ユーザー端末アンテナは、高速で移動する衛星をどのように追跡しますか？

はい、これは実はそれほど不思議なことではありません。いくつか例を挙げればご理解いただけるでしょう。

ご自宅で昔、テレビを見るための「大きな皿」（パラボラアンテナ）を設置したことがありますよね？あのアンテナは、空の固定された衛星に正確に合わせる必要があり、少しでも動かすと信号が途切れてしまいました。ああいう衛星は「静止衛星」と呼ばれ、地球の自転と同期しているため、空にじっと留まっているように見えます。

しかし、現在の「スターリンク」（Starlink）のような衛星インターネットは、「低軌道衛星」（LEO）を使用しています。これらは地球に近く、信号の遅延が少ないという利点がありますが、その代償として—ものすごい速さで移動します！まるで頭上でブンブン飛び回るミツバチの群れのようなもので、固定された電球ではありません。速度は約秒速7.8キロメートルで、わずか十数分で頭上の一方からもう一方へと移動してしまいます。

もしあの古いパラボラアンテナを使っていたら、隣に力持ちを置いて一生懸命揺らしても、この速度にはついていけません。そこで、ユーザー端末（ピザボックスのような形をした平板アンテナ）は、もっと賢い技術を使っているのです。

核となる魔法：フェーズドアレイアンテナ (Phased Array Antenna)

この名前は威圧的に聞こえるかもしれませんが、原理は非常にシンプルです。これを「皿」や「大きな目」として考えるのではなく、何百、何千もの「小さな目」（アンテナ素子）で構成されたアレイだと想像してください。

例え話：スタジアムのウェーブ

従来のアンテナ：スタジアムに一人しかいないようなものです。彼は異なる方向の試合を見たいと思ったら、絶えず頭を回さなければなりません。頭を回すには時間がかかり、労力も要ります。
フェーズドアレイアンテナ：今、スタンド全体が人で埋め尽くされている（何百、何千ものアンテナ素子）。彼らは頭を回す必要も、立ち上がる必要さえありません。皆が特定のテンポと順序で次々に「手を挙げる」だけで、まるで動いているかのような「ウェーブ」を作り出すことができます。この「ウェーブ」の方向が、信号の送受信方向となるのです。

(フェーズドアレイの簡単な原理図)

この「手を挙げる」動作は、アンテナにおいては各小さな素子から発信する信号の「位相」（時間のわずかな遅延と理解できます）を調整することに当たります。コンピューターがこれらの遅延を正確に制御することで、合成された信号の束（ビーム）を空中のあらゆる位置に向けることが可能になります。しかも、この指向プロセスは電子的に行われ、瞬時に完了し、機械的な可動部品は一切ありません。

衛星追跡の3ステップ

上記の「魔法」を理解すれば、追跡プロセスは非常に分かりやすくなります。

「衛星時刻表」の取得 端末の電源を入れると、まず衛星ネットワークから「天体暦データ」（エフェメリスデータ）をダウンロードします。これは詳細な列車時刻表のようなものです。これにより、今後数分間にどの衛星がどの方向から来て、どの方向へ向かうのかを正確に把握します。
電子ビームの「照準」と「追跡」 アンテナは、ある衛星がまもなくサービスエリアに入ると「計算」すると、前述のウェーブ方式で、瞬時に非常に集中した信号ビームを形成し、「ビュッ」と音を立てるかのようにその衛星に照準を合わせます。衛星が空を高速で移動するにつれて、アンテナ内のコンピューターは「小さな目」（素子）の遅延をリアルタイムで調整し、このビームがサーチライトのように、しっかりと衛星を追跡し続けます。これらすべては電子制御で行われ、音もなく、摩耗も一切ありません。
シームレスな「バトンタッチ」 これが最も重要なステップです。この衛星がサービス範囲から飛び出そうとしているのを見て、アンテナは信号が途切れるのを待ってから次の衛星を探すようなことはしません。その「時刻表」に基づいて、次にバトンを受け継ぐ衛星がどこにいるかをすでに「見て」います。現在の衛星との接続が切れる数分の1秒前に、同時に次の衛星との接続を確立します。このプロセスは「メイク・ビフォア・ブレイク」（Make-before-break）と呼ばれ、陸上競技のリレーのように、次の走者がすでに走り出しバトンを受け取ってから、前の走者が手を離すようなものです。そのため、あなたのネットワークはほとんど中断を感じることがありません。

まとめ

したがって、ユーザー端末が高速で移動する衛星を追跡できるのは、「ただ速い」機械的な回転によるものではなく、「賢い」電子スキャンによるものです。

一つの核となる技術：フェーズドアレイアンテナ。何千もの小さな素子が協調して動作し、重くて扱いにくい機械的な回転を代替します。
一つの賢い頭脳：内蔵されたコンピューターが「衛星時刻表」を手に、信号ビームの方向を正確に計算し制御します。
一つのシームレスなプロセス：衛星が飛び去る前に「二股をかける」ように（両方の衛星と接続を維持し）、ネットワーク接続が途切れないようにします。

このプロセス全体は、あなたが目で空の飛行機を見るようなものですが、眼球を動かす必要はありません。代わりに、不思議な方法で視線の焦点を瞬時にある飛行機から別の飛行機へとジャンプさせ、しかもその切り替えが速く、安定しているようなものです。