JP2019514295A - ２重ｌｅｏ衛星システム及びグローバルカバレッジのための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、衛星システムに関し、より詳細には、グローバルカバレッジを有する衛星システム及び通信用途のための方法の提供に関する。グローバルブロードバンド接続サービスを提供するための最適な方法が発見されており、その方法は、２つの異なるＬＥＯコンステレーションであって、各コンステレーション内の衛星の間の衛星間リンク及びコンステレーションの間の衛星間リンクを有する、２つの異なるＬＥＯコンステレーションを使用する。第１のコンステレーションは、９９．５度の好ましい傾斜及び１０００ｋｍの好ましい高度を有する極ＬＥＯコンステレーション内に配備される。第２のコンステレーションは、３７．４度の好ましい傾斜及び１２５０ｋｍの好ましい高度を有する傾斜ＬＥＯコンステレーション内に配備される。

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は、衛星システムに関し、より詳細には、グローバルカバレッジを有する衛星システム及び通信用途のための方法の提供に関する。
［背景技術］
全てのレベルにおいて、ワイヤレス通信についての非常に大きな需要が全世界規模で存在する。スマートフォン、タブレット、及び同様なものについての商業的及び個人的需要は、多くのかつ種々の軍事及び航空用途がそうであるように、成長し続ける。同様に、増加し続ける帯域幅についての需要が、同様に成長している。その理由は、顧客が、どこにいてもまた移動性があっても移動性がなくても、ビデオ会議、ビデオオンデマンド、ブロードキャスト及びマルチメディアインターネットサービス等の高帯域幅サービスにアクセスすることを期待するからである。

アクセス及び帯域幅についてのニーズは、非常に人口密度が高いエリアに限定されない。多くの政府及び通信機関は、都市エリアにおいて享受される通信サービスに対するのと同じアクセスを郊外エリア及び人口密度が低いエリアにおいて提供することに関心を表してきた。こうした規制圧力がなくても、通信システムプロバイダは、世界の多くの領域で現在のところサービスされていない大きな市場及びそれがプロバイダに提示するビジネス機会を認識する。衛星通信システムは、離れた領域へのブロードバンドサービスを提供するが、費用がかかる。そのため、効率的かつ費用効果的である衛星システムに大きな関心が存在する。

衛星システムは、一般に、使用する軌道に基づいて４つの群：静止地球軌道（ＧＥＯ：Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔｓ）、長楕円軌道（ＨＥＯ：Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ Ｏｒｂｉｔｓ）、中地球軌道（ＭＥＯ：Ｍｅｄｉｕｍ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔｓ）、及び低地球軌道（ＬＥＯ：Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔｓ）に分類され得る。

ＧＥＯ衛星は、上空で静止しているように見え、衛星に地表の所与のエリアの連続した眺望を提供する。残念ながら、こうした軌道は、衛星を、地球の自転周期に等しい周期で、地球の赤道の真上（緯度０°）に置くことによってのみ得られ得、それは、３５，７８９ｋｍの高度を必要とする。こうした軌道は多くの用途において有用であるが、信頼性のある移動体通信の場合、緯度７０°を超えてはあまり有用でない。ＧＥＯ通信衛星リンクは、衛星の仰角が緯度の増加と共に減少するため信頼性がなくなる又は機能しなくなる（仰角は、地上のユーザと水平線から測定される衛星との間の見通し角（line-of-sight angle）のことである。）同様に、ＧＥＯ衛星は、レイテンシ(遅延)問題を有する。すなわち、ＧＥＯ衛星は、地上ベースデバイスと軌道上の衛星との間で信号が行き来するときに、データの送信においてかなりの時間遅延をもたらす。ＧＥＯ衛星は、同様に、地球からの距離が長いために他の衛星システムと比べて大電力の通信構成要素及び大きなアンテナを必要とする。より大きな電力要件及びより大きなアンテナは衛星のコストの増加をもたらし、増加した衛星質量及びより高い軌道高度は、この軌道への打上げコストを増加させる。

ＨＥＯ衛星は、ＧＥＯ衛星に比べて高い高度のよりよいカバレッジを提供し得るが、他の欠点を有する。ＨＥＯ軌道は、軌道の焦点のうちの１つの焦点が地球の中心である軌道であり、衛星の速度は、焦点からの距離の減衰関数である。すなわち、ＨＥＯ衛星は、その軌道の一部(近地点（ｐｅｒｉｇｅｅ））の間で地球付近を進み、衛星がそのときに非常に速く進むことになり、一方、軌道の他端（遠地点（ａｐｏｇｅｅ））において、非常にゆっくり進むことになる。そのため、ＨＥＯ軌道は、衛星が、関心エリアにわたって比較的ゆっくり進み、関心がないエリアにわたって速く移動するように設計される。しかし、一部のＨＥＯ軌道は、バンアレン帯を通過し、バンアレン帯は、衛星を高レベル放射線に暴露させ、衛星の寿命を減少させる。同様に、ＨＥＯ衛星は、地球からＧＥＯ衛星とほぼ同じ距離の遠地点を有し、したがって、同様のレイテンシ問題をもたらす。

ＭＥＯ衛星は、ＬＥＯコンステレーションとＧＥＯコンステレーションとの間の円軌道に従う。幾つかの定義が存在するが、ＭＥＯ軌道は、一般に、高度が３，０００キロメートルと３５，０００キロメートルとの間にあると考えられる。ＭＥＯコンステレーションは、ＧＥＯ衛星に比べてより高い緯度においてよりよいカバレッジを提供し、より短い信号レイテンシカバレッジを提供することができ、全世界規模のカバレッジを提供するために多数のＭＥＯ衛星が必要とされるであろう。ＬＥＯ衛星よりもその高度が高いため、ＭＥＯ衛星は、より長い信号経路長を克服するために、ＬＥＯ衛星に比べて大電力の通信システム及び大きなアンテナを持たなければならない。Ｏ３ｂ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｌｔｄは、８，０００キロメートルの高度の赤道の周りのＭＥＯ軌道において１２個のインターネット衛星のコンステレーションを有する。しかし、これらの衛星は赤道軌道に配備されるため、北緯又は南緯約４５度を超える通信について効果的でない。全地球測位システム（ＧＰＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）は、約２０，２００キロメートルの高度を使用する４４個の衛星のＭＥＯシステムであり、好都合には、１２時間の軌道周期をもたらす。ＧＰＳコンステレーションは、５５度で傾斜するため、Ｏ３ｂシステムに比べて極に近いよりよいカバレッジを有するが、その性能は、極に近づくにつれて、実際に劣化する。

ＬＥＯ衛星は、２，０００ｋｍ未満の低高度の円軌道に置かれる。ＬＥＯ衛星のコンステレーションは、全世界規模のカバレッジを提供し得るが、これは、多くの衛星を必要とする。その理由は、個々の衛星が比較的短い時間にわたって所与の領域上に存在するからである。地球に対するその距離が比較的短いために、レイテンシ、信号が進まなければならない距離によって引起される遅延は、全ての他の軌道と比べてずっと小さい。ＬＥＯについてのレイテンシは約４０ｍｓｅｃであり、一方、ＧＥＯについて、レイテンシは約２５０ｍｓｅｃである。レイテンシは、ブロードバンドインターネット通信において益々重要である。

運用中のブロードバンドＬＥＯ衛星システムは全く存在しないが、米国特許第ＵＳ９３９１７０２号（Ｗｙｌｅｒによる）及び米国特許公報第ＵＳ２０１７／０００５７１９（Ｋｒｅｂｓによる）に記載されるシステム等の幾つかのシステムが提案されている。これらのシステムが設計される方法のせいで、これらのシステムは共に、非常に高価である。Ｋｒｅｂｓシステムは、例えば、８４１個と１２１８個との間の衛星を必要とし（ＵＳ２０１７／０００５７１９の段落[００４０]参照）、一方、Ｗｙｌｅｒシステムは、約１２５０個の衛星を必要とする（ＵＳ９３９１７０２のコラム５第２４行参照）。そして、Ｋｒｅｂｓ及びＷｙｌｅｒシステム上で利用可能な通信チャネルの数を増加したい場合、非常に大きくかつ高価な増分でそのようにしなければならず、一度に数百の新しい衛星を付加しなければならないことになる（すなわち、軌道面の数を２倍にする、又は、初期コンステレーションにおける数に等しい衛星の新しいセットを付加することが基本的に必要になる）。

したがって、特に、ブロードバンド通信用途について、グローバルカバレッジを提供するための改良型衛星システム及び方法についての必要性が存在する。
［発明の概要］
上述した問題を軽減する、グローバル通信カバレッジを提供するための改良型衛星システム及び方法を提供することが本発明の目的である。

グローバルブロードバンド接続サービスを提供する有利な方法が発見されており、その方法は、２つの異なるＬＥＯコンステレーションであって、各コンステレーション内の衛星の間の衛星間リンク及び２つのＬＥＯコンステレーションの間の衛星間リンクを有する、２つの異なるＬＥＯコンステレーションを使用する。第１のコンステレーションは、９９．５度の好ましい傾斜角及び１０００ｋｍの好ましい高度を有する極ＬＥＯコンステレーション内に配備される。第２のコンステレーションは、３７．４度の好ましい傾斜角及び１２５０ｋｍの好ましい高度を有する傾斜ＬＥＯコンステレーション内に配備される。このコンステレーションにおいて、衛星は、赤道領域及び中緯度の上に分配され、１０度の最小仰角で北緯５０度と南緯５０度との間のカバレッジを提供し得る。

