JP2024518419A - フェムト衛星の位置特定、ウェイクアップ、および方向推定 - Google Patents

Abstract

フェムト衛星は、分散された測定のためにより大きな母船衛星からのコンステレーションに展開され得る非常に小さな衛星である。これらは、多くの衛星がナビゲーションに使用するGNSS受信機を収容するには小さすぎるが、母船衛星からの電磁ビームで位置を求めることができる。母船衛星は、このビームをフェムト衛星のコンステレーション全体にわたって走査する。ビームにより特定のフェムト衛星が走査されると、フェムト衛星は、例えば、ビームを再帰反射することによって、または別の無線リンクを介して、母船衛星に肯定応答を送信する。ビームは、測定を行うか、または以前に取得されたデータを送信するためになど、フェムト衛星に対するコマンド、ならびにタイムスタンプまたはビーム指向情報などのフェムト衛星の位置を求めるためのコマンドで変調され得る。フェムト衛星は、ビーム上に変調された情報からその位置を決定するか、または位置特定のためにタイムスタンプを母船衛星に送信することができる。

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、2021年5月3日出願の米国特許出願第63/183,314号の米国特許法119条（ｅ）の下での優先権の利益を主張するものであり、この米国特許出願は引用によりその全体があらゆる目的のため本明細書の一部を成すものとする。

フェムト衛星（100グラム未満の湿潤質量を有する宇宙船）は、新しい宇宙産業界内で注目の的であり、高まりつつある関心の対象である。展開され自由飛行する宇宙船当たりの低質量および対応する低コストにより、フェムト衛星は、高い空間的多様性から利益を得る測定を行うためのプラットフォームとして特に有望である。小さなサイズのフェムト衛星は、複雑な特定のタスク、特に位置特定を行う。この文脈では、位置特定は、宇宙船の空間位置を求め、他の物理的観察可能な測定値を空間内の既知の点に関係付けることができるプロセスである。より大型の宇宙船は、典型的には、米国の全地球測位システム（GPS）コンステレーション、ロシアのGLONASSコンステレーション、欧州のガリレオコンステレーション、または中国の北斗コンステレーションなど、全地球航法衛星システム（GNSS）を利用して、それらの空間における位置を決定する。これは、ほとんどのGNSS受信機が非常に大きく、非常に重く（例えば、30グラム以上）、フェムト衛星自体に比較して非常に多くの電力を消費するため、フェムト衛星では困難である。

フェムト衛星自体からの無線信号を利用してフェムト衛星の位置特定を行うためには、少なくとも二つのアプローチがある。第一のアプローチは、母船宇宙船によって行われるドップラー測定に依存する。残念なことに、これらのドップラー測定は、推定される位置および速度に大きな誤差（例えば、完全に円形の軌道の平凡な事例で約5kmの位置誤差）を生じさせる。さらに、ドップラー測定は、位置情報を得るために長期間にわたる継続的な追跡を必要とする。これには、フェムト衛星が長期間にわたって連続的に電波を伝送することが必要であり、これは電力の理由から困難であり得る。

第二の位置特定アプローチは、GPSコンステレーションの仕組みを逆転させたものである（GPSは、受信機と、位置が非常によく分かっているいくつかの衛星との間の距離測定値を生成した後、少なくとも四つの既知の点からのその距離に基づいて受信機の位置を計算する。）。これは、大規模な地上局ネットワーク（地理的に多様な場所の地上の多くの受信機）と、そのネットワーク内の多数の受信機で聴取されるのに十分に強力な無線を有するフェムト衛星とを使用する。フェムト衛星は、異なる既知の位置で少なくとも四つの受信機によって検出される航行ビーコンを同報通信（ブロードキャスト）する。これは、フェムト衛星の無線による過剰な電力消費、および多数の受信機に対する潜在的な必要性により、困難な可能性がある。さらに、フェムト衛星は互いに同期する堅牢な方法を有しておらず、同時にそれらの航行信号を送信し得、受信機で異なるフェムト衛星を区別することを困難にするため、このアプローチを使用して多数のフェムト衛星の位置特定をすることは困難であり得る。

特に、高い空間的多様性を有するフェムト衛星が関与するミッションについては、高価値の測定値を得るために正確な位置特定が重要であり、したがって、フェムト衛星のサイズ、重量、および出力（size, weight, and power; SWaP）の制限と互換性のある改善された位置特定システムが望まれる。この位置特定は、宇宙船によって、フェムト衛星を含む外部空間の一部分にわたって電磁ビームを走査することによって達成することができる。例えば、電磁ビームが光ビームである場合、太陽電池は、太陽電池でそれを検出し、太陽電池の出力をフィルタリングしてもよい。

宇宙船は、フェムト衛星が電磁ビームを検出するのに応答して、フェムト衛星から高周波（RF）信号を受信する。このRF信号は、フェムト衛星が電磁ビームを検出したときを示す。次いで、宇宙船に対するフェムト衛星の位置は、フェムト衛星が電磁ビームを検出したときの電磁ビームの指向角に基づいて推定され得る。宇宙船からフェムト衛星までの距離は、電磁ビームのフェムト衛星への飛行時間に基づいて推定され得る。

