JP3499829B2 - デュアルカバー区域グリッド方法 - Google Patents

デュアルカバー区域グリッド方法

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JP3499829B2
JP3499829B2 JP2001015733A JP2001015733A JP3499829B2 JP 3499829 B2 JP3499829 B2 JP 3499829B2 JP 2001015733 A JP2001015733 A JP 2001015733A JP 2001015733 A JP2001015733 A JP 2001015733A JP 3499829 B2 JP3499829 B2 JP 3499829B2
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアンテナシステム、
特に、増加した信号区域のためのデュアルカバー区域グ
リッド方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】通信衛星は多数のタイプの通信サービ
ス、例えばデータ転送、音声通信、テレビジョンスポッ
トビームカバー区域、その他のデータ転送アプリケーシ
ョンで普通のものになりつつある。このように、衛星は
地球表面上の種々の地理的位置に信号を提供しなければ
ならない。このように、典型的な衛星は特定の国または
地理的区域に信号カバー区域を与えるために注文設計に
よるアンテナが使用されている。
【０００３】大きな区域に信号のカバー区域を提供する
ため、幾つかの方法が使用されている。広いビーム幅を
有する１つのビームが使用される場合もあるが、大きい
地理的区域にわたるパワー供給に関して限定される。典
型的に、大きい地理的区域をカバーするためには隣接す
る複数のスポットビームが使用される。
【０００４】隣接する複数のスポットビームは大きい地
理的区域を地上で測定された信号強度の小さい変化でカ
バーするために多数のアンテナにより発生される。隣接
するビームは典型的に宇宙船のカバー区域を通じてある
実効的な入射放射パワー（ＥＩＲＰ）を与えるグリッド
を発生する。しかしながら、所定の宇宙船および／また
はアンテナシステムにより転送されることができるＥＩ
ＲＰは増幅器パワー、帯域幅、アンテナサイズにより限
定される。
【０００５】衛星通信のその他の進歩はパーソナル通信
システム（ＰＣＳ）または世界規模のセルラ電話に達し
ている。典型的なセルラ電話はある高通信量の区域の信
号処理能力を増加するためセル分割を使用する。これら
のさらに小さい付加的なセルは各セルに付加的なアンテ
ナを設置することにより生成される。同様に、衛星は付
加的なビーム、送信機、アンテナを使用することによっ
てさらに小さいグリッドセルを生成できる。
【０００６】しかしながら、各衛星はアンテナ、送信
機、それが支持するビームの数において限定されるの
で、さらにハードウェアをシステムに付加することは典
型的に高価で利用できなくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、付加的な
信号を伝送できる大きい地理的区域にわたって隣接する
スポットビームを供給できるアンテナシステムが技術で
必要とされていることが認められる。信号を中断しない
で移動通信のための信号を供給できるアンテナシステム
が技術で必要とされていることが認められる。宇宙船の
価格を低下するために容易な機械的設計と構造を与える
アンテナシステムが必要とされていることも認められ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の従来技術の制限を
克服し、本発明の明細書を読み理解するときに明白にな
るその他の制限を克服するために、本発明は地球表面上
の隣接するスポットビーム通信カバー区域を生成する方
法および装置を提供する。この装置は２つの隣接するビ
ームパターンを含んでいる。第１の隣接するビームパタ
ーンは第１のセルのセットを含み、第１の周波数セット
を有する。第２の隣接するビームパターンは第２のセル
