衛星通信システム、及び通信中継衛星
【課題】 地上局と低軌道上の通信中継衛星との間で短波通信を行ない、通信中継衛星にデータ中継機能を持たせることにより、全軌道上での観測衛星と地上局との広域な衛星通信が可能となる。
【解決手段】 短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備える。
【解決手段】 短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星通信システム、及び通信中継衛星に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、衛星と地上局（または地球局）との衛星通信は、Ｋｕ、Ｋａ、Ｘ、Ｓバンドなどの電波を利用して、データの送受信が行われている。地上局の上空を衛星が通過する際に衛星が地上局と直接交信（以下、直接通信）を行うか、静止軌道上に配置されたデータ中継衛星を介して間接的に衛星と地上局の間で衛星通信が行なわれる。
【０００３】
直接通信の場合、地上局のアンテナは通信が可能となる可視領域が存在するため、観測衛星のような周回軌道衛星が地上局と直接通信できる時間帯は限られる。この可視時間は、１０００ｋｍまでの低軌道においては高度にほぼ比例し、現行の観測衛星では地上局の直上を通過する場合、５〜１５分程度である。
【０００４】
地上局ひとつ当たりの通信可能回数は、一般的な観測衛星に使用される極周回軌道の場合、日本の緯度近傍の地上局ならば１日あたり約２回程度である。高緯度に位置する地上局や海外にある地上局を複数利用して、１周回あたり１回の通信を実施可能にする観測衛星も多い。低軌道の観測衛星において１周回に要する時間は、高度によって多少の違いはあるが、９０分強〜１００分弱程度である。
【０００５】
可視領域の存在のため現在の観測衛星では、地上局側から衛星側に送る指令であるコマンドの送信は、すべて定められた時間帯、例えば衛星が可視領域にある時間帯、に行うよう計画して、運用を行っている。言い換えると、緊急で通信を行いたい場合でも、次の可視領域に衛星が到達するまでは、直接通信が実施できない。
【０００６】
直接通信以外にも、上述したように、静止もしくは準静止軌道に配備されたデータ中継衛星を経由した通信がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、特許文献１のように、いずれにせよ周回軌道上の半分程度が、通信の不可能な領域（以下、不可視領域）になる。しかも、観測衛星側にも天頂方向にアンテナを新規に設置しなければならないため、既存の地上局と直接通信を行なっている観測衛星には適用できない。加えて、データ中継衛星を利用する場合は、その伝送距離が長距離になる、データ中継衛星のトランスポンダを経由する、電波の使用バンドが高周波であるため雨天等の影響を受けやすくなる、直接通信と比較して通信距離が長くなるため使用電力が大きくなるなど、データ伝送の信頼性の低下や衛星の太陽電池パドルの大型化等の課題を生じる。さらに言えば、こうしたデータ中継衛星の数は限られており、必ずしもユーザが欲する時に使用できるとは限らないという条件的制約も加わることとなる。
【０００８】
いずれのケースでも可視という観点で、通信不可能な領域が生じていた。
【０００９】
一方、地球の裏側でも通信可能な手段として、短波が利用されている。短波は電離層及び地表面で反射する性質を持つため、理論的には地球の裏側まで伝播でき、実際にアマチュア無線機によって地球の反対側の放送を受信できるケースもある。しかし、衛星通信に短波を利用する場合を想定すると、衛星の軌道高度が通常は５００ｋｍ以上のものが多いため、電離層に阻まれて短波による通信が行なえないこととなる。
【００１０】
また、短波のような長波長の通信手段は通信速度が遅く、衛星と地上局との直接通信で扱うデータ量に対して、データ伝送に要する時間が長く、非現実的であるため、いままで利用されてこなかった。
【００１１】
ところで、近年では衛星側の自律化・自動化などの技術が発達（例えば、特許文献２、３、４参照）してきたため、特に衛星側にコマンドを送る場合に簡潔なコマンドのみで衛星側が自律的に判断して一連の動作を遂行できるようになってきている。そのためコマンドのデータ量が削減され、コマンド通信時間は大きく短縮できるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平4-79429号公報
【特許文献２】特開2000-109000号公報
【特許文献３】特開2006-76350号公報
【特許文献４】特公平4-23880号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の衛星通信技術では、前述のとおり早急に衛星と地上局間で通信を行いたい場合であっても、次の可視領域に衛星が到達するまでは通信を実施することができないという課題がある。また、不可視領域で衛星の処理するコマンドは、実行時刻をあらかじめ設定して登録するストアードコマンドを用いて実行されるが、予想外の緊急時には対応できないという課題がある。
【００１４】
例えば、ある地域で災害が発生し、観測衛星の観測計画を災害地域の観測に変更したい場合でも、次の可視領域に入るまでは計画変更用のコマンド（ストアードコマンド）を送れない。そのために、次の可視領域までの間に災害地域を通過してしまい、観測機会を逃してしまうケースが考えられる。こうしたできるだけ早く衛星の観測した情報を入手したいケースに対応させるためには、従来の衛星の通信形態では対応できない場合が多い。
【００１５】
また、衛星が故障の危機に陥った場合でも、その衛星からの情報が入手できるのは次の可視領域に入ってからである。これにより対応が遅れ、衛星に致命的なリスクを与える危険性もある。
【００１６】
また、静止もしくは準静止軌道に配備されたデータ中継衛星を経由して観測衛星と地上局間で通信を行えば、可視領域をある程度広げることが可能であるが、そのためには観測衛星側にデータ中継衛星との通信用のアンテナ機構を新規に設置しなければならない。このため、アンテナ機構のない軌道上の衛星には適用できないという課題や、不可視領域も軌道の半分程残るという課題が残存する。
【００１７】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、地上局から不可視の位置であっても、他の衛星と地上局間の通信を、中継によってより早く実施することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明による衛星通信システムは、短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備えたものである。
【００１９】
また、この発明による通信中継衛星は、地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えたものである。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、地上局と低軌道上の通信中継衛星との間で短波通信を行なうことにより、全軌道上での衛星通信が可能となる衛星システムを提供することができる。また、通信中継衛星にデータ中継機能を持たせることにより、全軌道上での観測衛星と地上局との通信をより確実に実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１による衛星通信システムの概要構成を示す図である。
【図２】実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。
【図３】実施の形態１による地上局の通信フローチャートを示す図である。
【図４】実施の形態１による衛星情報テーブルを示す図である。
【図５】実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【図６】実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。
【図７】実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による衛星通信システムの概要構成を示す図である。図１において、実施の形態１の衛星通信システムは、少なくとも１局以上の地上局１と、少なくとも１機以上の通信中継衛星２と、少なくとも１機以上の観測衛星３を備えて構成される。
【００２３】
図１において、地上局１は、地球１０の上（例えば日本の陸地）に設置される。通信中継衛星２（超低高度衛星）は、地球１０と電離層１１の間の例えば高度２００〜２２０ｋｍの超低高度軌道上において、地球を周回する単機もしくは複数機（図１の例では３機）が配置される。ここで、電離層１１は例えば高度２２０ｋｍ以遠のＦ層である。観測衛星３は、通信中継衛星２のさらに高い高度の軌道における、電離層を超えた高度の宇宙環境において、地球を周回するように１機以上が配置されている。
【００２４】
