JP5659905B2 - 衛星搭載用マイクロ波送信装置、該装置を用いる目標地域の追尾方法、及び制御プログラム - Google Patents

Description

この発明は、人工衛星に搭載され、アンテナによってマイクロ波の電波を地上へ送信する衛星搭載用マイクロ波送信装置等に係り、とくに、アンテナの指向方向を可変することができる衛星搭載用マイクロ波送信装置、該装置を用いる目標地域の追尾方法、及び制御プログラムに関する。

従来より、人工衛星（以下、単に衛星とも言う）に搭載するマイクロ波送信用アンテナとして、平面上に多数の小アンテナを備えたフェーズドアレイアンテナが用いられ、このフェーズドアレイアンテナによって地球上にマイクロ波の電波（以下、単にマイクロ波と言うこともある）を照射するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、フェーズドアレイアンテナによって電波の指向方向を変化させながら、地上の連続した地域にマイクロ波を照射して交信を行うことができる。ところが、このようなフェーズドアレイアンテナでは、フェーズドアレイの数が多くなるためにアンテナサイズが大きくなり、かつ、フェーズドアレイアンテナにマイクロ波を増幅して送出するためのＨＰＡ（High Power Amplifier：高出力電力増幅器）の個数が多くなるために、マイクロ波送信装置が大型になってしまう。その結果、衛星全体が大きくなり、かつコストが高くなってしまう。

また、関連技術として、互いに反対方向を向けた２つ（又は複数）の送信アンテナ（パラボラアンテナ）を備え、衛星と地上局との位置関係及び衛星の姿勢の変化に応じて、利得特性が最大となる側の送信アンテナに切り替えて地上局と交信を行うアンテナ装置の技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、衛星が右側から地上局へ近づいて来るときは、左側の送信アンテナに切り換え、衛星が左側から地上局へ近づいて来るときは、右側の送信アンテナに切り換えることによって、常にアンテナ利得を最大にすることができる。

ところが、特許文献２に開示されたような送信アンテナ装置は、２つ（又は複数）のパラボラアンテナを備えているため、前述のマイクロ波送信装置と同様に大型化してしまう。また、パラボラアンテナを搭載した小型衛星の場合は、その小型衛星の姿勢を変化させてビームの方向を変化させているので、ビームの切り替えに時間がかかるために近隣する地域を連続して観測することができないなどの不具合がある。

そこで、他の関連技術として、放送用静止衛星のアンテナ装置として、複数のアンテナホーンから放射されるビームを主反射鏡によってそれぞれ異なる方向へ反射させて、離島を含めた日本全土を効率良くカバーするアンテナ装置の技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、多数のフェーズドアレイアンテナを用いたり、複数のパラボラアンテナを用いることなく、複数の小さなアンテナホーンによって広いエリアをカバーすることができるので、アンテナ装置が大型化するおそれはなくなる。また、複数のアンテナホーンからのビームは同時に連続して放射されるので、ビームの切り替えに時間がかかるという不具合もなくなる。

特開２００９−２３２１４３号公報 特開２００９−０９４９３６号公報 特公昭５８−０３６８６３号公報

しかしながら、前記特許文献３に開示された技術は、衛星通信や衛星放送などを目的とした静止型衛星において、ビーム方向の異なる複数のアンテナホーンを用いて広いエリアの通信をカバーすることができるが、地球上の固定地域を探査するための地球周回型衛星には適用することができない。すなわち、衛星を地球の自転と同期させた静止軌道に乗せるのではなく、衛星が地球を周回しながら地上の固定地域を探査するためには、アンテナの指向方向を変化させながら固定地域にマイクロ波を照射してゆく必要がある。そのような目的のアンテナにおいては、前述のようなフェーズドアレイアンテナによって指向方向を変化させるか、指向方向の異なる複数のパラボラアンテナを切り換えながらビームの方向を変化させなければならないために、アンテナ装置が大型化してしまう。

