JP2706600B2 - 中間地球高度のサテライトをベースとするセル式遠隔通信システム - Google Patents

中間地球高度のサテライトをベースとするセル式遠隔通信システム

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JP2706600B2
JP2706600B2 JP4245048A JP24504892A JP2706600B2 JP 2706600 B2 JP2706600 B2 JP 2706600B2 JP 4245048 A JP4245048 A JP 4245048A JP 24504892 A JP24504892 A JP 24504892A JP 2706600 B2 JP2706600 B2 JP 2706600B2
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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、セル式の遠隔
通信システムに係り、より詳細には、サテライトをベー
スとするセル式の遠隔通信システムに係る。
【0002】
【従来の技術】セル式の遠隔通信システムが設置された
多数の大都市ではセル式の移動電話の利用が急増してい
る。セル式の遠隔通信システムは、移動電話のユーザ
と、固定電話のユーザ又は他の移動電話ユーザとの間で
音声通信を行えるようにしたり、移動ファクシミリマシ
ン及びモデム搭載のコンピュータに対するデータ通信を
行えるようにする。典型的なセル式電話システムは、格
子状になったサービスゾーン即ちセルを含んでおり、各
セルはその中心付近にベースステーションが配置されて
いる。特定のセルにいる移動電話ユーザは、低電力の高
周波(RF)通信によってそのセルのベースステーショ
ンに接続される。各ベースステーションは、トランクラ
インによってゲートウェイステーションに接続され、そ
してこのステーションはトランクラインによって局内及
び長距離電話回線に接続される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】今日使用されているセ
ル式の遠隔通信システムは、一般に、大都市のエリアに
設置された地上ベースシステムである。小さな町や田園
地域にこれらの比較的コストのかかるシステムを設置し
て稼働することは経済的に採算が合わない。これらの地
域にセル式電話サービスを行うために、サテライトをベ
ースとするセル式遠隔通信システムが提案されており、
これは世界的な規模のセル式電話サービスを提供するも
のである。これらの提案されたセル式電話システムは、
典型的に、バン・アレン放射帯のすぐ下の約400ない
し1000海里の高度にある低地球軌道に大規模な通信
サテライト群を備えている。これらの低い高度では地球
全体を完全にカバーするのに50個ないし80個ものサ
テライトが必要となる。その結果、急速に変化する多数
のクロスリンクと、ビームからビーム及びサテライトか
らサテライトへの多数の引き継ぎを伴う非常にコストの
かかる複雑なシステムになってしまう。そこで、コスト
が安く、あまり複雑でないサテライトベースのセル式通
信システムが要望されている。本発明は、この要望を明
確に満たすものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、最小数のサテ
ライトで世界的な規模のセル式電話サービスを行う多ビ
ーム高周波(RF)通信リンクを提供するために中高度
地球軌道に通信サテライトの群(コンステレーション)
を使用したサテライトベースのセル式遠隔通信システム
に関する。通信サテライトは、約5600ないし100
00海里の高度において地球に対して複数の傾斜軌道に
配置される。軌道の数、各軌道の傾斜、各軌道における
サテライトの数、及びサテライトの高度といた軌道の特
性は、サテライトの通信可能領域及びそれに関連した視
線仰角を最大にする一方、伝播時間遅延、ビームからビ
ーム及びサテライトからサテライトへの引き継ぎの回
数、及びサテライトの総数を最小にするように調整され
る。
【0005】又、本発明は、ビームからビーム及びサテ
ライトからサテライトへの引き継ぎを本質的に排除して
脱落のおそれを著しく低減する多数の付加的な特徴も備
えている。これらの重要な特徴の1つは、各サテライト
の軌道中に各サテライトに一連の固定サービス領域を指
定することである(連続的に変化する通信領域ではなく
て)。サテライトアンテナのボアサイトは、その所与の
