JP7408241B2 - 観測システム、観測衛星、通信衛星および地上設備 - Google Patents
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Description
観測装置と通信装置と推進装置とを備えて静止軌道に沿って飛翔する観測衛星と、
通信装置を備える地上設備と、
通信装置を備えて静止軌道を飛翔する通信衛星と、
を有し
前記観測衛星と前記通信衛星が、10000キロメートル未満の距離に接近して通信を行う観測システム。
観測システム100について、図1から図4に基づいて説明する。
図1に基づいて、観測システム100の構成を説明する。
観測システム100は、観測衛星110と通信衛星120と地上設備130とを備える。
観測衛星110は、静止軌道(破線を参照)または静止軌道の近傍(一点鎖線を参照)を飛翔して地球101を周回する。つまり、観測衛星110は、静止軌道に沿って飛翔して地球101を周回する。
通信衛星120は、地上設備130の上空に配置される。
通信衛星120は、観測衛星110から送信される観測データを受信し、観測データを地上設備130へ送信する。観測データは、観測によって得られるデータである。
通信衛星120は、地上設備130から送信される制御コマンドを受信し、制御コマンドを観測衛星110へ送信する。制御コマンドは、観測衛星110を制御するためのコマンドである。
通信衛星120を囲う円は、近傍通信範囲を表している。近傍通信範囲は、通信衛星120と観測衛星110が互いに通信を行うことが可能な範囲である。
地上設備130が設けられる地域を「対象地域」と称する。
観測衛星110は、観測装置111と衛星制御装置112と通信装置113と推進装置114と姿勢制御装置115と電源装置116とを備える。
観測装置111は、観測対象を観測して観測データを生成する。観測データは、観測対象が映った画像を表すデータに相当する。
衛星制御装置112は、既定の手順、または、地上設備130から送信される制御コマンドにしたがって、観測装置111と推進装置114と姿勢制御装置115とを制御する。
通信装置113は、観測データを送信する。また、通信装置113は、制御コマンドを受信する。
具体的には、推進装置114は、化学推進機または電気推進機である。例えば、推進装置114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115は、観測衛星110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115は、観測衛星110の姿勢要素を所望の方向に維持する。
具体的には、観測衛星110の姿勢要素は、観測衛星110の姿勢、観測衛星110の角速度、および、観測装置111の視線方向(Line Of Sight)である。
姿勢制御装置115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130からの制御コマンドにしたがって、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。
衛星制御装置112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、衛星制御装置112の一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、衛星制御装置112の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 Circuitの略称である。
FPGAは、Field Programmable Gate Arrayの略称である。
観測衛星110は、観測方向を観測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、観測衛星110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、観測衛星110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観測衛星110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、観測装置111はポインティング機構を備える。ポインティング機構は、観測衛星110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。
観測装置111は、分解能可変機能およびオートフォーカス機能を有する。
分解能可変機能は、観測時の分解能を変える機能である。
オートフォーカス機能は、観測対象に焦点を合わせる機能である。
通信衛星120は、通信装置121と推進装置122と電源装置123とを備える。
通信装置121は、観測衛星110から観測データを受信し、観測データを地上設備130へ送信する。
通信装置121は、地上設備130から制御コマンドを受信し、制御コマンドを観測衛星110へ送信する。
地上設備130は、通信装置131と衛星管制装置132とを備える。
通信装置131は、観測データを受信する。また、通信装置131は、制御コマンドを送信する。
衛星管制装置132は、観測データを処理する。また、衛星管制装置132は、制御コマンドを生成する。
衛星管制装置132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、衛星管制装置132の一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、衛星管制装置132の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。
