(57)【要約】【課題】  衛星間電力伝送に頼らずに、日陰を周回する人工衛星に対して、常時電力を供給するための電力供給システムを提供することを目的とする。【解決手段】  地上に設置され、人工衛星に対し電磁波を送電する送信アンテナと送信アンテナから送信する電磁波の位相を制御する移相制御器を有して、分散配置された複数の送電ユニットと、人工衛星から送信された位置情報と送電ユニットの送信アンテナの位置情報に基づいて各送電ユニットから人工衛星に送信する電磁波の位相を設定する制御ユニットによって構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上に設置され、受信した電磁波から搭載機器への供給電力を得る人工衛星に対し電磁波を送電する送信アンテナと、位相情報に基づいて上記送信アンテナから送信する電磁波の位相を制御する移相制御器とを有し、上記人工衛星の通過軌道が送信アンテナの視野範囲内にあるように離間配置された複数の送電ユニットと、
上記人工衛星から送信された位置情報と上記送電ユニットの送信アンテナの位置情報に基づいて、上記各送電ユニットから人工衛星に対して送信する電磁波の位相情報を求め、求めた位相情報を各送電ユニットに送信する制御ユニットと、
を備えた人工衛星用電力供給システム。
【請求項２】
自己位置を測位する測位装置と、上記測位装置で測位した位置情報を送信する送信装置と、地上から送電された電磁波を受信する受信アンテナと、上記受信アンテナで受信した電磁波から衛星搭載機器に供給する電力を得る電源と、を有した人工衛星と、
地上に設置され、上記人工衛星に対し電磁波を送電する送信アンテナと、位相情報に基づいて上記送信アンテナから送信する電磁波の位相を制御する移相制御器とを有し、上記人工衛星の通過軌道が送信アンテナから可視となるように離間配置された複数の送電ユニットと、
上記人工衛星から位置情報を受ける通信アンテナと、
上記通信アンテナで受信した人工衛星の位置情報と上記送電ユニットの送信アンテナの位置に基づいて、上記各送電ユニットから人工衛星に対して送信する電磁波が、上記人工衛星の送信アンテナにて概略等位相となるための、上記各送電ユニットに対応した位相情報を求め、求めた各送電ユニットに対応した位相情報を各送電ユニットに送信する送信機とを有した制御ユニットと、
を備えた人工衛星用電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星に対して電力を供給する電力供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星は太陽電池パドルを有しており、軌道を周回する際、日照時には太陽電池パドルにより電力を供給し、また、日陰時には、日照時に自前のバッテリに蓄電しておいた電力を供給して運用している。太陽電池パドルは電力の供給源が太陽光であることにより、太陽の可視範囲及び可視期間を十分に考慮して人工衛星システムを構築する必要がある。また、日陰時に対応するためにバッテリなどの補助電力が必要となり、このことが人工衛星システムの設計及び運用上の大きな制約となっている。
【０００３】
一方、地球の陰側に位置する電力事情の悪い衛星に対し、送電衛星から、電磁波を用いて、近接軌道を飛翔している衛星に電力を伝送する衛星間電力伝送システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７８８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の衛星間電力伝送システムでは、静止軌道の送電衛星から低軌道の人工衛星に電力を送電するため、静止軌道の可視範囲外を飛翔する衛星については電力供給ができない。このため、低軌道の人工衛星が、日陰時に静止衛星の可視範囲内に入るように軌道決定する必要があり、軌道設計の複雑化を招き、設計の自由度が制約されるという問題があった。また、極軌道を周回する低軌道衛星に電力供給する場合、赤道を周回する静止衛星との間に軌道ずれを生じるので、周回衛星が静止衛星から可視範囲外とならないように衛星間電力供給用の静止衛星を複数個配置する必要が生じた。
【０００６】
また、静止衛星自体が日陰に位置する場合は、電力供給能力が低下するという問題があった。
【０００７】
さらに、同一軌道を周回する仲間の衛星から電力供給を受ける方法もあるが、この場合は複数の衛星を同一軌道に配置する必要があり、衛星の運用上、効率が悪くなるという問題があった。また、電力供給を行うための送信アンテナの搭載数や配置に制約があるので、衛星を打ち上げた後は、電力供給を行う相手の衛星が特定され、電力供給を行う相手の衛星を自由に選択できないという問題があった。
