JPH08500216A

JPH08500216A - 衛星通信システムのビーム補償方法

Info

Publication number: JPH08500216A
Application number: JP5508617A
Authority: JP
Inventors: パルマーパターソン、デイビッド; アランスターザ、マーク
Original assignee: テレデスィックコーポレイション
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1996-01-09
Also published as: AU3176893A; ATE146637T1; CA2121349A1; DE69216112D1; US5408237A; EP0611501A1; WO1993009614A1; EP0611501B1; DE69216112T2

Abstract

(57)【要約】ビーム補償方法は、衛星（Ｓ）から発生される輻射ビーム（１１）の管理に関する。これらのビーム（１１）は精密に制御され、“衛星固定セル”ではなく、“地球固定セル”を照射する。従来の衛星通信の枠組では、地球同期型軌道において地球上の特定の位置に対して静止状態に保持されない宇宙船は、地球の大きな領域上を迅速に飛翔する。衛星固定セルを用いたシステムでは、宇宙船により伝搬される輻射ビーム（１１）の“フットリント（足跡）” （１０）が、宇宙船によって照射される、“セル”と呼ばれる、地上の領域を定義する。この衛星固定のセルは、宇宙船が地球の回りを動くに従い、絶えず移動する。これとはきわだって対称的に、“地球固定セル” （１４）は、都市又は州のように、永久的な固定境界を有する、地球表面に写像される、静止した領域である。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の名称］衛星通信システムのビーム補償方法［関連する出願の相互参照］本発明は、１９９１年１０月２８日、１９９１年１１月８日、１９９２年６月６日、１９９２年７月１６日、１９９２年８月１８日にそれぞれ出願された、下記記載の共有、共通譲渡された係属特許出願に関連する。「衛星通信システム」、発明者、エドワードフエントンタックその他（Edwa rd Fenton Tuck et al．）、譲渡された米国出願番号０７／７８３，７５４；「計算機に実装された遠隔通信ビジネスの処理方法」、発明者、エドワードフェントンタック（Edward Fenton Tuck）、譲渡された米国出願番号０７／８９５，２９５；「衛星通信システム用の地上アンテナ」、発明者、アスラムジャー（Asu Ram Jha）、譲渡された米国出願番号０７／７９０，２７３；「衛星通信システム用の交換方法」、発明者、デイビッドパルマーパターソン（David Palmer Patterson）とモッシュレーナーリロン（Moshe Lerner Liron）、譲渡された米国出願番号０７／７９０，８０５；「衛星通信システム用の宇宙船アンテナ及びビーム操舵方法」、発明者、ダグラスジーンロッキー（Douglas Gene Lockie）、譲渡された米国出願番号０７／７９０，２７１；「通信衛星システム用の宇宙船衛星間リンク」、発明者、ダグラスジーンロッキーその他（ Douglas Gene Lockie et al.）、譲渡された米国出願番号０７／９１５，１７２；「衛星通信システム用の宇宙船の設計」、発明者、ジェームスアールスチュアート（James R. Stuart）、譲渡された米国出願番号０７／９３１，６２５；上記掲載した特許出願明細書は、参照によって、本願明細書に組み込まれる。［発明の詳細な説明］［技術分野］本発明は衛星通信に関し、より詳細には、本発明は、低い地球軌道の衛星群からの個々の輻射ビームを、“セル”いう固定境界を有する地上の区画された領域に割り当てる方法を提供する。このビーム管理システムは、周波数の調整、通信の信頼性を向上させる。本発明は、一の衛星がセル内の加入者の範囲から移動して、他の衛星が該セルへのサービスの提供にとって変わるという、一の衛星又は衛星間の、多重ビーム間の通信チャネルの急な“ハンド・オフ”という問題を除去する。［発明の背景］現在の電話サービスは、主として地上ラインとマイクロ波により呼トラフィックを扱っている。セル方式のネットワークの最近の拡大は、自動車移動電話、又はハンドヘルド携帯電話を用いる顧客に、陸上基地システムへのアクセスを提供している。セルラサービスは人口が密である地域にのみ限定されているために、加入者に提供される、増大した容量は、従来の固定電話を用いる加入者の数と比較して、相対的に小さい。セルラ通信は、顧客が、一のセルから他のセルヘ移動する際、又は、顧客が地勢又はビルにより投影される電波の影を横切った際、性能劣化にしばしば悩まされる。従来の通信ネットワークの限界を回避する、一の従来の試みは、直径が数フィートの衛星皿を用いた運搬可能な電話を利用して、２２，３００マイルの地球静止軌道内の衛星と直接通信するものである。これらの衛星に搭載された応答器は、発呼者を直接陸上基地システムに接続し、陸上基地システムは地上の交換機を介して呼を管理する。これらの装置は、重く、運搬が困難であり、極めて高価である。