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技術 南北両半球を対象にした高仰角衛星システムとそれを利用した通信方法およびそれを利用した測位システムおよびその軌道設計方法。

出願人 国立研究開発法人情報通信研究機構
発明者 木村和宏
出願日 1999年10月1日 (20年2ヶ月経過) 出願番号 1999-282204
公開日 2001年4月20日 (18年8ヶ月経過) 公開番号 2001-111468
状態 拒絶査定
技術分野 飛行船・気球・飛行機 宇宙航行 無線中継システム
主要キーワード 傾斜軌道 高緯度地域 赤道付近 最大仰角 最低仰角 遠地点 イリジウム衛星 中心地点
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図面 (17)

課題

半球の中緯度地域にあるサービスエリアのそれぞれの経度が異なる場合でも、それぞれのサービスエリアで高仰角が得られ、しかもその利用効率を高くとることができる衛星システムを提供することを目的とする。

解決手段

軌道傾斜角は30度以上65度以下であり、近地点あるいは遠地点経緯度上の位置が概略赤道付近にあり、近地点引数は0度ないし180度である傾斜同期楕円軌道にある衛星を用いる。

概要

背景

人工衛星は、通信放送位置測定、科学観測資源探査、あるいは各種の地上観測等に利用されている。この人工衛星と地上局との間の通信においては、地上局から人工衛星を見通せなくてはならないが、人工衛星を見上げたときの仰角が小さい場合、地上局の周り建物地形により、見通しがきかない場所がある。このような所でも人工衛星を利用したい場合は、人工衛星を見通せるように、人工衛星の軌道を最適化して、仰角を高く取ることのできる衛星軌道とすることが必要である。

また、人工衛星と地上局との間の通信においては、地上局から人工衛星を常時見通せると好都合であるが、これには、低い軌道に多数の衛星を配置する方法と高い軌道で地球の自転に同期して周回する同期軌道衛星を用いる方法が知られている。

低い軌道に多数の衛星を配置する方法として、世界中のそれぞれの地上局で、常時どれかを見通せる様にしたイリジウム衛星ステムが知られているが、これは、多数の衛星を用いる方法のため、特定のサービスエリアで用いる場合には、高コストとなってしまう。

一方、同期軌道衛星を通信に用いると、地上局から見た場合、この衛星は特定のエリアにとどまるため、特定のサービスエリアで用いる場合には、低コストの通信システムを構成することが可能である。

従来の人工衛星で、同期軌道衛星として知られているものには、静止衛星があるが、これは、地上からは見かけ上、静止しているため、衛星を追尾する必要がなく、地上アンテナもその方角を固定できるなどの利点はあるものの、日本などの中緯度エリアでは仰角が低く、50度以下に限定されるという欠点もある。このため、都市部や山岳部ではビルや山岳で電波が遮られる事になり、移動しながら通信する場合は、ときどき通信が途切れることがある。

また、高緯度地域で高仰角が得られる人工衛星には、モルニア衛星があるが、これは、軌道傾斜角63.4度の傾斜軌道を利用しており、地球を回るその周期は12時間である。この軌道傾斜角では、高緯度地域では高仰角が得られるが、中緯度にある日本付近では仰角が低下する。また、地球を回るその周期は12時間であるため、複数の人工衛星で1組のシステムとなっている。

また、中緯度地域で高仰角が得られる人工衛星には、北半球または南半球の一方に遠地点をもつ傾斜同期楕円軌道による衛星通信システムがあり、これは、特開平11−34996号公報に開示されている。この人工衛星のサービス地域は、北半球または南半球の一方のみに重点が置かれている為、人工衛星がサービス地域と異なる半球側に有るときには、人工衛星は利用されず、従って利用効率が下がってしまう。例えば、北半球または南半球のどちらかの中緯度地域でのみ高仰角が得られる3衛星のシステムの場合、1機の衛星を利用する時間は約8時間で利用効率があまりよくない、という欠点がある。

さらに、中緯度地域で高仰角が得られ、利用効率が、上記の北半球または南半球の一方に遠地点をもつ傾斜同期楕円軌道による衛星通信システムよりも良い例としては、傾斜同期円軌道による衛星通信システム(8の字軌道を用いた衛星通信システム)があり、これは、例えば、電子情報通信学会誌論文(信学技法SAT99−10(1999−05))に記載されている。この人工衛星は、北半球と南半球にサービスエリアを持つために利用効率は高くなる。しかし、その経度は、ほぼ同じ経度の地域に限られる。また、仰角に関しては、両半球で経度がほぼ等しい場合には、両地域で高仰角が得られるが、経度差があると仰角が低下する、という欠点がある。このようにサービスエリアに関する条件が厳しいため、このシステムを実際に用いようとする場合、利用できる地域が限られて狭くなるか、仰角など運用条件緩和が必要になる。

