JP3566628B2 - 衛星捕捉方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、衛星の捕捉方法に関し、特に人工衛星や宇宙デブリ等の衛星の捕捉において探索時間の短縮が図れ効率的な探索をすることができる衛星捕捉方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星との通信を行うには、まず、アンテナで人工衛星を捕捉しなければならない。このとき、軌道計算に基づいて得られる予報値（方位角、仰角）に従ってアンテナを駆動し捕捉する方法が一般的な方法である。
【０００３】
また、人工衛星の打ち上げ時の捕捉においては、上述の軌道計算に基づく予報値は存在しないので、ロケット打ち上げにより投入する目標軌道要素を予報値に替えて用いる。
【０００４】
このような予報値を用いた従来の衛星捕捉方法においては、予報値の誤差が伴ってしまう問題があった。すなわち、上述の軌道計算に基づく予報値では、大気抵抗による軌道の落下量を正確に予測するのは不可能であり、これらが予報値の誤差の大きな原因となっていた。
【０００５】
一方、ロケット打ち上げによる軌道投入時は、大気抵抗の他、投入精度に起因する誤差も生じるので問題であった。
【０００６】
このため、このような従来の予報値を用いた衛星捕捉においては、単に予報値の方向にアンテナを向けるだけでなく、他に何らかの探索あるいは動作させることが必要であった。
【０００７】
このような誤差を配慮して、衛星の探索を確実にしかも短時間で行うには、従来、実質的にアンテナのビーム幅を広げることで実現できた。
その１の方法として、アンテナの駆動モードとしてサーチ（探索）モードを設けることである。これは、刻々と変わる予報値を中心に、予想される最大ずれの範囲を、円形、方形あるいは鋸歯状にアンテナを振り探索する方法である。
【０００８】
また、他の方法としては、主アンテナビームと平行なビームを持つ小型の捕捉用アンテナを共架する方法がある。これは、利得が高くビームが細いアンテナでは、サーチモードで探索するには時間がかかり過ぎるので、捕捉に失敗する可能性が大きい。このため、まず、ビーム幅の広い捕捉用アンテナで捕捉する方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
通信のデータレートが高くなり、アンテナ口径の増大あるいは使用周波数の高周波化が進むと、ますますアンテナビームは細くなる。一方、軌道のずれは周波数やアンテナビーム幅と一切関係なく起こるので、相対的にアンテナを振らなければならない探索範囲は増大する。
【００１０】
一方、捕捉アンテナは利得が低く、主アンテナに合わせた電波強度では、あまり実効口径を大きく（ビームを広く）できない。実効口径を大きくするには、さらにコスト高になってしまう。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アンテナの実効口径を広げることなく、捕捉の視点から衛星軌道を分析し、探索範囲を狭めることにより、探索時間の短縮を図る衛星捕捉方法を得る目的とする。さらに、軌道の誤差の量を運用上問題ないレベルで正確に計測し、その後の衛星追尾を容易にすることが可能な衛星捕捉方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る衛星捕捉方法は、衛星の予報値を用いて衛星を捕捉する方法であって、衛星軌道の特有の振る舞いを分析する振る舞い分析工程と、分析に基づいて探索範囲を求める探索範囲算出工程と、予報値に沿って探索範囲を探索する探索工程とを有し、前記探索は、前記予報値の補正計算に使用する補正時間量をパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さが決められて探索される。
【００１３】
また、人工衛星を捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、人工衛星軌道の特有の振る舞いを分析する。
【００１４】
また、宇宙デブリを捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、宇宙デブリ軌道の振る舞いを分析する。
【００１５】
また、予報値を、地球の自転による地球局の移動を考慮して補正する。
【００１７】
また、探索は、探索の範囲内を水平探索及び軌道面探索して行われる。
【００１８】
また、補正時間量を補正計算のパラメータとし、パラメータの最適値を検出し、判定信号が所定の値に達した以降、パラメータを最適値に固定する。
【００１９】
また、判定信号に、アンテナ角度誤差信号を用い、アンテナ角度誤差信号が最小になった以降、パラメータを最適値に固定する。
【００２０】
また、判定信号に、受信機の受信レベルを用い、受信レベルが最大になった以降、パラメータを最適値に固定する。
【００２１】
また、予報値を、軌道要素の計算により求め、軌道要素のエポック時刻を補正計算のパラメータとする。
【００２２】
さらに、求められた補正計算のパラメータを他の地上局に送信し、他の地上局は、送信されたパラメータで予報値を補正して、人工衛星を探索する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［捕捉の視点から見た衛星軌道の振る舞いについて］
地球、月、太陽及び惑星から受ける重力の影響は、モデルによる多少の違いが有っても捕捉に影響するほどの予報値の誤差にはならない。一方、計算にのせ難い要因は、地球大気の抵抗、揚力である。ただし、これらの要因は、概ね推定可能であり、またそこから発生する誤差はわずかである。
【００２４】
しかし、長半径の誤差はわずかでも、周回を重ねると軌道の接線方向のずれは相当の大きさとなる。１週間後では、地上局から見る角度にして数十度（時間にして数分）を超えることも希ではない。
【００２５】
すなわち、一度軌道決定のされた（以後、「定常時」と呼ぶ）衛星の予報値は、衛星の進行方向に直角な方向への誤差はわずかであり、アンテナのビーム幅を越えるものではないが、進行方向への誤差ずれは往々にしてアンテナのビーム幅を遥かに超える大きさとなることが解った（振る舞い分析工程）。
【００２６】
