JP2021531196A - 確率的に分散した周回衛星を用いた通信システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

地上局にデータを送信するための無線通信システムは、ゾーンに分割された地球表面の一部を横断する複数のアンテナを備えた、複数の確率的に分布した軌道周回衛星を含む。地上局は、それ自体およびそれが位置するゾーンを識別する固有のアドレスを有する。地上ノードに関連付けられたローカルエリアネットワークは、地上局アンテナと対になった衛星アンテナの識別子を格納して、衛星に搭載されたデータを地上局に送信するための無線リンクを形成する少なくとも１つの衛星を含む。ローカルエリアネットワーク内の他の衛星は、地上ノードのアドレスと、地上ノードのアドレスも格納している別の衛星内のアンテナと対になったアンテナの識別子とを格納する。広域ネットワークは少なくとも１つの衛星を含み、その各衛星は少なくとも１つの衛星間無線リンクを形成するために、地上ノードゾーンを格納している別の衛星のアンテナと対になったアンテナの識別子を格納する。データ搭載衛星が宛先地上ノードまたは広域ネットワークに関連するローカルエリアネットワーク内にない場合、衛星は、地上ノードのゾーンに向けてデータを送信する。【選択図】図５

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は２０１８年７月１２日に出願された米国特許仮出願第６２／６９７，２５０号、および２０１８年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／７３９，２４５号の利益を主張し、これらは、全体に記載されているように、本開示の一部として参照により組み込まれる。
［発明の属する技術分野］
本発明は１つの地上ノードから別のまたは１つの衛星ノードから別の衛星ノードにデータを送信することに関し、より詳細には衛星と地上ノードとの間に無線リンクを確立するための新規なルーティングプロトコルおよびノードデザインを使用する通信システムおよび方法、さらに詳しくは精密な姿勢制御を必要としない不確定なジオロケーションに確率的に分布する複数の衛星を採用するそのようなシステムおよび方法に関する。
＜詳細な説明＞
参照によって全体に記載されているように、本開示の一部として参照により援用される本出願人の米国特許第一０，０８４，５３６号、第一０，０８５，２００号、第一０，２９１，３１６号、および国際公開、国際公開第二０１８／０３９２９２号明細書は多数の革新的な衛星ベースの無線通信システムおよび方法を記載する。それらのシステムの特定の好ましい実装は、高度約５００マイルの低地球軌道において１００以上の衛星群（コンスタレーション）を使用する。これらの文献に記載されている本出願人のアプローチまで、衛星ベースの通信システムにおいて無線リンクを生成する問題に対する典型的な解決策は、厳密に制御された軌道において精密に制御された姿勢で衛星を使用することであった。従来の知識によれば、これは、２つの衛星上、または衛星および地上局のアンテナがそれらの間の信号の送信を可能にするために対になることを保証するための好ましい方法であった。
この従来のアプローチは典型的には衛星間通信をサポートしていたが、厳密に制御された姿勢で固定軌道上の衛星を維持する必要性はロケットスラスタおよびロケット燃料を必要とし、それは衛星のサイズ、経費および重量に加わる。姿勢制御のための他の考えられるアプローチは衛星のソーラーパネルの賢明な配置と、衛星を所望の方向に維持するためにそれらを操作するための機械的手段とを含み、それはまた、衛星の重さと複雑さを追加する。しかし、衛星が大型で重いほど、軌道に投入するコストが高くなり、デザインが複雑になればなるほど、各衛星のコストも高くなる。本出願人のシステムは姿勢制御を必要としない無拘束軌道において、小型で軽量な衛星を使用することにより、衛星位置及び姿勢の厳しい制御を必要とするパラダイムを突破した。ロケットやロケットスラスタなどの構造部が不要になると、衛星の軽量化、小型化、安価化が進み、世界中の衛星を利用した通信システムを実現するための総費用が桁違いに削減される可能性がある。
本出願人の先に開示した衛星ベースのシステムは、それにもかかわらず、更に高度な衛星展開戦略、ルート作成プロトコル、衛星構築、及びアンテナ構成を採用することによって、更なる経済性及び信頼性を高めることができる。本明細書で論じられるアプローチは衛星または他のタイプの空中ノード（エアリアルノード）の数を減らすこと、限定された程度の衛星姿勢安定化を提供すること、地球の赤道または極軌道に近い緯度範囲に衛星軌道を制限すること、衛星以外のエアリアルノードを使用すること、様々な高度のエアリアルノードを使用すること、革新的なアンテナデザインを使用すること、ノード間無線リンクを容易にするための洗練されたアルゴリズム技法を使用すること、およびＣｕｂｅＳａｔビークルを使用して発射および配備を可能にする衛星構成を採用することを含むが、これらに限定されない（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａエントリ「ＣｕｂｅＳａｔ」、ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／ＣｕｂｅＳａｔ）を参照されたい）。
本発明の１つの目的はシステムノード間で交換しなければならない情報量を低減し、発信地上ノードから宛先地上ノードへのデータ通信のための好ましいおよび／または最適な無線経路を作成するのに必要な計算を最小限に抑える、空間ベースのマルチノード通信システムおよび方法を提供することである。
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、衛星間および衛星と地上局との間のアンテナペアリングを介して無線リンクを作成する確率に依存する確率的に分散された衛星群を使用して、スペースベース（空間ベース）の通信を実行するために特に適応される。以下に続く様々な実施形態の詳細な説明には、アンテナペアリングおよび無線リンクの作成を容易にするための、様々なルート作成戦略および衛星構成、アンテナ構築、および衛星展開技術が含まれる。
いくつかの態様において、本明細書に開示されるシステム及び方法は、グローバルナビゲーション衛星システムとインターフェースするオンボード電子回路を介して決定される、その地理的位置（ジオロケーション）を参照することによってルーティングプロトコルを採用する少なくとも１つの衛星を含む。他の態様ではルーティングプロトコルがコンスタレーション内の確率的に分散された衛星のいくつかまたはすべてが、それらのジオロケーションまたは他の衛星のジオロケーションを知らないフリーフォームルーティングを含む。
別の重要な態様では、本発明が複数の確率的に分散された衛星のコンスタレーションに維持される分散台帳をサポートするために使用することができるルーティングプロトコルを含む。
本発明のさらなる態様は、姿勢安定化を有する新規な衛星の構成を介して、コンスタレーション内の異なる確率的に分布した衛星におけるアンテナのペアリングの確率を増加させる。これらの衛星の構成は無線リンクを作成するための異なる衛星におけるペアリングアンテナの確率をさらに増加させるために、固有のアンテナ構成を含むことができる。
この説明が進むにつれて、システムノードの様々な態様および特徴の多く、特に、本明細書で説明される衛星実施形態および衛星ベースのルーティングプロトコルを備える態様および特徴は、特定の通信システムの要件および汎用に応じて、様々な組合せで使用され得ることが理解されるのであろう。
この概要は単に、以下でさらに詳細に説明される概念の選択を簡略化された形態で導入するために提供される。これは、必ずしも、本明細書で特許請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。
本発明の目的は以下の好ましい実施形態の詳細な説明からよりよく理解され、添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から理解され、添付の図面では同様の数字および文字は同様の特徴を指す。
本明細書に開示され、クレームされる空間ベースの通信システムにおける低地球軌道での衛星の使用に関連する幾何学的原理を示す。 本明細書に開示され、クレームされる空間ベースの通信システムにおける低地球軌道での衛星の使用に関連する幾何学的原理を示す。
本明細書で開示され、特許請求される空間ベースの通信システムで使用するのに適した衛星の実施形態を概略的に示す。
図２に描かれた衛星の様々な動作コンポーネントの表現である。
長距離電子通信を提供するためのシステムにおける、図２および３に示されているような衛星の地球および軌道経路のメルカトル投影図であり、第一のシステムの実施形態は低地球赤道軌道における単一の衛星を含み、第二のシステムの実施形態は、低地球極軌道における単一の衛星を含む。
複数の確率的に分布した衛星のコンスタレーションを用いて長距離にわたるデータ伝送を提供するための更なるシステム実施形態を示す、赤道に対して異なる傾斜を有する低地球軌道において様々な高度に展開された図２及び３に示されているような衛星の軌道経路を示すメルカトル投影図である。
図５に示すようなマルチ衛星コンスタレーションを含む長距離システムの実施形態において、地上ノードにデータを送信するために作成された無線リンクを含むローカルエリア・ルーティングネットワークを示す概略図である。
長距離マルチ衛星コンスタレーションを介して宛先地上ノードにデータを送信するための、図６に示すローカルエリアルーティングネットワークを含む、本明細書で説明するルーティングプロトコルを使用する再帰的論理方法を示すフローチャートである。
図６および図７に関連して説明したルーティングプロトコルの例示的なアプリケーションを説明するために使用される衛星および地上ノードの位置を示す世界地図である。
異なる高度の衛星を使用するシステムが離れた地上ノード間の無線リンクの数を減らすことができる１つの方法を示す。
２つの地上ノード間のマルチ衛星ルートの例を示す。
図４および図５に示されたシステムの代替的な実施形態による回転衛星を概略的に示す。 図４および図５に示されたシステムの代替的な実施形態による回転衛星を概略的に示す。 図４および図５に示されたシステムの代替的な実施形態による回転衛星を概略的に示す。
円形円筒構造の代替衛星実施形態の底部からの斜視図である。
衛星アンテナの配置を示す、図１２における衛星の円形側壁の展開図である。
図１２の衛星の側面図である。
図１２の衛星の上面図である。
図１４の１６−１６線に沿った断面図である。
図１６の線１７−１７に沿った断面図である。
別の代替衛星構成の斜視図である。
本明細書で説明される空間ベースのシステムにおける無線リンクの作成およびデータ送信を改善するために、以前の図に示された衛星に組み込むことができる代替アンテナ構成を示す。
図１９のアンテナ構成を有する衛星内の制御回路の略図である。
本明細書に記載のシステムで使用可能な衛星のＣｕｂｅＳａｔ実装の概略等角図である。
本明細書で開示される概念を使用して実装され得る、様々なタイプのアンテナベースの通信システムのいくつかの例を示す図である。
図面は厳密には縮尺通りではないが、それにもかかわらず、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読めば、当業者は本発明を製造し使用するのに十分であることを容易に理解するのであろう。
以下の詳細な説明は、特許請求される主題を実施する様々な方法を示す特定の実施形態の特定の例を提供することを意図している。それは、特許請求される主題が関係する当業者の知識のレベルを考慮に入れるように書かれている。したがって、そのような人が本明細書で説明される実施形態を実現することを可能にするために、特定の詳細は不要であるため省略されてもよい。
本発明の特定の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、以下のように編成される。
Ｉ． 定義
ＩＩ． 通信システムの基本原理と衛星デザイン
Ａ． 衛星設計：アンテナ構成と搭載制御回路
Ｂ． 単一衛星専用メッセージングシステム
１．単一衛星メッセージシステム−赤道軌道
２．単一衛星メッセージシステム−極軌道
Ｃ． 複数衛星通信システム
１． 複数の衛星配備配置
２． ルート作成およびデータ伝送プロトコル
Ｄ． 分散台帳システム
１． 無線ルーティングに適用されるブロックチェーン原理
２． 確率的システムにおける分散台帳
ＩＩＩ． 代替衛星構築および配置戦略
Ａ． 回転衛星
１． 逆回転衛星
２． 異なる角速度で回転する衛星
３． その他の考慮事項
Ｂ． 姿勢安定化を伴う衛星構成
Ｃ． 代替アンテナ構成
Ｄ． ＣｕｂｅＳａｔ互換性
ＩＶ． 開示された概念のさらなるアプリケーション
Ｖ． まとめと結論
１． 定義
以下の説明は、特定の意味を有することを意図した多数の用語を使用する。本明細書に記載され、請求されるシステムの特定の実施形態の中心となる概念の１つは衛星が「確率的に分布する」か、または「無制約軌道」であり得ることであり、これらの用語は両方とも、出願人の先の米国特許第一０，０８４，５３６号、第一０，０８５，２００号、第一０，２９１，３１６号および国際公開第二０１８／０３９２９２号公報において使用される用語「ランダム軌道」に関係する。これらの用語の意図された意味は、いったん軌道上に展開された衛星が搭載された推進システムによって原動力の衛星への適用なしに、いかなる軌道経路も想定することが許されるということである。しかし、いずれの用語も、特定の軌道傾斜、高度、または姿勢、またはシステム内の別の衛星に対する特定のジオロケーションにおける衛星の初期展開を除外することを意図していない。別の言い方をすれば、「確率的に分布した」、「無制約」、または「ランダム」軌道は衛星が軌道に挿入された後はいつでも他の衛星および地球に対するその位置が制御されないように配備されることを手段するが、地表の特定のスワスのカバレージ（サービスエリア）を提供するように設計された方法で最初に配備されてもよい。衛星は数学的な意味でランダムに配備される必要はないが、衛星配備方向、傾斜、高度、速度などを決定するための数学的方法を使用することはこれらの用語の範囲内であり、これらの方法は１つまたは複数の衛星を使用する無線経路によってサービスされる地球の地理的エリアを考慮に入れ、さらに、個々の衛星は前述のまたは他の配備技法のいずれかと組み合わせて、異なる軌道方向（地球の周りの東向きまたは西向き）に発射され得る。例えば、衛星は軌道方向（つまり、一般に東向きまたは西向き）に進む打ち上げロケットから異なる速度で異なる方向に放出されることができ、その結果、しばらくすると、それら自体は、本質的に無制約の態様で「ランダム」軌道に分離されるのであろう。これにより、複数の衛星のコンスタレーションが、地球上の観測者にランダムな軌道で確率的に分布しているように頻繁に見えるようになる。
本明細書に記載するシステムにおいて、衛星に適用される「受動的姿勢制御」という用語および関連する「能動的姿勢制御なし」という用語は、衛星が外部基準フレームに対して衛星の姿勢を意図的に変化させるために動力を必要とする搭載装置によって異なる位置に移動される部品を備えた姿勢制御機構を搭載していないことを意味する。能動姿勢制御機構の例は、衛星にモーメントを与えて衛星を回転させることができるスラスタを有する推進システム、または衛星の重心もしくは角運動量、または衛星のソーラーパネルの位置および／または向きを変更するために使用される可動部品を有する機械的アクチュエータである。これらの用語は可動部分を使わずに姿勢を変更または制御するための受動的な手段の使用を排除するものではなく、衛星はその構造およびその製造に使用される材料によって、経時的に特定の姿勢をとる傾向がある。さらに、これらの用語は、衛星の姿勢をある限度内で安定させるために手段を使用するなどの様々なアプローチを使用することを排除しない。これは、衛星の姿勢に影響を及ぼす方法で地球の磁場との相互作用を変化させるために、１つまたは複数の電磁石のアレイの選択的スイッチングのような技術を含むことができる。現在知られている、または将来開発される同様の技法も、「受動姿勢制御」および「能動姿勢制御なし」という用語によってカバーされる。
以下の説明で使用される他の用語は「データ通信」および「ルーティングメッセージ」である。「データ通信」は、特に明示的にまたは文脈によって示されない限り、衛星間または衛星と地上局との間の無線リンクを介して送信されるコンテンツ（デジタルまたは他の方法で）を含む。本明細書で説明されるシステムは本明細書で一般的に受け入れられる意味で、送信の内容を表す部分（「ペイロード」と呼ばれることもある）と、ソースおよび宛先アドレス、誤り検出コード、およびシーケンス情報などのペイロードが首尾よく配信されることを可能にする情報を含む制御部分（「ヘッダ」または「トレーラ」と呼ばれることもある）とを有するデジタルデータの集合として定義される、パケット内のデータの送信に特によく適している。ルーティングメッセージは情報を含むか、またはマルチリンクに含めるためのノードの適合性を判定するために使用することができる特性を有する、システム内のノード（地上または空中ノード）から送信される無線信号である。所与の無線信号はルーティングメッセージおよびデータ通信の両方を含むことができる。本明細書の説明を通じて、「無線」という用語は一般に電波と呼ばれる周波数の電磁放射に限定されない。光、マイクロ波、ＶＨＦ（「超高周波」）、ＵＨＦ（「超高周波」）などを含む、情報を伝送することができる任意の周波数の電磁放射を包含することを意味する。
「ノード」は他のノードによって受信されるように意図された無線信号を送信し、他のノードから送信された無線信号を受信するための１つまたは複数の送受信器を有する物理的オブジェクトである。ノードは地上の地上局（地上ノード）または地表面より上の送受信器（「空中ノード」）であってもよい。空中ノードは地球、バルーン、および無人機を周回する衛星を含むが、これらに限定されない。地上ノードは地球の表面に固定された構造、または低高度無人機（「無人機」）に取り付けられた１つまたは複数のトランシーバ、または典型的には約５００フィート以下の高度で実質的に固定された位置に維持されたバルーン（「高架地上ノード」）に取り付けられた１つまたは複数のトランシーバのいずれかであってもよい。高架地上ノードは、人口密度の低い地域において、より多くのユーザが通信システムに接続することを可能にする。
当業者が認識するように、本明細書に開示及びクレームする主題の説明において、種々の図面に記載及び描写される制御回路及び構成要素は、それらに起因する機能を果たすことができる任意の電子コンピュータシステムの例示を意味する。このようなコンピュータシステムは、典型的には必要な入出力インターフェース装置と、適切なオペレーティングシステムを備えた中央処理装置（ＣＰＵ）と、プログラム命令を実行するためのアプリケーションソフトウェアと、過渡的および非過渡的メモリモジュールとを含む。さらに、システムの要素を参照する用語は、参照を簡単にするために本明細書で使用される。例えば、「構成要素」、「モジュール」、「システム」、「装置」、「インターフェース」などの用語は一般に、文脈が明確に示されている場合を除き、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェア（ファームウェア）、ソフトウェア、または実行中のソフトウェアの組み合わせのいずれかのコンピュータ関連エンティティを指すことが意図されている。さらに、「モジュール」または「構成要素」という用語は、それ自体は自己完結型の構造を意味するものではなく、むしろ、特定の機能を実行するために組み合わせるさまざまなハードウェアとファームウェアを含むことができる。その点で、コンポーネントまたはモジュールはプロセッサ、プロセッサ、目的、実行可能ファイル、実行スレッド、プログラム、および／またはコンピュータ上で実行されるプロセスであってもよいが、これらに限定されない。例として、電子コンピューティングデバイス上で実行されるアプリケーションと、デバイス自体との両方が、構成要素であり得る。一つ以上の構成要素はプロセスおよび／または実行スレッド内に存在することができ、構成要素は、一つのコンピュータ上にローカライズされ、かつ／または二つ以上のコンピュータ間に分散されることができる。
ＩＩ．通信システムの基本原理と衛星デザイン
衛星のような空中ノードが地上ノードおよび／または他の衛星と無線信号を交換する通信システムにおける重要なパラメータの１つは、衛星から地表上の地平線までの距離である。図１Ａおよび図１Ｂは衛星Ｓのような空中ノードの高度と、衛星から地平線ＥＨまでの距離によって定義されるその表面「フットプリント」との間の関係を示す図である。その距離を超えた地上局は、衛星を見ることができないため、衛星と無線信号をやり取りすることができない。衛星Ｓが２００マイルの高度ＡＬにある場合、地球の表面にあるフットプリント（領域）は、地球ＥＨまでの距離ＤＨに関連し、式ＤＨ ＝［（Ｒ ＋ ２００ ）２ − Ｒ２］1/2に従い、ここでＲは地球Ｅの半径である。Ｒが４，０００マイルと想定される場合、ＤＨ は約１２８０ マイル である。これは、理論上、衛星が地上のある点の視線に点半径である。衛星のフットプリント（衛星に見える地球の表面積）はπ＊ＤＨ２＜＜５，１００，０００平方マイルである（これらの理論値は衛星への視線が水平線で浅く、木、建物、丘などが実際の距離およびフットプリントを減らすことができるため、すべてのインスタンスにおいて正確ではないことを当業者は理解するのであろう）。同じ理由で、同じ高度で円軌道にある２つの衛星が互いに見ることができる距離は距離ＤＨのおよそ２倍である。いかなる衛星ベースの通信システムにおける課題の１つは、それらのそれぞれのアンテナをペアリングして、これらの大きな距離にわたって無線リンクを作成できるように、衛星と地上局を設計することである。
以下の様々な実施形態の説明における参照のために、以下の表は、異なる高度の衛星について、地平線（ＤＨ）までの距離、フットプリント、および期間（１回の軌道に必要な時間の長さ）を設定する。
Figure 2021531196
 この表から、衛星を利用した通信システムの設計に関わるトレードオフの１つが明らかになる。地平線までの距離とそれに対応するフットプリントは軌道高度が高くなるにつれて増加するが、高度が高くなるにつれて衛星と地上の間の無線信号の強度が減衰するという点である。この設計上の考慮事項および他の設計上の考慮事項については、以下のセクションで説明する。
Ａ．衛星デザイン：アンテナ構成と搭載制御回路
本出願人の以前の米国特許第一０，０８４，５３６号、第一０，０８５，２００号、第一０，２９１，３１６号、および国際公開ＷＯ２０１８／０３９２９２号は、衛星と地上局との間、および衛星間の無線リンクを作成することができる衛星デザインを開示している。これらの衛星デザインは本明細書で説明されるルーティングプロトコルに影響を及ぼすことができ、これらのプロトコルの特定の基本的特徴を説明する際に使用される。その目的のための改善された衛星デザインおよび配備戦略もまた、本開示の一部を形成し、以下でさらに論じられる。
