JPH0447498B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、赤道面に対して傾斜した円形または
楕円形軌道上を回転運動する同種の衛生を含み、
静止位置ループを有する通信衛星システムに関す
る。

静止軌道位置を有する通信衛星システムにおい
ては、地上無線局は連続的に衛星もしくは１つの
位置に指向した状態に留まつて中断のない交信を
展開することができる。衛星または位置の避ける
ことのできない僅かな位置変動は、地上無線局で
のアンテナのトラツキングもしくは追尾により補
償される。

赤道面に在る静止軌道上に公転する静止通信衛
星を備えたシステムは既に知られている。また同
じ軌道位置に飛行軌跡点を有する複数の謂ゆる地
球同期衛星を用いて、静止軌道の北方および南方
に準静止位置を創成することが可能であることも
知られている。用いられている衛星は、或る程度
階層的な運行で、これらの準静止位置を順次通過
する。通信上分離するために、準静止位置間の途
中にある衛星は、切離される（「Internationalen
Fernmeldeunion，ジユネーブ」の文章
「CCIR4／71−Ｅ」参照）。静止衛星ならびに準静
止位置を有する地球同期衛星は、静止軌道上に位
置するかまたは軌道制御および通信技術上の必要
性から静止軌道に極く近接して位置している。静
止通信衛星システムにとつて、地球を取り巻くこ
のような軌道帯だけの利用は有限であり、長期の
間には斎々しい容量上の問題がもたらされるであ
ろう。また北極あるいは南極に近く位置する国々
にとつては、静止軌道帯はさらに次のような欠点
をもたらす。即ち仰角が小さいために電磁波が大
気中長い経路を辿らなければならず、そのために
高い周波数を用いる場合には衛星中継の品質およ
び信頼性が悪影響を受けると言う欠点である。さ
らに、複数の公転する通信衛星を有するシステム
が知られており、このシステムには、北方および
南方の国にサービスを行なうこともできる（ソ連
邦のMolniaプログラム）と言う利点があるが、
しかしながら、用いられる衛星のうち１つがサー
ビスを終了するのと同時に次続の衛星がサービス
を開始しなければならないのであるが、その場
合、切換時点において当該衛星が同じ天空点に近
接して位置しないと言う欠点を有している。その
結果、関連の地上通信局は２つのアンテナを装備
しなければならないかまたは通信を中断しなけれ
ばならない。

さらに静止衛星の場合でもまた従来の公転衛星
の場合にも、大きな故障時間を無くそうとする場
合、各衛星に対して運行中の衛星に対し近傍の軌
道に、補充衛星を打ち上げておく必要があると言
う欠点がある。

本発明の課題は、高周波数を用いる場合でも静
止軌道位置を、相当に北方および南方にも開発創
成することを可能にすることにある。この課題は
本発明によれば、次のようにして解決される。即
ち、 ａ 位置固定の地上無線局から見て、システムに
属する全べての衛星が好ましくは時間的に等し
い間隔で見掛け上同じ軌道を運動し、その場合
見掛け軌道が地球自体の囲りで同じ距離でルー
プ形状に交差もしくは接触し、 ｂ 上記見掛け軌道の交差点もしくは接触点は、
２つの軌道弧の各々に１つずつ位置する２つの
衛星によつて同時に通過され、 ｃ ２つの衛星が互いに最小距離になる時点で、
管制センタにより静止ループを去る衛星の通信
有効負荷を切離し、同時に上記静止ループに入
る衛星を付活するのである。

本発明によれば、静止ループの１つでそれぞれ
１つの衛星を介して交信を展開する地上無線局
が、他の衛星への切換にもかかわらず、実質的に
中断を伴なうことなく、静止ループの領域で連続
して稼働し得ることが達成される。

本発明による通信衛星システムの他の非常に大
きな利点は、衛星の数を同時に半分に減少して１
つの半球だけに制限することが可能であると言う
点にある。楕円形の軌道を用いる事例における別
の利点として、所与の衛星の数で傾斜が自由に選
択可能であると言う点が挙げられる。この場合傾
斜が大きくなれば軌道楕円の偏心度も大きくな
る。円形軌道を用いる場合には、傾斜は、衛星の
数および予め定められた公転時間によつて決定さ
れる。