公共電話会社は、高価格で大きなアンテナシステムを用いることなく、移動又は携帯電話を用いる加入者に対する、連続的な全世界の範囲のサービスを現在提供していない。現在軌道上にある商用宇宙船と応答器は、直径が少なくとも数フィートあるアンテナ皿と組み台わされない端末とは直接通信するだけの電力容量を一般的に所有していない。入手可能なサービスは極めて限定されており、ほとんど小数の利用に対して余りにも高価である。全世界を通じて加入者が利用可能な、音声、データ、映像用の経済的に見合うネットワクを提供するという課題は、通信ビジネスに対して、大きなチャレンジを提供している。陸上基地システムを通してトラフィックを経路付けるという中間的なステップ無しで、陸上、海上、空中の携帯、移動又は固定端末と無線信号を送信、受信可能な高出力衛星システムの開発は、主要な技術の革新を形成し、電子及び電話産業において長く期待されたいた必要性を満足せしめるものである。［発明の開示］本特許出願に開示され、及び請求されるビーム補償方法は、衛星によって生成される輻射ビームの割り当て及び展開に関する。これらのビームは精密に制御され、“衛星に固定したセル”と反対である、“地球に固定したセル”を照射する。以前の衛星通信の枠組では、地球の特定の位置に対して静止状態に保持されない宇宙船は、地球の大きな領域に亘って地球同期軌道内を極めて迅速に飛翔する。これらの高速に移動する宇宙船により発生される輻射ビームは、同一のスピードの割合で、地球表面の広範な領域を掃引する。これらのビームが肉眼で見ることができるならば、ビームは、それらを放射した衛星の下の地上では明るい、円形及び楕円形の光のパッチを塗ることであろう。衛星に固定したセルを用いるシステムでは、宇宙船から伝搬された輻射ビームの“フットプリント” （footpr inｔ；足跡）は、宇宙船により照射される“セル”と呼ばれる、地上の領域を定義する。この衛星に固定したセルは宇宙船が地球の回りを移動するに従い、絶えず移動する。これに対して、“地球に固定したセル”は、丁度都市又は州のように、永久の固定した境界を有する地球表面に写像される、静止した領域である。迅速に移動する衛星は、迅速に移動するフットプリントにおいて、地上にその輻射ビームを照らすが、ある所与の時刻におけるフットプリントの位置は、変化しない地球固定セルの位置を決定しない。地球に固定された境界を有するセルを用いることの大きな利点は、一の衛星のサービスを受けていた加入者が、第１番面の衛星が、局所的地平線よりも下側に領域を出て移動するために、同一の衛星の別のビーム、又は第２の衛星に切り換えなけばならない時に実現される。衛星に固定したセルでは、この“ハンドオーバー”（handover；引渡し）は、新しいビーム又は新しい衛星内において新しい通信チャネルを、端末に割り当てることになる。この割り当て工程は、端末と衛星の両方において時間を要し、処理容量を消費する。また、次のサービスビム又は衛星において、アイドル通信チャネルが存在しない場合、ブロッキング（blocking）、呼中断（call interruption）、及び呼ドロップ（call dropping）が生じる。地球固定セル方法は、衛星固定セルに基づくのではなく、地球固定セルに基づき、通信チャネル（周波数、符号及び／又は時間スロット）を割り当てることによって、これらの問題を回避している。現在、衛星／ビームが特定のセルをサービスしているか否かにかかわらず、端末は同一のチャネル割り当てを維持し、“ハンドオーバー”問題を排除している。本発明は、ダグラスジーロッキー（Douglas G.Lockie）による係属中の特許出願、宇宙船アンテナ及び衛星通信システム用のビーム操舵方法、に関連して用いられることが意図されている。ロッキーの発明は、電子ビーム操舵を利用して、極めて高い利得信号を提供する、先端的な能動素子（active element）の位相配列（phase array）アンテナを含んでいる。宇宙船アンテナの発明の好適な態様の一つとして、超軽量のハニカム材料と先端複合材料から製造される六角形アンテナ面の半球状の形態を備えている。各アンテナパネルに結合されたガリウム砒素（GaAs）のミリ波集積回路（MMIC）が呼トラフィックを処理する。各アンテナは同時に２５６ビームを発生し、ビームは地球表面上の４，０９６個の位置に電子的に操舵される。いつでも個々のビームは、“地球固定セル”と呼ばれる地上の領域を照射する。ビームは、予め定められた順序（シーケンス）及び時間スケジユールで、スーパーセル内のセルの各々を照射する。４×４セルのマトリックスが、地球固定“スーパーセル”を形成する。地球の全体表面は、８０，０００個の地球固定スーパーセルに写像される。本発明のその他の目的及び、本発明のより完全で且つ包括的な理解は、以下の好適な実施例と添付する図面を参照して、達成されるであろう。［図面の簡単な説明］図１、２、３は、地球の球表面、衛星のフットプリント、地球固定スーパーセル、地球固定セル、地球固定セル内のユーザにサービスを提供する衛星から放射される輻射ビームの関係を示す、概略図である。図４は、１６個の地球固定セルに分割される、一の地球固定スーパーセルを示す図である。