JP7395023B2 - 衛星コンステレーション、飛翔体監視システム、傾斜軌道衛星システム、傾斜軌道衛星およびハイブリッドコンステレーション - Google Patents

Description

本開示は、データ通信を行う衛星コンステレーションに関するものである。

多数の監視衛星を有し、複数の監視衛星が飛翔する多数の軌道面を有し、特定領域を常時監視する衛星監視システムの構想が知られている。また、衛星監視システムで取得された監視情報を即座に任意の地点に伝送するための衛星情報伝送システムの構想が知られている。
衛星情報伝送システムは、多数の通信衛星を有し、複数の通信衛星が飛翔する多数の軌道面を有する。そして、各通信衛星が同一軌道面の通信衛星と隣接軌道面の通信衛星と通信クロスリンクを形成することによって、メッシュ通信網が構成される。
このように、監視衛星群と通信衛星群を別システムとして構成すると、総コストが膨大になってしまう。
また、任意の地点で取得された監視情報を時事刻々と飛翔位置が変化する監視衛星群と通信衛星群の間で授受するには、伝送計画が煩雑で労力を要してしまう。
そのため、最適な通信ルート探索をするアルゴリズムが複雑になり、解析時間を要してしまう。
さらに、１機の通信衛星が前後左右４式の通信装置で別々の通信衛星と同時に通信回線を確立して維持する必要があり、技術的に難度が高い。

特許文献１は、地球を周回する複数の観測衛星群を用いて観測目標地域を観測するシステムを開示している。

特開２００８－１２６８７６号公報

本開示は、なるべく少ない人工衛星で任意の地点に情報を伝送できるようにすることを目的とする。

本開示の衛星コンステレーションは、軌道傾斜角が共通して法線ベクトルのアジマス成分が互いに東西方向にずれた６つ以上の軌道面でそれぞれに傾斜円軌道を飛翔する複数の人工衛星を備える。
前記複数の人工衛星は、軌道面ごとに８機以上の人工衛星を含む。
それぞれの人工衛星は、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置を備える。
軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方を飛翔する人工衛星と前記飛翔方向の後方を飛翔する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成する。
それぞれの軌道面の各人工衛星が、前記軌道面の北端と前記軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の人工衛星と同期して通過し、前記軌道面の前記北端を通過するときに前記軌道面と隣り合う軌道面である隣接軌道面の北端を通過する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成し、前記軌道面の前記南端を通過するときに前記隣接軌道面の南端を通過する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成する。

本開示によれば、なるべく少ない人工衛星で任意の地点に情報を伝送することが可能となる。

実施の形態１における傾斜軌道衛星システム１００の構成図。 実施の形態１における人工衛星２００の構成図。 実施の形態１における衛星コンステレーション１１０の全体概要図。 実施の形態１における衛星コンステレーション１１０の部分概要図。 実施の形態１における衛星コンステレーション１１０の部分概要図。 実施の形態１における衛星コンステレーション１１０の部分概要図。 実施の形態２における傾斜軌道衛星システム１００の構成図。 実施の形態２における傾斜軌道衛星システム１００の全体概要図。 実施の形態３における飛翔体監視システム３００の構成図。 実施の形態３における人工衛星２００の構成図。 実施の形態４における人工衛星２００の平面図。 実施の形態４における人工衛星２００の側面図。 実施の形態４における人工衛星２００の視野を表す平面図。 実施の形態４における人工衛星２００の視野を表す側面図。

実施の形態および図面において、同じ要素または対応する要素には同じ符号を付している。説明した要素と同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。

実施の形態１．
傾斜軌道衛星システム１００について、図１から図６に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１に基づいて、傾斜軌道衛星システム１００の構成を説明する。
傾斜軌道衛星システム１００は、衛星コンステレーション１１０と、地上設備１２０と、を備える。

衛星コンステレーション１１０は、複数の人工衛星２００を備える。
複数の人工衛星２００は、６つ以上の軌道面でそれぞれに傾斜円軌道を飛翔する。
傾斜円軌道は傾斜軌道であり且つ円軌道である。傾斜軌道を飛翔する人工衛星２００は「傾斜軌道衛星」ともいう。

６つ以上の軌道面は、軌道傾斜角が共通して、軌道面の法線ベクトルのアジマス成分が互いに東西方向にずれるように配置される。
各軌道面において、軌道傾斜角の角度は４０度以上６０度以下である。
軌道傾斜角は、軌道面の法線ベクトルのエレベーション成分である。

複数の人工衛星２００は、軌道面ごとに８機以上の人工衛星２００を含む。
例えば、６つの軌道面のそれぞれを８機の人工衛星２００が飛翔する場合、衛星コンステレーション１１０は、４８機の人工衛星２００を備える。

図２に基づいて、人工衛星２００の構成を説明する。
人工衛星２００は、制御装置２０１と、推進装置２０２と、姿勢制御装置２０３と、電源装置２０４と、衛星間通信装置２１０と、対地通信装置２２０と、監視装置２３０と、を備える。
監視装置２３０を備える人工衛星２００は「監視衛星」ともいう。

制御装置２０１は、人工衛星２００の各装置を制御するためのコンピュータである。
制御装置２０１は、地上設備１２０からの各種指令信号に従って、推進装置２０２と衛星間通信装置２１０と対地通信装置２２０と監視装置２３０とのそれぞれを制御する。

推進装置２０２は、人工衛星２００に推進力を与える装置であり、人工衛星２００の速度を変化させる。
具体的には、推進装置２０２は、化学推進機または電気推進機である。例えば、推進装置２０２は、２液式スラスタ、イオンエンジンまたはホールスラスタである。