概要

南北両半球の中緯度地域にあるサービスエリアのそれぞれの経度が異なる場合でも、それぞれのサービスエリアで高仰角が得られ、しかもその利用効率を高くとることができる衛星システムを提供することを目的とする。

軌道傾斜角は30度以上65度以下であり、近地点あるいは遠地点の経緯度上の位置が概略赤道付近にあり、近地点引数は0度ないし180度である傾斜同期楕円軌道にある衛星を用いる。

目的

この発明は上記に鑑み提案されたもので、北半球と南半球の中緯度地域にあるサービスエリアのそれぞれの経度が僅かに異なり、しかも北緯と南緯と値も僅かに異なる状況でも、それぞれのサービスエリアで高仰角が得られ、しかもその利用効率を高くとることができる南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

地上における複数の地点への情報の中継あるいは発信に使われる傾斜同期楕円軌道に有る半球を対象にした高仰角衛星ステムで、その軌道傾斜角は、30度以上65度以下であり、近地点遠地点経緯度上の位置が、概略赤道付近にあり、北半球でのサービスエリアの中心と、南半球でのサービスエリアの中心が、異なった経度を持ち、北半球でのサービスエリアの中心が南半球でのサービスエリアの中心よりも西にあって、軌道近地点引数が概略180度であるか、あるいは、北半球でのサービスエリアの中心が南半球でのサービスエリアの中心よりも東にあって、軌道の近地点引数は概略0度である、ことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システム。

請求項2

請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムで、衛星の軌道長半径を概略42,164kmとし、離心率は0.5以下であることを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システム。

請求項3

請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムで、傾斜同期楕円軌道に有る複数の人工衛星を備え、該複数の人工衛星を、予め決められた時間で、次々切り替えて使う手段を備え、該複数の人工衛星のそれぞれの衛星軌道は、概略等しい軌道傾斜角と、概略等しい離心率と、概略等しい間隔の昇交点赤経とを持つ、ことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システム。

請求項4

請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムにおいて、3個の衛星で構成され、離心率eと、北半球でのサービスエリアの中心の経度と、南半球でのサービスエリアの中心の経度との差Δλについて、離心率誤差±0.05度の範囲で、概略、e=0.0057×Δλ、の関係にある軌道の通信衛星を持つことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システム。

請求項5

請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムにおいて、4個の衛星で構成され、離心率eと、北半球でのサービスエリアの中心の経度と、南半球でのサービスエリアの中心の経度との差Δλについて、離心率誤差±0.05度の範囲で、概略、e=0.005×Δλ、の関係にある軌道の通信衛星を持つことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システム。

請求項6

請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法で、請求項3に記載のシステムに属する衛星は、第一の地上局からの情報を中継し、第二の地上局は、該衛星で中継された情報を受け取ることにより、第一の地上局と第二の地上局との間で通信を行なうことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法。

請求項7

請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法で、請求項3に記載のシステムに属する第一の衛星と第一の地上局との通信を行ない、その通信を第一の衛星と、第一の衛星と同一のシステムあるいは他のシステムに属する第二の衛星とで中継し、該第二の衛星と第二の地上局との通信を行なうことにより、第一の地上局と第二の地上局との通信を行なうことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法。

請求項8

請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した測位システムで、請求項1の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムと、1機以上の静止衛星と、1以上の受信局とを備え、それぞれの衛星は、時間に関する情報を中継あるいは発信する手段を備え、上記の受信局は、複数の衛星からの時間に関する情報を受信する手段と、該衛星からの時間に関する情報を距離に関する情報に変換する手段を備え、受信局のアンテナ位置情報を出力する手段を備えたことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した測位システム。