他の衛星への切換に際して送出される電磁波お
よび受信される電磁波が偏波擾乱を受けることを
回避するため、ならびに衛星のループ運行におい
て予め定められた通達領域の維持を保証する目的
で、本発明の別の実施例によれば、用いられる衛
星のアンテナは、現在通常行なわれているよう
に、実際の衛星軌道に対する横揺れ軸，縦揺れ軸
および片揺れ軸の維持によるのではなく、各静止
ループに対して設けられた基準地上無線局からの
直線偏波ビーコンの受信に対応して上記の実際の
衛星軌道上で偏波が適正になるように指向され
る。全べての参加している地上無線局が、二重交
さ（干渉）偏波による周波数再使用での運転に際
し偏波に対し適正に追尾制御されるようにするた
めに、本発明の別の実施態様においては地上無線
局アンテナは次のような仕方で支承される。すな
わち、それぞれの静止ループの公称位置へ指向さ
れた状態において、各地上無線局、特に既述の基
準地上無線局のアンテナ軸受のxy座標（軸座標）
が、ループ公称位置の準点にある水平面に対して
平行に延びる平面内にあるように設定するのであ
る。このアンテナ軸受はカルダン式に支承され
る。カルダン式に支承されたこの状態では、アン
テナは垂直に上空を向くのではなく、ループ公称
位置の方を向いている。この様子が第５図に示さ
れている。ここで準点とは、地球の中心と天空の
１点、例えば衛星とを結ぶ直線と地球表面とが交
差する点である。ループ公称位置NPとは、ルー
プ内で頂点SPと交差点KPとの間の中間に位置す
る点であると理解されたい。本発明において、方
位軸および仰角軸の概念の使用は適しない。

本発明によるアンテナの支承は、一般的事例に
おいて赤道上に位置しない任意の公称点の静止衛
星を指向する特殊な事例に関する西独特許願公開
公報第2952317号明細書の発明の有意味な発展形
態である。この特許願明細書に記述されているよ
うに、アンテナの主ビーム方向は必ずしも必須的
に軸に対して垂直ではなく、軸を中心とする旋回
運動で扁平な円錐の側表面を描く。したがつてこ
の旋回運動は主ビーム方向を中心とする回転成分
を含んでおり、この回転成分は位置追尾もしくは
トラツキングにより生じ得る誤差を補償する。

本発明で達成される利点は、静止軌道の相当北
方および南方に、静止した軌道位置を創成できる
点にある。衛星は、追尾もしくはトラツキング可
能な地上無線局から見て、小さい領域に閉ループ
を描く。このようにして、静止軌道における衛星
で可能なように、中断のない連続した通信運転が
可能となる。赤道を横切る時には、衛星は非活動
相にあり、したがつて静止衛星に対し有害な影響
を及ぼすことはない。北方ならびに南方のサービ
ス領域でも、大気中を通る電磁波の伝搬路は相当
短くなり、その結果特に高い周波数（例えば20／
30GHz）での無線通信が容易になる。

公転衛星を有する従来のシステムと比較して、
関連の地上無線局に２つのアンテナを装備する必
要なく、中断のない運転が可能となると言う利点
が得られる。

活動している衛星、即ち活動衛星（後述の実施
例の場合には半数の衛星）だけしか利用できない
と言うのは一見欠点と考えられるかも知れない
が、これは詳細に考察してみると、斎々しいもの
ではないことが判る。静止衛星は、運転中の衛星
が故障した際に短い中断時間後に運転を続けるこ
とができるようにするために、補充衛星を必要と
する。これに対して本発明による通信衛星システ
ムにおいては、１つの衛星が故障し、そして静止
ループに対し補充衛星が存在しない場合でも、故
障時間は最大でも、ループ一巡時間である。この
時間は、地上無線局の位置に応じ次続の衛星をル
ープに入る前に既に付活し、逆に先に飛行してい
る衛星をループを飛出しても付活しておくことに
より相当に短縮することができる。このような故
障衛星による中断は各ループ位置毎に、複数日の
間隔で再び現われる。後述の実施例の場合には２
日後に現われる。このような故障期間を運転上無
くそうとする場合でも、各個々の運行中の衛星に
対しそれぞれの補充衛星を設ける必要はない。シ
ステム全体に対しシステムの公転軌道に容易に達
つし得る１つまたは複数の待機軌道に小数の補充
衛星を打ち上げておくだけで充分である。

以下、添付図面に示した実施例を参照し、本発
明を詳細に説明する。

第１図に示した実施例においては、説明を簡単
にするために、見掛け衛星軌道の各活動領域およ
び各非活動領域に唯１つの衛星が存在するものと
しているが、放送技術上の観点から多数の衛星が
存在していてもよいことは言うまでもない。この
実施例では、６つの同じ衛星を有する系が扱われ
ており、その内３つの活動衛星はループ内で動作
状態にあり、残りの３つは非活作状態で赤動を２
回横切る。衛星の公転時間は、地球がその軸を中
心に１回転する時間の2/3、即ち約16恒星時間で
ある。地表からの最大距離は約40000Kmである。
活動ならびに非活動期間は公転時間の２分の１に
対応する。即ち約８恒星時間に対応する。この実
施例においては、衛星軌道は約54.7°の傾斜角を
有している。即ち静止軌道ループの頂点SPが北
緯54.7°にある。各ループKPにおいて軌道は赤道
より北緯約35.3°で交差している。ループは約
11.3°の東西経度を有している。これは、北緯49°
における7.4°の弧に相当する。

