地上局工学

第3.4章系雑音温度予算

3.4.1 参照面を決めないと議論が成立しない

雑音温度は「どこで測った値か」を言わないと意味を持たない。 同じ局でも、フィード開口で言うのと、LNA入力で言うのと、受信機出力で言うのとでは 数字がまったく違う。そして利得Gも同じ面で定義しなければならない。

深宇宙局の慣行では、LNA入力端を参照面に取ることが多い。理由は明快で、 そこが「これ以上前段に手を入れられない」境界だからである。 本書もLNA入力端を既定の参照面とする。

3.4.2 雑音温度の積み上げ

LNA入力端で見た系雑音温度は、次の寄与の和になる。

T_A はアンテナ雑音温度（空を見て入ってくるもの）、T_feed は給電系の損失が生む雑音、 T_LNA は初段増幅器、T_rest は後段の寄与である。それぞれを分解する。

アンテナ雑音温度 T_A

スピルオーバは設計者が動かせる数少ない項である。 エッジテーパを深くすればスピルオーバは減るが、開口能率が落ちて利得が下がる。 G/Tを最大化するテーパは、GとTのトレードの中間にある（第1.4章）。 「利得だけ最大化」も「雑音だけ最小化」も、G/Tでは最適でない。

給電系損失 T_feed

LNAの前にある損失は、そのぶん信号を減らし、かつ自分自身が雑音を出す。 物理温度 T_p の損失 L（真値、L>1）が生む雑音温度は

常温（290 K）で0.1 dBの損失なら L = 1.0233 なので T = 6.8 K。 0.1 dBが6.8 Kである。この換算を体に入れておくと、設計判断が速くなる。

だから深宇宙局は、フィードとLNAを可能な限り近づけ、 さらにその区間ごと冷やす（第3.3章）。物理温度を290 Kから20 Kに下げれば、 同じ0.1 dBの損失が生む雑音は 6.8 K から 0.47 K になる。 冷却の効果は「LNAが良くなる」だけでなく「前段損失の雑音が減る」という二面がある。

初段と後段 — Friisの式

初段の利得 G_1 が大きければ、後段の寄与は割り算で潰れる。 LNAの利得が30 dB（1000倍）あれば、後段が3000 Kあっても寄与は3 Kである。 だから「初段だけが支配する」と言われる。

ただしこれは初段利得が十分にあるときの話である。 LNAの利得が足りない構成や、LNAと後段のあいだに大きな損失（長い導波管、 分配器、フィルタ）がある構成では、後段が効いてくる。 系統図を見て、初段利得と、その後の損失を必ず確認すること。

3.4.3 仰角依存 — 予算表は1枚では足りない

T_sys は定数ではない。大気とスピルオーバが仰角で変わるからである。

大気の寄与は、天頂での大気減衰を A_z（真値）とすると、 平面平行大気の近似で仰角 el のとき

T_m は大気の実効放射温度（260〜280 K程度）。1/sin(el) が効くので、 仰角10°では天頂の約5.8倍、5°では約11.5倍の大気を通る。

したがって予算表は仰角ごとに作る。実務では 90° / 30° / 20° / 10° / 5° の 5点くらいで表を作り、あいだは補間する。 姉妹書『電波航法と軌道決定』第5.1章の「いつ測距を打つか」という判断は、 この表の上でしている。

3.4.4 予算表のテンプレート

この表を自分の局の数字で埋めるのが、本章の演習である。埋めたあとに見るべきは順位で、 上の例ならLNA（15 K）が最大の寄与だが、低仰角では大気（26.8 K）が逆転する。 「LNAを良くする」投資が効くのは高仰角の運用が主体の局であり、 低仰角も使う局ではサイト選定（乾燥地・高地）のほうが効く。

3.4.5 感度分析 — どこを直すと何dB効くか

予算表ができたら、各項を1 K動かしたときのG/T変化を出しておく。

T_sys = 25 K なら 1 Kあたり0.17 dB。T_sys = 50 K なら 0.087 dB/K。 もともと低雑音な局ほど、1 Kの価値が大きい。 25 Kの局で5 K改善すれば0.87 dB、これは口径を1.22倍にするのと同じ効果であり、 費用対効果は圧倒的に受信系側にある。