請求項9

請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムの軌道設計方法で、南北各半球のサービスエリアの代表地点として、概略中心の緯度・経度を求め、近地点引数は、北半球のサービスエリアの中心が南半球のサービスエリアよりも西に有れば0度とし、その反対に東にあれば180度とし、軌道傾斜角の初期値に関し、まず、離心率を0とする傾斜同期円軌道を用いて、しかも、昇交点経度をサービスエリアの概略中心緯度とする条件下で、南北各半球のサービスエリアの概略中心地点における最低仰角が最大になる様に軌道傾斜角を設定することにより得られる軌道傾斜角を、軌道傾斜角の初期値とし、離心率の初期値に関し、軌道傾斜角を固定した条件のもとで、離心率を変化させて、最大仰角地点の経度と昇交点経度の差を離心率の関数として求め、この差の2倍と南北各中心の経度差が等しくなる離心率を求めることにより、離心率の初期値とし、昇交点経度の初期値に関し、南北各中心の緯度と経度から、比例配分赤道上における経度を求めることにより、昇交点経度の初期値とし、上記の軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の初期値の近傍で、軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の3パラメータを変化させることにより、サービスエリアの選択された地点で与えられた望ましい条件を最大限満足する時点の値を、軌道傾斜角、離心率および昇交点経度それぞれの最終的な値とする、ことを特徴とする南北両半球を対象にした高仰角衛星システムの軌道設計方法。

技術分野

0001

この発明は、人工衛星を利用した半球を対象にした高仰角衛星ステムに関するものである。特に、傾斜同期軌道衛星システムで、北半球におけるサービスエリア南半球におけるサービスエリアが中緯度にあり、しかもその経度が異なっている場合にも、そのサービスエリアから衛星を追尾するにあたり、高仰角を確保することのできる南北両半球を対象にした高仰角衛星システムに関している。

背景技術

0002

人工衛星は、通信放送位置測定、科学観測資源探査、あるいは各種の地上観測等に利用されている。この人工衛星と地上局との間の通信においては、地上局から人工衛星を見通せなくてはならないが、人工衛星を見上げたときの仰角が小さい場合、地上局の周り建物地形により、見通しがきかない場所がある。このような所でも人工衛星を利用したい場合は、人工衛星を見通せるように、人工衛星の軌道を最適化して、仰角を高く取ることのできる衛星軌道とすることが必要である。

0003

また、人工衛星と地上局との間の通信においては、地上局から人工衛星を常時見通せると好都合であるが、これには、低い軌道に多数の衛星を配置する方法と高い軌道で地球の自転に同期して周回する同期軌道衛星を用いる方法が知られている。

0004

低い軌道に多数の衛星を配置する方法として、世界中のそれぞれの地上局で、常時どれかを見通せる様にしたイリジウム衛星システムが知られているが、これは、多数の衛星を用いる方法のため、特定のサービスエリアで用いる場合には、高コストとなってしまう。

0005

一方、同期軌道衛星を通信に用いると、地上局から見た場合、この衛星は特定のエリアにとどまるため、特定のサービスエリアで用いる場合には、低コストの通信システムを構成することが可能である。

0006

従来の人工衛星で、同期軌道衛星として知られているものには、静止衛星があるが、これは、地上からは見かけ上、静止しているため、衛星を追尾する必要がなく、地上アンテナもその方角を固定できるなどの利点はあるものの、日本などの中緯度エリアでは仰角が低く、50度以下に限定されるという欠点もある。このため、都市部や山岳部ではビルや山岳で電波が遮られる事になり、移動しながら通信する場合は、ときどき通信が途切れることがある。

0007

また、高緯度地域で高仰角が得られる人工衛星には、モルニア衛星があるが、これは、軌道傾斜角63.4度の傾斜軌道を利用しており、地球を回るその周期は12時間である。この軌道傾斜角では、高緯度地域では高仰角が得られるが、中緯度にある日本付近では仰角が低下する。また、地球を回るその周期は12時間であるため、複数の人工衛星で1組のシステムとなっている。

0008

また、中緯度地域で高仰角が得られる人工衛星には、北半球または南半球の一方に遠地点をもつ傾斜同期楕円軌道による衛星通信システムがあり、これは、特開平11−34996号公報に開示されている。この人工衛星のサービス地域は、北半球または南半球の一方のみに重点が置かれている為、人工衛星がサービス地域と異なる半球側に有るときには、人工衛星は利用されず、従って利用効率が下がってしまう。例えば、北半球または南半球のどちらかの中緯度地域でのみ高仰角が得られる3衛星のシステムの場合、1機の衛星を利用する時間は約8時間で利用効率があまりよくない、という欠点がある。

