データ中継衛星は何をするのですか?どのように発展したのでしょうか?

データ中継衛星の開発には、多くの独自の主要技術を習得する必要があり、非常に難しいため、その開発は比較的遅いです。米国がリレー衛星の構想を提唱してから第一世代のリレー衛星の初号機を打ち上げるまでに約20年、第二世代の衛星群の初号機を打ち上げるまでにさらに17年を要した。

一般的に、データ中継衛星技術の発展の道筋は、より先進的な衛星プラットフォームの採用、アンテナのアップグレード、新しい無線周波数帯域技術やリンク変調システムなどの採用により、衛星の総合的な能力を高め、より強力な機能を備えたより多くの種類のサービスをユーザーに提供することです。同時に、地球近傍宇宙ミッション、深宇宙探査ミッション、近宇宙、低高度超高速飛行などのさまざまな応用シナリオにより、リレー衛星に対するさまざまなサービス要件が提示され、従来のフル機能タイプからプロフェッショナルタイプへのリレー衛星の開発が促進されました。主要な宇宙大国は、中継衛星システムを改善し、将来の宇宙ミッションのニーズを満たすために、システムアーキテクチャを革新し、新しいネットワークおよびコンステレーション技術を採用することにより、新世代のデータ中継衛星システムの構築を継続的に推進しています。

中継衛星は宇宙ステーションや他の宇宙船にサービスを提供する

技術開発による衛星性能の向上

データ中継衛星の主なペイロードはアンテナアレイです。従来のフル機能リレー衛星技術の発展は、主に単一アドレスチャネル性能、アンテナ構成、データ伝送速度などの改善に反映されています。

米国の第一世代の中継衛星のペイロードには、30 個のヘリカル アンテナ ユニットと 2 つの直径 4.9 メートルの回転可能な S および Ku デュアル バンド シングル リンク パラボラ アンテナで構成される S バンド マルチリンク フェーズド アレイ アンテナが含まれています。衛星間リンクは S および Ku デュアル周波数帯域で動作し、衛星と地上間のリンクは Ku 帯域で動作します。 S バンドの多重アクセス転送速度および返信速度は 300 キロビット/秒、単一アクセスの最大伝送速度は 10 メガビット/秒、Ku バンドの単一アクセス転送速度は 25 メガビット/秒、返信速度は 150 メガビット/秒です。

第2世代システムからの移行後、米国の第3世代中継衛星の性能は大幅に向上しました。ボーイング社のBSS-601HPプラットフォームを採用し、シングルアドレスアンテナ2基とマルチアドレスフェーズドアレイアンテナ1基も搭載している。シングルアドレスアンテナは、Ku、Ka、S バンド通信を提供します。フェーズドアレイアンテナは、新しいSバンド多重アクセスアンテナ技術を採用し、低密度パリティチェックコード、ターボ積コード、8PSK変調などの新しい変調形式を導入しています。単一アドレス ユーザーの Ka バンド伝送速度は 800 メガビット/秒に達します。

レーザー通信技術は、データ伝送速度を大幅に向上させ、通信ペイロードの小型化、軽量化、低消費電力化を実現し、受信感度を向上させると同時に、優れた機密性、耐干渉性、耐傍受性などの利点を備えています。これは、中継衛星技術の発展にとって重要な方向性です。レーザー通信は大気の乱れの影響を大きく受けることから、主に衛星間通信に利用され、実用化段階に入っている。米国の第4世代中継衛星の開発段階では、レーザーリンクが追加されることが明記されている。同社のレーザー端末の伝送速度は毎秒72メガビットから毎秒2.88ギガビットに達する。将来的に中継衛星に利用された場合、速度は毎秒10ギガビットを超えると予想されます。

中継衛星はレーザーを使ってデータを送信します

ESA は、中継衛星レーザーリンク技術の分野における世界的リーダーです。 2001年に打ち上げられた最初の技術実験中継衛星には、レーザー通信ペイロードが搭載されていました。 2003年4月よりフランスのSPOT-4光学衛星やESAのEnvisatレーダー衛星向けに高速データ伝送サービスを提供してきました。 SPOT-4 衛星はレーザーリレーリンクを使用します。

ESAは2016年以来、第2世代のリレー衛星を打ち上げ、展開してきました。このうち、EDRS-A衛星には、それぞれレーザーとKaバンドの衛星間通信リンクを提供する2つの単一アドレスアンテナが搭載されています。レーザーリターンデータ伝送速度は最大 1.8 Gbit/s、Ka バンドリターンは最大 300 Mbit/s です。 EDRS-C衛星にはレーザー通信端末のみが搭載されており、その表示器はEDRS-A衛星のものと同じです。