図２は、このセクションＩＩにおいて以下でさらに説明される通信システムにおいて空中ノードとして使用されることができる衛星１０の実施形態の概略図である。この衛星の構造および動作の顕著な特徴は上記の特許および公報に十分に記載されており、読者の便宜のためにここで繰り返される。衛星１０はＣＴを中心とした球の形状の外側ケーシングと共に示されているが、当業者はセクションＩＩＩでさらに後述するように、他の設計上の考慮事項によって指示されれば、衛星が異なる形状を有することができることを認識するであろう。衛星の特定の特徴は相互に直交するｘ、ｙ、およびｚ軸を有する座標系を参照して説明されるが、この座標系は衛星の特徴を説明する際の説明の目的のために厳密に使用される。例えば、図２に課された座標系は、衛星が向き（姿勢）を変えるにつれて、衛星に結び付けられ、地球に対してその角度配向を変えると考えることができる。
例示的な衛星１０は複数のアンテナモジュール１２を含み、そのうちの１つは、説明の目的で、図２に高度に概略的な態様で示されている。この例における各アンテナモジュールは、所定の方向により大きな電力で無線信号を送受信する指向性アンテナを備える。本実施形態は、それぞれが衛星内部のある点で頂点を有する立体角Ωを占有する円形皿パラボラアンテナを使用する。アンテナリフレクタ（明瞭化のため図面から省略）は、衛星の表面下に凹んでいてもよい。衛星に組み込まれる離散アンテナモジュールの数は、システムの特定の用途およびアンテナ設計に依存する。さらに、アンテナモジュールは、本明細書で説明される機能を実行することを可能にする任意の他の構成で構成することができる。一実施形態では、ステラジアンにおけるΩが衛星の周囲に分散された特定の数のアンテナモジュールが無線信号を、十分に大きな球面エリアに送信し、無線信号を受信することができ、無線信号を、他の衛星における地上局送受信器およびアンテナから受信し、これに送信して、後述するシステムの操作を実行することを可能にするように選択されるのであろう。アンテナモジュール１２の実際の構成は、その目標を達成するために既知のアンテナの設計原理を用いて決定することができる。
本システムで使用される衛星は軌道上で遭遇するのであろう打ち上げのストレスおよび悪環境への長期間の曝露に耐えるように、構造上十分に堅牢であるとともに、図３に関連して以下に詳述する、衛星の運用に必要とされる様々な電子および機械コンポーネントを収容するのに十分な大きさであろう。
本システムでの使用に適した衛星およびアンテナは、工学的に複雑なシステムに精通した者に精通したトレードオフに依存して、異なる形態をとることができることが理解されよう。本明細書で説明される特定の方法の態様のうちの１つは、他の衛星におけるアンテナによる受信のための、１つまたは複数の衛星における複数のアンテナからの無線信号の送信を含む。衛星ノードのアンテナの数を増やすと、他のノードから送受信される無線信号のカバレッジが増すことになり、その結果、あるノードからの信号が別のノードで受信される確率が増すことになる。さらに、衛星あたりのより多くのアンテナは、マルチ衛星システムにおいて軌道上に配置される衛星の数を減らすことを可能にし得ることが理解されるのであろう。そのような衛星はより高価でより重くなり、したがって打ち上げコストを増加させるが、より少ない衛星を打ち上げる必要があり得るので、他の要因が、コストの増加を相殺し得る。また、当業者は、本明細書で説明されるシステムが完全な３６０°の球面カバレッジ未満で送信するアンテナの集合を有する衛星ノードを用いて実装され得ることを認識するのであろう。
また、衛星１０は複数のソーラーパネルを含み、そのうちの３つのソーラーパネル１４ａ、１４ｂ、および１４ｃが図２に示されている。図示の実施形態では、ソーラーパネルが互いに垂直な平面内に配向され、衛星１０の周囲に等距離に間隔を置いて配置される。この実施形態におけるソーラーパネルの位置及び向きを記述する目的で、衛星赤道１６は衛星表面がｘ−ｙ平面に平行な平面によって交差し、球の中心ＣＴを通過する大円として定義される。基準子午線１８は衛星表面がｘ−ｚ平面に平行な平面によって交差し、球の中心ＣＴを通る大円として定義される。そして、標準子午線２０は衛星表面がｙ−ｚ平面に平行な平面によって交差し、球の中心ＣＴを通る大円と定義される。ソーラーパネル１４ａは、赤道１６と基準子午線１８との交点で適切な取り付け構造２２ａによって衛星に取り付けられる。ソーラーパネル１４ｂは、赤道１６と法線経線１８との交点で適切な取り付け構造２２ｂによって衛星に取り付けられる。そして、ソーラーパネル１４ｃは、基準子午線１８と標準子午線２０との交点で適切な取り付け構造２２ｃによって衛星に取り付けられる。
ソーラーパネルはソーラーセルが太陽光にさらされたときに電気を発生させるために、一方又は両方の面に分散されたソーラーセルを有する一般的に平面である。最大限の効果を得るために、平面状ソーラーパネルは衛星の角度配向にかかわらず、適切な数のソーラーセルが確実に太陽光に曝されるように、互いに直交する平面に取り付けられる。図示の実施形態ではソーラーパネル１４ａがｘ−ｚ平面内に存在し、ソーラーパネル１４ｂはｘ−ｙ平面内に存在し、ソーラーパネル１４ｃはｙ−ｚ平面内に存在する。また、衛星は、赤道、基準子午線、および標準子午線が衛星の反対側で交差する、３つのより多くのコンパニオン太陽パネルを含むことが理解されるのであろう。コンパニオンソーラーパネル（図３にプライム（'）で示されている）は、図２に示されている対応物１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々と同じ平面内に配向されていることが好ましい。各ソーラーパネルはソーラーパネルに隣接するアンテナによる無線信号の送受信を妨げないように、衛星の表面に対して垂直であるように描かれている。
図２は、本実施形態の理解に必要な衛星１０の特徴を示すことのみを意図していることが理解されるのであろう。当業者であれば、本システムを実施するための実際の衛星は、図２の概略図には示されていない設計上の特徴を有し得ることを理解するのであろう。例えば、良い設計の実践は宇宙デブリによる衝撃損傷の可能性を減らすために、アンテナの口部を衛星の周囲表面の下に凹ませることを指示する場合がある。または、衛星によって送信され、衛星で受信される信号に対して透明な材料シートで各アンテナ口（凹んでいるかないか）を覆うことによって、さらなる保護が提供されてもよい。図２に示されるソーラーパネル１４のデザインおよび配置もまた非常に概略的であり、本明細書に開示され特許請求されるシステムは、任意の特定のソーラーパネルの構成、配置、または配置の手段に限定されない。別の変形例では、アンテナがソーラーパネルがアンテナの口部の間の空間に衛星表面と面一に取り付けられるように配置することができる。
図３は、他のノードとの間でデータ伝送を送受信することができる無線経路を生成するための、衛星１０（リンクノード）によって収容された様々な構成要素を概略的に示す。当業者には容易に理解されるように、本明細書で開示され、特許請求される主題を備える通信システムのこの実施形態および他の実施形態ならびに態様の説明では様々な図で説明され、図示される制御回路および構成要素はそれらに帰属する機能を実行することができる任意の電子コンピュータシステムの例示であることを意味する。このようなコンピュータシステムは、典型的にはプログラム命令を実行するための適切なオペレーティングシステムおよびアプリケーションソフトウェアを備えた、必要な入出力インタフェースデバイスおよび中央処理装置（ＣＰＵ）を含む。衛星の搭載コンピュータシステムはまた、情報を記憶するための適切なメモリモジュールを有する。さらに、システムの要素に言及する用語は、参照を容易にするために本明細書で使用され、それらの機能または動作モードを限定するものではない。
図３をより詳細に参照すると、衛星１０は、図２のｘ−ｚ平面内の図で示されている。図３は被写体の通信システムおよびそれらの構成要素を説明するために本明細書で使用される多くの他の描写と同様に、縮尺通りではないことが理解されるのであろう。図２に示すように、ソーラーパネル１４ａ及び１４ｃ、並びに上述した直径方向に対向したコンパニオンソーラーパネル１４ａ'及び１４ｃ'を示す。また、図２に関連して上述したように無線信号を送受信するための、衛星１０に搭載されたすべてのアンテナモジュールの概略図として意図された複数のアンテナモジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、および１２ｆを描いている。この概略図は、複数のアンテナモジュールを組み合わせて、複数の半径方向にノードとの間で無線信号を送受信することができる本実施形態の動作原理を伝えることを意図している。（しかしながら、既に述べたように、本明細書に記載のシステムは、完全な３６０°の球面カバレッジ未満で送信するアンテナアレイを有するリンクノードを用いて実施することもできる。
衛星１０は、衛星構成要素を動作させるための信頼性のある電力源を提供することができる電力モジュール３０を含む。パワーモジュール３０は、ソーラーパネルによって生成された電気によって充電される再充電可能バッテリを含む。適切な電力調整装置は、たとえソーラーパネルが各衛星軌道の半分を太陽の視界から出て過ごすことになるとしても、衛星が運ぶ様々な電子部品に定常電力を供給する。電力モジュールに加えて、衛星は、衛星の様々な機能を制御するための動作ソフトウェアを格納するオペレーティングシステムモジュール４２を有する中央処理ユニット４０を含む。図３に示すように、ＣＰＵ ４０は、電力及びデータリンク４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ等を介して全てのアンテナモジュール１２に動作可能に接続されている。
図３はまた、オペレーティングシステムモジュール４２の制御下にある３つの主な動作モジュールを示す。グローバル・ナビゲーション・サテライト・システム（ＧＮＳＳ）モジュール４４は、グローバル・ナビゲーション・サテライト・システムと通信する。例として、米国に基づくグローバルポジショニングサテライト（ＧＰＳ）システム、欧州連合のガリレオシステム、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳシステム、及び中国のＢｅｉＤｏｕシステムがある。このモジュールは、衛星が既知の全グローバルナビゲーション衛星システムによって採用される方法で、地球表面に対するその位置を決定することを可能にする。アンテナモジュール１２を介してシステムノード間で交換される無線信号は２つ以上のノード間のデータ通信をサポートする無線リンクを備える無線経路を生成するために、以下でさらに説明されるロジックを実行するためのアンテナペアリング回路を含む経路生成モジュール４６によって使用される。データ移動モジュール４８は以下でさらに詳細に説明するように、ノード間のデータ（コンテンツ）の伝送を制御するデータ伝送回路を含む。上記で示唆したように、経路作成およびデータ移動のための別個のモジュールの図３における例示は必ずしも、無線経路で使用される無線リンクを識別し、リンクされたノード間でデータを送信することが、１つの衛星から別の衛星へ、または衛星と地上ノードとの間でデータ通信を送信するための好ましい無線経路を作成する多かれ少なかれ単一のプロセスの部分以外であることを意味しない。
本明細書に記載される特定のシステムおよび方法の別の重要な特徴は、衛星がアクティブな搭載姿勢制御なしに動作可能であることである。しかし、衛星姿勢を一定の限度内で安定させるために受動的な姿勢制御を提供するための特定の構成は衛星の製造および打ち上げのコストに実質的に付加することなく、セクションＩＩＩ．Ｂに記載されているように、システムの運用を改善することができる。したがって、１つの基本的な形態において、衛星は、それらの角度の向きに無関係に軌道を回ることが可能である。衛星は、宇宙ステーションなどの打上げビークルから配備することができることが期待される。いくつかの実施形態ではできるだけ小さい角速度でそれらを展開しようと試みることが好ましい場合があるが、特定の実施形態ではその点に関して特別な努力は必要とされない。本明細書に記載されるいくつかのシステム実施形態では、衛星は軌道を描くようにタンブルしても無線経路を作成することができ、これは、衛星が既知の所定の向き（姿勢）にある必要がないことを意味する。衛星は制約のない軌道を介して確率的に分布させることができ、能動的な姿勢制御を持たないこと、またはある場合には、ある限界内での姿勢安定化がないことにより、衛星の位置または姿勢を変更または維持するためのロケットスラスタのような搭載された（オンボード）機構を作動させるための重くかつコストのかかるオンボードシステムの必要性がなくなる。さらに、各衛星は軌道が減衰し、交換する必要があるときを検出し、軌道体に適用可能な任意の国内または国際プロトコルに準拠するために、トラッキングテレメトリを含むことができる。しかしながら、このようなテレメトリを提供することは、比較的単純かつ安価であることが予想される。
Ｂ． 単一衛星専用メッセージングシステム
上述した衛星は、製造及び打ち上げが十分に安価であるため、電子メール通信を送信するのに特に適したプライベート通信システムで使用することができる。このようなシステムの基礎をなす基本原理を、赤道（緯度０度）、北回帰線（北緯２３．５度）、および南回帰線（南緯２３．５度）を示す地球の標準的なメルカトル投影に基づく図４を参照して説明する。また、経度０度、東経９０度、東経１８０度、東経２７０度（西経９０度）を基準線として示している。
１． 単一衛星メッセージシステム−赤道軌道
グレッグ・ワイラーが提案した「０３ｂ」衛星通信システムによれば、北回帰線と南回帰線との間の発展途上地域の人口は一般にインターネットへのアクセスが限られているか、または全くないことが観察されている。ウィキペディア・エントリー「０３ｂ」（ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／０３ｂ＿（ｓａｔｅｌｌｉｔｅ））を参照されたい。赤道を中心とした地表のスワスで生活し、インターネットへのアクセスが制限されている、あるいは全くアクセスできないと言われている３０億人の人々のことを指している。しかしながら、０３ｂシステムを部分的に実施するためにこれまでに費やされた数億ドルを見る限り、厳密に制約された軌道および姿勢を維持するためにロケットスラスタを搭載した高価な伝統的な通信衛星に依存しているように見える。本明細書で開示される出願人のシステムは、同じ人口に対してごく一部の金額で通信サービスを提供することができる。
本実施形態は、図４の二重破線によって描かれた軌道経路ＯＰＥにおける単一の衛星Ｓ１００を参照することによって説明される。このような単一衛星システムは、特定の目的のための機能を持っているが、電子通信では接続が困難な遠く離れた地上の位置との通信を可能にすることが、説明を進めていくうちに明らかになるであろう。この実施形態では、衛星Ｓ１００Ｅがヨーロッパ宇宙機関およびフランス国立宇宙研究センター（ＣＮＥＳ）によって使用されるギアナ宇宙センターＧＳのような、赤道付近の場所から円軌道に打ち上げられた、図２および図３に関連して上述したような衛星とすることができる。この地点は北緯５度であり、そのため、真東（または西）に発射された衛星は、約３４０マイル（幅約６８０マイルの帯をカバーする）の南北の最長距離を有する赤道を中心とする非常に浅い正弦波として図示される軌道経路ＯＰＥで赤道を密接に追跡する。以下の議論は本明細書に記載されるように構築された衛星が構築および軌道への打ち上げが非常に安価であるため、システムは個々のユーザのグループまたは小規模企業が単一の衛星を打ち上げ、その使用をシステム加入者のみに限定するプライベートメッセージングシステムをサポートすることができるという事実を利用する。
本実施形態では、高度約４００マイルで周回する衛星を例に説明する。上の表１から、衛星Ｓ１００はそれぞれの軌道の間に、北回帰線と南回帰線とによって囲まれた地表の３，２００マイル幅の地点のすべてまたは実質的にすべての地点に見えるはずである。これは、軌道経路ＯＰＥ内の様々な位置に二重破線の円で示された、約３，６００マイルの直径を有する第一および第二の例示的なフットプリントＦ１ＥおよびＦ２Ｅ（テーブル１、４００マイルの高さの軌道）によって示される。さらに、４００マイル高度の赤道以外の軌道では軌道経路が各連続軌道において、地面に対して約２４°（≒１，６００マイル）だけ「シフト」する（その描写は明瞭化のために図４では省略されている）。したがって、図４に示されているわずかに赤道以外の軌道であっても、熱帯の北と南の地球表面の一部は毎日衛星を見ることになる。もし、赤道を正確に追跡する軌道経路を持つ衛星を配備することができれば、あらゆる軌道の間にある熱帯の幅３，２００マイルの帯のすべて、あるいはほぼすべての場所に見えるだろう。
このようなシステムにおいて１つの地上局が別の地上局とどのように通信するかの例として、フィリピンのレイテの別の加入者にメッセージを送信したいナイジェリアのウヨに位置する加入者を考える。ウヨは北緯５度（赤道から約３４０マイル）、レイテは北緯１１度（赤道から約７５０マイル）である。ギアナ宇宙センター（北緯５度）から高さ４００マイルの軌道に打ち上げられた衛星は、それぞれの軌道のウヨ（北緯５度）とレイテ（北緯１１度）の両方の視野内を通過する。これはＦ１ＥとＦ２Ｅのフットプリントで示されている。
典型的なルーティングプロトコルでは、ウヨの加入者がレイテのユーザに送信される任意のアプリを備える自分の電子装置上でメッセージを作成する。アプリは、レイテの加入者の地上局の緯度および経度を識別するアドレス情報を供給することができる。このメッセージは、ウヨの視界内に入るまで、衛星にアップロードすることができない。衛星の軌道周期は９７分であるので（表１）、ユーザは、メッセージがアップロードされるのをほぼそれだけ長く待たなければならない場合がある。典型的には、ユーザの装置は、衛星が送信を受信した地上局に確認ハンドシェイクを返すまで、定期的に（例えば、毎分）電子メールを送信する複数の指向性アンテナを有する地上局と通信する。地上局による反復送信は、バックグラウンドで行うことができる。任意選択で、衛星は衛星がメッセージをうまく受信したときに、ユーザに通知を送信することができる。
衛星はその経路作成モジュール４８に、レイテの経度および緯度の形成で目的地情報を格納する。また、衛星は、ＧＮＳＳモジュール４４によって自身の位置を知る。衛星がレイテの宛先座標の視野内にあるとき、そのデータ移動モジュールは、そのアンテナ１２のすべてでメッセージの送信を開始する。したがって、ウヨは東経７度であり、レイテは東経１２５度の経度であり、これは、衛星がウヨ発信地上局からのメッセージを受信した後、衛星がレイテ宛先地上局の範囲内にあるのに約３２分以下しかかからない。宛先地上局は、メッセージを受信すると、確認ハンドシェイクを衛星に返す。好ましくは、衛星が確認ハンドシェイクを何らかの方法で格納し（フラグを設定するなど）、それをウヨ地上局に送信して、その軌道を完了させる。衛星が衛星の視界内にある場合（２ホップ経路）、衛星は宛先地上局に直接メッセージを送信することができることが理解されるのであろう。
非常に低い高度で赤道（または赤道に近い）軌道に単一の衛星を有するシステムは、システムにアクセス可能な地球表面の領域において制限される。衛星をより高い高度に配備すると、受信可能範囲が広がるが、移動距離が長くなるにつれて無線信号が減衰するため、地上局との無線リンクの作成は難しくなる。代替的なアプローチは、低高度において、赤道（又は赤道付近）軌道に実質的に等間隔に配置された複数の衛星を使用することができる。これは、衛星を製造し打ち上げるための低コストのために、システムのコストを実質的に増加させない。
上記の例では、ユーザ（または自分のデバイス上のアプリ）が宛先地上局の完全なアドレス情報を知る必要がある。代替実施形態では、特定の地上ノードに関連付けられたユーザが別の地上局に関連付けられたユーザに従来の電子メールを送信することができる。この実施形態では、送信者が使い慣れた電子メール形式「ｒｅｃｉｐｉｅｎｔ＠ｉｎｔｅｒｎｅｔｓｅｒｖｉｃｅｐｒｏｖｉｄｅｒ．ｘｘｘ」でアドレス情報を入力する。ユーザ装置は、ＩＳＰの電子メールネットワークにアクセスできる地上のＩＳＰのサーバの位置を知るアプリを含むことができる。ユーザが電子メールを衛星にアップロードするとき、それはＩＳＰのサーバの経度および緯度を含み、衛星がサーバの範囲内にあるとき、それは上述のように電子メールを送信する。その後、ＩＳＰはそのネットワークを使用して電子メールを配信する。
２． 単一衛星メッセージングシステム−極軌道
図４は、また、二点破線で、高度２００マイルの実質的に円形の極軌道で発射された単一の衛星Ｓ１００Ｐの地上軌道を示す。その高度において衛星は約９１分の軌道周期を持ち、毎日約１６回地球を周回することになる。したがって、地上軌道は連続する極軌道経路ＯＰ１ｐ、０Ｐ２ｐ、ＯＰ３ｐ、ＯＰ４ｐ、ＯＰ５ｐ、０Ｐ６ｐなどで経度約２２度の処理を行う。ウヨとレイテを含む経度方向のスワス（帯）について、これら６つの軌道上の衛星の地上軌道が示される。（これらの軌道経路を示す線は明瞭化のために中央の緯度の領域にわたって破られている。）図４が左側に、地球の反対側の極−極軌道経路ＯＰ３ｐ、ＯＰ４ｐ、ＯＰ５ｐ、ＯＰ６ｐの全体を示している（図では、それぞれの対応物から右に１８０°離れている）。赤道における１，２００マイル径のフットプリントＦＰｏは軌道経路ＯＰ３ｐの「左側」のフットプリントについて示されている（表１の２００マイル高軌道を参照）一点鎖線の円領域ＦＰｏが軌道経路ＯＰ４ｐにおける衛星Ｓ１００Ｐの赤道におけるフットプリントを示し、二点鎖線で囲まれた斜線の細長い部分ＦＰ４５は北緯４５度における同じ軌道経路における衛星フットプリントを示す（衛星フットプリントが地上では実際には円形であるが、メルカトル投影によって導入される歪みのために、衛星が赤道から遠ざかるにつれて、図面では長くなる）地表上のあらゆる点が、少なくとも毎日１回、衛星Ｓ１００Ｐを「見る」ことが、図４から理解されるのであろう。
ナイジェリアのウヨからフィリピンのレイテへのメッセージの送信は、赤道軌道内の単一の衛星に関連して上述したのと同様に進行することができる。ウヨのユーザは、レイテ加入者の地上局の緯度および経度を識別するアドレス情報を有するメッセージをアップロードする。このメッセージは衛星がウヨの視界内に入るまで衛星にアップロードすることができないため、衛星がウヨの視界から外れたばかりであれば、１２時間近くかかる可能性がある。フットプリントＦＰ０の大きさから、電子メールを運ぶ衛星がレイテの宛先座標の視界内に入るためには、最大６軌道、すなわち、軌道あたり９１分（表１）で約９時間を要する可能性があることが理解されるのであろう。これは、赤道軌道上の衛星に必要な時間よりも長いとしても、極軌道上に衛星を配置することで、赤道の両側にある帯状のものだけではなく、地表の任意の２点間の通信が可能になる。さらに、フットプリントＦＰ４５は赤道から遠い緯度では衛星が北米および西欧のような人口の多い地域の多数の地上局に、１つまたは２つの軌道通過でのみ利用可能であることを示す。実際に、衛星がメッセージを受信すると、衛星は宛先地上局の視野内にあることもある。
