JPH11511613A

JPH11511613A - 光衛星フィーダリンク

Info

Publication number: JPH11511613A
Application number: JP9510439A
Authority: JP
Inventors: デント，ポール，ダブリュ．; ハッサン，アメル，エイ．
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 1999-10-05
Also published as: EP0847635B1; CA2230830A1; AU6856196A; DE69632053D1; CN1108036C; KR19990044319A; EP0847635A1; US5652750A; WO1997008855A1; AU718279B2; CN1200211A

Abstract

(57)【要約】セルラー通信衛星システムが開示され、それは複数の地上ベース基地局、移動局、および基地局と移動局との間で信号を中継する少なくとも一つの軌道衛星を含んでいる。地上局から衛星へ信号および電力を送信するために、基地局と衛星との間で複数のフィーダリンクが使用される。

Description

【発明の詳細な説明】光衛星フィーダリンク発明の分野本発明は衛星と地上局との間の光フィーダリンクを使用して電力および情報信号を供給する衛星通信システムに関する。開示の背景セルラー通信システムは固定地上ベース局もしくは軌道衛星もしくは両者の組合せにより対処されるいくつかのローミング車載もしくはハンドヘルド電話機を含むことができる。多数の加入者に対処するこのようなシステムの容量は無線スペクトルのどれだけがサービスに分配されるかまたどれだけ効率的に無線スペクトルが使用されるかによって決まる。スペクトル利用効率はメガヘルツ当たり平方キロメートル当たり同時通話（アーラン）の単位で測定される。一般的に帯域幅を狭くすると通話間の空間的分離を大きくすることが必要となって容量の利得が取り消されるため、一般的には、同じ帯域幅内により多くの通話を詰め込もうとするよりも利用可能な帯域幅を何度も再利用する方法を見つけるほうがよりスペクトル効率を改善することができる。したがって、一般的には、より接近した周波数再利用を行えるように各通話に使用する帯域幅を大きくするのが良い。容量を増加する一つの方法はフェーズドアレイ通信衛星を使用して地上局から複数の移動局へ信号を中継することである。地上制御軌道フェーズドアレイシステムが米国特許出願第０８／１７９，９５３号および米国特許出願第０８／１７９，９４７号に開示されており、両方共ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する。分散デマルチプレクシングを行うコヒーレントな時間多重フィーダリンクを使用して展開可能なフェーズドアレイへのケーブリングを低減する従来技術は開示されていない。いくつかの従来技術のシステムでは、独立した同軸ケーブルや導波路によりアレイの各素子が中央に配置されたトランスポンダに接続されている。この配置はアンテナ素子すなわち生成すべきビーム数が少ない、例えば、６，１９，もしくは３７である、従来技術のシステムにとって適切ではあるが、本発明で考えられる素子すなわちビーム数に対しては実際的ではない。本発明の一実施例では、おびただしい数のフィーダケーブルを削除してシステムの重量が著しく低減される。従来の衛星通信システムのもう一つの問題は、通信の目的に利用できる衛星の電力量が制限されることである。この問題と戦うために、従来の通信衛星は太陽光をエネルギへ変換するソーラパネルを利用している。しかしながら、ソーラパネルから供給される電力はしばしば不十分である。したがって、衛星へ付加電力を供給する方法に対するニーズがある。開示の要約地上ベース基地局と衛星間のフィーダリンクを使用して衛星へ情報および電力を供給する通信システムを提供することが本発明の目的である。さらに、衛星と高いデータレートで通信を行う実用的なシステムおよび衛星に給電する低廉な技術を提供することが本発明の目的である。本発明の一実施例に従って、セルラー通信システムは複数の地上ベース基地局、複数の移動局および基地局と移動局との間で情報信号を中継する少なくとも一つの軌道衛星により構成される。地上局から衛星へ情報信号および電力を送信するために、基地局と衛星との間に複数のフィーダリンクが設けられる。本発明のもう一つの実施例に従って、セルラー通信システム内のフィーダリンクを介して地上ベース基地局から軌道衛星へ情報を送信する方法が開示される。少なくとも一つの移動局への情報信号は、衛星に形成されたフェーズドアレイ素子の駆動信号を形成するように処理される。次に、駆動信号が多重化される。最後に、時間多重化された信号は衛星へ向けられるレーザビームフィーダリンク上へ振幅もしくは周波数偏移変調される。