JPH10502223A - コスト的に有効な、地球から見て同期した移動衛星を使った通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 地球から見て同期した軌道内にあり、地球に対して０度よりも大きい所定の角度で傾斜した１つ以上の衛星（第３図）を含む衛星通信システムである。地球をフルカバーするには前記角度は約２８．５度であることが好ましく、衛星群が設けられている。各衛星はマルチ素子フェーズドアレイアンテナ（ＲＦおよびＦＬ）と、地球表面に区間的に弁別されたスポット放射ビームを照射するよう、前記マルチ素子フェーズドアレイアンテナに選択的に接続された送信回路および受信回路（第１０図）と、ステアリング可能な宇宙／地上アンテナと、このアンテナに接続された送受信回路とを有する。少なくとも１つのゲートウェイ地上ターミナル（第２図）が衛星の送信信号を所望のユーザー位置へ向けるための、前記フェーズドアレイアンテナのアップリンク位相制御を含むすべての衛星コマンドおよび制御を実行するための手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 コスト的に有効な、地球から見て同期した移動衛星を使った通信システム 発明の背景 近年、地球的規模のサービスを提供しようとする、広範な将来の衛星通信（sa tcom）システムのアーキテクチャを定めるための多大な活動がなされ、かつ資源 が費やされている。これらサービスは固定ユーザーと移動ユーザーの双方に提供 され、複雑さでは一方向の呼び出しおよびメッセージングから二方向の高品質の 音声通信までの種々のサービスを行うようになっている。最近ではこれらの活動 には、１９９０年代の中頃から終わりまでに開発、打ち上げおよび運用の手続き の認証を求めるため、米国連邦通信委員会への多くの申請も含まれている。提案 されている基本的概念はかなり広範なものであり、次のものを含む。 １．低高度軌道衛星群（ＬＥＯ）計画−−例えばモトローラ社のイリジウム計 画、ローラル社のグローバルスターおよびオービッタルサイエンスオーブコムで あり、これらは２６〜６６個の衛星を使った運用衛星群計画を提案している。 ２．中高度軌道衛星群計画−−例えばＴＲＷ社のオデュッセイ計画、これは１ ２個の衛星を使用する運用衛星群計画を提案している。 ３．静止軌道衛星群（ＧＥＯ）計画−−例えば地上から見て静止した軌道に打 ち上げられる米国移動衛星計画であり、地域的カバーをするか、または４〜５個 の衛星を用いて７０度までの緯度の地球をカバーするようになっている。 これらシステムについて解説した文献では多くの妥協案が提案されている。例 として次のものがある。 軌道高度を低くする利点： １．１回の衛星の打ち上げコストが低減されること。 ２．ユーザーおよび衛星の送信パワーを小さくでき、および／またはアンテナ を簡単にできること。 ３．伝搬遅れが少なくなること。 軌道高度を高くする利点： １．運用衛星およびサポート地上局の数を少なくできること。 ２．ハンドオーバーの複雑さが低くなり、ＧＥＯアーキテクチャではハンドオ ーバーが不要となること。 ３．ＧＥＯアーキテクチャでは１回の打ち上げでフルに運用でき、１度に１つ の地理的領域をカバーできること。 ４．バンアレン帯より上の高度では衛星の寿命が長くなること。 その他の検討事項： １．非静止衛星システムはユーザーから衛星への魅力的な仰角を容易に与える ことができる。 ２．運用衛星の数は、真の地球上のカバー範囲（１００％の時間）対別のカバ ー範囲（例えば極端な緯度では地上局のみまたは１００％より小さい）および最 小の許容可能なユーザーから衛星への仰角によって主に決まる。 最終的に商用システムで成功させるための要因は、コスト、サービスおよび品 質の利点の組み合わせと信頼性に落ち着かなければならない。コスト計算には多 くの詳細な仮定がなされるが、第１図は衛星の複雑さ、打ち上げコストおよび衛 星の数を含む、二方向音声通信をサポートする特定の移動衛星通信システムの応 用例におけるコストトレード分析（他者によってなされたものである）の結果を 示している。これら結果はオデュッセイＭＥＯシステムがコスト的に有効である ことを立証している。しかしながら、同時にこれら結果は、個々のＧＥＯ衛星コ ストが高くなったとしても衛星のサイズをより小さくし、地上局の数を少なくし 、制御装置を簡単にし、各衛星の寿命を長くすれば、ＧＥＯシステムのコストは 多くならないというキーとなるメッセージを与えている。 図１に示された分析から得られる見解は、ＧＥＯシステムに関する、より広く かつ興味を引き起こすようなメッセージを与えるので、実際にはより深いもので ある。 十分な装置（重量、寸法、パワー、複雑さ）およびＧＥＯ衛星当たりの打ち上 げコストの低減を達成でき、かつ同時にカバー範囲および衛星／ユーザー間の仰 角を高めることができれば、ＧＥＯ衛星群計画は地球的規模の移動体衛星通信を 行うための最小コストの代替計画案として浮かび上がる潜在力がある。更に、こ のＧＥＯ計画コストの有利性を、理想的にＧＥＯ衛星に合致した注意深く選択さ れた組の移動局および非移動局をターゲットとすることにより最大にできる。 本発明の課題は、地球に対し同期した衛星を利用する改善された通信システム を提供することにある。 発明の概要 本発明の、地球に対し同期した移動衛星通信システム（以下、時々ＧＥＭＳと 称す）は、移動ユーザーおよび非移動ユーザーの多数の広範な集団に対しコスト 的に効果的で、かつ効率的なサービスを提供する全く新しい衛星群および衛星ア ーキテクチャである。このＧＥＭＳの概念では、地上のユーザーに対する送信容 量はより限られており、地上のユーザーから衛星へは大容量、小パワー、ランダ ムアクセス送信に重点をおいている。