0009

さらに、中緯度地域で高仰角が得られ、利用効率が、上記の北半球または南半球の一方に遠地点をもつ傾斜同期楕円軌道による衛星通信システムよりも良い例としては、傾斜同期円軌道による衛星通信システム(8の字軌道を用いた衛星通信システム)があり、これは、例えば、電子情報通信学会誌論文(信学技法SAT99−10(1999−05))に記載されている。この人工衛星は、北半球と南半球にサービスエリアを持つために利用効率は高くなる。しかし、その経度は、ほぼ同じ経度の地域に限られる。また、仰角に関しては、南北両半球で経度がほぼ等しい場合には、両地域で高仰角が得られるが、経度差があると仰角が低下する、という欠点がある。このようにサービスエリアに関する条件が厳しいため、このシステムを実際に用いようとする場合、利用できる地域が限られて狭くなるか、仰角など運用条件緩和が必要になる。

発明が解決しようとする課題

0010

しかし、従来の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムでは、北半球と南半球の異なる経度の地域がサービスエリアとなる場合に、中緯度地域で高仰角が得られ、しかも人工衛星の利用効率が高いシステムとなる衛星軌道を取れなかった。

0011

この発明は上記に鑑み提案されたもので、北半球と南半球の中緯度地域にあるサービスエリアのそれぞれの経度が僅かに異なり、しかも北緯と南緯と値も僅かに異なる状況でも、それぞれのサービスエリアで高仰角が得られ、しかもその利用効率を高くとることができる南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

上記目的を達成するために、特に、北半球でのサービスエリアの中心と、南半球でのサービスエリアの中心が、異なった経度にある場合でも、各サービスエリアから見た衛星の仰角を高く設定するために、請求項1に記載の発明は、地上における複数の地点への情報の中継あるいは発信に使われる傾斜同期楕円軌道に有る南北両半球を対象にした高仰角衛星システムで、その軌道傾斜角は、30度以上65度以下であり、近地点、遠地点の経緯度上の位置が、概略赤道付近にあり、北半球でのサービスエリアの中心と、南半球でのサービスエリアの中心が、異なった経度を持ち、北半球でのサービスエリアの中心が南半球でのサービスエリアの中心よりも西にあって、軌道の近地点引数が概略180度であるか、あるいは、北半球でのサービスエリアの中心が南半球でのサービスエリアの中心よりも東にあって、軌道の近地点引数は概略0度である、ことを特徴としている。

0013

また、請求項2に記載の発明は、衛星軌道を開示するために、上記した請求項1に記載の発明の構成に加えて、衛星の軌道長半径を概略42,164kmとし、離心率は0.5以下であることを特徴としている。

0014

また、請求項3に記載の発明は、衛星の仰角を高く設定できるようにするために、上記した請求項1に記載の発明の構成に加えて、傾斜同期楕円軌道に有る複数の人工衛星を備え、該複数の人工衛星を、予め決められた時間で、次々切り替えて使う手段を備え、該複数の人工衛星のそれぞれの衛星軌道は、概略等しい軌道傾斜角と、概略等しい離心率と、概略等しい間隔の昇交点赤経とを持つ、ことを特徴としている。

0015

また、請求項4に記載の発明は、衛星の仰角を高く設定するために、上記した請求項3に記載の発明の構成に加えて、3個の衛星で構成され、離心率eと、北半球でのサービスエリアの中心の経度と、南半球でのサービスエリアの中心の経度との差Δλについて、離心率誤差±0.05度の範囲で、概略、e=0.0057×Δλ、の関係にある軌道の通信衛星を持つことを特徴としている。

0016

また、請求項5に記載の発明は、衛星の仰角を高く設定するために、上記した請求項3に記載の発明の構成に加えて、4個の衛星で構成され、離心率eと、北半球でのサービスエリアの中心の経度と、南半球でのサービスエリアの中心の経度との差Δλについて、離心率誤差±0.05度の範囲で、概略、e=0.005×Δλ、の関係にある軌道の通信衛星を持つことを特徴としている。

0017

また、請求項6に記載の発明は、広範囲な地上局間の通信を行なうために、請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法で、請求項3に記載のシステムに属する衛星は、第一の地上局からの情報を中継し、第二の地上局は、該衛星で中継された情報を受け取ることにより、第一の地上局と第二の地上局との間で通信を行なうことを特徴としている。