図５は、本発明の好適な実施態様の一において、衛星フットプリントにより提供される被覆（カバレッジ）、赤道における、これらのフットプリントのオーバラップ（重複）及びギャップ（間隙）を描写する図である。図６は、本発明の好適な実施態様の一において、衛星フットプリントにより提供される被覆（カバレッジ）、緯度４０度における、これらのフットプリントのオバーラップ、及びギャップを描写する図である。図７は、ビーム補償法の好適な実施態様の一のハードウエアの実装を開示するブロック図である。パケットという情報列が、衛星ビームを地球固定セル内の加入者に割り当てる写像（マッピング）、交換ハードウェアを通して進行していく様子が示されている。図８は、本発明で用いられる衛星を示す透視図である。この衛星は、六角形アンテナ面の半球状アレイと十分に拡延された矩形ソーラパネルを含む。図９は、図８に示されたものと類似の衛星の図である。図９は、六角アンテナにより出力される電子的に操舵されるビームの３セットとビームが地表に照射する、円形及び楕円型フットプリントを示している。図１０は、図８、及び図９に示された衛星により発生される多重ビームのパターンを示す図である。［本発明を実施する最良の態様］図１、２及び３は、地球の球表面Ｅ、衛星のフットプリント１０、地球固定スーパーセル１２、地球固定セル１４、地球固定セル１４内のユーザにサービスを提供する、衛星Ｓから放射される輻射ビーム１１の関係を示す、概略図である。図１は、ビーム補償を実現するために確立された幾何学的、及び数値的関係を示している。衛星Ｓから放射されるビーム１１は、地球表面Ｅの一般に円形状のフットプリント（足跡）１０を照射する。これらのフットプリント１０は、約７００キロメートルの半径を有し、地球の球面全体に及ぶ、約８０，０００個の地球固定スーパーセル１２の格子と関連付けられる。各フットプリント１０は、２５６個のスーパーセル１２を従える。各スーパーセル１２は、側に４個の地球固定セル１４を含む、４×４のマトリックスに分割される。地球固定セル１４は、その幅が２０キロメートルで、高さが２０キロメートルである。約１．２８ミリオン（＝１，２８０，０００）個の地球固定セル１４が存在して、世界の表面を被覆する。各地球固定スーパーセル１２の上側及び下側の境界は、緯度線に平行である。地球固定スーパーセル１２は、地球をバンド（帯）で取り巻き、赤道において最大のバンドとなる。地球を取り巻くバンド内の地球固定スーパセルの数は、極方向に減少する。隣接バンドにおける地球固定スーパーセル１２は、必ずしも整列されていなくてよい。以下では、“スーパーセル１２”と“セル１４”は、技術的にはより正確な用語である“地球固定スーパーセル１２”と“地球固定セル１４”を略記したものとして用いられる。本発明で定義され利用されるセル１４とスーパーセル１２は、これらが、経度と緯度の永久格子点のように地球に文字どおり固定されているため、従来の通信システムの地勢（トポグラフィ； topogr aphy）とは異なる。従来のシステムでは、ビームのフットプリントの周囲がセルの即時的な位置を決定していた。図４は、地球固定スーパーセル１２が１６個の地球固定セル１４に写像される仕方、及び、衛星Ｓからの円形状フットプリント１０が四角のセル領域を被覆する仕方を表わす１６パターンを示している。図におけるセル１４は、１から１６まで番号が附されている。これらの数字は、各セルをサービスする、順次的（シーケンシャル）な衛星伝送の計画（スケジュール）を示している。セルのパターン１６は、通常動作期間中、各２つの活性セルの間に常に３個の非活性セルが存在することを示している。隣接するスーパーセル１２をサービスする衛星間のタイミング・スキューが発生する場合でも、なお、このパターンは、活性セル１４の間に最小２つの非活性セルがある。この分離は、同時に照射されている２つのセル１４間における信号干渉を除去するためには充分である。図５は、３つの異なった軌道密度に対する、赤道における、衛星フットプリントのオーバーラップ２３、及びギャップ２５を示す図である。各フットプリントの半径は７００キロメートルであり、軌道面は９度（degree）離間し、その結果、赤道では、１，０００キロメートルの間隔となる。図５は、６列の重畳する円を示している。隣接する列２０、２２及び２４の３つの対は、異なった軌道群から生じる被覆ギャップ（カバレッジ・ギャップ）を表わしている。各軌道が４０個の衛星を持てば、列の対２０に示すように、実質的に、キャップ２５は現われない。最初の例では、フットプリント１０は密に充填され、符号２１で示される距離だけ分離され、その距離２１は中心間が１，０００キロメートルのみ離間している。第２の、及び隣接する列２２の中心対は、各軌道が３５個の衛星を有する場合に生成されるフットプリント１０を表わしている。真ん中の列の対に示されるフットプリント１０は、中心間を軌道経路に沿って測定した場合に１，１４２キロメートル離間している。列対２２のフットプリントは小さなギャップ２５によって分離されている。最後の列対２４は、各軌道が３０個の衛星を持つ場合に何が起こるかを示している。軌道経路に沿って測定したフットプリント１０の間隔は、１，３３３キロメトルであり、最右端の列対２４に示されるフットプリント１０のいくつかを大きなギャップ２５が分離している。