JP3086440B2 - 傾斜した静止衛星軌道の配置の調整可能なシステム - Google Patents
傾斜した静止衛星軌道の配置の調整可能なシステムInfo
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Description
なシステム、特に衛星軌道により限定される平面が地球
の赤道平面に関して傾斜しており、衛星の配置が体系的
に調整された方法でそれぞれ位相調整され、それによっ
て周波数の再利用を可能にし促進するシステムに関す
る。
そのような軌道によって提供される経済的利点のために
数十年間、広範囲にわたって使用されている。地球静止
軌道では、地球が回転する方向と同一方向および同一の
角速度で地球の赤道の上空を飛行する衛星は地球上の1
点に静止しているように見える。これらの衛星は常にサ
ービスエリア内の全ての位置で“可視”であり、それ
故、その利用効率は実効的に100%である。地球上の
アンテナは一度だけGSO衛星を指向する必要があり、
追跡システムは必要ではない。
スのタイプにしたがって角度的に分割されている指定ス
ロットを指定して割当ることにより行われる。
球静止“ベルト”には有限数の利用可能な“スロット”
しか存在しない事実を仮定すると、地球静止“ベルト”
はKuバンド(18GHzまで)にわたる所望な周波数
帯域で動作する衛星で基本的に満たされている。結果と
して、政府は不足が増加している残りのスロットを競売
している。これは低地球軌道(LEO)、中間地球軌道
(MEO)、例えばKaバンド(約40GHzまで)の
ような高い周波数を使用するシステムを含む複雑で高価
な新しいシステムの開発を促進している。
技術および普及に関する困難な問題により制限され、衛
星応用の拡張は宇宙空間(即ちGSOベルトの上および
下)の開発を必要とする。提案された多数のLEOおよ
びMEOシステムはこの方向の例である。
EOシステムの特許出願は重大な問題を誘起した。周波
数の調整および共用はこれらのシステムの見通し線の交
差が体系的に組織されていないので難しい。これは非地
球静止軌道(NGSO)による効率的なスペクトル使用
を著しく妨害する潜在性を有する。
衛星サービスの調整可能な開発に対する大きな潜在性を
提供するが、傾斜された静止軌道(IGO)の調整可能
なシステムを体系的な方法で開発する試みは過去に知ら
れていない。
ルの12時間の楕円形軌道である。ソ連の通信衛星(モ
ルニヤ 1A、1965年4月)は1グループ当たり共通の
地跡線を3または4つの衛星と共有した。数年にわたっ
て、多数のコスモス衛星は軍事目的でこれらの高い楕円
モルニヤ軌道(遠地点44,000km、近地点400
km、楕円ドリフトを最小にするため63度傾斜)を使
用した。(本発明と比較して)これらの12時間軌道の
大きな相違と制限は、調整可能な成長(増加)を妨げて
しまう回避不能のトラック内交差と、所定の地域の低い
カバー効率と、低い近地点軌道に伴った大気のドラッグ
による限定された動作寿命と、バンアレン帯の航行を含
んでいることである。12時間軌道はまた一日に少なく
とも4回のハンドオフを必要とする。これらの理由で、
これらの軌道は地域を絞っている大きな調整されたシス
テムへ適合できない。
静止軌道中に入った劣化した多数の古い衛星を示してい
るが、これは単にステーションを維持する燃料の消耗に
よるものである。種々の従来技術はある程度の能力で機
能するが、以下十分に説明するように本発明の静止衛星
軌道の調整可能なシステムの有する利点は開示されてい
ない。
合することができる静止衛星サービスを開発するための
フレームワークを提供することである。別の目的は、地
球静止サービスの方法に類似している容易に調整するこ
とのできる方法で地域(静止)衛星からのスペクトルの
周波数再使用を可能にすることである。さらに別の目的
は、さらに高い周波数へ拡張する技術および財政上の問
題を阻止または遅らせることである。さらに別の目的
は、全地球規模のカバー区域ではなく優先的に特定の半
球または地域的カバー区域を設けることである。付加的
な目的は、低地球軌道(LEO)を使用するシステムお
よび中間地球軌道(MEO)を使用するシステムよりも
利用効率が大きい衛星システムを提供することである。
に関して傾斜した静止衛星軌道の衛星位置の調整が可能
なシステムは、各衛星位置が、複数の衛星軌道集団の中
の1つを形成する複数の衛星軌道の中の1つに位置され
ており、特定されたサービス区域内で特定の期間中最適
な衛星のカバー区域を実現するために、地球の赤道平面
