JP7416467B1 - 衛星位置推定方法及び衛星位置推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】測距センサを利用することなく複数の衛星の間の相対位置関係を推定することができる技術を提供する。【解決手段】複数の衛星の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星が衛星セットとして選択される。送信衛星はテスト信号を送信する。各中継衛星は、送信衛星から受信したテスト信号の位相をシフトさせ、位相シフト後のテスト信号を送信する。受信衛星は、各中継衛星から送信される位相シフト後のテスト信号を受信する。受信衛星におけるテスト信号の受信信号強度が最大となるように、複数の中継衛星の各々におけるテスト信号の位相シフト量が調整される。受信信号強度が最大となる場合の、衛星セットの位置と位相シフト量との間の関係を表す方程式が取得される。そして、複数種類の衛星セットのそれぞれに対して得られる複数の方程式を解くことによって、複数の衛星の間の相対位置関係が推定される。【選択図】図４

Description

本開示は、複数の衛星を利用した衛星通信技術に関する。

特許文献１は、衛星通信システムを開示している。親局端末と子局端末は、人工衛星を経由する回線を用いて通信を行う。

特開２０２０－１６１９２７号公報

複数の衛星の間の相対位置関係の情報を取得することを考える。測距センサを利用して衛星間の距離を計測することも考えられるが、その場合、コストが増大する。

本開示の１つの目的は、測距センサを利用することなく複数の衛星の間の相対位置関係を推定することができる技術を提供することにある。

第１の観点は、複数の衛星の間の相対位置関係を推定する衛星位置推定方法に関連する。
衛星位置推定方法は、
複数の衛星の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星を衛星セットとして選択することと、
送信衛星からテスト信号を送信することと、
複数の中継衛星の各々において、送信衛星から受信したテスト信号の位相をシフトさせ、位相シフト後のテスト信号を送信することと、
複数の中継衛星の各々から送信される位相シフト後のテスト信号を受信衛星によって受信することと、
受信衛星におけるテスト信号の受信信号強度が最大となるように、複数の中継衛星の各々におけるテスト信号の位相シフト量を調整することと、
受信信号強度が最大となる場合の、衛星セットの位置と位相シフト量との間の関係を表す方程式を取得することと、
複数種類の衛星セットのそれぞれに対して得られる複数の方程式を解くことによって、複数の衛星の間の相対位置関係を推定することと
を含む。

第２の観点は、複数の衛星の間の相対位置関係を推定する衛星位置推定システムに関連する。
衛星位置推定システムは、１又は複数のプロセッサを備える。
１又は複数のプロセッサは、
複数の衛星の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星を衛星セットとして選択し、
送信衛星からテスト信号を送信させ、
複数の中継衛星の各々に、送信衛星から受信したテスト信号の位相をシフトさせ、位相シフト後のテスト信号を送信させ、
複数の中継衛星の各々から送信される位相シフト後のテスト信号を受信衛星によって受信させ、
受信衛星におけるテスト信号の受信信号強度が最大となるように、複数の中継衛星の各々にテスト信号の位相シフト量を調整させ、
受信信号強度が最大となる場合の、衛星セットの位置と位相シフト量との間の関係を表す方程式を取得し、
複数種類の衛星セットのそれぞれに対して得られる複数の方程式を解くことによって、複数の衛星の間の相対位置関係を推定する
ように構成される。

本開示によれば、測距センサを利用することなく、複数の衛星の間の相対位置関係を容易に推定することが可能となる。

実施の形態に係る衛星通信システムの概要を説明するための概念図である。 実施の形態に係る衛星通信システムの概要を説明するための概念図である。 実施の形態に係る衛星の基本構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る衛星位置推定技術を説明するための概念図である。 実施の形態に係る衛星位置推定技術を説明するための図である。 実施の形態に係る衛星位置推定技術を説明するための図である。 比較例を説明するための概念図である。 実施の形態に係る信号中継制御技術を説明するための概念図である。 実施の形態に係る信号中継制御技術を説明するための概念図である。 実施の形態に係る信号中継制御技術を説明するための概念図である。 実施の形態に係る信号中継制御技術を説明するための概念図である。 実施の形態に係る衛星の機能構成例を示すブロック図である。

添付図面を参照して、本開示の実施の形態を説明する。

１．超小型衛星を利用した衛星通信システム
図１は、本実施の形態に係る衛星通信システム１の概要を説明するための概念図である。衛星通信システム１は、送信装置１０、受信装置２０、及び複数の衛星１００を含んでいる。送信装置１０と受信装置２０は、複数の衛星１００を介して通信を行う。複数の衛星１００は、送信装置１０と受信装置２０との間の通信を中継する。送信装置１０から送信される信号は、複数の衛星１００を介して受信装置２０に伝送される。

本実施の形態では、衛星１００として超小型の衛星が用いられる。例えば、１つの衛星１００のサイズは数ｃｍ～数十ｃｍである。そのような超小型の衛星１００が多数集合し、フォーメーションフライト（formation flight, 編隊飛行）を行う。衛星１００の総数Ｎは、特に限定されない。衛星１００の総数Ｎは、数百、数千、あるいは数万以上であってもよい。隣り合う衛星１００間の距離は、例えば、数ｃｍ～数十ｃｍである。隣り合う衛星１００間の距離は、波長程度であってもよいし、波長より短くてもよい（例：想定周波数帯＝０．８ＧＨｚ～６０ＧＨｚ）。各衛星１００の高度は、例えば、数百ｋｍ～千ｋｍ程度である。