観測システム100の動作の手順は観測方法に相当する。
図1に基づいて、観測方法を説明する。
観測衛星110は、静止軌道(点線を参照)を飛翔する。その後、観測衛星110は、増速ないし減速して軌道高度を変更する(一点鎖線を参照)。
すると、観測衛星110の軌道高度の変化に伴って、地表に対する観測衛星110の速度(対地速度)が変化する。
そして、地球101の自転速度に対する対地速度差を利用することによって、観測衛星110が上空に滞留する経度帯が変更され、観測可能領域が広域化する。
その後、観測衛星110は、飛翔方向である東方向に対して推進装置を逆噴射させて減速する。すると、観測衛星110の軌道高度が下降し、観測衛星110の対地速度が増速する。そして、観測衛星110の軌道において観測衛星110の位置が地表に対して相対的に東方に移動して日本の上空に復帰する。
このように、観測衛星110は、軌道高度の上昇と軌道高度の下降とを繰り返すことで、広域(例えばアジア周辺)を東西方向に往復しながら継続的に観測することができる。
観測衛星110によって観測することが可能な領域(観測可能領域)を広域化することができる。
観測衛星110が観測対象が位置する経度帯に移動し、移動先において観測衛星110が赤道上空から観測対象を観測することにより、分解能が高くて画像品質が優れた観測データを得ることができる。
観測衛星110は、10000キロメートル未満の距離に位置する通信衛星120と通信する。つまり、観測衛星110と通信衛星120は近傍通信を行う。そして、近傍通信に資する通信機器は、高い指向性および高いゲイン性能を必要としない。そのため、通信装置(113、121)の費用を安価にできる。さらに、通信装置(113、121)を小型化できる。
観測衛星110と通信衛星120の通信において、難度の高い指向制御をせずに通信回線を確立することができる。
観測衛星110は観測と通信をリアルタイムに繰り返すことが可能である。また、地上設備130は、観測によって得られた観測データを即座に確認することが可能である。そして、地上設備130は、次の観測条件を決定し、次の観測条件に応じた制御コマンドを観測衛星110へ送信することが可能である。これにより、より好条件の観測が可能になる。
無指向性アンテナおよび小型アンテナでは、通信ビームが広い。そのため、観測衛星110と通信衛星120が互いの近傍を通過する際に、難しい指向制御をしなくても容易に通信回線を確立することができる。つまり、通信衛星120として利用する通信衛星に対して特別な運用制御を行わなくても、データ中継を行うことができる。したがって、静止軌道に存在する多数の通信衛星を利用することができる。そして、赤道上空の多数の経度帯において、観測衛星110が地上設備130と通信することが可能となる。
観測衛星110の近傍を飛翔する静止衛星に対する電波干渉を回避するための調整が容易になる。
観測システム100について、主に実施の形態1と異なる点を図5から図6に基づいて説明する。
図5に基づいて、観測システム100の構成を説明する。白い星は観測衛星110を表している。記載の便宜上、観測衛星110の符号は省略されている。
観測システム100は、異なる経度帯を飛翔する複数の通信衛星120を備える。図5において、観測システム100は3つの通信衛星120を備えている。
各通信衛星120の近傍通信範囲の一部は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星120の近傍通信範囲の一部とオーバーラップする。
図5および図6に基づいて、観測方法を説明する。
図5は、観測衛星110が静止軌道の高度より低い高度を飛翔する様子を示している。観測衛星110が減速することにより、観測衛星110の軌道高度が下降する。その結果、観測衛星110の対地速度が増速し、観測衛星110の位置が地表に対して相対的に東方に移動する。
図6は、観測衛星110が静止軌道の高度より高い高度を飛翔する様子を示している。観測衛星110が増速することにより、観測衛星110の軌道高度が上昇する。その結果、観測衛星110の対地速度が減速し、観測衛星110の位置が地表に対して相対的に西方に移動する。
複数の通信衛星120が利用されることにより、観測衛星110が東西方向に移動しても、観測衛星110はいずれかの通信衛星120の近傍通信範囲内に位置することができる。そのため、観測衛星110が移動先でもリアルタイム通信を行うことが可能になる。
複数の通信衛星120は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星120の近傍通信範囲同士が一部でオーバーラップするように配置される。これにより、観測衛星110の移動範囲内の全ての領域で、観測衛星110がいずれかの通信衛星120と通信回線を確立することができる。
観測システム100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7に基づいて説明する。
図7に基づいて、観測システム100の構成を説明する。白い星は観測衛星110を表している。中央の網掛けは地球101を表している。記載の便宜上、地球101と観測衛星110とのそれぞれの符号は省略されている。
各通信衛星120の近傍通信範囲の一部は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星120の近傍通信範囲の一部とオーバーラップする。
