(57)【要約】【課題】  この発明は、ミッション機器を搭載する人工衛星が、別の人工衛星など外部から非接触で電力の供給を受けながら、ミッションを遂行する方法をとることにより、人工衛星の信頼性・姿勢制御性能・運用性・ミッション遂行能力などを向上させることを目的とする。【解決手段】  本発明に係わる電力供給衛星は、電力を発生する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルで発生した電力をマイクロ波に変換するマイクロ波変換器と、前記マイクロ波変換器で変換されたマイクロ波を送電する送電アンテナと、を備え、太陽電池パネルを有しない衛星に電力供給するものである。【選択図】  図１
2005247127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生する太陽電池パドルと、
前記太陽電池パドルで発生した電力をマイクロ波に変換するマイクロ波変換器と、
前記マイクロ波変換器で変換されたマイクロ波を送電する送電アンテナと、
ミッション衛星までの距離を検知する検知・方位検出センサと、を備え、
前記検知・方位検出センサの出力に基づき自律的にミッション衛星との距離を一定に保つ電力供給衛星。
【請求項２】
前記ミッション衛星との距離が１ｋｍ以下である請求項１に記載の電力供給衛星。
【請求項３】
前記電力供給衛星から送電されるマイクロ波を受電する受電アンテナと、
前記受電アンテナで受電したマイクロ波を電力に変換する電力波変換器と、
を備えるミッション衛星。
【請求項４】
前記ミッション衛星の姿勢を検知するジャイロと、
前記受電アンテナを走査するビーム走査電子回路と、を備え、
前記ビーム走査電子回路により前記受電アンテナは、前記送電アンテナ方向に指向する請求項３に記載のミッション衛星。
【請求項５】
前記受電アンテナ及び、前記マイクロ波変換器が冗長構成である請求項３または請求項４に記載のミッション衛星。
【請求項６】
前記受電アンテナがフェーズドアレー方式である請求項３から請求項５のいずれかに記載のミッション衛星。
【請求項７】
前記受電アンテナの直径が１．５ｍから２ｍの間である請求項３から請求項６のいずれかに記載のミッション衛星。
【請求項８】
複数の請求項１または請求項２に記載の電力供給衛星と、単数の請求項３から請求項７のいずれかに記載のミッション衛星とを備える人工衛星外部電力供給システム。
【請求項９】
単数の請求項１または請求項２に記載の電力供給衛星と、複数の請求項３から請求項７のいずれかに記載のミッション衛星とを備える人工衛星外部電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力供給衛星、ミッション衛星及び、人工衛星外部電力供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の人工衛星は、太陽電池パドルにより電力を発生させてバッテリに充電し、ミッション遂行に必要なミッション機器および飛行に必要なバス機器を機能させていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【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】
【０００４】
人工衛星は太陽電池パドルを搭載しており、軌道上で展開して必要な電力を発生させるのが一般的である。太陽電池パドルは人工衛星の中でも大きな構造物であるため、太陽電池パドルを冗長構成にすることが非常に困難であり、太陽電池パドルが単一故障点となっている場合がほとんどである。そのうえ、太陽電池パドルの展開機構は故障の発生率が高く、人工衛星のミッション中断の要因となり易い。実際に過去の人工衛星において太陽電池パドルの故障が原因でミッション中断となったと見られる事例は多い。また、人工衛星が高度で複雑なミッションを遂行するためには大電力を必要とするが、人工衛星を軌道上に輸送する打ち上げロケットの打ち上げ能力から受ける質量や寸法などの制約から、人工衛星が搭載できる太陽電池パドルの大きさには限界があり、すなわち人工衛星が遂行できるミッションが制限されることになる。また太陽電池パドルは柔構造物であるため、人工衛星の姿勢制御性能に悪影響を及ぼす。さらに日陰時には太陽電池パドルで電力を発生させることができず、人工衛星の消費電力を抑えなければならないため、人工衛星の運用についての制約となっていた。