なお、通信中継衛星２は、必ずしも複数機を用意する必要はない。ただし、通信中継衛星２の単機と比べ複数機のほうが、通信カバー範囲の拡大、観測衛星３との通信可能機会の増加が見込まれる。また、観測衛星３は、電離層を超えた高度において地球を周回する衛星であれば、例えば通信衛星のように観測以外の目的の衛星であってもよい。
【００２５】
図１に示すように、通信中継衛星２は、地上局１との間で衛星通信を行う。また、通信中継衛星２は、観測衛星３との間で衛星通信を行い、データを送信もしくは受信する。地上局１と通信中継衛星２の衛星通信は、周波数３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ帯の短波４を通信媒体（キャリア）に用いて行う。短波４は、電離層１１及び地球１０の表面で多重反射する性質を持ち、電離層１１より低高度の領域では遠距離通信が可能な電波である。地上局１または通信中継衛星２から発信された短波４は、複数の通信中継衛星２で中継することで、地球１０と電離層１１の間の全域に伝播する。この短波４を利用した短波通信によって、観測衛星３と通信する通信中継衛星２に対して、地上局１からデータを送信することが可能となる。同様にして、観測衛星３と通信する通信中継衛星２から、短波４を利用して地上局１へデータを送信することが可能となる。このため、通信中継衛星２を地上局１と観測衛星３との間の通信中継基地局として利用することができる。
【００２６】
観測衛星３が通信中継衛星２の上空の可視領域に来たら、観測衛星３と通信中継衛星２の間でデータの送受信を開始する。通信中継衛星２と観測衛星３の通信では、従来の地上局１と観測衛星３の間で利用されてきたＳバンドの通信方法を用いる。また、観測衛星３と通信中継衛星２の間で送受信されたデータは、従来同様にＳバンドの通信方法によって地上局１に伝送されてもよい。そのため、通信中継衛星２には、図２にて後述する、観測衛星３との通信用のＳバンド送受信機２ｈと、地上局１との通信用のＳバンド送受信機２ｂを設ける。
なお、通信中継衛星２と観測衛星３の通信においては、短波よりも波長の短い、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数として、例えば、Ｌバンド、Ｃバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド等を用いてもよい。以下の説明では、Ｓバンドを用いた例について説明するが、これは短波よりも波長の短い、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数で動作するマイクロ波送受信機またはマイクロ波変復調機を備えた通信中継衛星２と観測衛星３であっても、電離層を超えた高度の軌道上で、電離層を透過して通信を行うものであれば、同様に適用可能である。
【００２７】
通信中継衛星２は、通信中継基地局として利用しない期間では、通信中継衛星２に搭載される図示しないＧＰＳ受信機の受信情報を、定期的に地上局１もしくは他の通信中継衛星２へ発信する。地上局１は、各通信中継衛星２または観測衛星３の予め設定された軌道情報を一括管理する。また、地上局１は、通信中継衛星２のＧＰＳ受信機の受信情報に基づいて各通信中継衛星２の位置を測定し、各通信中継衛星２の位置を一括管理する。これによって、地上局１は、相互通信を行わせる通信中継衛星２または観測衛星３などの統制を容易に行うことができる。なお、ＧＰＳ受信機は従来の衛星でも搭載されてきた一般的な機器であり、搭載や機能の実現に特別な技術や検討は必要としないので、ここでは詳細な説明を省く。
【００２８】
このように構成された衛星通信システムにおいては、地上局１と通信中継衛星２の間の短波の通信速度を考慮すると、前述したようにデータ量が大きく削減された通信中継衛星２に対するコマンドの送信に利用されると、特に効果が高い。
【００２９】
次に、衛星通信システムを構成する、地上局１、通信中継衛星２、及び観測衛星３の構成及び動作についてより詳しく説明する。図２は実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。図３は実施の形態１による地上局の通信フローチャートを示す図である。図４は実施の形態１による衛星情報テーブルを示す図である。図５は実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。図６は実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。図７は実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【００３０】
最初に、地上局１から通信中継衛星２を経由して観測衛星３へとコマンドを送信する場合において、地上局１から通信中継衛星２までのデータ送信の動作及び構成を、図２、図３、図４を用いて説明する。図２は、地上局１から発信するコマンドを、観測衛星３と交信を行う通信中継衛星２まで伝送する場合の概念を例示している。
【００３１】
図２に示すように、地上局１は、衛星情報管理システム１ａと、短波変復調器１ｂと、短波送受信機１ｃと、Ｓバンド送受信機１ｄと、Ｓバンド変復調器１ｅと、ユーザーインターフェイス１ｆを備えている。
通信中継衛星２は、制御装置２ａと、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機２ｂと、増幅器２ｃと、短波送受信機２ｄと、短波判別器２ｅと、短波変復調器２ｆと、マイクロ波変復調器であるＳバンド変復調器２ｇと、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機２ｈを備えている。Ｓバンド送受信機２ｈは、地上局１の送受信機１ｄと同様の構成である。Ｓバンド送受信機２ｂを構成するアンテナの配置される位置は、通信中継衛星２における地球を向く方向（地上局側）の面である。Ｓバンド送受信機２ｈを構成するアンテナの配置される位置は、通信中継衛星２における天頂方向（高高度側）の面である。短波送受信機２ｄを構成するアンテナは、通信中継衛星２の側面（衛星の移動方向に垂直または平行な面、または地球を向く面）に設けられている。
なお、図２に示したＳバンド送受信機１ｄ、２ｂ、２ｈとＳバンド変復調器１ｅ、２ｇは、この実施の形態１による一態様例を示すものであり、上述したように電離層を透過する短波帯域以上の通信帯域の送受信装置を用いても良い。これは、以降で説明するＳバンド通信に関する機器及びシステムについても同様である。
【００３２】
地上局１において、Ｓバンド送受信機１ｅは、Ｓバンド送受信機１ｄと衛星情報管理システム１ａに接続されている。短波変復調器１ｂは、短波送受信機１ｃと衛星情報管理システム１ａに接続されている。衛星情報管理システム１ａは、キーボードやマウスなどの入力デバイスを介してオペレータが情報を入力するとともに、液晶ディスプレイや表示灯などの表示デバイスを介してオペレータに対して表示情報を出力して情報の提供を行うための、入出力用のユーザーインターフェイス１ｆに接続される。
【００３３】
通信中継衛星２において、Ｓバンド送受信機２ｈは、Ｓバンド送受信機２ｂ、Ｓバンド送受信機２ｇに接続されている。Ｓバンド送受信機２ｇは、制御装置２ａに接続されている。短波送受信機２ｄは、増幅器２ｃ、短波判別器２ｅに接続されている。増幅器２ｃは制御装置２ａにも接続されている。短波変復調器２ｆは、制御装置２ａ、短波判別器２ｅに接続されている。制御装置２ａは、信号の暗号化処理または復号化処理を行う。通信中継衛星２の短波送受信機２ｄは、地上局１の短波送受信機１ｃとの間で短波４を利用した衛星通信を行う。また、通信中継衛星２の短波送受信機２ｄは、他の通信中継衛星２の短波送受信機２ｄとの間で短波４を利用した衛星間通信を行うこともできる。
【００３４】
地上局１は、図３のフローチャートに従い動作する。以下、地上局１の動作について図２、図３を用いて説明する。
まず、ステップｇ１において、地上局１のユーザーインターフェイス１ｆを介して、オペレータが観測衛星３に送信したいコマンドを入力し、オペレータが地上局１に対して観測衛星３に送信するためのコマンドの送信要請を行う。ユーザーインターフェイス１ｆを介したコマンドの入力方式やインターフェイスのデータフォーマット様式は、例えば特許文献４に示すような従来の人工衛星のコマンド伝送方式を用いればよい。
【００３５】
次に、ステップｇ２において、ユーザーインターフェイス１ｆからコマンドの送信要請を受けた衛星情報管理システム１ａは、上記コマンドの送信対象とする観測衛星３と最も近い通信中継衛星２を選別し、当該コマンドを複数纏めて通信中継衛星２に送信するストアードコマンドを発行する。
ここでのストアードコマンドとは、通信中継衛星２におけるコマンドの実行時刻になると、通信中継衛星２が観測衛星３へ入力する一連の複数のコマンドと当該コマンド毎の各実行時刻とを対応付けて観測衛星３に送信するために、通信中継衛星２に対して指示するコマンド群である。また、通信中継衛星２が観測衛星３にストアードコマンドを送信する実行時刻は、観測衛星３が選別された通信中継衛星２の可視領域に入るタイミングを算出して指定する。
【００３６】
