かんたん回線設計
ミッション例と変調方式・符号化を選ぶだけで、通信が成立するか(マージン)を判定します。各項目は必要に応じて上書きできます。
1. まず選ぶ
—
2. 項目を確認・調整
3. 判定
リンクマージン
—dB
受信 Eb/N0—
要求 Eb/N0(符号化)—
95%信頼マージン—
変調損失(自動)—
搬送波/データ配分—
データレート項—
占有帯域—
マージンが+3 dB以上なら余裕あり(緑)、0〜3 dBは要注意(黄)、マイナスは通信不成立(赤)。
「変調損失」「データレート項」「ボルツマン定数」「要求Eb/N0」は選んだ内容から自動計算されます。詳しく詰めたい場合は「リンクバジェット」タブへ。
リンクバジェット(厳密)
大気減衰 ITU-R P.676/838/618、天空雑音結合、変調電力配分(Bessel)を含み、
搬送波・テレメトリ・測距の3チャネルの要求C/N0とマージンを個別に評価する。
RF / 幾何
探査機 → 地上局。データチャネルはテレメトリ。
EIRP = — dBW
Gr = — dBi
大気(ITU-R)
不確かさ(不利側 1σ, dB)— 回線計算書用
各項目の「不利側に振れうる量」。RSSマージン = 公称 − √Σ(不利²)。JERG/NASA実務の判定はRSS。
結果
データチャネル マージン3値
公称マージン—
RSSマージン(判定用)—
最悪値マージン—
🧮 式と数値の導出(この結果はこう計算された)
ウォーターフォール / 内訳
総受信 Pt/N0—
系雑音温度 Tsys—
G/T(大気雑音込)—
大気: 気体 / 降雨 / 天空温度—
往復光時間 RTLT—
測距 1σ 誤差—
降雨は信号を減衰させると同時に天空雑音温度を上げてG/Tを劣化させる(両効果を結合)。
Ka帯は降雨フェードが大きく、低仰角・強雨では回線が成立しないことがある(天候スケジューリングやサイトダイバーシチが必要)。
変調は総電力を
搬送波·テレメトリ·測距に配分し、残りは高調波へ失われる。搬送波の捕捉と追尾
搬送波の捕捉(周波数掃引による引込み)と追尾(位相同期の維持)の設計。性能はループSNR ρ = Pc/(N0·B_L) ひとつで決まります。
入力
結果
ループSNR ρ
—dB
キャリアマージン Pc/(N0·2B_L)—
位相ジッタ 1σ—
サイクルスリップ平均間隔—
ロックイン範囲—
掃引限界(無雑音 ωn²/2π)—
掃引限界(雑音低減後)—
採用掃引速度 / 掃引時間—
📖 この計算の意味(捕捉・追尾のしくみ)
なぜ掃引するのか。探査機の受信周波数は、発振器の個体差と往路ドップラで数十〜数百kHzずれている。PLLが自力で引き込める範囲(ロックイン範囲=数Hz)よりはるかに広いので、地上局が送信周波数をゆっくり変化させて(掃引)、キャリアがPLLの帯域を「通過」する瞬間に引き込ませる。
速すぎると捕まらない。PLLが応答できる加速度の上限が
追尾の質はρで決まる。位相ジッタは
B_Lのトレードオフ。帯域を狭くするとρが上がる(雑音に強い)が、ドップラ変化への追従と捕捉が遅くなる。深宇宙機が10〜50Hzの狭いB_Lを使うのはこのため。
抑圧搬送波の場合。BPSK/QPSKにはキャリア線スペクトルがないので、Costasループがデータから搬送波を再生する。その際データSNRが低いと二乗損失
速すぎると捕まらない。PLLが応答できる加速度の上限が
ωn²。周波数で書くと ḟmax = ωn²/2π(無雑音の理論限界、Gardner)。雑音があると引き込み力が目減りするので ×(1−√(2/ρ)) で低減する(ρ≦2つまり3dBでは捕捉不能)。実務ではさらに0.5前後の安全係数を掛ける。追尾の質はρで決まる。位相ジッタは
σφ=1/√ρ[rad]。ρ=20dB(100倍)で5.7°。ジッタが大きいと復調損失が増え、30°を超えるあたりからサイクルスリップ(位相が2π飛んで測距・ドップラ計測が壊れる事象)が頻発する。スリップ間隔は e^{2ρ} で伸びるため、ρを3dB上げるとスリップは桁で減る。B_Lのトレードオフ。帯域を狭くするとρが上がる(雑音に強い)が、ドップラ変化への追従と捕捉が遅くなる。深宇宙機が10〜50Hzの狭いB_Lを使うのはこのため。
