データ中継衛星：追跡管制局が宇宙へ移動

2022年7月13日、天聯2号03号衛星が西昌衛星発射センターで打ち上げられた。天聯2-03号は天聯2-01号、02号衛星とのグローバルネットワーク運用を実現し、中低軌道宇宙船のグローバルカバレッジを満たし、24時間途切れない通信を提供できるようになります。

長征3号Bが天聯2号衛星を打ち上げる

宇宙ベースの追跡管制局の建設

追跡・データ中継衛星システムは、中低軌道上の宇宙機間および宇宙機と地上局間でデータ中継、連続追跡、計測・制御サービスを提供するシステムです。リレー衛星は「衛星の衛星」とも呼ばれ、衛星ファミリーの中では小さいながらも非常に重要なメンバーです。これらは通常、静止軌道上にあり、ユーザーの宇宙船を上から下までカバーします。

宇宙時代の初期には、地球の曲率と電波の直線伝播特性により、低軌道衛星が地球を周回する間、単一の地上局が衛星を「見る」ことができるのは 2% から 3% の時間だけであり、測定と制御のための軌道弧と通信時間は非常に短いことが分かりました。

この問題を克服するために、地上局、調査船、航空機を建設して計測制御ネットワークを拡大し、宇宙船のリアルタイム計測制御時間を延長してきましたが、コストがかかり、効果は平凡です。軌道高度300キロメートルの衛星の場合、100％のカバー率を達成するためには、世界中に100以上の合理的に分散した地上局を構築する必要があり、多くの拠点を海外または公海上に設置する必要があります。

人類が宇宙に進出するにつれ、有人宇宙船と地上の司令センター間のリアルタイム通信を提供することが、宇宙飛行士の生命の安全と有人飛行ミッションの成功の鍵となってきました。地上計測・制御ネットワークの拡張だけでは需要に応えることはもはや不可能です。この問題を根本的に解決するために、計測制御局を宇宙に移し、宇宙船にリアルタイムの計測制御とデータ中継サービスを提供する中継衛星システムの概念が提案されました。

静止軌道で動作する単一の中継衛星は、低軌道のほとんどの宇宙船を観測することができ、2 つの衛星ネットワークは基本的に中低軌道の空域全体をカバーできます。リレー衛星は、コストを削減し、地上局の数を減らすことで、地上の測定および制御ネットワークのカバー範囲が狭いという問題を解決します。地上の計測・制御の「目に見えない」ユーザーへの情報伝送を実現し、宇宙船の追跡・計測サービスの提供、通信・データ伝送中継サービスの提供が可能となり、宇宙船の利用効率と緊急対応能力が大幅に向上します。

人類の太陽系の探査が深まるにつれ、月や火星に飛行する探査機には、中断のない測定、制御、およびデータ フィードバックのサポートが必要になります。また、深宇宙探査ミッションの測定、制御、通信サポートを提供するために、専用の月、火星、地球のデータ伝送中継衛星を配備する必要もあります。

宇宙船の効率乗数

中継衛星は、追跡、計測・制御、データ中継などの複数の機能を統合し、宇宙情報伝送の拠点となります。データ中継衛星システムは、通常、2 つの静止軌道衛星、1 つの地上端末局、およびユーザー宇宙船上の機器で構成されます。ユーザーの宇宙船は、テレメトリ データ、検出データ、音声、ビデオ、その他の情報を S バンドおよび Ka バンドの衛星間リンクを介して中継衛星に送信し、中継衛星はそれをデータ処理のために Ku バンドの地上局に転送します。

中継衛星には多くの利点があります。まず、ユーザーの宇宙船の軌道カバレッジが大幅に向上します。 2機の衛星と1つの地上局を使用することで、高度200キロメートルの宇宙船の軌道セグメントの85％と、高度1200キロメートルから12,000キロメートルの宇宙船の軌道セグメントの100％をカバーでき、宇宙船の計測と制御およびデータ伝送の適時性が大幅に向上し、衛星と地上間の信号伝送と相互作用能力が向上し、宇宙船の異常を迅速に検出し、障害を排除できます。