フェムト衛星はまた、宇宙船から、フェムト衛星を含めた外部空間の一部にわたって走査された電磁ビーム（例えば、光ビーム、テラヘルツ波ビーム、またはRFビーム）を検出することができる。この電磁ビームは、宇宙船に対する電磁ビームの指向角を符号化する情報で変調されてもよい。この場合、フェムト衛星は、宇宙船に対する電磁ビームの指向角を符号化する情報に基づいて、宇宙船に対するその位置を決定することができる。

こうしたフェムト衛星は、太陽電池アレイ、フィルタ、および回路を含み得る。動作中、太陽電池アレイは、入射した太陽放射を直流（DC）成分に変換し、宇宙船からの電磁ビームを交流（AC）成分に変換する。太陽電池アレイ内のそれぞれの太陽電池に動作可能に接続されたフィルタは、DC成分をAC成分から分離する。かつ、フィルタに動作可能に接続された回路は、AC成分を検出する。回路はまた、フェムト衛星の少なくとも一つの電子構成要素を、太陽電池アレイが宇宙船から電磁ビームを受信するのに応答して起動する。例えば、電子構成要素は、電磁ビームの肯定応答（確認応答）を宇宙船またはセンサに送信して、電磁ビームに応答して測定を行うための無線であってもよい。回路は、AC成分に基づいて、フェムト衛星から宇宙船への方向を推定することができる。フェムト衛星はまた、電磁ビームの少なくとも一部分を宇宙船に再帰反射して戻すための再帰反射器を含んでもよい。

フェムト衛星の作動方法は、フェムト衛星上の太陽電池アレイによって、フェムト衛星を含めた外部空間の一部分にわたって、宇宙船によって走査された電磁ビームを受信することを含み得る。フェムト衛星は、太陽電池アレイが電磁ビームを受信するのに応答して、少なくとも一つの電子構成要素を起動することができる。それはまた、電磁ビームの肯定応答を宇宙船に送信することができる。肯定応答を送信することは、電磁ビームの少なくとも一部分を宇宙船に再帰反射すること、および/またはフェムト衛星から宇宙船に高周波信号、テラヘルツ信号、もしくは光信号を送信することを含み得る。かつ、フェムト衛星は、太陽電池アレイが電磁ビームを受信するのに応答してセンサを作動させることができる。

フェムト衛星から宇宙船への方向は、太陽電池アレイ内の太陽電池の出力の交流（AC）成分に基づいて推定され得る。方向を推定することは、AC成分のそれぞれの振幅を決定することと、AC成分のそれぞれの振幅を比較することと、AC成分のそれぞれの振幅に基づいて方向を推定することと、を含み得る。それはまた、AC成分のそれぞれの同相および直交（in-phase and quadrature, IQ）成分を求めることと、それぞれのIQ成分間の差を求めることと、それぞれのIQ成分間の差に基づいて方向を推定することとを含み得る。

別の宇宙船は、フェムト衛星を含む外部空間の一部分にわたって電磁ビームを走査することによって、フェムト衛星を位置特定することができる。宇宙船は、電磁ビームを検出するのに応答して、フェムト衛星から肯定応答を受信する。この肯定応答は、電磁ビームに関連付けられたタイムスタンプを示すか、または含むことができる。宇宙船は、タイムスタンプに関連付けられた電磁ビームの指向角を決定し、電磁ビームの指向角に基づいて、宇宙船に対するフェムト衛星の位置を推定する。

宇宙船は、フェムト衛星から再帰反射された電磁ビームの一部分を検出することによって肯定応答を受信してもよく、その場合、宇宙船は、フェムト衛星と宇宙船との間の電磁ビームの往復飛行時間に基づいて、宇宙船からフェムト衛星までの距離を推定することができる。宇宙船はまた、電磁ビームの検出に応答して、フェムト衛星からの高周波（RF）信号を検出することによって肯定応答を受信することができる。

一部の事例では、宇宙船は、フェムト衛星のためのコマンドにより電磁ビームを変調することができる。宇宙船はまた、電磁ビームを走査しながら、電磁ビームを連続したタイムスタンプで変調することができる。その場合、肯定応答は、フェムト衛星によって受信されたタイムスタンプを含み、宇宙船に対するフェムト衛星の位置の推定は、電磁ビームの指向角をタイムスタンプに合わせることを含む。宇宙船は、電磁ビームのフェムト衛星への飛行時間に少なくとも部分的に基づいて、宇宙船からフェムト衛星までの距離を推定することができる。

電磁ビームは、光ビームであってもよく、その場合、フェムト衛星上の太陽電池は、光ビームを検出することができる。太陽電池の出力は、DC成分およびAC成分にフィルタリングすることができ、DC成分は、フェムト衛星の電子構成要素に給電し、AC成分に符号化されたコマンドは、フェムト衛星のセンサを作動させる。

前述の概念および以下でより詳細に論じる追加的概念のすべての組み合わせは（このような概念は相互に矛盾していないという前提で）、本明細書に開示する本発明の主題の一部である。特に、本開示の最後に現れる特許請求される主題のすべての組み合わせは、本明細書に開示する本発明の主題の一部である。参照により組み込まれる、任意の開示においても現れる場合がある、本明細書に使用する用語には、本明細書に開示する特定の概念と最も一致する意味を与えるべきである。