図面の簡単な説明当業者ならば、図面と一緒に、以下の説明を読めば本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は容易にお判りになるものと思われ、ここに、図１（ａ）−図１（ｂ）は本発明に従った衛星の一般的構造を示し、図２は本発明の一実施例に従った周波数デュプレクスを使用する送受信用アクティブアンテナ素子を示し、図３は本発明の一実施例に従ったコヒーレント時間多重フィーダリンクを示し、図４は本発明に従った受信デマルチプレクサの第１段を示し、図５は本発明に従った受信デマルチプレクサの第２段を示し、図６は直交変調を示し、図７は本発明に従った受信処理素子を示し、図８は本発明のもう一つの実施例に従った受信処理素子を示し、図９は本発明の一実施例に従った受信処理およびＫバンド送信多重化素子を示し、図１０は本発明の一実施例に従った衛星通信システムを示し、図１１は本発明の一実施例に従った望遠アーキテクチュアを示し、図１２は本発明の一実施例に従ったもう一つの望遠アーキテクチュアを示す。開示の詳細な説明図１（ａ）に本発明に従った衛星の一般的な構造を示す。図１（ａ）に示す衛星１０は複数のアンテナアレイパネル３０およびソーラパネル２０を有し、それらは打上げ時コンフィギュレーションに折り畳まれて打上げの調整をする打上げ車の下に収納するのにより適したおおむね円筒状とされている。衛星はアポジブーストモータ５０等の通常のサブシステムおよびバッテリおよび電力調整システム、姿勢センサ付きリアクションホイール姿勢制御システム、ホイールの運動量を周期的に減衰させる磁気トルクシステム、ヒートパイプ熱制御システム、テレメトリ、追跡および制御システム、および従来技術で周知の関連する通信ペイロード電子装置等の図１に図示されていない他のサブシステムを含むこともできる。アンテナパネルおよびソーラパネルが軌道内に展開された後の通常のコンフィギュレーションの衛星を図１（ｂ）に示す。Ｋバンドフィーダリンクアンテナ４０は地球を指すように配置され使用済みアポジブーストモータ（ｓｐｅｎｔａｐｏｇｅｅｂｏｏｓｔｍｏｔｏｒ）は地球を指さないように配置される。各アンテナパネルは多数のアンテナ素子を含み、アクティブ素子を形成するアクティブフェーズドアレイモジュールを付随している。アクティブ素子は送信専用素子、受信専用素子もしくは時間デュプレクスや周波数デュプレクスを使用する送受信素子とすることができる。後者の場合、デュプレクスフィルタにより同時送受信を行うことができる。本発明の一実施例に従った周波数デュプレクスコンフィギュレーションを図２に示す。パッチアンテナ１００が導電グランドプレーン１０１上に配置されてアレイ素子を形成している。グランドプレーン１０１は、例えば、反対側に部品を搭載した印刷回路板とすることができる。パッチアンテナ１００は中心から９０ °オフセットされた２点において給電されて交差直線偏波を形成する。交差直線偏波は９０°、３ｄＢ結合器１０２をを使用してＲＨＣおよびＬＨＣ円偏波へ変換される。一方の偏波は送信電力増幅器１０６をフィルタ１０５を介して結合器１０２の一入力に接続することにより送信に使用され、他方の結合器ポートはそれをフィルタ１０３を介してれを低ノイズ増幅器１０４に接続することにより受信に使用される。送信および受信に反対の偏波を使用することにより、１ワットｒｍｓで送信していることがある電力増幅器１０５と、１０^-6ワットで受信していることがある低ノイズ増幅器１０４との間に恐らくは２０ｄＢの分離が与えられる。電力レベルがこのように非常に相違するため、結合器から与えられる２０ｄＢの分離を越える分離が必要となる。フィルタ１０５は電力増幅器１０６により増幅される受信周波数における潜在的な干渉成分および広帯域ノイズを阻止する。しかしながら、フィルタ１０５は希望送信周波数をフィルタ１０３へ通し、それは、希望受信周波数を通しながら、強すぎて飽和することもある低ノイズ増幅器１０４に達する残留送信周波数エネルギを阻止する。送受信周波数間隔（デュプレクス間隔）が十分であるため、結合器１０２だけでなくこのようなフィルタは、電力増幅器１０６および低ノイズ増幅器素子１０４も搭載されている印刷回路板１０１上に低廉に印刷することができる。各パッチアンテナ１００には必ずしも関連する電力増幅器や低ノイズ増幅器が無い場合もある。いくつかのパッチアンテナがまずそれらの信号接続を結合して“サブアレイ”を形成し、それからそのサブアレイのパネル増幅器および低ノイズ増幅器に接続されることもある。このようなサブアレイの設計目的は、その個別の素子を結合して形成される合成放射パターンが通信を提供すべき全領域をカバーしなければならないことである。放射パターンが幅広すぎると、サブアレイ数したがって関連する電力増幅器および低ノイズ増幅器数が不要に大きくなり、また各々がＫバンドフィーダリンクを介して地上局から信号を受信しなければならないため、使用するフィーダリンク帯域幅の量が必要以上に大きくなる。一方、サブアレイが狭すぎると、カバレッジ領域のエッジにおいて利得の損失が生じる。カバレッジ利得は、例えば、地平線から２０°以上で衛星を瞬時に見ることができる地球のエリアと見なすことができる。カバレッジのエッジにおける利得のこのような損失は各素子の放射パターンを、地上移動局（ｅａｒｔｈ−ｂｏｕｎｄｍｏｂｉｌｅｓｔａｔｉｏｎｓ）が最大傾斜範囲となるカバレッジのエッジにおいて大きい利得を与え、衛星が直接頭上にあって移動局への傾斜範囲が最小となるカバレッジの中間において小さい利得を与えるような形状とすることにより最小限に抑えることができる。