日本の衛星レーザー通信技術は急速に発展しています。 2002年、日本はSバンドとKaバンドの衛星間リンクを備え、伝送速度240Mbit/sの第一世代のデータ中継衛星を打ち上げました。 2020年、日本は2基目のデータ中継衛星を打ち上げ、光通信の段階に直接入りました。光通信と無線周波数通信を組み合わせて採用し、レーザーとS帯、Ka帯の周波数を併用して「先進光学衛星」などの低軌道偵察衛星との中継リンクを確立した。レーザー通信速度は1.8Gビット/秒に達しました。

コグニティブ無線やソフトウェア無線技術が成熟し、搭載機器の機能が向上するにつれて、中継衛星リンクは干渉状況や大気環境条件などに基づいてリアルタイムで適応的に調整され、リンクパラメータと環境条件の最適な一致が実現され、データ伝送容量が増加し、システムの使用状況に応じたソフトウェアのロードを通じていつでもリンク変調システムをアップグレードおよび改善できるようになります。

新しいデータ中継衛星システムアーキテクチャの構築

まずは各国の中継衛星システムの現状を簡単に見てみましょう。

米国は現在、第3世代の中継衛星システムを開発している。第一世代の中継衛星TDRS-1とTDRS-4は軌道から外され廃棄されたが、残りの4機の衛星はまだ軌道上にある。それぞれ3機の衛星を搭載した第2世代、第3世代の衛星は正常に稼働している。合計 10 基の中継衛星が軌道上にあり、世界で最も完全かつ最大規模の中継衛星システムが構築され、世界中のカバレッジが実現され、ユーザー宇宙船が 1 日にほぼ 1,000 回システムにアクセスしています。

ロシアの中継衛星システムは現在、東、中央、西の3つのノード（東経167度、東経95度、西経16度）に配置された第2世代の「レイ」衛星3機を軌道上に有しており、ほぼ地球規模のカバレッジを実現しており、ユーザー宇宙船は平均して1日100回近くシステムにアクセスしています。

ESA のリレー衛星システムは、2 つの静止衛星と地上システムで構成されています。地域をカバーするために、衛星は東経 9 度と東経 31 度付近に配置されています。ユーザーの宇宙船は 1 日に何十回もシステムにアクセスします。

日本は軌道上に中継衛星を1基保有しており、地域をカバーしており、ユーザー宇宙船は1日に数十回システムにアクセスしています。 2021年12月、中国の天聯2-02衛星が宇宙に打ち上げられ、天聯1衛星群および天聯2-01衛星と連携して動作した。その結果、中国は7機の中継衛星を打ち上げ、世界で2番目の地球規模の中継衛星システムを構築した。

各国のアプリケーション要件の違いにより、中継衛星システムの規模とアーキテクチャは大きく異なることを認識する必要があります。

中継衛星が完全展開

米国は世界最大の宇宙および地上航空宇宙インフラを運用しています。国内外のパートナーが運営する宇宙ミッションをサポートするため、膨大な需要により最大規模の宇宙中継システムが誕生し、さまざまなユーザーに計測、制御、通信サービスを提供し、特に有人宇宙飛行のフルタイム計測、制御、通信保証のニーズを満たしています。米国は、宇宙と地上の統合計測制御を実現し、地上計測制御ネットワークの計測制御周波数帯との整合性を保つため、Sバンド計測制御技術の開発に重点を置いています。

ソ連時代には巨大な宇宙インフラが構築され、有人宇宙飛行の開発が活発に行われ、大規模なデータ中継衛星システムも確立されました。しかし、2000年以降、資金制約によりロシアの宇宙活動は縮小し、中継衛星の数も大幅に削減されました。

ESA は、過去の米国やソ連に比べると宇宙インフラ施設が少なく、単独で有人宇宙ミッションを遂行することができません。同社は、主に衛星への高速ダウンリンクデータリンクと、衛星、有人宇宙船、打ち上げロケットの追跡のための低速ダウンリンクサービスを提供する中継衛星を開発しています。開発の焦点は、衛星間リンクにおけるマイクロ波および光通信技術の応用にあります。

一方、衛星技術の発展に伴い、データ中継衛星も従来のフル機能型に加え、分散型や特化型へと発展しつつあります。

ESA の EDRS-A も EDRS-C も独立したデータ中継衛星ではありません。EDRS-A は通信衛星に搭載された機能的に独立した中継ペイロードです。 EDRS-C は中継衛星であると同時に、他の機能を備えた通信ペイロードを搭載し、共通のプラットフォームを共有しています。 ESA の専用衛星と多機能ペイロードの組み合わせにより、リレー衛星システムの構築がより柔軟かつ多様になり、システムの耐障害性が向上します。