地上局１が送信相手として指定する通信中継衛星２の選別と、通信中継衛星２におけるストアードコマンドの実行時刻の算出のため、衛星情報管理システム１ａは図４に示すような衛星情報テーブルと、観測衛星３の軌道情報を有する。この衛星情報テーブルは、衛星が通信中継衛星２か否かを示す衛星の種類を示す情報と、通信中継衛星２がＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ情報から構成される。この衛星情報テーブルは、通信中継衛星２を含む各衛星と地上局１との衛星通信によって得られたデータに基づいて、各衛星のＧＰＳ受信機から得られるＧＰＳ情報を用いて生成される。ＧＰＳ情報は、例えば通信中継衛星２の有するＧＰＳ受信機がＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ信号の受信時刻の情報を示すＧＰＳ情報１と、当該ＧＰＳ信号に基づいて測位される自己の位置座標を示すＧＰＳ情報２と、当該ＧＰＳ信号に基づいて計測される自己の移動速度を示すＧＰＳ情報３から構成される。ＧＰＳ情報は、例えば通信中継衛星２が通信中継を行ってない時に地上局１に向けて定期的に配信される。また、衛星情報管理システム１ａは、軌道情報に基づいて、観測衛星３の現在の位置、移動速度と、所定時間後の予想位置、移動速度を求める。
【００３７】
衛星情報管理システム１ａは、衛星情報テーブルから得られる各通信中継衛星２の位置と観測衛星３の軌道情報に基づいて、Ｔ時間経過した後の、衛星の種類が通信中継衛星２である衛星と観測衛星３との距離Ｌを求め、求めた距離が通信可能な距離Ｌ０以内となる時間Ｔが最短となる通信中継衛星２を、最も早く観測衛星３と通信可能になる衛星として判断する。また、観測衛星３の軌道情報と、通信中継衛星２の位置、速度の情報に基づいて、通信中継衛星２と観測衛星３の交信開始のタイミングを決定する。
【００３８】
なお、通信中継衛星２と観測衛星３の交信開始のタイミングは、地上局１が発信するストアードコマンドによる指定に限らず、通信中継衛星２が図４に示す衛星情報テーブルを有することで、自ら算出して決定してもよい。この場合は通信中継衛星２に対する地上局１からのコマンドは、自律化コマンドになる。もちろん、これら以外の方法を用いて交信開始のタイミングを決定してもよい。
【００３９】
衛星情報管理システム１ａは、暗号化及び複号化の処理機能を有する。衛星情報管理システム１ａは、ストアードコマンドを含む発行するコマンドを暗号化し、短波変復調器１ｂへ渡す。
【００４０】
その後、ステップｇ３において、短波変復調器１ｂは、衛星情報管理システム１ａから渡される暗号化された情報を、短波通信用に変調して短波送受信機１ｃに伝送する。
【００４１】
次に、ステップｇ４において、短波送受信機１ｃは、短波変復調器１ｂから伝送される短波信号を、短波通信４ａによって通信中継衛星２へ送信する。
【００４２】
続いて、通信中継衛星２は、短波通信４ａによって短波送受信機１ｃから送信された短波信号を受信すると、図５に示すフローチャートに従って動作する。以下、通信中継衛星２の動作について、図２、図５を用いて説明する。
【００４３】
まず、ステップｆ１において、短波送受信機２ｄは、短波通信４ａによって短波送受信機１ｃから伝送される短波信号を受信し、短波判別器２ｅへ伝える。
【００４４】
ステップｆ２において、短波判別器２ｅは、短波送受信機１ｃから伝送された短波信号について、自己の衛星向けの信号か否かを判別する判定処理を行う。例えば、地上局１の短波送受信機１ｃは、通信対象となる通信中継衛星２毎に送信する短波の波長を変える。短波判別器２ｅは、短波送受信機１ｃから伝送された短波信号の波長を識別し、予め設定された短波信号の波長に対応付けされた通信中継衛星２の情報を参照して、識別された短波の波長に基づいて対応する通信中継衛星２が自己であるか否かを判別することで、自己の通信中継衛星２に向けた信号であることを判定する。
【００４５】
その後、ステップｆ３において、短波判別器２ｅは、ステップｆ２の判定結果に従い、短波送受信機１ｃから受信した信号が自己向けか否かによって次の処理動作を変える分岐処理を行う。
ここで、ステップｆ２の判定の結果、自己の通信中継衛星２に向けた信号でなかった場合（ＮＯの場合）、ステップｆ４、ｆ５に分岐して処理が継続される。
すなわち、ステップｆ４にて、短波信号は短波判別器２ｅから増幅器２へ伝送され、増幅器２ｃで増幅される。
次に、ステップｆ５にて、増幅器２ｃで増幅された信号は短波送受信機２ｄへ伝送され、短波通信４ｂによって再度隣なりの通信中継衛星２の短波送受信機２ｄへ送信される。この場合、通信中継衛星２は受信した短波のレベルを増幅器２ｃにて増幅して発信し直すことで、トランスポンダとしての役割を果たす。
【００４６】
上記のように、ステップｆ１→ステップｆ２→ステップｆ３→ステップｆ４→ステップｆ５を繰り返すことで、短波信号の最終的な送信目標となる通信中継衛星２に辿り着くまでの間、通信中継衛星２が短波信号を順次中継して、遠距離に位置した送信目標となる通信中継衛星２まで短波信号の伝送が行われる。
【００４７】
一方、ステップｆ２の判定の結果、自己の通信中継衛星２に向けた信号であった場合（ＹＥＳの場合）、ステップｆ６、ｆ７に分岐して処理が継続される。
例えば、図２に示すように短波信号の目標となる通信中継衛星２に短波通信４ｂが届くと、図５の分岐処理のステップｆ３にてステップｆ６へ分岐して動作処理が行われる。
すなわち、通信中継衛星２の短波受信機２ｄで受信した短波信号は、短波判別器２ｅから短波複調器２ｆへ伝送され、短波複調器２ｆにて復調される。
短波複調器２ｆにて復調された信号は、ステップｆ３にて制御装置２ａへ伝送される。制御装置２ａは、信号の復号化処理を実行し、ここで復号化された信号はストアードコマンドとして受領される。
【００４８】
次に、地上局１から通信中継衛星２を経由して観測衛星３へとコマンドを送信する場合において、通信中継衛星２から観測衛星３までのデータ伝送の動作及び構成を、図６、図７を用いて説明する。
【００４９】
図６において、観測衛星３は、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機３ａと、マイクロ波変復調器であるＳバンド変復調器３ｂと、衛星システム３ｃを備えて構成される。Ｓバンド送受信機３ａはＳバンド変復調器３ｂに接続される。Ｓバンド変復調器３ｂは衛星システム３ｃに接続される。通信中継衛星２は図２と同じ構成である。通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈと観測衛星３のＳバンド送受信機３ａは、Ｓバンド通信５による衛星間通信を行う。
【００５０】
図７において、通信中継衛星２の制御装置２ａは、ステップｆ７に示すストアードコマンドの実行時刻が来ると、図７のステップｆ８に従い自律化コマンドを実行する。ここで実行される自律化コマンドは、例えば通信中継衛星２から観測衛星３に対して入力したコマンドの送信を実施するための送信コマンドであるとする。地上局１から送信されるストアードコマンドにより、通信中継衛星２の制御装置２ａに対し自律化コマンドの実行時刻と観測衛星３に送りたい送信コマンドだけを指定すれば、後は制御装置２ａが自律的にコマンド送信を実行する。
【００５１】
制御装置２ａは、処理するストアードコマンド及び自律化コマンドにおいて、例えば観測衛星３に送る送信コマンドを暗号化して、Ｓバンド変復調器２ｇへ信号を送る。
【００５２】
その後、図７のステップｆ９において、Ｓバンド変復調器２ｇはＳバンド通信用に変調された信号を生成する。ステップＳ１０において、Ｓバンド変復調器２ｇによりＳバンド通信用に変調されたＳバンド信号は、Ｓバンド送受信機２ｈに入力される。Ｓバンド送受信機２ｈは、Ｓバンド信号を増幅し、Ｓバンド通信５によってＳバンド信号を観測衛星３のＳバンド送受信機３ａへ伝送する。
【００５３】
観測衛星３のＳバンド送受信機３ａがＳバンド通信５によるＳバンド信号を受信した後の動作は、従来の観測衛星の動作と同様であるため、現行の軌道上の観測衛星に対しても本実施の形態による衛星通信システムは効果を発揮する。以下、観測衛星３の動作の流れを簡単に説明する。
【００５４】
Ｓバンド送受信機３ａにて受信されたＳバンド信号は、Ｓバンド変復調器３ｂにて復調され、衛星システム３ｃに伝送される。衛星システム３ｃにて信号が復号化されることで、最終的に観測衛星３は、通信中継衛星２を経由して地上局１から送られてきたコマンドを受け取ることができる。
【００５５】
このようにして、地上局１から発信された情報を、通信中継衛星２で中継して観測衛星３まで伝送することができる。
【００５６】
次に、観測衛星３から地上局１へ情報を送る場合の動作及び構成を、図２及び図６を用いて説明する。ここでは、観測衛星から地上局へ送る情報を、観測衛星３のテレメトリ情報とする。
【００５７】
テレメトリ情報は、ストアードコマンドや送信コマンドなどの前述のコマンドと比較してデータ量が大きいため、短波による通信は現実的ではない。そのため、例えば従来のＳバンド通信を用いて情報の伝送を行う。ただし、テレメトリ情報の中から一部の重要なテレメトリを抽出して、優先的に短波で送ってもよい。制御装置２ａは、地上局１から伝送されるストアードコマンドまたは他のコマンドによって、短波によるテレメトリ情報の送信を行うか否かが予め設定される。