極ＬＥＯコンステレーション及び傾斜ＬＥＯコンステレーションは、約２０度の最小仰角を有する真のグローバルカバレッジを達成するためにハイブリッドコンステレーションとして共に働き、同様の高度における単一ＬＥＯコンステレーションによって必要とされる衛星よりも少数の衛星を必要とする。例えば、上述した極ＬＥＯコンステレーションのみを使用して、２０度最小仰角におけるグローバルカバレッジを提供するために１６８個の衛星が必要とされることになる。比較すると、本発明のハイブリッドコンステレーションは、１１７個の衛星を必要とするのみである。約２０度の最小仰角は、ユーザ端末において電子走査式アレイアンテナの使用を可能にするため好ましい。約２０度の最小仰角は、リンクの品質及び効率を改善する。その理由は、ユーザと衛星との間の距離が、仰角が高くなるにつれて短くなり、信号が、小さな大気減衰（Ｋａ帯等の高周波数における重要な因子）をもたらすからである。更なる衛星が、おそらくは需要が増加するにつれて徐々に付加され、リンクの頑健性の増加に対応するよりよいルック角（ｌｏｏｋ ａｎｇｌｅ）をもたらし得る。

ＮＧＳＯ（：ｎｏｎ−ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｏｒｂｉｔ、非静止衛星軌道）衛星が、ＧＥＯ衛星に対する干渉を引起すことができず、ＧＥＯ衛星から保護を求めることもできないことが、規制要件である。本明細書で述べる極ＬＥＯコンステレーション及び傾斜ＬＥＯコンステレーションは、ＧＥＯ衛星に対する干渉を回避するために共に働く。本発明の極ＬＥＯコンステレーション及び傾斜ＬＥＯコンステレーションは、ＧＥＯユーザ端末において測定される、ＬＥＯ衛星と所与のＧＥＯ衛星との間の最小弁別角を超えるときのみユーザ端末に接続することによって、ＧＥＯ衛星との干渉を回避する。弁別角は、ＩＴＵによって決定された受容不能干渉レベルに基づいて計算される。ＬＥＯ衛星がＧＥＯ衛星との干渉を回避するニーズは、赤道領域及び中緯度の上でより一般に起こる。干渉を回避するために使用される軽減技法は、ＬＥＯユーザ端末を、代替のＬＥＯ衛星であって、弁別角より大きいＧＥＯ衛星からの角度分離を有する、代替のＬＥＯ衛星に切換えることである。極軌道及び傾斜軌道の組合せによって、大きな確立で、適切な代替のＬＥＯ衛星が存在することになる。

本発明の極ＬＥＯコンステレーション内の通信衛星は、より高い緯度において過剰な容量を有することになる。その理由は、衛星の軌道面が共に近づき、ユーザトラフィック需要が低いからである。より高い緯度における極ＬＥＯコンステレーションの過剰な容量は、既存の地上ネットワークに接続するために、両方のＬＥＯコンステレーションから北極に位置するゲートウェイに、ＩＳＬ（：ｉｎｔｅｒ−ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌｉｎｋ、衛星間リンク）を介してユーザトラフィックを転送するために使用される。ゲートウェイサイトが２つ以上の軌道面内で衛星に接続し得るために、非常に少数の北極ゲートウェイ（通常、２つの）サイトが必要とされる（図１参照）。

ユーザは、衛星上の大容量の狭い操向可能ビームのうちの１つのビームを通して衛星システムに通常接続する。狭い操向可能ビームを使用することによって、衛星の資源は、電力及び帯域幅の観点で、市場が位置する場所に集中され得る。大陸が地球の表面の約３０％を占めるのみであること、また更に、人口のほとんどが表面エリアの６％に居住していることが観測されている。そのため、多くの従来技術のシステムが達成しようと試みるように、常時、地球の表面の１００％にわたるブロードバンドカバレッジを提供することは、資源の効率的な使用法でない。大容量の狭い操向可能ビームによってサービスされないエリアに位置するときに、地球上のどこででも、全てのユーザが衛星ネットワークを監視し衛星ネットワークにアクセスできることを保証するために、各衛星は、衛星の全視野にサービスを提供するワイドエリアカバレッジビームを有することになる。狭い操向可能ビームに比べて低い容量を有するワイドエリアカバレッジビームは、大容量ビームカバレッジについてのより頑健なネットワーク管理及びユーザオンデマンド要求を可能にする。すなわち、狭い大容量ビームによって現在サービスが提供されていないエリア内のユーザ端末は、ワイドエリアカバレッジビームを介して衛星と連絡をとり、より高い帯域幅の狭い大容量ビームを介して衛星に対するアクセスを要求することができる。全地球を連続してカバーするワイドエリアカバレッジビームは、同様に、ＩＰコンテンツをユーザ端末にプッシュすること及びソフトウェア配信等のブロードキャストタイプのサービスを可能にする。

本発明の一実施形態において、グローバル通信用の衛星システムが提供され、衛星システムは、極ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の第１のセットの衛星と、傾斜ＬＥＯコンステレーション内の第２のセットの衛星と、第１及び第２のセットの衛星に信号を送信し／第１及び第２のセットの衛星から信号を受信するためのユーザ端末と、第１及び第２のセットの衛星に信号を送信し／第１及び第２のセットの衛星から信号を受信するためのゲートウェイと、を備え、第１及び第２のセットの衛星のそれぞれは、同じコンステレーション内の衛星に関してまた他のコンステレーション内の衛星に関してＩＳＬ（衛星間リンク）機能を有する。

本発明の別の実施形態において、衛星通信システムが提供され、衛星通信システムは、ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の１セットの衛星と、１セットの衛星に信号を送信し／１セットの衛星から信号を受信するためのユーザ端末と、１セットの衛星に信号を送信し／１セットの衛星から信号を受信するためのゲートウェイとを備え、１セットの衛星のそれぞれは、ワイドエリアカバレッジビームを介して信号を送受信すること、大容量ビームカバレッジのためにユーザ端末からの要求を受信すること、及び要求先のユーザ端末に向けられるより高い帯域幅の狭い操向可能ビームにユーザ端末を切換えることによって、大容量ビームカバレッジのためにユーザ端末からの要求を受信することに対応するように運用可能である。

本発明の更なる実施形態において、グローバル通信衛星システムのための運用方法が提供され、運用方法は、極ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の第１のセットの衛星を打上げること、傾斜ＬＥＯコンステレーション内の第２のセットの衛星を打上げること、ユーザ端末を使用して、第１又は第２のセットの衛星内の第１の衛星に通信データを送信すること、ＩＳＬ（衛星間リンク）を使用して、通信データを、第１の衛星から、第１又は第２のセットの衛星内の第２の衛星に通信すること、及び、通信データを、第２の衛星から極ゲートウェイに送信することを含む。

本発明のなお更なる実施形態において、衛星通信システムのための運用方法が提供され、運用方法は、ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の１セットの衛星を打上げること、ユーザ端末を使用して、１セットの衛星に信号を送信し／１セットの衛星から信号を受信すること、ゲートウェイを使用して、１セットの衛星に信号を送信し/１セットの衛星から信号を受信することを含み、１セットの衛星の少なくとも１つの衛星は、ワイドエリアカバレッジビームを介して信号を送受信し、大容量ビームカバレッジのためにユーザ端末からの要求を受信し、要求先のユーザ端末に向けられるより高い帯域幅の狭い操向可能ビームにユーザ端末を切換えることによって、大容量ビームカバレッジのためにユーザ端末からの要求を受信するよう応答する。

本発明の他の態様及び特徴は、図面と共に考えられるとき、以下の詳細な説明の検討から明らかになるであろう。
本発明のこれらのまた他の特徴は、添付図面に対してそこで参照が行われる以下の説明からより明らかになるであろう。

図１は、６軌道面内の１２個の衛星の極ＬＥＯコンステレーションの簡略化した表現を提示する図である。 図２は、５軌道面内の９個の衛星の傾斜ＬＥＯコンステレーションの簡略化した表現を提示する図である。 図３は、組合せ式ＬＥＯ軌道について、０度と９０度との間の緯度（北極と南極）について２０度の最小仰角が満たされる時間パーセンテージを示すシステムシミュレーションの結果を提示する図である。 図４は、本発明のハイブリッドＬＥＯシステムを介して地上ネットワークに接続する、メキシコ内のユーザ端末についての例示的な概略図である。 図５は、ＧＥＯ衛星との干渉がどのように回避されるかを示す例示的な概略図である。 図６は、本発明を実装するための例示的なネットワークアーキテクチャを提示する図である。 図７は、打上げ機の例示的なペイロード配置を提示する図である。 図８は、本発明を実装する例示的な方法のフローチャートである。 図９は、本発明の実施形態における例示的なゲートウェイのブロック図である。 図１０は、本発明の実施形態における例示的な衛星のブロック図である。

