JPH10190548A - 多高度衛星中継システム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中間地球軌道の衛星が少なくとも１つの地球
同期衛星と連続的にリンクされて、中断のないメッセー
ジ及びデータ中継を与える多高度衛星中継システムを提
供する。 【解決手段】 中間地球軌道の衛星は、地球同期衛星と
同期され、連続的なリンクが形成される。同期を達成す
るためのパラメータは、地球同期中継衛星の位置に対す
る中間地球軌道中継衛星の位置を含む。同期を達成する
ための別のパラメータは、中間地球軌道中継衛星の軌道
周期に対する地球同期中継衛星の軌道周期の比を含む。
これらのパラメータは、地球の水平線上の連続リンクを
与えるように更に調整される。高軌道衛星が地球同期軌
道に存在する必要がなくそして高軌道衛星が連続的な非
中断リンクを経て低軌道衛星と通信するような別の衛星
中継システムも提供される。３つ以上の衛星が個別の軌
道高度に配置され、連続的な非中断ディジーチェーンリ
ンクを衛星間に与える更に別の衛星中継システムも提供
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、衛星通信
に係る。より詳細には、本発明は、低地球軌道、中間地
球軌道及び地球同期軌道、又はそれらの間の高度にある
１つ以上の衛星を含む異なる高度に配置された２つ以上
の衛星間に連続的な非中断リンクを形成することのでき
る衛星システム及び方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】通信及びデータの衛星中継は、２つ以上
の位置間の情報の転送を容易にするために使用される。
これらの位置は、衛星であってもよいし、地上ステーシ
ョンであってもよい。これらの「ユーザ」は、次の理由
のいずれかによって中継方法を使用することが必要とな
る。（１）ユーザと、ユーザが通信しようとする位置と
の間に地球がある。（２）ユーザがその意図された位置
の方向を向けないが、中継位置に向くことはできる。
（３）ユーザが所望の遠隔位置と直接通信するための電
力又は装置を有していない。

【０００３】衛星中継に対して考慮すべき主たる要因
は、次の通りである。（１）コスト、（２）有効性（デ
ータレート、有効到達範囲、ユーザ数、等）、（３）複
雑さ、（４）衛星中継で通信するためにユーザに要求さ
れる電力量及び特殊な装置に関してのユーザの負担、
（５）古い中継システムから新しい中継システムへの移
行及び（６）融通性。

【０００４】静止衛星は、地球上に静止しており、従っ
て、地上ステーションは、衛星に向けた固定の向きでア
ンテナを使用できるので、静止衛星を中継ステーション
として使用することができる。その効果は、地上のユー
ザが時間の経過と共に見るユーザから静止中継衛星まで
の視線（ＬＯＳ）の変化が比較的僅かなことである。
又、静止衛星は、妨害ビヒクルに必要なエネルギーが大
きく且つ警報時間が長いために敵対者がこれを破壊する
ことは困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静止衛
星は、通信中継の用途に欠陥がないではない。静止衛星
は、赤道上２２，３００マイル（３５，９００ｋｍ）の
高い静止高度に打ち上げるために大型ブースターを必要
とし、そして高度が高いために、高周波（ＲＦ）信号の
送信及び受信に大きなアンテナを必要とする。同様に、
ユーザも、静止高度の衛星と信号を送信及び受信するた
めに大きなアンテナを支持することが必要となる。

【０００６】静止衛星中継に伴う別の欠点は、静止軌道
は赤道の周りに延びるために比較的混み合い、そして全
世界的に分布した地上ステーションをカバーするのに少
なくとも３つの静止衛星が必要とされることである。
又、予備の衛星は高価であり、高い緯度において地上に
サービスするためには傾斜軌道が必要となる。地球同期
衛星をその傾斜軌道で使用する場合には、固定の向きの
ユーザアンテナの効果が実質上排除されると共に、全て
の緯度に良好なカバー域を与えるには、更に多くの衛星
が必要となる。

【０００７】一般に、いかなる形式の衛星リンクを伴う
地球静止衛星も、これらの欠点で悩まされている。本発
明の分野においては、衛星リンクは、衛星と別のエンテ
ィティとの間で高周波、レーザ、又は他の適当な信号搬
送技術により単一方向又は両方向に情報を送信すること
を伴う。他のエンティティとは、別の衛星、地上ステー
ション、又は宇宙を通して信号を送信又は受信すること
のできる他のエンティティ、例えば、航空機や宇宙ステ
ーションである。

【０００８】低地球軌道（ＬＥＯ）、中地球軌道（ＭＥ
Ｏ）又は高度な楕円軌道（ＨＥＯ）のような低い高度に
おける中継衛星を考えることもできる。しかしながら、
低い高度の中継衛星は、連続的なサービスを提供するよ
うに地球をカバーするのに多くの衛星を必要とする。地
球をカバーするための調整において２つ以上の中継衛星
が使用されるときには、それら多数の中継衛星を集合的
に「コンステレーション」と称する。

【０００９】又、低い高度の中継衛星は、攻撃を受け易
く、角度的なＬＯＳレートが比較的高く、そしてかなり
頻繁にリンクを「メーク／ブレーク」する必要がある。
ＨＥＯ衛星は、ほとんどの時間を地球同期高度付近で動
作し、地球同期衛星とほとんど同じ効果と欠点を有す
る。ＨＥＯリンクも、メーク及びブレークしなければな
らないが、その頻度は、ＬＥＯ又はＭＥＯ高度よりも少
ない。更に、地上ステーションとリンクするために、低
い高度の中継衛星は、それらのコンステレーションの他
の中継衛星と通信リンクを確立しなければならないか、
又は世界中に更に多くの地上ステーションを必要とす
る。コンステレーション内の他の中継衛星間の交差リン
クは、通信リンクのルート決め及びメーク／ブレーク動
作を複雑なものにする。

