JP6306140B2 - 衛星通信システムにおける反射器の非理想表面の補正 - Google Patents

衛星通信システムにおける反射器の非理想表面の補正 Download PDF

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Description

本開示は、一般に、衛星通信システムに関し、詳細には、衛星通信システムにおける反射器の非理想表面の補正に関する。
無線通信アクセスは、われわれの社会および経済がますます無線通信アクセスへの依存を深めつつあり、日常の社会的機能のあらゆる面において浸透してきている。例えば、無線通信は、陸上車両、航空機、宇宙機、船舶などといった移動プラットフォーム内のユーザが、ますます利用できるようになってきた。移動プラットフォームの乗客のための無線通信サービスは、電子メールやウェブブラウジングなどのインターネットアクセス、テレビの生放送、音声サービス、仮想私設網アクセス、および他の双方向のリアルタイムサービスを含む。
リモートのユーザ端末、アクセスしにくいユーザ端末、または移動式のユーザ端末のための無線通信プラットフォーム、例えば、移動プラットフォームは、リモートの陸上の領域または水上の領域を往々にして含む、大規模な地理的フットプリント上でサービスカバレッジを提供することができる通信衛星を使用することが多い。一般に、基地局、例えば地上基地局は、1または複数の衛星を経由するベントパイプを通してユーザ端末へ情報（例えばデータ）を送信する。より具体的には、基地局は情報を順方向リンク上で衛星へ送信し、衛星は、その情報を受信し、増幅し、1台または複数の固定式ユーザ端末または移動式ユーザ端末のアンテナへ再送信する。ユーザ端末は、さらに、衛星を経由して基地局へデータを送り返すことができる。基地局は、ユーザ端末に、インターネット、公衆交換電話網、ならびに／または他の公衆もしくは私設のネットワーク、サーバ、およびサービスへのリンクを提供することができる。
現代の衛星および他のセルラー通信システムは、多くの場合、複数のセルに分割され得る地理的領域上のカバレッジを形成するビームレイダウンを提供するいくつかのスポットビームを用いる。スポットビームを用いる通信システムでは、同じ周波数が同時に2つ以上のセルで使用され得る。これらのビームは、ビーム間での干渉を最小限に抑えるために、所定の同極アイソレーション（co-polar isolation）（例えば、搬送波対干渉比）値を維持するように構成され得る。これは、空間的アイソレーションおよび空間的再利用と呼ばれる。ある典型的な用語法では、各スポットビームに色を割り当てて、周波数再利用パターンと一致する色パターンが作成され得る。その場合、同一の周波数は、同じ色を有する異なるビームによって再利用され得る。
中には直径22メートルの規模ものもある、大型の反射器を含むいくつかの衛星が、現在、開発中であり、これらの衛星は、より狭いスポットビームの形成および最大限の周波数再利用を可能とし得る。これらの衛星の中には、格納された構成から、反射器の表面がパラボラを形成し得る展開された構成へと展開可能な反射器を有するものがある。この展開は、多くの場合、宇宙環境で行われ、地上のミッションコントロールセンターから遠隔で実行される。
システムの性能要件は、多くの場合、衛星の展開された反射器が理想表面（理想的な形状の表面）を有するものと仮定する。しかし、いくつかの反射器の大型の表面およびそれらの展開は、往々にして、非理想表面（理想的な形状ではない表面）をもたらす歪みを生じさせる。すなわち、反射器表面は、正確に、反復して予測することができないことが多い。また、表面がその理想形状から逸脱すると、性能が低下し得る。例えば搬送波対干渉（carrier-to-interference (C/I)）比は、サイドローブ性能を正確に予測し、考慮に入れることができないために、劣化し得る。
本開示の例示的実装形態は、一般に、衛星通信システムにおける反射器の非理想表面を補正するシステムおよび関連付けられる方法を対象とする。例示的実装形態の一態様によれば、方法は、衛星の反射器から反射された信号（例えば、個別素子パス信号）の振幅および位相を測定するステップを含み、この振幅および位相は第1の測定値セットを形成する。方法は、素子相関行列を、第1の測定値セットの関数として計算するステップを含む。素子相関行列は、反射器からの放射給電素子パターンを表す。また、方法は、素子相関行列に基づいてビームフォーマの成形ビームパターンを調整し、それによって、反射器の非理想表面を補正するステップを含む。
一例では、成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数とすることができる。この例では、成形ビームパターンを調整するステップは、素子相関行列に基づいてビーム加重値を調整するステップを含み得る。
一例では、振幅および位相は、衛星が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に測定され得る。別の例では、方法は、反射器からの反射および地上への送信のために衛星へ信号を転送し、衛星は、フィーダリンク上で信号フィーダリンクアンテナにおいて信号を受信するステップを含み得る。また、この別の例では、フィーダリンクアンテナは、衛星が回転される際に逆回転され得る。
一例では、衛星は、フィーダリンク上で信号を受信し得る。この例では、方法は、衛星の通信プラットフォームを通過し、反射器から独立したフィーダリンク上で（例えば、送信側ゲートウェイへ）戻される信号の振幅および位相を測定するステップを含み得る。これらそれぞれの振幅および位相は、第2の測定値セットを形成し得る。また、この例では、素子相関行列は、さらに、第2の測定値セットの関数として計算され得る。
一例では、ビームフォーマは、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み得る。この例では、方法は、フィーダリンク上で衛星から第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマのそれぞれにおいて受信される第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するステップを含み得る。衛星は、第2の信号を、反射器から独立したフィーダリンク上で受信していてよく、それぞれの第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相は、第1の第2の測定値セットおよび第2の第2の測定値セットを形成し得る。方法は、第1の第2の測定値セットと第2の第2の測定値セットとの差分の関数として差分測定値を計算するステップを含み得る。また、素子相関行列は、さらに、第1の第2の測定値セットおよび差分測定値の関数として計算され得る。