代替実施形態では、極軌道システムは、衛星がそのメッセージを遠く離れた宛先地上局に送信することができる前に衛星がいくつかの軌道を完了するのを待つのではなく、ＩＳＰのサーバを使用して、上述のように電子メールを送信することができる。これは、多くの場合、メール送信がその宛先に到達するのに要する時間を実質的に短縮するので、単一の衛星極軌道メッセージングシステムをより魅力的なものにする。
当業者であれば、赤道に対して傾斜した軌道面内を周回する単一の衛星は、それが（赤道の周りの）０°軌道面または（極軌道の）９０°軌道面内にあるシステムよりも、ある利点を有することを理解するのであろう。例えば、カバレッジエリアの付随する増加は上述のように、メッセージがアップロードされた衛星から宛先地上局に直接メッセージを送信することを可能にするが、より広いエリアにサービスを提供する。衛星の数を増やすことで、これらのタイプの２ホップルートが特定のエリア上で確立される可能性が高くなる（そのエリアの地上局からメッセージを受信できる衛星が増える可能性があるため）また、より多くのエリア上でも確立される可能性が高くなる（特定の時間に少なくとも１つの衛星が表示されるエリアが増えるため）。
このセクションＩＩ．Ｂ．に記載されているシステムは非常に安価であり、上述したように、ユーザまたは中小企業が単一の衛星を打ち上げ、システム加入者のみに使用を制限することができるプライベートメッセージングシステムに適している。しかしながら、単一の衛星システムにおける長い潜在的な遅延時間期間（ユーザがメッセージを送信してから受信されるまでの時間）は、特定のユーザには受け入れられない場合がある。それはまた、他の目的のためにインターネットにアクセスし、使用するためにはいくらか実用的ではないが、記載されたシステムは完全にスケーラブルであり、より多くの衛星を単に追加することによって、それらのアプリケーションのためにより機能的にすることができる。衛星の製造、打ち上げコストが最小であるため、中小企業でもこの技術を活用することができる。
Ｃ複数衛星通信システム
セクションＩＩ．Ｃ．では、赤道に対して異なる角度で傾斜した軌道上に複数の確率的に分布した衛星を含むシステムについて議論する。これらの種類のシステムは、データ通信だけでなく、さまざまなアプリケーションで使用できる。例えば、衛星コンスタレーションを配備し、このセクションで説明される原理に従ってデータ通信ルーティングプロトコルを使用することは、以下のセクションＩＩ．Ｄで説明される空間ベースの分散台帳実装をサポートすることもできる。
１．複数の衛星配備配置
図５は待ち時間を減らし、先に説明した基本的な電子メールシステムの機能性を高めるために、異なる高度および軌道傾斜で複数の衛星を使用する例示的なシステムを議論するために使用されるのであろう。図面は、異なる傾斜を有する４つの軌道上の衛星を示している。二重破線に示す第一軌道ＯＴ１は北緯５度のギアナ宇宙センター（ＧＳ）から赤道周りの２００マイル高度の円軌道に配備された衛星６本を表し、破線に示す第二軌道ＯＴ２はインドのサティッシュダワン宇宙センター（ＳＤ）（北緯１３度）からの２００マイル高度の円軌道に配備された衛星Ｓ２ｘを表し、長破線に示す第三軌道ＯＴ３はフロリダのケープカナベラル（ＣＣ）（北緯２８度）からの４００マイル高度の円軌道に配備された衛星Ｓ３ｘを表し、短破線に示す第４軌道ＯＴ４は、カザフスタンのバイコヌールコスモドローム（北緯４５度）からの８００マイル高度の円軌道に配備された衛星Ｓ４ｘを表す。説明のために、レイキャビク、アイスランドも北緯６４度で示されているが、これらは本システムにおける衛星が想定することができる軌道トラックの例であることを意味することが理解されるのであろう。軌道は前進軌道または後退軌道のいずれであってもよく、同様に、円形または楕円形であってもよく、または、一部の衛星が１つのタイプの軌道にあり、他のタイプの軌道（すなわち、前進軌道、後退軌道、円形軌道、および楕円軌道のいずれかの組合せ）にあることができる。
図２および図３に示される構造の２５個の衛星を、主に北回帰線と南回帰線との間の赤道領域にサービスを提供するように設計された軌道軌跡ＯＴ１およびＯＴ２のそれぞれに備える例示的な実施形態は、複数衛星システムにおいて通信を送信するための第一のルーティングプロトコルの基本原理のいくつかを示すために使用される。軌道上の衛星は図４に関連して上述したように処理され、その結果、一定時間後に、地上の観測者が上空にランダムに（確率的に）分布するように見えるのであろう。確率分布を達成するために必要な時間の長さは、例えば、衛星を実質的に等しい間隔で特定の軌道軌跡に展開することによって、各軌道軌跡における衛星の展開を賢明にタイミング付けることによって減少させることができる。十分に高度なアルゴリズムを使用して、時間の関数として衛星の位置を予測するか、または少なくとも推定し、したがって展開タイミングを事前に決定することは理論的に可能であるが、本システムでは互いに対する衛星の位置を予測する必要はない。これは、確率的システムとして、異なる空中ノード間および空中ノードと地上ノードとの間に無線リンクを確立する確率に依存するからである。軌道軌跡ＯＴ１およびＯＴ２内の衛星は、軌道ＯＴ１内の衛星Ｓ１ｘ（図４の軌道経路ＯＰＥのよう）に対して二点鎖線の円ＦＰ１、および軌道ＯＴ２内の衛星Ｓ２ｘに対して点線の円ＦＰ２によって表される、５，０００，０００平方マイルのフットプリントを有する（表１の２００マイルの高軌道を参照）。
制約のない確率軌道で複数の衛星を使用するシステムで考慮すべきことの１つは、任意の時点において、地球表面上の所定の地点から何個の衛星が見通し内にある可能性があるかということである。本実施例では、北回帰線と南回帰線との間の地球のスワスの面積が約８０，０００，０００平方マイル（約２００，０００，０００平方マイルの地球表面の４０％）である。軌道ＯＴ１とＯＴ２に５０個の衛星を配置すると、各衛星はその帯の約６．２５％（５，０００，０００平方マイル÷８０，０００，０００平方マイル）を「カバー」する。したがって、回帰線の間の表面上の任意の１地点の平均値で、５０個の衛星のうちの少なくとも３個（５０×０．０６２５＝３）を「見る」。同時に、回帰線の間の地球上の特定の地点から衛星が見えない確率は９３．７５％である。５０の衛星では、その地域の地球上の任意の所与の地点が少なくとも１つの衛星を見ることができない可能性が０．９３７５５０≒０．０４０（すなわち、約２５分の１）に過ぎない。さらに、このシステムはコンスタレーションに衛星を追加することにより、完全にスケーラブルである。例えば、地球上の任意の所与の地点が少なくとも１つの衛星を見ることができない可能性はコンスタレーションが１００個の衛星（０．９３７５１００≒０．００１６）を含む場合には約６００分の１に低下し、コンスタレーションが２００個の衛星を含む場合には約４００，０００分の１に低下する。
任意の衛星が「見ることができる」他の衛星の数も、複数衛星の無線経路を組み立てる上で重要な要素であり、本実施形態では、各衛星が理論的に地平線上約２，６００マイル（表１から２×ＤＨ）を「見る」ことができる。所与の衛星の地平線ＥＨにおける地上構造物からの干渉はその距離を減少させる可能性があるため、２，４００マイルはより保守的な推定値となるのであろう。２，４００マイルの半径を有する円の面積は約１８，０００，０００平方マイルであり、これは装置内の５０個の衛星が横切る８０，０００，０００平方マイルの面積の２２．６％であり、これは平均的に任意の所与の衛星がコンスタレーション内の少なくとも１１個の他の衛星（５０個の２２．６％）を見ることを意味する。図２に示すアンテナ構造が衛星の球面の６０％しかカバーできない場合であっても（ソーラーパネルを取り付けるためのサイトを設ける必要性などの構造上の制限により）、特定の衛星と他の潜在的に利用可能な１１個の衛星のうちの少なくとも１個との間でアンテナを対にすることができる可能性が高い。（以下のセクションＩＩＩ．では、衛星と衛星の無線リンクを含む、システムノード間のアンテナペアリングを容易にする衛星とアンテナの構成について説明する。）さらに、コンスタレーション内の衛星の数を増やすことで、ある衛星のアンテナを別の衛星のアンテナとペアリングすることができる確率が高くなる。
本システムの重要な特性にはより多くの衛星および異なる高度にある他のタイプの空中ノードを組み込んだより複雑なシステムにスケールアップする能力、多種多様な展開戦略に対応する能力、および軌道崩壊および衛星の故障を補償する能力が含まれるが、これらに限定されない。追加の衛星をより高い軌道に配備して、その表面フットプリントと他の衛星を見ることができる距離を増加させることもできる。さらに、このシステムは大気によって引き起こされる抗力のために、その軌道における不可避的減衰のために、衛星の高度が減少するとして機能し続ける。交換衛星は、製造コストが安く、既に軌道上にある衛星に比べて特定の場所に配置する必要がないため、低コストで打ち上げることができる。従って、衛星が故障すると、システムの運用に影響を与えることなく、それらを安価に交換することができ、本開示に記載されるシステムで使用される衛星を本質的に使い捨て可能とし、一方、衛星が失われても、システムは運用可能なままである。
軌道軌跡ＯＴ１およびＯＴ２内の衛星群Ｓ１ｘおよびＳ２ｘ（ｘ＝２５０）の本実施形態に関連して以下に説明するルーティングプロトコルおよび原理は、他の高度の他の軌道軌跡に従う衛星を有するシステムに適用可能であることを、当業者は容易に理解するのであろう。図５はまた、第三軌道ＯＴ３に複数の衛星Ｓ３ｘを有し、第４軌道ＯＴ４に複数の衛星Ｓ４ｘｉｎを有するコンスタレーションを示す。トラックＯＴ３の衛星Ｓ３ｘは長ダッシュ円ＦＰ３で表される約１０，０００，０００平方マイルのフットプリントを有し、約３，５００マイルまでの距離で他の衛星を見ることになる。（表１の４００マイルの高軌道）。トラックＯＴ４内の衛星Ｓ４ｘは破線楕円セグメントＦＰ４で表される約２１，０００，０００平方マイルのフットプリントを有し、約５，０００マイルまでの距離で他の衛星を見ることになる。（表１の８００マイルの高軌道）。特に、衛星Ｓ４ｘのフットプリントに関連する斜線領域は、十分に北の位置から十分な高度で発射された衛星が非常に北の（および南の）地上緯度における地上局への、および地上局からの送信を可能にすることを示す。以下の説明から、本明細書に記載されるルーティングプロトコルはこれらのタイプのより高度に傾斜した軌道内の衛星を含む衛星群との通信をサポートし、したがって、地球の占有領域全体における実質的に任意の２点間の信頼性の高いデータ伝送を可能にすることが明らかになるのであろう。
２． ルート作成およびデータ伝送プロトコル
先に述べたように、マルチ衛星システムのための経路生成プロトコルの基礎となる基本原理を、まず、２００マイルの高さ円軌道ＯＴ１およびＯＴ２における５０個の衛星の配置に関連して説明する。このシステムはより高い高度を周回する衛星を組み込むことができるが、より低い軌道の衛星は地上局との無線リンクを作るために、より少ない電力を必要とするという点で利点を提供するのであろう。例えば、例えば４００マイルから２００マイルへの高度の減少は、６ｄＢもの電力の利点を提供することができる。さらに、大気抗力のために低高度衛星の軌道はより速く減衰するのであろうが、現在のシステムで使用されている衛星はより遠く大気中に入るにつれて迅速に燃焼するのに十分なほど小さくすることができる。
平均すると、３つの衛星がどの地上局からも見えるようになるため（上図参照）、熱帯の間のカバーされた帯域内の地上局から、衛星のオーバヘッドに、あるいはせいぜい短い遅延だけで、無線信号を即座にアップロードできる可能性は妥当である。（注記したように、コンスタレーション内に存在する衛星が多いほど、少なくとも１つの衛星がこの送信をリアルタイムで受信できる確率が高くなる。）データを送信する無線信号は通常、パケット形式になり、ペイロード部分のコンテンツと、ヘッダまたはトレーラ部分の宛先情報が含まれる。
データ送信のためのルーティングプロトコル：本明細書で説明されるデータ送信ルーティングプロトコルは一般に、より少ないコンピューティング電力しか必要とせず、したがって衛星バッテリ消費を低減するデータ送信を可能にする。データ送信は、図２及び図３に示す基本的な衛星デザインを用いて、衛星内のアンテナ間の無線リンクを介して衛星から衛星へ送られる。無線リンクは、それぞれの衛星内のルート作成モジュール４６に含まれるアンテナペアリング回路によって作成される。以下のセクションＩＩＩ．Ｃ．は、ここで説明されるルーティングプロトコルを実行するのに役立つシステムノード間の無線リンクを生成するための新規な衛星およびアンテナ構成を含む実施形態を説明する。
本実施形態ではシステムによって供給される地球の領域（この例では回帰線間の地球のスワス）がゾーンに分割され、その数は幾分任意である。ゾーンは少なくとも１つの衛星が任意の時間にすべてのゾーンに入る確率を最大にするのに十分な大きさであるべきである。すなわち、ゾーンの大きさは、少なくとも部分的にはシステム内の衛星の数およびそれらが横断する地表の広さに基づいて選択される。本実施例は、赤道と、北回帰線および南回帰線の各々との間のスワスを、２０個の実質的に長方形のゾーンに分割する。赤道の地球の周囲は約２５，０００マイルであり、赤道から各熱帯までの距離は約１，６００マイルである。したがって、各ゾーンの面積は約２，０００，０００平方マイル（１，２５０マイル×１，６００マイル）である。結果として生じる合計４０のゾーンのそれぞれに、連続した番号のような固有の識別子が割り当てられ、すべての地上ノードに固有のアドレス情報が割り当てられる。さらに、システム内の各地上ノードは、それが位置するゾーンの数を識別する位置情報を格納する。代替の構成では、地上ノードがゾーンの緯度方向および経度方向の境界を記憶することができる。衛星は、それらのジオロケーションを短い間隔でリフレッシュする。ここで説明する実施形態では、ルーティングプロトコルがローカルエリア・ルーティングネットワークとワイドエリア（広域）ルーティングネットワークの２つのルーティングネットワークを構築する。
現在のルーティングプロトコルでは、システム内のすべての地上ノードがデータ送信の宛先として自身へのルートを定義するローカルエリアルーティングネットワークを作成する。図６を参照すると、特定の地上ノードＧＮへのローカルエリア・ルーティングネットワークの作成は、開始ルーティングメッセージＲＭＩを所定の間隔で、典型的には約４秒毎に１回、宇宙に連続的に送信することから始まる。特定の地上ノードが指向性アンテナのアレイを備えた永久的な陸上の地上局である場合、それは、あらゆる方向、すなわち、地上局を取り囲む半球領域全体にわたって、高出力ビームを送信するのであろう。典型的にはそのような地上局が事実上無制限の電力を有し、これは開始ルーティングメッセージが軌道コンスタレーション内の少なくとも１つの衛星によって受信される可能性を増加させるのであろう。衛星は開始地上ノードＧＮから開始ルーティングメッセージＲＭＩを受信すると、開始ルーティングメッセージに含まれるある情報に注目する（すなわち、記憶する）ことによって、ローカルエリアルーティングネットワークの作成を開始する。これは、地上ノードが位置するゾーンを識別するゾーン部分と、各個々の地上ノードに関連する固有のアドレス情報を含む固有のアドレス部分とを含む地上ノードアドレス情報を含む。開始ルーティングメッセージを受信する衛星はまた、以下の段落でさらに説明するように、開始ルーティングメッセージの品質Ｑを判定する。開始地上局から開始ルーティングメッセージを受信する衛星は便宜上「一次衛星」と呼ばれ、衛星内のアンテナは固有の識別子を有し、各一次衛星は開始ルーティングメッセージを受信したアンテナの識別情報と、地上ノードＧＮに関連付けられた地上ノードアドレス情報とを格納する。一次衛星と地上ノードとの間のリンクは、図６において太い破線で示されている。衛星のアンテナペアリング回路は、衛星が位置するゾーン内の地上ノードからの開始ルーティングメッセージＲＭＩのみを受け入れる。上述のように、ゾーンサイズは、衛星の数およびシステムのカバレッジエリアを考慮して選択され、少なくとも１つの衛星がすべてのゾーンとなる可能性を増加させ、したがって、ローカルエリアネットワークがすべてのゾーンに対して組み立てられることを可能にする。
図６は、５つの一次衛星１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、および１Ｅのローカルエリア経路作成を示している。図面において、開始ルーティングメッセージは参照「ＲＭＩＸ」によって基準され、ここで、「Ｘ」はルーティングメッセージを受信した一次衛星である。実際のシステムでは、開始ルーティングメッセージを受信するより多くの衛星、ならびに開始ルーティングメッセージを受信しない地上ノードのゾーン内の多くの衛星が存在し得ることが理解されよう。各開始ルーティングメッセージの品質Ｑは受信する一次衛星によって判定されるように、各ルーティングメッセージと共に括弧内に与えられる。品質Ｑは以下でさらに説明するように、モード間データ伝送をサポートするための２つのノード間の無線リンクの望ましさを示す定量的パラメータである。現在のシステムでは、Ｑは測定された信号強度である。ルーティングメッセージにエラーコーディングデータを含め、次にルーティングメッセージが誤ったデータを含む範囲を評価するなど、他の実装が可能である。しかしながら、測定された信号強度は、送信に必要な帯域幅、電力、および時間を増加させる追加のデータをルーティングメッセージに含める必要がないので、１つの好ましいパラメータである。
ローカルエリア・ルーティングネットワークを作成する次のステップでは、すべての一次衛星がすべてのアンテナ上で一次ルーティングメッセージを送信する。一次ルーティングメッセージは、地上ノードアドレス情報と開始ルーティングメッセージの品質を含む。一次ルーティングメッセージを受信する衛星は、二次衛星と呼ばれる。図面は、４つの二次衛星２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｅを示している。上記の専門用語と一致して、一次ルーティングメッセージは参照「ＲＭ１Ｘ」によって参照され、ここで、「Ｘ」は一次ルーティングメッセージを受信した二次衛星である。二次衛星によって受信されるルーティングメッセージは、一点鎖線によって示される。各二次衛星は、第一ルーティングメッセージを受信したアンテナの識別子を記録する。二次衛星はまた、受信された一次ルーティングメッセージの品質Ｑを判定する。
図６は、二次衛星２Ａのような衛星が同じ地上ノードを識別する２つのルーティングメッセージを受信した場合のルーティングプロトコルの動作を示す。衛星２ＡがアンテナＡｘで一次ルーティングメッセージＲＭ１Ａを受信し、アンテナＡｙで一次ルーティングメッセージＲＭ１Ｂを受信したとする。ＲＭ１ＢはＲＭ１Ａ（Ｑ＝６）よりも高い品質（Ｑ＝８）を有するが、衛星１Ｂを通る地上ノードＧＮへのルートは品質Ｑ＝１のリンクＲＭＩＢを含む。衛星２Ａは、リンクＲＭＩＢ（Ｑ＝８）およびＲＭ１Ｂ（Ｑ＝１）の品質の合計がより高いにもかかわらず、地上ノードＧＮへの他の潜在的なルートは最低品質（Ｑ＝１）を有するリンクＲＭ１Ｂを含むので、「チェーンはその最弱リンクと同じ強さのみである」という原則を適用して、一次ルーティング順序ＲＭ１Ａ（Ｑ＝６）を受信したアンテナＡｘを格納する。すなわち、衛星２Ａは開始および一次ルーティングメッセージの中から最低品質（最低信号強度）を有するルーティングメッセージを受信したアンテナを廃棄（格納しない）し、他の一次ルーティングメッセージを受信したアンテナの識別子を格納する。このサブルートは、好ましい一次ルーティングメッセージＲＭ１Ａを介して確立されたリンクを示す太い一点鎖線によって示される。廃棄された潜在的なリンクは、太い一点鎖線で示されていない。第二次衛星は選択されたアンテナＡｘの識別子と、そのアンテナ上で受信された最低品質ルーティング信号（ＲＭＩＡ）の品質Ｑ（Ｑ＝２）と、ルートを有する地上ノードＧＮの地上ノードアドレス情報とを格納し、場合によっては、一次ルーティングメッセージがいずれの衛星によっても受信されず、例えば、図６の衛星１Ｄである。その場合、その衛星を通るローカルエリア・ルーティングネットワークは、単一のリンクのみを有する。
次に、二次衛星は、二次ルーティングメッセージをそれらのアンテナのすべてに送信する。二次ルーティングメッセージは地上ノードのアドレス情報と、一次および二次衛星と一次衛星および地上ノードとをリンクするそれぞれの開始および一次ルーティングメッセージの品質Ｑの低い方とを含み、図６では二次ルーティングメッセージが参照「ＲＭ２Ｘ」によって参照され、「Ｘ」は二次ルーティングメッセージを受信した衛星（「三次衛星」）を識別する。第一例として、衛星２Ａによって送信された二次ルーティングメッセージのうちの２つは、２つのそれぞれ三次衛星３Ａおよび３Ｃによって受信される。衛星３Ａは二次ルーティングメッセージＲＭ２Ａ１を受信し、衛星３Ｃは二次ルーティングメッセージＲＭ２Ａ２を受信する。衛星３Ａから地上ノードに戻る唯一の潜在的なルートは衛星２Ａおよび１Ａを通るので、３次衛星３Ａは、ルーティングメッセージＲＭ２Ａ１を受信したアンテナの識別子および地上ノードＧＮの地上ノードのアドレス情報を格納する。二次ルーティングメッセージを介して確立される潜在的なリンクは、選択されたリンクが太字である二点鎖線によって表される。
衛星３Ｃは、ＲＭ２Ａ２、ＲＭ２Ｂ２（衛星３ＢがＲＭ２Ｂ１を受信した）、およびＲＭ２Ｃ（三次衛星２Ｃから）の３つの二次ルーティングメッセージを受信した。ルーティングメッセージＲＭ２Ａ２には、前述のように、開始ルーティングメッセージＲＭＩＡの品質（Ｑ＝２）が含まれる。衛星２ＢからのルーティングメッセージＲＭ２Ｂ２は、ＲＭ１Ｃ１（Ｑ＝４）とＲＭ１Ｃ（Ｑ＝３）の品質Ｑの低い方であるため、衛星１Ｃから衛星２Ｂへの開始順序ルーティングメッセージＲＭＩＣの品質（Ｑ＝３）を含む。衛星２ＣからのルーティングメッセージＲＭ２Ｃは衛星１Ｃから衛星２Ｂへの開始順序ルーティングメッセージＲＭＩＣの品質（Ｑ＝３）を含むが、これはＲＭ１Ｃ２（Ｑ＝５）およびＲＭ１Ｃ（Ｑ＝３）の品質Ｑのうち低い方であるからである。衛星３Ｂは、受信した二次ルーティングメッセージの各々の品質と、二次および一次衛星を介して地上ノードへのより弱いリンクの品質とを判定する。したがって、衛星３Ｃは、経路指定メッセージＲＭ２Ｂ２およびＲＭＩＡの両方に対するＱ＝２と比較して、その経路を介して一次衛星に戻るリンクの最低の品質がＱ＝３（ＲＭＩＣ）であるので、ＲＭ２Ｃによって確立された衛星２Ｃを通るサブ経路を選択する。衛星３Ｃは、二次ルーティングメッセージＲＭ２Ｃを受信したアンテナと、地上ノードＧＮの地上ノードのアドレス情報とを格納する。
