JP6041261B2 - 光ダウンリンクシステム - Google Patents

Description

本発明は、光ダウンリンクシステム並びに地上端末及び遠隔端末間の光データ送信の方法に関し、特に宇宙を飛行する通信衛星もしくは通信プラットフォームに関する。

遠隔端末から光地上端末への光データ送信に対する種々のシステムが知られ、配置される。これらのシステムの主要な機能は、データソースからのデータを光地上端末に確実に送信することである。

しかしながら、光地上端末との見通し内通信コンタクトは、各フライオーバーの間に制限される。従って、非常に多くのデータ量がフライオーバーが続く短い時間内に光地上端末に送信される必要があるので、ダウンリンクチャンネルの獲得された速度は最も重要である。

光周波数を用いて遠隔端末から地球へのダウンリンクのデータレートを計測する場合、１つのオンボードレーザ通信端末に対する、必要とされる技術的な複雑性、質量、電力、及びボリューム（容積）はスムーズに更新されないが、光ダウンリンクビームの必要とされる見通し内ステアリングが単一の高精度のアクチュエータによって達成できないほど送信機テレスコープの直径が非常に大きくなるので、ある技術ステップが必要とされる。その技術ステップにおいて、ネスト化制御ループが必要とされ、通常は複雑な光ビームルーティングと異なる種類の光センサとともに、多軸の粗ステアリングアクチュエータ及び多軸の微細なステアリングアクチュエータを備え、結局は、数十キログラムの重量であって大きい直径のテレスコープの収容のための専用の衛星構造サポートを必要とする複雑なオンボードレーザ通信端末を目指して構築する。

質量は、概ね３乗に増大するテレスコープの直径の比率で増加し、それによって、レーザ通信端末を搭載したい宇宙船操縦士に対してかかわった打ち上げコストにおいて、本質的に非線形的な増加をもたらすことが知られている。

より大きいレーザ通信端末に対する例が、例えばＳＩＬＥＸ、ＴｅｒｒａＳＡＲ−Ｘなどの宇宙実証ミッションから入手できる。たとえ準定常のアルファサット通信衛星であったとしても、たとえ減少された見通し内時間によって制限されたアルファサット通信衛星でなかったとしても、アルファサット通信衛星はまた、増加されたダウンリンク容量の必要要件に直面する。地球への直接的なリンクシナリオにおいて、光地上基地局に接続するそのような大きい光端末にはコストがかかる。その理由は、費用がかかる、より大きい宇宙レーザ通信端末のすべての能力を最大限に利用するために、それらには非常に複雑な技術が含まれるという明らかに経済的な理由のためである。

さらに、光通信機器は、任意の他の複雑なシステムのように失敗する傾向があって、それによって、それらの信頼性はより低くなる。さらに、光リンクは、比較的良い天気においてでさえ、光見通し内は妨害されるかもしれず、それによって通信を妨害し、それ故にシステムの可用性を下げるというさらなる不利益を有する。しかしながら、見通し内通信コンタクトがフライオーバーの短い時間の後に壊され、さらなる公転の後の次のフライオーバーのみにおいて（もしくは次のフライオーバーでさえでなくても）再度確立されるので、送信の信頼性は本質的である。

上述した技術的な特徴によって生じた問題は、使用者がそれらのニーズに従ってレーザ通信能力を増加することを可能とするレーザ通信システム使用に対して、より低い技術的なエントリーレベルを獲得することである。今日、このことが、毎回大きな量の反復された開発努力を伴う、「ミッションだけ」に合わせられた設計拘束要件となる。

従って、本発明の目的は、増加された可用性を提供する高いダウンリンクデータレートの信頼できる光ダウンリンクシステムを提供することにある。

本発明の目的はまた、地上端末と遠隔端末との間の光データ送信の方法を提供する一方で、高い信頼性及び増加された可用性を提供することにある。

上述識別された目的は、ｎ個の数の光通信端末（ｎは２以上である。）を有する遠隔端末と、ｎ個のクラスタの光地上基地局を有する地上端末とを備えた光ダウンリンクシステムによって解決される。各光通信端末は、ｎ個の光ダウンリンクチャンネルの１つを有した、対応する光地上基地局と接続される。さらに、各光地上基地局は、ｎ個の光アップリンクチャンネルの１つを有した、対応する光通信端末と接続される。光ダウンリンクチャンネルは、相互に特定の距離だけ離れて位置する光地上基地局によって、相互に空間的に分離される。地上端末は、ｎ個の光地上基地局を同期させるように構成され、その結果、時分割多元接続スキームによってｎ個の光アップリンクチャンネル間で正確な時間的分離が保証され、それによって、光アップリンクチャンネル間のオーバーラップを回避する。