【００１０】これらのシステムは、各衛星に搭載された
インテリジェントなスイッチ及びルーターである交差リ
ンクの使用を通じて多数の衛星間に信号をルート指定す
る。宇宙におけるこの「インテリジェントなスイッチ／
ルーター」は、これらの衛星システムが他の衛星を向か
ねばならずそしてどれがメッセージの受信衛星となるべ
きかを決定するのが複雑であるために、重大な欠点とな
る。選択された受信衛星が他のデータ送信で過負荷とな
る場合には、状態が更に複雑なものとなる。このような
状態は、送信衛星がメッセージを別の衛星へと再ルート
指定するように強制する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】それ故、本発明の目的
は、複雑でなく、融通性があり、潜在的な問題状態を取
り扱う上で健全であり、そして中継機能を遂行するため
のユーザの負担を低下する衛星中継システムを提供する
ことである。

【００１２】本発明の別の目的は、通信リンクが中断さ
れない衛星中継システムであって、第２衛星が第１衛星
に対して地球の裏側へ移動するときに第１衛星が第２衛
星との通信リンクを切断しそして第３衛星との新たなリ
ンクを確立する必要性を排除した衛星中継システムを提
供する。

【００１３】本発明の更に別の目的は、小型であまりパ
ワフルでない衛星を使用して、中継装置として動作する
ための衛星中継システムを提供することである。本発明
の別の目的は、地球同期軌道に衛星を使用する必要なく
非中断通信リンクを有する衛星中継システムを提供する
ことである。

【００１４】本発明の更に別の目的は、２つ以上の衛星
を異なる軌道高度に含むシステムにより非中断通信リン
クを与える衛星中継システムを提供することである。本
発明の別の目的は、システム衛星の故障中及びシステム
衛星の定期的な保守中でも非中断通信リンクを与える衛
星中継システムを提供することである。

【００１５】１つの実施形態において、本発明は、１つ
以上の地球静止又は地球同期（ＧＥＯＳ）中継衛星と、
１つ以上の中地球軌道（ＭＥＯ）中継衛星とを同期させ
て、これら２組の中継衛星間に連続的なリンクを形成す
る。このように同期された衛星構成体は、地球をベース
とするユーザがＧＥＯＳ高度へ送信する必要がないの
で、あまりユーザの負担を必要としないという効果を有
する。この形式のハイブリッドシステム（即ち１つ以上
のＭＥＯ衛星が１つ以上のＧＥＯＳ衛星と同期された）
は、信号をＧＥＯＳ高度へ転送しそして地上へと戻す負
担を受け入れる。又、このハイブリッドシステムは、中
継通信リンクの１つが中断しても、純粋なＧＥＯＳをベ
ースとする衛星中継システムの中断よりもシステムへの
影響が少ないので、より健全である。更に、このハイブ
リッドシステムは、少数のＧＥＯＳ中継衛星（１つ程
度）しか使用しないが、ＧＥＯＳ中継衛星とＭＥＯ中継
衛星との間の独特の同期により、地上との連続的なリン
クを依然として与えることができる。その結果、交差リ
ンクは、たとえ適当な用途に設けることはできても、Ｍ
ＥＯ中継衛星間には必要とされない。

【００１６】又、本発明は、連続視線の水平線上（ＡＴ
Ｈ）通信リンクを与えるように構成することもできる。
ＡＴＨ視線通信リンク又はこのようなリンクの延長線
は、決して地球と交差しない。ＡＴＨ通信リンクは、次
の付加的な効果を有する。即ち（１）地球上の光源又は
高周波源からの方向の障害、又はＧＥＯＳから放射され
る地上通信への障害を回避する。（２）地上サイトによ
る信号の傍受のおそれを低減する。

【００１７】本発明は、多数の異なる形式の通信用途に
使用できる。例えば、軍用通信の場合には、分散したユ
ーザ群（野外の軍隊又は軍用衛星）が１つ以上の地上ス
テーションからの情報を必要とするか、又は野外のユー
ザからの情報をこれらの地上ステーションへ送信する必
要がある。又、本発明は、分散したユーザがＧＥＯＳ中
継衛星の視野内で１つ以上の指定の地上ステーションと
通信する必要がある場合には、一般的な商業目的にも使
用できる。更に、地上のユーザへの及びユーザからの通
信は、地上ステーションからＭＥＯ−ＧＥＯＳ衛星中継
チェーンを経て情報を中継することにより行うことがで
きる。通信データは、映像及び他の高いデータレートの
信号を含む（これに限定されない）いかなる形式の通信
データでもよい。通信信号は、ＲＦ信号、光に基づく信
号（レーザのような）、又は他の適当なＬＯＳ送信可能
な信号でよい。

【００１８】多高度衛星システムの別の考えられるユー
ザは、ＭＥＯ位置に配置された１組の衛星であって、Ｇ
ＥＯＳ衛星と同期されて、ＧＥＯＳ衛星と直接的及び連
続的にリンクされる衛星である。このとき、ＧＥＯＳ衛
星は、ＭＥＯ衛星から地上へ情報を直接中継する。その
利点は、単一ホップ通信中継である。又、ＧＥＯＳ衛星
へのほとんどの中継においてそうであるように、リンク
が切断した後にそれを再接続する必要性は、排除され
る。というのは、ユーザ自身が今やＧＥＯＳ衛星と同期
されているからである。

【００１９】本発明の別の分野は、非地球同期軌道を回
る衛星コンステレーション（ＭＥＯ衛星コンステレーシ
ョンのような）が互いに交差リンクされそして１つ以上
のＧＥＯＳ衛星と同期されたものを含む。ＭＥＯ交差リ
ンクは、低データレートにより好都合にも比較的小さな
アンテナ又はレーザ光学系サイズ及び低電力しか要求さ
れないハンドヘルドの音声目的のような低データレート
の情報転送に使用することができる。ＧＥＯＳ衛星との
衛星コンステレーションの同期リンクは、連続的なリン
クが重要である高データレートの情報転送に使用するこ
とができる。

