】
従来の技術としては、例えば特開２００１−２８５１６９号公報には補助衛星通信処理システムが開示されている。該公報によれば、プロセッサを備えた第１衛星の後に、同じくプロセッサを備えた第２衛星を打ち上げ、第１衛星のプロセッサでの信号処理を、補助的に第２衛星のプロセッサに処理させ、衛星通信システムの処理能力を向上させる装置を提案している。
【０００５】
しかしながら、本提案は、処理能力を向上させるために補助的なプロセッサを補充する技術であって、上記のような各衛星がもつ寿命の乖離の解決を図り得るものではない。また、第１衛星には主要な通信機能を備えることを前提としているため、第１衛星の設備の複雑化を招き、高コストになるばかりでなく、寿命の短縮につながる恐れがある。そこで、各衛星の機能的な分担と、設計寿命の関係、さらには配備の容易さまで考慮された衛星通信システムが望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、打ち上げ後も地上における通信技術の発展や変遷に柔軟に対応しうる通信衛星装置及び衛星通信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の通信衛星装置は、以下の特徴を有する。
すなわち、主にアンテナ機能を備えた第１の衛星と、主にモデム機能を備えた第２の衛星とから構成される通信衛星装置を提供する。
第１の衛星は、地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段とを少なくとも備える。
【０００８】
また、第２の衛星は、第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で送受信する信号を変復調する変復調手段とを少なくとも備える。
【０００９】
このとき、上記の通信衛星装置において、第２の衛星は、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段を備える。すなわちベースバンド信号の処理を行うことができるので、従来の例と異なり、技術進歩の速い変復調やデジタル信号処理に第２の衛星を置き換えるだけで対応することができる。
【００１０】
第２の衛星の変復調手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成されてもよい。これにより、打ち上げ後においても第２の衛星の通信方式を変更させることが可能となる。
【００１１】
さらに本発明は上記第１及び第２の衛星に加えて、サーバー機能を有する第３の衛星を備えて通信衛星装置を提供することもできる。
すなわち、第２の衛星には、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備える。そして、第３の衛星には、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備える。
【００１２】
また、上記の目的を達成するために、本発明では以下の特徴を有する衛星通信システムを提供することも可能である。
本システムは、第１の衛星と第２の衛星、さら地上に設けられた地上局から構成される。第１の衛星には、地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段とを少なくとも備える。
【００１３】
第２の衛星には、第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で受信した信号を変復調する変復調手段とを少なくとも備える。
さらに、地上局には、第１の衛星との間で無線周波数信号を送受信するアンテナと、送受信信号を通信方式に従って少なくとも変復調を含む信号処理を行う地上局信号処理手段と、地上側ネットワークとのインターフェース手段とを少なくとも備える。
【００１４】
ここで、第１の衛星及び第２の衛星が、静止軌道上の同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね1キロメートルないし１０キロメートルであるととりわけよい。
【００１５】
衛星通信システムにおいて、第２の衛星が、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段を備える。すなわちベースバンド信号の処理を行うことができるので、従来の例と異なり、技術進歩の速い変復調やデジタル信号処理に第２の衛星を置き換えるだけで対応することができる。
【００１６】
第２の衛星の変復調手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成されることにより、打ち上げ後においても第２の衛星の通信方式を変更させることが可能な衛星通信システムを提供してもよい。
【００１７】
衛星通信システムにおいて、さらにサーバー機能を有する第３の衛星を備えてもよい。
このとき、第２の衛星には、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備える。第３の衛星にはそして、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備える。
【００１８】
第３の衛星が、静止軌道上の前記第１の衛星及び第２の衛星と同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね１キロメートルないし１０キロメートルであるとさらに好適な衛星通信システムを提供できる。
【００１９】
