JP6888232B2 - 宇宙通信システム、通信システム - Google Patents

Description

本発明は、地上に構築されたゲートウェイと地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システム、通信システムに関するものである。

近年において、宇宙空間における地球周回軌道を周回する人工衛星等により、地上に構築されたゲートウェイや地上通信ネットワークとの間で通信を行い、或いは地球上の地上局からの要求に従って地球上の２点間の中継通信を行う宇宙通信システムの実用化が進展している。この人工衛星との無線通信は、無線周波数帯域（ＲＦ）を利用して行われる。このＲＦとしては、様々な周波数が利用されており、周波数資源が逼迫して周波数割り当てが限られていることや、より高いデータレートを実現するために、より高い周波数に移行しており、今後Ｋａバンドの活用も見込まれている。例えば、Ｋａバンドの周波数帯は、アップリンクが３０ＧＨｚ、ダウンリンクが２０ＧＨｚである。さらに今後高いデータレートを実現するために、人工衛星とゲートウェイとの間を光通信リンクに基づいて無線通信を行う方法も近年において研究されている。

このような光通信リンクを実現するため、人工衛星側において特段改変を施すことなく、従来通り人工衛星側には光変換／インターフェースを搭載する。図４は、従来のゲートウェイ７、人工衛星９間のアップリンクのブロック構成例を示している（例えば、非特許文献１参照。）。

ゲートウェイ７は、デマルチプレクサ７１、ＡＤコンバータ７２、フィルタ７３、逆フーリエ変換部７４、マルチプレクサ７５、符号化部７６、電気−光変換部７７、多重化処理部７８、望遠鏡８１が順に接続されている。また人工衛星９は、望遠鏡９１、逆多重化処理部９４、光−電気変換部９５、復号化部９６、デマルチプレクサ９７、フーリエ変換部９８、フィルタ９９、ＤＡコンバータ１００、マルチプレクサ１０１、周波数変換部１０２が順に接続されている。

ゲートウェイ７はデマルチプレクサ７１において多重化されたストリームを本来の複数のストリームに戻し、ＡＤコンバータ７２においてこれをＡＤ変換し、更にフィルタ７３を通過させることで余分な帯域を排除した後、逆フーリエ変換部７４において逆フーリエ変換を施した後、マルチプレクサ７５において複数のストリームを多重化して１つのストリームとする。次にこの１つのストリームとされた信号を符号化部７６において符号化し、電気−光変換部７７において電気信号を光信号に変換する処理を施し、多重化処理部７８において多重化し、更に望遠鏡８１を介してこの光信号を人工衛星９に向けて送信する。

人工衛星９は、望遠鏡９１を介してゲートウェイ７からの光信号を受信し、逆多重化処理部９４において受信した光信号の逆多重化処理を行い、光−電気変換部９５においてこれを光−電気変換する。変換された電気信号は、復号化部９６において復号化処理を施し、デマルチプレクサ９７において多重化したデータストリームをフーリエ変換部９８においてフーリエ変換を施し、フィルタ９９を通過させた後に、ＤＡコンバータ１００においてＤＡ変換し、マルチプレクサ１０１において複数のストリームを多重化して１つのストリームとする。最後に周波数変換部１０２においてＫａバンドに周波数変換を施す。

即ち、このアップリンクでは、地上のゲートウェイ７において電気信号は光に変換され、ゲートウェイ７と人工衛星９とは光信号により通信する。光信号が人工衛星９に到達した場合には、増幅されて電気信号に変換された後、信号はオンボードで処理される。人工衛星９は、このようにして処理された信号をＲＦ帯へアップコンバージョンする。

図５は、従来のゲートウェイ７、人工衛星９間のダウンリンクのブロック構成例を示している。

人工衛星９は、周波数変換部１２１、デマルチプレクサ１２２、ＡＤコンバータ１２３、フィルタ１２４、逆フーリエ変換部１２５、マルチプレクサ１２６、電気−光変換部１２７、多重化処理部１２８、望遠鏡１２９が順に接続されている。またゲートウェイ７は、望遠鏡１３１、逆多重化処理部１３２、光−電気変換部１３３、デマルチプレクサ１３４、フーリエ変換部１３５、フィルタ１３６、ＤＡコンバータ１３７、マルチプレクサ１３８が順に接続されている。