0018

また、請求項7に記載の発明は、さらに広範囲な地上局間の通信を行なうために、請求項3に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した通信方法で、請求項3に記載のシステムに属する第一の衛星と第一の地上局との通信を行ない、その通信を第一の衛星と、第一の衛星と同一のシステムあるいは他のシステムに属する第二の衛星とで中継し、該第二の衛星と第二の地上局との通信を行なうことにより、第一の地上局と第二の地上局との通信を行なうことを特徴としている。

0019

また、請求項8に記載の発明は、高仰角の得られる衛星測位システムを構成するために、上記した請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを利用した測位システムで、請求項1の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムと、1機以上の静止衛星と、1以上の受信局とを備え、それぞれの衛星は、時間に関する情報を中継あるいは発信する手段を備え、上記の受信局は、複数の衛星からの時間に関する情報を受信する手段と、該衛星からの時間に関する情報を距離に関する情報に変換する手段を備え、受信局のアンテナ位置情報を出力する手段を備えたことを特徴としている。

0020

また、請求項9に記載の発明は、上記した請求項1に記載の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムの軌道設計方法で、南北各半球のサービスエリアの代表地点として、概略中心の緯度・経度を求め、近地点引数は、北半球のサービスエリアの中心が南半球のサービスエリアよりも西に有れば0度とし、その反対に東にあれば180度とし、軌道傾斜角の初期値に関し、まず、離心率を0とする傾斜同期円軌道を用いて、しかも、昇交点経度をサービスエリアの概略中心緯度とする条件下で、南北各半球のサービスエリアの概略中心地点における最低仰角が最大になる様に軌道傾斜角を設定することにより得られる軌道傾斜角を、軌道傾斜角の初期値とし、離心率の初期値に関し、軌道傾斜角を固定した条件のもとで、離心率を変化させて、最大仰角地点の経度と昇交点経度の差を離心率の関数として求め、この差の2倍と南北各中心の経度差が等しくなる離心率を求めることにより、離心率の初期値とし、昇交点経度の初期値に関し、南北各中心の緯度と経度から、比例配分赤道上における経度を求めることにより、昇交点経度の初期値とし、上記の軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の初期値の近傍で、軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の3パラメータを変化させることにより、サービスエリアの選択された地点で与えられた望ましい条件を最大限満足する時点の値を、軌道傾斜角、離心率および昇交点経度それぞれの最終的な値とする、ことを特徴としている。

発明を実施するための最良の形態

0021

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、説明をより明確にするために、説明の基準となる、東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による衛星通信システムの場合について図12図16を用いて説明する。このシステムでは、3機の衛星を用いて、日本とオーストラリアをサービスエリアとしたものである。この場合、東京とシドニーをサービスエリアの中心と考えている。図12は、人工衛星を天頂に見る地球上の地点を示したものである。3機の衛星は、時間的に等間隔で、周回軌道を動いており、仰角が大きくなる様に順次切り替えて使用される。図13は、3機の人工衛星からなる通信システムで、各地でその人工衛星を見上げた時の仰角について、等高線を描いたものである。図14は、3機の人工衛星からなる通信システムで、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示している。この図から、東京での仰角の変化は、10度程度であるのに対して、シドニーでの仰角の変化は大きく、約88度から65度程度まで、23度ほど変化することがわかる。これは、その衛星軌道が、北半球と南半球で、赤道について線対称であるために引き起こされている。東京では、70度以上となるが、シドニーでは、70度以下になっている。70度以上となるのは、アデレード付近であることがわかる。図15は、同様に、4機の人工衛星からなる通信システムで、各地でその人工衛星を見上げた時の仰角について、等高線を描いたものである。この場合、東京は75度以上の仰角となるが、シドニーでは、ほぼ70度程度である。図16は、4機の人工衛星からなる通信システムの場合で、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示している。この図から、東京での仰角の変化は、3度程度であるのに対して、シドニーでの仰角の変化は大きく、約88度から69度程度まで、19度ほど変化することがわかる。シドニーでの仰角は、3機の場合と4機の場合で、殆ど変わりなく、改善効果が小さいことがわかる。

0022

以上の説明は、傾斜同期円軌道についてのものであったが、近地点引数が0度あるいは、180度の場合の傾斜楕円軌道についてみると、図11のように傾いた8の字の形状となることが分かる。図11は、3機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を相対的な経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示した図である。この図から、僅かに異なる経度の地点の場合には、近地点引数を0度あるいは、180度とした傾斜楕円軌道を用いることによって、仰角を改善することが出来ることが分かる。