のセットを含み、第２の周波数セットを有する。第２の
隣接するビームパターンは、第１のセルセットのエッジ
が第２のセルセットのエッジからオフセットされるよう
に、第１の隣接するビームパターンから空間的にオフセ
ットされている。
【０００９】この発明の方法は、地球表面上に第１の隣
接するスポットビームパターンを発生し、地球表面上に
第２の隣接するスポットビームパターンを発生し、第１
の隣接するスポットビームパターンと第２の隣接するス
ポットビームパターンとをオーバーラップして、第１の
隣接するスポットビームパターンのエッジが第２の隣接
するスポットビームパターンのエッジからオフセットさ
せるステップを有している。
【００１０】本発明は、大きい地理的区域にわたって隣
接するスポットビームを供給でき、付加的な信号を伝送
できるアンテナシステムを提供する。本発明はまた信号
の中断なく、移動体通信用のための信号を送信できるア
ンテナシステムも提供する。本発明はまた宇宙船の価格
を低下するために容易な機械的設計と構造を与えるアン
テナシステムを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】図面を参照すると、同一の参照符
号は全体を通じて対応する同様の部分を表している。好
ましい実施形態の以下の説明では、本発明の一部を形成
する添付図面を参照し、図面は本発明が実施されること
のできる特別な実施形態を示している。他の実施形態が
使用されてもよく、構造的な変更が本発明の技術的範囲
を逸脱することなく行われてもよいことが理解されよ
う。
【００１２】［関連技術の概要］隣接するスポットビー
ムカバー区域は多数の衛星アンテナ設計、特に厳格な伝
播効果を補償するためにさらに高いアンテナ利得を必要
とする応用で普通に使用される。図１は、多数の所望の
ビームパターンによる地球の典型的な衛星の透視図を示
している。地球100 は衛星、典型的に静止軌道の衛星の
透視図で示されている。
【００１３】衛星は地球100 の表面上のアンテナと通信
するための適切な信号強度を与えるビームを呼ばれる通
信信号を提供する。しかしながら、パワーの制限、所望
のカバー区域等のために、１つのアンテナは地球100 の
表面の全体的な可視部分をカバーする区域を与えること
ができない。特別な地理的区域が通信カバー区域に対し
て衛星設計者により選択される。衛星は典型的に多数の
アンテナビームの使用によって１以上の選択された地理
的区域で通信サービスを行う。各ビームは典型的にビー
ムのエッジよりもビームの中心で高い信号強度を有す
る。
【００１４】図１で示されているように、宇宙船は典型
的に地球100 の表面上の所望の位置に通信信号を転送し
なければならない。通信サービスの需要の増加と共に、
地理的位置の大きさも増加している。
【００１５】北半球に示されている位置102 はスポット
ビーム104 を使用して典型的にカバーされ、一方南半球
に示されている位置106 はスポットビーム108 を使用し
て典型的にカバーされている。各ビーム104 と108 はビ
ームの中心でピーク信号強度で送信し、信号強度は各ビ
ーム104 と108 のエッジ方向に順次低下している。
【００１６】［本発明の概要］本発明は、最高の指向性
を有するグリッド１またはグリッド２からビームを選択
することによってさらに高いアンテナ指向性を可能にす
るため、半セルだけデュアルアンテナカバー区域グリッ
ドオフセットを使用する技術を開示する。これは同一の
高周波数を１つのグリッドシステムとして再使用させる
ことにより実現される。さらに、第１のグリッドから半
セルのオフセットを使用することにより、ＧＰＳ位置決
定が使用されないならば、第１のグリッドからの同一の
制御ビームは第２のグリッドビームを制御するために使
用されることができる。
【００１７】この方法は所望ならばさらに性能を最適化
するために、３、４またはそれ以上のグリッドまで拡張
されることができる。付加的なグリッドへの拡張はシス
テムに付加的なサブバンドを必要とする。例えば、３グ
リッドシステムにおける３点（交差）ビームの位置付け
は２グリッドシステムよりも高い平均と低い指向性をも
たらす。２グリッドシステムに対して、３点システムは