人工衛星９は、周波数変換部１２１において周波数変換を施した後、デマルチプレクサ１２２において多重化されたストリームを本来の複数のストリームに戻し、ＡＤコンバータ１２３においてこれをＡＤ変換し、更にフィルタ１２４を通過させることで余分な帯域を排除した後、逆フーリエ変換部１２５において逆フーリエ変換を施し、マルチプレクサ１２６において複数のストリームを多重化して１つのストリームとする。次にこの１つのストリームとされた信号を電気−光変換部１２７において電気信号を光信号に変換する処理を施し、多重化処理部１２８において多重化し、更に望遠鏡１２９を介してこの光信号をゲートウェイ７に向けて送信する。

ゲートウェイ７は、望遠鏡１３１を介して人工衛星９からの光信号を受信し、逆多重化処理部１３２において光信号の逆多重化処理を行い、光−電気変換部１３３においてこれを光−電気変換する。変換された電気信号は、デマルチプレクサ１３４において多重化したデータストリームをフーリエ変換部１３５においてフーリエ変換を施し、フィルタ１３６を通過させた後に、ＤＡコンバータ１３７においてＤＡ変換し、マルチプレクサ１３８において複数のストリームを多重化して１つのストリームとする。

即ち、このダウンリンクでは、ユーザから受信したＲＦ帯のアップリンク信号を人工衛星９が受信し、これを先ず周波数変換部１２１においてダウンコンバージョンされ、光信号に変換されて地上のゲートウェイ７へと送られることとなる。

S. Dimitrov, B. Matuz, G. Liva, R. Barrios, R. Mata-Calvo and D. Giggenbach, "Digital modulation and coding for satellite optical feeder links," 2014 7th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC), Livorno, 2014, pp. 150-157.

上述した従来技術では、ＲＦ帯の信号を人工衛星側においてアップコンバージョン、又はダウンコンバージョンすることを前提としている。このため人工衛星９側においてこれらＲＦ帯の信号の処理動作に関する過度の負担を強いることとなる。即ち、このようなＲＦ帯の信号をＡＤコンバータを通じて人工衛星のオンボード上で処理を行う場合には、非常に複雑な構成とせざるを得なくなる。このため、人工衛星のサイズ、重量、電力がいきおい大きくなってしまうという問題点があった。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、地上に構築されたゲートウェイと地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムにおいて、人工衛星側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、人工衛星自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能な宇宙通信システムを提供することにある。

また、航空機等の飛翔体側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、航空機自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能な通信システムを提供することにある。

第１発明に係る宇宙通信システムは、地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムにおいて、上記ゲートウェイは、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電気−光変換した光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記人工衛星に向けて出射する出射手段とを有し、上記人工衛星は、上記ゲートウェイからの光無線周波数信号を受光する受光手段と、上記受光手段により受光された光無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま電気信号に変換することにより電気無線周波数信号を生成する光−電気変換手段と、上記光−電気変換手段により生成された電気無線周波数信号を電波として上記地上通信ネットワーク又は通信体へ発信する発信手段とを有し、上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記人工衛星からの電気無線周波数信号を受信した上で、これをＲＦ帯からダウンコンバージョンすることを特徴とする。

第２発明に係る宇宙通信システムは、第１発明において、上記ゲートウェイは、上記出射手段から出射される光信号が上記人工衛星に到達するまでのフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておき、当該フェージング情報を参照し、上記ＲＦ帯域にある無線周波数信号又はＲＦ帯域に変換前の信号に対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正処理を施すことを特徴とする。

第３発明に係る宇宙通信システムは、地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムにおいて、上記地上通信ネットワーク又は通信体は、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電波として上記人工衛星に向けて発信する発信手段を有し、上記人工衛星は、上記地上通信ネットワーク又は通信体からの無線周波数信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま光信号に変換することにより光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記ゲートウェイへ出射する出射手段とを有し、上記ゲートウェイは、上記人工衛星から受光した光無線周波数信号を電気信号に変換した上でこれをＲＦ帯からダウンコンバージョンすることを特徴とする。

第４発明に係る宇宙通信システムは、第３発明において、上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記出射手段から出射される光信号が上記ゲートウェイに到達するまでのフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておき、当該フェージング情報を参照し、上記ＲＦ帯域にある無線周波数信号又はＲＦ帯域に変換前の信号に対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正処理を施すことを特徴とする。

第５発明に係る通信システムは、地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は車両、船舶何れかからなる通信体とが、航空機としての通信体を介して通信する通信システムにおいて、上記ゲートウェイは、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電気−光変換した光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記航空機としての通信体に向けて出射する出射手段とを有し、上記航空機としての通信体は、上記ゲートウェイからの光無線周波数信号を受光する受光手段と、上記受光手段により受光された光無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま電気信号に変換することにより電気無線周波数信号を生成する光−電気変換手段と、上記光−電気変換手段により生成された電気無線周波数信号を電波として上記地上通信ネットワーク又は通信体へ発信する発信手段とを有し、上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記航空機としての通信体からの電気無線周波数信号を受信した上で、これをＲＦ帯からダウンコンバージョンすることを特徴とする。