3.4.6 よくある誤り

第3.7章降雨減衰と可用性設計

3.7.1 降雨減衰の物理

雨滴は電波を吸収し、散乱する。どちらが支配するかは、 雨滴の大きさと波長の比で決まる。雨滴の直径は0.5〜5 mm程度なので、 X帯（λ = 3.6 cm）では雨滴は波長よりずっと小さく、レイリー領域で吸収が主。 Ka帯（λ = 0.94 cm）では雨滴径が波長に近づき、ミー散乱の領域に入って減衰が急増する。

実務では、降雨率 R [mm/h] からの経験式を使う。

係数 k, α は周波数と偏波に依存し、ITU-R P.838 に表として与えられている。 押さえるべきは桁の関係である。

X帯からKa帯へ移ると、同じ雨で減衰が1桁以上増える。 これがKa帯移行の最大の代償であり、 姉妹書『周波数管理と国際調整』第2.4章で扱う帯域選択の判断材料そのものである。

3.7.2 斜路の経路長 — 天頂ではなく仰角で見る

比減衰 [dB/km] を実際の減衰 [dB] にするには、雨の中を通る経路長を掛ける。 雨は地表から降雨高度 h_R（0℃等温線の高さ、緯度により2〜5 km）までに分布するので、 斜路長は

h_S は局の標高。ここで再び 1/sin(el) が出てくる（第3.4.3と同じ構造）。 さらに、降雨セルは有限の水平スケールしか持たないので、 経路全体が同じ強さの雨に入っているわけではない。 これを補正する低減係数をかけて実効経路長 L_E を得る。

低減係数 r の求め方はITU-R P.618の手順による。 本章では手順の詳細に立ち入らないが、強い雨ほど r が小さくなる（局所的な豪雨は空間的に狭い） という定性的な性質は覚えておく価値がある。

3.7.3 減衰体は放射体でもある — ここが本章の核心

雨が電波を吸収するということは、キルヒホッフの法則により、 その同じ雨が電波を放射しているということである。 減衰 A（真値、A > 1）の吸収体が物理温度 T_m にあるとき、 アンテナに入る雑音温度は

T_m は雨の実効放射温度で、通常270〜280 K程度を取る。 この式の意味は劇的である。

減衰が大きくなると、アンテナは空ではなく常温の物体を見ているのと同じ状態になる。 3 dBの減衰で既に138 K。第3.4章で組んだ晴天時の予算（T_sys = 25〜40 K）に対して、 これは桁で大きい。

3.7.4 G/T劣化の合わせ技

降雨がG/Tに与える影響は、信号側と雑音側の両方から来る。

逆に、雑音側の寄与には飽和がある。T_rain は T_m を超えられないので、 減衰が10 dBを超えるあたりから雑音側の劣化は頭打ちになり、以降は信号減衰が支配する。 深い減衰の領域では ΔG/T ≈ A_dB + 一定、という振る舞いになる。

3.7.5 降雨統計と可用性

降雨は確率的な現象なので、設計は「最悪値」ではなく超過確率で行う。 ITU-R P.837 が地点ごとの降雨率統計を与え、 「年間 p % の時間で超過される降雨率 R_p」という形で使う。

ここで設計上の判断が要る。可用性を1桁上げるのに必要なマージンは、線形には増えない。 降雨率の分布は裾が重いので、0.1% → 0.01% でマージンが2〜3倍必要になることも珍しくない。

3.7.6 サイトダイバーシティ

単局でKa帯の高可用性を確保するのは、マージンの観点で非現実的になりやすい。 現実的な解がサイトダイバーシティである。 降雨セルの水平スケールは数km〜数十kmなので、十分に離れた2局が同時に強い雨に入る確率は、 各局が単独で入る確率の積よりずっと小さい……とは限らないが、大幅に小さくなる。

