本発明は、静止衛星に関し、より具体的には、静止衛星の離心率制御に関する。

静止衛星の軌道が時間と共にずれるのを管理することは、目下の課題の1つである。太陽や月が及ぼす力などの様々な外力が存在するため、衛星の寿命を最大限に延ばすためには、このずれを修正する必要がある。衛星の寿命は、その燃料供給がどのくらい続くかに依存するため、燃料を節約できれば、その分を衛星の寿命の延長に使用し得る。

本発明は、静止衛星の離心率制御を提供する。

一実施形態では、静止衛星のための離心率制御方法を開示する。本方法は、離心率制御のための初期条件、持続時間、およびスケジュールを設定することと、重心、長半径、短半径、離心率無制御時の動径(uncontrolled eccentricity radius)、昇交点赤経、および傾斜角のための制御軌跡を含む複数のパラメータを規定することとを含み、複数のパラメータが、離心率が制御される場合、静止衛星の平均測地経度が、基地局経度から既定の距離内に維持されるように規定される。

別の実施形態では、静止衛星の離心率制御装置を開示する。本装置は、離心率制御のための初期条件、持続時間、およびスケジュールを設定するための手段と、重心、長半径、短半径、離心率無制御時の動径、昇交点赤経、および傾斜角のための制御軌跡を含む複数のパラメータを規定するための手段とを含み、複数のパラメータが、離心率が制御される場合、静止衛星の平均測地経度が、基地局経度から既定の距離内に維持されるように規定される。

さらなる実施形態では、静止衛星の離心率制御のためのコンピュータプログラムを記憶する非一時的コンピュータ可読記憶媒体を開示する。本コンピュータプログラムは、実行可能命令を含み、この実行可能命令により、コンピュータが、離心率制御のための初期条件、持続時間、およびスケジュールを設定し、かつ、重心、長半径、短半径、離心率無制御時の動径、昇交点赤経、および傾斜角のための制御軌跡を含む複数のパラメータを規定し、複数のパラメータが、離心率が制御される場合、静止衛星の平均測地経度が、基地局経度から既定の距離内に維持されるように規定される。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明および添付の図面を検討すれば、当業者には容易に明らかになるはずである。

基地局アンテナを介して基地局と通信する静止衛星を示す図である。

本発明の一実施形態による、赤道軌道および傾斜軌道の両方における静止衛星のための離心率−傾斜角−太陽同期離心率(HK)制御を提供するように構成されるコンピュータシステムの機能ブロック図である。

BOLにおけるeNSSK制御軌跡のHKプロットである。

BOLにおけるEISK制御軌跡のHKプロットである。

BOLにおけるeNSSKの管制の裁量分のプロットである。

BOLにおけるEISKの管制の裁量分のプロットである。

BOLにおけるeNSSKの経度限界プロットである。

BOLにおけるEISKの経度限界プロットである。

MOLにおけるeNSSK制御軌跡のHKプロットである。この軌跡は、BOL軌跡にサイズおよび構造において同じである。

MOLにおけるEISK制御軌跡のHKプロットである。

MOLにおけるeNSSKの管制の裁量分のプロットである。

MOLにおけるEISKの管制の裁量分のプロットである。

MOLにおけるeNSSKの経度限界プロットである。

MOLにおけるEISKの経度限界プロットである。

上述のように、静止衛星の軌道が時間と共にずれるのを管理することは、目下の課題の1つであり、衛星の寿命を最大限に延ばすためには、このずれを修正する必要がある。したがって、離心率制御方式を設計および実施する方法が必要とされている。 本明細書に説明される特定の実施形態は、赤道軌道および傾斜軌道の両方における静止衛星のための離心率−傾斜角−太陽同期離心率(HK)制御を提供する。本説明を検討すれば、本発明を様々な実施形態および応用においてどのように実施するかが明らかになるはずである。本発明の様々な実施形態を本明細書に説明するが、これらの実施形態は例としてのみ提示するものであり、および限定するものではないことを理解されたい。そのため、この様々な実施形態の詳細な説明を、本発明の範囲や広さを限定するものとして解釈するべきではない。

図1に示すように、静止衛星110は、基地局アンテナ130を介して1つ以上の基地局120と通信してもよく、またデータの送受信および操作コマンドの受信を行ってもよい。