当業者であれば、図面が主として例示的な目的で提示されていて、本明細書に記載の本発明の主題の範囲を制限することを意図していないことを理解するであろう。図面は必ずしも一定の比率ではなく、いくつかの例では、本明細書に開示する本発明の主題のさまざまな態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面内で誇張または拡大されて示される場合がある。図面では、同様の参照文字は概して、同様の特徴（例えば、機能的および／または構造的に類似した要素）を指す。

図1Aは、複数のフェムト衛星から成るコンステレーション（スプライトの群）内の或るフェムト衛星（スプライト）を走査電磁ビーム（例えば、テラヘルツ波ビーム）により照射する母船衛星と、超高周波（UHF）無線リンクまたは他の適切な通信チャネルにより母船衛星に応答を送るフェムト衛星とを示す。 図1Bは、フェムト衛星全体を掃引する母船衛星からの走査ビームを示す。 図1Cは、図1Aおよび図1Bの母船衛星のブロック図である。 図2Aは、母船衛星または他の宇宙船から走査電磁ビームを受信し、それに応答するフェムト衛星のブロック図である。 図2Bは、母船衛星または他の宇宙船から走査電磁ビームを受信し、それに応答するためのフェムト衛星アーキテクチャの態様を示す。 図3Aは、図2Bのフェムト衛星アーキテクチャ態様における太陽電池および透明格子の側面図を示す。 図3Bは、図2Bの太陽電池アレイ中の太陽電池/格子の整列の平面図である。 図3Cは、図2Bの太陽電池アレイ中の太陽電池/格子の整列の斜視図である。

図1Aに、母船衛星100または他の宇宙船が、フェムト衛星200を含む空間の一領域にわたってパルス状または連続波の電磁放射のビーム101を走査することにより、フェムト衛星200の位置を特定できる仕組みの概要を示す。この位置特定技術は、フェムト衛星の分散されたコンステレーションでの使用に特に有用である。これらのフェムト衛星の正確な位置特定をすることにより、高い空間的多様性で正確に位置が特定された測定をそれらが行うことができる。これらの能力は、地球磁場11、宇宙の自然または人工の放射線環境、または高周波（RF）環境の調査に潜在的に有用である。それらはまた、例えば、Li-Fiネットワーク内のネットワーク対応アプライアンスまたはドモティクスセンサなどのモノのインターネット（IoT）デバイスの位置決めにおける使い道も見出すかもしれない。

複数のフェムト衛星200の位置特定がなされる前に、フェムト衛星は、母船衛星100を軌道に打ち上げることから始まって、以下のように展開される。母船衛星100は一旦軌道に乗ると、例えば、所望の軌道内のコンステレーションまたは群2000内に、一つ以上のフェムト衛星200を展開する。この軌道は、適切な軌道操作を達成できる場合、それらの展開元である母船衛星100の標的軌道と同じであってもよいし、異なっていてもよい。複数のフェムト衛星200のうちの一つ以上は、母船衛星100以外の宇宙船から展開され得る。

各フェムト衛星200は小さく（例えば、湿潤質量が100グラム未満）、航行構成要素またはサブシステムを含まなくてもよい。特に、フェムト衛星200は、GNSS受信機が重く（例えば、フェムト衛星の質量の30%以上）、比較的大量の電力を消費する傾向があるため、GNSS受信機を有しない場合がある。フェムト衛星200が展開されると、母船衛星100または別の宇宙船は、フェムト衛星のコンステレーション2000全体にわたって電磁放射の狭いビーム101を走査または掃引する。母船衛星100は、ラスター走査パターンなどの所定のパターンで、所定の速度で、この電磁ビーム101を走査してもよい。母船衛星100はまた、電磁ビーム101を一連の個別の所定の角度で、または一連の個別の位置のそれぞれで、段付け（ステッピング）または向けることができる。

電磁ビーム101は、レーザーによって生成され、走査ミラー、光位相アレイ、調整可能な格子、または他のビーム方向操作要素で方向操作される光ビームであり得る。これは、テラヘルツ波源で生成され、THz位相アレイなどのテラヘルツ波ビーム方向操作要素で方向操作されるテラヘルツ波（THz）ビームであり得る。または、RF位相アレイまたは走査アンテナで走査されるRF（例えば、ミリメートル波またはマイクロ波）ビームであってもよい。電磁ビームの波長は、フェムト衛星の推定位置の達成可能な空間分解能および/または角分解能を部分的に決定し、より短い波長は、概して、より微細な空間分解能および角分解能を提供する。

いずれの場合でも、母船衛星100上の変調器は、フェムト衛星に対するコマンド（例えば、「ウェイクアップ」コマンド、情報のためのクエリなど）で電磁ビーム101の振幅、周波数、および/または位相を変調することができる。変調器はまた、電磁ビーム101を、同時タイムスタンプ、ならびに母船衛星の絶対位置、別の物体（例えば、別の宇宙船）に対する位置、電磁ビーム101の瞬間的な指向角、走査速度、および/または電磁ビーム101によって追跡される走査パターンについての情報で変調することができる。例えば、変調器100は、電磁ビーム101を、一連のタイムスタンプを符号化する情報、および任意選択で、それらのタイムスタンプにおける指向角で変調してもよい。母船衛星100および/またはフェムト衛星200は、この情報を使用して、以下に説明するように、母船衛星100および/またはフェムト衛星の絶対位置に対するフェムト衛星の位置を推定することができる