前記地上局信号処理手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデム機能を有する構成でもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づいて説明する。なお、実施形態は、本発明の主旨から逸脱しないかぎり適宜変更可能なものである。
図１には本発明の１実施形態である、３つの人工衛星を用いた衛星通信システムの構成図を示す。本発明による通信衛星装置を構成する３つの人工衛星は、それぞれ主に地上局（１）との信号伝送を司るアンテナの機能を有するアンテナ衛星（２）、該信号の処理を行うモデム機能を有するモデム衛星（３）、伝送された信号が含む情報などを演算処理したり記憶したりするサーバー衛星（４）である。
【００２１】
地上局（１）は既存の技術を用いてすでに設置されているものでもよく、アンテナ（１０）と、信号処理装置（１１）、地上の通信ネットワーク（５０）とライン（１０４）を介して接続するためのインターフェース（１２）から構成される。
アンテナ（１０）からは無線周波数帯を用いてアンテナ衛星（２）の受信アンテナ（２０）に無線周波数信号を送出（１００）し、また送信アンテナ（２７）からの無線周波数信号を受信（１０１）する。
【００２２】
受信アンテナ（２０）で受信された無線周波数信号は、低雑音増幅器（２１）で増幅処理され、ダウンコンバータ（２２）において局部発振信号を用いて中間周波数（ＩＦ）帯に変換し、中間周波数信号となる。局部発振信号は、ダウンコンバータ（２２）に付設する局部発振源を用いるのが一般的であるが、地上局（１）における局部発振源との同期が必要であり、地上局（１）において用いる局部発振信号を同時に送出する方法（特願２００１−３７６８１６号において本件出願人が開示）も知られている。
【００２３】
中間周波数信号は、スイッチング手段であるＩＦスイッチマトリクス（２３）によって広帯域衛星間通信装置（２４）に送られる。ＩＦスイッチマトリクス（２３）は公知の装置であって、複数のチャネルをもつ信号の送受信をスイッチングすることができる。本実施例においてＩＦスイッチマトリクスにはアナログ機器を用いている。
【００２４】
一方、広帯域衛星間通信装置（２４）からＩＦスイッチマトリクス（２３）に入力した信号は、アップコンバータ（２５）を経て無線周波数帯に周波数変換され、大電力増幅器（２６）で増幅処理し、送信アンテナ（２７）から地上局（１）に向けて送出される。アップコンバータ（２５）で用いる局部発振信号は、上述と同様であるが、ダウンコンバータ（２２）に付設するものを用いてもよい。
送信アンテナは、公知の技術により受信アンテナと同一のものを用いることもできる。
【００２５】
本発明において、アンテナ衛星（２）は受信アンテナ（２０）、低雑音増幅器（２１）、ダウンコンバータ（２２）、ＩＦスイッチマトリクス（２３）、アップコンバータ（２５）、大電力増幅器（２６）、送信アンテナ（２６）の構成においてベントパイプモードで動作し、超広帯域なベントパイプ中継器として作用することもできる。
【００２６】
本発明では、小型で２年程度で交換可能なモデム衛星（３）において再生中継させる通信方法を提供する。モデム衛星（３）には、アンテナ衛星との間で衛星間通信（１０２）を行う広帯域衛星間通信装置（３０）と、信号の変復調処理を行うデジタル信号処理装置（３１）を備え、その他に回線交換装置（３２）や、サーバー衛星（４）と通信を行う広帯域衛星間通信装置（３３）を設けることもできる。
【００２７】
デジタル信号処理装置（３１）の機能を図２を一例として説述する。本装置（３１）において、広帯域衛星間通信（１０２）により入力した複数のＳＣＰＣ（Single Channel Per Carrier）信号（３００）（３０１）は、バンドパスフィルタ（３０２）（３０３）により分波され、復調器群（３０４）（３０５）によってベースバンド信号にする。
【００２８】
ＳＣＰＣ信号（３００）（３０１）の分波には、受信信号をサンプリングしてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）することで、周波数チャネルごとに信号を分ける一括分波方式を採用することが可能であり、デジタル信号処理装置（３１）にプログラムすることで実現できる。このため、モデム衛星（３）の軽量化に寄与する。
【００２９】
また、図２においては、アンテナ衛星（２）において２ビームの信号を受信する場合を示しており、２つのビーム（３００）（３０１）のそれぞれに分波・復調を行う。各ビームは８チャネルである。伝送速度は、デジタル信号処理装置（３１）のプログラムにより、回線状況などによって切り換え可能にすることができる。変調信号方式もＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying:２相位相偏移変調）など、任意の変調信号方式をもちいることができる。
さらに符号化方式も例えば、拘束長７、符号化率１／２の畳み込み符号化方式とし、ビタビ復号による誤り訂正機能を備えることができる。
【００３０】
これら変調信号方式、符号化方式、誤り訂正方式は、本発明がいう通信方式の代表的な例であって、極めて技術発展の速い分野であるため、デジタル信号処理装置（３１）のプログラムにより変更可能とすることが特に望まれる。このようにプログラムにより構成されるモデムは、ソフトウェアモデムとして公知であるが、本発明はそれをモデム衛星（３）に備えることで、衛星の寿命や通信技術の発展、さらに衛星の重量などにおいて最適化した点に特徴がある。
【００３１】
復調された信号はスイッチ回路（Gate SW）（３０６）を経て、各ビーム（３０９）（３１０）毎に時分割多重変調器（３０７）（３０８）において時分割多重（ＴＤＭ）変調されて、下り回線の信号となる。すなわち、広帯域衛星間通信（１０２）でアンテナ衛星（２）に戻り、送信アンテナ（２７）から地上局（１）に送出される。