観測衛星110は、近傍通信衛星と通信回線を確立する。近傍通信衛星は、観測衛星110が近傍通信範囲内に位置する通信衛星120である。
近傍通信衛星は、特定の地上設備130と通信回線を確立する。特定の地上設備130は、近傍通信衛星が通信範囲内に位置する地上設備130である。
観測衛星110は、近傍通信衛星経由で特定の地上設備130と通信する。特定の地上設備130は地上通信回線を介して他の地上設備130と通信する。また、観測衛星110は、近傍通信衛星と特定の地上設備130とを介して、特定の地上設備130以外の地上設備130と通信する。
観測装置111が赤外線撮影装置であることにより、日照条件に依存しない観測が可能となる。つまり、昼夜に関わらず観測を行うことが可能となる。
観測衛星110が静止軌道よりも高度が高い軌道を周回する運用が可能となる。また、観測衛星110が静止軌道よりも高度が低い軌道を周回する運用が可能となる。
複数の地上設備130が互いに異なる経度帯に設置される。これにより、赤道上空の全周において観測衛星110が観測および通信をリアルタイムに行うことができる。例えば、観測衛星110が日本から見て地球101の裏側を飛翔する時間帯において、観測衛星110は観測および通信をリアルタイムに行うことができる。
複数の通信衛星120は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星120の近傍通信範囲同士が一部でオーバーラップするように配置される。これにより、観測衛星110は、観測および通信を常時行うことができる。
観測システム100について、主に実施の形態1から実施の形態3と異なる点を図8から図10に基づいて説明する。
実施の形態4において、高度および時間などの値はおおよその値である。
図8に基づいて、観測システム100の構成を説明する。白い星は観測衛星110を表している。地上設備130の図示は省略されている。
観測システム100は、異なる経度帯を飛翔する複数の通信衛星120を備える。
各通信衛星120の近傍通信範囲の一部は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星120の近傍通信範囲の一部とオーバーラップする。
図8に基づいて、観測方法を説明する。
複数の通信衛星120は、静止軌道(破線を参照)を1日に1周回する。つまり、複数の通信衛星120の周回周期は24時間である。静止軌道の高度は約36000キロメートルである。
観測衛星110は、赤道上空の高度10000キロメートル以上36000キロメートル未満の軌道を周回する。
観測衛星110と各通信衛星120は、30000キロメートル未満の距離に接近して通信を行う。
図8において、観測軌道(一点鎖線を参照)は、赤道上空の高度20000キロメートルの軌道である。
観測衛星110は、この観測軌道を1日に2周回する。つまり、観測衛星110の周回周期は12時間である。
図9において、観測軌道は、赤道上空の高度14000キロメートルの軌道である。
観測衛星110は、この観測軌道を1日に3周回する。つまり、観測衛星110の周回周期は8時間である。
図10において、観測軌道は、赤道上空の高度10000キロメートルの軌道である。
観測衛星110は、この観測軌道を1日に4周回する。つまり、観測衛星110の周回周期は6時間である。
静止軌道からの観測のように遠方からの観測では、分解能の向上が難しい。また、観測装置111が大型化してしまう。
そこで、観測衛星110は、静止軌道よりも高度が低い軌道を周回する。例えば、観測衛星110は、赤道上空の高度20000キロメートルの軌道を飛翔する。これにより、観測衛星110から地表までの距離(対地距離)が接近するため、分解能の向上が容易になる。また、観測装置111の小型化が可能になる。さらに、観測衛星110は、地球101を一日に2周回し、各周回で各通信衛星120と通信を行うことができる。そのため、赤道上空の全周において観測を行うことが可能になる。
観測衛星110が赤道上空の高度14000キロメートルの軌道を飛翔する場合、観測衛星110は地球101を一日に3周回する。観測衛星110が赤道上空の高度10000キロメートルの軌道を飛翔する場合、観測衛星110は地球101を一日に4周回する。観測衛星110の軌道高度が低くなると対地距離が短くなるため、観測装置111の小型化が可能になる。
観測システム100について、主に実施の形態1から実施の形態4と異なる点を図11に基づいて説明する。
観測システム100の構成は、実施の形態1または実施の形態2における構成と同じである。
図11に基づいて、観測方法を説明する。
観測衛星110は、静止軌道の高度と異なる高度から宇宙物体102を観測対象にして観測を行う。
宇宙物体102は、静止軌道または静止軌道の近傍を飛翔する物体である。宇宙物体102の具体例はスペースデブリである。
例えば、観測衛星110は、静止軌道の高度より高い高度を飛翔し、宇宙物体102に追い抜かされながら宇宙物体102を観測する。
観測衛星110は、静止軌道の近傍を飛翔するデブリを観測することができる。その結果、地上設備130において、デブリが人工衛星に衝突する危険性を検知して回避行動を実施することが可能となる。
観測衛星110と通信衛星120と地上設備130は、データを秘匿化して通信を行ってもよい。つまり、観測システム100において、通信が秘匿化されてもよい。
静止軌道または静止軌道の近傍を飛翔する衛星の軌道上寿命が15年以上に及ぶ場合があり、軌道上寿命期間内に想定される安全保障上の脅威に対処する必要がある。また、安全保障上の脅威に対する抗堪性が求められる。そして、通信の秘匿化により、安全保障上の脅威に対する抗堪性が確保される。さらに、通信の秘匿化は、リアルタイムな対処に有効である。