６角形セル構造の３点のほぼ半分をカバーするだけであ
り、同一の最小指向点は１グリッドシステムと比較して
依然としてほぼ半分の時間存在する。
【００１８】さらに、本発明は、グリッドシステムを通
じて選択的に適用されることができる。例えば、付加的
な信号処理能力を必要とするある区域がグリッド内に存
在するならば、第２のグリッドはこれらの区域だけをオ
バーレイされることができる。さらに、第２のグリッド
は信号処理能力を最大にするために選択的な区域で異な
る量をオフセットされることができる。
【００１９】［グリッドオーバーレイ］図２および図３
は、本発明のグリッドオーバーレイを示している。図２
の（Ａ）は衛星上のアンテナにより発生される典型的な
６角形グリッドパターン 200Ａを示している。このパタ
ーンはフェイズドアレイアンテナまたは多数のアンテナ
によって発生されることができる。典型的なセル 202Ａ
は特別な地理区域をカバーする。セル204 はセル全体を
通じて周波数Ｆ１を使用するものとして示されている。
周波数Ｆ１は“７セル再使用”パターンであるように示
され、周波数Ｆ１を使用するセル204 が周波数Ｆ１を使
用しない６個のセル202 により包囲されていることを意
味している。他の周波数再使用パターンも本発明に有害
な効果を生じることなく使用されることができる。周波
数Ｆ１が全体的なパターン 200Ａを横切って一度７セル
再使用パターンで使用されると、周波数Ｆ１はパターン
200Ａ内で使用するために利用できなくなる。
【００２０】図２の（Ｂ）は、典型的な６角形グリッド
パターン 200Ｂを示しており、典型的なセル 202Ｂとセ
ル206 は、７セル再使用パターンでセル206 全体を通じ
て周波数Ｆ２を使用するものとして示されている。周波
数Ｆ２が全体的なパターン 200Ｂを横切って一度７セル
再使用パターンで使用されると、周波数Ｆ２はパターン
200Ｂ内で使用するために利用できなくなる。
【００２１】図３の（Ａ）は、パターン 200Ａと 200Ｂ
のパターン208 へのオーバーレイ、すなわち重ねた状態
を示している。パターン 200Ａはパターン 200Ｂから１
／２だけセルを“下”へオフセットしたものとして示さ
れている。オーバーレイパターン208 はセル区域 202
Ａ、 202Ｂ、 204、 206の１／２であるセル210 を実効
的に具備している。これはシステムのさらに大きな信号
処理能力を可能にする。
【００２２】図３の（Ｂ）は図３の（Ａ）を拡大したも
のの一部分である。セル210 は、パターン 200Ａからの
セル 202Ａとパターン 200Ｂからのセル 202Ｂとの交差
部分として規定されている。ユーザがセル 202Ｂを移動
してエッジ212 に到達したとき、パターン 200Ｂだけが
使用されるならば、セル 202Ｂの信号強度は隣接セル20
2Ｂへのハンドオフなしにはユーザとの通信が可能では
ない点に達する。隣接セル 202Ｂが既に最大容量である
ならば、ユーザは通信を続けることができない。しかし
ながらエッジ212 がセル 202Ａの中心にあり、これは通
信路を維持するのに十分な信号強度を有し、セル 202Ｂ
のユーザに悪影響せずに第２のパターン200Ａへのハン
ドオフが可能である。同様に、ユーザがセル 202Ａを移
動してエッジ214 に到達したとき、セル 202Ａの信号強
度は隣接セル 202Ａへのハンドオフなしにはユーザとの
通信が可能ではない点に達する。パターン208 の使用に
よって、付加的な信号容量がセル 202Ａと 202Ｂのエッ
ジ212 と214 に接近する移動体ユーザに有効である。
【００２３】トリプル点216 もセル 202Ｂの境界内に入
り、これはパターン200 内で過剰なハンドオフをせず
に、これらの地理的位置でユーザの付加的な容量を可能
にする。交差点218 は１つのパターン 200Ａまたは 200
Ｂ内で管理されることができるか、または所望であるよ
うにパターン 200Ａまたは 200Ｂ間で切換えられること
ができる。
【００２４】パターン 200Ａと 200Ｂ間で丁度１／２セ
ルのオフセットを示しているが、他のオフセットも行わ