本発明の別の目的は、ｎ個の数の光通信端末（ここで、ｎは２以上である。）を有する遠隔端末と、特別にｎ個のクラスタに分離された光地上基地局を備えた地上端末との間の光データ送信の方法によって解決される。当該方法は、
−各光通信端末を、対応する光地上基地局と接続するｎ個の光ダウンリンクチャンネルを確立するステップと、
−各光地上基地局を、対応する光通信端末と接続するｎ個の光アップリンクチャンネルを確立するステップと、
−ｎ個の光通信端末によって、遠隔端末からのデータを、地上端末の対応する光地上基地局に送信するステップと、
−時分割多元接続スキームによる正確な時間的分離によって、ｎ個の個々の光地上基地局からの制御データを、対応する光アップリンクチャンネルを介して、対応する光通信端末に順次的に送信し、それによって、光アップリンクチャンネル間のオーバーラップを回避するステップとを含む。

本発明のさらなる特徴及び利点が、以下において、発明を実施するための形態に係る説明文及び図面を参照することによって詳細に説明される。

注記：図形は一定の縮尺で描かれておらず、例示としてだけに提供され、より良く理解するためだけに役目を果たすが、本発明の範囲を定義するためには役目を果たさない。本発明の特徴がこれらの図形の外形によって限定されることを意味すべきではない。

本発明に係る光通信システムの概略図を図示する。 地上端末の光地上基地局の空間的分離の概略図を例示する。 １つの光アップリンクチャンネルの単一の光ダウンリンクチャンネルのパルス位置変調された信号の表示を図示する。 時分割多元接続スキーム（方式）を使用した光アップリンクチャンネルの時間的分離を例示する。

特定の用語が本特許出願において使用されるであろう。その系統的論述は、選択された特定の用語によって限定されるべきであると解釈されるべきでないが、特定の用語の裏にある一般的な概念に関連すべきとして解釈されるべきである。

用語「遠隔端末」は、これらには限定されないが、例えば惑星もしくは宇宙を飛行する通信プラットフォームより上の種々の高度における通信衛星などの任意の種類の遠隔通信端末に言及するように使用されるべきである。

本発明は、同一のダウンリンク容量の周知の大きいレーザ通信端末よりもおよそ１桁だけ重量が少ない遠隔端末からのダウンリンク容量を増加させることに対して、完全に新しいアプローチを提供する。スペースセグメントにおけるより広い範囲の応用を可能とさせる小型性及びロバスト性の次に、新しいレベルのバーサティリティが、比較的低コストの光地上基地局ＯＧＳのネットワーク／クラスタとの組み合わせにおいて得られ、小型の衛星プラットフォームでさえもが、光周波数において、１日につき数百ギガバイトの大容量のテレメトリーデータ（遠隔測定データ）のダウンリンクに着手することを可能とする。

本発明に係る、光ダウンリンクシステム１０及び光データ送信の方法はそれぞれ、上述識別された「技術ステップ問題」及び以下の方法において、コストとリスクに対して対応する非線形的な影響を解決する。すなわち、遠隔端末２０からの光ダウンリンクに対して、獲得可能なダウンリンクデータが少なくとも約１桁だけレートアップするという線形的な方法でスケールアップするために、いくつかの光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎが組み合わされる。

図１は、ｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎ（ここで、ｎは２以上である。）を有する遠隔端末２０及びｎ個のクラスタの光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを有する地上端末３０を備えた、本発明に係る光通信システム１０の概略図を図示する。本発明によれば、遠隔端末の各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、１つの光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎとペアを構成する。しかしながら、冗帳性（リダンダンシー）の理由のために、本発明の概念に影響を及すことなしに、システム内に設置された追加的な光通信端末及び／もしくは１つの光地上基地局が存在してもよい。ここからは数ｎは同一であるべきなので、言い換えると、光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎの数と光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎの数との間、及び光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎの数と光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの数との間にはそれぞれ１対１の関係が存在する。

