JP5986768B2 - 人工衛星システム - Google Patents

Description

本発明は、連携してミッションを行う複数の人工衛星からなる人工衛星システムに関する。

複数の人工衛星が連携し、協働してミッションを行う人工衛星システムの研究がなされている。例えば、宇宙観測用の人工衛星システムにおいて、アンテナをそれぞれ備えた複数の小型の人工衛星が、一定範囲の宇宙空間に展開する。各衛星のアンテナの観測結果を合成することにより、直径の大きい合成アンテナとしての機能を実現することができる。

図１に、人工衛星システムの参考例を示す。人工衛星システム１０４は、地球１０１に設置される管制局１０２と、複数の人工衛星１０３によって構成される。図２は、人工衛星１０３の構成を示す。人工衛星１０３は、トラブル発生時に修理を行うことが容易でないため、冗長系システムを備える。図２の例では、人工衛星は主系１０５と従系１０６との２つのシステムを備える。

主系１０５は、ｎ個の機能モジュール１０８−１〜１０８−ｎと、通信モジュール１０９とを備える。同様に従系も、ｎ個の機能モジュール１１０−１〜１１０−ｎと、通信モジュール１１１とを備える。主系１０５と従系１０６とはネットワーク１０７で接続される。主系１０５のｎ個の機能モジュール１０８−１〜１０８−ｎと、従系１０６のｎ個の機能モジュール１１０−１〜１１０−ｎとは、それぞれ実質的に同一の機能を備える。

通常時には、人工衛星システム１０４は、各人工衛星１０３の主系１０５の機能モジュールによって動作する。いずれかの人工衛星１０３の主系１０５の機能に異常が発見された場合、その機能は従系に切り替えられる。すなわちｋ番目の機能モジュール１０８−ｋが故障した場合、その代わりに、従系１０６のｋ番目の機能モジュール１１０−ｋが処理を行う。その結果、機能モジュール１０８−１〜１０８−ｎのいずれかに異常が発生した場合にも、人工衛星システム１０４は支障なくミッションを遂行できる。

複数の人工衛星からなるシステムに関する先行技術文献として、特許文献１を挙げる。

特開２００６−１６８４６１号

人工衛星のサイズや重量には、厳しい制限が課される。よりコンパクトな構成によって冗長系を実現する人工衛星システムが望まれる。

本発明の一側面において、人工衛星システムは、それぞれ複数の機能モジュールを備える複数の人工衛星を備える。複数の人工衛星のうちの任意の第１人工衛星が備える複数の機能モジュールは、複数の人工衛星のうちの任意の他の第２人工衛星が備える複数の機能モジュールと同じ機能を有する。第１人工衛星は、複数の機能モジュールのうちのｎ番目（ｎは整数）の機能モジュールの動作に支障が発生したときに、第２人工衛星にｎ番目の機能モジュールを支障モジュールとして特定する支障モジュール識別子を送信する支障モジュール通知部を備える。第２人工衛星は、支障モジュール識別子を受信するとバックアップモードに設定するバックアップ設定部を備える。第１人工衛星は更に、支障モジュールで処理していた情報である入力情報を第２人工衛星に送信する処理依頼情報送信部を備える。第２人工衛星は、バックアップモードに設定されたときに入力情報を受信すると、ｎ番目の機能モジュールによって入力情報を処理した結果である出力情報を第１人工衛星に送信する処理結果情報送信部を備える。

本発明により、衛星間で主系と従系として機能する機能モジュールを設定することが可能となり、よりコンパクトな構成によって冗長系を実現する人工衛星システムが提供される。