代表的な用途としては、捜索および救助、 衛星への送信による自動化された計測、衛星への周期的な送信によるトラック群 、船、タンカーの追跡、ユーザーが遠隔領域にいる（例えば、陸上のセルラーネ ットワークを拡大している）ときの二方向通信（第２図参照）が挙げられる。 この新規な衛星群および衛星計画は同期衛星とＬＥＯ／ＭＥＯ衛星の利点を同 時に組み合わせたものである。求めるユニークな衛星システムの特徴は次のとお りである。 １．２８．５度に傾斜した、地球に対し同期した衛星群。〜０度の傾斜角は静 止衛星の従来の方法を示しており、地上を正確にカバーするには魅力的であるが 、提案される傾斜角がより大きくなれば、０度の傾斜では得られない次のような ユニークな利点が得られる。 ａ．かなりの人口密度の実質的にすべての地上局に対し、高い仰角（例えば ＞２５度〜３０度）で５〜６個の衛星により地上を連続的にカバーできる。かか る仰角は構造物、例えばビルを含む領域における信頼できる衛星通信を行う上で 重要である。 ｂ．海洋および極地を含むその他のほとんどの地球上の領域では、この同じ 衛星群に対して仰角は１５〜２０度を越え、地球上のどの点に対しても１０度よ りも大きい連続的な仰角が与えられる。ここで、密集した構造物を含まない、か かるオープンエリアではこれよりも低い仰角も許容できることに留意されたい。 ｃ．２８．５度の傾斜角はケープケネディの主要発射場からの最小エネルギ ーでの打ち上げを可能とするので、打ち上げコストを低減し、および／または衛 星の寿命を延ばすよう、軌道上での燃料を増やすことができる。 ｄ．このＧＥＭＳ衛星の移動により地上ユーザーに対し位置測定用の信号源 が与えられる。これは次の方法のうちの１つ以上により精度および／または耐久 性を高めるよう、ＧＰＳを補強できる。上記の方法とは、ＧＥＭＳをレンジング ／ドップラー源として使用する方法、各ＧＥＭＳ衛星を差分ＧＰＳ（ＤＧＰＳ） に対する基準として使用する方法、高度に正確な電離層内補正（これは捜索のよ うな高精度の用途に特に有効である）を得るよう、ＧＰＳとＧＥＭＳとの間を〜 １ＧＨｚの周波数だけ分離することを活用する方法である。 ２．本発明の、地球に対し同期した衛星群計画は、提案されているＬＥＯおよ びＭＥＯ移動衛星通信計画とは大幅に異なっており、次のような重要なユニーク な利点を有している。 ａ．モトローラ社のイリジウム計画における６６個と比較して、必要な衛星 の数を例えば５〜６個まで大幅に低減できること。 ｂ．運用がより簡単であること。特に地上ユーザーは使用期間中に、ある衛 星から別の衛星にハンドオーバーする必要が実質的にない。更に、衛星の比較的 低速の運動により信号のダイナミックスが小さくなり、よってユーザーの信号収 集プロセスが簡略化され、スピードアップする。 ｃ．地球に対し同期した軌道がより高くなることにより抗力が少なくなり、 放射線効果も少なくなるので、衛星の寿命も長くなり、燃料補充の必要も少なく なり、衛星の寿命サイクルコストも低減される。また、後述するように衛星の構 造が簡単であることによっても運用上の耐久性が増し、寿命が長くなっている。 衛星の寿命は少なくとも１５年であると予想される。 ｄ．ＴＴ＆Ｃ（追跡、テレメトリーおよびコマンド）を連続にするよう、地 上と衛星との間を地上で接続するのにわずか３〜４の地上局でよい。 ｅ．この地上に対し同期した衛星群／能力はサービスギャップを生じること なく１度に１つの地上領域を展開できる。このことは、ＬＥＯまたはＭＥＯ計画 と対照的である。 ３．この衛星計画はどの商用衛星システムに対しても提案されていない態様で フェーズドアレイアンテナをユニークに利用するものである。この計画は連続的 な地上のカバー範囲を損なうことなく、同期衛星のより大きなパス損失を有効に 補償する。換言すれば、地球に対し同期した衛星はＬＥＯまたはＭＥＯに匹敵す るリンクの質を提供するものである。更に、フェーズドアレイ構造は運用および 長寿命の耐久性を与えるユニークな対策となっている。特別なユニークな特徴で ある、ユーザーから衛星への（インバウンド）リンクは次のとおりである。 ａ．高度分割マルチアクセス（ＣＤＭＡ）法と地上をベースにしたビーム形 成法とを組み合わせて使用することにより、高容量のランダムアクセス通信を達 成できる。近オムニ（半球形）アンテナへ１ワット未満の送信パワーを用いて、 〜４．８ｋｂｐｓのユーザー送信データレートを達成できる。本発明を実施した 各ＧＥＭＳ衛星は３０００を越えるユーザーの同時送信に対応できると信じられ ている。 ｂ．大型のフェーズドアレイアンテナは同時に地上をカバーし、地理的に分 散したユーザー間を空間的に弁別し、極めて高い利得を得ることができる。フェ ーズドアレイアンテナの素子の各々によって地球がカバーされ、他方、地上で形 成されたスポットビームの各々によって空間弁別と高利得との組み合わせが得ら れる。衛星内に直接、複雑で大重量で高いコストのマルチスポットビーム機能を 組み込まなくても、広いカバー範囲と高利得とは相互に排他的であるので、この 機能は従来の衛星とは大幅に異なっている。本発明では衛星がベントパイプモー ドで運用される場合、パッシーブアンテナ素子のストレートフォワードアレイに より衛星では広いビームカバー範囲が得られる。すなわち衛星内での処理は不要 である。地上でより複雑なスポットビーム機能が実現されるので、複雑さ、リス クおよびコストが低減される。 ｃ．衛星はパッシーブ（受動的）であり、すべての処理上の複雑さは地上を ベースとしているので、本発明の地上のビーム形成方法によりユニークな運用上 のフレキシビリティ、展開能力および耐久性が得られている。