効果はダイバーシティ利得（同じ可用性を達成するのに必要なマージンの削減量、dB）で表す。 設計上の要点は3つ。

• 局間距離: 数十km以上で効果が出始め、それ以上は緩やかに飽和する。 近すぎると同じ降雨セルに入るので効かない
• 気象の相関: 同じ前線・同じ地形性降雨の影響下にあると、距離があっても相関が残る。 気候帯をまたぐほうが効く
• 切替の運用: どちらの局を使うかを実時間で判断し、切り替える仕組みが要る。 切替に伴うデータの継ぎ目、指向の再取得、追跡データの連続性をどう扱うかは運用設計の問題になる

光通信ではこの問題がさらに深刻になる（雲は雨より広く、遮蔽は全か無かである）ため、 サイトダイバーシティが前提の設計になる。第8.3章で扱う。

3.7.7 晴れていても効くもの

降雨だけが大気の敵ではない。

Ka帯では「晴れているのに1〜2 dB足りない」が普通に起きる。 雲による減衰と水蒸気の日変化がその正体であることが多い。 水蒸気ラジオメータを併設して実時間で天頂遅延・減衰を推定できれば、 予算の不確かさを減らせるうえ、姉妹書『電波航法と軌道決定』第3.1章の 対流圏較正にもそのまま使える。一台で二つの目的を果たす投資である。

3.7.8 運用への落とし込み

降雨は時間変化するので、固定のマージンで受けるより、 リンクを実時間で変えるほうが合理的である。深宇宙で取り得る手段は次のとおり。

深宇宙特有の難しさは往復光時間である。 地上で「雨が降ってきた」と分かってから探査機にレート変更を指示しても、 効き始めるのはRTLT後になる。火星なら20〜40分先である。 したがって適応は「気象予報に基づく事前計画」の形を取らざるを得ない。 これは姉妹書『電波航法と軌道決定』第5.1章のパス計画と、第5.4章の予報配布に直結する。

第6.5章局管制システム（M&C）と自動化

6.5.1 局管制システムが担う仕事

大きく4つある。

4番目の記録は軽視されがちだが、最も長期的な価値がある。 第6.7.8のトレンド管理も、第7.2章の保守計画も、 「記録が残っていること」を前提にしている。

6.5.2 階層構造

M&Cは単一のソフトウェアではなく、階層になっている。

この階層を分けておく意味は、抽象度の分離にある。 局管制の層では「X帯コヒーレント2-way、測距T4B、テレメトリ○kbps」という 運用の言葉で指示を出し、 それをサブシステム制御が個々の機器設定へ翻訳する。

6.5.3 コンフィギュレーション — 「パス設定」という作業

1パスを実施するために設定する項目は膨大である。代表的なものだけでも次のとおり。

これを毎回手で入れるのは非現実的で、かつ誤りの温床になる。 解は設定をひとまとまりの「構成（コンフィギュレーション）」として名前をつけ、版管理することである。

• ミッションごと・運用モードごとに構成を定義しておく
• スケジュールが指定するのは「どの構成を、いつ、どの相手に対して使うか」だけにする
• 構成の変更はレビューを経て版を上げる。パス直前に人が値をいじる運用にしない

6.5.4 シーケンス実行 — 時刻に従って局を動かす

パスは時刻駆動の手順である。局管制システムはこれをシーケンスとして実行する。

ここで往復光時間（RTLT）がシーケンスの中に埋め込まれていることに注意したい。 RTLTは探査機の距離で変わるので、シーケンスは 予報から計算された値でパラメータ化されていなければならない。 固定値を書き込んだシーケンスは、距離が変われば破綻する。

6.5.5 監視 — 何を、どの周期で見るか

監視項目は数百に及ぶ。すべてを同じ扱いにすると、 本当に見るべきものが埋もれる。階層をつけるべきである。

オペレータの画面に出すのは上2階層だけにし、 下2階層は記録して後で解析する、という設計が現実的である。 「全部を画面に出す」は「何も見ていない」に等しい。

6.5.6 異常検知とエスカレーション

閾値監視は単純だが、深宇宙局では単純な閾値では足りない場面が多い。

とくに P_C/N_0 は「予測値との差」で見るべきである。 絶対値は距離・仰角・天候・機体側の設定で常に変わるから、 固定閾値では警報が鳴りっぱなしになるか、鳴らないかのどちらかになる。 予報から期待値を計算し、その差が閾値を超えたときに警報する設計が正しい。