図2は、本発明の一実施形態による、赤道軌道および傾斜軌道の両方における静止衛星のための離心率−傾斜角−太陽同期離心率(HK)制御を提供するように構成されるコンピュータシステム200の機能ブロック図である。図2に示す実施形態では、基地局120および/または静止衛星110は、離心率−傾斜角同期軌道保持(EISK)離心率−傾斜角−太陽同期制御を実装するように構成されるモジュール210と、通信用の送信/受信モジュール220とを含む、コンピュータおよび/またはプロセッサ200を含んでもよい。代替的または追加的に、静止衛星110は、EISK離心率−傾斜角−太陽同期制御を実装するように構成される、コンピュータおよび/またはプロセッサユニットまたはモジュールを含んでもよい。

寿命初期(BOL)傾斜軌道シナリオおよび寿命中期(MOL)赤道軌道シナリオはそれぞれ、2つのEISK離心率制御インスタンスの対象となる。第1のインスタンスが、離心率−傾斜角同期軌道保持(EISK)実装を用いて交点同期(Node−Synchronous)軌道保持(eNSSK)交点同期離心率制御を模倣するとともに、第2のインスタンスが、最大限補償方式の代わりに燃料を最小限にする。このように、第1のインスタンスが、最大限補償制御を提供し(eNSSK)、他方、第2のインスタンスが、最小限燃料制御を提供する(EISK)。BOLシナリオは、eNSSK交点同期HK制御をEISKの特別な場合として扱ってもよいこと、ならびに燃料消費を最小限にするために構成されるEISKが最大限補償方式よりも燃料を著しく節約することを実証している。 MOLシナリオは、EISKでは、BOLおよび寿命終期(EOL)の間における傾斜軌道運用およびMOL赤道運用を、途切れなく、かつ燃料消費が最適な状態で連続的に変化するように推移させることを実証している。 交点同期軌道保持(NSSK)の語は、対地同期傾斜軌道における離心率制御のための開ループ制御アルゴリズムを指し、このアルゴリズムは、傾斜軌道の基準面と交線に直行する制御デルタにのみ適用される。対照的に、EISKの語は、NSSKとは大きく異なる閉ループ制御である。

EISK制御空間、すなわち、経度およびドリフト(LD)、離心率(HK)、および傾斜角(PQ)のそれぞれに関しては、軌道保持(SK)制御軌跡パラダイムが、所望の連続的に制御される平均要素軌跡を規定し、次いでこれを、一時的な離散的制御インパルスによって実施する。LDは、衛星が軌道上にある状態およびその変化速度であり、HKは、軌道楕円の形状および向きであり、PQは、慣性空間における軌道面の向きである。制御スケジュールおよび制御軌跡は、オペレータが規定する。特に、EISKのHK制御軌跡は、HKベクトルが作る面において楕円であり、楕円の重心、長半径および短半径の長さ、ならびに向きは、オペレータが規定する。一方または両方の制御軌跡の長半径および短半径は、ゼロであってもよい。

したがって、軌道保持機能は、3組に分かれる6つの軌道要素、すなわち、経度およびドリフト(LD)、離心率(HK)、および傾斜角(PQ)を管理する。LDは、衛星が軌道上にある状態およびその変化速度であり、HKは、軌道楕円の形状および向きであり、PQは、慣性空間における軌道面の向きである。よって、軌道要素は、次のように定義される: H=Ecos(w+W); K=Esin(w+W); w=近点引数; E=離心率の絶対値; P=2tan(I/2)cos(W); Q=2tan(I/2)sin(W); I=傾斜角の大きさ;および W=衛星軌道の昇交点赤経。

eNSSK(最大限補償制御)およびEISK(最小限燃料制御)離心率制御の対象となる、BOLにおける傾斜軌道シナリオを、図3A、図3B、図4A、図4B、図5A、および図5Bに示し、これらの図に関して説明する。BOL傾斜軌道シナリオの目的は、衛星が赤道の緯度の50mdeg以内にある場合、衛星の平均測地経度がその所望の運用基地局経度の50mdeg以内に留まるように、軌道の傾斜角と太陽光圧力による離心率の摂動の赤経との両方に対して離心率ベクトルを制御することである。これらのシミュレーションは、離心率制御による接触地理経度の管理に対する解析を制限するために、平均測地経度(MGL)を基地局経度で連続的に保持している。

2つの制御インスタンスに共通するBOLにおける構成設定は、次のとおりである: 1)初期条件 t0=14.25*365.25(BOL2014年第2四半期); h0=0(初期離心率h); k0=0(初期離心率k); 2)持続時間およびスケジュール T=[t0:1:t0+366](1年シミュレーション、毎日1ステップ); mP=7(D&Eマヌーバ期間、日数); mS=[T(1)+mP:mP:T(end)](D&Eマヌーバスケジュール、日数) 3)制御軌跡の定義 H=0(制御軌跡重心離心率h、micros); K=0(制御軌跡重心離心率k、micros); E=350(制御軌跡長半径、micros); F=制御法固有(制御軌跡短半径、micros)、F=0または200; G=350(離心率無制御時の動径、micros) W=294(BOLにおける昇交点赤径、deg) i=6(BOLにおける傾斜角、deg)。