中継衛星ネットワークは軌道全体をカバーします

有人宇宙ミッションの場合、中継衛星は宇宙飛行士との途切れない通信を確保し、機器や装置、人員の作業をいつでも監視し、どの軌道位置でも宇宙船を制御することができるため、宇宙飛行士の活動計画の柔軟性が大幅に向上します。例えば、天聯1号01号の打ち上げ後、神舟7号宇宙船の追跡制御範囲は18%から50%に増加しました。天聯1号02号と03号の衛星打ち上げにより、我が国は中低軌道宇宙船の軌道カバー率100%を達成しました。

2つ目は宇宙船の集中管理を実現することです。中継衛星には複数の高利得アンテナが搭載されており、システム容量が大きく、可用性が高いです。複数のユーザー宇宙船にサービスを提供し、さまざまな種類の宇宙船を管理できます。宇宙セグメントをカバーするすべての宇宙船は、中継衛星システムの地上局を通じて追跡および制御されており、これは、追跡および制御サービスと宇宙船の追跡および制御機器の標準化に役立ちます。

3つ目は、データ転送速度が速いことです。中継衛星のユーザーターゲットへのデータ伝送容量と地上への総伝送速度は、ギガビット/秒レベルに達することができます。また、データ伝送経路は主に真空です。ユーザ宇宙船がどこで運用されていても、中継衛星はデータを地上局に転送できるため、中間伝送リンクが削減され、信頼性と品質が向上します。

4番目は経済的です。少数の中継衛星システムは、中低軌道のユーザー宇宙船、特に海外の局や測定船を追跡および制御するために使用される多数の地上局を置き換えることができ、地上のサイト間の長距離通信も削減できます。

まさにこれらの大きな利点があるからこそ、データ中継衛星は主要な宇宙大国にとって不可欠かつ重要な宇宙インフラとなっているのです。米国、ロシア、日本、ESA、中国などの国々は相次いで中継衛星システムを構築し、宇宙活動において重要な役割を果たしている。

海外展開概要

米国は1983年に初の追跡・データ中継衛星TDRS-1を打ち上げ、1995年に第1世代のデータ中継衛星システムの構築を完了した。地上施設は主にホワイトサンズ局、グアム局、ゴダード宇宙飛行センターから構成されている。宇宙拠点施設には6機の軌道上衛星が含まれており、低軌道宇宙船の計測・制御・通信軌道のカバー率は100％に達します。

米国のスペースシャトルが世界初の中継衛星TDRS-1を打ち上げる

その後、米国は第2世代および第3世代のデータ中継衛星システムの配備を継続しました。第2世代システムの性能構成は基本的に第1世代と同じであり、衛星間リンクはKuバンドからKaバンドに移行します。第3世代システムでは、衛星と地上の設備が改良・向上されました。この衛星は、より強力な性能とより高いデータ伝送速度を備えた、より高度な衛星プラットフォームと推進システムを採用しています。地上システムはソフトウェアとハ​​ードウェアの交換とアップグレードが行われており、柔軟性、拡張性、アップグレード性を備えています。

米国は世界で最も広く使用され、最大かつ最も強力な軌道上中継衛星システムを構築しており、主に中低軌道衛星、国際宇宙ステーション、航空機、船舶、海洋ブイなどのユーザーにS、Ku、Kaバンドの中継測定、制御、データ伝送サービスを提供しています。

ロシアのレイリレー衛星システムは1982年に構築され、3機の衛星からなる第1世代の衛星群の展開は1989年に完了しました。このシステムは、低軌道衛星、ミール宇宙ステーション、ソユーズ宇宙船、初期のサリュート宇宙ステーションの測定、制御、データ伝送をサポートします。

ロシアの中継衛星

1990年以降、ロシアは第2世代のリレー衛星の開発を開始した。これは基本的に第1世代のシステムと同じ構成と機能を持ち、打ち上げられる衛星は1つだけであった。ロシアは2009年に第3世代中継衛星の開発を開始し、2014年までに3機の衛星の配備を完了しました。第3世代システムでは、Sバンド衛星間リンクとGLONASS衛星信号を受信するためのペイロードが追加され、GLONASSシステムとの統合および拡張アプリケーションが可能になります。