一次衛星から地上ノードに帰還する好ましい無線サブルートの選択の基礎となる原理はサブルートを基にする好ましい三次ルーティングメッセージを選択するために、衛星のルート作成回路が使用するアルゴリズムの理解を介して、一般的な用語で記述することができる。各三次衛星の経路生成回路は、２つの判定を行う。一つは、それぞれの二次衛星から受信した各二次ルーティングメッセージの品質を判定し、それを関連する二次ルーティングメッセージに含まれる下位リンク品質と一致させる、ＲＭＩＡ（Ｑ＝２）と一致したＲＭ２Ａ２（Ｑ＝７）、ＲＭＩＣ（Ｑ＝３）と一致したＲＭ２Ｂ２（Ｑ＝２）、ＲＭＩＣ（Ｑ＝３）と一致したＲＭ２Ｃ（Ｑ＝５）。２つは、一次衛星を介して三次衛星から地上ノードへの二次サブルートを表す好ましい二次ルーティングメッセージを識別することである。この二次サブルートは、三次衛星と、好ましい二次ルーティングメッセージに関連する二次衛星との間の第三の無線リンクを含む。この例では好ましい三次ルーティングメッセージはＲＭ２Ｃである。なぜなら、すべてのリンクは他の受信された二次ルーティングメッセージに関連付けられた第一、第二、または第三の無線リンクよりも高い品質を持っているからである。つまり、ＲＭ２Ｃ、ＲＭ１Ｃ２、ＲＭＩＣを介したサブルートのリンクはすべて、他の可能なサブルートの最も低い品質のリンクよりも高い品質を持っている（ＲＭＩＣの場合はＱ＝３、ＲＭＩＡおよびＲＭ２ＢＯＢの場合はＱ＝２）。衛星のメモリは、好ましい三次ルーティングメッセージが受信されたアンテナの識別子と、地上ノードに関連するアドレス情報とを格納する。
図６に示すローカルエリア・ルーティングネットワークは、地上ノードから地理的に広がるネットワークを示すという点で、いくぶん理想化されていることが当業者には理解されよう。これは地上ノードに関連付けられたローカルエリアネットワークがどのように作成されるかの説明を容易にするが、衛星の確率的分布および衛星を分離する長距離は場合によってはそれがリンクされるより低い順番の衛星よりも高い順番の衛星が地上ノードに近づくことになる可能性がある。しかしながら、以下の記述から、そのタイプのトポロジーをもつローカルエリアルーティングネットワークは、データ送信を開始地上ノードに向けるために依然として役に立つことは明らかであろう。同様に、地上ノードに戻るルートの一部として既に識別されている衛星によって、所与の順序のルーティングメッセージを受信することが可能である。その場合、受信衛星は発信地上ノードの固有アドレスを既に記憶しており、そのルーティングメッセージを無視する。すなわち、異なる順番のルーティングメッセージは、衛星のグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）モジュール４４による協働しているＧＮＳＳシステムクロックのマスタクロックへのアクセスを介して設定されたそれぞれのタイムスロットにおいて連続的に送信される。したがって、所与の衛星が既に上述のようにルーティングメッセージを受信している場合、それは後続のルーティングメッセージを無視する。
ローカルエリアルーティングネットワークは、衛星の３つの階層に限定されない。これは、上述したのと同じ方法で構築された４つ以上の層に拡張することができる。しかし、この説明が進むにつれて明らかになるように、３層システムは、過度の時間、計算能力、または帯域幅を必要とせずに地上ノードにデータ伝送を向ける目的に役立つと考えられ、Ｑのある閾値を下回るリンクを有する任意のサブルートは記憶されない。例えば、閾値がＱ＝３である場合、図６に示す衛星１Ａ、２Ａ、および３Ａからのサブルート、および１Ｂからのサブルートに関する情報（Ｑのアンテナ識別子および値）は記憶されず、そのサブルートは確立されない。
好ましいルーティングプロトコルでは、広域ルーティングネットワークが衛星によって自律的に作成され、発信地上ノードから衛星にアップロードされ、その衛星を含むローカルエリアネットワークによってサービスされていない地上ノードにアドレス指定されたデータ送信を考慮する。広域ルーティングネットワークは一連のルーティングメッセージを使用し、低品質の潜在的リンクをドロップし、別の衛星との好ましいリンクを識別するために使用されるルーティングメッセージを受信した各衛星上のアンテナの識別子を記憶することによって、ローカルエリア・ルーティングネットワークを作成するために上述したのと同じ原理を使用して構築される。ローカルエリアルーティングネットワークとの主な違いは広域ルーティングネットワークがゾーンベースであることであり、その目的はアップロードされたデータ送信が向けられるゾーンに向かう最適化されたルートを確立することである。さらに、それらは衛星によって開始され、地上局ではない。
あらゆるゾーン内のあらゆる衛星は、それ自体への広域ルーティングネットワークを生成する。このプロセスは、開始広域衛星が地上ノードのアドレス情報内のゾーン部分と同じフォーマットを使用して、そのジオロケーションを示す開始広域衛星ルーティングメッセージをそのアンテナのすべてに送信するときに開始する。最初の広域衛星ルーティングメッセージを受信する衛星は、開始広域衛星のゾーンおよび受信された第一の広域衛星ルーティングメッセージの信号強度を含む第二の広域衛星ルーティングメッセージを送信する。広域ネットワークルートの作成は所定の数の階層、好ましくは少なくとも３つの階層について、図６に関連して説明したのと同じやり方で進行するが、所与のシステムではより多くの階層を確立することができる。広域ネットワーク内のすべての衛星には、開始広域衛星のゾーンと、そのゾーンに向かうネットワーク内の次の衛星にデータ送信を送信するために使用するアンテナが含まれる。例えば、ローカルエリアネットワークの一部である衛星がワイドエリアネットワークを作成するプロセスを開始するとき、ローカルエリアルーティングネットワークを作成する際に使用される送信および計算には、ある量の重複がある。
ローカルエリアおよび広域ルーティングネットワークを用いたデータ送信
この記述は、宛先地上ノードに関連するアドレス情報を含むヘッダをもつデータのパケットを含む発信地上ノードからのデータ伝送の例として使用されるのであろう。アドレス情報の１つの構成要素は、宛先地上ノードのゾーン番号などの位置情報である。アドレス情報には、その特定の宛先地上ノードに関連付けられた一意のアドレス情報も含まれる。
一般的なデータ送信プロセスはシステム内の任意の衛星が衛星上のデータのパケットをどのように処理し、宛先地上ノードに送信するためのアドレス情報（ゾーンおよび固有の地上ノードアドレス）を有するかを示す図７のフローチャートを参照して説明される。データ送信のための宛先地上ノードは、上述のローカルエリア・ルーティングネットワークルート作成の説明における開始地上ノードに対応する。衛星は、通常、無数の宛先にアドレス指定された多数のパケットを搭載していることが理解されよう。図７は、衛星のデータ移動モジュール内のデータ送信回路がデータの個々のパケットをどのように処理するかを示す。パケットは任意の順序で処理できるが、１つの実装ではパケットが受信され、パケットが時間順に処理されるときに、タイムスタンプが付く。
ステップＳ１０２において、パケットを保持する衛星内のデータ送信回路はそのアンテナの１つが、パケットに含まれる固有のアドレスを有する宛先地上局のアンテナと対になっているかどうかを判定する。言い換えれば、衛星によって処理されているパケットが、衛星によって記憶されている固有アドレス部分と一致する固有アドレス部分を含む場合、衛星は宛先地上ノードに関連するローカルエリアネットワーク内にあることを意味し、ステップＳ１０２における答えはイエスである。図６に関連して上述したように、特定の宛先地上ノードに至るローカルエリアネットワークの階層内のすべての衛星は、宛先地上ノードにデータを送信するアンテナ対をメモリ内に有する。ステップＳ１０４で、パケットが適宜送信される。
ステップＳ１０２の第二の部分では、衛星内のデータ送信回路がパケットによってアドレス指定された宛先地上ノードにつながるローカルエリア・ルーティングネットワーク内の衛星にリンクされているかどうかを判定する。ルーティングプロトコルの一部として、ローカルエリアネットワークおよび広域ネットワークがリフレッシュされた後、すべてのローカルエリアネットワーク内のすべての衛星がそれらのすべてのアンテナから、短時間（典型的には、１秒から４秒ごと）でアナウンス・ルーティングメッセージを送信する。アナウンス・ルーティングメッセージは、送信ローカルエリアネットワーク衛星によって記憶された地上ノードのアドレス情報を含む。アナウンス・ルーティングメッセージを受信した衛星は、まず、アナウンス・ルーティングメッセージに含まれる同じ固有アドレス部分をそのメモリに持っているかどうかを判定する。そうであれば、受信衛星がすでに宛先地上ノードに関連するローカルエリアネットワーク内にあることを意味し、アナウンス・ルーティングメッセージを無視する。受信衛星は、宛先地上ノードに関連する固有アドレス部分をまだ格納していない場合、アナウンス・ルーティングメッセージを受信したアンテナおよび固有地上ノードのアドレス情報を格納する。受信衛星はまた、受信されたアナウンス・ルーティングメッセージの品質Ｑ（例えば、信号強度）を判定する。衛星が２つ以上のアンテナ上でアナウンス・ルーティングメッセージを受信した場合、衛星は、最高品質のアナウンス・ルーティングメッセージを受信したアンテナの識別子を格納する。衛星がこのように、アナウンス・ルーティングメッセージを介して宛先地上ノードに関連するローカルエリアネットワーク衛星に接続されている場合、ステップＳ１０２の第二の部分に対する答えはＹＥＳであり、パケットはステップＳ１０４においてそれに応じて送信される（代替のアプローチではアナウンス・ルーティングメッセージがアナウンス・ルーティングメッセージを送信する衛星によって記憶された品質情報を含むことができ、受信衛星は、ローカルエリアネットワークおよび広域ネットワークを組み立てるために使用される原理に従って地上ノードへのルートを選択することができる）。
ステップＳ１０２の回答がＮＯの場合、ステップＳ１０６に進み、パケットを保持している衛星が、処理中のパケットのゾーン情報と一致するメモリゾーン情報を持っているか否かを判定する。すなわち、パケットを処理する衛星が、宛先地上局のゾーンに衛星を含む広域ネットワークの一部である場合、ステップＳ１０６の答えはＹＥＳである。これは送信のためのパケットを保持する衛星が宛先地上局を有するゾーンへのルートを有する衛星と対になったアンテナを識別したことを示し、ステップＳ１０８において、パケットは広域ルーティングネットワークの作成の一部として識別されたアンテナ上で送信される。言い換えれば、ステップＳ１０８は、パケットを、宛先地上ノードが位置するゾーンにつながるワイドエリアネットワーク内の次の衛星に転送する。ステップＳ１０２の第二の部分は宛先ゾーンに関連する広域ルーティングネットワーク内の衛星のうちの１つが、そのゾーン内の宛先地上ノードに関連するローカルエリアネットワーク内の衛星を「見つける」確率を高めるように働くという点で、任意選択であることを理解されたい。しかしながら、データ伝送プロセスは特に、ネットワークが周期的にリフレッシュし、ほぼ確実にリフレッシュサイクル毎に異なる衛星を含むことを考慮すると、特定のゾーンに関連付けられたワイドエリアネットワーク内の衛星が、そのゾーン内の宛先地上ノードのローカルエリアネットワークの一部でもある可能性に依存することもできる。
ステップＳ１０６における答えがＮＯである場合、パケットを保持する衛星はベクトル・ルーティング・アプローチを使用して、パケットヘッダ（またはトレーラ）内の地上ノードのアドレス情報ごとに、地上ノードのゾーンの方向にパケットを送信する。ステップＳ１１０において、衛星は、パケットを受信した別の衛星からの確認信号を待つ（受信衛星はパケットを受信したアンテナを使用して確認信号を返信する）。確認信号がネットワークリフレッシュ間隔（１〜４秒）よりも実質的に短い時間内に受信されない場合、ステップＳ１１４における答えはＮＯであり、パケットはステップＳ１０２から始まる再処理のために待ち行列に戻される。好ましい実施形態では、パケットが所定のパターンでアクセスされるデータベースに保持することができる。ステップＳ１１０で確認信号が受信されない場合、パケットは、所定のパターンに従って後続のアクセスのためにデータベースに残る。
データ伝送プロトコルを管理する再帰的な階層的ロジックはすべての衛星が本質的に同じプログラミングステップを実行することを可能にし、システム全体にわたるデータ伝送を大幅に単純化する。それはまた、図７のフローチャートに示される階層に従ってパケットをその宛先にルーティングする方法を決定するために各データパケットを検査することによって、システムの確率的な支援を考慮している。データパケットを保持するすべての衛星はそれを受信する衛星がその宛先へのルートに搭載していないかもしれない短時間の間パケットを保持することによって、確率的に分散された衛星のコンスタレーションに対するシステムの信頼性の確率的性質を考慮しながら、それをその宛先に実質的に瞬時に転送することができることが期待される。多数のローカルエリアおよび広域ルーティングネットワークが存在するが、システム内の各衛星は宛先地上ノードへのローカルエリア経路と、宛先へのローカルエリア経路を記憶していない場合には遠方の宛先地上ノードのゾーンへの広域経路とを知るだけでよい。これにより、個々の衛星の計算負荷が最小化され、同時に消費電力が削減される。代替ルーティングアプローチと後述する方法は、経路作成とデータ送信をさらに容易にする。
図８は、図６の図と図７のフローチャートを利用して、データ送信のいくつかの例を説明するために使用される。最初の事例では、ウヨのユーザがチャドのンジャメナのユーザにメッセージを送信することを望んでいる。衛星Ｓ２１０がウヨのユーザの地上ノードからデータ伝送を受信し、ンジャメナのユーザの地上ノードに対して一次衛星（図６）である場合（ステップＳ１０２）、衛星Ｓ２は上述したように、経路生成中に識別されたアンテナを用いて、ンジャメナの地上ノードにパケット単位のメッセージを直接送信する（ステップＳ１０４）。衛星Ｓ１６がンジャメナの地上ノードから開始ルーティングメッセージを受信した場合、衛星Ｓ１６が同じゾーンにないため、ンジャメナに関連付けられた一次ローカルエリアネットワーク衛星ではないことに注意する。しかしながら、ンジャメナと衛星Ｓ１６が異なった区域にあっても、衛星Ｓ１６はンジャメナ地上局に関連し、衛星Ｓ２１０を含むローカルエリアネットワーク内の二次衛星（図６）であってもよい。その際、衛星Ｓ１６はンジャメナ地上ノードに対応付けられた固有のアドレス部を有するウヨからのパケットを搭載していれば、衛星Ｓ２１０を介してンジャメナに送信することができる（ステップＳ１０４）。すべての場合において、データ送信中のパケットは別々に処理され、すべてのパケットが宛先に到着したときに適切な順番で組み立てられる。経路は定期的にリフレッシュされるため、特定のデータ送信のパケットは異なる経路を介して送信される可能性がある。既知の実践に従って、パケットは単一データ伝送のパケットがそれらの宛先に到着するときにパケットが適切に再構成されることを可能にするために、適切な順番情報およびエラーコードを含む。
第二の例では、ウヨのユーザがインドのムンバイの特定の地上局のサーバに電子メールまたは他の通信を送信することを望む。通信は述べたように、パケット形式で、各パケットは、宛先地上ノードのゾーンを識別するゾーン部分と、宛先地上ノードに関連する固有のアドレス情報を含む固有のアドレス部分とを含む地上ノードのアドレス情報を含む。データ送信は衛星Ｓ２１０にのみアップロードされ、その衛星は宛先のムンバイ地上局に関連するローカルエリアネットワークの一部ではないと仮定する。そのケースでは、衛星Ｓ２１０が最初に、そのローカルエリアネットワーク内の衛星から受信した可能性のあるアナウンス経路指定メッセージによって示されるように、ムンバイ地上ノードにつながるローカルエリアネットワーク内の衛星への接続をオンボードで有するかどうかを判定する。すなわち、衛星Ｓ２１０は、データ送信パケット内の地上ノードアドレス情報と衛星に記憶されている地上ノードアドレス情報とを比較する（ステップＳ１０２）。答えがＹＥＳの場合、衛星Ｓ２１０は受信したアナウンス・ルーティングメッセージに関連付けられたアンテナ上のパケットを送信する（ステップＳ１０４）。
衛星がパケットの固有の地上ノードのアドレスに関連する固有のアドレス情報を含むメモリ地上ノードのアドレス情報を持たない場合、衛星Ｓ２１０は、オンボードパケット（ゾーンＺ５）内のゾーンアドレス情報と同じゾーン部分を持つメモリ地上ノードアドレス情報を持つかどうかを判断する。すなわち、当該パケットの宛先ゾーンが、衛星Ｓ２１０を含む広域ネットワークが接続されているゾーンと同一であることに留意して、ムンバイのゾーンＺ５に対応付けられた広域ルーティングネットワーク内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。そうである場合、その広域ルーティングネットワークの作成において識別されたアンテナを介してパケットを送信する（ステップＳ１０８）。地上ノードまたは別の衛星からパケットを受信するすべての衛星は、図７のフローチャートに従ってパケットを処理することに留意されたい。システムの確率的性質は、すべての地上局がそれに関連する広範囲のローカルエリアネットワークを有するという事実と組み合わされて、特定のゾーンへの広域ネットワーク内の衛星がそのゾーン内の特定の地上局に関連するローカルエリアネットワークへ衛星に接続することができることをほぼ確実にする。
別の例として、レイテの地上局に向けられたウヨからのデータ伝送を考える。データ伝送は衛星Ｓ２１０にのみアップロードされ、その衛星はレイテ地上局に関連するいかなるローカルエリアまたは広域ネットワークにも関連していないと仮定する。そのケースでは、衛星Ｓ２１０が一般にレイテの地上局が位置するゾーンＺ７に向いているそのアンテナ上でデータパケットを送信する。好ましい一実施形態では、アンテナビーム幅がレイテのゾーンの方向のベクトルの周りで±３０°である。衛星Ｓ２１０は、パケットを受信した衛星からの確認応答を待つ。確認が受信されない場合、処理中のパケットは図７の矢印「ｎｏ」によって示されるように、ステップＳ１０２から再処理されるべき待ち行列に戻される。この場合も、システムの確率的性質は衛星がパケットを保持しなければならない時間を低減または排除し、したがって、データ送信を含むパケットをその宛先に配信する際の遅延を最小限に抑えるように作用する。
上述したシステムの１つの変形例では、ゾーン境界が都市エリアのような大きな人口密度のエリアへのデータ送信を容易にするように調整することができる。例えば、ゾーン境界がさもなければ、ニューヨークまたはムンバイのようなメトロポリタンエリアを２つ以上のゾーンに分割する場合、境界は、１つのゾーンに実行可能な限り多くのそのエリア内の地上ノードを包含するように調整することができる。これは、単一のローカルエリア・ルーティングネットワークによって提供される、これらのタイプの密集したエリア内の地上局の数を増やすことによって、そのようなエリアに向けられたパケットに対して図７に示されるステップのうちのより少ないステップを必要とする可能性を有する。
システムの確率的性質はまた、衛星群へのデータ送信のアップロードにおいて最小限の遅延を引き起こし得る。そのため、好ましい実施形態の地上ノードは、データパケットを順番に送信する。一実施形態では、地上ノードが確認信号を返すことによって衛星によって受信が確認されていないパケットを保持し、所定のタイミング方式に従ってそれらを再び送信することができる。本システムにおける衛星の低い２００マイル高度はまた、データパケットを衛星群にうまくアップロードする確率を増加させる。さらに、システムのスケーラビリティは待ち時間が所与のシステムに対して許容できないと見なされる場合に、システムの一部として追加の衛星を配備することを可能にする。すなわち、衛星の製造及び打ち上げが安価であるので、最小の経費のために、システムオペレータは、５０個又は１００個以上の追加衛星を配備することができる。
データ伝送の最終ステップとして、発信衛星にアップロードされた特定のデータ伝送のパケットのすべてを正常に受信する宛先地上ノードは、任意選択で、発信地上局に確認応答伝送を送信することができる。このような確認通知は典型的には元のデータ送信と同じフォーマットで、すなわち、発信地上局に戻るアドレス情報と、確認通知を伴うコンテンツ部分とを含むヘッダまたはトレーラをもつ１つ以上のパケットとして、自動的に送信されるのであろう。確認応答メッセージは、上述の元の送信と同じルーティングプロトコルを使用して、発信地上ノードに送り返されるであろう。
上述のルーティングプロトコルは、衛星間通信を必要とする宇宙ベースのシステムにおける長距離送信のために衛星間で転送されなければならないデータの量を大幅に低減する。これは、すべての衛星がシステム内のすべての地上ノードへのすべての経路を知ることを要求するのではなく、衛星間でルーティング計算を分散することによって行われる。この新規なアプローチはデータ転送に必要な時間及びバッテリ電力を桁違いに減少させ、また、世界中のデータ送信をサポートするために固定された地理的位置及び正確な姿勢で維持する必要がない衛星を用いた宇宙ベースのシステムをし、加えてシステムのスケーラブルな性質により、最小限のコストでシステム性能の漸進的な改善を可能にするにするシステムの特徴の１つである。
追加のオプションの修正
上述のルーティングプロトコルおよびデータ伝送方法は、様々な方法で実現することができる。１つは、それぞれが自分自身の地上局を有する個々のユーザのグループによるものである。別の応用例ではシステムが小さな島または他の隔離された場所の状況など、単一のセルラ電話塔によってサービスされる加入者のグループにアドレス指定されたメッセージを受信するように構成することができ、その場合、システムはメッセージをセルラ塔に向ける地上ノードを有することになる。この種類のシステムにおける地上ノードのアドレス情報はセルラシステムがそれに応じてそれらを指示することができるように、意図された加入者の電話番号を含もう。この同じタイプのシステムは、広い面積にサービスを提供する複数の塔を備えた、より従来のセルラシステムに組み込むことができるのであろう。その場合、１つまたは複数の地上ノードがシステム全体にサービスを提供することができ、それによって、データ伝送を受信する地上ノードは、他の任意の伝送と同様に扱われるセルラシステムにそれを導入することができる。別の変形形態は、複数のユーザがアクセス可能なＷｉＦｉルータなどのハブを備える１つまたは複数の地上局を含むことができる。
上記のルーティング例では、ユーザが宛先地上局の完全なアドレス情報を知っている必要がある。代替実施形態では特定の地上ノードに関連付けられたユーザが他の地上局に関連付けられたユーザに電子メールを送信しようとすると、使い慣れた電子メール形式「ｒｅｃｉｐｉｅｎｔ＠ｉｎｔｅｒｎｅｔｓｅｒｖｉｃｅｐｒｏｖｉｄｅｒ．ｘｘｘ」で電子デバイスのアドレス情報に入力することができる。ユーザが彼女のデバイスから電子メールを送信すると、デバイスはＩＳＰサーバのアドレス情報を知ることになり、必要に応じて、ユーザの地上局はＩＳＰサーバが配置されているゾーンを電子メールに追加することができる。伝送は現在のシステムを用いてＩＳＰサーバに向けられ、ＩＳＰは電子メールアドレスに従来の手段で電子メールを送信する。