2つのインスタンスは、F、すなわち、制御軌跡の短半径の値によってのみ区別される。つまり、F=0の場合、最大限補償制御(eNSSK)が選択され、他方、F=200の場合、EISK最小限燃料制御が選択される。太陽は、t0=2014.25(BOLシミュレーション開始日)において、春分点付近(太陽赤経=10deg)にある。

図3Aは、BOLにおけるeNSSK制御軌跡のHKプロットである。図3Aに示す例では、BOLにおけるeNSSK制御軌跡の半分は、350micros(衛星の離心率無制御時の動径−緑色の直線)であり、HK原点を中心としており、軌道傾斜角ベクトルと平行である。また、マヌーバ後目標[h,k]にアスタリスクを記載した状態で、週制御デルタ(制御軌跡に直交する、赤色)も示されている。制御に入るための初期化マヌーバは、無視できるほどに小さい。マヌーバ間における離心率無制御時の惰行セグメントを青色で示す。マヌーバには、4つの時間順のシーケンスがある:(1)原点から北西に離す;(2)北西から原点に寄せる;(3)原点から南西に離す;および(4)南西から原点に寄せる。北および南向きのマヌーバは、若干位相が異なり、このことにより、マヌーバが見かけ上2組に見える。それぞれの見かけの組のマヌーバは、制御軌跡重心において26週差かつ最小の大きさであり、また制御軌跡両極において1週差かつ最大の大きさである。

図3Bは、BOLにおけるEISK制御軌跡のHKプロットである。図3Bに示す例では、軌道傾斜角ベクトルと平行な350microsの長半径と、200microsの短半径とを有する、EISK制御軌跡が緑色の楕円である。楕円の重心は、HK原点にある。週制御デルタは、緑色の目標軌跡と連続的に変化する角度で交差し、赤色で示され、かつマヌーバ後目標[h,k]に赤色のアスタリスクが記載されている。マヌーバ量は、太陽が制御軌跡の短径と平行である場合に最小となり、太陽が制御軌跡の長径と平行である場合に最大となる。マヌーバ間における離心率無制御時の惰行セグメントは、青色である。マヌーバのシーケンスは、[h,k]〜(200,50)の大きな初期マヌーバで開始し、次いで、緑色の目標軌跡に沿って太陽を追尾する。

図4Aは、BOLにおけるeNSSKの管制の裁量分のプロットである。図4Aの例では、eNSSKの連続的および離散的な離心率の管制の裁量分の年間累積補正量(ΔE)は、〜1400microsであり、平均の週毎のマヌーバΔE裁量分は、〜27micros/マヌーバである。マヌーバ量は、太陽ベクトルが目標軌跡に対して直交する場合に最小となり、太陽ベクトルが目標軌跡に対して平行である場合に最大となる。

図4Bは、BOLにおけるEISKの管制の裁量分のプロットである。図4Bの例では、年間に累積されるEISKの連続的および離散的な離心率の管制の裁量分の補正量ΔEは、〜600microsであり、平均の週毎のマヌーバΔE裁量分は、〜11.5micros/マヌーバである。マヌーバ量は、太陽ベクトルが目標軌跡の短径に対して直交する場合に最小となり、太陽ベクトルが目標軌跡の長径に対して平行である場合に最大となる。EISK/eNSSKΔE管制裁量要求分の割合は、43%である。

図5Aは、BOLにおけるeNSSKの経度限界プロットである。図5Aの例では、青色の線は、BOLの年の間における基地局からの1日の最大の経度のずれ量を記録している。eNSSK制御の最大ずれ量は、158mdeg〜190mdegの間に収まっている。赤色の線は、衛星機の緯度が赤道から50mdeg以内の場合のための、50mdeg経度限界として記している。緑色の線は、50mdeg以内の緯度の場合のための、1日の最大の経度のずれ量を記録している。eNSSK制御は、赤道付近緯度の場合のための、基地局からの1日の最大の経度のずれ量を〜3mdegで保持し、通年で〜47mdegのMGL制御余裕を提供する。