ダウンリンク．
各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、ｎ個の光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎのうちの１つと対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎと接続される。個々に、これらの光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎは周知の型のものであって、ここで、各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、（これには限定されないが、）例えばオンオフキーイングアルゴリズムなどの周知の光変調アルゴリズムの１つによって、データパケットを、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに送信する。

図１で例示されたように、光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎは、同一の遠隔端末２０に対して搭載された複数の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎから、図１及び図２に図示されたように、１つのサイトロケーション（立地）において一緒に設置された近接して位置するクラスタの光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを備えた地上端末３０に対して同時に方向付けられる。従って、遠隔端末２０のｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、ペイロードデータを、地上端末３０のうちの、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに対して同時に送信するように構成される。遠隔端末２０から地上端末３０にダウン送信されるべきデータを参照するために、ペイロードデータがここで使用されるべきである。制御データは、ペイロードデータの信頼できる、エラーなしの送信を保証するために追加的に交換されたデータを参照すべきである。

ダウンリンク−空間的分離．
ダウンリンク幾何学的形状は、個々の光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎに対応するビーム円錐のオーバーラップを原因とする、地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎにおける相互干渉なしに、狭い光ビーム幅の特徴及び地面に対する狭い空間的分離距離の固有の機会を使用する。従って、光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎは、相互に特定の距離だけ離れて位置する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎによって、相互に空間的に分離される。

図２は、地上端末３０の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎのこの空間的分離の概略図を例示する。この図形に対して図示されるように、光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎは、相互に距離Ｄだけ離れて位置する。この最小距離Ｄは、光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎの光ビーム幅及びその結果生じたスポット直径を考慮して、その対応する光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎからの光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎの任意の１つにおける光受信電力が、任意の他の光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎによる干渉からの光受信電力よりも少なくとも１桁だけ大きいことを保証するために十分に高くなるように設定される。光受信電力は、光地上基地局による受信機光電力に言及する。光受信電力は、距離が長くなればなるほど光受信電力が低くなるという点において、光ビームの中心からの受信機の距離に直接的に依存する。

図２に図示された例では、光ダウンリンクチャンネルＤＬ１に対応する光ビームの中心に位置する光地上基地局ＯＧＳ１における光受信機電力は、任意の他の地上基地局ＯＧＳ２−ＯＧＳｎにおける光ダウンリンクチャンネルＤＬ１に対応する光ビームからの光受信機電力よりも１桁大きいだけでなく２桁も大きい。後述されたように、光地上基地局（ここではＯＧＳ１）の受信機に対して焦点が合わされた光ビームの中心における光ダウンリンクチャンネル（ここではＤＬ１）に対応する光ビームから受信する電力を１００％として仮定されるべきである。このケースでは、光ビームからの光受信電力のその１００％のうちの約１％は、他の光地上基地局（ここではＯＧＳ２−ＯＧＳｎ）のうちのいずれかにおいて顕著である。言い換えると、光ダウンリンクチャンネル間のクロストーク／干渉／オーバーラップは、それらのそれぞれの光電力の約１％に制限される。このことが、各光地上端末ＯＧＳがその対応する光ダウンリンクチャンネルＤＬと、他の光ダウンリンクチャンネルＤＬからのクロストーク／干渉／オーバーラップとの間を確実に区別できることを保証する。

しかしながら、各光地上端末ＯＧＳがその対応する光ダウンリンクチャンネルＤＬと、他の光ダウンリンクチャンネルＤＬからのクロストーク／干渉／オーバーラップとの間を確実に区別できることを保証するためには、対応する光ダウンリンクチャンネルからの光受信電力と干渉からの光受信電力との間の比率は約１から１０までの比率で十分である。

