JP4485930B2 - 軌道上ペイロード構造を再構成する衛星通信方法 - Google Patents

Description

本発明は衛星ベースの通信ネットワークで高速度データをカスタマに通信するための方法およびシステムに関する。

多数のアプリケーションが継続して高速度データ転送を必要としている。産業上の特定の例には、遠隔のフィルム編集、医療イメージ転送、財務サービスデータの整理およびバックアップが含まれている。ビジネス通信および訓練は全てのセクタを横切る情報転送の必要性をさらに加速している。ビジネス、政府、教育機関がより多くの情報を流布するので、データ転送の重要性がさらに大きくなる。この環境では、信頼性があり高速度のビデオおよびデータ転送がより臨界的になる。

さらに、インターネット通信の著しい成長によって電話ネットワークの容量に歪みが生じている。ネットワークの欠点にはネットワークの休止、不十分なアクセス帯域幅、不十分なモード間帯域幅が含まれている。現在、プロバイダはネットワークのインフラストラクチャをグレードアップするため大きな投資を行うことが必要であり、インストールの遅延を受け、依然としてプロバイダはその価格を端末ユーザに転嫁することができない。

集合的なＬＡＮ／ＷＡＮはまた高い帯域幅で大きな需要を生む。帯域幅に対する需要は、接続するユーザの数が増加するにしたがって増加する。ユーザはその結果、より多くのサービスと改良されたネットワーク速度を要求する。パーソナルコンピュータはテキストだけではなく規模が増加しているネットワーク上の全てのグラフィックおよびビデオを処理するために使用されている。イントラネットとエクストラネットを集めた広く分布した構造はさらに帯域幅アプリケーションを増加する。高速度ネットワーク化はまた、ビデオ分配、クライアント／サーバ技術、分散したシステム、増加した処理電力、記憶容量の発達により促進される。

高い需要を満たすため、衛星のネットワークは可変のカバー区域および容量を提供するために使用される。これらの衛星は静止軌道中で中間または低い地球軌道にある。多くのシステムでは、全ての衛星が所定の時間に最大限に使用されるわけではない。
種々のネットワークの別の欠点は、ネットワークのライフサイクルは１０乃至１５年を越えることである。ネットワークの寿命期間中に、ユーザの必要性は変化する可能性が最も高いが、電子システムにフレキシブル性がないため、システムは全ての新しいユーザの要求をアドレスできない。それ故、より多くの衛星が発射されなければならないか、それでなければシステムは不適切なまま放置される。

既知のシステムは、典型的にシステムの寿命にわたって変化する要求に適応するための内部フレキシブル性がほとんどなく配備されている。また、システム内の衛星が故障したならば、サービスは中断される。ネットワークの他の衛星がバックアップを行うために呼出される。しかしながら、電子ペイロードは故障した衛星によって提供されるサービスに一致するように構成されていないので、サービスにおける幾らかの実質上の損失は起こり得る。しかしながら、ペイロードの特性が一致しないならば、サービス容量全体の実質上の損失が生じる。

米国特許出願第08/867.672号明細書および第09/159.332号明細書に開示されているようなシステムは固定スポットビームおよび走査スポットビームを有する。ビームは地球上の種々の地域に衛星のカバー区域を与えるように再構成される。位相および振幅係数を変更することにより、カバー区域の種々のスポットビーム領域は再構成されてもよい。このようなシステムの１つの欠点は通信周波数等のその他のシステムパラメータが通常衛星で固定されることである。したがって、衛星はシステム内の他の衛星のために使用されることはできない。
それ故、衛星が故障した場合に衛星システム内のサービスのカバー区域の損失を最小化することのできる衛星ベースの通信システムを提供することが所望されている。さらに、システムユーザの変化する要求を満たすために衛星の寿命期間にわたって再構成される能力を衛星に与えることが所望されている。

本発明の１特徴において、衛星ベースの通信ネットワークで高周波数データ通信を行うシステムは、複数の信号の受信および送信を行うアップリンクアンテナおよびダウンリンクアンテナをそれぞれ有する複数の通信衛星を含んでおり、前記各衛星は通信制御回路を具備する。前記衛星の少なくとも１つは再構成可能である。再構成可能な衛星は通信制御回路に結合されたプログラム可能な周波数シンセサイザを有する。制御装置は衛星上に位置され、通信制御装置に結合されている。制御装置はプログラム可能な周波数シンセサイザにより通信制御回路の周波数再構成を制御する。