電磁放射のビーム101は、特定のフェムト衛星200を起動して、測定、データの送信、またはその両方を行うことができる。電磁放射のビーム101がフェムト衛星200に照射されると、フェムト衛星200は、肯定応答（確認応答）を母船衛星100に返すことにより応答する。例えば、フェムト衛星200は、電磁ビーム101の一部分を母船衛星100に再帰反射することができ、その場合、母船衛星100は、再帰反射電磁ビーム101上に変調された指向角およびタイムスタンプからフェムト衛星200への方向を求めることができる。別の方法として、または追加的に、フェムト衛星200は、電磁ビーム101を検出および復調し、図1Aに示したように、超高周波（UHF）チャネル223などの別個の通信チャネルを介して母船衛星100に肯定応答を送信することによって、電磁ビーム101を肯定応答することができる。この肯定応答は、電磁ビーム101上に変調されたタイムスタンプおよび/もしくは指向角、ならびに/またはフェムト衛星が電磁ビーム101をいつ受信したかを示すタイムスタンプを含み得る。

いずれの場合も、母船衛星100は、フェムト衛星から肯定応答を受信し、それを使用して、母船衛星100からフェムト衛星200への方向、方位、または角度を決定する。肯定応答が、電磁ビーム101がフェムト衛星200を照射した時に電磁ビーム101上に変調された指向角または他の指向情報を含む場合、母船衛星100は、その情報を使用して、母船衛星100からフェムト衛星200への方向または角度を推定することができる。肯定応答が、フェムト衛星200が電磁ビーム101を検出したときを示すタイムスタンプを含む場合、母船衛星100は、そのメモリ内の電磁ビーム101の対応する指向角を調べ、その指向角を使用してフェムト衛星200への方向を推定することができる。

一部の事例では、フェムト衛星200はまた、電磁ビーム101上に変調された情報から、母船衛星100への方向または方位を推定することができる。例えば、電磁ビーム101がその指向角で変調される場合、フェムト衛星200上のプロセッサは、その情報を復調および使用して、母船衛星100への方向を推定することができる。フェムト衛星200は、この推定を、別個のチャネル223を介して、母船衛星100にまたは宇宙もしくは地上の別の受信機に、送信し返すことができる。それはまた、この情報を使用して、搭載センサによって収集されたデータを処理することができる。

母船衛星100はまた、電磁ビーム101のフェムト衛星200への往復飛行時間に基づいて、フェムト衛星200への距離を推定することができる。仕組を確認するために、パルス電磁ビーム101を考慮すると、各パルスは、母船衛星100上の時計に従って、母船衛星100がそのパルスをいつ伝送したかを示すタイムスタンプによって変調される。フェムト衛星200がパルスを母船衛星100に再帰反射し返す場合には、母船衛星100は再帰反射パルスを検出し、タイムスタンプを回復し、タイムスタンプを時計上の現在の時刻と比較する。フェムト衛星200が別個のチャネル（例えば、UHFチャネル223）を介して肯定応答を送信する場合には、肯定応答にタイムスタンプを含むことがあり、場合によっては、タイムスタンプの検出および再送信に関連するレイテンシまたは追加の遅延の測定または推定を伴う。現在の時刻とタイムスタンプとの間の差は、母船衛星100とフェムト衛星200との間の往復飛行時間である。往復飛行時間（あらゆる非伝播）レイテンシまたは遅延を差し引いた）およびパルス伝搬速度（光の速度）の積が、母船衛星100からフェムト衛星200までの距離である。

母船衛星100は、同じパルスまたは別個のパルスから、フェムト衛星200への距離および方向を決定することができる。母船衛星100が、第一の（変調）パルスからフェムト衛星200への方向または方位を決定する場合、第二のパルスを送信することと再帰反射を受信することとの間の時間を測定することによって、第二の（非変調）再帰反射パルスを使用してフェムト衛星200への距離を決定することができる。

母船衛星100に対するフェムト衛星200の方向および距離を測定することによって、母船衛星100に対するフェムト衛星の位置を計算することが可能である。かつ、母船衛星の絶対位置が分かっている場合、母船衛星100に対するその位置および母船衛星の絶対位置に基づいて、フェムト衛星の絶対位置を計算することが可能である。

図1Bに、フェムト衛星200全体を掃引するときの走査ビーム101を示す。母船衛星100からフェムト衛星200までの距離、および走査ビーム101を生成するために使用されるアンテナまたは光学系のサイズを考慮すると、走査ビーム101の直径は、概してフェムト衛星（およびその太陽電池）の最大横方向寸法よりも大きい。より正確な角度測定を行うために、さらに、走査ビーム101は、鋭角のリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有するシルクハット様の空間振幅プロファイルを有してもよい。フェムト衛星200は、ビーム101による照射がいつ開始したか、照射がどれぐらい長く持続したか、および照射がいつ終了したかのより良好な表示を提供するために、リーディングエッジおよびトレーリングエッジを検出することができる。電磁ビーム101の発散角および角度走査速度が既知であるか、または推定もしくは測定され得る場合、これらの時間を使用して、電磁ビーム101の直径および母船100からフェムト衛星200の距離を推定することができる。フェムト衛星200が遠視野にあると仮定すると、ビームの直径は、距離および発散角の生成に比例する。