図１は、人工衛星システムの一例を示す。 図２は、人工衛星の構成を示す。 図３は、本発明の一実施形態における人工衛星システムを示す。 図４は、人工衛星システムの構成を示す。 図５は、各衛星の通信モジュールが備える機能ブロックを示す。 図６は、本発明の第１実施形態における人工衛星システムの動作を示す。 図７は、本発明の第２実施形態における人工衛星システムの動作を示す。 図８は、本発明の第３実施形態における人工衛星システムの動作を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の一実施形態における人工衛星システムを示す。人工衛星システム４は、複数の人工衛星３−１〜３−３を備える。図３の例では３個の人工衛星３−１〜３−３が描かれているが、その個数は限定されない。地球１には、人工衛星システム４を監視・制御するための管制局２が設けられる。複数の人工衛星３は、相互に連携してミッションを遂行する。

図４は、人工衛星システム４の構成を示す。複数の人工衛星３−１〜３−３は、連携してミッションを遂行する。複数の人工衛星３−１〜３−３は、ネットワーク５を介して相互に通信可能である。ネットワーク５としては、地上の管制局２を使用することもできる。しかしながら通信速度や通信の継続性の観点からは、管制局２を介さず宇宙空間で信号を送受信する衛星間通信ネットワークを採用することが望ましい。このようなネットワークを構築するための一例として、ネットワーク５のホスト衛星が人工衛星システム４の近くの軌道に配置される。ホスト衛星が人工衛星３−１〜３−３の相互の信号の送受信を中継することによって、ネットワーク５が実現される。なお、ネットワークを構築する方法として、特定のホスト衛星を介さず、各衛星が相互に調停を行ってもよい。

各人工衛星３−１〜３−３は、ｎ個（ｎは１以上の整数）の機能モジュール６−１〜６−ｎと、通信モジュール７とを備える。通信モジュール７は、管制局２との通信と、先述の衛星間のネットワーク５による通信とを行うことができる。

複数の人工衛星３−１〜３−３のうちの任意の一つである第１人工衛星が備える機能モジュール６−１〜６−ｎは、任意の他の一つである第２人工衛星が備える複数の機能モジュール６−１〜６−ｎとそれぞれ同じ機能を有する。すなわち、人工衛星３−１の任意のｋ番目（ｋは１以上ｎ以下の整数）の機能モジュール６−ｋは、他の人工衛星３−２、３−３のｋ番目の機能モジュール６−ｋと実質的に同一の機能を備える。例えば、同一の入力情報が人工衛星３−１〜３−３の各機能モジュール６−ｋに入力されると、同一の情報処理が行われ、同一の出力情報が出力される。

従って、人工衛星３−２、３−３の機能モジュール６−ｋは、人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋの冗長系（従系）として利用できる。いずれかの衛星の機能モジュール６−ｋに異常が発生したとき、他の衛星の機能モジュール６−ｋによってその機能を代替することによって、人工衛星システム４はミッションを支障なく遂行することができる。更に、いずれかの機能モジュール６−ｋにおける処理の負荷が過剰な場合に、その処理の一部を他の衛星の機能モジュール６−ｋで実行することによって、負荷を分散することができる。

このような構成においては、人工衛星３−１〜３−３の各々が内部の従系を備える必要が無い。そのため、個々の衛星を小型・軽量化することができる。あるいは個々の衛星に、より多数又はより高機能の機能モジュール６を搭載することができる。

以下、複数の人工衛星３−１〜３−３が互いに冗長系として機能するための構成及び動作について詳しく説明する。図５は、各衛星の通信モジュール７が備える機能ブロックを示す。通信モジュール７は、通常時の通信を制御する通常時通信部１１と、支障モジュール通知部１２、バックアップ設定部１３、処理依頼部１４、処理引受部１７、指向性制御部２０、及び中継部２１を備える。処理依頼部１４は、処理依頼情報送信部１５と、処理結果情報受信部１６とを備える。処理引受部１７は、処理依頼情報受信部１８と、処理結果情報送信部１９とを備える。これらの各部は、各衛星が備えるコンピュータが、非一時的な記憶装置に格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現可能である。