本発明のさらに別の特徴においては、複数の衛星を有する衛星システムを構成する方法は、再構成可能な衛星を配備し、再構成命令を前記衛星に送信し、構成可能な衛星のペイロードを再構成し、ネットワーク位置から衛星を再配置し、再構成可能な衛星をネットワーク位置に移動するステップを有する。

本発明の１つの利点は、システム全体の価格に価格のペナルティがほとんどない再構成可能な衛星システムが得られることである。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を伴った本発明を実行する最良方法の以下の詳細な説明から容易に明白になるであろう。以下の説明では、同一の参照符号は図面の同一の構成要素を示すために使用される。本発明は固定した放送または移動体アプリケーションに適した種々のタイプの衛星に適用される。本発明はまた、低、中、静止軌道のような種々の軌道の衛星に対して適切である。傾斜、楕円形または偏心のような種々の成形された軌道が使用されてもよい。

図１を参照すると、本発明のシステムは衛星302 と少なくとも１つの再構成可能な衛星304 とを通常具備している再構成可能な衛星システム300 で使用するのに適している。衛星302 は衛星ネットワーク306 を形成する。再構成可能な衛星304 は軌道の予備または以下説明するようにネットワーク の一部として動作する。衛星302 と304 は無線周波数（ＲＦ）リンクまたは通常矢印308 により表されている光リンクにより相互接続されてもよい。衛星302 と304 は楕円形、円形または傾斜等の種々の成形された軌道を有する中間地球軌道衛星（ＭＥＯ）、低地球軌道衛星（ＬＥＯ）または静止軌道衛星（ＧＥＯ）であってもよい。

衛星302 と304 は地球312 に位置されている地上局310 と通信する。衛星302と304 は地球312 上の固定および移動体のユーザ端末と通信してもよい。スポットビームは地球312 と通信するために使用されてもよい。地上局310 は命令信号および通信ネットワーク信号を衛星302 と304 に対して発生する。
各衛星302 と304 はアップリンクアンテナ314 およびダウンリンクアンテナ316 を有する。アップリンクアンテナ314 は通信信号と命令信号を地上局310 から受信する。衛星302 と304 から地上局310 への通信信号はダウンリンクアンテナ316 を経て送信される。

衛星302 のうちの１つが機能しなくなるか、所望のカバー区域を与えることができなくなるならば、再構成可能な衛星304 は衛星の軌道スロットに移動され、即ち置換される。再構成可能な衛星304 はまた１以上の衛星を置換するために使用されてもよい。

図２を参照すると、再構成可能な衛星はペイロード317 と、受信アレイ320 および送信アレイ322 に結合されている通信制御回路318 を有する。受信アレイ320 はアップリンクアンテナ314 の一部である。送信アレイ322 はダウンリンクアンテナ316 の一部である。

通信制御回路318 はそれぞれトランスポンダ326 に結合されている複数の受信ビーム成形回路網324 を有する。送信アレイ322 は複数の送信ビーム成形回路網328 に結合されている。各ビーム成形回路網328 はトランスポンダ326 に結合されている。

各トランスポンダ326 はビーム成形回路網324 に結合される前置増幅器330 を有する。前置増幅器330 は周波数ダウンコンバータ332 に結合される。前置増幅器330 と周波数ダウンコンバータ332 は受信アレイ320 から受信された信号を増幅する。周波数ダウンコンバータ332 は受信アレイ320 により受信された周波数を制御する。周波数ダウンコンバータ332 は中間周波数（ＩＦ）増幅器／フィルタ334 に結合されている。ＩＦ増幅器／フィルタ334 は周波数アップコンバータ336 に結合され、この周波数アップコンバータ336 は送信電力増幅器338 に結合されている。送信電力増幅器338 は送信ビーム成形回路網328 に結合されている。トランスポンダ326 は受信アレイ320 から情報を受信し、情報を処理し、送信アレイ322 を通じて情報を送信する。