ループ公称位置NPの経度座標は、この実施例
の場合北緯45°と計算される。さらに、１つのル
ープ公称位置を緯度座標上で東経10°（ほぼイタリ
ヤのミラノ上空）に置くと、他の２つのループ公
称位置は自動的に求められる。これらループ公称
位置は北半球内にある。即ち東経130°（中華民国
満州上空）および西経110°（米国ワイオミング州
上空）にある。この実施例の場合には、最も不利
なドイツの地上無線局設置場所はフレンスブルグ
（Flensburg）である。フレンスブルグはドイツ
領内における最北の都市であり、ここに地上無線
局を設置すると、衛星に対する仰角が最小になる
からである。ここではアンテナを約８恒星時間内
に、天頂（ループ頂点）から最小67°の仰角（ル
ープ交点）まで追尾制御しなければならない。こ
れは、各衛星が１つのループを貫走する時間、即
ち各衛星がループ交点からループに沿つて該ルー
プ交点に戻るまでの時間である。しかる後に、後
続の衛星が伝送もしくは中継機能を引受ける。こ
の場合後続の衛星はこのトランスフア時点即ち切
換時点でループ交差点を位置している。１つの衛
星の分離と他方の衛星との接続は、管制センタの
地上無線局からの同じ信号によつて行われる。特
にTDMA（時分割多重アクセス）のようなアクセ
ス伝送方式の場合には、上記の切換時点を、２つ
の送出されるバースト間の保護時間即ちガード時
間内に設定することができる。この切換における
保護時間は、或る程度異なる衛星間の軌道高さの
差によつて惹起される伝播時間差がバーストもし
くはパツケージの重なりを惹起しないように長く
選ばれる。

第１図は、６つの衛星の見掛け軌道を略示する
図である。活動相にある衛星は黒い円で示されて
おり、そして非活動相の衛星は白い円で示されて
いる。またこれら衛星には、静止ループを移動す
る時間系列に対応して番号が付けられている。水
平方向には、地理学的緯度が目盛られており、垂
直方向には地理学的緯度が目盛られている。文字
Ｎ，ＯおよびＷはそれぞれ北，東および西を表わ
す。

第２図には、地球の北極上の観察者の目から見
た６つの衛星の実際の軌道が示されている。な
お、第２図において地球の位置は模式的に示され
ているが、実際は勿論楕円軌道の焦点に位置す
る。また参照記号は、同じ時刻における第１図の
ものに対応する。この特定の実施例においては、
各楕円軌道上には、８恒星時間の時間間隔で２つ
の衛星が存在する。球面三角形（太い実線で示
す）は３つの90°の弧からなり、各弧は地球の軸
を中心に120°に亘つて延びている。球面三角形の
各隅で、伝送機能は次続の衛星に切換（トランス
フア）されるので、活動衛星は中断なく約８恒星
時間の３倍の時間で球面三角形を一巡することに
なる。同じ時間中に、地球はその軸を中心に１回
転するので、或る変動幅内で持続的に１つの活動
衛星は準静止的に１つの地上無線局と通信を展開
することができる。

第３図および第４図には別の実施例が示されて
いる。説明を簡略にする意図から、見掛け衛星軌
道の各活動領域および各非活動領域には唯だ１つ
の衛星が存在するものとしているが、放送技術上
の観点から多数の衛星が存在し得る。この実施例
では、１２の同じ衛星を有する系が扱われてお
り、そのうち６つの衛星はそれぞれのループで活
動状態にあり、残りの６つの衛星は非活動状態で
赤道を横切つている。衛星の公転時間は、地球が
その軸を中心に１回転する時間の4/3時間、即ち
約32時間である。地表からの距離は約44668Kmで
ある。活動期間ならびに非活動期間は公転の90°
に対応する、即ち約８時間である。この実施例に
おいては、衛星軌道は約54.7°の傾斜を有してい
る。したがつて静止ループの天頂もしくは頂点
SPも北緯および南緯54.7°に位置する。軌道は、
各ループKPにおいて赤道から北緯および南緯約
35.3°で交差する。ループは約11.3°の東西経度を
有する。これは北緯および南緯49°において7.4°の
弧に対応する。

