JP5345644B2 - 衛星管制システム - Google Patents
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Description
例えば、衛星管制用の地球局に設置される衛星管制システムから送信されるコマンド信号は伝搬損失により減衰し、その伝搬損失は、地球局から衛星までの距離に比例する。
したがって、地球局から距離が遠い衛星ほど、コマンド信号の伝搬損失が大きくなるため、全ての衛星がコマンド信号を受信できるようにするには、地球局から最も距離が遠い衛星に合わせて、コマンド信号の送信電力を大きくする必要がある。
このため、従来の衛星管制システムでは、地球局から最も距離が遠い衛星がコマンド信号を受信できるように、コマンド信号の電力を増幅する電力増幅装置の飽和電力を定めている。
なお、電力増幅装置の飽和電力は、図19に示すように、電力増幅装置の出力電力が飽和する電力レベルであり、従来の衛星管制システムにより制御される送信電力Xは、「0<<X≦飽和電力から若干低い値」の範囲で設定されるものである。
従来の衛星管制システムでは、飽和電力が一定で、送信電力Xの値だけを衛星との距離に応じて変動させているため、消費電力のロスが大きくなることがある。
図20及び図21より、増幅器の出力(Pout)が同一である場合、出来るだけ飽和電力を下げた方が、消費電力が小さくなることが分かる。
具体的には、増幅器の出力(Pout)として、例えば、34dBm必要な場合、Vd=8.5Vであれば、飽和電力が36.5dBmで、消費電力が5.8Wとなり、Vd=6.5Vであれば、飽和電力が35.0dBmで、消費電力が4.2Wとなる。
このため、飽和電力を抑えた方が、消費電力が小さくなることが分かる。
この実施の形態1では、電力増幅装置の低消費電力化を図るため、衛星管制システムが、従来例のように送信電力だけを制御するのではなく、飽和電力を制御することにより、衛星との距離に応じて設定した送信電力を得るために必要な最低限の飽和電力が得られるようにしている。
図1において、衛星1,2は地球を周回している管制対象の衛星であり、衛星1,2は
地球局からの距離が異なっている。
図1の例では、説明の簡単化のため、管制対象の衛星の数が2台だけであるが、3台以上の衛星が管制対象であってもよい。
衛星管制システム3は例えば地球局に設置され、衛星1,2に対する指令の内容を示すコマンド信号を衛星1,2に向けて送信する装置である。
電力増幅器12は制御回路15の制御の下で、コマンド信号発生装置11から発生されたコマンド信号の電力を増幅する装置である。なお、電力増幅器12は電力増幅手段を構成している。
アンテナ装置13は電力増幅器12により電力が増幅されたコマンド信号を衛星1又は衛星2に向けて送信する装置である。なお、アンテナ装置13はコマンド信号送信手段を構成している。
制御回路15は送信電力算出部16及び電力制御部17から構成されており、電力増幅器12の飽和電力を制御することで、コマンド信号の送信電力を適正な電力に制御する装置である。
制御回路15の電力制御部17は電力増幅器12の飽和電力を制御して、電力増幅器12による増幅後のコマンド信号の電力を送信電力算出部16により算出された送信電力に近づける処理を実施する。
即ち、電力制御部17は電力増幅器12による増幅後のコマンド信号の電力が送信電力算出部16により算出された送信電力と一致するように、電力増幅器12の飽和電力を制御する処理を実施する。なお、電力制御部17は電力制御手段を構成している。
コマンド信号発生装置11は、衛星1又は衛星2を制御する際、指令の内容を示すコマンド信号を発生する。ここでは、説明の便宜上、衛星1に送信するコマンド信号を発生するものとする。
電力増幅器12は、コマンド信号発生装置11がコマンド信号を発生すると、制御回路15の制御の下で、そのコマンド信号の電力を増幅し、電力増幅後のコマンド信号をアンテナ装置13に出力する。
アンテナ装置13は、電力増幅器12から電力増幅後のコマンド信号を受けると、そのコマンド信号を衛星1に向けて送信する。
そのため、コマンド信号の送信電力が、衛星1の受信可能な電力レベルP以上になるように、電力増幅器12がコマンド信号の電力を増幅する必要がある。
即ち、電力増幅器12は、アンテナ装置3の利得がGant、電力増幅器12の出力電力がPhpa、伝搬損失がLairである場合、下記の式(1)が成立するように、コマンド信号の電力を増幅する必要がある。
Phpa+Gant−Lair>P (1)
Phpa>P−Gant+Lair (2)
また、伝搬損失Lairは、アンテナ装置13から衛星1まで距離dと波長λから、下記の式(3)のように表すことができる。
Lair[dB]=10・log(4πd/λ)2 (3)
