人工衛星の高度は、どれも同じではありません。地表から数百kmの低い軌道を飛ぶ地球観測衛星もあれば、約3万6000km上空を回る静止衛星もあります。さらに月や火星を回る探査機では、地球周回衛星とは別の高度が選ばれます。
結論からいうと、人工衛星の高度が天体や条件によって違うのは、中心天体の重力・半径・大気が異なり、さらに観測範囲、解像度、通信距離、放射線環境、軌道周期など、ミッションごとに優先する条件が違うからです。
高度は単に「高いほどよい」「低いほどよい」というものではありません。低ければ地表を細かく見やすく、通信距離も短くできますが、大気抵抗を受けやすく、見渡せる範囲は狭くなります。高ければ広い範囲を見渡せますが、打上げに多くのエネルギーが必要になり、通信距離も長くなります。人工衛星の高度は、こうした利点と欠点のバランスから決められます。
そもそも人工衛星の「高度」とは何か
人工衛星の高度とは、一般に中心天体の表面から衛星までの距離を指します。地球周回衛星なら地表からの距離、月周回衛星なら月面からの距離です。
ただし、軌道力学で本当に重要なのは、天体表面からの高度だけではなく、天体の中心から衛星までの距離です。円軌道なら、この距離は「天体の半径＋高度」で表せます。
たとえば地球と月で同じ高度100kmを比べても、中心からの距離は同じではありません。地球と月では半径が大きく違うからです。さらに質量も違うため、同じ高度にある衛星へ働く重力や必要な軌道速度も異なります。
このため、「高度100km」という数字だけを見ても、その軌道の性質を判断することはできません。どの天体の周りを回っているのかを一緒に考える必要があります。
天体の重力が違えば、使いやすい高度も変わる
人工衛星は、中心天体の重力に引かれながら横方向へ進むことで軌道を回ります。円軌道では、必要な速度は概念的に
v = √(GM / r)
で表せます。Gは万有引力定数、Mは中心天体の質量、rは天体中心から衛星までの距離です。
この式から分かるのは、人工衛星の運動が「高度だけ」では決まらないということです。中心天体の質量が大きければ重力は強くなり、半径が違えば同じ表面高度でも中心距離が変わります。
したがって、地球で使いやすい高度と、月や火星で使いやすい高度は同じではありません。天体ごとの重力場の中で、目的に合う軌道速度や周期になる高度を選びます。
地球では低すぎる高度を選びにくいのはなぜか
地球低軌道では、高度が低くなるほど大気抵抗が大きな問題になります。宇宙と地球大気の間には明確な壁があるわけではなく、高度数百kmでも非常に薄い大気が残っています。
JAXAは、人工衛星の軌道を決める際、空気抵抗による減速を抑えるため、一般に十分高い高度が必要だと説明しています。ESAも、低軌道の下限は地球大気の影響で決まり、一般的な人工衛星は極端に低い高度では長期間飛び続けにくいとしています。
大気抵抗を受けると、衛星は軌道エネルギーを少しずつ失います。その結果、高度が低下し、さらに密度の高い大気へ入って抵抗が強くなるという変化が起きます。
推進装置があれば定期的に軌道を持ち上げられますが、そのたびに推進剤を使います。つまり低高度には、「地表に近い」という利点と、「高度維持に手間や燃料が必要」という欠点があるのです。
低い高度ほど地表を細かく観測しやすい
地球観測衛星では、比較的低い高度がよく使われます。理由の一つは、観測対象までの距離を短くできるからです。
同じ望遠鏡やカメラを使うなら、遠くから見るより近くから見るほうが、地表の細かな構造を捉えやすくなります。そのため、地図作成、災害監視、農業、森林、海洋などを詳しく観測する衛星では、数百km程度の低軌道や太陽同期軌道が多く使われます。
ESAによると、太陽同期軌道は一般に高度600〜800km程度で利用されることが多く、同じ地域をほぼ同じ地方太陽時に観測できるため、地表の変化を比較する用途に適しています。
ただし、高度を下げれば下げるほど常に有利になるわけではありません。大気抵抗が増え、衛星寿命や燃料消費に影響するため、必要な解像度と軌道維持のしやすさを両立する高度が選ばれます。
高い高度ほど一度に広い範囲を見渡せる
衛星から地球を見ると、高度が高いほど地表の広い範囲が視野に入ります。逆に低軌道衛星は地表に近いぶん、一度に見える範囲が比較的狭くなります。
この違いは通信衛星や気象衛星の設計で重要です。地球全体や大陸規模の広い範囲を継続的にカバーしたい場合、ある程度高い高度のほうが有利です。