さらに、本開示は、以下の各項目による実施形態を含む。
項目1．衛星の反射器から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する振幅および位相を測定するように構成されたビームフォーマと、
第1の測定値セットの関数として、反射器からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するように構成されたコンピューティング装置と
を含み、ビームフォーマは、素子相関行列に基づいて調整された成形ビームパターンを生成し、それによって、反射器の非理想表面を補正するように構成されている、システム。
項目2．成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、ビームフォーマは、成形ビームパターンを、素子相関行列に基づいて調整されたビーム加重値の関数として生成するように構成されている、項目1のシステム。
項目3．ビームフォーマは、衛星が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に振幅および位相を測定するように構成されている、項目1のシステム。
項目4．ビームフォーマは、反射器からの反射のために衛星へ信号を転送するようにさらに構成されており、衛星は、フィーダリンク上でフィーダリンクアンテナにおいて信号を受信するように構成されており、フィーダリンクアンテナは、衛星が回転される際に逆回転される、項目1のシステム。
項目5．衛星は、フィーダリンク上で信号を受信するように構成されており、
ビームフォーマは、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み、第1のビームフォーマは、反射器から反射される信号の振幅および位相を測定するように構成されており、第2のビームフォーマは、衛星の通信プラットフォームを通過し、反射器から独立したフィーダリンク上で戻される信号の振幅および位相を測定するように構成されており、それぞれの振幅および位相は第2の測定値セットを形成し、
コンピューティング装置は、さらに、第2の測定値セットの関数として素子相関行列を計算するように構成されている、項目1のシステム。
項目6．ビームフォーマは、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み、第1のビームフォーマは、反射器から反射される信号の振幅および位相を測定するように構成されており、
第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマは、フィーダリンク上で衛星から第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマのそれぞれにおいて受信される第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するように構成されており、衛星は、第2の信号を、反射器から独立したフィーダリンク上で受信しており、それぞれの第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相は、第1の第2の測定値セットおよび第2の第2の測定値セットを形成し、
コンピューティング装置は、第1の第2の測定値セットと第2の第2の測定値セットとの差分の関数として差分測定値を計算し、さらに、第1の第2の測定値セットおよび差分測定値の関数として素子相関行列を計算する、項目1のシステム。
項目7．衛星の反射器から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する振幅および位相を測定するステップと、
第1の測定値セットの関数として、反射器からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するステップと、
素子相関行列に基づいてビームフォーマの成形ビームパターンを調整し、それによって、反射器の非理想表面を補正するステップと
を含む方法。
項目8．成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、成形ビームパターンを調整するステップは、素子相関行列に基づいてビーム加重値を調整するステップを含む、項目7の方法。
項目9．振幅および位相は、衛星が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に測定される、項目7の方法。
項目10．反射器からの反射のために衛星へ信号を転送し、衛星は、フィーダリンク上でフィーダリンクアンテナにおいて信号を受信するステップ
をさらに含み、フィーダリンクアンテナは衛星が回転される際に逆回転される、項目7の方法。
項目11．衛星はフィーダリンク上で信号を受信し、方法は、
衛星の通信プラットフォームを通過し、反射器から独立したフィーダリンク上で戻される信号の振幅および位相であって、第2の測定値セットを形成するそれぞれの振幅および位相を測定するステップ
をさらに含み、素子相関行列は、さらに、第2の測定値セットの関数として計算される、項目7の方法。
項目12．ビームフォーマは、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み、方法は、
フィーダリンク上で衛星から第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマのそれぞれにおいて受信される第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するステップであって、衛星は、第2の信号を、反射器から独立したフィーダリンク上で受信しており、それぞれの第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相は、第1の第2の測定値セットおよび第2の第2の測定値セットを形成する、第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するステップと、
第1の第2の測定値セットと第2第2の測定値セットとの差分の関数として差分測定値を計算するステップと
をさらに含み、素子相関行列は、さらに、第1の第2の測定値セットおよび差分測定値の関数として計算される、項目7の方法。