また、「打上時」では、軌道決定がされる前であるが、投入目標軌道要素に基づいて予報することができる。この場合は、定常時の誤差に、ロケットの軌道投入誤差によるずれが重畳される。そのため、衛星の進行方向の誤差は、定常時より大きくなり、直角方向のずれも無視できない大きさとなる。ただし、直角方向のずれは、時間の経過と共に増加はせず、一定値内を推移する（振る舞い分析工程）。
【００２７】
実施の形態１．
図１は、地上局が移動しない（地球の自転を考えない）場合の定常時と打上時の軌道のずれ方を、地上局アンテナから見た方位角／仰角で図式化したものである。
【００２８】
上述の［捕捉の視点から見た衛星軌道の振る舞いについて］で述べたように、調査の結果、人工衛星の軌道のずれは、或る一定の方向に限定されていることが解った（振る舞い分析工程）。そのため、従来のように広範囲にわたってアンテナを振る（広範囲の探索）は必要でなくなり、軌道に沿った探索を行うだけで良いことが解った（探索範囲算出工程、探査工程）。この様子を図２及び図３に示す。
【００２９】
図２は、定常時における本実施の形態の探索方法と従来方法との比較を示す。それぞれ、衛星が地平線上に現れる（仰角が低い）時に捕捉する水平探索と仰角が高くなってから捕捉する軌道面探索の双方を示している。一方、図３は、打上時における本実施の形態の探索方法の従来方法との比較を示す。それぞれ、衛星が地平線上に現れる（仰角が低い）時に捕捉する水平探索と仰角が高くなってから捕捉する軌道面探索の双方を示している。
【００３０】
図２及び図３においては、地上局の移動を考慮していないので、この探索を実現するには、地球の自転による地上局移動を加味して、予報値を補正する必要がある。
【００３１】
［探索範囲の最小化により探索時間の短縮を図る］
図２で示した探索範囲を、地球の自転を考慮して図示すると図４のようになる。すなわち、図４は、定常時の地上局の移動を考慮した本実施の形態の捕捉方法のイメージであって、地球の自転により移動する地上局から見た衛星の方位角、仰角の変化を模式的に現し、探索の方法をより実際に近い形で表現している。
【００３２】
図４中、実線は予報値を表しており、一点鎖線で区切った間隔が予報値の間隔（ΔＴ）を示している。図中、点線は、予報値に誤差がある場合、その間の地球の自転による地上局からの見え方の変化を、予報値間隔で示している。（±ΔＴ及び±２ΔＴ）すなわち、小円の位置が、軌道の誤差が±ΔＴ、±２ΔＴとなった時の補正された予報値を表している。
【００３３】
そのため、図２で示すように定常時の探索範囲は、時間の経過と共にこれらの小円を伝って一方向に探索すれば良い。（太い点線の矢印で示す）参考に、従来の方法による探索範囲を太い点線の円（軌道面探索）及び長円（水平探索）で示した。従来は、この範囲を円や方形のサーチモード（探索の為にアンテナを振るモード）等で、くまなく探索する必要があった。
【００３４】
図３に示した打上時の探索範囲は、ロケットによる軌道投入誤差から生じる軌道の最大予想ずれ分だけ広くなる。この探索の幅が、ビーム幅に比べ広い場合は、上述のサーチモードを重畳する。このイメージを図５に示す。図５においては、地球の自転により移動する地上局から見た衛星の方位角、仰角の変化を模式的に現し、探索の方法をより実際に近い形で表現している。
【００３５】
実施の形態２．
［地球の自転による地上局移動を考慮した予報値の簡便な補正］
補正予報値は、座標変換の積み重ねにより求める。座標系の定義を表１に示す。またこの関連説明図を図６に示す。図６においては、衛星位置を固定し、地球の自転による地上局（観測点／座標原点）の移動を現している（地球は、球体として近似）。さらに、変換式の一例を表２に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
本実施の形態においては、地上局高度（地心距離）の要求精度は、元になる予報値の精度にも関連するが、通常は数ｋｍの誤差があっても結果にはあまり影響しない。使用する予報値のうち衛星／地上局間の距離も同様である（地球の球体近似）。
【００３９】
方位角、仰角において、０．１度を超える精度を要求する時は、地球を回転楕円体近似とする必要が生じる。
【００４０】
実施の形態３．
補正計算に使用する補正時間量δｔをパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さを決め、衛星探索を行う。
【００４１】
・水平探索（仰角Ｅｌ＝Ｅｌｍで待ち受け）：
予想される最大ずれ時間をδｔｓ（予報時刻前）、δｔｅ（予報時刻後）とした場合、予報時刻のδｔｓ前から補正式により待ち受け方位角を得る。補正時には、仰角も変動するので、まず、仰角がＥｌｍに近い予報時刻、方位角、距離を予報値より探し出し、補正パラメータを−δｔｓとして補正する。次に、得られた仰角に近い予報値（予報時刻、方位角、仰角、距離）を読み取り、補正パラメータを＋δｔｓとして補正すれば、予報時刻のδｔｓ前における補正予報値が得られる。
【００４２】
δｔを＋δｔｓから予報時刻間隔ΔＴづつ減らし、−δｔｅまで上記を繰り返すことにより水平探索が可能となる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）となる。
【００４３】
・軌道面探索：
軌道面探索の場合は水平探索と違い、刻々と移動する衛星を探索するので、２通りの方法がある。１つは予報時刻より後から軌道面に沿って衛星を追いかけるよう（図４及び５の矢印の方向）に探索する方法であり、もう１つは、先回りして衛星の進行に対向するよう（図４及び５の矢印の逆方向）に探索する方法である。
【００４４】
前者は、補正パラメータδｔを−δｔｅから予報時刻間隔ΔＴのｎ倍づつ増やし、＋δｔｓまで変えながら予報値を正順にｎ番目毎に補正することで実現できる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）／ｎとなる。
【００４５】
後者は、補正パラメータδｔを＋δｔｓから予報時刻間隔ΔＴのｎ倍づつ減らし、−δｔｅまで変えながら予報値を逆順にｎ番目毎に補正することで実現できる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）／ｎとなる。
