(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の衛星がそれぞれ周回運動する複数の準静止衛星軌道を地球の周りに構成する衛星軌道構成方法において、
上記準静止衛星軌道に存在するアポジ点を上記地球に投影したアポジ点投影地点の個数と、上記アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある上記衛星が上記地球と準同期するまでに要する準同期所要日数を決定し、
上記地球の自転周期と、上記準同期所要日数と、上記アポジ点投影地点の個数とに基づき、上記衛星が上記準静止衛星軌道を１周する衛星周期を求め、
上記衛星周期から求められる上記衛星の軌道高度が低すぎないかを判断し、
上記地球の自転周期と、上記準同期所要日数と、上記衛星が通信サービスを提供する動作時間とに基づき、上記衛星の機数を求めることを特徴とする衛星軌道構成方法。
【請求項２】
衛星の軌道高度が不適切である場合に、アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある準同期所要日数を他の日数に変更することを特徴とする請求項１記載の衛星軌道構成方法。
【請求項３】
複数の衛星の故障に対応するための予備衛星を、複数の準静止衛星軌道からの傾斜角が等しい静止衛星軌道に配置することを特徴とする請求項２記載の衛星軌道構成方法。
【請求項４】
複数の衛星の故障に対応するための予備衛星を、複数の準静止衛星軌道からの傾斜角が等しく、上記準静止衛星軌道上に存在するペリジ点の高度を有する待機軌道に配置することを特徴とする請求項２記載の衛星軌道構成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信機能を有する衛星が準静止衛星軌道を周回運動しながら地球に対して通信サービスを提供する衛星通信における衛星軌道構成方法、衛星姿勢制御方法および衛星軌道システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
準静止衛星軌道とは、例えば「非静止移動体衛星通信システムの現状と動向」（衛星通信研究、Ｎｏ．７５、ＫＤＤエンジニアリング・アンド・コンサルティング、１９９８年９月）に開示されているように、静止衛星軌道（すなわち、地球の赤道面に存在し、衛星周期約２４時間、軌道高度約３６０００ｋｍの軌道）に対して任意の角度で傾斜した面において任意の周期で地球の周りを周回運動する衛星の軌道で、ある任意の時間帯で地球から見た衛星の動きがゆるやかなものを言う。
【０００３】
図７は従来の準静止衛星軌道を用いた衛星軌道の構成を示す図である。図７において、１は衛星４から通信サービスを提供される地球、２は地球１の赤道面、３は赤道面２と任意の角度で傾斜する準静止衛星軌道、４は準静止衛星軌道３を任意の衛星周期で周回運動する衛星、５は地球１の表面からの高度が最も低くなる準静止衛星軌道３の近地点（以下、ペリジ点という）、６は地球１の表面からの高度が最も高くなる準静止衛星軌道３の遠地点（以下、アポジ点という）である。また、７は赤道面２と準静止衛星軌道３の交わる点で、準静止衛星軌道３の昇交点である。
【０００４】
次に動作について説明する。
図７において、衛星４は、準静止衛星軌道３に沿って地球１の周りを図７に図示された衛星４の位置からアポジ点６、昇交点７、ペリジ点５の順に移動し、再び図７に図示された衛星４の位置へと周回運動する。衛星４が周回運動する際の衛星周期は、通信サービスの形態に応じて適切な値に設定される。
【０００５】
準静止衛星軌道３は一般に楕円軌道であるため、準静止衛星軌道３上の衛星４の位置によって、上記衛星４の周回速度は変化する。すなわちケプラーの第２法則から、地球１と衛星４を結ぶ線分の掃引する面積速度が一定となるように衛星４の周回速度の大きさは変化し、ぺリジ点５、アポジ点６において、その周回速度の大きさはそれぞれ最大、最小となる。
【０００６】
アポジ点６では衛星４の周回速度の大きさは最小となるので、地球１から衛星４を観測すると、アポジ点６における衛星４はほぼ静止しているように見える。したがって、準静止衛星軌道３を用いた衛星通信では、静止衛星軌道を用いた衛星通信に準じた形態で、アポジ点６を衛星通信の動作点として通信サービスを地球１に提供することができる。
【０００７】
地球１の自転周期と衛星４の衛星周期が一致している場合には、アポジ点６はただ１点のみ地球１に対して投影される。これに対して、地球１の自転周期より衛星４の衛星周期が短い場合には、これらの周期の差異に応じて、アポジ点６は地球１上の複数の地点（以下、アポジ点投影地点という）に対して投影される。
【０００８】
したがって、地球１の自転周期より衛星４の衛星周期が短い場合には、アポジ点６に衛星４が位置する毎に通信サービスが提供され、アポジ点投影地点は切り替わる。そして、地球１の自転周期と衛星４の衛星周期の関係で決まる所要回数の周回運動が行われると、通信サービスを最初に提供したアポジ点投影地点に対して、アポジ点６において衛星４は再び準同期する。このように、準静止衛星軌道を用いた衛星通信システムでは、通信サービスの提供領域であるアポジ点投影地点の個数が通信サービスの形態を左右する。
【０００９】