特に、衛星に対し 総合的にトランスペアレントな地上で次のことを行うことができる。すなわち、 ビームの数を変えること、各ビームの大きさおよび形状を変えること、オープン ループまたは適応可能なビーム形成を行うこと、地上のビーム形成アルゴリズム における調節により搭載アンテナ素子の故障に対応できることである。更に、地 上のビーム形成用ハードウェアおよびソフトウェアは衛星に影響を与えることな く、時間に対して（例えば技術の進歩につれて）発展できるので、衛星の寿命を 長くする潜在力に対し革新的な改善能力を提供できる。 ｄ．搭載フェーズドアレイアンテナは本発明の衛星通信システムに対し大き な耐久性をユニークに与えるものである。その理由は、衛星の性能はアンテナの 素子の故障とともに大幅に劣化するからである。換言すれば、６０〜８０本の素 子のうちの１本または数本の素子がなくなってもリンク性能が１ｄＢの何分の１ しか劣化しない。更に上記のように、かかる素子の故障は地上のビーム形成アル ゴリズムにおける調節によって少なくとも部分的に対応できる。 ｅ．宇宙と地上とのリンク用（ＳＧＬ）アンテナは通信ペイロードにおける 唯一の移動部品であり、頻繁に運動せず、かつ低速で運動する。これにより簡単 な姿勢制御を保証し、軌道上の燃料消費量を低減する。 ｆ．ＳＧＬ用ダウンリンクはＫａバンドを使用しており、これにより割り当 てバンド幅は１ＧＨｚの大きさとなる。このことは、地上でビーム形成を行うの に６４〜８０本の搭載素子から必要とされる個々のダウンリンク送信に対応する のに適す。 ４．本発明の衛星用フェーズドアレイは、衛星からユーザーへの（アウトバウ ンド）リンクに関するユニークな能力も提供する。この特別な特徴として次のこ とが挙げられる。 ａ．１つ以上のビームを同時に形成できること。ビーム形成は地上コマンド により搭載位相シフト装置をセッティングすることにより達成される。この場合 、衛星の運動は生じない。形成されるビームの数および大きさには運用上の総合 的なフレキシビリティがある。特別なビームパラメータは１日のうちの時間、ユ ーザーの位置、容量条件、データレートおよびスループット条件、優先度（例え ば緊急度）等に応じて時間に対して変化する。 ｂ．ビーム形成のフレキシビリティによって広範なデータレート（例えば１ ｋｂｐｓから約１００ｋｂｐｓまで）をサポートする衛星コンフィギュレーショ ンが可能となる。低いほうのデータレートではユーザーへの数百もの送信信号を 同時に処理できる潜在力が存在する。このようなダイナミックな可変スポットビ ーム能力も、従来の商用衛星では得られなかった能力である。 ｃ．衛星はベントパイプとして働くので、変調／信号の構造は制約を受けず 、衛星の全寿命にわたって変更できる。この可能性としては、狭帯域の周波数分 割マルチアクセス（ＦＤＭＡ）方法からより広いバンドのＴＤＭＡおよびＣＤＭ Ａ法まで広がっている。 ｄ．上記のインバウンドのケースでは地上のアップグレードのみにより時間 経過に対して発展できる。すなわち衛星側の変更は不要である。これにより他の 商業用衛星システムの計画では得られなかったユニークな運用上のフレキシビリ ティ、耐久性および寿命サイクルコストの有効性が得られている。 図面の説明 次の明細書および添付図面と共に本発明を検討すれば、本発明の上記およびそ れ以外の目的、利点および特徴が明らかとなろう。 第１図は、低高度、中高度および従来の静止衛星軌道で衛星を使用するシステ ムのうちのＴＲＷ社によって行われたコストの妥協を示すグラフである。 第２図は、本発明の衛星システムで得られる広範な代表的なサービスを示す。 第３図は、比較的少数の衛星および地上局しか必要とせず、更にユーザーおよ び衛星追跡のためにＧＰＳ群をオプションとして活用するグローバル衛星システ ムのアーキテクチャを示す。 第４図および第５図は、それぞれ５個および６個の衛星群の２つのケースのた めの、提案された地球に対して同期した傾斜衛星システムの地上のトレースを示 す。 第６図および第７図は、軌道パレメータが地上集団カバー範囲を強調するよう になっている、５個および６個の衛星群により得られる最小の衛星対地上仰角を 示す。 第８図は、主要都市位置で得られる極めて魅力的な衛星対地上仰角を示すこと により、６個の衛星群に関する付加的情報を示す。 第９図は、大規模な固定フェーズアレイと、通信ペイロードの唯一の可動部品 である宇宙／地上リンク用アンテナとを含む、複雑度の低い衛星の図である。 第１０図は、本発明を実施した衛星通信ペイロードの機能的ブロック図を示す 。 第１１図は、本発明を実施した各地上ターミナルの機能的ブロック図を示す。 発明の詳細な説明 本発明は次の２つのユニークなシステムの特徴１、２を有する。 １．地球に対して同期した、傾斜した衛星群： ａ．衛星の動きは地球をカバーし、ユーザーと衛星との仰角を大きくする。 ｂ．２８．５度の傾斜角は米国のケープケネディ打ち上げ場からのＧＥＯ打 ち上げエネルギーを最小にしている。 ｃ．傾斜したＧＥＯ衛星は他方の静止衛星に対する軌道スロット割り当てを 簡略にする。 ｄ．傾斜ＧＥＯ衛星は他方の静止衛星に対する搭載パワーシステムに対する 食の影響（バッテリー容量が小さくなる）を低減する。 ２．各衛星上の大きな受動型フェーズドアレイアンテナによって二方向の移動 ユーザーと衛星とのリンクがサポートされる。 ａ．フェーズドアレイアンテナは同時に地球的規模のカバーをし、かつ高利 得を提供するので、ユーザーの送信機／受信機条件をＬＥＯまたはＭＥＯシステ ムの条件に匹敵するものに維持できる。 ｂ．ゲートウェイとの宇宙／地上リンクのためのアンテナ以外にステアリン グ（操縦）可能なアンテナはないので、姿勢制御およびモーメントダンピングが 容易であり、燃料消費量を低減できる。 