【００２０】本発明の別の実施形態は、１つ以上の高軌
道の非地球静止、非地球同期の中継衛星が、１つ以上の
低軌道の中継衛星、又は低軌道衛星と高軌道衛星との間
の高度の軌道を回る中間軌道の中継衛星と同期されて、
それら２組の中継衛星間に連続的なリンクを形成する。
このような同期された衛星構成は、地球をベースとする
固定及び／又は移動ターミナルが高軌道衛星と直接通信
する必要がないので、あまりユーザの負担を必要としな
いという効果がある。中間軌道の中継衛星は、地球をベ
ースとする固定及び／又は移動ユーザターミナルと高軌
道衛星との間に通信信号を転送し、これにより、地球を
ベースとするユーザターミナルが高軌道衛星と通信する
負担を軽減する。この別の実施形態は、小型の発射ビヒ
クルしか必要とせず、そして中継通信リンクの１つが遮
断しても、純粋な地球同期ベースの衛星中継システムの
遮断よりもシステムへの影響が少ないので、より健全な
ものとなる。

【００２１】本発明の更に別の実施形態は、高軌道衛
星、中間軌道衛星及び低軌道衛星に限定されない連続的
な非切断リンクを形成する衛星システムを提供する。実
際に、多数の個別の高度に配置された衛星のコンステレ
ーションにより連続的なデータリンクが確立される。

【００２２】本発明の更に別の用途は、ＭＥＯ衛星との
問題状態を検出するためにＭＥＯ衛星を観察するＧＥＯ
Ｓ衛星を含む。本発明によりＭＥＯ衛星と同期されるＧ
ＥＯＳ衛星は、２つの衛星間に存在する連続的な視線に
よりＭＥＯ衛星を中断せずに観察することができる。従
って、本発明は、その機能が通信又はデータ中継を含ま
ない衛星に適用できることを理解されたい。ここでは、
「中継」という用語を繰り返し使用するが、本発明は、
主たる機能が情報を中継することである衛星に限定され
ないことを理解されたい。

【００２３】例えば、ＧＥＯＳ衛星及び１つ以上のＭＥ
Ｏ及び／又はＬＥＯ衛星のシステムは、太陽放射をサン
プリングする機能を備えている。ＧＥＯＳ衛星のサンプ
リングされた太陽放射データと、ＭＥＯ又はＬＥＯ衛星
のサンプリングされた太陽放射データとを比較するため
に、ＭＥＯ又はＬＥＯ衛星は、それらのサンプリングさ
れた太陽放射データをＧＥＯＳ衛星に送信する。次い
で、ＧＥＯＳ衛星は、全てのサンプリングされた放射デ
ータを処理し、その結果を地上へ送信する。この例で
は、本発明の特徴がデータの中継以外に使用される。

【００２４】更に、本発明においては地上ベースユーザ
が必要とされないことを理解されたい。エンドユーザ
は、実際に、別の衛星、宇宙ステーション又は他の移動
ユーザである。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１には、本発明による多高度衛
星システムの第１実施形態が示されている。より詳細に
は、図１は、１つのＧＥＯＳ中継衛星（ｇｅｏｓ１ １
０６）と、２つのＭＥＯ中継衛星（ｍｅｏ１ １０８及
びｍｅｏ２ １１０）との構成を示している。ｇｅｏｓ
１ １０６は、ｍｅｏ１ １０８及びｍｅｏ２ １１０
と常に視線内連絡する。

【００２６】遠隔の地球ベースのステーション１２２と
直接通信できないユーザ１２０は、ｍｅｏ１ １０８と
通信することができ、これは、次いで、ｇｅｏｓ１ １
０６中継衛星と連続的にリンクされる。ｇｅｏｓ１ １
０６は、地球をベースとするステーション１２２と常時
連絡するので、ｇｅｏｓ１ １０６は、ｍｅｏ１ １０
８から地球をベースとするステーション１２２へ通信を
送ることができる。

【００２７】ＭＥＯ中継衛星は、ＧＥＯＳ中継衛星とリ
ンクするためにはそのアンテナを空の大部分に向けねば
ならないが、そのリンクは切断されず、従って、別の中
継を得る時間を費やす必要はない。又、追跡経路が繰り
返され、従って、追跡アルゴリズムの複雑さが低減され
る。

【００２８】ＭＥＯ及びＧＥＯＳ中継衛星の１つの同期
パラメータは、それらの周期の差である。ＭＥＯ中継衛
星とＧＥＯＳ中継衛星との間の連続的な視線が、２４の
整数ファクタを表す多数の比に対して達成できる。極の
低軌道については、周期の比は厳密な整数であるが、傾
斜軌道はゆっくりと歳差運動する。この歳差運動及び他
の摂動作用により、周期の比は、適切な位相合わせをす
るには厳密な整数から若干ずれる。

【００２９】好ましい実施形態においては、ＧＥＯＳ中
継衛星の周期とＭＥＯ中継衛星の周期との間の周期比
は、２４：８、即ち３：１である。３：１の周期比は、
ＧＥＯＳ中継衛星の周期がＭＥＯ中継衛星の周期の３倍
であるときに達成される。従って、ＧＥＯＳ中継衛星の
周期が２４時間で、ＭＥＯ中継衛星の周期が８時間であ
るときに、３：１の周期比が生じる。

【００３０】本発明においてＧＥＯＳ中継衛星は、一般
に、地球同期(geosynchronous)衛星を指し、地球静止(g
eostationary) 衛星のみを指すのではない。これら２つ
の間の相違は、地球静止軌道は、傾斜度ゼロの地球同期
軌道、即ち赤道上のみの軌道である。従って、地球静止
軌道は、地球同期軌道の特定の形式である。更に、極軌
道は、ＭＥＯ衛星に対し一例として使用され、そして赤
道ＧＥＯＳ軌道は、ＧＥＯＳ衛星に対して一例として使
用される。ＭＥＯ中継衛星も、ＧＥＯＳ中継衛星も、こ
れらの傾斜に限定されない。