図６は、緯度４０度におけるフットプリント１０により形成されるオーバーラップ２３とギャップ２５の描像２６である。２つの左側の列２８は、中心間フットプリント間隔２１が、１軌道当たり４０衛星の構成では１０００キロメートル、１軌道当たり３５個の衛星の構成３０では１，１４２キロメートル、１軌道当たり３０個の衛星の構成３２では１，３３３キロメトル、であることを示している。図７は、ビーム補償の好適な実施態様の一の実装を開示する流れ図３４である。パケット３６が、写像（マッピング）と交換（スイッチング）ハードウェアを進行する様子を示している。このハードウェアは、宛先端末３８が存在する地球固定スーパーセル１２及びセル１４に現在サービスを提供するビームに対してパケット３６を指向させる。入来パケット３６は、呼が生じた場所の端末に関する地球位置情報を含む“ノド４０”と、“呼識別子（ＩＤ）４２”のビット（複数）を有する。パケット３６は、地球表面上の、又は近い位置を記述する位置情報（Ｉ）を有する。この位置は、衛星と輻射ビーム１１を介して通信する、特定の携帯端末Ｐ、移動端末Ｍ、固定端末Ｆ又はゲートウェイＧに対応する。音声又は映像情報等の電話の呼の実体は、デジタル化され、パケット３６のぺイロード部４４として伝達される。ノード４０は、宛先端末３８に現在サービスしている衛星Ｓを識別する。呼ＩＤ４２は、呼ＩＤマップ４６に対する入力として用いられ、呼ＩＤマップ４６は、ぺイロード４４を配送するために用いられるビーム１１を実際に選択する、高速パケット交換４８への変換装置として用いられる。呼ＩＤマップ４６は、入来パケット３６における呼ＩＤ４２によって識別される、ノード４０内の宛先端末３８に割り当てられた、スーパーセル１２、セル１４、チャネル５０を同定する。この実施例では、チャネル５０は、いくつかの周波数に割り当てられたビーム１１の一部である。出力ビームは、位置／出力ビームマップ５４に記録されている。特定のスーパーセル１２に現在割り当てられている衛星ビーム１１は、与えられた呼を扱うためにビーム１１を発生する、衛星Ｓの即時位置の関数でもある。この位置情報は、自律的軌道決定ソフトウェア５２によって出力される。チャネル５０、セル１４、及びビームが導出されると、これらの割り当ては、呼ＩＤ４２に代わって、パケット３６のぺイロード４４に付加される。写像の後、修正されたパケット５６は、高速パケット交換４８に伝送され、高速パケット交換４８はこの情報を用いて、このスーパーセル１２を現在サービスするビーム１１における適当なバッファスロットに修正パケット５６を指向させる。伝送システムは、選択されたチャネルに基づき、修正パケット５６の伝送に用いられる、周波数を決定し、選択されたセル１４に基づき、伝送するようにタイムスロットをピックアップする。ビーム補償の発明の好適な実施態様の一において、タイムスロットは、継続時間が１．４４４ミリ秒とされ、ビームの周波数領域変調（ＦＤＭ）サイクルは、２３．１１１ミリ秒の長さとされる。通信に必要な時間は、１．１５６ミリ秒であり、保護時間として０．２８９ミリ秒が提供される。受信ビームは、通過ビムを、ユーザと衛星間の通過遅延時間の２倍遅れさせる。このラグ（遅れ）時間は、フットプリントの縁におけるスーパーセルに対する６．８ミリ秒から衛星直下のスーパーセルに対する４．７ミリ秒と変化する。スーパーセル１２に対する変動は、衛星直下のセル１４の０．０４秒からフットプリントの縁のセル１４の０．７ミリ秒の範囲にある。図９は、本発明を実現するために用いることが可能な衛星Ｓの概略図である。衛星Ｓは、地球に対向する、六角形アンテナ面５８を有するアンテナ配列５７と、宇宙に対向する配列６２を備え、配列６２は、天頂Ｚを指向する宇宙に対向する面６４を含む。アンテナ配列５７に結合されたソーラパネル６０は、宇宙船への電力を供給する。図９は、地球上の軌道にある同様な衛星Ｓを表わし、一連の電子的に操舵されるビーム１１Ａ，１１Ｂ，及び１１Ｃを地上のフットプリント１０に指向させる。図１０は、地球を照射するビーム１１のパターン６８を描写したものであり、単位ビーム１１当たり２０キロメートルの被覆を提供する。衛星Ｓのアンテナ面によって発生されるビーム１１は、２５６の送信、２５６の受信走査ビームを含む。衛星は７００キロメートルの高さの軌道を飛行し、４０度の端末マスク仰角（terminal elevation mask angle）のフットプリント内のセルをサービスする。衛星のフットプリント１０は約１．６ミリオン（＝１，６００，０００）平方キロメートルである。衛星Ｓ直下のセル１４をサービスする衛星アンテナビーム１１は、３７．７ｄＢの利得を有し、電力ビーム半値幅は、２．６度（degree）とされる。衛星のフットプリント１０の縁のセル１４をサービスするビーム１１は、４０ｄＢの利得を有し、電力ビーム半値幅は、１．８度（degree）とされる。ビームはおよそ８００平方キロメートルの地球表面上の円形スポットを照射する。円形スポット内の四角形は、５１２平方キロメートル（横２２．６キロメートル）とされる。この幾何形状は、セルのコナーにおいて、１．８４キロメートル（１３％）のオーバーラップを生じる。オーバーラップ２３は、衛星の位置誤差とビーム指示（beam pointing）誤差の効果を緩和する。許容誤差限界は、衛星位置誤差について最大３００メートル、ビーム指示誤差について最大１．