通信衛星

1945年10月、アーサー・C・クラークは、イギリスの雑誌「ワイヤレス・ワールド」に「地球外中継」というタイトルの記事を発表した。^{[ 4 ]}この記事では、無線信号を中継するために静止軌道に人工衛星を配置する基本原理について説明している。このため、アーサー・C・クラークは通信衛星の概念の発明者としてよく引用され、「クラークベルト」という用語はその軌道を表すのに用いられる。^{[ 5 ]}

最初の人工地球衛星はスプートニク1号で、 1957年10月4日にソビエト連邦によって軌道に投入されました。これはミハイル・チホンラヴォフとセルゲイ・コロリョフによって開発され、コンスタンチン・ツィオルコフスキーの研究に基づいています。^{[ 6 ]}スプートニク1号には、20.005MHzと40.002MHz（波長7メートルと15メートル）の2つの周波数で動作するオンボード無線送信機 が搭載されていました。この衛星は地球上の1地点から別の地点へデータを送信する目的で軌道に投入されたのではなく、無線送信機は電離層全体における電波分布の特性を研究することを目的としていました。スプートニク1号の打ち上げは宇宙探査とロケット開発における大きな一歩であり、宇宙時代の始まりを告げるものでした。^{[ 7 ]}

通信衛星には、受動型と能動型の2つの主要な種類があります。受動型衛星は、送信元から来た信号を受信機の方向に反射するだけです。受動型衛星では、反射された信号は衛星で増幅されず、送信されたエネルギーのごく一部しか実際に受信機に到達しません。衛星は地球から非常に高い位置にあるため、無線信号は自由空間伝搬損失によって減衰し、地球上で受信される信号は非常に弱くなります。一方、能動型衛星は、受信した信号を増幅してから地上の受信機に再送信します。^{[ 3 ]}受動型衛星は最初の通信衛星でしたが、現在ではほとんど使用されていません。

1951年に米国海軍研究所で始まった電気情報収集の分野での研究は、通信月中継というプロジェクトにつながった。軍事計画担当者は、戦術上の必要性から安全で信頼性の高い通信回線に長年大きな関心を示しており、このプロジェクトの究極の目標は、地球の自然衛星である月をパッシブ中継器として用いた、人類史上最長の通信回線を構築することであった。 1956年1月23日にワシントンDCとハワイ間の初の海洋横断通信に成功した後、このシステムは1960年1月に正式に運用開始された。^{[ 8 ]}

通信を積極的に中継するために特別に作られた最初の衛星は、高等研究計画局(ARPA)が主導し、1958 年 12 月 18 日に打ち上げられたプロジェクト SCOREで、テープ レコーダーを使用して録音された音声メッセージを伝送し、メッセージを受信、保存、再送信しました。この衛星は、米国大統領ドワイト D. アイゼンハワーから世界へのクリスマス グリーティングを送るために使用されました。この衛星は、実際の運用開始から 8 時間後の 1958 年 12 月 30 日に非充電式バッテリーが故障するまで、いくつかのリアルタイム送信も実行しました。^{[ 9 ] [ 10 ]}

SCOREの直接の後継は、ARPA主導の別のプロジェクトであるCourierでした。Courier 1Bは、指令を受けてから再送信するまで情報を受信して​​保存する「遅延リピーター」衛星を使用して、世界的な軍事通信ネットワークを構築できるかどうかを調査するために、1960年10月4日に打ち上げられました。17日後、指令システムの障害により、衛星からの通信が途絶えました。^{[ 11 ] [ 12 ]}

NASAの衛星応用プログラムは、1960年8月12日に受動中継通信に使用される最初の人工衛星エコー1号を打ち上げた。エコー1号は、マイクロ波信号の受動反射器として機能するアルミ蒸着気球衛星であった。通信信号は、地球上の1地点から別の地点へ衛星で反射された。この実験は、電話、ラジオ、テレビ信号の世界的な放送の実現可能性を確立することを目的としていた。^{[ 12 ] [ 13 ]}

テルスターは、初の能動型直接中継通信商用衛星であり、テレビ信号の初の大西洋横断伝送を記念するものでした。衛星通信の開発に関するAT&T、ベル電話研究所、NASA、英国郵政公社、フランス郵政公社（PTT ）間の多国間協定の一環としてAT&Tが所有し、 1962年7月10日にNASAによってケープカナベラルから打ち上げられました。これは民間スポンサーによる初の宇宙打ち上げでした。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}