指定されたサービス領域からサテライトが見える全時間
中にそのサービス領域を中心とするように保たれる。こ
れにより、ビームからビームへの引き継ぎを実際上排除
するような本質的に固定のビームパターンが得られる。
もう1つの重要な特徴は、あるサテライトから別のサテ
ライトへサービスが移行する間に2つの相次ぐサテライ
トによって各サービス領域の通信可能域を重畳するよう
な構成にある。この重畳インターバル中に生じる全ての
通話は、到着するサテライトに指定される。それ故、離
れていくサテライトがその新たなサービス領域へ向きを
変えるときにサテライトからサテライトへの引き継ぎを
受けるのは、重畳インターバルの前に生じて重畳インタ
ーバルを越えて継続する通話のみである。
【0006】本発明の1つの好ましい実施例において
は、9個のサテライトの群により最小仰角10°で常に
少なくとも1つのサテライトが地球を完全に全世界的に
カバーするように構成される。このサテライト群は、赤
道に対してノードが120°の間隔で上昇するように地
球に対して等間隔に配置された3つの傾斜した円形軌道
平面を含んでいる。各軌道には3つのサテライトが配置
され、5600海里の高度において120°の等間隔で
配置される。各軌道平面は、赤道平面に対して55°の
角度に傾斜される。本発明の別の好ましい実施例におい
ては、12個のサテライトの群により最小仰角10°で
常に少なくとも2つのサテライトが地球を全世界的にカ
バーするようにする。このサテライト群は、9サテライ
ト群の場合と同じ特性をもつ3つの傾斜した円形軌道平
面を含んでいるが、各軌道には4つのサテライトが90
°の等間隔で配置される。更に別の2つの実施例では、
楕円軌道を使用して、最低仰角10°で常に各々少なく
とも1つ及び少なくとも2つのサテライトが地球を半球
状にカバーするようになっている。
【0007】以上の説明から、本発明がサテライトをベ
ースとするセル式遠隔通信システムの分野に著しい進歩
をもたらすことが明らかであろう。本発明の他の特徴及
び効果は、本発明の原理を一例として示した添付図面を
参照した以下の詳細な説明より明らかとなろう。
【0008】
【実施例】解説のための添付図面に示すように、本発明
は、サテライトをベースとするセル式遠隔通信システム
であって、中間地球軌道にある通信サテライトの群を使
用して最小数のサテライトで世界的規模のセル式電話サ
ービスを果たす多ビーム高周波(RF)通信リンクを形
成するようなシステムにおいて実施される。通信サテラ
イトは、地球に対して約5600ないし10000海里
の高度において複数の傾斜した軌道に配置される。軌道
の数、軌道の傾斜度、各軌道におけるサテライトの数及
びサテライトの高度といった軌道の特性は、サテライト
の通信可能領域及びそれに関連した視線仰角を最大にす
る一方、伝播時間遅延、ビームからビーム及びサテライ
トからサテライトへの引き継ぎの回数及びサテライトの
総数を最小にするように調整される。又、本発明は、ビ
ームからビーム及びサテライトからサテライトへの引き
継ぎを本質的に除去することによって欠落のおそれを著
しく減少するという多数の付加的な特徴も備えている。
【0009】図1は、本発明によるサテライトをベース
とするセル式通信システムを示している。このセル式通
信システムは、中間地球軌道にある通信サテライト10
の群(コンステレーション)と、サテライトからサービ
スを受ける各々の領域に配置されたゲートウェイステー
ション12と、サテライト10のサービス領域に配置さ
れた複数のセル式移動電話14とを備えている。又、こ
のセル式の移動電話14は、移動ファクシミリマシン及
びモデム搭載のコンピュータを含むことができる。通信
サテライト10は、2つの多ビームアンテナ16、18
を用いてセル式の移動電話14と多ビームRF通信リン
クを構成すると共に、2つのアンテナ20、22を用い
てゲートウェイステーション12とRF通信リンクを構
成する。多ビームアンテナ16は、セル式の移動電話1
4から周波数帯域F1のRF信号を受け取る。次いで、
サテライト10は、このRF信号を増幅し、変換し、ア
ンテナ20を用いて周波数帯域F2でゲートウェイステ
ーション12へ送信する。ゲートウェイステーション1
2は、トランクラインによって局内及び長距離電話ネッ
トワーク24に接続されており、このネットワークは固
定電話26への接続を果たす。RF信号は、ゲートウェ
イステーション12から周波数帯域F3で通信サテライ
ト10へ送信されて戻され、アンテナ22を用いて受信
される。次いで、サテライト10は、このRF信号を増