５キロメートル（０．１７度）である。衛星Ｓの移動による地球表面のビームフットプリント１０の運動は、１．４４４ミリ秒のドウエル時間に対して１２メートル以下とされ、２３．１１１ミリ秒のスーパセル・タイミング・サイクル期間中に２００メートル以下とされる。１．４４４ミリ秒毎に各スポットビームに対する必要な指示角（ pointing angle）を計算する代わりに、スーパーセルの中心に対する指示角が２３．１１１ミリ秒毎に計算され、ビーム１１は各セルに対するこの中心に相対的に位置決めされる。地球の回転は、この計算に誤差を与えるが、衛星の運動の影響の６％以下であり、この運動を補償するために、同様な方法が行なわれる。また同様な方法が、衛星の姿勢運動（回転、ピッチ、及びヨー）に対する補償にも用いられる。スーパーセル１２が、２又はそれ以上の衛星のフットプリント１０に含まれる場合、複数の衛星Ｓは、いずれがスーパーセル１２のサービスを行なうかについて自分達で交渉する。一の衛星が完全な責任を割り当てられるか、又は周波数の割り当てが、いくつかの衛星で分割される。各セル１４は、移動端末を用いる第２の加入者当たり７２０まで１６キロビット／秒、及び６４キロビット／秒で動作する３６０の端末までのサービスを提供すように設計されている。以上説明したビーム補償に係る本発明は、従来のビム割り当てシステムに対していくつかの利点を提供する。特定の呼が所与の端末を流れた時に、頭上を通過する衛星のフットプリント１０によって端末はサビスを受ける。衛星に固定したセルではなく、地球に固定したセルに対してビームを割り当てることによって、衛星から衛星へ頻繁に“ハンドオフ”が行なわれるという問題を実質的に除去している。これは、たとえ、端末が呼の期間中に別のビームと衛星を介して通信する場合でも、端末は、呼の期間中に同一の周波数（チャネル）とタイムスロット（セル）を保持するためである。約４，０００セルに分割された各衛星のフットプリントを備えた衛星固定セルを用いる同様なシステムは、約５秒毎にセル・ハンドオフを必要とするであろう。上記したビーム補償の本発明を利用した場合、携帯端末Ｐと移動端末Ｍを用いる加入者が、実際にセル境界を通過する際にのみ、望まないハンドオフが必要とされることになる。地球固定セルの方法は、ビームがそれに切り換えられたセル内のチャネルが、既に占有されている場台に、呼を偶然に終了させるという危険も回避する。呼を一の衛星のビームから他ヘ切り換える、本発明の割り当て方法は、顧客に完全にトランスペアレント（透過的）である。地球固定セルは、セル間及び衛星間の周波数が１００％再利用されるため、また極めて大きなスペクトル効率を提供する。衛星固定セルを用いた同様なシステムは、周波数の衝突を回避するために、しばしば、割り当てられた周波数を、衛星（複数）に割り当てられたバンド（帯域）に分割するが、しかし、このような手続きは、貴重な周波数スペクトラムを非効率に用いるものである。［結論］本発明は、特定の好適な実施態様を参照して詳細に説明されたが、本発明が関係する技術分野の当業者であれば、下記クレーム（請求の範囲）の精神とスコプ（範囲）から逸脱することなく、様々な修正、拡張が為し得ることを理解するであろう。上記した、各種の軌道パラメータ、衛星密度、構成の統計は、読者に好適な実施例について教育するためのものであり、本発明の限界、又は請求の範囲を制約するものではない。下記に示す参照符号の一覧は、明細書と図面における発明の要素を識別する便利な手段を読者に提供するためのものである。本リストは、請求の範囲を制限する、又は狭めるものではない。［産業上の応用］上記した、「衛星通信システムのビーム補償法」は、既存の電話システムの性能とポテンシャルを制限する、限界を克服することに役立つ。本システムは、地上、海上、空中において地球を横切って顧客に、連続した音声、データ、映像サービスを提供することができる。陸上基地システムを単に改良、拡張する代わりに、本システムは、全てのネットワークのインテリジェンスを軌道内に配することによって、集中化した地上の交換ハードウェアを迂回することができる。構築維持が高価な、ワイヤ、ケーブル、ガラスフ_アイバ及び、マイクロ波リピータの複雑なウェッブにより互いに連結される、従来の階層型ネットワークとは異なり、本発明は、信号を低い地球軌道内の宇宙船を通して経路付け（ルーティング）することによって、既存の地上ネットワークの真の通信ポテンシャルを解放している。本発明は、テレコミュニケーション産業に革命を与え、世界中のサービスと産業の広範なスペクトルを提供する。［参照文字の一覧］１０フットプリント１１ビーム１２地球固定スーパーセル１４地球固定セル１６セルパターン１８赤道における衛星フットプリント線図２０軌道当たり４０個の衛星の赤道の被覆２１フットプリント間隔２２軌道当たり３５個の衛星の赤道の被覆２３衛星フットプリントのオーバーラップ２４軌道当たり３０個の衛星の赤道の被覆２５衛星フットプリントのギャップ２６４０度の衛星フットプリント線図２８軌道当たり４０個の衛星の４０度の被覆３０軌道当たり３５個の衛星の４０度の被覆３２軌道当たり３０個の衛星の４０度の被覆３４流れ図３６パケット３８宛先端末４０ “ノード”ビット４２ “ 呼識別 ”ビット４４ぺイロード４６呼ＩＤマップ４８高速パケット交換５０チャネル５２自律的軌道位置決定ソフトウェア５４位置／出力ビームマップ５６修正パケット５７地球対向アンテナ配列５８六角形アンテナ面６０ソーラー・パネル６２宇宙空間対向配列６４宇宙空間対向面６８ラジオ波の照準線Ｅ地球Ｆ固定端末ＧゲートウェイＩ位置情報Ｍ移動端末Ｐ携帯端末Ｓ衛星Ｚ天頂