上記のルーティングプロトコルに対する１つの拡張は、特定の宛先へのルートのデータパケットを、同じゾーンに向けられた他のオンボード・データパケットとグループ化する機能を利用できる。例えば、衛星が特定のゾーンへの途中でデータパケットを搭載していると仮定する。実際の応用では、単一の衛星によって処理されている異なる送信における多くのデータパケットが同じゾーンに向けられていることが起こりうる。データ伝送をより効率的にするために、衛星はそれが搭載しているパケットをそれらの宛先ゾーンによってソートし、次に、図７に関連して上述した方法によってそれらを送信することができる。当業者は、このソートプロセスがリレーショナルデータベースを使用するなど、多くの方法で実行され得ることを理解するであろう。同じゾーンへの宛先を有する異なるデータ送信におけるパケットが送信のためにグループ化されるこの強化は、本システムにおいてデータ伝送を実施するために必要とされる計算容量及び電力消費を更に低減する。
別の代替実施形態では、衛星群が最終経路における衛星間ホップの数を減らすために、他の、より高い高度における複数の衛星を含むことができる。図９は最終経路における衛星−衛星間のホップの数を減らすために、より高い高度で衛星を求めることに含まれる原理を示す図である。本実施形態の衛星群は、異なる高度の軌道上の軌道上に衛星を有することができることを想起されるのであろう。図９は、２００マイル軌道の衛星Ｓ２００と、８００マイル軌道の衛星Ｓ８００とを含むシステムを示す。２００マイルの軌道にある２つの衛星間の無線リンクの長さは通常２，５００マイル以下であるため、ロンドンと７，０００マイル離れた場所の間の無線経路ではロンドンの地上局とレイテの地上局との間に少なくとも５つのリンクＬ２００１、Ｌ２００２、Ｌ２００３、Ｌ２００４、およびＬ２００５が必要になる。表１を参照されたい。一方、８００マイル軌道の衛星は約２，５００マイル離れた地上局と約５，０００マイル離れた他の衛星を見ることができるので（図５のフットプリントＦＰ４参照）、ロンドンからのリンクＬ８００１、Ｌ８００２、Ｌ８００３を介し、衛星Ｓ８００１、Ｓ８００２を介して、レイテへの２つの衛星のみで無線経路を理論的に確立することができる。したがって、衛星Ｓ８００１はロンドンからアップロードされたデータ伝送を受信し、シカゴ（４，０００マイル）およびロサンゼルス（５，４００マイル）を含む７，０００マイル以上離れた地上局へのローカルエリア・ルーティングネットワークにあることができる（図６参照）。しかし、少なくとも、コンスタレーションに高高度衛星を組み込むことは、宛先地上局が発信地上局からデータ伝送を受信する衛星を有する広域ルーティングネットワークによってサービスされるゾーンにある確率を増加させ、したがって、多くの場合、データ送信プロセスからステップＳ１０８（図７）を排除する。
一実施形態では、上述のルーティングプロトコルが異なる高度の衛星を含むリンクを自動的に作成することに依拠することができる。しかし、別の実施形態では、衛星間のルーティングメッセージがローカルエリアネットワークおよび広域ネットワークを作成するために使用される図６に関連して説明される情報のすべてを、開始地上局（ローカルエリア・ルーティングネットワークの場合）または開始衛星（広域ルーティングネットワークの場合）に戻るリンクのすべての品質とともに含む。ルーティングメッセージはまた、ネットワーク内の衛星の数を示すカウンタを含み、このカウンタは、その衛星からルーティングメッセージを受信する各衛星によってインクリメントされ、したがって、開始ポイントに戻る衛星間ホップの数を追跡し続ける。さらに、複数のルーティングメッセージを受信する衛星は、最も弱い品質のルーティングメッセージを廃棄しない。むしろ、品質の特定の閾値を下回るルーティングメッセージのみを破棄する。次に、開始地上局または開始衛星に戻る衛星間の経路は、最も少ない衛星間ホップを有する経路を選択する。これは、通常、目的地へのホップがより少なくて済むので、より高度の衛星の選択に有利である。また、それらを組み込んだ無線リンクの品質は、通常、互いにより近いより低い高度の衛星間のリンクよりも低くなるため、より高度の高い衛星を含むルートが破棄される可能性も低くなる。
Ｄ． 分散台帳システム
上述のようなルーティングおよび伝送プロトコルを使用する確率論的コンスタレーションにおける複数の衛星を有する衛星インフラストラクチャは、分散型台帳システムにも適用することができる。すなわち、上記の経路作成およびデータ伝送方法の特徴を使用して、地上のユーザに宇宙ベースの分散台帳システムへのアクセスを提供し、衛星間で台帳に関連するデータを送信することができる。これらのシステムおよび方法はユーザと衛星との間での台帳関連メッセージの迅速な受信、受信、および配信を可能にし、したがって、ブロックチェーン全体にわたって分散された情報を保存し、検証するための標準的なブロックチェーンシステムを作成する役割を果たすことができる。さらに、ここで説明するブロックチェーンシステムを作成する原理は、データ伝送にも使用できる。
１． 無線ルーティングに適用されるブロックチェーン原理
本明細書に記載される衛星通信システムは特に、分散台帳技術の基礎となる原理の適用に適合される。ブロックチェーンは複数のコンピュータにわたって検証され、コピーされる分散台帳であり、典型的には、数百または数千の番号が付けられる。本明細書で説明されるシステムおよび方法に適用されるように、衛星のそれぞれは、情報を記録および配信するために使用されるブロックチェーン内のノードと見なすことができる。特定のアプリケーションでは地上ノードはブロックチェーン内のノードとして含まれることができる。
ブロックチェーン原理は、様々な方法で本システムに適用することができる。例えば、データ伝送が最初の衛星ノードにアップロードされるたびに、データ伝送は、以下のより詳細な説明に従って、システム内のすべてのノードに分配されるトランザクションとして記録することができる。上述のように、データ伝送の完了後に宛先地上ノードに返される確認信号などの他のトランザクションも、各ノードで記録することができる。
これらの記録されたトランザクションは、様々な目的のために使用することができる。例えば、特定のユーザがシステムにアクセスする回数及び完了したデータ送信の回数は課金目的のために、又は使用又は成功した送信に関する統計をコンパイルするために、システム所有者によって使用され得る。
２． 確率システムにおける分散台帳
背景として、インターネットは様々な取引を追跡し、記録し、検証するために分散型台帳を利用する多数の異なる技術を使用する。様々な従来技術の衛星システムがその能力を拡張することにつれて、衛星は、ブロックチェーンまたはブロックチェーン関連台帳の特定のアプリケーションの一部である様々なデータ伝送を転送するために使用され得る。追加のステップは、ブロックチェーンおよび分散台帳の論理を衛星に含めることであろう。このような衛星は様々なブロックチェーン取引を格納し、維持し、転送する、より従来の地上コンピュータと同様に機能することができる。各ブロックチェーンおよび分散台帳は一意であるので、各々が好ましくは、それ自体の衛星群を備えるか、または単一のコンスタレーション内の衛星内の動作モジュールを部分化する方法を含もう。
しかし、与えられた分散台帳システムに衛星が含まれていてもまだ存在するのであろう地上インターネットにはいくつかの弱点がある。インターネット・ブロックチェーンシステムで目立つ１つの弱点は、プライバシーの問題である。今日のインターネットは、ハブ間の多数の接続からなる。インターネットの各ハブは、転送機能とルーティング機能を提供する。
ルータの製造業者は、ルータがルーティングしていたトラフィックの一部を格納できることを示している。ルータがこのようなルータを使用する分散台帳システムを利用するために本質的に公開される。例えば、ルータ製造業者がブロックチェーン伝送の内容を読み取ることができなかったとしても、異なるブロックチェーンアプリケーションと共に使用される固有のフォーマットシステムは、実装されている特定のブロックチェーンアプリケーションを識別するのに役立つことができる。この知識を用いて、かなり単純なコンピュータプログラムは、ブロックチェーンの発信者、ブロックチェーンの認証者、およびインスタンスによっては秘密の金融情報の送信者、許可されていないユーザ（「ハッカー」）に有用であり得るウイルス保護システムに関する情報、および送信者が信頼性を維持したいと望む多くの他のタイプのクラウドベースの情報のリストを作成することができる。
最近、ハッキングは、インターネットの秘密性を損なう可能性がある問題であることが既に証明されている。例えば、異なる機能に向けられたいくつかの周知のアプリが、ユーザの知識なしにユーザの電子メールを実際に読んでいたことが報告されている。ユーザの知識の有無にかかわらず、ユーザの装置にインストールされたそのようなアプリはユーザが証券化システムにタイプしていたキーストロークを容易に読み取り、後にブロックチェーンに追加された秘密通信を送信することができる。また、ハッカーは衛星または地上局のルータにアクセスし、情報を取得して修正し、誤った情報をネットワークに再導入することもできる。高度なハッカーがその経路に沿った異なる地点で通信にアクセスし、情報の特定のブロックを読み取り、修正し、さらには削除する可能性が存在する。
同様に、電子セキュリティ問題に加えて物理的セキュリティ問題がある。多くの国は海底ケーブルに依存して、他の国のインターネットサーバとの接続性を提供している。これらのケーブルは見つけやすく、切断しやすい。いくつかのキーケーブルの破壊は、現在の主要なブロックチェーンアプリケーションの運用を損なう可能性がある。さらに、国際的な境界を横切る地上ケーブルは、インターネットをサポートする複雑な世界規模のインフラストラクチャの重要な部分を形成する。戦略的に配置された国の中には、ケーブルを切断し、インターネットに対する深刻な課題に直面する国もある。
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、衛星がブロックチェーン処理を担当する新しいアプローチをサポートする。以前は衛星ベースのブロックチェーンシステムが衛星を製造し、それらを所定の軌道に維持して、それらの間の即時通信を可能にするコストのために、実現不可能であったものであろう。上述のシステムは、トランザクションおよびブロックチェーン認証問題の両方の記憶および送信のすべてまたはほとんどすべてに対して責任を負うことができる、低地球軌道に確率的に分散された安価な衛星を使用する。１つの重要な点は、そのようなシステムが完全に私的に所有され、運営されることができることである。これは、追加レベルのプライバシーと電子セキュリティをサポートする。さらに、本明細書に記載される原理を組み込んだ衛星システムは、宇宙空間の他の物体との衝突によって破壊された、例えば軌道崩壊を通して崩壊した、または崩壊した任意の衛星を安価に置き換える、システムの物理的セキュリティを増大させる。さらに、その性質上、このシステムは、衛星が喪失しても、システム能力をほとんどまたは全く喪失することなく作動し続ける。
本ブロックチェーン・アプローチは、本開示に記載されているような低コスト衛星の多数または大部分のグループがトランザクション転送の責任を負うことを可能にしようとするものである。この目的のために、このアプローチはブロックチェーントランザクションを追跡し、ブロックチェーンのルールの下で許可されたものとしてそれらを検証することができる宇宙ベースのネットワークを作成する。一般的に言えば、これは、すべての衛星が証明された事実の共通の組に合意する記録を保持することを必要とする。衛星はまた、すべての新しいトランザクションを承認し、記録しなければならない。本質的に、各衛星は衛星ルーティング機構の一部である。さらに、各衛星は各トランザクションを記録し、認証した衛星のチームのメンバーでもある。さらに、衛星は、それらに提示される様々な潜在的な種類のブロックチェーンに適応可能でなければならない。この目標は、クラウドストレージ、トランザクションのルーティング、および電子メールの送信などの様々なタイプのサービスを提供するために利用することができる新しいタイプの衛星通信パラダイムの必要性を生み出す。
ここで提示した分散台帳コンセプトは様々な高度で衛星を用いて作業できるが、そのようなシステムの一つの運用を実証するために用いた例は１００マイルの高さ円軌道の衛星を用いて説明される。この実装は、より高い高度の衛星を採用するシステムに比べて、多くの利点を有するのであろう。当業者であれば、より低い衛星の使用はより高い衛星が水平線上でより遠くを見るという点でトレードオフを表し、従って衛星間のリンクを容易にすることを理解するのであろう。しかしながら、１００マイルの高軌道に衛星を持つシステムは分散台帳アプリケーションにおいてより有利になるのであろう。高さ２００マイルの衛星と比較して、低い高度は、地上のユーザと衛星との間で受信信号強度を６ｄＢ以上増加させるのであろう。これは、衛星と地上のユーザとの間のトランザクション情報の迅速な配布を保証する点で、より予測可能な結果を提供する。さらに、高度１００マイルの衛星は上述したように、より高い高度の衛星を組み合わせて使用して、システム全体に相互作用情報を分配するために必要な衛星間リンクを作成する可能性を改善することができる。本例示的な実施形態は約２００の衛星のネットワークを想定するが、４００の衛星はシステムが確率的に分散された衛星間でそのようなリンクを作る確率に依存するならば、より潜在的な衛星間無線リンクが存在するのであろうという点で、より大きな程度の冗長性を提供するのであろう。このシステムはおそらく２０個以下の２００個未満の衛星でも機能するが、衛星間の情報交換に望ましくない遅延が生じる可能性がある。
図２および図３に関連して上述した衛星は、本発明の分散台帳アプリケーションで使用される。衛星のＣＰＵ４０は、メッセージ転送および以前のブロックチェーン活動の記憶などのブロックチェーン機能を実行するブロックチェーン管理モジュール（不図示）を含む。衛星通信システムを介してデータ伝送をルーティングすることについての前の議論で詳細に対処された重要な問題は、衛星間で無線通信を確立することである。したがって、システムがブロックチェーン通信、取引の承認、およびブロックチェーン検証を提供する場合、システムは、システム内の他の衛星のすべてまたはほとんどすべてにほぼ瞬時に単一の衛星からの情報を提供しなければならない。
北緯６０度と南緯６０度の間で地表の一部を利用するように設計されたシステムは、図５からわかるように、世界の人口のほとんどすべてにアクセスできるようになる。地球のこのサービス部分の面積は、約１７５，０００，０００平方マイルである。高さ１００マイルの軌道上の衛星は約２，５００，０００平方マイルのフットプリントを有しており、これは衛星が横断するサービスエリアの約１．４％に相当する。したがって、平均して、システムのサービスエリア内の任意の所与の地点は、２００個の衛星のうちの約３個を見ることになる。同時に、衛星がこのサービスエリアのどの特定の地点からも見えない確率は９８．６％である。地球上の任意の地点が少なくとも１つの衛星を見ることができない可能性はわずか０．９８６±０．０５９（つまり、１７のうち１つ）である。すでに述べたように、確率的に分布した衛星をもつシステムは、コンスタレーションに衛星を加えることによって完全にスケーラブルである。例えば、コンスタレーションが３００個の衛星（０．９８６３００≒０．０１４５）を含む場合、地球上の任意の所与の地点が少なくとも１つの衛星を見ることができない可能性は、７０分の１に低下する。
すでに議論したデータ伝送システムのように、任意の衛星が「見ることができる」他の衛星の数も、分散台帳システムにおいて重要な要素であり、本実施形態では、各衛星が理論的に、地平線上約１，８００マイル（表１から２×ＤＨ）の他の衛星を「見る」ことができる。この議論の目的のために、所与の衛星の地平線ＥＨにおける地上構造物からの干渉がその距離を減少させ得ることを無視すると、１，８００マイルの半径を有する円によってカバーされるエリアは約１０，０００，０００平方マイルであり、これは装置内の２００個の衛星が横切る１７５，０００，０００平方マイルのエリアの５．７％であり、これは任意の所与の衛星がコンスタレーション内の少なくとも１１個の他の衛星（２００の５．７％）を見ることを手段する。図２に示すアンテナ構造が衛星の球面の６０％しかカバーできない場合であっても（ソーラーパネルを取り付けるためのサイトを設ける必要性などの構造上の制限により）、特定の衛星と他の潜在的に利用可能な１１個の衛星のうちの少なくとも１個との間でアンテナをペアにすることができる可能性が高い。さらに、コンスタレーション内の衛星の数を増やすことは、それに対応して、ある衛星内のアンテナと別の衛星内のアンテナをうまくペアリングできる確率を増加させることになる。
以下では、開始衛星における地上の利用者からの通信内容を地球全体に拡散させるための潜在的な方法について述べる。１０分の１秒のサイクル時間を仮定する。２００個の衛星にはそれぞれ、その１０分の１秒以内に送信する正確な時刻が与えられている。例えば、第一の衛星は、０．１００５秒でデータを送信することができる。第二の衛星は、０．１０１０秒でデータを送信することができる。このようにして、各衛星に対してタイムスロットが存在することになる。保守的に、各衛星は、その範囲内の１１個の衛星のうちの少なくとも４個とのデータ通信をサポートする無線リンクを確立することができると仮定する。最初のサイクルの終わりに、最初の衛星は、そのデータを他の約４個の衛星に送信したはずである。次の０．１秒のサイクルでは、それらの４つの衛星が１１の衛星のうちの他の８つに同じデータを送信しようとする。３番目の０．１００５秒サイクルの終わりまでに、最初に言及したグループ内の単一の衛星が除外される機会は小さくなる。図２及び図３に関連して上述した衛星は、経路作成モジュール４６及びデータ移動モジュール４８が全球の衛星間の通信の分配をサポートするように構成された、これらの衛星間接続を確立するのに特に適している。同時に、通信は、世界中の全ての方向に広がっている。衛星は地平線上で１，８００マイルを見ることができるので、理論的には、わずか６〜８サイクルで１２，５００マイル離れた地球の反対側に通信を送信することができる。しかし、衛星の確率分布を考えると、より現実的な推定値はおよそ１秒以内（０．１０サイクル／秒で１０サイクル）であり、ほぼすべての衛星が元の送信を受信したことになる。衛星のＧＮＳＳモジュールはグローバルナビゲーション衛星システムと通信し、全衛星に共通のクロックを提供する。
このタイプのシステムは、様々な異なるタイプのブロックチェーンに役立つことができる。いくつかのシステムは標準化されたスマートフォンを使用することに依存するが、他のシステムは特定の衛星システム上でのみ動作するための特定のセキュアデバイスを設計する可能性が残っている。また、いくつかのアプリケーションでは、動作コードおよびブロックチェーンアルゴリズムが衛星内の書き換え不可能な永久メモリに記憶されている場合に有利であり、これにより、ハッカーがコードを変更することが事実上不可能になる。さらに、すべてのメッセージおよびすべてのブロックチェーンは、適切なハッシングおよび証券化アルゴリズムによって証券化されることが好ましい。地上のユーザと通信するために、各衛星はすべてのユーザの地理的位置を格納し、ＧＮＳＳモジュールを使用して、それがユーザの視線内にいつあったかを判定し、指定されたユーザにオンボード情報を通信する。
先に述べたようなシステムの利点には、いくつかが破壊された場合でもシステムがサービスを継続することを可能にする、小型で確率的に分散された衛星の使用が含まれる。これは、重いロケットスラスタによって所定の軌道に維持されなければならない、より大きな衛星を使用するシステムと対照的であり、これにより、衛星は重いロケット燃料を搭載することが要求される。その種類のシステムにおけるリンクの作成は、正確に制御された位置にある衛星に依存しているため、制御された軌道上でわずか数個の衛星が失われるだけで、システム全体が停止する可能性がある。しかし、本明細書で説明するシステム内の衛星のいくつかがサービス外に出る場合、衛星コンスタレーション全体および地上ノードとのデータ通信は依然としてサポートされ、何らかの理由で非稼働の衛星は所望であれば、容易かつ安価に交換することができる。
さらに、本システムは、高度の電子セキュリティを有する。変更不可能なコンピュータコードを使用することに加えて、別の利点は、個々のペアアンテナが一般に、それらの間で相対的に狭いビームを前後に送信していることである。たとえシステムの一部ではない別の衛星が軌道近くにあったとしても、システム衛星のビームマッチング論理の一部にはなり得ず、従って、システム衛星間の数個以上の信号交換を監視することが不可能でなければ困難であることが分かった。衛星間通信に適したハッシングアルゴリズムを用いることにより、ほぼ完全な機密性がさらに達成されるのであろう。
図１０は、このセクションで説明されるような宇宙ベースの分散台帳システム、およびデータ伝送に関連してセクションＩＩ．Ｃ．で説明されるルーティングプロトコルを使用するデータ伝送システムにおける、衛星間のルート作成のためのプロセスの自由形式の性質を示す。図１０は、本明細書で説明するシステムが単一の衛星の視界内にあるように理論的に十分に近い２つの地上局ＧＮ１およびＧＮ２を間接的にリンクすることができる方法を示す。図１０では、地上局ＧＮ１およびＧＮ２が約２００マイルだけ離れている。図に示すように、分散された台帳システムにおいて、高さ１００マイルの軌道にある２００個の衛星の多くはＬＸという表記を用いている。ここで、「Ｘ」は衛星の数であり、軌道高度１００マイルでは衛星が少なくとも８００マイル離れた地上局と、約１，６００マイル離れた他の衛星とを「見る」ことができる。これらは、表１の距離に基づく控えめな推定値であり、地形的特徴または地上の高い構造からの干渉の可能性を考慮している。理論的には、衛星Ｌ８９またはＬ１６２のいずれかはどちらも最も遠い衛星（ＧＮ１〜Ｌ１６２）から約４００マイル以内であるため、両方の地上局とリンクを形成することができる。
しかしながら、本明細書に記載されるシステムによって採用されるルーティング技術は複数の衛星をリンクすることによって、２つの近接した地上局を接続することができ、そのうちのいくつかは、地上局のいずれかの範囲を超えており、地上局間のより強いサブルートを、両方の範囲内の衛星よりも提供するのであろう。例えば、衛星Ｌ１９２はより近い地上局ＧＮ２から約１，０００マイルであるが、ここに記載される方法を使用すると、地上局間のルートの一部を形成することができる。図１０から、図６に示すローカルエリアネットワークは理想化された表現であり、より高次の衛星は、必ずしも、同じローカルエリアネットワーク内のより低次の衛星よりも、それらの開始地上ノードから離れていないことがさらに理解されるのであろう。例えば、衛星Ｌ６４は３５０マイル離れた地上ノードＧＮ２に関連した一次衛星であってもよく、衛星Ｌ８９は地上ノードＧＮ２により近い（２５０マイル）にもかかわらず、同じローカルエリアネットワーク内の二次衛星であってもよい。