ｃ．フェーズドアレイアンテナの電子的ステアリングは衛星の動きおよび種 種の衛星位置に合わせることができる。受信アンテナの場合の電子ビームのステ アリングを行うには、一般にほとんどが平面領域に配置されている多数の個々の アンテナ素子からの信号をアレイの中心からの素子の距離およびビームを向ける 方向に応じた量だけ位相をシフトする必要がある。 ｄ．ユーザー対ゲートウェイリンクでのビーム形成は地上で行われるので、 衛星のパワー／複雑さ／コストを劇的に低減し、作動／回転上のフレキシビリテ ィを大幅に増加する。 ｅ．ビーム形成能力のダイナミックな割り当て／調節は姿勢制御システムに 影響を与えることなく、必要性（例えば緊急性）または部分的故障に基づく。 カバー領域、１日のうちの時間およびニーズに基づきダイナミックに変化する サービスを順応させることに対して、各ＧＥＯ衛星のフェーズドアレイアンテナ を注文仕上げすることが特に重要である。図２に示されるように、代表的なサー ビスとして次のものがある。 １．低レートのスペクトル拡散コード分割マルチアクセス（ＳＳ−ＣＤＭＡ） ランダムアクセスユーザー送信（例えば家庭、営業所、農場等における電気／ガ ス／水道メータの読み取り）。衛星の送信機の条件を最小にするよう、例外に限 り問い合わせがなされる。 ２．他のユーザーのタイプ（例えば地球上に分散された科学センサー、緊急／ 捜索および救助用送信機、動物追跡装置等）からの低レートランダムアクセス送 信。衛星の送信機の条件を最小とするよう、ユーザーへの送信は行う必要はない が、必要があれば行う。 ３．４．８ｋｂｐｓまでのレンジのデータレートのミックスを含む二方向デー タ通信。 ４．二方向の４．８ｋｂｐｓ音声通信。 ５．サブＧＰＳ（ＤＧＰＳ）地球上位置測定用の基準。これは数メートルレベ ルの位置測定精度を与えることができる。 後に詳細に説明するこれらユニークな特徴は、ＧＥＯ衛星に関連する問題のほ とんどすべてを克服し、実際にＧＥＯ衛星の利用に理想的に適した運用システム となる。例えば上記特徴は今日まで提案されている他のいずれのＭＥＯまたはＬ ＥＯシステムよりもコスト的に有効であるグローバル衛星通信システムとなる。 更に、必要とされるサブシステムは既に豊富になっているか、または成熟した技 術となっていることを条件に、衛星技術の実現リスクは低くなる。一例としては 、衛星が搭載フェーズドアレイアンテナを含むＮＡＳＡの追跡およびデータ中継 衛星システム（ＴＤＲＳＳ）がある。 システムアーキテクチャ： 第３図は代表的なグローバル衛星アーキテクチャを示す。このアーキテクチャ は当該ＧＥＯ衛星の双方を含みユーザーの位置を周期的に更新することを含める ユーザーがＧＰＳ信号を利用できることを仮定している。図示されている３つの ＧＥＯ衛星１０、１１および１２は単なる図解のためのものであり、衛星の必要 な特定の数は究極的にはシステムレベルの条件に応じて決まることを最初に強調 すべきである。特に衛星群内の衛星の数および相互の位相制御は特定の要素に合 わせることができる。 これら要素として次のものがある。 １．地域対地球のカバー範囲。 ２．最小仰角対地理的領域（例えば緯度、地方対都市または人口密度）。 ３．中緯度における主要カバー範囲およびバックアップカバー範囲。 ４．都市および高人口密度領域における大きい仰角。 ５．より高い高度および海洋領域において許容される低い仰角。 本発明の目的のため、グローバルカバー範囲の最も一般的なシナリオに説明を 集中することとする。明らかに地域的なカバー範囲はほとんど衛星を使用しない ような特殊なケースである。次の結果および説明は当該任意のシナリオに適用す るのに必要な一定の原理および見解を条件とするものである。 衛星群の説明およびキーとなる特徴： 第４図および第５図は、それぞれ５個および６個の衛星を処理する当該代表的 なＧＥＯ衛星群の説明すなわち動きおよび位相制御で始まっている。第６図およ び第７図には関連する最小の衛星対地上仰角の性能が示されている。これら衛星 群は最も大きい人口密度を含む地上の集団に対する大きい仰角を強調するため選 択されたものである。図から判るように、双方の図は極地でも１０度以上の仰角 を有する連続的なグローバルカバー範囲を提供している。明らかに６個の衛星群 は性能および耐久性を良好とするが、余分な衛星のコストを出費しなければなら ない。第８図は更に、いくつかの大きな都市に対する６個の衛星群の場合におけ る仰角の変化と時間の関係を示しており、これから判るように、３０度を越える 仰角では検討した都市のすべてに対しほぼ１００％の時間をカバーし、ほとんど すべてのケースでは仰角は４０度を越える。 本明細書の残りでは６個の衛星群の実施例を選択しているが、実現のための数 、 降下ノードおよび位相制御を含む最終衛星群は変わり得る。しかしながらこのこ とは決して本発明の効果を減ずるものではない。 好ましい衛星群の実施例のキーとなる特徴の概要は次のとおりである。 １．全体で６個の衛星群をサポートするのに〜１２０度離間したわずか３つの 地上局ゲートウェイだけでよく、各ゲートウェイは２個の衛星をサポートする。 これは衛星の降下ノードと２８．５度の妥当な傾斜角とを組み合わせていること によるものである。 ２．衛星群のＧＥＯ特性によりグローバル能力は段階的に展開でき、各ステー ジは別の程度の地域カバー範囲および／または耐久性を導入し、これを確定する 。例えば降下ノードごとに１つの衛星を逐次挿入する打ち上げスケジュールでは 、フルに連続的に運用される中緯度のグローバルカバー範囲に展開し、３回の打 ち上げで１度に１つの領域がカバーされる。