【００３１】実際に、ＧＥＯＳ及びＭＥＯ中継衛星の多
数の組合せが考えられ、ＧＥＯＳ及びＭＥＯ中継衛星の
個数を変えたもの、ＧＥＯＳ及びＭＥＯ中継衛星の軌道
平面の数を変えたもの、ＭＥＯ中継衛星の軌道間及び軌
道内位相を変えたもの、及びＧＥＯＳ中継衛星の軌道間
及び軌道内位相を変えたものが含まれる。例えば、ＧＥ
ＯＳ中継衛星は、地球に対して非同期の極軌道又は軌道
高度にあってもよいことを理解されたい。本発明は、Ｍ
ＥＯ又はＧＥＯＳ中継衛星の軌道が円形又は楕円形であ
るように実施することができる。又、本発明のもとでの
多数のＭＥＯ中継衛星構成においては、ＧＥＯＳ中継衛
星を適切に配置することにより、ＧＥＯＳ中継衛星の各
々が全てのＭＥＯ中継衛星を常時見ることができる。３
個のＧＥＯＳ中継衛星が１２０°離された状態の３、
６、９又は１２個のＭＥＯ中継衛星のＭＥＯ中継衛星コ
ンステレーションは、本発明のこの特徴の例である。こ
のような構成では、各ＧＥＯＳ中継衛星は、他のＧＥＯ
Ｓ中継衛星を完全にバックアップすることができる。図
１は、ｍｅｏ１及びｍｅｏ２衛星に対して２つの軌道を
使用する場合を示すが、これら両方の衛星を単一軌道に
配置できることも理解されたい。同様に、本発明は、軌
道の数を変更できる（１、２、３、４、等々）ので、Ｍ
ＥＯ軌道の数に依存しないことに注意されたい。

【００３２】これらの種々の構成は、（１）周期の比が
同期されたとき、及び（２）地球からの視線の距離がＧ
ＥＯＳ中継衛星の位置及びＭＥＯ中継衛星の傾斜角と同
期されたときに、連続的な視線を得ることができる。地
球からの視線の距離を伴う同期の詳細な説明を図２から
始める。

【００３３】図２は、極ＭＥＯ軌道平面１６０及び赤道
ＧＥＯＳ軌道１６２を示す。この例において、ＭＥＯ中
継衛星１６６の初期位置１６４は、赤道でスタートして
北へ上昇すると仮定する。ＧＥＯＳ中継衛星１７０の初
期位置１６８は、極ＭＥＯ軌道平面１６０から角度「Ｍ
ｏ」１７２のところでスタートすると仮定する。ＭＥＯ
中継衛星１６６及びＧＥＯＳ中継衛星１７０がそれらの
各軌道を進むときに、それらの間に引かれた線が視線
（ＬＯＳ１７４）となる。

【００３４】ＬＯＳ１７４は、地球１７６により妨げら
れない。地球１７６上のＬＯＳ１７４の高度をタンジェ
ント高度１７８と称する。このタンジェント高度１７８
が負になった場合には、ＬＯＳ１７４が途切れることに
なる。ＭＥＯ中継衛星１６６が地球とＧＥＯＳ中継衛星
１７０との間にある場合には、ＬＯＳ１７４の延長線が
地球に交差し、タンジェント高度が負になる。しかしな
がら、ＭＥＯ中継衛星１６６は、明らかに視野にあり、
この場合に、ＬＯＳ１７４は途切れることがない。１つ
のＧＥＯＳ中継衛星軌道に対する最小タンジェント高度
がＬＯＳ１７４に対して決定される。というのは、この
数値は、そのＬＯＳ１７４を失うまでに衛星中継システ
ムがいかに接近するかを示すからである。対応的に、最
小タンジェント高度が大きい場合には、タンジェント高
度１７８がゼロに減少してＬＯＳ１７４が失われるまで
に、ＭＥＯ中継衛星及びＧＥＯＳ中継衛星の相対的な位
置を大幅に変更することができる。

【００３５】図３は、ＭＥＯ平面からの初期ＧＥＯＳ赤
道上角度（Ｍｏ）と、８時間ＭＥＯ円形軌道の最小タン
ジェント高度との間の関係を示す。これらの関係は、あ
る範囲のＭＥＯ傾斜に対して示されている。図２の軌道
構成は、「９０」°傾斜と示されたティーピー（テン
ト）型曲線に対応する。このティーピー型の９０°曲線
のもとにあるいかなる点も、非中断ＬＯＳを生じる初期
のＧＥＯＳ／ＭＥＯ中継衛星関係を表す。従って、ＧＥ
ＯＳ中継衛星の初期角度（Ｍｏ）は、３３０−３０、９
０−１５０及び２１０−２７０°の３つの範囲内に入
り、連続的なＬＯＳを依然として維持する。これらの範
囲は、ＭＥＯ中継衛星軌道が７０°に傾斜された場合に
は、若干大きくなり、そして５０、４０又は２８°のＭ
ＥＯ中継衛星傾斜度では小さくなる。２８°の最小傾斜
は、２８°未満から９０°までの傾斜において広範囲の
ＭＥＯ中継衛星軌道を許すという点で重要である。大き
な範囲の考えられる構成は、あるクラスの楕円軌道に対
して同様の連続ＬＯＳの結果が得られることを示す。

【００３６】図４は、１２時間ＭＥＯ中継衛星軌道に対
する同様のデータを示す。図示されたＭＥＯ中継衛星傾
斜の場合に、最も大きな最小ＬＯＳ値を与える傾斜は、
５０及び７０°である。これは、この範囲内に最大の値
が存在することを示す。８時間ＭＥＯ中継衛星軌道のグ
ラフの場合の３つの「ティーピー」に代わって、１２時
間ＭＥＯ中継衛星軌道は、各々約４０°の範囲の４つの
「ティーピー」を有する。従って、図３及び４は、各
々、８時間及び１２時間のＭＥＯ中継衛星軌道に対して
連続的なＬＯＳを生じるＭＥＯ中継衛星位置及びＧＥＯ
Ｓ中継衛星位置を決定するのに使用できる。

【００３７】８時間又は１２時間軌道の参照は、軌道の
周期が厳密に８時間又は１２時間であることを指示する
ものではない。参照された周期は、循環軌道を与える８
又は１２時間に最も近い周期である。従って、地上の軌
跡（衛星の真下の点の軌跡）は、２４時間ごとに地球上
の同じ経路を厳密にたどり、その概念が図５に示されて
いる。以下に述べるように、これらの周期は、２４、１
２又は８時間に限定されず、従って、循環軌道に限定さ
れない。