第６発明に係る通信システムは、地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は車両、船舶何れかからなる通信体とが、航空機としての通信体を介して通信する通信システムにおいて、上記地上通信ネットワーク又は通信体は、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電波として上記航空機としての通信体に向けて発信する発信手段を有し、上記航空機としての通信体は、上記地上通信ネットワーク又は通信体からの無線周波数信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま光信号に変換することにより光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記ゲートウェイへ出射する出射手段とを有し、上記ゲートウェイは、上記航空機としての通信体から受光した光無線周波数信号を電気信号に変換した上でこれをＲＦ帯からダウンコンバージョンすることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、フォワードリンクにおいて、ゲートウェイにおけるＲＦ送信部においてＲＦ帯域に変換された後、そのまま人工衛星を介して地上通信ネットワークに至るまでＲＦ帯のまま伝送されることとなる。人工衛星においては、このＲＦ帯域の信号を光−電気変換するところまでは実行するものの、これを周波数変換する処理動作は特段行うことは無い。このため、人工衛星側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、人工衛星自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能となる。

同様にリバースリンクにおいて、地上通信ネットワークにおけるＲＦ送信部においてＲＦ帯域に変換された後、そのまま人工衛星を介してゲートウェイに至るまでＲＦ帯のまま伝送されることとなる。人工衛星においては、このＲＦ帯域の信号を光−電気変換するところまでは実行するものの、これを周波数変換する処理動作は特段行うことは無い。このため、人工衛星側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、人工衛星自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能となる。

また人工衛星の代替として航空機を利用する場合においても同様に、航空機等の飛翔する通信体側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、航空機自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能な通信システムを提供することが可能となる。

本発明を適用した宇宙通信システムの全体構成を示す図である。 ゲートウェイから人工衛星を介して地上通信ネットワークに対して信号を送信するフォワードリンクのブロック構成図である。 地上通信ネットワークから人工衛星を介してゲートウェイに対して信号を送信するリバースリンクのブロック構成図である。 従来のゲートウェイ、人工衛星間のアップリンクのブロック構成例を示す図である。 従来のゲートウェイ、人工衛星間のダウンリンクのブロック構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態として、地上に構築されたゲートウェイと地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した宇宙通信システム１０の全体構成を示している。この宇宙通信システム１０は、地球における周回軌道を周回する人工衛星１と、地上に構築されたゲートウェイ２と、地上に設置された地上通信ネットワーク３又は対流圏、成層圏を移動する車両、船舶、航空機等に取り付けられ、或いは人間が保持する通信体４とを備えている。

人工衛星１は、地球の自転周期と一致する軌道周期をもつ地球周回軌道としての対地同期軌道である静止衛星（GEO：Geostationary Earth Orbit）を周回し、或いは地球の自転周期とは無関係に回る地球低軌道（LEO: Low Earth Orbit）や中軌道（MEO: Medium Earth Orbit）等を周回する。この人工衛星１は、いかなる用途に基づいて打ち上げられたものであってもよい。

ゲートウェイ２は、プロトコルトランスレータ、シグナル変換器として構成されるものであり、ネットワーク間において互いにプロトコルが異なるものであっても互いに相互接続が可能なように処理を行うデバイスである。このゲートウェイ２は光地上局（ＯＧＳ）２０を介して光信号を人工衛星１との間で送受信する。

地上通信ネットワーク３は、例えば基地局を中心に他の通信端末と有線又は無線により通信を行うネットワークである。ここでいう他の通信端末とは、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等である。

次にこれら人工衛星１、ゲートウェイ２、地上通信ネットワーク３の詳細なブロック構成について説明をする。

図２は、ゲートウェイ２から人工衛星１を介して地上通信ネットワーク３に対して信号を送信するフォワードリンクのブロック構成を示している。

人工衛星１は、光受信部１１と、この光受信部１１に接続される光増幅部１２と、光増幅部１２に接続される光−電気変換部１３と、光−電気変換部１３に接続されるフィルタ１４と、フィルタ１４に接続される発信部１５とを備えている。

ゲートウェイ２は、符号化部２１と、符号化部２１に接続されるインターリーバー２２と、インターリーバー２２に接続されるＲＦ送信部２３と、ＲＦ送信部２３に接続される電気−光変換部２４と、電気−光変換部２４に接続される増幅部２５とを備え、この増幅部２５は、ＯＧＳ２０に接続される。

