2020-11-02 JAXA
地球観測衛星の高性能化に伴い発生する大容量の観測データを地上に送るためには、高速伝送システムが必要とされています。特に、発災時における緊急観測によって得られた観測データは重要度が高く、 観測を行ってから短い時間で大容量のデータを地上に送ることができる高速伝送システムが必要になります。
本研究では、衛星－地上局間の伝送システムの高速化の研究開発を実施しています。
これまでの研究成果
これまでの成果としてX帯（8GHz帯の周波数）を使用した通信システムの高速化と小型軽量化を目指し、「高速マルチモード変調器（XMOD）」を開発しました。 このXMODは2014年に打上げられた陸域観測技術衛星2号「だいち2号」に搭載され、伝送速度800Mbps（2014年時点で地球観測衛星として世界最高レベル）を実現しました。
- コンポーネントカタログ：高速マルチモード変調器（XMOD）
- 広報誌「宇宙開発最前線！ Vol.4, 2014 Autumn」
- 第26回電波功績賞 一般社団法人 電波産業会 会長表彰「陸域観測技術衛星2号(だいち2号)搭載用合成開口レーダ及びデータ伝送システムの開発」
開発した高速マルチモード変調器（XMOD）外観
パドル展開中の「だいち2号」XMODにより送信された画像
X帯の電波は降雨などの影響を受けにくい性質があることから、信頼性が高い通信が可能ですが、それ故に、使用する衛星数が増加し電波干渉問題が顕在化しつつあります。また、使用可能帯域幅の限界を迎えつつあります。
研究の意義価値
2020年代に必要とされる大容量データ伝送の要求に応えるために、地球観測衛星から直接または中継衛星を介して行うデータ伝送の大容量化を行います。Ka帯周波数を利用することで、地球観測衛星から地上局への伝送速度を平均8Gbps、 静止中継衛星から地上局へのデータ伝送速度を16Gbpsとしつつも、コンパクトな伝送システムを実現させます。
実現させる地球観測データ伝送システム
また、DVB-S2X規格*で用いられる伝送フォーマットを採用することで、世界中の多くの衛星オペレータで運用可能な通信システムを目指します。*DVB(Digital Video Broadcasting)-S2X：欧州電気通信標準化機構（ETSI）が定める通信標準規格
研究の目標
1. 伝送速度向上技術
1-1. 多値変調方式（High-order Modulation）
だいち2号（ALOS-2）以降に使用されてきた16QAM（Quadrature Amplitude Modulation）方式で実現した周波数利用効率 4 [bit/s/Hz] を1.5倍の 6 [bit/s/Hz] 以上に高めることで、さらなる高速化を実現します。 衛星搭載機器の低リソース化のため、QAM方式よりも信号歪みに強い、APSK（Amplitude Phase Shift Keying）方式を採用します。
変調方式の多値化による周波数利用効率の向上
1-2. 伝送路多重化
最も効率よく伝送容量を向上させるために、Ka帯を利用した帯域幅の拡大（X線利用時の4倍）を行うだけでなく、偏波多重化を組み合わせた広帯域化を図り、1受信局あたり最大3GHzを利用した伝送を行います。
多重伝送路の構成案
2. 受信SNRの改善
衛星の等価等方輻射電力（EIRP）は電波法で定められる電力束密度よりも大きくできない（PFD制限）ことから、広帯域化およびKa帯電波の降雨減衰を補償するために、通信品質に必要なSNR（信号対雑音電力比）の低減を図ります。
2-1. 衛星増幅器の低歪み化（Linearization）
電力増幅器の入出力特性の非線形性を事前に補償するディジタル・プリディストーション（DPD）技術を適用することで、電力増幅器を最大出力電力付近で動作させたときに増幅器出力に現れる信号歪み成分を抑圧します。 これにより、高出力と高品質を両立させるだけでなく、消費電力の低減を実現できます。
ディジタル・プリディストーション（DPD）により低減された信号歪み
2-2. 高利得誤り訂正符号の採用
誤り訂正符号を従来使用してきたReed-Solomon符号から、LDPC（Low Density Parity Check）符号とBCH符号の連接符号に変更することで、通信経路上で生じるビット誤りをより多く訂正可能とし、 要求される通信品質の実現に必要となる受信信号電力を低減します。
2-3. 両偏波アンテナの高交差偏波識別度化
偏波面の違いを利用した偏波多重伝送により同じ周波数帯を利用して通信路容量を2倍にすることが可能です。偏波多重伝送では、主偏波信号成分と交差偏波信号成分を識別できる度合い（交差偏波識別度：XPD）を高く維持可能な広帯域アンテナを実現させることで通信性能を維持した大容量通信が可能となります。民間企業と共同研究により、積層造形技術を用いることで低コスト・短納期な製造性に優れたアンテナの実現を目指します。
3. 伝送方式の最適化による通信路容量の最大化
従来の固定符号化率変調（CCM）方式から、事前に決められた仰角等で通信速度の切替えを行う可変符号化変調（VCM）方式や、降雨等の電波環境の条件に対して適応的に通信速度の切替えを行う適応符号化変調（ACM）方式、 再送制御等の地上システムとの連携が必要な通信速度制御技術の導入により、与えられた通信システムで実現される通信路容量を最大化します。