【００４６】
ｎの値は、アンテナのビーム幅及び衛星の相対進行速度と追尾受信機のロックオン時間との兼ね合いで最大値が決まるので、探索時間の短縮には限度がある。後者の方法は衛星の相対進行速度が大きくなるので、前者に比べｎを大きくできない。
【００４７】
尚、ここでは、予報を早める場合、ずれ時間／補正時間量δｔを正としているが、他のソフトウェアとの整合を取り、負と定義しても良い。
【００４８】
実施の形態４．
［補正パラメータの最適値検出と予報値補正の自動化］
・アンテナ角度誤差信号の利用
水平探索あるいは軌道面探索により追尾受信機のロックオンを確認したなら、アンテナ追尾誤差信号（アンテナ角度誤差信号：判定信号）をモニタし、最小になった時点で補正パラメータδｔを固定（補正パラメータの最適値検出）し、以降の補正を行う（定常追尾への移行）。
【００４９】
・受信レベルの利用とサイドローブ捕捉除去機能
補正感度は下がるが、追尾誤差信号の代わりに受信機の受信レベル（判定信号）を利用することも可能である。この場合、受信機のロックオン確認後、最大受信レベルになった時点で、補正パラメータδｔを固定し、以降の補正を行う。受信レベルによる判定の場合は、アンテナパターンの確認及び標準予測受信レベル（予めデータベース化しておく）との比較により、サイドローブでの捕捉を避けることが可能となる。
【００５０】
実施の形態５．
［エポック時刻をパラメータとする方法］
予報値に代わり軌道要素でインタフェースするシステムにおいては、補正パラメータとしてエポックの時刻を利用することができる。
この場合は、補正式を使用せず、エポック時刻をδｔずらし通常の軌道予報計算にのせ対応する時刻の予報値を求める。δｔを増減させることで、探索の範囲、速さを決め探索を実施する方法は、予報値の補正による方法と同様である。
【００５１】
実施の形態６．
［他の地上局における補正方法］
この実施の形態においては、地上局固有のアンテナ角度を基準に補正するのではなく、直接時間観測によりずれを観測するので、観測対象である衛星の位置のずれそのものとなり、地上局の違いに左右されない値となる。そのため、ある局で観測され求められた補正パラメータδｔは、その近辺の時刻において他の地上局でも使用でき、他の地上局では探索無しに補正予報通りに捕捉が可能となる。
【００５２】
以上、本方法によるプログラム動作、すなわち、振る舞い分析工程、及び探索範囲算出工程は、局監視制御装置１等で動作する。
すなわち、軌道要素から軌道予報計算を行うか或いは他システムから予報値を受け取り、アンテナ６の駆動制御装置２に整合する予報値を送り出す計算機システム（この実施の形態では局監視制御装置１）で動作する。この関連を図７に示す。
【００５３】
図７は、情報の流れ／システム構成例を示し、地上局システムの内、本ソフトウェアシステム搭載に直接関係する設備構成を示している。図７において、局監視制御装置１は、本願の発明に係る衛星の探索の為のアンテナ予報値補正計算機能を備えている。駆動制御装置２は、局監視制御装置１から入力される補正予報値に基づいて、アンテナ６を駆動する。尚、本方法による探索工程は、駆動制御装置２とアンテナ６によって行われる。
【００５４】
また、追尾受信装置３は、衛星から受信した追尾信号を基に、追尾誤差、受信レベルを検知する。主受信装置４は、衛星から受信した主受信信号をベースバンドの信号に変換する。そして、ベースバンド装置５は、ベースバンドに変換された主受信信号の処理を行う。
【００５５】
実施の形態７．
［デブリ観測システムへの応用］
本発明を、宇宙デブリ観測システムに応用すると観測対象の物体の同定を実時間で行うことが可能となる。
宇宙デブリ対策においては、軌道を正確に把握することが必要であるが、１パスの観測では、軌道は正確に求まらない。正確に求めるには、周期の把握が絶対であり、それには１周回以降のパスも観測し、この観測した物体が同一の物体であるある確認を取らなければならない。
【００５６】
従来の確認の方法は、各パスごとにそれぞれ軌道決定を行い、両者の比較から同一性を判定している。このため、結論が出るのは観測後になってしまい効率が悪い。
【００５７】
発明の探索方法を採用すると、探索範囲は先に観測した軌道に沿った範囲に限定するため、この軌道に交差するような紛らわしい物体を実時間で除去でき、目的とする物体の再受信の可能性を増大できる。
【００５８】
【実施例】
実施例１．
実際の軌道データに基づく、シミュレーションの結果を示す。
定常時の例としては、ずれが大きく運用上の障害となりがちな長円軌道を取り上げた。シミュレーションは、２週間ほど離れた２つの軌道決定値を用い、後の決定値から計算した（決定に用いた軌道データ取得時付近の）予報値を真値（基準値）とし、前の決定値から計算した予報値を基に捕捉を試みた。シミュレーションに用いたデータを表３に整理して示した。
【００５９】
【表３】
【００６０】
この軌道は、近地点が南半球、遠地点が北半球に有り、南緯１０度辺りから北に向かって飛行する衛星を沖縄本島付近で捕捉する状況をシミュレートした。表４に、シミュレーション結果を従来の方法と比較して示す。
【００６１】
【表４】
【００６２】
結果の評価は、アンテナの引き込み範囲（ビーム幅に比例する）との兼ね合いで違ってきた。１例として、口径１０ｍ、使用周波数Ｓ帯の場合、引き込み角度はおおよそ１°であるので、発明の方法であれば充分捕捉可能であった。一方、従来方法では、軌道面探索は不可能と考えられるが、水平探索の範囲であれば、わずかなサーチモード重畳で捕捉できた。
【００６３】
使用周波数がＫｕ帯となると、引き込み角は０．２°以下となるが、発明の方法では対応可能である。従来方法では、水平探索でもサーチ時間が掛かり過ぎ、衛星を逃す可能性が大きい。
【００６４】
打上時の実施例としては、動きの速い極軌道衛星投入を想定し、投入軌道誤差は、Ｈ−ＩＩＡロケットの設計値を用いた。第１周回の捕捉に失敗することも考え、軌道決定の無いまま、次に国内局が可視になる第７、８周回の捕捉もシミュレートした。
【００６５】
第１周回は、地上局の北方から西方へ向かう最大仰角８．５°の軌道である。また、第７、８周回は、それぞれ東方から北方へ向かう最大仰角４．０°、南方から北方へ向かう最大仰角６６．８°の軌道である。