地上通信ネットワーク３は、アンテナ３１と、フィルタ３２と、ＲＦ受信部３３とを備えている。

人工衛星１における光受信部１１は、ＯＧＳ２０から発信された光無線周波数信号を受信する望遠鏡又はレンズ等により構成されている。光受信部１１は、受信した光無線周波数信号を望遠鏡又はレンズ等を介して例えば光ファイバに結合させ、これを光増幅部１２に向けて伝送する。

光増幅部１２は、光受信部１１を介して伝送されてくる光無線周波数信号を増幅する。この光増幅部１２は、例えば光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）で構成されていてもよいし、いわゆる半導体光増幅器（ＳＯＡ）により構成されていてもよい。光増幅部１２は、必ずしも必須のデバイスではなく省略するようにしてもよい。ちなみに、光受信部１１から光ファイバを介さずに直接この光増幅部１２に光結合可能な光結合系を構築するようにしてもよい。

光−電気変換部１３は、光増幅部１２において光増幅された光無線周波数信号を電気無線周波数信号に変換するためのデバイスであり、例えばフォトダイオードで構成されている。光−電気変換部１３は、変換した電気無線周波数信号をフィルタ１４に出力する。

フィルタ１４は、光−電気変換部１３から送られてくる電気無線周波数信号のうち、余分な帯域をカットし、これを発信部１５へ供給する。

発信部１５は、いわゆる指向性アンテナ等で構成されており、フィルタ１４から供給される電気無線周波数信号を電波に変換した上で、これを地上に構築された地上通信ネットワーク３又は対流圏、成層圏を移動する通信体４に無線により送信する。

ゲートウェイ２における符号化部２１は、これから送信しようとする送信信号データについて、誤り訂正符号化及び変調を施す。符号化部２１は、符号化等を施した送信信号データをインターリーバー２２へ送信する。

インターリーバー２２は、この符号化された送信信号データにつきインターリーブ処理を施す。インターリーバー２２は、このインターリーブ処理を施した送信信号データをＲＦ送信部２３へ送信する。

ＲＦ送信部２３は、インターリーバー２２から出力された送信信号データをＲＦ帯域にある無線周波数信号に変換する。ＲＦ送信部２３は、この無線周波数信号を電気−光変換部２４へ出力する。

電気−光変換部２４は、このＲＦ送信部２３から送られてきた無線周波数信号を電気−光変換するためのデバイスとして構成されている。この電気−光変換部２４は、例えばＫａ帯域にある無線周波数信号を電気−光変換可能なレーザダイオード（ＬＤ）や、マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）等を利用するようにしてもよい。電気−光変換部２４は、この電気−光変換することにより生成した光無線周波数信号を増幅部２５へ出力する。なお、このＲＦ帯への変換はＫａバンドに限定されるものではなく、他の帯域とされていてもよい。

増幅部２５は、電気−光変換部２４により生成された光無線周波数信号を増幅する。この増幅部においても同様に光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いてもよい。増幅部２５は、増幅した光無線周波数信号をＯＧＳ２０へ出力する。

ＯＧＳ２０は、この増幅部２５から送られてきた光無線周波数信号を人工衛星１に向けて出射するための光地球局である。このＯＧＳ２０から出射される光ビームは指向性を持っているため、人工衛星１に向けて照射方向を制御するための制御装置や、人工衛星１に向けて到達可能な光束に調整するための望遠鏡等が実装されている。

地上通信ネットワーク３におけるアンテナ３１は、人工衛星１における発信部１５から発信されてきた電波を受信する。このアンテナ３１は受信した電波に含められている電気無線周波数信号をフィルタ３２へ出力する。

フィルタ３２は、アンテナ３１からの電気無線周波数信号から余分な帯域をカットし、これをＲＦ受信部３３へ供給する。

ＲＦ受信部３３は、フィルタ３２から供給されてきた電気無線周波数信号を低帯域の信号にダウンコンバージョンする。ダウンコンバージョンされた信号情報は、その後段において読み取られ、保存され、表示され、或いは適宜送受信されることとなる。なお、このダウンコンバージョンは必須ではなくオプションであってもよい。ＲＦ受信部３３後には、地上通信ネットワーク３で用いた、インターリーバー３５と符号化部３４と同じ方法を用いて、インターリーバーをほどき、誤り訂正復号化を行い、受信信号データの通信品質を確保することが可能になる。

なお、この地上通信ネットワーク３においては、このようなアンテナ３１、フィルタ３２、ＲＦ受信部３３の構成を基地局において全て実装させるようにしてもよいし、基地局との間で信号を送受信する端末装置側にその全部又は一部を実装させるようにしてもよい。