各衛星１００はアンテナを備えている。そして、多数の衛星１００は、集合してフォーメーションフライトを行うことにより、１つの大きなアレイアンテナとして機能する。そのようなフォーメーションフライトの利点としては、（１）サイズ及び質量の抑制、（２）通信容量の増加、（３）冗長構成による信頼性向上（仮に一部の衛星１００が故障したとしても全体としての機能は維持される）、等が挙げられる。

一般的に、アンテナの直径が２倍になると、その性能は４倍になる。但し、通常の衛星の場合、アンテナ直径が増加すると、衛星全体のサイズは３次元的に増大する。すなわち、アンテナが大きくなるにつれて、衛星全体のサイズ及び質量が著しく増大する。

一方、本実施の形態によれば、多数の衛星１００が集合して１つの大きなアンテナとして機能するため、衛星１００全体のサイズとアンテナ全体のサイズはほぼ同じである。アンテナ面積が増加しても、衛星１００全体のサイズは３次元的に増大しない。従って、衛星１００全体のサイズ及び質量が抑制される。このことは、コスト削減に寄与し、好適である。

また、衛星１００の総数Ｎが増加するにつれて、送信電力及び受信電力が増加する。更に、多数の衛星１００の集合をフェーズドアレイアンテナとして機能させることができる。従って、通信容量が増大する。例えば、本願発明者がＮ＝４～９８９２の場合についてシミュレーションを行ったところ、ＥＩＲＰ（Equivalent Isotropically Radiated Power）がＮの約２乗に比例することが明らかになった。ＥＩＲＰは送信可能データ伝送量に比例するため、送信可能データ伝送量はＮの約２乗に比例する。すなわち、衛星１００の総数Ｎの増加に伴い、送信可能データ伝送量は著しく増大する。

また、衛星１００の総数Ｎが増加するほど、メインローブのコーン角が小さくなり、より多くの通信を同時に収容することが可能となる。また、衛星１００間の間隔が狭くなるにつれて、サイドローブ（漏れ）は小さくなる。例えば、衛星１００間の間隔は波長未満に設定されてもよい。

このような多数の衛星１００のフォーメーションフライトにより、大容量通信サービスを提供することが可能となる。送信装置１０及び受信装置２０は、特に限定されない。例えば、送信装置１０及び受信装置２０は、スマートフォン等の携帯端末であってもよい。送信装置１０及び受信装置２０は、基地局を介さずに、衛星１００と直接通信を行ってもよい。電波の弱さについては、上述の通り衛星１００の総数Ｎを増やすことによって補うことが可能である。

図２に示されるように、複数の送信装置１０と複数の受信装置２０が同時に通信を行ってもよい。このとき、各衛星１００における信号中継を工夫することによって、混信を回避することが可能となる。混信を回避することができる信号中継制御方法については、後のセクション３－３において詳しく説明する。

衛星通信システム１は、更に、衛星１００全体の管理を行う管理システム２００を含んでいてもよい。管理システム２００は、各衛星１００と通信可能である。管理システム２００は、地上局であってもよいし、衛星１００とは異なる他の衛星であってもよいし、複数の衛星１００のうちいずれかに含まれていてもよい。

図３は、衛星１００の基本構成例を示すブロック図である。衛星１００は、アンテナ１１０、送受信回路１２０、推進装置１３０、及び制御装置１４０を備えている。

送受信回路１２０は、アンテナ１１０を介して信号を受信し、受信信号を制御装置１４０に送る。また、送受信回路１２０は、制御装置１４０から送信信号を受け取り、アンテナ１１０を介して送信信号を送信する。

推進装置１３０は、衛星１００の位置及び姿勢を調整するための機構である。フォーメーションフライトを行う超小型の衛星１００の場合、推進装置１３０は、電磁石１３１を含んでいてもよい。電磁石１３１によって生成される磁場は、近い衛星１００には作用するが、遠い衛星１００にはほとんど影響しない。よって、電磁石１３１を利用することによって、近い衛星１００同士で位置及び姿勢を調整することができる。すなわち、シンプルな構成によってフォーメーションフライトを実現することができる。このことは、衛星１００の小型軽量化、低コスト化の観点から好ましい。

制御装置１４０は、衛星１００を制御する。具体的には、制御装置１４０は、推進装置１３０を制御することによって衛星１００の位置及び姿勢を制御する。また、制御装置１４０は、衛星１００と他の装置との通信を制御する。更に、制御装置１４０は、各種の信号処理及び各種の情報処理を行う。

制御装置１４０は、１又は複数のプロセッサ１４１（以下、単に「プロセッサ１４１」と呼ぶ）と１又は複数の記憶装置１４２（以下、単に「記憶装置１４２」と呼ぶ）を含んでいる。プロセッサ１４１は、各種の情報処理を行う。例えば、プロセッサ１４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んでいる。記憶装置１４２には、プロセッサ１４１による処理に必要な各種情報が格納される。

制御プログラム１４３は、プロセッサ１４１によって実行されるコンピュータプログラムである。制御プログラム１４３を実行するプロセッサ１４１と記憶装置１４２との協働によって、制御装置１４０の機能が実現される。制御プログラム１４３は、記憶装置１４２に格納される。制御プログラム１４３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。