必要に応じて、走査ビーム101は、フェムト衛星200を起動すること、および/または母船衛星100からフェムト衛星200までの距離および方向の推定を支援するために、パルス、変調、または両方を行うことができる。図1Bでは、走査ビーム101は、三つのパルス1～3を含めて示され、それぞれが異なる時間に放射されている。各パルスは、母船衛星100によっていつ送信されたかを示すタイムスタンプ（例えば、00:01、00:02、および00:003）で変調され得る。母船衛星100が、各タイムスタンプで電磁ビーム101の指向角の記録を保持する場合、フェムト衛星200によって検出されたタイムスタンプを使用して、母船衛星100からフェムト衛星200への指向角を決定することができる。

パルスはまた、母船衛星100からフェムト衛星200までの距離を推定するために使用することができる。例えば、パルス間の期間が、パルスが母船衛星100からフェムト衛星200に伝搬して戻るまでにかかる時間よりも長い場合、母船衛星100は、パルスの往復伝搬時間を計時し、その伝搬時間にパルス速度を掛けることによって、フェムト衛星200への距離を測定することができる。

＜母船アーキテクチャ＞
図1Cは、母船衛星100のいくつかの要素を示すブロック図である。母船衛星100は、フェムト衛星200を「ウェイクアップ」するための変調レーザーもしくは他の光源112、測距のためのパルスレーザーもしくは他のパルス光源114のいずれか、またはその両方を含む。パルス源114は、高デューティサイクルを有するのであり、測距信号を発することができる。データは、パルスの非存在もしくは存在、またはパルス間の時間によって、測距信号に符号化され得る。問い合わせ光源112は、狭い帯域幅がフェムト衛星200上の増幅器の帯域幅と整合する信号で変調される。データは、変調信号の位相に符号化され得る。送信光学系110（ビームを集束および/またはコリメートするためのレンズ）、ビーム方向操作用のMEMSミラー、ビームを結合または分割するビームスプリッタ、および/または他の光学部品が、フェムト衛星200を含む空間の領域全体にわたって、変調光源112および/またはパルス光源114からの光を走査ビームとして走査する。

母船衛星100はまた、フェムト衛星200によって母船衛星100に反射または送信される光203を収集するための受信光学系120（例えば、レンズ、ミラー、ビームスプリッタ、および/または他の構成要素）を含むことができる。送信光学系110および受信光学系120は、単一の光学系に組み合わされてもよく、母船衛星100上のアパーチャを共有することができる。受信光学系120は、受信した光203を、母船衛星100に対するフェムト衛星200の角度位置を推定することができる方向カメラ122に、および/または（再帰）反射パルスの到着を計時する測距検出器124に連結する。送信光学系110および受信光学系120は、母船衛星100全体の本体を指向すること、光学系用のジンバル、または送信光学系110および受信光学系120内の方向操作ミラーの、組み合わせで、フェムト衛星200を指向するか、またはフェムト衛星200全体にわたって走査され得る。

姿勢決定および制御システム130は、母船衛星100の向きを決定および制御する。これは、母船衛星の位置および向きを監視または設定し、光源112および114を制御し、方向カメラ122および測距検出器124からの信号に基づいて、フェムト衛星200の距離および（相対的および/または絶対的）方向を決定する、プロセッサまたはコントローラ140（例えば、MCU）によって制御される。

＜フェムト衛星アーキテクチャ＞
図2Aおよび2Bに、図1Aに示したフェムト衛星200の幾つかの態様および実装を示す。図2Aはフェムト衛星200のブロック図であり、このフェムト衛星200は、太陽電池202と、必要に応じて設けられる（複数の）フィルタ204と、マイクロコントローラユニット（MCU）210または他のプロセッサもしくはコントローラと、無線部220およびアンテナ222と、センサペイロード230と、必要に応じて設けられる再帰反射器206とを備える。太陽電池202は、MCU 210、無線220、センサペイロード230、および他の電子機器に接続され、それらに対して、入射した日光および他の光学放射を電気に変換することにより電力を供給する。太陽電池202はまた、走査ビーム101が光学走査ビームである場合に、母船衛星100からの走査ビーム101を検出することができる（図1A）。光学走査ビームが変調される場合、太陽電池202は、電子機器に給電するための低周波数すなわち直流（DC）成分と、変調を伴うより高い周波数すなわち交流（AC）成分との両方を含む出力を生成する。バイアスティーとして実施され得るフィルタ204は、AC成分とDC成分を分けて、電子機器に給電するための電力調整回路にDC成分を導く。また、フィルター204はAC成分を、処理を行うMCU 210に導く。

MCU 210は、走査ビーム上に変調された信号を受信し、応答する。これらの信号は、センサペイロード230内のセンサで測定を行うコマンド、センサペイロード230内のセンサによって取得され、フェムト衛星上のメモリに保存されたデータを送信するコマンド、または健全性、安全性、および/もしくは他のステータス情報を含む他の情報を送信するコマンドを含む、フェムト衛星200に対するコマンドを含み得る。MCU 210は、適切なセンサまたは無線220をトリガすることによって、これらのコマンドに応答する。