エスカレーションの設計も重要である。誰に、どの経路で、どのくらいの猶予で伝えるかを あらかじめ決めておく。深宇宙運用では、 「オペレータが判断できること」「ミッション側に聞かないと決められないこと」 「局の保守担当を呼ぶこと」の区別が要る。

6.5.7 無人運用・遠隔運用

局に人が常駐する運用から、遠隔監視・無人運用へ移る流れは各国共通である。 理由は費用だけではない。局数が増え、同時運用機数が増えると、 人が張り付く方式では単純にスケールしないからである。

無人化のために必要なのは、次の4つが揃っていることである。

1. 自動化されたパス実行（6.5.4のシーケンス）
2. 自動化された事前検査（第6.7章の折り返し試験）
3. 信頼できる異常検知（6.5.6）と遠隔からの介入手段
4. 安全側に倒れる設計。通信が切れたら送信を止める、など

4番目が最も重要である。遠隔運用の設計は「繋がっているとき」ではなく 「繋がらなくなったとき」で決まる。 局とリモート運用拠点の間の回線が落ちたとき、局が何をするか—— 送信を続けるのか止めるのか、追尾を続けるのか安全位置へ退避するのか——を 明示的に設計しておく必要がある。

6.5.8 自動化してはいけないもの

自動化の設計で最も難しいのは、どこで人に返すかである。 判断の基準は「間違えたときの被害が回復可能か」である。

右列の最後の行——送信の再開——は特に注意がいる。 数十kWの送信は人命に関わるので、 インターロックが働いて止まったものを自動で再開させてはならない（第4.2章）。 「止めるのは自動、再開は人」が原則である。

6.5.9 外部インタフェース

局管制システムは局の中で閉じておらず、外部と多数のインタフェースを持つ。

これらのインタフェースは標準化されているものとそうでないものが混在するのが実情である。 標準（SLE、TDM、OEM）に寄せられる部分は寄せておくと、 国際相互支援（第7.5章）のときに書き直しが要らない。

第6.7章折り返し試験構成 — 局を自分で検査する

6.7.1 なぜ折り返し試験が要るのか

深宇宙局の受信系は、数億km彼方の−170 dBW級の信号を扱う。 これほど弱い信号を相手にしていると、次のことが起きる。

• 異常が「受からない」という形でしか現れない。信号が弱いのか、局が壊れているのか、 機体が送っていないのか、区別がつかない
• パスは1日に数時間しかない。しかも往復光時間ぶんの遅れがあるので、 パス中の試行錯誤には限界がある
• 機体側の異常と誤診すると被害が大きい。安全モード遷移を疑って 不要な運用を打つことになりかねない

したがって、パスの前に局が正常であることを確かめておくことが運用規律になる。 これが折り返し試験（ループバック試験）である。 「パス前チェック」として毎パス実施するのが標準的な運用である。

6.7.2 折り返し点による分類 — 内から外へ4段階

折り返し試験の本質は、信号経路のどこで折り返すかを変えることで、 検証範囲を段階的に広げていくことにある。

6.7.3 テストトランスポンダ — 探査機の代わりをする装置

③と④では、局が送信した上り信号を受け取り、探査機と同じ振る舞いで下りに変換して返す装置が要る。 これをテストトランスポンダ（局側折返し装置、テストトランスレータ）という。 備えるべき機能は次のとおりである。

6.7.4 折り返し試験で何を測るか

ただ「受かった／受からない」を見るだけでは、試験としては弱い。 数値を記録し、前回と比べることで初めて予防的な検査になる。

この表の値をすべて記録し、時系列で持つ。これが第7.2章の保守運用につながる。 故障は多くの場合、突然ではなくじわじわとした数値の変化として先に現れる。

6.7.5 測距ゼロ点較正 — 航法精度の根幹

折り返し試験の最も重要な成果物が、測距のゼロ点（局の機器遅延）である。 姉妹書『電波航法と軌道決定』第2.2.3の表で見たとおり、 局の機器遅延は数百ns〜µs、距離に直すと数十〜数百mある。 測距の測定精度が10 cm級であることを思えば、較正しなければ意味をなさない。