このような一連の打ち上げはすべて の高度で６５％以上の時間もカバーする。その後、３回打ち上げることにより中 間高度において耐久性および二重カバー範囲が得られるが、極端な高度における 連続的なグローバルなカバーを終了する。このことは、いずれの領域に置いても １００％の運用サービスを行うのに実質的にすべての衛星群を打ち上げなければ ならないＬＥＯまたはＭＥＯシステムと対照的である。 ３．ＧＥＯ衛星はサービスサポート期間中にユーザー（固定または移動）が１ つの衛星から別の衛星へハンドオーバーすることが実質的に不要となる。 ４．第７図に示されているように、衛星の位置および位相制御は広範な仰角条 件に合うように調節できる。例えば都市およびその他の人口の多い領域は障害物 （例えばビル）を含み、これら障害物は更に大きな衛星対地上仰角（例えば３０ 度以上）で対応しなければならない。他方、人口密度の少ない領域および海洋で は（例えば科学的プラットフォームおよび捜索および救助をサポートするのに） １０度〜２０度の範囲までの仰角に対応できる。 ５．この衛星通信システムはすでに使用されている地域のセルラーネットワー クと相互に運用可能とすることができる。特に地域のセルラーネットワークが（ 例えば話中または遠隔領域にあって）利用できない場合に限り、この衛星通信の 二方向音声チャンネルを使用することとなる。このようにして、サービスしな ければならない二方向音声チャンネルの数は大幅に低減できる。更に、地域のセ ルラーネットワークを利用できないときは二方向の音声移動ユーザーは〜２５０ ｍｓの伝搬遅延を受けるにすぎない。最後に、この衛星通信システムは音声チャ ンネルが利用できない場合はいつも低レートの低コストメッセージサービスを容 易に行うことができる。このことは、遠隔領域からオートリペアのために（電話 の呼び出しの代わりに）メッセージを送るような場合に意義がある。コスト的に 有効なサービスを順に行うには、このサービスは典型的な消費者／移動ユーザー にとって魅力的なものでなければならない。 ６．（後述する）ユニークな搭載フェーズドアレイアンテナと結合されたこの 衛星通信システムはカバーすべき特定領域に対する衛星ごとのスポットビームの 数、大きさおよび形状、それらのニーズおよび能力の使用に合わせることができ る。例えばユーザー密度が最大の／データレートが最大のエリア（例えば４．８ ｋｂｐｓまでで作動するハンドヘルドトランシーバをサポートする人口の多い都 市エリア）には最も狭いスポットビームが割り当てられることとなる。他方、よ り低いデータレートのユーザー（例えば捜索および救助、または低レートの科学 プラットフォーム）または出力側（例えば船）に大きなターミナルを有する高レ ートのユーザーをサポートする海洋領域には、より広いビームを割り当てること ができる。 ７．ユーザー／衛星リンクに対するドップラー効果は、ＬＥＯまたはＭＥＯ移 動衛星通信システムと比較して、あまり大きな収集およびトラッキング上の問題 ではない。 ８．衛星の軌道上の動きは高度に正確な軌道の測定に役立つ。ＧＰＳへの補助 手段として（例えば本発明の各衛星を差分ＧＰＳすなわちＤＧＰＳのための基準 として作動させる）本発明で使用されている衛星の動きを使用することにより、 更にこの精度を高めることができる。 ９．ユーザーのアンテナのビーム幅は本発明の各衛星の動きが制限されている ので、ＬＥＯまたはＭＥＯシステムに対して潜在的に狭くすることができる。 第９、１０、１１図に関連して、以下、衛星および地上システムの詳細につい て説明する。 衛星および地上システムの説明： 次のように、本発明の好ましい実施例を実現し、運用する。 １．長寿命、例えば１５年 ２．寿命サイクル中のコストが低いこと ３．低リスク ４．ユーザーのパースペクティブからの通信リンク性能はＬＥＯまたはＭＥＯ システムの性能に匹敵する。 これら４つのキーとなるシステムの特徴は、衛星のアーキテクチャ、その軌道 および地上システムのとの運用インターフェースに固有のものである。 衛星アーキテクチャの説明： 第９図には衛星の外観図が示されており、この衛星は主に大きな固定されたフ ェーズドアレイＰＡとステアリング可能な宇宙／地上リンクアンテナＳＡとから 成る。ステアリング可能な宇宙／地上リンクアンテナＳＡは次のとおりである。 すなわち、 ・シンバル状の２メートルのＫａバンドの宇宙／地上アンテナであり、 ・送信バンド １９〜２０ＧＨｚ デュアルのリニア偏波 ・受信バンド、２９．５〜３０ＧＨｚ となっている。 通信ペイロードの機能の説明は第１０図に示されている。この衛星の中心とな るユニークな特徴は、固定された受動的なフェーズドアレイアンテナＲＬおよび ＦＬである。このフェーズドアレイアンテナの原理はＮＡＳＡのＴＤＲＳ（「衛 星通信システムのユーティリティを増すためのシステム」を発明の名称とし、１ ９９３年１１月１９日に出願された継続中の米国特許出願第08/154410号を参照 のこと）の現在の軌道上にある衛星群で現在も成功裏に使用されているアレイア ンテナの拡張タイプである。このフェーズドアレイの未来のＴＤＲＳ続行タイプ に対し多数の契約者によって提案されている特性も表示している。電力はソーラ ーパネルＳＰによって供給される。 フェーズドアレイアンテナの特性： １．軽量タッチアンテナ素子ＰＡの二重レイヤーである。このアレイの大きさ は衛星ＳＣの本体に取り付けられた６０〜８０本の素子を含むよう、径が（また は開口部が）４〜５メートルの大きさとなっている。 ２．各素子は２ｄＢのビーム幅で地球のカバー範囲を〜２０度よりも適度に大 きくする。後述するビーム形成により所望のスポットビームが発生する。 送信側：２．５ＧＨｚ±７．５ＭＨｚ 受信側：１．５ＧＨｚ±７．