以下、本実施の形態に係る衛星通信システム１に適用される新たな技術として、「衛星位置推定技術」と「信号中継制御技術」について説明する。

２．衛星位置推定技術
複数の衛星１００の間の相対位置関係の情報を取得することを考える。各衛星１００に測距センサを搭載し、測距センサを利用して衛星１００間の距離を計測することも考えられるが、その場合、コストが増大する。そこで、セクション２では、測距センサを利用することなく複数の衛星１００の間の相対位置関係を推定することができる手法を提案する。

２－１．基本コンセプト
図４は、衛星セットＳとその衛星セットＳにおける通信を説明するため概念図である。衛星セットＳは、４基以上の衛星１００を含み、衛星通信システム１を構成する複数の衛星１００の中から選択される。衛星セットＳは、送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星を含む。図４に示される例では、衛星セットＳは、送信衛星Ａ、中継衛星Ｂ、中継衛星Ｃ、及び受信衛星Ｄを含んでいる。

送信衛星Ａは、テスト信号を周囲に送信する。中継衛星Ｂと中継衛星Ｃの各々は、送信衛星Ａから送信されたテスト信号を受信する。中継衛星Ｂは、受信したテスト信号の位相を位相シフト量αｂだけシフトさせ、位相シフト後のテスト信号を周囲に送信する。同様に、中継衛星Ｃは、受信したテスト信号の位相を位相シフト量αｃだけシフトさせ、位相シフト後のテスト信号を周囲に送信する。受信衛星Ｄは、中継衛星Ｂから送信される位相シフト後のテスト信号と、中継衛星Ｃから送信される位相シフト後のテスト信号を、並列的に受信する。受信衛星Ｄは、テスト信号の受信信号強度の情報を取得する。そして、受信衛星Ｄにおけるテスト信号の受信信号強度が最大となるように、中継衛星Ｂにおける位相シフト量αｂと中継衛星Ｃにおける位相シフト量αｃが調整される。

尚、送信衛星Ａから受信衛星Ｄへの直接波と区別するために、中継衛星Ｂと中継衛星Ｃの各々は、テスト信号を中継する際に周波数を所定の倍率だけ逓倍する。但し、中継されたテスト信号を直接波と区別することができれば、その手法は問わない。

図４において、Ｄａｂは、送信衛星Ａと中継衛星Ｂとの間の距離である。Ｄａｃは、送信衛星Ａと中継衛星Ｃとの間の距離である。Ｄｂｄは、中継衛星Ｂと受信衛星Ｄとの間の距離である。Ｄｃｄは、中継衛星Ｃと受信衛星Ｄとの間の距離である。これら距離Ｄａｂ、Ｄａｃ、Ｄｂｄ、Ｄｃｄは、衛星Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間の位置関係に依存して一意に定まる。言い換えれば、距離Ｄａｂ、Ｄａｃ、Ｄｂｄ、Ｄｃｄは、衛星セットＳの位置に依存して一意に定まる。

また、中継衛星Ｂにおいてテスト信号を中継する際の信号処理による遅れ（信号処理時間）は、βｂで表される。同様に、中継衛星Ｃにおいてテスト信号を中継する際の信号処理による遅れ（信号処理時間）は、βｃで表される。

実効距離Ｄａｂｄは、中継衛星Ｂを介した送信衛星Ａから受信衛星Ｄへの信号パスの実効的な距離である。同様に、実効距離Ｄａｃｄは、中継衛星Ｃを介した送信衛星Ａから受信衛星Ｄへの信号パスの実効的な距離である。実効距離Ｄａｂｄ，Ｄａｃｄは、それぞれ、下記式（１）、（２）で表される。尚、下記式（１）、（２）において、αｂ、βｂ、αｃ、βｃは、距離の次元に換算した量を表すとする。

式（１）：Ｄａｂｄ＝Ｄａｂ＋αｂ＋βｂ＋Ｄｂｄ
式（２）：Ｄａｃｄ＝Ｄａｃ＋αｃ＋βｃ＋Ｄｃｄ

距離差Δは、次の式（３）により定義される。

式（３）：Δ＝Ｄａｂｄ－Ｄａｃｄ

受信衛星Ｄにおけるテスト信号の受信信号強度が最大となる場合は、距離差Δが０になる場合に相当する。すなわち、受信衛星Ｄにおけるテスト信号の受信信号強度が最大となる場合、次の式（４）が成立する。

式（４）：Ｄａｂｄ－Ｄａｃｄ＝（Ｄａｂ＋αｂ＋βｂ＋Ｄｂｄ）－（Ｄａｃ＋αｃ＋βｃ＋Ｄｃｄ）＝０

式（４）は、受信衛星Ｄにおけるテスト信号の受信信号強度が最大となる場合の、衛星セットＳの位置と、位相シフト量αｂ、αｃと、遅れβｂ、βｃとの間の関係を表す方程式である。

衛星通信システム１を構成する複数の衛星１００において、送信衛星Ａ、中継衛星Ｂ、中継衛星Ｃ、及び受信衛星Ｄの組み合わせとしては様々なものが存在する。すなわち、複数種類の衛星セットＳが存在する。それら複数種類の衛星セットＳのそれぞれに対して上記の処理が実施される。その結果、複数種類の衛星セットＳのそれぞれに対して、複数の方程式（式（４））が得られる。