手順の骨格は単純である。

だが実務では、次の3点が精度を決める。

① 折返し点の位置。④の空中線折返しでも、テストカプラより先（フィード開口・副鏡・主鏡）は 較正に含まれない。この区間の電気長は設計値・実測値から別途見積もって足す必要がある。 「較正済み」と言うとき、どこまでが較正済みなのかを明示する。

② 温度依存。導波管・同軸ケーブルは温度で伸縮し、電気長が変わる。 100 mの同軸で10 Kの変化があれば、位相はps〜ns級で動く。 季節と時刻で較正値が変わるので、温度と対にして記録する。 理想的には局内の温度テレメトリと合わせて回帰モデルを作る。

③ 構成依存。受信系のパスを切り替えれば（冗長系、フィルタ、分配経路）、遅延は変わる。 運用で使う構成そのもので較正する。試験用の構成で較正して運用構成で使う、は誤りである。

6.7.6 切り分け手順 — 内から外へ広げる

異常が起きたとき、折り返し点を段階的に外へ動かすことで、故障箇所を挟み込める。 これが折り返し試験の最大の価値である。

症状別の切り分けを整理しておく。

6.7.7 実通試験（RFCT）との関係

折り返し試験は局の中で完結する。これに対し、 実際の探査機（またはそのフライトモデル・EM）と局を接続して行うのが RF互換性試験（RFCT: RF Compatibility Test）である。

RFCTで確認すべきは、仕様書上は合っているのに実際には噛み合わないことがら—— 測距符号の解釈の違い、コマンドのフレーム構造、テレメトリの極性、 ターンアラウンド比の設定、閾値近傍の挙動などである。 「標準に準拠している」ことは「繋がる」ことを保証しない。 打上げ後の実通試験と本免許の関係は、姉妹書『周波数管理と国際調整』第5.7章で扱う。

6.7.8 記録とトレンド管理

折り返し試験を「毎回やっているが記録は残していない」という運用は、 価値の半分以上を捨てている。残すべきは次のとおり。

• 実施日時、実施者、使用した構成（冗長系のどちら、経路、減衰量）
• 測定値一式（6.7.4の表の項目すべて）
• 局内・外気の温度
• 前回との差分と、差分が閾値を超えた場合の判定
• 異常があった場合の処置内容

これを時系列でグラフ化しておけば、故障の予兆を故障の前に捕まえられる。 LNAの劣化、冷却能力の低下、ケーブルの経年変化は、いずれもゆるやかな数値変化として先に出る。 第7.2章の保守計画は、この記録の上に立つ。

第7.2章可用性・保守・故障モード

7.2.1 可用性をどう定義するか

可用性の素朴な定義は次のとおりである。

だが深宇宙局でこの定義をそのまま使うと、実感と合わない。理由は2つある。

① 局は24時間使うわけではない。可視時間の外で故障して、可視までに直れば影響はゼロである。 逆に可視の真ん中で1時間止まれば、そのパスは失われる。 分母は「暦時間」ではなく「割り当てられたパス時間」で取るべきである。

② 全か無かではない。Ka帯が使えなくなってもX帯は使える、 測距はできないがテレメトリは取れる、といった縮退状態がある。 これを「使えた／使えなかった」の二値に潰すと、判断材料にならない。

7.2.2 故障モードと影響度

局の故障モードを、影響度と発生頻度で整理しておく。 これが保守計画と予備品計画の根拠になる。

7.2.3 予防保守と計画停止

保守は「壊れてから直す」（事後保全）だけでは回らない。 深宇宙局の保守は3種類を組み合わせる。

深宇宙局で最も効くのは状態基準保全である。 第6.7.8で述べたとおり、劣化はゆるやかな数値変化として先に現れる。 これを捕まえれば、パスを失う前に手を打てる。

計画停止は、可用性を下げる要因であると同時に、 可用性を守るための投資でもある。設計の要点は3つ。

• ミッションの重要局面を避ける。軌道投入・TCM・接近といったイベントは 1年前から分かっている。停止計画はミッションのイベント表と突き合わせて立てる
• 複数局で時期をずらす。近接二局（第8.1.6）の主要な価値がこれである
• 停止を長くまとめる。細切れに何度も止めるより、まとめて長く止めるほうが 総損失は小さいことが多い。段取り・立ち上げ・確認の時間が毎回かかるからである