この発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、地球周回型の小型衛星に搭載することができて、かつ、指向方向を連続して可変させることができるような小型・軽量なアンテナを備えた衛星搭載用マイクロ波照射装置、該装置を用いる目標地域の追尾方法、及び制御プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の第１の構成は、地球周回型の人工衛星に搭載され、地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させるアンテナを有する衛星搭載用マイクロ波送信装置であって、前記アンテナから放射されるマイクロ波の電波の指向方向を変化させることができる複数のアンテナホーンを備え、前記複数のアンテナホーンは、少なくとも、前記アンテナを介して、前記人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させる第１のアンテナホーンと、前記アンテナを介して、前記第１のアンテナホーンが前記目標地域へマイクロ波の電波を照射しているときに、該アンテナを介して、マイクロ波の電波によって次の目標地域を指向する第２のアンテナホーンとからなると共に、前記第１のアンテナホーンは、前記目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたときは、直ちに、第２のアンテナホーンが指向した前記次の目標地域へマイクロ波の電波を照射させることを特徴としている。

また、この発明の第２の構成は、地球周回型の人工衛星に搭載され、地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させるアンテナを備え、該アンテナから放射されるマイクロ波の電波の指向方向を変化させることができる２個のアンテナホーンを有する衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法であって、第１のアンテナホーンが、前記アンテナを介して、前記人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射する第１のステップと、第２のアンテナホーンが、前記アンテナを介して、前記第１のアンテナホーンが前記目標地域へマイクロ波の電波を照射しているときに、マイクロ波の電波によって次の目標地域を指向する第２のステップと、前記第１のアンテナホーンが前記アンテナを介して前記目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたとき、該第１のアンテナホーンは、直ちに、前記アンテナを介して、前記第２のアンテナホーンが指向した前記次の目標地域へマイクロ波の電波を照射させる第３のステップとを含むことを特徴としている。

この発明の構成によれば、衛星搭載用マイクロ波送信装置を搭載した地球周回型衛星において、第１のアンテナホーンが、人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら目標地域にマイクロ波の電波を照射しているとき、第２のアンテナホーンが次の目標地域を指向している。そして、第１のアンテナホーンは、目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたとき、直ちに、第２のアンテナホーンが指向した次の目標地域へマイクロ波のビームを切り替えている。これによって、第１のアンテナホーンは、ビームの切り替えに時間をかけることなく、即座に次の地域にマイクロ波を照射することができる。その結果、衛星搭載用マイクロ波送信装置によって、近接地域に連続してマイクロ波を照射しながら連続観察を行うことができる。しかも、アンテナ装置の指向方向可変要素が小さなアンテナホーンなどで構成されているので、この衛星搭載用マイクロ波送信装置は小型な衛星にも容易に搭載することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る衛星搭載用マイクロ波送信装置の概略的な構成図である。 図１に示す衛星搭載用マイクロ波送信装置を搭載する人工衛星から地上へマイクロ波を照射する状態を示す図であり、（ａ）は地上の『イ』地域、（ｂ）は地上の『ロ』地域へマイクロ波を照射する状態を示す。

この発明は、地球上の目標地域（固定地域）へマイクロ波の電波を照射する地球周回型衛星に搭載された衛星搭載用マイクロ波送信装置において、第１のアンテナホーンが、人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら目標地域にマイクロ波の電波を照射しているとき、第２のアンテナホーンが次の目標地域を指向している。そして、第１のアンテナホーンは、目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたとき、直ちに、第２のアンテナホーンが指向した次の目標地域へマイクロ波のビームを切り替えている。したがって、近接地域を連続して観測することができると共に、小型軽量な衛星用マイクロ波照射装置を実現することができるので、小型衛星などにも搭載することが可能となる。以下、図面を参照して、この発明に係る衛星搭載用マイクロ波送信装置の実施形態について詳細に説明する。

実施形態

図１は、この発明の一実施形態に係る衛星搭載用マイクロ波送信装置の概略的な構成図である。まず、図１に示す衛星搭載用マイクロ波送信装置の構成について説明する。この衛星搭載用マイクロ波送信装置は、第１のマイクロ波信号Ｓ１ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ１ｂをそれぞれ入力して増幅する第１のＨＰＡ（高出力電力増幅器）１ａ、第２のＨＰＡ１ｂと、第１のＨＰＡ１ａ、第２のＨＰＡ１ｂによってそれぞれ増幅された第１のマイクロ波信号Ｓ２ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ２ｂをそれぞれ入力してビームを切り替えるビーム切替器２と、ビーム切替器２によってビームが切り替えられた第１のマイクロ波信号Ｓ３ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ３ｂをそれぞれ入力する第１のアンテナホーン３ａ、第２のアンテナホーン３ｂと、第１のアンテナホーン３ａ、第２のアンテナホーン３ｂからそれぞれ出力された第１のマイクロ波信号Ｓ４ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ４ｂをそれぞれ入力して、図示しない地球上へ第１のマイクロ波Ｓ５ａ、第２のマイクロ波Ｓ５ｂを放射させるパラボラアンテナ４とを備えて構成されている。

