Satellite-communication-quick-guide

衛星通信-はじめに

一般的に、*サテライト*は、空間内の大きなオブジェクトを中心に回転する小さなオブジェクトです。 たとえば、月は地球の自然な衛星です。

「通信」とは、任意の媒体またはチャネルを介した、2つ以上のエンティティ間の情報の交換（共有）を指すことを知っています。 つまり、情報の送信、受信、処理に他なりません。

衛星を介して任意の2つの地球局間で通信が行われる場合、それは*衛星通信*と呼ばれます。 この通信では、電磁波が搬送波信号として使用されます。 これらの信号は、音声、音声、ビデオ、その他のデータなどの情報を地上と宇宙の間でやり取りします。

ソビエト連邦は、1957年にスプートニク1という名前の世界初の人工衛星を打ち上げました。 ほぼ18年後、インドは1975年にAryabhataという名前の人工衛星も打ち上げました。

衛星通信の必要性

次の2種類の伝搬は、ある程度の距離までの通信に以前から使用されています。

• 地上波の伝播-地上波の伝播は、最大30MHzの周波数に適しています。 この通信方法は、地球の対流圏条件を利用しています。
• 空波の伝搬-このタイプの通信に適した帯域幅は、30〜40 MHzの間で広く、地球の電離層の特性を利用します。

最大ホップまたはステーション距離は、地上波伝搬と空波伝搬の両方でのみ1500KMに制限されます。 衛星通信はこの制限を克服します。 この方法では、衛星は*遠距離通信*を提供しますが、これは視線をはるかに超えています。

衛星は地球上の特定の高さに位置するため、通信は任意の2つの地球局間で衛星を介して簡単に行われます。 したがって、地球の曲率による2つの地球局間の通信の制限を克服します。

サテライトの仕組み

• サテライト*は、特定の経路で別の物体の周りを移動する物体です。 通信衛星は、宇宙のマイクロ波中継局に他なりません。 これは、インターネットアプリケーションとともに、通信、ラジオ、テレビで役立ちます。

• リピータ*は、受信信号の強度を高めてから送信する回路です。 ただし、このリピーターは*トランスポンダー*として機能します。 つまり、送信信号の周波数帯域を受信信号の周波数帯域から変更します。

信号が空間に送信される頻度は、*アップリンク頻度*と呼ばれます。 同様に、信号がトランスポンダによって送信される周波数は、*ダウンリンク周波数*と呼ばれます。 次の図は、この概念を明確に示しています。

サテライトの仕組み

チャネルを介した最初の地球局から衛星への信号の送信は、*アップリンク*と呼ばれます。 同様に、衛星からチャネルを介した2番目の地球局への信号の送信は、「ダウンリンク」と呼ばれます。

• アップリンク周波数*は、最初の地球局が衛星と通信している周波数です。 衛星トランスポンダーはこの信号を別の周波数に変換し、2番目の地球局に送信します。 この周波数は、*ダウンリンク周波数*と呼ばれます。 同様に、2番目の地球局も最初の地球局と通信できます。

衛星通信のプロセスは、地球局から始まります。 ここでは、地球の周りの軌道にある衛星から信号を送受信するための設備が設計されています。 地球局は、高出力の高周波（GHz帯）信号の形式で情報を衛星に送信します。

衛星は信号を受信して​​地球に再送信し、衛星のカバレッジエリア内の他の地球局によって受信されます。 衛星の*フットプリント*は、衛星から有用な強度の信号を受信するエリアです。

衛星通信の長所と短所

このセクションでは、衛星通信の長所と短所を見てみましょう。

衛星通信を使用する*利点*は次のとおりです。

• カバレッジの範囲は、地上システムの範囲よりも広い
• 地球の隅々を覆うことができます
• 伝送コストはカバレッジエリアに依存しません
• より多くの帯域幅と放送の可能性

以下は、衛星通信を使用する*欠点*です-

• 軌道への衛星の打ち上げは、費用のかかるプロセスです。
• 衛星システムの伝搬遅延は、従来の地上システムの伝搬遅延よりも大きくなります。
• 衛星システムで問題が発生した場合、修理活動を提供することは困難です。
• 空きスペースの損失はもっと大きい
• 周波数の輻輳が発生する可能性があります。

衛星通信の用途

衛星通信は私たちの日常生活で重要な役割を果たしています。 以下は、衛星通信のアプリケーションです-

• ラジオ放送と音声通信
• Direct To Home（DTH）などのテレビ放送
• データ転送のためのインターネット接続の提供、GPSアプリケーション、インターネットサーフィンなどのインターネットアプリケーション
• 軍事用アプリケーションとナビゲーション
• リモートセンシングアプリケーション
• 気象条件の監視と予測

衛星通信-軌道力学

地球を周回する衛星の軌道は「軌道」として知られています。 このパスは、数学表記で表すことができます。 軌道力学は、軌道上に存在する衛星の運動の研究です。 そのため、軌道運動の知識があれば宇宙操作を簡単に理解できます。

軌道要素

軌道要素はパラメータであり、衛星の軌道運動を記述するのに役立ちます。 以下は*軌道要素*です。

• 半長軸
• 偏心
• 平均異常
• 近地点の議論
• 傾斜
• 上昇ノードの赤経

上記の6つの軌道要素は、地球衛星の軌道を定義します。 したがって、軌道要素の値に基づいて、ある衛星を他の衛星と区別するのは簡単です。

半長軸

• 半長軸（a）*の長さは、衛星の軌道のサイズを定義します。 長軸の半分です。 これは中心から楕円の端まで焦点を通ります。 したがって、軌道の最も遠い2つのポイントでの軌道の半径です。

半長軸

上図では、半長軸と半短軸の両方が表されています。 半*長軸（a）*の長さは、衛星の軌道の大きさだけでなく、回転の期間も決定します。

円軌道が特別な場合と見なされる場合、半長軸の長さはその円軌道の*半径*に等しくなります。

偏心

• 偏心（e）*の値は、衛星の軌道の形状を固定します。 このパラメーターは、軌道の形状の真円からの偏差を示します。

楕円軌道の半長軸と半短軸の長さがa＆bの場合、* eccentricity（e）*の数式は

e = \ frac \ {\ sqrt \ {a ^ 2-b ^ 2}} \ {a}

円軌道の離心率の値は、aとbが等しいため、*ゼロ*です。 一方、楕円軌道の離心率の値は0と1の間にあります。

次の*図*は、さまざまな離心率（e）値のさまざまな衛星軌道を示しています

偏心

上の図では、離心率（e）のゼロに対応する衛星軌道は円形軌道です。 そして、残りの3つの衛星軌道は、偏心（e）値0.5、0.75、0.9に対応する楕円形です。

平均異常

衛星の場合、地球から最も近い地点は近地点として知られています。 平均異常（M）は、近地点を基準とした衛星の角度位置の平均値を示します。

軌道が円形の場合、平均異常は軌道内の衛星の角度位置を示します。 しかし、軌道が楕円形の場合、正確な位置の計算は非常に困難です。 そのとき、中間異常として平均異常が使用されます。

近地点の議論

衛星軌道は赤道面を2点で切断します。 最初のポイントは「下降ノード」と呼ばれ、ここでは衛星が北半球から南半球に通過します。 2番目のポイントは*昇順ノード*と呼ばれ、衛星が南半球から北半球に通過します。

• 近地点の引数（ω）*は、昇順ノードと近地点の角度です。 近地点と上行ノードの両方が同じポイントに存在する場合、近地点の引数はゼロ度になります

近地点の引数は、衛星の動きの方向で地球の中心にある軌道面で測定されます。

傾斜

軌道面と地球の赤道面との間の角度は*傾斜（i）*として知られています。 上昇ノードで測定され、方向は東から北です。 したがって、傾斜は、地球の赤道を基準として考慮することにより、軌道の方向を定義します。

傾斜

傾斜角に基づいて4種類の軌道があります。

• 赤道軌道-傾斜角は0度または180度です。
• 極軌道-傾斜角は90度です。
• 前進軌道-傾斜角は0〜90度です。
• 逆行軌道-傾斜角は90〜180度です。