【００３２】
本発明においては、スイッチ回路（３０６）により高度な回線交換機能を持たせた回線交換装置（３２）を備えることもできる。ここで、各衛星（２）（３）やその装置の役割を明確にするためにＯＳＩ階層モデルを図３に示し、それらが作用する各レイヤの範囲を説述する。
【００３３】
ＯＳＩ階層モデルはＩＳＯによって定義されたネットワークプロトコルの構造のモデルであり、電線や光ファイバといった物理的な媒体の電気的なインターフェース及び、基本的な変調方法などを規定する物理層（レイヤ１）（６０）を最下層とする。
本発明においては、アンテナ衛星（２）はこのレイヤ１（６０）における電気的なインターフェースを司る。
【００３４】
そしてモデム衛星（３）においては、レイヤ１（６０）の中でも上位に位置する変調方法などに係る信号処理から、データのパケット化の方法と送受信プロトコルに関するデータリンク層（レイヤ２）（６１）、ネットワーク上に接続された任意の２ノード間でのデータの転送のプロトコルに関するネットワーク層（レイヤ３）（６２）までの信号処理を行う。
具体的には、イーサネット（登録商標）やＡＴＭ、ＩＰｖ４、ＩＰｖ６、ＩＰＸ等レベルでの信号処理を司る。
【００３５】
図１において、デジタル信号処理装置（３１）でレイヤ１（６０）上位に係る信号処理を行い、回線交換装置（３２）でレイヤ２（６１）、レイヤ３（６２）に係る信号処理を行う。
このような回線交換装置（３２）を備えることにより、より効率的な回線交換に寄与することができる。
【００３６】
本発明では、最小限の構成をアンテナ衛星（２）と変復調機能を有するモデム衛星（３）とするが、上記のように回線交換装置（３２）を備えたり、さらに上位のレイヤ４ないし７（６３〜６６）の処理を司ることができるサーバー衛星（４）を配置することができる。
【００３７】
すなわち、モデム衛星（２）においてさらに、サーバー衛星（３）との広帯域衛星間通信（１０３）を行う広帯域衛星間通信装置（３３）を備えると共に、サーバー衛星（４）には、広帯域衛星間通信装置（４０）と共に、サーバー機能を有するデジタル信号処理装置（４１）を設ける。
【００３８】
サーバー衛星（３）は、プロセス間でのデータ転送についてのプロトコルを規定するトランスポート層（レイヤ４）（６３）、セッション（通信の開始から終了までの一連の手順）レベルでのプロトコルを規定したセッション層（レイヤ５）（６４）、やり取りするデータの表現方法についてのプロトコルを規定したプレゼンテーション層（レイヤ６）（６５）、アプリケーションレベルでの通信プロトコルを規定したアプリケーション層（レイヤ７）（６６）に区分される処理を行う。
【００３９】
このため、サーバー衛星（４）に搭載されるデジタル信号処理装置（４１）は、大容量の記憶機構と、高速な演算機構とを有し、広帯域衛星間通信（１０３）によって受信した信号に係るプロトコル・情報・データ等を演算処理及び／又は記憶処理することができる。該処理については、地上に設けられる公知のサーバー装置と同様であり、その他上記のＯＳＩ階層モデルにおける分類に従って任意の処理を行うこともできる。
【００４０】
このように、静止軌道上にサーバー衛星（４）を配置することにより、従来の地上にサーバーを設置するよりも遅延時間が１／２以上に短縮され、通信の帯域も広帯域衛星間通信（１０３）により２倍程度にすることができる。
【００４１】
広帯域衛星間通信装置（２４）（３０）（３３）（４０）においては公知の衛星間通信技術を用いることができる。例えば、光と電波のいずれにおいても用いることができるが、本発明による通信システムは、同一スロット内に極めて短距離（１キロメートルないし１０キロメートル）でアンテナ衛星（２）・モデム衛星（３）・サーバー衛星（４）が配置されるため、電力を抑制することができ、衛星の重量を削減することが可能である。
１つの実施例として、光衛星間通信を提供する場合に、１０Ｇｂｐｓ（１Ｇｂｐｓの信号を１０波）の回線を成立させるために、広帯域衛星間通信装置（２４）（３０）の重量を１０ｋｇ、出力を２０Ｗ程度にすることができる。
【００４２】
本発明では、地上局における信号処理装置（１１）にも、上記モデム衛星（３）におけるデジタル信号処理装置（３１）と同様にソフトウェアモデムを用いることができる。このとき、本発明における通信衛星装置とネゴシエーションしながら、回線状態に合わせて通信方式を決定することができる。
【００４３】
これらソフトウェアモデムを用いると、通信技術の発展・変遷に伴う通信方式の変化に柔軟に対応することができる。例えば、新しい通信方式を実装する時に、地上局（１）からまずデジタル信号処理装置（３１）のファームウェアを送信して、新通信方式に対応させ、地上局（１）の信号処理装置（１１）を入れ替え又はファームウェアの書き換えを行うことにより、高度な通信方式に切り換えることができる。
【００４４】
またモデム衛星（３）を新しく打ち上げた時に、地上局（１）の信号処理装置（１１）のファームウェアをマルチキャスト送信し、書き換えることで、移動体など多数の地上局（１）に対しても一斉に新通信方式への対応を行うことができる。
【００４５】
ここで、実際の通信衛星装置の配備方法につき簡単に説述する。
本発明が従来の構成と特に異なるのは、再生中継の機能をモデム衛星（３）に移管しており、設計寿命の長いアンテナ衛星（２）がその寿命期間にわたって有効に対応できるようにしていることである。
アンテナ衛星（２）は、大型のアンテナを用いるために設計寿命が長く、例えば７年ないし１０年程度を想定している。大型であるために打ち上げのコストも高くなるが、従来の構成では通信方式などに大きな変更（パラダイム）が生じると、対応できない場合がある。