次に、図１に示す衛星搭載用マイクロ波送信装置の動作について説明する。まず、第１のＨＰＡ１ａ、第２のＨＰＡ１ｂへそれぞれ入力された第１のマイクロ波信号Ｓ１ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ１ｂは、それぞれ対応する第１のＨＰＡ１ａ、第２のＨＰＡ１ｂによって電力増幅される。そして、電力増幅された第１のマイクロ波信号Ｓ２ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ２ｂが、それぞれ、ビーム切替器２に入力される。

さらに、ビーム切替器２によってビームが切り替えられた第１のマイクロ波信号Ｓ３ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ３ｂは、それぞれ、対応する第１のアンテナホーン３ａ、第２のアンテナホーン３ｂへ入力される。そして、第１のアンテナホーン３ａ、第２のアンテナホーン３ｂからそれぞれ出力された第１のマイクロ波信号Ｓ４ａ、第２のマイクロ波信号Ｓ４ｂは、パラボラアンテナ４で所望の方向へ反射され、第１のマイクロ波Ｓ５ａ、第２のマイクロ波Ｓ５ｂとして図示しない地球上の目標地域（（固定地域））へ放射される。

このとき、例えば第１のアンテナホーン３ａから出力された第１のマイクロ波信号Ｓ４ａのビーム角度は、衛星の進行に伴って矢印ａ，ｂのように変化するので、パラボラアンテナ４で反射された第１のマイクロ波Ｓ５ａも矢印ｃ，ｄのように指向方向を変化させて地球上の目標地域へ放射される。なお、第２のアンテナホーン３ｂから出力された第２のマイクロ波信号Ｓ４ｂについても同様に指向方向を変化させることができるので、第２のマイクロ波Ｓ５ｂも指向方向を変化させて地球上へ放射されることができる。

このように、複数個（図１では２個）存在するアンテナホーンのうち何れかのアンテナホーンの角度を人工衛星の進行に伴って変化させながら所望の地点にマイクロ波を照射しながら、他のアンテナホーンによって別地点にマイクロ波信号を照射している。なお、図１では、説明を容易にするために、２個のアンテナホーンによって２系統にマイクロ波を照射する状態を示しているが、さらに多くのアンテナホーンを用いて多系統にマイクロ波を照射しても良い。

また、この衛星搭載用マイクロ波送信装置では、複数系統（２系統）へのマイクロ波の照射を複数（２個）の小さなアンテナホーン（第１のアンテナホーン３ａと第２のアンテナホーン３ｂ）と１個のパラボラアンテナ４とによって実現することができるので、衛星搭載用マイクロ波送信装置を小型衛星に搭載することが可能である。

このようにして、この発明の実施形態に係る衛星搭載用マイクロ波送信装置では、複数のアンテナホーンを備えた１個のパラボラアンテナにおいて、それぞれのアンテナホーンの指向角度をポインティング機構（図示せず）によって変化させて、所望の地域にマイクロ波信号を照射している。なお、ポインティング機構は、目標地域の追尾情報に基づいてアンテナホーンの指向方向を可変させるように構成されたものである。

また、この発明の実施形態に係る衛星搭載用マイクロ波送信装置では、一つのアンテナホーンのビームが或る地域を照射しているとき、他のアンテナホーンのビームが次に照射する予定の地域をあらかじめ指向している。このようにして、ある地域へのマイクロ波の照射が終了次第、あらかじめ指向された次の地域へマイクロ波を照射するという動作を繰り返している。このようなマイクロ波の照射は複数の小さなアンテナホーンによって行うことができるので、小型軽量な衛星搭載用マイクロ波送信装置を実現することができる。

図２は、図１に示す衛星搭載用マイクロ波送信装置を搭載する人工衛星から、地上へマイクロ波を照射する状態を示す図であり、（ａ）は地上の『イ』地域、（ｂ）は地上の『ロ』地域へマイクロ波を照射する状態を示している。図２（ａ）において、人工衛星５は図の矢印Ａの方向（左方向から右方向）へ移動しているものとする。また、人工衛星５には図１に示すような衛星搭載用マイクロ波送信装置が搭載され、マイクロ波の指向方向可変要素として２個のアンテナホーン（第１のアンテナホーン３ａと第２のアンテナホーン３ｂ）が構成されている。