図5Bは、BOLにおけるEISKの経度限界プロットである。図5Bの例では、全緯度におけるEISKの1日の最大ずれ量(青色で示す)は、178mdeg〜190mdegの間であり、上限がeNSSK制御の上限と一致している。50mdeg緯度限界未満の緯度に関する1日の最大ずれ量[緑色]は、3mdeg〜23mdegの間であり、通年で少なくとも27mdegのMGL制御余裕を提供する。

よってBOLにおける離心率制御に関しては、eNSSK最大限補償制御(このBOL傾斜軌道シナリオのために構成されるような)は、通年で47mdegのMGL制御余裕を提供し、これは、経度枠の動径のほぼ全域にあたる。50mdeg枠に関する典型的なMGL制御余裕は、25mdeg以下である。eNSSK制御の年間の離心率の管制裁量要求分は、1400microsである。さらに、EISK最小限燃料制御(このBOL傾斜軌道シナリオのために構成されるような)は、50mdeg動径枠に関して少なくとも27mdegのMGL制御余裕を提供する。管制の年間の離心率の管制裁量要求分は、600microsであり、eNSSK制御要求分の43%である。EISKの短半径を200microsから100microsまで減らすと、通年の最小限のMGL制御余裕が27mdegから35mdegに増え、その代償として、離心率管制裁量要求分は600microsから1000microsまで増え、eNSSK要求分の71%となる。

eNSSK(最大限補償制御)およびEISK(最小限燃料制御)離心率制御の対象となる、MOLにおける赤道軌道シナリオを、図6A、図6B、図7A、図7B、図8A、および図8Bに示し、これらの図に関して説明する。eNSSKは赤道軌道運用を意図されていないが、その性能を標準的な太陽同期離心率制御の赤道運用のために構成されるEISKと比較することは興味深いことである。目的は、測地経度が常に基地局の経度の50mdeg以内に留まるように、太陽光圧力による離心率の摂動の赤経に対して離心率ベクトルを制御することである。これらのシミュレーションは、離心率制御による接触地理経度の管理の解析を制限するために、MGL平均測地経度を基地局経度に連続的に保持する。

2つの制御インスタンスに共通するMOLにおける構成設定は、次のとおりである: 1)初期条件 t0=21.75*365.25(MOL2021年第3四半期); h0=0(初期離心率h); k0=0(初期離心率k); 2)持続時間およびスケジュール T=[t0:1:t0+366](1年シミュレーション;毎日1ステップ); mP=7(D&Eマヌーバ期間、日数); mS=[T(1)+mP:mP:T(end)](D&Eマヌーバスケジュール、日数) 3)制御軌跡の定義 H=0(制御軌跡重心離心率h、micros); K=0(制御軌跡重心離心率k、micros); E=制御法固有(制御軌跡長半径); F=制御法固有(制御軌跡短半径); G=350(離心率無制御時の動径、micros); W=0(MOLにおける昇交点赤径、deg); i=0.100(MOLにおける傾斜角、deg)。

MOL傾斜角では、傾斜角ベクトルの原点が春分点の方向に100mdegだけずれている。2つの制御は、EおよびF、すなわち、制御軌跡の長半径および短半径の値によってのみ区別される。eNSSK最大限補償制御の1つのケースでは、E=350およびF=0である。EISK最小限燃料太陽同期制御の1つのケースでは、円形となる動径、E=200およびF=200である。太陽は、t0=2021.75、すなわち、MOLシミュレーション開始日において、秋分点付近(太陽赤経=190deg)にある。

図6Aは、MOLにおけるeNSSK制御軌跡のHKプロットである。この軌跡は、BOL軌跡にサイズおよび構造において同じである。図6Aの例では、eNSSKのMOL軌跡は、MOL軌道交線と平行を維持するように回転され、軸の両極で最大離心率350micros、軸の重心で最小離心率0microsである。

図6Bは、MOLにおけるEISK制御軌跡のHKプロットである。図6の例では、EISKのMOL軌跡は、動径が200microsの円形であり、これは、BOLのEISK楕円の短半径に対応する。MOL長半径は、円形の太陽同期方式に従って、350microsの最大無制御値から200microsまで減少している。

図7Aは、MOLにおけるeNSSKの管制の裁量分のプロットである。図7Aの例では、年間に累積されるMOLにおけるeNSSKの連続的および離散的な離心率の管制の裁量分ΔEは、BOLの値、すなわち、〜1400microsに同じであり、平均の週毎のマヌーバΔE裁量分は、〜27micros/マヌーバである。