次に、本発明の第１実施形態における人工衛星システム４の動作を説明する。本実施形態における人工衛星システム４は、図３〜図５を参照して説明した構成を有する。本実施形態においては、機能モジュール６に支障（故障、負荷の過剰など）が発生した場合に、管制局２を介してバックアップ機能が実現される。この処理を実現するために、任意の第１人工衛星は、任意の他の第２人工衛星の軌道情報を地上の管制局２から取得する。

図６は、本発明の第１実施形態における人工衛星システム４の動作を示す。人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋに支障が発生したとする（Ｓ１）。人工衛星３−１は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋに支障が発生したことを自己診断によって認識する。支障モジュール通知部１２は、支障通知信号を管制局２に通知する（Ｓ２）。支障通知信号は、支障が発生したｋ番目の機能モジュール６−ｋを支障モジュールとして特定する支障モジュール識別子を含む。

管制局２は、人工衛星システム４の中で支障が発生した衛星以外の人工衛星３−２、３−３の各々に対して、バックアップ機能を実行できるか否かを照会する照会信号を送信する（Ｓ３）。照会信号は、支障モジュール識別子を含む。複数の衛星に一斉に照会する場合は、複数の衛星が、従系として機能し得るとの回答をする場合がある。そのような場合、管制局２は、支障があった衛星に対する距離などの条件に基づいて、従系となる衛星を決定する。

管制局２が複数の衛星に順次に照会を行う場合は、例えば以下の手順で照会が行われる。管制局２は、各衛星の軌道の情報に基づいて、人工衛星システム４の中で、従系としての適合度のランキングを作成する。例えば支障が発生した人工衛星３−１との距離が近い衛星が、より上位にランキングされる。管制局２は、そのランキングの上位の衛星から順に照会し、最初に処理依頼を引き受けることが可能であると回答した衛星を従系として設定する。

各衛星は、管制局２からの照会に対する回答を用意する。例えば人工衛星３−３のバックアップ設定部１３は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋがビジーであり、他の衛星からの処理依頼を引き受けられないことを示すＮＧ信号を管制局２に送信する（Ｓ４）。人工衛星３−２のバックアップ設定部１３は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋが他の衛星に利用可能であることを示すＯＫ信号を管制局２に送信する（Ｓ５）。

管制局２は、受け取った回答に基づいて、人工衛星３−２を従系として設定する。管制局２は、その設定信号を人工衛星３−２に送信する。設定信号は、支障が発生した人工衛星３−１の軌道上の位置を示す軌道情報を含む。人工衛星３−２のバックアップ設定部１３は、管制局２による設定を承認し、ｋ番目の機能モジュール６−ｋをバックアップモードに設定する。

管制局２は、従系の人工衛星３−２の識別子と、その軌道上の位置を示す軌道情報とを、支障が発生した人工衛星３−１に切替信号として送信する（Ｓ６）。人工衛星３−１は、切替信号を受信すると、自衛星の機能モジュール６−ｋを他のモジュールから切り離し、その機能を停止する。人工衛星３−１の指向性制御部２０は、切替信号に含まれる軌道情報に基づいて、通信モジュール７のアンテナの指向性を従系として設定された人工衛星３−２の方に向ける（Ｓ７）。処理依頼部１４は、通常時には自人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋによって処理する入力情報を、処理依頼情報として人工衛星３−２に送信する（Ｓ８）。

バックアップモードに設定されている人工衛星３−２の処理依頼情報受信部１８は、処理依頼情報を受信する。その処理依頼情報は、人工衛星３−２の機能モジュール６−ｋによって処理され、処理結果が出力される（Ｓ９）。人工衛星３−２の指向性制御部２０は、管制局２から受信した軌道情報に基づいて、アンテナの指向性を人工衛星３−１の方に向ける。処理結果情報送信部１９は、そのアンテナによって、処理結果を人工衛星３−１に送信する。人工衛星３−１の処理結果情報受信部１６は、その処理結果を受信する（Ｓ１０）。

