衛星－地上局間光空間通信のための実環境データ 情報収集

2013.9/14
衛星－地上局間光空間通信のための実環境データ
情報収集システムの概要
The Outline of the Environmental-data gathering system for
Satellite-to-Ground Stations Optical Communications
鈴木健治† 久保岡俊宏† 布施哲治‡ 山本伸一† 辻宏之†
森川栄久† 高山佳久† 國森裕生† 豊嶋守生†
独立行政法人情報通信研究機構ワイヤレスネットワーク研究所
†宇宙通信システム研究室
‡経営企画部
あらまし 衛星-地上局間光空間通信において，地上のネットワーク網で繋がれた複数の地上局間でサイトダイバー
シティを組めば，いずれかの地上局で確実に回線が確立できると考えられる．定性的にはある程度離れた地上局間
であれば，どちらかの局で晴天域が確保でき，通信可能と考えられるが，定量的・統計的に気象観測データに基づ
いたデータの蓄積を行い解析処理することにより，その有効性を示す必要がある．そのため，日本列島の緯度経度
の離れた複数地点の実環境データを長期的に収集し，蓄積・解析するシステムを配備することとなったので，その
概要について紹介する．
１．はじめに
観測衛星のセンサが高分解能するのに伴い観測データの大
的に実環境データの蓄積・解析を行うことを計画している．
２．実環境データ情報収集システム
容量化が進んでいる．例えば，観測衛星に光衛星間通信シス
図１に実環境データ情報収集システムの構成図を示す．実
テムが搭載され静止データ中継衛星まで 1.5Gbps～2.5Gbps
環境データ情報収集装置には表１に示す観測センサを用意す
の通信容量で伝送されても，静止データ中継衛星から地上局
る．晴天域を識別するための全天モニタカメラ，雲量・雲高
にダウンリンクするフィーダリンクが細くては折角得られた
計と各種気象測器のデータを収集する．各種気象測器につい
データをリアルタイムにダウンロードすることができない．
ては観測データの信頼性を確保するため気象庁検定相当品と
静止データ中継衛星から地上局へのフィーダリンク，或いは
した．各観測局で収集された実環境データは地上のネットワ
観測衛星から直接地上局へのダウンリンクについて光または
ークを介して設定した時間間隔で伝送される．基本的には実
ミリ波等を用いた広帯域な衛星通信システムの検討が必要と
環境データ情報収集装置の制御はすべてセンター局から行い
なる．しかし，光またはミリ波等は雲または降雨による減衰
完全無人運用を可能とする．
によって通信が途絶えてしまう．光衛星通信に関して晴天域
がどのような広がりがあるのかこれまで気象衛星「ひまわり」，
アメダス等，気象庁のデジタル気象統計情報を利用した解析
の研究は行われてきているが[1][2]，実際の周回衛星軌道を考
慮したサイトダイバーシティ効果が，解析可能な統計的晴天
域分布、雲量・雲高等の長期的な収集・蓄積，解析からの検
証はまだ行われていない．そこで情報通信研究機構関連施設
等の地理的広がりを生かし，光空間通信の実運用に必要な実
環境データ情報を収集する装置を全国 10 ヵ所に配備し長期
図１
実環境データ情報収集システム構成図
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表１
観測センサ一覧
観測センサ
1)全天カメラ
2)雲量・雲高計
3)外気温度
仕様
カラーCCD 魚眼レンズによる全天モニタ VGA
度内の雲量・雲高の推定が可能となる．温度が低ければ晴天
域であり雲が出てくれば温度が上昇し曇り空と判定される．
実環境データ情報収集装置の設置場所としては全天カメラ
画像
の視野を広くとるため，なるべく仰角 15 度以上の見通しがあ
天頂視野角約 60 度，及び全天４分割方向の 5 方
ること，雲量・雲高計のため屋上設置の場合に空調機の室外
向に赤外放射温度計：雲量精度±6% ，雲高範囲
機からの温風の影響を受けにくい場所を選択している．実環
0m～8000m ，雲高精度±200m