軍事通信を主な目的とした別の受動リレー実験は、マサチューセッツ工科大学のリンカーン研究所が主導したウェストフォード計画であった。^{[ 16 ]} 1961年の最初の失敗の後、1963年5月9日の打ち上げで3億5000万個の銅製針状ダイポールが分散され、受動反射帯が作られた。ダイポールの約半分しか適切に分離されなかったにもかかわらず、^{[ 17 ]}このプロジェクトはSHF Xバンドスペクトルの周波数を使用して実験と通信を成功させることができた。^{[ 18 ]}

静止衛星の直接の前身は、 1963年7月26日に打ち上げられたヒューズ・エアクラフト社のシンコム2号である。シンコム2号は、静止軌道にある最初の通信衛星であった。地球を1日に1回、一定の速度で周回したが、南北方向の動きがあったため、追跡には特別な装置が必要であった。^{[ 19 ]}後継機であるシンコム3号は、1964年7月19日に打ち上げられ、最初の静止通信衛星となった。シンコム3号は、南北方向の動きのない静止軌道を獲得し、地上からは空中に静止している物体のように見えた。^{[ 20 ]}

プロジェクト・ウェスト・フォードの受動実験の直接的な延長として、リンカーン実験衛星プログラムがリンカーン研究所によって米国国防総省の委託を受けて実施された。^{[ 16 ]}能動通信衛星LES -1は、能動固体Xバンド長距離軍事通信の実現可能性を探るため、1965年2月11日に打ち上げられた。このシリーズの一環として、1965年から1976年の間に合計9基の衛星が打ち上げられた。^{[ 21 ] [ 22 ]}

米国では、1962年に民間企業である通信衛星公社（COMSAT）が設立され、国家政策に関する事項については米国政府の指示に従うことになった。^{[ 23 ]}その後の2年間で、国際交渉によりインテルサット協定が締結され、1965年4月6日にインテルサット1号（アーリーバードとも呼ばれる）が打ち上げられた。これは静止軌道に投入された最初の商用通信衛星であった。^{[ 24 ] [ 25 ]} 1960年代のその後のインテルサットの打ち上げにより、海上船舶への複数目的地サービス、ビデオ、オーディオ、データサービスが提供され（1966～67年のインテルサット2号）、1969～70年のインテルサット3号で完全なグローバルネットワークが完成した。 1980年代までに、商用衛星容量が大幅に拡大し、インテルサットは競争の激しい民間通信業界の一員になりつつあり、米国ではパンアムサットのような企業から競争を受け始めていた。皮肉なことに、パンアムサットは2005年にインテルサットの最大のライバルに買収された。 ^{[ 23 ]}

インテルサットが打ち上げられたとき、打ち上げ元はソ連以外では米国のみで、ソ連はインテルサット協定に参加していなかった。^{[ 23 ]}ソ連は1965年4月23日にモルニヤ計画の一環として最初の通信衛星を打ち上げた。^{[ 26 ]}この計画は当時、後にモルニヤ軌道として知られるようになる軌道を使用した点でも独特だった。モルニヤ軌道とは、北半球上空で1日に2回高い遠地点を持つ、非常に楕円形の軌道のことである。この軌道は、赤道上の静止軌道よりも高緯度で、ロシア領土上空とカナダ上空に長時間滞在することを可能にする。^{[ 27 ]}

2020年代には、比較的低コストのインターネットサービスを提供する低軌道衛星インターネットコンステレーションの人気により、新しい静止軌道通信衛星の需要が減少した。^{[ 28 ]}

低地球軌道（ LEO）は通常、地球表面から約160～2,000キロメートル（99～1,243マイル）上空の円軌道であり、それに伴い、周期（地球を一周する時間）は約90分である。 ^{[ 30 ]} 

これらの衛星は高度が低いため、衛星直下点から半径約1,000キロメートル（620マイル）以内の範囲からしか視認できません。さらに、低軌道衛星は地上に対する位置が急速に変化します。そのため、たとえローカルな用途であっても、途切れることのない通信接続が必要な場合は、多数の衛星が必要となります。 

低軌道衛星は静止衛星よりも軌道投入コストが安く、地上に近いため、それほど高い信号強度を必要としません（信号強度は送信源からの距離の二乗に反比例して低下するため、その影響は大きい）。したがって、衛星の数とコストの間にはトレードオフが存在します。

さらに、2種類の任務を支援するために必要な機上および地上設備にも重要な違いがある。

連携して動作する衛星群は、衛星コンステレーションと呼ばれます。衛星電話と低速データサービスを主に遠隔地に提供することを目的とした、そのようなコンステレーションの例として、イリジウムシステムとグローバルスターシステムが挙げられます。イリジウムシステムは66基の衛星から構成され、軌道傾斜角は86.4°、衛星間リンクにより地球表面全体でサービスが利用可能です。スターリンクは、 SpaceXが運用する衛星インターネットコンステレーションで、グローバルな衛星インターネットアクセス網の構築を目指しています。