【００４６】
そこで、まずアンテナ衛星（２）を打ち上げ、それと同時ないし後にモデム衛星（３）をアンテナ衛星（２）と同一スロット内で半径１キロメートルないし１０キロメートル以内の距離に打ち上げる。
モデム衛星（２）は上述の通り電力・重量を抑制できるため、設計寿命を例えば２年と設定することができる。このことは、モデム衛星（２）に過剰な信頼性を要求する必要がないことから、通信衛星装置の低廉化を図ることができると同時に、技術発展に合わせた高機能な通信システムを実装させられることを意味する。
【００４７】
サーバー衛星（４）に関しても、同じく２年程度の設計寿命を設定すれば良く、例えばアプリケーションの変化に合わせて柔軟に対応することができる。サーバー衛星（４）は、モデム衛星（３）と同時又はそれよりも後に配置する。
全ての衛星（２）（３）（４）は静止軌道上でクラスタ配置され、それぞれ半径キロメートルないし１０キロメートル、好ましくは３キロメートルないし７キロメートル離れている。このようなクラスタ配置は、クラスタ衛星としてすでに実用化されており、既知の技術を用いて実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成を備えるので、以下の効果を奏する。
すなわち、複数の衛星をディジーチェーンによって１つの通信衛星装置として構成すると共に、長寿命のアンテナ機能を有する衛星と、短期間で交換することが望ましいモデム機能を有する衛星を、それぞれの寿命に合わせて有効に利用することができる。
これにより、打ち上げ後も地上における通信技術の発展や変遷に柔軟に対応しうる通信衛星装置及び衛星通信システムを提供できる。
また、サーバー機能を有する衛星を配置することで、より高効率な衛星通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る衛星通信システムの構成図である。
【図２】 本発明におけるモデム衛星のデジタル信号処理装置の構成図である。
【図３】 ＯＳＩの階層化ネットワークモデルの説明図である。
【符号の説明】
１ 地上局
２ アンテナ衛星
３ モデム衛星
４ サーバー衛星
１０ アンテナ
１１ 信号処理装置
１２ インターフェース
２０ 受信アンテナ
２１ 低雑音増幅器
２２ ダウンコンバータ
２３ ＩＦスイッチマトリクス
２４ 広帯域衛星間通信装置
２５ アップコンバータ
２６ 大電力増幅器
２７ 送信アンテナ
３０ 広帯域衛星間通信装置
３１ デジタル信号処理装置
３２ 回線交換装置
３３ 広帯域衛星間通信装置
４０ 広帯域衛星間通信装置
４１ デジタル信号処理装置
５０ 地上ネットワーク
１００ アップリンク
１０１ ダウンリンク
１０２ 広帯域衛星間通信
１０３ 広帯域衛星間通信
１０４ 地上ネットワークと結ぶライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機能を有する衛星装置に関するものであり、より詳しくは複数の人工衛星を用いた衛星装置及び衛星通信システムに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
衛星通信は広域性同報性を特徴とし、多くのユーザに同時に大量の情報を伝送することを可能にする通信方式であり、地上有線、地上無線にはない特徴を持っている。しかし、衛星開発に関しては、膨大な予算と時間が必要となり、最新技術の搭載が困難である。
にもかかわらず、打ち上げリスクの回避およびコストの低減を目的として、近年の商用衛星は１０年から２０年程度の寿命を付与されている。もし仮に打ち上げ当時、最新の通信技術（デバイス、方式、プロトコル等）を実装できたとしても、打ち上げた瞬間から、それらは地上の通信技術の発展・変遷に追従することが不可能であり、過去の遺物となってしまう恐れがある。
【０００３】
一方、実験衛星ではいくつかの効率的な通信方式が実装され、軌道実績をあげているにもかかわらず、現在の商用衛星のほとんどが、ベントパイプ中継と呼ばれる、単純な周波数変換を行なう中継器のみが搭載され、効率的な交換を行なうための再生中継器やベースバンド交換機等の搭載が見送られている。これは、技術あるいは機能寿命と衛星設計寿命に乖離があることが要因であった。
【０００４】
従来の技術としては、例えば特開２００１−２８５１６９号公報には補助衛星通信処理システムが開示されている。該公報によれば、プロセッサを備えた第１衛星の後に、同じくプロセッサを備えた第２衛星を打ち上げ、第１衛星のプロセッサでの信号処理を、補助的に第２衛星のプロセッサに処理させ、衛星通信システムの処理能力を向上させる装置を提案している。
【０００５】
しかしながら、本提案は、処理能力を向上させるために補助的なプロセッサを補充する技術であって、上記のような各衛星がもつ寿命の乖離の解決を図り得るものではない。また、第１衛星には主要な通信機能を備えることを前提としているため、第１衛星の設備の複雑化を招き、高コストになるばかりでなく、寿命の短縮につながる恐れがある。そこで、各衛星の機能的な分担と、設計寿命の関係、さらには配備の容易さまで考慮された衛星通信システムが望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、打ち上げ後も地上における通信技術の発展や変遷に柔軟に対応しうる通信衛星装置及び衛星通信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の通信衛星装置は、以下の特徴を有する。
すなわち、主にアンテナ機能を備えた第１の衛星と、主にモデム機能を備えた第２の衛星とから構成される通信衛星装置を提供する。