姿勢制御装置２０３は、人工衛星２００の姿勢要素を制御するための装置である。
姿勢制御装置２０３は、人工衛星２００の姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢制御装置２０３は、人工衛星２００の姿勢要素を所望の方向に維持する。
具体的には、人工衛星２００の姿勢要素は、人工衛星２００の姿勢、人工衛星２００の角速度、および、監視装置２３０の視線方向（Ｌｉｎｅ Ｏｆ Ｓｉｇｈｔ）である。
姿勢制御装置２０３は、姿勢センサとアクチュエータとコントローラとを備える。姿勢センサは、ジャイロスコープ、地球センサ、太陽センサ、スター・トラッカ、スラスタまたは磁気センサ等である。アクチュエータは、姿勢制御スラスタ、モーメンタムホイール、リアクションホイールまたはコントロール・モーメント・ジャイロ等である。コントローラは、姿勢センサによって得られる計測データに基づいて、または、地上設備１２０からの指令信号にしたがって、制御プログラムを実行することによって、アクチュエータを制御する。

電源装置２０４は、太陽電池、バッテリおよび電力制御装置などを備え、人工衛星２００の各装置に電力を供給する。

衛星間通信装置２１０は、他の人工衛星２００と通信するための装置であり、前後通信装置２１１を含む。
前後通信装置２１１は、人工衛星２００の飛翔方向において飛翔方向の前方と飛翔方向の後方とを指向して通信するための装置である。
通信装置は、トランスミッタとレシーバとを含む。

対地通信装置２２０は、地上と通信するための装置である。具体的には、対地通信装置２２０は地上設備１２０と通信する。

監視装置２３０は、観測対象を監視するための装置である。具体的には、監視装置２３０は赤外監視装置である。赤外監視装置は赤外線を使用する監視装置である。
観測対象は、宇宙物体および地上から発射された飛翔体などである。宇宙物体は宇宙を飛翔する物体である。

制御装置２０１について補足する。
制御装置２０１は処理回路を備える。
処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。
処理回路において、一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、残りの機能がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。つまり、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。
専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせである。
ＡＳＩＣは、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃ
ｉｒｃｕｉｔの略称である。
ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略称で
ある。

人工衛星２００について補足する。
人工衛星２００は、監視方向を監視対象へ向けるためのポインティング機能を有する。
例えば、人工衛星２００はリアクションホイールを備える。リアクションホイールは、人工衛星２００の姿勢を制御するための装置である。リアクションホイールによって人工衛星２００の姿勢が制御され、ボディポインティングが実現される。
例えば、監視装置２３０はポインティング機構を備える。ポインティング機構は、人工衛星２００の視線方向を変えるための機構である。ポインティング機構には、例えば、駆動ミラー等が利用される。

図１に戻り、地上設備１２０について説明する。
地上設備１２０は、地上に設けられる設備である。具体的には、地上設備１２０は、北緯４０度以上北緯６０度以下の範囲内または南緯４０度以上南緯６０度以下の範囲内に設けられる。

地上設備１２０は、衛星通信装置１２１と、衛星管制装置１２２と、を備える。
衛星通信装置１２１は、それぞれの人工衛星２００と通信するための装置である。
衛星管制装置１２２は、それぞれの人工衛星２００を制御するための装置であり、各種指令信号を生成する。
各種指令信号には、通信を指示するための指令信号、監視を指示するための指令信号、および、軌道面内での位相の変化を指示するための指令信号などが含まれる。
衛星管制装置１２２は、人工衛星２００の制御装置２０１と同じく、処理回路を備える。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図３から図５に基づいて、衛星コンステレーション１１０の動作を説明する。
地図上に記された各曲線は各軌道面の軌道を表している。
各軌道上の各物体は人工衛星２００を表している。
人工衛星２００間の矢印は人工衛星２００間の通信を表している。
なお、一部の人工衛星２００を記載し、人工衛星２００の符号を省略する。

図３は、衛星コンステレーション１１０の全体の動作を表している。
以下に、衛星コンステレーション１１０の動作を、各軌道面における動作、軌道面の北端における動作および軌道面の南端における動作に分けて説明する。

図４に基づいて、各軌道面における動作を説明する。
各軌道面において、それぞれの人工衛星２００は、前方の人工衛星２００と後方の人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。つまり、各軌道面において、それぞれの人工衛星２００は、前方の人工衛星２００と後方の人工衛星２００とのそれぞれと通信することができる。
前方の人工衛星２００は、同一の軌道面において飛翔方向の前方を飛翔する人工衛星２００である。つまり、前方の人工衛星２００は、同一の軌道面を飛翔する人工衛星２００のうち飛翔方向の前方において隣接する人工衛星２００である。
後方の人工衛星２００は、同一の軌道面において飛翔方向の後方を飛翔する人工衛星２００である。つまり、後方の人工衛星２００は、同一の軌道面を飛翔する人工衛星２００のうち飛翔方向の後方において隣接する人工衛星２００である。

図５に基づいて、軌道面の北端における動作を説明する。
それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の北端を他の軌道面の人工衛星２００と同期して通過する。
そして、それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の北端を通過するときに各隣接軌道面の北端を通過する人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。つまり、それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の北端を通過するときに各隣接軌道面の北端を通過する人工衛星２００と通信することができる。
隣接軌道面は、東西方向において互いに隣り合う軌道面である。