さらに、準静止衛星軌道３は赤道面２に対して任意の角度で傾斜しているため、赤道面２に存在する静止衛星軌道上の衛星と比べると、衛星４は地球１上の日本、アジア、オーストラリアなど高緯度地域を高仰角で照射するので、高緯度地域に存在する建物や山などの干渉を軽減しながら通信サービスを地球１に提供することができる。
【００１０】
また、複数の準静止衛星軌道３をそれぞれ周回運動する複数の衛星４を用いた中低軌道衛星システムなどの衛星通信では、これら複数の衛星４の故障に対応するために通信機能を有する図示しない予備衛星を設け、複数の準静止衛星軌道３とは異なった軌道に予備衛星の軌道（以下、待機軌道という）を配置する。
【００１１】
複数の衛星４に故障が発生していない場合には、予備衛星は待機軌道を周回運動し、通信サービスを行わない。そして、複数の衛星４に故障が発生した場合には、故障した衛星４が周回運動していた準静止衛星軌道３へ予備衛星は投入され、故障した衛星４に替わって通信サービスを地球１に提供する。
【００１２】
また、衛星４には図示しない太陽電池を設けてあり、太陽電池によって太陽光を電力に変換し、衛星４の電力源としている。太陽電池の受光面が大きいほど太陽電池の発電電力は大きくなり、また受光面に対して太陽光の入射角が垂直になるほど太陽電池の発電効率はそれだけ高くなる。
【００１３】
準静止衛星軌道３のように、赤道面に対して約２３°傾斜した図示しない黄道面（すなわち、図示しない太陽の周りを周回運動する地球１の軌道面）上に衛星４の軌道が存在しない場合には、準静止衛星軌道３上の衛星４の位置によって、太陽電池の受光面に対する太陽光の入射角が変化してしまうため、太陽電池の発電効率が安定しないという課題があった。この課題を解決する方法として、衛星４の位置が変化しても入射角が一定となるように、略球形状に太陽電池を構成する技術が特開平１−２５７７００号公報に開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の準静止衛星軌道は以上のように構成されているが、複数の準静止衛星軌道を用いて通信サービスを提供する衛星通信システムを構築する場合、通信サービスの形態を左右するアポジ点投影地点の個数に対応して、準静止衛星軌道を周回運動する衛星の衛星周期や、システム全体で必要となる衛星の機数などの各パラメータを関連付けた効率的な衛星軌道構成方法は、従来では確立されていないという課題があった。
【００１５】
また、複数の準静止衛星軌道をそれぞれ周回運動する複数の衛星の故障に対応するための予備衛星の必要性は従来から指摘されていたが、予備衛星の待機軌道を具体的にどのように配置するかまでは報告されておらず、複数の準静止衛星軌道のいずれにとっても予備衛星が最適な待機状態となるように、予備衛星の待機軌道を決定しなければならないという課題があった。
【００１６】
さらに、特開平１−２５７７００号公報に開示されている略球形状に太陽電池を構成する技術では、太陽電池を大型化することは困難であり、大電力の供給を必要とする衛星の電力源としては不適切であるという課題があった。
【００１７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アポジ点投影地点の個数に対応して、衛星周期と衛星の機数を関係づけて複数の準静止衛星軌道を構成することができ、通信サービスを提供する領域に対して効率的に衛星を配置することができる衛星軌道構成方法を得ることを目的とする。
【００１８】
また、この発明は、複数の準静止衛星軌道のいずれにとっても予備衛星が最適な待機状態となる衛星軌道構成方法および衛星軌道システムを得ることを目的とする。
【００１９】
さらに、この発明は、略球形状に太陽電池を構成することなく、衛星の姿勢制御を行いながら、かつ太陽電池の受光面を太陽光に正対させて発電効率を最大に安定させることができる衛星姿勢制御方法を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る衛星軌道構成方法は、準静止衛星軌道に存在するアポジ点を地球に投影したアポジ点投影地点の個数と、上記アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある衛星が上記地球と準同期するまでに要する準同期所要日数を決定し、上記地球の自転周期と、上記準同期所要日数と、上記アポジ点投影地点の個数とに基づき、上記衛星が上記準静止衛星軌道を１周する衛星周期を求め、上記衛星周期から求められる上記衛星の軌道高度が低すぎないかを判断し、上記地球の自転周期と、上記準同期所要日数と、上記衛星が通信サービスを提供する動作時間とに基づき、上記衛星の機数を求めるようにしたものである。
【００２１】
この発明に係る衛星軌道構成方法は、衛星の軌道高度が不適切である場合に、アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある準同期所要日数を他の日数に変更するようにしたものである。
【００２２】
この発明に係る衛星軌道構成方法は、複数の衛星の故障に対応するための予備衛星を、複数の準静止衛星軌道から傾斜角と軌道高度がともに等しい待機軌道に配置するようにしたものである。
【００２３】
この発明に係る衛星軌道構成方法は、地球の赤道面内に位置し、上記準静止衛星軌道に存在するペリジ点の高度に等しい軌道高度を有する軌道を待機軌道とするようにしたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