【００５８】
まず、図６のＳバンド通信５によって、観測衛星３のＳバンド送受信機３ａから通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈにテレメトリ情報を送る。通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈはＳバンド通信５により送られてくるＳバンド信号を受信すると、受信した信号の有するテレメトリ情報の含まれた信号を、直接地上局１側との通信用のＳバンド送受信機２ｂに伝送する。
【００５９】
ただし、優先度の高いテレメトリ情報については、一度制御装置２ａに伝送され、増幅器２ｃ及び短波送受信機２ｄを経由して、短波通信４ａによって地上局１の短波送受信機１ｃに伝送される。制御装置２ａは、図示しない記憶装置に予めテレメトリ情報の優先順位が登録されている。制御装置２ａは、この登録された優先順位に基づいて、Ｓバンド通信６によって送るテレメトリ情報と短波通信４ａで送るテレメトリ情報とを分別する。例えば、優先順位が上位から所定の順位以内のものについては、Ｓバンド通信６によって送るテレメトリ情報として判断し、それより優先順位の低いものを短波通信４ａで送るテレメトリ情報として判断する。
【００６０】
その後、観測衛星３からテレメトリ情報を含む信号を受けた通信中継衛星２が地上局の可視領域に到達したら、図２のように、Ｓバンド通信６によって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する。地上局１のＳバンド送受信機１ｄがテレメトリ情報を含む信号を受信すると、Ｓバンド変復調器１ｅはＳバンド送受信機１ｄの受け取った受信信号を復調する。Ｓバンド変復調器１ｅは、復調したテレメトリ情報の含まれたデータを衛星情報管理システム１ａに伝送する。かくして、観測衛星３から送信されるテレメトリ情報が地上局１に伝送されることとなる。
【００６１】
なお、短波通信４ａによって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する場合は、図２のように、短波通信４ａによって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する。地上局１の短波送受信機１ｃがテレメトリ情報を含む信号を受信すると、短波変復調器１ｂは、短波送受信機１ｃの受け取った受信信号を復調する。短波変復調器１ｂは、復調したテレメトリ情報の含まれたデータを衛星情報管理システム１ａに伝送する。かくして、観測衛星３から送信されるテレメトリ情報が短波通信によって地上局１に伝送されることとなる。
また、通信中継衛星２と地上局１のＳバンド通信においては、短波よりも波長の短い周波数の、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数で動作するマイクロ波送受信機やマイクロ波変復調器を用いて、例えば、Ｌバンド、Ｃバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド等の電離層を透過する波長帯域のマイクロ波またはミリ波を用いて通信を行ってもよい。
【００６２】
以上説明した通り、実施の形態１による衛星通信システムは、短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備えたことを特徴とする。
【００６３】
また、通信中継衛星は、地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えている。
【００６４】
また、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波またはミリ波で通信を行う。
【００６５】
また、上記高軌道衛星は、電離層以遠の軌道上の観測衛星である。
【００６６】
また、上記地上局は、指定時刻と送信コマンドと上記高軌道衛星に対するコマンドが設定されたストアードコマンドを送信し、上記通信中継衛星は、上記地上局から受けるストアードコマンドに設定された指定時刻に至ると上記送信コマンドに基づいて高軌道衛星に対するコマンドの送信を行う。
【００６７】
また、上記地上局は、上記通信中継衛星の位置情報に基づいて、上記高軌道衛星との通信が最も早く通信可能となる通信中継衛星を選択する。
【００６８】
また、上記通信中継衛星は、上記短波送受信機で受信した短波信号が自己に対応した信号であるか否かを判別し、自己に対応した信号である場合は受信した短波信号を復調し、自己に対応した信号でない場合は他の通信中継衛星に向けて受信した短波信号を上記短波送受信機に再送信する短波判別器を備える。
【００６９】
これによって、地上局１と超低高度軌道上の通信中継衛星２（超低高度衛星）との間で短波通信を行なうことにより、全軌道上での衛星通信が可能となる衛星システムを提供できる。
【００７０】
また、通信中継衛星２（超低高度衛星）に短波通信のデータ中継機能を持たせることにより、全軌道上での観測衛星３と地上局１との通信をより確実に実施することができる広域な衛星通信システムを提供することができる。
【００７１】
また、全軌道上において地上局１と短波通信を行える通信中継衛星２（超低高度衛星）を通信の中継基地に用いることにより、電離層以遠に存在する超低高度より高い高度の全ての軌道上にある観測衛星３の周回軌道衛星に対して、コマンド送信によるデータ送信が可能となる。
【００７２】
また、通信中継衛星２（超低高度衛星）と観測衛星３との通信では、観測衛星３側は従来から地上局１と通信を行うＳバンド通信用のアンテナを用いるため、新規に特殊なアンテナを設置する必要もなく、既存の観測衛星３に対しても広域な衛星通信システムを提供することができる。
【００７３】
さらに、通信中継衛星２（超低高度衛星）はより高い軌道にある観測衛星３との間のデータ中継衛星として利用できるため、常に地上局１との衛星通信を可能とする衛星通信システムを構成することが可能となる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 地上局、２ 通信中継衛星、２ａ 制御装置、２ｂ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、２ｃ 増幅器、２ｄ 短波送受信機、２ｅ 短波判別器、２ｆ 短波変復調器、２ｇ Ｓバンド変復調器（マイクロ波変復調器）、２ｈ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、３ 観測衛星、３ａ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、３ｂ Ｓバンド変復調器（マイクロ波変復調器）、３ｃ 衛星システム、４ 短波、４ａ 短波通信、４ｂ 短波通信、５ Ｓバンド通信、６ Ｓバンド通信。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星通信システム、及び通信中継衛星に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、衛星と地上局（または地球局）との衛星通信は、Ｋｕ、Ｋａ、Ｘ、Ｓバンドなどの電波を利用して、データの送受信が行われている。地上局の上空を衛星が通過する際に衛星が地上局と直接交信（以下、直接通信）を行うか、静止軌道上に配置されたデータ中継衛星を介して間接的に衛星と地上局の間で衛星通信が行なわれる。
【０００３】
直接通信の場合、地上局のアンテナは通信が可能となる可視領域が存在するため、観測衛星のような周回軌道衛星が地上局と直接通信できる時間帯は限られる。この可視時間は、１０００ｋｍまでの低軌道においては高度にほぼ比例し、現行の観測衛星では地上局の直上を通過する場合、５〜１５分程度である。
【０００４】
地上局ひとつ当たりの通信可能回数は、一般的な観測衛星に使用される極周回軌道の場合、日本の緯度近傍の地上局ならば１日あたり約２回程度である。高緯度に位置する地上局や海外にある地上局を複数利用して、１周回あたり１回の通信を実施可能にする観測衛星も多い。低軌道の観測衛星において１周回に要する時間は、高度によって多少の違いはあるが、９０分強〜１００分弱程度である。
【０００５】
可視領域の存在のため現在の観測衛星では、地上局側から衛星側に送る指令であるコマンドの送信は、すべて定められた時間帯、例えば衛星が可視領域にある時間帯、に行うよう計画して、運用を行っている。言い換えると、緊急で通信を行いたい場合でも、次の可視領域に衛星が到達するまでは、直接通信が実施できない。
【０００６】