れることができる。さらにパターン 200Ｂに関するパタ
ーン200Ａのオフセットは上下、左右、または上下およ
び左右の組合わせで行われることができる。
【００２５】ビームパターン 200Ａと 200Ｂは、所望の
パターン 200Ａまたは 200Ｂを生成するため、典型的に
各アンテナ素子のビーム加重を有するフェイズドアレイ
アンテナを使用して生成される。最小のビームサイズは
パターン 200Ａ内で最小のセル 202Ａサイズを生成する
ために使用される。さらにビームサイズを小さくするた
めに、付加的な素子がアンテナシステム内で必要とさ
れ、これは支持用の付加的なハードウェアを必要とし、
結果として宇宙船の重量が付加される。適切なビーム加
重をビームに割当て、ビームパターン208 を発生するた
めに付加的なパターン 208Ｂを使用することによって、
ビームサイズはさらにハードウェアを付加せず、また宇
宙船の重量を増加せずに、長方形ゾーンにセグメント化
された１／２のビームサイズまで実効的に減少されるこ
とができる。
【００２６】パターン208 により与えられる指向性の改
良は、ビーム中心のピーク信号強度とビームエッジの信
号強度との差に基づいている。差が大きくなる程、地理
的区域をカバーするために付加的なグリッドを使用する
改良は大きくなる。例えば、ピーク対エッジ信号強度
（指向性）差が３ｄＢでは、平均指向性は約０．５ｄＢ
改良され、最小の必要とされる信号強度は０．８４ｄＢ
改良される。このことによってさらに低いパワーの移動
体通信装置、さらに低いパワーの衛星、または通信を続
けるために例示的なシステムで０．８４ｄＢまでの低い
パワーを有する通信リンクの２つの端部の組合わせが可
能である。このような減少は移動体通信装置の電池寿命
を増加し、または衛星の打上げの発射重量を減少して衛
星の価格を低下することができる。
【００２７】特定のユーザが割当てられるパターン、例
えば 200Ａまたは 200Ｂを決定するため、パワー測定が
ユーザ端末または衛星端末の信号強度について測定され
ることができ、全地球位置発見システム（ＧＰＳ）デー
タがパターン 200Ａと 200Ｂとを切換えるようにユーザ
位置を決定するために使用されることができ、或いは他
の発見的方法がユーザをパターン 200Ａまたは 200Ｂに
位置付け、ユーザをパターン 200Ａと 200Ｂとの間で切
換えるときを決定するために使用されることができる。
【００２８】［周波数再使用形態］図４の（Ａ）−
（Ｂ）は本発明を使用した典型的な再使用形態を示して
いる。パターン300 は典型的な７セル最小パターンを示
しており、ここでセル302 は周波数範囲Ｆ１を使用し、
セル302 は周波数範囲Ｆ１を使用し、セル304 は周波数
範囲Ｆ２を使用し、セル306 は周波数範囲Ｆ３を使用
し、セル308 は周波数範囲Ｆ４を使用し、セル310 は周
波数範囲Ｆ５を使用し、セル312 は周波数範囲Ｆ６を使
用し、セル314 は周波数範囲Ｆ７を使用する。
【００２９】パターン300 を２つのパターンシステムへ
オフセットするため、各周波数範囲Ｆ１−Ｆ７が分離さ
れている。例えば周波数範囲Ｆ１は周波数範囲Ｆ１Ａと
周波数範囲Ｆ１Ｂへ分離され、周波数範囲Ｆ１Ａは周波
数範囲Ｆ１内である数のサブバンドを使用し、周波数範
囲Ｆ１Ｂは周波数範囲Ｆ１内で他のサブバンドを使用す
る。パターン316 と318 が示されており、パターン316
は周波数範囲Ｆ１Ａを使用するセル320 と、周波数範囲
Ｆ２Ａを使用するセル322 と、周波数範囲Ｆ３Ａを使用
するセル324 と、周波数範囲Ｆ４Ａを使用するセル326
と、周波数範囲Ｆ５Ａを使用するセル328 と、周波数範
囲Ｆ６Ａを使用するセル330 と、周波数範囲Ｆ７Ａを使
用するセル332 とを有する。
【００３０】同様に、パターン318 は周波数範囲Ｆ１Ｂ
を使用するセル334 と、周波数範囲Ｆ２Ｂを使用するセ
ル336 と、周波数範囲Ｆ３Ｂを使用するセル338 と、周
波数範囲Ｆ４Ｂを使用するセル340 と、周波数範囲Ｆ５
Ｂを使用するセル342 と、周波数範囲Ｆ６Ｂを使用する
セル344 と、周波数範囲Ｆ７Ｂを使用するセル346 とを
有する。
【００３１】パターン316 と318 はパターン348 を形成