地球のある地域を通過する際に受信したデータを保存し、別の地域を通過する際に送信できる低軌道衛星を使用することで、断続的な通信サービスを提供することも可能です。カナダのCASSIOPE通信衛星のCASCADEシステムがこれに該当します。この保存転送方式を採用している別のシステムとしてOrbcommがあります。

中軌道衛星とは、地球表面から2,000～35,786キロメートル（1,243～22,236マイル）の軌道上にある衛星のことです。MEO衛星は、機能的にはLEO衛星と似ています。MEO衛星はLEO衛星よりもはるかに長い時間、通常2～8時間観測可能です。MEO衛星はLEO衛星よりも広い範囲をカバーします。MEO衛星は観測時間が長く、カバー範囲も広いため、LEOネットワークよりもMEOネットワークに必要な衛星の数が少なくて済みます。MEO衛星の欠点の1つは、距離が遠いため、LEO衛星よりも時間遅延が長く、信号が弱くなることですが、これらの制限はGEO衛星ほど深刻ではありません。 

低軌道衛星と同様に、これらの衛星も地球から一定の距離を保ちません。これは、衛星が常に地球から35,786キロメートル（22,236マイル）の距離にある静止軌道とは対照的です。 

通常、中軌道衛星の軌道は地球上空約16,000キロメートル（10,000マイル）です。^{[ 31 ]}これらの衛星はさまざまなパターンで、2時間から8時間で地球を一周します。 

地球上の観測者から見ると、静止軌道上の人工衛星は、空中で静止しているように見えます。これは、人工衛星が地球と同じ角速度（恒星日で1回転、赤道軌道）で地球の周りを公転しているためです。

静止軌道は、地上アンテナを衛星に向けて設置できるため、衛星の動きを追跡する必要がなく、通信用途に有用です。これは比較的低コストです。

DirecTVの配信など、多数の地上アンテナを必要とする用途では、地上設備のコスト削減効果は、衛星を軌道に乗せる際のコストと複雑さを上回る可能性がある。

静止衛星は赤道上空で運用されるため、受信機が赤道から遠ざかるにつれて地平線上の位置が低くなります。このため、極北緯度地域では接続性に影響が出たり、マルチパス干渉（地面で反射した信号が地上アンテナに伝わることで発生する干渉）が発生したりするなど、問題が生じます。

そのため、北極（および南極）に近い地域では、静止衛星が地平線の下に隠れてしまう可能性がある。そこで、この問題を軽減するために、主にロシアでモルニヤ軌道衛星が打ち上げられた。

このような場合、モルニヤ軌道は魅力的な選択肢となり得る。モルニヤ軌道は軌道傾斜角が大きいため、軌道の北側部分において特定の位置で良好な仰角を確保できる。（仰角とは、衛星の位置が地平線からどれだけ上にあるかを示す値である。したがって、地平線上の衛星の仰角は0度、真上にある衛星の仰角は90度となる。）

モルニヤ衛星の軌道は、衛星がその時間の大部分を極北緯度上空で過ごすように設計されており、その間、地上の観測範囲はわずかにしか移動しません。軌道周期は半日であるため、衛星は2周回ごとに6～9時間、対象地域で運用可能です。このようにして、3基のモルニヤ衛星（および軌道上の予備機）からなるコンステレーションは、途切れることのない観測範囲を提供できます。

モルニヤシリーズの最初の衛星は1965年4月23日に打ち上げられ、モスクワのアップリンク局からシベリアとロシア極東のノリリスク、ハバロフスク、マガダン、ウラジオストクにあるダウンリンク局へのテレビ信号の実験的送信に使用された。1967年11月、ソ連の技術者たちは、モルニヤ衛星を基盤とした、オルビタと呼ばれる独自の全国衛星テレビネットワークシステムを構築した。

米国では、NASA（米国航空宇宙局）とNOAA（米国海洋大気庁）の極軌道衛星運用を統合するために、1994年に国家極軌道運用環境衛星システム（NPOESS）が設立されました。NPOESSは、気象衛星METSAT、欧州支局のEUMETSAT、気象運用用のMETOPなど、さまざまな目的のために多数の衛星を管理しています。

これらの軌道は太陽同期軌道であり、毎日同じ現地時間に赤道を通過します。例えば、NPOESS（民間）軌道上の衛星は、南から北へ向かって、午後1時30分、午後5時30分、午後9時30分に赤道を通過します。

