人工衛星は、地上からコマンドを受け取り、観測データや機体の状態を地球へ送り返します。しかし、地球低軌道の衛星、静止衛星、月周回機、火星探査機では、同じ通信装置をそのまま使えばよいわけではありません。距離が違い、使える周波数帯が違い、地球や他の天体の大気・自転・位置関係も違うからです。
結論からいうと、人工衛星の通信条件が天体やミッションによって違うのは、電波が伝わる距離、使用する周波数、送信電力、アンテナの大きさと向き、大気や天候、天体による遮蔽、通信遅延などが通信品質を左右するからです。 地球の近くでは比較的小さなアンテナでも高速通信しやすい一方、深宇宙では非常に弱くなった信号を大型アンテナで受け、長い遅延を前提に運用する必要があります。
人工衛星の通信は「電波を出せば届く」だけではない
人工衛星の通信では、衛星から地上へデータを送るダウンリンクと、地上から衛星へコマンドを送るアップリンクがあります。どちらも、送信機で情報を電波へ変え、アンテナから放射し、受信側のアンテナで拾って元の情報へ戻すという流れです。
しかし実際には、送信した電力のすべてが受信アンテナへ届くわけではありません。電波は宇宙空間を進むほど広がり、受信地点で得られる信号は弱くなります。さらにアンテナの向きがずれたり、大気や雨で減衰したり、他の電波や太陽活動による雑音が加わったりします。
そこで通信系を設計するときは、送信電力、送受信アンテナの利得、距離による損失、大気による損失、受信機の雑音などをまとめて計算する「リンクバジェット」を作ります。NASAも、宇宙通信では距離、アンテナサイズ、送信電力、周波数、大気減衰、雑音などを組み合わせて必要な通信性能を決めると説明しています。
距離が遠くなるほど信号が弱くなるのはなぜか
通信条件を変える最も大きな要素の一つが距離です。電波は送信アンテナから離れるにつれて広い空間へ広がります。理想化すると、電磁波のエネルギー密度は距離の2乗に反比例して小さくなります。
つまり、同じ条件で距離が2倍になると、受信できるエネルギー密度は約4分の1になります。距離が10倍なら約100分の1です。NASA/JPLは、深宇宙通信では距離が増えるにつれて受信信号が距離の2乗に反比例して弱くなることを、中心的な通信課題として説明しています。
このため、地球低軌道の衛星と火星探査機では通信の難しさが大きく違います。低軌道衛星は地上から数百〜数千km程度の距離で通信できますが、火星は地球との位置関係によって数千万kmから数億kmまで離れます。
遠距離通信では、送信電力を上げる、大きな高利得アンテナを使う、受信側で低雑音増幅器を使う、通信速度を下げて確実性を上げる、誤り訂正符号を強くするといった対策が必要になります。
アンテナが大きいほど遠くと通信しやすいのはなぜか
アンテナには、電波を特定方向へ集中して送ったり、特定方向から来た弱い電波を効率よく集めたりする働きがあります。この能力をアンテナ利得で表します。
深宇宙探査機は、通信時に地球へ向ける高利得アンテナを使うことがあります。地上側でも大型パラボラアンテナを使い、遠方から届く非常に弱い信号を受信します。
JAXAの美笹深宇宙探査用地上局は直径54mの大型アンテナを備え、X帯で送受信し、Ka帯も受信できます。NASAのDeep Space Networkでは直径34mや70mのアンテナを使い、太陽系各地の探査機と通信しています。
一方、大型アンテナほど電波を狭い方向へ集中できるため、向きを正確に合わせる必要があります。深宇宙では探査機が空の非常に小さな方向へ見えるため、地上アンテナも探査機側アンテナも高精度な指向制御が重要になります。
周波数が違うと通信速度や受ける影響も変わる
宇宙通信では、S帯、X帯、Ka帯など複数の周波数帯が利用されます。どの周波数を使うかによって、アンテナの大きさ、利用できる帯域幅、通信速度、大気や雨の影響などが変わります。
一般に高い周波数帯は、広い帯域を確保しやすく、高速・大容量通信に向く場合があります。NASAのWebb宇宙望遠鏡では、S帯をコマンドや一部のテレメトリに使い、より大容量の科学データにはKa帯を利用しています。