【０００８】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、衛星間電力伝送に頼らずに、日陰を周回する人工衛星に対して、常時電力を供給するための電力供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による人工衛星用電力供給システムは、地上に設置され、受信した電磁波から搭載機器への供給電力を得る人工衛星に対し電磁波を送電する送信アンテナと、位相情報に基づいて上記送信アンテナから送信する電磁波の位相を制御する移相制御器とを有し、上記人工衛星の通過軌道が送信アンテナの視野範囲内にあるように離間配置された複数の送電ユニットと、
上記人工衛星から送信された位置情報と上記送電ユニットの送信アンテナの位置情報に基づいて、上記各送電ユニットから人工衛星に対して送信する電磁波の位相情報を求め、求めた位相情報を各送電ユニットに送信する制御ユニットと、
を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明による人工衛星用電力供給システムは、地上に送電ユニットを多数配置することにより、人工衛星に対して電力を常時供給することを可能にすることができる。また、送電ユニットの配置数、配置位置は任意に選択できるため、人工衛星システムを構築する上で自由度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１に係る人工衛星用の電力供給システムは、遠隔地に複数配置された送電ユニットから電力をマイクロ波に変換し位相を揃えて人工衛星に向けて放射し、人工衛星においては、放射されたマイクロ波を受信し直流電力に変換して、搭載機器に電力を供給することを特徴とする。以下、図を用いて実施の形態１の詳細を説明する。
【００１２】
図１は実施の形態１に係る、マイクロ波により人工衛星への電力供給を実現するための人工衛星用の電力供給システム全体の構成を示す概略図である。図１において、送電ユニット１は、地上に設置され、供給電源に基づいて電気エネルギーを生成し、それをマイクロ波に変換して放射する設備である。制御ユニット２は送電ユニット１がマイクロ波を放射する際に必要な制御信号を算出し、各送電ユニット１へ通知する設備であり、地上に設置される。
【００１３】
人工衛星３は送電ユニット１からのマイクロ波を受信し直流電力へと変換して、これを利用して搭載機器に電力を供給し運用される。送信アンテナ４は送電ユニット１に設置され、送電ユニット１がマイクロ波を放射するためのものである。通信アンテナ５は人工衛星３が送信する位置信号などの各種信号を制御ユニット２が受信するためのものである。受信アンテナ６は人工衛星３に搭載され、送電ユニット１から放射されたマイクロ波を受信するためのものである。なお、制御ユニット２および通信アンテナ５は、静止衛星に搭載されても良い。
【００１４】
送電ユニット１は、地上の発電所などと同様にして電気エネルギーを生成する。発電所または変電所等の地上の既存の発電所から電気エネルギーの供給を受けてもよい。送電ユニット１は、制御ユニット２からの制御信号に含まれる制御情報を受けて、電気エネルギーを適宜変圧、安定化してマイクロ波に変換し、電力調整および位相調整した後、送信アンテナ４を介して人工衛星３に放射する。人工衛星３は、送信アンテナ４から放射されたマイクロ波を受信アンテナ６により受信し、直流電力に変換し、搭載機器に電力を分配供給する。送電ユニット１がマイクロ波を放射できる範囲は限られるため、図１に示しているように送電ユニット１を複数分散して配置し、それぞれが人工衛星３にマイクロ波を放射することで、多方向からの電力供給を可能とする。この際、人工衛星３の通過軌道１００上における特定の範囲で受信アンテナ６が送信アンテナ４から可視（視野範囲内）となるように、送電ユニット１の配置が設定される。この特定の範囲では、図のように分散配置された複数の送信アンテナ４からの送信電波が重なりを有するように配置が決定されている。これによって、供給電力量を大きくすることができる。
【００１５】