衛星１００の総数がＮ（Ｎ≧４）である場合に得られる方程式の数は、次の通りである。まず、送信衛星Ａと受信衛星Ｄの組み合わせ数は、Ｎ×（Ｎ－１）／２である。送信衛星Ａと受信衛星Ｄが選択された後、中継衛星Ｂと中継衛星Ｃの組み合わせ数は、（Ｎ－２）×（Ｎ－３）／２である。単純には、方程式の数は、両者の掛け算となる。但し、実際には方程式の重複が発生するため、方程式の実質的な数はより少なくなる。

図５を参照して、方程式の重複について説明する。図５に示される例では、衛星１００の総数Ｎは５である。図５中の丸数字は、５個の衛星１００－１、１００－２、１００－３、１００－４、及び１００－５のそれぞれを意味する。衛星１００－１が送信衛星Ａであり、衛星１００－２が受信衛星Ｄである。中継衛星Ｂと中継衛星Ｃの組み合わせとしては、［１００－３、１００－４］、［１００－３、１００－５］、［１００－４、１００－５］の３パターンがある。それら３パターンに対して、「Ｄ１４２＝Ｄ１３２」、「Ｄ１５２＝Ｄ１３２」、「Ｄ１５２＝Ｄ１４２」の３個の方程式が得られる。しかしながら、１個の方程式は、他の２個の方程式の組み合わせと同じである。よって、方程式の実質的な数は少なくなる。

方程式の重複も考慮すると、衛星１００の総数がＮ（Ｎ≧４）である場合に得られる方程式の数は、次の式（５）で表される。

式（５）：方程式の数＝Ｎ×（Ｎ－１）×（Ｎ－３）／２

その一方で、方程式中の不明パラメータは、衛星１００間の距離と各衛星１００における遅れβである。衛星１００間の距離は、ＸＹＺ座標系において定義される各衛星１００の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）から算出される。従って、１基の衛星１００あたりの不明パラメータは、位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と遅れβの４個である。Ｎ基の衛星１００に対する不明パラメータの数は、４Ｎである。

ここで、衛星１００－１は原点に位置し、衛星１００－２はＸ軸上に位置し、衛星１００－３はＸＹ平面上に位置するとする。また、衛星１００－１における遅れβは推定しないとする。これにより、不明パラメータの数を７個減らすことができる。結果として、不明パラメータの数は、次の式（６）で表される。

式（６）：不明パラメータの数＝４Ｎ－７

式（５）、（６）から分かるように、衛星１００の総数Ｎが増加するにつれて、方程式の数は不明パラメータの数よりも急激に増加する。従って、複数の方程式（連立方程式）を解くことによって、不明パラメータを算出することが可能となる。

図６は、本願発明者により実施されたシミュレーションの結果を示している。連立方程式を解くために行列が作成されるが、実際には行列のランク落ちが発生することが判明した。例えば、Ｎ＝８の場合、上記式（５）から求められる方程式の数は１４０であるが、実際にはランク落ちのため方程式の数は２５まで減少する。以上のことから、衛星１００の総数Ｎが８以上であれば、連立方程式を解くことができることが判明した。よって、衛星１００の総数Ｎは８以上であることが好ましい。

尚、変形例として、各衛星１００における遅れβは等しいと仮定されてもよい。この場合、不明パラメータの数は更に減る。衛星位置推定の精度は多少低下する可能性はあるが、その精度が許容範囲であれば、各衛星１００における遅れβは等しいと仮定してもよい。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、衛星通信システム１を構成する複数の衛星１００の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星が衛星セットＳとして選択される。そして、受信衛星におけるテスト信号の受信信号強度が最大となるように、各中継衛星におけるテスト信号の位相シフト量αが調整される。これにより、受信信号強度が最大となる場合の衛星セットＳの位置と位相シフト量αとの間の関係を少なくとも表す方程式が得られる。更に、衛星セットＳを様々に変更することによって、複数種類の衛星セットＳのそれぞれに対して複数の方程式が得られる。このようにして得られた複数の方程式（連立方程式）を解くことによって、複数の衛星１００の間の相対位置関係を推定（算出）することが可能となる。

各衛星１００における遅れβも不明パラメータとして扱う場合、複数の衛星１００の間の相対位置関係と共に、各衛星１００における遅れβも推定（算出）される。

２－２．衛星位置推定システム
衛星位置推定システムは、上述の基本コンセプトに従って衛星位置推定処理を実行する。そのために、衛星位置推定システムは、各衛星１００と通信を行い、各衛星１００に指示を出し、また、各衛星１００から必要な情報を収集する。衛星位置推定システムは任意である。例えば、衛星位置推定システムは、複数の衛星１００のうちいずれかの制御装置１４０（図３参照）により実現される。他の例として、衛星位置推定システムは、管理システム２００（図１、２参照）により実現されてもよい。衛星位置推定システムは、いずれかの衛星１００と管理システム２００に分散していてもよい。

一般化すれば、衛星位置推定システムは、１又は複数のプロセッサを備える。その１又は複数のプロセッサが、本実施の形態に係る衛星位置推定処理を実行する。

具体的には、衛星位置推定システムは、複数の衛星１００の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星を衛星セットＳとして選択する。また、衛星位置推定システムは、衛星セットＳに対し、図４で説明されたような通信処理を実行するよう指示する。更に、衛星位置推定システムは、テスト信号の受信信号強度に関する情報を受信衛星から収集する。更に、衛星位置推定システムは、中継衛星の各々から位相シフト量αに関する情報を収集する。更に、衛星位置推定システムは、受信装置におけるテスト信号の受信信号強度が最大となる場合の方程式を取得する。そして、衛星位置推定システムは、複数種類の衛星セットＳのそれぞれに対して得られた複数の方程式（連立方程式）を解くことによって、複数の衛星１００の間の相対位置関係を推定（算出）する。