項目13．フィーダリンク上で衛星によって受信され、通信プラットフォームを通過し、順方向に衛星の反射器から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する振幅および位相を測定するステップと、
通信プラットフォームを通過し、反射器から独立したフィーダリンク上で戻される信号の振幅および位相であって、第2の測定値セットを形成するそれぞれの振幅および位相を測定するステップと、
第1の測定値セットおよび第2の測定値セットの関数として、反射器からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するステップと、
素子相関行列に基づいてビームフォーマの成形ビームパターンを調整し、それによって、反射器の非理想表面を補正するステップと
を含む方法。
項目14．成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、成形ビームパターンを調整するステップは、素子相関行列に基づいてビーム加重値を調整するステップを含む、項目13の方法。
項目15．振幅および位相は、衛星が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に測定される、項目13の方法。
項目16．反射器からの反射のために衛星へ信号を転送し、衛星は、フィーダリンク上でフィーダリンクアンテナにおいて信号を受信するステップ
をさらに含み、フィーダリンクアンテナは衛星が回転される際に逆回転される、項目13の方法。
項目17．衛星の反射器から反射され、戻り方向に、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含むビームフォーマへ衛星によって転送される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する振幅および位相を測定するステップと、
フィーダリンク上で衛星から第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマのそれぞれにおいて受信される第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するステップであって、衛星は、第2の信号を、反射器から独立したフィーダリンク上で受信しており、それぞれの第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相は、第1の第2の測定値セットおよび第2の第2の測定値セットを形成する、第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するステップと、
第1の第2の測定値セットと第2第2の測定値セットとの差分の関数として差分測定値を計算するステップと
第1の測定値セット、第1の第2の測定値セット、および差分測定値の関数として、反射器からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するステップと、
素子相関行列に基づいてビームフォーマの成形ビームパターンを調整し、それによって、反射器の非理想表面を補正するステップと
を含む方法。
項目18．成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、成形ビームパターンを調整するステップは、素子相関行列に基づいてビーム加重値を調整するステップを含む、項目17の方法。
項目19．振幅および位相は、衛星が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に測定される、項目17の方法。
項目20．反射器からの反射のために衛星へ信号を転送し、衛星は、フィーダリンク上でフィーダリンクアンテナにおいて信号を受信するステップ
をさらに含み、フィーダリンクアンテナは衛星が回転される際に逆回転される、項目17の方法。
項目21．項目1から6のいずれか一項のシステムを含む航空機。
例示的実装形態の他の側面では、システムが、順方向および戻り方向での非理想反射器表面の補正により具体的に関連した方法と共に提供される。本明細書で論じられる特徴、機能、および利点は、様々な例示的実装形態において独立に達成されてもよく、あるいは、以下の説明および図面を参照すればそのさらなる詳細が理解され得る別の例示的実装形態において組み合わされてもよい。
以上、本開示の例示的実装形態を一般的に説明したので、次に、添付の図面を参照する。図面は、必ずしも縮尺どおりに描かれているとは限らない。
本開示の例示的実装形態による衛星通信システムを示す図である。 本開示の例示的実装形態による衛星通信システムの概略的ブロック図である。 本開示の例示的実装形態による衛星通信システムの概略的ブロック図である。 本開示の例示的実装形態による衛星通信システムの概略的ブロック図である。 本開示の例示的実装形態の各態様の方法における様々な動作を含む流れ図である。
次に、本開示のいくつかの実装形態を、以下で、添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面には、本開示の、全部ではなく、一部の実装形態が示されている。実際、本開示の様々な実装形態は、多くの異なる形態で具現化されてよく、本明細書に記載される実装形態だけに限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの例示的実装形態は、本開示が詳細で完全であり、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるものになるように提供されるものである。例えば、本明細書では、構成要素の寸法または構成要素間の関係に言及する場合がある。そうした関係および他の類似した関係は、公差などによる変動といった起こり得る変動の説明がつくように、絶対的とすることも、近似とすることもある。類似した参照符号は、全体を通して類似した要素を指す。
本開示は、衛星通信システムにおける反射器の非理想表面の補正に関するものである。本明細書で記述される場合、「衛星」という用語は、一般性を失うことなく使用され、他の種類の中継装置および配信装置を含み得るものであり、これらの装置は、様々な例において、陸上に位置してもよく、移動プラットフォーム（陸上車両、航空機、宇宙機、船舶など）に搭載されてもよい。よって、例示的実装形態の通信システムは、1または複数の「衛星」を含むものとして図示され、記述され得るが、「衛星」という用語は、1または複数の中継装置および配信装置を含むものとしてより広義で使用され得る。