境データ情報収集装置は図５に示す全国の情報通信研究機構
-60℃～60℃ ，精度 20℃において 0.2℃以
関連施設の 10 ヵ所に設置する．
内）
，
4)湿度
0%～100%RH ，精度±1%RH(0～90%)以
内，±1.7%RH(90～100%)以内，強制通風筒，
または自然通風シェルターを使用
5)気圧
500～1100hPa ，分解能 0.01hPa ，精度±
0.15hPa 以内
6)照度・日射量
0～2000W/m^2
7)風向・風速
計測範囲 50m/secMax，耐風速 100m/sec
8)雨量計
転倒ます式ヒータ付雨量計：精度：雨量 20mm
図３
モノクロ CCD による全天カメラ撮像例
以下±0.5mm 以内 20mm を超える時±３％
図２に地上平置きの実環境データ情報収集設置例を示す．
設置場所において耐風速 50m/sec（最大瞬間風速：ただし沖
縄については耐風速 90m/sec とする）で設置し観測装置の一
部が飛散しない設計とする．
図４
図２
赤外放射温度トレンド
実環境データ情報収集装置及び衛星通信装置設置例
全天カメラでとらえたモノクロＣＣＤによる全天の様子を
図３に示す．今回導入するのはカラーＣＣＤ魚眼レンズを用
いるため晴天域と雲の領域がモノクロＣＣＤに比べて夜間で
も判別がし易くなると期待している．図４に赤外放射温度の
トレンドグラフを示す．温度の変化からセンサ方向視野角 60
図５
実環境データ情報収集装置設置場所
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３．実環境データ情報収集解析表示サーバ
各実環境データ情報収集装置で収集した実環境データは
NICT 小金井に設置する実環境データ情報収集解析表示サー
バに蓄積し，衛星-地上局間光空間通信を行うためのウインド
ウがどの程度確保できるかについて解析する．環境データ情
報収集解析表示サーバは以下の機能を有する．
実環境データ情報収集解析表示サーバは，各実環境データ
情報収集装置の状況を監視しデータ取得間隔等を設定する．
定期的に伝送される実環境データ情報から推定データとして
全雲量・晴天率（晴天域判定），可視判定等及び，日平均等の
統計データ情報処理を行いあわせてデータベースに登録する．
全実環境データ情報収集装置の全天モニタカメラ画像及び，
実環境データ情報の最新値を含むトレンドグラフをブラウザ
上に表示する． また，過去データ検索・表示機能として，観
測局，観測日時，雲量・雲高，気象測器データ等の範囲を検
索条件として指定し，検索結果の一覧，グラフ化し，検索結
果に対する全天モニタカメラ画像を表示することができる．
さらに，仮想的な人工衛星の TLE 軌道要素を入力とし，実
環境データ情報から各観測局の可視（晴天域）推定を行い，
人工衛星の可視範囲にある観測局及び観測時間から実環境デ
ータ情報を検索し表示するとともに，光衛星通信可能時間率
の統計処理を行う．
４．おわりに
光空間通信に使用するレーザ波長と実環境データ情報との
相関を検証し，少なくとも 2 年間の実環境データ情報を収
集・蓄積し解析して，衛星－地上局間の光空間通信回線確立
のためのサイトダイバーシティによる衛星パス時における見
通し予測を行い，最適地上局の選択アルゴリズムを検討する
予定である．
参考文献．
[1] 高山佳久，豊嶋守生，“低軌道衛星と地上局間における光通信の
実施頻度に関する検討”，信学論文誌 B, J94-B, 3, pp. 402-408 (2011).
[2] H. Ninomiya, Y. Takayama, H. Fukuchi, "Diversity Effects in
Satellite-Ground Laser Communications using Satellite Images",
AIAA International Communications Satellite Systems Conference
(ICSSC-2011), 2011-8033, pp. 1-5 (2011/11/28-12/1, Nara, Japan)