類似の参照符号が、類似の構成要素を示すために異なる図面において使用されている。

［発明の詳細な説明］
本発明のＬＥＯハイブリッドコンステレーションは、２つの相互に支持するコンステレーション：極ＬＥＯコンステレーション及び傾斜ＬＥＯコンステレーションからなる。約２０度の最小仰角を有する完全なグローバルブロードバンド通信カバレッジは、全部で１１７個の衛星（極コンステレーション内に７２個、傾斜コンステレーション内に４５個）を備え得る。他の提案されているＬＥＯシステムと違って、地球上の任意のポイントに対する初期サービスは、ずっと少数の衛星；約１２度の最小仰角を有するグローバルカバレッジを提供する７２個の衛星の極コンステレーションの完成で始まり、４５個の衛星の傾斜コンステレーションの後続の打上げは、最小仰角を約２０度まで増加させることになる。

好ましい実施形態において、極ＬＥＯコンステレーション（図１参照）は、以下のパラメータに対して配備される：
・７２個の衛星プラス、スペアのコンステレーション
・６軌道面のそれぞれにおける１２個の衛星、軌道面は等間隔で配置される（すなわち、３０度の隣接軌道面間）
・軌道面は９９．５度傾斜する
・軌道高度は１０００ｋｍ
７２個の衛星のコンステレーションは、個々の衛星を各軌道面に付加することによって、又は、更なる軌道面を付加し、その後、コンステレーション内で衛星のロケーションを調整して、カバレッジについて最適化された分布をもう一度実現することによって、増加され得る。

好ましい実施形態において、傾斜ＬＥＯコンステレーション（図２参照）は、以下のパラメータに対して配備される：
・４５個の衛星プラス、スペアのコンステレーション
・５軌道面のそれぞれにおける９個の衛星、軌道面は等間隔で配置される（すなわち、３６度の隣接軌道面間）
・軌道面は３７．４度傾斜する
・軌道高度は１２５０ｋｍ
４５個の衛星のコンステレーションは、個々の衛星を各軌道面に付加することによって、又は、更なる軌道面を付加し、その後、コンステレーション内で衛星のロケーションを調整して、カバレッジについて最適化された分布をもう一度実現することによって、増加され得る。市場は、傾斜ＬＥＯコンステレーションのカバレッジエリア内に集中するため、衛星を極ＬＥＯコンステレーションに付加するのではなく、衛星を傾斜ＬＥＯコンステレーションに（個々の衛星を各軌道面に又は更なる軌道面に）付加することによって、成長する市場を満たす容量がより効率的に増加され得る。

各衛星に関する冗長性は、各軌道面にスペア衛星を付加することによって、コスト低減の利益を伴い、かつ、必要とされるシステム可用性が維持された状態で低減されることができる。この更なる衛星は、運用中であることになり、ある軌道面内の全ての衛星は、等間隔に配置され、全体システム容量を増加させることになる。万一、衛星が故障する場合、故障した衛星によって通常提供されるカバレッジの喪失は、その軌道面内の残りの衛星を、等間隔に配置されるように位相補正することによって迅速に置換えられる。衛星を位相補正する時間は、ほぼ１日であるように計算されており、３％の更なる軌道保持燃料を必要とする。

成長する市場需要を満たすために、衛星が各軌道面に付加され得る、或は、更なる軌道面が、極ＬＥＯコンステレーション又は傾斜ＬＥＯコンステレーションに付加され得る。例えば、各軌道面内の衛星の数を１だけ増加させることによって（全部で１１個の更なる衛星）、システム容量は、約９％だけ増加することになる。別の例において、傾斜ＬＥＯコンステレーションの初期の５軌道面の間に５軌道面を付加することによって（全部で４５の更なる衛星）、傾斜コンステレーションの容量は２倍になり、より大きな冗長性が達成される。同様に、極コンステレーションの容量は、初期極コンステレーションの６軌道面の間に配置された６軌道面に、７２個の更なる衛星を打上げることによって２倍になり得る。軌道面の数の２倍化は、同様に、付加された軌道面内に新しい技術を有する衛星を置くことによって、新しい世代に途切れなく移行する機会を提供する。新しい技術にまだ適合性がないユーザ端末に対するサービスは、影響されないことになる。その理由は、これらのユーザ端末が、初期軌道面内の衛星に接続し続けることになるからである。４５個の衛星の増分でネットワークの容量を増加させることは、従来技術のシステムの大きな増分と比べてずっと費用効果的である。

標準的な軌道保持及び電力消費に加えて、両方のコンステレーション内の衛星は、ＩＰトラフィックの信号再生及びルーティングを実施するオンボードプロセッサを有する。衛星は、同様に、衛星間リンク（ＩＳＬ）を使用して、コンステレーション内の隣接する衛星に接続し、他のコンステレーション内の衛星に接続する。これは、接続サービスにおける最大の柔軟性を提供する。その理由は、各衛星が、見通し内にある他の衛星と完全に相互接続されたＩＰルータになるからである。したがって、リンク性能は、既存のシステムに比べて改善され、容量が増加する。衛星は、同様に、「ストアアンドフォワード（ｓｔｏｒｅ ａｎｄ ｆｏｒｗａｒｄ）」機能を有し、ターゲット衛星又はゲートウェイに対する通信が可能でないときに衛星がデータを格納することを可能にすることができる。格納されたデータは、その後、通信が可能になると中継され得る。衛星は、同様に、天候監視機器等の他のペイロードを保持することができるが、通信が、システムの主要な焦点である。

本発明のハイブリッドＬＥＯネットワークは、北極（カナダのイヌヴィック内、また、ノルウェイのスヴァールバル内）に位置する２つの既存のゲートウェイサイトを通して地上ネットワークに接続されることができる。世界の他の部分内の更なるゲートウェイサイトは、トラフィックボリュームによる要求に応じて、又は、国内規制要件に対処するために付加されることができる。上記で述べたように、また図１に見られるように、極ＬＥＯコンステレーションの軌道面は、極において収束し、高レベルの可用性及び過剰な帯域幅が、地上ネットワークにハイブリッドコンステレーションが効率的に接続することを可能にする。本発明のシステムは、同様に、極における衛星収束の非効率性を、次のことによって緩和する。
・衛星通信及び他のサービスを北極飛行ルートに対して利用可能にすること；
・衛星収束の程度を最小にするために衛星位相を調整すること；すなわち、最北のポイントに同時に到達する各軌道面からの衛星が存在しないように軌道面の相対的位相を調整すること；及び、
・電池充電時間として極領域におけるダウンタイムを使用して、ＳＷａＰ（：ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｉｚｅ，ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ、衛星サイズ、重量、及び電力要件）を低減すること
ユーザは、衛星の操向可能ビームであって、それぞれが約１７０ｋｍの直径を有する、操向可能ビーム（好ましくは、フェーズドアレイアンテナによって生成される）のうちの１つの操向可能ビームを通してハイブリッドＬＥＯネットワークに接続する。航空モバイル、大規模固定エンタープライズ、及びコミュニティブロードバンドを含む広域市場が、こうして提供され得る。

ＬＥＯネットワークが、時間の１００％、グローバルカバレッジを提供するように衛星の全視野をカバーする別個のワイドエリアカバレッジ能力が同様に存在する。アプリケーションは、インターネットコンテンツをユーザ端末にプッシュすること、ソフトウェア更新のブロードキャスト、及びモノのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）を含む。

衛星間リンク（ＩＳＬ）機能は、全ての衛星上に設けられる。シミュレーションが実施され、そのシミュレーションは、極コンステレーション及び傾斜コンステレーション内の衛星間のＩＳＬ追尾が現在のＩＳＬ技術で実行可能であることを示した。ＩＳＬ機器についての仰角の変化レートは、０．０５度／秒未満であり、方位角の変化レートは、０．２度／秒未満である。ＩＳＬの使用は、必要とされるゲートウェイの数を２つ（イヌヴィック及びスヴァールバルにある）まで低減する。その理由は、まさに最小数で、衛星が、衛星ツー衛星通信を使用して地上ネットワークにアクセスして、極ＬＥＯコンステレーションにおける衛星に到達し、そこから、北極ゲートウェイに到達することができることになるからである。全ての衛星上にＩＳＬを有することは、任意選択で、軍隊等の要求の厳しいユーザについて、データがゲートウェイ又は地上ネットワークを通過することなく、ポイントツー任意ポイント通信を可能にする。

全ての衛星上にＩＳＬを有することは、また、システムが、極コンステレーション又は傾斜コンステレーションにおいて、クライアント衛星をホストすることを可能にする。適合性のあるＩＳＬ能力を装備する地球観測衛星等のホストされる衛星は、ＩＳＬネットワークに接続し、そのデータを、選択済みの行先にリアルタイムに中継させ得る。これは、衛星が、そのゲートウェイのうちの１つのゲートウェイの視野内にあるときのみデータをダウンリンクすることによって引起される遅延及び輻輳を回避することになる。極ＬＥＯコンステレーションは、電気光学及び赤外線撮像衛星について特に有用である。