図６に基づいて、軌道面の南端における動作を説明する。
それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の南端を他の軌道面の人工衛星２００と同期して通過する。
そして、それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の南端を通過するときに各隣接軌道面の南端を通過する人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。つまり、それぞれの軌道面の各人工衛星２００は、軌道面の南端を通過するときに各隣接軌道面の南端を通過する人工衛星２００と通信することができる。

＊＊＊実施の形態１の特徴＊＊＊
衛星コンステレーション１１０は、軌道傾斜角が５０±１０ｄｅｇの傾斜円軌道に８機以上の人工衛星２００が飛翔する軌道面を６軌道面以上有する。各人工衛星２００は監視装置２３０と通信装置とを具備する。各人工衛星２００は、通信装置として、飛翔方向の前方と後方を指向する前後通信装置２１１を具備する。
同一軌道面内の人工衛星２００は、互いに前後を飛翔する人工衛星２００とクロスリンク通信を形成して円環状の通信網を形成する。
衛星コンステレーション１１０の人工衛星２００は、軌道面の最北端において全ての軌道面の人工衛星２００が同期して最北端を飛翔するよう同期する。
軌道面の最北端近傍において、人工衛星２００は、前後通信装置２１１により、隣接軌道を飛翔する人工衛星２００とクロスリンク通信を形成する。
各軌道面に形成される円環状通信網と、軌道面南北端における隣接軌道間の通信網と、により、全ての人工衛星２００が通信網で接続される。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
軌道傾斜角５０±１０ｄｅｇの傾斜円軌道では、軌道面の南北端において南北方向の飛翔方向が反転する。そのため、人工衛星２００が一時的に西から東に飛翔する状況（南北のベクトルを含まない状況）となる。
全ての人工衛星２００が軌道面の南北端通過時に西から東に飛翔しているので、隣接軌道面の人工衛星２００が飛翔する軌道面内の位相が軌道面の最北端の通過時に同期していれば、前後通信装置２１１により、隣接軌道面の人工衛星２００とも通信クロスリンクを形成することが可能となる。

実施の形態１によれば、監視と通信を１式の衛星コンステレーション１１０で実現できる。また、前後通信装置２１１だけで隣接軌道間の通信が可能である。そのため、トータル衛星数が少なく、低コストで特定領域の常時監視が可能なシステムが実現できる。
また、観測と通信で煩雑な情報授受をする必要がなく、最適な通信ルート探索が容易になり、短時間で通信を実施できる。
さらに、１機の人工衛星２００が同時に４式の通信回線を確立して維持する必要もないので、煩雑で難度の高い技術が不要になる。

軌道傾斜角５０±１０ｄｅｇの傾斜円軌道では、軌道面の南北端において南北方向の飛翔方向が反転する。そのため、人工衛星２００が一時的に西から東に飛翔する状況となる。そして、地表面の緯度５０±１０ｄｅｇの領域上空において、衛星群が西から東に飛翔する衛星密集ゾーンが形成される。つまり、北緯５０±１０ｄｅｇないし南緯５０±１０ｄｅｇにある地上設備１２０では、高頻度に衛星コンステレーション１１０と通信クロスリンクを形成できる。

＊＊＊実施の形態１の補足＊＊＊
軌道面の南北端の通過時において、衛星進行方向に対する横方向に相当するアジマスと衛星進行方向に対する縦方向に相当するエレベーションとの２軸周りに衛星相対位置の変化に応じた通信視野角を確保することは言うまでもない。

＊＊＊実施例の説明＊＊＊
傾斜軌道衛星システム１００の実施例について説明する。
それぞれの軌道面において、８機以上の人工衛星２００は等間隔で位相をずらして配置される。つまり、８機以上の人工衛星２００が軌道面内に均等位相で配置される。

６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数は６の倍数である。
衛星コンステレーション１１０は、機数が６の倍数である複数の人工衛星２００を備える。
複数の人工衛星２００のそれぞれは、傾斜円軌道を１日に複数周回する。
複数の人工衛星２００に対応する複数の軌道面は、互いの法線がアジマス方向において均等な角度ずつずらされる。
複数の軌道面は、６つの軌道面から成る１つ以上の軌道面組を構成する。
各軌道面組の６つの軌道面で６機の人工衛星２００が周回するタイミングが同期される。
各軌道面組の１番目の軌道面で周回する人工衛星２００が１番目の軌道面の最北端を通過するタイミングが（１）から（５）のタイミングと同期される。
（１）各軌道面組の３番目の軌道面で周回する人工衛星２００が３番目の軌道面の最北端から面内位相がプラス１２０度ずれた地点を通過するタイミング。
（２）各軌道面組の５番目の軌道面で周回する人工衛星２００が５番目の軌道面の最北端から面内位相がプラス２４０度ずれた地点を通過するタイミング。
（３）各軌道面組の４番目の軌道面で周回する人工衛星２００が４番目の軌道面の最南端を通過するタイミング。
（４）各軌道面組の６番目の軌道面で周回する人工衛星２００が６番目の軌道面の最南端から面内位相がプラス１２０度ずれた地点を通過するタイミング。
（５）各軌道面組の２番目の軌道面で周回する人工衛星２００が２番目の軌道面の最南端から面内位相がプラス２４０度ずれた地点を通過するタイミング。
これにより、各軌道面に１機の人工衛星２００しかなくても、軌道高度と監視装置２３０の視野範囲を適切に選択することで、中緯度帯を網羅的に監視することが可能となる。
また、６つの軌道面から成る１つ以上の軌道面組において、各軌道面組の６つの軌道面で６機の人工衛星２００が周回するタイミングが同期され、複数の人工衛星２００が各軌道面に飛翔する。これにより、複数の人工衛星２００が中緯度帯を同時に監視でき、空間三角測量の原理に基づいて立体視が可能となる。
また、同時に複数の飛翔体が発射されても、それぞれの発射を探知することが可能となる。
また、赤道近傍の低緯度帯も網羅的に監視可能となり、中緯度帯で網羅できる緯度が高緯度側に広がるという効果がある。