ESAは1989年に実験用データ中継衛星の開発を開始し、2001年7月に打ち上げに成功しました。この衛星は主に、衛星間マイクロ波および光通信技術の検証、および欧州の貨物宇宙船や国際宇宙ステーションのランデブー・ドッキングミッション、地球観測衛星、極軌道プラットフォーム、その他の科学衛星へのデータ中継サービスの提供に使用されます。

ESAデータ中継衛星

2008 年、ESA は 3 つの衛星 EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D と対応する地上局で構成される欧州データ中継衛星 EDRS システムの開発を開始しました。世界初の実用的宇宙高速レーザーリレーシステムです。

ただし、EDRS-A も EDRS-C も独立した衛星ではありません。 EDRS-Aは、2016年に欧州通信衛星ユーテルサット9Bの独立したペイロードとして打ち上げられました。他の通信ペイロードを搭載したEDRS-Cは、2019年に宇宙に打ち上げられました。EDRS-Dは、2025年に宇宙に打ち上げられる予定です。

日本は、探査衛星、国際宇宙ステーション、日本のHOPE実験室、その他の宇宙船に計測、制御、データ中継サービスを提供するため、2002年にデータ中継・追跡衛星を打ち上げました。衛星利用率は99％に達し、2017年に退役する予定。より高い中継速度の需要に応えるため、日本は2020年末にレーザーデータ中継衛星を打ち上げる予定。高信頼性、小型化、高データ伝送速度を特徴とし、その性能は世界最先端のレベルにある。

克服すべき重要な技術

中継衛星システムは、宇宙情報共有ハブであり、効率的な宇宙ベースの情報ネットワークインフラストラクチャであり、宇宙船の効率を倍増させます。各国の発展状況から判断すると、中継衛星システムは重要な役割を果たし、重要な地位を占めているが、他の衛星分野と比較すると、その発展は比較的遅く、数も少ない。システムの研究と構築を行う能力を持つ国はごくわずかです。中継衛星には特有のキーテクノロジーと難しさがあるからです。

中継衛星とユーザー宇宙船間の衛星間伝送リンクを確立するには、まず衛星搭載の閉ループ捕捉および追跡技術の問題を解決する必要があります。中継衛星アンテナは、利得が大きく、ビームが狭い（0.15～0.3度）ため、ユーザー宇宙船が高速飛行中にターゲット信号を捕捉して追跡する必要があります。ただし、システム設計を簡素化するために、ユーザーの宇宙船には通常ビーコンはなく、データ伝送信号のみが搭載されています。機能的な位置付けが異なるため、各ユーザー宇宙船のデータ伝送速度、変調方式、帯域幅、信号レベル、ドップラーシフトは大きく異なります。さらに、ユーザー宇宙船のアンテナサイズと送信電力は非常に限られているため、中継衛星が目的の信号を捕捉することは非常に困難です。

中継衛星はデータ伝送速度とアンテナ利得が高く、アンテナには非常に大きな電気的寸法（実寸/動作波長）が必要です。同時に、動作波長が短いほど、アンテナ反射鏡に求められる表面精度が高くなります。たとえば、Ka バンド アンテナの場合、表面誤差によって生じるアンテナ利得損失を 0.5 デシベル未満に抑える必要がある場合、アンテナの主反射面の表面誤差は 0.3 mm 未満にする必要があります。これには加工誤差だけでなく、過酷な宇宙環境によるアンテナ反射面の変形も考慮する必要があります。中継衛星用のマルチバンド精密追尾アンテナは、現在開発が最も難しい衛星搭載アンテナであると言えます。

中継衛星が軌道上で動作しているとき、大型の単一サイトアンテナは複雑な軌道と変化する速度で運動している状態にあります。天体と移動するアンテナ間の深刻な動的結合と、アンテナ自体が非線形で柔軟な構造システムであるという事実により、極狭ビームアンテナがユーザー宇宙船の捕捉と追跡ミッションを完了できるようにするには、高精度の複合制御技術を習得する必要があります。