以上の動作により、いずれかの衛星の機能モジュール６−ｋに支障が発生した場合に、他の衛星の対応する機能モジュール６−ｋによる処理に切り替えることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態における人工衛星システム４も、図３〜図５を参照して説明した構成を有する。本実施形態においては、管制局２を介さずにバックアップ機能が実現される。具体的には、第１人工衛星は、支障が発生したとき、予め記憶した第２人工衛星の軌道情報に基づいて、アンテナの指向性を第２人工衛星の方に向ける。

図７は、本発明の第２実施形態における人工衛星システム４の動作を示す。人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋに支障が発生したとする（Ｓ１１）。人工衛星３−１は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋに支障が発生したことを自己診断によって認識する。

本実施形態において、管制局２は、例えば１日に１度、予め人工衛星３−１〜３−３に対して、人工衛星システム４を構成する各衛星の軌道上の位置を示す軌道情報を送信する。各衛星は、他の各衛星の軌道情報を記憶する。支障が発生した人工衛星３−１は、その軌道情報に基づいて、人工衛星システム４を構成する他の各人工衛星３−２、３−３の位置を計算する（Ｓ１２）。人工衛星３−１の支障モジュール通知部１２は、他の人工衛星３−２、３−３の中からいずれかの衛星を選択する。この選択は、例えば自人工衛星３−１との距離が近い衛星から順に行ってもよい。

人工衛星３−１の支障モジュール通知部１２は、選択した人工衛星３−２の方を向くように自衛星のアンテナの指向性を制御する（Ｓ１３）。支障モジュール通知部１２は、支障通知信号を管制局２に通知する（Ｓ１４）。支障通知信号を受信した人工衛星３−２は、例えば機能モジュール６−ｋがビジーである等の事情によってバックアップ処理を引き受けられない場合、ＮＧ信号を人工衛星３−１に送信する（Ｓ１５）。

人工衛星３−１の支障モジュール通知部１２は、ＮＧ信号を受信すると、次に処理を依頼する人工衛星３−３を選択し、アンテナの指向性を人工衛星３−３の方に向ける（Ｓ１６）。支障通知信号が人工衛星３−３に送信される（Ｓ１７）。人工衛星３−３は、処理依頼が引き受け可能な場合、バックアップ設定部１３によりバックアップ状態に設定され、且つＯＫ信号を人工衛星３−１に送信する（Ｓ１８）。

人工衛星３−１の処理依頼部１４は、通常時には自人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋによって処理する入力情報を、処理依頼情報として人工衛星３−３に送信する（Ｓ１９）。バックアップモードに設定されている人工衛星３−３の処理依頼情報受信部１８は、処理依頼情報を受信する。その処理依頼情報は、人工衛星３−３の機能モジュール６−ｋによって処理され、処理結果が出力される（Ｓ２０）。人工衛星３−３の指向性制御部２０は、予め記憶した軌道情報に基づいて人工衛星３−１の位置を計算し、アンテナの指向性を人工衛星３−１の方に向ける。処理結果情報送信部１９は、そのアンテナによって、処理結果を人工衛星３−１に送信する。人工衛星３−１の処理結果情報受信部１６は、その処理結果を受信する（Ｓ２１）。

本実施形態においては、機能モジュール６−ｋに支障が発生した場合に、管制局２を介さずに他の衛星に処理を依頼することができる。従って、管制局２から人工衛星システム４への通信が困難な条件でも、バックアップ処理を行うことができる。更に、管制局２を経由しないため、短時間でバックアップ処理を行うことができる。

第２実施形態を第１実施形態と組み合わせることもできる。例えば、支障が発生した人工衛星３−１が、自衛星の位置情報に基づいて、所定の基準に従って管制局２との通信が困難であると判断した場合には、まず第２実施形態における処理依頼を行う。管制局２との通信が可能となった場合には、第１実施形態の処理依頼に切り替える。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態における人工衛星システムも、図３〜図５を参照して説明した構成を有する。本実施形態においては、バックアップ機能が他の衛星を介して中継される。すなわち、第２人工衛星が第１人工衛星からの処理依頼を受信したが機能モジュール６−ｋを使用できない場合、第２人工衛星は、その処理依頼を第３人工衛星に中継する。