【００３８】図５は、位置２０１ないし２１０における
１０個の中継衛星の構成を示している。図５は、２４時
間周期にわたり地表面上の経路をたどる１０個のＭＥＯ
中継衛星を示す。図示された１０個のＭＥＯ中継衛星
は、次の構成を有する。１０個の軌道平面；８時間周
期；７５０１海里の高度；２５２°の軌道間位相；３６
°のノード間隔；及び５０°の傾斜角。

【００３９】図６は、所与の時点においてＧＥＯＳ中継
衛星に対する１０個のＭＥＯ中継衛星の各々の視野から
ＬＯＳ経路３２０を示すために同じ中継衛星構成を使用
している。グラフ自体は、極プロットである。反時計方
向の周囲の値は、ＬＯＳのヨー角２２０の値であり、こ
のヨー角は、衛星の垂直軸の周りに衛星速度方向からの
ＬＯＳの回転角度である。従って、ＭＥＯ中継衛星の各
々のヨー角の値は、垂線の周りのＬＯＳのピボット運動
として見ることができる。

【００４０】この図の半径方向の尺度は、ＬＯＳが地球
の中心に対して上を向くか下を向く程度を指示する。例
えば、この図の外縁２２２に点を入れる場合には、ＭＥ
Ｏ中継衛星が地球の中心から１８０°離れてＧＥＯＳ中
継衛星をまっすぐに「見上げる」ことを指示する。点が
中心２２４である場合には、衛星が地球の中心を向いて
まっすぐ見下げる。従って、グラフの中心２２４は、衛
星の天底位置を表す。

【００４１】図６は、ＬＯＳが２４時間周期で変化する
ときに各ＭＥＯ中継衛星からＧＥＯＳ中継衛星までのＬ
ＯＳを示す。グラフの時間マークは、１２分間隔であ
る。位置３０１ないし３１０は、１０個のＭＥＯ中継衛
星の各々の各スタート点を指示する。１０個のＭＥＯ中
継衛星は、異なる点でスタートするが、それらのＬＯＳ
角度は、２４時間周期にわたり同じ経路をたどる。１０
個のＭＥＯ中継衛星は、このＬＯＳ経路３２０を２４時
間ごとに繰り返す。

【００４２】ＬＯＳ経路３２０の歪んだ「８の字」形状
は、この構成の場合に、ＭＥＯ中継衛星が地球の中心を
まっすぐに見下げないことを示している。これに対し、
ＭＥＯ中継衛星が地球の中心をまっすぐに見下げる場合
には、ＧＥＯＳ中継衛星を見るために地球を通して見な
ければならない。従って、ＬＯＳが途切れることにな
り、中継衛星構成は、連続的なＬＯＳリンクを生じな
い。むしろ、天底からのＬＯＳ角度は、ＬＯＳを地表面
より高く「持ち上げる」に充分な大きさであり、地表面
は、約１０°の天底角度にある。

【００４３】図７も、同様に、所与の時点において１０
個のＭＥＯ中継衛星の各々に対するＧＥＯＳ中継衛星の
視野からＬＯＳ経路３８０を示すために同じ中継衛星構
成を使用している。このグラフにおいては、角度的な進
みは、ほぼ同じ大きさではない。この場合も、グラフの
時間マークは、１２分間隔である。位置４０１ないし４
１０は、１０個のＭＥＯ中継衛星の各々の各スタート点
を示す。図示されたＬＯＳ経路３８０は、２４時間周期
に対するものであり、２４時間ごとに繰り返される。

【００４４】図８は、図７について説明した同じ１０個
のＭＥＯ中継衛星の構成体（即ち、１０個の軌道平面；
８時間周期；７５０１海里の高度；２５２°の軌道間位
相；３６°のノード間隔；及び５０°の傾斜角）からの
地球カバー状態を示すグラフである。グラフの各バー
は、特定の緯度の位置における２４時間のカバー状態の
程度を示す。全てのバーが実線であるので、ＭＥＯ中継
衛星に対し各位置ごとに連続的なＬＯＳがある。１０個
のＭＥＯ中継衛星は、地表面上１９°のＬＯＳ角度とい
う最小地上仰角で地表面を連続的に「見る」ことができ
る。図６及び７の例は、軌道平面当たり１個の衛星を使
用するが、ある状態のもとでは、これらの軌道平面の１
つ以上に２つ以上の（等離間された）衛星を配すること
により軌道平面の数を減少できることを理解されたい。

【００４５】又、本発明は、付加的な効果を有する別の
中継衛星の構成も特徴とする。ある構成は、ＧＥＯＳ中
継衛星とＭＥＯ中継衛星との間に連続的なＬＯＳを与え
るのに加えて、ＧＥＯＳ−ＭＥＯ中継衛星リンクに対し
水平線上（ＡＴＨ）視野も与える。

【００４６】図７は、ＡＴＨ特徴を示すように変更され
ている。図７は、ＧＥＯＳ中継衛星が２４時間周期にわ
たりＭＥＯ中継衛星をＭＥＯ中継衛星を「見下げる」図
である。水平線上（ＡＴＨ）リンクは、ＭＥＯ中継衛星
が２４時間周期中のいかなる時間にも地球５００の前を
横切らないことを示す。又、ＭＥＯ中継衛星は、ＧＥＯ
Ｓ中継衛星に対し地球５００の後方を横切らない。

【００４７】ＡＴＨ特徴として構成された多高度衛星中
継システムは、８時間のＭＥＯ中継衛星軌道のための同
期パラメータに対して限定された１組の範囲を生じる。
図９は、８時間のＡＴＨ ＭＥＯ中継衛星構成に対する
有効なＧＥＯＳ中継衛星範囲を示す。ＡＴＨの「ティー
ピー」形状は、ＭＥＯ中継衛星システムに対する初期Ｇ
ＥＯＳ中継衛星角度の選択が更に限定されることを示
す。ＭＥＯ中継衛星のコンステレーションに対しては、
狭い範囲の角度が、ＭＥＯ中継衛星構成の選択肢をある
程度減少させる。