前述したように、準静止衛星軌道を用いた衛星通信では、アポジ点において衛星の速度の大きさが最小となり、静止衛星軌道を用いた衛星通信に準ずる形態で高仰角の通信サービスを地球に対して提供することができる。したがって、準静止衛星軌道を設計する場合には、通信サービスを提供する領域となるアポジ点投影地点の個数を決定する必要がある。
【００２８】
ここでアポジ点投影地点の個数をＮａ、地球の自転周期をＴｅ（約２４時間）、衛星が地球と準同期するまでに要する日数、すなわち、地球上のある地点がアポジ点投影地点になってから次にアポジ点投影地点となるまでの日数（以下、準同期所要日数という）をＮｃ、準静止衛星軌道を衛星が１周だけ周回運動するのに要する衛星周期をＴｓとすると、式（１）が成り立つ。
Ｔｓ＝Ｔｅ×Ｎｃ÷Ｎａ                            （１）
【００２９】
式（１）において、準同期所要日数Ｎｃとアポジ点投影地点の個数Ｎａは、互いに素となる整数の関係にある。この理由は次の通りである。準同期所要日数Ｎｃとアポジ点投影地点の個数Ｎａが共通因数ａを持つものとすると、式（２）のように表すことができる。
Ｎｃ＝Ｎｃｘ×ａ  ，Ｎａ＝Ｎａｘ×ａ              （２）
【００３０】
ここでＮｃｘとＮａｘは、それぞれ互いに素となる整数の関係にある。式（２）を式（１）の左辺に代入すると、以下の式（３）にあらわすように、
Ｔｅ×Ｎｃ÷Ｎａ＝Ｔｅ×Ｎｃｘ÷Ｎａｘ            （３）
となり、アポジ点投影地点の個数がＮａｘとなり矛盾が生じてしまうからである。
【００３１】
上記の準同期所要日数Ｎｃとアポジ点投影地点の個数Ｎａが互いに素とならない整数の関係にあるということは、具体的には、同一のアポジ点投影地点を重複して数えてしまうことと同義である。例えばアポジ点投影地点の個数Ｎａを１２点とした場合に対し、準同期所要日数Ｎｃを互いに素とならない整数の関係にある９日とした場合には、同一のアポジ点投影地点を３回重複して数えてしまうことを意味している。また、衛星が地球と準同期するためには、上記衛星周期Ｔｓは無限少数となってはいけない。
【００３２】
任意のアポジ点投影地点に対して１日約２４時間の通信サービスを提供するために必要な衛星の機数をＮｓ、任意のアポジ点投影地点に対して１機の衛星が通信サービスを提供する動作時間をＴｏとすると、式（４）が成り立つ。
Ｎｓ＝Ｔｅ×Ｎｃ÷Ｔｏ                            （４）
【００３３】
図１はこの発明の実施の形態１による衛星軌道構成方法を示すフローチャートである。図１をもとに、この発明の実施の形態１による衛星軌道構成方法の具体例を以下に示す。
【００３４】
ここでは例として、地球の経度方向において３０°毎の経度間隔でアポジ点投影地点を配置する場合を考える。したがってアポジ点投影地点の個数Ｎａは、３６０°（地球１周分の角度）を経度間隔３０°で除算して１２点と求められる（ステップＳＴ１）。準同期所要日数Ｎｃとアポジ点投影地点の個数Ｎａは、互いに素となる整数の関係にあることを考えると、Ｎｃの候補となる日数は５日、７日、１１日、…である。準同期所要日数Ｎｃを５日とした場合（ステップＳＴ２）、式（１）より衛星周期Ｔｓは１０時間と算出される（ステップＳＴ３）。
【００３５】
ここで、衛星周期Ｔｓが１０時間の場合には、衛星周期Ｔｓから求められる衛星の軌道高度が低すぎるため、準静止衛星軌道を構成する上で適切ではないと判定され（ステップＳＴ４）、ステップＳＴ５へ戻る。衛星の軌道高度の判定基準は、衛星通信システムの形態によって変わり得るものであり、ここでは例として、Ｔｓ＝１０時間の場合の軌道高度は低く、ここで考えている衛星通信システムにとっては不適当と判定している。
【００３６】
ステップＳＴ５では、準同期所要日数Ｎｃを次候補の７日に変更し、ステップＳＴ３へ進む。改めて衛星周期Ｔｓを式（１）から求めると、衛星周期Ｔｓは１４時間と算出される（ステップＳＴ３）。衛星周期Ｔｓが１４時間のときの衛星の軌道は十分な軌道高度であると判定され（ステップＳＴ４）、次のステップＳＴ６へと進む。前述したように、ここでは例として、Ｔｓ＝１４時間の場合の軌道高度は十分な軌道高度と判定している。ステップＳＴ６では、衛星の動作時間Ｔｏを例えば８時間と決定する。
【００３７】
図２はアポジ点投影地点の個数Ｎａが１２点、衛星周期Ｔｓが１４時間、衛星の動作時間Ｔｏが８時間のときに、衛星が周回運動する準静止衛星軌道を投影した世界地図である。図２において、横軸は経度、縦軸は緯度、１００は世界地図に投影された準静止衛星軌道、２００はアポジ点投影地点を表している。この準静止衛星軌道１００の諸元は、ペリジ点が高度約９０００ｋｍ、アポジ点が高度約３７０００ｋｍ、準静止衛星軌道の楕円の程度を表す離心率が０．４８である。図２より、北緯３０°から４５°の間に経度３０°の間隔で衛星が見え、１２個のアポジ点投影地点２００があることが分かる。
【００３８】
以上の条件のもとで、任意のアポジ点投影地点に対して１日約２４時間の通信サービスを提供するために必要な衛星の機数Ｎｓを式（４）を用いて算出すると、衛星の機数Ｎｓは２１機となる（ステップＳＴ７）。したがって、１個のアポジ点投影地点に対する衛星の機数は１．７５機となり、通信サービスを提供する領域に対する衛星の機数を考えると、効率的に衛星を配置できていることが分かる。