地球観測衛星におけるACM方式の運用イメージ（変調方式、伝送速度は一例）
3-1. RAISE-2によるVCM方式運用の技術実証
JAXAでは小型実証衛星2号機によりVCM技術の軌道上実証を行いました。地上局の可視中に変調方式をQPSK、8PSK、16APSK、32APSK、64APSKと動的に切り替えてデータ伝送速度の変更を行いましたが、全17 回の運用で一度もデータが欠けることなく通信可能できました。VCMの採用により、従来の固定符号化変調（CCM）と比べて、最大1.8倍までデータ伝送量を増加させることに成功しています。
4. MIMOによるさらなる通信路容量の大容量化
電波の周波数は有限であり、今後飛躍的に増加する衛星の数に対応し更なる周波数利用効率の向上が必要となります。送受信に複数のアンテナを用いることで、同一時刻／同一領域において同一周波数を用いた通信を可能にするMIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術の衛星への適用を目指します。
これまで見通し内通信である衛星通信路においてMIMO通信は実現できないとされてきました。JAXAでは衛星MIMO通信路の詳細なモデル化により、MIMO通信可能な条件とその時の通信路容量を推定する研究開発を進めており、民間企業とともに衛星MIMO通信の原理実証を進める計画です。
Beyond 5G/6Gに向けて静止軌道から大容量かつサービスエリアをフレキシブルに変更可能な通信を実現するためには、通信の小セル化／多セル化が必要であり、軽量かつ高精度な大型反射鏡が不可欠です。本研究では、軌道上で展開可能な反射鏡アンテナに関する研究開発を行っています。展開反射鏡アンテナは、その口径に比べて軽量で収納容積が小さいことから、高いゲインを要求する地球観測衛星にも活用できる技術です。
研究の意義価値
本研究では、大容量通信を実現するKa帯に対応した大型展開反射鏡（5m径）の実現を目指しています。設計に新方式（扇子型）を採用することで製造コストの大幅な低減を可能とし、海外製品以上の競争力を有する技術の獲得を目指します。
研究の目標
扇子型展開式高精度大型反射鏡の研究
本研究では、従来にない新しい方式の展開式反射鏡（扇子型）を採用しています。これにより、Ka帯に対応した厳しい鏡面精度要求の達成と従来の高コスト要因であった製造後の鏡面調整を必要としない製造技術について検討を進めています。実際に扇子型展開反射鏡を試作し、展開/収納による鏡面精度劣化対策や打上げ振動耐性の評価などを行っています。
金属メッシュの研究
展開反射鏡の表面に使用される金属メッシュは、従来は海外製を使用していましたが金メッキの使用により高コストなであったため、国産による新しい金属メッシュの研究を進めています。コスト競争力を獲得するために安価な素線材料を採用し、メッシュの編み方を工夫することでKa帯での反射特性の実現を目指し研究を進めています。
発表論文等
- K. Inaoka, M. Shirakura, Y. Tashima, T. Araki, and M. Shimada, “Study on an ultra high speed transmission system for Earth observation satellites,” The 18th Ka and Broadband Communications Conference, Canada, 2012.
- 田島成将, 稲岡和也, 荒木智宏, 島田政明, 谷島正信, “地球観測衛星用Ka帯高速伝送システムの検討：LDPC符号、VCM/ACMの検討,” 電子情報通信学会技術研究報告, SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス Vol.113 No.88, p.11-16, 2013.
- M. Yajima, M. Nakadai, Y. Tashima, N. Ando, S. Tani, and A. Fujimura, “Performance evaluation of Ka-band satellite communication subsystems using Digital Pre-Distorter,” The 7th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TTC 2016), Netherlands, 2016.
- M. Yajima, M. Nakadai, and Y. Tashima, “Experimental evaluation of non-linear distortion compensation using the WINDS satellite,” The 31st International Symposium on Space Technology and Science (31st ISTS), Ehime, 2017.
- 中台光洋, 谷島正信, “衛星通信路の非線形歪み補償実験,” 情報通信研究機構研究報告, Vol. 63, No. 2, 3-9, 2017.