直接通信以外にも、上述したように、静止もしくは準静止軌道に配備されたデータ中継衛星を経由した通信がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、特許文献１のように、いずれにせよ周回軌道上の半分程度が、通信の不可能な領域（以下、不可視領域）になる。しかも、観測衛星側にも天頂方向にアンテナを新規に設置しなければならないため、既存の地上局と直接通信を行なっている観測衛星には適用できない。加えて、データ中継衛星を利用する場合は、その伝送距離が長距離になる、データ中継衛星のトランスポンダを経由する、電波の使用バンドが高周波であるため雨天等の影響を受けやすくなる、直接通信と比較して通信距離が長くなるため使用電力が大きくなるなど、データ伝送の信頼性の低下や衛星の太陽電池パドルの大型化等の課題を生じる。さらに言えば、こうしたデータ中継衛星の数は限られており、必ずしもユーザが欲する時に使用できるとは限らないという条件的制約も加わることとなる。
【０００８】
いずれのケースでも可視という観点で、通信不可能な領域が生じていた。
【０００９】
一方、地球の裏側でも通信可能な手段として、短波が利用されている。短波は電離層及び地表面で反射する性質を持つため、理論的には地球の裏側まで伝播でき、実際にアマチュア無線機によって地球の反対側の放送を受信できるケースもある。しかし、衛星通信に短波を利用する場合を想定すると、衛星の軌道高度が通常は５００ｋｍ以上のものが多いため、電離層に阻まれて短波による通信が行なえないこととなる。
【００１０】
また、短波のような長波長の通信手段は通信速度が遅く、衛星と地上局との直接通信で扱うデータ量に対して、データ伝送に要する時間が長く、非現実的であるため、いままで利用されてこなかった。
【００１１】
ところで、近年では衛星側の自律化・自動化などの技術が発達（例えば、特許文献２、３、４参照）してきたため、特に衛星側にコマンドを送る場合に簡潔なコマンドのみで衛星側が自律的に判断して一連の動作を遂行できるようになってきている。そのためコマンドのデータ量が削減され、コマンド通信時間は大きく短縮できるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平4-79429号公報
【特許文献２】特開2000-109000号公報
【特許文献３】特開2006-76350号公報
【特許文献４】特公平4-23880号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の衛星通信技術では、前述のとおり早急に衛星と地上局間で通信を行いたい場合であっても、次の可視領域に衛星が到達するまでは通信を実施することができないという課題がある。また、不可視領域で衛星の処理するコマンドは、実行時刻をあらかじめ設定して登録するストアードコマンドを用いて実行されるが、予想外の緊急時には対応できないという課題がある。
【００１４】
例えば、ある地域で災害が発生し、観測衛星の観測計画を災害地域の観測に変更したい場合でも、次の可視領域に入るまでは計画変更用のコマンド（ストアードコマンド）を送れない。そのために、次の可視領域までの間に災害地域を通過してしまい、観測機会を逃してしまうケースが考えられる。こうしたできるだけ早く衛星の観測した情報を入手したいケースに対応させるためには、従来の衛星の通信形態では対応できない場合が多い。
【００１５】
また、衛星が故障の危機に陥った場合でも、その衛星からの情報が入手できるのは次の可視領域に入ってからである。これにより対応が遅れ、衛星に致命的なリスクを与える危険性もある。
【００１６】
また、静止もしくは準静止軌道に配備されたデータ中継衛星を経由して観測衛星と地上局間で通信を行えば、可視領域をある程度広げることが可能であるが、そのためには観測衛星側にデータ中継衛星との通信用のアンテナ機構を新規に設置しなければならない。このため、アンテナ機構のない軌道上の衛星には適用できないという課題や、不可視領域も軌道の半分程残るという課題が残存する。
【００１７】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、地上局から不可視の位置であっても、他の衛星と地上局間の通信を、中継によってより早く実施することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明による衛星通信システムは、短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備えたものである。
【００１９】
また、この発明による通信中継衛星は、地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えたものである。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、地上局と低軌道上の通信中継衛星との間で短波通信を行なうことにより、全軌道上での衛星通信が可能となる衛星システムを提供することができる。また、通信中継衛星にデータ中継機能を持たせることにより、全軌道上での観測衛星と地上局との通信をより確実に実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１による衛星通信システムの概要構成を示す図である。
【図２】実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。
【図３】実施の形態１による地上局の通信フローチャートを示す図である。
【図４】実施の形態１による衛星情報テーブルを示す図である。
【図５】実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【図６】実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。
【図７】実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による衛星通信システムの概要構成を示す図である。図１において、実施の形態１の衛星通信システムは、少なくとも１局以上の地上局１と、少なくとも１機以上の通信中継衛星２と、少なくとも１機以上の観測衛星３を備えて構成される。
【００２３】
図１において、地上局１は、地球１０の上（例えば日本の陸地）に設置される。通信中継衛星２（超低高度衛星）は、地球１０と電離層１１の間の例えば高度２００〜２２０ｋｍの超低高度軌道上において、地球を周回する単機もしくは複数機（図１の例では３機）が配置される。ここで、電離層１１は例えば高度２２０ｋｍ以遠のＦ層である。観測衛星３は、通信中継衛星２のさらに高い高度の軌道における、電離層を超えた高度の宇宙環境において、地球を周回するように１機以上が配置されている。
【００２４】
なお、通信中継衛星２は、必ずしも複数機を用意する必要はない。ただし、通信中継衛星２の単機と比べ複数機のほうが、通信カバー範囲の拡大、観測衛星３との通信可能機会の増加が見込まれる。また、観測衛星３は、電離層を超えた高度において地球を周回する衛星であれば、例えば通信衛星のように観測以外の目的の衛星であってもよい。
【００２５】
図１に示すように、通信中継衛星２は、地上局１との間で衛星通信を行う。また、通信中継衛星２は、観測衛星３との間で衛星通信を行い、データを送信もしくは受信する。地上局１と通信中継衛星２の衛星通信は、周波数３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ帯の短波４を通信媒体（キャリア）に用いて行う。短波４は、電離層１１及び地球１０の表面で多重反射する性質を持ち、電離層１１より低高度の領域では遠距離通信が可能な電波である。地上局１または通信中継衛星２から発信された短波４は、複数の通信中継衛星２で中継することで、地球１０と電離層１１の間の全域に伝播する。この短波４を利用した短波通信によって、観測衛星３と通信する通信中継衛星２に対して、地上局１からデータを送信することが可能となる。同様にして、観測衛星３と通信する通信中継衛星２から、短波４を利用して地上局１へデータを送信することが可能となる。このため、通信中継衛星２を地上局１と観測衛星３との間の通信中継基地局として利用することができる。
【００２６】
観測衛星３が通信中継衛星２の上空の可視領域に来たら、観測衛星３と通信中継衛星２の間でデータの送受信を開始する。通信中継衛星２と観測衛星３の通信では、従来の地上局１と観測衛星３の間で利用されてきたＳバンドの通信方法を用いる。また、観測衛星３と通信中継衛星２の間で送受信されたデータは、従来同様にＳバンドの通信方法によって地上局１に伝送されてもよい。そのため、通信中継衛星２には、図２にて後述する、観測衛星３との通信用のＳバンド送受信機２ｈと、地上局１との通信用のＳバンド送受信機２ｂを設ける。
なお、通信中継衛星２と観測衛星３の通信においては、短波よりも波長の短い、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数として、例えば、Ｌバンド、Ｃバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド等を用いてもよい。以下の説明では、Ｓバンドを用いた例について説明するが、これは短波よりも波長の短い、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数で動作するマイクロ波送受信機またはマイクロ波変復調機を備えた通信中継衛星２と観測衛星３であっても、電離層を超えた高度の軌道上で、電離層を透過して通信を行うものであれば、同様に適用可能である。