【００６６】
投入誤差の生じ方により軌道は様々であるが、ノミナル軌道に対し最も西による軌道と最も東による軌道に絞り、仰角０°、３°及び５°付近における補正予報値の精度について解析した。（ただし、第７周回は仰角が高くならないので、０°と３°についてのみ行った。東寄りの場合は、０°のみ）
【００６７】
使用データは、表５に示した。表６に、シミュレーション結果を従来方法との比較で示す。発明の方法を採用することにより、引き込み範囲が１°程度あるアンテナであればサーチモードを重畳しなくても充分捕捉可能であった。しかし、従来方法では第１周回での捕捉を逃すと、以後の周回での捕捉は相当難しくなると考えられる。
【００６８】
【表５】
【００６９】
【表６】
【００７０】
【発明の効果】
この発明に係る衛星捕捉方法は、衛星の予報値を用いて衛星を捕捉する方法であって、衛星軌道の特有の振る舞いを分析する振る舞い分析工程と、分析に基づいて探索範囲を求める探索範囲算出工程と、予報値に沿って探索範囲を探索する探索工程とを有する。そのため、探索範囲を狭めることにより、探索時間の短縮を図ることができる。また、捕捉用の小型アンテナを共架する必要が無くなり、整備及び保守コストの削減を可能とする。また、小型アンテナによる捕捉でなくなるため、微少電力の衛星捕捉にも使用できる。また、探索は、予報値の補正計算に使用する補正時間量をパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さが決められて探索されるため、より正確な衛星探索を行うことができる。
【００７１】
また、人工衛星を捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、人工衛星軌道の特有の振る舞いを分析する。そのため、人工衛星軌道特有の振る舞いを分析することにより、人工衛星軌道に関してさらに正確な探索範囲を求めることができ、更なる探索時間の短縮を図ることができる。
【００７２】
また、宇宙デブリを捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、宇宙デブリ軌道の振る舞いを分析する。そのため、宇宙デブリ軌道特有の振る舞いを分析することにより、宇宙デブリ軌道に関してさらに正確な探索範囲を求めることができ、更なる探索時間の短縮を図ることができる。
【００７３】
また、予報値を、地球の自転による地球局の移動を考慮して補正する。そのため、予報値が正確なものとなり、確実に衛星を捕捉することができる。
【００７５】
また、探索は、探索の範囲内を水平探索及び軌道面探索して行われる。そのため、より正確な衛星探索を行うことができる。
【００７６】
また、補正時間量を補正計算のパラメータとし、パラメータの最適値を検出し、判定信号が所定の値に達した以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、パラメータを最適値に固定した移行の定常時の探索を正確な衛星探索を行うことができる。
【００７７】
また、判定信号に、アンテナ角度誤差信号を用い、アンテナ角度誤差信号が最小になった以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、簡単な方法でパラメータを最適値に固定することができる。
【００７８】
また、判定信号に、受信機の受信レベルを用い、受信レベルが最大になった以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、さらに簡単な方法でパラメータを最適値に固定することができる。
【００７９】
また、予報値を、軌道要素の計算により求め、軌道要素のエポック時刻を補正計算のパラメータとする。そのため、簡単な方法で計算のパラメータを求めることができる。
【００８０】
さらに、求められた補正計算のパラメータを他の地上局に送信し、他の地上局は、送信されたパラメータで予報値を補正して、人工衛星を探索する。そのため、ある局で観測され求められたパラメータを、他の地上局でも使用でき、他の地上局においては探索無しに補正予報値通りに捕捉が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】地上局の移動（地球の自転）を考慮しない場合の地上局アンテナから見た衛星軌道のずれ方を説明する図である。
【図２】定常時における探索方法と従来方法との比較を示す図である。
【図３】打上時における探索方法と従来方法との比較を示す図である。
【図４】定常時の地上局の移動を考慮した捕捉方法のイメージを示す図である。
【図５】打上時の地上局の移動を考慮した捕捉方法のイメージを示す図である。
【図６】予報値補正式導出のための関連説明図である。
【図７】情報の流れ／システム構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 局監視制御装置（振る舞い分析工程、及び探索範囲算出工程）、２ 駆動制御装置（探索工程）、３ 追尾受信装置、４ 主受信装置、５ ベースバンド装置、６ アンテナ（探索工程）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、衛星の捕捉方法に関し、特に人工衛星や宇宙デブリ等の衛星の捕捉において探索時間の短縮が図れ効率的な探索をすることができる衛星捕捉方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星との通信を行うには、まず、アンテナで人工衛星を捕捉しなければならない。このとき、軌道計算に基づいて得られる予報値（方位角、仰角）に従ってアンテナを駆動し捕捉する方法が一般的な方法である。
【０００３】
また、人工衛星の打ち上げ時の捕捉においては、上述の軌道計算に基づく予報値は存在しないので、ロケット打ち上げにより投入する目標軌道要素を予報値に替えて用いる。
【０００４】
このような予報値を用いた従来の衛星捕捉方法においては、予報値の誤差が伴ってしまう問題があった。すなわち、上述の軌道計算に基づく予報値では、大気抵抗による軌道の落下量を正確に予測するのは不可能であり、これらが予報値の誤差の大きな原因となっていた。