６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数は１２である。
また、８機以上の人工衛星２００に含まれる人工衛星２００の数は８機である。
つまり、衛星コンステレーション１１０は合計９６機の人工衛星２００を備える。
１００機以下の人工衛星２００で中緯度帯を網羅的に常時監視でき、監視された飛翔体の情報を地上設備１２０に伝送することできる。したがって、低コストで飛翔体監視システムを実現できる。
さらに、監視範囲の網羅性と複数の人工衛星２００による同時監視に加えて、監視装置２３０の取得した情報を円環状通信網と南北端の隣接軌道間通信網を経由して即座に伝送できるという効果がある。

８機以上の人工衛星２００に含まれる人工衛星２００の数は奇数である。
軌道面の最北端と軌道面の最南端で衛星通過タイミングが異なることになるため、通信待ち時間を約半分に短縮できる。

６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数は１８である。
また、８機以上の人工衛星２００に含まれる人工衛星２００の数は９機である。
つまり、衛星コンステレーション１１０は合計１６２機の人工衛星２００を備える。
軌道面の南北端で隣接軌道間の通信ができる衛星数が多くなり、かつ、最北端と最南端で衛星通過タイミングが異なることになる。そのため、通信待ち時間を約半分に短縮でき、さらに、隣接軌道間の通信容量も増える。

前後通信装置２１１は光通信装置である。光通信装置は光波を使って通信を行う。
光通信装置には、伝送容量が大きいという効果、および、小型軽量に実現できるという効果がある。ただし、相互に通信する人工衛星同士が高精度で光通信ビームの指向制御を行う必要がある。
しかし、衛星コンステレーション１１０では、同一軌道面を飛翔する前後の人工衛星２００の相対関係がほぼ維持される。そのため、前後の人工衛星２００において、指向変動が小さいので、光通信を容易に実現できる。これにより、小型軽量で大容量の通信回線を実現できる。

前後通信装置２１１は電波通信装置である。電波通信装置は電波を使って通信を行う。
隣接軌道間の通信では人工衛星同士の相対位置と進行方向の相違が大きい。そのため、大角度の視野変動があっても通信回線を維持しやすい電波通信が有利となる。
前後通信装置２１１が電波通信装置であれば、軌道面の南北端における隣接軌道間の通信時間を長く確保し、大容量の通信を行うことができる。
軌道面の南北端の通過前後では軌道面の交差が発生するため、隣接軌道の人工衛星２００との通信では通信方向が大角度で変化する。そのため、光通信では通信途絶が課題となる。これに対して、電波通信では通信途絶を起こさずに隣接軌道間の通信を継続できる。この結果、大容量の通信を衛星飛来の待ち時間なしで継続できる。
電波通信装置において、電波をスペクトル拡散して拡散符号を付与すれば、隣接軌道を超えて、更に隣の軌道の人工衛星２００を識別して通信することもできる。
相対関係がほぼ維持される同一軌道面を飛翔する前後の人工衛星２００では光通信装置を利用し、通信方向が大角度で変化する隣接軌道の人工衛星２００との通信では電波通信装置を利用すれば、同一軌道面の通信を維持したままで、隣接軌道との通信も可能となる。

実施の形態２．
傾斜軌道衛星システム１００について、主に実施の形態１と異なる点を図７および図８に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図７に基づいて、傾斜軌道衛星システム１００の構成を説明する。
傾斜軌道衛星システム１００において、それぞれの軌道面に通信衛星１３０が新たに投入される。通信衛星１３０は、人工衛星２００の一種である。

通信衛星１３０の構成は、人工衛星２００の構成と同様である。但し、通信衛星１３０は監視装置２３０を備えなくてもよい。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
それぞれの通信衛星１３０の投入後に、軌道面ごとに、それぞれの人工衛星２００（通信衛星１３０を含む）は前方の人工衛星２００と後方の人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。
それぞれの通信衛星１３０の投入後に、それぞれの軌道面の通信衛星１３０は、軌道面の北端と軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の通信衛星１３０と同期して通過する。そして、それぞれの軌道面の通信衛星１３０は、軌道面の北端と軌道面の南端とのそれぞれを通過するときに隣接軌道面の通信衛星１３０との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。

＊＊＊実施の形態２の特徴＊＊＊
衛星コンステレーション１１０は、軌道面内の人工衛星同士の相対位相と軌道面間の人工衛星同士の同期制御を維持する。
通信衛星１３０が軌道面の人工衛星間に追加され、軌道面内の円環状通信網が再構築される。
全軌道面に通信衛星１３０が追加され、全軌道面の最北端の通過タイミングが同期される。