昇順ノードの赤経

• 昇順ノード*は、南半球から北半球に移動するときに衛星が赤道面を横切るポイントであることを知っています。

赤経面の赤経*（Ω）*は、赤道面での牡羊座の線と東の方向への赤経面との間の角度です。 牡羊座は春分および春分とも呼ばれます。

衛星の ground track は、地球の表面上の軌道であり、軌道のちょうど下にあります。 衛星の地上軌道は、軌道要素の値に応じてさまざまな形をとることができます。

軌道方程式

このセクションでは、軌道運動に関連する方程式について説明しましょう。

衛星に作用する力

衛星は、地球の周りを公転するとき、地球の重力のために地球からの引っ張り力を受けます。 この力は、 Centripetal force （F〜1〜）として知られています。この力は、衛星がそれに向かう傾向があるためです。

数学的には、地球のために衛星に作用する Centripetal force （F〜1〜）は、

F _ \ {1} = \ frac \ {GMm} \ {R ^ 2}

どこで、

• G は普遍的な重力定数であり、6.673 x 10 ^ -11 ^ N∙m ^ 2 ^/kg ^ 2 ^に等しい。
• M は地球の質量であり、5.98 x 10 ^ 24 ^ Kgに等しい。
• m は衛星の質量です。
• R は、衛星から地球の中心までの距離です。

衛星は、地球の周りを回転すると、重力のために太陽と月からの引っ張り力を受けます。 この力は、遠心力（F〜2〜）として知られています。この力は、衛星を地球から遠ざける傾向があるためです。

数学的には、衛星に作用する*遠心力*（F〜2〜）は、

F _ \ {2} = \ frac \ {mv ^ 2} \ {R}

ここで、 v は衛星の軌道速度です。

軌道速度

衛星の軌道速度は、衛星が地球の周りを回転する速度です。 求心力と遠心力の両方が互いに*平衡*している場合、衛星は軌道から逸脱せず、その軌道で特定の速度で移動します。

したがって、*等しい*求心力（F〜1〜）および遠心力（F〜2〜）。

\ frac \ {GMm} \ {R ^ 2} = \ frac \ {mv ^ 2} \ {R}

=> \ frac \ {GM} \ {R} = v ^ 2

=> v = \ sqrt \ {\ frac \ {GM} \ {R}}

したがって、衛星の*軌道速度*は

v = \ sqrt \ {\ frac \ {GM} \ {R}}

どこで、

• G は重力定数であり、6.673 x 10 ^ -11 ^ N∙m ^ 2 ^/kg ^ 2 ^に等しい。
• M は地球の質量であり、5.98 x 10 ^ 24 ^ Kgに等しい。
• R は、衛星から地球の中心までの距離です。

そのため、GとMは定数であるため、軌道速度は主に衛星から地球の中心までの距離（R）に依存します。

衛星通信-ケプラーの法則

私たちは、衛星が地球の周りを公転することを知っています。これは、地球が太陽の周りを公転するのと似ています。 したがって、地球と太陽の周りの動きに適用される原則は、衛星と地球の周りの動きにも適用できます。

多くの科学者は、初期からさまざまなタイプの理論を提供してきました。 しかし、 Johannes Kepler （1571-1630）だけが、地球の周りを移動する衛星の原理を説明する最も受け入れられた科学者の一人でした。

ケプラーは、衛星通信の理論と観測全体を変える3つの法則を策定しました。 これらは一般に*ケプラーの法則*として知られています。 これらは、空間を通る動きを視覚化するのに役立ちます。

ケプラーの第一法則

ケプラーの最初の法則では、衛星がそのプライマリ（地球）の周りをたどる経路は*楕円*になると規定されています。 次の図に示すように、この楕円には2つの焦点（焦点）F1とF2があります。 地球の重心は、楕円の2つの焦点のいずれかに常に存在します。

ケプラーの第一法則

オブジェクトの中心から楕円経路上の点までの距離を考慮する場合、中心から楕円の最も遠い点は apogee と呼ばれ、中心からの楕円の最短点は* perigeeと呼ばれます*。

• このシステムの偏心 "e" *は次のように書くことができます-

e = \ frac \ {\ sqrt \ {a ^ 2-b ^ 2}} \ {a}

ここで、 a および b は、それぞれ楕円の半長軸と半短軸の長さです。

• 楕円パス*の場合、離心率（e）の値は常に0〜1の範囲にあります。 aはbよりも大きいため、$ 0 $ <$ e $ <$ 1 $。 離心率（e）の値がゼロの場合、パスはもはや楕円形ではなく、円形に変換されます。

ケプラーの第二法則

ケプラーの第2法則は、等間隔で、衛星がカバーする*エリア*は地球の重心に関して同じになると述べています。 これは、次の図を見ると理解できます。

ケプラーの第二法則

衛星が同じ時間間隔でp1とp2の距離をカバーすると仮定します。 次に、これら2つのインスタンスで衛星がカバーするエリアB1とB2は等しくなります。

ケプラーの第三法則

ケプラーの第3法則は、楕円軌道の周期時間の2乗がその半長軸長の立方体に比例すると述べています。 数学、それは次のように書くことができます-

T ^ 2 \：\ alpha \：a ^ 3

=> T ^ 2 = \ left（\ frac \ {4 \ pi ^ 2} \ {\ mu} \ right）a ^ 3

ここで、$ \ frac \ {4 \ pi ^ 2} \ {\ mu} $は比例定数です。

$ \ mu $はケプラーの定数であり、その値は3.986005 x 10 ^ 14 ^ m ^ 3 ^/sec ^ 2 ^に等しい

1 = \ left（\ frac \ {2 \ pi} \ {T} \ right）^ 2 \ left（\ frac \ {a ^ 2} \ {\ mu} \ right）

1 = n ^ 2 \ left（\ frac \ {a ^ 3} \ {\ mu} \ right）

=> a ^ 3 = \ frac \ {\ mu} \ {n ^ 2}

ここで、「n」はラジアン/秒単位の衛星の平均運動です。

注-衛星は、地球の周りを公転するとき、地球からの引力、つまり重力を受けます。 同様に、太陽と月から別の引き力を経験します。 したがって、衛星は、軌道に自身を保持するために、これら2つの力のバランスを取る必要があります。

地球軌道衛星

衛星は、宇宙空間に置いた後、対応する軌道に適切に配置する必要があります。 それは特定の方法で回転し、科学的、軍事的または商業的な目的に役立ちます。 地球に関して衛星に割り当てられる軌道は、*地球軌道*と呼ばれます。 これらの軌道に存在する衛星は、*地球軌道衛星*と呼ばれます。

要件に基づいて、衛星の軌道を適切に選択する必要があります。 たとえば、衛星が*低軌道*に配置されている場合、地球を周回する時間が短くなり、搭載カメラの解像度が向上します。 同様に、衛星が*より高い軌道*に置かれている場合、地球を周回するのに時間がかかり、一度により多くの地球の表面をカバーします。

地球軌道衛星の3つの重要な*タイプは次のとおりです-

• 静止地球軌道衛星
• 中地球軌道衛星
• 低地球軌道衛星

次に、各タイプの地球軌道衛星について個別に説明しましょう。

静止地球軌道衛星

地球同期地球軌道*（GEO）衛星*は、地球の 22,300 マイルの高度に配置されたものです。 この軌道は、実際の1日（つまり、23時間56分）と同期しています。 この軌道は傾斜と離心率を持つことができます。

円形ではないかもしれません。 この軌道は、地球の極で傾くことができます。 しかし、地球から見ると静止しているように見えます。 これらの衛星は衛星テレビに使用されます。

同じ静止軌道で、それが円形で赤道面にある場合、*静止軌道*と呼ばれます。 これらの衛星は、地球の赤道上空35,900km（Geosynchronousと同じ）に配置され、地球の方向（西から東）に対して回転し続けます。

これらの軌道にある衛星は、地球と同じ角速度を持っています。 したがって、これらの衛星は地球に対して*静止*と見なされます。なぜなら、これらの衛星は地球の自転と同期しているからです