しかし、電力増幅器12の出力電力Phpaが必要以上に大きくなると、電力増幅器12で無駄な電力を消費することになるので、式(2)を満足する範囲内で、出来る限り、電力増幅器12の出力電力Phpaを小さくすることが望ましい。
ただし、実際には、降雨等の他の要因による減衰量の増大もあるため、他の要因も考慮して、電力増幅器12の出力電力Phpaを決定する必要がある。
また、図3は衛星高度が250km、1000km及び35786km(静止軌道の高度)の衛星について、地球中心から見たアンテナ装置13と衛星の角度θと、アンテナ装置13と衛星間の距離dとの対応関係を示すグラフ図である。
また、図4はアンテナ装置13と衛星間の距離dに対応する伝搬損失Lairの算出結果を示すグラフ図である。ただし、周波数は2.2GHzであるとしている。
図4の例では、衛星高度が35786kmである場合には、伝搬損失Lairが最大約192dB、衛星高度が1000kmである場合には、伝搬損失Lairが最大約172dBとなり、20dB程度の伝搬損失差があることがわかる(20dBは100倍に相当する)。
このため、衛星高度が35786kmの衛星を管制する場合と比較して、衛星高度が1000kmの衛星を管制する場合、コマンド信号の送信電力が1/100でよいことになる。
例えば、衛星高度が250kmである場合、アンテナ装置13と衛星間の距離dは、250kmから1800kmの間で変化する。これは、衛星が周回する間に距離dが変化することを示している。
このとき、伝搬損失Lairは、147dBから164dBの間で変化している。
そして、送信電力算出部16は、その軌道予測情報を参照して、標準時刻装置14から出力された時刻情報が示す現時刻における衛星1の位置(緯度、経度、高度)を特定することで、アンテナ装置13から衛星1までの現時刻における距離dを算出する。なお、アンテナ装置13が設置されている位置は既知である。
送信電力算出部16は、アンテナ装置13から衛星1までの現時刻における距離dを算出すると、その距離dに対応する電波伝搬損失Lairからコマンド信号の必要な送信電力Phpaを算出する。
コマンド信号の必要な送信電力である電力増幅器12の出力電力Phpaは、上記の式(2)より算出する。
Phpa>P−Gant+Lair
=P−Gant+191
ただし、Gant、Pは既知の固定値である。
上述したように、電力増幅器12の出力電力Phpaが必要以上に大きいと、電力増幅器12で無駄な電力を消費するので、式(2)を満足する範囲内で、出来る限り小さな値とする。即ち、コマンド信号の必要な送信電力である電力増幅器12の出力電力Phpaを式(2)の右辺に近い値とする。
この場合、制御回路15の電力制御部17は、所望の送信電力を示す送信電力情報を入力し、電力増幅器12の飽和電力を制御して、電力増幅器12による増幅後のコマンド信号の電力を当該送信電力情報が示す送信電力に近づける処理を行う。
図6はこの発明の実施の形態2による衛星管制システムを示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
制御回路15の送信電力算出部18は衛星1,2の軌道を示す軌道予測情報を参照して、アンテナ装置13から衛星1,2までの各時刻tにおける距離dtを特定し、各時刻ごとに、距離dtに対応する電波伝搬損失Lairtからコマンド信号の送信電力Phpatを算出する処理を実施する。
また、送信電力算出部18は算出結果である各時刻tの送信電力Phpatを記憶装置20に記録する処理を実施する。
なお、送信電力算出部18は送信電力算出手段を構成している。
即ち、電力制御部19は記憶装置20から現時刻に対応する送信電力Phpaを読み込み、電力増幅器12による増幅後のコマンド信号の電力が、その送信電力Phpaと一致するように、電力増幅器12の飽和電力を制御する処理を実施する。なお、電力制御部19は電力制御手段を構成している。
記憶装置20は各時刻の送信電力Phpaを記憶するRAMやハードディスクなどの記録装置である。
以下、送信電力算出部18及び電力制御部19の処理内容を具体的に説明する。
そして、送信電力算出部18は、その軌道予測情報を参照して、各時刻tにおける衛星1の位置(緯度、経度、高度)を特定することで、アンテナ装置13から衛星1までの各時刻tにおける距離dtを算出する。なお、アンテナ装置13が設置されている位置は既知である。
送信電力算出部18は、アンテナ装置13から衛星1までの各時刻tにおける距離dtを算出すると、各時刻tにおける距離dtに対応する電波伝搬損失Lairtからコマンド信号の送信電力Phpatを算出し、各時刻tにおけるコマンド信号の送信電力Phpatを記憶装置20に記録する。
電力制御部19は、現時刻の送信電力Phpaを読み込むと、電力増幅器12の出力電力が、その送信電力Phpaと一致するように、電力増幅器12の飽和電力を制御する。