ただし、高い周波数には別の難しさがあります。NICTは、Ka帯を使った衛星通信は広帯域・高速通信に有効である一方、C帯やKu帯などより降雨減衰が大きく、雨への補償が重要になると説明しています。
つまり「高い周波数ほど必ず優れている」のではありません。通信容量、アンテナサイズ、消費電力、天候耐性、利用できる地上局などを考えて選びます。
大気や雨が衛星通信へ影響するのはなぜか
人工衛星と地上局の間の電波は、ほとんどの区間を真空に近い宇宙空間で進みます。しかし最後には地球大気を通過しなければなりません。
大気中の酸素や水蒸気は周波数によって電波を吸収します。また雨滴や雲の水滴も電波を吸収・散乱し、信号を弱めます。特に高いマイクロ波帯では降雨の影響が無視できません。
JAXAの美笹深宇宙探査用地上局でも、高い周波数では大気中の水蒸気によって電波の減衰量が変わるため、水蒸気量を監視しています。電離層や対流圏の状態によって電波の位相が揺らぐこともあり、精密な通信や測位では補正が必要になります。
さらに光通信では、レーザーを細く絞って高速通信できる一方、雲が光を遮るという大きな問題があります。NICTでは、光通信では雲、Ka帯無線通信では降雨の影響を考え、複数の地上局から状態の良い局を選ぶサイトダイバシティの研究が進められています。
地球低軌道と静止軌道では通信方法がどう違うのか
地球低軌道の衛星は地上から近いため、距離による通信損失や遅延を比較的小さくできます。しかし地上から見ると衛星は短時間で空を通過します。
一つの地上局から通信できる時間が限られるため、複数の地上局を使ったり、衛星内にデータを一時保存して地上局の上空へ来たときにまとめて送ったり、別の衛星を経由する中継通信を使ったりします。
一方、静止衛星は地表から約3万6000kmと遠いため、低軌道衛星より大きな伝搬損失と遅延があります。しかし地上からほぼ同じ方向に見えるので、固定アンテナで長時間連続して通信しやすいという大きな利点があります。
このため、通信衛星の設計では「近くて低遅延だが移動する低軌道」と「遠いが同じ方向へ見える静止軌道」という違いが、アンテナやネットワーク構成に直結します。
月との通信では光の速さでも遅延が生じる
電波は真空中を光と同じ速度、秒速約30万kmで進みます。それでも宇宙の距離では通信に時間がかかります。
地球と月の平均距離は約38万kmなので、信号が片道を進むだけで約1.3秒かかります。返事を受け取るには往復でさらに時間が必要です。地球低軌道ではほぼリアルタイムに近い操作ができても、月では着陸のような短時間の判断を地上から完全にリアルタイム操作することは難しくなります。
そのため月面探査では、着陸制御や障害物回避など、短時間に判断しなければならない処理を宇宙機自身で行う必要があります。
火星では通信遅延が数分から20分以上になる
火星は地球と同じように太陽の周りを公転しているため、地球との距離は常に変化します。そのため通信遅延も一定ではありません。
NASAは、地球と火星の通信では位置関係によって片道およそ4〜24分程度の遅延が生じると説明しています。つまり地球から「止まれ」と送信しても、火星の探査車へ届くころには何分も経過しています。
このため火星探査車をテレビゲームのようにリアルタイム操作することはできません。地上では移動計画や観測命令をまとめて送り、探査車側が受信した指令を自律的に実行します。
距離がさらに遠い探査機では遅延も長くなります。深宇宙ミッションほど、通信系だけでなく宇宙機自身の自律性が重要になるのはこのためです。
天体そのものが通信を遮ることもある
通信には、送信機と受信機の間に電波が通る見通し経路が必要です。衛星が地球の裏側へ入れば、その地上局から直接通信できません。月の裏側にいる宇宙機も、地球との間を月本体に遮られれば直接通信できません。
火星でも、探査車が火星の自転によって地球から見えない側へ回れば直接通信できない時間があります。また地球と火星の間に太陽が近く位置する「太陽合」では、太陽周辺のプラズマが電波通信を大きく乱すため、通常の通信を制限する期間があります。
つまり、通信可能かどうかは距離だけでなく、中心天体の大きさ、自転、宇宙機の軌道、地球との位置関係にも左右されます。