0023

第一の実施形態を次に示す。3機の衛星を用いて、関東・北九州間とオーストラリアのシドニー・アデレード間で70度以上、日本全国およびオーストラリア南東部で60度以上の最低仰角を確保できる形態で、その同期楕円軌道の軌道パラメータは、軌道長半径:42,164km、離心率:0.047、近地点引数:180度、軌道傾斜角:49.3度、昇交点経度:140.9度、である。

0024

地上から見た、その軌道を図1に示す。図1は、3機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示した図である。また、各地の仰角分布図2に示す。図2は、3機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、各地での最低仰角の等高線を示している。図3は、3機の衛星からなるシステムの場合で、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示している。この図から、東京とシドニーで70度以上の仰角が確保できることがわかる。従来技術の傾斜同期円軌道ではシドニーで約65度の仰角しか確保できない。

0025

4機の衛星を用いた第二の実施形態を次に示す。これは、4機の衛星を用いて日本およびオーストラリアの主要部で75度以上、日本本土およびオーストラリア南東部で70度以上の最低仰角を確保できる形態で、その同期楕円軌道の軌道パラメータは、軌道長半径=42,164km、離心率=0.048、近地点引数=180度、軌道傾斜角=45.8度、昇交点経度=144.4度、である。

0026

地上から見た、その軌道を図6に示す。図6は、4機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示した図である。また、各地の仰角分布を図7に示す。図7は、4機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、各地での最低仰角の等高線を示している。図8は、4機の衛星からなるシステムの場合で、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示している。この図から、東京とシドニーで75度以上の仰角が確保できることがわかる。

0027

地上局間で通信する場合は、これらの軌道上にある通信衛星の最も高仰角にある一つを用いて信号を中継するか、あるいは簡単には、信号を反射して、通信を行なうことができる。

0028

また、北半球の地上局と南半球の地上局間で通信するには、それぞれの地上局は、それぞれから見て最も高仰角にある衛星を用いて、またそれらの衛星間でそれらの通信を中継することにより、通信をおこなうことができる。

0029

衛星間の通信で中継する方法を用いることにより、本発明のシステムを用いる地上局と、本発明の他のシステムあるいは衛星軌道の異なる他のシステムを用いる地上局間で、基本的には、通信できることは明らかである。この方法により、より広いエリアでサービスする事が可能となる。

0030

これらの軌道を求める方法を第3の実施形態としてそれを以下に示す。この方法は、近地点引数を、サービスエリアの位置により特定の値に固定し、軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の値を変化させて、南北各半球のサービスエリアの特定地点に課せられた条件を最大限充たす様にするものである。

0031

先ず、
1)南北各半球のサービスエリアの代表地点として、概略中心の緯度および経度を求める。そして、
2)近地点引数は、北半球のサービスエリアの中心が南半球のサービスエリアよりも西に有れば0度とし、その反対に東にあれば180度とする。次に、軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の値について、以下の方法で初期値を決める。
3)軌道傾斜角の初期値を求める。離心率を0とする傾斜同期円軌道を用いて、しかも、昇交点経度をサービスエリアの概略中心緯度とする条件下で、南北各半球のサービスエリアの概略中心地点における最低仰角が最大になる様に軌道傾斜角を設定し、下記の手続6の初期値とする。
4)離心率の初期値を求める。軌道傾斜角を固定した条件のもとで、離心率を変化させて、最大仰角地点の経度と昇交点経度の差を離心率の関数として求める。この差の2倍と南北各中心の経度差が等しくなる離心率を求め、離心率の初期値とする。
5)昇交点経度の初期値を求める。南北各中心の緯度・経度から、比例配分で赤道上における経度を求める。つまり、北半球の中心緯度、経度をφn、λn、南半球の中心緯度、経度をφs (負の値)、λs とすると、昇交点経度λの初期値は、λ=λn−(λn−λs)×φn/(φn−φs )である。最適化は、次の手順で行なう。
6)上記の軌道傾斜角、離心率、昇交点経度を初期値として、軌道傾斜角、離心率、昇交点経度の3パラメータを変化させ、最適化条件を最大限満足する値を、それぞれの最終的な値とする。

0032

図4は、時間的に等間隔に並んだ3機の衛星からなるシステムの場合で、こうして得られた離心率と経度差の関係、および、離心率と緯度の関係を示している。離心率を大きく取ることによって、大きな経度差でもカバーできる事が分かる。また、緯度は、離心率にあまり依存していない事が分かる。図5は、3機の衛星からなるシステムの場合で、こうして得られた離心率と最低仰角との関係を、軌道傾斜角をパラメーターとして示した図である。それぞれの軌道傾斜角において、離心率が増加するに従って、最低仰角が減少しているのが分かる。