【００２７】
通信中継衛星２は、通信中継基地局として利用しない期間では、通信中継衛星２に搭載される図示しないＧＰＳ受信機の受信情報を、定期的に地上局１もしくは他の通信中継衛星２へ発信する。地上局１は、各通信中継衛星２または観測衛星３の予め設定された軌道情報を一括管理する。また、地上局１は、通信中継衛星２のＧＰＳ受信機の受信情報に基づいて各通信中継衛星２の位置を測定し、各通信中継衛星２の位置を一括管理する。これによって、地上局１は、相互通信を行わせる通信中継衛星２または観測衛星３などの統制を容易に行うことができる。なお、ＧＰＳ受信機は従来の衛星でも搭載されてきた一般的な機器であり、搭載や機能の実現に特別な技術や検討は必要としないので、ここでは詳細な説明を省く。
【００２８】
このように構成された衛星通信システムにおいては、地上局１と通信中継衛星２の間の短波の通信速度を考慮すると、前述したようにデータ量が大きく削減された通信中継衛星２に対するコマンドの送信に利用されると、特に効果が高い。
【００２９】
次に、衛星通信システムを構成する、地上局１、通信中継衛星２、及び観測衛星３の構成及び動作についてより詳しく説明する。図２は実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。図３は実施の形態１による地上局の通信フローチャートを示す図である。図４は実施の形態１による衛星情報テーブルを示す図である。図５は実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。図６は実施の形態１による衛星通信システムの構成例を示す図である。図７は実施の形態１による通信中継衛星の通信フローチャートを示す図である。
【００３０】
最初に、地上局１から通信中継衛星２を経由して観測衛星３へとコマンドを送信する場合において、地上局１から通信中継衛星２までのデータ送信の動作及び構成を、図２、図３、図４を用いて説明する。図２は、地上局１から発信するコマンドを、観測衛星３と交信を行う通信中継衛星２まで伝送する場合の概念を例示している。
【００３１】
図２に示すように、地上局１は、衛星情報管理システム１ａと、短波変復調器１ｂと、短波送受信機１ｃと、Ｓバンド送受信機１ｄと、Ｓバンド変復調器１ｅと、ユーザーインターフェイス１ｆを備えている。
通信中継衛星２は、制御装置２ａと、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機２ｂと、増幅器２ｃと、短波送受信機２ｄと、短波判別器２ｅと、短波変復調器２ｆと、マイクロ波変復調器であるＳバンド変復調器２ｇと、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機２ｈを備えている。Ｓバンド送受信機２ｈは、地上局１の送受信機１ｄと同様の構成である。Ｓバンド送受信機２ｂを構成するアンテナの配置される位置は、通信中継衛星２における地球を向く方向（地上局側）の面である。Ｓバンド送受信機２ｈを構成するアンテナの配置される位置は、通信中継衛星２における天頂方向（高高度側）の面である。短波送受信機２ｄを構成するアンテナは、通信中継衛星２の側面（衛星の移動方向に垂直または平行な面、または地球を向く面）に設けられている。
なお、図２に示したＳバンド送受信機１ｄ、２ｂ、２ｈとＳバンド変復調器１ｅ、２ｇは、この実施の形態１による一態様例を示すものであり、上述したように電離層を透過する短波帯域以上の通信帯域の送受信装置を用いても良い。これは、以降で説明するＳバンド通信に関する機器及びシステムについても同様である。
【００３２】
地上局１において、Ｓバンド送受信機１ｅは、Ｓバンド送受信機１ｄと衛星情報管理システム１ａに接続されている。短波変復調器１ｂは、短波送受信機１ｃと衛星情報管理システム１ａに接続されている。衛星情報管理システム１ａは、キーボードやマウスなどの入力デバイスを介してオペレータが情報を入力するとともに、液晶ディスプレイや表示灯などの表示デバイスを介してオペレータに対して表示情報を出力して情報の提供を行うための、入出力用のユーザーインターフェイス１ｆに接続される。
【００３３】
通信中継衛星２において、Ｓバンド送受信機２ｈは、Ｓバンド送受信機２ｂ、Ｓバンド送受信機２ｇに接続されている。Ｓバンド送受信機２ｇは、制御装置２ａに接続されている。短波送受信機２ｄは、増幅器２ｃ、短波判別器２ｅに接続されている。増幅器２ｃは制御装置２ａにも接続されている。短波変復調器２ｆは、制御装置２ａ、短波判別器２ｅに接続されている。制御装置２ａは、信号の暗号化処理または復号化処理を行う。通信中継衛星２の短波送受信機２ｄは、地上局１の短波送受信機１ｃとの間で短波４を利用した衛星通信を行う。また、通信中継衛星２の短波送受信機２ｄは、他の通信中継衛星２の短波送受信機２ｄとの間で短波４を利用した衛星間通信を行うこともできる。
【００３４】
地上局１は、図３のフローチャートに従い動作する。以下、地上局１の動作について図２、図３を用いて説明する。
まず、ステップｇ１において、地上局１のユーザーインターフェイス１ｆを介して、オペレータが観測衛星３に送信したいコマンドを入力し、オペレータが地上局１に対して観測衛星３に送信するためのコマンドの送信要請を行う。ユーザーインターフェイス１ｆを介したコマンドの入力方式やインターフェイスのデータフォーマット様式は、例えば特許文献４に示すような従来の人工衛星のコマンド伝送方式を用いればよい。
【００３５】
次に、ステップｇ２において、ユーザーインターフェイス１ｆからコマンドの送信要請を受けた衛星情報管理システム１ａは、上記コマンドの送信対象とする観測衛星３と最も近い通信中継衛星２を選別し、当該コマンドを複数纏めて通信中継衛星２に送信するストアードコマンドを発行する。
ここでのストアードコマンドとは、通信中継衛星２におけるコマンドの実行時刻になると、通信中継衛星２が観測衛星３へ入力する一連の複数のコマンドと当該コマンド毎の各実行時刻とを対応付けて観測衛星３に送信するために、通信中継衛星２に対して指示するコマンド群である。また、通信中継衛星２が観測衛星３にストアードコマンドを送信する実行時刻は、観測衛星３が選別された通信中継衛星２の可視領域に入るタイミングを算出して指定する。
【００３６】
地上局１が送信相手として指定する通信中継衛星２の選別と、通信中継衛星２におけるストアードコマンドの実行時刻の算出のため、衛星情報管理システム１ａは図４に示すような衛星情報テーブルと、観測衛星３の軌道情報を有する。この衛星情報テーブルは、衛星が通信中継衛星２か否かを示す衛星の種類を示す情報と、通信中継衛星２がＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ情報から構成される。この衛星情報テーブルは、通信中継衛星２を含む各衛星と地上局１との衛星通信によって得られたデータに基づいて、各衛星のＧＰＳ受信機から得られるＧＰＳ情報を用いて生成される。ＧＰＳ情報は、例えば通信中継衛星２の有するＧＰＳ受信機がＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ信号の受信時刻の情報を示すＧＰＳ情報１と、当該ＧＰＳ信号に基づいて測位される自己の位置座標を示すＧＰＳ情報２と、当該ＧＰＳ信号に基づいて計測される自己の移動速度を示すＧＰＳ情報３から構成される。ＧＰＳ情報は、例えば通信中継衛星２が通信中継を行ってない時に地上局１に向けて定期的に配信される。また、衛星情報管理システム１ａは、軌道情報に基づいて、観測衛星３の現在の位置、移動速度と、所定時間後の予想位置、移動速度を求める。
【００３７】
衛星情報管理システム１ａは、衛星情報テーブルから得られる各通信中継衛星２の位置と観測衛星３の軌道情報に基づいて、Ｔ時間経過した後の、衛星の種類が通信中継衛星２である衛星と観測衛星３との距離Ｌを求め、求めた距離が通信可能な距離Ｌ０以内となる時間Ｔが最短となる通信中継衛星２を、最も早く観測衛星３と通信可能になる衛星として判断する。また、観測衛星３の軌道情報と、通信中継衛星２の位置、速度の情報に基づいて、通信中継衛星２と観測衛星３の交信開始のタイミングを決定する。
【００３８】
なお、通信中継衛星２と観測衛星３の交信開始のタイミングは、地上局１が発信するストアードコマンドによる指定に限らず、通信中継衛星２が図４に示す衛星情報テーブルを有することで、自ら算出して決定してもよい。この場合は通信中継衛星２に対する地上局１からのコマンドは、自律化コマンドになる。もちろん、これら以外の方法を用いて交信開始のタイミングを決定してもよい。
【００３９】
衛星情報管理システム１ａは、暗号化及び複号化の処理機能を有する。衛星情報管理システム１ａは、ストアードコマンドを含む発行するコマンドを暗号化し、短波変復調器１ｂへ渡す。
【００４０】
その後、ステップｇ３において、短波変復調器１ｂは、衛星情報管理システム１ａから渡される暗号化された情報を、短波通信用に変調して短波送受信機１ｃに伝送する。
【００４１】
次に、ステップｇ４において、短波送受信機１ｃは、短波変復調器１ｂから伝送される短波信号を、短波通信４ａによって通信中継衛星２へ送信する。