２－３．効果
以上に説明されたように、本実施の形態に係る衛星位置推定技術によれば、測距センサを利用することなく、複数の衛星１００の間の相対位置関係を容易に推定することが可能となる。衛星位置推定に利用されるのは、通常の通信においても使用される通信機器である。衛星位置推定専用の特殊な機器を衛星１００に搭載する必要は無い。このことは、衛星１００の小型軽量化及び低コスト化に寄与する。

３．信号中継制御技術
図１で示されたように、本実施の形態に係る衛星通信システム１では、送信装置１０と受信装置２０は、複数の衛星１００を介して通信を行う。つまり、複数の衛星１００は、送信装置１０と受信装置２０との間の通信を中継する。セクション３では、複数の衛星１００の各々における信号中継について考える。

以下の説明では、便宜上、複数の衛星１００の各々を「衛星１００－ｉ」と呼ぶ。ｉは、各衛星１００の識別子であり、１～Ｎの値を取る。Ｎは、衛星通信システム１を構成する衛星１００の総数である。「複数の衛星１００－ｉ」という表現は、衛星１００－１～１００－Ｎを意味する。

３－１．比較例
まず、図７を参照して、比較例について説明する。第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａは、複数の衛星１００－ｉを介して通信を行う。複数の衛星１００－ｉは、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａとの間の通信を中継する。

パスＰＡｉは、第１送信装置１０－Ａから衛星１００－ｉへの信号パスである。第１パスＰＡＡｉは、第１送信装置１０－Ａから第１受信装置２０－Ａへの信号パスであって、衛星１００－ｉを通過（経由）する信号パスである。複数の衛星１００－ｉのそれぞれを通過する複数の第１パスＰＡＡｉの長さは、互いに異なっている。

第１送信装置１０－Ａは、第１受信装置２０－Ａに対して第１信号ＴＡを送信する。第１送信装置１０－Ａから送信された第１信号ＴＡは、複数の第１パスＰＡＡｉを介して第１受信装置２０－Ａに伝送される。

便宜上、以下の説明において、信号について次のような表現を用いる。
・第１信号ＴＡ［ＰＡｉ］＝パスＰＡｉを経て衛星１００－ｉによって受信される第１信号ＴＡ
・第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］＝第１パスＰＡＡｉを経て第１受信装置２０－Ａによって受信される第１信号ＴＡ

第１受信装置２０－Ａは、複数の第１パスＰＡＡｉのそれぞれを介して複数の第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］を受信する。よって、図７に示されるように、第１受信装置２０－Ａにおける受信信号は、複数の第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］の和で表される。

しかしながら、上述の通り、複数の第１パスＰＡＡｉの長さは、互いに異なっている。従って、第１受信装置２０－Ａの位置において、複数の第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］の位相が揃わず、十分な受信信号強度が得られない。つまり、第１受信装置２０－Ａの位置では、位相の異なる複数の第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］が重なり合ってノイズとなる。その結果、第１受信装置２０－Ａにおいて第１信号ＴＡを正確に復調できなくなる。

このような課題を解決するために、本実施の形態によれば、各衛星１００－ｉが以下に説明される「遅延処理」を実行する。

３－２．遅延処理
図８は、本実施の形態に係る衛星１００－ｉにおける遅延処理を説明するための概念図である。衛星１００－ｉは、第１送信装置１０－Ａから受信した第１信号ＴＡ［ＰＡｉ］に対して遅延処理を実行する。より詳細には、衛星１００－ｉは、第１信号ＴＡ［ＰＡｉ］を第１遅延量δＡｉだけ遅延させる。

便宜上、以下の説明において、信号について次のような表現を用いる。
・第１遅延信号ＴＡ［ＰＡｉ＋δＡｉ］＝衛星１００－ｉにおいて第１遅延量δＡｉだけ遅延させられた第１信号ＴＡ［ＰＡｉ］
・第１遅延信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］＝衛星１００－ｉにおいて第１遅延量δＡｉだけ遅延させられた第１信号ＴＡ［ＰＡＡｉ］

衛星１００－ｉにおける第１遅延量δＡｉは、複数の第１パスＰＡＡｉ間の距離差を吸収するように設定される。言い換えれば、衛星１００－ｉにおける第１遅延量δＡｉは、第１受信装置２０－Ａの位置において複数の第１遅延信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］の位相が揃うように設定される。第１遅延量δＡｉは、衛星１００－ｉ毎に異なる。

「第１遅延パターンＤＬＡ」は、複数の衛星１００－ｉのそれぞれにおける複数の第１遅延量δＡｉの組み合わせである。第１遅延パターンＤＬＡは、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａと複数の衛星１００－ｉとの間の位置関係に基づいて決定される。そのような第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａと複数の衛星１００－ｉとの間の位置関係を示す情報を、以下、「位置情報ＰＯＳ」と呼ぶ。