また図１に示す形態では、人工衛星１から電波に重畳された電気無線周波数信号を受信する対象をあくまで地上通信ネットワーク３とする場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。地上通信ネットワーク３の代替として通信体４を用いる場合も同様であり、例えば船舶、車両、航空機においてアンテナ３１、フィルタ３２、ＲＦ受信部３３の構成が少なくとも実装されており、上述と同様の処理動作を実行することとなる。通信体４を人間が所持する場合も同様であるが、かかる場合においてこの通信体４は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等で構成されている。

次に図２に示すフォワードリンクにおける処理動作方法について説明をする。

ゲートウェイ２において送信信号データは、符号化部２１において誤り訂正符号化や各種変調が施され、インターリーバー２２においてインターリーブ処理が施される。このインターリーブ処理が施された送信信号データは、ＲＦ送信部２３においてＲＦ帯域にある高周波域の無線周波数信号に変換される。このとき送信信号データは、Ｋａバンドの周波数帯にまで周波数変換するようにしてもよい。またＫａバンドに限らず、他の帯域に周波数変換するようにしてもよい。

このようにして得られた無線周波数信号は、電気−光変換部２４において電気−光変換された光無線周波数信号となる。電気−光変換部２４においてＬＤやＭＺＭを適用することにより、ＲＦ帯にある無線周波数信号であっても高精度に電気−光変換を行うことが可能となる。光無線周波数信号は、増幅部２５を通過し、ＯＧＳ２０から人工衛星１に向けて出射されることとなる。

人工衛星１に到達した光無線周波数信号は、光受信部１１を介して受信されて光増幅部１２において増幅され、光−電気変換部１３において電気無線周波数信号に変換される。電気無線周波数信号は、フィルタ１４を通過した後、発信部１５を介して電波として地上通信ネットワーク３へ送られる。この人工衛星１に到達してから発信部１５を介して発信されるまでの間、電気無線周波数信号並びに光無線周波数信号は、何れもＲＦ帯域とされている。即ち、この人工衛星１においては帯域変換を施すことなくＲＦ帯域のまま、これら電気無線周波数信号並びに光無線周波数信号を通過させて、地上通信ネットワーク３へ発信することとなる。

地上通信ネットワーク３に送られた電気無線周波数信号は、アンテナ３１、フィルタ３２を介してＲＦ受信部３３に送られ、ここで初めてＲＦ帯域から通常の帯域までダウンコンバージョンされることとなる。ダウンコンバージョンは必須ではなくオプションとされていてもよい。

即ち、図２に示すフォワードリンクにおいては、ゲートウェイ２におけるＲＦ送信部２３においてＲＦ帯域に変換された後、そのまま人工衛星１を介して地上通信ネットワーク３に至るまでＲＦ帯のまま伝送されることとなる。人工衛星１においては、このＲＦ帯域の信号を光−電気変換するところまでは実行するものの、これを周波数変換する処理動作は特段行うことは無い。このため、人工衛星１側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、人工衛星１自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能となる。

なお、ゲートウェイ２は、出射される光信号が人工衛星に到達するまでの大気揺らぎやフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておくようにしてもよい。そして、ゲートウェイ２は、当該フェージング情報を参照し、ＲＦ帯域にある無線周波数信号に対して、或いはＲＦ帯域に変換される前の送信信号データに対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正処理を施すようにしてもよい。このフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理は、ＲＦ帯域に変換される前の送信信号データに対してインターリーバー２２により行うようにしてもよい。また、このフェージングや大気揺らぎを予め計測し、計測した情報に基づいてこのフェージング等の影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正を施すようにしてもよい。なお、この計測した大気揺らぎに基づくインターリーブ処理又は誤り訂正は、必須ではなく、必要に応じて省略するようにしてもよい。ＲＦ受信部３３後には、ゲートウェイ２で用いた、インターリーバー２２と符号化部２１と同じ方法を用いて、インターリーバーをほどき、誤り訂正復号化を行い、受信信号データの通信品質を確保することが可能になる。

図３は、地上通信ネットワーク３から人工衛星１を介してゲートウェイ２に対して信号を送信するリバースリンクのブロック構成を示している。このリバースリンクにおいて、上述したフォワードリンクと同一の構成要素、部材に関しては同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。

人工衛星１は、受信部１６と、この受信部１６に接続されるフィルタ１７と、フィルタ１７に接続される電気−光変換部１８と、電気−光変換部１８に接続される光増幅部１２と、光増幅部１２に接続される光発信部３９とを備えている。