図1に、本開示の様々な例示的実装形態による衛星通信システム100の一例を示す。図示のように、衛星通信システムは、1または複数の衛星102、1または複数の衛星地上基地局104、および複数のユーザ端末106を含み得る。ユーザ端末は、小型ハンドヘルド端末106a、中型の可搬式車両用端末106b、および／または大型の航空機・船舶用端末106cといった、多種多様なものであってよい。衛星は、基地局および1または複数のユーザ端末が位置し得る地理的領域108をカバーし得る。基地局は、インターネット、公衆交換電話網（public switched telephone networks (PSTN)）、パケット・データ・ネットワーク（packet data networks (PDN)）、公衆陸上移動網（public land mobile networks (PLMN)）、企業ネットワークや政府ネットワークといった私設網のような1または複数のネットワーク110、ならびに／または他のサーバおよびサービスに結合され、あるいはそれらの一部であってよい。
様々な例において、衛星102および基地局104は、ユーザ端末106とネットワーク110との間の通信を可能にし得る。これに関して、基地局は、ネットワークから情報（例えばデータ）を受信し、その情報を衛星へ伝達し得る。衛星は、さらに、その情報を、スポットビーム内の1または複数のユーザ端末へ送信し、または中継し得る。その反対に、例えば、衛星は、ユーザ端末から情報を受信し、その情報を基地局へ伝達してもよく、基地局は、さらに、その情報をネットワークへ送信し、または中継し得る。この種の通信は、「ベントパイプ」通信と呼ばれることもある。しかし、例示的実装形態は、搭載パケット交換を備える衛星システムといった他の種類の衛星システムにも適用可能とし得ることを理解すべきである。
衛星102は、複数のセルに分割され得る地理的領域108上のカバレッジを形成するビームレイダウンを提供するいくつかのスポットビームを用いることができる。各ビームは、一例では、衛星通信システム100のそれぞれのセルをカバーし得る。各ビームは、衛星の周波数再利用パターンと一致するパターンを作成するためにいくつかのビームの印を割り当てられ得る。いくつかの例では、ビームの印は、色またはセルとすることもでき、あるいは、英字、数字、または英数字とすることもできる。本開示の例示的実装形態によれば、衛星は、2つ以上のセルに、同時に同じ周波数を使用し得る。すなわち、衛星は、同じ色を有する異なるビームにおいて同じ周波数を再利用し得る。一例では、再利用距離は、あるビームの中心から同じ色を有する別のビームの縁部まで測定され得る。
図2に、一例において図1の衛星通信システム100に対応し得る衛星通信システム200をより具体的に示す。図示のように、衛星通信システムは、1または複数の衛星202、1または複数の衛星地上基地局またはゲートウェイ局204、および複数のユーザ端末206を含んでいてよく、これらは、一例では、衛星102、地上基地局104、およびユーザ端末106のそれぞれのものに対応し得る。ゲートウェイ局は、1または複数のネットワーク208（例えばネットワーク110）から情報（例えばデータ）を受信し、その情報を、所定の周波数帯域において1または複数のフィーダリンク210上で衛星へ伝達することができ、逆もまた可能である。図示のように、ゲートウェイ局は、例えば、ネットワークとの通信を可能にするように構成された衛星ベースサブシステム（satellite base sub-system (SBSS)）やコアネットワーク（core network (CN)）を含み得る地上制御ネットワーク（ground control network (GCN)）212を含み得る。ゲートウェイ局は、無線周波数（radio-frequency (RF)）装置（RF equipment (RFE)）214、および、以下で説明するように、衛星との通信を可能にするように構成された地上ベースのビームフォーマ（ground based beam former (GBBF)）をさらに含み得る。
衛星202は、ゲートウェイ局204から１または複数のユーザ端末206へ、また１または複数のユーザ端末206からゲートウェイ局204へ、情報を送信し、または中継し得る。衛星は、（順方向給電素子218aおよび戻り給電素子218bを含む）アンテナ給電素子218のアレイを含むアンテナシステムを保持する通信プラットフォーム216またはペイロードと、フェーズドアレイまたは反射器220とを含み得る。この給電アレイは、ゲートウェイ局204から情報を受信し、その情報を、所定の周波数帯域（例えばLバンド）において1または複数のアップリンク上でスポットビーム222内の1または複数のユーザ端末206へ送信し、または中継するように構成され得る。様々な例において、通信プラットフォームは、ユーザ端末とのユーザリンクを「閉じる」ためにアンテナ利得を適用するように構成された適切な回路をさらに含み得る。
反射器220は、単一の反射器でも複数の反射器でもよく、放物面または他の適切な表面を有する任意の適切なサイズのものであってよい。様々な例において、反射器は、大型の、例えば直径22メートルの規模のものであってよく、より狭いスポットビームの形成および最大限の周波数再利用を可能にし得る。一例では、反射器は、メッシュ材料で形成された表面を有していてよく、格納された構成から、反射器の表面がパラボラを形成し得る展開された構成へと外側に引き出され得る。いくつかの例では、この展開は、コーナーヒンジのところに位置する個別に命令できる駆動モーターによって駆動されてよく、駆動モーターは、反射器を展開するためにつなぎケーブルを引くのに必要とされるトルクを供給し得る。
衛星202は、複数のセルに分割され得る地理的領域（例えば領域108）上のカバレッジを形成するビームレイダウンを提供するいくつかのスポットビーム222を用いることができる。この指向性の送信または受信側の少なくとも一部を円滑化するために、衛星通信システム200は、1または複数のビーム係数、ビーム加重値など（一般には「ビーム加重値」）に従って、各給電素子218への各パスの振幅および位相を調整するように構成されたビームフォーマを含み得る。これらのパスを、本明細書では、「素子パス」と呼ぶこともある。したがって、ビームフォーマは、ビームフォーマのそれぞれのポート（「ビームポート」とも呼ばれる）を経由して衛星へ出力され得るビームを生成し得る。一例では、ビームフォーマは、ゲートウェイ局において、地上ベースのビームフォーマ（ground-based beamformer (GBBF)）224として実装され得る。