システム設計は、ユーザ端末についての最小仰角が２０度であることを可能にする。これは、ユーザ端末において電子走査式アンテナを可能にし、衛星視野のエッジにおけるリンクバジェットを改善することを可能にする。電子走査式アンテナは、電子操向され得る基本的に物理的に平坦な固体アンテナである。結果として、ユーザ端末は、伝統的なディッシュアンテナについて必要とされるようにアンテナを物理的に移動させ照準を合わせる必要なしでＬＥＯ衛星を追尾し得る。図３は、シミュレーションの結果を示し、シミュレーションは、本発明のハイブリッドＬＥＯコンステレーションが、時間の約１００％について、少なくとも１つの衛星に対する最小２０度仰角アクセスを全世界規模で提供することになることを示す。

衛星アンテナは、所定の電力及び帯域幅の衛星資源を、選択済みの市場エリアに集中する狭い操向可能ビームを含む。更なるワイドエリアカバレッジ能力は、２０度仰角で衛星の全視野を受け持つ。これを達成するために、衛星は、全地球が時間の１００％カバーされるように、衛星の視野を２０度仰角までカバーすることが可能な、衛星の真下に向けられる（天底照準（ｎａｄｉｒ ｐｏｉｎｔｉｎｇ））、約１０８度ビーム幅の幅広固定ビームを有する。ユーザ端末が、より高い容量の接続を要求し、そのロケーション（すなわち、ＧＰＳ座標）を提供すると、衛星は、ユーザ端末の方向に高容量の狭いビームを操向するように指令され得る。これは、本発明のシステムが、決して使用されない多数の資源を消費することなく、広く人口密度が低いエリアをカバーすることを可能にする。操向可能ビームは、同様に、或るエリアをカバーするために２つ以上のビームを操向するビームの「スタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）」を可能にし、特に大きな需要を満たすための更なる電力及び帯域幅を提供する。ゲートウェイにリンクを提供する衛星アンテナが同様に存在し、そのアンテナは、この場合、Ｖ帯である。しかし、もちろん、任意の適した周波数帯が使用されることができる。

本発明のシステム及び方法は、軍事用Ｋａ帯能力の付加に容易に対処し得る；これは、スペクトルが商用Ｋａ帯に隣接するため、衛星ペイロードに最小の影響を及ぼすことになる。高容量高回復軍事通信について急速に増加する需要が存在する。ＬＥＯコンステレーションは、本質的にレジリエント(回復力が高い)である。その理由は、ＬＥＯコンステレーションが、敵国がネットワークを乱すことを難しくする多数の衛星からなるからである。回復力は、データが地上ネットワークを通過することなく、ネットワークが任意の２つのポイントを接続することを可能にするＩＳＬを有することによって更に増加する。対照的に、ＧＥＯコンステレーションは、少数（ほぼ３個〜５個）の衛星からなり得、任意の１つの衛星の喪失は、世界の重要な部分についてサービスの長期の乱れをもたらすことになる。

本発明のシステムについての予想される市場は、ワイヤレスブロードバンドサービスを必要とする任意の実体である。システムは全世界規模のカバレッジを提供するが、或る顧客は、特定の地理的エリア内でのリモートアクセスを必要とするだけである場合がある。市場は、次のものを含むことができる。例えば：
・トランキング又はＶＳＡＴを必要とする場合がある大規模ユーザ；
・海事通信；
・航空通信；
・ブロードバンド接続サービス（コミュニティアグリゲート、ＷＩＦＩホットスポット）
・セルラーバックホール；
・インターネットコンテンツをユーザ端末にプッシュすること；及び／又は
・モノのインターネット
衛星間リンク（ＩＳＬ）
本発明の重要な態様は、ハイブリッドコンステレーション内の衛星の全ての間でのＩＳＬの包含である。ＩＳＬは、システムの柔軟性及び容量を改善する。その理由は、ＩＳＬが、極ＬＥＯ衛星を介して主要な北極ゲートウェイ（イヌヴィック及びスヴァールバル等）に中継することによって、必要とされるゲートウェイの数を低減するからである。しかし、もちろん、トラフィックボリュームによって決定される又は国内規制によって必要とされるとき、地域ゲートウェイが使用又は付加されることができる。そのため、システムは、
・例えば、遠隔又は規制問題のためにゲートウェイが全く存在しない領域内で市場についてのサポートを可能にし；
・単一衛星ネットワークを通して発信元の１つの国から任意の他の国へのグローバル接続サービスを可能にし；
・多くのタイプのサービスが提供されることを可能にする。

同様に、衛星の全ての間に完全なＩＳＬ通信を有することは、本発明のシステムが、軌道面のうちの任意の軌道面においてクライアントの衛星をホストすることを可能にする。ただし、衛星が、適合性のあるＩＳＬハードウェア及び適切なルーティングソフトウェアを装備する場合に限る。

ＩＳＬの利益を最大にするために、ゲートウェイとのより大きな容量のフィーダリンクが必要とされる。そのため、利用可能なより広い帯域幅を有するＶ帯が好ましい。
無線周波数ＩＳＬ（ＲＦ ＩＳＬ）が使用される可能性があるが、光ＩＳＬが好ましい。その理由は、質量及び電力要件が低くなることによって光ＩＳＬがサポートし得るデータレートが高くなるからである。照準、捕捉、及び追尾の問題は、光ＩＳＬシステムの設計における検討事項であるが、これらは、ＬＥＯツーＬＥＯシステムについて解決されている。

本発明のシステムにおいて考慮されなければならない３つの特定のＩＳＬ事例が存在する：
・軌道面内接続サービス（前方及び後方）；
・同じコンステレーション内の軌道面間接続サービス（左及び右）；及び、
・コンステレーション間接続サービス（極ＬＥＯ衛星と傾斜ＬＥＯ衛星との間）
軌道面内接続サービス（前方及び後方）は、衛星が同じ速度でかつ同じ方向に移動するため、実施するのが容易である。同じコンステレーション内の軌道面間接続サービス（左及び右）は、傾斜軌道について簡単である。その理由は、衛星が、異なる軌道面にある間に、同じ速度でかつ同じ方向に依然として移動するからである。極コンステレーションのシームにわたる軌道面間接続サービス（左及び右）は非常に難しく、極コンステレーションのみの場合、シームは、多くの極軌道面にわたってデータを中継する（遅延及びトラフィック負荷を増加させることになるが）ことによって、回避されなければならない。以下で説明するように、極コンステレーションのシームは、極コンステレーションのシームにわたってではなく、傾斜コンステレーションを通して通信情報を送出することによってバイパスされ得る。そして最後に、コンステレーション間接続サービスは、衛星が、互いを位置特定し追尾することを、実際に必要とするが、この問題に対処する技術が存在する。

データが、ＩＳＬを有する衛星を介してユーザ端末と地上ＩＰネットワーク接続サービスを有するゲートウェイとの間で進むための、又は、データが、ＩＳＬを有する衛星を介してゲートウェイを通過することなく２つのユーザ端末の間を進むための最適経路を決定することは、各衛星のオンボードのＩＰルータによって達成されることができる。ハンドオフ、容量／負荷管理、ルート管理、負荷平衡化等についてのＩＰルータアルゴリズムは、全て知られており、それらがＩＰルータの任意の他の通信ネットワークを通じて働くのと同じ方法で衛星ネットワークを通じて働くことになる。衛星ネットワークである物理層は、ＩＰデータ通信（すなわち、通信層）に影響を与えない。ＩＰデータは、それが、地上ＩＰネットワークに接続されたゲートウェイに達するためにデータがとるための最も効率的なルートである場合、極ＬＥＯ衛星にルーティングされることになる。

本発明のシステムは、イリジウムコンステレーションのようなシステムの「シーム（ｓｅａｍ）」問題を持たない。その理由は、データ及び通信トラフィックが、極コンステレーションの衛星と傾斜コンステレーションの衛星との間でルーティングされ得るからである。技術的に、本発明の極コンステレーション内にシームが存在するが、ルーティングソフトウェアは、トラフィックを、傾斜コンステレーションを通してルーティングすることによってシームを横断し得る。ルーティングソフトウェアは、考えられる全てのＩＳＬ接続及びルートを知っている。２つの衛星が、互いに関してあまりにも急速に移動している場合（シーム問題についての基礎である）、ルーティングソフトウェアは、この接続を利用可能にさせないことになり、単に異なるルートを選択することになる。そのため、両方のコンステレーション及び両方のコンステレーション内の衛星の全ての間でのＩＳＬを使用して、対処すべき「シーム」問題が全く存在しない。

同様に、既存のネットワークを通じてデータ及び通信トラフィックを管理するための知られている方法は、本発明の衛星ネットワークに同様に適用され得る。データは、より直接的な接続を使用してリアルタイムニーズが満たされるように、優先順位を付けられる可能性があり、通常、より高いコストがユーザに課される。逆に、緊急性の低いニーズを有するユーザは、より安い費用で、自分のデータをより遅いチャネルを通してルーティングさせることができる。他のコスト、重み付け、優先順位付け、スケジューリング、及び負荷管理モデルが、同様に使用されることができる。