ゲートウェイ２は、増幅部２５と、増幅部２５に接続される光−電気変換部２６と、光−電気変換部２６に接続されるＲＦ受信部２７とを備えている。

地上通信ネットワーク３は、アンテナ３１と、アンテナ３１に接続されたフィルタ３２と、フィルタ３２に接続されたＲＦ送信部３６と、ＲＦ送信部３６に接続されたインターリーバー３５と、インターリーバー３５に接続された符号化部３４とを備えている。

人工衛星１における受信部１６は、地上通信ネットワーク３から発信された電気無線周波数信号を受信するアンテナ等により構成されている。受信部１６は、受信した電気無線周波数信号をフィルタ１７に向けて伝送する。

フィルタ１７は、受信部１６から送られてくる電気無線周波数信号のうち、余分な帯域をカットし、これを電気−光変換部１８へ供給する。

電気−光変換部１８は、フィルタ１７からの電気無線周波数信号を光無線周波数信号に変換するためのデバイスであり、例えばフォトダイオードで構成されている。電気−光変換部１８は、変換した光無線周波数信号を増幅部１２に出力する。電気−光変換部１８としてＬＤやＭＺＭを適用することにより、ＲＦ帯にある無線周波数信号であっても高精度に電気−光変換を行うことが可能となる。

光増幅部１２は、電気−光変換部１８を介して伝送されてくる光無線周波数信号を増幅する。この光増幅部１２は、上述と同様に、光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）や半導体光増幅器（ＳＯＡ）により構成されていてもよいが、必ずしも必須のデバイスではなく省略するようにしてもよい。光増幅部１２は、増幅した光無線周波数信号を光発信部３９に送る。

光発信部３９は、無線周波数信号をゲートウェイ２に向けて出射するための望遠鏡等で構成されている。この光発信部３９は、ＯＧＳ２０と同様に指向性を持つ光ビームの照射方向を制御するための制御装置等が実装されている。

ゲートウェイ２における増幅部２５は、ＯＧＳ２０を介して人工衛星１から受信した光無線周波数信号を増幅する。この増幅部においても同様に光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いてもよい。増幅部２５は、増幅した光無線周波数信号を光−電気変換部２６へ出力する。なおＯＧＳ２０は、フォワードリンク、リバースリンク共に同一の機器を使用してもよいし、互いに異なる機器を使用するようにしてもよい。

光−電気変換部２６は、増幅部２５において光増幅された光無線周波数信号を電気無線周波数信号に変換するためのデバイスであり、例えばフォトダイオードで構成されている。光−電気変換部２６は、変換した電気無線周波数信号をＲＦ受信部２７へ出力する。

ＲＦ受信部２７は、光−電気変換部２６から供給されてきた電気無線周波数信号を低帯域の信号にダウンコンバージョンする。ダウンコンバージョンされた信号情報は、その後段において読み取られ、保存され、表示され、或いは適宜送受信されることとなる。ＲＦ受信部２７後には、地上通信ネットワーク３で用いた、インターリーバー３５と符号化部３４と同じ方法を用いて、インターリーバーをほどき、誤り訂正復号化を行い、受信信号データの通信品質を確保することが可能になる。

地上通信ネットワーク３における符号化部３４は、これから送信しようとする送信信号データについて、誤り訂正符号化及び変調を施す。符号化部３４は、符号化等を施した送信信号データをインターリーバー３５へ送信する。

インターリーバー３５は、この符号化された送信信号データにつきインターリーブ処理を施す。インターリーバー３５は、このインターリーブ処理を施した送信信号データをＲＦ送信部３６へ送信する。

ＲＦ送信部３６は、インターリーバー３５から出力された送信信号データをＲＦ帯域にある電気無線周波数信号に変換する。ＲＦ送信部３６は、この電気無線周波数信号をフィルタ３２へと出力する。

次に図３に示すリバースリンクにおける処理動作方法について説明をする。

地上通信ネットワーク３において送信信号データは、符号化部３４において誤り訂正符号化や各種変調が施され、インターリーバー３５においてインターリーブ処理が施される。このインターリーブ処理が施された送信信号データは、ＲＦ送信部３６においてＲＦ帯域にある高周波域の電気無線周波数信号に変換される。このとき送信信号データは、Ｋａバンドの周波数帯にまで周波数変換するようにしてもよい。またＫａバンドに限らず、他の帯域に周波数変換するようにしてもよい。このようにして得られた電気無線周波数信号は、フィルタ３２を通過し、更にアンテナ３１を介して人工衛星１に向けて発信されることとなる。