位置情報ＰＯＳは、例えば、次のように取得される。第１送信装置１０－Ａは、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）等を利用して自身の位置情報を取得する。第１受信装置２０－Ａは、ＧＮＳＳ等を利用して自身の位置情報を取得する。複数の衛星１００－ｉのうち少なくとも１つの代表衛星１００－Ｒは、周知の手法を用いて、絶対座標系における自身の位置及び姿勢の情報を取得する。例えば、代表衛星１００－Ｒは、カメラを用いて太陽、月、地球、あるいは恒星を撮像することによって、絶対座標系における自身の位置及び姿勢の情報を取得する。複数の衛星１００－ｉの間の相対位置関係は、上記セクション２において説明した「衛星位置推定技術」によって得られる。これらの情報に基づいて、位置情報ＰＯＳを取得することができる。

例えば、代表衛星１００－Ｒは、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａからそれぞれの位置情報を取得する。また、代表衛星１００－Ｒは、絶対座標系における自身の位置及び姿勢の情報を取得する。更に、代表衛星１００－Ｒは、上記セクション２において説明した衛星位置推定技術によって、複数の衛星１００－ｉの間の相対位置関係を取得する。これら情報に基づいて、代表衛星１００－Ｒは位置情報ＰＯＳを取得する。

更に、代表衛星１００－Ｒは、位置情報ＰＯＳに基づいて、複数の第１パスＰＡＡｉの長さを算出し、複数の第１パスＰＡＡｉ間の距離差を吸収するような第１遅延パターンＤＬＡを決定する。そして、代表衛星１００－Ｒは、第１遅延パターンＤＬＡを複数の衛星１００－ｉに通知する。各衛星１００－ｉは、通知された第１遅延パターンＤＬＡを参照して、各衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉを取得する。

他の例として、代表衛星１００－Ｒは、第１遅延パターンＤＬＡの中から衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉを抽出し、その第１遅延量δＡｉの情報を衛星１００－ｉに通知してもよい。これによっても、各衛星１００－ｉは、各衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉを取得することができる。

更に他の例として、代表衛星１００－Ｒは、位置情報ＰＯＳを複数の衛星１００－ｉに通知してもよい。この場合、各衛星１００－ｉは、位置情報ＰＯＳに基づいて、複数の第１パスＰＡＡｉの長さを算出し、複数の第１パスＰＡＡｉ間の距離差を吸収するような第１遅延パターンＤＬＡを決定する。そして、各衛星１００－ｉは、第１遅延パターンＤＬＡを参照して、各衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉを取得する。

更に他の例として、上記の代表衛星１００－Ｒの代わりに、管理システム２００（図１、図２参照）が上記の代表衛星１００－Ｒと同様の処理を行ってもよい。

いずれの場合であっても、衛星１００－ｉは、少なくとも衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉの情報を取得する。衛星１００－ｉは、受信信号（ＴＡ［ＰＡｉ］）を第１遅延量δＡｉだけ遅延させることによって第１遅延信号ＴＡ［ＰＡｉ＋δＡｉ］を生成する。そして、衛星１００－ｉは、第１遅延信号ＴＡ［ＰＡｉ＋δＡｉ］を含む信号を第１受信装置２０－Ａに送信する。

第１受信装置２０－Ａは、複数の第１パスＰＡＡｉのそれぞれを介して複数の第１遅延信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］を受信する。図８に示されるように、第１受信装置２０－Ａにおける受信信号は、複数の第１遅延信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］の和で表される。各衛星１００－ｉにおける遅延処理の結果、第１受信装置２０－Ａの位置において、複数の第１遅延信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］の位相が揃う。従って、十分な受信信号強度が得られる。その結果、第１受信装置２０－Ａにおいて第１信号ＴＡを正確に復調することが可能となる。すなわち、複数の衛星１００－ｉが通信を中継する場合であっても、適切に通信を行うことが可能となる。

尚、上述の第１遅延パターンＤＬＡは、あくまでも、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａとの組み合わせに最適化された遅延パターンであることに留意されたい。第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａの組み合わせとは異なる組み合わせに関しては、信号パスが異なるため、第１遅延パターンＤＬＡは有効ではない。この性質を利用することによって、以下に説明されるように、多対多通信における混信を回避することが可能となる。

３－３．多対多通信
図９は、多対多通信を説明するための概念図である。ここでは、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａとの間の通信、及び、第２送信装置１０－Ｂと第２受信装置２０－Ｂとの間の通信が同時に行われる場合について考える。送信装置１０と受信装置２０の組み合わせが３以上ある場合についても同様である。

第１送信装置１０－Ａ、第１受信装置２０－Ａ、パスＰＡｉ、第１パスＰＡＡｉ、第１信号ＴＡ、第１遅延量δＡｉ、第１遅延パターンＤＬＡは、上述の通りである。

第２送信装置１０－Ｂ、第２受信装置２０－Ｂ、パスＰＢｉ、第２パスＰＢＢｉ、第２信号ＴＢ、第２遅延量δＢｉ、第２遅延パターンＤＬＢは、上記説明における「第１」を「第２」と読み替え、「Ａ」を「Ｂ」と読み替えたものに相当する。

衛星１００－ｉにおける第２遅延量δＢｉは、複数の第２パスＰＢＢｉ間の距離差を吸収するように設定される。第２遅延量δＢｉは、衛星１００－ｉ毎に異なる。第２遅延パターンＤＬＢは、複数の衛星１００－ｉのそれぞれにおける複数の第２遅延量δＢｉの組み合わせである。第２遅延パターンＤＬＢは、第２送信装置１０－Ｂと第２受信装置２０－Ｂと複数の衛星１００－ｉとの間の位置関係に基づいて決定される。第２遅延パターンＤＬＢの取得方法は、第１遅延パターンＤＬＡの場合と同様である。第２遅延パターンＤＬＢは、第２送信装置１０－Ｂと第２受信装置２０－Ｂとの組み合わせに最適化された遅延パターンであることに留意されたい。