0033

これらの図を用いる事によって、サービスエリアの緯度、経度から種々の値を見積もることができる。例えば、経度差が30度の場合、図4から離心率は0.34程度で、また、緯度が35度の場合、図4から、軌道傾斜角は、50度弱であることが分かる。さらに、図5を用いて、最低仰角は、69度程度であることが分かる。

0034

これを、3機の衛星からなるシステムの場合の軌道傾斜角iとサービスエリア中心の緯度φの関係としてまとめると、以下の式で近似できる。この近似式の誤差は、±10度程度である。ここでは、南半球に対しても、緯度については、+の値で与える。近似式は折れ線になるため、緯度φの値により式が異なる。
i=1.64φ−6.7 (φが20〜41度未満)、
i=0.72φ+31 (φが41〜50度)。
ただし、この近似式の場合、南半球と北半球のそれぞれの中心に対して傾斜角を求め、平均したものが求める傾斜角である。

0035

時間的に等間隔に並んだ4機の衛星からなるシステムの場合を図9図10に示す。図9は、4機の衛星からなるシステムの場合で、上述の計算手続で得られた離心率と経度差の関係、および、離心率と緯度の関係を示している。また、図10は、4機の衛星からなるシステムの場合で、上述の計算手続で得られた離心率と最低仰角との関係を、軌道傾斜角をパラメーターとして示した図である。図10から分かる様に、最低仰角があまり小さくならないためには、離心率は、0.5以下であることが望ましい。

0036

上記の3機の場合と同様に、これを、4機の衛星からなるシステムの場合の軌道傾斜角iとサービスエリア中心の緯度φの関係としてまとめると、以下の式で近似できる。この近似式の誤差も、±10度程度である。ここでも上記と同様に、南半球に対しても、緯度については、+の値で与える。近似式は折れ線になるため、緯度φの値により式が異なる。
i=1.4φ−4.2 (φが20〜35度未満)、
i=0.96φ+11.2(φが35〜50度)。
ただし、この近似式の場合、南半球と北半球のそれぞれの中心に対して傾斜角を求め、平均したものが近似的に傾斜角である。

0037

第4の実施形態として、衛星測位システムに適用した場合を、次に述べる。上記の第一実施形態の軌道パラメータをもつ3機の衛星と、2機以上の静止衛星、または、第二実施形態の軌道パラメータをもつ4機の衛星と、1機以上の静止衛星を用いることにより、通常のGPS(Global PositioningSystem)で用いられる衛星の数(24)を大幅に低減することができる。

0038

衛星測位システムを構成するには、上記の軌道パラメータをもつ3機または4機の衛星と2機または1機以上の静止衛星に原子時計を搭載して時刻を同期させ、各衛星から測位信号を送信する。または地上の原子時計に基づいて生成した測位信号を各衛星で中継、送信する。受信局では4機以上の衛星からの測位信号を同時に受信して各々の衛星からの擬似距離を測定し、受信局の位置と時刻を求める。受信局が地上にある場合は、通常のGPSの場合と同様に最低3機の衛星からの信号を受信すれば、受信位置見出すことが出来るが、受信局が地上にない場合は、4機の衛星からの測位信号を同時に受信する必要がある。人工衛星を用いた通常のGPSでは24機の衛星が必要であるが、本発明では、最低4機、実用的には、5〜7機程度の衛星でサービスエリアに対する測位が可能になる。また、測位に使用する衛星がすべて地上局から可視であるため、衛星に原子時計を積む従来の方法以外に、地上から測位信号を供給して中継する構成をとり、衛星を簡略化または軽量化することも可能であるため、製造コスト打ち上げコストを少なくすることができる。さらに、1機の衛星は常に天頂付近見えるため、建物などによる遮蔽が少ないこの衛星に通信機能を搭載して、誤差情報を合わせて放送することにより、同一システム内でのディファレンシャル測位が可能になり、測位精度を高めることができる。これらの方法や利点については円軌道を用いた傾斜同期円軌道である8の字衛星の場合と同じであるが、本発明の特徴は、経度の異なる北半球と南半球のサービスエリアにおいて、同様のサービスを提供することができる点にある。この特徴により、従来のよく知られた傾斜同期円軌道である8の字衛星の場合には同じ経度のサービスエリアを北半球と南半球に用意する必要があったことと比べると、その利用効率を著しく高めることができる。