まず、人工衛星５がＡ位置にあるときは、図２（ａ）に示すように、第１のアンテナホーン３ａが人工衛星５に対して右斜めに指向され、パラボラアンテナ４を介して『イ』地域６へマイクロ波Ｓ５ａを照射する。すなわち、図２（ａ）のように人工衛星５がＡ位置にあるときは、Ａ部詳細に示すように、第１のアンテナホーン３ａは人工衛星５に対して右斜めに指向されているが、第２のアンテナホーン３ｂは、人工衛星５に対して指向方向を変化させていない。

そして、人工衛星５が矢印Ａの方向へ進行するとともに第１のアンテナホーン３ａは指向方向を変化させながら、パラボラアンテナ４を介して第１のマイクロ波Ｓ５ａを地上の『イ』地域６に指向させている。

このようにして、人工衛星５がＢ位置にきたときは、第１のアンテナホーン３ａは、人工衛星５に対して指向方向を変化させない状態で、真上の位置からパラボラアンテナ４を介して第１のマイクロ波Ｓ５ａを地上の『イ』地域６に照射させている。

また、人工衛星５がＢ位置にあるときには、図２（ｂ）に示すように、人工衛星５の第２のアンテナホーン３ｂは、次に目標位置である『ロ』地域７へ第２のマイクロ波ｓ５ｂを照射している。言い換えると、人工衛星５がＢ位置にあるときには、第１のアンテナホーン３ａが真上の位置から第１のマイクロ波Ｓ５ａを地上の『イ』地域６に照射させていると共に、第２のアンテナホーン３ｂは、次に目標位置である『ロ』地域７へ第２のマイクロ波ｓ５ｂを指向している。

これによって、図２（ａ）に示すように、第１のアンテナホーン３ａがＢ位置において『イ』地域６へ第１のマイクロ波Ｓ５ａを照射した後は、図２（ｂ）に示すように、第２のアンテナホーン３ｂが『ロ』地域７へあらかじめ指向した第２のマイクロ波Ｓ５ｂのビームが、第１のアンテナホーン３ｂが照射する第１のマイクロ波Ｓ５ａのビームに切り替えられる。

これによって、第１のアンテナホーン３ａは、『ロ』地域７をサーチすることなく、第２のアンテナホーン３ｂの第２のマイクロ波Ｓ５ｂが指向した『ロ』地域７を目標にして、その『ロ』地域７へ即座に第１のマイクロ波信号Ｓ５ａを照射することができる。すなわち、図２（ｂ）のように、人工衛星５がＢ位置にいるときのＣ部詳細に示すように、Ｂ位置においては、第１のアンテナホーン３ａ及び第２のアンテナホーン３ｂは、ともに人工衛星５が『ロ』地域７を見る方向と同方向に指向されている。

そして、人工衛星５が矢印Ｂの方向へ進行したときは、第１のアンテナホーン３ａは指向方向を左向きに変化させながら、パラボラアンテナ４を介してマイクロ波Ｓ５ａを地上の『ロ』地域７に指向させる。このようにして、人工衛星５がＣ位置に移動したときは、図２（ｂ）に示すように、第１のアンテナホーン３ａが人工衛星５に対して左斜めに指向され、パラボラアンテナ４を介して『ロ』地域７へ第１のマイクロ波Ｓ５ａを照射する。なお、このときは、図２（ｂ）の人工衛星５がＣ位置にいるときのＤ部詳細に示すように、Ｃ位置においては、第１のアンテナホーン３ａは人工衛星５に対して左斜めに指向されているが、第２のアンテナホーン３ｂは次の目標地域を指向している。

以上説明したように、人工衛星の移動にともなって、第１のアンテナホーン３ａで目標地域を第１のマイクロ波５ａで照射しながら、第２のアンテナホーン３ｂで次の目標地域にマイクロ波を指向させている。そして、第１のアンテナホーン３ａが目標地域の照射を終えたら、第１のアンテナホーン３ａは、直ちに、第２のアンテナホーン３ｂが指向した次の目標地域へ第１のマイクロ波ｓ５ａを照射させる。