アップリンク−指示−捕捉−追尾ＰＡＴ．
図１に図示されたように、逆方向において、各光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎは、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの１つと対応する光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎと接続される。地上端末３０においては、好ましくは、１つのアップリンクレーザビーコンが、正確な見通し内参照のために、遠隔端末２０の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎに対する光参照（もしくは誘導ビーム）として、光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎごとに提供される。従って、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎは、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに向かって光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを個々に方向付けるために、光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎによる指示−捕捉及び追尾ＰＡＴのための遠隔端末２０に向かって方向付けられたｎ個のレーザビーコンを備える。この理由のために、本発明の方法は好ましくはさらに、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎのレーザビーコンによって、光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎによって、指示して捕捉して追尾し、それによって、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに向かって光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを個々に方向付けるステップを含む。結果として、光通信端末ＯＴと光地上基地局ＯＧＳとの各ペアは、ＰＡＴ手順に関してはある程度までは独立して動作する。さらに、これが冗帳性だけでなく拡張性による信頼性を改善する。従って、もし適切に構成されて同期されれば、光通信端末と光地上基地局との両方において周知の型のものが使用されてもよい。

従って、ｎ個のレーザビーコンを備えた、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎは、遠隔端末２０に向かって方向付けられ、本発明の方法はさらに、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎのレーザビーコンによって、光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎによって指示して捕捉して追尾し、それによって、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに向かって光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを個々に方向付けるステップを含む。

いくつかの光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎから同一の遠隔端末２０に対して同時に接続することの問題は、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのすべてのアップリンクレーザビームは、遠隔端末２０のすべての光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎとそれらの対応する検出器とにおいて視界がオーバーラップし、それによって、どの光地上基地局ＯＧＳに対して追尾すべきなのか、どの光地上基地局ＯＧＳから追尾すべきなのか、どこからアップリンク信号が来るのかなどの混乱を導くであろう。しかしながら、ダウンリンクチャンネルＤＬのケースにおける地上基地局の空間的分離の同一のアプローチは、その減少されたサイズのために、遠隔端末２０において適用されない。従って、本発明は、光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎに対するその空間的分離と、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの正確な時間的分離とを組み合わせる。

従って、地上端末３０は、ｎ個の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを同期させるように構成され、その結果、時分割多元接続スキームによって、正確な時間的分離がｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎ間で保証されそれによって光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎ間のオーバーラップを回避する。従って、本発明は、例えば異なる光チャンネルの使用や光パラメータの変更などの、オーバーラップを回避するための複雑な解決手法を回避する。その代わり、時分割多元接続によって、同一のオンボードハードウェアが経済的な方法で使用される。これを獲得するために、地上端末３０は、同期化ユニットを備え、好ましくはｎ個の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎの１つの一部として構成される（その場合はこれがマスター地上基地局である。）。同期化ユニットは、ｎ個の地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを同期化するように構成され、その結果、いつ何時でも、１つの地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎだけが送信することにより、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの時間的分離を提供し、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの１つだけが同時に動作状態となることを保証する。

従って、ｎ個の数の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを有する遠隔端末２０と、特別にｎ個のクラスタに分離された光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを有する地上端末３０との間の光データ送信方法は、
−各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに接続するｎ個の光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎを確立するステップと、
−各光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを、対応する光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎを接続するｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎを確立するステップと、
−遠隔端末２０からのペイロードデータを、ｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎによって、地上端末３０のうちの、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに送信するステップと、
−時分割多元接続スキームによる正確な時間的分離によって、ｎ個の個々の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎからの制御データを、対応する光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎを介して、対応する光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎに対して順次的に送信し、それによって、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎ間のオーバーラップを回避するステップとを含む。

パルス位置変調ＰＰＭを用いた時間的分離．
本発明の特に好ましい実施形態では、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎは、パルス位置変調されたＰＰＭ信号である。図３Ａは、１つの光アップリンクチャンネルＵＣ１の単一の光ダウンリンクチャンネルＤＬのパルス位置変調されたＰＰＭ信号の表示を図示する。この図面上で図示されるように、ＰＰＭ信号は期間Ｔを有する。ＰＰＭ変調の性質によって、ＰＰＭ信号の連続的なパルス間には、実質的なパルス休止相Ｐｓが存在する。