５ＭＨｚ ３．パッチ素子の前方レイヤーＦＬ ‐〜２５００ＭＨｚを中心周波数とする、ＦＣＣによって割り当てられた送信 バンドすなわち１５ＭＨｚのバンド幅に同調されている。 ‐各素子は〜２ワットの自己のＳＳＰＡを有する。 ‐地上からのコマンドにより衛星内で各素子の電子的な位相制御が行われる。 ４．世界のうちの領域および用途に合わせられた１つ以上の成形ビームを形成 するのにパッチ素子の正面レイヤーＦＬが使用される。 ‐ブロードビーム、低レートの用途（例えば受信確認、問い合わせ、ページン グ）に素子のサブセット（例えば１０個）が割り当てられる。 ‐高密度の地上集団領域におけるスポットビームにはほとんどの素子が割り当 てられる。 ‐１スポットに集中した場合、最大に有効な等方性の放射パワー（ＥＩＲＰ） 〜５０ｄＢＷは小型のユーザー用ハンドセットによる２００〜３００の４．８ｋ ｂｐｓのチャンネルまたはそれより多数のより低いデータレートをサポートでき る。 ‐単一素子による最小ユーザーＥＩＲＰ〜２０ｄＢＷは小型のハンドセットを 用いた場合の〜３００から５００ＢＰＳまたは（例えば自動車または船舶におい て）ブリーフケースサイズのアンテナを用いた場合は４．８ｋｂｐｓの音声通信 をサポートできる。 ‐機械的なステアリングを行うことなく（従って衛星の姿勢制御には影響せず ）必要性に基づきビームを短時間かつダイナミックに割り当てできる。 ‐ビーム幅は〜２度の最小値から〜２０度の最大値まで変わる。 ５．後部レイヤーＲＬ ‐〜１６００ＭＨｚを中心とする、ＦＣＣによって割り当てられた受信バンド すなわち１５ＭＨｚに同調されている。 ‐各素子に直接取り付けられた低ノイズアンプＬＮＡは受動的損失を実質的に 解消し、素子のビームエッジでの高いＧ／Ｔ〜−１０ｄＢ／°Ｋから形成ビーム 当たりの８〜９ｄＢ／°Ｋを発生させる。 ‐各素子のＬＮＡ出力は周波数変換器ＦＴＬで周波数変換され、１５ＭＨｚバ ンドを分離する。各中間周波数は周波数分割多重結合器ＣＯＭで結合される。そ れ以外の搭載システムＯＢＤからのデータおよび制御信号はテレメトリ変調器Ｔ Ｍにより結合器ＣＯＭへ られ、ＵＣでアップコンバートされ、ハイパワ ー増幅器ＨＰＡを介してダイプレクサＤＰおよびアンテナＳＡへ供給される。ア ンテナＳＡによって受信された信号はダイプレクサＤＰによってＲＦフロントエ ンドＲＦＥへ供給され、このフロントエンドは信号をコマンド受信機ＣＲおよび 搭載データ処理器ＯＤＢへルーチングし、データ処理器は素子のうちのフェーズ ドアレイの前方レイヤーＦＬに対する素子の重みを供給する。パワー分割器ＰＳ 信号をフェーズドアレイアンテナ素子１....素子Ｎへけ、これら信号はアンＳＳ ＰＡによって増幅され、フェーズドアレイ内のそれぞれの素子をドライブするの に使用される。 ‐一方の偏波での１ＧＨｚは〜６４個の素子までをサポートする。他方の偏波 で別の素子をサポートすることができるし、またこれとは別に２つの偏波を使っ て必要なダウンリンク用バンド幅を狭くすることができる。 ‐地上でビーム形成および較正を行うことができる。衛星に影響することなく 、時間に対してアップグレード可能なアルゴリズムを用いて、地上処理によって 純粋にビームの大きさおよび形状を定める。形成できるオーバーラップしないビ ームの最大数は搭載素子の数にほぼ等しい。 ６．地上で任意の数の受信ビームを形成するのにパッチ素子の後部レイヤーを 使用する。 ‐形成できる重ならないビームの最大数は搭載素子の数（すなわち６０〜８０ ） にほぼ等しい。この最大数によりフルのグローバルカバーを行うことができる。 ‐地上ですべての必要な較正を行う。 ‐地上のビーム形成は電子処理によりビームの大きさおよび形状を決定する。 ‐時間経過に関し、ビーム形成および較正アルゴリズムはアップグレード可能 であり、衛星に影響を与えることなく、現在の技術の進歩（例えば妨害を０にし たり、一部の素子の故障に対応したり、スイッチング速度を高めたりすること） を活用できる。これにより明らかに衛星のユーティリティを高めることができ、 潜在的にその有効寿命を長くし、よって投資の見返りを最大にできる。 ‐形成されたビームごとのビーム幅は〜２度と小さいが、送信のため素子の前 方レイヤーを使った上記方法と類似の方法で広いバンド幅を使用することもでき る。 ‐地上で形成された各ビームは低データレートにおけるより多数の５０〜１０ ０のランダムアクセスによるユーザー送信、例えば４．８ｋｂｐｓを同時に処理 できるまで、６０よりも多いビームが形成された各衛星は少なくとも３０００〜 ６０００のユーザーの同時送信を処理できる。 ７．このような受動的なフェーズドアレイアンテナは、アレイを電子的に位相 制御することにより処理されるビームポイントによりすべての衛星を相互に交換 可能にするものである。これにより衛星群の耐久性および寿命が大幅に延び、姿 勢制御およびモーメントダンピングが容易となっている。 ８．送信用および受信用ビーム位置および形状は別々に、かつダイナミックに 制御し、用途に合わせることができる。 別の衛星の特徴： １．ベントパイプ状の周波数変換のみ。 ２．２メートルのＫａバンドの宇宙／地上リンク（ＳＧＬ）アンテナＳＡ。 ‐通信ペイロードにおける唯一の機械的にステアリング可能な部分。 ‐ダウンリンク用に垂直偏波／水平偏波された１９〜２０ＧＨｚは、地上のビ ーム形成のためのすべての信号に対応できる。 ‐アップリンク用に単一偏波された３０ＧＨｚ±７５ＧＨｚは（データレート に応じ）数百〜１０００の同時のアウトバンド信号に対応できる。 ３．衛星のＤＣパワー条件は〜１．５〜１ＫＷであり、主にアウトバンドのパ ワー送信によって決まる。 ４．