様々な例において、ビーム加重値が生成され、GBBF224上にロードされ、または別のやり方でGBBF224によって受け取られ得る。ビーム加重値は、いくつかの異なるやり方で生成され得る。一例では、ビーム加重値は、ビーム加重値生成器（beam-weight generator (BWG)）226といったコンピューティング装置によって生成され、または、別のコンピューティング装置によってオフラインで生成されてBWGへロードされ、BWGからビーム加重値はGBBF上へロードされ得る。GBBFは、ビーム加重値を使用して、それぞれのセルに対応するビームを形成し、それらのビームを、それぞれのビームポートを経由して衛星202へ出力し得る。
順方向では、ネットワーク208からの信号が、GCN212を経由してGBBF224へ送信され得る。GBBFは、信号に適切なビーム加重値またはビーム加重値セットを適用し、その結果、衛星202の通信プラットフォーム216のそれぞれの順方向給電素子218aのためのいくつかの信号がもたらされ得る。GBBFは、次いで、それらの信号を、RFE214を経由して衛星へ転送し得る。衛星は、次いで、それらの信号を、カバレッジエリアにおけるスポットビーム222内の適切なユーザ端末206へ提供し得る。一例では、衛星は、それらの信号を、フィーダリンク210上でフィーダリンクアンテナ228において受信し、適切な回路を経由してそれらの信号を増幅し、ダウンコンバートし、順方向給電素子まで経路制御し得る。これに関して、通信プラットフォーム216は、フィーダリンクバンド信号とユーザリンクバンド信号との間で信号を経路制御するように構成された順方向チャネライザ（および対応する戻り方向のための戻りチャネライザ）と、ハイブリッド行列・結合器変換に従って順方向給電素子へ信号を配信するように構成されたハイブリッド行列とを含み得る。そして順方向給電素子から、信号は、信号がそれぞれのセル内のユーザ端末206によって受信され得る地理的領域内のセルへ向けて、反射器220から放射され得る。
戻り方向では、ユーザ端末206からの信号が衛星202へ送信されてよく、信号は、反射器220から反射され、戻り給電素子218bによって受信され得る。信号は、増幅され、フィーダリンク210においてゲートウェイ局204へ経路制御され得る。ゲートウェイ局において、信号は、RFE214を経由してGBBF224によって受信され得る。GBBFは、適切なビーム加重値またはビーム加重値セットを使用してこれらのユーザ信号を増強し、信号は、次いで、処理および経路制御のためにネットワークへ進み得る。
一例では、GBBF224によって実行されるビーム形成は、次式によって記述され得る。
Figure 0006306140
式中、各給電パターンは、反射器220から反射する地理的領域（例えば領域108）における個別の無線周波数（RF）放射パターンと類似したものとし得る。放射パターンは、それぞれのビーム加重値によって適切に加重され、合計されて、「成形ビーム」とも呼ばれる、地理的領域における、集中され、制御された放射パターンを生み出し得る。成形ビーム性能は、例えば、実効等方放射電力（effective isotropic radiated power (EIRP)）、利得対システム温度比（gain-to-system-temperature ratio (G/T)）、搬送波対干渉比（C／I）などを含むいくつかのパラメータによって測定され得る。
ビーム加重値は、多くの場合、EIRP、G／T、C／Iなどを含むある性能要件を満たすように、また、多くの場合、反射器が理想表面（理想的な形状の表面）を有するものと仮定して生成される。しかし、背景の項で説明したように、いくつかの反射器220（例えば放物面反射器）の大きな表面およびそれらの反射器220の展開は、往々にして、非理想表面（理想的な形状ではない表面）をもたらす歪みを生じさせる。すなわち、反射器表面は、正確に、反復して予測することができないことが多い。また、表面がその理想形状から逸脱すると、性能が低下し得る。例えば、サイドローブ性能を正確に予測し、考慮に入れることができないために、C／Iが劣化し得る。
式（1）から分かるように、成形ビーム特性は、（反射器220からの）給電パターンおよびビーム加重値によって制御されてよく、これらにより所望の性能を達成するための自由度が提供され得る。本開示の例示的実装形態によれば、その際、非理想表面を含む反射器から反射される信号が測定され得る。ビーム加重値は、その際、理想表面を含む対応する反射器と同じ、またはほぼ同じ成形ビームパターンを提供するように、測定値に基づいて調整されてよく、これにより、システムは、C／Iといったある性能要件を満たすことが可能となり得る。
図3に、図2に示すシステム200と類似するが、衛星202がカバレッジを提供する地理的領域（例えば領域108）のセルにおいてゲートウェイ局302が1または複数のアンテナ304を含む例示的衛星通信システム300を示す。一例では、（1または複数の）アンテナは、通常は、ゲートウェイ局によって軌道上試験（in-orbit test (IOT)）機能に使用され得るIOTアンテナ(例えばLバンドアンテナ）と、通常は、電力制御、衛星の指向などといった目的に使用され得る1または複数のアップリンクビーコン局（uplink beacon station (UBS)）アンテナとを含み得る。ユーザ端末206と同様に、その場合、衛星は、カバレッジエリアにおけるスポットビーム222内のゲートウェイ局へ信号を提供することができてよい。また、やはり図示されるように、（1または複数の）アンテナが、増幅器（例えば、低雑音増幅器、固体電力増幅器など）・分割器ネットワーク306を含むゲートウェイ局に結合されていてよく、増幅器・分割器ネットワーク306を経由して（1または複数の）アンテナは、第1のGBBFおよび第2のGBBF（GBBF-A、GBBF-B）308a、308bを含み得るGBBFに結合され得る。別々に図示されているが、いくつかの例示的実装形態では、単一のGBBFが、論理的には分離されているが、単一のGBBF内に共に位置する、GBBF-AとGBBF-Bの両方をサポートし得る。