【００４２】
続いて、通信中継衛星２は、短波通信４ａによって短波送受信機１ｃから送信された短波信号を受信すると、図５に示すフローチャートに従って動作する。以下、通信中継衛星２の動作について、図２、図５を用いて説明する。
【００４３】
まず、ステップｆ１において、短波送受信機２ｄは、短波通信４ａによって短波送受信機１ｃから伝送される短波信号を受信し、短波判別器２ｅへ伝える。
【００４４】
ステップｆ２において、短波判別器２ｅは、短波送受信機１ｃから伝送された短波信号について、自己の衛星向けの信号か否かを判別する判定処理を行う。例えば、地上局１の短波送受信機１ｃは、通信対象となる通信中継衛星２毎に送信する短波の波長を変える。短波判別器２ｅは、短波送受信機１ｃから伝送された短波信号の波長を識別し、予め設定された短波信号の波長に対応付けされた通信中継衛星２の情報を参照して、識別された短波の波長に基づいて対応する通信中継衛星２が自己であるか否かを判別することで、自己の通信中継衛星２に向けた信号であることを判定する。
【００４５】
その後、ステップｆ３において、短波判別器２ｅは、ステップｆ２の判定結果に従い、短波送受信機１ｃから受信した信号が自己向けか否かによって次の処理動作を変える分岐処理を行う。
ここで、ステップｆ２の判定の結果、自己の通信中継衛星２に向けた信号でなかった場合（ＮＯの場合）、ステップｆ４、ｆ５に分岐して処理が継続される。
すなわち、ステップｆ４にて、短波信号は短波判別器２ｅから増幅器２へ伝送され、増幅器２ｃで増幅される。
次に、ステップｆ５にて、増幅器２ｃで増幅された信号は短波送受信機２ｄへ伝送され、短波通信４ｂによって再度隣なりの通信中継衛星２の短波送受信機２ｄへ送信される。この場合、通信中継衛星２は受信した短波のレベルを増幅器２ｃにて増幅して発信し直すことで、トランスポンダとしての役割を果たす。
【００４６】
上記のように、ステップｆ１→ステップｆ２→ステップｆ３→ステップｆ４→ステップｆ５を繰り返すことで、短波信号の最終的な送信目標となる通信中継衛星２に辿り着くまでの間、通信中継衛星２が短波信号を順次中継して、遠距離に位置した送信目標となる通信中継衛星２まで短波信号の伝送が行われる。
【００４７】
一方、ステップｆ２の判定の結果、自己の通信中継衛星２に向けた信号であった場合（ＹＥＳの場合）、ステップｆ６、ｆ７に分岐して処理が継続される。
例えば、図２に示すように短波信号の目標となる通信中継衛星２に短波通信４ｂが届くと、図５の分岐処理のステップｆ３にてステップｆ６へ分岐して動作処理が行われる。
すなわち、通信中継衛星２の短波受信機２ｄで受信した短波信号は、短波判別器２ｅから短波複調器２ｆへ伝送され、短波複調器２ｆにて復調される。
短波複調器２ｆにて復調された信号は、ステップｆ３にて制御装置２ａへ伝送される。制御装置２ａは、信号の復号化処理を実行し、ここで復号化された信号はストアードコマンドとして受領される。
【００４８】
次に、地上局１から通信中継衛星２を経由して観測衛星３へとコマンドを送信する場合において、通信中継衛星２から観測衛星３までのデータ伝送の動作及び構成を、図６、図７を用いて説明する。
【００４９】
図６において、観測衛星３は、マイクロ波送受信機であるＳバンド送受信機３ａと、マイクロ波変復調器であるＳバンド変復調器３ｂと、衛星システム３ｃを備えて構成される。Ｓバンド送受信機３ａはＳバンド変復調器３ｂに接続される。Ｓバンド変復調器３ｂは衛星システム３ｃに接続される。通信中継衛星２は図２と同じ構成である。通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈと観測衛星３のＳバンド送受信機３ａは、Ｓバンド通信５による衛星間通信を行う。
【００５０】
図７において、通信中継衛星２の制御装置２ａは、ステップｆ７に示すストアードコマンドの実行時刻が来ると、図７のステップｆ８に従い自律化コマンドを実行する。ここで実行される自律化コマンドは、例えば通信中継衛星２から観測衛星３に対して入力したコマンドの送信を実施するための送信コマンドであるとする。地上局１から送信されるストアードコマンドにより、通信中継衛星２の制御装置２ａに対し自律化コマンドの実行時刻と観測衛星３に送りたい送信コマンドだけを指定すれば、後は制御装置２ａが自律的にコマンド送信を実行する。
【００５１】
制御装置２ａは、処理するストアードコマンド及び自律化コマンドにおいて、例えば観測衛星３に送る送信コマンドを暗号化して、Ｓバンド変復調器２ｇへ信号を送る。
【００５２】
その後、図７のステップｆ９において、Ｓバンド変復調器２ｇはＳバンド通信用に変調された信号を生成する。ステップＳ１０において、Ｓバンド変復調器２ｇによりＳバンド通信用に変調されたＳバンド信号は、Ｓバンド送受信機２ｈに入力される。Ｓバンド送受信機２ｈは、Ｓバンド信号を増幅し、Ｓバンド通信５によってＳバンド信号を観測衛星３のＳバンド送受信機３ａへ伝送する。
【００５３】
観測衛星３のＳバンド送受信機３ａがＳバンド通信５によるＳバンド信号を受信した後の動作は、従来の観測衛星の動作と同様であるため、現行の軌道上の観測衛星に対しても本実施の形態による衛星通信システムは効果を発揮する。以下、観測衛星３の動作の流れを簡単に説明する。
【００５４】
Ｓバンド送受信機３ａにて受信されたＳバンド信号は、Ｓバンド変復調器３ｂにて復調され、衛星システム３ｃに伝送される。衛星システム３ｃにて信号が復号化されることで、最終的に観測衛星３は、通信中継衛星２を経由して地上局１から送られてきたコマンドを受け取ることができる。
【００５５】
このようにして、地上局１から発信された情報を、通信中継衛星２で中継して観測衛星３まで伝送することができる。
【００５６】
次に、観測衛星３から地上局１へ情報を送る場合の動作及び構成を、図２及び図６を用いて説明する。ここでは、観測衛星から地上局へ送る情報を、観測衛星３のテレメトリ情報とする。
【００５７】
テレメトリ情報は、ストアードコマンドや送信コマンドなどの前述のコマンドと比較してデータ量が大きいため、短波による通信は現実的ではない。そのため、例えば従来のＳバンド通信を用いて情報の伝送を行う。ただし、テレメトリ情報の中から一部の重要なテレメトリを抽出して、優先的に短波で送ってもよい。制御装置２ａは、地上局１から伝送されるストアードコマンドまたは他のコマンドによって、短波によるテレメトリ情報の送信を行うか否かが予め設定される。
【００５８】
まず、図６のＳバンド通信５によって、観測衛星３のＳバンド送受信機３ａから通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈにテレメトリ情報を送る。通信中継衛星２のＳバンド送受信機２ｈはＳバンド通信５により送られてくるＳバンド信号を受信すると、受信した信号の有するテレメトリ情報の含まれた信号を、直接地上局１側との通信用のＳバンド送受信機２ｂに伝送する。
【００５９】
ただし、優先度の高いテレメトリ情報については、一度制御装置２ａに伝送され、増幅器２ｃ及び短波送受信機２ｄを経由して、短波通信４ａによって地上局１の短波送受信機１ｃに伝送される。制御装置２ａは、図示しない記憶装置に予めテレメトリ情報の優先順位が登録されている。制御装置２ａは、この登録された優先順位に基づいて、Ｓバンド通信６によって送るテレメトリ情報と短波通信４ａで送るテレメトリ情報とを分別する。例えば、優先順位が上位から所定の順位以内のものについては、Ｓバンド通信６によって送るテレメトリ情報として判断し、それより優先順位の低いものを短波通信４ａで送るテレメトリ情報として判断する。
【００６０】
その後、観測衛星３からテレメトリ情報を含む信号を受けた通信中継衛星２が地上局の可視領域に到達したら、図２のように、Ｓバンド通信６によって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する。地上局１のＳバンド送受信機１ｄがテレメトリ情報を含む信号を受信すると、Ｓバンド変復調器１ｅはＳバンド送受信機１ｄの受け取った受信信号を復調する。Ｓバンド変復調器１ｅは、復調したテレメトリ情報の含まれたデータを衛星情報管理システム１ａに伝送する。かくして、観測衛星３から送信されるテレメトリ情報が地上局１に伝送されることとなる。
【００６１】
なお、短波通信４ａによって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する場合は、図２のように、短波通信４ａによって地上局１へテレメトリ情報の含まれた信号を送信する。地上局１の短波送受信機１ｃがテレメトリ情報を含む信号を受信すると、短波変復調器１ｂは、短波送受信機１ｃの受け取った受信信号を復調する。短波変復調器１ｂは、復調したテレメトリ情報の含まれたデータを衛星情報管理システム１ａに伝送する。かくして、観測衛星３から送信されるテレメトリ情報が短波通信によって地上局１に伝送されることとなる。