に関して傾斜した静止衛星軌道の配置の調整可能なシス
テムに含まれることが可能な最大数の衛星の位置を表し
ている複数の衛星位置と、複数の衛星軌道集団のうちの
任意の1つにおいて存在する各衛星軌道が、地球の赤道
平面および同じ衛星軌道集団内の複数の衛星軌道のうち
の他のそれぞれ1つの衛星軌道の軌道平面の両者に関し
て特有の傾斜を有する軌道平面を定めており、同一の遠
地点を有する複数の衛星軌道と、地球表面上に仮想の地
跡線を生成するように地球の中心から軌道衛星位置まで
延在する直線により地球表面上を繰返しトレースしたサ
ブ衛星点の軌跡とを有し、地跡線は、複数の衛星軌道集
団のうちの任意の1つに存在する軌道衛星位置によりト
レースされ、他の衛星軌道集団内の軌道衛星位置により
トレースされた地跡線内で限定される領域とは異なった
領域を限定し、第1のセットの地跡線を形成するために
第1の対称経度について相互にほぼ対称的に入れ子状に
されており、複数の衛星軌道集団のそれぞれにおける衛
星位置は相互に調整され、複数の衛星位置を占有しかつ
同一の周波数を使用している衛星間で、地球の中心から
見たときに最小の特定された角度分離が得られるように
衛星位置を調整することを特徴とする。
ドウェアを使用してC、Ku、Kaバンドにわたるスペ
クトルをより広範囲に使用することである。別の利点
は、本発明は、低高度(LEOおよびMEO)軌道で生
じる周波数の調整とスペクトル再使用の困難な問題を回
避することである。本発明の特徴は、配置の調整可能な
軌道空間の容量を大きな係数により地球静止軌道(GS
O)ベルトの容量を越える数に拡張するための規則的な
方法を提供することである。本発明の別の特徴は、一日
の時間帯のうち適切な時間に関して特別なサービス地域
のサービスウィンドウを中心とするように調節されるこ
とができることである。
の目的、利点および特徴を実現するため、それぞれ潜在
的な衛星位置である複数の調整され同期されたセットの
移動“スロット”が設けられる。本発明の目的、利点、
特徴は添付図面を伴って、本発明を実行する最良のモー
ドの以下の詳細な説明から容易に明白である。
れに付随する多数の利点および特徴は添付図面を考慮し
た以下の詳細な説明を参照して容易に得られ、同一の参
照符号は全体を通じて対応する部分を示している。本発
明の本質は多数のセットの地跡線を設定することであ
り、これらの地跡線は散在され、インターリーブされ、
および/または地上で隔てられ、可能なスロット数を最
大にする方法で多数の移動スロットが設けられおり、任
意の2つの能動スロット間に特定化された最小の角分離
を常に維持している。
ている僅かに楕円の衛星軌道の調整可能なシステムが、
世界中の地球静止ベルトの上またはその下の緯度で移動
する“スロット”の“ハイウェイ”を形成することによ
りスペクトルの再使用を可能にする。それぞれの複数の
反復地跡線またはハイウェイは多数の衛星軌道および、
したがってスロットにより共有され、同じ周波数を使用
している他のスロットと最小の特定化された角度分離が
達成されるように各スロットは位相調整される。
によって地球表面上を繰返しトレースする人工衛星点の
軌跡を表す仮想線である。地跡線(したがって軌道)パ
ラメータは特定化された形態を実現するように選択さ
れ、特定化された対称の経線に位置され、それによって
分離角度、サービスカバー区域、上下角、時間のカバー
範囲についての特定化された制限を考慮してスロットの
総数を最大にする。対称経線は地跡線が対称的に位置さ
れている経線である。
関する多数の衛星システムは、低地球軌道(LEO)と
中間地球軌道(MEO)システムで経験するような周波
数共有の難点と対照的に、最小の調整で済むハイウェイ
構造の状況で構成システムとして動作し、地球静止ベル
トの容量制限がない。
成することによって、特定化された地理的区域を最初に
部分的にカバーし、最大の容量に到達するまで時間にわ
たって体系的な拡張の連続を可能にする。体系的な拡張
は予測可能な衛星位置を実現し、全ての周波数帯域を他
の通信ステーション、宇宙、地球、移動体の周波数帯域
に調整し、それによって種々のサービスを行う。
球軌道および中間地球軌道システムを使用するシステム
よりも大きな利用効率で動作する。低地球軌道および中
間地球軌道システムを使用するシステムは約75%の時
間、必然的に海洋を横断するが、本発明システムは少な
くとも50%の利用効率を有する。
バー区域ではなく経線の特定の範囲をカバーするための
構成システムを与える。これはサービスのターゲットを
特定して絞ることを可能にし、また選択された市場エリ