本開示の一例示的実装形態によれば、GBBF-A308aは、素子パスごとのそれぞれの1または複数のサービスバンドにおいて1または複数の順方向較正埋め込み（forward calibration embedded (FCAL-E)）信号を生成し得る。一例では、FCAL-E信号は、通常は、トラフィック信号と一緒に埋め込まれ得る信号と同じ、または類似した信号とし得る。一例では、（1または複数の）サービスバンドは、34MHzのLバンドスペクトルにおける下、中間、および上の各2.5MHzバンドといった、事前定義された周波数スペクトルにおける下、中間、および上の各周波数帯域を含み得る。
上記と同様に、GBBF-A308aは、FCAL-E信号を、RFE214を経由してフィーダリンク210上で衛星へ転送してよく、FCAL-E信号はフィーダリンクアンテナ228において受信され得る。衛星は、次いで、FCAL-E信号に通信プラットフォームパス308を通過させ、カバレッジエリアにおけるスポットビーム222内のゲートウェイ局アンテナ304（例えばIOTアンテナ）へ向けてFCAL-E信号を放射し得る。FCAL-E信号は、次いで、増幅器・分割器ネットワーク306に、次いで、GBBF-A308aまたはGBBF-B308bに渡され得る。GBBFは、FCAL-E信号を受信し、FCAL-E信号の相対的な振幅および位相を測定し、記憶し得る。このパスを、本明細書では、第1の順方向パス310ともいう。
信号が第1の順方向パス310に沿って通過する際に、衛星202は、カバレッジエリアにおいて所定の範囲（例えば、東西、南北）にわたって所定の速度で回転され、またはそれ以外に方向転換され得る。この回転中に、フィーダリンクアンテナ228は、それらのリンク上の通信を維持するために逆回転され得る。GBBF-A308aまたはGBBF-B308bは、その際、FCAL-E信号を受信し、回転中の1または複数のインスタンスにおいて、例えば、0.01度／秒の所定の速度での回転中に1秒間隔で、FCAL-E信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。これは、カバレッジエリア全体にわたる1または複数回の所定の回転について行われ得る。
GBBF-A308aまたはGBBF-B308bによって測定された振幅および位相は、所望の方位および仰角にわたる順方向の第1の測定値セットとして記憶されてよく、順方向の第1の測定値セットを、単に、F1と呼ぶこともある。これらの測定値は、順方向素子相関行列（ECMF）としてフォーマットされ、互いに異なる点における反射器220からの放射給電素子パターンを表し得る。一例では、その場合、ECMFは、GBBF-A、GBBF-B、および／またはBWG226によって、再度式（1）に戻って、給電パターンまたはビーム加重値を調整し、それによって、順方向の成形ビームパターンを調整するのに使用され得る。上記のように、これは、理想表面を含む対応する反射器と同じ、またはほぼ同じ成形ビームパターンを提供し、システム300が、ある性能要件（例えば、EIRP、G／T、C／I）を満たすことを可能とし得る。
様々な例においては、非理想の反射器220に加えて、衛星通信システム300は、非理想の衛星通信プラットフォーム216を補償する較正をさらに適用し得る。これらの例では、GBBF-A308aによって、RFE214を経由して、フィーダリンク210上で衛星へ転送されたFCAL-E信号は、通信プラットフォームの少なくとも一部分を通過し、フィーダリンク上で、RFEを経由してGBBF-Aへ戻り得る。一例では、FCAL-E信号は、順方向チャネライザおよびハイブリッド行列を経由して経路制御され得る。ハイブリッド行列からの配信信号は、適切な結合器によって結合され、次いで、GBBF-Aへ戻され得る。GBBF-Aは、FCAL-E信号を受信し、FCAL-E信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。このパスを、本明細書では、第2の順方向パス312ともいう。
第1の順方向パス310と同様に、衛星202は、それぞれの信号が第2の順方向パス312を通過する際にも回転され得る。GBBF-A308aは、FCAL-E信号を受信し、回転中の1または複数のインスタンスにおいて、例えば、0.01度／秒の所定の速度での回転中に1秒間隔で、FCAL-E信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。これは、カバレッジエリア全体にわたる1または複数回の所定の回転について行われ得る。
GBBF-A308aによって測定された振幅および位相は、所望の方位および仰角にわたる順方向の第2の測定値セットとして記憶されてよく、順方向の第2の測定値セットを、単に、F2と呼ぶこともある。一例では、その場合、順方向素子相関行列は、例えば、次式に従って、F1およびF2の関数として計算され得る。
ECMF＝F1−（F2−HMCT）
式中、HMCTは、通信プラットフォーム216のハイブリッド行列のハイブリッド行列・結合器変換を指し得る。一例では、この変換は、衛星202の地上での統合および試験の間に測定され、データベースに記憶され得る。様々な例において、（F1として、またはF1およびF2の関数としての）ECMFは、BWG226といったコンピューティング装置によって計算され、または別のコンピューティング装置によってオフラインで計算され、BWGへロードされ得る。上記と同様に、ECMFは、GBBF-A、GBBF-B308b、および／またはBWGによって、ビーム加重値を調整し、それによって、順方向の成形ビームパターンを調整するのに使用され得る。
図3には、例示的衛星通信システム300および順方向の成形ビームパターンの調整が示されている。図4に、例示的衛星通信システム300を、戻り方向の成形ビームパターンの調整と共に示す。本開示の一例示的実装形態によれば、GBBF-A308aは、それぞれの1または複数のサービスバンドにおいて1または複数の指向参照ビーコン（pointing reference beacon (PRB)）信号を生成し得る。順方向と同様に、一例では、（1または複数の）サービスバンドは、34MHzのLバンドスペクトルにおける下、中間、および上の各2.5MHzバンドといった、事前定義された周波数スペクトルにおける下、中間、および上の各周波数帯域を含み得る。
GBBF-A308aは、PRB信号を、増幅器・分割器ネットワーク306およびアンテナ304を経由して、ユーザリンク上で衛星へ転送し得る。衛星は、次いで、PRB信号を、フィーダリンク210上でゲートウェイ局302へ提供し得る。PRB信号は、次いで、RFE214に渡され、RFEからGBBF-B308bへ渡され得る。GBBF-Bは、PRB信号を受信し、PRB信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。このパスを、本明細書では、第1の戻りパス402ともいう。