静止軌道の「利点」は、衛星の位置を見つけるためにアンテナを追跡する必要がないことです。

静止地球軌道衛星は、天気予報、衛星テレビ、衛星ラジオ、その他の種類のグローバル通信に使用されます。

次の図は、地理同期軌道と静止軌道の違いを示しています。 回転軸は地球の動きを示します。

Geosynchronous Earth OrbitSatellites

注-すべての静止軌道は、静止軌道です。 しかし、その逆は必ずしも真実である必要はありません。

中地球軌道衛星

中地球軌道*（MEO）*衛星は、地球の表面から約8000マイル*の距離を周回します。 MEO衛星から送信される信号は、より短い距離を移動します。 これにより、受信側の信号強度が改善されます。 これは、受信端で小型で軽量の受信端末を使用できることを示しています。

• 送信遅延*は、信号が衛星に到達して受信局に戻るまでの時間として定義できます。 この場合、伝送遅延は少なくなります。 なぜなら、信号はMEO衛星との間でより短い距離を移動するからです。

• リアルタイム通信*では、伝送遅延が短いほど、通信システムの品質が向上します。 例として、GEO衛星が往復に0.25秒を必要とする場合、MEO衛星は同じ旅行を完了するのに0.1秒未満を必要とします。 MEOは2 GHz以上の周波数範囲で動作します。

これらの衛星は、高速電話信号に使用されます。 地球全体をカバーするには、10個以上のMEO衛星が必要です。

低地球軌道衛星

低地球軌道* LEO）衛星は、主に3つのカテゴリに分類されます。 それらは、小さなLEO、大きなLEO、およびMega-LEOです。 LEOは、地球の表面から 500から1000マイル*の距離を周回します。 これらの衛星は、衛星電話とGPSに使用されます。

この比較的短い距離は、伝送遅延をわずか0.05秒に短縮します。 これにより、敏感でかさばる受信機器の必要性がさらに減少します。 地球全体をカバーするには、20個以上のLEO衛星が必要です。

ほとんどのLEOは800 MHz（0.8 GHz）の範囲で動作します。 Big LEOは2 GHz以上の範囲で動作し、Mega-LEOは20〜30 GHzの範囲で動作します。

*Mega-LEO* に関連付けられているより高い周波数は、より多くの情報伝達容量に変換され、リアルタイムの低遅延ビデオ伝送方式の機能を実現します。

次の*図*は、LEO、MEO、GEOのパスを示しています

地球軌道

軌道スロット

ここで、静止軌道にある* 200を超える衛星で、それらが互いに衝突したり、宇宙で同じ場所を使用しようとしたりしないようにするにはどうすればよいかという疑問が生じる場合があります。

この問題（質問）に答えるために、国際電気通信連合*（ITU）などの国際規制機関および連邦通信委員会（FCC）*などの中央政府機関は、通信衛星が配置できる静止軌道上の位置を指定します。

これらの場所は経度で指定され、*軌道スロット*と呼ばれます。 FCCとITUは、軌道スロットに対する大きな需要により、CバンドとKuバンドの衛星に必要な間隔をわずか2度まで段階的に縮小しました。

視角と軌道の摂動

地球局が衛星の真下にある場合、地球局は最大信号レベルを受信します。 そうしないと、最大信号レベルを受信できず、地球局の緯度と経度の差が大きくなるにつれて信号レベルが低下します。

そのため、要件に基づいて、特定の軌道に衛星を配置できます。 次に、ルックアングルについて説明します。

視角

地球局アンテナの次の2つの角度を組み合わせたものは、*視角*と呼ばれます。

• 方位角
• 仰角

一般に、これらの角度の値は、静止軌道では変化します。 一方、これらの角度の値は静止軌道では変化しません。 なぜなら、静止軌道にある衛星は地球に対して静止しているように見えるからです。

これらの2つの角度は、地球局のアンテナから直接衛星を指すのに役立ちます。 したがって、地球局アンテナの*最大ゲイン*は衛星に向けることができます。

地球局の経度と緯度、および衛星軌道の位置を使用して、静止軌道の視角を*計算*できます。

方位角

ローカル水平面と、地球局、衛星、および地球の中心を通る平面との間の角度は、「方位角」と呼ばれます。

方位角（$ \ alpha $）の*式*は

\ alpha \：= 180 ^ 0 + Tan ^ \ {-1} \ left（\ frac \ {Tan G} \ {TanL} \ right）

どこで、

• L は、地球局アンテナの緯度です。
• G は、衛星軌道と地球局アンテナの位置の差です。

次の*図*は、方位角を示しています。

方位角

図に示すように、地球局のアンテナで北極までの*水平角*を測定します。 方位角を表します。 衛星を水平方向に追跡するために使用されます。

仰角

垂直面と衛星を指す線との間の角度は、仰角として知られています。 垂直面は、水平面に垂直な平面に他なりません。

仰角（$ \ beta $）の*式*は

\ beta = Tan ^ \ {-1} \ left（\ frac \ {cosG.cosL-0.15} \ {\ sqrt \ {1-cos ^ 2G.cos ^ 2L}} \ right）

上記の式を使用して仰角を計算できます。 次の*図*は仰角を示しています。

仰角

図に示すように、地上から衛星までの地上局アンテナで*垂直角*を測定します。 仰角を表します。

軌道摂動

以下は、重力および非重力の力またはパラメーターによる軌道の摂動です。

• 不均一な質量分布による地球の周りの不規則な重力。 地球の磁場も軌道の摂動を引き起こします。
• 主な外部摂動は、太陽と月から生じます。 衛星がこれらの外部の物体の近くにあるとき、より強力な引力を受けます。
• 低軌道衛星は、原子やイオンとの衝突による摩擦により影響を受けます。
• 日射圧力は、大型ソーラーアレイを使用する大型GEO衛星に影響します。
• アンテナからのRF放射によって生じる自己生成のトルクと圧力。

ほとんどの衛星は、適切なスピン軸方向を維持し、摂動力に対して衛星の高度を制御するために*推進サブシステム*を使用します。

衛星通信-打ち上げ

衛星は、その寿命のほとんどの間、宇宙にとどまります。 宇宙には無重力環境が存在することを知っています。 そのため、衛星は宇宙空間で追加の強力なフレームを必要としません。 ただし、これらは起動プロセス中に必要です。 そのプロセスでは、衛星が適切な軌道に置かれるまで、衛星が激しく揺れるからです。

• 衛星の設計*は、衛星を軌道に乗せるために、1つまたは複数の打ち上げロケットと互換性がある必要があります。

ケプラーの第2法則によると、 apogee の高度が高いほど、回転周期が長くなることがわかっています。 静止転送軌道の期間は、ほぼ16時間です。 perigee がGEO高度（約36,000 km）に増加すると、回転周期は24時間に増加します。

サテライトの打ち上げ

衛星を適切な軌道に配置するプロセスは、「打ち上げプロセス」と呼ばれます。 このプロセス中に、地球局から衛星の動作を制御できます。 主に、衛星の打ち上げには4つの段階があります。

• 第一段階-打ち上げロケットの第一段階には、ロケットと地上から打ち上げロケットとともに衛星を持ち上げるための燃料が含まれています。
• 第二段階-打ち上げロケットの第二段階には小さなロケットが含まれています。 これらは、第一段階の完了後に点火されます。 彼らは衛星を宇宙に送るために独自の燃料タンクを持っています。
• 第3ステージ-打ち上げロケットの第3（上部）ステージは衛星フェアリングに接続されています。 このフェアリングは、金属製のシールドで、衛星が含まれており、衛星を保護します。
• 第4ステージ-衛星は、地球の大気圏外に到達すると、ロケットの上部ステージから分離されます。 次に、衛星は「転送軌道」に進みます。 この軌道は衛星をより高い空間に送ります。

衛星が軌道の希望する高さに達すると、ソーラーパネルや通信アンテナなどのサブシステムが展開されます。 その後、衛星は他の衛星と軌道上でその位置を取ります。 これで、衛星は一般に*サービス*を提供する準備が整いました。