光学走査ビーム上に変調された信号はまた、上述のようにタイムスタンプおよび/または指向情報を含んでもよい。MCU 210は、この情報を使用して、フェムト衛星の絶対位置または相対位置を決定または推定することができる。それはまた、タイムスタンプおよび/または指向情報、推定位置、または両方を、無線220およびアンテナ222を介して、母船衛星100および/または他の一つ以上の受信機に送信して戻すこともできる。アンテナ222が位相アレイである場合、送信方向を操作して、母船衛星からの走査ビームの指す方向とは反対の方向に向けることができる。

フェムト衛星200はまた、太陽電池202と同じ方向を指向するコーナーキューブ再帰反射器またはキャッツアイ再帰反射器206を含んでもよい。再帰反射器206は、ほとんど乃至は全く散乱なしに、入射放射をその源に反射して戻す。入射放射が、母船衛星または他の宇宙船からの変調光学走査ビームである場合には、再帰反射器206は、変調光学走査ビームを母船衛星または他の宇宙船に反射して戻す。これにより、フェムト衛星から見た位置決定プロセスが単純化され、走査ビームは、無線送信をトリガするために検出または使用される必要はない。それはまた、フェムト衛星での光学走査ビームの検出および処理に関連するいかなるレイテンシも排除し、飛行時間での距離測定の精度を高める可能性がある。実際に、変調光学走査ビームを反射する再帰反射器206では、フェムト衛星は、オフ（無給電）であっても位置決定ができる。

図2Bは、フェムト衛星200内の太陽電池202および関連する回路のより詳細な図を示す。太陽電池202および関連する回路は、母船衛星から光学走査ビームを受信し、光ビームの発信源である母船衛星からフェムト衛星に対するベクトルを求めることができる。図2Bはまた、光ビームがフェムト衛星をトリガしてウェイクアップさせ（アクティブになり）、テラヘルツ波位相アレイまたはレーザーダイオード（LD）および微小電気機械システム（MEMS）ミラー320により入射ベクトルに沿って母船衛星に帰還信号を送信することができるシステムを示す。フェムト衛星の太陽電池202をセンサとして使用してフェムト衛星200を起動することは、強力なサイズまたは性能上の利点を提供する。類似の性能の別個の検出器は、太陽電池202とサイズが類似した領域を、占めることになる。

この例では、太陽電池アレイ内に四つの太陽電池202がある。太陽電池202は、太陽からDCすなわち低周波の電力成分と、母船衛星の起動信号からのより高い周波数のAC成分との両方を受信する。例えば、起動信号は副変調（サブ変調）を使用することができ、その結果、日光および地球背景光から起動信号をフィルタまたは分離することができる。

各太陽電池202は、別々のフィルタ204に接続される。図2Aでは、これらのフィルタ204は、それぞれの帯域通過フィルタ304と組み合わせたトランスインピーダンス増幅器（TIA）302として実装されている。各フィルタ204からの信号は、周波数フィルタリングを用いて受信回路を通過し、振幅は、同相および直交（IQ）復調、ピーク検出、または二乗平均平方根（RMS）検出のいずれかを使用して、別の回路306で抽出される。サミングノード308は、フィルタリングされた増幅された太陽電池出力のRMS振幅を足し合わせる。合計された出力は、ウェイクアップコントローラ310または別のプロセッサで処理される。必要に応じて、フェムト衛星200上の信号を受信する回路は、そのフェムト衛星200を選択してウェイクアップするために、特定の副変調周波数範囲に敏感であるように調整され得る。

IQ復調は、さらに複雑になることを犠牲にして、副変調の段階を使用して、キャリアからフェムト衛星200への低速データリンクの利点を提供する。回路312および314は、IQ成分間の差を使用して、母船衛星に対する太陽電池202の指向角を決定する。言い換えれば、太陽電池202によって受信される電力は、入射光の入射角に依存する。これはまた、太陽電池202が母船から受信する信号出力にも当てはまる。三つ以上のセルを使用して、フェムト衛星200からの母船衛星の向きを決定することができる。太陽電池202が最大の出力を受信する方向は、向きを観察可能にするために歪ませてもよい。これは、太陽電池202自体を異なる方向に配向すること、各太陽電池202の表面で光学格子を使用すること、またはセル表面テクスチャ加工を適合させることによって達成することができる。

＜フェムト衛星用の太陽電池および格子＞
図3A～3Cは、フェムト衛星の太陽電池アレイ202および格子の一つの実施をより詳細に図示したものである。図3Aは、プロファイルにおいて一つの太陽電池402および一つの格子404を示す。格子404はブレーズド格子であり、入射角に応じて変化する回折効率を有する。図3Aに示す構成では、格子の回折効率は、垂直な入射よりも軸外がより高く、軸外ビームよりも軸内ビームの結合効率がより低い。格子404は、太陽電池402の結合効率を変化させ、最も高い結合効率は、ここで、歪んだ角度（垂直な入射ではない）で達成される。入射角による、結合効率のこの変化は、以下に説明するように、走査ビーム101の入射角を決定するために使用することができる。