図３Ｂは、時分割多元接続スキーム（方式）を使用した光アップリンクチャンネルの時間的分離を例示する。ここでは、光アップリンクチャンネルのパルス位置変調を使用した好ましい実施形態を図示しており、各アップリンクチャンネルは他のアップリンクチャンネルのパルス休止相に対応して割り当てられた特定の時間スロットを有する。図３Ｂに例示されたように、ｎ個のアップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのいずれか１つのパルス位置変調されたＰＰＭ信号の各パルスが、パルス位置変調されたＰＰＭ信号の期間Ｔを、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの数のｎ個に分割して、各光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎをＴ／ｎ以下の専用の時間スロットＴｓに割り当てることによって、他のアップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのパルス休止相Ｐｓの間に順次的に放射されるように、ｎ個の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎは同期化される。

従って、本発明の好ましい方法では、ｎ個の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎは、パルス位置変調されたＰＰＭスキームに従って、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎを変調する。さらに、ｎ個のアップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのいずれか１つのパルス位置変調されたＰＰＭ信号の各パルスが、パルス位置変調されたＰＰＭ信号の期間Ｔを、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの数のｎ個に分割して、各光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎをＴ／ｎ以下の専用の時間スロットＴｓに割り当てることによって、他のアップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのパルス休止相Ｐｓの間に順次的に放射されるように、同期化ユニットは、ｎ個の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを制御する。Ｔ／ｎよりもわずかに小さい時間スロットＴｓを選択することによって、１つもしくは他のアップリンクチャンネルＵＣに属するパルスのより大きい分離を保証し、同期化に対する要件を緩和する。

地上端末３０における同期化．
本発明の特に好ましい実施形態では、遠隔端末２０のｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎの１つは、マスター地上基地局から、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのレーザビーコンを受信し、クロック同期化信号を遠隔端末２０の他の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎに分配するように構成されたマスター光通信端末であって、それによって、ｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎのゲートされた見通しを初期化する。ここで、各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎから信号を順次的に受信する。

同期化を保証するために、同期化ユニット（好ましくは、マスター地上基地局として動作する光地上基地局ＯＧＳの一部）は、ｎ個の地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎを同期化させる。その結果、いつ何時でも、１つの地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎだけがパルスを送信することにより、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの１つだけが同時に動作状態となることを保証することによって、ｎ個の光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの時間的分離を提供する。

遠隔端末２０における同期化．
遠隔端末２０を同期化させるために、遠隔端末２０のｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎの１つは、マスター光通信端末であって、本発明の方法はさらに、
−マスター地上基地局から、光アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎのレーザビーコンを受信するステップと、
−クロック同期化信号を、遠隔端末２０の他の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎに分配し、それによって、ｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎのゲートされた見通しを初期化し、ここで、各光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎからの信号を順次的に受信するステップとを含む。

空間的分離及び時間的分離．
ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎの空間的分離と、アップリンクチャンネルＵＣ１−ＵＣｎの時間的分離とを組み合わせれば、遠隔端末２０のｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎは、ペイロードデータを、地上端末３０の対応する光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎに同時に送信できる一方で、光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳｎは、例えば対応する光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎから、失った／誤って受信されたデータパケットの再送信を要求するための自動化されたリピート要求ＡＲＱ信号などの制御信号を、対応する光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎに順次的に送信できる。

オプション的に、ダウンリンク通信の可用性を増加させるために、遠隔端末は、もし対応する光ダウンリンクチャンネルＤＬ１−ＤＬｎが利用不可能でかつ／もしくは信頼性がなければ、ｎ個の光通信端末ＯＴ１−ＯＴｎのいずれかによって送信されるべきデータを再ルーティングし、それによって、光データ送信の冗帳性及びより大きい可用性を獲得する。

定量的な例．
図１及び図３Ｂに図示された４つのフォールドリンクシナリオを用いて、定量的な例が与えられる。１００ｎｓパルス幅を有した２０ｋＨｚのパルスリピートレートにおいて６４−ＰＰＭ（６４パルス変調）を使用すれば、その場合は光地上基地局ＯＧＳの地上ビーコンレーザの各アクティブパルスを出力する期間／時間スロットＴｓは残余バッファ時間を含む７μｓよりも短い時間だけ継続するであろう。同期化精度を緩和するために、隣接したアクティブパルス時間窓間に追加的な５μｓの残余バッファ時間を含めれば、このことが４つの光地上基地局ＯＧＳが同期化されることを可能とするであろう。より高い、利用できる同期化精度において、適合化されたＰＰＭスキームとともにバッファマージンは、より多くの数の同時の光ダウンリンクチャンネルＤＬに対してでさえも用いられる。