勿論、人工衛星３が日陰を通過する軌道上で、その軌道上の一部の複数領域もしくは全ての領域を包絡するように、送電ユニット１の配置を決定しても良い。例えば、数個（Ｎ個、Ｎは２以上の整数）の送電ユニット１の群を一組にして、複数組（Ｍ組、Ｍは２以上の整数）の送電ユニット１の群を、分散させて配置しても良い。また、極軌道を周回する人工衛星に対しては、一組の送電ユニット１群を、赤道上に所定間隔（例えば、軌道高さに応じて１０°〜９０°間隔）で分散させて配置することによって、軌道上を１周する間に少なくとも１度は、送電ユニット１から電力供給を受けることが可能となる。なお、軌道上の全ての領域を包絡するように送電ユニット１を配置すれば、送電ユニット１から送電されるマイクロ波に途切れを生じることはなくなるが、送電ユニット１の設置が増加する。したがって、送電ユニット１の配置間隔や、設置位置は、人工衛星３のミッションに応じて必要な数と間隔に設定すれば良い。
【００１６】
このとき、各送電ユニット１と人工衛星３については、相対的な位置関係が変化するので、複数の送電ユニット１から独立にマイクロ波を放射すると、それらのマイクロ波は互いに干渉して、打ち消し合い、或いは、意図しない方向へマイクロ波が放射されてしまう。また、状況によっては電力密度が必要以上に高くなり人工衛星３を破壊する可能性もある。そこで、制御ユニット２では人工衛星３から受信する位置情報をもとに各送電ユニット１に対する位相調整量、電力調整量を算出し、送電ユニット１へ制御信号として送信する。各送電ユニット１では、制御信号をもとに個々のマイクロ波の位相及び放射電力を適宜調整することで、人工衛星３に対して適切に電力を供給可能にする。この際、各送電ユニット１では、送信アンテナ４が放射する電波の電波軸の方向を適宜調整する。
【００１７】
次に、図２により、各送電ユニット１が放射するマイクロ波の位相調整の原理を説明する。
図２において＃１〜＃ｎと示した平板は、同時にマイクロ波を放射する送電ユニット＃１〜＃ｎにおける送信アンテナ４のアンテナ面を示す。人工衛星３は制御ユニット２に対して人工衛星３の位置情報（６自由度）を送出するための通信アンテナを有している。人工衛星３が自己の位置情報を特定する一例としてスターセンサを用いて高精度に姿勢角を同定し、ＧＰＳ衛星を利用して地上との相対位置を高精度に特定する方法などがある。ＧＰＳ衛星を利用した衛星航法測位では、Ｌ１周波数とＬ２周波数の二周波数を用いた干渉測位によって、ｃｍ精度の測位を行うことが可能である。制御ユニット２は通信アンテナ５により人工衛星３からの位置情報を受信する。各送電ユニット１の送信アンテナ４の位置情報は、その配置により決定し既知である。
【００１８】
制御ユニット２は各送信アンテナ４の位置情報と、受信した人工衛星３の位置情報とにより、受信アンテナ６のアンテナ面に対して直行する仮想平面Ｓを定義する。次に、制御ユニット２は仮想平面Ｓと送電ユニット＃１〜＃ｎとの、送信アンテナ４のアンテナ面の差分をそれぞれ求める。この差分は、図示のように並進成分（アンテナ面の中央位置基準）ΔＺと回転成分Δθであり、ΔＺ成分は他の送電ユニット１との間の位相の調整分、Δθ成分は仮想平面Ｓに直行する方向への位相の調整分となる。すなわち、各送信アンテナ４のアンテナ面の調整としては、ΔＺ＋Δθ分の位相調整を行えば良い。例えば、送信アンテナ４（♯１）、（♯２）、（♯ｎ）の各位相差のΔＺ成分が０となるように、送信する搬送波の位相調整を行い、回転成分Δθが０となるように送信アンテナ４の電波軸方向を調整する。送信アンテナ４がアレーアンテナである場合は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の位相調整を行う。このような位相同期の原理を用いて、制御ユニット２において、送電ユニット１が送信するマイクロ波の位相調整量を算出する。
【００１９】
上記説明では、送電ユニット＃１〜＃ｎのもつ送信アンテナ４はそれぞれ一個と仮定したが、１つの送電ユニットが複数の人工衛星３を対象として送電するために、複数の送信アンテナ４を具備していてもよい。この場合は、同時に放射する全ての送信アンテナ４のアンテナ面に対して同様に仮想平面Ｓを定義して位相調整量を計算する。
【００２０】
次いで、各送電ユニット１が放射するマイクロ波の電力調整量について説明する。
各送電ユニット１の負荷状況、及び、送電能力に応じて制御ユニット２により送電する電力量を決定する。単純な例として、ｎ個の送電ユニット＃１〜＃ｎからマイクロ波を放射する場合において、全送電ユニットに対する電力調整量が一定の場合、すなわち、全送電ユニットから等電力Ｐのマイクロ波を放射する場合を考える。
まず、制御ユニット２は、各送信アンテナ４の位置情報と、受信した人工衛星３の位置情報とにより、各送電ユニット＃１〜＃ｎから人工衛星までの距離を求める。この際、制御ユニット２は通信アンテナ５により人工衛星３から位置情報を受信し、各送電ユニット１の送信アンテナ４の位置情報はその配置により決定し既知であることは上述した通りである。