7.2.4 冗長構成と縮退運用

冗長は「あるかないか」ではなく、どのレベルで持つかの設計である。

縮退運用は事前に定義しておかないと使えない。 「Ka帯が落ちたらX帯で何 kbps まで出せるか」を、 故障が起きてから計算しているようでは間に合わない。 主要な故障モードごとに縮退時の運用条件をあらかじめ表にしておくべきである。

7.2.5 パス失敗の原因分析

パスを1回失ったら、必ず原因を分類して記録する。 これを積み上げると、どこに投資すべきかが見えてくる。

「局の設定誤り」が上位に来る局は珍しくない。 これは要員の質の問題ではなく設計の問題である。 手で入れる項目が多ければ、確率的に必ず誤りが起きる。 対策は「注意する」ではなく「手で入れる項目を減らす」ことである。

7.2.6 予備品と技能の維持

局は数十年使う。その間に直面するのが、次の2つの陳腐化である。

① 部品が手に入らなくなる。半導体・計測器・制御装置は10年で製造中止になる。 対策は、寿命末期買い（ライフタイムバイ）で必要数を確保するか、 早い段階で代替可能な設計にしておくか。 特に局管制システムの計算機系は陳腐化が速いので、 第6.5.2の階層分離が効いてくる。

② 技能が失われる。導波管の取り回し、冷凍機の整備、大型構造物の点検—— これらは文書だけでは伝わらない。 作業を必ず複数人で行い、記録を残し、若手に手を触れさせるという運用規律が、 長期的には予備品より重要になることがある。

7.2.7 経年劣化と更新判断

いつ更新を決めるか。技術的な判断材料は次の4つである。

1. 性能の低下。G/T実測のトレンド、指向精度、可用性の推移
2. 保守コストの増加。故障頻度、復旧時間、部品調達の困難さ
3. 要求とのギャップ。今後のミッションが要求する帯域・レートに対応できるか （第8.1.5のKa帯化の連鎖がこれにあたる）
4. 更新の代替案との比較。改修で足りるか、新設か、アレイ化（第7.4章）か

臼田から美笹への移行（第8.1章）は、まさにこの4つが揃った結果である。 「古くなったから」ではなく「Ka帯が要るのに鏡面精度が届かないから」という 技術的な理由が明確だったことが、更新を成立させた。

自分の局について、この4項目を数字で書けるようにしておくこと。 それが本章の実務的な到達点である。

第8.1章事例研究 — 臼田64m・内之浦・美笹54m

8.1.1 三つの局の役割分担

日本の深宇宙運用は、性格の異なる複数の局で分担されている。 同じ「アンテナ」でも、担う仕事が違えば最適な設計は違う。

8.1.2 内之浦 — 射場に併設されるということ

内之浦は打上げ場に併設されている。この一点が設計要求を大きく変える。

打上げ直後（LEOP）に何が要るかを考えると分かりやすい。

• 広い可視と速い追尾。分離直後の機体は近く、視線方向が速く動く。 第2.1章のサーボ帯域と最大角速度が効く。大口径局は動きが遅いので不向きである
• 広いビーム。軌道が未確定なので、狭いビームでは捕まえられない。 口径が小さいことが利点になる珍しい場面である（第1.2章の θ_3dB ≈ 70λ/D）
• 即応性。異常時に即座に対応できる体制。射場に人がいることの価値
• 強い上り。初期の緊急コマンドを確実に届ける

8.1.3 臼田64m — 大口径という解答

臼田の64mは、1980年代のハレー彗星探査を契機に建設された。 当時の技術的制約のもとで「深宇宙と通信する」という要求に答えるなら、 口径を大きくする以外に手がなかった。

その理由を第3.4章の枠組みで読む。G/Tを上げる手段は2つしかない。

1980年代の低雑音増幅器の水準では、T をこれ以上下げることは難しかった。 冷却技術も現在ほど成熟していない。したがってGを稼ぐ＝口径を大きくするという選択になる。 64mという口径は、当時の技術で到達できるG/Tの上限を、構造側で取りにいった結果である。