感知し得るベースラインを、同一の遠隔端末２０上の単一の光通信端末ＯＴあたりにつき２．５Ｇｂｉｔ／ｓのダウンリンクレートと仮定すれば、その場合はこのレートは、地上の同一の通過帯域の間に、４つの同一の光通信端末ＯＴ１−ＯＴ４及び４つの同一の光地上基地局ＯＧＳ１−ＯＧＳ４を使用することによって、全体で１０Ｇｂｉｔ／ｓのダウンリンクレートまで増加させることが可能となる。もちろん、４つの数というのは例示目的のためだけであって、図示された数よりも多い数もしくは少ない数を使用して適用することが可能である。

比較のために、実験的実証において今日得られた、大きい宇宙端末からの最大の光ダウンリンク能力は６．２Ｇｂｉｔ／ｓに達する。この比較において、４つの光通信端末ＯＴ１−ＯＴ４の搭載された全体の設置面積は単一のそれの約半分であるが、大きい端末である。

この定量的な例では、磁極傾斜された地球低軌道において７００ｋｍの高度における遠隔端末を仮定すると、光ビームの中心から１５０ｍの距離Ｄにおいては、光受信電力は、ビームの中心における１００％の受信電力のうちの約１％であろう。

留意すべきことは、本質的に、複数の小さい端末を使用することの特徴はまた、単一の項目の失敗のリスクを減少させ、単一の光通信端末ＯＴあたりの冗帳性の制約を緩和するためのオプションを提供する、ということである。

また、留意すべきことは、通過帯域あたりのダウンリンクデータレート量はさらに、もう１つの変調スキームに移動することによって増加され、遠隔端末２０において、同一の小さい物理的な設置面積を保持することができる、ということである。

以下の特許請求の範囲において定義された発明の範囲を離れることなしに、上述説明された特定の構造に基づいて、多くの変形例が採用されることが理解されるであろう。

本発明は、光周波数に対する遠隔端末あたりの拡張可能な光ダウンリンク量及び拡張可能なデータレート容量に対する革新的なアプローチを提供する。チャンネル数の増加もしくは変調フォーマットを変更することによる再設計もしくはデルタ設計の代わりに、本発明は特別な組み合わせにおいて同一のハードウェアを使用し、それによって、直接的に拡張可能な光ダウンリンク容量に対してコストが最小化されたアプローチを得る。そのアイデアは、衛星ダウンリンクに限定されず、それはまた宇宙を飛行するプラットフォームからのダウンリンクに対する使用にまで拡張される。双方向性の非対称のレーザ通信リンクシナリオに対して、地上基地局クラスタの空間的分離特性の特徴と、遠隔端末制御データ送信に対して使用された光アップリンク方向に対する時間的分離とを組み合わせることがキーであって、ビームステアリング目的のために、同期化されたアップリンクレーザ変調及び検出の特別な方法をさらに適用する。

本発明によって提供された上述識別された目的及びその解決手法を考慮すると、最も重要な利点は、システムが非常に増加されたデータレートを提供することである。すなわち、遠隔端末上の１つの単一の光通信端末と比較すると、ｎ倍の係数によって増加される。同時に、伝統的なデータレート増加のアプローチのケースにおいて概ね３乗まで増加されるアプローチと比較すると、データレートのこの増加は遠隔端末の重量における単なる線形的増加と結びつけて考えられる。

さらに、光地上基地局のクラスタと組み合わされたｎ個の数の光通信端末の使用は、遠隔端末と地上端末との両方を含むシステムが個々の失敗に対してより耐性があることを保証し、システムの信頼性をよりいっそう高くする。

さらに、空間的に分離された地上基地局の使用が、遠隔及び地上光端末間の見通し内における妨害のために、遠隔端末と地上端末との間の通信の完全な妨害のリスクを減少させ、それによって、システムの可用性を改善する。