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９３年１１月１５日【補正内容】（請求の範囲第１１〜１３頁の差替え、請求項１〜７）請求の範囲１．位置情報（Ｉ）によって特徴付けられる、複数の加入者に、複数のパケット（３６）にてメッセージを伝達する複数の輻射ビーム（１１）を連続的に割り当てる方法において、前記複数の輻射ビーム（１１）が、低い地球軌道を地球表面に対して相対的に迅速に移動する複数の衛星（Ｓ）から地球表面に対して指向するものであ_つて、前記複数の衛星（Ｓ）上において複数の輻射ビーム（１１）を発生し、前記複数の衛星（Ｓ）の各々は複数のアンテナ面（５８）を備え、前記複数のアンテナ面（５８）の各々から前記複数の輻射ビーム（１１）を放射し、地球（Ｅ）の表面上の複数の衛星フットプリント（１０）を照射し、地球の表面を、地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に写像し、前記地球に固定した複数のスーパセル（１２）は、地球に固定した複数のセル（１４）を含み、前記フットプリント（１０）の各々は、前記地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に関連付けされ、前記地球に固定した複数のスーパーセルの各々は地球に固定した複数のセル（１４）を含み、地球に固定した複数のセル（１４）の各々は、一般に矩形とされ、前記加入者についての前記位置情報（Ｉ）を、前記複数の輻射ビーム（１１）の各々に対して、前記加入者が前記地球固定セル（１４）の一において用いられるチャネル、タイミング、及び周波数の割り付けに変換する、上記各工程から成る方法。２．前記複数の輻射ビーム（１１）の少なくとも８個が前記複数のアンテナ装置（５８）の各々から輻射される請求の範囲第１項記載の方法。３．前記フットプリント（１０）が、半径約７００キロメートルである請求の範囲第１又は第２項記載の方法。４．前記複数の地球固定のスーパーセルが、約８０，０００個の地球固定スーパーセル（１２）を含む請求の範囲第１項ないし第３項いずれか一に記載の方法。５．前記フットプリント（１０）の各々が、２５６個の地球固定スーパーセル（１２）に関連付けられる請求の範囲第１項ないし第４項いずれか一に記載の方法。６．前記複数の地球固定のスーパーセル（１２）が、１６個の地球固定セル（１４）を含む請求の範囲第１項ないし第５項いずれか一に記載の方法。７．位置情報（Ｉ）によって特徴付けられる、複数の加入者に、複数のパケット（３６）にてメッセージを伝達する複数の輻射ビーム（１１）を連続的に割り当てる方法において、前記複数の輻射ビーム（１１）が、地球軌道内の複数の衛星（Ｓ）から地表に対して指向するものであって、前記複数の衛星（Ｓ）上において複数の輻射ビーム（１１）を発生し、前記複数の衛星（Ｓ）の各々は複数のアンテナ面（５８）を備え、前記複数のアンテナ面（５８）の各々から前記複数の輻射ビーム（１１）を放射し、地球（Ｅ）の表面上の複数の衛星フットプリント（１０）を照射し、地球の表面を、地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に写像し、前記複数の地球固定セルが複数の地球固定スーパーセル（１２）を含み、前記フットプリント（１０）の各々が複数の地球固定スーパーセル（１２）に関連付けられ、前記複数の地球固定スーパーセルが地球固定セル（１４）を含み、前記地球固定セル（１４）の各々が一般に矩形であり、約２０キロメートル、２０キロメートルの寸法からなり、前記加入者についての前記位置情報（Ｉ）を、前記複数の輻射ビーム（１１）の各々に対して、前記加入者が前記地球固定セル（１４）の一において用いられるチャネル、タイミング、及び周波数の割り付けに変換する、上記各工程から成る方法。補正書（翻訳文）（原明細書第１頁の差替え）明細書［発明の名称］衛星通信システムのビーム補償方法［関連する出願の相互参照］本発明は、以下の係属特許出願に関連する。ＷＯ９３／０９６１３− 衛星通信システム計算機に実装された遠隔通信ビジネスの処理方法、発明者、エドワードフェントンタック（Edward Fenton Tuck)、譲渡された米国出願番号7/895,295; ＷＯ９３／０９５７７− 衛星通信システム用の地上アンテナＷＯ９３／０９６２４− 衛星通信システム用の交換方法ＷＯ９３／０９５７８− 衛星通信システム用の宇宙船アンテナ及びビーム操舵方法通信衛星システム用の宇宙船衛星間リンク、発明者、ダグラスジーンロツキー (Douglas Gene Lockie)その他、譲渡された米国出願番号07/915,172; ＷＯ９３／０−９０２９衛星通信システム用の宇宙船の設計上記掲載した特許出願明細書は、参照によって、本願明細書に組み込まれる。（原明細書第２頁「［発明の詳細な説明］に続く。）