第１の衛星は、地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段とを少なくとも備える。
【０００８】
また、第２の衛星は、第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で送受信する信号を変復調する変復調手段とを少なくとも備える。
【０００９】
このとき、上記の通信衛星装置において、第２の衛星は、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段を備える。すなわちベースバンド信号の処理を行うことができるので、従来の例と異なり、技術進歩の速い変復調やデジタル信号処理に第２の衛星を置き換えるだけで対応することができる。
【００１０】
第２の衛星の変復調手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成されてもよい。これにより、打ち上げ後においても第２の衛星の通信方式を変更させることが可能となる。
【００１１】
さらに本発明は上記第１及び第２の衛星に加えて、サーバー機能を有する第３の衛星を備えて通信衛星装置を提供することもできる。
すなわち、第２の衛星には、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備える。そして、第３の衛星には、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備える。
【００１２】
また、上記の目的を達成するために、本発明では以下の特徴を有する衛星通信システムを提供することも可能である。
本システムは、第１の衛星と第２の衛星、さら地上に設けられた地上局から構成される。第１の衛星には、地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段とを少なくとも備える。
【００１３】
第２の衛星には、第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で受信した信号を変復調する変復調手段とを少なくとも備える。
さらに、地上局には、第１の衛星との間で無線周波数信号を送受信するアンテナと、送受信信号を通信方式に従って少なくとも変復調を含む信号処理を行う地上局信号処理手段と、地上側ネットワークとのインターフェース手段とを少なくとも備える。
【００１４】
ここで、第１の衛星及び第２の衛星が、静止軌道上の同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね1キロメートルないし１０キロメートルであるととりわけよい。
【００１５】
衛星通信システムにおいて、第２の衛星が、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段を備える。すなわちベースバンド信号の処理を行うことができるので、従来の例と異なり、技術進歩の速い変復調やデジタル信号処理に第２の衛星を置き換えるだけで対応することができる。
【００１６】
第２の衛星の変復調手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成されることにより、打ち上げ後においても第２の衛星の通信方式を変更させることが可能な衛星通信システムを提供してもよい。
【００１７】
衛星通信システムにおいて、さらにサーバー機能を有する第３の衛星を備えてもよい。
このとき、第２の衛星には、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備える。第３の衛星にはそして、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備える。
【００１８】
第３の衛星が、静止軌道上の前記第１の衛星及び第２の衛星と同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね１キロメートルないし１０キロメートルであるとさらに好適な衛星通信システムを提供できる。
【００１９】
前記地上局信号処理手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデム機能を有する構成でもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づいて説明する。なお、実施形態は、本発明の主旨から逸脱しないかぎり適宜変更可能なものである。
図１には本発明の１実施形態である、３つの人工衛星を用いた衛星通信システムの構成図を示す。本発明による通信衛星装置を構成する３つの人工衛星は、それぞれ主に地上局（１）との信号伝送を司るアンテナの機能を有するアンテナ衛星（２）、該信号の処理を行うモデム機能を有するモデム衛星（３）、伝送された信号が含む情報などを演算処理したり記憶したりするサーバー衛星（４）である。
【００２１】
地上局（１）は既存の技術を用いてすでに設置されているものでもよく、アンテナ（１０）と、信号処理装置（１１）、地上の通信ネットワーク（５０）とライン（１０４）を介して接続するためのインターフェース（１２）から構成される。
アンテナ（１０）からは無線周波数帯を用いてアンテナ衛星（２）の受信アンテナ（２０）に無線周波数信号を送出（１００）し、また送信アンテナ（２７）からの無線周波数信号を受信（１０１）する。
【００２２】