【００２１】
ここで、マイクロ波の電力は距離の二乗に反比例して減衰するため、各送電ユニット＃１〜＃ｎから人工衛星までの距離をl1〜lnとすると、人工衛星３の位置におけるマイクロ波の総電力は、およそＰ(1/l12+…1/ln2)を定数倍したものとして算出することができる。従って、人工衛星３が必要とする電力に対して、放射する電力Ｐ、すなわち、電力調整量を決定することができる。実際には、大気による減衰などがあるため、放射する際には理論上の値よりも高い電力を放射することになる。また、放射電力Ｐに対して送電ユニットの送電能力を超える場合には、同時に放射する送電ユニット数を増やすなどの対策を取る。
【００２２】
次に、送電ユニット１と制御ユニット２の構成について図３により説明する。送電ユニット１において、発電部７は電気エネルギーを発電するものであり、送信部８は電気エネルギーをマイクロ波に変換するものである。送信部８において、受信機９は制御ユニット２からの制御信号を受信するもので、復調器１０は制御信号に含まれる位相調整量及び電力調整量を復調するものである。
【００２３】
移相器１１は制御信号に含まれる位相調整量に応じてマイクロ波を移相するもので、高出力増幅器１２は制御信号に含まれる電力調整量に応じて放射するマイクロ波を高出力増幅するものである。移相演算器１３は位相調整量に基づいて移相器１１への指令を生成するものであり、利得演算器１４は電力調整量に基づいて高出力増幅器１２への指令を生成するものである。制御ユニット２において、発振器１５は基準信号を生成するものであり、ミキサ１６は各送電ユニットの位相調整量、電力調整量を基準信号にミキシングして制御信号を生成するものである。また、送信機１７は送電ユニット１に向けて制御信号を送信するためのものである。位相調整量演算器１８は上記の位相調整の原理により各送電ユニット１への位相調整量を算出するもので、電力調整量演算器１９は電力調整量を算出する。変調器２０は位相調整量演算器１８および電力調整量演算器１９が算出した各調整量を制御信号として変調する。
【００２４】
次に、送電ユニット１でのマイクロ波への変換とその放射について説明する。
送電ユニット１は発電部７において電気エネルギーを生成し、適宜変圧及び安定化して送信部内の高出力増幅器１２へ入力する。送信部８が生成するマイクロ波は、受信機９により制御ユニット２から受信した制御信号から復調される位相調整量、電力調整量に基づき生成する。位相調整量を制御ユニット２から受信するのは、各送電ユニット１において放射するマイクロ波の位相を揃えるためである。電力調整量は、人工衛星３の受信アンテナ６に届くマイクロ波の電力密度が適切になるように、各送電ユニット１における放射電力を決定するためのものである。この位相調整量をもとに移相器１１によって移相し、電力調整量をもとに高出力増幅器１２によって高出力増幅することにより、発電部７において生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換する。このマイクロ波を送信アンテナ４によって人工衛星３に向けて放射する。移相器１１におけるマイクロ波の移相は、制御ユニット２からの位相調整量に基づいて移相演算器１３から指令される。高出力増幅器１２におけるマイクロ波の増幅利得は、制御ユニット２からの電力調整量に基づいて利得演算器１４から指令される。
【００２５】
次に制御ユニット２による送電ユニット１の制御について説明する。制御ユニット２は、通信アンテナ５により人工衛星３の位置情報を受信する。受信した位置情報をもとに人工衛星３に近い送電可能な送電ユニット１を選択する。位相調整量演算器１８は、受信した人工衛星３の位置情報および各送電ユニット１の送信アンテナ４の配置情報に基づいて、上記の位相同期の原理により位相調整量演算器１８により各送電ユニット１への位相調整量を算出する。また各送電ユニット１が放射するマイクロ波が、人工衛星３において適切な電力密度となるように電力調整量を決定する。このようにして算出した位相調整量および電力調整量を変調して制御信号とし、各送電ユニット１に対して送信機１７から送信する。
【００２６】