図3Bおよび3Cは、太陽電池402および格子404の、4×4の正方形アレイ202を示す。各太陽電池402は、それ自体の格子404を有する。太陽電池402は、フェムト衛星200の表面上のアレイ202内に配置され、格子は異なる方向を指す。この例では、各格子の格子ベクトル（その格子の罫線に垂直な方向）は、正方形アレイ202の対応する角を指す。格子404は、結合効率を、それゆえに受信される光出力を、入射角の関数として変調する。走査ビーム101が特定の格子ベクトルと整列している場合には、対応する太陽電池402は、太陽電池402のすべてが均一に照射されていても、最も高い出力（最も強い信号）を生成する。逆に、格子ベクトルが走査ビーム101と整列していない太陽電池402は、例えば右下および左上の太陽電池がそれぞれ最も強い信号および最も弱い信号を生成する図3Cでのように、より弱い信号を生成する。フェムト衛星200および/または母船衛星100は、太陽電池出力間の振幅の差を使用して、走査ビーム101の瞬間的な指向方向を推定することができる。入射光が不均一な空間振幅プロファイルを有する場合、太陽電池表面をさらに細分することができ、光強度分布を推定するためにいくつかのむき出しのセクション（格子のないセクション）が使用される。

＜結び＞
発明に関するさまざまな実施形態を本明細書に記述し、かつ例示してきたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実施するための、ならびに／または結果および／もしくは利点の一つ以上を得るための、さまざまな他の手段および／または構造を容易に想定し、こうした変形および／または修正のそれぞれは、本明細書に記載の発明に関する実施形態の範囲内であるものと見なされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であることを意味することと、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することとを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載の特定の発明に関する実施形態の多くの同等物を、単に通常の実験を用いて認識し、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は、例としてのみ提示されていて、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明に関する実施形態は、具体的に記述および特許請求される以外の方法で実践され得ることが理解される。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載の各個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、こうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。

また、さまざまな発明に関する概念が、一つ以上の方法として具現化されてもよく、その例を提供してきた。方法の一部として行われる行為は、任意の好適なやり方で順序付けられてもよい。その結果、行為が例示するものとは異なる順序で実施される実施形態を構築してもよく、それは、例示的な実施形態では連続する行為として示されていてさえも、一部の行為を同時に実施することを含んでもよい。

本明細書で定義および使用されるすべての定義は、辞書による定義、参照により組み込まれる文書中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲で使用する不定冠詞「a」および「an」は、明確にそうでないと示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲で使用する「および／または」という語句は、接続された要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち一部の場合において接続的に存在し、他の場合において離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で列記される複数の要素は、同じ様式、すなわち等位接続される要素のうちの「一つ以上」と解釈されるべきである。具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、他の要素が随意に存在し得る。それゆえに、非限定的な例として、「Aおよび／またはB」への言及は、「含む」などの制限のない語法とともに使われるとき、一実施形態においてAのみ（任意選択的にB以外の要素を含む）、別の実施形態においてBのみ（任意選択的にA以外の要素を含む）、さらに別の実施形態においてAとBの両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。

本明細書および特許請求の範囲において使用する場合、「または」は、上で定義した「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、列記内の事項を分離する時、「または」または「および／または」は包括的なもの、すなわち多数の要素または要素の列記、および任意選択的に列記に無い追加の事項のうちの少なくとも一つを含むが、二つ以上も含むと解釈されるものとする。それとは反対であると明確に指示される用語、例えば「のうちの一つのみ」もしくは「のうちの厳密に一つ」、または特許請求の範囲において使用するときの「からなる」などの用語のみ、多数のまたは列記された要素のうちの厳密に一つの要素を包含することを指す。概して、本明細書で使用する「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、または「のうちの厳密に一つ」など、排他的な用語が先行するときに、排他的な選択肢（すなわち「両方ではなく一方または他方」）を示すとのみ解釈されるものとする。「から本質的になる」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。

本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、一つ以上の要素の列記に関連する「少なくとも一つ」という語句は、要素の列記内の要素のいずれか一つ以上から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素の列記内で具体的に列記したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素の列記内の要素のいかなる組み合せも除外するものではないと理解されるべきである。この定義によってまた、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素の列記内で具体的に識別される要素以外の要素が、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意に存在し得ることも許容される。それゆえに、非限定的な例として、「AおよびBのうちの少なくとも一つ」（または等価的に「AまたはBのうちの少なくとも一つ」、もしくは等価的に「Aおよび／またはBのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態において、Bは存在せず、任意選択的に二つ以上のAを含む、少なくとも一つのA（任意選択的にB以外の要素を含む）、別の実施形態において、Aは存在せず、任意選択的に二つ以上のBを含む、少なくとも一つのB（任意選択的にA以外の要素を含む）、さらに別の実施形態において、任意選択的に二つ以上のAを含む、少なくとも一つのA、および任意選択的に二つ以上のBを含む、少なくとも一つのB（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。

特許請求の範囲、ならびに上記の明細書において、すべての移行句、例えば「含む（comprising）」、「含む（including）」、「持つ（carrying）」、「有する（having）」、「包含する（containing）」、「伴う（involving）」、「保つ（holding）」、「から構成される（composed of）」、およびこれに類するものは制限がないと理解され、すなわち含むがそれに限定はされないということを意味する。「からなる（consisting of）」および「から本質的になる（consisting essentially of）」という移行句のみが、米国特許審査手続便覧、セクション2111.03に記載される、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。