ＩＩＩ．代替衛星の構築および配備戦略
上述したように、上記の宇宙ベースのデータ伝送技術および分散台帳システムは、図２および図３に示す基本的な衛星構築を用いて実現することができる。しかし、本節では、衛星間無線リンクを作成する確率を高め、より多くの情報をより短時間で衛星間で通信できるように、より頑健かつ長寿命にするためのいくつかの戦略について述べる。これらの戦略には、少数を挙げると、図２および３における衛星構造の構成上のバリエーション、衛星姿勢の制御、回転衛星、増強されたアンテナ設計、およびＣｕｂｅＳａｔ互換性が含まれる。
Ａ．周回衛星
上記の説明に従って衛星ベースの無線メッシュシステムを設計することは、多種多様なパラメータ間の無数のトレードオフを伴う。相反する目的で作用し、したがって賢明な選択を必要とする２つの特定のパラメータは、アンテナによって送信される無線信号のビーム幅と、アンテナの電力（ゲイン）である。一方、より大きなビーム幅はビーム整合が作成され得る確率を増加させるが、より大きなビーム幅はアンテナの利得を減少させる。逆に、より狭いビームはアンテナ利得を増加させるが、ノード間にビーム整合が作成される確率を減少させる。このトレードオフは衛星ノードにおいて特に重要である。何故ならば、衛星アンテナ構成は、衛星が運ぶことができるアンテナの数を制限する衛星の重量及びサイズ、並びに搭載バッテリから利用可能な電力に対する制約を考慮しなければならないからである。また、いくつかの無線ビームは地表を放牧することによって弱められる可能性があり、これは、受信ノードに到達する前に信号を部分的にチェーン化することができるので、ノード間の可能なビーム整合の数を増やすことが望ましい。
ビーム幅とアンテナ利得との間の適切なトレードオフを達成することは、確率的に分布した衛星を持つ衛星ベースシステムの効率的な機能にとって重要であり、それは衛星‐衛星無線リンクを用いてルートを作成できる統計的確率に依存する。典型的には、衛星のアンテナがノード間のリンクの確立を可能にするために、お互いと地球に向かい合う空間を指し示している。このシステムの基本的性質は、他のノード（地上局および衛星）に到達する十分な強度の伝送への依存性である。このシステムは軌道上に十分な衛星を有し、ビーム幅対ゲインを含む適切な設計トレードオフを行うことによって、システムノード、衛星および地上局の両方の間に適切な通信を確立することができる確率を高めることに依存している。
本実施形態は軸の周りを回転する衛星を利用し、これは、ここで説明するように、高品質リンク上の通信が作成され得る可能性を増加させる。周回衛星を用いると、それに対応する利得の増加で、ビーム幅を減少させることができる。
関係する原理は、球形衛星の表面の約６０％をカバーする２５個のアンテナを有する図２に示されるような衛星構成を例として用いて説明されるのであろう。したがって、このような衛星が送信する電波ビームが別の同様の衛星によって受信される確率の大まかな推定値は、約３６％（０．６×０．６）になる。無線ビームは、リンクが生成される確率をある程度まで増加させるサイドローブを有するので、これは単なる推定値であることが当業者には理解されるのであろう。衛星の直径を２倍にすれば、パラボラディッシュ・アンテナの直径ｄを２倍にすることもできる。式α＝（ｋ×γ）／ｄにより、半値ビーム幅（ＨＰＢＷ）は半分になる。ビームの面積はわずか１／４の大きさであるが、アンテナ利得は４倍、すなわち約６ｄＢだけ増加する。一方、衛星間のビームマッチの可能性は、約２％（３６％×（１／４）２）に低減される。
本実施形態では回転軸を中心にスピンする衛星を使用することによって、衛星間のビーム整合を介したアンテナペアリングによる無線リンクの確立が強化される。一実施形態では衛星自体が図２および図３に描かれ、それらに関連する上述のテキストに記載されている衛星と同じ構成要素を有する。
回転衛星を使用する典型的なシステムの操作を示すために、衛星は、角速度ｗ＝２ｐ ｒａｄ／ｓｅｃ（６０ｒｐｍ）で展開されると仮定される。当業者であれば、この例は限定することを意味するものではなく、本明細書に記載され、特許請求されるように、無線経路を確立し、データを送信するのに有効な任意の角速度を使用することは、本開示の範囲内であることを理解するのであろう。当業者は、特定のシステムで使用される角速度ｗがシステムによって実施されるアプリケーション（データを送信するか、または分散台帳を維持する）、システムによって使用されるコンスタレーション内の衛星の数、および衛星間リンクを介して転送される情報の量および性質などの要因に依存することを理解するのであろう。約１回転／分（ｗ≒１ｒｐｍ）が、本明細書に記載されるシステムの多くにとって好ましいことが予想される。回転軸の向きは制御されないであろうが、物理学の原理は各衛星がその質量中心を通る回転軸を仮定し、回転軸が角速度ｃｏの周りで歳差運動することを指示している。しかしながら、以下の説明から明らかになるように、任意の所与の時間における回転軸の向きは、無線リンクの生成に影響を及ぼさない。
回転する衛星は、送信された電波ビームが別の衛星で受信される確率を高める。衛星が回転するにつれて、衛星アンテナがエリアを「スイープ」するからである。これは、図２の衛星１０の赤道１６に対応する衛星の「赤道」を通る概略断面図である図１１Ａの衛星Ｓω図を考察することによって理解することができる。この実施例では衛星Ｓωがそれぞれ３５°のＨＰＢＷを有する５つのアンテナ１２１、１２２、１２３、１２４、および１２５を含み、それらはその赤道１６の周りに等しく配置され、角速度ｗでｚ軸の周りを回転する。衛星から離れ、赤道面に位置するＲＬは、衛星が１周することにつれて５つのアンテナを「見る」ことになる。この数は赤道面内ではない位置では異なるが、原理は依然として成り立つことが理解されるのであろう。回転軸を中心とする歳差運動のため、数が増減することもあるが、衛星から離れたほとんどの場所（地上局を含む）では衛星が回転するにつれて、依然として複数のアンテナが見えるのであろうことも理解されよう。したがって、第一の衛星Ｓωの赤道面に赤道面を有する第二の衛星は、意図的に回転するように配備されていない衛星に対して６ｄＢのゲイン増大を有する無線回線を生成することができる可能性が約１０％（アンテナ毎に５アンテナ×２％）である。地上局アンテナとのビームマッチを作成する確率も同様に増加する。
これは高度に理想化された表現であり、それらの回転軸の周りの衛星の歳差運動のような因子を無視するが、それにもかかわらず、回転する衛星が２つの衛星間のビームマッチの作成のための増加した確率を提示するという概念を例示することが理解されるのであろう。それにもかかわらず、情報転送のために利用可能な多数の確率的に分布した軌道衛星を考慮すると、回転衛星を使用するビーム整合の確率の増加は、多くの場合、ほとんどではないにしても、システムの複数の衛星と地上局との間のより高品質のリンクを有する無線経路または分散台帳の組み立てを可能にするのに十分である。
１． 逆回転衛星
また、衛星はそれらの回転軸を中心に第一の方向に回転し、残りは反対の方向に回転する、あるパーセンテージ、例えば５０％で展開することができる。図１１Ｂは図１１Ａの同様の部分に同様の数字を使用し、第一の方向に角速度ωで回転する衛星Ｓω１と、同じ角速度−ωで（逆回転方向に）回転する第二の衛星Ｓω２とを示すことによって、この原則を示す。これは、衛星Ｓω１のアンテナ１２５と衛星Ｓω２のアンテナ１２４のビームマッチが２つの衛星が同じ方向で回転している場合よりも長く維持される様子を示している。すなわち、衛星が反対方向に回転している場合、衛星上の対向するアンテナは、互いに対して本質的に同じ線速度で進行している。一方、衛星が同じ方向に回転している場合、それらの相対線速度はそれぞれの線速度の２倍である。軌道上に十分な数の衛星があれば、無線経路が確立されている任意の所与の地理エリア上に複数の逆回転衛星を有する可能性がかなりあると考えられる。従って、相対的に長く続く衛星から衛星へのリンクを迅速に確立する可能性は、他のものとは逆方向に回転する衛星の少なくとも一部、好ましくは約２分の１を配備することによって増大する。さらに、それぞれの衛星上の２つのアンテナは位置合わせが長くなるだけでなく、互いの視界から外れて回転するとすぐに、衛星の２つの他のアンテナが位置合わせされ、したがって、衛星間の無線リンクの迅速なリフレッシュが可能になり得る。図１１Ｂに示す例では衛星Ｓω１のアンテナ１２１と、衛星Ｓω２のアンテナ１２５は次に整列する。
先に議論した回転衛星の利用効率の向上を例示するために使用した例のように、これはまた、対向回転衛星がそれらの間にどのようにしてより長く続く無線リンクを作り出すことができるかについての理想化された記述であり、加えて、上述の説明の基礎となる仮定に加えて、２つの地上局の間で無線経路が望まれるエリアにわたって、２つの逆回転衛星がいつでも存在しない場合がある。それにもかかわらず、これらの例を合わせると、回転する衛星、特に逆回転する衛星が２つの衛星間の信頼できるデータ通信を可能にするために、ランダム軌道衛星間に比較的高利得の無線リンクを確立する十分な確率を提供するのであろうという点が示されている。そして、アンテナは複数の方向（好ましくは衛星を取り囲む球形空間全体にわたって）を指すため、ほとんどの場合、衛星間に無線リンクを確立する機会は回転衛星を使用することによって強化されるのであろう。
２． 異なる角速度で回転する衛星
前述の実施形態の変形例では、異なる角速度で回転する衛星を採用している。この変形例は図１１Ｃに概略的に示されており、衛星Ｓω１は角速度ω１で回転し、Ｓω２は、別の角速度−ω２で他方に回転する。このシステムの利点は図１１Ｃに示されるように、１つの衛星上のアンテナが第二の衛星上のアンテナ間の空間を直接指すことができるという意味で、逆回転衛星上のアンテナの位相がずれてもよいことである。衛星が同じ角速度で回転している場合、この状況が長時間持続する可能性があり、したがって、衛星間の無線リンクが弱まったり、おそらくリンクの確立が全く妨げられたりする可能性がある。異なる角速度で衛星を回転させると、両方の衛星上のある角度位置アンテナが向かい合う（同位相になる）可能性が高まり、その結果、それらの間に有用な無線リンクを確立することが可能になる。例えば、図１１Ｃに示すケースでは、衛星Ｓω１上のアンテナ１２２が衛星Ｓω２上のアンテナ１２４と１２５との間の空間を直接的に指している点で、衛星上のアンテナは正確に１８０°位相がずれている。π１＝１．３３×β２の場合、衛星Ｓω１のアンテナ１２５および衛星Ｓω２のアンテナ１２５は衛星が回転すると直線上に配置される。
異なる角速度で回転する衛星の使用は衛星間および衛星間の無線リンクを確立する際に、さらに可能性のあるいかなる遅延も減少させるのであろうと考えられる。例示的なアプローチでは、衛星のコホートが以下の表に従って、異なる角速度を有する５つのグループに分割することができる。
Figure 2021531196
 上述の議論はこれが、それぞれの衛星上のアンテナ間にビーム整合を確立する確率を増加させる傾向がどのようになり得るかを説明する。
本明細書で説明される特定のシステムで使用される衛星では、ｗ≒１ｒｐｍのオーダーよりはるかに低い角速度が好ましい場合がある。セクションＩＩＩ．Ｂ．で論じたように、姿勢安定化衛星はどのような姿勢を想定しても自由な衛星よりも角速度が低ければ、リンクを形成しやすくなることが予想される。さらに、セクションＩＩＩ．Ｃ．で論じられている改良されたアンテナ構成は、異なる衛星間でリンクが形成される可能性も向上すると予想される。
同じトークンにより、このシステムの実施はまた、所与の期間において、より多くのビーム整合を可能にするのであろう。何故ならば、ある衛星上のアンテナは衛星が異なる角速度で逆回転している場合にはビーム整合を形成するために、別の衛星上のアンテナと十分に整列する機会がより多くなるからである。２つの衛星が回転するときに、指定された時間、または特定の間隔でビーム整合がない場合がある。しかし、それらが異なる角速度で回転し続けると、衛星上のアンテナは、それぞれの衛星上のアンテナがある時点で整列する可能性が高いため、ビーム整合を形成する可能性が高い。これには衛星の回転が複数回かかることがあるが、異なる角速度での回転は衛星が回転し続けるにつれて、より多くの一致が生じる確率を大幅に増加させる。従って、衛星が軌道上を移動し、それぞれの異なる角速度で回転する複数の衛星コホートを提供するそれらの軸の周りを回転することにつれて、異なる衛星上のアンテナの複雑な相互関係から理解されるのであろうが、このことはおそらく、任意の所与の時間隔の間、衛星の対の間により多くのビームマッチを生成することを増加させるのであろう。
３． その他の考慮事項
衛星の回転を制御するための１つの技術は、ソーラーパネルに当たる光子の運動量に起因する衛星の回転軸の周りにトルクを発生させるように衛星のソーラーパネルを賢明に構成することによる。このような一実施態様では、ソーラーパネルが一方の側面のみに太陽電池を備える。例えば、図２及び図３を参照すると、（負のｚ方向から見て）ｚ軸を中心に反時計回りに回転するように展開された衛星について、各ソーラーパネル１４ａは一方の側、すなわち、図３において右側にソーラーパネル１４ａに対して観察者に向いている側と、図３において左側に他方のソーラーパネル１４ａに対して観察者に向いている側と、を有することになる。残りの太陽電池パネルは、依然として両側に太陽電池を有するのであろう。より大きなソーラーパネルは衛星上の空気抵抗を増大させるのであろうが、衛星上に正味のトルクを発生させるような大きさ、構成、および配向のソーラーパネルを提供することは賢明な設計を通して可能であると考えられる。
同様に、衛星の構成要素の質量を選択的に分配して衛星の構成要素を特定の軸の周りに回転させることが可能であると考えられる。バッテリは衛星質量の大きな割合を形成することが予想されるので、好ましくは、衛星の質量中心に位置し、回転軸に関して対称な質量分布を有することになる。さらに、衛星の回転に対する地球の磁場の意図しない影響は、可能な限り主要な構造部品にアルミニウムのような非強磁性材料を使用することによって最小限に抑えることができる。
当業者は、過度の角速度が衛星を損傷する可能性を有する大きな遠心力を生成し得ることを理解するのであろう。大気抗力は回転速度を、衛星の高度に依存する程度に制限し、回転を維持するための上記の技術のいずれかの設計を、（例えば、面積の選択およびソーラーパネルの配置を介して）損傷を与える遠心力の生成を防止するように調整することができると予想される。しかしながら、衛星の高度はさもなければ制御されないので、それらのいくつかの回転速度は減少するかもしれないが、それでも通信システムのノードとして利用できるのであろう。そして、より古い衛星がより低い角速度で回転し続ける程度で、その効果は、異なる角速度で回転する衛星を使用することによって可能になる改良された性能を自動的に利用することであろう。同様に、過度の遠心力による損傷のような何らかの理由で使用不能になった衛星は、建設、打ち上げ、および配備が安価であるため、容易に交換することができる。
上述したように、衛星の姿勢を制御するための上述の受動手段の一部または全部を使用することができる。すなわち、１つの変形例では、１つまたは複数の太陽電池パネルが衛星に不均衡なモーメントを与えてそれを転倒させるために、１つの側面だけに太陽電池を有することができる。別の変形例は、衛星が地球の磁場を横断することにつれて大きさおよび方向が変化する力を生成するのであろう強磁性材料を、衛星上の選択された位置に位置させることができるのであろう。
Ｂ． 姿勢安定化を備えた衛星構成
確率的に分散された衛星間で無線リンクを作成する確率を高めることができる別のアプローチは、他の衛星とペアリングするためにより多くのアンテナを利用可能にする衛星構造を採用することである。第一の代替構造は、図１２〜１５に概略的に描かれている。図１２は、本実施形態を備える円筒状の衛星１１０の底面から見た斜視図である。図１３は、衛星アンテナの配置を示す衛星の円形側壁の展開図である。図１４は衛星の側面図であり、図１５は、衛星アンテナのビーム幅を示す上面図である。「頂部」および「底部」という用語は衛星がその動作方向にあるときに、それぞれ地球の表面から離れる方向および地球の表面に向かう方向を示すために便宜上使用され、同様に、「側部」または「側壁」という用語は、「頂部」および「底部」に対するものであることが理解されるのであろう。
図を参照すると、衛星１１０は、図３に示す衛星１０内のアンテナ１２のようなアンテナ１１２を有する略円筒形状である。図１４に示されるソーラーパネル１１４は、衛星１１０の上面１３０上にある。この例示的な実施形態では、衛星が側壁１３４から半径方向外向きに面するアンテナ開口部を有する、１２個のアンテナ１１２Ｔ１、１１２Ｔ２、１１２Ｔ３、１１２Ｔ４、１１２Ｔ５、１１２Ｔ６、１１２Ｔ７、１１２Ｔ８、１１２Ｔ９、１１２Ｔ１０、１１２Ｔ１１、および１１２Ｔ１２，の最上列を備える、合計２４個のアンテナを有するアンテナアレイを含む。第二行の１２個のアンテナは、上側の行の下方に配置される。わかりやすくするために、図１３はアンテナ１１２Ｂ１、１１２Ｂ２、１１２Ｂ６、１１２Ｂ７、１１２Ｂ８、および１１２Ｂ９のみを示しているが、図１３からはアンテナ１１２Ｂ１と１１２Ｂ６との間に不図示のアンテナ１１２Ｂ３、１１２Ｂ４、および１１２Ｂ５が等間隔に配置されることが理解され、アンテナ１１２Ｂ９と１１２Ｂ９との間に不図示のアンテナ１１２Ｂ１０、１１２Ｂ１１、および１１２Ｂ１２が等間隔に配置されることが理解される。すべてのアンテナ１１２は図１２のアンテナ１１２Ｔ４の中心線１４０によって示されるように、水平面内に放射状に配置された軸を有するパラボラリフレクタを有し、それらの放物線軸に垂直な円形断面を有する。図１２及び図１４の実点線はまた、図１３及び図１５に示すように側壁を完全に包む、不図示のアンテナを表す。本例示的な実施形態では、全てのアンテナ１１２のビーム幅は３０°であり、中心線１４０に関して対称である。ここで論じたアンテナ構成および動作特性は単なる例を意味するものであり、当業者は、ここで論じた性能パラメータを満たすアンテナを設計することができるのであろうことをさらに理解されたい。
衛星側壁１３４は図１２〜１４に見られるように、網点−２ダッシュ円周線によって境界付けされたアンテナ領域ＡＲを含む。アンテナ領域は、衛星の動作特性を強化する構成を有する。特に、衛星の寸法およびアンテナの配置および直径はアンテナ領域の６５％以上のアンテナカバレッジを提供し、したがって、他の衛星におけるアンテナとの無線リンクを生成する確率を増加させる。本実施形態では、衛星の直径Ｄは５００ｍｍ、アンテナ領域ＡＲの幅ＷＤは２５０ｍｍ、アンテナ開口部の直径ｄは１１０ｍｍ、アンテナ間の空間ｓは１５ｍｍである。下向きに対向する４つのアンテナ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、および１５０ｄは、以下にさらに説明する目的で、衛星１００の底部に配置される。アンテナ１５０の各々は、円形断面を有するパラボラ反射器を備え、６０°のビーム幅にわたって無線ビームを送受信するように設計されている。他のアンテナ配置も可能であり、本実施形態の寸法は１つのそのような配置の例であることを意味し、以下の特許請求の範囲を限定することを意味しないことが理解されるのであろう。
衛星の上面１３０は図１４に見られるように、わずかに外向きにドーム状にされて、それが日射に曝される球面角度を増大させる。円筒状衛星の軸１３６は、ある限度内で、地表に対して実質的に垂直な向きで、後述する手段によって維持される。アンテナの上列および下列は次に、衛星軸に垂直な面１３８（図１３参照）に対して対称に配置され、その結果、アンテナは他の衛星におけるアンテナとペアリングすることによって無線リンクの形成を容易にするために、実質的に水平に維持される。これはまた、下向きのアンテナ１５０を、地上ノードのアンテナとの無線リンクをより容易に形成することができる向きに保持する。しかしながら、直後に述べたように衛星に適用される姿勢安定化技術は、衛星が水平からある限られた量を揺らすことを可能にするのであろう。ソーラーパネルのドーム型構成はその一部を太陽に対してより直接的な角度に保ち、従って、衛星蓄電池の充電を維持するのを助けるのであろう。
衛星１１０はさらに、図３に関連して上述した動作コンポーネントおよびモジュールのために、衛星内に十分な内部容積を提供する上部領域ＴＲおよび下部領域ＢＲを含む。本実施例では、上部領域は１００ｍｍの幅ＷＴを有し、下部領域は２５０ｍｍの幅を有する。下部領域の内部容積は下向きのアンテナ１５０を収容するのに十分な内部空間を提供することも意図されており、上部領域はソーラーパネル１１４に関連する構造を収容するのに十分な空間を有することが意図されている。１つの好ましい構造において、アンテナ１１２は地球の湾曲に対応し、他の衛星をより直接的に指すように、ある角度で下向きに指向する。この効果は図９の衛星を考慮することによって理解されよう。ここで、衛星間の無線リンクは水平に対してわずかに下向きを指す衛星との角度を形成する。また、所与のシステムにおいて、より高い高度で衛星との無線リンクの形成を容易にするために、アンテナ１２のいくつかをわずかに上方を向くようにすることも可能である。
言及したように、任意の方向に無線リンクを形成することができるアンテナを有しない衛星（図２及び３の衛星１０など）とのリンクを形成する能力は、衛星の姿勢が水平に対して一定の限度内で安定することを要求する。図１６は、図１４の線１６−１６に沿って切り取られた断面であり、ソーラーパネルが地表とは反対を向くように衛星１１０を直立状態に維持するための衛星安定化機構の実施形態を概略的に示す。図１６は、互いに直交する３つの軸ｘ、ｙ、およびｚを示す。ｘ軸およびｙ軸は、図１３に示される面１３８にある。ｚ軸は衛星の軸１３６と一致し、同心円は、ｚ軸が図面の平面から外側に向けられていることを示す。物体は、軸１３６が地表から離れ、面１３８が地表に平行になるように衛星を向けることである。
衛星の安定化機構は、５つの電磁石を備える。２つの電磁石１６０および１６２はｙ方向に整列され、２つの電磁石１６４および１６６はｘ方向に整列される。図１６および図１７は赤道付近の衛星を描いており、点線ＭＦは地球の磁場を表している。図に示されている位置では、電磁石１６０および１６２を活性化することにより、衛星のｙ軸が赤道において地表に平行な北を指す磁束ＭＦの線に整列する傾向がある。これにより、ｘ軸を中心とした回転に対して衛星が安定する。電磁石１６０および１６２を非活性化し、電磁石１６４および１６６を活性化すると、衛星はｚ軸の周りを回転し、衛星のｘ軸が地球の磁場と整列するようになる。これにより、衛星がｙ軸を中心とした回転に対して安定化される。
地球の磁場は、記載された方法で衛星の軸を完全に整列させるほどの強さではないかもしれない。加えて、プレーン１３８は、衛星が赤道から離れるにつれて、水平からわずかにずれることがある。しかしながら、いかなる位置ずれまたは水平からのずれもわずかであり、おそらく１０°以下であることが予想される。この偏差は本明細書では衛星「ウォブル」と呼ばれることがあり、好ましい実施形態では、水平からのプレーン１３８のウォブルの量が２０°未満であり、より好ましくは１０°以下である。