【００４８】しかしながら、図１０は、１２時間ＡＴＨ
ＭＥＯ中継衛星構成に付加的な制限がないことを示
す。付加的な制限が生じない理由は、連続的なＬＯＳリ
ンクを与える１２時間のＡＴＨ ＭＥＯ中継衛星構成
は、連続的なＡＴＨリンクも与えるからである。それ
故、ＧＥＯＳ中継衛星周期とＭＥＯ中継衛星周期の比が
２：１である構成は、それらが図１０に示す「ティーピ
ー」範囲に入る場合にはＡＴＨ特徴をもつことになる。

【００４９】ここに述べる構造で充分に作用する傾斜し
たＭＥＯ衛星のコンステレーションの例は、ウオーカデ
ルタ(Walker Delta)パターンの特殊な場合である。ウオ
ーカデルタパターンは、コンステレーションにおいて衛
星の均一な分布を与える（参照文献を参照）。特殊なウ
オーカコンステレーションは、軌道平面当たり１つの衛
星を有し、衛星の全数は、３より多い。ウオーカコンス
テレーションにおける角度測定の単位は、衛星及び軌道
平面の相対的な位置を示すのに使用される「パターン単
位」である。このパターン単位は、３６０°を衛星の数
で除算したものとして定義され、例えば、コンステレー
ションが４つの衛星を含む場合には、パターン単位が９
０°となる。各衛星は、その軌道に沿って隣接平面の衛
星よりも１パターン単位（この例では９０°）だけ更に
西へ配置することができる。衛星は、２又は３パターン
単位で配置しても、依然、ウオーカ軌道を形成すること
ができる。４つの衛星の例では、８時間の循環軌道にあ
る次々の衛星に対し１パターン単位が使用される場合に
は、全ての衛星が地上に同じ軌跡を形成し、即ち地球上
をたどる全てのパターン（図５）が同じとなる。各ＭＥ
Ｏ衛星に対するサブ衛星点は、同じ軌跡上の異なる点で
ある。幾何学的な関係により、各ＭＥＯ衛星は、ＧＥＯ
Ｓ衛星にとっては、同じ経路を厳密にたどるように見え
る。

【００５０】衛星が正しい数のパターン単位で配置され
る場合には、衛星の数を増加することができ、そして同
じ重畳した循環パターンが形成される。５つの衛星のコ
ンステレーションにおける次々の衛星は、２パターン単
位で配置しなければならず、６つの衛星は３パターン単
位を必要とし、等々となる。軌道平面当たり１つの衛星
を有する８時間の循環ウオーカコンステレーションは、
パターン単位の数が衛星の数より３だけ少ないときに、
重畳した地上軌跡を形成する。図３のティーピー図の境
界内にＧＥＯＳ衛星が配置された場合には、連続リンク
に全てのＭＥＯ衛星が与えられ、そしてＧＥＯＳ衛星か
ら観察されるＭＥＯ衛星の経路は、同じである。

【００５１】１２時間の循環軌道が使用され、そしてパ
ターン単位の数が衛星の数より２だけ少ないときには、
同様の重畳された地上軌跡が形成され、ＧＥＯＳ衛星か
ら観察したときにＭＥＯ衛星により同じ経路が刻まれ
る。各軌道平面における多数の衛星は、多数のＧＥＯＳ
衛星と共に受け入れることができる。１つのＧＥＯＳ衛
星でも、衛星が図３又は４のティーピーの境界内に配置
される限り、軌道当たり多数のＭＥＯ衛星を使用するこ
とができる。

【００５２】図１ないし１０の実施形態では、高軌道衛
星は、必ずしも地球同期又は地球静止軌道になくてもよ
い。むしろ、高軌道衛星は、次に低い衛星の軌道よりも
高い軌道にあるだけでよい。図１１は、本発明による多
高度衛星システムの別の実施形態を示す。より詳細に
は、図１１は、１つの高軌道中継衛星（ＨＯＳ１ ６０
６）と、１つの低軌道中継衛星（ＬＯＳ１ ６０８）の
構成を示している。ＨＯＳ１ ６０６は、ＬＯＳ１ ６
０８と連続的に視線連絡する。

【００５３】ＬＯＳ１ ６０８は、ＨＯＳ１ ６０６中
継衛星と連続的にリンクされる。これら衛星が互いに視
界内に入るのを待機する周期はない。ＬＯＳ１ ６０８
及びＨＯＳ１ ６０６は、ユーザ６２０及び地球ベース
のステーション６２２と通信することができる。ＨＯＳ
１ ６０６は、他の衛星との通信リンクを確立するの
に、地球同期軌道になくてもよい。ＨＯＳ１ ６０６が
地球に対して静止している必要もない。好ましくは、Ｈ
ＯＳ１ ６０６の回転周期が、ＬＯＳ１ ６０８の回転
周期のある整数倍であるが、歳差位相エラーを補償する
ために整数倍に若干の変動を伴う。

【００５４】例えば、ＨＯＳ１ ６０６とＬＯＳ１ ６
０８との軌道周期の比は、２：１であり、ＨＯＳ１ ６
０６の周期は、１０．８時間のように低くてもよい。上
記例においては、ＨＯＳ１ ６０６及びＬＯＳ１ ６０
８は、各々、約１８，２７０ｋｍ及び９，１５０ｋｍの
軌道高度を有する。更に別の例として、ＨＯＳ１ ６０
６とＬＯＳ１ ６０８の軌道周期の比は、３：１であ
り、ＨＯＳ１ ６０６の軌道周期は、８．８時間のよう
に低く、そしてＨＯＳ１ ６０６及びＬＯＳ１６０８の
軌道高度は、各々、約１５，２６０ｋｍ及び４，０２０
ｋｍである。