【０００５】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、ミッション機器を搭載する人工衛星（以下、ミッション衛星と称す）に、電力供給を主目的とする別の人工衛星（以下、電力供給衛星と称す）から電力を供給することにより、ミッション衛星から太陽電池パドルを排除し、人工衛星の信頼性・ミッション遂行能力・姿勢制御性能・運用性などを向上させることを可能とするために、具体的なミッション衛星と電力供給衛星の軌道上における制御方法を示すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係わる電力供給衛星は、電力を発生する太陽電池パドルと、前記太陽電池パドルで発生した電力をマイクロ波に変換するマイクロ波変換器と、前記マイクロ波変換器で変換されたマイクロ波を送電する送電アンテナと、ミッション衛星までの距離を検知する検知・方位検出センサと、を備え、前記検知・方位検出センサの出力に基づき自律的にミッション衛星との距離を一定に保つものである。
【０００７】
本発明に係わるミッション衛星は、前記電力供給衛星から送電されるマイクロ波を受電する受電アンテナと、前記受電アンテナで受電したマイクロ波を電力に変換する電力波変換器と、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のようにこの発明によれば、ミッション衛星から太陽電池パドルを排除し、人工衛星の信頼性・ミッション遂行能力・姿勢制御性能・運用性などを向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１から図４はこの発明の実施の形態１において、ミッション衛星１が軌道上で電力供給衛星２から電力の供給を受けている様子を示すものである。電力供給衛星２からミッション衛星１への送電はマイクロ波３を利用する。ミッション衛星１はミッション遂行に必要なミッション機器４を搭載しており、電力供給衛星２からの電力を受電アンテナ５で受電し、マイクロ波を電力に変換する電力変換器６によって電力に変換してミッション遂行に必要な電力を得る。電力供給衛星２は太陽電池パドル７で発電した電力をマイクロ波変換器８によりマイクロ波に変換し、送電アンテナ９によりミッション衛星１に向け送電する。ミッション衛星１および電力供給衛星２の詳細については後述する。
【００１０】
一例として、電力供給衛星２からミッション衛星１に送電するにあたり、両人工衛星間の距離をＬとすると以下の計算により、Ｌ＝1kmとする。図１に送受電アンテナの諸元の例を示す。
【００１１】
ミッション衛星１が搭載可能な受電アンテナ５の直径は1.5〜2m程度が限界であり、これ以上の直径の受電アンテナを搭載することは、この発明によるメリットを半減させる。ここでは受電アンテナ５の直径1.5mとする。一方、送電アンテナ９の直径は大きいほど大電力を遠方に送電可能となり、ここでは10mとする。送電には30GHzのマイクロ波を用い、それぞれのアンテナの開口能率を50%としてアンテナ利得を計算すると、受電アンテナ５の利得は50dB、送電アンテナ９の利得は67dBとなる。ミッション衛星１の要求電力が3kW、電力供給衛星２の送電電力が10kWとすると、送電効率を5.2dB（約30%）以上にする必要があり、自由空間損失は122dB以下でなくてはならない。以上からミッション衛星１と電力供給衛星２との間の距離Ｌは約1Kmとなる。
【００１２】
ミッション衛星１と電力供給衛星２との間の距離を約1kmに保つために、最も簡単と思われる方法は、人工衛星の軌道の６要素を昇交点赤経Ω、軌道傾斜角i、近地点引数ω、離心率e、軌道長半径a、真近点離角θとすると、両人工衛星をΩ、i、ω、e、aが同一の軌道に投入し、両人工衛星間の距離が約1kmとなるように、僅かにθをずらすことである。しかしながら、1kmという距離の中で複数の人工衛星を衝突させることなく軌道上で制御するのは、通常の運用では非常に困難を伴う。さらに、ある一つの地上局においてミッション衛星１および電力供給衛星２と通信可能になるタイミングがほぼ同時となり、地上局には従来運用の２倍のアンテナやその他の設備、要員などが必要となりかねない。その場合、運用業務が非常に煩雑となり、この発明によるメリットは半減してしまう。このような問題点を回避するために電力供給衛星２は自動制御とし、定常運用では原則的に地上局との通信をしないこととする。