（原明細書２頁「満足せしめるものである。」の次に追加）論文、“ｋｕ−バンドでの欧州の連続的な被覆のための多重ビーム能動アンテナ”、グローブコム(Globecom) １９８９、ダラス、米国、第１１１５から１１１９頁、バルトルッチその他（Ｇ．Ｂａｒｔｏｌｕｃｃｉｅｔａｌ）は、地球からビーム送受信する複数のアンテナを備えた、西ヨ一ロッパを被覆する地球静止衛星を開示している。（原明細書第３頁「［発明の開示］に続く。）（原明細書第３頁の差替え）［発明の開示］本特許出願に開示され、及び請求されるビーム補償方法は、衛星によって生成される輻射ビームの割り当て及び展開に関する。これらのビームは精密に制御され、“衛星に固定したセル”と反対である、地球に固定したセル”を照射する。以前の衛星通信の枠組では、地球の特定の位置に対して静止状態に保持されない宇宙船は、地球の大きな領域に亘って地球同期軌道内を極めて迅速に飛翔する。これらの高速に移動する宇宙船により発生される輻射ビームは、同一のスピードの割台で、地球表面の広範な領域を掃引する。これらのビームが肉眼で見ることができるならば、ビームは、それらを放射した衛星の下の地上では明るい、円形及び楕円形の光のパッチを塗ることであろう。衛星に固定したセルを用いるシステムでは、宇宙船から伝搬された輻射ビームの“フットプリント” （footprin t；足跡）は、宇宙船により照射される“セル”と呼ばれる、地上の領域を定義する。この衛星に固定したセルは宇宙船が地球の回りを移動するに従い、絶えず移動する。これに対して、“地球に固定したセル”は、丁度都市又は州のように、永久の固定した境界を有する地球表面に写像される、静止した領域である。迅速に移動する衛星は、迅速に移動するフットプリントにおいて、地上にその輻射ビームを照らすが、ある所与の時刻におけるフットプリントの位置は、変化しない地球固定セルの位置を決定しない。地球に固定された境界を有するセルを用いることの大きな利点は、一の衛星のサービスを受けていた加入者が、第１番面の衛星が、局所的地平線よりも下側に領域を出て移動するために、同一の衛星の別のピーム、又は第２の衛星に切り換えなけばならない時に実現される。衛星に固定したセルでは、この“ハンドオーバー” （handover;引渡し）は、新しいビーム又は新しい衛星内において新しい通信チャネルを、端末に割り当てることになる。この割り当て工程は、端末と衛星の両方において時間を要し、処理容量を消費する。また、次のサービスビム又は衛星において、アイドル通信チャネルが存在しない場台、ブロッキング(blocking)、呼中断(caｌｌ interruption)、及び呼ドロップ(call dropping)が生じる。地球固定セル方法は、衛星固定セルに基づくのではなく、地球固定セルに基づき、通信チャネル（周波数、符号及び／又は時間スロット）を割り当てることによって、これらの問題を回避している。現在、衛星／ビームが特定のセルをサービスしているか否かにかかわらず、端末は同一のチャネル割り当てを維持し、“ハンドオーバー”問題を排除している。本発明は、係属中の特許出願、ＷＯ９３／０９５７８に記載される、宇宙船アンテナ及び衛星通信システム用のビーム操舵方法、に関連して用いられることが意図されている。このシステムは、電子ビームステアリングを利用して、極めて高い利得信号を提供する、先端的な能動素子(active element)の位相配列(pha se array)アンテナを含んでいる。宇宙船アンテナの発明の好適な態様の一つとして、超軽量のハニカム材料と先端複合材料から製造される六角形アンテナ面の半球状の形態を備えている。各アンテナパネルに結台されたガリウム砒素(GaAs) ミリ波集積回路(MMIC)が呼トラフィックを処理する。各アンテナは同時に256ビームを発生し、ビームは地球表面上の4,096個の位置に電子的に操舵される。いつでも個々のビームは、“地球固定セル”と呼ばれる地上の領域を照射する。（原明細書第４頁「ビームは、予め定められた順序・・・」に続く。）（原明細書第８頁の差替え）いくつかの衛星で分割される。各セル１４は、移動端末を用いる第２の加入者当たり７２０まで１６キロビット／秒、及び６４キロビット／秒で動作する３６０の端末までのサービスを提供すように設計されている。以上説明したビーム補償に係る本発明は、従来のビム割り当てシステムに対していくつかの利点を提供する。特定の呼が所与の端末を流れた時に、頭上を通過する衛星のフットプリント１０によって端末はサービスを受ける。衛星に固定したセルではなく、地球に固定したセルに対してビームを割り当てることによって、衛星から衛星へ頻繁に“ハンドオフ”が行なわれるという問題を実質的に除去している。これは、たとえ、端末が呼の期間端末は、呼の期間中に同一の周波数（チャネル）約４，０００セルに分割された各衛星のフットプリントを備えた衛星固定セルを用いる同様なシステムは、約５秒毎にセル・ハンドオフを必要とするであろう。上記したビーム補償の本発明を利用した場合、携帯端末Ｐと移動端末Ｍを用いる加入者が、実際にセル境界を通過する際にのみ、望まないハンドオフが必要とされることになる。地球固定セルの方法は、ビームがそれに切り換えられたセル内のチャネルが、既に占有されている場合に、呼を偶然に終了させるという危険も回避する。