アに合わせた段階的な増加を可能にする。システムはま
たサービス区域で最適な時間に最良に利用されるように
サービスウィンドウを特別に位置付けるように設計され
ており、半球特定(北−南)可視性における設計の偏り
は離心率から生じる。
与えられているが、最終的な設計値ではないことを理解
すべきである。また多数の衛星の潜在的な軌道が限定さ
れているが、移動スロットは実際に限定されており、各
スロットは少なくとも1つの衛星を受け入れることがで
きるが、空であるかまたは種々のサービスクラスの1以
上の衛星を含んでいる。簡単にするため、用語“衛星”
および“スロット”はここでは互換可能に使用されてい
る。
のグラフが示されており、それぞれ複数の静止衛星が潜
在的に集群している。背景は地球の主要な部分の等方形
投影地図であり、赤道は緯線がゼロで表されている。緯
線の隣接する線の間の角度の距離は20度であり、経線
の隣接する線(赤道における)の間の角度の距離は50
度である。この背景には多数の地跡線11がセットで示さ
れており、全体が符号12で示されている。
示された地跡線に関する衛星通路の地球表面(北緯50
度、経度0度)上の観測位置からの視界である。(比較
を容易にするため参照符号11、12でそれぞれ示されてい
る)中心セットが示されており、各セット12の最も外側
のトラックが横に配置されている。極座標は北を上に、
東を左にし、一定の上下角の線は原点(天頂90度)を
中心とする円であり、水平線(高度0度)は外円であ
る。
品質測定は任意の2つの能動衛星間の最小の角間隔であ
る。この要件は関連するアンテナサイズのためにサービ
スのタイプに応じて異なっており、例えばGSOのKu
バンドの間隔は固定衛星サービス(FSS)では通常2
度であり、放送衛星サービス(BSS)では9度であ
る。本発明の構造は種々に構成されなければならず、例
えば1以上の周波数帯域で使用するには、このような多
様なビジネスに適合するように構成されなければならな
い。
見たときのように表されることが好ましく、これは2つ
の衛星が見える地球の表面上の任意の点(特に所定のサ
ービス区域内)から見られるときの角度値を限定する。
この最小の所望な間隔はφで示される。
を参照符号10で示されている本発明の調整可能なシステ
ムは調整された衛星のセットを有する複数の地跡線12を
含んでおり、その代表例は参照符号14(図2)で示され
ている。各セットは少なくとも1つの衛星14を含んでい
る。全ての衛星14は地球の周囲の静止軌道で動作する。
参照のために、図2および9では、地球静止ベルトがプ
ラス(+)符号で示されている。
る通路は地球表面上の各仮想地跡線11を投影する。各地
跡線により達成される最大の緯度はそれぞれの軌道の傾
斜に等しい。各地跡線に関する衛星14のセットは各他の
地跡線に関係する衛星セットと調整され、それによって
特定のサービス区域で許容可能な衛星14の総数を最大に
する。このセットはサービス区域内の任意の点から見ら
れるとき特定の最小分離角度を維持するように調整され
る。
クの階層から形成され、これは地跡線、軌道、衛星が集
群する地跡線、入れ子状にされた地跡線のセット、縦方
向に隔てられた地跡線のセットを含んでいる。これらの
全ては、周期または半長軸、傾斜、離心率、対称経度、
昇交ノードの経度、近地点のアーギュメント、真の近点
離角(または近地点からの時間)を含んでいる複数のパ
ラメータにより限定される。パラメータの選択は各地跡
線の軌道の集団および、種々の地跡線を生成するために
行われる。パラメータ選択は所定のレベルの制限により
限定され、場合によっては高いレベルにおける制限また
は選択により限定される。
の回転周期と同一の回転周期を有しているという基本的
な特性が固有である。本発明の傾斜した静止軌道で動作
する衛星は地球の回転周期、即ち恒星日と同一の回転周
期を有する。周期は23.93447時間または約23
時間56分であり、地球静止衛星の周期と一致し、それ
によって(GSOの場合、時折、地上制御により微調節
して)地跡線は限定された区域内の経度で日々を反復す
る。
映するので、ビルディングブロック階層の最低レベルは
地跡線である。図3および4で例示されているように、
静止衛星は反復して地跡線を移動し、その地跡線の形態
は傾斜、離心率、近地点のアーギュメントの関数であ
る。地跡線の対称経度の位置は特定の設計選択である。
は40度の傾斜で軌道の離心率がそれぞれ0.000、
0.070、0.140、0.210、0.280であ
る。
はそれぞれ−90.0度、−45度、0.0度、45.