【００１３】
電力供給衛星２はミッション衛星１の位置、距離、方位などを測定可能な距離・方位検知センサ１０等を搭載し、地上局からの指令がなくても、両人工衛星間の距離が一定に保たれるよう、自律的に軌道・姿勢制御を行う。または、電力供給衛星２はＲＦセンサを搭載し、ミッション衛星１との間で通信を行うことで、自律的に軌道・姿勢制御を行っても良い。つまり、電力供給衛星２は、地上局からの指令がなくても自律的に、電力供給衛星２とミッション衛星１との距離が一定に保たれるように自律的に軌道・姿勢制御が行われればよい。このような手段をとることで、この人工衛星システムの定常運用ではミッション衛星１に対する運用だけを考えれば良く、従来衛星の運用とほぼ同じ地上局の設備・要員で対応可能となる。
【００１４】
ミッション衛星１と電力供給衛星２の位置関係は、ほぼ一定に保たれることになるため、送電アンテナ９の送電方向はほとんど制御する必要がない。ミッション衛星１はミッションによっては衛星の姿勢が変わることも考えられ、常に最適な受電方向を制御することができれば、送電効率を下げることなくミッション遂行が可能となる。そのためには両人工衛星の位置関係はほぼ一定であるから、ジャイロ１１などからミッション衛星１の姿勢を計算し、受電方向を制御すれば良い。受電アンテナ５をフェーズドアレイ方式としておけば、機構的に信頼性が高く、またミッション衛星１の様々な姿勢変更にも容易に対応可能となる。
【００１５】
図３にミッション衛星１の機能システムブロック図を示す。ただし、ミッション機器や受電に関係しないバス機器などは省略している。また図４に電力供給衛星２の機能システムブロック図を示す。ただし、送電に関係しないバス機器などは省略している。
【００１６】
ミッション衛星１はミッション遂行に必要なミッション機器４、電力供給衛星２からのマイクロ波を受電する受電アンテナ５およびマイクロ波を電力に変換する電力変換器６を搭載している。受電アンテナ５および電力変換器６は単一故障点とならないように冗長構成とすることが望ましい。
【００１７】
また、受電アンテナ５は展開機構を有しない構造とするか、可能な限り単純な展開機構とし、信頼性を損なわないよう配慮する必要がある。またフェーズドアレイ方式とする。ミッション衛星１は受電アンテナ５で受電し、電力変換器６でマイクロ波を変換した電力を電力制御器１２に送る。ミッション衛星１と電力供給衛星２の位置関係がほぼ一定に保たれるため、定常運用時には受電方向を制御する必要はないが、ミッション遂行時などに姿勢を変更する場合にはジャイロ１１によりミッション衛星１の姿勢情報及び、角速度情報、場合により角加速度情報等を取り込んで、ビーム走査電子回路１３によって送電効率が最大になるように受電方向を制御する。つまり、受電アンテナ５を駆動して電力供給衛星２の送電アンテナ９方向に向ける。
【００１８】
電力制御器１２から各機器へ電力を供給し、電力の一部はバッテリ充電制御器１４を通してバッテリ１５に充電する。バッテリ１５は、電力変換器６で変換された電力のみを蓄積してもよい。つまり、太陽電池パドルを有さなくても良い。もちろん、必要最小限の電力を確保するため、ミッション衛星１の必要最小限の電力を発電する極小型の太陽電池パドルを有していても良い。バッテリミッション衛星１が電力供給衛星２から電力の供給を受けられないときは、電力制御器１２を通してバッテリ１５に充電された電力を各機器に供給する。
【００１９】