【０００５】
一方、ロケット打ち上げによる軌道投入時は、大気抵抗の他、投入精度に起因する誤差も生じるので問題であった。
【０００６】
このため、このような従来の予報値を用いた衛星捕捉においては、単に予報値の方向にアンテナを向けるだけでなく、他に何らかの探索あるいは動作させることが必要であった。
【０００７】
このような誤差を配慮して、衛星の探索を確実にしかも短時間で行うには、従来、実質的にアンテナのビーム幅を広げることで実現できた。
その１の方法として、アンテナの駆動モードとしてサーチ（探索）モードを設けることである。これは、刻々と変わる予報値を中心に、予想される最大ずれの範囲を、円形、方形あるいは鋸歯状にアンテナを振り探索する方法である。
【０００８】
また、他の方法としては、主アンテナビームと平行なビームを持つ小型の捕捉用アンテナを共架する方法がある。これは、利得が高くビームが細いアンテナでは、サーチモードで探索するには時間がかかり過ぎるので、捕捉に失敗する可能性が大きい。このため、まず、ビーム幅の広い捕捉用アンテナで捕捉する方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
通信のデータレートが高くなり、アンテナ口径の増大あるいは使用周波数の高周波化が進むと、ますますアンテナビームは細くなる。一方、軌道のずれは周波数やアンテナビーム幅と一切関係なく起こるので、相対的にアンテナを振らなければならない探索範囲は増大する。
【００１０】
一方、捕捉アンテナは利得が低く、主アンテナに合わせた電波強度では、あまり実効口径を大きく（ビームを広く）できない。実効口径を大きくするには、さらにコスト高になってしまう。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アンテナの実効口径を広げることなく、捕捉の視点から衛星軌道を分析し、探索範囲を狭めることにより、探索時間の短縮を図る衛星捕捉方法を得る目的とする。さらに、軌道の誤差の量を運用上問題ないレベルで正確に計測し、その後の衛星追尾を容易にすることが可能な衛星捕捉方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る衛星捕捉方法は、衛星の予報値を用いて衛星を捕捉する方法であって、衛星軌道の特有の振る舞いを分析する振る舞い分析工程と、分析に基づいて探索範囲を求める探索範囲算出工程と、予報値に沿って探索範囲を探索する探索工程とを有し、前記探索は、前記予報値の補正計算に使用する補正時間量をパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さが決められて探索される。
【００１３】
また、人工衛星を捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、人工衛星軌道の特有の振る舞いを分析する。
【００１４】
また、宇宙デブリを捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、宇宙デブリ軌道の振る舞いを分析する。
【００１５】
また、予報値を、地球の自転による地球局の移動を考慮して補正する。
【００１７】
また、探索は、探索の範囲内を水平探索及び軌道面探索して行われる。
【００１８】
また、補正時間量を補正計算のパラメータとし、パラメータの最適値を検出し、判定信号が所定の値に達した以降、パラメータを最適値に固定する。
【００１９】
また、判定信号に、アンテナ角度誤差信号を用い、アンテナ角度誤差信号が最小になった以降、パラメータを最適値に固定する。
【００２０】
また、判定信号に、受信機の受信レベルを用い、受信レベルが最大になった以降、パラメータを最適値に固定する。
【００２１】
また、予報値を、軌道要素の計算により求め、軌道要素のエポック時刻を補正計算のパラメータとする。
【００２２】
さらに、求められた補正計算のパラメータを他の地上局に送信し、他の地上局は、送信されたパラメータで予報値を補正して、人工衛星を探索する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［捕捉の視点から見た衛星軌道の振る舞いについて］
地球、月、太陽及び惑星から受ける重力の影響は、モデルによる多少の違いが有っても捕捉に影響するほどの予報値の誤差にはならない。一方、計算にのせ難い要因は、地球大気の抵抗、揚力である。ただし、これらの要因は、概ね推定可能であり、またそこから発生する誤差はわずかである。
【００２４】
しかし、長半径の誤差はわずかでも、周回を重ねると軌道の接線方向のずれは相当の大きさとなる。１週間後では、地上局から見る角度にして数十度（時間にして数分）を超えることも希ではない。
【００２５】
すなわち、一度軌道決定のされた（以後、「定常時」と呼ぶ）衛星の予報値は、衛星の進行方向に直角な方向への誤差はわずかであり、アンテナのビーム幅を越えるものではないが、進行方向への誤差ずれは往々にしてアンテナのビーム幅を遥かに超える大きさとなることが解った（振る舞い分析工程）。
【００２６】
また、「打上時」では、軌道決定がされる前であるが、投入目標軌道要素に基づいて予報することができる。この場合は、定常時の誤差に、ロケットの軌道投入誤差によるずれが重畳される。そのため、衛星の進行方向の誤差は、定常時より大きくなり、直角方向のずれも無視できない大きさとなる。ただし、直角方向のずれは、時間の経過と共に増加はせず、一定値内を推移する（振る舞い分析工程）。
【００２７】
実施の形態１．
図１は、地上局が移動しない（地球の自転を考えない）場合の定常時と打上時の軌道のずれ方を、地上局アンテナから見た方位角／仰角で図式化したものである。
【００２８】
上述の［捕捉の視点から見た衛星軌道の振る舞いについて］で述べたように、調査の結果、人工衛星の軌道のずれは、或る一定の方向に限定されていることが解った（振る舞い分析工程）。そのため、従来のように広範囲にわたってアンテナを振る（広範囲の探索）は必要でなくなり、軌道に沿った探索を行うだけで良いことが解った（探索範囲算出工程、探査工程）。この様子を図２及び図３に示す。
【００２９】