図7はこの発明の実施の形態3による衛星管制システムの一部を示す構成図であり、図において、図1又は図6と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図7では、電力増幅器12が可変減衰器21、ドレイン電圧制御回路22及び増幅素子23から構成されている。
また、制御回路15は送信電力算出部31及び電力制御部32から構成されている。
ドレイン電圧制御回路22は増幅素子23のドレイン電圧(バイアス電圧)を電力制御部32により指示された電圧に制御する回路である。
増幅素子23は例えばFETから構成されており、ドレイン電圧制御回路22によりドレイン電圧が制御されることで飽和電力が調整され、可変減衰器21から出力されたコマンド信号の電力を増幅する素子である。
電力制御部32は送信電力算出部31により算出された送信電力Phpaに応じて、可変減衰器21の減衰量を制御するとともに、増幅素子23のドレイン電圧をドレイン電圧制御回路22に指示する処理を実施する。なお、電力制御部32は電力制御手段を構成している。
電力制御部32は、送信電力算出部31が送信電力Phpaを算出すると、その送信電力Phpaに応じて、可変減衰器21の減衰量を制御するとともに、増幅素子23のドレイン電圧をドレイン電圧制御回路22に指示する。
ドレイン電圧制御回路22は、電力制御部32の指示の下、増幅素子23のドレイン電圧を制御することで、増幅素子23の飽和電力を調整する。
図8及び図9から明らかなように、増幅素子23のドレイン電圧を高くすると、飽和電力及び消費電力が大きくなり、増幅素子23のドレイン電圧を低くすると、飽和電力及び消費電力が小さくなる。
したがって、増幅素子23のドレイン電圧を制御することで、増幅素子23の飽和電力を調整することができ、コマンド信号の必要な送信電力Phpaが得られる範囲内で、増幅素子23の飽和電力を抑えれば、結果的に、増幅素子23の消費電力を低減することができる。
このため、電力制御部32は、地球局から距離が近い衛星に対してコマンド信号を送信する際には、可変減衰器21の減衰量を大きくし、地球局から距離が遠い衛星に対してコマンド信号を送信する際には、可変減衰器21の減衰量を小さくする。
また、増幅素子23が半導体ではなく、例えば、TWTやクライストロンなどの管球である場合には、その管球に印加する高圧を制御することで、増幅素子23の飽和電力を調整することができる。
図10はこの発明の実施の形態4による衛星管制システムの一部を示す構成図であり、図において、図7と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図10では、電力増幅器12が1台の可変減衰器21、n台の増幅器24−1〜24−n及び2台の切替スイッチ25−1,25−2から構成されている。
増幅器24−1〜24−nは相互に飽和電力が異なる増幅素子で構成されている。
切替スイッチ25−1はn台の増幅器24−1〜24−nの中で、電力制御部33が指定する増幅器24を可変減衰器21と接続するスイッチである。
切替スイッチ25−2はn台の増幅器24−1〜24−nの中で、電力制御部33が指定する増幅器24をアンテナ装置13と接続するスイッチである。
図11はn台の増幅器24−1〜24−nの飽和電力を示す説明図であり、図12はn台の増幅器24−1〜24−nの消費電力を示す説明図である。
図11及び図12から明らかなように、電力増幅器12に搭載されているn台の増幅器24−1〜24−nの飽和電力及び消費電力は相互に異なっている。
即ち、電力制御部33は、n台の増幅器24−1〜24−nの中で、コマンド信号の必要な送信電力Phpaが得られる飽和電力を有する増幅器24を特定する。
また、電力制御部33は、コマンド信号の必要な送信電力Phpaが得られる飽和電力を有する増幅器24の中で、最も消費電力が小さい増幅器24を選択する。
例えば、n台の増幅器24−1〜24−nの中で、コマンド信号の必要な送信電力Phpaが得られる飽和電力を有する増幅器24が、増幅器24−(n−2),24−(n−1),24−nである場合、増幅器24−(n−2),24−(n−1),24−nの中で、最も消費電力が小さい増幅器24−(n−2)を選択する。
切替スイッチ25−1は、電力制御部33が接続を指示している増幅器24を可変減衰器21と接続し、切替スイッチ25−2は、電力制御部33が接続を指示している増幅器24をアンテナ装置13と接続する。
図13はこの発明の実施の形態5による衛星管制システムの一部を示す構成図であり、図において、図7と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図13では、電力増幅器12が1台の可変減衰器21、n台の増幅器26−1〜26−n、1台の分配器27及び1台の合成器28から構成されている。