図7Bは、MOLにおけるEISKの管制の裁量分のプロットである。図7Bの例では、年間に累積されるEISKの連続的および離散的な離心率の管制の裁量分ΔEは、BOLの値から〜950microsに増加し、平均の週毎のマヌーバΔE裁量分は、〜18micros/マヌーバである。EISK/eNSSKΔE管制裁量要求分の割合は、68%である。しかし、eNSSKは、赤道運用を意図されていないため、比較のための関連統計量は、EISK.MOL/EISK.BOL制御要求比950/600=1.58である。太陽同期の円形のMOL赤道軌道制御は、派生元の離心円のBOL傾斜軌道制御よりも58%費用がかかる。

図8Aは、MOLにおけるeNSSKの経度限界プロットである。図8Aを参照すると、赤道運用を意図されていないが、eNSSKは、青色の線で示されているように、通年で50mdeg以内の経度制御動径で10mdegのMGL制御余裕を提供する。緑色の線で示さされるように、50mdeg未満の緯度に関する最大経度ずれ量は、赤道運用には適切ではない。

図8Bは、MOLにおけるEISKの経度限界プロットである。図8Bの例では、EISKは、円形の太陽同期軌道保持(SSSK)として構成され、通年で27mdegのMGL制御余裕を提供し、これは、EISKのBOL通年制御余裕と同じである。

よってMOLにおける離心率制御に関しては、eNSSK最大限補償制御は、通年で10mdegのMGL制御余裕を提供する。この余裕は小さいが、三軸性が例えば、大きさが0.75mdeg/日²未満である経度基地局において7日間隔のマヌーバ期間で経度/ドリフト軌道保持MGL制御アルゴリズムによって実際には支持される。このMOL赤道軌道シナリオのために構成されるようなEISK最小限燃料太陽同期制御は、50mdeg動径枠に関して通年の最小値が27mdegのMGL制御動径余裕を提供する。年間に離心率の管制による裁量要求分制御は、950microsであり、その先行するBOLにおけるEISK制御の要求分よりも58%大きい。EISKの円形の太陽同期制御軌跡の長半径および短半径を200microsから100microsまで減らすと、通年の最小限のMGL制御余裕が25mdegから32.5mdegに増え、その代償として、離心率管制裁量要求分が950microsから1250microsまで増え、200micros太陽同期制御動径に関する管制裁量要求分に対して32%増加となる。

上述のように、傾斜軌道運用のためのNSSK離心率制御を、EISK離心率−傾斜角−太陽同期制御の特殊な限界値のケースとして例示してもよい。NSSKを、制御軌跡長半径が、軌道交線に平行で、衛星の本来(無制御)の離心率動径と等しい大きさを有し、制御軌跡短半径が、大きさがゼロになるように最大限に制御されるように構成されるEISKとして模倣してもよい。傾斜運用のための最大限補償制御を緩和して、短半径の大きさが、同じ衛星機において赤道運用のために使用する太陽同期制御動径と等しくなるのを認めることは、MGL制御をBOLからMOLおよびMOLからEOL傾斜軌道運用に妥協することなく、管制裁量要求分を大幅に節約する。

短半径をMOL太陽同期動径で保持し続けながら、年間のEISK長半径を、そのBOL無制御最大値からMOL太陽同期動径まで減らすことによって、MOL赤道太陽同期運用を、BOL傾斜運用から途切れなく達成してもよい。長半径の大きさがMOLからEOLへ進展すると、BOLからMOLの長半径の値を昇順で遡る。年間のEISK長半径の大きさの進行を最適化することによって、NSSKベースラインと比べて、固定の衛星機寿命に対する離心率制御燃料積載量を半分にしてもよいし、または代替的に、固定の燃料積載量に対して離心率燃料寿命を倍にしてもよい。

開示された実施形態の上記の説明は、当業者が本発明を制作または利用できるように提供されている。当業者であればこれらの実施形態に対する様々な修正を容易に想到することができるはずであり、本明細書に説明される一般的な原則を本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって、追加的な実施および変形もまた本発明の範囲内である。例えば、上述の実施形態は、干渉する信号を相殺することに焦点を当てているが、上述の包絡線フィードバック干渉低減システムおよび技法を、各信号を個々に相殺するために使用して、両方の信号を処理できるようにすることもでき、これにより、RFシステム上でデータスループットを最大化するための、またはリアルタイムまたはプロセス後の解析において干渉する信号を相殺することなく特性評価および補足できるようにするための、予備知識なしでのデュアルキャリアプロセスが可能になる。さらに、本明細書に提示された説明および図面は、本発明によって広範に企図されている主題の代表であることをさらに理解されたい。本発明の範囲が、当業者に明らかになり得る他の実施形態を完全に包含すること、およびしたがって本発明の範囲が、添付の特許請求の範囲以外には限定されないことがさらに理解されよう。