呼を一の衛星のビームから他へ切り換える、本発明の割り当て方法は、顧客に完全にトランスペアレント（透過的）である。地球固定セルは、セル間及び衛星間の周波数が１００％再利用されるため、また極めて大きなスペクトル効率を提供する。衛星固定セルを用いた同様なシステムは、周波数の衝突を回避するために、しばしば、割り当てられた周波数を、衛星（複数）に割り当てられたバンド（帯域）に分割するが、しかし、このような手続きは、貴重な周波数スペクトラムを非効率に用いるものである。［結論］本発明は、特定の好適な実施態様を参照して詳細に説明されたが、本発明が関係する技術分野の当業者であれば、下記クレーム（請求の範囲）のスコープ（範囲）から逸脱することなく、様々な修正、拡張が為し得ることを理解するであろう。上記した、各種の軌道パラメータ、衛星密度、構成の統計は、読者に好適な実施例について教育するためのものであり、本発明の限界、又は請求の範囲を制約するものではない。下記に示す参照符号の一覧は、明細書と図面における発明の要素を識別する便利な手段を読者に提供するためのものである。本リストは、請求の範囲を制限する、又は狭めるものではない。（原明細書第９頁「［産業上の応用］」に続く。）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩＨ０４Ｑ 7/36 7605−5ＫＨ０４Ｂ 7/26 １０５Ａ 8226−5Ｋ 7/15 Ｚ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＳ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ

Claims

【特許請求の範囲】１．位置情報（Ｉ）によって特徴付けられる、複数の加入者に、複数のパケット（３６）にてメッセージを伝達する複数の輻射ビーム（１１）を連続的に割り当てる方法において、前記複数の輻射ビーム（１１）が、地球軌道内の複数の衛星（Ｓ）から地表に対して指向するものであって、前記複数の衛星（Ｓ）上において複数の輻射ビーム（１１）を発生し、前記複数の衛星（Ｓ）の各々は複数のアンテナ面（５８）を備え、前記複数のアンテナ面（５８）の各々から前記複数の輻射ビーム（１１）を放射し、地球（Ｅ）の表面上の複数の衛星フットプリント（１０）を照射し、地球の表面を、地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に写像し、前記地球に固定した複数のスーパセル（１２）は、地球に固定した複数のセル（１４）を含み、前記フットプリント（１０）の各々は、前記地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に関連付けされ、前記地球に固定した複数のスーパーセルの各々は地球に固定した複数のセル（１４）を含み、地球に固定した複数のセル（１４）の各々は、寸法が約２０キロメートル、２０キロメートルの一般的に矩形からなり、前記加入者についての前記位置情報（Ｉ）を、前記複数の輻射ビーム（１１）の各々に対して、前記加入者が前記地球固定セル（１４）の一において用いられるチャネル、タイミング、及び周波数の割り付けに変換する、上記各工程から成る方法。２．前記複数の輻射ビーム（１１）の少なくとも８個が前記複数のアンテナ面（５８）の各々から輻射される請求の範囲第１項記載の方法。３．前記フットプリント（１０）が、半径約７００キロメートルである請求の範囲第１項記載の方法。４．前記複数の地球固定スーパーセルが、約８０，０００個の地球固定スーパーセル（１２）を含む請求の範囲第１項記載の方法。５．前記フットプリント（１０）の各々が、２５６個の地球固定スーパーセル（１２）に関連付けられる請求の範囲第１項記載の方法。６．前記複数の地球固定スーパーセル（１２）が、約２５６個の地球固定セル（１４）を含む請求の範囲第１項記載の方法。７．位置情報（Ｉ）によって特徴付けられる、複数の加入者に、複数のパケット（３６）にてメッセージを伝達する複数の輻射ビーム（１１）を連続的に割り当てる方法において、前記複数の輻射ビーム（１１）が、地球軌道内の複数の衛星（Ｓ）から地表に対して指向するものであって、前記複数の衛星（Ｓ）上において複数の輻射ビーム（１１）を発生し、前記複数のアンテナ面（５８）の各々から前記複数の輻射ビーム（１１）を放射し、地球（Ｅ）の表面上の複数の衛星フットプリント（１０）を形成し、前記フットプリント（１０）の各々が半径約７００キロメートルである地球表面領域を照射し、地球の表面を、地球に固定した複数のスーパーセル（１２）に写像し、前記複数の地球固定スーパーセルが、約８０，０００個の地球固定スーパーセル（１２）を含み、前記フットプリント（１０）の各々が、２５６個の地球固定スーパーセル（１２）に関連付けられ、前記複数の地球固定スーパーセルが１６個の地球固定セル（１４）を含み、前記１６個の地球固定セル（１４）の各々が、約２０キロメートル、２０キロメートルの寸法からなり、前記加入者についての前記位置情報（Ｉ）を、前記複数の輻射ビーム（１１）の各々に対して、前記加入者が前記地球固定セル（１４）の一において用いられるチャネル、タイミング、及び周波数の割り付けに変換する、上記各工程から成る方法。