抑圧搬送波の場合。BPSK/QPSKにはキャリア線スペクトルがないので、Costasループがデータから搬送波を再生する。その際データSNRが低いと二乗損失
S_L=1/(1+1/(2Eb/N0)) だけ実効ρが下がる。
RARR — 距離と距離変化率の測定
RARR (Range And Range Rate) は探査機の距離・速度を電波で測る航法観測。CCSDS PN測距の捕捉確率・精度と、観測誤差バジェット全体を扱います。
CCSDS PNレンジング
クロック電力(対Pr)—
あいまい距離—
熱雑音 測距σ—
符号捕捉確率 P(C2..C6)—
P=99%に必要なT—
距離 誤差バジェット(1σ, m)
距離変化率 誤差バジェット
誤差の合計
距離 総合誤差
—m
距離変化率 総合誤差
—mm/s
📖 この計算の意味(RARRのしくみ)
距離の測り方。地上局が測距信号(PN符号)を載せて送信、探査機が折り返し、往復時間×光速÷2で距離になる。PN符号は6本の短い符号の合成で、C1(クロック)が精密さを、C2〜C6があいまい解決を担当する。クロック位相のみでは整数サイクルの不定性が残る(1 MHzで約150 mごとに縮退)。全成分の位相が決まると約73,000kmの範囲で一意になる。
T4BとT2Bの使い分け。T4Bは電力の88%をクロックに集中(σが小さい・捕捉遅い)、T2Bは39%(捕捉が数十倍速い・σは1.5倍)。巡航中の弱いリンクではT4B、近傍運用や急ぎの捕捉ではT2B、が定石。
誤差は熱雑音だけではない。積分すれば熱雑音σはいくらでも下がる(√T則)。実際に効くのは較正できない系統誤差——機上トランスポンダの群遅延変動(温度依存)、局装置の較正残差、大気の伝搬遅延の補正残り。だから実務のRARR精度は「メートル級」で頭打ちになる。
距離変化率はもっと極端。ドップラ計数の熱雑音は0.0001mm/s級まで下がるが、基準発振器の安定度(Allan偏差)が床になる:σ_v ≈ c·σ_y。水素メーザ(1e-15)なら0.4µm/s、USO(1e-13)なら40µm/s。X帯2-wayの実力0.03〜0.1mm/sはこの床+伝搬媒質ゆらぎで決まっている。
2-wayが基本の理由。同じ局の同じ発振器で送受するので、発振器誤差が往復で相殺に近づき、探査機側には高安定発振器が不要(コヒーレントターンアラウンド 880/749 等)。
T4BとT2Bの使い分け。T4Bは電力の88%をクロックに集中(σが小さい・捕捉遅い)、T2Bは39%(捕捉が数十倍速い・σは1.5倍)。巡航中の弱いリンクではT4B、近傍運用や急ぎの捕捉ではT2B、が定石。
誤差は熱雑音だけではない。積分すれば熱雑音σはいくらでも下がる(√T則)。実際に効くのは較正できない系統誤差——機上トランスポンダの群遅延変動(温度依存)、局装置の較正残差、大気の伝搬遅延の補正残り。だから実務のRARR精度は「メートル級」で頭打ちになる。
距離変化率はもっと極端。ドップラ計数の熱雑音は0.0001mm/s級まで下がるが、基準発振器の安定度(Allan偏差)が床になる:σ_v ≈ c·σ_y。水素メーザ(1e-15)なら0.4µm/s、USO(1e-13)なら40µm/s。X帯2-wayの実力0.03〜0.1mm/sはこの床+伝搬媒質ゆらぎで決まっている。
2-wayが基本の理由。同じ局の同じ発振器で送受するので、発振器誤差が往復で相殺に近づき、探査機側には高安定発振器が不要(コヒーレントターンアラウンド 880/749 等)。
測距誤差(逐次/トーン測距)
熱雑音による1σ距離誤差。σ_R = c/(4π·f_RC) · 1/√(2·(Pr/N0)·T)。要求Pr/N0(測距回線C/N0)も逆算。
入力
結果
1σ 距離誤差
—m
あいまい間隔 c/2f—
目標σに必要な Pr/N0—
目標σに必要な T—