図８は、本発明の第３実施形態における人工衛星システム４の動作を示す。人工衛星３−１の機能モジュール６−ｋに支障が発生したとする（Ｓ１１）。人工衛星３−１は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋに支障が発生したことを自己診断によって認識する。

本実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、指向性のアンテナを用いて処理依頼を行ってもよい。但し図８の例では、無指向性のアンテナを用いて処理依頼を行うものとする。人工衛星３−１の支障モジュール通知部１２は、支障通知信号をブロードキャストで送信する（Ｓ３２）。

人工衛星３−１からの距離が、人工衛星３−２は比較的小さく、人工衛星３−３は比較的大きいものとする。人工衛星３−２は、人工衛星３−１からの信号を受信できる。人工衛星３−３は、人工衛星３−１からの信号を受信できないか、低いビットレートでのみ受信できるものとする。人工衛星３−１から送信された支障通知は、人工衛星３−２に到達する。これ以降の処理は、人工衛星３−２において処理を引き受けられる場合（Ｓ３３〜Ｓ３６）と、引き受けられない場合（Ｓ３７〜Ｓ４４）に条件分岐する。

人工衛星３−２のバックアップ設定部１３は、ｋ番目の機能モジュール６−ｋにおいて処理依頼が引き受け可能な場合、自衛星をバックアップ状態に設定する。人工衛星３−２は、ＯＫ信号を人工衛星３−１に送信する（Ｓ３３）。

人工衛星３−１の処理依頼部１４は、通常時には自機能モジュール６−ｋによって処理する入力情報を、処理依頼情報として人工衛星３−２に送信する（Ｓ３４）。人工衛星３−３の処理依頼情報受信部１８は、処理依頼情報を受信する。その処理依頼情報は、人工衛星３−２の機能モジュール６−ｋによって処理され、処理結果が出力される（Ｓ３５）。人工衛星３−２の処理結果情報送信部１９は、処理結果を人工衛星３−１に送信する。人工衛星３−１の処理結果情報受信部１６は、その処理結果を受信する（Ｓ３６）。

次に、人工衛星３−２により処理依頼を引き受けられない場合を説明する。支障通知を受信した人工衛星３−２は、処理依頼を引き受けられない場合、支障通知をブロードキャストにより送信する。その支障通知は、人工衛星３−２から比較的距離の近い人工衛星３−３により受信される（Ｓ３７）。人工衛星３−３は、機能モジュール６−ｋにより処理依頼を引き受けられる場合、自衛星をバックアップ状態に設定し、人工衛星３−２を送信先としてＯＫ信号を送信する（Ｓ３８）。

人工衛星３−２の中継部２１は、ＯＫ信号を人工衛星３−１に中継する（Ｓ３９）。人工衛星３−１の処理依頼部１４は、処理依頼情報を人工衛星３−２に送信する（Ｓ４０）。人工衛星３−２の中継部２１は、処理依頼情報を人工衛星３−３に中継する（Ｓ４１）。人工衛星３−３の処理引受部１７は、機能モジュール６−ｋによって受信した入力情報を処理する（Ｓ４２）。処理結果情報送信部１９は、処理結果を人工衛星３−２に送信する（Ｓ４３）。人工衛星３−２の中継部２１は、受信した処理結果を人工衛星３−１に中継する（Ｓ４４）。

以上の動作により、いずれかの衛星に支障が発生した場合、他の衛星が処理を引き受けられなければ、更に他の衛星に中継される。そのため、人工衛星３−１が他の人工衛星に順次に処理依頼をする第２実施形態に比べて、人工衛星３−１の処理が少なく済む。更に、比較的距離の近い衛星間での中継によって処理依頼をできるため、無指向性のアンテナを用いる場合に適している。