人工衛星１に到達した電気無線周波数信号は、受信部１６を介して受信されてフィルタ１７を通過し、電気−光変換部１８において光無線周波数信号に変換される。光無線周波数信号は、光増幅部１２において増幅された後、光発信部３９を介して光束としてゲートウェイ２へ送られる。この人工衛星１に到達してから光発信部３９を介して発信されるまでの間、電気無線周波数信号並びに光無線周波数信号は、何れもＲＦ帯域とされている。即ち、この人工衛星１においては帯域変換を施すことなくＲＦ帯域のまま、これら電気無線周波数信号並びに光無線周波数信号を通過させて、ゲートウェイ２へ発信することとなる。

ゲートウェイ２に送られた光無線周波数信号は、ＯＧＳ２０を介して受信され、増幅部２５により増幅された後、光−電気変換部２６において電気無線周波数信号とされ、更にＲＦ受信部２７に送られて、ここで初めてＲＦ帯域から通常の帯域までダウンコンバージョンされることとなる。

即ち、図３に示すリバースリンクにおいても、地上通信ネットワーク３におけるＲＦ送信部３６においてＲＦ帯域に変換された後、そのまま人工衛星１を介してゲートウェイ２に至るまでＲＦ帯のまま伝送されることとなる。人工衛星１においては、このＲＦ帯域の信号を光−電気変換するところまでは実行するものの、これを周波数変換する処理動作は特段行うことは無い。このため、人工衛星１側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、人工衛星１自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能となる。

なお、地上通信ネットワーク３又は通信体は、出射される光信号が人工衛星に到達するまでの大気揺らぎやフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておくようにしてもよい。そして、地上通信ネットワーク３又は通信体は、当該フェージング情報を参照し、ＲＦ帯域にある無線周波数信号に対して、或いはＲＦ帯域に変換される前の送信信号データに対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理及び誤り訂正処理を施すようにしてもよい。このフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理は、ＲＦ帯域に変換される前の送信信号データに対してインターリーバー３５により行うようにしてもよい。また、このフェージングや大気揺らぎを予め計測し、計測した情報に基づいてこのフェージング等の影響を軽減するためのインターリーブ処理や誤り訂正を施すようにしてもよい。

また本発明においては、人工衛星１の代替として航空機等の飛翔体である航空機４を利用するようにしてもよい。航空機４は、人間が搭乗して操縦を行う有人航空機であってもよいが、これに限定されるものではなく無人航空機であってもよい。無人航空機は、いわゆる小型でかつ無人飛行が可能な航空機であり、代表的なものとしてはドローン（マルチコプター）であるが、これに限定されるものでは無く、無人ヘリコプター等で具現化されるものであってもよい。この航空機４は、衛星と異なり、大気圏内を航行するものである場合でもよい。このため、人工衛星１を航空機４に代替させる場合には、宇宙通信システムではなく、航空機４を用いた通信システムとなる。

航空機４は、ゲートウェイ２から地上通信ネットワーク３への通信の場合には、図２に示す光受信部１１、光増幅部１２、光−電気変換部１３、フィルタ１４が何れも実装されてなり、上述と同様の処理動作を実行することとなる。一方、地上通信ネットワーク３からゲートウェイ２への通信の場合には、図３に示す光増幅部１２、フィルタ１７、光変換部１８が航空機４内に実装されてなり、上述と同様の処理動作を実行することとなる。

その結果、航空機４側においてＲＦ帯の信号の処理動作の負担を軽減させることにより、航空機自体のサイズ、重量、電力をコンパクトに抑えることが可能な通信システムを提供することが可能となる。

また本発明においては、人工衛星１とゲートウェイ２又は地上通信ネットワーク３間の通信を航空機４により中継させるようにしてもよい。かかる場合には、人工衛星１と航空機４との間で電気無線周波数信号又は光無線周波数信号の通信を行い、また航空機４とゲートウェイ２間で光無線周波数信号を通信し、航空機４と地上通信ネットワーク３との間で電気無線周波数信号を通信する。ゲートウェイ２から地上通信ネットワーク３、或いはら地上通信ネットワーク３からゲートウェイ２の通信の過程では、何れもＲＦ帯域とされている。

このとき、中継する航空機４は１つである場合に限定されるものではなく、複数の航空機４を介して中継させるものであってもよい。

また上述した実施の形態に限定されるものではなく、複数のゲートウェイ２、複数の地上通信ネットワーク３間で通信を行うようにしてもよいが、かかる場合には、波長多重通信（Wavelength Division Multiplex：ＷＤＭ）を用いるようにしてもよい。また変調方式はＯＦＤＭを利用するようにしてもよいが、これ以外の変調方式を利用するようにしてもよい。