衛星打ち上げ機

衛星打ち上げ機は、要件に基づいて特定の軌道に衛星を打ち上げます。 衛星打上げ機は多段ロケットに他なりません。 以下は* 2種類*の衛星打ち上げ機です。

• 使い捨て打ち上げ機（ELV） *再利用可能なロケット（RLV）

消耗打ち上げ機

衛星を宇宙に残した後、消耗ロケット（ELV）は破壊されます。 次の図は、ELVの外観を示しています。

使い捨て発射台

ELVには3つのステージが含まれます。 ELVの最初と2番目の段階では、衛星を約50マイルと100マイルまで上げます。 ELVの第3段階では、衛星を転送軌道に乗せます。* ELV *のタスクは完了し、スペアパーツは衛星が軌道に到達したときに地球に落下します。

再利用可能な打ち上げ機

再利用可能な打ち上げロケット（RLV）は、衛星の打ち上げに*複数回*使用できます。 一般に、このタイプの打上げ機は、衛星を宇宙に置いた後に地球に戻ります。

次の画像は、再利用可能なロケットを示しています。 *スペースシャトル*とも呼ばれます。

再利用可能なロケット

• スペースシャトル*の機能は、ELVの第1および第2ステージの機能に似ています。 衛星はスペースシャトルの第3ステージとともに貨物室に搭載されています。 スペースシャトルが高度150〜200マイルに達すると、貨物室から排出されます。

次に、スペースシャトルの第3段階が発射され、衛星を転送軌道に投入します。 この後、スペースシャトルは*再利用*のために地球に戻ります。

衛星通信-サブシステム

衛星通信システムでは、さまざまな操作が行われます。 その中で、主な操作は、軌道制御、衛星の高度、他のサブシステムの監視と制御です。

衛星通信は、主に2つの*セグメント*で構成されています。 それらは、空間セグメントと地球セグメントです。 したがって、それに応じて、空間セグメントサブシステムと地球セグメントサブシステムの2種類のサブシステムがあります。 次の*図*は、この概念を示しています。

通信リンク

図に示すように、*コミュニケーション*は、通信リンクを介してスペースセグメントサブシステムとアースセグメントサブシステム間で行われます。

スペースセグメントサブシステム

スペースセグメントに存在するサブシステムは、スペースセグメントサブシステムと呼ばれます。 以下は*スペースセグメントサブシステム*です。

• AOCサブシステム
• TTCMサブシステム
• 電源およびアンテナサブシステム *トランスポンダー

地球セグメントサブシステム

地上セグメントに存在するサブシステムは、ユーザー間の通信を提供するために衛星中継器にアクセスする機能を備えています。* 地球セグメント*は地上セグメントとも呼ばれます。

地球セグメントは、主に2つの機能を実行します。 それらは、衛星への信号の送信と衛星からの信号の受信です。 *地球局*は、地球セグメントに存在する主要なサブシステムです。

次の章で、空間セグメントと地球セグメントのこれらすべてのサブシステムについて説明します。

衛星通信-AOCサブシステム

太陽、月、および他の惑星からの重力により、衛星が軌道から逸脱する可能性があることを知っています。 これらの力は、衛星が地球の周りを移動するため、24時間にわたって周期的に変化します。

高度と軌道制御*（AOC）*サブシステムはロケットモーターで構成されており、衛星がそれぞれの軌道から外れると、衛星を正しい軌道に配置することができます。 AOCサブシステムは、アンテナを作成するのに役立ちます。アンテナは、地球に向かって細いビームタイプのポイントです。

このAOCサブシステムを次の* 2つの部分*にできます。

• 高度制御サブシステム
• 軌道制御サブシステム

次に、これら2つのサブシステムについて1つずつ説明します。

高度制御サブシステム

高度制御サブシステムは、それぞれの軌道で衛星の向きを管理します。 以下は、軌道上に存在する衛星を安定させる* 2つの方法*です。

• 衛星の回転
• 三軸法

衛星の回転

この方法では、衛星の本体が*回転軸*を中心に回転します。 一般に、ジャイロスコープ型の力を生成するために、30〜100 rpmで回転させることができます。 このため、スピン軸は安定し、衛星は同じ方向を指します。 サテライトはこのタイプのもので、スピナーと呼ばれます。

スピナーには、円筒形のドラムが含まれています。 このドラムは太陽電池で覆われています。 このドラムには電源システムとロケットがあります。

通信サブシステムはドラムの上に配置されます。 電気通信システムはこの通信システムを駆動します。 このモーターの方向は衛星本体の回転とは逆になるため、アンテナは地球に向けられます。 この種の操作を実行するサテライトは、 de-spin と呼ばれます。

打ち上げ段階では、小さなラジアルガスジェットが作動すると、衛星が*スピン*します。 この後、TTCMサブシステムアンテナを地球局に向けるために、 de-spin システムが動作します。

三軸法

この方法では、1つ以上の運動量ホイールを使用して衛星を安定させることができます。 このメソッドは、* 3軸メソッド*と呼ばれます。 この方法の利点は、3軸の衛星の向きが制御され、衛星の本体を回転させる必要がないことです。

この方法では、次の* 3つの軸*が考慮されます。

• *ロール軸*は、衛星が軌道面を移動する方向に考慮されます。
• *ヨー軸*は地球に向かう方向で考慮されます。
• *ピッチ軸*は、軌道面に垂直な方向に考慮されます。

これらの3つの軸を以下の*図*に示します。

3軸法

X〜R〜、Y〜R〜、Z〜R〜をそれぞれロール軸、ヨー軸、ピッチ軸とします。 これらの3つの軸は、衛星の位置を*参照*と見なして定義されます。 これらの3つの軸は、衛星の高度を定義します。

X、Y、Zをデカルト軸の別のセットとします。 この3軸のセットは、基準軸に対する衛星の方向に関する情報を提供します。 衛星の高度に変化がある場合、各軸間の角度が変更されます。

この方法では、各軸に2つのガスジェットが含まれます。 これらは、3軸の両方向の回転を提供します。

• *最初のガスジェット*は、特定の軸方向の衛星の動きが必要な場合に、一定期間作動します。
• 衛星が目的の位置に到達すると、* 2番目のガスジェット*が同じ時間動作します。 したがって、2番目のガスジェットは、その軸方向の衛星の動きを停止します。

軌道制御サブシステム

軌道制御サブシステムは、衛星が軌道から外れた場合に衛星を正しい軌道に乗せるために役立ちます。

地球局にあるTTCMサブシステムは、衛星の位置を監視します。 衛星軌道に何らかの変化がある場合、軌道制御サブシステムに修正に関する信号を送信します。 次に、衛星を正しい軌道に乗せることでその問題を解決します。

このようにして、* AOCサブシステム*は、宇宙での衛星の全寿命期間中、正しい軌道および正しい高度での衛星の位置を管理します。

衛星通信-TTCMサブシステム

テレメトリ、追跡、指揮、監視*（TTCM）*サブシステムは、衛星と地球局の両方に存在します。 一般に、衛星はセンサーを介してデータを取得します。 したがって、衛星にあるテレメトリサブシステムは、このデータを地球局に送信します。 したがって、TTCMサブシステムは、通信衛星が正常に動作するために非常に必要です。

衛星を適切な軌道に置いた後、その寿命中に衛星を制御することは衛星オペレーターの責任です。 これは* TTCMサブシステム*の助けを借りて行うことができます。

このTTCMサブシステムを次の* 3つの部分*にできます。

• 遠隔測定および監視サブシステム
• 追跡サブシステム
• コマンドシステム

遠隔測定および監視サブシステム

• 「テレメトリー」*という言葉は、距離を置いた測定を意味します。 主に、「テレメトリー」では次の操作が行われます。

• 測定される量に比例する電気信号の生成。
• 電気信号のエンコード。
• このコードを遠距離に送信します。

衛星に存在する*テレメトリーサブシステム*は、主に2つの機能を実行します-

• センサーからデータを受信し、
• そのデータを地球局に送信します。

衛星には、さまざまなサブシステムの圧力、温度、ステータスなどのさまざまなパラメーターを監視するためのセンサーがかなりあります。 一般に、テレメトリデータはFSKまたはPSKとして送信されます。