信号が第1の戻りパス402に沿って通過する際に、順方向パスと同様に、衛星202は、カバレッジエリアにおいて所定の範囲（例えば、東西、南北）にわたって所定の速度で回転され、またはそれ以外に方向転換され得る。この回転中に、フィーダリンクアンテナ228は、それらのリンク上の通信を維持するために逆回転され得る。GBBF-B308bは、その際、PRB信号を受信し、回転中の1または複数のインスタンスにおいて、例えば、0.01度／秒の所定の速度での回転中に1秒間隔で、PRB信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。これは、カバレッジエリア全体にわたる1または複数回の所定の回転について行われ得る。
GBBF-B308bによって測定された振幅および位相は、所望の方位および仰角にわたる戻りの第1の測定値セットとして記憶されてよく、戻りの第1の測定値セットを、単に、R1と呼ぶこともある。これらの測定値は、戻り素子相関行列（ECMR）としてフォーマットされ、ECMFと同様に、互いに異なる点における反射器220からの放射給電素子パターンを表し得る。一例では、その場合、ECMRは、GBBF-A308a、GBBF-B308b、および／またはBWG226によって、ビーム加重値を調整し、それによって、戻り方向の成形ビームパターンを調整するのに使用され得る。
様々な例においては、非理想の反射器220に加えて、衛星通信システム300は、（非理想の衛星通信プラットフォーム216を補償する順方向と同様に）非理想のGBBF-A308aおよびGBBF-B308bをさらに補償し得る。戻り方向では、例えば、各GBBFは、相互に異なり得るそれぞれのアナログ・フロント・エンド（analog front end (AFE)）を含み得る。これらの例では、GBBF-Aは、戻り較正（RCAL-E）信号を、RFE214を経由して、フィーダリンク210上で衛星202へ転送してよく、RCAL-E信号は、通信プラットフォームの少なくとも一部分を通過し、フィーダリンク上で、RFEを経由してGBBF-Aへ戻り得る。一例では、RCAL-E信号は、適切な分割器によって分割され、戻りチャネライザを経由して経路制御され、次いで、GBBF-Aへ戻され、GBBF-Bへ転送され得る。各GBBFは、RCAL-E信号を受信し、RCAL-E信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。このパスを、本明細書では、第2の戻りパス404ともいう。
一例では、GBBF-A308aおよびGBBF-B308bは、RCAL-E信号を受信し、衛星202が回転される前の1または複数のインスタンスにおいて、例えば、60秒間にわたって1秒間隔で、RCAL-E信号の振幅および位相を測定し、記憶し得る。GBBF-Aによって測定された振幅および位相は、戻りの第1の第2の測定値セットとして記憶されてよく、戻りの第1の第2の測定値セットを、単に、R2-Aと呼ぶこともある。同様に、GBBF-Bによって測定された振幅および位相は、戻りの第2の第2の測定値セットとして記憶されてよく、戻りの第2の第2の測定値セットを、単に、R2-Bと呼ぶこともある。
GBBF308a、308b間のAFEの差を表す差分測定値（ΔAFE）が、R2-AとR2-Bの平均差分といった、R2-AとR2-Bとの差分の関数として計算され得る。一例では、その場合、戻り素子相関行列は、例えば次式により、R1、R2-AおよびΔAFEの関数として計算され得る。
ECMR＝R1−（R2-A＋RBF）＋ΔAFE
式中、RBFは戻り基底関数を指し、戻り基底関数は、戻り方向の構成要素の変換特性を記述し得る。ハイブリッド行列・結合器変換と同様に、一例では、戻り基底関数は、衛星202の地上での統合および試験の間に測定され、データベースに記憶され得る。様々な例において、（R1として、もしくはR1、R2-AおよびΔAFEの関数としての）ECMR、および／またはΔAFEは、BWG226といったコンピューティング装置によって計算され、または別のコンピューティング装置によってオフラインで計算され、BWGへロードされ得る。上記と同様に、ECMRは、GBBF-A、GBBF-B、および／またはBWGによって、ビーム加重値を調整し、それによって、戻り方向の成形ビームパターンを調整するのに使用され得る。
図5に、本開示の例示的実装形態の一態様の方法500における様々な動作を含む流れ図を示す。ブロック502に示すように、本態様の方法は、衛星の反射器から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する振幅および位相を測定するステップを含む。ブロック504に示すように、方法は、素子相関行列を、第1の測定値セットの関数として計算するステップを含む。素子相関行列は、反射器からの放射給電素子パターンを表す。また、ブロック506に示すように、方法は、素子相関行列に基づいてビームフォーマの成形ビームパターンを調整し、それによって、反射器の非理想表面を補正するステップを含む。
以上の説明および関連付けられる図面において提示された教示の恩典を受ける、本開示が関連する技術分野の当業者には、本明細書で規定される本開示の多くの改変および他の実装形態が想起されるであろう。したがって、本開示は、開示の特定の実装形態だけに限定されるものではないこと、ならびに、添付の特許請求の範囲内には改変および他の実装形態が含まれるべきことが意図されていることを理解すべきである。さらに、以上の説明および関連付けられる図面は、要素および／または機能のある例示的組み合わせの文脈において例示的実装形態を記述しているが、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、要素および／または機能の異なる組み合わせが、代替の実装形態によって提供され得ることを理解すべきである。これに関しては、例えば、上記で明示された要素および／または機能の組み合わせと異なる要素および／または機能の組み合わせも、添付の請求項のいくつかにおいて規定され得るものとして企図されている。本明細書では特定の用語が用いられているが、それらの用語は、一般的、記述的な意味で使用されているにすぎず、限定を目的とするものではない。
100 衛星通信システム
102 衛星
104 衛星地上基地局
106 ユーザ端末
108 地理的領域
110 ネットワーク
200 衛星通信システム
202 衛星
204 ゲートウェイ局
206 ユーザ端末
208 ネットワーク