＊＊＊実施の形態２の効果＊＊＊
同一軌道面において、人工衛星２００が軌道面の最北端を通過してから後続の人工衛星２００が最北端に飛来するまで、通信待ち時間が発生する。例えば、１０機の人工衛星２００が同一軌道面を飛翔し、各人工衛星２００が約１００分で地球を１周回する場合、人工衛星２００が軌道面の最北端を通過してから後続の人工衛星２００が最北端に飛来するまで１０分の待ち時間が発生する。前後通信装置２１１の通信視野範囲を広く確保して南北端において２分程度の通信時間を確保するとしても、最大８分の通信待ち時間が発生する。
実施の形態２では、任意の数量の通信衛星１３０を投入することができるため、隣接軌道間の通信待ち時間を低減できる。また、前後の人工衛星２００と通信する単機能の通信衛星１３０は低コストで実現できる。

＊＊＊実施例の説明＊＊＊
傾斜軌道衛星システム１００の実施例について説明する。
それぞれの通信衛星１３０は、前後通信装置２１１と、左右通信装置と、を備える。左右通信装置は、飛翔方向の左方と飛翔方向の右方とを指向して通信するための装置である。
それぞれの通信衛星１３０の投入後に、軌道面ごとに、それぞれの人工衛星２００（通信衛星１３０を含む）は、前方の人工衛星と後方の人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１によって形成する。
それぞれの通信衛星１３０の投入後に、それぞれの軌道面の通信衛星１３０は、軌道面の北端と軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の通信衛星１３０と同期して通過する。そして、それぞれの軌道面の通信衛星１３０は、軌道面の北端と軌道面の南端とのそれぞれを通過するときに隣接軌道面の通信衛星１３０との通信網を前後通信装置２１１によって形成し、軌道面の北端と軌道面の南端とのそれぞれを通過するとき以外で隣接軌道面の通信衛星１３０との通信網を左右通信装置によって形成する。

図８に基づいて、上記実施例の特徴を説明する。枠線の中の各物体は通信衛星１３０を表している。
衛星コンステレーション１１０は、軌道面内の人工衛星同士の相対位相と軌道面間の人工衛星同士の同期制御を維持する。
飛翔方向の前方と後方と左右の側方を指向する通信衛星１３０が軌道面の人工衛星間に追加され、軌道面内の円環状通信網が再構築される。
全軌道面に通信衛星１３０が追加され、全軌道面の最北端の通過タイミングが同期される。
通信衛星１３０は、隣接軌道の通信衛星１３０とは左右通信装置でクロスリンクを形成する。
これにより、円環状通信網同士が左右通信装置を経由してメッシュ状通信網を形成し、隣接軌道間の通信待ち時間を短縮することができる。

実施の形態３．
飛翔体監視システム３００について、主に実施の形態１および実施の形態２と異なる点を図９および図１０に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図９に基づいて、飛翔体監視システム３００の構成を説明する。
飛翔体監視システム３００は、飛翔体３０１を監視するための傾斜軌道衛星システム１００である。
飛翔体監視システム３００は、衛星コンステレーション１１０と、地上設備１２０と、を備える。

図１０に基づいて、人工衛星２００の構成を説明する。
人工衛星２００は、監視装置２３０を備える。
監視装置２３０は、第一監視装置２３１と、第二監視装置２３２と、を含む。
第一監視装置２３１は、地心方向を指向して赤外線を使って飛翔体３０１の発射を探知するための監視装置である。
第二監視装置２３２は、地球周縁を指向して赤外線を使って飛翔体３０１の飛翔を監視するための監視装置である。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
それぞれの人工衛星２００は、第一監視装置２３１によって地心方向を指向して飛翔体３０１の発射を探知すると共に、第二監視装置２３２によって地球周縁を指向して宇宙背景で飛翔体３０１の飛翔を監視する。第一監視装置２３１および第二監視装置２３２によって飛翔体３０１に関して得られる情報およびデータを「飛翔体情報」と称する。
それぞれの人工衛星２００は、前後通信装置２１１によって飛翔体情報を人工衛星間で伝送する。そして、伝送先の人工衛星２００は、対地通信装置２２０によって飛翔体情報を地上設備１２０に伝送する。
伝送先の人工衛星２００は、地上設備１２０と通信が可能な箇所を飛翔する人工衛星２００である。

＊＊＊実施の形態３の効果＊＊＊
監視装置２３０は、飛翔体３０１の発射および飛翔途中の飛翔体３０１を監視する。
つまり、監視対象が飛翔体３０１である場合に発射探知と追跡との両方を行うことができる。

近年、極超音速滑空体（Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ Ｇｌｉｄｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＨＧＶ）と呼ばれる飛翔体が登場している。この飛翔体は、発射時の噴射終了後に飛翔途中で間欠的に噴射をして飛行経路を変更する。そのため、飛行経路と到着位置を予測するには、温度が上昇した飛翔体の本体を追跡する必要がある。しかし、地心方向を指向する監視装置による監視では、背景ノイズに飛翔体が埋もれてしまう。
一方、実施の形態３は、リム観測により、深宇宙背景で飛翔体３０１を監視できる。これにより、飛翔体３０１が背景ノイズに埋もれない。そのため、飛翔体３０１を追跡することができる。

実施の形態３により、中緯度帯から発射される飛翔体３０１の発射を複数の人工衛星２００で探知して飛翔体３０１の位置座標を導出できる。
また、リム観測を行う第二監視装置２３２の飛翔体情報を統合することにより、飛翔途中の飛翔体３０１の位置座標を導出しながら、飛翔体３０１を追跡することができる。
このため、飛翔体３０１が飛翔途中で間欠的に噴射をして飛翔体３０１の飛翔方向が変化しても、飛翔体３０１を見失うことなく飛翔体３０１を追跡することができる。