幅し、変換し、多ビームアンテナ18を用いて周波数帯
域F4でセル式移動電話14へ送信する。
【0010】本発明のセル式通信システムの種々のユー
ザ間では種々の形式の接続が考えられる。移動電話ユー
ザは、サテライト10の同じサービス領域又は別のサテ
ライト10のサービス領域にいる別の移動電話ユーザと
通信することもできるし、或いは世界中のどこかにいる
固定電話ユーザと通信することもできる。同じサービス
領域内にいる別の移動電話ユーザと通信する場合には、
RF信号がセル式移動電話14からサテライト10へと
アップ方向に送信され、次いで、ゲートウェイステーシ
ョン12へとダウン方向に送信され、サテライト10へ
とアップ方向に戻され、そして他の移動セル式電話へと
ダウン方向に送られ、そして今度はこの逆に送られる。
この形式の接続では、ダブルホップが必要となり、即ち
伝播時間遅延が2倍となる。異なったサービス領域内に
いる別の移動電話ユーザと通信する場合には、RF信号
が移動セル式電話14からサテライト10へアップ方向
に送信され、次いで、ゲートウェイステーション12へ
ダウン方向に送信され、そして必要に応じて局内及び長
距離ネットワーク24を経て他のサービス領域のゲート
ウェイステーション12へ送られ、次いで、該他のサー
ビス領域のサテライト10へアップ方向に送信され、次
いで、他の移動セル式電話14へとダウン方向に送信さ
れ、そして今度はこの逆に送信される。この形式の接続
でも、ダブルホップが要求される。固定電話ユーザと通
信する場合には、RF信号が移動セル式電話14からサ
テライト10へ送信され、次いで、ゲートウェイステー
ション12へ送られ、必要に応じて局内及び長距離ネッ
トワーク24を経て固定電話26へ送られ、そして今度
は逆に送られる。この形式の接続ではシングルホップし
か要求されない。
【0011】本発明の別の実施例においては、サテライ
ト10が同じサービス領域内にいる移動電話ユーザ間の
通信を行うようにゲートウェイステーション12の機能
を果たし、従って、シングルホップしか要求されない。
この形式の接続では、RF信号がセル式移動電話14か
らサテライト10へとアップ方向に送られ、サテライト
10はRF信号に対して信号処理を実行して多ビーム間
に必要なスイッチングを果たし、次いで、RF信号は他
の移動セル式電話14へと送り返され、そしてその逆に
行われる。
【0012】伝播時間遅延は、通信サテライト10の高
度と、サービス領域における移動セル式電話14の位置
とによって決まる。本発明では、5600ないし100
00海里の高度においてサテライト10から地上へそし
てその逆の時間遅延は60ミリ秒に制限される。それ
故、シングルホップの時間遅延は120ミリ秒に制限さ
れる。5600海里の高度においては、サテライト10
の真下に位置した2つの移動セル式電話14間のシング
ルホップ時間遅延が69ミリ秒であり、一方、最小仰角
10°に離された2つの移動セル式電話14間のシング
ルホップ時間遅延が96ミリ秒である。
【0013】サテライトが最小仰角10°にあるときに
最大距離にある地上のステーションからサテライトへア
ップ方向にそしてそのステーションへダウン方向に戻る
シングルホップに対するステーションからステーション
までの伝播時間とサテライトの高度との関係を以下に示
す。 サテライト ステーションから ステーションから の高度 サテライトまでの ステーションまで 最大伝播距離 の最大伝播時間 (海里) (海里) (ミリ秒) 5500 7656 94 6000 8191 101 6500 8724 108 7000 9255 115 7500 9782 121
【0014】セル式移動電話14及びゲートウェイステ
ーション12は、少なくとも10°の仰角において常時
サテライト10の視野内にある。サテライト10が特定
のサービス領域にあるセル式移動電話14の視野から外
れると、サテライト群の別のサテライト10がその視野
に入る。各サテライト10はアンテナの通信範囲(フッ
トプリント)が比較的狭く、サテライトの全視野領域よ
り相当に小さい。これは、出力や複雑さの制約から全視
野領域に応じることが不可能だからである。
【0015】サテライト10によって実際にカバーされ
るサービス領域は、多ビームアンテナ16、18の複合
通信可能領域によって決定され、これは約23°の複合
通信可能領域に対して19本のビームを有する。約35
°の複合通信可能領域に対しては37本のビームを発生
するように多ビームアンテナに別の供給リングを追加す
ることができる。各ビームは約5°の視野(FOV)が