受信アンテナ（２０）で受信された無線周波数信号は、低雑音増幅器（２１）で増幅処理され、ダウンコンバータ（２２）において局部発振信号を用いて中間周波数（ＩＦ）帯に変換し、中間周波数信号となる。局部発振信号は、ダウンコンバータ（２２）に付設する局部発振源を用いるのが一般的であるが、地上局（１）における局部発振源との同期が必要であり、地上局（１）において用いる局部発振信号を同時に送出する方法（特願２００１−３７６８１６号において本件出願人が開示）も知られている。
【００２３】
中間周波数信号は、スイッチング手段であるＩＦスイッチマトリクス（２３）によって広帯域衛星間通信装置（２４）に送られる。ＩＦスイッチマトリクス（２３）は公知の装置であって、複数のチャネルをもつ信号の送受信をスイッチングすることができる。本実施例においてＩＦスイッチマトリクスにはアナログ機器を用いている。
【００２４】
一方、広帯域衛星間通信装置（２４）からＩＦスイッチマトリクス（２３）に入力した信号は、アップコンバータ（２５）を経て無線周波数帯に周波数変換され、大電力増幅器（２６）で増幅処理し、送信アンテナ（２７）から地上局（１）に向けて送出される。アップコンバータ（２５）で用いる局部発振信号は、上述と同様であるが、ダウンコンバータ（２２）に付設するものを用いてもよい。
送信アンテナは、公知の技術により受信アンテナと同一のものを用いることもできる。
【００２５】
本発明において、アンテナ衛星（２）は受信アンテナ（２０）、低雑音増幅器（２１）、ダウンコンバータ（２２）、ＩＦスイッチマトリクス（２３）、アップコンバータ（２５）、大電力増幅器（２６）、送信アンテナ（２６）の構成においてベントパイプモードで動作し、超広帯域なベントパイプ中継器として作用することもできる。
【００２６】
本発明では、小型で２年程度で交換可能なモデム衛星（３）において再生中継させる通信方法を提供する。モデム衛星（３）には、アンテナ衛星との間で衛星間通信（１０２）を行う広帯域衛星間通信装置（３０）と、信号の変復調処理を行うデジタル信号処理装置（３１）を備え、その他に回線交換装置（３２）や、サーバー衛星（４）と通信を行う広帯域衛星間通信装置（３３）を設けることもできる。
【００２７】
デジタル信号処理装置（３１）の機能を図２を一例として説述する。本装置（３１）において、広帯域衛星間通信（１０２）により入力した複数のＳＣＰＣ（Single Channel Per Carrier）信号（３００）（３０１）は、バンドパスフィルタ（３０２）（３０３）により分波され、復調器群（３０４）（３０５）によってベースバンド信号にする。
【００２８】
ＳＣＰＣ信号（３００）（３０１）の分波には、受信信号をサンプリングしてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）することで、周波数チャネルごとに信号を分ける一括分波方式を採用することが可能であり、デジタル信号処理装置（３１）にプログラムすることで実現できる。このため、モデム衛星（３）の軽量化に寄与する。
【００２９】
また、図２においては、アンテナ衛星（２）において２ビームの信号を受信する場合を示しており、２つのビーム（３００）（３０１）のそれぞれに分波・復調を行う。各ビームは８チャネルである。伝送速度は、デジタル信号処理装置（３１）のプログラムにより、回線状況などによって切り換え可能にすることができる。変調信号方式もＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying:２相位相偏移変調）など、任意の変調信号方式をもちいることができる。
さらに符号化方式も例えば、拘束長７、符号化率１／２の畳み込み符号化方式とし、ビタビ復号による誤り訂正機能を備えることができる。
【００３０】
これら変調信号方式、符号化方式、誤り訂正方式は、本発明がいう通信方式の代表的な例であって、極めて技術発展の速い分野であるため、デジタル信号処理装置（３１）のプログラムにより変更可能とすることが特に望まれる。このようにプログラムにより構成されるモデムは、ソフトウェアモデムとして公知であるが、本発明はそれをモデム衛星（３）に備えることで、衛星の寿命や通信技術の発展、さらに衛星の重量などにおいて最適化した点に特徴がある。
【００３１】
復調された信号はスイッチ回路（Gate SW）（３０６）を経て、各ビーム（３０９）（３１０）毎に時分割多重変調器（３０７）（３０８）において時分割多重（ＴＤＭ）変調されて、下り回線の信号となる。すなわち、広帯域衛星間通信（１０２）でアンテナ衛星（２）に戻り、送信アンテナ（２７）から地上局（１）に送出される。
【００３２】
本発明においては、スイッチ回路（３０６）により高度な回線交換機能を持たせた回線交換装置（３２）を備えることもできる。ここで、各衛星（２）（３）やその装置の役割を明確にするためにＯＳＩ階層モデルを図３に示し、それらが作用する各レイヤの範囲を説述する。
【００３３】
ＯＳＩ階層モデルはＩＳＯによって定義されたネットワークプロトコルの構造のモデルであり、電線や光ファイバといった物理的な媒体の電気的なインターフェース及び、基本的な変調方法などを規定する物理層（レイヤ１）（６０）を最下層とする。
本発明においては、アンテナ衛星（２）はこのレイヤ１（６０）における電気的なインターフェースを司る。
【００３４】
そしてモデム衛星（３）においては、レイヤ１（６０）の中でも上位に位置する変調方法などに係る信号処理から、データのパケット化の方法と送受信プロトコルに関するデータリンク層（レイヤ２）（６１）、ネットワーク上に接続された任意の２ノード間でのデータの転送のプロトコルに関するネットワーク層（レイヤ３）（６２）までの信号処理を行う。
具体的には、イーサネット（登録商標）やＡＴＭ、ＩＰｖ４、ＩＰｖ６、ＩＰＸ等レベルでの信号処理を司る。
【００３５】