１ 人工衛星
２ ゲートウェイ
３ 地上通信ネットワーク
４ 通信体
１０ 宇宙通信システム
１１ 光受信部
１２ 光増幅部
１３ 光−電気変換部
１４ フィルタ
１５ 発信部
１６ 受信部
１７ フィルタ
１８ 光変換部
２０ ＯＧＳ
２１ 符号化部
２２ インターリーバー
２３ 送信部
２４ 電気−光変換部
２５ 増幅部
２６ 光−電気変換部
２７ 受信部
３１ アンテナ
３２ フィルタ
３３ 受信部
３４ 符号化部
３５ インターリーバー
３６ 送信部
３９ 光発信部

Claims (6)

1. 地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムにおいて、
   上記ゲートウェイは、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電気−光変換した光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記人工衛星に向けて出射する出射手段とを有し、
   上記人工衛星は、上記ゲートウェイからの光無線周波数信号を受光する受光手段と、上記受光手段により受光された光無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま電気信号に変換することにより電気無線周波数信号を生成する光−電気変換手段と、上記光−電気変換手段により生成された電気無線周波数信号を電波として上記地上通信ネットワーク又は通信体へ発信する発信手段とを有し、
   上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記人工衛星からの電気無線周波数信号を受信した上で、これをＲＦ帯からダウンコンバージョンすること
   を特徴とする宇宙通信システム。
2. 上記ゲートウェイは、上記出射手段から出射される光信号が上記人工衛星に到達するまでのフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておき、当該フェージング情報を参照し、上記ＲＦ帯域にある無線周波数信号又はＲＦ帯域に変換前の信号に対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正処理を施すこと
   を特徴とする請求項１記載の宇宙通信システム。
3. 地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は通信体とが、地球周回軌道を周回する人工衛星を介して通信する宇宙通信システムにおいて、
   上記地上通信ネットワーク又は通信体は、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電波として上記人工衛星に向けて発信する発信手段を有し、
   上記人工衛星は、上記地上通信ネットワーク又は通信体からの無線周波数信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま光信号に変換することにより光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記ゲートウェイへ出射する出射手段とを有し、
   上記ゲートウェイは、上記人工衛星から受光した光無線周波数信号を電気信号に変換した上でこれをＲＦ帯からダウンコンバージョンすること
   を特徴とする宇宙通信システム。
4. 上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記出射手段から出射される光信号が上記ゲートウェイに到達するまでのフェージングに関するフェージング情報を予め取得しておき、当該フェージング情報を参照し、上記ＲＦ帯域にある無線周波数信号又はＲＦ帯域に変換前の信号に対してフェージングの影響を軽減するためのインターリーブ処理又は誤り訂正処理を施すこと
   を特徴とする請求項３記載の宇宙通信システム。
5. 地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は車両、船舶何れかからなる通信体とが、航空機としての通信体を介して通信する通信システムにおいて、
   上記ゲートウェイは、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電気−光変換した光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記航空機としての通信体に向けて出射する出射手段とを有し、
   上記航空機としての通信体は、上記ゲートウェイからの光無線周波数信号を受光する受光手段と、上記受光手段により受光された光無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま電気信号に変換することにより電気無線周波数信号を生成する光−電気
   変換手段と、上記光−電気変換手段により生成された電気無線周波数信号を電波として上記地上通信ネットワーク又は通信体へ発信する発信手段とを有し、
   上記地上通信ネットワーク又は通信体は、上記航空機としての通信体からの電気無線周波数信号を受信した上で、これをＲＦ帯からダウンコンバージョンすること
   を特徴とする通信システム。
6. 地上に構築されたゲートウェイと、地上通信ネットワーク又は車両、船舶何れかからなる通信体とが、航空機としての通信体を介して通信する通信システムにおいて、
   上記地上通信ネットワーク又は通信体は、ＲＦ帯域にある無線周波数信号を電波として上記航空機としての通信体に向けて発信する発信手段を有し、
   上記航空機としての通信体は、上記地上通信ネットワーク又は通信体からの無線周波数信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された無線周波数信号について帯域変換を施すことなくＲＦ帯のまま光信号に変換することにより光無線周波数信号を生成する電気−光変換手段と、上記電気−光変換手段により生成された光無線周波数信号を上記ゲートウェイへ出射する出射手段とを有し、
   上記ゲートウェイは、上記航空機としての通信体から受光した光無線周波数信号を電気信号に変換した上でこれをＲＦ帯からダウンコンバージョンすること
   を特徴とする通信システム。

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