図２は、定常時における本実施の形態の探索方法と従来方法との比較を示す。それぞれ、衛星が地平線上に現れる（仰角が低い）時に捕捉する水平探索と仰角が高くなってから捕捉する軌道面探索の双方を示している。一方、図３は、打上時における本実施の形態の探索方法の従来方法との比較を示す。それぞれ、衛星が地平線上に現れる（仰角が低い）時に捕捉する水平探索と仰角が高くなってから捕捉する軌道面探索の双方を示している。
【００３０】
図２及び図３においては、地上局の移動を考慮していないので、この探索を実現するには、地球の自転による地上局移動を加味して、予報値を補正する必要がある。
【００３１】
［探索範囲の最小化により探索時間の短縮を図る］
図２で示した探索範囲を、地球の自転を考慮して図示すると図４のようになる。すなわち、図４は、定常時の地上局の移動を考慮した本実施の形態の捕捉方法のイメージであって、地球の自転により移動する地上局から見た衛星の方位角、仰角の変化を模式的に現し、探索の方法をより実際に近い形で表現している。
【００３２】
図４中、実線は予報値を表しており、一点鎖線で区切った間隔が予報値の間隔（ΔＴ）を示している。図中、点線は、予報値に誤差がある場合、その間の地球の自転による地上局からの見え方の変化を、予報値間隔で示している。（±ΔＴ及び±２ΔＴ）すなわち、小円の位置が、軌道の誤差が±ΔＴ、±２ΔＴとなった時の補正された予報値を表している。
【００３３】
そのため、図２で示すように定常時の探索範囲は、時間の経過と共にこれらの小円を伝って一方向に探索すれば良い。（太い点線の矢印で示す）参考に、従来の方法による探索範囲を太い点線の円（軌道面探索）及び長円（水平探索）で示した。従来は、この範囲を円や方形のサーチモード（探索の為にアンテナを振るモード）等で、くまなく探索する必要があった。
【００３４】
図３に示した打上時の探索範囲は、ロケットによる軌道投入誤差から生じる軌道の最大予想ずれ分だけ広くなる。この探索の幅が、ビーム幅に比べ広い場合は、上述のサーチモードを重畳する。このイメージを図５に示す。図５においては、地球の自転により移動する地上局から見た衛星の方位角、仰角の変化を模式的に現し、探索の方法をより実際に近い形で表現している。
【００３５】
実施の形態２．
［地球の自転による地上局移動を考慮した予報値の簡便な補正］
補正予報値は、座標変換の積み重ねにより求める。座標系の定義を表１に示す。またこの関連説明図を図６に示す。図６においては、衛星位置を固定し、地球の自転による地上局（観測点／座標原点）の移動を現している（地球は、球体として近似）。さらに、変換式の一例を表２に示す。
【００３６】
【表１】
【表２】
本実施の形態においては、地上局高度（地心距離）の要求精度は、元になる予報値の精度にも関連するが、通常は数ｋｍの誤差があっても結果にはあまり影響しない。使用する予報値のうち衛星／地上局間の距離も同様である（地球の球体近似）。
【００３９】
方位角、仰角において、０．１度を超える精度を要求する時は、地球を回転楕円体近似とする必要が生じる。
【００４０】
実施の形態３．
補正計算に使用する補正時間量δｔをパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さを決め、衛星探索を行う。
【００４１】
・水平探索（仰角Ｅｌ＝Ｅｌｍで待ち受け）：
予想される最大ずれ時間をδｔｓ（予報時刻前）、δｔｅ（予報時刻後）とした場合、予報時刻のδｔｓ前から補正式により待ち受け方位角を得る。補正時には、仰角も変動するので、まず、仰角がＥｌｍに近い予報時刻、方位角、距離を予報値より探し出し、補正パラメータを−δｔｓとして補正する。次に、得られた仰角に近い予報値（予報時刻、方位角、仰角、距離）を読み取り、補正パラメータを＋δｔｓとして補正すれば、予報時刻のδｔｓ前における補正予報値が得られる。
【００４２】
δｔを＋δｔｓから予報時刻間隔ΔＴづつ減らし、−δｔｅまで上記を繰り返すことにより水平探索が可能となる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）となる。
【００４３】
・軌道面探索：
軌道面探索の場合は水平探索と違い、刻々と移動する衛星を探索するので、２通りの方法がある。１つは予報時刻より後から軌道面に沿って衛星を追いかけるよう（図４及び５の矢印の方向）に探索する方法であり、もう１つは、先回りして衛星の進行に対向するよう（図４及び５の矢印の逆方向）に探索する方法である。
【００４４】
前者は、補正パラメータδｔを−δｔｅから予報時刻間隔ΔＴのｎ倍づつ増やし、＋δｔｓまで変えながら予報値を正順にｎ番目毎に補正することで実現できる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）／ｎとなる。
【００４５】
後者は、補正パラメータδｔを＋δｔｓから予報時刻間隔ΔＴのｎ倍づつ減らし、−δｔｅまで変えながら予報値を逆順にｎ番目毎に補正することで実現できる。探索時間は（δｔｓ＋δｔｅ）／ｎとなる。
【００４６】
ｎの値は、アンテナのビーム幅及び衛星の相対進行速度と追尾受信機のロックオン時間との兼ね合いで最大値が決まるので、探索時間の短縮には限度がある。後者の方法は衛星の相対進行速度が大きくなるので、前者に比べｎを大きくできない。
【００４７】
尚、ここでは、予報を早める場合、ずれ時間／補正時間量δｔを正としているが、他のソフトウェアとの整合を取り、負と定義しても良い。
【００４８】
実施の形態４．
［補正パラメータの最適値検出と予報値補正の自動化］
・アンテナ角度誤差信号の利用
水平探索あるいは軌道面探索により追尾受信機のロックオンを確認したなら、アンテナ追尾誤差信号（アンテナ角度誤差信号：判定信号）をモニタし、最小になった時点で補正パラメータδｔを固定（補正パラメータの最適値検出）し、以降の補正を行う（定常追尾への移行）。
【００４９】
・受信レベルの利用とサイドローブ捕捉除去機能
補正感度は下がるが、追尾誤差信号の代わりに受信機の受信レベル（判定信号）を利用することも可能である。この場合、受信機のロックオン確認後、最大受信レベルになった時点で、補正パラメータδｔを固定し、以降の補正を行う。受信レベルによる判定の場合は、アンテナパターンの確認及び標準予測受信レベル（予めデータベース化しておく）との比較により、サイドローブでの捕捉を避けることが可能となる。