したがって、アンテナホーンのビームを切り替えるために時間を要することなく、近隣する地域に連続してマイクロ波を照射し、近接する地域を連続して観測することができる。しかも、指向方向可変要素は小さいアンテナホーンであるので、複数の小さなアンテナホーンと１個のパラボラアンテナとによって小型軽量な衛星用マイクロ波照射装置を実現することができるので、小型衛星などにも搭載することが可能となる。

なお、上述の衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上述した目標地域の追尾方法を実現することができる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、この発明の具体的に構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもそれらはこの発明に含まれる。例えば、上述の実施形態では２つのアンテナホーンのビームを交互に切り替えながらマイクロ波を連続的に照射したが、さらに多くのアンテナホーンを用いてビームを交互に切り替えても良い。

この発明による衛星搭載用マイクロ波送信装置は、小型軽量であってマイクロ波の指向方向を任意に可変させることができるので、例えば、宇宙から地球を観察するＳＡＲ（Synthetic Aperture Rader：偵察衛星）などに有効に利用することができる。

１ａ 第１のＨＰＡ（高出力電力増幅器）
１ｂ 第２のＨＰＡ（高出力電力増幅器）
２ ビーム切替器
３ａ 第１のアンテナホーン
３ｂ 第２のアンテナホーン
４ パラボラアンテナ
５ 人工衛星
６ 『イ』地域
７ 『ロ』地域
Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａ 第１のマイクロ波信号
Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂ、Ｓ４ｂ 第２のマイクロ波信号
Ｓ５ａ 第１のマイクロ波
Ｓ５ｂ 第２のマイクロ波

Claims (9)

1. 地球周回型の人工衛星に搭載され、地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させるアンテナを有する衛星搭載用マイクロ波送信装置であって、
   前記アンテナから放射されるマイクロ波の電波の指向方向を変化させることができる複数のアンテナホーンを備え、
   前記複数のアンテナホーンは、少なくとも、
   前記アンテナを介して、前記人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させる第１のアンテナホーンと、
   前記アンテナを介して、前記第１のアンテナホーンが前記目標地域へマイクロ波の電波を照射しているときに、該アンテナを介して、マイクロ波の電波によって次の目標地域を指向する第２のアンテナホーンとからなると共に、
   前記第１のアンテナホーンは、前記目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたときは、直ちに、第２のアンテナホーンが指向した前記次の目標地域へマイクロ波の電波を照射させることを特徴とする衛星搭載用マイクロ波送信装置。
2. 前記アンテナはパラボラアンテナであることを特徴とする請求項１記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置。
3. 前記複数のアンテナホーンは、前記目標地域の追尾情報に基づいて指向方向を可変させるポインティング機構によって所望の方向へ指向方向を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置。
4. 前記複数のアンテナホーンは２個のアンテナホーンであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置。
5. 前記人工衛星は、宇宙から地球を観察する偵察衛星であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置。
6. 地球周回型の人工衛星に搭載され、地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射させるアンテナを備え、該アンテナから放射されるマイクロ波の電波の指向方向を変化させることができる２個のアンテナホーンを有する衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法であって、
   第１のアンテナホーンが、前記アンテナを介して、前記人工衛星の移動に伴って指向方向を変化させながら地球上の目標地域へマイクロ波の電波を照射する第１のステップと、
   第２のアンテナホーンが、前記アンテナを介して、前記第１のアンテナホーンが前記目標地域へマイクロ波の電波を照射しているときに、マイクロ波の電波によって次の目標地域を指向する第２のステップと、
   前記第１のアンテナホーンが前記アンテナを介して前記目標地域へのマイクロ波の電波の照射を終えたとき、該第１のアンテナホーンは、直ちに、前記アンテナを介して、前記第２のアンテナホーンが指向した前記次の目標地域へマイクロ波の電波を照射させる第３のステップとを含むことを特徴とする衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法。
7. 前記２個のアンテナホーンは、前記目標地域の追尾情報に基づいて指向方向を可変させるポインティング機構によって所望の方向へ指向方向を変化させることを特徴とする請求項６記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法。
8. 前記人工衛星は、宇宙から地球を観察する偵察衛星であることを特徴とする請求項６又は７記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法。
9. コンピュータに請求項６、７又は８記載の衛星搭載用マイクロ波送信装置を用いる目標地域の追尾方法を実行させることを特徴とする制御プログラム。

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