中継衛星：有人宇宙飛行と深宇宙探査をより便利にする

2022年7月13日、我が国の長征3号Bロケットは天聯2号03号衛星を所定の軌道に打ち上げ、我が国の第二世代の静止軌道データ中継衛星のネットワーク化と運用に成功したことを記念しました。中低軌道宇宙船の全世界のカバレッジに対応し、24時間途切れない通信を提供します。

第2世代衛星システムネットワークの概略図（出典：中国航天科学技術公司第五研究院）

リレー衛星とは何ですか？

追跡およびデータ中継衛星は、中継衛星とも呼ばれ、宇宙船に中継通信サービスを提供することを主な任務とする衛星通信衛星の一種です。

このような衛星が登場した主な理由は、有人宇宙飛行の開発の必要性によるものです。周知のとおり、有人宇宙船や宇宙ステーションは低軌道上で運用されるため、地上局をどれだけ高密度に配置しても、24時間途切れることのない通信接続を確保することは困難です。有人飛行は危険な試みです。わずか数分の通信中断でも地上管制官は恐怖を感じ、通信リンクが失われるとテレメトリ データが不完全になる可能性もあります。有人飛行中に通信が途絶える主な理由は、地球自体が地上局と宇宙船の間の視線を遮ることです。したがって、一群の衛星を静止軌道上に展開し、宇宙船がこれらの衛星と通信して情報を地上の管制センターに中継すれば、通信が途切れる現象は基本的に排除できます。

米国の中継衛星システム

世界初の追跡・データ中継衛星は、NASA の追跡・データ中継衛星システム (TDRSS) でした。 NASA は 1960 年代初頭に、世界中に分散したアンテナと電話交換機で構成される宇宙船追跡およびデータ収集ネットワーク (STADAN) を構築しました。低軌道宇宙船の軌道周期は約90分であり、このネットワークはその時間のうち15分間、地上から宇宙への通信サービスを提供できます。有人宇宙飛行を完全にカバーするために、NASA は深宇宙ネットワーク (DSN) と連携してアポロ計画を支援する有人宇宙飛行ネットワーク (MSFN) を設立しました。

1970年代にスペースシャトル計画が確立された後、NASAは上記のネットワークの機能が重複していることを発見し、MSFNとSTADANを宇宙船追跡およびデータネットワーク（STDN）に統合しました。しかし、STDN には大きな欠点もあります。特に、ネットワークが世界中に広がる地上局で構成されており、ホスト国の政治的変化の影響を受けやすいことです。高い信頼性とより高速なデータ伝送を維持するために、NASA は宇宙ベースの通信ノードを使用してシステム機能を強化する研究を開始しました。これがTDRSSの起源です。

1980 年代から 1990 年代にかけて、米国はスペースシャトルと打ち上げロケットを使用して多数の TDRSS 衛星を配備しました。現在、米国は10機以上のTDRSS衛星を軌道上に保有している。

中継衛星は従来の通信衛星とは異なります。地上局は固定されていますが、中低軌道上の宇宙船は高速で移動しています。宇宙船、宇宙ステーション、同期軌道衛星間の正確な捕捉と追跡の問題を解決する必要があります。同時に、十分な通信帯域幅を確保するために、中継衛星は衛星間リンクを実現するために大口径の追跡アンテナを使用する必要があり、捕捉および追跡機能に対する要求は非常に高くなります。このような大型の追跡アンテナは絶えず振動する必要があり、衛星の姿勢維持にも大きな課題をもたらします。

中国の天連衛星システム

中国は1980年代初頭に中継衛星の研究を始めた。 2003年、中国は東方紅3号衛星プラットフォームを使用して、天聯1号中継衛星の開発を開始しました。 2008年4月までに、天聯1号衛星の打ち上げに成功しました。この衛星はすぐに重要な役割を果たし、神舟7号宇宙船の追跡および制御範囲を以前の6機の宇宙船の18％から50％に拡大しました。