別の変形では、電磁石１６０、１６２、１６４、および１６６は回転する衛星によって提供される上述の利点を実現するために、衛星軸１３６の周りに回転モーメントを付与するために、逐次的に起動および停止させることができる。衛星が赤道を通過する際に衛星に回転トルクを軌道ごとに２回与えると、水平に対して異なる角度で衛星上の位置合わせアンテナに入る可能性があるため、あらゆる揺れの影響を緩和する傾向がある。例えば、毎分１回転（ω≒１ｒｐｍ）のｚ軸回りの回転を付与するために、衛星は、先に説明したように水平方向に安定化される。次いで、衛星が赤道付近にあるたびに、電磁石１６０、１６２、１６４、および１６８がそれぞれ起動され、１５時間ごとに起動解除される。したがって、各々は次に、活性化されている間に磁束線ＭＦと整列するように付勢され、それによって、ｚ軸を中心として衛星上にトルクを発生させることになる。電磁石を周期的に連続的に活性化すると、各磁石の活性化の周期によって決まる角速度で衛星が回転することになる。好ましい実施形態では、衛星がその角速度を検出するために、加速度計（図示せず）を含む。衛星のコンピュータシステムに組み込まれた制御回路は、ｚ軸を中心とする衛星の角速度を所望の値に維持するシーケンスで、磁石１６０〜１６６を起動および停止させるようにプログラムすることができる。
図１７は衛星のｙ軸に対して適当な角度θで配置された第５の電磁石１６８を示し、電磁石はそのｚ軸が上方（地球表面から離れて）を向いていない場合に、衛星を右に向けるために使用される。この状態は、多くの方法で衛星によって検出することができる。例えば、衛星のオペレーティングシステムはソーラーパネルの出力を監視し、衛星が直接太陽に向いていないことを示す、半周回以上にわたって電気出力がある閾値を下回っているかどうかを判断することができる。別の表示は、下向きポインティングアンテナ１５０が所定時間無線信号を受信していない場合であろう。
衛星が垂直方向に復原する必要があると判断した場合、衛星が赤道上空にあるときに復原シーケンスが開始される。衛星がそのｚ軸を中心として回転している場合には、電磁石１６０をアクティブ化させ、電磁石１６４および１６６を予めプログラムされた順序で非アクティブ化にすることによって停止される。電磁石１７０は瞬間的に活性化され、したがって、活性化された磁石１７０はそれ自体を、地球の磁束ＭＦの線と整列させようとするため、衛星のｘ軸のまわりにモーメントＭを生成する。磁石１７０は大気抵抗の不足により回転し続けるように、磁束線ＭＦと整列する前に非アクティブ化される。物理学の基礎原理を用いることにより、磁石１７０の大きさ、その向き、衛星の高度（したがって、衛星の位置における地球の磁場の強さ）、および衛星の既知の質量および重心に応じて、衛星の搭載コンピュータによって、衛星を１８０°回転させるモーメントＭを生成するために必要な力の大きさおよび持続時間を計算することができる。
別の衛星の実施形態は、図１８に斜視図で示す衛星２１０のような、より全方位の衛星を含む。この衛星は図２及び図３に示す衛星１０の一般的な形態の半球形状を有するが、球の一部のみを含むように切り捨てられている。（図１４は同じ下位２桁を有する先に描かれた衛星の実施形態で参照される特徴を示すために、「２００」シリーズの参照符号を使用する。）衛星２１０は上面２３０を有し、その上にソーラーパネル２１４が配置される。上面は、図１４に示す衛星１１０の上面１３０のようにドーム状にすることができる。アンテナ２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ等は衛星１０におけるように、衛星の球面の周囲に分布しており、図１４では実点線によって表されている。衛星２１０は、好ましくは衛星１１０と共に使用するために図１３に示されるような衛星の安定化機構を含む。
Ｃ． 代替アンテナ構成
図１９は高利得無線ビームを使用することによって、異なる衛星内のアンテナのペアリングの確率をさらに増加させることができるアンテナ構成を示しており、その結果、無線経路に対して許容可能な品質（Ｑ）を有する無線リンクがより迅速に作成されることになる。図１９は、上段のアンテナ１１２Ｔ３、１１２Ｔ４、１１２Ｔ５、１１２Ｔ６、および１１２Ｔ７、ならびに下段のアンテナ１１２Ｂ３、１１２Ｂ４、１１２Ｂ５、１１２Ｂ６、１１２Ｂ７、および１１２Ｂ８を含む、図１３に示される円周方向に延びるアンテナ領域ＡＲの一部を表す。上段と下段の残りのアンテナは同じ構造になる。これらのアンテナ構成は衛星１１０に関連して議論されるが、それらは既に議論されている衛星構成および展開方式（回転衛星および逆回転衛星など）のいずれにおいても使用可能であることが理解されるのであろう。
本実施形態では、アンテナ１１２の各々が６つの給電（フィード）Ｆ１〜Ｆ６を有するパラボラアンテナである。フィードＦ１〜Ｆ６は、互いに等距離に配置され、アンテナのパラボラリフレクタの中心軸から離れて配置される。パラボラの中心軸上にアンテナフィードはない。アンテナリフレクタの形状および曲率は、既知のマルチフィードアンテナ設計および動作原理に従って選択することができる。また、アンテナリフレクタはここに記載されるシステム実施形態の動作特性を最大化するために、球状、球状／パラボラの組合せ、およびその他、のような非パラボラトポロジーを有することができ、アンテナの数およびアンテナ当たりのフィード数は、衛星の設計およびシステムの所望の動作特性に依存することが理解されるべきである。より多くの、またはより少ないアンテナおよびフィードが、本開示で議論される衛星と共に使用されてもよい。
図２０はアンテナフィードによって受信された信号およびアンテナフィードによって送信された信号を処理するための、例示的なコンピュータ回路の機能ブロックチェーン図である。前述のコンピュータおよび処理回路の全ての説明と同様に、図２０におけるボックスおよびそれらの間の接続は、本実施形態の操作を説明する際の補助としてのみ使用される。本明細書で説明される機能を実行するために必要とされるハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアを含む、適切なコンピュータ構成要素を設計し、実装することは、十分に当業者の技能の範囲内である。さらに、図２０の回路図は、説明する機能を実行するための特定のアーキテクチャを示唆するものではない。
図２０は本書の説明のために、上位アンテナモジュール１１２Ｔ１と１１２Ｔ１２のみを示したものである。残りの上部アンテナモジュールおよび下部アンテナモジュール１１２Ｂの全ては、分かりやすくするために図から省略されている。各アンテナモジュールはアンテナフィードに導入された信号を処理し、アンテナフィードから信号を受信するためのマイクロプロセッサ「μｐｒｏｃｅｓｓ」をそれに関連付けている。個々のアンテナマイクロプロセッサは図２０において、μｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（１１２ＴＸ）という表記によって識別され、「Ｘ」は図１９の上述の説明に従った関連するアンテナモジュールの番号である。したがって、図において、「μｐｒｏｃ（１１２Ｔ１）」はアンテナモジュールＴ１２Ｔ１のフィードＦ１からＦ６に導入され、そこから受信される信号を処理するためのオンボード回路を示す。同様に、「μｐｒｏｃ（１１２Ｔ１２）」は、アンテナモジュール１１２Ｔ１２のフィードＦ１〜Ｆ６に導入され、フィードＦ１〜Ｆ６から受信される信号を処理するための搭載回路を示す。他のアンテナモジュール１１２Ｔ２〜１１２Ｔ１１はそれぞれ、図２０のμｐｒｏｃ（１１２Ｔ１）とμｐｒｏｃ（１１２Ｔ１２）の間の複数ドットで表されるように、独自のマイクロプロセッサに関連している。各マイクロプロセッサμｐｒｏｃはＲ１〜Ｒ６によって示される無線送受信器を含み、各送受信器は、そのアンテナの対応する給電Ｆ１〜Ｆ６に関連付けられていることを示す。送受信器はフィードによって受信されたＲＦ信号をデータストリームに変換し、データストリームをＲＦ信号に変換して、アンテナによってブロードキャストされる。
アンテナモジュールのマイクロプロセッサは、電力線およびデータ線４０（１１２Ｔ１）〜４０（１１２Ｔ１２）によって衛星のＣＰＵ４０に接続される。図２０の線４０（１１２Ｔ１）と線４０（１１２Ｔ１２）との間の点は、同様の電力線およびデータ線も、対応する電力線およびデータ線を各アンテナモジュールのマイクロプロセッサμｐｒｏｃ（１１２Ｔ２）〜μｐｒｏｃ（１１２Ｔ１１）に接続することを示す。図１９に見られるように、衛星アンテナフィードには番号が付され、図２０に示す回路は、衛星がルーティングメッセージなどの信号が受信されるアンテナフィードを識別して、データ送信が同じアンテナフィード上で送られることを可能にし、それによって、ルーティングプロトコルおよびデータ送信方法、ならびに上述の分散台帳の実施形態を効果的にすることを可能にする。
２４個のアンテナに１個のアンテナあたり６個の給電を使用することは、１４４個の別々のアンテナの機能的等価物である。後者の構成はその最も広い態様において本開示の範囲内であるが、その重要な目的の多くを取り除き、その１つは衛星が非常に小さく、軽量であり、打ち上げコストが最小であるシステムを提供することである。マルチフィードアンテナを備えた衛星は通常、単一フィードの実施形態よりも大型で、わずかに重くなるのであろうが、同じ機能を達成するのに十分な単一フィード・アンテナを備えた衛星よりも、依然として桁違いに小さく、軽量であろう。さらに、各衛星から送信されるルーティングメッセージの数を数倍に増やすことで、地上局や他の衛星との無線リンクを作る確率が高まる可能性が高くなる。これにより、単一フィード・アンテナを備えた衛星を使用する場合と同じ結果を得るために必要な衛星の数を減らすことができる。
図１９に描かれた衛星設計の２つの重要な側面は中央アンテナ給電を排除し、ブラケット１１６を使用して周辺給電線Ｆ１からＦ６を取り付けてそれらをアンテナリムから吊り下げることである。これらの特徴の両方は、周辺給電により多くのアンテナ反射器を露出させる役割を果たす。この設計により、アンテナはサイドローブの生成の影響を受けにくくなり、アンテナ周辺フィードによって送受信される信号との中央給電による干渉がなくなる。
アンテナフィードの空間密度が増加するため、上述のルーティングプロトコルで使用される少なくともいくつかの着信ルーティングメッセージは、特定のアンテナの２つ以上のアンテナフィードＦによって受信され得る。個々のアンテナマイクロプロセッサμｐｒｏｃはもしそのアンテナモジュールが無線経路で使用されたならば、最高品質の無線リンクを提供するのであろう給電を識別する。これは、既に上述した基準のいずれかを用いて行うことができる。この情報は、アンテナの上段に関連する適切な電力及びデータ線４０（１１２Ｔ１）から４０（１１２Ｔ１２）まで、または図１９のアンテナの下段に関連する適切ではない電力及びデータ線４０（１１２Ｂ１）から４０（１１２Ｂ１２３）までを通して衛星のＣＰＵ４０に渡され、その後、個々のアンテナマイクロプロセッサによって選択された全ての無線信号の自己評価を実行する。隣接するアンテナモジュールのフィードで受信した無線信号（ルーティングメッセージ）を受信した場合も同様の手順となる。例えば、入力信号は、アンテナ１１２Ｂ４のフィードＦ１およびＦ２、アンテナ１１２Ｔ３のフィードＦ４、およびアンテナ１１２Ｔ４のフィードＦ５のような、隣接するアンテナモジュールにおける４つのフィードによって受信され得る。その場合、アンテナ１１２Ｂ４に関連するマイクロプロセッサμｐｒｏｃ（１１２Ｂ４）はそのフィードＦ１またはＦ２のどちらがより良好な（より高品質の）無線リンクを提供するかを判定し、その判定をサポートする判定パラメータを衛星ＣＰＵ４０に提供する。アンテナ１１２Ｔ３のフィードＦ４とアンテナ１１２Ｔ４のフィードＦ５からの経路品質情報も衛星ＣＰＵ４０に送信され、アンテナモジュールから受信したデータのすべてを使用してアンテナモジュールとそのフィードを識別し、上述したようにデータ伝送に使用する。
Ｄ． ＣｕｂｅＳａｔ（キューブサット）互換性
このとき、「キューブサット」とは超小型衛星を建造・配備するための２つの異なる概念を指し、一つは基本的に衛星の構成部品のシャーシとして標準サイズのパッケージを用いること、もう一つは基本的に衛星をコンテナから軌道に放出して配備するためのコンテナを提供すること、そして「ＣｕｂｅＳａｔ」とは４インチ×４インチ×４．５インチ（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１１．３５ｃｍ）の基本単位の寸法を指す。キューブサットはその基本単位の倍例で利用可能であり、特定のキューブサットを構成する基本単位の例（例えば、「３Ｕ」、「６Ｕ」など）と呼ばれることが多い。根底にある原則は、異なるミッションのための異なる衛星のサイズおよび形状がそれにもかかわらず、同一または類似のフォームファクタを有していれば、発射および展開コストを低減できるということである。同様に、現在の技術は、小型の専用衛星でのみ使用されている。
図２１は、６つのユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、およびＵ６を備えるキューブサット３１０において具現化される、上述のシステムにおいて使用可能な衛星の１つの可能な実施形態の概略図である。ユニットは衛星が８つのアンテナ３１２Ｔの上列と、８つのアンテナ３１２Ｂの下列とを有するように構成される（図面に見られないユニットの対向面は図２１において見られるものに対応するアンテナを有する）。衛星３１０の姿勢は上述した技術を用いて安定化させることができる（例えば、図１７の説明を参照）。このように配向された衛星により、各ユニットＵの頂部は、衛星１１０及び２１０のソーラーパネル１１４及び２１４に対応するソーラーパネル３１４のアレイを含むことができる（図１４及び１８参照）。各ユニットＵの底部は、衛星１１０の下向きアンテナ１５０（図１２参照）と同等の、１つまたは複数の下向きアンテナ（図示せず）を含むことができる。加えて、アンテナ３１２は、図１９および２０に関連して先に議論したマルチフィード構成を有することができる。
図２１は、本明細書で説明される様々な実施形態、特徴、および動作特性による衛星がキューブサット技術に特に適していることを示す。それらは小型で軽量であり、ロケット燃料を運搬せず、したがって発射中に特別な取り扱いを必要とせず、図２１に示すように、キューブサット型シャーシ上に構築することができ、またはキューブサットパッケージ内に配備することができる。また、図２１は、本明細書で説明するシステムで使用することができる衛星のキューブサット実装の一例として意図されていることも理解されよう。より大きなキューブサット、すなわち、６つより多いユニットが可能である。別の構成変形例はマルチユニット・キューブサットエンベロープに合致する衛星を使用することができるが、さもなければ、本明細書に記載される特徴のいずれかと一体的に構築される。例えば、本明細書のシステムのいずれかと共に使用するように設計された衛星はエンベロープマッチング、例えば、１２Ｕキューブサット（３×２×２）を有することができるが、図２１によって示唆される方法で別個のキューブサットユニットとして構築されることはできない。
ＩＶ． 開示された概念のさらなるアプリケーション
図２２はシステムノード間の通信を可能にすることができる異なるタイプの通信システムを実装する際に、本明細書で開示される概念によって与えられる汎用性を示す。図２２で使用される表記法として、一般的なタイプの接地ノードは、参照符号ＧＮ１００、ＧＮ２００、およびＧＮ３００によって識別される。これらは、セルラタワー、ＷｉＦｉルータ等であり得る。これらは無線通信の分野での当業者によって「ドロップ」と呼ばれることがある。これは１つ以上の地上ベースのユーザまたは地上ベースのネットワークに役立つデバイスを意味することができる。ここに開示されたシステムが使用され得る他のタイプの地上ベースのノードが個々のハンドヘルドデバイスＨＤ、いわゆる「モノのインターネット」の一部を形成するＩｏＴビルディングデバイスであり、これは一般に、電子機器、ソフトウェア、センサ、アクチュエータ、およびデータの収集および交換を可能にするネットワーク接続性を組み込んだネットワーク間物理デバイス（「接続デバイス」および「スマートデバイス」とも呼ばれる）、およびハンドヘルドデバイスＨＤに匹敵するモノのインターネットおよびデバイスの一部として相互接続されたデバイスなどのデバイスを組み込むことができる車両Ｖを意味すると解釈される。
図２２はまた、システムが組み込むことができる異なるタイプの空中ベースのノードのいくつかの例を示す。基準ＳＶＬＯ１、ＳＶＬＯ２、およびＳＶＬＯ３は、非常に低い地球周回（この例では高度が１００マイル以下）の衛星を示す。すでに述べたように、より低い高度の衛星は、地上の位置と交換される無線信号の強度を増大させるのであろう。参照符号ＳＬＯは、低地球軌道、この例では高度約５００マイルの衛星を示す。さらに、非軌道空中ノードも、本明細書に記載のシステムで使用することができる。例えば、上述の衛星に類似した構造のノードはバルーンＢＮ１からサスペンドすることができ、ＢＮ２は、成層球内（またはより低い高度）で自由に浮動することが可能である。バルーンは地表の比較的小さなエリアに通信サービス（インターネットアクセス、電子メールなど）を提供するのに役立つことが分かっている。航空機ベースのノードの別の変形例は無人航空機（「ドローン」）ＤＲ１およびＤＲ２を含み、１０００〜２０００年フィートの高度で所定のエリアに配備されるが、システムによってサービスされる特定のエリアに応じて他の高度が望ましいこともある。低飛行型ドローンを使用すれば、衛星だけからなるシステムよりも、そのような装置にドローンが近づくため、衛星を利用したシステムよりも、ハンドヘルドデバイスや他の個人用装置から直接的に、より容易に通信が可能になると期待される。基準となるＧＥＯは、本明細書に記載される衛星および他の空中ベースのノードがデータ送信を行うために通信することができる静止軌道上の衛星を示す。
図２２は、図に示されているような１つまたは複数のタイプの空中ノードを使用するシステムにおいて作成することができる経路セグメントのいくつかの例を示している。例えば、ハンドヘルドデバイスＨＤと車両Ｖとの間のルートはＤＲ１などの無人機へのリンク、他の無人機（図示せず）を含むことができるサブルート、衛星ＳＶＬＯ１によって表される１つまたは複数の超低軌道衛星、ＢＮ２などの風船によって表される１つまたは複数の風船、および車両Ｖとのリンクを含む、図に実線で示されるサブルートを含むことができ、無線経路の別の例は、地上ノードＧＮ１００とＧＮ２００との間の図２２の一点鎖線で示される。この経路には、１つ以上のバルーンＢＮ（バルーンＢＮ１で表される）、１つ以上の非常に低い地球周回衛星（衛星ＳＶＬＯ２で表される）、および１つ以上のドローン（ドローンＤ２で表される）を含むサブルートが含まれる。第三の例は、物のインターネットに組み込まれたデバイスを収容するビルディングＩｏＴの間の一点鎖線で示されている。この経路は、１つ以上の超低地球軌道衛星（衛星ＳＶＬＯ３によって表される）、他のシステムにすでに配備されている１つ以上の静止衛星（衛星ＧＥＯによって表される）、および１つ以上の低地球軌道衛星（衛星ＳＬＯによって表される）を含むサブルートを含む。この説明から、図中の空中ノードタイプＤＲ、ＢＮ、ＳＶＬＯ、ＳＬＯ、およびＧＥＯの各々は、異なるタイプまたは類似タイプのノード間の複数のリンクを含むことができるサブルート内の可能なノードを表すことが意図されていることが理解されるのであろう。
ノードとしてのバルーンの使用は、以前に示唆されている。Ｇｏｏｇｌｅは、地方および遠隔地へのインターネットアクセスを提供するためにＰｒｏｊｅｃｔ Ｌｏｏｎと呼ぶシステムをテストしていると考えられている。報告書によれば、高高度気球は、高度約１８ｋｍ（１１マイル）の成層圏に設置され、空中無線ネットワークを作り出す。気球は、公表された風データを使って所望速度と方向を持つ風のレイヤを特定した後、成層圏の高度を調整して風のレイヤに浮かべて操縦される。信号は、バルーンネットワークを通ってバルーンからバルーンへ、次いでインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）に接続された地上基地局へ、次いでグローバルインターネット上へ移動する。例えば、「Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｌｏｏｎ」、Ｗｉｋｉｐｅｄｉａを参照されたい。ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｐｒｏｊｅｃｔ＿Ｌｏｏｎ （２０１７年９月２０日最終訪問）。当業者は、このようなバルーンベースのシステムを、本開示で説明される様々な衛星実施ノードを使用するように容易に適合させることができる。
Ｖ． まとめと結論
上述の好ましい通信システムおよび方法はデータ通信をサポートするのに十分に堅牢な衛星間および衛星と地上局との間の無線経路を確実に組み立てるために、そのようなシステムに固有の確率を利用するために、確率的に分布した軌道周回衛星を使用する。地球表面の広い帯域に位置する地上局とのデータ通信を可能にするために設計された従来の衛星ベースの通信システムは、拘束軌道に維持される衛星を使用して、すべての衛星が通信可能な別の衛星の位置を仮想的な確かさまで知るようにしている。これには、衛星上のアンテナをペアリングして衛星間無線リンクを形成できることを確実にするために、ロケットスラスタまたは他の重くて複雑なメカニズムを備えた大型の重い衛星が各衛星を正確な位置に、かつ厳密に制御された姿勢で維持するために必要である。
確率的に分散され、それぞれの衛星上でアンテナをペアリングし、無線リンクを形成するために他のいかなる衛星の位置も知る必要がない衛星を使用することによるパラダイムであることを、本明細書に記載され、クレームされるシステム及び方法におけるアプローチは破る。一部の実施形態では、たとえ衛星が姿勢制御を全く有していなくても、衛星を介して世界中の地上局にデータを確実に送信することができる。
データ伝送の信頼性と速度を高め、衛星を軌道上に配置するコストを低減するために、様々な衛星構築強化が利用可能である。基本的な構成では衛星が球形またはほぼ球形であり、アンテナは球の全部または一部の周りに分配されて、全部またはほとんど全部の球形方向に無線信号の送信を可能にする。１つの強化において、衛星は図１２〜１５に例示されているように、衛星の周囲の円形帯域内にアンテナを有し、これは、図１６および１７によって例示されている部分的な姿勢安定化と組み合わせると、衛星間および衛星と地上局との間の無線リンクを作成する点で、システムの信頼性をさらに高めることになる。本明細書に記載の受動的安定化手段は可動部分を必要とせず、例えば±１０°の水平面内で衛星の向きを制御することができ、これは、アンテナペアリングを強化するのに充分である。衛星を回転させることは、開示された衛星構造の様々なものとアンテナペアリングする確率をさらに増加させることができる。別の実施形態ではアンテナが複数のフィードがアンテナリムに取り付けられたパラボラ反射器を含み、これは衛星あたりのより多くの無線信号の送信および受信を可能にし、一方、中心給電を省略することによってアンテナ性能を向上させる。また、衛星は、キューブサット規格に適合するように十分にコンパクトにすることができる。