【００３９】
以上のように、この実施の形態１によれば、アポジ点投影地点の個数Ｎａに
対応して、互いに素となる整数の関係になるように、準同期所要日数Ｎｃを決定するステップと、地球の自転周期Ｔｅと、準同期所要日数Ｎｃと、アポジ点投影地点の個数Ｎａに基づき、衛星周期Ｔｓを求めるステップと、衛星周期Ｔｓに対応した衛星の軌道高度の妥当性を判断するステップと、地球の自転周期Ｔｅと、準同期所要日数Ｎｃと、衛星の動作時間Ｔｏに基づき、衛星の機数Ｎｓを求めるステップとを備えるようにしたので、アポジ点投影地点の個数Ｎａに対応して衛星周期Ｔｓと衛星の機数Ｎｓを関係づけて複数の準静止衛星軌道を構成することができるようになり、通信サービスを提供する領域に対して効率的に衛星を配置することができるようになるという効果が得られる。
【００４０】
また、衛星の軌道高度が不適切である場合に、アポジ点投影地点の個数Ｎａと互いに素となる整数の関係にある準同期所要日数Ｎｃを他の日数に変更するようにしたので、適切な衛星の軌道高度に対応する準同期所要日数Ｎｃを決定することができるようになり、地球の自転周期Ｔｅと、準同期所要日数Ｎｃと、アポジ点投影地点の個数Ｎａとに基づいて求められる衛星周期Ｔｓを、適切な衛星の軌道高度に対応させて求めることができるという効果が得られる。
【００４１】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による衛星軌道の構成を示す図である。図３において、１１は衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃから通信サービスの提供を受ける地球、１２は衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対応するために設けられた予備衛星１４ｄが周回運動する待機軌道であり、この実施の形態２における待機軌道１２は、地球１１の赤道面内に存在し、衛星周期約２４時間、軌道高度約３６０００ｋｍの静止衛星軌道である。
【００４２】
１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれ赤道面と任意の角度で傾斜する準静止衛星軌道、１４ａ，１４ｂ，１４ｃはそれぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃを周回運動する衛星、１４ｄは衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃと同等の通信機能を持ち、待機軌道１２を周回運動する予備衛星である。
【００４３】
１５ａ，１５ｂ，１５ｃはそれぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃのペリジ点、１６ａ，１６ｂ，１６ｃはそれぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃのアポジ点、１７ａ，１７ｂ，１７ｃはそれぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃの昇交点である。３個のペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、いずれも１２０°の経度間隔となる関係であり、３個のアポジ点１６ａ，１６ｂ，１６ｃの経度間隔および３個の昇交点１７ａ，１７ｂ，１７ｃもそれぞれ同様に、いずれも１２０°の経度間隔となる関係である。また、準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃが赤道面となす傾斜角は、いずれも同じ値である。
【００４４】
次に動作について説明する。
図３において、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃを周回運動しながら、地球１１に対して通信サービスを提供する。３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃによる通信サービスが問題なく行われているときには、予備衛星１４ｄは、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対応するために衛星周期約２４時間で待機軌道１２を周回運動し、通信サービスは行わない。
【００４５】
３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの１機に故障が発生した場合、待機軌道１２を周回運動している予備衛星１４ｄは、故障した衛星が発生した準静止衛星軌道へ待機軌道１２から投入され、故障した衛星に替わって通信サービスを地球１１に提供する。
【００４６】
３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃから傾斜角、軌道高度がともに等しい待機軌道１２（すなわち、赤道面上に存在する静止衛星軌道）に予備衛星１４ｄが配置されているので、投入の際の軌道修正量をいずれの軌道に対しても等しくすることができ、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのいずれの故障に対しても同等に対応できるようになる。
【００４７】