2011年7月の天聯1-02号の打ち上げ成功により、宇宙船の軌道カバー率は85%に達した。 2012年7月、天聯1号03号が打ち上げに成功しました。 3機の天聯1号衛星はそれぞれアフリカ、インド洋、太平洋上に配備され、宇宙船の軌道のほぼ100%のカバー率を達成した。 2016年12月、天聯1号01号衛星に代わる04号衛星の打ち上げに成功した。天聯1号05号衛星は2021年7月に打ち上げに成功した。この一連の衛星の打ち上げにより、中国は米国に次いで世界をカバーする中継衛星システムを持つ2番目の国となった。天聯1号は、神舟宇宙船、宇宙実験室、宇宙ステーションなどの有人宇宙船にデータ中継や計測・制御サービスを提供し、特に宇宙でのランデブーやドッキングミッションのサポートに大きな役割を果たしています。

2010年、中国は天聯2号衛星の開発を開始した。天聯2号は大型の東方紅4号プラットフォームを採用しており、積載量と発電能力が大幅に向上している。その結果、天聯2号はより先進的なペイロード技術と複数の新型アンテナを採用することができ、伝送速度が1倍に向上しました。天聯2-01号は2019年3月に打ち上げられ、天聯2-02号は2021年12月に無事に打ち上げられました。

天連衛星システムは、神舟7号から神舟14号までの有人宇宙船、天舟1号から4号までの貨物宇宙船、天宮1号標的宇宙船、天宮2号宇宙実験室に順次サービス提供してきました。宇宙ステーションの建設と運用も、天聯シリーズの衛星のサポートから切り離すことはできません。中央指導部と宇宙飛行士乗組員との会話や宇宙ステーションでの「宇宙授業」も天聯シリーズの衛星の支援を受けて行われている。

天聯1号05号衛星のシミュレーション画像（出典：中国航空宇宙科学技術第五研究院）

データ中継衛星は、キャリアロケットの打ち上げ追跡制御サービス、各種リモートセンシング衛星の軌道上追跡制御およびデータ伝送サービスなど、さまざまな宇宙活動をサポートすることもできます。たとえば、2022年4月に打ち上げられたChinaSat 6Dは、中国初の中継追跡制御技術を採用した商用衛星です。計測・制御情報は天聯衛星を介して地上局に送信され、海外の計測・制御拠点や計測船への依存度が低減されます。現在、天聯衛星は中低軌道リモートセンシング、地図作成、気象衛星などのサービスも提供しており、毎日非常に忙しくしています。

深宇宙探査における中継衛星

中国には、月周回軌道に配備された「鵲橋」衛星という別のタイプのデータ中継衛星もある。嫦娥4号探査機は月の裏側に着陸する予定で、着陸地点と地球の間の視界が遮られる。データ中継をしなければ、地上の人間は嫦娥4号に何が起こっているのか分からない。鵲橋衛星は地球・月L2地点に配置され、定期的な軌道制御によって周期的な運動を行い、軌道の安定性を維持している。地上測定および制御コマンドは鵝橋経由で嫦娥4号に送信されます。嫦娥4号と玉兔2号が撮影した動画や収集したデータは、まず鵝橋衛星に送信され、その後地球に送り返される。

2018年5月、鵲橋衛星が宇宙に打ち上げられ、人類の宇宙史上画期的な成果を達成した。 2019年1月3日、鵲橋中継衛星は嫦娥4号の月面着陸と2機の分離を成功裏にサポートし、世界中にセンセーションを巻き起こした。 NASAはかつて、鵲橋が米国の月面着陸活動に支援を提供できるかどうかを提案したことがある。しかし、米国議会自体が課した法的制限により、これは達成できませんでした。

火星の軌道上では、多数のデータ中継衛星も活動している。ただし、これらの衛星は専用ではなく、軌道上の探査機にデータ中継ペイロードを搭載しています。中国の「天問1号」や欧州の「微量ガス検知器」などのモデルには、そのような機能が備わっています。これらは着陸船と地球の間のデータブリッジとして機能します。将来の恒星間探査では、軌道衛星がデータ中継の役割も果たすのが標準となるでしょう。