するために結合される。パターン348 は同一の７つの周
波数範囲Ｆ１−Ｆ７を使用するが、サブバンドが７セル
再使用パターン内で反復されないようにセルを分離す
る。
【００３２】図４の（Ｂ）はセル間の分離が図４の
（Ａ）で説明したサブバンドの分離後に維持されている
状態を示している。パターン300 は周波数Ｆ１間に距離
350 を有し、ここで距離350 は再使用パターンのセル距
離を規定している。分離後、距離350 はセル320 の周波
数Ｆ１Ａ間のオフセット距離352 と、セル334 の周波数
Ｆ１Ｂ間のオフセット距離354 に置換される。このよう
にしてセル間の分離が維持される。
【００３３】［プロセスチャート］図５は本発明の実行
に使用されるステップを示したフローチャートである。
【００３４】ブロック400 は、地球表面上に第１の隣接
するスポットビームパターンを発生するステップの実行
を示している。
【００３５】ブロック402 は、地球表面上に第２の隣接
するスポットビームパターンを発生するステップの実行
を示している。
【００３６】ブロック404 は、第１の隣接するスポット
ビームパターンと第２の隣接するスポットビームパター
ンとをオーバーラップし、それによって第１の隣接する
スポットビームパターンのエッジが第２の隣接するスポ
ットビームパターンのエッジからオフセットされるステ
ップの実行を示している。
【００３７】［結論］本発明の好ましい実施形態の説明
の結論を述べる。以下の段落は同一の目的を達成する幾
つかの代わりの方法を説明している。本発明はＲＦシス
テムに関して説明したが、同一の目的を実現するために
光学システムで使用されることもできる。
【００３８】要約すると、本発明は地球表面上に隣接ス
ポットビーム通信カバー区域を発生する方法および装置
を開示する。この装置は２つの隣接するビームパターン
を具備している。第１の隣接するビームパターンは第１
のセルのセットを具備し、第１の周波数セットを有す
る。第２の隣接するビームパターンは第２のセルのセッ
トを具備し、第２の周波数セットを有する。第２の隣接
するビームパターンは、第１のセルのセットのエッジが
第２のセルのセットのエッジからオフセットされるよう
に、第１の隣接するビームパターンから空間的にオフセ
ットされている。
【００３９】この発明の方法は、地球表面上に第１の隣
接するスポットビームパターンを発生し、地球表面上に
第２の隣接するスポットビームパターンを発生し、第１
の隣接するスポットビームパターンと第２の隣接するス
ポットビームパターンをオーバーラップして、第１の隣
接するスポットビームパターンのエッジが第２の隣接す
るスポットビームパターンのエッジからオフセットさせ
るステップを有する。
【００４０】本発明の好ましい実施形態の前述の説明を
例示の目的で行った。本発明は説明したのものと正確な
同じ形態に限定することを意図しない。多数の変形と変
更が前述の説明を考慮して可能である。本発明の技術的
範囲はこの詳細な説明ではなく特許請求の範囲の記載に
より限定されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】多数の所望のビームパターンを有する典型的な
衛星による地球の透視図。
【図２】本発明のグリッドオーバーレイの１例の概略
図。
【図３】本発明のグリッドオーバーレイの１例の概略
図。
【図４】本発明を使用した典型的な再使用構成の１例の
概略図。
【図５】本発明の方法の実行に使用されるステップを示
したフローチャート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−32510（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−505468（ＪＰ，Ａ) 米国特許5652597（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 21/30

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の周波数セットを構成するそれぞれ