テレメトリサブシステムは、リモート制御システムです。 監視データを衛星から地球局に送信します。 一般に、*テレメトリ信号*は、高度、環境、衛星に関連する情報を伝達します。

追跡サブシステム

追跡サブシステムは、衛星の位置と現在の軌道を知るのに役立ちます。 Satellite Control Center *（SCC）*は、テレメトリダウンリンクを使用して、スペースセグメントサブシステムの動作とステータスを監視します。 また、コマンドアップリンクを使用してこれらのサブシステムを制御します。

私たちは、*追跡サブシステム*が地球局にも存在することを知っています。 主に衛星の範囲と視角に焦点を当てています。 衛星を追跡するために使用している技術の数。 *例*では、衛星に存在する速度および加速度センサーから取得したデータを使用して、衛星の軌道位置の変化を特定できます。

地球ステーションに存在する*追跡サブシステム*は、打ち上げロケットの最終段階から解放されたときに、衛星の追跡を続けます。 初期軌道や転送軌道での衛星の位置特定などの機能を実行します。

コマンドシステム

軌道で衛星を打ち上げ、その軌道で機能するためには、命令サブシステムが必要です。 このサブシステムは、これらの値に偏差がある場合はいつでも、衛星の高度と軌道を調整します。 また、通信サブシステムも制御します。 この*命令サブシステム*は、テレメトリおよび追跡サブシステムから取得したデータに基づいて、衛星に存在する他のサブシステムのオン/オフを切り替えます。

一般に、制御コードはコマンドワードに変換されます。 これらのコマンドワードは、* TDMフレーム*の形式で送信するために使用されます。 最初に、コマンドワードの有効性がサテライトでチェックされます。 この後、これらのコマンドワードを地球局に送り返すことができます。 ここで、これらのコマンドワードがもう一度チェックされます。

地球局も同じ（正しい）コマンドワードを受信すると、衛星に実行命令を送信します。 そのため、そのコマンドを実行します。

機能面では、TelemetryサブシステムとCommandingサブシステムは互いに反対です。 なぜなら、最初のものは衛星の情報を地球局に送信し、2番目のものは地球局からコマンド信号を受信するからです。

電源およびアンテナサブシステム

この章では、衛星のさまざまなサブシステムが電力を得る*電力システム*および*アンテナサブシステム*を1つずつ説明します。

電力システム

軌道上に存在する衛星は、その寿命の間に継続的に動作する必要があることを知っています。 そのため、衛星は、その中に存在するさまざまな電子システムと通信ペイロードを動作させるために内部電源を必要とします。

• 電源システム*は重要なサブシステムであり、衛星の動作に必要な電力を提供します。 これらのシステムでは、主に太陽電池（またはパネル）と充電式バッテリーが使用されます。

太陽電池

基本的に、*太陽電池*は入射日光から電力（電流）を生成します。 したがって、太陽電池は主に衛星の他のサブシステムに電力を供給するために使用されます。

個々の太陽電池の発電量は非常に少ないことがわかっています。 そのため、より多くの電力を生成するために、配列形式で存在するセルのグループを使用できます。

ソーラーアレイ

衛星で使用されるソーラーアレイには2つのタイプがあります。 それらは、円筒形のソーラーアレイと長方形のソーラーアレイまたはソーラーセイルです。

• *円筒形の太陽電池アレイ*は、回転する衛星で使用されます。 円筒形アレイの一部のみが、常に日光の下で覆われます。 このため、部分的な太陽電池アレイから電力が生成されます。 これがこのタイプの欠点です。
• 円筒形ソーラーアレイの欠点は、*ソーラーセイル*で克服されます。 ソーラーセイルのすべての太陽電池は太陽光にさらされるため、これはより多くの電力を生成します。

充電式電池

日食の期間中、太陽光から電力を得るのは困難です。 そのため、その状況では、他のサブシステムは*充電式バッテリー*から電力を取得します。 これらのバッテリーは、衛星の打ち上げ中にも他のサブシステムに電力を生成します。

一般に、これらのバッテリーは、太陽光の存在下で太陽電池によって生成される過電流により充電されます。

アンテナサブシステム

アンテナは衛星と地球局の両方にあります。 次に、衛星アンテナについて説明しましょう。

衛星アンテナは、* 2種類*の機能を実行します。 これらは、地上局からの信号を受信し、要件に基づいて1つ以上の地上局に信号を送信しています。 つまり、衛星アンテナはアップリンク信号を受信し、ダウンリンク信号を送信します。

衛星アンテナの長さは動作周波数に反比例することがわかっています。 衛星アンテナの長さを短くするには、動作周波数を上げる必要があります。 したがって、衛星アンテナは GHz 周波数のオーダーで動作します。

衛星アンテナ

衛星で使用されるアンテナは、衛星アンテナとして知られています。 主に4つの*タイプのアンテナ*があります。 彼らです：

• ワイヤーアンテナ
• ホーンアンテナ
• アレイアンテナ *反射アンテナ

次に、これらのアンテナについて1つずつ説明します。

ワイヤーアンテナ

ワイヤーアンテナ

ワイヤーアンテナは基本的なアンテナです。* モノポール*と*ダイポールアンテナ*はこのカテゴリーに属します。 これらは、TTCMサブシステムに通信を提供するために、非常に高い周波数で使用されます。

ダイポールとして使用されているワイヤ全体の長さは、波長の半分に等しい場合（つまり、l =λ/2）、そのようなアンテナは「半波ダイポールアンテナ」と呼ばれます。

• ワイヤーアンテナ*は、そのアクセス範囲をカバーし、すべての方向に信号強度を提供するのに適しています。 つまり、ワイヤーアンテナは全方向性アンテナです。

ホーンアンテナ

ホーンアンテナ

端に開口部​​があるアンテナは、*開口部アンテナ*と呼ばれます。 伝送線の端は、開口部で終端すると、エネルギーを放射します。 開口であるこの開口部は、開口アンテナとしてそれを作ります。

• ホーンアンテナ*は、開口アンテナの例です。 地球上のより多くの地域をカバーするために衛星で使用されています。

ホーンアンテナは、*マイクロ波*周波数範囲で使用されます。 同じフィードホーンは、信号の送信と受信の両方に使用できます。 これらの2つの信号を分離する、デュプレクサという名前のデバイス。

アレイアンテナ

アンテナは、個別に特定の方向に一定量のエネルギーを放射できるため、より効率的な出力を生成するために、要素を追加しなかった場合の伝送が改善されます。 それがまさにこの考えであり、*アレイアンテナ*またはアンテナアレイの発明につながります。 アレイアンテナは、単一の開口部から複数のビームを形成するために衛星で使用されます。

アレイアンテナ

反射アンテナ

リフレクターアンテナ

リフレクターアンテナは、特定の方向に信号強度が強いビームを生成するのに適しています。 つまり、これらは指向性の高いアンテナです。 したがって、*放物面反射器*は、衛星通信システムのアンテナのゲインを増加させます。 したがって、これらは通信および放送で使用されます。

放物面反射器アンテナが信号の*送信*に使用される場合、フィードからの信号はダイポールまたはホーンアンテナから出て、放物線に波の焦点を合わせます。 つまり、波は焦点から出て放物面反射鏡に当たります。 この波は、平行な波面として反射されます。

同じアンテナが*受信機*として使用されている場合、電磁波は放物線の形状に当たると、その波は給電点に反射されます。 ダイポールまたはホーンアンテナは、フィードで受信機アンテナとして機能し、この信号を受信して​​電気信号に変換し、受信機回路に転送します。

衛星通信-トランスポンダー

サブシステムは、衛星の送信アンテナと受信アンテナ間の接続リンクを提供し、*トランスポンダー*として知られています。 これは、スペースセグメントサブシステムの最も重要なサブシステムの1つです。

トランスポンダーは、衛星の送信機と受信機（応答機）の両方の機能を実行します。 したがって、「トランスポンダー」という単語は、送信機*（トランス）と応答機（ポンダー）*の2つの単語のいくつかの文字を組み合わせることによって取得されます。