小型衛星技術の発展と分散型宇宙システム構築のアイデアが徐々に成熟するにつれ、米国は次世代のデータ中継衛星ではすべての新技術を1つの衛星に統合するのではなく、新しいアーキテクチャの下で複数の宇宙船にさまざまなサービスを実装することを提案しました。この「分離された」アプローチは、既存の衛星サービス機能を独立して補完し、需要と技術の成熟度に基づいて新しいサービスを提供することができます。

そのため、次世代の中継衛星は、フル機能、中継と移動、測定、制御とナビゲーション、高速データ中継と通信など、複数の専門方向に発展し、星座ネットワークの形でデータ伝送、中継などのサービスを提供する可能性があります。惑星間通信中継の拡大 深宇宙探査活動では、距離が極めて長いため、探査機の重量と出力は大幅に制限されます。探査能力を向上させるためには、専用の中継衛星の開発が不可欠です。さらに、特定の検出エリアと期間では、探査機は地球に直接接触することができません。もし月の裏側が常に地球から離れて面しているとしたら、月の南極は地球から半分の時間見えなくなるでしょう。火星や木星などの惑星の軌道面は地球の軌道面に近いですが、軌道周期は異なります。数か月連続して太陽の遮蔽と干渉の期間があり、探査機は長期間地球との連絡を失うことになる。専用の中継衛星を打ち上げることがこれらの問題を解決する鍵となります。

嫦娥4号ミッションは月の裏側への探査機の初の軟着陸を達成した。成功の前提条件は鵲橋中継衛星の打ち上げだった。 2018年5月、鵲橋中継衛星が宇宙に打ち上げられ、地球-月L2点の周りのハロー軌道に入った。軌道は地球と月の延長線上にあり、地球からは40万キロメートル以上、月からは6万5​​千キロメートル以上離れています。地球と月という二つの天体の重力と遠心力はここで巧妙なバランスを保っています。 「鵲橋」は、月と地球の裏側を同時に「見る」一方で、安定性を保つために少量の燃料しか使用しません。

2019年1月3日、鵝橋の支援を受けて、嫦娥4号探査機は月面裏側の指定エリアへの着陸に成功し、月面裏側のクローズアップ画像と月面探査車玉兔2号の稼働画像を地上に送信した。ミッション全体を通じて、鵲橋は嫦娥4号の地球・月間通信の「生命線」を構築し、円滑な通信とデータ伝送リンクを確保し、着陸機と探査機のペイロードの円滑な起動を保証し、科学実験プロジェクトを実行し、大量の科学探査データを地球に送信しました。

中国の火星探査ミッションでは、探査機「天問1号」の周回機に直径2.5メートルの高利得アンテナが搭載されている。着陸機と探査車から分離した後、中継通信軌道に入るように調整し、約3か月間にわたる中継通信ミッションを実行し、着陸機と地球の追跡管制局との間の通信リンクを確立し、火星表面の画像を地上に送信しました。

2021年11月、中欧火星探査機は軌道上中継通信実験を実施し、火星探査車ヴァルカンが試験データをESAの火星探査機マーズ・エクスプレスに送信し、マーズ・エクスプレスはデータをESAの深宇宙追跡管制ステーションに転送し、その後北京航空航天飛行管制センターに転送した。実験は完全に成功した。この試験では、探査機「天問1号」が重要な役割を果たした。

ESAのマーズ・エクスプレスは地球と火星間の通信中継衛星として機能

人類は徐々に「深宇宙探査」の時代を迎え、太陽、月、火星、木星、そして太陽系の端っこへの探査が本格化しています。惑星間の測定、制御、通信、ナビゲーションは、星空の探査において人類が直面する重要な課題です。

米国は宇宙通信・航法ネットワークの構築を通じて、総合的な宇宙通信・追跡能力を獲得し、終日の深宇宙通信能力を実現した。月や火星などのミッションに対応する中継衛星を継続的に打ち上げることで、徐々に太陽系をカバーし、いつでもどこでも地球と月、地球と火星の通信接続を確保します。

中国は、地球規模の深宇宙探査通信インフラを構築し、人類の「恒星間インターネット」への道を開くために、普遍的な恒星間中継通信衛星群を開発し、打ち上げている。将来的には、金星から小惑星帯、さらには木星の軌道に至るまで、あらゆる種類の深宇宙探査機にシームレスな商用計測、制御、通信、ナビゲーション サービスを提供することが期待されています。

将来、星間通信中継ネットワークは人類が星空を旅するための基本的なサポートとなるでしょう。