例えば、メキシコシティのユーザ４１０がインターネットにアクセスしたいと欲する場合、システムに対するユーザのワイヤレス接続は、図４に示すように、傾斜ＬＥＯコンステレーション内の衛星４２０に対してであることになる。傾斜ＬＥＯコンステレーション内の衛星４２０に対するこの最初のリンクは、Ｋａ帯であることになる。この衛星４２０は、その後、ゲートウェイ４４０と通信する容量を有する北極の極ＬＥＯ衛星４３０にＩＳＬを介して接続する。極ＬＥＯ衛星４３０は、その後、Ｖ帯フィーダリンクを使用してイヌヴィックにあるゲートウェイ４４０に接続する。イヌヴィックゲートウェイ４４０は、地上ファイバー接続サービスを有し、ユーザ４１０のためにブロードバンドインターネットアクセスを提供する。

ＧＥＯとの干渉を回避すること
上記で述べたように、ＮＧＳＯ（非静止軌道）衛星は、ＧＳＯ（静止軌道）衛星に対する干渉を引起すことができず、ＧＳＯ衛星から保護を求めることもできない。ＩＴＵの条項２２は、ｅｐｆｄ（：ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ、有効電力束密度）限界を満たしながら、静止衛星軌道（ＧＳＯ）ネットワークとの共存を保証するために配慮されなければならない。

弁別角は、有効電力束密度（ｅｐｆｄ）限界に基づいて計算されている。図５に示す弁別角５１０は、ＧＥＯユーザ端末５４０において測定される、ＧＥＯ衛星５２０とＬＥＯ衛星５３０との間の角度として規定される。ＬＥＯ衛星５３０は、その送信信号がＧＥＯユーザアンテナのビーム内に入るときにＧＥＯユーザ端末５４０と干渉することになる。これは、ＬＥＯユーザ端末５５０及びＧＥＯユーザ端末５４０が地理的に近く、ＬＥＯ衛星５３０とＧＥＯ衛星５２０との間の角度分離が小さいときに起こる。弁別角５１０は、弁別角の値より大きな角度でＧＥＯ衛星から分離されるＬＥＯ衛星が、ＧＥＯ端末に対して受容不能な干渉をもたらさないように計算される。受容不能な干渉のレベルは、ＩＴＵによって規定された有効電力束密度によって決定される。本発明の衛星コンステレーションは、コンステレーション内の全ての衛星と常時接続状態にあるネットワーク管理システム（図示せず）によって集中管理される。ＮＭＳは、最悪の場合の仮定を行っていることが知られている又は考えられる、全てのＧＥＯ衛星のロケーション及び動作周波数並びにＧＥＯ端末のロケーションを含むテーブルを有する。このＧＥＯデータがＬＥＯコンステレーションの詳細知識と結合された状態で、ＮＭＳは、ＧＥＯネットワーク時間数又は更に日数に対する考えられる干渉の状況を前もって予測し得る。代替のＬＥＯ衛星であって、弁別角より大きいＧＥＯ衛星に関する角度分離を有する、代替のＬＥＯ衛星にユーザ端末を切換える干渉軽減技法は、前もって計画され、ユーザに対するサービスを乱すことなく効率的に実行され得る。本発明が極ＬＥＯ軌道と傾斜ＬＥＯ軌道の組合せを使用するため、利用可能な適切な代替のＬＥＯ衛星が存在することになる高い確率が存在する。

操向されないワイドエリアカバレッジビームの場合、ＧＥＯ地上ステーションとの干渉の尤度及び程度は、同様に、以下の技法の１つ又は複数によって低減され得る。
・ＧＥＯシステムにおいてあまり一般的でないＫａ帯の所定の部分の周波数を使用すること；
・ずっと大きな帯域幅にわたって信号を拡散するために拡散スペクトラム変調技法を使用し、ＩＴＵによって設定された限界未満に電力束密度を低減することによって干渉を回避すること；
・コンステレーションが市場成長を満たすために拡張するにつれて、赤道領域におけるワイドエリアカバレッジビームについての冗長カバレッジは、ユーザが非干渉衛星にハンドオフされることができることを意味することになる；及び／又は、
・固定ワイドエリアカバレッジ衛星ビームは、衛星の姿勢を変更することによってＧＥＯネットワークとの干渉を回避するために操向され得る（すなわち、ボディ操向）。

これは予測可能で決定論的な状況であるため、厳密計算が実施され得、これらの軽減技法が、前もって計画され得る。
他の例示的な実施形態
本発明の好ましい実施形態は上述されたが、システムのパラメータが、修正されることができ、同じ結果を依然として提供することができることが当業者に明らかになるであろう。こうした修正についての検討事項は、以下を含む：
傾斜角：傾斜角は、衛星の軌道面と地球の赤道を通過する面との間の角度である。極ＬＥＯ衛星は、その傾斜角が、本発明の実施形態の場合と同様に連続して又は或る期間にわたってグローバルカバレッジが達成されるようなものである衛星、例えば、通常、通信ではなく地球観測用途のための単一軌道面内の単一衛星として規定され得る。極ＬＥＯ軌道についての傾斜角の範囲は、約８０〜１００度である。極ＬＥＯ軌道の好ましい傾斜角は９９．５度である。傾斜ＬＥＯ衛星の傾斜角は、衛星コンステレーションがサービスを提供する地球の面積によって決定される。本発明の好ましい実施形態の場合、３７．４度が選択されている。その理由は、この傾斜角を有するコンステレーションが北緯５０度と南緯５０度との間に集中する市場をカバーし得るからである。しかし、傾斜角は５度と７５度との間で変動し、幾つかの実施形態において、異なる市場エリアに対処することができる。

衛星の軌道面／数：同じ軌道面内に複数の衛星を有することは、幾つかの理由で好ましい実装態様である。軌道と地上ステーションとの協働を簡略化することに加えて、複数の衛星を有することは、同様に、複数の衛星が単一打上げ機から打上げられること、或は、冗長性及び／又は性能の改善のために同じ軌道面内の衛星の数を増加させることを可能にする。軌道面の数及び軌道面内の衛星の数は、変動し、設計目的、例えば、極ＬＥＯ軌道についてのグローバルカバレッジを依然として満たすことができる。この目的は、６軌道面のそれぞれの軌道面内の１１個の衛星、９軌道面のそれぞれの軌道面内の８個の衛星、又は好ましい実装態様において、６軌道面のそれぞれの軌道面内の１２個の衛星によって達成され得る。この因子は、傾斜ＬＥＯ軌道について同様であり、好ましい実装態様は、５軌道面内の９個の衛星である。変形の例は６軌道面内の８個の衛星である。最適コンステレーションを決定することは、達成される最小仰角、冗長性のレベル、及び配備の相対的な容易さ等の因子を、カバレッジ目的を依然として達成しながら考慮する。１つの衛星が故障する場合、同じ軌道面内に更なる冗長衛星を打上げることが所望される場合がある。同じ軌道面内に冗長衛星を有することは、冗長衛星を適切な位置に置くことをより容易にし、必要とされるときに冗長衛星を起動する。この種の冗長性は、軌道面の数が増加するにつれて、達成するのがより難しい。

本発明のシステムを開発するときに、１軌道戦略（極、傾斜、バラードロゼット（Ｂａｌｌａｒｄ Ｒｏｓｅｔｔｅ）等）が、最適であることが見出されることになると最初に考えられたが、それは事実ではなかった。そして、極コンステレーション及び傾斜コンステレーションの組合せがグローバル通信システムのために最適なアプローチであると判定されたときでも、傾斜角、軌道面の数、及び衛星の数についての最適値（すなわち、５軌道面内の４５個の衛星、３７．４度傾斜、及び１２５０ｋｍの高度の傾斜コンステレーションと組合せた、６軌道面内の７２個の衛星、９９．５度傾斜、及び１０００ｋｍの高度の極コンステレーション）は予想可能でなかった。すなわち、本発明の開発は、単に１つのコンステレーションが他のコンステレーションの欠点に対処するという問題ではなかった。そして更に、これらの値が操作されたとき、これらの操作の結果が予想可能でなかったことが同様に見出された。例えば、次のことが見出された。
１．極コンステレーションに別の軌道面を付加することは、最小仰角を大幅に改善しないことになる；
２．傾斜コンステレーションの傾斜角を増加させることは、より多くの衛星を付加しない状態では最小仰角を大幅に改善しないことになる；
３．既存の極軌道面により多くの衛星を付加することは、多くの利点を提供しないことになる；
離心率：離心率は、軌道の楕円経路の形状であり、遠地点の高度（最高高度）及び近地点の高度（最低高度）を決定する。定義によれば、全てのＬＥＯ軌道は円であるため、０の離心率を有する。

高度：ＬＥＯ衛星の高度は、大気抵抗によって下方端で制限され、大気抵抗は、８００ｋｍ未満の高度で生じ始め、克服するために更なるステーション維持燃料がかかる。最大高度は約１４００ｋｍである。その理由は、この高度を超えると、放射線増加のレベルが衛星寿命に悪い影響を及ぼすからである。別の因子は、宇宙ごみであり、宇宙ごみは、ＬＥＯ軌道の場合、８００ｋｍと１０００ｋｍとの間により高い濃度を、したがって、より高い衝突の可能性を有する。上記で述べたように、極ＬＥＯ衛星は、１０００ｋｍの好ましい高度の軌道内に配備され、一方、傾斜ＬＥＯ衛星は、１２５０ｋｍの好ましい高度の軌道内に配備される。