このように構成された送電ユニット１と制御ユニット２は、送電ユニット１を逐次増数し、制御ユニット２から制御信号として制御情報（位相調整量、電力調整量）を与えることにより、増数された送電ユニット１を含めた全体のマイクロ波の位相を同期させ、放射電力の配分を決定することができる。このため、各送電ユニット１内の高出力増幅器１２、及び送電線の能力限界に関係なく、送電する電力を高めていくことができる。また、同時に複数の送電ユニット１を相互に運用することによって、各送電ユニット１の送電可能範囲を補うことが可能である。送信機１７と受信機９との間の通信は、例えば有線ケーブルで繋がれた信号ラインを用いても良いし、ＲＦ送信機、ＲＦ受信機などによる無線によるものでも良い。ただし、各送電ユニット１の放射するマイクロ波の位相の同期を取る必要があるため、通信回線の伝送遅延が不定であるような場合については、各送電ユニットにおいてＧＰＳ衛星などを利用して各送電ユニットの時刻同期を取ることで、それに基づいて位相の同期を取る。
【００２７】
次に、人工衛星３の構成について図４により説明する。
人工衛星３は、制御ユニット２と、受信アンテナ６と、通信アンテナ５０と、測位装置５１と、整流器２１と、電力制御器２２と、分配器２３と、搭載機器５２を備える。人工衛星３内において、整流器２１は受信アンテナ６により受信したマイクロ波を直流変換する。電力制御器２２は直流変換された電力を変圧、安定化する。分配器２３は電力制御器２２により安定化された電力を衛星搭載の各機器に分配供給するものである。また、人工衛星３は、測位装置５１によってＧＰＳ衛星からの衛星航法測位用信号を用いて衛星航法測位によって自己位置を測位する。人工衛星３は、制御ユニット２に対し、自己の位置情報を含む各種信号を通信アンテナ５０によって送信する。
【００２８】
人工衛星３の個々の受信アンテナ６により受信された送電ユニット１からのマイクロ波は、整流器２１によって直流変換され、電力制御器２２により適宜変圧、安定化され、分配器２３によって衛星に搭載している各搭載機器５２に電力として分配供給される。
【００２９】
以上説明したように、人工衛星３に電力を供給する送電ユニット１を、多数地上に配置することにより、人工衛星３が軌道上で常に電力の供給を受けることができる。また、人工衛星３の運用上において、人工衛星３で高電力を必要とする軌道上における特定の範囲の一部もしくは全てをカバーするように、送電ユニット１を配置することにより、人工衛星３の必要電力を確保することが可能である。特に、人工衛星３が、地上の観測のために人工衛星３の一定面を地球指向しているような地上観測衛星である場合には、その地球指向面にマイクロ波の受信アンテナ２１を搭載することで、受信アンテナ６は常時、地上側を向くため地上からの送電を受けるのに適している。また、地上に送電ユニット１を設置する場合は、設置位置の変更や増設を容易に行うことができる。
【００３０】
このように、この実施の形態１による人工衛星用の電力供給システムは、地上に設置され、受信した電磁波から複数の搭載機器に電源を供給するための供給電力を得る人工衛星に対し電磁波を送電する送信アンテナと、位相情報に基づいて上記送信アンテナから送信する電磁波の位相を制御する移相制御器とを有し、上記人工衛星の通過軌道が送信アンテナの視野範囲内にあるように離間配置された複数の送電ユニットと、上記人工衛星から送信された位置情報と上記送電ユニットの送信アンテナの位置情報に基づいて、上記各送電ユニットから人工衛星に対して送信する電磁波の位相情報を求め、求めた位相情報を各送電ユニットに送信する制御ユニットとを、備えることを特徴としている。これにより、地上に送電ユニットを多数配置することによって、人工衛星に対して電力を常時供給することを可能にすることができる。また、送電ユニットの配置数、配置位置は任意に選択できるため、人工衛星システムを構築する上で自由度が高いという効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１に係る人工衛星への電力供給システムの構成を示す図
【図２】各送電ユニットが放射するマイクロ波の位相同期の原理を示す図
【図３】実施の形態１に係る送電ユニット、制御ユニットの構成を示すブロック図
【図４】実施の形態１に係る人工衛星の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３２】
１ 送電ユニット,２ 制御ユニット,３ 人工衛星,４ 送信アンテナ,５ 通信アンテナ,６ 受信アンテナ,７ 発電部,８ 送信部,９ 受信機,１０ 復調器,１１ 移相器,１２ 高出力増幅器,１３ 移相演算器,１４ 利得演算器,１５ 発振器,１６ ミキサ,１７ 送信機,１８ 位相調整量演算器,１９ 電力調整量演算器,２０ 変調器,２１ 整流器,２２ 電力制御器,２３ 分配器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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