静止軌道を超えて専用通信衛星を運用するための計画や取り組みが進められています。NASAは、月周回軌道上の宇宙船や施設に「月面インターネット」を提供するデータネットワークとしてLunaNetを提案しました。Moonlight Initiativeは、ESAの同等のプロジェクト^{[ 33 ] [ 34 ]}で、互換性があり、月面への航行サービスを提供するとされています。どちらのプログラムも、月を周回するさまざまな軌道上の複数の衛星からなる衛星コンステレーションです。

他の軌道も使用される予定です。地球をカバーする通信衛星が静止軌道上の通信衛星と同様に、月をカバーする通信衛星のために地球-月-秤動点の位置も提案されています。 ^{[ 35 ] [ 36 ]}また、火星の周囲軌道上の専用通信衛星が、火星テレコミュニケーションズオービターなどの表面およびその他の軌道上のさまざまなミッションをサポートすることも検討されています。

通信衛星の最初で歴史的に最も重要な用途は、大陸間長距離電話でした。固定電話網（PSTN）は、固定電話からの通話を地球局に中継し、そこから静止衛星に送信されます。ダウンリンクも同様の経路をたどります。20世紀後半、光ファイバーを用いた海底通信ケーブルの改良により、固定電話における衛星の利用はやや減少しました。

衛星通信は今日でも多くの用途で使用されています。アセンション島、セントヘレナ島、ディエゴガルシア島、イースター島など、海底ケーブルが敷設されていない離島では、衛星電話が必要です。また、南米、アフリカ、カナダ、中国、ロシア、オーストラリアの広大な地域など、一部の大陸や国には、固定電話による通信がほとんど、あるいは全く存在しない地域もあります。衛星通信は、南極大陸やグリーンランドの端にも接続を提供します。衛星電話のその他の陸上での利用としては、海上掘削装置、病院のバックアップ、軍事、レクリエーションなどがあります。海上を航行する船舶や航空機も、衛星電話をよく利用します。^{[ 37 ]}

衛星電話システムは、さまざまな方法で実現できます。大規模な場合、多くの場合、孤立した地域にローカル電話システムがあり、本土の電話システムに接続されています。また、無線信号を電話システムに接続するサービスもあります。この例では、ほぼあらゆる種類の衛星を使用できます。衛星電話は、静止衛星または低軌道衛星のコンステレーションに直接接続します。通話は、公衆交換電話網に接続された衛星テレポートに転送されます。

テレビが主要市場となるにつれ、比較的少数の広帯域幅の信号を多数の受信機に同時に配信するという需要が、静止軌道上の通信衛星の能力により合致するようになった。北米のテレビとラジオには、直接放送衛星（DBS）と固定サービス衛星（FSS）の2種類の衛星が使用されている。

北米以外、特にヨーロッパにおけるFSS衛星とDBS衛星の定義は、やや曖昧です。ヨーロッパで直接家庭向けテレビ放送に使用される衛星のほとんどは、北米のDBS級衛星と同じ高出力ですが、FSS級衛星と同じ直線偏波を使用しています。その例としては、ヨーロッパ大陸上空を周回するAstra、Eutelsat、Hotbird衛星などが挙げられます。そのため、FSSとDBSという用語は北米大陸でより広く使われており、ヨーロッパではあまり一般的ではありません。

固定サービス衛星は、CバンドとKu_バンドの下部を使用します。通常、テレビネットワークやローカル系列局との間で放送フィード（ネットワーク番組やシンジケート番組の番組フィード、生中継、バックホールなど）を送受信するために使用されるほか、学校や大学による遠隔教育、ビジネステレビ（BTV）、ビデオ会議、および一般的な商用通信にも使用されます。FSS衛星は、ケーブルテレビのヘッドエンドに全国ケーブルチャンネルを配信するためにも使用されます。

無料放送の衛星テレビチャンネルも、通常はFSS衛星の_Kuバンドで配信されています。北米上空を飛行するIntelsat Americas 5、Galaxy 10R、AMC 3衛星は、 _Kuバンドのトランスポンダで非常に多くの無料放送チャンネルを提供しています。

アメリカのDish Network DBSサービスも最近、 SuperDishアンテナを必要とする番組パッケージにFSS技術を採用しました。これは、Dish NetworkがFCCの「必須放送」規制に従ってローカルテレビ局を放送するための容量を増やす必要があり、またHDTVチャンネルを放送するための帯域幅を増やす必要があったためです。