打ち上げビークル：潜在的にデルタ型 ‐ＧＥＭＳ衛星は２つの付加的な大きな配備可能なアンテナを含むＮＡＳＡの ＴＤＲＳと比較して小型である。 ‐フェーズドアレイアンテナを折り畳むことができ、軌道上に配備できれば、 デルタが可能である。 ５．下記の組み合わせにより、例えば１５年を越える長寿命となっていること 。 ‐バンアレン帯の上のＧＥＯ軌道であること。 ‐パッチ素子は故障率が極めて低く、故障したとしても劣化はわずかである（ 例えば１つの素子が喪失してもリンク上の質は１ｄＢの何分の１しか喪失しない ）。 ‐ＳＧＬアンテナは通信ペイロードのうちの唯一の可動部品であり、姿勢制御 、モーメントダンピングおよび燃料消費量に対する影響も低減する。 地上システム： 地上システムは地球をフルカバーするのに、好ましくは３つのゲートウェイか ら成り、各ゲートウェイは少なくとも２つの衛星をサポートする際に次のような 機能と特徴を含む。 １．すべての衛星のコマンドおよび制御を実行する。コマンドには所望のユー ザーの位置へ衛星の送信信号を向けるようフェーズドアレイアンテナをアップリ ンク位相制御することが含まれる。 ２．レンジとドップラー効果による追跡の組み合わせにより、移動する衛星を 追跡すること。 ３．衛星の動きに従ってＫａバンドの宇宙／地上アンテナをステアリングする こと。 ４．ユーザーのインバウンド送信に関連したすべての地上におけるビーム形成 を実行すること。 ５．すべてのユーザーの信号の変調および復調を行うこと。 ６．必要な地上のインターフェースに外部のセルラーおよび地域ネットワーク を提供すること。 項目４および５は各ゲートウェイの特にユニークな機能を示しており、第１図 において拡張されている。次の特徴は注目するに足る。 １．ダイプレクサＧＤＰを介し、アンテナＧＳＡから送られたＫａバンドＲＦ 入力信号はＲＦ／ＩＦフロントエンドＧＲＦで適当なＩＦ周波数にダウンコンバ ートされ、次に素子分離器ＧＥＳによって処理される。この分離器は衛星上で分 離されたＮ個のフェーズドアレイ素子信号を出力するＮ個のフィルタのバンクか ら成る。これらＮ個の信号は、衛星に送信されるすべてのユーザーのＣＤＭＡ信 号の複合信号を内部に挿入している。 ２．各素子分離出力はパワー分割器ＧＰＳ_I....ＧＰＳ_NによってＭ回（ここで Ｍは形成すべき独立したビームの総数である）パワー分割される。システムユー ザーの能力はＭに直接依存して決まる。衛星ごとに形成できる独立した重ならな いビームの最大数は搭載素子の数、すなわち当該ケースの場合では６０〜８０に ほぼ等しい。ここではＭ、従ってシステム容量はシステムが地上における変更だ けで、例えば衛星に影響を与えることなく数年間機能した後でも拡張できること を強調すべきである。 ３．次に、Ｎ個のパワー分割された信号のＭ個の組はビーム形成器ＧＢ_I...Ｇ Ｂ_Mにより別々に位相制御され、Ｍ個の独立したビームを形成し、各ビームは個 々の素子のＧ／ＴのＮ倍までのＧ／Ｔを有する。例えば各地球カバー素子のＧ／ Ｔが−１０ｄＢ／°Ｋの大きさであると、Ｍ個の形成された各々に対しＧ／Ｔが ＋８〜＋９ｄＢ／°Ｋの大きさとなることを意味している。このようにＧ／Ｔが 大きいことがこのシステムの高性能に責任があることを意味している。各地上の ビーム形成器ＧＢ_I....ＧＢ_Mからの信号はそれぞれの復調器ＧＤＭ_I...ＧＤＭ_K へ送られ、次に地域インターフェースヘ送られる。ユーザーに送信するための入 力データおよび衛星コマンド（フェーズドアレイの前方層ＦＬにおける素子のた めの素子の重みを含む）はアウトバウンド変調器ＧＯＢ_I....ＧＯＢ_Lおよび衛星 コマンド変調器ＧＳＣＭへ送られる。これら変調器の出力は周波数で多重化され 、ハイパワーアンプＧＨＰＡおよびダイプレクサＧＤＰを介してアンテナＧＳＡ へ送られ、衛星へ送信される。 ４．確立されたフレームワーク内では衛星当たりの固定された数のビーム形成 器、地上ビーム成形における素子のソフトウェアで制御される位相制御／重みづ けがかなりのフレキシビリティと適応性を与える。まず、各ビームの最小ビーム 幅はアレイ全体の寸法によって制限されているが、地上における電子的ビーム成 形は常時ビームをデフォーカスし、Ｇ／Ｔを低下することを代償に、より少ない ビームでより広いカバーをすることができる。このことはユーザーがより疎に分 散しており、運用環境により、より低いビーム形成されたＧ／Ｔ（例えばマルチ パスロスが少なくなるよう、障害が少なかったり、またはユーザーが大きいＥＩ ＲＰを有する場合）を使用できるような高緯度カバー範囲または所定の海洋で用 いる場合には意義がある。別の重要な検討事項はニーズおよび／または技術に基 づき、地上における電子的ビーム形成をアップグレードに適応化させることであ る。例えば非システム送信機によって予想されないような干渉が生じるような状 況が起き得る。この場合、地上のビーム成形プロセスにゼロ化工程を導入しても よい。 以上で、本発明の好ましい実施例を示し、説明したが、当業者には種々の適応 化およびその他の実施例が容易に明らかとなろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．