＊＊＊実施例の説明＊＊＊
飛翔体監視システム３００の実施例について説明する。
それぞれの軌道面において、８機以上の人工衛星２００は等間隔で位相をずらして配置される。
衛星コンステレーション１１０は、各人工衛星２００の第一監視装置２３１により、最小構成（例えば１２軌道面）で中緯度帯を常時監視できる。
さらに、各軌道面に８機以上の人工衛星２００が配備されるため、同時に複数の人工衛星２００が飛翔体３０１を監視できる。そして、空中三角測量の原理で飛翔体３０１の位置座標を導出できる。
また、同一軌道面で８機以上の人工衛星２００が前後の人工衛星２００と通信リンクを確立できるため、軌道１周回の円環状通信網を構築できる。

実施の形態４．
人工衛星２００について図１１から図１４に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１１および図１２に基づいて、人工衛星２００の構成を説明する。図１１は平面図であり、図１２は側面図である。
進行方向すなわち飛翔方向をプラスＸ軸（＋Ｘ）で表す。
地球方向すなわち地心方向をプラスＺ軸（＋Ｙ）で表す。
進行方向と地球方向とに直交する方向をプラスＺ軸（＋Ｚ）で表す。

人工衛星２００は、前後通信装置２１１と、第一監視装置２３１と、第二監視装置２３２と、を備える。
前後通信装置２１１は、前方を指向する通信装置と、後方を指向する通信装置と、で構成される。
第二監視装置２３２は、右前方を指向する監視装置と、左前方を指向する監視装置と、右後方を指向する監視装置と、左後方を指向する監視装置と、で構成される。

＊＊＊機能の説明＊＊＊
図１３および図１４に基づいて、通信視野および監視視野を説明する。
直線の網掛けは、前後通信装置２１１の通信視野を表す。
ドットの網掛けは、第一監視装置２３１の監視視野を表す。
破線は、第二監視装置２３２の監視視野を表す。

前後通信装置２１１は、＋Ｘで表される方向（前方）と－Ｘで表される方向（後方）とのそれぞれを指向して通信を行う。

第一監視装置２３１は、＋Ｚで表される方向（下方）を指向して監視を行う。

第二監視装置２３２は、＋Ｘ＋Ｙで表される方向（左前方）と＋Ｘ－Ｙで表される方向（右前方）と－Ｘ＋Ｙで表される方向（左後方）と－Ｘ－Ｙで表される方向（右後方）とのそれぞれを指向して監視を行う。

第二監視装置２３２は、プラスＸ軸からプラスＹ軸側に４５度の方向（＋Ｘ＋Ｙ）を中心にして１２０度の視野範囲を有する（図１３を参照）。また、第二監視装置２３２は、プラスＸ軸からプラスＺ軸側に２０度から４０度の範囲で視野範囲を有する（図１４を参照）。
第二監視装置２３２は、プラスＸ軸からマイナスＹ軸側に４５度の方向（＋Ｘ－Ｙ）を中心にして１２０度の視野範囲を有する。また、第二監視装置２３２は、プラスＸ軸からプラスＺ軸側に２０度から４０度の範囲で視野範囲を有する。
第二監視装置２３２は、マイナスＸ軸からプラスＹ軸側に４５度の方向（－Ｘ＋Ｙ）を中心にして１２０度の視野範囲を有する。また、第二監視装置２３２は、マイナスＸ軸からプラスＺ軸側に２０度から４０度の範囲で視野範囲を有する。
第二監視装置２３２は、マイナスＸ軸からマイナスＹ軸側に４５度の方向（－Ｘ－Ｙ）を中心にして１２０度の視野範囲を有する。また、第二監視装置２３２は、マイナスＸ軸からプラスＺ軸側に２０度からプラス４０度の範囲で視野範囲を有する。

実施の形態５．
応用例について説明する。各応用例は互いに組み合わせてもよい。

＊＊＊応用例１の説明＊＊＊
衛星コンステレーション１１０は、ハイブリッドコンステレーションであってもよい。
ハイブリッドコンステレーションは、通信コンステレーションと、ミッション衛星と、を備える。
通信コンステレーションは、同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星２００を備える。
ミッション衛星は、特定のミッションを行う人工衛星２００であり、通信コンステレーションの人工衛星間に投入される。
複数の人工衛星２００のそれぞれは、前後通信装置２１１を備える。
ミッション衛星は、前後通信装置２１１と、ミッション装置と、を備える。ミッション装置は、特定のミッションを行うための装置である。

複数の人工衛星２００において、それぞれの人工衛星２００が飛翔方向の前方の人工衛星２００と飛翔方向の後方の人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１を使って形成する。これにより、円環状通信網が形成される。
複数の人工衛星２００は、ミッション衛星が通信コンステレーションの人工衛星間を飛翔し始めた後に、ミッション衛星を含めて円環状通信網を再構築して形成する。

応用例１により、通信以外の情報、具体的にはミッションに関する情報、をリアルタイムに円環状通信網を経由して伝送できる。
例えば、ミッション装置は、観測装置、測位装置、情報収集装置などの通信装置である。また、ミッション装置は、データ中継装置であってもよいし、各種地上アセット（移動体を含む）との通信を行う通信装置であってもよい。さらに、ミッション装置は、それ以外の装置であってもよい。