静止軌道から光学観測を行う観測衛星は常時観測が行えるというメリットがある。しかし、赤道上空の高度約36000キロメートルから観測が行われるため、分解能の向上が難しい。また、地上との通信を許可された特定経度領域に観測が限定される場合、高分解能で観測される地表の経度帯が限定される。
静止軌道を飛翔する観測衛星を増速させると観測衛星の軌道高度が上昇し、観測衛星の対地速度が低下する。そのため、観測衛星から直下視される地表経度を変更することができる。このため、日本上空に滞留していた観測衛星を西方に移動させてアジアおよびオセアニアに対する災害監視等の貢献が可能となる。
但し、赤道上空の広域の経度領域において地上と通信する許可を取得することは難しい。
このため、地上と通信できない領域での観測で得られたデータは、観測衛星で記録して保有しておき、観測衛星が地上設備と通信できる領域まで移動したときに地上設備に伝送する必要がある。この方法は、災害監視など即時性を要する観測には不向きである。
そこで、赤道上空の静止軌道を飛翔する通信衛星と観測衛星が通信する。これにより、観測衛星と地上設備が通信衛星経由での通信を行う観測システムが構築される。
観測システムの一例として、低軌道を周回する観測衛星へのコマンドの送信とその観測衛星からの観測データの受信が静止軌道を飛翔する通信衛星経由で実施されるデータ中継システムが考えられる。
遠距離の衛星間通信を高データ伝送レートで実施するためには、通信ビームを狭ビーム化し、指向制御を行い、通信回線を確立する必要がある。しかし、アンテナが巨大化して通信機器が高価になる。また、通信ビームの指向制御が難しい。近年、光通信によってアンテナの巨大化を回避する手段が存在する。しかし、光通信を実現するための指向制御は、電波通信における指向制御以上に難しい。
近傍通信に資する通信機器は高い指向性および高ゲイン性能を必要としない。つまり、近傍通信に資する通信機器は、無指向性アンテナまたは小型アンテナを使用することが可能である、また、近傍通信に資する通信機器は、安価で且つ小型である。そのため、近傍通信に資する通信機器は、静止軌道上に多数存在する通信衛星に容易に搭載することができる。
無指向性アンテナおよび小型アンテナのビームは広いので、観測衛星と通信衛星が近傍を通過する際に難しい指向制御をしなくても、容易に通信回線を確立することができる。
このため、静止軌道上に多数存在する通信衛星が特別な運用制御をしなくてもデータ中継を行うことができる。そして、多数の通信衛星を利用して赤道上空の多数の経度帯において地上との通信が可能な領域が確保される。
Claims (11)
- 観測装置と通信装置と推進装置とを備えて静止軌道近傍を飛翔する観測衛星と、
通信装置を備える地上設備と、
通信装置を備えて静止軌道を飛翔する複数の通信衛星と、
を有し
前記観測衛星と前記複数の通信衛星のいずれかが、相互に相対距離10000キロメートル未満の距離で近傍通信を行う
観測システムであり、
前記複数の通信衛星は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星の近傍通信範囲同士が一部でオーバーラップするように配置され、互いに異なる経度帯を飛翔し、
前記観測衛星は、
前記推進装置を動作させて増速ないし減速して軌道高度を変更することによって、上空に滞留する経度帯を変更し、
変更後の地表経度の地表画像または変更後の地表経度の上空の宇宙物体を観測し、
前記複数の通信衛星のうちのいずれか1機の通信衛星と相対距離10000キロメートル未満に接近して近傍通信する
観測システム。 - 前記観測衛星と前記通信衛星と前記地上設備がデータを秘匿化して通信を行う
請求項1に記載の観測システム。 - 請求項1または請求項2に記載の観測システムで使用される観測衛星。
- 請求項1または請求項2に記載の観測システムで使用される通信衛星。
- 請求項1または請求項2に記載の観測システムで使用される地上設備。
- 観測装置と通信装置と推進装置とを備えて赤道上空の高度10000キロメートル以上の軌道を飛翔する観測衛星と、
通信装置を備える地上設備と、
通信装置を備えて静止軌道を飛翔する複数の通信衛星と、
を有し、
前記観測衛星と前記複数の通信衛星のいずれかが、相互に相対距離30000キロメートル未満の距離で近傍通信を行う
観測システムであり、
前記複数の通信衛星は、静止軌道の周回方向において隣り合う通信衛星の近傍通信範囲同士が一部でオーバーラップするように配置され、互いに異なる経度帯を飛翔し、
前記観測衛星は、前記複数の通信衛星のうちのいずれか1機の通信衛星と相対距離30000キロメートル未満に接近して近傍通信する
観測システム。 - 前記観測衛星と前記通信衛星と前記地上設備がデータを秘匿化して通信を行う
請求項6に記載の観測システム。 - 前記複数の通信衛星が赤道上空の全周に渡って異なる経度帯を飛翔する
請求項1または請求項6に記載の観測システム。 - 請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の観測システムで使用される観測衛星。
- 請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の観測システムで使用される通信衛星。
- 請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の観測システムで使用される地上設備。
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