- 中台光洋, 加藤智隼, 谷島正信, “WINDS通信路を介した地球観測衛星直接伝送系向け多値変調通信実験,” 第63回宇宙科学技術連合講演会, 3N06, 2019.
- C. Kato, M. Nakadai, and M. Yajima, “Performance evaluation of Ka-band telecommunication subsystems for Earth observation satellites,” The 23rd Ka and Broadband Communications, Italy, 2017.
- 加藤智隼, 中台光洋, 谷島正信, “仰角毎に変調方式のみを可変とするVCMシステムの検討,” 電子情報通信学会技術研究報告, SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス Vol.118 No.105, p.33-37, 2018.
- C. Kato, M. Nakadai, and M. Yajima, “Investigation of the framing structure on High-speed Ka-band VCM system for Earth observation satellites,” The 24th Ka and Broadband Communications, Canada, 2018.
- M. Nakadai, C. Kato, and M. Yajima, “A multi-carrier amplification method on VCM transmission system,” The 32nd International Symposium on Space Technology and Science (32nd ISTS) & 9th Nano-Satellite Symposium(NSAT), Fukui, 2019.
- M. Nakadai, C. Kato, M. Yajima, T. Sasaki, J. Miyazawa, and M. Hayama, “Next generation high data rate downlink subsystems based on a Variable coding and modulation for Earth observation satellites,” The 26th Ka and Broadband Communications Conference and the 38th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC), USA, 2019.
- C. Kato, M. Nakadai, M. Yajima, J. Miyazawa, M. Hayama, T. Sasaki, and F. Ejima, “On-orbit performance demonstration of VCM technology based on DVB-S2X by the RApid Innovative payload demonstration SatellitE-2,” The 33rd International Symposium on Space Technology and Science (33rd ISTS), Oita, 2022.
- C. Kato, M. Nakadai, M. Yajima, J. Miyazawa, M. Hayama, T. Sasaki, and F. Ejima, “On-orbit performance demonstration of VCM technology based on DVB-S2X,” 9th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TT&C 2022), Netherlands, 2022.
- M. Nakadai, C. Kato, and M. Yajima, “A study of RF feeder link system for data relay satellites supporting multiple data rates,” 9th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TT&C 2022), Netherlands, 2022.
- C. Kato, M. Nakadai, D. Goto, H. Shibayama, and F. Yamashita, “Channel Capacity Analysis of Satellite MIMO System Depending on the Orbital Altitude,” Proc. of the 37th AIAA International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC 2019), 2019.
- F. Yamashita, Y. Kojima, M. Matsui, K. Itokawa, K. Yoshizawa, K. Sakamoto, Y. Fujino, C. Kato, and M. Nakadai, “920-MHz IoT platform via LEO satellite employing feeder-link MIMO technology,” ICETC 2020, A1-2, 2020.
- D. Goto, K. Itokawa, F. Yamashita, C. Kato, and M. Nakadai, “Clock Timing Synchronization among Distributed Multiple Antennas for LEO-MIMO Communications System,” ICETC 2020, B1-4, 2020.
- 糸川喜代彦, 五藤大介, 小島康義, 山下史洋, 吉澤健人, 坂元一光, 藤野洋輔, 加藤智隼, 中台光洋, “低軌道衛星MIMO技術を活用した920MHz帯衛星IoTプラットフォームの提案,” IEICEソサイティ大会, B-3-12, 2020.
- 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, “LEO-MIMOシステムにおけるドップラーシフト追従精度の検証,” IEICEソサイティ大会, B-3-13, 2020.
- 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, “LEO-MIMOにおける遠隔受信局間クロック同期精度に関する検討,” IEICE総合大会, B-3-8, 2020.
- 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, “LEO-MIMO受信機における複数地点非同期サンプリング等化特性の改善,” IEICE総合大会, B-3-11, 2021.
- D. Goto, K. Itokawa, F. Yamashita, C. Kato, and M. Nakadai, “Equalization performance under clock frequency errors among Rx antennas for LEO-MIMO communications,” 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), pp. 144-148, Austin, TX, USA, 2022.
- 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, “低軌道衛星MIMOの衛星搭載送信機と地上局復調装置との接続試験評価,” IEICE総合大会, B-3-1, 2022.
- 糸川 喜代彦, 五藤 大介, 小島 康義, 須崎 皓平, 坂元 一光, 藤野 洋輔, 山下 史洋, 加藤 智隼, 中台 光洋, 谷島 正信, “低軌道衛星MIMO技術を活用した920MHz帯衛星IoTプラットフォームにおける軌道上実証高度化提案,”, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 2B06, 2023.