１ 地球
２ 管制局
３−１〜３−３ 人工衛星
４ 人工衛星システム
５ ネットワーク
６、６−１〜６−３ 機能モジュール
７ 通信モジュール
１１ 通常時通信部
１２ 支障モジュール通知部
１３ バックアップ設定部
１４ 処理依頼部
１５ 処理依頼情報送信部
１６ 処理結果情報受信部
１７ 処理引受部
１８ 処理依頼情報受信部
１９ 処理結果情報送信部
２０ 指向性制御部
２１ 中継部
１０１ 地球
１０２ 管制局
１０３ 人工衛星
１０４ 人工衛星システム
１０５ 主系
１０６ 従系
１０７ ネットワーク
１０８−１〜１０８−ｎ 機能モジュール
１０９ 通信モジュール
１１０−１〜１１０−ｎ 機能モジュール
１１１ 通信モジュール

Claims (6)

1. それぞれｎ（ｎは２以上の整数）個の機能モジュールを備える複数の人工衛星を具備し、
   前記複数の人工衛星のうちの任意の第１人工衛星が備える前記ｎ個の機能モジュールは、前記複数の人工衛星のうちの任意の他の第２人工衛星が備える前記ｎ個の機能モジュールと同じ機能を有し、
   前記第１人工衛星は、前記ｎ個の機能モジュールのうちのｋ番目（ｋは１以上ｎ以下の整数）の機能モジュールの動作に支障が発生したときに、第２人工衛星に前記ｋ番目の機能モジュールを支障モジュールとして特定する支障モジュール識別子を送信する支障モジュール通知部を具備し、
   前記第２人工衛星は、前記支障モジュール識別子を受信するとバックアップモードに設定するバックアップ設定部を具備し、
   前記第１人工衛星は、更に、前記支障モジュールで処理していた情報である入力情報を前記第２人工衛星に送信する処理依頼情報送信部を具備し、
   前記第２人工衛星は、前記バックアップモードに設定されているときに前記入力情報を受信すると、前記ｋ番目の機能モジュールによって前記入力情報を処理した結果である出力情報を前記第１人工衛星に送信する処理依頼情報送信部を具備する
   人工衛星システム。
2. 請求項１に記載された人工衛星システムであって、
   前記第１人工衛星は、更に、前記支障が発生したとき、前記第２人工衛星の軌道情報に基づいて、前記支障モジュール識別子を送信するアンテナの指向性を前記第２人工衛星の方向に制御する指向性制御部を具備する
   人工衛星システム。
3. 請求項２に記載された人工衛星システムであって、
   前記第１人工衛星は、前記第２人工衛星の軌道情報を地上の管制局から取得する
   人工衛星システム。
4. 請求項２又は３に記載された人工衛星システムであって、
   前記指向性制御部は、予め取得した前記第２人工衛星の軌道情報に基づいて前記第２人工衛星の位置情報を生成し、前記位置情報に基づいて前記支障モジュール識別子を送信するアンテナの指向性を前記第２人工衛星の方向に制御する機能を有する
   人工衛星システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載された人工衛星システムであって、
   前記第２人工衛星は、更に、前記支障モジュール識別子を受信したときに前記ｋ番目の機能モジュールを使用できない場合、前記入力情報を前記複数の人工衛星のうちの第３人工衛星に中継する中継部を具備する
   人工衛星システム。
6. 請求項１に記載された人工衛星システムであって、
   前記支障モジュール通知部は、前記支障モジュール識別子をブロードキャストで前記複数の人工衛星に送信し、
   前記第２人工衛星は、更に、前記支障モジュール識別子を受信したときに前記ｋ番目の機能モジュールを使用できない場合、前記入力情報を前記複数の人工衛星のうちの第３人工衛星に中継する中継部を具備する
   人工衛星システム。
   

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