クロックを上げると誤差は反比例で減るが、あいまい間隔
c/2f が狭まる。低周波トーンであいまいを解き高周波トーンで精度を出す多段構成が標準。変調方式・帯域・データ量
変調方式ごとの要求Eb/N0(未符号化AWGN)、Es/N0、占有帯域、スペクトル効率と、1パスのデータ量。
変調・帯域
結果
要求 Eb/N0
—dB
Es/N0—
チャネルシンボルレート—
占有帯域 Rs(1+α)—
スペクトル効率—
1パスのデータ量—
同 (MB)—
要求Eb/N0は未符号化の理論値。実際は符号化利得(リンクバジェットの符号化選択)と実装損失を差し引く。
帯域は整形フィルタ後の
Rs·(1+α)、Rs=Rb/(符号化率·bits/symbol)。軌道幾何・太陽合・偏波
地球周回衛星のスラント距離とカバレッジ、太陽合(SEP)角、相対論ドップラ、偏波軸比損失。
地球周回衛星
スラント距離—
最大スラント(el=0)—
天底角 / 中心角—
太陽合 / 相対論ドップラ
SEP角(太陽-地球-探査機)—
相対論ドップラ偏移—
偏波不整合損失
偏波損失—
メモ
SEP角が小さいと太陽コロナのプラズマ雑音・位相擾乱が増える(概ね<5°で太陽合、X帯は<1-2°で通信困難)。
スラント距離は仰角が低いほど伸び、経路損失と大気減衰が増える。中心角×地球半径が地表カバレッジ半径。
偏波損失は円偏波同士(軸比0dB)でほぼ0、円偏波と直線偏波(軸比大)で約3dB。逆旋回はさらに大きい。
スラント距離は仰角が低いほど伸び、経路損失と大気減衰が増える。中心角×地球半径が地表カバレッジ半径。
偏波損失は円偏波同士(軸比0dB)でほぼ0、円偏波と直線偏波(軸比大)で約3dB。逆旋回はさらに大きい。
設計制御表 (Design Control Table)
各項目の平均寄与[dB]と不確かさ(1σ)から、平均マージンと指定信頼度でのマージンを算出(DSN 810-005)。不確かさは独立とみなしRSS合成。
項目(値 · 1σ)
結果
平均マージン
—dB
総受信(平均)—
合成不確かさ σ—
信頼度マージン—
最悪ケース(−Σσ)—
平均マージンが正でも、信頼度マージンが負なら不確かさが大きく設計余裕が不足。σが0の項目(定数)は合成に寄与しない。値は符号付き(利得+, 損失−, 要求は正値)。
伝搬・追尾(干渉 / プラズマ / 発振器)
電力束密度と干渉劣化、電離層・太陽プラズマの測距遅延、発振器安定度によるレンジレート下限。
電力束密度 / 干渉
PFD—
C/(N+I) / 劣化—
電離層 / 太陽プラズマ
電離層測距遅延—
太陽プラズマ遅延(概略)—
発振器安定度
レンジレート下限 1-way—
同 2-way—
位相ジッタ—
メモ
電離層/プラズマ遅延は周波数の2乗に反比例(
太陽合(SEP小)ではコロナ電子が急増し、測距・ドップラ雑音が増える。
発振器のAllan偏差σ_yはレンジレート計測の下限
40.3·TEC/f²)。X/Ka帯ほど小さく、S帯で大きい。2周波観測でf²項を除去できる。太陽合(SEP小)ではコロナ電子が急増し、測距・ドップラ雑音が増える。
発振器のAllan偏差σ_yはレンジレート計測の下限
c·σ_y を決める。USO(1e-13)で約30µm/s。
アンテナ利得・ビーム幅
G = η(πD/λ)² / 3dBビーム幅 θ ≈ 70·λ/D[deg]
入力
結果
利得
—dBi
3dBビーム幅—
波長 λ—
指向損失—
実効利得—
ドップラ偏移・変化率
f_d = −(v_r/c)·f(接近 v_r<0 で正)/ ḟ = −(a_r/c)·f
入力
結果
2-way ドップラ
—Hz
1-way ドップラ偏移—
ドップラ変化率(1-way)—
レンジレート 1σ 誤差—
速度/光速 β—
コヒーレント2-wayは往復で偏移を受け
f_2way = −(2v_r/c)·f_down。レンジレート熱雑音誤差
σ = c/(4π·f_down·T_c)·1/√(2·(Pc/N0)·T_c) は計数時間 T_c で T_c^−3/2 に改善する。