大口径の代償も、本書の各章に対応づけて読める。

この表の3行目——鏡面精度がKa帯化の障壁になる——が、後継局の設計を決めた。

8.1.4 美笹54m — なぜ口径を小さくして性能を上げられたのか

後継の美笹は口径が54mで、臼田より小さい。にもかかわらず性能は上である。 これが本章で最も重要な読み解きである。

理由①: 受信系の進歩でTを下げられるようになった。 第3.4.5の感度式 ∂(G/T)/∂T ≈ −4.34/T_sys を思い出す。 T_sys が 40 K の局を 20 K にできれば、それだけで +3 dB。 口径で+3 dBを稼ぐには面積を2倍、直径を1.41倍にする必要がある。 64m → 90m である。受信系で取るほうが圧倒的に安い。

理由②: Ka帯を使えば同じ口径で利得が上がる。 G ∝ (D/λ)² なので、X帯（8.4 GHz）からKa帯（32 GHz）へ移れば、 同じ口径で利得は (32/8.4)² = 14.5倍 ≒ +11.6 dB。 54mのKa帯は、64mのX帯より利得だけで10 dB以上勝る。

理由③: Ka帯にするなら口径を欲張れない。 ここが設計の妙である。Ruzeの式（第1.5章）を思い出す。

λ が 3.6 cm から 0.94 cm へ縮むと、同じ鏡面誤差 ε に対する劣化が (3.6/0.94)² = 14.6倍になる。X帯で問題にならなかった鏡面誤差が、Ka帯では致命的になる。

つまり設計判断の連鎖はこうなる。

8.1.5 Ka帯対応が要求した設計変更の連鎖

「Ka帯にする」という一つの決定が、局のほぼ全部に波及する。 本書の各部がここで一度に効いてくる。

指向のところを具体的に見ておく。54m・Ka帯の半値幅は θ_3dB ≈ 70×0.00937/54 = 0.0121°（約44秒角）。 指向損失を0.5 dB以内に抑えるには、第2.6章の式から θ_err < 0.4·θ_3dB ≈ 0.005°（18秒角）が要る。 数百トンの構造物を、18秒角の精度で向け続ける。 風速・日射・重力変形をすべて含めた予算でこれを守るのが、第2部の仕事である。

8.1.6 二局体制をどう使うか

臼田と美笹は近接している。これは冗長性という意味では強いが、 ΔDORのベースラインとしては使えない（姉妹書『電波航法と軌道決定』第2.4.8）。 また、同じ気象条件下にあるのでサイトダイバーシティにもならない（第3.7.6）。 近接立地の利点と限界を、両方はっきり認識しておく必要がある。

したがって、連続可視・ΔDOR・降雨ダイバーシティは国際相互支援で補うという構図になる。 これが第7.5章の話につながる。日本の局配置を前提にすると、 国際協力は「あればよいもの」ではなく「構造的に必要なもの」である。

8.1.7 この章から自分の局を読む

本章の枠組みは、どの局にも当てはめられる。次の順で読むとよい。

1. いつ、どんな要求で作られたか。当時の技術制約は何だったか
2. G/Tのうち、Gで取ったかTで取ったか。その配分は今の技術水準で最適か
3. 対応帯域と鏡面精度の関係。Ruzeの式でどこまで使えるか
4. ビーム幅と指向精度の関係。指向損失の予算は成立しているか
5. 立地が何を与え、何を奪っているか。経度・気象・RFI・保守アクセス
6. 次に投資するならどこか。第3.4.5の感度分析で答えが出る

この6項目を自分の局について書き下せれば、 局の改修提案が根拠つきで書けるようになる。それが本章の実務的な到達点である。

第8.2章事例研究 — DSNとESTRACK

8.2.1 なぜ経度120度おきに3か所なのか

深宇宙局の配置を決めているのは、ただ一つの要求である。 地球のどこかから常に見えていること——連続可視である。

探査機は地球から見てほぼ静止した方向にあるので、 ある局から見える時間は地球の自転で決まる。 最低仰角を el_min とすると、1局が1日に見られる時間は概ね

という形になるが、実用上は「1局で8〜12時間、経度120度おきに3局で24時間」と覚えておけばよい。 重なりを持たせつつ全周をカバーする最小構成が3局であり、 これがDSNもESTRACKも3か所である理由である。