0度、90.0度の近地点アーギュメントに関連され、
傾斜は40度であり、離心率は0.07である。
的で使用した単なる例であり、普遍的に理想的なものと
してここで示されているわけではない。図3、4では、
遠地点16をプラス(+)符号で示し、近地点を点18で示
し、90度(6時間)の真の近点離角を点20で示し、−
90度(−6時間)の真の近点離角を点22で示してい
る。
垂直軸についての対称を具体的に示している。これらは
−90度の近地点のアーギュメントを選択することによ
り生成される。この選択は50%の停滞時間を有する北
半球で好まれる。好ましい実施形態は適度の離心率、即
ち地跡線の自己交差を阻止するのに十分な大きさの離心
率を使用し、それによって必要な分離角度φを維持しな
がら地跡線を占有することができる衛星数を最大にす
る。
って可能なその他の地跡線形態の例を示している。+9
0度の近地点のアーギュメントで、図3の地跡線の鏡像
が南半球では好ましい。
され、実質上数に限定のない可能な衛星軌道を表してい
ることを注意することである。各軌道は地球の赤道平面
に関して等しく傾斜されている平面上で楕円形である。
各軌道平面の方向は傾斜と、昇交ノードの経度により表
される。
トレースする各個々の衛星の軌道パラメータは明細を必
要とする。近地点または真の近点離角(楕円軌道におけ
る地球の中心についての角度)は所望の対称の経度の対
応する位置付けのように設計上の選択である。
ット(別の調整フレームワークおよび変形)もシステム
を説明するために使用される。地理的に固定され、反復
する地跡線に基づいた本発明のセットは概念を理解する
のに最も容易な記述子のセットである。
軌道を限定することは特定化する付加的なパラメータを
必要とする。好ましくは時間において等間隔の(他の可
能性も認識されている)地跡線の衛星の数は必要な分離
角度φにより限定される設計選択である。
ており、それによって1つの地跡線内のシステム容量を
増加し、キーパラメータを示す。35度の傾斜と、0.