この実施例の場合、ループ公称位置NPの経度
座標は北緯45°および南緯45°である。さらに１つ
のループ公称位置を緯度座標上東経10°（ほぼイヤ
リアのミラノ上空）に置くと、他の５つのループ
公称位置は自動的に定まる。これら５つの位置
は、北半球上での東経130°（中華民国満州上空）
と西経110°（米国ワイオミング州上空）、ならびに
南半球上での東経70°（インド洋上）、西経50°（南
アメリカ沿岸の大西洋上）および西経170°（ニユ
ージーランド近くの太平洋上）である。この実施
例において最も不利なドイツの地上無線局の場所
はフレンスブルグ（Flensburg）であり、ここで
はアンテナを天頂（ループ頂点）から最小67°の
仰角（ループ交差点）まで約８時間追尾しなけれ
ばならない。これは、各衛星がループ交差点から
ループに沿つて該ループ交差点に戻るまでのルー
プ貫走時間である。しかる後に次続の衛星に伝送
もしくは中継機能が引渡される。この次続の衛星
は切換（トランスフア）時点で上記ループ交差点
に位置している。１つの衛星との切離し、および
他の衛星との接続は管制センタの地上無線局から
の同じ信号で行なわれる。特にTDMA（時分割多
重アクセス方式）のようなアクセス伝送方式にお
いては、この切換時点を２つの送出されるパツケ
ージもしくはバースト間の保護時間内に設定する
ことができる。この切換で用いられる保護時間
は、惹干異なる衛星飛行高度により惹起される伝
播時間差が、バーストの重なりを惹起しないよう
に長く選ばれる。

第３図は、12個の衛星の見掛け軌道を略示する
ものであり、黒い円で示した衛星は活動状態にあ
り、白い円で示した衛星は非活動相にあるものと
して示されている。衛星は、静止ループを通る時
間系列に対応して番号を付されている。水平方向
には地理学的緯度が目盛られており、そして垂直
方向には地理学的緯度が目盛られている。文字
Ｎ，ＯおよびＷは北，東および西を意味する。

第４図には、地球の北極上に位置する観察者の
視界から見た12個の衛星の実際の軌道が示されて
いる。第４図においても地球の位置は模式的に示
されており、実際の位置は楕円軌道の焦点に位置
する。参照番号は、同じ時点における第１図のも
のに対応する。この特定の実施例においては、各
円軌道上で、４つの衛星がそれぞれ90°変位して
本来の円軌道上に存在する。北半球の球面三角形
（太い実線で示されている）は３つの90°の弧から
なり、各弧は地球軸を中心に120°に亘り延びてい
る。同じことが、太い破線で示した南半球の球面
三角形についても当嵌る。それぞれ１個の衛星の
公転の約32時間である。したがつて90°の公転運
動は約８時間に還元される。球面三角形の隅で、
次続の衛星に伝送機能が転換されるので、活動衛
星は約８時間の３倍の時間に間断なく球面三角形
を一巡することになる。同じ時間内に地球はその
軸を中心に１回転するので、或る変動幅内で持続
的に、１つの活動衛星は、準静止的に地上無線局
と通信を展開することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による通信衛星システムの衛星
の見掛け軌道を示し、第２図は第１図に示した通
信衛星システムの地球の北極上に位置する観察者
が認視できる衛星軌道を示し、第３図は６つの活
動衛星と、６つの予備衛星を有する本発明による
通信衛星システムの衛星の見掛け軌道を示し、そ
して第４図は第３図の通信衛星システムにおいて
地球の北極上に居る観察者に認視できる衛星軌道
を示し、第５図は地上無線局の配置を模式的に示
す。 １，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，
１１，１２……衛星、KP……ループ、NP……
ループ公称位置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 赤道面に対して傾斜した円形または楕円形軌
   道上を回転運動する同種の衛星を含み、静止位置
   ループを有する通信衛星システムにおいて、 ａ 位置固定の地上無線局から見て、システムに
   属する全べての衛星が好ましくは時間的に等し
   い間隔で見掛け上同じ軌道上を運動し、その場
   合見掛け軌道は、地球自体の囲りで同じ距離で
   ループ形状に交差もしくは接触し、 ｂ 前記見掛け軌道の交差点もしくは接触点KP
   は、２つの軌道弧ないし軌道部分の各々に１つ
   ずつ位置する２つの衛星（例えば１および２）
   によつて同時に通過され、 ｃ ２つの衛星が互いに最小距離になる時点KP
   で、管制センタにより静止ループを去る衛星
   （例えば１）の通信有効負荷を切離し、同時に
   前記静止ループに入る衛星（例えば２）を付活
   することを特徴とする通信衛星システム。 ２ 二重干渉偏波により周波数再使用で運転する
   場合に参加地上無線局のアンテナを、各ループの
   公称位置NPに指向した場合に２つの軸がそれぞ
   れループ公称位置NPの準点（Subpunkt）の水平
   線に対して平行に延びる平面内にある軸座標で支
   承し、その場合各ループ公称位置NPがループ内
   で頂点SPと交差点KPとの間に位置し、そして地
   上無線局アンテナの主ビーム軸は、通常は、軸座
   標の追尾軸に対し垂直に位置しない特許請求の範
   囲第１項記載の通信衛星システム。