＊＊＊応用例２の説明＊＊＊
衛星コンステレーション１１０は、ハイブリッドコンステレーションであってもよい。
ハイブリッドコンステレーションは、通信コンステレーションと、ミッション衛星と、を備える。
通信コンステレーションは、複数の軌道面のそれぞれに対して同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星２００を備える。
ミッション衛星は、特定のミッションを行う人工衛星２００であり、複数の軌道面のいずれかの人工衛星間に投入される。
複数の人工衛星２００それぞれは、前後通信装置２１１と、左右通信装置２１２と、を備える。
ミッション衛星は、前後通信装置２１１と、ミッション装置と、を備える。ミッション装置は、特定のミッションを行うための装置である。

通信コンステレーションにおいて、軌道面ごとに、それぞれの人工衛星２００が飛翔方向の前方の人工衛星２００と飛翔方向の人工衛星２００との通信網を前後通信装置２１１を使って形成する。これにより、円環状通信網が形成される。
複数の軌道面において、それぞれの人工衛星２００が飛翔方向の左右それぞれの隣接軌道面の人工衛星２００との通信網を左右通信装置２１２を使って形成する。これにより、メッシュ状通信網が形成される。
通信コンステレーションは、ミッション衛星が人工衛星間を飛翔し始めた後に、ミッション衛星を含めて円環状通信網を再構築して形成する共に、メッシュ状通信網を再構築して形成する。

応用例２により、全球網羅的に各種ミッションの情報伝送が可能になる。
また、ミッション装置が監視装置であり、飛翔体３０１の発射を検知して得られた飛翔体情報をハイブリッドコンステレーションが形成する通信網を経由して伝送すれば、ハイブリッドコンステレーションは飛翔体監視システムとなる。
また、異なる軌道面の人工衛星同士が同期制御されていれば、軌道面の南北端における隣接軌道間の通信が可能になる。

＊＊＊実施の形態の補足＊＊＊
各実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本開示の技術的範囲を制限することを意図するものではない。各実施の形態は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。

１００ 傾斜軌道衛星システム、１１０ 衛星コンステレーション、１２０ 地上設備、１２１ 衛星通信装置、１２２ 衛星管制装置、１３０ 通信衛星、２００ 人工衛星、２０１ 制御装置、２０２ 推進装置、２０３ 姿勢制御装置、２０４ 電源装置、２１０ 衛星間通信装置、２１１ 前後通信装置、２１２ 左右通信装置、２２０ 対地通信装置、２３０ 監視装置、２３１ 第一監視装置、２３２ 第二監視装置、３００ 飛翔体監視システム、３０１ 飛翔体。

Claims (22)