具体的な予備衛星１４ｄの投入動作について説明する。ここでは、３つの衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの衛星１４ａに故障が発生した場合を考える。故障した衛星１４ａの替わりに通信サービスを提供するために、準静止衛星軌道１３ａへ予備衛星１４ｄが投入される。予備衛星１４ｄが投入される準静止衛星軌道１３ａ上の点（以下、軌道修正点という）としては、例えば昇交点１７ａを選ぶ。
【００４８】
予備衛星１４ｄは、待機軌道１２上の軌道修正を開始した点から昇交点１７ａに到達すると、故障した衛星１４ａと同一の周回運動のパラメータが与えられ、昇交点１７ａから準静止衛星軌道１３ａ上の周回運動を開始する。そして故障した衛星１４ａに替わって、予備衛星１４ｄは通信サービスを開始し、準静止衛星軌道１３ａを周回運動しながら、他の故障していない衛星１４ｂ，１４ｃとともに地球１１に対して通信サービスを提供する。
【００４９】
なお、予備衛星１４ｄを投入する際には、故障した衛星１４ａと予備衛星１４ｄの衝突などの事故の防止や、他の故障していない衛星１４ｂ，１４ｃとの動作関係などが考慮されて投入される。また、予備衛星１４ｄの通信サービスの妨げが生じないように、故障した衛星１４ａには、通信機能の停止や準静止衛星軌道１３ａからの排除など、故障の状況に応じて適切な措置が取られる。
【００５０】
ここでは、衛星１４ａが故障した場合の予備衛星１４ｄの投入動作について述べたが、衛星１４ｂ，１４ｃが故障した場合にも、同様の投入動作によって予備衛星１４ｄを投入することができ、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対する軌道修正量が等しいことが分かる。
また、投入の際の軌道修正点として、ここでは例として昇交点１７ａを選んだが、軌道修正点については、システム全体の状況に応じて選ばれる。
【００５１】
以上のように、この実施の形態２によれば、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃから傾斜角と軌道高度がともに等しい静止衛星軌道に予備衛星１４ｄが周回運動する待機軌道１２を配置するようにしたので、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃのいずれに対しても予備衛星１４ｄを投入する際の軌道修正量が等しくなり、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対して、予備衛星１４ｄを最適な待機状態にすることができるという効果が得られる。
【００５２】
なお、実施の形態２では、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃの場合について示したが、準静止衛星軌道の数についてはこれに限るものではなく、複数の準静止衛星軌道を用いた場合に全て対応することができる。
また、実施の形態２では、予備衛星１４ｄの機数を１機としたが、予備衛星１４ｄの機数についてはこれに限るものではなく、待機軌道１２としての静止衛星軌道に複数の予備衛星１４ｄを配置するようにしても良い。
【００５３】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、予備衛星１４ｄが周回運動する待機軌道１２として静止衛星軌道を用いた場合について示した。この実施の形態３では、予備衛星１４ｄの待機軌道の軌道高度を３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に等しくし、かつ待機軌道を赤道面に配置する場合を説明する。
【００５４】
図４はこの発明の実施の形態３による衛星軌道の構成を示す図である。図４において、２２は３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対応するために設けられた予備衛星１４ｄが周回運動する待機軌道であり、この実施の形態３における待機軌道２２の軌道高度は３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に等しく、かつ待機軌道２２は赤道面上に配置されている。
その他の構成については実施の形態２における図３と同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５５】
次に動作について説明する。
図４において、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれ準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃを周回運動しながら、地球１１に対して通信サービスを提供する。３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃによる通信サービスが問題なく行われているときには、予備衛星１４ｄは、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対応するために任意の衛星周期（すなわち、ペリジ点の高度に相当する衛星周期）で待機軌道２２を周回運動し、通信サービスは行わない。
【００５６】