直接放送衛星は、小型のDBS衛星アンテナ（通常_、直径18～24インチまたは45～60cm ）に送信する通信衛星です。直接放送衛星は一般的にマイクロ波Kuバンド の上部で動作します。DBS技術は、米国におけるDirecTV、DISH Network、Orby TV ^{[ 38 ]}、カナダにおけるBell Satellite TV、Shaw Direct 、英国、アイルランド、ニュージーランドにおけるFreesat、Sky 、南アフリカにおけるDSTVなど、 DTH（Direct-To-Home）指向の衛星テレビサービスに使用されています。

DBSよりも低い周波数と低い電力で動作するFSS衛星は、受信に非常に大きなパラボラアンテナを必要とします（Kuバンドでは直径3～8フィート（1～2.5メートル）_、 Cバンドでは12フィート（3.6メートル）以上）。トランスポンダのRF入力と出力には直線偏波を使用しますが（DBS衛星が使用する円偏波とは対照的）、これはユーザーが気づかない小さな技術的違いです。FSS衛星技術は、もともと1970年代後半から1990年代初頭にかけて米国でDTH衛星テレビにTVRO （テレビ受信専用）受信機とパラボラアンテナの形で使用されていました。また、現在は廃止されたPrimestar衛星テレビサービスでも_Kuバンドの形で使用されていました。

DirecTVのSPACEWAY-1衛星やAnik F2など、K _aバンドのトランスポンダを搭載した衛星がいくつか打ち上げられています。NASAとISRO ^{[ 39 ] [ 40 ]}_{も最近、K a}バンドビーコンを搭載した実験衛星を打ち上げました。^{[ 41 ]}

一部のメーカーは、DBSテレビのモバイル受信専用のアンテナも開発しています。これらのアンテナは、 GPS（全地球測位システム）技術を基準として、車両（アンテナが取り付けられている場所や向きに関係なく）の位置に関係なく、自動的に衛星に照準を合わせます。こうしたモバイル衛星アンテナは、一部のキャンピングカー所有者に人気があります。また、ジェットブルー航空も、DirecTV（ジェットブルーの子会社であるLiveTVが提供）の視聴にこうしたモバイルDBSアンテナを使用しており、乗客は座席に設置された液晶画面で機内から視聴できます。

衛星ラジオは、特にアメリカ合衆国をはじめとする一部の国で音声放送サービスを提供している。モバイルサービスを利用すれば、リスナーは大陸内を自由に移動しながら、どこにいても同じ音声番組を聴くことができる。

衛星ラジオ、または有料ラジオ（SR）とは、通信衛星によって送信されるデジタル無線信号であり、地上無線信号よりもはるかに広い地理的範囲をカバーする。

アマチュア無線家は、アマチュア無線通信専用に設計されたアマチュア衛星を利用できます。こうした衛星のほとんどは宇宙中継器として機能し、UHFまたはVHF無線機器と八木アンテナやパラボラアンテナなどの指向性の高いアンテナを備えたアマチュア無線家が一般的に利用します。打ち上げコストの関係上、現在のアマチュア衛星のほとんどは比較的低い地球軌道に打ち上げられ、一度に限られた数の短時間の交信のみに対応するように設計されています。一部の衛星は、X.25などのプロトコルを使用してデータ転送サービスも提供しています。

1990年代以降、衛星通信技術はブロードバンドデータ接続を介してインターネットに接続する手段として利用されるようになった。これは、遠隔地に居住しブロードバンド接続を利用できないユーザーや、高いサービス可用性を必要とするユーザーにとって非常に有用である。

通信衛星は、グローバル指揮統制システムなどの軍事通信用途に使用されます。通信衛星を使用する軍事システムの例としては、米国のMILSTAR、DSCS、FLTSATCOM 、 NATO衛星、英国の衛星（例えばSkynet）、旧ソ連の衛星などがあります。インドは初の軍事通信衛星GSAT-7を打ち上げ、そのトランスポンダはUHF、F、C、K _uバンドで動作します。^{[ 42 ]}通常、軍事衛星はUHF、SHF （ Xバンドとも呼ばれる）、またはEHF（K _aバンドとも呼ばれる）周波数帯で動作します。

地上付近の現場環境モニタリング機器は、通信衛星を使用して一方向のデータ伝送または双方向操作（テレメトリ、テレコントロール、リモート診断）を行う場合があります。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}

これは、気象衛星の副ペイロード（GOESやMETEOSAT、その他Argosシステムに含まれる衛星など）を利用する場合もあれば、専用衛星（ SCDなど）を利用する場合もある。必要なデータレートは、一般的にブロードバンド衛星インターネット接続よりもはるかに低い。

応用分野には、水文学、海洋学、気象学、地震学などがある。計測機器には、潮位計、気象観測所、気象ブイ、ラジオゾンデなどがある。^{[ 46 ] [ 47 ]}