【００５５】上記の例によれば、衛星が上記例の高度よ
り高い高度の軌道に配置されたときには、軌道が赤道上
になくてもよく、むしろ、赤道に対してある傾斜角で傾
斜されてもよい。例えば、ＨＯＳ１ ６０６とＬＯＳ１
６０８の軌道周期の比が１２時間対６時間の場合に
は、衛星間の最小軌道傾斜角を３０°という大きさにす
ることができる。

【００５６】高軌道衛星の高度は、高軌道衛星と低軌道
衛星との間の相対的な軌道角度が９０°のときに最も低
くすることができる。高軌道衛星の高度は、高軌道中継
衛星と低軌道中継衛星との間の相対的な傾斜角度に対し
て非直線関係で変化し得る。相対的な傾斜角度が９０°
より下がるか又はそれより上がるときには、高軌道の高
度がその最小値より高くなる。軌道高度及び傾斜角度の
この融通性は、システムの予想される用途に基づき最も
望ましい衛星コンステレーションを設計するのに使用で
きる。システムの他の実施形態と同様に、低軌道衛星間
に交差リンクは必要とされないが、適当な用途にはこの
ような交差リンクを設けてもよい。

【００５７】図１２を参照すれば、連続的な非切断の衛
星通信及び／又はデータリンクを与える衛星システムを
有する本発明の更に別の実施形態が示されている。この
衛星システムは、高軌道衛星及び低軌道衛星に限定され
ない。むしろ、多数の個々の高度に配列された１組の衛
星により連続的なリンクを確立することができる。より
詳細には、図１２は、１つの高軌道の中継衛星（ＨＯＳ
１ ７０６）と、中間レベルの中継衛星（ＩＯＳ１ ７
０９）と、２つの低軌道の中継衛星（ＬＯＳ１ ７１０
及びＬＯＳ２ ７０８）とを有するコンステレーション
を示す。ＨＯＳ１ ７０６は、ＩＯＳ１ ７０９と連続
的に視線連絡し、これは、次いで、ＬＯＳ１ ７１０及
びＬＯＳ２ ７０８と連続的に視線連絡する。

【００５８】ユーザ７２０は、ＬＯＳ１ ７１０と通信
し、これは、次いで、ＩＯＳ１ ７０９と直接通信する
ことができ、そしてこれは、ＨＯＳ１ ７０６と通信す
ることができる。ユーザ７２０がＨＯＳ１ ７０６と通
信できるまでに衛星が互いの視野に入るのを待機する周
期はない。ＨＯＳ１ ７０６が地球ベースのステーショ
ン７２２の視野に入るときは、ＨＯＳ１ ７０６は、Ｌ
ＯＳ１ ７１０から地球ベースのステーション７２２へ
通信を送ることができる。図１２に示すようなシステム
においては、ＨＯＳ１ ７０６は、傾斜角０°で赤道軌
道に存在し、一方、ＩＯＳ１ ７０９、ＬＯＳ１ ７１
０及びＬＯＳ２７０８は、傾斜角９０°で極軌道に存在
する。

【００５９】周期が２４、１２及び６時間で、異なる高
度の衛星間に連続的なリンクを有する衛星システムの１
組の軌道要素を以下のテーブル１に例示する。 テーブル１ 半主軸 傾斜 ノード 近地点のａｒｇ. 平均近点離角 (km) ( °) (°) ( °) ( °) 42,163.48 0. 315. 0. 0. 26,561.33 90. 270. 0. 0. 16,732.59 90. 225. 90. 90. 16,732.59 90. 315. 90. 270.

【００６０】考えられる幾つかの軌道組合せを以下のテ
ーブル２に示す。 テーブル２ 軌道周期組合せ 高度の数 高高度軌道 中間高度軌道 低高度軌道 2 24時間 12時間 2 24時間 8時間 2 -- 12時間 6 2 -- 12時間 4 2 -- 10.7時間 5.35 2 -- 8.8時間 2.93 3 24 12時間 6 3 24 12時間 4

【００６１】個々の高度の中継衛星の多数の組合せが考
えられ、中継衛星の個数を変え、中継衛星の軌道平面の
数を変え、そして中継衛星の軌道間及び軌道内位相を変
えることにより得られるものを含む。例えば、中継衛星
は、極軌道にあってもよく、又は地球に対して非同期の
軌道高度にあってもよいことを理解されたい。本発明
は、中継衛星軌道が円形又は楕円形で実施することがで
きる。

【００６２】以上、好ましい実施形態を参照して本発明
を説明したが、本発明は、これに限定されるものではな
い。本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数の種々の
変更や修正がなされ得ることが当業者に明らかであろ
う。本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって限定
されるものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの中間地球軌道の中継衛星及び１つのＧＥ
ＯＳ中継衛星を有する本発明による２ＨＯＰ多高度衛星
中継実施形態を示す三次元図である。

【図２】本発明による多高度衛星中継システムに使用さ
れる同期関係を示す三次元図である。

【図３】８時間ＭＥＯ周期を用いる実施形態の場合の有
効ＧＥＯＳ衛星中継範囲に対しＭＥＯ中継衛星平面から
の初期ＧＥＯＳ中継衛星赤道角度と７５ｋｍ以上の最小
タンジェント高度とを示すグラフである。

【図４】１２時間ＭＥＯ周期を用いる実施形態の場合の
有効ＧＥＯＳ衛星中継範囲に対しＭＥＯ中継衛星平面か
らの初期ＧＥＯＳ中継衛星赤道角度と７５ｋｍ以上の最
小タンジェント高度とを示すグラフである。

【図５】１０個のＭＥＯ衛星中継が地球上をたどる経路
を示すカルテシアン世界地図である。

【図６】ＭＥＯ衛星中継から見た１０個のＭＥＯ中継衛
星とＧＥＯＳ中継衛星との間の視線を示す極グラフであ
る。

【図７】ＧＥＯＳ衛星から見た１０個のＭＥＯ中継衛星
とＧＥＯＳ中継衛星との間の視線を示す極グラフであ
る。

【図８】所与の緯度及び経度位置に対し本発明による１
０個のＭＥＯ衛星中継実施形態で達成できる地表面カバ
ー域を示すグラフである。

【図９】本発明による水平線上実施形態の場合に８時間
ＭＥＯ周期の有効ＧＥＯＳ衛星中継範囲に対しＭＥＯ中
継衛星平面からの初期ＧＥＯＳ中継衛星赤道角度と７５
ｋｍ以上の最小タンジェント高度とを示すグラフであ
る。