また、通信中継衛星２と地上局１のＳバンド通信においては、短波よりも波長の短い周波数の、Ｓバンド以外のマイクロ波またはミリ波帯の周波数で動作するマイクロ波送受信機やマイクロ波変復調器を用いて、例えば、Ｌバンド、Ｃバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド等の電離層を透過する波長帯域のマイクロ波またはミリ波を用いて通信を行ってもよい。
【００６２】
以上説明した通り、実施の形態１による衛星通信システムは、短波送受信機を有した地上局と、上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、を備えたことを特徴とする。
【００６３】
また、通信中継衛星は、地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えている。
【００６４】
また、上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波またはミリ波で通信を行う。
【００６５】
また、上記高軌道衛星は、電離層以遠の軌道上の観測衛星である。
【００６６】
また、上記地上局は、指定時刻と送信コマンドと上記高軌道衛星に対するコマンドが設定されたストアードコマンドを送信し、上記通信中継衛星は、上記地上局から受けるストアードコマンドに設定された指定時刻に至ると上記送信コマンドに基づいて高軌道衛星に対するコマンドの送信を行う。
【００６７】
また、上記地上局は、上記通信中継衛星の位置情報に基づいて、上記高軌道衛星との通信が最も早く通信可能となる通信中継衛星を選択する。
【００６８】
また、上記通信中継衛星は、上記短波送受信機で受信した短波信号が自己に対応した信号であるか否かを判別し、自己に対応した信号である場合は受信した短波信号を復調し、自己に対応した信号でない場合は他の通信中継衛星に向けて受信した短波信号を上記短波送受信機に再送信する短波判別器を備える。
【００６９】
これによって、地上局１と超低高度軌道上の通信中継衛星２（超低高度衛星）との間で短波通信を行なうことにより、全軌道上での衛星通信が可能となる衛星システムを提供できる。
【００７０】
また、通信中継衛星２（超低高度衛星）に短波通信のデータ中継機能を持たせることにより、全軌道上での観測衛星３と地上局１との通信をより確実に実施することができる広域な衛星通信システムを提供することができる。
【００７１】
また、全軌道上において地上局１と短波通信を行える通信中継衛星２（超低高度衛星）を通信の中継基地に用いることにより、電離層以遠に存在する超低高度より高い高度の全ての軌道上にある観測衛星３の周回軌道衛星に対して、コマンド送信によるデータ送信が可能となる。
【００７２】
また、通信中継衛星２（超低高度衛星）と観測衛星３との通信では、観測衛星３側は従来から地上局１と通信を行うＳバンド通信用のアンテナを用いるため、新規に特殊なアンテナを設置する必要もなく、既存の観測衛星３に対しても広域な衛星通信システムを提供することができる。
【００７３】
さらに、通信中継衛星２（超低高度衛星）はより高い軌道にある観測衛星３との間のデータ中継衛星として利用できるため、常に地上局１との衛星通信を可能とする衛星通信システムを構成することが可能となる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 地上局、２ 通信中継衛星、２ａ 制御装置、２ｂ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、２ｃ 増幅器、２ｄ 短波送受信機、２ｅ 短波判別器、２ｆ 短波変復調器、２ｇ Ｓバンド変復調器（マイクロ波変復調器）、２ｈ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、３ 観測衛星、３ａ Ｓバンド送受信機（マイクロ波送受信機）、３ｂ Ｓバンド変復調器（マイクロ波変復調器）、３ｃ 衛星システム、４ 短波、４ａ 短波通信、４ｂ 短波通信、５ Ｓバンド通信、６ Ｓバンド通信。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短波送受信機を有した地上局と、
上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、
を備えた衛星通信システム。
【請求項２】
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波で通信を行う請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項３】
上記高軌道衛星は、電離層以遠の軌道上の観測衛星である請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項４】
上記地上局は、指定時刻と送信コマンドと上記高軌道衛星に対するコマンドが設定されたストアードコマンドを送信し、
上記通信中継衛星は、上記地上局から受けるストアードコマンドに設定された指定時刻に至ると上記送信コマンドに基づいて高軌道衛星に対するコマンドの送信を行う請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項５】
上記地上局は、上記通信中継衛星の位置情報に基づいて、上記高軌道衛星との通信が最も早く通信可能となる通信中継衛星を選択する請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項６】
地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えた通信中継衛星。
【請求項７】
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波で通信を行う請求項６記載の衛星通信システム。
【請求項８】
上記短波送受信機で受信した短波信号が自己に対応した信号であるか否かを判別し、自己に対応した信号である場合は受信した短波信号を復調し、自己に対応した信号でない場合は他の通信中継衛星に向けて受信した短波信号を上記短波送受信機に再送信する短波判別器を備えた請求項６記載の通信中継衛星。
【請求項１】
短波送受信機を有した地上局と、
上記地上局の短波送受信機との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機とを有した通信中継衛星と、
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機との間で通信する、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有し、上記通信中継衛星よりも高い軌道に位置する高軌道衛星と、
を備えた衛星通信システム。
【請求項２】
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波で通信を行う請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項３】
上記高軌道衛星は、電離層以遠の軌道上の観測衛星である請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項４】
上記地上局は、指定時刻と送信コマンドと上記高軌道衛星に対するコマンドが設定されたストアードコマンドを送信し、
上記通信中継衛星は、上記地上局から受けるストアードコマンドに設定された指定時刻に至ると上記送信コマンドに基づいて高軌道衛星に対するコマンドの送信を行う請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項５】
上記地上局は、上記通信中継衛星の位置情報に基づいて、上記高軌道衛星との通信が最も早く通信可能となる通信中継衛星を選択する請求項１記載の衛星通信システム。
【請求項６】
地上局との間で短波通信を行う短波送受信機と、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を有した他の衛星との間で通信を行う、短波よりも波長の短い周波数で動作するマイクロ波送受信機を備えた通信中継衛星。
【請求項７】
上記通信中継衛星のマイクロ波送受信機、及び上記観測衛星のマイクロ波送受信機は、電離層を透過する波長帯域のマイクロ波で通信を行う請求項６記載の衛星通信システム。
【請求項８】
上記短波送受信機で受信した短波信号が自己に対応した信号であるか否かを判別し、自己に対応した信号である場合は受信した短波信号を復調し、自己に対応した信号でない場合は他の通信中継衛星に向けて受信した短波信号を上記短波送受信機に再送信する短波判別器を備えた請求項６記載の通信中継衛星。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７０２２６（Ｐ２０１３−７０２２６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７２１６（Ｐ２０１１−２０７２１６）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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