8.2.2 DSN — 3複合局と、70mから34m群への転換

DSN（Deep Space Network）は経度をほぼ三等分する3か所の複合局から成る。

各複合局は70m級1基＋34m級複数基という構成を持つ。 70mは1960年代に64mとして建設され、1980年代に70mへ拡張された。 臼田64mと同世代・同思想——受信系でTを下げられない時代に、Gで取りにいった解答である。

現在DSNが進めているのは、この70mを34m級ビーム導波管アンテナの群で置き換える方向である。 理由を本書の枠組みで整理する。

34m群への転換は「性能」ではなく「運用の柔軟性と持続可能性」で選ばれている。 単基のG/Tだけを見れば70mが勝つ。だが、 Ka帯が使えず、可用性が脆く、1機しか追えず、老朽化しても更新できない資産よりも、 少し劣るが柔軟で更新可能な資産を並べるほうが、 数十年にわたって多数のミッションを支えるという目的には合う。

アレイ化（第7.4章）はこの転換の技術的な鍵である。 N基をコヒーレント合成すればG/TはN倍（+10log N dB）になる。 34m×4基で+6 dBを積めば、70m単基に迫る。 ただし送信側のアレイ化は受信よりはるかに難しいので、 アップリンクについては大型局の役割が当面残る。

8.2.3 ESTRACK — 35m一種類で揃えるという設計

ESA の深宇宙用アンテナ（DSA）は、口径35m級のビーム導波管アンテナを 3か所に配置する構成である。

DSNとの最大の違いは「一種類で揃えた」ことである。これがもたらす利点は大きい。

• 設計・製造・保守の共通化。予備品も手順も要員訓練も1種類で済む
• 性能の均一性。どの局を使っても同じ条件で運用できるので、 スケジューリング（第7.1章）が単純になる。「この局は性能が落ちるからレートを下げる」という 場合分けが要らない
• 最初からKa帯対応。35mという口径は、Ka帯の鏡面精度要求を現実的に満たせる大きさである
• 後発の利点。1980年代の資産を引きずっていないので、 最初からビーム導波管・冷却受信系・自動化を前提に設計できた

代償は単基のG/Tの上限である。70m級を持たないので、 極端に弱いリンク（遠方・低利得アンテナ・緊急時）ではDSNの支援を仰ぐことになる。 ESAとNASAが相互支援の枠組みを持っているのは、この補完関係による。

8.2.4 その他の深宇宙局

深宇宙局を持つ国・機関は増えている。相互支援や周波数調整（姉妹書『周波数管理と国際調整』） の相手として、存在と概略は把握しておく必要がある。

8.2.5 局を比較するときの視点

「どの局が優れているか」という問いはあまり意味がない。 比較すべきは目的に対する適合である。次の6軸で見るとよい。

この6軸で見ると、DSNは「単基性能と網の両方を持つが老朽化と柔軟性に課題」、 ESTRACKは「均質で柔軟だが単基上限が低い」、 日本は「単基は強いが網が薄い」という位置づけになる。 それぞれ違う弱点を持っているから、相互支援が成立する。

8.2.6 相互支援を受ける／与えるということ

他機関の局を使うには、技術的な適合が前提になる。ここでCCSDS標準が効いてくる。

• 変調・符号化・フレーム構造が標準に準拠していること
• 測距符号が相手の局で扱えること（第2.2.4のT4B/T2B、チップレート）
• SLE等のインタフェースで運用センタと繋がること（第6.4章）
• 追跡データの形式が相互に読めること（TDM）
• 適合性試験を事前に実施していること

「標準に準拠している」ことは「繋がる」ことを保証しない（第6.7.7）。 支援を受ける計画があるなら、打上げのはるか前に相手局との適合性試験を計画に入れておく。 これは技術の問題であると同時に、スケジュールとコストの問題である。