【００５０】
実施の形態５．
［エポック時刻をパラメータとする方法］
予報値に代わり軌道要素でインタフェースするシステムにおいては、補正パラメータとしてエポックの時刻を利用することができる。
この場合は、補正式を使用せず、エポック時刻をδｔずらし通常の軌道予報計算にのせ対応する時刻の予報値を求める。δｔを増減させることで、探索の範囲、速さを決め探索を実施する方法は、予報値の補正による方法と同様である。
【００５１】
実施の形態６．
［他の地上局における補正方法］
この実施の形態においては、地上局固有のアンテナ角度を基準に補正するのではなく、直接時間観測によりずれを観測するので、観測対象である衛星の位置のずれそのものとなり、地上局の違いに左右されない値となる。そのため、ある局で観測され求められた補正パラメータδｔは、その近辺の時刻において他の地上局でも使用でき、他の地上局では探索無しに補正予報通りに捕捉が可能となる。
【００５２】
以上、本方法によるプログラム動作、すなわち、振る舞い分析工程、及び探索範囲算出工程は、局監視制御装置１等で動作する。
すなわち、軌道要素から軌道予報計算を行うか或いは他システムから予報値を受け取り、アンテナ６の駆動制御装置２に整合する予報値を送り出す計算機システム（この実施の形態では局監視制御装置１）で動作する。この関連を図７に示す。
【００５３】
図７は、情報の流れ／システム構成例を示し、地上局システムの内、本ソフトウェアシステム搭載に直接関係する設備構成を示している。図７において、局監視制御装置１は、本願の発明に係る衛星の探索の為のアンテナ予報値補正計算機能を備えている。駆動制御装置２は、局監視制御装置１から入力される補正予報値に基づいて、アンテナ６を駆動する。尚、本方法による探索工程は、駆動制御装置２とアンテナ６によって行われる。
【００５４】
また、追尾受信装置３は、衛星から受信した追尾信号を基に、追尾誤差、受信レベルを検知する。主受信装置４は、衛星から受信した主受信信号をベースバンドの信号に変換する。そして、ベースバンド装置５は、ベースバンドに変換された主受信信号の処理を行う。
【００５５】
実施の形態７．
［デブリ観測システムへの応用］
本発明を、宇宙デブリ観測システムに応用すると観測対象の物体の同定を実時間で行うことが可能となる。
宇宙デブリ対策においては、軌道を正確に把握することが必要であるが、１パスの観測では、軌道は正確に求まらない。正確に求めるには、周期の把握が絶対であり、それには１周回以降のパスも観測し、この観測した物体が同一の物体であるある確認を取らなければならない。
【００５６】
従来の確認の方法は、各パスごとにそれぞれ軌道決定を行い、両者の比較から同一性を判定している。このため、結論が出るのは観測後になってしまい効率が悪い。
【００５７】
発明の探索方法を採用すると、探索範囲は先に観測した軌道に沿った範囲に限定するため、この軌道に交差するような紛らわしい物体を実時間で除去でき、目的とする物体の再受信の可能性を増大できる。
【００５８】
【実施例】
実施例１．
実際の軌道データに基づく、シミュレーションの結果を示す。
定常時の例としては、ずれが大きく運用上の障害となりがちな長円軌道を取り上げた。シミュレーションは、２週間ほど離れた２つの軌道決定値を用い、後の決定値から計算した（決定に用いた軌道データ取得時付近の）予報値を真値（基準値）とし、前の決定値から計算した予報値を基に捕捉を試みた。シミュレーションに用いたデータを表３に整理して示した。
【００５９】
【表３】
この軌道は、近地点が南半球、遠地点が北半球に有り、南緯１０度辺りから北に向かって飛行する衛星を沖縄本島付近で捕捉する状況をシミュレートした。表４に、シミュレーション結果を従来の方法と比較して示す。
【００６１】
【表４】
結果の評価は、アンテナの引き込み範囲（ビーム幅に比例する）との兼ね合いで違ってきた。１例として、口径１０ｍ、使用周波数Ｓ帯の場合、引き込み角度はおおよそ１°であるので、発明の方法であれば充分捕捉可能であった。一方、従来方法では、軌道面探索は不可能と考えられるが、水平探索の範囲であれば、わずかなサーチモード重畳で捕捉できた。
【００６３】
使用周波数がＫｕ帯となると、引き込み角は０．２°以下となるが、発明の方法では対応可能である。従来方法では、水平探索でもサーチ時間が掛かり過ぎ、衛星を逃す可能性が大きい。
【００６４】
打上時の実施例としては、動きの速い極軌道衛星投入を想定し、投入軌道誤差は、Ｈ−ＩＩＡロケットの設計値を用いた。第１周回の捕捉に失敗することも考え、軌道決定の無いまま、次に国内局が可視になる第７、８周回の捕捉もシミュレートした。
【００６５】
第１周回は、地上局の北方から西方へ向かう最大仰角８．５°の軌道である。また、第７、８周回は、それぞれ東方から北方へ向かう最大仰角４．０°、南方から北方へ向かう最大仰角６６．８°の軌道である。
【００６６】
投入誤差の生じ方により軌道は様々であるが、ノミナル軌道に対し最も西による軌道と最も東による軌道に絞り、仰角０°、３°及び５°付近における補正予報値の精度について解析した。（ただし、第７周回は仰角が高くならないので、０°と３°についてのみ行った。東寄りの場合は、０°のみ）
【００６７】
使用データは、表５に示した。表６に、シミュレーション結果を従来方法との比較で示す。発明の方法を採用することにより、引き込み範囲が１°程度あるアンテナであればサーチモードを重畳しなくても充分捕捉可能であった。しかし、従来方法では第１周回での捕捉を逃すと、以後の周回での捕捉は相当難しくなると考えられる。
【００６８】
【表５】
【表６】
【発明の効果】
この発明に係る衛星捕捉方法は、衛星の予報値を用いて衛星を捕捉する方法であって、衛星軌道の特有の振る舞いを分析する振る舞い分析工程と、分析に基づいて探索範囲を求める探索範囲算出工程と、予報値に沿って探索範囲を探索する探索工程とを有する。そのため、探索範囲を狭めることにより、探索時間の短縮を図ることができる。また、捕捉用の小型アンテナを共架する必要が無くなり、整備及び保守コストの削減を可能とする。また、小型アンテナによる捕捉でなくなるため、微少電力の衛星捕捉にも使用できる。また、探索は、予報値の補正計算に使用する補正時間量をパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さが決められて探索されるため、より正確な衛星探索を行うことができる。