トランスポンダーのブロック図

トランスポンダーは主に* 2つの機能*を実行します。 これらは受信した入力信号を増幅し、その周波数を変換します。 一般に、送信信号と受信信号間の干渉を避けるために、アップリンクとダウンリンクの両方に異なる周波数値が選択されます。

トランスポンダーの*ブロック図*を下の図に示します。

トランスポンダー

ブロック図自体からトランスポンダーの動作を簡単に理解できます。 各ブロックの機能は次のとおりです。

• Duplexer は双方向マイクロ波ゲートです。 衛星アンテナからアップリンク信号を受信し、衛星アンテナにダウンリンク信号を送信します。
• 低雑音増幅器（LNA）は、弱い受信信号を増幅します。
• *キャリアプロセッサ*は、受信信号の周波数ダウンコンバート（アップリンク）を実行します。 このブロックは、トランスポンダーのタイプを決定します。
• *パワーアンプ*は、周波数ダウンコンバートされた信号（ダウンリンク）の電力を必要なレベルまで増幅します。

トランスポンダーの種類

基本的に、トランスポンダーには* 2タイプ*があります。 それらは、ベントパイプトランスポンダーと再生トランスポンダーです。

ベントパイプトランスポンダー

曲がったパイプトランスポンダは、マイクロ波周波数信号を受信します。 入力信号の周波数をRF周波数に変換してから増幅します。

ベントパイプトランスポンダは、リピータおよび「従来のトランスポンダ」とも呼ばれます。 アナログ信号とデジタル信号の両方に適しています。

再生トランスポンダー

再生トランスポンダーは、ベントパイプトランスポンダーの機能を実行します。 すなわち、周波数変換と増幅。 これら2つの機能に加えて、再生トランスポンダは、RFキャリアのベースバンドへの復調、信号の再生、および変調も実行します。

再生トランスポンダーは、処理トランスポンダーとも呼ばれます。 デジタル信号にのみ適しています。 再生トランスポンダーの主な*利点*は、信号対雑音比（SNR）の改善であり、実装の柔軟性が向上しています。

地球セグメントサブシステム

衛星通信システムの*地球セグメント*は、主に2つの地球局で構成されています。 これらは、送信地球局と受信地球局です。

送信*地球局*は、情報信号を衛星に送信します。 一方、受信地球局は衛星からの情報信号を受信します。 場合によっては、同じ地球局を送信と受信の両方の目的に使用できます。

一般に、地球局は次のいずれかの形式でベースバンド信号を受信します。 アナログ形式またはデジタル形式の音声信号とビデオ信号。

最初に、* FM変調*という名前のアナログ変調技術が、アナログ形式の音声信号とビデオ信号の両方の送信に使用されます。 その後、デジタル変調技術、すなわち周波数シフトキーイング*（FSK）および位相シフトキーイング（PSK）*がこれらの信号の送信に使用されます。 なぜなら、音声とビデオの両方の信号は、アナログから変換してデジタルで表現するために使用されるからです。

地球局のブロック図

• 地球局*の設計は、地球局の場所だけでなく、いくつかの他の要因にも依存します。 地球局の場所は、陸上、海上の船、および航空機上にあります。 依存する要因は、提供するサービスの種類、周波数帯域の使用率、送信機、受信機、およびアンテナの特性です。

デジタル地球局の*ブロック図*を下図に示します。

デジタル地球局

上記の図から地球局の動作を簡単に理解できます。 地球局に存在する4つの主要な*サブシステム*があります。 それらは、送信機、受信機、アンテナ、追跡サブシステムです。

送信機

バイナリ（デジタル）情報は、地上ネットワークから地上局のベースバンド機器に入力されます。 *エンコーダ*には、ビット誤り率を最小化するための誤り訂正ビットが含まれています。

衛星通信では、36 MHzの帯域幅を持つトランスポンダーを使用して、中間周波数*（IF）*を70 MHzとして選択できます。 同様に、54 MHzまたは72 MHzの帯域幅を持つトランスポンダを使用して、IFを140 MHzとして選択することもできます。

アップコンバーターは、変調信号の周波数をより高い周波数に変換します。 この信号は、高出力アンプを使用して増幅されます。 地球局のアンテナはこの信号を送信します。

受信機

受信*中、地球局のアンテナはダウンリンク信号を受信します。 これは低レベル変調RF信号です。 一般に、受信信号の信号強度は低くなります。 そのため、この信号を増幅するために、低ノイズアンプ（LNA）*が使用されます。 これにより、信号対雑音比（SNR）値が改善されます。

RF信号は、中間周波数（IF）の値（70または140 MHz）に*ダウンコンバート*できます。 なぜなら、これらの中間周波数で復調するのは簡単だからです。

*decoder* の機能は、エンコーダーの機能とまったく逆です。 したがって、デコーダーは、エラー修正ビットを削除し、ビット位置がある場合は修正することにより、エラーのないバイナリ情報を生成します。

このバイナリ情報は、さらに処理するためにベースバンド機器に渡され、その後地上ネットワークに配信されます。

地球局アンテナ

• 地球局アンテナ*の主要部分は、給電システムとアンテナ反射器です。 結合されたこれら2つの部分は、電磁波を放射または受信します。 給電システムは相反定理に従うため、地球局アンテナは電磁波の送信と受信の両方に適しています。

• パラボラ反射器*は、地球局のメインアンテナとして使用されます。 これらの反射板のゲインは高いです。 平行ビームを、フィードシステムが配置されている焦点のポイントにフォーカスする機能があります。

追跡サブシステム

追跡サブシステム*は、衛星を追跡し、通信を確立するためにビームが衛星に向かっていることを確認します。 地球局にある追跡システムは、主に 2つの機能*を実行します。 それらは、衛星の捕捉と衛星の追跡です。 この追跡は、次のいずれかの方法で実行できます。 それらは自動追跡、手動追跡、プログラム追跡です。

地球局の例

この章では、地球局の2つの例について説明します。*受信専用ホームテレビシステム*および*コミュニティアンテナテレビシステム*です。

家庭用テレビシステムのみを受信する

放送が家庭のテレビ受信機に直接行われる場合、そのタイプのサービスはDirect Broadcast Satellite *（DBS）*サービスと呼ばれます。

メッシュタイプのリフレクターを使用して、信号を「デュアルフィードホーン」に集束させることができます。 2つの個別の出力があります。 1つの出力からCバンド信号を取得し、他の出力からKuバンド信号を取得します。

テレビ番組は主に第一世代の信号として発生します。 これらの信号は、衛星を介してCバンドのネットワークメインエンドステーションに送信されます。 これらの信号は圧縮され、デジタル形式でケーブルおよびDBSプロバイダーに送信されます。

Cバンドのユーザーは、有料テレビチャンネルに登録できます。 これらのサブスクリプションサービスは、複数のソースプログラミングが利用できるため、ケーブルと比較すると「安い」です。

DBS TVレシーバーの*ブロック図*を次の図に示します。

DBS TV受信機

室外機

屋外ユニットは、主に*受信アンテナ*と低ノイズコンバーター*（LNC）*で構成されています。 低ノイズコンバーター（LNC）は、低ノイズアンプ（LNA）とコンバーターの組み合わせに他なりません。 受信アンテナはLNCに直接供給されます。

一般に、*放物面反射器*は、ビームをより集束させるために受信ホーンアンテナとともに使用されます。

室内機

一般に、屋内ユニットに供給される信号は広帯域信号です。 この信号の周波数は、950 MHz〜1450 MHzです。 屋内ユニットでは、この信号は*アンプ*を使用して増幅されます。

増幅された信号は、トラッキングフィルターとダウンコンバーターに適用されます。 目的のチャネルを選択し、その周波数を70 MHzの*中間周波数*（IF）に変換します。

• IFアンプ*は、適切に復調するために信号強度を増幅します。 ベースバンド（復調）信号は、Vestigial Single Side Band（VSSB）信号の生成に使用されます。 この信号は、標準テレビのVHF/UHFチャンネルの1つに供給されます。

周波数変調（FM）はDBS TVで使用されます。 一方、VSSBの形式の振幅変調（AM）は、従来のテレビで使用されています。 これは、DBS TVと従来のTVの*大きな違い*です。