衛星１００－ｉは、衛星１００－ｉに関する第１遅延量δＡｉと第２遅延量δＢｉの両方の情報を取得する。

図１０及び図１１は、多対多通信の場合の遅延処理を説明するための概念図である。衛星１００－ｉは、第１送信装置１０－Ａから送信される第１信号ＴＡと第２送信装置１０－Ｂから送信される第２信号ＴＢを同時に受信する。すなわち、衛星１００－ｉが受信する受信信号ＳＲｉは、ＴＡ［ＰＡｉ］＋ＴＢ［ＰＢｉ］で表される。

図１０に示されるように、衛星１００－ｉは、受信信号ＳＲｉを第１遅延量δＡｉだけ遅延させることによって第１遅延信号ＳＡｉを生成する。また、衛星１００－ｉは、受信信号ＳＲｉを第２遅延量δＢｉだけ遅延させることによって第２遅延信号ＳＢｉを生成する。ここで、受信信号ＳＲｉを第１送信装置１０－Ａから受信した第１信号ＴＡと第２送信装置１０－Ｂから受信した第２信号ＴＢとに分離・区別する必要は無い。更に、衛星１００－ｉは、第１遅延信号ＳＡｉと第２遅延信号ＳＢｉを合成することによって合成遅延信号ＳＣｉを生成する。

図１１に示されるように、衛星１００－ｉは、合成遅延信号ＳＣｉを含む信号を第１受信装置２０－Ａ及び第２受信装置２０－Ｂの両方に送信する。第１受信装置２０－Ａは、複数の衛星１００－ｉのそれぞれから送信される合成遅延信号ＳＣｉを受信する。第１受信装置２０－Ａが受信する第１受信信号ＳＲＡは、図１１に示される通りである。同様に、第２受信装置２０－Ｂは、複数の衛星１００－ｉのそれぞれから合成遅延信号ＳＣｉを受信する。第２受信装置２０－Ｂが受信する第２受信信号ＳＲＢは、図１１に示される通りである。

上述の通り、第１遅延パターンＤＬＡ及び第１遅延量δＡｉは、第１送信装置１０－Ａと第１受信装置２０－Ａとの組み合わせに最適化されている。つまり、第１遅延パターンＤＬＡ及び第１遅延量δＡｉは、第１送信装置１０－Ａから第１受信装置２０－Ａへの第１パスＰＡＡｉに最適化されている。よって、第１遅延量δＡｉは、第１パスＰＡＡｉに対しては有効であるが、他のパス（ＰＡＢｉ、ＰＢＡｉ、ＰＢＢｉ）に対しては特に有効ではない。

一方、第２遅延パターンＤＬＢ及び第２遅延量δＢｉは、第２送信装置１０－Ｂと第２受信装置２０－Ｂとの組み合わせに最適化されている。つまり、第２遅延パターンＤＬＢ及び第２遅延量δＢｉは、第２送信装置１０－Ｂから第２受信装置２０－Ｂへの第２パスＰＢＢｉに最適化されている。よって、第２遅延量δＢｉは、第２パスＰＢＢｉに対しては有効であるが、他のパス（ＰＡＡｉ、ＰＡＢｉ、ＰＢＡｉ）に対しては特に有効ではない。

従って、第１受信装置２０－Ａにおける第１受信信号ＳＲＡに関しては、パスと遅延量がマッチしている信号ＴＡ［ＰＡＡｉ＋δＡｉ］の位相だけが揃い、十分な受信信号強度が得られることになる。それ以外の信号の位相は揃わず、ノイズとなる。従って、第１受信装置２０－Ａにおいて第１信号ＴＡを正しく復調することが可能となる。複数の衛星１００－ｉが通信を中継することに起因するパス長差を逆手に取って、目的ではない信号を消していると言うこともできる。

同様に、第２受信装置２０－Ｂにおける第２受信信号ＳＲＢに関しては、パスと遅延量がマッチしている信号ＴＢ［ＰＢＢｉ＋δＢｉ］の位相だけが揃い、十分な受信信号強度が得られることになる。それ以外の信号の位相は揃わず、ノイズとなる。従って、第２受信装置２０－Ｂにおいて第２信号ＴＢを正しく復調することが可能となる。

以上に説明した手法によって、多対多通信においても、混信を回避して適切に通信を行うことが可能となる。本手法によって混信を回避することができるため、複数の送信装置１０に送信タイミングを割り当てるコンダクターは不要である。各送信装置１０は、任意のタイミングで信号を送信してもよい。

また、衛星１００－ｉは、受信信号ＳＲｉを第１送信装置１０－Ａからの第１信号ＴＡと第２送信装置１０－Ｂからの第２信号ＴＢに分離する必要はない。言い換えれば、衛星１００－ｉは、受信信号ＳＲｉから第１信号ＴＡと第２信号ＴＢを復調する必要はない。衛星１００－ｉは、単に、受信信号ＳＲｉから第１遅延信号ＳＡｉと第２遅延信号ＳＢｉを生成し、それら第１遅延信号ＳＡｉと第２遅延信号ＳＢｉを合成するだけでよい。この処理は、受信信号ＳＲｉから第１信号ＴＡと第２信号ＴＢを復調するための複雑な処理と比較すれば、はるかに容易である。すなわち、本実施の形態によれば、シンプルな処理によって混信を回避することが可能となる。このことは、処理負荷の軽減、消費電力の削減、等の観点から好適である。