電力供給衛星２は太陽電池パドル７、電力をマイクロ波に変換するマイクロ波変換器８およびマイクロ波３をミッション衛星１に送電する送電アンテナ９を搭載している。太陽電池パドル７は電力供給衛星２を運用し、ミッション衛星１に供給するに十分な電力を発生させることができるだけの大きさである必要がある。太陽電池パドル７で発生した電力はシャント装置１６で電圧を安定化させて、電力制御器１７に送られる。電力制御器１７から一部の電力は電力供給衛星２の運用のために各機器へ送られ、残りはマイクロ波変換器８によってマイクロ波に変換し、送電アンテナ９よりミッション衛星１に送電される。電力供給衛星２がミッション衛星１に送電できない環境にある場合、あるいは余剰になった電力がある場合は、一時的にバッテリ充電制御器１８を通してバッテリ１９に充電しておく。なお、余剰とはミッション衛星１及び、電力供給衛星２で使われる電力が、太陽電池パドル７で発電される電力を上回った分を言う。さらにミッション衛星１と電力供給衛星２との間の距離や方位を測定可能な距離・方位検知センサ１０を搭載しており、地上局からの指令がなくても自律的に両人工衛星間の距離を一定に保つよう軌道制御する。
【００２０】
この発明により、ミッション衛星１から単一故障点であり、柔構造展開物である太陽電池パドルを排除することが可能となり、代りに冗長構成とした受電アンテナ５および電力変換器６を搭載することにより、次に示すような効果が期待できる。
【００２１】
太陽電池パドルに故障が発生した場合、冗長構成となっていないため、必要な電力を発生させることができなくなり、人工衛星はミッション中断に追い込まれることにもなる。しかし、受電アンテナ５および電力変換器６の主系が故障しても従系が機能すればミッション衛星１はミッション遂行の継続が可能となり、人工衛星としての信頼性が向上する。また仮に受電アンテナ５および電力変換器６を冗長構成にできなかった場合でも、展開機構を排除するか、太陽電池パドルの展開機構よりも簡単な展開機構にすることによっても人工衛星の信頼性を向上させることは可能である。
【００２２】
太陽電池パドルの故障率が高いにもかかわらず、冗長構成とできない原因は太陽電池パドルの大きさにある。太陽電池パドルが大きな構造物となる理由は、人工衛星に要求されるミッションが高度で複雑であるからである。すなわち人工衛星が搭載するべきミッション機器は大型で多数であるため、人工衛星の発生要求電力は増大する。また人工衛星そのもののサイズも大型することになる。打ち上げロケットの打ち上げ能力には限界があるため、無限に大きな電力を発生させることができる太陽電池パドルを人工衛星に搭載することはできず、逆に搭載可能な太陽電池パドルのサイズから人工衛星が遂行できるミッションが限定されてしまうことになる。しかし、この発明によってミッション衛星１は大型の太陽電池パドルを搭載する必要がなくなり、必要な電力は電力供給衛星２から供給されるため、搭載可能なミッション機器の質量やサイズ、個数を増やすことができる。これにより、人工衛星のミッション遂行能力の向上が期待できる。
【００２３】
また当然のことながら、太陽電池パドルが電力を発生できるのは太陽電池パドルに太陽光が照射している時に限られる。人工衛星が地球の陰に入る状態を日陰と呼ぶが、観測などをミッションとする低軌道を周回する人工衛星においては人工衛星が地球を１周回する間に日陰が占める割合である日陰率が高くなる。日陰率が高ければ、人工衛星が地球を１周回する間に発生させることができる電力量が少なくなるため、日陰時には人工衛星が消費する電力を抑えなければならず、運用が制限を受けることになる。しかし、この発明によって、ミッション衛星１が軌道上のどの位置にあっても電力供給衛星２から電力の供給を受けられることが可能となれば、同じサイズの従来の人工衛星と比較して日陰時にも電力不足による運用の制約を受けなくなり、ミッション衛星１はより複雑で高度なミッションを遂行することが可能となる。
【００２４】
さらに柔構造物である太陽電池パドルが人工衛星から排除されることにより、次のような効果もある。観測などをミッションとする人工衛星の場合、高度な指向精度や姿勢決定精度が要求されることがある。太陽電池パドルのような柔構造物が搭載されていると、人工衛星が姿勢を保持しようとしても、姿勢変更するたびに柔構造物が振動し、収束するのに時間が掛かってしまう。人工衛星が高精度の観測をするためにはある一定の時間内において姿勢が保持される必要がある。人工衛星が姿勢を変えてから振動が収まって観測可能となるまでの指向時間が短いほど、人工衛星の観測能力は高いと言える。この指向時間には人工衛星の慣性モーメントも関係している。太陽電池パドルの質量は人工衛星全体から見ると小さいが、展開しているために人工衛星の質量中心からの距離が大きい位置に質量が分布することになる。結果として太陽電池パドルの慣性モーメントが人工衛星の慣性モーメントの大半を占め、指向時間の短縮の妨げとなっている。しかし、この発明によってミッション衛星１は太陽電池パドルを搭載しないため、指向時間の大幅な短縮が可能となる。柔構造物がなければ人工衛星の姿勢制御は簡単化され、保持精度や姿勢決定精度の向上も期待できる。
