準天頂衛星

日本上空を通る準天頂軌道(非対称8の字軌道)

準天頂衛星(じゅんてんちょうえいせい、quasi-zenith satellites, QZS)は、準天頂軌道(じゅんてんちょうきどう、quasi-zenith orbit)、すなわち特定の一地域の上空に長時間とどまる軌道をとる 人工衛星。通常は複数の準天頂衛星が見かけの同一軌道上を周回する一組の 衛星コンステレーションを構成して運用する。

準天頂軌道は、公転周期が 惑星自転周期地球なら23時間56分)と等しくなる 対地同期軌道に、適切な 軌道傾斜角軌道離心率を持たせることによりもたらされる。

軌道力学

自転する地球の日本上空(小ループ部)に、3機の衛星が交代で滞在

同じ対地同期軌道の衛星で、離心率、軌道傾斜角とも0の 静止軌道衛星は、地表から静止して見えるため、衛星サービス提供に適している。しかし、高緯度地域ほど地平線に近づき、地形や建造物に遮蔽されるリスクが高まる。 一方、高い軌道傾斜角を持つ衛星は、毎日南北に1往復する軌道を飛び、高緯度地域の天頂付近に一定時間滞在できる。このため、高緯度に飛来する間に衛星サービスを提供するのに適する。

南北往復といっても、同 経度ではなく東西に振れ、地表から見て8の字軌道を描く。低緯度では地表が衛星を追い抜き、高緯度では逆となるためで、「8の字衛星」とも呼ばれる。

非対称化

軌道傾斜角が高く往復距離が長いほど、目的である高緯度地点の滞在時間は短くなる。そこで、軌道の離心率を上げて目標付近を 遠地点とすれば、滞在時間を長く出来る。この場合、8の字軌道はループ径に差が生まれ、非対称8の字軌道と呼ばれる。さらに離心率を上げると片方のループがなくなり、涙型軌道となる。

しかし、離心率を上げると高緯度地点の衛星高度も上がり、通信距離拡大による衛星サービス品質低下のおそれが強まる。 また、反対側の半球の高緯度では上空に近地点があるので逆に滞在時間が縮まるので、他の地域でも利用するつもりなら離心率は大きくしすぎないほうがいい。

このことから日本の 準天頂衛星システム計画では、軌道傾斜角45度、軌道離心率0.1の非対称8の字が選定されている。

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