３－４．機能構成例
図１２は、本実施の形態に係る衛星１００－ｉの機能構成例を示すブロック図である。衛星１００－ｉは、遅延処理部１５０、合成部１６０、及び遅延設定部１７０を含んでいる。これら機能ブロックは、衛星１００－ｉの制御装置１４０（図３参照）により実現される。

遅延処理部１５０は、受信信号ＳＲｉに対して上述の遅延処理を行う。収容中の通信数がｋである場合、ｋ種類の遅延処理部１５０が設定される。例えば、図９で示された状況では、遅延処理部１５０は、第１遅延処理部１５０－Ａと第２遅延処理部１５０－Ｂを含む。第１遅延処理部１５０－Ａは、受信信号ＳＲｉを第１遅延量δＡｉだけ遅延させることによって第１遅延信号ＳＡｉを生成する。第２遅延処理部１５０－Ｂは、受信信号ＳＲｉを第２遅延量δＢｉだけ遅延させることによって第２遅延信号ＳＢｉを生成する。

合成部１６０は、第１遅延信号ＳＡｉと第２遅延信号ＳＢｉを合成することによって合成遅延信号ＳＣｉを生成する。

遅延設定部１７０は、遅延処理部１５０における遅延量を設定する。例えば、遅延設定部１７０は、送信装置１０と受信装置２０と複数の衛星１００－ｉとの間の位置関係を示す位置情報ＰＯＳを取得する。そして、遅延設定部１７０は、位置情報ＰＯＳに基づいて第１遅延パターンＤＬＡと第２遅延パターンＤＬＢを決定する。あるいは、遅延設定部１７０は、代表衛星１００－Ｒあるいは管理システム２００によって決定された第１遅延パターンＤＬＡ及び第２遅延パターンＤＬＢの情報を取得してもよい。遅延設定部１７０は、第１遅延パターンＤＬＡで示される第１遅延量δＡｉを第１遅延処理部１５０－Ａに設定し、また、第２遅延パターンＤＬＢで示される第２遅延量δＢｉを第２遅延処理部１５０－Ｂに設定する。

３－５．効果
以上に説明されたように、本実施の形態に係る信号中継制御技術によれば、複数の衛星１００－ｉが通信を中継する際に、各衛星１００－ｉがパス長差を吸収するように遅延処理を行う。これにより、適切に通信を行うことが可能となる。

更に、図２に示されるような多対多通信においても、混信を回避して適切に通信を行うことが可能となる。複数の送信装置１０に送信タイミングを割り当てるコンダクターは不要である。また、各衛星１００－ｉにおいて受信信号ＳＲｉから各構成要素信号を復調する必要はなく、シンプルな処理によって混信を回避することが可能となる。このことは、処理負荷の軽減、消費電力の削減、等の観点から好適である。

１…衛星通信システム， １０…送信装置， ２０…受信装置， １００…衛星， １１０…アンテナ， １２０…送受信回路， １３０…推進装置， １３１…電磁石， １４０…制御装置， １４１…プロセッサ， １４２…記憶装置， １４３…制御プログラム， １５０…遅延処理部， １５０－Ａ…第１遅延処理部， １５０－Ｂ…第２遅延処理部， １６０…合成部， １７０…遅延設定部， ２００…管理システム， ＤＬＡ…第１遅延パターン， ＤＬＢ…第２遅延パターン， ＰＯＳ…位置情報， ＳＡ…１遅延信号， ＳＢ…第２遅延信号， ＳＣ…合成遅延信号， ＳＲ…受信信号， ＳＲＡ…第１受信信号， ＳＲＢ…第２受信信号

Claims (2)

1. 複数の衛星の間の相対位置関係を推定する衛星位置推定システムであって、
   １又は複数のプロセッサを備え、
   前記１又は複数のプロセッサは、
   前記複数の衛星の中から送信衛星、受信衛星、及び複数の中継衛星を衛星セットとして選択し、
   前記送信衛星からテスト信号を送信させ、
   前記複数の中継衛星の各々に、前記送信衛星から受信した前記テスト信号の位相をシフトさせ、位相シフト後の前記テスト信号を送信させ、
   前記複数の中継衛星の各々から送信される前記位相シフト後の前記テスト信号を前記受信衛星によって受信させ、
   前記受信衛星における前記テスト信号の受信信号強度が最大となるように、前記複数の中継衛星の各々に前記テスト信号の位相シフト量を調整させ、
   前記受信信号強度が最大となる場合の、前記衛星セットの位置と前記位相シフト量との間の関係を表す方程式を取得し、
   複数種類の衛星セットのそれぞれに対して得られる複数の方程式を解くことによって、前記複数の衛星の間の前記相対位置関係を推定する
   ように構成された
   衛星位置推定システム。
2. 請求項１に記載の衛星位置推定システムであって、
   前記方程式は、前記受信信号強度が最大となる場合の、前記衛星セットの前記位置と、前記位相シフト量と、前記複数の中継衛星の各々における信号処理による遅れとの間の関係を表す
   衛星位置推定システム。

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