近地点引数：近地点引数は、赤道面に関する楕円軌道の向きを表す楕円軌道についての別のパラメータである。全てのＬＥＯ軌道は、定義上、円であるため、このパラメータは重要でない。

昇交点経度（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｓｃｅｎｄｉｎｇ Ｎｏｄｅ）：簡単に言えば、昇交点経度は軌道面が地球の赤道を横切る場所を表す。昇交点経度は、軌道であって、例えば、コンステレーションのカバレッジを最適化するために互いからオフセットした隣接軌道面内に衛星を有する、軌道を指定するときの因子になる。上記で述べたように、本発明の軌道面が、単に地球の最適カバレッジを提供するために等間隔で配置されることが好ましい。しかし、軌道面は、何らかの他の方法で配置される可能性がある。

軌道周期： 軌道周期は、衛星の高度によって決定され、ＬＥＯ衛星の場合、１．５時間〜２時間のオーダである。ＬＥＯ軌道を設計するとき、周期は、上記で示したように、８００ｋｍと１４００ｋｍとの間で変動する場合がある高度によって決定される。

軌道制御：本発明の衛星コンステレーションは、地球の偏平率、太陽及び月の引力、及び太陽放射圧によって、上述の軌道パラメータの変化を経時的に受ける。変化は、衛星搭載オンボード推進システムによって補償され得る。これが行われる方法は、以降で述べられる。

ゲートウェイ及びユーザ端末：図６に示すように、システムは、ユーザ端末、通信機能を有するＬＥＯ衛星６３０、及び少なくとも１つのゲートウェイ６１０で構成されている地上ベース通信ネットワーク６２０を含む。ゲートウェイ６１０は、ＬＥＯ衛星６３０からデータを取得し、遠隔測定、追尾、及び制御（ＴＴＣ：Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ，Ｔｒａｃｋｉｎｇ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を実施することを必要とされる。指向性アンテナは、その大きな効率のために使用されることになり、ゲートウェイ（複数可）６１０が空を横切ってＬＥＯ衛星６３０を追尾することを必要とする。追尾技術は、当技術分野でよく知られている。ＬＥＯ衛星６３０が空を横切って移動するときの１つの衛星から次の衛星へのハンドオフは、ユーザについての相互作用を全く必要としないことになる。ハンドオフは、知られている技法を使用して影響を及ぼされ得る。同様に、６２０のユーザ端末は、衛星を捕捉し追尾し、衛星間のハンドオフを達成しなければならない。

標準的な衛星通信帯が使用されることができ、標準的な衛星通信帯は、Ｌ帯（１〜３ＧＨｚ）；Ｘ帯（約７〜８ＧＨｚ）；Ｋｕ帯（約１１〜１５ＧＨｚ）；及びＫａ帯（約１７〜３１ＧＨｚ）を含む。誤り訂正、エンコーディング、及び喪失／破損したパケットの再送信が同様に使用されることになる。

上記で説明したように、本発明のシステムは、「シーム」問題に対処することにおいて、極領域内で利用可能な余分の通信資源を利用することにおいて、標的市場に対する電力及び帯域幅の割当てにおいて、また、比較的少数の衛星の付加によって、容量が徐々に増加され得る点で、従来の衛星コンステレーションシステムに勝る利点を提供する。システムの更なる利点は、少なくとも以下を含む：
・完全な全世界規模のカバレッジが、他の方法と比較して、より少数の衛星によって提供される；
・ＧＥＯ又はＭＥＯ衛星が全く必要とされないため、ＧＥＯコンステレーション及び一部のＭＥＯコンステレーションに関連する、レイテンシ、電力要件、アンテナサイズ、及び不充分な極カバレッジに関する問題が全く存在しない；
・ゲートウェイ又は介在する地上ネットワークをデータが通過することのない、安全で直接的なユーザ端末ツーユーザ端末接続サービス（これは、本発明の背景において参照したＫｒｅｂｓシステムにおいて行われる）；及び、
・ＨＥＯ衛星が全く必要とされないため、レイテンシ、又は、一部のＨＥＯコンステレーションの場合と同様に、バンアレン帯に対する暴露に関する問題が全く存在しない。

最初の箇条書きに関して、「ＬＥＯ： Ｒｏａｒ ｏｒ Ｗｈｉｍｐｅｒ； Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ： Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｔｒｕｔｈｓ」ＩＣＧは、極コンステレーション内の６５０の衛星のＴｅｌｅｄｅｓｉｃシステムが、どの時点においてもアフリカにサービスを提供するほぼ１５個の衛星（コンステレーションの２．３％）を有することを述べている。対照的に、本発明の極コンステレーションは、７２個の衛星だけを有するにもかかわらず、しかし、操向可能ビームを使用して、どの時点においてもアフリカにサービスを提供する平均で１２．１個の衛星（コンステレーションの１６．９％）、及び、最小で９個の衛星（コンステレーションの１２．５％）を提供するであろう。

本発明の極コンステレーションと傾斜コンステレーションの組合せは、もちろん、更によいカバレッジを提供するであろう。
軌道制御
本発明の衛星コンステレーションは、地球の偏平率、太陽及び月の引力、及び太陽放射圧によって、上述の軌道パラメータの変化を経時的に受ける。変化は、衛星オンボード推進システムを使用して周期的軌道補正マヌーバ（すなわち、「軌道維持」マヌーバ）を実施することによって補償され得る。

各軌道補正のサイズは、「デルタｖ（ｄｅｌｔａ−ｖ）」マヌーバの推進力及び持続時間によって決定されるであろう（「デルタｖ」は、速度の変更のための航空宇宙用語に過ぎない）。より長いマヌーバはあまり効率的でないため、小頻度の長い持続時間のマヌーバではなく、頻度が高い短い持続時間のマヌーバを実施することが好ましいであろう。化学（２液式）推進システムを装備する衛星の場合、達成可能な推進力は、マヌーバ対の間で数日又は更に数週間を可能にするのに十分に大きいであろう。高効率低推進力イオンスラスターを利用する衛星の場合、マヌーバは、全ての軌道回転中に実施されることができる。

コンピュータソフトウェアシステムが、他の衛星飛行システムを管理するために知られており、本明細書で述べる軌道に対処するために容易に修正される可能性がある。
図７は、３つの衛星６３０を格納する、（図示されていない）打上げ機についての例示的なペイロード９００の断面図である。衛星の質量及び打上げ機の能力に応じて、ずっと多くの数の衛星が可能である。打上げ機は、所望される軌道へ、又は衛星６３０がそこから衛星６３０の運用軌道に達し得る位置へ衛星を運ぶのに、十分な容量を有する十分な数の推進段を含むことになる（すなわち、２推進段、３段等）。打上げ機は低高度のパーキング軌道へ複数の衛星６３０を運ぶことができる。低高度のパーキング軌道は、差動交点回帰（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｎｏｄａｌ ｒｅｇｒｅｓｓｈｉｏｎ）として知られている運用軌道に関して地球の周りに回転し、最適ポイントにおいて、衛星６３０は、それ自身を運用軌道へ推進することができる。代替的に、打上げ機は、衛星６３０の運用軌道へ衛星６３０を直接打上げることができる。

図１０に関して述べるように、各衛星６３０は、通信システム、制御システム、及び推進システムを含むことになる。どんな構成の打上げ機が使用されるかに関わらず、これらのシステムは、衛星６３０が、ゲートウェイ６１０と通信し、衛星６３０自身を、衛星６３０の最終運用軌道及びコンステレーション内の衛星６３０の適切な位置へ位置決めすることを可能にする。

衛星起動及び試運転：
図８を参照すると、衛星コンステレーションが打上げ機によって打上げられると、衛星６３０が起動され、基本システムの試運転／試験手順が実施される、１０２０。この試運転／試験手順は、衛星６３０が適切な方向に向けられるようにアンテナを配備し、衛星６３０を回転させること、ソーラーパネルを配備すること、プロセッサ及び電子システムに給電すること、ソフトウェアシステムを起動すること、並びに、全ての基本システム及びサブシステムの動作を検証することを含むことができる。この手順の一部としてトラブルシューティング及び／又は修正措置を実施することが同様に必要である場合がある。

基本システム及びサブシステムが起動され、それらの動作が検証されると、衛星６３０は、これら衛星の最終軌道位置へ移行されることができる、１０３０。上述したように、これは、衛星６３０が同じ運用軌道に打上げられる場合、衛星６３０が単に自分自身を正確な節分離（ｎｏｄａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ）へ推進することを含むことができる。代替的に、衛星６３０がパーキング軌道に打上げられた場合、衛星６３０は、衛星６３０の運用軌道及び節分離へ自分自身を推進するために、ずっと多くの量の燃料を消費することを必要とされる場合がある。