光地上基地局のクラスタと結び付けられた複数の光通信端末の使用によって、通信システム／方法の高い拡張性もまた提供され、その容量はさらなる光通信端末と、対応する光地上基地局との追加によって容易に調整される。従って、完全な通信システムを交換することを必要とするであろう周知のシステムとは対称的に、システムのアップグレードが可能となる。

留意すべきことは、重量が、概ね３乗されたテレスコープの直径比率にともなって増加するだけでなく、コストが非線形的に増加する、ということである。従って、比較的低コストの光通信端末のアレイを利用することによって、非常に減少された重量のために、発射コストの節約に加えて、固有のコスト利点をもたらす。

また、好ましくはすべての光通信端末及びすべての光地上基地局が同一の型のものであるので、メンテナンスがより簡単となってコストはより少なくなる。

１０…光ダウンリンクシステム、
２０…遠隔端末、
ＯＴ１−ＯＴｎ…光通信端末、
３０…地上端末、
ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ…光地上基地局、
ＤＬ１−ＤＬｎ…光ダウンリンクチャンネル、
ＵＣ１−ＵＣｎ…光アップリンクチャンネル、
Ｔ…（ＰＰＭ信号の）期間、
Ｐｓ…（ＰＰＭ信号の）パルス休止、
Ｔｓ…時間スロット。

Claims (15)