図１において、デジタル信号処理装置（３１）でレイヤ１（６０）上位に係る信号処理を行い、回線交換装置（３２）でレイヤ２（６１）、レイヤ３（６２）に係る信号処理を行う。
このような回線交換装置（３２）を備えることにより、より効率的な回線交換に寄与することができる。
【００３６】
本発明では、最小限の構成をアンテナ衛星（２）と変復調機能を有するモデム衛星（３）とするが、上記のように回線交換装置（３２）を備えたり、さらに上位のレイヤ４ないし７（６３〜６６）の処理を司ることができるサーバー衛星（４）を配置することができる。
【００３７】
すなわち、モデム衛星（２）においてさらに、サーバー衛星（３）との広帯域衛星間通信（１０３）を行う広帯域衛星間通信装置（３３）を備えると共に、サーバー衛星（４）には、広帯域衛星間通信装置（４０）と共に、サーバー機能を有するデジタル信号処理装置（４１）を設ける。
【００３８】
サーバー衛星（３）は、プロセス間でのデータ転送についてのプロトコルを規定するトランスポート層（レイヤ４）（６３）、セッション（通信の開始から終了までの一連の手順）レベルでのプロトコルを規定したセッション層（レイヤ５）（６４）、やり取りするデータの表現方法についてのプロトコルを規定したプレゼンテーション層（レイヤ６）（６５）、アプリケーションレベルでの通信プロトコルを規定したアプリケーション層（レイヤ７）（６６）に区分される処理を行う。
【００３９】
このため、サーバー衛星（４）に搭載されるデジタル信号処理装置（４１）は、大容量の記憶機構と、高速な演算機構とを有し、広帯域衛星間通信（１０３）によって受信した信号に係るプロトコル・情報・データ等を演算処理及び／又は記憶処理することができる。該処理については、地上に設けられる公知のサーバー装置と同様であり、その他上記のＯＳＩ階層モデルにおける分類に従って任意の処理を行うこともできる。
【００４０】
このように、静止軌道上にサーバー衛星（４）を配置することにより、従来の地上にサーバーを設置するよりも遅延時間が１／２以上に短縮され、通信の帯域も広帯域衛星間通信（１０３）により２倍程度にすることができる。
【００４１】
広帯域衛星間通信装置（２４）（３０）（３３）（４０）においては公知の衛星間通信技術を用いることができる。例えば、光と電波のいずれにおいても用いることができるが、本発明による通信システムは、同一スロット内に極めて短距離（１キロメートルないし１０キロメートル）でアンテナ衛星（２）・モデム衛星（３）・サーバー衛星（４）が配置されるため、電力を抑制することができ、衛星の重量を削減することが可能である。
１つの実施例として、光衛星間通信を提供する場合に、１０Ｇｂｐｓ（１Ｇｂｐｓの信号を１０波）の回線を成立させるために、広帯域衛星間通信装置（２４）（３０）の重量を１０ｋｇ、出力を２０Ｗ程度にすることができる。
【００４２】
本発明では、地上局における信号処理装置（１１）にも、上記モデム衛星（３）におけるデジタル信号処理装置（３１）と同様にソフトウェアモデムを用いることができる。このとき、本発明における通信衛星装置とネゴシエーションしながら、回線状態に合わせて通信方式を決定することができる。
【００４３】
これらソフトウェアモデムを用いると、通信技術の発展・変遷に伴う通信方式の変化に柔軟に対応することができる。例えば、新しい通信方式を実装する時に、地上局（１）からまずデジタル信号処理装置（３１）のファームウェアを送信して、新通信方式に対応させ、地上局（１）の信号処理装置（１１）を入れ替え又はファームウェアの書き換えを行うことにより、高度な通信方式に切り換えることができる。
【００４４】
またモデム衛星（３）を新しく打ち上げた時に、地上局（１）の信号処理装置（１１）のファームウェアをマルチキャスト送信し、書き換えることで、移動体など多数の地上局（１）に対しても一斉に新通信方式への対応を行うことができる。
【００４５】
ここで、実際の通信衛星装置の配備方法につき簡単に説述する。
本発明が従来の構成と特に異なるのは、再生中継の機能をモデム衛星（３）に移管しており、設計寿命の長いアンテナ衛星（２）がその寿命期間にわたって有効に対応できるようにしていることである。
アンテナ衛星（２）は、大型のアンテナを用いるために設計寿命が長く、例えば７年ないし１０年程度を想定している。大型であるために打ち上げのコストも高くなるが、従来の構成では通信方式などに大きな変更（パラダイム）が生じると、対応できない場合がある。
【００４６】
そこで、まずアンテナ衛星（２）を打ち上げ、それと同時ないし後にモデム衛星（３）をアンテナ衛星（２）と同一スロット内で半径１キロメートルないし１０キロメートル以内の距離に打ち上げる。
モデム衛星（２）は上述の通り電力・重量を抑制できるため、設計寿命を例えば２年と設定することができる。このことは、モデム衛星（２）に過剰な信頼性を要求する必要がないことから、通信衛星装置の低廉化を図ることができると同時に、技術発展に合わせた高機能な通信システムを実装させられることを意味する。
【００４７】
サーバー衛星（４）に関しても、同じく２年程度の設計寿命を設定すれば良く、例えばアプリケーションの変化に合わせて柔軟に対応することができる。サーバー衛星（４）は、モデム衛星（３）と同時又はそれよりも後に配置する。
全ての衛星（２）（３）（４）は静止軌道上でクラスタ配置され、それぞれ半径キロメートルないし１０キロメートル、好ましくは３キロメートルないし７キロメートル離れている。このようなクラスタ配置は、クラスタ衛星としてすでに実用化されており、既知の技術を用いて実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成を備えるので、以下の効果を奏する。