火星探査ではなぜ周回衛星を中継に使うのか
火星表面の探査車は、地球へ直接強い電波を送る方法だけでなく、火星を回る周回衛星へデータを送り、その衛星から地球へ転送するリレー通信をよく利用します。
表面探査車から周回衛星までの距離は、地球までの距離よりはるかに短いため、小さなアンテナと比較的少ない電力でも大量のデータを送りやすくなります。周回衛星側は大型アンテナやより強力な通信装置を使い、地球との長距離通信を担当できます。
NASAのMars Relay Networkでは、火星周回機と表面探査機の通信機会を調整し、データを地球へ中継しています。月や将来の深宇宙探査でも、直接通信だけでは見通しや電力に制約がある場所で、リレー衛星が重要になります。
相対速度が変わると電波の周波数もずれる
人工衛星や探査機は高速で動いているため、送信側と受信側の距離が変化するとドップラー効果によって受信周波数がわずかにずれます。
地上局ではこの周波数変化を予測し、受信機を適切に追従させます。逆に、このドップラーシフトを精密に測れば、宇宙機が地上局へ近づいているか遠ざかっているか、その速度を調べることもできます。
ESAの深宇宙追跡では、電波の往復時間から距離を測るレンジングと、ドップラーシフトから視線方向の速度を測る方法を組み合わせて宇宙機を航法しています。
通信電波は、情報を送るだけでなく、「宇宙機がどこにいて、どう動いているか」を知る測定手段でもあるのです。
高速通信ほど電力・アンテナ・精度との交換条件が厳しくなる
衛星から大量のデータを短時間で送ろうとすると、一般に十分な受信信号対雑音比が必要になります。そのため、高いデータレートを求めるほど、送信電力を増やす、大きなアンテナを使う、高利得アンテナを正確に向ける、広い帯域を利用するといった条件が必要になります。
しかし宇宙機には質量と電力の上限があります。大きなアンテナは重くなり、強い送信機は多くの電力を消費します。高利得アンテナは細いビームを作れる反面、姿勢制御や指向精度への要求が厳しくなります。
そのため、ミッションごとに「どれだけのデータを、どの距離から、何時間で送りたいか」を決め、その目的に合う周波数、アンテナ、送信電力、符号化方式、地上局を組み合わせます。
人工衛星の通信条件は天体そのものより「距離と環境」で決まる
「地球衛星だからこの通信方式、火星衛星だから別方式」と単純に決まるわけではありません。通信を直接決めるのは、実際の通信距離、見通し、電波環境、周波数、大気、使える電力とアンテナなどです。
ただし天体が変わると、地球からの距離、自転周期、大気の有無、地球から見える時間、太陽との位置関係などが変わります。その結果として通信条件も大きく変わります。
たとえば月は地球に比較的近いため遅延は秒単位ですが、火星は分単位になります。地球周回衛星は地上局との距離が短い一方、地球の裏側へ回れば直接通信できません。火星表面では周回衛星を中継に使うことで、表面探査車の電力やアンテナの制約を補えます。
まとめ
人工衛星の通信条件が天体やミッションによって違うのは、通信距離、周波数、アンテナ、送信電力、大気・天候、天体による遮蔽、相対速度、通信遅延などが同時に関係するからです。
距離が長くなるほど受信信号は急速に弱くなり、光速でも無視できない遅延が生じます。そのため深宇宙では大型アンテナ、高利得アンテナ、低雑音受信機、誤り訂正、低いデータレート、自律運用などが重要になります。一方、高い周波数帯は高速通信に向きますが、Ka帯では雨、光通信では雲の影響が大きくなります。
つまり人工衛星の通信は、「電波が届くか」だけの問題ではありません。どの距離を、どの周波数で、どれだけのデータを、どの天候・位置関係でも確実に届けるかという総合設計です。天体や軌道が変わると通信条件が変わるのは、このリンク全体の条件が変化するからなのです。
参考資料
- JAXA宇宙科学研究所「美笹深宇宙探査用地上局の概要」
- NICT 宇宙通信システム研究室「AI予測を活用したフレキシブルな衛星リソース制御」
- NASA「Deep Space Network」
- ESA「Keeping track of spacecraft with Delta-DOR」
コメント