ここで衛星６３０がその最終軌道位置にある状態で、ペイロードが起動され、試運転が行われ、試験が行われることができる１０４０。これは、上述した衛星の基本システムの起動、試験、及び性能検証とほとんど同じ方法で、すなわち、任意の必要なアンテナ又はセンサを配備して、プロセッサ及び電子システムに給電して、ソフトウェアシステムを起動して、そして、全てのペイロードシステム及びサブシステムの動作を検証して行われることになる。もちろん、トラブルシューティング及び／又は修正措置は、同様にペイロード性能検証手順の一部として実行されることができる。

衛星６３０は、ここで運用モードにある。ペイロードの運用は、完全にペイロードの性質によって完全に決定されるであろう。
衛星システムの全て及びペイロードが運用可能である状態で、残っている唯一の懸念は、関心の軌道内で衛星６３０の位置を維持することである、１０５０。これは、「軌道制御（Ｏｒｂｉｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」の項目の下で上述した方法で実施され得る。衛星位置情報は、衛星６３０、ゲートウェイ６１０、又は何らかの他のコントロールセンターによって決定されることができる。通常、衛星位置情報は、全地球測位システム（ＧＰＳ）のデータ及び/又は他の衛星遠隔測定から計算されることができる。

任意選択で、例えば、電力を温存するため又は機器を保護するために、或るシステム及びサブシステムが、衛星の軌道の途中で停止されることができる。例えば、通信ペイロードは、ユーザが存在する地球の部分にサービスを提供するときのみに、アクティブであることができる。他の時点において、ペイロードシステムを停止し、ペイロードが関心の領域に再度入いると再起動させることが望ましい場合がある。衛星の正常性、ステータス、及び制御に関するデータを送受信し続けることができるように、基本衛星サブシステムを常時運用可能に維持することが望ましい場合がある。また、これらの休止期間に、衛星のバッテリを再充電することが望ましい場合がある。

ゲートウェイ設計：
図９は、衛星６３０と通信するための例示的なゲートウェイシステム１１００の簡略ブロック図を示す。通信信号は、運用／制御信号及びペイロード関連信号を含むことができる。科学ペイロードの場合、ペイロード関連信号は、機器に送信される制御信号及び機器から受信される観測／監視データを含むことができる。ゲートウェイシステム１１００は、他のタイプの情報を受信し、提示するために修正されることができ、１つ又は複数のコンピュータ、サーバ、ネットワーク及び他の関連デバイスと共に使用されることができる。

図９に示すように、ゲートウェイシステム１１００には、アンテナ１１１０、送受信機１１２０、処理ユニット又はシステム１１３０、及びネットワーク通信システム１１４０を含むことができる。

アンテナ１１１０は、所望の通信周波数で信号を送受信するように設計される。通常、アンテナ１１１０は、効果的なブロードバンド通信レベルを維持するために、高指向性追尾アンテナになるであろう。

ゲートウェイ送受信機１１２０は、衛星からのデータを受信し、データをＣＰＵ１１３０のために準備するための受信部、及び、ＣＰＵ１１３０からのデータを処理し、データを、アンテナ１１１０を介して衛星６３０に送信するために準備をするための送信部からなる。送受信機１１２０の送信部は、例えば、衛星６３０に送信されるデータを多重化し、エンコードし、そして、圧縮し、次に、送信のためにデータを所望の送信周波数に変調し、増幅することができる。エラー訂正コーディング等のために複数チャンネルが使用されることができる。相補的に、送受信機１１２０の受信部は、受信信号を復調し、ＣＰＵ１１３０が使用するためにアンテナからの信号についての任意の必要な逆多重化、デコーディング、解凍、エラー訂正、及びフォーマッティングを実行する。アンテナ及び／又は受信機は、同様に、任意の他の所望のスイッチ、フィルタ、低雑音増幅器、(例えば、中間周波数への)ダウンコンバータ、及びその他の構成要素を含むことができる。

ローカルユーザーインターフェイス１１５０は、同様に図１１に示される。ゲートウェイ（複数可）６１０の地理的位置は、必要とされるゲートウェイの数を最小化するために選択されることができる。結果として、ゲートウェイ（複数可）６１０は、衛星オペレータ及び／又はペイロードデータを受信する相手にとって好都合である地理的ロケーションにない場合がある。そのため、ゲートウェイ（複数可）６１０は、インターネット又は類似のネットワーク１１７０を通じてシステムにアクセスするために遠隔コンピュータ１１６０が使用されるように、ネットワーク通信設備１１４０を、通常備えるであろう。

衛星設計：
図１０は、本発明の例示的な実施形態で使用されることができる衛星６３０の簡略ブロック図を示す。図示するように、衛星６３０は、軌道保持システム１２１０、推進システム１２２０、電力システム１２３０、通信システム、コンピュータ処理システム１２４０、及びペイロード１２５０を含むことができる。通信システムは、通常、１つ（又は複数）の送受信機１２６０及びアンテナのセット１２７０からなるであろう。もちろん、例えば冗長構成要素及びバックアップ構成要素を含む他の構成要素及び配置が、本発明を実装するために使用されることができる。

軌道保持サブシステム１２１０は、衛星の軌道を維持するのに重要である。したがって、軌道保持サブシステム１２１０は、姿勢及び／又は軌道調整情報を計算及び／又は受信することができ、衛星の姿勢及び／又は軌道を調整するために推進システムを作動させることができる。軌道を維持することには、同様に、衛星コンステレーション内でその衛星自身と他の衛星との間の所望の節分離を維持することを含むことができる。推進システム１２２０は、例えば、燃料源（すなわち、燃料及び酸化剤タンク）及び液体燃料ロケット又はイオンスラスターシステムを含むことができる。

電力サブシステム１２３０は、衛星システム及びサブシステムの全てに電力を供給する。電力サブシステム１２３０は、例えば、１つ又は複数のソーラーパネル及び支持構造並びに１つ又は複数の電池を含むことができる。

衛星アンテナのセット１２７０は、ユーザ及びゲートウェイに接続するアンテナに役立つために、ＩＳＬ、狭い操向可能ビーム（例えば、１衛星について１６の電子操向可能ビーム）、及び上述したワイドエリアカバレッジビームを提供するために必要とされる通信周波数及びシステムに対処するように設計されることになる。衛星の物理的サイズ及び重量制約を考慮して、これらのアンテナはゲートウェイ６１０のアンテナ１１１０に比べてずっと小さいであろう。アンテナのセット１２７０のビームの方向は、アンテナを機械操向することによって、又は、アンテナビームを電子操向することによって制御される。代替的に、衛星姿勢は、アンテナのセット１２７０を操向するように制御されることができる。

同様に、衛星送受信機１２６０は、ゲートウェイ６１０及びユーザ端末６２０の送受信機と相補的であるように設計され、ゲートウェイ６１０／ユーザ端末６２０からデータを受信し、データをＣＰＵ１２４０のために準備するための受信部、及び、ＣＰＵ１２４０からのデータを処理し、データをアンテナのセット１２７０を介してゲートウェイ６１０／ユーザ端末に送信するために準備をするための送信部からなる。同様に、衛星送受信機１２６０は、ＩＳＬが達成されるように他の衛星の送受信機と相補的であるように設計される。

送受信機１２６０の送信部は、例えば、送信されるデータを多重化し、エンコードし、圧縮し、次に、送信のためにデータを所望の送信周波数に変調し、増幅することができる。複数のチャンネルが、エラー訂正コーディング等のために使用されることができる。送受信機１２６０の受信部は、受信信号を復調し、衛星のＣＰＵ１２４０が使用するためにアンテナ１２７０のセットからの信号についての任意の必要な逆多重化、デコーディング、解凍、エラー訂正、及びフォーマッティングを実施する。アンテナのセット及び／又は送受信機は、同様に、任意の他の所望のスイッチ、フィルタ、低雑音増幅器、(例えば、中間周波数及び／又はベースバンドへの)ダウンコンバータ、及び他の構成要素も含むことができる。

衛星６３０のＣＰＵシステム１２４０は、通常、姿勢及び軌道制御システムの作業のために使用される信号を受信する。ＣＰＵシステム１２４０は、同様に、ペイロード１２５０の作業のための制御信号を受信し、ゲートウェイ６１０に送信するためにペイロードデータを処理する。ＣＰＵシステム１２４０は、同様に、衛星６３０が地理的関心領域に入るまたそこから出るように通過するとき、種々のサブシステムの起動及び停止を管理することができる。衛星６３０がＩＰルータとして働くことを意図される場合、そうするための機能は、ＣＰＵシステム１２４０の一部として、又は、ペイロード１２５０の一部として存在することができる。

オプション及び代替法：
本発明のシステムは、少なくとも以下の用途に適用されることができる：
１．機械ツー機械等の通信用途、次世代セルラーネットワーク４Ｇ及び５Ｇを含む一部の通信プロトコルは、ＧＥＯ内の衛星から適切にサービスを提供することができない低遅延を必要とする；
２．海事及び航空トラフィックは、現在、静止軌道内の衛星の到達範囲を超える高い緯度にあるとき、静止通信から信頼性が低くかつ狭い帯域幅のＨＦ（高周波）無線通信に切換えなければならない。本発明のシステムは、これらのエリアにおける航空機及び船に関してブロードバンド通信、ナビゲーション、及び監視をサポートする可能性がある。現在、極ルートを使用する１月当たり７００の航空機が、現在存在し、この領域における航空トラフィックの安全及び効率並びに乗客のためのブロードバンド接続サービスを改善するために、北周極領域にわたる連続したカバレッジが必要とされる；
３．地球観測：これらのペイロードは、上述の軌道において十分に働き、また、例として、天候、温室効果ガス、及び海洋カラーラジオメトリのグローバル監視を提供し得る。
４．宇宙状況認識：これらのペイロードは、ごみ及び小惑星並びに危険であると考えられ得る他の衛星等の宇宙の危険を検出し得る。
５．宇宙天気：本発明の軌道は、太陽放射及び地球の電離層等の因子を測定する宇宙天気ペイロードをサポートし得る。