３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの１機に故障が発生した場合、待機軌道２２を周回運動している予備衛星１４ｄは、待機軌道２２から故障した衛星が発生した準静止衛星軌道へ投入され、故障した衛星に替わって通信サービスを地球１１に提供する。
【００５７】
３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃから傾斜角、軌道高度がともに等しい待機軌道２２に予備衛星１４ｄが配置されているので、投入の際の軌道修正量をいずれの軌道に対しても等しくすることができ、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのいずれの故障に対しても同等に対応できるようになる。
【００５８】
具体的な予備衛星１４ｄの投入動作について説明する。ここでは、３つの衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの衛星１４ａに故障が発生した場合を考える。故障した衛星１４ａの替わりに通信サービスを提供するために、準静止衛星軌道１３ａへ予備衛星１４ｄが投入される。予備衛星１４ｄが投入される軌道修正点としては、ペリジ点１５ａを選ぶ。
【００５９】
予備衛星１４ｄは、待機軌道２２上の軌道修正を開始した点からペリジ点１５ａに到達すると、故障した衛星１４ａと同一の周回運動のパラメータが与えられ、ペリジ点１５ａから準静止衛星軌道１３ａ上の周回運動を開始する。そして故障した衛星１４ａに替わって、予備衛星１４ｄは通信サービスを開始し、準静止衛星軌道１３ａを周回運動しながら、他の故障していない衛星１４ｂ，１４ｃとともに地球１１に対して通信サービスを提供する。
【００６０】
なお、予備衛星１４ｄを投入する際には、実施の形態２と同様に、故障した衛星１４ａと予備衛星１４ｄの衝突などの事故の防止や、他の故障していない衛星１４ｂ，１４ｃとの動作関係などが考慮されて投入される。また、予備衛星１４ｄの通信サービスの妨げが生じないように、故障した衛星１４ａには、通信機能の停止や準静止衛星軌道１３ａからの排除など、故障の状況に応じて適切な措置が取られる。
【００６１】
ここでは、衛星１４ａが故障した場合の予備衛星１４ｄの投入動作について述べたが、衛星１４ｂ，１４ｃが故障した場合にも、同様の投入動作によって予備衛星１４ｄを投入することができ、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対する軌道修正量が等しいことが分かる。
【００６２】
この実施の形態３では、３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に相当する衛星周期で予備衛星１４ｄは待機軌道２２を周回運動しているので、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃと予備衛星１４ｄとの相対的な位置関係は時間とともに変化する。したがって、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの衛星周期と予備衛星１４ｄの衛星周期に応じて、予備衛星１４ｄを適宜周回運動させて投入のタイミングを計ることにより、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障のいずれの場合に対しても、３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃを軌道修正点として選ぶ。
【００６３】
また、待機軌道２２の軌道高度は静止衛星軌道の軌道高度約３６０００ｋｍよりも低い３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に等しいので、地球１１の表面からの高度が最も低くなる３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度まで予備衛星１４ｄを打ち上げれば良く、地球１１から待機軌道２２へ予備衛星１４ｄを投入する際の燃料を節約することができる。
【００６４】
さらに、予備衛星１４ｄの待機軌道２２は静止衛星軌道とは異なるので、予備衛星１４ｄが待機軌道２２を周回運動している際には、静止衛星軌道を周回運動している既存の静止衛星との干渉が生じないようになり、静止衛星軌道上の静止衛星の制約を受けずに待機軌道２２に予備衛星１４ｄを配置することができるという効果が得られる。
【００６５】
以上のように、この実施の形態３によれば、予備衛星１４ｄの待機軌道２２の軌道高度を３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に等しくし、かつ上記待機軌道２２を赤道面に配置するようにしたので、実施の形態２と同様に、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃのいずれに対しても予備衛星１４ｄを投入する際の軌道修正量が等しくなり、３機の衛星１４ａ，１４ｂ，１４ｃの故障に対して、予備衛星１４ｄを最適な待機状態にすることができるという効果が得られる。
【００６６】