1. ｎが２以上であるｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）を備えた遠隔端末（２０）と、
   ｎ個のクラスタの光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を備えた地上端末（３０）とを備えた光ダウンリンクシステム（１０）であって、
   上記各光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）は、ｎ個の光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）の１つと対応した光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）と接続され、
   上記各光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）は、ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の１つと対応した光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）と接続され、
   上記光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）は、相互に特定の距離だけ離れて位置する上記光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）によって相互に空間的に分離され、
   上記地上端末（３０）は、時分割多元接続スキームによって、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）間の正確な時間的分離が保証され、それによって、上記光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）間のオーバーラップを回避できるように、上記ｎ個の光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を同期させるように構成されたことを特徴とする光ダウンリンクシステム（１０）。
2. 上記地上端末（３０）は、同期化ユニットを備え、好ましくは、マスター地上基地局である、上記ｎ個の光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）の１つの一部として構成され、
   上記同期化ユニットは、いつ何時でも、１つの地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）だけが送信することにより、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の時間的分離を提供するように上記ｎ個の地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を同期化させるように構成され、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の１つだけが同時に動作状態となることを保証することを特徴とする請求項１記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
3. 上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）は、パルス位置変調されたＰＰＭ信号であって、
   上記同期化ユニットは、上記ｎ個のアップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）のいずれか１つの上記パルス位置変調されたＰＰＭ信号の各パルスが、上記パルス位置変調されたＰＰＭ信号の期間（Ｔ）を、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の数のｎ個に分割して、上記各光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を、Ｔ／ｎ以下の専用の時間スロット（Ｔｓ）に割り当てることによって、他のアップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）のパルス休止相（Ｐｓ）の間に順次的に放射されたことを特徴とする請求項２記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
4. 上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）は、上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）に向かって上記光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）を個々に方向付けるために、上記光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）によって、指示して捕捉して追尾するための上記遠隔端末（２０）に向けて方向付けされたｎ個のレーザビーコンを備えたことを特徴とする請求項３記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
5. 上記遠隔端末（２０）の上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）の１つは、上記マスター地上基地局から、上記光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）のレーザビーコンを受信して、上記遠隔端末（２０）の他の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）に対してクロック同期化信号を分配するように構成されたマスター光通信端末であって、
   それによって、上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）のゲートされた見通しを初期化し、ここで、上記各光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）は、上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）から信号を順次的に受信することを特徴とする請求項４記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
6. 上記遠隔端末（２０）の上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）は、ペイロードデータを、上記地上端末（３０）の上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）に同時に送信するように構成され、
   上記光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）は、例えば上記対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）から、失った／誤って受信されたデータパケットの再送信を要求するための自動化されたリピート要求ＡＲＱ信号などの制御信号を、上記対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）に順次的に送信することを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
7. 上記光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）は、相互に距離（Ｄ）だけ離れて位置し、
   上記距離（Ｄ）は、その対応する光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）からの上記光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）のいずれか１つにおける光受信電力が、任意の他の光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）による干渉からの光受信電力よりも少なくとも１桁大きいことを保証するために、十分に高いことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
8. 上記遠隔端末（２０）は、宇宙を飛行する通信衛星もしくは通信プラットフォームであることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の光ダウンリンクシステム（１０）。
9. ｎが２以上であるｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）を有する遠隔端末（２０）と、特別にｎ個のクラスタに分離された光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を備えた地上端末（３０）との間の光データ送信の方法であって、
   当該方法は、
   各光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）を、対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）と接続するｎ個の光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）を確立するステップと、
   各光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を、対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）と接続するｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）を確立するステップと、
   上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）によって、上記遠隔端末（２０）からのペイロードデータを、上記地上端末（３０）の上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）に送信するステップと、
   時分割多元接続スキームによる正確な時間的分離によって、上記ｎ個の個々の光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）からの制御データを、上記対応する光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）を介して、上記対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）に順次的に送信し、それによって、上記光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）間のオーバーラップを回避するステップとを含むことを特徴とする光データ送信の方法。
10. 同期化ユニットは、いつ何時でも、１つの地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）だけが送信することにより、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の時間的分離を提供するように、上記ｎ個の地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を同期化し、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）が同時に動作状態となることを保証するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の光データ送信の方法。
11. 上記ｎ個の光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）は、パルス位置変調されたＰＰＭスキームに従って、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）を変調し、
    上記同期化ユニットは、上記ｎ個の光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を制御し、その結果、上記ｎ個のアップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）のいずれか１つの上記パルス位置変調されたＰＰＭ信号の各パルスが、上記パルス位置変調されたＰＰＭ信号の期間（Ｔ）を、上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の数のｎ個に分割して、上記各光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）を、Ｔ／ｎ以下の専用の時間スロット（Ｔｓ）に割り当てることによって、他のアップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）のパルス休止相（Ｐｓ）の間に順次的に放射されることを特徴とする請求項１０記載の光データ送信の方法。
12. 上記ｎ個の光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）は、上記遠隔端末（２０）に向かって方向付けられたｎ個のレーザビーコンを備え、
    当該方法はさらに、
    上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）の上記レーザビーコンによって、上記光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）によって指示して捕捉して追尾し、それによって、上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）に向かって上記光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）を個々に方向付けるステップを含むことを特徴とする請求項１１記載の光データ送信の方法。
13. 上記遠隔端末（２０）の上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）の１つは、マスター光通信端末であって、
    当該方法はさらに、
    上記マスター地上基地局から、上記光アップリンクチャンネル（ＵＣ１−ＵＣｎ）の上記レーザビーコンを受信するステップと、
    クロック同期化信号を、上記遠隔端末（２０）の他の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）に分配し、それによって、上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）のゲートされた見通しを初期化するステップとを含み、
    上記初期化するステップにおいて、上記各光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）は、上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）からの信号を順次的に受信することを特徴とする請求項１２記載の光データ送信の方法。
14. 上記遠隔端末（２０）の上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）は、ペイロードデータを、上記地上端末（３０）の上記対応する光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）に同時に送信し、
    上記光地上基地局（ＯＧＳ１−ＯＧＳｎ）は、例えば上記対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）から、失った／誤って受信されたデータパケットの再送信を要求するための自動化されたリピート要求ＡＲＱ信号などの制御信号を、上記対応する光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）に順次的に送信したことを特徴とする請求項９〜１３のうちのいずれか１つに記載の光データ送信の方法。
15. 上記遠隔端末（２０）は、もし上記対応する光ダウンリンクチャンネル（ＤＬ１−ＤＬｎ）が利用不可能でかつ／もしくは信頼性がなければ、上記ｎ個の光通信端末（ＯＴ１−ＯＴｎ）のいずれかによって送信されるべきデータを再ルーティングし、それによって、上記光データ送信の冗帳性及びより高い可用性を獲得したことを特徴とする請求項９〜１４のうちのいずれか１つに記載の光データ送信の方法。

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