あり、無指向性アンテナを有する1/2Wのセル式移動
電話14と作用可能である。
【0016】又、本発明は、ビームからビーム及びサテ
ライトからサテライトへの引き継ぎを本質的に排除して
欠落のおそれを著しく減少した多数の付加的な特徴も備
えている。これら重要な特徴の1つは、各サテライトの
軌道中に各サテライトを一連の固定サービス領域に指定
することである。サテライトアンテナ16、18のボア
サイトは、指定のサービス領域を中心とするように保持
され、アンテナ20、22が適当なゲートウェイステー
ションを指すようにジンバル支持されてそのサービス領
域からサテライトが見えるようにされる。それにより生
じるほぼ固定のアンテナビームパターンがビームからビ
ームへの引き継ぎを実質上排除する。アンテナのボアサ
イトは、宇宙船10の姿勢を調整するか又はジンバル支
持されたアンテナを回転することによりサービス領域を
中心とするように保たれる。
【0017】本発明の別の重要な特徴は、あるサテライ
トから別のサテライトへサービスが移行する間に2つの
連続するサテライトによって各サービス領域の通信可能
域を重畳させることである。この重畳インターバル中に
生じる全ての通話は、到着しつつあるサテライトに指定
される。それ故、離れていくサテライトがその新たなサ
ービス領域へ向きを変えるときには、重畳インターバル
の前に生じていてその重畳インターバルを越えて行われ
る通話のみがサテライトからサテライトへの引き継ぎを
受ける。
【0018】本発明の好ましい実施例においては、通信
サテライト10の群が3つの傾斜した軌道平面を有し、
これら平面は、上昇するノードが赤道に対して120°
の間隔となるように地球に対して均一に離間される。サ
テライト10は、5600ないし10000海里の高度
の中間地球軌道に配置される。この高度範囲は、バン・
アレン放射ベルトを越えるものであるが、地球同期軌道
の高度より実質的に低いものである。これは、最小数の
サテライトで過剰な電力を必要とせずに良く見えるよう
にする。通信サテライト10の少なくとも1つは、少な
くとも10°の仰角において各セル式移動電話14及び
ゲートウェイステーション12から常時見ることがで
き、影をなくすことができる。
【0019】図2は、最小仰角10°で常時少なくとも
1つのサテライト10によって地球を全世界的にカバー
することのできるサテライト9個の群を示している。こ
れら9個のサテライトは、3つの円形軌道平面P1、P
2、P3に配置され、3つのサテライト30a−30c
は軌道平面P1に配置され、3つのサテライト32a−
32cは軌道平面P2に配置され、そして3つのサテラ
イト34a−34cは軌道平面P3に配置される。これ
らのサテライトは、5600海里の高度において各軌道
平面内に120°の間隔で均一に離間される。各軌道平
面は、赤道に対して55°の角度で傾斜される。異なっ
た軌道平面にあるサテライト間の相対的な位相角度は8
0°である。それ故、サテライト群の1つのサテライト
がユーザの視野から消える前に、少なくとも1つの別の
サテライトが10°の仰角より上で視野に入る。
【0020】図3は、最小仰角10°で常時少なくとも
2つのサテライトによって地球を全世界的にカバーする
サテライト12個の群を示している。これら12個のサ
テライトは、3つの円形軌道平面P1、P2、P3に配
置され、4つのサテライト30a−30dは軌道平面P
1に配置され、4つのサテライト32a−32dは軌道
平面P2に配置され、そして4つのサテライト34a−
34dは軌道平面P3に配置される。これらのサテライ
トは、5600海里の高度において各軌道平面内に90
°の間隔で均一に離間される。各軌道平面は、赤道に対
して55°の角度で傾斜される。異なった軌道平面にあ
るサテライト間の相対的な位相角度は90°である。
【0021】通信サテライトの群が円形軌道にあるの
は、地球を全世界的にカバーするために好ましいことで
あるが、片方の半球のような限定された領域をカバーす
るためには通信サテライトの群が楕円軌道にあることが
好ましい。図4は、最小仰角10°で常時少なくとも1
つのサテライトによって地球の半球をカバーするサテラ
イト6個の群を示している。これら6個のサテライト
は、3つの楕円軌道平面P4、P5、P6に配置され、
2つのサテライト30a−30bは軌道平面P4に配置
され、2つのサテライト32a−32bは軌道平面P5
に配置され、そして2つのサテライト34a−34bは
軌道平面P6に配置される。各軌道平面は、遠地点高度
6300海里、近地点高度600海里、傾斜角度63.