静止衛星は地表から約3万5786kmという非常に高い高度を飛びます。この高さからは地球の広い範囲を常時見渡せるため、気象観測や通信に適しています。
一方、低軌道の通信衛星は一機あたりの見える範囲が狭く、地上から見ると短時間で通過してしまいます。そのため、連続通信を実現するには多数の衛星を連携させるコンステレーションが必要になることがあります。
静止衛星が約3万6000kmになるのは自転周期が条件だから
静止衛星の高度は、単に「高いほうが広く見えるから」という理由だけで決まっているわけではありません。最も重要なのは、衛星の公転周期を地球の自転周期と一致させることです。
地球は恒星に対して約23時間56分で1回転します。赤道上の円軌道を、この周期と同じ時間で1周する高度を求めると、地表から約3万5786kmになります。
この高度を回る衛星は、地球の自転と同じ角速度で西から東へ動くため、地上から見ると同じ場所の上空に止まっているように見えます。
そのため、放送・通信衛星では地上アンテナを同じ方向へ固定でき、気象衛星では同じ地域を連続して監視できます。静止軌道の高度は、ミッション上の都合だけで自由に変えられる数字ではなく、地球の質量と自転周期からほぼ決まる特別な高度なのです。
天体が変われば「静止して見える高度」も変わる
地球の静止軌道が約3万6000kmだからといって、別の天体でも同じ高度になるわけではありません。
同期軌道の高さは、中心天体の重力と自転周期で決まります。天体の質量が違えば軌道周期と高度の関係が変わり、自転周期が違えば衛星が合わせるべき周期も変わります。
たとえば火星は地球と質量・半径が異なり、自転周期もわずかに違います。そのため、火星の地表に対して同じ場所に留まって見える同期軌道は、地球の静止軌道とは異なる高度になります。
このことからも、人工衛星の高度は「衛星そのものの性能」だけでなく、周回する天体の条件によって決まることが分かります。
月では地球より低い高度の観測軌道を使えることがある
月は地球とは環境が大きく異なります。特に重要なのは、地球のような厚い大気がほとんどないことです。そのため、低い月周回軌道でも地球の低軌道ほど大気抵抗を受けません。
JAXAの月周回衛星「かぐや（SELENE）」の主衛星は、高度約100kmの月周回円軌道で観測を行いました。月面から比較的近い高度を選ぶことで、地形、鉱物分布、重力場などを詳しく観測できました。
地球で高度100km付近を長期間周回するのは大気抵抗のため現実的ではありませんが、月では大気による制約が小さいため、同じ「100km」という高度でも事情が大きく異なります。
ただし月でも、重力場は完全に一様ではありません。地域ごとの質量分布の違いが軌道へ影響するため、低高度の月周回軌道には別の軌道維持上の課題があります。
火星では大気があるため高度設計に別の条件が加わる
火星には地球よりはるかに薄いものの、大気があります。そのため火星周回機では、重力だけでなく火星大気との関係も高度設計に利用されます。
NASAのMars Reconnaissance Orbiter（MRO）は、火星到着後に細長い軌道へ入り、その後「エアロブレーキング」という方法で火星上層大気の抵抗を利用して軌道を縮小しました。最終的には高度約250〜316kmのほぼ円形軌道から観測を行っています。
エアロブレーキングでは、大気抵抗を「避ける」のではなく、あえて利用して推進剤を節約します。ただし深く入りすぎれば機体への熱や力が大きくなるため、大気密度を見ながら慎重に高度を調整します。
この例は、同じ人工衛星の高度でも、天体の大気条件によって「避けるべきもの」が「軌道変更に利用できるもの」へ変わることを示しています。
高度が高いほど通信には不利な面もある
高い高度は広範囲を見渡すうえで有利ですが、通信では距離が長くなるという欠点があります。
電波は光速で進みますが、距離が長くなれば往復にかかる時間も増えます。さらに、電波は広がりながら伝わるため、距離が増えるほど受信側で得られる電力が小さくなります。
そのため高高度衛星では、より大きなアンテナ、高い送信電力、高感度な受信機などが必要になる場合があります。一方、低軌道衛星は地上との距離が短く、通信遅延や伝搬損失を小さくしやすいという利点があります。
ただし低軌道衛星は地上局の上空を短時間で通過するため、一機だけで常時通信を続けにくいという別の問題があります。高度を決めるときは、「距離」と「見える時間・範囲」の両方を考えます。
高度によって放射線環境も変わる