251の離心率と、−90度の近地点アーギュメント
と、0度の対称経度を有する軌道に関する地跡線が示さ
れている。
のセットは、図6に示されているように互いの内側に連
続して入れ子状にされてもよい。図2のように、衛星の
表示例は参照符号14により示されている。地跡線間の間
隔は各地跡線の形状パラメータの選択により選択され
る。好ましい方法は保守的であり、任意の点の地跡線間
の全ての方向に幅φ以上の完全な保護バンドを割り当て
る。この方法では、各地跡線内の位相調整は他と独立し
ている。離心率の他の値、より密な間隔、トラック内の
位相同期が本発明の技術的範囲を逸脱することなく選択
されることのできる本発明の一部であることを当業者は
理解するべきである。
ているように多数の衛星を有する多数の地跡線の多数の
セットを経線で間隔を隔てて付加することにより実現さ
れ、それによって世界規模のカバー区域を提供される。
図2のように、衛星の表示例が参照符号14により示され
ている。衛星間のクロスリンクが構成サブシステム内に
設けられており、全地球規模の通信連結を行う。
一である必要はなく、図8は幾つかの入れ子状にされた
グループが他のグループに関して反転している逆の例
(近地点のアーギュメントが+90度)を与えている。
図2のように、衛星の表示例が符号14で示されている。
多数の他のパラメータの組合わせがこの明細書の文脈内
で可能である。
ことに加えて、傾斜した静止軌道の調整可能なシステム
は重要な性能の利点を与える。傾斜した静止軌道は使用
者に1つの衛星につき長期間にわたって(地球静止軌道
よりも)高い上下角を与える。−90度の近地点のアー
ギュメントをもつ離心率を使用することによって、この
利点は北半球の使用者を支援する。
トに対して北緯50度、経度0度の使用者の静止軌道に
おける上下角の利点を示している。図9は図5により示
されている地跡線に関連する衛星が空を横切ってトレー
スする通路の図を示している。比較を容易にするため通
路および衛星はまたそれぞれ符号11、14で示されてい
る。図2のように、衛星の表示例は参照符号14で示され
ている。傾斜し楕円形の地跡線の北方向の偏りは図3を
参照することによって明白であり、6時間の点がマーク
されている。高い上下角の別の衛星へのハンドオフが、
LEOまたはMEOよりも少数のシステム衛星を使用
し、より長い滞留時間で本発明において行われる。参照
のために、図2、9では、静止ベルトはプラス(+)符
号で示されている。
用係数はGSOベルト衛星の利用係数よりも必然的に小
さく、それによって100%であるが、MEOとLEO
の衛星の利用係数を超過する。通常50%以上の利用率
を有し北緯で好まれている離心率のバイアスを有する地
跡線はまた40%までの利用率で南緯でも使用可能であ
り、特に高い傾斜の地跡線ではGSOベルトを横切ると
きに数パーセントの損失があるだけである。
を最大にする調整可能なシステム設計全体を生成するた
めに全てのパラメータが調節を受け、各ビルディングブ
ロック決定点で多数の基準を受ける。
良の構成例を示したものであるが、前述のパラメータセ
ットおよび基準内の別の選択によってある性能測定で最
良にされることが可能である。
発明の関連技術に類似した技術が特許請求の範囲で定め
られている本発明を実施するため種々の代わりの設計お
よび実施形態を認識するであろう。
の衛星地跡線の可能なセットを示している等方形投影地
図。
の一部の極座標図。
の図。
他の可能な地跡線形状の図。
し、キーパラメータが示されている多数の衛星の図。
ムの容量を増加した多数の占有地跡線の図解。
加した多数の占有が多い地跡線の図解。
の占有が多い地跡線の図解。
下角の利点の図解。
Claims (10)
- 【請求項1】 各衛星位置が、複数の衛星軌道集団の中
の1つを形成する複数の衛星軌道の中の1つに位置され
ており、特定されたサービス区域内で特定の期間中最適
な衛星のカバー区域を実現するために、地球の赤道平面
に関して傾斜した静止衛星軌道の配置の調整可能なシス
テムに含まれることが可能な最大数の衛星の位置を表し
ている複数の衛星位置と、 複数の衛星軌道集団のうちの任意の1つにおいて存在す
る各衛星軌道が、地球の赤道平面および同じ衛星軌道集
団内の複数の衛星軌道のうちの他のそれぞれ1つの衛星
軌道の軌道平面の両者に関して特有の傾斜を有する軌道
平面を定めており、同一の遠地点を有する複数の衛星軌
道と、 地球表面上に仮想の地跡線を生成するように地球の中心
から軌道衛星位置まで延在する直線により地球表面上を
繰返しトレースしたサブ衛星点の軌跡とを有し、 前記地跡線は、複数の衛星軌道集団のうちの任意の1つ