また、待機軌道２２の軌道高度は静止衛星軌道の軌道高度約３６０００ｋｍよりも低い３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に等しいので、３つのペリジ点１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高度に予備衛星１４ｄを配置するようになり、地球１１から待機軌道２２へ予備衛星１４ｄを投入する際の燃料を節約することができるという効果が得られる。
【００６７】
さらに、予備衛星１４ｄの待機軌道２２は静止衛星軌道とは異なるので、予備衛星１４ｄが待機軌道２２を周回運動している際には、静止衛星軌道を周回運動している既存の静止衛星との干渉が生じないようになり、図示しない静止衛星軌道上の既存の静止衛星の制約を受けずに待機軌道２２に予備衛星１４ｄを配置することができるという効果が得られる。
【００６８】
なお、実施の形態３では、３つの準静止衛星軌道１３ａ，１３ｂ，１３ｃの場合について示したが、準静止衛星軌道の数についてはこれに限るものではなく、複数の準静止衛星軌道を用いた場合に全て対応することができる。
また、実施の形態３では、予備衛星１４ｄの機数を１機としたが、予備衛星１４ｄの機数についてはこれに限るものではなく、待機軌道２２に複数の予備衛星１４ｄを配置するようにしても良い。
【００６９】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による衛星と地球の相対関係を説明する図であり、図６はこの発明の実施の形態４による衛星の姿勢制御を説明する図である。図５において、１１は衛星２４から通信サービスを提供される地球、２４は準静止衛星軌道面３４上の準静止衛星軌道を周回運動する衛星、２４ｃは衛星の姿勢方向を説明するために図示した衛星姿勢軸、３１は地球１１の地軸、３２は地球１１の黄道面であり、図５の右方向に図示しない太陽が存在する。３３は地球１１の赤道面、３４は衛星２４が周回運動する準静止衛星軌道が存在する準静止衛星軌道面である。
【００７０】
また図６において、２４ａは衛星２４に固定的に設けられた展開式大型平面状の太陽電池受光面、２４ｂは衛星２４に設けられた指向性アンテナであり、準静止衛星軌道面３４上の準静止衛星軌道の形状からアンテナビームの所望の方向を予測し、衛星２４の本体とは独立して、アンテナが動作する機械駆動方式もしくはフェーズドアレーアンテナを用いた電子走査方式などによって、アンテナビームを所望の方向に制御できるようになっている。
【００７１】
さらに図６において、２４ｃは衛星の姿勢方向を説明するために図示した衛星姿勢軸、２４ｘおよび２４ｙはそれぞれ衛星２４の姿勢を制御するための第１の姿勢制御軸、第２の姿勢制御軸である。第１の姿勢制御軸２４ｘおよび第２の姿勢制御軸２４ｙは、従来の衛星姿勢制御方法としての３軸安定方式における互いに直交する３つの軸のうちのそれぞれロール軸、ピッチ軸である。
【００７２】
一般に従来の３軸安定方式による衛星姿勢制御方法では、ロール軸を衛星軌道面内の衛星進行方向にとり、ピッチ軸を衛星軌道面に垂直方向にとり、ロール軸とピッチ軸に直交する図示しない第３の軸であるヨー軸を準静止衛星軌道面３４の地球方向にとる。これらの３軸は、衛星２４内部に設けられた図示しないホイールの回転やスラスタの噴射などによって制御され、衛星本体を回転させずに衛星の姿勢を安定させる働きをする。
【００７３】
衛星姿勢軸２４ｃは、第２の姿勢制御軸２４ｙとほぼ同一直線上に存在する。太陽電池受光面２４ａは、第１の姿勢制御軸２４ｘおよび第２の姿勢制御軸２４ｙを含む面に略平行になるように衛星２４に固定的に設置されている。
【００７４】
次に動作について説明する。
地球１１の重力傾斜や太陽風などによる外乱を受けて、準静止衛星軌道面３４上の準静止衛星軌道を周回運動する衛星２４の姿勢はかく乱される。また、衛星２４の準静止衛星軌道の位置が変化するにつれて、太陽電池受光面２４ａに対する図示しない太陽光からの入射角が変化する。上記外乱および上記入射角の変化に対応するために、第１の姿勢制御軸２４ｘおよび第２の姿勢制御軸２４ｙを用いた２軸制御によって衛星２４を姿勢制御する。
【００７５】
すなわち、第１の姿勢制御軸２４ｘを用いた姿勢制御によって衛星姿勢軸２４ｃを黄道面３２と垂直に保ちながら、かつ第２の姿勢制御軸２４ｙを用いた姿勢制御によって図示しない太陽光からの太陽電池受光面２４ａに対する入射角を９０°に保つ。このように、第１の姿勢制御軸２４ｘおよび第２の姿勢制御軸２４ｙを用いた簡単な２軸姿勢制御によって、衛星２４の姿勢を黄道面３２に対して垂直に保ちながら、かつ太陽光からの太陽電池受光面２４ａに対する入射角を９０°に保つことにより、地球１１の重力傾斜や太陽風などによる外乱に対して衛星２４の姿勢を安定させ、衛星２４に設けられた太陽電池の発電効率を最大に安定させることができる。
【００７６】
このとき地球１１に対する衛星２４の姿勢は、準静止衛星軌道面３４上の準静止衛星軌道の衛星２４の位置によって変化するので、衛星２４に設けられた指向性アンテナ２４ｂと地球１１との相対関係も変化する。しかしながら、指向性アンテナ２４ｂはアンテナビームを所望の方向に制御できるので、準静止衛星軌道面３４上の準静止衛星軌道の形状から指向性アンテナ２４ｂと地球１１の相対関係を予測して、指向性アンテナ２４ｂのアンテナビームを所望の方向に制御することにより、地球１１に対して通信サービスを提供することができる。
【００７７】