地球周辺の宇宙空間には、地球磁場に捕らえられた高エネルギー粒子が多い領域があります。代表的なのがヴァン・アレン帯です。
JAXAは、有人活動では放射線環境を考慮し、ISSのように比較的低い高度を利用する理由の一つとして、地球磁場による遮蔽の効果を挙げています。
電子部品も放射線の影響を受けるため、人工衛星の高度を決めるときには、機器が受ける総放射線量や一時的な高エネルギー粒子への耐性を評価します。
測位衛星などが使う中軌道では、低軌道とは異なる放射線環境を通るため、それに合わせた部品選定や遮蔽設計が必要です。つまり高度は、観測や通信だけでなく、衛星の耐久性とも関係しています。
高い高度へ行くほど打上げに必要なエネルギーが増える
人工衛星を高い軌道へ運ぶには、一般により多くのエネルギーが必要です。ロケットは地球の重力に逆らって高度を上げるだけでなく、その高度に合った軌道速度を衛星へ与えなければなりません。
JAXAは、一般に軌道高度が高くなるほどロケットの運搬能力が低下するため、特別な要求がなければ低い軌道が選ばれやすいと説明しています。
同じロケットでも、低軌道へ運べる衛星質量と、静止軌道付近へ運べる衛星質量は同じではありません。高い軌道を選ぶことは、衛星の能力だけでなく、打上げコストやロケット性能にも影響します。
このため「もっと高くすればもっと広く見える」という理由だけで高度を上げるわけにはいきません。
高度は衛星の寿命にも影響する
低高度では大気抵抗が強いため、推進剤を使って軌道を維持する必要が生じやすくなります。推進剤が尽きれば高度を保てなくなり、やがて再突入することがあります。
一方、高い軌道では大気抵抗が小さいため、運用終了後も長期間軌道に残ることがあります。これは衛星の運用には有利な場合がありますが、スペースデブリ対策という意味では慎重な廃棄計画が必要になります。
したがって高度は、「運用中にどれくらい燃料を使うか」と「運用終了後にどのくらい軌道へ残るか」の両方に関係します。
人工衛星の高度は目的ごとのトレードオフで決まる
人工衛星の高度を選ぶときは、一つの条件だけを最大化するのではなく、多くの条件を同時に満たす必要があります。
- 地表を細かく観測したい：比較的低い高度が有利
- 広い地域を一度に見たい：高い高度が有利
- 通信遅延を小さくしたい：低い高度が有利
- 同じ地域を常時見たい：地球では静止軌道が有利
- 大気抵抗を減らしたい：ある程度高い高度が有利
- 打上げ負担を小さくしたい：低い高度が有利
- 放射線環境を避けたい：目的に応じて適切な高度帯を選ぶ必要がある
このように、同じ地球周回衛星でも、地球観測、通信、気象、測位、有人活動では最適な高度が違います。
「高度の違い」は軌道の違いの一部分
人工衛星の軌道を決める要素は高度だけではありません。軌道傾斜角、円軌道か楕円軌道か、周期、昇交点の位置なども重要です。
たとえば同じ高度700kmでも、赤道に近い軌道と極軌道では通過する地域が違います。また楕円軌道では、近地点と遠地点で高度が変化します。
そのため高度は軌道設計の中心的な要素ではありますが、それだけで衛星の能力が決まるわけではありません。人工衛星の高度を理解するときは、「なぜその高さがそのミッションに都合がよいのか」という観点で見ることが大切です。
まとめ
人工衛星の高度が天体や条件によって違うのは、中心天体の質量・半径・大気・自転周期が異なり、さらに衛星ごとに観測範囲、解像度、通信距離、放射線環境、寿命、打上げ能力などの要求が違うからです。
地球低軌道では大気抵抗を受ける一方、地表に近いため細かな観測や低遅延通信に向きます。静止衛星は約3万5786kmという高い高度から広い範囲を見渡し、地球の自転と同期します。月では大気がほとんどないため「かぐや」のように高度約100kmで観測でき、火星では薄い大気をエアロブレーキングに利用することもできます。
つまり人工衛星の高度は、単なる距離の数字ではありません。天体がつくる物理環境の中で、ミッションの目的を最も効率よく達成するために選ばれた「条件の組み合わせ」なのです。
参考資料
- JAXA 有人宇宙技術部門「人工衛星やISSの軌道はどうやって決めるのでしょうか」
- JAXA 月周回衛星「かぐや（SELENE）」プロジェクト「衛星」
- NASA/JPL「Ten Years of Discovery by Mars Reconnaissance Orbiter」
- ESA「Types of orbits」
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