210 フィーダリンク
212 地上制御ネットワーク（GCN）
214 無線周波数装置（RFE）
216 通信プラットフォーム
218 アンテナ給電素子
218a 順方向給電素子
218b 戻り給電素子
220 反射器
222 スポットビーム
224 地上ベースのビームフォーマ（GBBF）
226 ビーム加重値生成器（BWG）
228 フィーダリンクアンテナ
300 衛星通信システム
302 ゲートウェイ局
304 ゲートウェイ局アンテナ
306 増幅器・分割器ネットワーク
308a GBBF-A
308b GBBF-B
310 第1の順方向パス
312 第2の順方向パス
402 第1の戻りパス
404 第2の戻りパス

Claims (10)

  1. 衛星（202）の反射器（220）から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する前記振幅および位相を測定するように構成されたビームフォーマ（224）と、
    前記第1の測定値セットの関数として、前記反射器（220）からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するように構成されたコンピューティング装置（226）と
    を含み、前記ビームフォーマ（224）は、前記素子相関行列に基づいて調整された成形ビームパターンを生成し、それによって、前記反射器（220）の非理想表面を補正するように構成されている、システム（200）。
  2. 前記成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、前記ビームフォーマ（224）は、前記成形ビームパターンを、前記素子相関行列に基づいて調整された前記ビーム加重値の関数として生成するように構成されている、請求項1に記載のシステム（200）。
  3. 前記ビームフォーマ（224）は、前記衛星（202）が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に前記振幅および位相を測定するように構成されている、請求項1または2に記載のシステム（200）。
  4. 前記ビームフォーマ（224）は、前記反射器（220）からの反射のために前記衛星（202）へ前記信号を転送するようにさらに構成されており、前記衛星（202）は、フィーダリンク（210）上でフィーダリンクアンテナ（228）において前記信号を受信するように構成されており、
    前記フィーダリンクアンテナ（228）は、前記衛星（202）が回転される際に逆回転される、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム（200）。
  5. 前記衛星（202）は、フィーダリンク（210）上で前記信号を受信するように構成されており、前記ビームフォーマ（224）は、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み、前記第1のビームフォーマは、反射器から反射される前記信号の前記振幅および位相を測定するように構成されており、前記第2のビームフォーマは、前記衛星（202）の通信プラットフォーム（216）を通過し、前記反射器（220）から独立した前記フィーダリンク（210）上で戻される前記信号の前記振幅および位相を測定するように構成されており、それぞれの前記振幅および位相は第2の測定値セットを形成し、
    前記コンピューティング装置は、さらに、前記第2の測定値セットの関数として前記素子相関行列を計算するように構成されている、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム（200）。
  6. 前記ビームフォーマ（224）は、第1のビームフォーマおよび第2のビームフォーマを含み、前記第1のビームフォーマは、反射器（220）から反射される前記信号の前記振幅および位相を測定するように構成されており、
    前記第1のビームフォーマおよび前記第2のビームフォーマは、フィーダリンク（210）上で前記衛星（202）から前記第1のビームフォーマおよび前記第2のビームフォーマのそれぞれにおいて受信される第2の信号の第1の振幅および位相ならびに第2の振幅および位相を測定するように構成されており、前記衛星（202）は、前記第2の信号を、前記反射器（220）から独立した前記フィーダリンク（210）上で受信しており、それぞれの前記第1の振幅および位相ならびに前記第2の振幅および位相は、第1の第2の測定値セットおよび第2の第2の測定値セットを形成し、
    前記コンピューティング装置は、前記第1の第2の測定値セットと前記第2の第2の測定値セットとの差分の関数として差分測定値を計算し、さらに、前記第1の第2の測定値セットおよび前記差分測定値の関数として前記素子相関行列を計算するように構成されている、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム（200）。
  7. 衛星（202）の反射器（220）から反射される信号の振幅および位相であって、第1の測定値セットを形成する前記振幅および位相を測定するステップと、
    前記第1の測定値セットの関数として、前記反射器（220）からの放射給電素子パターンを表す素子相関行列を計算するステップと、
    前記素子相関行列に基づいてビームフォーマ（224）の成形ビームパターンを調整し、それによって、前記反射器（220）の非理想表面を補正するステップと
    を含む方法。
  8. 前記成形ビームパターンは、給電パターンおよびビーム加重値の関数であり、前記成形ビームパターンを調整する前記ステップは、前記素子相関行列に基づいて前記ビーム加重値を調整するステップを含む、請求項7に記載の方法。
  9. 前記振幅および位相は、前記衛星（202）が所定の範囲にわたって所定の速度で回転される際に測定される、請求項7または8に記載の方法。
  10. 前記反射器（220）からの反射のために前記衛星（202）へ前記信号を転送し、前記衛星（202）は、フィーダリンク（210）上でフィーダリンクアンテナ（228）において信号を受信するステップ
    をさらに含み、前記フィーダリンクアンテナ（228）は、前記衛星（202）が回転される際に逆回転される、請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
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