【００２５】
実施の形態２．
ミッション衛星１と電力供給衛星２は必ずしも１対１の関係にある必要はなく、図５に示すように１機のミッション衛星１に対して複数の電力供給衛星２で構成される人工衛星群として運用することは十分に考えられる。電力供給衛星２が複数になれば、１機の電力供給衛星２が運用停止となっても、残りの電力供給衛星２によって、ミッション衛星１に電力供給が可能となるため、この人工衛星システムの信頼性は大幅に向上する。また複数ある電力供給衛星２のうち、日照時にミッション衛星１に電力を供給しない電力供給衛星２はバッテリに電力を蓄えておき、日陰時にミッション衛星１に電力を供給できるようになるため、ミッション衛星１は日陰時に電力不足による運用の制約を受けなくなるため、この人工衛星システムのさらなるミッション遂行能力向上が期待できる。
【００２６】
実施の形態３．
ある電力供給衛星群に対して、電力の供給を受けるミッション衛星１が複数となる場合も考えられる。複数のミッション衛星は全く同一の人工衛星である場合、類似した性能を持つ人工衛星である場合、全く異なる性能を持つ人工衛星である場合など、様々なケースが考えられる。新規にミッション衛星１を製造する際、既存の電力供給衛星群から電力の供給が可能な場合は、ミッション衛星１のみを開発して打ち上げればよく、開発コストの削減も期待できる。
【００２７】
実施の形態４．
ミッション衛星１は、予備として小型の太陽電池パドルを搭載することも考えられる。この場合、電力供給衛星２からの電力の供給がなくてもミッション衛星１は電力を発生させることができる。これによりミッション衛星１の姿勢制御に関する性能については大幅に向上しないが、ミッション衛星１の信頼性は向上する。
【００２８】
図３および図４に示すミッション衛星１、電力供給衛星２の構成はあくまでも一例に過ぎない。送電方法はマイクロ波３以外によっても構わない。また送電および受電に関する機器の構成は必ずしも図に示すとおりである必要はなく、例えば太陽電池パドル７と送電アンテナ９が一体となっていても構わない。人工衛星に搭載する送受電システムは、最新・最良の技術を駆使して構成されることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態によるミッション衛星に電力供給衛星から送電して人工衛星を運用するシステムを説明するための図である。
【図２】送受電アンテナの諸元の例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態によるミッション衛星の機能システムブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態による電力供給衛星の機能システムブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態による１機のミッション衛星に複数の電力供給衛星から送電して人工衛星を運用するシステムを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ミッション衛星
２  電力供給衛星
３  マイクロ波
４  ミッション機器
５  受電アンテナ
６  電力変換器
７  太陽電池パドル
８  マイクロ波変換器
９  送電アンテナ
１０  距離・方位検知センサ
１１  ジャイロ
１２  電力制御器
１３  ビーム走査電子回路
１４  バッテリ充電制御器
１５  バッテリ
１６  シャント装置
１７  電力制御器
１８  バッテリ充電制御器
１９  バッテリ
【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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