    別の周波数を有する複数のスポットビームにより隣接し
    たセルの第１のセットを形成する第１のビームパターン
    と、第 ２の周波数セットを構成するそれぞれ別の周波数を有
    する複数のスポットビームにより隣接したセルの第２の
    セットを形成する第２のビームパターンとを生成し、 第１のセットの各セルのエッジが第２のセットの各セル
    のエッジからオフセットされて第１のセットと第２のセ
    ットの各セルが完全に重ならないで部分的に重なる関係
    位置となるように第１のビームパターンと第２のビーム
    パターンとを衛星から地球表面上のカバー区域に送信す
    るシステム。
  2. 【請求項２】 第３のセルのセットを含み、第３の周波
    数セットを有している第３のビームパターンをさらに具
    備し、この第３のビームパターンは第３のセルのセット
    のエッジが第１のセルのセットのエッジからオフセット
    され、また、第２のセルのセットのエッジからもオフセ
    ットされるように、第１のビームパターンおよび第２の
    ビームパターンから空間的にオフセットされている請求
    項１記載のシステム。
  3. 【請求項３】 オフセットはほぼセル幅の１／２である
    請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】 第１のビームパターンと第２のビームパ
    ターンは同一のアンテナにより発生される請求項１記載
    のシステム。
  5. 【請求項５】 アンテナはフェイズドアレイアンテナで
    ある請求項４記載のシステム。
  6. 【請求項６】 第１の周波数セットと第２の周波数セッ
    トは第１の周波数範囲のサブセットである請求項１記載
    のシステム。
  7. 【請求項７】 地球表面上に隣接するスポットビームに
    よって形成された第１のビームパターンを生成し、 地球表面上に隣接するスポットビームによって形成され
    た第２のビームパターンを生成し、 第１のビームパターンの地球表面上の各スポットビーム
    パターンのエッジが第２のビームパターンの各スポット
    ビームの地球表面上のスポットビームパターンのエッジ
    からオフセットされて第１のビームパターンと第２のビ
    ームパターンの各スポットビームパターンが完全に重な
    らないで部分的に重なるような関係位置となるように第
    １のビームパターンと第２のビームパターンとを空間的
    にオフセットしてオーバーラップさせて生成する衛星か
    ら地球表面上のカバー区域に送信するビームパターンを
    生成する方法。
  8. 【請求項８】 さらに、地球表面上に隣接するスポット
    ビームの第３のビームパターンを発生し、 第３のビームパターンを第１のビームパターンおよび第
    ２のビームパターンの各スポットビームパターンにオー
    バーラップさせて、第３のビームパターンの各スポット
    ビームパターンのエッジが、第１のビームパターンのス
    ポットビームパターンのエッジからオフセットされ、か
    つ、第２のビームパターンのスポットビームパターンの
    エッジからオフセットされるように第３のビームパター
    ンを衛星から地球上のカバー区域に送信する請求項７記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 オフセットはほぼスポットビーム幅の１
    ／２である請求項７記載の方法。
JP2001015733A 2000-02-16 2001-01-24 デュアルカバー区域グリッド方法 Expired - Lifetime JP3499829B2 (ja)

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US09/505,575 US6600921B1 (en) 2000-02-16 2000-02-16 Dual coverage grid method

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