ちょこっと（ドップラ補正）

送信周波数、受信周波数、どちらを動かせばよいのか

　衛星からのビーコンを受信していると、しだいに周波数が変化していくことがわかります。　これは、まさにドップラーシフトを体験しているもので、衛星の動きが速いほど、周波数が高いほど影響が大きくなります。　その周波数の変化は、衛星の動きと観測点との位置関係から決まり、高度が低い衛星では動きが速く、４３０ＭＨｚ帯では±１０ｋＨｚほどにもなる場合があります。

　それでは、衛星の中継器を使う場合のドップラーシフトによる周波数の変化を考えてみましょう。　一般的にＳＳＢなどのアナログ通信に利用できる中継器は、受信 -> 周波数変換 -> 送信の構成になっています。　また、周波数変換に使う発振器の周波数設定によって、順へテロダイン方式と逆へテロダイン方式があります。　日本のアマチュア衛星であるＦＯ－２０やＦＯ－２９ではドップラーシフトによる周波数変動が軽減できる逆へテロダイン方式を使っています。　ここで、１４５ＭＨｚで送信、４３５ＭＨｚで受信、中継器は逆へテロダイン（局部発振器の周波数は５８０ＭＨｚ）として、具体的に考察してみましょう。　今、衛星が近づいていて、１４５ＭＨｚで地上から送信した電波はドップラーシフトの影響を受けて衛星で受信したときには１ｋＨｚ高い周波数で受信されたとします。　衛星の中継器は逆へテロダイン方式なので、１４５ＭＨｚより１ｋＨｚ高い信号は４３５ＭＨｚより１ｋＨｚ低い周波数に変換されて送信されます。　衛星から送信された信号は１４５ＭＨｚに比べて３倍高い４３５ＭＨｚなので、ドップラーシフトの影響も３倍となり、地上では３ｋＨｚ高い周波数で受信されることになります。　しかし、逆へテロダイン方式であるため４３５ＭＨｚの信号に現れる周波数変化は２ｋＨｚとなります。　順へテロダイン方式では４ｋＨｚの周波数変化になります。

　高度が低い衛星から、４３５ＭＨｚ帯のビーコンを２局が受信した場合を考えてみましょう。　もし、２局が数ｋｍ以内の距離にある場合には、それぞれの局から見た衛星の方位や仰角はほとんど同じになります。　また、ドップラーシフトによる周波数変化（最大で±１０ｋＨｚほど）も、ほとんど同じ時刻に同じ大きさになることは容易に想像することができると思います。　ここで、２つの局の位置が北海道と九州に離れている場合について考察してみましょう。　このときの衛星の動きは北の方向から日本に近づいてきて、北海道、本州、九州の上を通過するものとします。

　北海道からも九州からも衛星がはるか北の位置にあり日本に近づいてくる場合には、どちらの局でもビーコンは本来の周波数よりも約１０ｋＨｚほど高い周波数で受信されることになります。　また、衛星がはるか南へ移動して日本を離れてゆく場合には、どちらの局でもビーコンは本来の周波数よりも約１０ｋＨｚほど低い周波数で受信されることになります。　周波数のシフト量は大きいが、変化量は小さい状態です。

　つぎに、衛星が北海道の上、北海道と九州の中間点の上、九州の上にある場合には、２つの局におけるビーコンの受信周波数はどうなるでしょうか。

　北海道の上に衛星が位置する時には、北海道の局ではビーコンの周波数変化が一番大きな時で、その周波数は急激に低下し、衛星が最接近したときにドップラーシフトが０となり、さらに周波数が低下します。　この時、九州の局でもビーコン周波数の低下は徐々に大きくなりますが、ビーコンの本来の周波数に比べて、高い周波数で受信されます。

　九州の上に衛星が位置する時には、九州の局ではビーコンの周波数変化が一番大きな時で、その周波数は急激に低下し、衛星が最接近したときにドップラーシフトが０となり、さらに周波数が低下します。　この時、北海道の局ではビーコン周波数の低下の変化は先ほどに比べてゆっくりになっていますが、周波数はさらに低くなっています。

　北海道と九州の中間点の上に衛星が位置する場合には、ドップラーシフトによる周波数のシフト量は２つの局で同じ程度になりますが、北海道でのビーコンの受信周波数はビーコン本来の周波数より低く、九州では高くなります。

　さて、先のような条件で２局が交信する場合、衛星から中継される自分と相手の信号を捕まえ交信を継続するためには、送信と受信の周波数をどのように動かせばよいのでしょうか。　これまでに、受信周波数を固定にして送信周波数を動かす方法、その逆に送信周波数を固定して受信周波数を動かす方法の利点や欠点について議論されてきました。　しかし、実際に衛星の中継器を使って交信すればわかることなのですが、どちらかの周波数を固定して運用することは、先の考察でわかるようにそれぞれの地点でのドップラーシフトによる周波数の変化のタイミングと大きさが異なるため、実際にはできないことなのです。　このため、現実的には受信周波数固定の方法で運用しようとしても、送信周波数の調整のほかに受信周波数の微調整が必要になります。　逆に、送信周波数を固定した場合にも受信周波数の調整のほかに送信周波数の微調整が必要です。　困ったことに、受信周波数固定方式と送信周波数固定方式の運用が混在すると、それぞれの運用周波数が逆の方向に動くため、混信することになります。　

　通常、ＳＳＢの通信に必要な周波数帯域は３ｋＨｚ程度で、５ｋＨｚ間隔で交信することは十分に可能です。　しかし、衛星通信ではドップラーシフトで周波数が変化するため、中継器のパスバンド内を整然と５ｋＨｚステップで利用することは難しいことです。　さらに、３局が同じ周波数で交信する場合には事態はさらに複雑になってしまいます。

　ひとつの答えとして、受信周波数固定でもなく、送信周波数固定でもない方法があります。　それは衛星の中継器の受信周波数を一定にする方法です。　すなわち、アップリンク信号が受けるドップラーシフトを送信周波数で、ダウンリンク信号が受けるドップラーシフトを受信周波数で補正するものです。　この方法によれば場所が異なる局ではそれぞれの補正量も異なりますが、それぞれの局と衛星の位置から決まる補正を自ら行えば衛星の中継器の受信周波数は一定になり、２局または複数局が交信しても周波数のずれは生じません。　ＣＡＬＳＡＴ３２には、このようなドップラーシフト補正機能が実装されています。　一度ループテストをして送信周波数を調整して周波数合わせを行うと、その後はリアルタイムで自動的に補正が行われ、何の調整もなく送信電波は周波数のずれもなく受信することが出来ます。　また、順へテロダインおよび逆へテロダインの周波数トラッキング機能もあわせて使うことができるので、受信周波数を変化させても送信周波数は自動的に調整されます。