すなわち、複数の衛星をディジーチェーンによって１つの通信衛星装置として構成すると共に、長寿命のアンテナ機能を有する衛星と、短期間で交換することが望ましいモデム機能を有する衛星を、それぞれの寿命に合わせて有効に利用することができる。
これにより、打ち上げ後も地上における通信技術の発展や変遷に柔軟に対応しうる通信衛星装置及び衛星通信システムを提供できる。
また、サーバー機能を有する衛星を配置することで、より高効率な衛星通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る衛星通信システムの構成図である。
【図２】 本発明におけるモデム衛星のデジタル信号処理装置の構成図である。
【図３】 ＯＳＩの階層化ネットワークモデルの説明図である。
【符号の説明】
１ 地上局
２ アンテナ衛星
３ モデム衛星
４ サーバー衛星
１０ アンテナ
１１ 信号処理装置
１２ インターフェース
２０ 受信アンテナ
２１ 低雑音増幅器
２２ ダウンコンバータ
２３ ＩＦスイッチマトリクス
２４ 広帯域衛星間通信装置
２５ アップコンバータ
２６ 大電力増幅器
２７ 送信アンテナ
３０ 広帯域衛星間通信装置
３１ デジタル信号処理装置
３２ 回線交換装置
３３ 広帯域衛星間通信装置
４０ 広帯域衛星間通信装置
４１ デジタル信号処理装置
５０ 地上ネットワーク
１００ アップリンク
１０１ ダウンリンク
１０２ 広帯域衛星間通信
１０３ 広帯域衛星間通信
１０４ 地上ネットワークと結ぶライン
Claims (9)
- 地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と
を少なくとも備える第１の衛星と、
該第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で送受信する信号を変復調する変復調手段と、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段と
を少なくとも備えてベースバンド信号の処理が可能な第２の衛星と
から構成されることを特徴とする通信衛星装置。 - 前記通信衛星装置において、
前記第２の衛星の変復調手段が、
少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成される
請求項１に記載の通信衛星装置。 - 前記通信衛星装置において、
前記第２の衛星に、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備えると共に、
該第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備えた第３の衛星を配する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信衛星装置。 - 地上局から送信された無線周波数信号を受信可能な受信アンテナと、該受信アンテナで受信した無線周波数受信信号を中間周波数信号に変換するダウンコンバータ手段と、地上局に向けて無線周波数信号を送信可能な送信アンテナと、送信する中間周波数信号を無線周波数送信信号に変換するアップコンバータ手段と、該無線周波数信号の送受信信号をスイッチング・ルーティングするスイッチング手段と、第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と
を少なくとも備える第１の衛星と、
該第１の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該広帯域衛星間通信手段で受信した信号を変復調する変復調手段と、データリンク層及びネットワーク層の回線交換手段と
を少なくとも備えてベースバンド信号の処理が可能な第２の衛星と、
該第１の衛星との間で無線周波数信号を送受信するアンテナと、該送受信信号を通信方式に従って少なくとも変復調を含む信号処理を行う地上局信号処理手段と、地上側ネットワークとのインターフェース手段と
を少なくとも備える地上局と、
から構成されることを特徴とする衛星通信システム。 - 前記第１の衛星及び第２の衛星が、静止軌道上の同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね１キロメートルないし１０キロメートルである
請求項４に記載の衛星通信システム。 - 前記衛星通信システムにおいて、
前記第２の衛星の変復調手段が、
少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデムで構成される
請求項４又は５に記載の衛星通信システム。 - 前記衛星通信システムにおいて、
前記第２の衛星に、第３の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段を備えると共に、
該第２の衛星との間で双方向広帯域衛星間通信が可能な広帯域衛星間通信手段と、該双方向広帯域衛星間通信の通信信号の少なくとも一部を演算及び記憶可能なデジタル信号処理手段とを備えた第３の衛星を有する
ことを特徴とする請求項４ないし６に記載の衛星通信システム。 - 前記第３の衛星が、静止軌道上の前記第１の衛星及び第２の衛星と同一スロット内に配置され、各衛星間の距離が概ね１キロメートルないし１０キロメートル である請求項７に記載の衛星通信システム。
- 前記衛星通信システムにおいて、
前記地上局信号処理手段が、少なくとも変復調方式及び／又は誤り訂正方式をプログラムにより決定し実行するソフトウェアモデム機能を有する
請求項４ないし８に記載の衛星通信システム。
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