【００７１】
また、人工衛星を捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、人工衛星軌道の特有の振る舞いを分析する。そのため、人工衛星軌道特有の振る舞いを分析することにより、人工衛星軌道に関してさらに正確な探索範囲を求めることができ、更なる探索時間の短縮を図ることができる。
【００７２】
また、宇宙デブリを捕捉する方法であって、振る舞い分析工程は、宇宙デブリ軌道の振る舞いを分析する。そのため、宇宙デブリ軌道特有の振る舞いを分析することにより、宇宙デブリ軌道に関してさらに正確な探索範囲を求めることができ、更なる探索時間の短縮を図ることができる。
【００７３】
また、予報値を、地球の自転による地球局の移動を考慮して補正する。そのため、予報値が正確なものとなり、確実に衛星を捕捉することができる。
【００７５】
また、探索は、探索の範囲内を水平探索及び軌道面探索して行われる。そのため、より正確な衛星探索を行うことができる。
【００７６】
また、補正時間量を補正計算のパラメータとし、パラメータの最適値を検出し、判定信号が所定の値に達した以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、パラメータを最適値に固定した移行の定常時の探索を正確な衛星探索を行うことができる。
【００７７】
また、判定信号に、アンテナ角度誤差信号を用い、アンテナ角度誤差信号が最小になった以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、簡単な方法でパラメータを最適値に固定することができる。
【００７８】
また、判定信号に、受信機の受信レベルを用い、受信レベルが最大になった以降、パラメータを最適値に固定する。そのため、さらに簡単な方法でパラメータを最適値に固定することができる。
【００７９】
また、予報値を、軌道要素の計算により求め、軌道要素のエポック時刻を補正計算のパラメータとする。そのため、簡単な方法で計算のパラメータを求めることができる。
【００８０】
さらに、求められた補正計算のパラメータを他の地上局に送信し、他の地上局は、送信されたパラメータで予報値を補正して、人工衛星を探索する。そのため、ある局で観測され求められたパラメータを、他の地上局でも使用でき、他の地上局においては探索無しに補正予報値通りに捕捉が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】地上局の移動（地球の自転）を考慮しない場合の地上局アンテナから見た衛星軌道のずれ方を説明する図である。
【図２】定常時における探索方法と従来方法との比較を示す図である。
【図３】打上時における探索方法と従来方法との比較を示す図である。
【図４】定常時の地上局の移動を考慮した捕捉方法のイメージを示す図である。
【図５】打上時の地上局の移動を考慮した捕捉方法のイメージを示す図である。
【図６】予報値補正式導出のための関連説明図である。
【図７】情報の流れ／システム構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 局監視制御装置（振る舞い分析工程、及び探索範囲算出工程）、２ 駆動制御装置（探索工程）、３ 追尾受信装置、４ 主受信装置、５ ベースバンド装置、６ アンテナ（探索工程）。
Claims (10)
- 衛星の予報値を用いて衛星を捕捉する方法であって、
衛星軌道の特有の振る舞いを分析する振る舞い分析工程と、
前記分析に基づいて探索範囲を求める探索範囲算出工程と、
前記予報値に沿って前記該探索範囲を探索する探索工程と
を有し、
前記探索は、前記予報値の補正計算に使用する補正時間量をパラメータとして、探索の範囲及び探索の速さが決められて探索される
ことを特徴とする衛星捕捉方法。 - 人工衛星を捕捉する方法であって、
前記振る舞い分析工程は、前記人工衛星軌道の特有の振る舞いを分析する
ことを特徴とする請求項１に記載の衛星捕捉方法。 - 宇宙デブリを捕捉する方法であって、
前記振る舞い分析工程は、前記宇宙デブリ軌道の振る舞いを分析する
ことを特徴とする請求項１に記載の衛星捕捉方法。 - 前記予報値を、地球の自転による地球局の移動を考慮して補正する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の衛星捕捉方法。 - 前記探索は、前記探索の範囲内を水平探索及び軌道面探索して行われる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の衛星捕捉方法。 - 補正時間量を補正計算のパラメータとし、該パラメータの最適値を検出し、判定信号が所定の値に達した以降、前記パラメータを前記最適値に固定する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の衛星捕捉方法。 - 前記判定信号に、アンテナ角度誤差信号を用い、該アンテナ角度誤差信号が最小になった以降、前記パラメータを前記最適値に固定する
ことを特徴とする請求項６に記載の衛星捕捉方法。 - 前記判定信号に、受信機の受信レベルを用い、該受信レベルが最大になった以降、前記パラメータを前記最適値に固定する
ことを特徴とする請求項６に記載の衛星捕捉方法。 - 前記予報値を、軌道要素の計算により求め、該軌道要素のエポック時刻を補正計算のパラメータとする
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の衛星捕捉方法。 - 前記求められた補正計算のパラメータを他の地上局に送信し、該他の地上局は、該送信されたパラメータで前記予報値を補正して、人工衛星を探索する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の衛星捕捉方法。
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