再構成可能な衛星304 を形成するため、再構成可能な回路339 は周波数ダウンコンバータ332 と周波数アップコンバータ336 に結合されたプログラム可能な周波数シンセサイザ340 を有する。プログラム可能な周波数シンセサイザ340 は周波数ダウンコンバータ332 と周波数アップコンバータ336 の周波数を変更するために使用される。機上コンピュータ342 はアップリンクアンテナ314 から情報を受信し、ダウンリンクアンテナ316 へ情報を送信してもよい。機上コンピュータ342 により送信され受信されるその他の情報は送信および受信フェイズドアレイの方向を制御するための振幅および位相加重係数であってもよい。この情報は専用のＲＦリンクまたは機上コンピュータに結合された“オーダワイヤ”回路により受信されることができる。代わりに、加重係数は衛星上で計算されることができる。振幅および位相加重係数は所望のビームパターンを得るためにビームの再構成に使用される。ビームパターンは狭いスポットビームから地域的な区域のビームのような広いカバー区域に変更されることができる。

プログラム可能な周波数シンセサイザ340 は狭い周波数範囲にわたって同調可能であるデジタル的に制御された位相ロックループを使用する。プログラム可能な周波数シンセサイザ340 は置換される衛星を有する再構成可能な衛星の周波数を整列するために使用される。プログラム可能な周波数シンセサイザのフレキシブル性のために、再構成可能な衛星は置換されている衛星の特性に一致させるために使用される。

図３を参照すると、図２のペイロードと別のペイロード317'が示されている。受信アレイ320'と送信アレイ322'は通信制御回路318'に結合されている。通信制御回路318'は受信アレイ320'に結合されている受信ビーム成形回路網324'を有する。各ビーム成形回路網324'は前置増幅器（ＰＡ）330'に結合されている。ダウンコンバータ（ＤＣ）344 は前置増幅器330'に結合されている。各ダウンコンバータ344 はダウンコンバータ周波数の設定に使用される局部発振器（ＬＯ）入力346 を有する。

各ダウンコンバータ344 はスイッチ回路348 に結合されている。スイッチ回路348 はダウンコンバータ344 に結合されたチャンネルフィルタ350 を有する。
時分割多元アクセススイッチ（ＴＤＭＡ）352 はチャンネルフィルタ350 に結合されている。ＴＤＭＡスイッチ352 は以下さらに説明するようにルート表に結合されてもよい機上コンピュータ入力354 を有する。ＴＤＭＡスイッチ352 は前述したように全てのビームと、サービスと、ユーザと、専用の１対１サービスと、１対多サービスの連結を与える。ＴＤＭＡスイッチ352 は、機上計算入力354にしたがってソース信号に割当てられた時間間隔に基づいて、ソース信号が送信されたのと同一のアップリンクビームまたは別のダウンリンクビームによって送信される信号を切換える。ＴＤＭＡスイッチ352 は、異なる所望の出力に正確な時間ウィンドウを与えるために時間ドメイン内でゲートされる。種々のＴＤＭＡスイッチ352 が技術で知られている。

チャンネルマルチプレクサ356 もスイッチ回路348 内に含まれている。チャンネルマルチプレクサ356 はＴＤＭＡスイッチからの種々の入力を有する。チャンネルマルチプレクサ356 の出力はアップコンバータ358 へ結合されている。各アップコンバータ358 は局部発振器入力360 を有する。各アップコンバータ358 は電力増幅器362 に結合されている。各電力増幅器362 は前述したようなビーム成形回路網328'に結合されている。各ビーム成形回路網328'は送信アレイ322'に結合されている。

通信制御回路318'はプログラム可能な周波数シンセサイザ364 を有する再構成回路339'を有する。プログラム可能な周波数シンセサイザ364 は、ダウンコンバータ344 の局部発振器入力346 とアップコンバータ358 の局部発振器入力360 に結合したプログラム可能な周波数シンセサイザ出力366 を有する。プログラム可能な周波数シンセサイザ364 は、機上コンピュータ370 に結合された入力368 を有する。機上コンピュータ370 は入力368 を介して同調情報をプログラム可能な周波数シンセサイザ364 に提供する。

機上コンピュータ370 はルート表372 に結合されている。ルート表372 はＴＤＭＡスイッチ352 の機上コンピュータ入力354 に結合されている。ルート表372は各ビームに関連する所望のビーム幅および時間に関する情報を記憶する。機上コンピュータ370 はオーダワイヤへ結合され、アップリンクおよびダウンリンク制御装置と結合されている。機上コンピュータ370 は前述したように振幅位相と加重を制御することができる。

図４を参照すると、代わりのスイッチ回路348'が示されており、これは図３のスイッチ回路348 に置換されることができる。スイッチ回路348'はそれぞれダウンコンバータ344 とアップコンバータ358 に結合されているチャンネルフィルタ350'とチャンネルマルチプレクサ356'を有する。図４では、図３のＴＤＭＡスイッチ352 は信号プロセッサパケットスイッチ374 により置換されている。種々のタイプのパケットスイッチ374 は当業者に知られている。