地球から見て同期した軌道にあり、地球に対し０よりも大きい所定の角度 で傾斜した１つ以上の衛星を含み、各衛星がマルチ素子のフェーズドアレイアン テナおよび地球表面に空間的に弁別されたスポット放射ビームを照射するよう、 前記マルチ素子フェーズドアレイアンテナに選択的に接続された送信回路および 受信回路と、ステアリング可能な宇宙／地上アンテナと、このアンテナに接続さ れた送受信回路とを有し、 少なくとも１つのゲートウェイ地上ターミナルを含み、このゲートウェイ地上 ターミナルが、 衛星の送信信号を所望のユーザー位置へ向けるよう、前記フェーズドアレイア ンテナのアップリンク位相制御を含む、すべての衛星コマンドおよび制御を実行 するための手段と、 レンジとドップラー効果による追跡の組み合わせにより移動中の衛星を追跡す る手段と、 衛星の動きに従い前記宇宙／地上アンテナをステアリングする手段と、 ユーザーのインバウンド送信に関連したすべての地上におけるビーム成形を実 行する手段と、 すべてのユーザーの信号の変調および復調を実行する手段と、 必要な地上インターフェースに外部セルラーおよび地域ネットワークを提供す るための手段と、 前記フェーズドアレイアンテナの前記選択された素子を介して一方向および二 方向通信をするための、地球をベースとする複数の小パワートランシーバ手段と を有する衛星通信システム。 ２．前記所定の角度が約２８．５度である、請求項１記載の衛星通信システム 。 ３．衛星群が設けられており、前記衛星群内の衛星の数は６個またはそれ以下 である、請求項１または２記載の衛星通信システム。 ４．地球から見て同期した軌道にあり、地球に対し０よりも大きい所定の角度 で傾斜した１つ以上の衛星を含み、各衛星がマルチ素子のフェーズドアレイアン テナおよび地球表面に空間的に弁別されたスポット放射ビームを照射するよう、 前記マルチ素子フェーズドアレイアンテナに選択的に接続された送信回路および 受信回路と、ステアリング可能な宇宙／地上アンテナと、このアンテナに接続さ れた送受信回路とを有し、 衛星の送信信号を所望のユーザー位置へ向けるよう、前記フェーズドアレイア ンテナのアップリンク位相制御を含む、すべての衛星コマンドおよび制御を実行 し、 レンジとドップラー効果による追跡の組み合わせにより移動中の衛星を追跡し 、 衛星の動きに従い前記宇宙／地上アンテナをステアリンクし、 ユーザーのインバウンド送信に関連したすべての地上におけるビーム成形を実 行し、 すべてのユーザーの信号の変調および復調を実行し、 必要な地上インターフェースに外部セルラーおよび地域ネットワークを提供す るための、少なくとも１つのゲートウェイ地上ターミナルと、 前記フェーズドアレイアンテナの前記選択された素子を介して一方向および二 方向通信をするための、複数の地球をベースとする小パワートランシーバ手段と を有する衛星通信システム。 ５．約２８．５度に傾斜した、地上から見て同期した衛星群を提供することを 含み、各衛星が空間的弁別を行い、高利得を得るように地球の表面にスポットビ ームを照射するためのマルチ素子フェーズドアレイアンテナと、少なくとも１つ のシンバル状の宇宙／地上アンテナ手段と、このアンテナ手段のための受信機お よび送信回路を有し、更に少なくとも３つのゲートウェイ地上ターミナルを提供 することを含み、前記各ゲートウェイ地上ターミナルが、 衛星の送信信号を所望のユーザー位置へ向けるよう、前記フェーズドアレイア ンテナのアップリンク位相制御を含む、すべての衛星コマンドおよび制御を実行 するための手段と、 レンジとドップラー効果による追跡の組み合わせにより移動中の衛星を追跡す る手段と、 衛星の動きに従い前記宇宙／地上アンテナをステアリングする手段と、 ユーザーのインバウンド送信に関連したすべての地上におけるビーム成形を実 行する手段と、 すべてのユーザーの信号の変調および復調を実行する手段と、 必要な地上インターフェースに外部セルラーおよび地域ネットワークを提供す るための手段と、 前記フェーズドアレイアンテナの前記選択された素子を介して一方向および二 方向通信をするための、地球をベースとする複数の低パワートランシーバ手段を 提供する手段とを有する衛星通信方法。 ６．多数の、地球をベースとするサイトからデータを収集し、収集したデータ を中央サイトヘ向けるためのデータ収集システムであって、 マルチ素子フェーズドアレイアンテナと、高品質のスポットビームを同時に多 数発生するよう、前記マルチ素子フェーズドアレイアンテナに選択的に接続され る送信回路および受信回路と、ステアリング可能な宇宙対地上アンテナ手段と、 前記フェーズドアレイアンテナから収集したデータを受信し、かつ送信するよう 、アンテナ手段に接続された送信／受信回路とを有する、地球から見て同期した 軌道内にある衛星と、 前記地球をベースとするサイトの各々に１つずつ設けられた、複数の地球をベ ースとするフィールドユーザーリモートデータソースターミナルとを含み、前記 各地球をベースとするフィールドユーザーリモートデータソースターミナルが前 記データを収集し、収集したデータを前記フィールドユーザーアンテナ内の選択 された素子へ送信するための手段を有し、 更に、前記衛星から前記収集したデータを受信し、かつ前記衛星にアンテナ制 御信号を送信し、地球の所定のエリアに対し前記フェーズドアレイアンテナをダ イナミックに構成するよう、前記ステアリング可能な宇宙／地上アンテナを介し て前記衛星と通信するための少なくとも１つのゲートウェイ地上ターミナルとを 含むデータ収集システム。 ７．前記複数のフィールドユーザーリモートデータソースターミナルが次のデ ータ収集サービス、すなわち １）メータの読み取り、 ２）リモート移動追跡、 ３）科学的データ収集、 ４）捜索および救助、 ５）航空機交通調査 のうちの１つ以上を実行するようになっている、請求項６記載のデータ収集シス テム。 ８．地球から見て同期した軌道内にあり、地球に対して０度よりも大きい所定 の角度で傾斜した前記衛星群が設けられた、請求項６記載のデータ収集システム 。 ９．前記所定の角度が、約２８．５度である、請求項８記載のデータ収集シス テム。 １０．前記衛星群内の衛星の数が６個またはそれ以下である、請求項９記載の データ収集システム。