コミュニティアンテナテレビシステム

Community Antenna TV *（CATV）*システムは、単一の屋外ユニットと複数のフィードを使用します。 これらのフィードは、偏光の各感覚に対して個別に利用できます。 このため、すべてのチャンネルが屋内受信機で同時に利用可能になります。

CATVシステムの室内ユニットの*ブロック図*を下図に示します。

CATV

この場合、ユーザーごとに別々の受信機を用意する必要はありません。 なぜなら、すべてのキャリアは共通の受信機フィルターシステムで復調されるからです。 その後、チャネルは多重化された信号に結合されます。 この信号は、ケーブルを介して加入者（ユーザー）に送信されます。

衛星通信-リンクバジェット

衛星通信システムでは、2種類の電力計算があります。 これらは、送信電力と受信電力の計算です。 一般に、これらの計算は*リンク予算計算*と呼ばれます。 電力の単位は*デシベル*です。

まず、リンクバジェットで使用される基本的な用語について説明し、次にリンクバジェットの計算について説明します。

基本用語

等方性ラジエーター（アンテナ）は、すべての方向に均等に放射します。 しかし、実際には存在しません。 これは単なる理論上のアンテナです。 このアンテナに関して、すべての実際の（実用的な）アンテナの性能を比較できます。

電力束密度

等方性放射体が半径rの球体の中心に位置すると仮定します。 電力束密度は、電力の流れと単位面積の比率であることを知っています。

電力束密度、等方性ラジエーターの$ \ Psi_i $は

\ Psi_i = \ frac \ {p_s} \ {4 \ pi r ^ 2}

ここで、$ P_s $は電力潮流です。 一般に、実際のアンテナの電力束密度は方向によって異なります。 ただし、*最大値*は1つの特定の方向のみになります。

アンテナゲイン

実際のアンテナの*ゲイン*は、実際のアンテナの最大電力束密度と等方性アンテナの電力束密度の比として定義されます。

したがって、アンテナのゲインまたは*アンテナゲイン*、Gは

G = \ frac \ {\ Psi_m} \ {\ Psi_i}

ここで、$ \ Psi_m $は実際のアンテナの最大電力束密度です。 また、$ \ Psi_i $は、等方性放射体（アンテナ）の電力束密度です。

等価等方性放​​射電力

等価等方性放​​射電力（EIRP）は、リンクバジェットの測定に使用される主なパラメーターです。 数学、次のように書くことができます

EIRP = G \：\：P_s

EIRPは decibels で表すことができます。

\ left [EIRP \ right] = \ left [G \ right] + \ left [P_s \ right] dBW

ここで、 G は送信アンテナのゲインであり、$ P_s $は送信機の電力です。

伝送損失

一方の端で送信された電力と受信局で受信された電力の差は、*伝送損失*として知られています。 損失は​​2つのタイプに分類できます。

• 一定の損失
• 変動損失

フィーダー損失などの一定の損失は、*一定の損失*として知られています。 どのような予防策を講じたとしても、これらの損失は必ず発生します。

別のタイプの損失は、*変数損失*です。 空と気象条件は、このタイプの損失の例です。 空がはっきりしていない場合、信号は衛星に効果的に到達しないか、その逆も同様です。

したがって、これらの損失は一定であるため、手順には晴天または晴天条件による損失の計算が1 ^ st ^として含まれます。 それらは時間とともに変化しません。 次に、2番目のステップで、悪天候による損失を計算できます。

リンク予算計算

2つのリンク、つまり uplink と downlink があるため、リンク予算の計算には2つのタイプがあります。

地球局アップリンク

これは、地球が衛星に信号を送信し、衛星がそれを受信するプロセスです。 その*数学的方程式*は

\ left（\ frac \ {C} \ {N_0} \ right）_U = [EIRP] _U + \ left（\ frac \ {G} \ {T} \ right）_U-[損失] _U -K

どこで、

• $ \ left [\ frac \ {C} \ {N_0} \ right] $はノイズ密度比に対する搬送波です。
• $ \ left [\ frac \ {G} \ {T} \ right] $は衛星受信機のG/T比で、単位はdB/Kです

ここで、損失は衛星受信機のフィーダ損失を表します。 周波数に依存する損失はすべて考慮に入れられます。

EIRP値は、効果的なUPLINKのためにできるだけ低くする必要があります。 そして、これは晴れた空の状態になったときに可能です。

ここでは、アップリンク現象を表す（下付き）表記「U」を使用しました。

衛星ダウンリンク

このプロセスでは、衛星が信号を送信し、地球局がそれを受信します。 この式は衛星のアップリンクと同じですが、「U」の代わりに「D」という略語を使用してダウンリンク現象を示している点が異なります。

その*数学的*方程式は次のように書くことができます。

\ left [\ frac \ {C} \ {N_0} \ right] _D = \ left [EIRP \ right] _D + \ left [\ frac \ {G} \ {T} \ right] _D-\ left [損失\ right] _D-K

どこで、

• $ \ left [\ frac \ {C} \ {N_0} \ right] $はノイズ密度比に対する搬送波です。
• $ \ left [\ frac \ {G} \ {T} \ right] $は地球局の受信機のG/T比で、単位はdB/Kです

ここでは、地球局周辺に存在するすべての損失。

上記の式には、信号帯域幅Bは含まれていません。 ただし、それを含めると、方程式は次のように変更されます。

\ left [\ frac \ {C} \ {N_0} \ right] _D = \ left [EIRP \ right] _D + \ left [\ frac \ {G} \ {T} \ right] _D-\ left [損失\ right] _D -KB

リンク予算

地上の衛星を考慮に入れる場合、自由空間拡散損失（FSP）も考慮に入れる必要があります。

アンテナが適切に調整されていないと、損失が発生する可能性があります。 したがって、 AML （アンテナの不整合損失）を考慮します。 同様に、衛星から地球に向かって信号が来ると、地球表面と衝突し、それらの一部が吸収されます。 これらは、*「AA」*で与えられ、dbで測定される大気吸収損失によって注意されます。

これで、自由空の損失方程式を次のように書くことができます。

Losses = FSL + RFL + AML + AA + PL

どこで、

• RFLは受信したフィーダ損失を表し、単位はdbです。
• PLは偏光ミスマッチ損失を表します。

これで、受信電力の*デシベル方程式*は次のように記述できます。

P_R = EIRP + G_R +損失

どこで、

• $ P_R $は受信電力を表し、dBWで測定されます。
• $ G_r $は受信機のアンテナゲインです。

ダウンリンクの設計は、アップリンクの設計よりも重要です。 アンテナの送信とゲインに必要な電力の制限のため。

複数のアクセス手法

衛星のサービスが地球局の特定の場所に存在することもあれば、存在しないこともあります。 つまり、衛星には、地球上のさまざまな場所にある独自のさまざまなサービスステーションがある場合があります。 彼らは衛星にキャリア信号を送ります。

この状況では、複数のアクセスを行って、衛星が干渉することなく、異なるステーションから信号を取得または送信できるようにします。 以下は、* 3つのタイプ*のマルチアクセス技術です。

• FDMA（周波数分割多元接続）
• TDMA（時分割多元接続）
• CDMA（コード分割多重アクセス）

それでは、各手法を1つずつ説明しましょう。

FDMA

このタイプの多重アクセスでは、各信号に異なるタイプの周波数帯域（範囲）を割り当てます。 したがって、どの2つの信号も同じタイプの周波数範囲にしないでください。 したがって、これらの信号を1つのチャネルで送信しても、それらの間に干渉はありません。

このタイプのアクセスの完璧な*例*は、ラジオチャネルです。 各ステーションには、動作するために異なる周波数帯域が与えられていることがわかります。

FDMA

A、B、Cの3つのステーションを取り上げましょう。 私たちはFDMA技術を通してそれらにアクセスしたいです。 そこで、異なる周波数帯域を割り当てました。

図に示すように、衛星局Aは0〜20 HZの周波数範囲に維持されています。 同様に、ステーションBとCには、それぞれ30〜60 Hzと70〜90 Hzの周波数範囲が割り当てられています。 それらの間に干渉はありません。