【図１０】本発明による水平線上実施形態の場合に１２
時間ＭＥＯ周期の有効ＧＥＯＳ範囲に対してＭＥＯ中継
衛星平面からの初期ＧＥＯＳ中継衛星赤道角度と７５ｋ
ｍ以上の最小タンジェント高度とを示すグラフである。

【図１１】１つの低軌道衛星と、１つの高軌道衛星とを
有し、高軌道衛星が必ずしもＧＥＯＳ高度にないような
本発明による１ＨＯＰ多高度衛星中継実施形態を示す三
次元図である。

【図１２】２つの低軌道衛星と、１つの中間軌道衛星
と、１つの高軌道衛星とを有する本発明による３ＨＯＰ
多高度衛星中継実施形態を示す三次元図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペーター エイチ クレス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90266 マンハッタン ビーチ ナインス ストリート 932

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる高度に配置された衛星間に連続的
   な非切断リンクを維持することのできる多高度衛星シス
   テムにおいて、 低及び中間地球軌道高度の一方の軌道を回る第１衛星
   と、 高軌道高度の軌道を回る少なくとも１つの第２衛星とを
   備え、この高軌道は、上記第１衛星の軌道と同期され、
   上記第１衛星と第２衛星との間に連続的な視線を維持す
   ることを特徴とする多高度衛星システム。
2. 【請求項２】 上記第１衛星の軌道周期に対する上記第
   ２衛星の軌道周期が所定の比である請求項１に記載の多
   高度衛星システム。
3. 【請求項３】 上記視線は、常に、地球の水平線上にあ
   る請求項１に記載の多高度衛星システム。
4. 【請求項４】 地球上の上記視線の距離は、上記第１衛
   星の位置に対する上記第２衛星の位置と、上記第１衛星
   の軌道平面の傾斜角とに基づく請求項１に記載の多高度
   衛星システム。
5. 【請求項５】 上記第１衛星は、上記第２衛星とのリン
   クを形成する手段を備えた請求項１に記載の多高度衛星
   システム。
6. 【請求項６】 上記第１衛星は、地球をベースとするユ
   ーザとのリンクを形成する手段を備えた請求項１に記載
   の多高度衛星システム。
7. 【請求項７】 上記第１衛星は、地球をベースとする制
   御ステーションとのリンクを形成する手段を備えた請求
   項１に記載の多高度衛星システム。
8. 【請求項８】 異なる高度に配置された衛星間に連続的
   な非切断リンクを維持することのできる多高度衛星シス
   テムを形成する方法において、 低又は中間地球軌道高度の一方に第１衛星を設けると共
   に、中間又は高地球軌道高度に第２衛星を設け；そして
   上記第１衛星の軌道を上記第２衛星の軌道と同期して、
   上記第１衛星と第２衛星との間に連続的な視線を維持す
   る；という段階を備えたことを特徴とする方法。
9. 【請求項９】 上記第１衛星の軌道周期に対する上記第
   ２衛星の軌道周期が所定の比となるように上記第１衛星
   を構成する段階を備えた請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 上記視線を常時地球の水平線上とする
    ように上記第１衛星を構成する段階を備えた請求項８に
    記載の方法。
11. 【請求項１１】 地球上の上記視線の距離が、上記第１
    衛星の位置に対する上記第２衛星の位置と、上記第１衛
    星の軌道平面の傾斜角とに基づくよう、上記第１衛星を
    構成する請求項８に記載の方法。
12. 【請求項１２】 上記第１衛星と上記第２衛星との間に
    リンクを設ける段階を備えた請求項８に記載の方法。
13. 【請求項１３】 上記第１衛星と地球をベースとするユ
    ーザとの間にリンクを設ける段階を備えた請求項８に記
    載の方法。
14. 【請求項１４】 上記第２衛星と地球をベースとする制
    御ステーションとの間にリンクを設ける段階を備えた請
    求項８に記載の方法。
15. 【請求項１５】 異なる高度に配置された衛星間に連続
    的な非切断リンクを維持する多高度衛星システムにおい
    て、 中間地球軌道高度又は低地球軌道高度の一方の軌道を回
    る第１の低地球軌道／中間地球軌道衛星と、 上記中間又は低地球軌道高度より高い高度の軌道を回る
    少なくとも１つの高地球軌道衛星とを備え、この高地球
    軌道衛星は、上記低地球軌道／中間地球軌道衛星の軌道
    と同期され、上記低地球軌道／中間地球軌道衛星と高地
    球軌道衛星との間に連続的な視線を維持することを特徴
    とする多高度衛星システム。
16. 【請求項１６】 上記高地球軌道衛星の軌道周期に対す
    る上記低地球軌道／中間地球軌道衛星の軌道周期は、所
    定の比である請求項１５に記載の多高度衛星システム。
17. 【請求項１７】 上記視線は、常に、地球の水平線上に
    ある請求項１５に記載の多高度衛星システム。
18. 【請求項１８】 上記衛星は、それらの間にリンクを形
    成する手段を含む請求項１５に記載の多高度衛星システ
    ム。
19. 【請求項１９】 異なる高度に配置された衛星間に連続
    的な非切断リンクを維持する多高度衛星システムにおい
    て、 高地球軌道高度の軌道を回る第１衛星と、 中間地球軌道高度の軌道を回る第２衛星と、 低、中間又は高地球軌道高度の１つの軌道を回る第３衛
    星とを備え、これらの第１、第２及び第３衛星は、その
    軌道が互いに同期され、それらの間に連続的な視線が維
    持されることを特徴とする多高度衛星システム。
20. 【請求項２０】 上記第１、第２及び第３衛星の軌道周
    期は、互いに所定の比である請求項１９に記載の多高度
    衛星システム。