図13の例では、増幅器26−1〜26−nの飽和電力が同一であるものを想定しているが、増幅器26−1〜26−nの飽和電力が相互に異なっていてもよい。
合成器28はn台の増幅器26−1〜26−nの中で、電力制御部34から出力された選択信号が示す増幅器26により電力が増幅されたコマンド信号を合成して、合成後のコマンド信号をアンテナ装置13に出力する処理を実施する。
図14は増幅器26の合成数と飽和電力の関係を示す説明図であり、図15は増幅器26の合成数と消費電力の関係を示す説明図である。
図14及び図15から明らかなように、増幅器26の合成数によって、電力増幅器12全体の飽和電力及び消費電力が異なる。
即ち、電力制御部34は、n台の増幅器26−1〜26−nのうち、最低限何台の増幅器26を使用すれば、送信電力算出部31により算出された送信電力Phpaを得るために必要な飽和電力を確保することができるかを決定することで、コマンド信号の電力を増幅する1台以上の増幅器26を選択する。
また、最低限n−3台の増幅器26を使用すれば、送信電力算出部31により算出された送信電力Phpaが得られる場合、増幅器26−1,26−2,・・・,26−(n−3)を選択する。
分配器27は、電力制御部34から選択信号を受けると、n台の増幅器26−1〜26−nの中で、その選択信号が示す増幅器26に対して、可変減衰器21から出力されたコマンド信号を与える。
合成器28は、電力制御部34から選択信号を受けると、n台の増幅器26−1〜26−nの中で、その選択信号が示す増幅器26により電力が増幅されたコマンド信号を合成して、合成後のコマンド信号をアンテナ装置13に出力する。
上記実施の形態1では、送信電力算出部16が、アンテナ装置13から衛星1までの距離dに対応する電波伝搬損失Lairからコマンド信号の必要な送信電力Phpaを算出する際、降雨等の他の要因を考慮して、コマンド信号の必要な送信電力Phpaを算出する必要がある旨を示している。
具体的には、図16に示すように、アンテナ装置13の近くに設置されている雨量計31により計測される雨量を考慮して、コマンド信号の必要な送信電力Phpaを算出するようにする。
一方、雨量が零でない場合、コマンド信号を乗せた電波が雨量によって減衰することを考慮し、アンテナ装置13から衛星1までの距離dに対応する電波伝搬損失Lairから算出した送信電力Phpaに対して、雨量に比例等する値を加算等することで、その送信電力Phpaを補正するようにする。
また、雨雲などの高度の観測は、レーダ装置により容易に観測できることが、例えば、特開平11−281741号公報に開示されている。
[非特許文献1]
昭和62年度電気通信技術審議会答申 諮問第6号「通信衛星3号等の中継器の効率的利用のための技術的条件及び地球局の標準化」
Claims (3)
- 衛星に対する指令の内容を示すコマンド信号を発生するコマンド信号発生手段と、上記コマンド信号発生手段から発生されたコマンド信号の電力を増幅する電力増幅手段と、上記電力増幅手段により電力が増幅されたコマンド信号を上記衛星に向けて送信するコマンド信号送信手段とを備えた衛星管制システムにおいて、
上記衛星の軌道を示す軌道情報を参照して、上記コマンド信号送信手段から上記衛星までの距離を特定し、上記距離に対応する電波伝搬損失から上記コマンド信号の送信電力を算出する送信電力算出手段と、上記電力増幅手段の飽和電力を制御して、上記電力増幅手段による増幅後のコマンド信号の電力を上記送信電力算出手段により算出された送信電力に近づける電力制御手段とを設け、
上記電力制御手段は、上記送信電力算出手段により算出された送信電力に応じて、上記電力増幅手段を構成している複数の増幅器の中で、上記コマンド信号の電力を増幅する増幅器を切り替えることを特徴とする衛星管制システム。 - 上記送信電力算出手段により算出された送信電力とコマンド信号の送信時刻との対応関係を記憶する記憶手段を設け、
上記電力制御手段は、上記記憶手段から現時刻に対応する送信電力を読み込み、上記電力増幅手段の飽和電力を制御して、該電力増幅手段による増幅後のコマンド信号の電力を上記送信電力に近づけ、上記送信電力算出手段により算出された送信電力に応じて、上記電力増幅手段を構成している複数の増幅器の中で、上記コマンド信号の電力を増幅する増幅器を切り替えることを特徴とする請求項1記載の衛星管制システム。 - 上記電力制御手段は、上記送信電力算出手段により算出された送信電力に応じて、上記電力増幅手段を構成している複数の上記増幅器の中から、上記コマンド信号の電力を増幅する少なくとも1以上の上記増幅器を選択し、その選択した上記増幅器により電力が増幅された上記コマンド信号を合成させることを特徴とする請求項1または請求項2記載の衛星管制システム。
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