このタイプのシステムの主な*欠点*は、それが非常にバースト的であることです。 このタイプのマルチアクセスは、動的で不均一なチャネルには推奨されません。 なぜなら、データが柔軟性に欠け、非効率的になるからです。

TDMA

名前が示すように、TDMAは時間ベースのアクセスです。 ここでは、各チャネルに特定の時間枠を与えます。 その時間枠内で、チャネルはスペクトル帯域幅全体にアクセスできます

各ステーションには固定長またはスロットがあります。 未使用のスロットはアイドル状態のままになります。

TDMA

TDMA手法で特定のチャネルに5パケットのデータを送信するとします。 そのため、帯域幅全体にアクセスできる特定のタイムスロットまたは*タイムフレーム*を割り当てる必要があります。

上の図では、パケット1、3、および4がアクティブであり、データを送信します。 一方、パケット2と5は、参加していないためにアイドル状態です。 この形式は、特定のチャネルに帯域幅を割り当てるたびに繰り返されます。

ただし、特定のタイムスロットを特定のチャネルに割り当てましたが、耐荷重能力に応じて変更することもできます。 つまり、チャネルが重い負荷を送信している場合、軽い負荷を送信しているチャネルよりも大きなタイムスロットを割り当てることができます。 これは、TDMA over FDMAの最大の*利点*です。 TDMAのもう1つの利点は、消費電力が非常に少ないことです。

注-一部のアプリケーションでは、 TDMAとFDMA の両方の手法の*組み合わせ*を使用しています。 この場合、各チャネルは特定の時間枠の特定の周波数帯域で動作します。 この場合、周波数選択はより堅牢であり、時間の圧縮に対してより大きな容量を持ちます。

CDMA

CDMA手法では、一意のコードが各チャネルに割り当てられ、互いに区別されます。 このタイプのマルチアクセスの完璧な*例*は、当社の携帯電話システムです。 2人の携帯電話番号は、同じ帯域幅を使用して企業の顧客に提供する同じXまたはYモバイルサービスですが、互いに一致するものはありません。

CDMAプロセスでは、エンコードされた信号とチッピングシーケンスの内積のデコードを行います。 したがって、数学的には

Encoded \：signal = Orginal \：data \：\：\ times \：\：chipping \：sequence

このタイプのマルチアクセスの基本的な*利点*は、すべてのユーザーが共存して帯域幅全体を同時に使用できることです。 各ユーザーは異なるコードを持っているため、干渉はありません。

この手法では、FDMAやTDMAとは異なり、多数のステーションが多数のチャネルを持つことができます。 この手法の最大の利点は、各ステーションが常にスペクトル全体を使用できることです。

衛星通信-サービス

衛星通信のサービスは、次の2つのカテゴリに分類できます。

• 一方向の衛星通信リンクサービス
• 双方向衛星通信リンクサービス

それでは、各サービスについて個別に説明しましょう

一方向衛星通信リンクサービス

• 片方向*衛星通信リンクサービスでは、情報は衛星を介して1つの地球局から1つまたは複数の地球局に転送できます。 つまり、ポイントツーポイント接続とポイントツーマルチポイント接続の両方を提供します。

以下の*図*は、一方向の衛星通信リンクサービスの例を示しています。

サテライトの仕組み

ここで、通信は* 1方向*の衛星を介して、地球上の第1地球局（送信機）と第2地球局（受信機）の間で行われます。

以下は、*片道*衛星通信リンク*サービス*の一部です。

• ラジオ、テレビ、インターネットサービスなどの放送衛星サービス。
• 遠隔測定、追跡、指揮などの宇宙運用サービス。
• 位置特定サービスのような無線決定衛星サービス。

双方向衛星通信リンクサービス

• 双方向*衛星通信リンクでは、衛星を介して任意の2つの地球局間で情報を交換できます。 つまり、ポイントツーポイント接続のみを提供します。

次の図は、双方向衛星通信リンクサービスの例を示しています。

双方向衛星通信

ここで、通信は 2 （両方）*方向*の衛星を介して、地球上の最初の地球局（送信機）と2番目の地球局（受信機）の間で行われます。

以下は、双方向衛星通信リンク*サービス*の一部です。

• 電話、ファックス、高ビットレートサービスのデータなどの固定衛星サービス。
• 陸上移動、海上および航空移動通信サービスなどの移動衛星サービス。

全地球測位システム

全地球測位システム*（GPS）*は、衛星に基づくナビゲーションシステムです。 これにより、ナビゲーションと位置特定に革命がもたらされました。 主に測位、ナビゲーション、監視、測量のアプリケーションで使用されます。

衛星航法の主な*利点*は、リアルタイムの測位とタイミングの同期です。 そのため、移動性が主要なパラメータであるほとんどのアプリケーションで、衛星ナビゲーションシステムが不可欠な部分になっています。

完全な運用GPS空間セグメントには、MEOに24個の衛星が含まれています。 これらのサテライトは6つのグループに分けられるため、各グループには4つのサテライトが含まれます。 4つの衛星のグループは、1つの*星座*と呼ばれます。 隣接する2つの星座は、経度で60度離れています。

各衛星の*軌道周期*は* 12時間*にほぼ等しい。 したがって、すべての衛星は毎日2回地球の周りを回転します。 GPS受信機はいつでも、少なくとも4つの衛星から信号を取得します。

GPSコードとサービス

各GPS衛星は2つの信号を送信します。* L〜1〜とL〜2〜*は異なる周波数です。 *三辺測量*は、GPS受信機の位置（緯度、経度、高度）を見つけるための簡単な方法です。 この方法を使用すると、3つの既知のポイントから不明なポイントの位置を測定できます。

GPSコード

2つのタイプのGPSコードは次のとおりです。

• 粗取得コードまたはC/Aコード
• 正確なコードまたはPコード

信号L〜1〜は、1.023 Mbpsの擬似ランダムビットシーケンスで変調されます。 このコードは、粗取得コードまたは* C/Aコード*と呼ばれ、一般に使用されています。

信号L〜2〜は、10.23 Mbpsの擬似ランダムビットシーケンスで変調されます。 このコードは、正確なコードまたは* Pコード*と呼ばれ、軍事測位システムで使用されます。 通常、このPコードは暗号化された形式で送信され、* Yコード*と呼ばれます

PコードのビットレートはC/Aコードのビットレートよりも大きいため、PコードはC/Aコードと比較して測定精度が向上します。

GPSサービス

以下は、GPSが提供する2種類のサービスです。

• 精密測位サービス（PPS）
• 標準測位サービス（SPS）
• PPSレシーバー*は、2つの信号L〜1〜およびL〜2〜でC/AコードとPコードの両方を追跡し続けます。 Yコードは、Pコードを取得するために受信側で解読されます。
• SPS受信機*は、信号のC/Aコード、L〜1〜のみを追跡し続けます。

GPS受信機

GPSシステムでは、衛星からユーザーへの一方向の送信のみが存在します。 したがって、個々のユーザーは送信機を必要とせず、* GPS受信機*のみを必要とします。 主にオブジェクトの正確な位置を見つけるために使用されます。 このタスクは、衛星から受信した信号を使用して実行されます。

GPS受信機の*ブロック図*を下の図に示します。

GPS受信機

GPS受信機に存在する各ブロックの機能は以下に記載されています。

• *受信アンテナ*は衛星信号を受信します。 主に、円偏波アンテナです。
• 低雑音増幅器（LNA）は弱い受信信号を増幅します
• *ダウンコンバータ*は、受信信号の周波数を中間周波数（IF）信号に変換します。
• * IFアンプ*は、中間周波数（IF）信号を増幅します。
• ADC は、IF増幅器からデジタルに取得されるアナログ信号の変換を実行します。 ADC（Analog to Digital Converter）にもサンプリングおよび量子化ブロックが存在すると仮定します。
• DSP （デジタルシグナルプロセッサ）は、C/Aコードを生成します。
• *マイクロプロセッサ*は、位置の計算を実行し、他のデジタルブロックの動作を制御するためにタイミング信号を提供します。 画面に表示するために、有用な情報を表示ユニットに送信します。