に存在する軌道衛星位置によりトレースされ、他の衛星
軌道集団内の軌道衛星位置によりトレースされた地跡線
内で限定される領域とは異なった領域を限定し、第1の
セットの地跡線を形成するために第1の対称経度につい
て相互にほぼ対称的に入れ子状にされており、 複数の衛星軌道集団のそれぞれにおける衛星位置は相互
に調整され、複数の衛星位置を占有しかつ同一の周波数
を使用している衛星間で、地球の中心から見たときに最
小の特定された角度分離が得られるように衛星位置を調
整することを特徴とする地球の赤道平面に関して傾斜し
た静止衛星軌道の衛星位置の調整が可能なシステム。 - 【請求項2】 各衛星軌道集団内の軌道衛星位置により
トレースされる地跡線がそれ自体交差しないように、各
衛星軌道の離心率が衛星軌道の傾斜に関して十分に高い
請求項1記載のシステム。 - 【請求項3】 複数の衛星軌道のそれぞれは、特定の経
度において各衛星集団内の軌道衛星位置によりトレース
される地跡線の最大緯度に位置付けされるように構成さ
れている請求項2記載のシステム。 - 【請求項4】 複数の衛星軌道集団のそれぞれにおける
各軌道中の衛星は、これらが時間的に等間隔になるよう
に調整されている請求項3記載のシステム。 - 【請求項5】 少なくとも第2の対称経度に配置される
少なくとも第2のセットの地跡線を生成する複数の付加
的な衛星位置をさらに含む請求項4記載のシステム。 - 【請求項6】 地球の赤道平面に関して傾斜した静止衛
星軌道の衛星位置の調整が可能なシステムを提供する方
法において、 衛星のカバー区域が設けられる少なくとも1つの地理的
なサービス区域を特定し、 衛星カバー区域が最適化される期間を特定し、 複数の衛星軌道集団を定め、各衛星軌道は衛星位置の通
路を定め、複数の衛星軌道集団のそれぞれにおける各衛
星軌道は、地球の赤道平面および同じ衛星軌道集団内の
複数の衛星軌道のうちの他のそれぞれ1つの衛星軌道の
軌道平面の両者に関して特有の傾斜を有する軌道平面を
定めており、複数の衛星軌道集団のうちの任意の1つに
おいて存在する複数の衛星軌道が同一の遠地点を有し、
地球の中心から軌道衛星位置まで延在する直線により地
球表面上を繰返しトレースしたサブ衛星点の軌跡が地球
表面上に仮想の地跡線を生成し、複数の衛星軌道集団の
うちの任意の1つに存在する軌道衛星位置によりトレー
スされる前記地跡線が、他の衛星軌道集団内の軌道衛星
位置によりトレースされた地跡線内で限定される領域と
は異なった領域を限定し、 前記地跡線が、第1のセットの地跡線を形成するために
第1の対称経度について相互にほぼ対称的に入れ子状に
されるように、複数の衛星軌道集団のそれぞれに存在す
る各衛星軌道を構成し、 複数の衛星軌道集団にそれぞれ含まれる衛星の最大数を
決定し、これにより複数の衛星軌道集団にそれぞれ含ま
れる衛星軌道の最大数を決定し、同一の周波数を使用す
る衛星位置間に、地球の中心から見たときに最小の特定
された角度分離を実現し、特定された少なくとも1つの
サービス区域で特定された期間中に最適の衛星カバー区
域を実現するように、各地跡線の形状および地理的位置
を決定し、 決定された最大数の衛星位置とそれらの衛星位置間の最
小の特定された角度分離とにしたがって、衛星軌道にお
ける衛星位置を調整するステップを含むことを特徴とす
る方法。 - 【請求項7】 各衛星軌道が衛星位置の通路を限定して
いる複数の衛星軌道集団を定めるステップが、各衛星軌
道集団内の軌道衛星位置によりトレースされる地跡線が
それ自体交差しないように、衛星軌道の傾斜に関して十
分に高い各衛星軌道の離心率を選択するステップをさら
に含む請求項6記載の方法。 - 【請求項8】 衛星の最大数を決定するステップに続い
て、特定の経度において各衛星集団内の軌道衛星位置に
よりトレースされる地跡線の最大緯度に位置付けされる
ように複数の衛星軌道のそれぞれを構成するステップを
さらに含む請求項7記載の方法。 - 【請求項9】 衛星軌道における衛星位置を調整するス
テップは、複数の衛星軌道集団のそれぞれにおける各軌
道中の衛星が時間的に等間隔になるようにこれらの衛星
の位相を調整するステップをさらに含む請求項8記載の
方法。 - 【請求項10】 特定の経度において各衛星集団内の軌
道衛星位置によりトレースされる地跡線の最大緯度に位
置付けされるように複数の衛星軌道のそれぞれを構成す
るステップに続いて、少なくとも第2の対称経度に配置
されている少なくとも第2のセットの地跡線を生成する
複数の付加的な衛星位置を含めるステップをさらに含む
請求項9記載の方法。
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