衛星コンステレーション

GPS衛星群は、 6つの軌道面に均等に配置された24個の衛星で構成されています。地球表面上の特定の地点（この例では北緯40度）から見える衛星の数が時間とともにどのように変化するかに注目してください。

衛星コンステレーションとは、システムとして連携して動作する人工衛星群のことです。単一の衛星とは異なり、コンステレーションは地球全体またはほぼ地球全体を常時カバーできるため、地球上のあらゆる場所で常に少なくとも1つの衛星が視認可能です。衛星は通常、互いに補完的な軌道面に配置され、世界中に分散した地上局と接続されます。また、衛星間通信も利用されます。

その他の衛星グループ

衛星コンステレーションは、以下のものと混同してはならない。

衛星群とは、ほぼ同一の軌道で非常に接近して移動する衛星のグループのことである（衛星編隊飛行を参照）。
衛星シリーズまたは衛星プログラム（ランドサットなど）とは、連続して打ち上げられる衛星の世代のことである。
衛星群とは、同じ製造業者または運用者による衛星のグループであり、互いに独立して機能する（システムとして機能しない）。

概要

中軌道（MEO）および低軌道（LEO）の衛星は、多くの場合、衛星コンステレーションとして配備されます。これは、単一の衛星がカバーできる範囲が狭く、軌道維持に必要な高い角速度で移動するため、その範囲も移動するからです。ある領域を継続的にカバーするには、多数のMEOまたはLEO衛星が必要となります。これに対し、静止衛星は、はるかに高い高度を飛行し、地球の自転と同じ角速度で移動する単一の衛星によって、広い領域を恒久的にカバーできます。

一部のアプリケーション、特にデジタル接続においては、MEOおよびLEO衛星コンステレーションの低高度は、静止衛星に比べて、パス損失（電力要件とコストの削減）と遅延が少ないという利点をもたらします。^{[ 2 ]}静止衛星を介した往復インターネットプロトコル伝送の伝搬遅延は600msを超えることがありますが、 MEO衛星では125ms、LEOシステムでは30msまで短縮できます。 ^[³^]

衛星コンステレーションの例としては、中軌道（ MEO）における航法および測地用の全地球測位システム（GPS）、ガリレオ、GLONASSコンステレーション、低軌道（LEO）における衛星電話サービスであるイリジウムおよびグローバルスター、メッセージングサービスであるオーブコム、太陽同期低軌道におけるリモートセンシング用の災害監視コンステレーションおよびラピッドアイ、高楕円軌道におけるロシアのモルニヤおよびツンドラ通信コンステレーション、そして低軌道におけるスターリンクおよびワンウェブから構築中であり、中軌道（MEO）におけるO3bから運用されている衛星ブロードバンドコンステレーションなどが挙げられる。

デザイン

最適化に基づく設計

衛星コンステレーションの設計（すなわち、構成要素の軌道配置の決定）は複雑な問題であり、通常は衛星から目標物への到達範囲を主要な評価指標とする。当然ながら、結果として得られるコンステレーションはミッションの要件と目標に依存し、その形状によって特徴づけられる。つまり、対称型コンステレーションか非対称型コンステレーションかのいずれかとなる。

対称的なコンスタレーションは、従来、グローバルなカバレッジを必要とするアプリケーション（例：電気通信）向けに提案されてきました。文献で提案されている注目すべき対称的なコンスタレーションには、ウォーカーデルタとスター^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}、およびロゼット^{[ 6 ]}などがあります。

非対称コンステレーションは、地域的なカバレッジ（つまり、ターゲットの分布が地球全体に均一ではなく、特定の場所に集中している）が必要な場合に一般的に採用されます。非対称コンステレーションは、災害監視^{[ 7 ]}、軌道デブリ除去^{[ 8 ]}、および月周回宇宙領域認識^{[ 9 ]}に対処するために提案されています。

大規模な衛星コンステレーションは、等価電力束密度（EPFD）の制限値に基づいて評価され、それらの合計送信電力が静止衛星サービスとの互換性を維持することが保証される。

コンステレーション設計における最適化の必要性は、設計空間における自由度の高さに起因します。例えば、ペイロード特性、必要な時間分解能（連続的か不連続的かなど）、ターゲットの分布、候補軌道などが挙げられます。コンステレーション設計に用いられる従来の最適化手法には、以下のようなものがあります。

完全な列挙^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}
混合整数線形計画法^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}
メタヒューリスティクス^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

ウォーカー星座

特定のミッションを満たす衛星コンステレーションは数多く存在する。通常、コンステレーションは、衛星の軌道、離心率、軌道傾斜角が類似するように設計されており、あらゆる摂動が各衛星にほぼ同じように影響を与える。このようにして、過剰な軌道維持を行わなくても幾何学的配置を維持できるため、燃料消費量を削減し、衛星の寿命を延ばすことができる。また、軌道面における各衛星の位相が、軌道面の交差部での衝突や干渉を避けるために十分な間隔を保つことも考慮する必要がある。

近年人気を集めている円軌道形状の一種に、ウォーカーデルタパターン星座がある。これには、ジョン・ウォーカーによって提案された、それを記述するための表記法がある。^{[ 19 ]}彼の表記法は以下のとおりである。

i: t/p/f

どこ：

iは傾向です。
tは衛星の総数である。
pは等間隔の平面の数であり、
fは隣接する平面上の衛星間の相対的な間隔です。隣接する平面上の同等の衛星の真近点角の変化（度）はf × 360 / tに等しくなります。

例えば、ガリレオ航法システムはウォーカーデルタ56°:24/3/1コンステレーションです。これは、赤道の周りの360度にまたがる3つの平面に24個の衛星が56度の傾斜で配置されていることを意味します。「1」は平面間の位相とそれらの間隔を定義します。ウォーカーデルタは、AHバラードの同様の以前の研究にちなんでバラードロゼットとしても知られています。^[⁶^]^[²⁰^]バラードの表記は(t,p,m)で、mは平面間の分数オフセットの倍数です。

もう1つの人気のあるコンステレーションタイプは、イリジウム社が使用している近極ウォーカー・スターです。ここでは、衛星は地球の片側では北向きに、もう片側では南向きに、約180度にわたる近極円軌道を周回しています。イリジウム社の全コンステレーションで稼働中の衛星は、86.4°: 66/6/2 のウォーカー・スターを形成します。つまり、位相は2つの平面ごとに繰り返されます。ウォーカー社は、星とデルタに同様の表記を使用しているため、紛らわしい場合があります。

高度が一定の円軌道の集合は、軌道殻と呼ばれることもある。

軌道殻

宇宙飛行において、軌道シェルとは、一定の固定高度で円軌道を周回する人工衛星の集合のことである。^[²¹^]衛星コンステレーションの設計において、軌道シェルは通常、同じ高度、そして多くの場合同じ軌道傾斜角を持ち、天球経度（および平均近点角）に均等に分布する円軌道の集合を指す。十分に高い傾斜角と高度の場合、軌道シェルは周回対象天体全体を覆う。その他の場合、カバー範囲はある一定の最大緯度まで広がる。

既存の衛星コンステレーションの多くは、通常、単一の軌道シェルを使用しています。複数の軌道シェルで構成される新しい大規模なメガコンステレーションが提案されています。^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}