本明細書で開示される固有のルーティングプロトコルは、確率的に分散された軌道衛星のシステムを介した地上局へのデータ送信に合わせて調整される。地上局は、それ自体およびそれが位置するゾーンを識別する固有のアドレスを有する。地上ノードに関連付けられたローカルエリアネットワークは、地上局アンテナと対になった衛星アンテナの識別子を格納して、衛星に搭載されたデータを地上局に送信するための無線リンクを形成する少なくとも１つの衛星を含む。ローカルエリアネットワーク内の他の衛星は、地上ノードアドレスと、地上ノードアドレスも格納している別の衛星内のアンテナと対になったアンテナの識別子とを格納する。広域ネットワークは少なくとも１つの衛星を含み、その各衛星は少なくとも１つの衛星間無線リンクを形成するために、開始衛星のゾーンを格納している別の衛星のアンテナと対になったアンテナの識別情報を格納する。ローカルエリアネットワークは宛先地上局に接続することが知られているサブルートを確立し、一方、広域ネットワークは、地上局のローカルエリアネットワーク内の衛星に遭遇する可能性が高い地上局ゾーンに向けてデータ送信を集中させる。データ搭載衛星がローカルエリアネットワークまたは広域ネットワークにない場合、衛星は地上ノードのゾーンに向けてデータを送信する。
衛星ベースの分散台帳システムは、複数の確率的に分布した軌道衛星によって支持され、地上局からの衛星のうちの少なくとも１つによって受信されたデータ通信を分配することができる。衛星は全ての衛星に共通のクロックを供給し、固有のタイムスロット中に全ての衛星の実質的に全てのアンテナ上の記憶されたデータ通信の全てを送信するために、ＧＮＳＳモジュールを使用する。システム全体の分布は本明細書に記載されるシステムの他の用途におけるような確率によって駆動されるが、軌道上の十分な数の衛星は全ての衛星へのデータの迅速な普及を確実にするのであろう。
当業者は本発明の選択された好ましい実施形態のみが描写され、説明されたことを容易に認識し、以下の特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の精神および範囲から逸脱する、上記で具体的に言及されたもの以外に、様々な変更および修正を行うことができることを理解されよう。

Claims (33)

  1. 複数の確率的に分布する軌道衛星ノードのうちの１つ以上を含み、複数の前記衛星ノードのそれぞれが含む１つ以上のシステムノードを有する無線経路を介して地上ノードにデータを送信する無線通信システムであって、
    異なる方向において無線信号を送受信するための複数のアンテナと、
    前記地上ノードを識別するアドレス情報を含み、前記地上ノードから送信される開始ルーティングメッセージを受信し、前記アドレス情報を含むさらなるルーティングメッセージを送信するための経路生成回路と、
    前記アドレス情報と、前記開始ルーティングメッセージが受信された前記アンテナの識別子とを格納するためのメモリと、
    を含み、
    前記経路生成回路は、受信された前記開始ルーティングメッセージの品質であって、前記地上ノードに前記データを送信するための無線リンクに組み込むための前記衛星の適合性を示す前記品質を判定し、前記アドレス情報および前記開始ルーティングメッセージの前記品質を含むさらなるルーティングメッセージを複数の前記アンテナ上で送信することを特徴とするシステム。
  2. 前記開始ルーティングメッセージを受信し、前記さらなるルーティングメッセージを一次ルーティングメッセージとして送信するための１つ以上の一次衛星と、１つ以上の一次衛星から１つ以上の一次ルーティングメッセージを受信し、複数のアンテナ上で好ましい一次ルーティングメッセージを送信するための１つ以上の二次衛星とをさらに備え、
    それぞれの二次衛星の前記経路生成回路は、（１）個別の一次衛星から受信したそれぞれの一次ルーティングメッセージの前記品質を判定し、それを関連する前記一次ルーティングメッセージに含まれる前記開始ルーティングメッセージの前記品質と一致させ、（２）前記二次衛星から前記地上ノードへの第一のサブルートを表す好ましい前記一次ルーティングメッセージを識別し、前記第一のサブルートは、前記開始ルーティングメッセージに関連する第一の無線リンクと、対応する前記一次ルーティングメッセージに関連する第二の無線リンクとを含み、それによって、好ましい前記一次ルーティングメッセージに関連する前記第一および第二の無線リンクの両方が前記二次衛星によって受信された任意の他の一次ルーティングメッセージに関連する任意の第一または第二の無線リンクよりも高い品質を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. １つ以上の二次衛星の複数のアンテナ上で送信された１つ以上の二次ルーティングメッセージを受信するための１つ以上の三次衛星をさらに含み、前記二次ルーティングメッセージは、前記アドレス情報およびより低いリンク品質を含み、
    それぞれの三次衛星の前記経路生成回路は、（１）それぞれの二次衛星から受信したそれぞれの二次ルーティングメッセージの前記品質を判定し、それを関連する前記二次ルーティングメッセージに含まれる前記より低いリンク品質と一致させ、（２）一次衛星を介して前記三次衛星から前記地上ノードへの第二のサブルートを表す好ましい前記二次ルーティングメッセージを識別し、前記第二のサブルートは、好ましい前記二次ルーティングメッセージに関連する三次衛星と二次衛星との間の第三の無線リンクを含み、それによって、好ましい前記三次ルーティングメッセージに関連するすべての前記無線リンクは任意の他の受信された二次ルーティングメッセージに関連する任意の第一、第二、または第三の無線リンクより高い品質を有し、
    前記好ましい三次ルーティングメッセージが受信された前記アンテナの前記識別子と、前記アドレス情報とが前記三次衛星の前記メモリに格納される、
    ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  4. 所定の品質未満の任意の無線リンクを含むサブルートが排除されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
  5. 前記一次、二次、および三次衛星は、前記地上ノードを識別する前記アドレス情報を含むアナウンス・ルーティングメッセージを複数のアンテナ上で送信することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
  6. 前記衛星のうちの少なくともいくつかが回転することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  7. 前記衛星にモーメントを生成するために、地球の磁場と相互作用するための選択的に付勢される電磁石をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 前記衛星のうちの少なくともいくつかが姿勢安定化を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  9. 複数の前記衛星は、前記衛星を地球の磁場と整列させるために選択的に付勢される電磁石を含む姿勢安定化手段を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 前記アンテナはパラボラリフレクタを備え、前記パラボラリフレクタのそれぞれは前記リフレクタの周囲に取り付けられた複数の給電を含み、前記一次、二次、及び三次衛星の前記メモリに格納された前記アンテナの前記識別子は、前記個別の衛星の給電の前記識別子を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  11. 前記システムノードは、無人航空機、バルーン、および静止衛星のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  12. 前記複数の衛星ノードは、異なる高度の軌道にある衛星の複数のコホートを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  13. 複数のシステムノードを含む無線通信システムであって、前記複数のシステムノードのうちの複数は１つ以上の衛星を介して宛先衛星にデータを送信するための確率的に分散された軌道衛星を含み、複数の前記衛星のそれぞれは、
    異なる方向において無線信号を送受信するための複数のアンテナと、
    開始衛星から送信され、前記開始衛星に関連付けられたジオロケーションアドレス情報を含む、開始広域ルーティングメッセージを受信し、前記アドレス情報を含むさらなる広域ルーティングメッセージを送信するための経路生成回路と、
    前記ジオロケーションアドレス情報と、前記開始広域ルーティングメッセージが受信された前記アンテナの識別子とを格納するためのメモリと、
    を含み、
    前記経路生成回路は、受信された前記開始広域ルーティングメッセージの品質であって、前記開始衛星に前記データを送信するための無線リンクに組み込むための前記衛星の適合性を示す前記品質を判定し、前記ジオロケーションアドレス情報および開始広域ルーティングメッセージの品質を含むさらなる広域ルーティングメッセージを複数の前記アンテナ上で送信することを特徴とするシステム。
  14. 前記開始広域ルーティングメッセージを受信し、前記さらなる広域ルーティングメッセージを一次広域ルーティングメッセージとして送信するための１つ以上の一次広域衛星と、１つ以上の一次広域衛星から１つ以上の一次広域ルーティングメッセージを受信し、複数のアンテナ上で好ましい一次広域ルーティングメッセージを送信するための１つ以上の二次広域衛星と、をさらに備え、
    それぞれの二次広域衛星の前記経路生成回路は、（１）個別の一次広域衛星から受信したそれぞれの一次広域ルーティングメッセージの前記品質を判定し、それを関連する前記一次広域ルーティングメッセージに含まれる前記開始広域ルーティングメッセージの前記品質と一致させ、（２）前記二次広域衛星から前記開始衛星への第一の広域サブルートを表す好ましい前記一次広域ルーティングメッセージを識別し、前記第一の広域サブルートは前記開始広域ルーティングメッセージに関連付けられた第一の広域無線リンクと、対応する前記一次広域ルーティングメッセージに関連付けられた第二の広域無線リンクとを含み、それによって、好ましい前記一次広域ルーティングメッセージに関連付けられた前記第一および第二の広域無線リンクの両方が前記二次広域衛星によって受信された任意の他の一次広域ルーティングメッセージに関連付けられた任意の第一または第二の無線リンクよりも高い品質を有し、
    前記ジオロケーションアドレス情報、好ましい前記一次広域ルーティングメッセージが受信された前記アンテナの前記識別子、および前記第一および第二の広域無線リンクの間の前記より低いリンク品質は前記二次広域衛星の前記メモリに格納される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  15. １つ以上の二次広域衛星の複数のアンテナ上で送信される１つ以上の第二の広域ルーティングメッセージを受信するための少なくとも１つの三次広域衛星をさらに含み、前記二次広域ルーティングメッセージは、前記ジオロケーションアドレス情報および前記より低いリンク品質を含み、
    それぞれの三次衛星の前記経路生成回路は、（１）それぞれの二次広域衛星から受信したそれぞれの二次広域ルーティングメッセージの前記品質を判定し、それを関連する前記二次広域ルーティングメッセージに含まれる前記より低いリンク品質と一致させ、（２）一次広域衛星を介して前記三次広域衛星から前記開始衛星ノードへの第二のサブルートを表す好ましい前記二次広域ルーティングメッセージを識別し、前記第二のサブルートは、好ましい前記二次広域ルーティングメッセージに関連する三次広域衛星と二次広域衛星との間の第三の無線リンクを含み、それによって、好ましい前記三次広域ルーティングメッセージに関連するすべての前記無線リンクは任意の他の受信された二次広域ルーティングメッセージに関連する任意の第一、第二、または第三の無線リンクより高い品質を有し、
    前記好ましい三次広域ルーティングメッセージが受信された前記アンテナの前記識別子と前記ジオロケーションアドレス情報とが前記三次広域衛星の前記メモリに格納される、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
  16. 所定の品質未満の任意の無線リンクを含むサブルートが排除されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
  17. 前記衛星の少なくともいくつかが回転することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
  18. 前記衛星にモーメントを生成するために、地球の磁場と相互作用するための選択的に付勢された電磁石をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記衛星のうちの少なくともいくつかが姿勢安定化を含むことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
  20. 前記複数の衛星は、前記衛星を地球の磁場と整列させるために選択的に付勢される電磁石を含む姿勢安定化手段を含む、請求項１９に記載のシステム。
  21. 前記アンテナはパラボラリフレクタを備え、前記パラボラリフレクタのそれぞれは前記リフレクタの周辺に取り付けられた複数の給電を含み、前記一次、二次、および三次広域衛星の前記メモリに格納された前記アンテナの識別子は、前記個別の衛星の給電の前記識別子を含むことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  22. 前記システムノードは、無人航空機、バルーン、および静止衛星のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  23. 前記複数の衛星ノードは、異なる高度の軌道にある衛星の複数のコホートを含むことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  24. 複数の確率的に分散された軌道衛星のうちの少なくとも１つを介して宛先地上ノードにデータを送信する方法であって、前記地上ノードはそのジオロケーションに関連付けられた固有の地上アドレスと、データ伝送を受信するための少なくとも１つのアンテナとを有し、各衛星は、前記衛星の個別の対になったアンテナ上に無線リンクを形成するために異なる方向で無線信号を受信および送信するための複数のアンテナと、前記複数のアンテナのうちの少なくとも１つでデータを送信するためのデータ伝送回路と、を備え、前記方法は、
    （ａ）衛星アンテナで、前記宛先地上ノードの前記地上アドレスを含むアドレス情報を含むデータ送信を受信するステップと、
    （ｂ）前記受信衛星のメモリが、前記宛先地上ノードのアンテナと対になった前記受信衛星のアンテナに一意に関連付けられた識別子を格納しているかどうかを判定するステップと、
    （ｃ）ステップ（ｂ）の答えがイエスの場合に、その識別子が前記受信衛星のメモリに記憶されている前記アンテナを用いてデータを送信するステップと、
    （ｄ）ステップ（ｃ）の答えがノーである場合、前記受信衛星のメモリが、メモリが前記宛先地上ノードの地上アドレスを格納している別の衛星のアンテナと対になっているアンテナの固有の識別情報を格納しているか否かを判定するステップと、
    （ｅ）ステップ（ｄ）の答えがイエスである場合、その識別子が前記受信衛星のメモリに格納されている前記アンテナを使用して前記データを送信するステップと、
    （ｆ）そのメモリが前記宛先地上ノードの前記アンテナとペアリングされた前記アンテナの前記識別子を格納している前記衛星から前記宛先地上ノードに前記データを送信するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  25. その識別子が前記他の衛星の前記メモリに格納されている前記アンテナは、前記宛先地上ノードの前記アンテナと対になっている前記アンテナの前記識別子をそのメモリに格納している追加の衛星内のアンテナと対になっていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 前記軌道衛星は地球表面の所定のスワスを横断し、前記地球表面の前記スワスの少なくとも一部が複数のゾーンに分割され、各衛星は前記ゾーンの地理的境界を示すゾーンアドレス情報を格納し、前記固有の地上アドレスは前記宛先ノードが位置するゾーンを示すゾーンアドレス情報を含み、前記方法はさらに、
    （ｇ）ステップ（ｂ）の答えがノーである場合、前記受信衛星の前記メモリが、前記ゾーンアドレス情報を格納したメモリを備える広域衛星のアンテナと対になった前記受信衛星のアンテナの前記識別子を格納したかどうかを判定するステップと、
    （ｈ）ステップ（ｇ）の答えがイエスである場合、前記受信衛星にその識別子が格納されている前記アンテナを使用して前記データを送信するステップと、
    （ｉ）前記各ステップにおいて、前記広域衛星を前記受信衛星とみなして、ステップ（ａ）〜（ｈ）を繰り返すステップと、
    を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  27. （ｊ）ステップ（ｈ）の答えがノーである場合、前記宛先ノードの前記ゾーンの方向を指す前記受信衛星の少なくとも１つのアンテナを使用して前記データを送信するステップと、
    （ｋ）前記受信衛星が、前記データ送信を受信した別の衛星からの戻り肯定応答メッセージを受信したか否かを判定するステップと、
    （ｌ）ステップ（ｋ）の答えがノーである場合、ステップ（ａ）〜（ｋ）を繰り返すステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 地上局から少なくとも１つの衛星によって受信されたデータ通信を、少なくとも２０個の確率的に分散された軌道衛星のうちの複数に拡散するための衛星ベースの分散台帳システムであって、前記衛星の各々は、
    異なる方向に無線信号を送受信するための複数のアンテナと、
    前記アンテナで受信したデータ通信を格納するためのメモリと、
    前記衛星の全てに対して共通のクロックを提供するためにグローバルナビゲーション衛星システムと協働するためのＧＮＳＳモジュールと、
    他の衛星のいずれもデータ通信を送信しない固有のタイムスロットの間に、複数の衛星のうちの各々の前記アンテナの実質的に全ての格納されたデータ通信を送信するためのデータ移動モジュールと、
    を備えることを特徴とするシステム。
  29. 前記ＧＮＳＳモジュールは、前記衛星の前記ジオロケーションを判定し、
    前記衛星のメモリは、複数の地上局の前記ジオロケーションを格納し、
    前記データ移動モジュールは、前記衛星が前記地上局のラインオブサイト内にある場合に、前記衛星のメモリに格納されたジオロケーションを有する地上局に前記データ通信を送信することを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  30. 少なくとも２００個の衛星を含み、前記タイムスロットの持続時間が約０．１０秒であることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  31. 固有のゾーン識別子を有する複数のゾーンに分割された地球表面の少なくとも一部を横切る複数の確率的に分布された軌道衛星を介して異なる地上位置間でデータを送信するための無線通信システムにおける地上局であって、前記地上局は複数のルーティングメッセージを複数の方向に同時に送信するための複数のアンテナを備え、前記ルーティングメッセージは、前記地上局が位置する前記ゾーンを示す前記ゾーン識別子を含むアドレス情報を含むことを特徴とする地上局。
  32. 無線経路を介して地上ノードにデータを送信する無線通信システムであって、前記無線経路は固有のゾーン識別子を有する複数のゾーンに分割された地表の少なくとも一部を横断する複数の確率的に分布された軌道衛星のコンスタレーションにおいて、前記衛星のペア間で前記データを送信するための複数の無線リンクを含み、前記地上ノードはそれ自体及びそれが位置するゾーンを識別する固有アドレスを有し、各衛星は異なる方向に無線信号を受信及び送信するための複数のアンテナを含み、前記システムは、
    少なくとも１つの衛星を含む少なくとも１つのローカルエリアネットワークであって、前記ローカルエリアネットワーク内の第一の衛星は前記地上ノードのアンテナと対になって前記地上ノードにデータを送信するための無線リンクを形成するアンテナの識別子を格納し、前記ローカルエリアネットワーク内の任意の他の衛星は、前記地上ノードの固有アドレスと、前記地上ノードの前記固有アドレスを格納した別の衛星内のアンテナと対になったアンテナの前記識別子とを格納し、
    広域ネットワークは少なくとも１つの衛星を含み、前記広域ネットワーク内のすべての衛星は、前記地上ノードが位置する前記ゾーンに向けて前記データを送信するための少なくとも１つの衛星間無線リンクを形成するために、前記地上ノードに関連付けられた前記ゾーン識別子を格納する別の衛星のアンテナとペアになっているアンテナの前記識別子を格納する、
    ことを特徴とするシステム。
  33. 前記地上ノードに宛てられたオンボードデータを有し、ローカルエリアネットワークまたは広域ネットワーク内にない前記コンスタレーション内の任意の衛星が、前記地上ノードが位置する前記ゾーンに向かってそのアンテナのうちの１つ以上でデータを送信することを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
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MOHAMED ATEF ALI MADNI, RAAD RAAD, MOHAMAD RAAD: ""ENERGY-AWARE ROUTING FOR CUBESAT SWARMS"", INTERNATIONAL JOURNAL OF DIGITAL INFORMATION AND WIRELESS COMMUNICATIONS (IJDIWC), vol. 8, no. 3, JPN7023000455, September 2018 (2018-09-01), pages 150 - 155, ISSN: 0005170139 *

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