Claims (20)

1. フェムト衛星であって、
   入射した太陽放射を直流（DC）成分に変換し、宇宙船からの電磁ビームを交流（AC）成分に変換する太陽電池アレイと、
   前記太陽電池アレイ内のそれぞれの太陽電池に動作可能に接続され、前記DC成分を前記AC成分と分離するフィルタと、
   前記フィルタに動作可能に接続され、前記太陽電池アレイが前記宇宙船から前記電磁ビームを受信すると前記AC成分を検出し前記フェムト衛星の少なくとも一つの電子構成要素を起動する回路と
   を備えるフェムト衛星。
2. 前記少なくとも一つの電子構成要素に、前記電磁ビームの確認応答を前記宇宙船に送信する無線部が含まれる、請求項１に記載のフェムト衛星。
3. 前記少なくとも一つの電子構成要素に、前記電磁ビームを受けて測定を行うセンサが含まれる、請求項１に記載のフェムト衛星。
4. 前記回路が、前記AC成分に基づいて、前記フェムト衛星から前記宇宙船までの方向を推定する、請求項１に記載のフェムト衛星。
5. 前記電磁ビームの少なくとも一部を再帰反射して前記宇宙船に返す再帰反射器をさらに備える請求項１に記載のフェムト衛星。
6. フェムト衛星の太陽電池アレイが、宇宙船により前記フェムト衛星を含む外部空間の一部分にわたって走査された電磁ビームを受信するステップと、
   前記太陽電池アレイが前記電磁ビームを受信すると、前記フェムト衛星の少なくとも一つの電子構成要素を起動するステップと、
   前記フェムト衛星が、前記電磁ビームの確認応答を前記宇宙船に送るステップと
   を含む、フェムト衛星を作動させる方法。
7. 前記確認応答の送信が、前記電磁ビームの少なくとも一部を前記宇宙船に再帰反射することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記確認応答の送信が、高周波信号とテラヘルツ信号と光信号とのうちの少なくとも一つを前記フェムト衛星から前記宇宙船に送信するステップを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記太陽電池アレイ内の太陽電池から出力された交流（AC）成分に基づいて、前記フェムト衛星から前記宇宙船までの方向を推定するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
10. 前記方向の推定が、
    前記AC成分のそれぞれの振幅を求めるステップと、
    前記AC成分のそれぞれの振幅を比較するステップと、
    前記AC成分のそれぞれの振幅に基づいて前記方向を推定するステップと
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記方向の推定が、
    前記AC成分のそれぞれの同相および直交（IQ）成分を求めるステップと、
    前記それぞれのIQ成分間の差を求めるステップと、
    前記それぞれのIQ成分間の差に基づいて前記方向を推定するステップと
    を含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記太陽電池アレイが前記電磁ビームを受信すると、前記フェムト衛星のセンサを作動させるステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
13. 宇宙船に対するフェムト衛星の位置を特定する方法であって、
    前記宇宙船が、前記フェムト衛星を含む外部空間の一部にわたり電磁ビームを走査するステップと、
    前記宇宙船が、前記電磁ビームの検出を受けて前記フェムト衛星から確認応答を受信するステップであって、前記確認応答は前記電磁ビームに関連付けられたタイムスタンプを示すものである、ステップと、
    前記タイムスタンプに関連付けられた前記電磁ビームの指向角を求めるステップと、
    前記電磁ビームの指向角に基づいて、前記宇宙船に対する前記フェムト衛星の位置を推定するステップと
    を含む方法。
14. 前記確認応答の受信が、前記フェムト衛星から再帰反射された前記電磁ビームの一部を検出することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記フェムト衛星と前記宇宙船との間の前記電磁ビームの往復飛行時間に基づいて、前記宇宙船から前記フェムト衛星までの距離を推定するステップをさらに含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記確認応答の受信が、前記電磁ビームの検出を受けて前記フェムト衛星からの高周波（RF）信号を検出するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記フェムト衛星のためのコマンドにより前記電磁ビームを変調するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
18. 前記電磁ビームを走査する際に、前記電磁ビームを連続したタイムスタンプで変調するステップをさらに含み、
    前記確認応答が、前記フェムト衛星によって受信されたタイムスタンプを含み、前記宇宙船に対する前記フェムト衛星の位置の推定が、前記電磁ビームの指向角を前記タイムスタンプと合わせることを含む、
    請求項１３に記載の方法。
19. 前記電磁ビームが光ビームであり、
    前記フェムト衛星の太陽電池を用いて前記光ビームを検出するステップと、
    前記太陽電池の出力の直流（DC）成分を交流（AC）成分からフィルタリングするステップと、
    前記フェムト衛星の電子構成要素に前記DC成分を給電するステップと、
    前記AC成分中に符号化されたコマンドに応じて、前記フェムト衛星のセンサを作動させるステップと
    をさらに含む請求項１３に記載の方法。
20. 前記電磁ビームの前記フェムト衛星までの飛行時間に少なくとも部分的に基づいて、前記宇宙船から前記フェムト衛星までの距離を推定するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。