結論
１つ又は複数の現在のところ好ましい実施形態が例として述べられてきた。特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、多数の変形及び修正が行われ得ることが、当業者に明らかになるであろう。例えば、衛星の傾斜角、高度、及び数の選定は、必要とされるサービスエリアと、宇宙機上の燃料の量と、ペイロードの打上げ質量との間のトレードオフに依存する。これらのパラメータは、本発明の概念から逸脱することなく、異なる優先度に対処するために最適化され得る。

本発明の方法ステップは、オブジェクトコード又はソースコード等の、種々のフォーマットで記憶される実行可能な機械コードのセットで具現化されることができる。こうしたコードは、簡略化のために、プログラミングコード、ソフトウェア、又はコンピュータプログラムとして一般的に記述されることができる。本発明の実施形態は、方法ステップの様式でプログラムされるコンピュータプロセッサ又は類似のデバイスによって実行されることができる、又は、これらのステップを実行するための手段を備える電子システムによって実行されることができる。同様に、コンピュータディスケット、ハードドライブ、サムドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、又は当技術分野で知られている類似のコンピュータソフトウェア記憶媒体等の電子記憶媒体が、こうした方法ステップを実行するためにプログラムされることができる。

全ての引用文献は参照により本願に組込まれる。

Claims (27)

1. グローバル通信用の衛星システムであって、
   極ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の第１のセットの衛星と、
   傾斜ＬＥＯコンステレーション内の第２のセットの衛星と、
   前記第１及び第２のセットの衛星に信号を送信し／前記第１及び第２のセットの衛星から信号を受信するためのユーザ端末と、
   前記第１及び第２のセットの衛星に信号を送信し／前記第１及び第２のセットの衛星から信号を受信するためのゲートウェイ、基地局、又は第２のユーザ端末と、を備え、
   前記第１及び第２のセットの衛星のそれぞれは、同じコンステレーション内の衛星に関してまた他のコンステレーション内の衛星に関してＩＳＬ（衛星間リンク）機能を有する、衛星システム。
2. 前記極ＬＥＯコンステレーションは、等間隔に配置された６つの軌道面を備える、請求項１に記載の衛星システム。
3. 前記極ＬＥＯコンステレーションの前記軌道面は、８０度と１００度の間で傾斜する、請求項２に記載の衛星システム。
4. 前記極ＬＥＯコンステレーションの前記軌道面は、約９９．５度だけ傾斜する、請求項３に記載の衛星システム。
5. 前記傾斜したＬＥＯコンステレーションは、等間隔に配置された５つの軌道面を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の衛星システム。
6. 前記傾斜したＬＥＯコンステレーションの前記軌道面は、５度と７５度の間で傾斜する、請求項５に記載の衛星システム。
7. 前記傾斜したＬＥＯコンステレーションの前記軌道面は、約３７．４度だけ傾斜する、請求項６に記載の衛星システム。
8. 前記極ＬＥＯコンステレーションは約７２個の衛星を備え、前記傾斜したＬＥＯコンステレーションは約４５個の衛星を備え、システムは、それにより、約２０度の最小仰角を有するグローバルカバレッジを提供する、請求項１から７のいずれか１項に記載の衛星システム。
9. 前記極ＬＥＯコンステレーションの前記衛星は、８００ｋｍと１４００ｋｍとの間の高度で周回する、請求項１から８のいずれか１項に記載の衛星システム。
10. 前記極ＬＥＯコンステレーションの前記衛星は、約１０００ｋｍの高度で周回する、請求項９に記載の衛星システム。
11. 前記傾斜したＬＥＯコンステレーションの前記衛星は、８００ｋｍと１４００ｋｍとの間の高度で周回する、請求項１から８のいずれか１項に記載の衛星システム。
12. 前記傾斜したＬＥＯコンステレーションの前記衛星は、約１２５０ｋｍの高度で周回する、請求項１１に記載の衛星システム。
13. ＧＥＯ衛星ユーザ端末との干渉を回避することは、前記ＧＥＯユーザ端末において測定される前記ＬＥＯ衛星と前記ＧＥＯ衛星との間の角度分離を、ＩＴＵによって決定された受容不能干渉レベルに基づいて計算された弁別角度より大きく維持することによって達成される、請求項１から１２のいずれか１項に記載の衛星システム。
14. より高い緯度における前記極ＬＥＯコンステレーションの過剰な容量は、地上ネットワークに接続するために、両方のＬＥＯコンステレーションから北極に位置するゲートウェイに、ＩＳＬを介してデータトラフィックを転送するために使用される、請求項１から１２のいずれか１項に記載の衛星システム。
15. 前記第１及び第２のセットの衛星のそれぞれは、ＩＰルータ機能を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の衛星システム。
16. 前記第１及び第２のセットの衛星のそれぞれは、ＩＰルータ負荷管理機能を有する、請求項１５に記載の衛星システム。
17. 前記通信はブロードバンド通信を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の衛星システム。
18. 前記ユーザ端末は、前記第１及び第２のセットの衛星と通信するために電子走査式アレイアンテナを含む、請求項１から１７のいずれか１項に記載の衛星システム。
19. 衛星通信システムであって、
    ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の１セットの衛星と、
    前記セットの衛星に信号を送信し／前記セットの衛星から信号を受信するためのユーザ端末と、
    前記セットの衛星に信号を送信し／前記セットの衛星から信号を受信するためのゲートウェイと、
    前記セットの衛星のうちの少なくとも１つの衛星と、を備え、前記セットの衛星のうちの前記少なくとも１つの衛星は、
    ワイドエリアカバレッジビームを介して信号を送受信し、
    大容量ビームカバレッジのために前記ユーザ端末からの要求を受信し、
    前記要求先のユーザ端末に向けられる、より高い帯域幅の狭い操向可能ビームに前記ユーザ端末を切換えることによって、大容量ビームカバレッジのために前記ユーザ端末からの前記要求を受信することに対応する
    ように運用可能である、衛星通信システム。
20. 前記セットの衛星のそれぞれは、ブロードキャストタイプサービスを提供するように更に運用可能である、請求項１９に記載の衛星通信システム。
21. 前記セットの衛星のそれぞれは、ユーザ端末に対してソフトウェア配信をブロードキャストするように更に運用可能である、請求項１９に記載の衛星通信システム。
22. 前記セットの衛星のそれぞれは、ユーザ端末に対してインターネットコンテンツをブロードキャスト（プッシュ）するように更に運用可能である、請求項１９に記載の衛星通信システム。
23. ユーザ端末からの要求は、前記高帯域幅ビームを操向させるために使用され得るＧＰＳロケーションを含む、請求項１９から２２のいずれか１項に記載の衛星通信システム。
24. 前記ゲートウェイは、空を横切って前記衛星を追尾するように運用可能である、請求項１９から２３のいずれか１項に記載の衛星通信システム。
25. 前記ゲートウェイ及び前記ユーザ端末は、前記衛星が空を横切って移動するとき、前記衛星の間の通信をハンドオフするように運用可能である、請求項１９から２４のいずれか１項に記載の衛星通信システム。
26. グローバル通信衛星システムのための運用方法であって、
    極ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の第１のセットの衛星を打上げること、
    傾斜ＬＥＯコンステレーション内の第２のセットの衛星を打上げること、
    ユーザ端末を使用して、前記第１又は第２のセットの衛星内の第１の衛星に通信データを送信すること、
    ＩＳＬ（衛星間リンク）を使用して、前記通信データを、前記第１の衛星から、前記第１又は第２のセットの衛星内の第２の衛星に通信すること、及び、
    前記通信データを、前記第２の衛星から極ゲートウェイに送信することを含む、運用方法。
27. 衛星通信システムのための運用方法であって、
    ＬＥＯ（低地球軌道）コンステレーション内の１セットの衛星を打上げること、
    ユーザ端末を使用して、前記セットの衛星に信号を送信し／前記セットの衛星から信号を受信すること、
    ゲートウェイを使用して、前記セットの衛星に信号を送信し／前記セットの衛星から信号を受信することを含み、
    前記セットの衛星の少なくとも１つの衛星は、
    ワイドエリアカバレッジビームを介して信号を送信し受信し、
    大容量ビームカバレッジのために前記ユーザ端末からの要求を受信し、
    前記要求先のユーザ端末に向けられる、より高い帯域幅の狭い操向可能ビームに前記ユーザ端末を切換えることによって、大容量ビームカバレッジのために前記ユーザ端末からの前記要求を受信することに対応する、運用方法。