1. 軌道傾斜角が共通して法線ベクトルのアジマス成分が互いに東西方向にずれた６つ以上の軌道面でそれぞれに傾斜円軌道を飛翔する複数の人工衛星を備え、
   前記複数の人工衛星は、軌道面ごとに８機以上の人工衛星を含み、
   それぞれの人工衛星は、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置を備え、
   軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方を飛翔する人工衛星と前記飛翔方向の後方を飛翔する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成し、
   それぞれの軌道面の各人工衛星が、前記軌道面の北端と前記軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の人工衛星と同期して通過し、前記軌道面の前記北端を通過するときに前記軌道面と隣り合う軌道面である隣接軌道面の北端を通過する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成し、前記軌道面の前記南端を通過するときに前記隣接軌道面の南端を通過する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成する
   衛星コンステレーション。
2. 前記軌道傾斜角の角度が４０度以上６０度以下である
   請求項１に記載の衛星コンステレーション。
3. それぞれの軌道面において前記８機以上の人工衛星が等間隔で位相をずらして配置される
   請求項１または請求項２に記載の衛星コンステレーション。
4. 前記６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数が６の倍数である
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
5. 前記６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数が１２であり、
   前記８機以上の人工衛星に含まれる人工衛星の数が８機であり、
   前記衛星コンステレーションが合計９６機の人工衛星を備える
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
6. 前記８機以上の人工衛星に含まれる人工衛星の数が奇数である
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
7. 前記６つ以上の軌道面に含まれる軌道面の数が１８であり、
   前記８機以上の人工衛星に含まれる人工衛星の数が９機であり、
   前記衛星コンステレーションが合計１６２機の人工衛星を備える
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
8. 前記前後通信装置が光通信装置である
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
9. 前記前後通信装置が電波通信装置である
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
10. それぞれの人工衛星が、地心方向を指向して飛翔体の発射を探知する第一監視装置と、地球周縁を指向して前記飛翔体の飛翔を監視する第二監視装置と、を備える
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
11. それぞれの人工衛星が、北緯４０度以上北緯６０度以下の範囲内または南緯４０度以上南緯６０度以下の範囲内に設けられる地上設備と通信するための対地通信装置を備える
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の衛星コンステレーション。
12. それぞれの人工衛星が、地心方向を指向して飛翔体の発射を探知すると共に地球周縁を指向して前記飛翔体の飛翔を監視する監視装置を備え、
    それぞれの人工衛星の前記監視装置によって得られる飛翔体情報が、それぞれの人工衛星の前記前後通信装置によって人工衛星間で伝送され、伝送先の人工衛星の前記対地通信装置によって前記地上設備に伝送される
    請求項１１に記載の衛星コンステレーション。
13. 前記衛星コンステレーションは、前記前後通信装置を備える通信衛星がそれぞれの軌道面に新たに投入され、
    それぞれの通信衛星の投入後に、軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方を飛翔する人工衛星と前記飛翔方向の後方を飛翔する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成し、
    それぞれの通信衛星の投入後に、それぞれの軌道面の通信衛星が、前記軌道面の北端と前記軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の通信衛星と同期して通過し、前記軌道面の前記北端と前記軌道面の前記南端とのそれぞれを通過するときに前記隣接軌道面の通信衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成する
    請求項１２に記載の衛星コンステレーション。
14. 前記衛星コンステレーションは、通信衛星がそれぞれの軌道面に新たに投入され、
    それぞれの通信衛星は、前記前後通信装置と、前記飛翔方向の左方と前記飛翔方向の右方とを指向して通信するための左右通信装置と、を備え、
    それぞれの通信衛星の投入後に、軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方を飛翔する人工衛星と前記飛翔方向の後方を飛翔する人工衛星との通信網を前記前後通信装置によって形成し、
    それぞれの通信衛星の投入後に、それぞれの軌道面の通信衛星が、
    前記軌道面の北端と前記軌道面の南端とのそれぞれを他の軌道面の通信衛星と同期して通過し、
    前記軌道面の前記北端と前記軌道面の前記南端とのそれぞれを通過するときに前記隣接軌道面の通信衛星との隣接軌道間通信網を前記前後通信装置によって形成し、
    前記軌道面の前記北端と前記軌道面の前記南端とのそれぞれを通過するとき以外で前記隣接軌道面の通信衛星との隣接軌道間通信網を前記左右通信装置によって形成する
    請求項１２に記載の衛星コンステレーション。
15. 請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の衛星コンステレーションと、
    北緯４０度以上北緯６０度以下の範囲内または南緯４０度以上南緯６０度以下の範囲内に設けられる地上設備と、
    を備える飛翔体監視システム。
16. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の衛星コンステレーションを備える傾斜軌道衛星システム。
17. 請求項１６に記載の傾斜軌道衛星システムに備わる衛星コンステレーションの人工衛星として傾斜円軌道を飛翔する傾斜軌道衛星。
18. 同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星を備える通信コンステレーションと、
    前記通信コンステレーションの人工衛星間に投入されるミッション衛星と、
    を備え、
    前記複数の人工衛星のそれぞれは、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置を備え、
    前記ミッション衛星は、前後通信装置と、ミッション装置と、を備え、
    前記複数の人工衛星は、
    それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方の人工衛星と前記飛翔方向の後方の人工衛星との通信網を前記前後通信装置を使って形成することによって、円環状通信網を形成し、
    前記ミッション衛星が前記通信コンステレーションの前記人工衛星間を飛翔し始めた後に、前記ミッション衛星を含めて前記円環状通信網を再構築して形成する
    ハイブリッドコンステレーション。
19. 複数の軌道面のそれぞれに対して同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星を備える通信コンステレーションと、
    前記複数の軌道面のいずれかの人工衛星間に投入されるミッション衛星と、
    を備え、
    前記複数の人工衛星のそれぞれは、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置と、前記飛翔方向の左方と前記飛翔方向の右方とを指向して通信するための左右通信装置と、を備え、
    前記ミッション衛星は、前後通信装置と、ミッション装置と、を備え、
    前記通信コンステレーションは、
    軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方の人工衛星と前記飛翔方向の人工衛星との通信網を前記前後通信装置を使って形成することによって、円環状通信網を形成し、
    前記複数の軌道面において、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の左右それぞれの隣接軌道面の人工衛星との通信網を前記左右通信装置を使って形成することによって、メッシュ状通信網を形成し、
    前記ミッション衛星が前記人工衛星間を飛翔し始めた後に、前記ミッション衛星を含めて前記円環状通信網を再構築して形成する共に、前記メッシュ状通信網を再構築して形成する
    ハイブリッドコンステレーション。
20. 同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星を備える通信コンステレーションと、
    前記通信コンステレーションの人工衛星間に投入される監視衛星と、
    を備え、
    前記複数の人工衛星のそれぞれは、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置を備え、
    前記複数の人工衛星は、
    それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方の人工衛星と前記飛翔方向の後方の人工衛星との通信網を前記前後通信装置を使って形成することによって、円環状通信網を形成し、
    前記監視衛星が前記通信コンステレーションの前記人工衛星間を飛翔し始めた後に、前記監視衛星を含めて前記円環状通信網を再構築して形成する
    飛翔体監視システム。
21. 複数の軌道面のそれぞれに対して同一軌道面を飛翔する複数の人工衛星を備える通信コンステレーションと、
    前記複数の軌道面のいずれかの人工衛星間に投入される監視衛星と、
    を備え、
    前記複数の人工衛星のそれぞれは、飛翔方向の前方と前記飛翔方向の後方とを指向して通信するための前後通信装置と、前記飛翔方向の左方と前記飛翔方向の右方とを指向して通信するための左右通信装置と、を備え、
    前記監視衛星は、前後通信装置と、監視装置と、を備え、
    前記通信コンステレーションは、
    軌道面ごとに、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の前方の人工衛星と前記飛翔方向の人工衛星との通信網を前記前後通信装置を使って形成することによって、円環状通信網を形成し、
    前記複数の軌道面において、それぞれの人工衛星が前記飛翔方向の左右それぞれの隣接軌道面の人工衛星との通信網を前記左右通信装置を使って形成することによって、メッシュ状通信網を形成し、
    前記監視衛星が前記人工衛星間を飛翔し始めた後に、前記監視衛星を含めて前記円環状通信網を再構築して形成する共に、前記メッシュ状通信網を再構築して形成する
    飛翔体監視システム。
22. 異なる軌道面の人工衛星同士が同期制御される
    請求項１８または請求項１９に記載のハイブリッドコンステレーション。

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