動作において、ペイロードの種々の部分がアンテナ再構成、周波数再構成、またはビームからビームへの再構成のように再構成されることが望まれるとき、オーダワイヤまたは制御チャンネルにより地上局は機上の検索表を更新するために衛星に送信される。機上コンピュータはアップリンクビームとダウンリンクビームを合成するのに必要な振幅および位相加重係数を計算するために使用されることができる。機上コンピュータに結合されたプログラム可能な周波数シンセサイザは通信周波数を制御するために使用される。

代わりに、機上コンピュータは衛星の動作中に地上局からのオーダワイヤまたはＲＦ制御チャンネルから周期的にまたは時折、ルート表を更新するために使用されることができる。
再構成可能な衛星がネットワーク内の衛星を置換するために移動されるならば、東／西と南／北の局維持は通常の方法で使用され、それによって再構成可能な衛星が適切な軌道位置に位置されてもよい。衛星が適切な位置に移動するときと、衛星がネットワークから衛星を置換するように適切に構成された後、再構成可能な衛星は動作し続ける。再構成可能な衛星はまた衛星の動作中の所定の時間に再構成されてもよい。

本発明を実行する最良のモードを詳細に説明したが、当業者は以下の特許請求の範囲により限定されている本発明を実施するための種々の代わりの設計と実施形態を認識するであろう。

本発明にしたがって再構成可能なネットワークを形成するため、少なくとも１つの衛星が再構成可能である通信衛星の星座の一部の概略図。 適切なアンテナの１例を使用しているペイロードシステムの概略図。 ＴＤＭＡスイッチを使用している本発明にしたがった再構成可能な衛星ペイロードシステムの概略図。 ＴＤＭＡスイッチがパケットスイッチにより置換されている本発明にしたがった再構成可能な衛星システムの一部分の別の概略図。

符号の説明

302…衛星 304…再構成可能な衛星 310…地上局

Claims (10)

1. 複数の衛星を有する衛星システムを構成する方法において、
   再構成可能な衛星を配備し、
   地上局から前記再構成可能な衛星に再構成指令を送信し、
   ペイロードの機上コンピュータの周波数同調情報に応答して前記再構成可能な衛星のペイロードの周波数構成を、置換すべき衛星の周波数に再構成し、
   ネットワーク位置からネットワーク位置以外の場所に前記置換すべき衛星を再配置し、
   ネットワーク位置以外の場所にある前記再構成可能な衛星をネットワーク位置に移動するステップを含む方法。
2. 再構成可能な衛星を配置し、
   前記再構成可能な衛星のペイロードの機上コンピュータに周波数同調情報を記憶し、
   地上局から前記再構成可能な衛星に再構成指令を送信し、
   前記機上コンピュータの周波数同調情報に応答して前記再構成可能な衛星のペイロードの周波数構成を、置換すべき衛星の周波数に再構成することを含む衛星を構成する方法。
3. 前記ペイロードの周波数構成を、置換すべき衛星の周波数に再構成するステップがアップコンバータ周波数およびダウンコンバータ周波数を変更するステップを含む請求項１記載の方法。
4. 前記アップコンバータ周波数およびダウンコンバータ周波数を変更するステップがプログラム可能な周波数シンセサイザの周波数を変更するステップを含む請求項３記載の方法。
5. 前記ペイロードの周波数構成を、置換すべき衛星の周波数に再構成するステップが前記機上コンピュータの周波数同調情報に応答してビームの振幅または位相係数を変更することを含む請求項１記載の方法。
6. オーダワイヤから前記機上コンピュータの周波数同調情報を更新することをさらに含む請求項１記載の方法。
7. ＲＦ制御チャンネルから前記機上コンピュータの周波数同調情報を更新することをさらに含む請求項１記載の方法。
8. 前記ペイロードの周波数構成を、置換すべき衛星の周波数に再構成するステップが前記機上コンピュータの周波数同調情報に応答してビームの振幅または位相係数を変更することを含む請求項２記載の方法。
9. オーダワイヤから前記機上コンピュータの周波数同調情報を更新することをさらに含む請求項２記載の方法。
10. ＲＦ制御チャンネルから前記機上コンピュータの周波数同調情報を更新することをさらに含む請求項２記載の方法。

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