4°、上昇ノード間隔120°、近地点偏角270°、
及び異なる軌道におけるサテライト間の相対的な位相角
180°によって定められる。遠地点をサテライトが到
達する最北緯度(傾斜角度にも等しい)に置くことによ
り、北緯のカバー周期が最大にされる。
【0022】図5は、最小仰角10°で常時少なくとも
2つのサテライトによって地球の半球をカバーするサテ
ライト9個の群を示している。これら9個のサテライト
は、3つの楕円軌道平面P4、P5、P6に配置され、
3つのサテライト30a−30cは軌道平面P4に配置
され、3つのサテライト32a−32cは軌道平面P5
に配置され、そして3つのサテライト34a−34cは
軌道平面P6に配置される。各軌道平面は、遠地点高度
6300海里、近地点高度600海里、傾斜角度63.
4°、上昇ノード間隔120°、近地点偏角270°、
及び異なる軌道におけるサテライト間の相対的な位相角
180°によって定められる。
【0023】 通信可能領域 全世界的 半球 単 一 二 重 単 一 二 重 サテライト数 9 12 6 9 軌道平面数 3 3 3 3 平面当りのサテライト数 3 4 2 3 遠地点高度(海里) 5600 5600 6300 6300 近地点高度(海里) 5600 5600 600 600 傾斜角度 55° 55° 63.4° 63.4° 上昇ノード間隔 120° 120° 120° 120° 近地点偏角 0° 0° 270° 270° 相対位相角 80° 90° 180° 180° 最小仰角 10° 10° 10° 10°
【0024】単一サテライトでカバーするサテライト群
を最初に形成し、そして3個のサテライトを追加するだ
けで二重カバー構成とするように後でそのカバー範囲を
拡張することができる。これに対し、二重カバーのサテ
ライト群は、各軌道平面内の1つのサテライトが故障し
た場合でも完全なサービスが失われないようにすること
ができる。つまり、軌道平面内の残りのサテライトの位
置を調整し、故障サテライトが修理されるか又は交換さ
れるまで単一カバーとすることができる。
【0025】以上の説明から、本発明は、サテライトを
ベースとするセル式通信システムの分野に著しい進歩を
もたらすことが明らかとなろう。本発明の幾つかの実施
例を図示して説明したが、本発明の精神及び範囲から逸
脱せずに別の適用及び修正がなされることが明であろ
う。それ故、本発明は、上記説明に限定されるものでは
なく、特許請求の範囲のみによって規定されるものとす
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるサテライトベースのセル式通信シ
ステムの概略図である。
【図2】地球を全世界的に単一カバーする通信サテライ
ト群の概略図である。
【図3】地球を全世界的に二重にカバーする通信サテラ
イト群の概略図である。
【図4】地球を半球状に単一カバーする通信サテライト
群の概略図である。
【図5】地球を半球状に二重にカバーする通信サテライ
ト群の概略図である。
【符号の説明】
10 通信サテライト 12 ゲートウェイステーション 14 セル式移動電話 16、18 多ビームアンテナ 20、22 アンテナ 24 局内及び長距離電話ネットワーク 26 固定電話
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロジャー ジェイ ラッシュ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90274 パロス ヴァーデス エステー タス ヴィア ファーナンデス 1521 (56)参考文献 特開 平2−179035(JP,A) 特開 平2−95291(JP,A) 特開 昭62−219727(JP,A) 特開 平1−272235(JP,A) 特開 昭60−153231(JP,A) 木村小一「衛星航法」再版、PP. 113−121、昭和53年9月1日、海文堂出 版株式会社 日本測地学会編「新訂版GPS−人工 衛星による精密測位システム−」PP. 193−195、1989年11月15日、社団法人日 本測量協会 宮 憲一編「衛星通信工学」PP.25 −29,昭和44年(1969年)6月30日、株 式会社ラティス JAMES MARTIN:”COM MUNICATION SATELLI TE SYSTEMS”,PP.41− 60,1978,PRENTICE−HAL L,INC. W.J.BRAY:”SATELLI TE COMMUNICATIONS SYSTEMS”,POST OFFI CE ELECT.ENG.J.,55 PART2(JULY 1962),PP. 97−104 川橋 猛編著「衛星通信」5版、P P.8−9、昭和56年6月25日、株式会 社コロナ社 日本AMSAT編[アマチュアの衛星 通信」2版、PP.69−72、昭和50年2 月28日、CQ出版株式会社 「CQ ham radio]第43 巻・第11号、PP.214−221、昭和63年 11月1日、CQ出版株式会社

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無線周波数エネルギー(RF)を受信す
    る全方向アンテナを有する少なくとも1つの携帯移動セ
    ルラー電話ステーションを備え、 少なくとも1つの別の電話ステーションを備え、 前記移動セルラー電話ステーションと前記別の電話ステ
    ーションとは地球の所定範囲内で相互に隔置されてお
    り、 地球上の空間に配置され前記移動セルラー電話ステーシ
    ョンと前記別の電話ステーションとのRF変換通信リン
    クを確立する衛星コンステレーション手段を備え、 前記衛星コンステレーション手段が複数の通信衛星を含
    み、 前記衛星の各々は多数のRF出力ビームを有するRF受
    信手段を含み、それにより、前記移動セルラー電話ステ
    ーションと前記別の電話ステーションとの間に通信路が
    確立されており、 前記衛星は、高度約10360kmと18500kmの
    間において、地球の赤道面に対して所定の角度で傾斜し
    た複数の軌道内で隔置され移動しており、前記軌道の
    数、 各軌道の傾斜、 各軌道内の衛星の数、及び衛星の高度、のようなこれら
    の軌道の特性は、衛星のカバー領域およびその視線仰角
    を最大にする一方で、伝播時間の遅延、ビームとビーム
    および衛星と衛星との引継ぎの回数並びに衛星の数を最
    小にするように調整され、 ビームとビームの引継ぎは、固定サービス領域に各衛星
    を割当て、衛星からサービス領域が見えている間、サー
    ビス領域の中心に衛星のアンテナボアサイトを維持する
    ことによりさらに減少され、 離れていく衛星のカバー部分の一部が、到達する衛星の
    カバー部分の一部と重畳し、 カバー部分の重畳領域内に位置するユーザへの又はユー
    ザからのコールは前記到達衛星に割り当てられる、 ことを特徴とする衛星をベースとするセルラー通信シス
    テム。
  2. 【請求項2】 衛星の高度は、アンテナのボアサイトが
    サービス領域の中心に維持されるように調整される請求
    項1に記載の衛星をベースとするセルラー通信システ
    ム。
  3. 【請求項3】 アンテナは、ジンバル固定され、アンテ
    ナボアサイトをサービス領域の中心に維持するように回
    転される請求項1に記載の衛星をベースとするセルラー
    通信システム。
  4. 【請求項4】 前記軌道はほぼ円形である請求項1に記
    載の衛星をベースとするセルラー通信システム。
  5. 【請求項5】 衛星とのRF通信リンクを確立するため
    に各サービス領域にゲートウェイステーションをさらに
    含む請求項1に記載の衛星をベースとするセルラー通信
    システム。
  6. 【請求項6】 前記仰角は、常に少なくとも10゜であ
    る請求項1に記載の衛星をベースとするセルラー通信シ
    ステム。
  7. 【請求項7】 前記受信手段は、約35゜の合成足跡カ
    バーのための多数のRF出力ビームを有する請求項1に
    記載の衛星をベースとするセルラー通信システム。
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