以上のように、この実施の形態４によれば、第１の姿勢制御軸２４ｘと第２の姿勢制御軸２４ｙとを含む面に略平行になるように太陽電池受光面２４ａを衛星２４に固定的に設け、第１の姿勢制御軸２４ｘによって衛星２４の衛星姿勢軸２４ｃを黄道面３２に対して垂直に保ちながら、かつ第２の姿勢制御軸２４ｙによって太陽電池受光面２４ａを太陽光に正対させるようにしたので、簡単な２軸制御によって、地球１１の重力傾斜や太陽風などによる外乱に対して衛星２４の姿勢を安定させ、かつ太陽電池の発電効率を最大に安定させることできるという効果が得られる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、準静止衛星軌道に存在するアポジ点を地球に投影したアポジ点投影地点の個数と、アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある衛星が地球と準同期するまでに要する準同期所要日数を決定し、地球の自転周期と、準同期所要日数と、アポジ点投影地点の個数とに基づき、衛星が準静止衛星軌道を１周する衛星周期を求め、衛星周期から求められる上記衛星の軌道高度が低すぎないかを判断し、地球の自転周期と、準同期所要日数と、衛星が通信サービスを提供する動作時間とに基づき、衛星の機数を求めるようにしたので、アポジ点投影地点の個数に対応して、衛星周期と衛星の機数を関係づけて複数の準静止衛星軌道を構成することができるようになり、通信サービスを提供する領域に対して効率的に衛星を配置することができるという効果が得られる。
【００７９】
この発明によれば、衛星の軌道高度が不適切である場合に、アポジ点投影地点の個数と互いに素となる整数の関係にある準同期所要日数を他の日数に変更するようにしたので、適切な衛星の軌道高度に対応する上記準同期所要日数を決定することができるようになり、上記地球の自転周期と、上記準同期所要日数と、上記アポジ点投影地点の個数とに基づいて求められる衛星周期を、適切な衛星の軌道高度に対応させて求めることができるという効果が得られる。
【００８０】
この発明によれば、複数の衛星の故障に対応するための予備衛星を、複数の準静止衛星軌道からの傾斜角が等しい静止衛星軌道に配置するようにしたので、複数の準静止衛星軌道のいずれに対しても軌道修正量が等しくなり、複数の準静止衛星軌道のいずれにとっても予備衛星が最適な待機状態となるという効果が得られる。
【００８１】
この発明によれば、複数の衛星の故障に対応するための予備衛星を、複数の準静止衛星軌道からの傾斜角が等しく、上記準静止衛星軌道上に存在するペリジ点の高度を有する待機軌道に配置するようにしたので、複数の準静止衛星軌道のいずれに対しても軌道修正量が等しくなり、複数の準静止衛星軌道のいずれにとっても予備衛星が最適な待機状態となるという効果が得られる。
また、地球の表面からの高度が最も低くなるペリジ点の高度に予備衛星を配置するようになり、地球から待機軌道へ予備衛星を投入する際の燃料を節約することができるという効果が得られる。
さらに、予備衛星が待機軌道を周回運動している際には、静止衛星軌道を周回運動している既存の静止衛星との干渉が生じないようになり、静止衛星軌道上の静止衛星の制約を受けずに待機軌道に予備衛星を配置することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による衛星軌道構成方法を示すフローチャートである。
【図２】この実施の形態１による準静止衛星軌道を投影した世界地図である。
【図３】この発明の実施の形態２による衛星軌道の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３による衛星軌道の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４による衛星と地球の相対関係を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態４による衛星の姿勢制御を説明する図である。
【図７】従来の準静止衛星軌道を用いた衛星軌道の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  地球、１２，２２  待機軌道、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  準静止衛星軌道、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  衛星、１４ｄ  予備衛星、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ  ペリジ点、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  アポジ点、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  昇交点、２４  衛星、２４ａ  太陽電池受光面、２４ｂ  指向性アンテナ、２４ｃ  衛星姿勢軸、２４ｘ  第１の姿勢制御軸、２４ｙ  第２の姿勢制御軸、３１地軸、３２  黄道面、３３  赤道面、３４  準静止衛星軌道面、１００  準静止衛星軌道、２００  アポジ点投影地点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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