さらに、外部熱流変化が極めて大きい高周波ボックス熱制御設計技術、極めて広帯域なKu/Kaバンドトランスポンダ技術、高性能アンテナ駆動技術も、中継衛星が解決すべき重要な技術です。

ユーザ宇宙船が中継衛星との通信接続を確立したい場合、専用の中継端末を搭載し、対応する衛星間リンク周波数帯域で動作する必要があります。ユーザー宇宙船のアンテナは、中継衛星を追跡する能力を備え、データ伝送速度の要件に基づいて、中継衛星との通信リンクを確立するために一定の等価等方放射電力と品質係数を提供する必要があります。

開発と応用の幅広い展望

中継衛星は、有人宇宙飛行、衛星、打ち上げロケットなどのユーザーターゲットに宇宙ベースの計測、制御、データ中継サービスを提供しており、幅広い開発と応用の見通しを持っています。

有人宇宙飛行の分野では、中継衛星は宇宙ステーションや宇宙船の軌道上運用のための宇宙ベースの計測、制御、データ中継伝送サービスを提供し、宇宙船の飛行全体にわたって往路と復路の画像、音声などを提供し、宇宙ステーションの日常的な運用をサポートします。衛星アプリケーションの観点から見ると、リレー衛星は、リモートセンシング、測量、地図作成などの中低軌道衛星に長期的かつ安定した信頼性の高い宇宙ベースのデータ伝送と測定および制御サービスを提供し、データをタイムリーに地上に送信してアプリケーション効率を向上させます。ロケット打ち上げミッション中、中継衛星はロケット打ち上げの測定と制御の範囲を拡大し、陸上および海上ベースの測定と制御の盲点を補い、ロケット搭載の重要なテレメトリデータを送信します。

中継衛星システムの適用範囲が拡大し続けるにつれて、ユーザーの種類も宇宙ベースの宇宙船から海、陸、空などの分野へと徐々に拡大しています。日常的な中継ミッションの規模とサービス対象の数は年々急速に増加し、ミッションの種類は多様化と体系化に向けて発展しており、データ中継サービスの伝送速度、カバーエリア、アクセスのリアルタイム性能に対する要求が高まっています。

一方、リモートセンシング衛星の解像度は向上し続けており、宇宙ステーションなどの軌道上の長期有人宇宙船は毎日大量の科学実験データを生成するため、リレー衛星にはより高いデータ返送率を提供することが求められています。一方、月や火星などへ飛行する恒星間探査機には、継続的な計測、制御、通信サポートが必要であり、そのためには専用の中継衛星を展開し、深宇宙の長距離中継能力を拡張する必要があります。さらに、将来の宇宙船では、より自律的な管理と自律飛行モードが採用されるでしょう。地上の計測・制御の関与なしに、中継衛星を通じて高精度の航法データを受信し、宇宙船のリアルタイムの高精度な軌道決定と軌道制御を実現します。

地球-月間通信中継衛星の概略図

新たな需要に直面して、主要な宇宙大国は中継衛星技術の交換とアップグレードを積極的に推進し、作業周波数帯を高周波に向けて開発し、レーザー通信技術を採用してデータ伝送速度を大幅に向上させ始めました。衛星システムは、より柔軟で多様な中継衛星システムを構築し、システムの柔軟性を向上させるために、米国では小規模な衛星群を採用し、欧州では専用衛星と搭載ペイロードの組み合わせを採用するなど、分解と専門化の方向に発展してきました。ユーザー端末は、より柔軟なエンドツーエンドのデータ相互作用モードを満たすために、小型化、インテリジェント化、低消費電力化、高信頼性の方向に発展してきました。人工知能技術とソフトウェア無線技術を組み合わせることで、中継衛星システムのデータスループットと運用・保守制御の柔軟性が向上し、システム性能がさらに向上します。

中継衛星がレーザー伝送を検証

宇宙情報の高速伝送のバックボーン インフラストラクチャとして、また宇宙船の効率を増大させるものとして、中継衛星は航空宇宙およびその他のアプリケーションにおいてますます重要な役割を果たすことになります。その幅広い展望は、この衛星分野の強力な活力を示しており、人類の宇宙探査にさらに大きな貢献を果たすことになるでしょう。