発明の効果

0039

この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。

0040

請求項1に記載の発明では、傾斜同期楕円軌道の軌道傾斜角を、30度以上65度以下とし、近地点、遠地点の経緯度上の位置が、概略赤道付近にあるとし、軌道の近地点引数を、北半球でのサービスエリアと南半球でのサービスエリアとの位置関係により180度ないし0度にしたことにより、北半球でのサービスエリアの中心と、南半球でのサービスエリアの中心が、異なった経度にある場合でも、各サービスエリアから見た衛星の仰角を高く設定することができるようになった。

0041

また、請求項2に記載の発明では、衛星の軌道長半径を概略42,164kmとし、離心率は0.5以下としたことにより、離心率の上限を規定して、利用できる離心率の範囲を明確にした。

0042

さらに、請求項3に記載の発明では、複数の人工衛星で、南北両半球を対象にした高仰角衛星システムを構成する場合の配置を示したので、これらを切り替えて使うことにより、各サービスエリアから見た衛星の仰角を高く設定することができるようになった。

0043

さらに、請求項4に記載の発明では、3個の衛星で構成され、離心率eと、北半球でのサービスエリアの中心の経度と南半球でのサービスエリアの中心の経度との差Δλについて、e=0.0057×Δλ、の関係にすることにより、各サービスエリアから見た衛星の仰角を高く設定することができるようになった。

0044

さらに、請求項5に記載の発明では、4個の衛星で構成され、e=0.005×Δλ、の関係にすることにより、各サービスエリアから見た衛星の仰角を高く設定することができるようになった。

0045

さらに、請求項6に記載の発明では、地上局間の通信に衛星による中継を用いることにより、広範囲な領域で地上局間の通信を行なうことができるようになった。

0046

さらに、請求項7に記載の発明では、地上局の通信に複数の衛星間の通信を用いることにより、上記の請求項6の場合よりさらに、広範囲な領域で地上局間の通信を行なうことができるようになった。

0047

さらに、請求項8に記載の発明では、本発明の南北両半球を対象にした高仰角衛星システムと静止衛星とを併用することにより、高仰角の得られる衛星測位システムを構成できるようになった。

0048

さらに、請求項9に記載の発明では、サービスエリアの代表地点に課せられた条件を満足する方法を開示したので、そのための衛星軌道を容易に算出することができるようになった。

図面の簡単な説明

0049

図13機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示す図である。
図23機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、各地での最低仰角の等高線を示す図である。
図33機の衛星からなるシステムの場合で、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示す図である。
図4時間的に等間隔に並んだ3機の衛星からなるシステムの場合で、請求項9の方法で得られた離心率と経度差の関係、および、離心率と緯度の関係を示す図である。
図53機の衛星からなるシステムの場合で、請求項9の方法で得られた離心率と最低仰角との関係を、軌道傾斜角をパラメーターとして示す図である。
図64機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示す図である。
図74機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を経度とし、縦軸を緯度として、各地での最低仰角の等高線を示す図である。
図84機の衛星からなるシステムの場合で、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示す図である。
図94機の衛星からなるシステムの場合で、請求項9の方法で得られた離心率と経度差の関係、および、離心率と緯度の関係を示す図である。
図104機の衛星からなるシステムの場合で、請求項9の方法で得られた離心率と最低仰角との関係を、軌道傾斜角をパラメーターとして示す図である。
図113機の衛星からなるシステムの場合で、横軸を相対的な経度とし、縦軸を緯度として、その衛星を天頂に見る地点の位置を示す図である。
図12東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による衛星通信システムの場合について、人工衛星を天頂に見る地球上の地点を示す図である。
図13東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による衛星通信システムの場合について、3機の人工衛星からなる通信システムで、各地でその人工衛星を見上げた時の仰角について、等高線を描いた図である。
図14東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による3機の人工衛星からなる衛星通信システムの場合について、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示す図である。
図15東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による衛星通信システムの場合について、4機の人工衛星からなる通信システムで、各地でその人工衛星を見上げた時の仰角について、等高線を描いた図である。
図16東京をサービスエリアとして最適化された傾斜同期円軌道による4機の人工衛星からなる衛星通信システムの場合について、東京とシドニーでの仰角の時間変化を示す図である。

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