地上のカバレッジよりもビーム幅の幾分広いサブアレイを慎重に使用し、かつ希望ビームを形成するのにより多くのサブアレイを使用することによりカバレッジのエッジにおける利得を改善することもできる。それにはＫバンド帯域幅を広くする必要があり、できれば２倍とするのが有利である。次に、ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する米国特許出願第０８／１７９，９４７号の他の発明的特徴を利用して、効率的なＣ級電力増幅器を多数の信号の送信に使用し、発生される干渉相互変調成分を地球を遮らない方向へ消散させることができる。図３はＫバンドフィーダリンクに使用される時間多重フォーマットを示す。衛星送信方向に対して、地上局信号処理装置は各送信アレイ素子に対する複素（Ｉ＋ｊＱ）信号を計算し、それは複数の移動局へ向けられる信号の重みづけされた和からなる複素信号を表す。各素子の合成信号は、対応する衛星アレイ素子からそれらを送信する結合効果により、各移動局向けの各信号が希望方向へ送信されるように計算される。デジタル信号処理装置によりこれらの信号を発生する行列数学演算が、ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する米国特許出願第０８／１７９，９５３号に開示されている。各素子の信号サンプルは逐次素子の実数部を表す時間多重化’Ｉ’信号２０１および連続素子の虚数部を表す時間多重化’Ｑ’信号へ時間多重化される。周知の校正サンプル２００を多重フォーマットに含めて受信デマルチプレクサにおける同期化および周波数修正を支援することができる。Ｉ多重化信号はＫバンド搬送波余弦成分上へ変調され、Ｑ多重化信号は正弦搬送波上へ変調される。これは直交変調器により周知の方法で実施することができる。所望により、この変調は最初に低中間周波数搬送波に対して行い次にそれをＫバンドへ変換することができる。本発明の一実施例に従った衛星における受信デマルチプレクサを図４に示す。地上局から信号がＫバンドアンテナ４０を使用してＫバンドで受信される。受信信号は増幅され、濾波され周知のスーパヘテロダイン受信機４１原理を使用してダウン変換され、最後に直交復調器を使用して複素Ｉ，Ｑベースバンドへ変換されてＩおよびＱ多重化波形が得られる。これらの波形はＩデマルチプレクサ４３およびＱデマルチプレクサ４４によりサンプルされて、さまざまなアレイパネルへ向けて波形サンプルを分離する。それを容易にするために、下記のような多重化順序とされる。校正サンプル０パネル０の素子０用サンプルパネル１の素子０用サンプルパネル２の素子０用サンプルパネル３の素子０用サンプルパネル４の素子０用サンプル．．．．．．校正サンプル１パネル０の素子１用サンプルパネル１の素子１用サンプルパネル２の素子１用サンプルパネル３の素子１用サンプルパネル４の素子１用サンプル．．．．．．したがって、デマルチプレクサは校正サンプル０を第１の出力上へ、パネル０の素子０用サンプルを第２の出力上へ、パネル１の素子０用サンプルを第３の出力上へ、以下同様に分離し、次に校正サンプル１を再度前記第１の出力上へ、パネル０の素子１用サンプルを前記第２の出力上へ、以下同様に分離し戻す。したがって、出力１から連続校正サンプル0,1,2,...0,1,2..のストリームが発生されて同期化および周波数修正装置４５へ送られ、出力２からはパネル０の連続素子0, 1,2.．に対するサンプルのストリームが発生される。出力３からは、パネル１の連続素子0,1,2,... に対するサンプルのストリームが発生され、以下同様である。同期化および周波数修正装置４５は事前に周知の一連の校正サンプルを予期するようにプログラムされており、校正サンプルの予期されたストリームが受信されるまでデマルチプレクサ４３，４４を同期化させるためにクロク発生器４２のタイミングを制御する。一例として、衛星は３１の展開可能なフェーズドアレイパネルを有し、３２の全多重サイクル内に一つの校正サンプルが分散されているものとする。３２の数は好ましくは２の累乗であり、それは、信号対が１組の第１段マルチプレクサにより多重化され、信号対がさらに１組の第２段の高速マルチプレクサにより多重化され、以下同様とされるバイポーラトランジスタスイッチの２進ツリーとして非常に高速のマルチプレクサやデマルチプレクサを容易に構成できるためである。３２のサイクル当たり３１のサンプルの各々が特定のパネルへ向けられ、さらにパネルの各素子へ向けられるマルチプレクスサンプルもしくはサブマルチプレクスサンプルを含むことができる。例えば、パネル当たり１６素子があり３１パネルがある。その結果、アレイ内の素子の総数は３１ｘ１６＝４９６となる。アレイ内の素子の総数は、多重化の第１段で多重化される校正サンプルおよびパネル数を変えるか、あるいはパネル当たりの素子数を変えることにより変化させることができる。後者の場合には、任意数の入力を有する低速サブマルチプレクサを構成する方が容易であるため、２の累乗の多重サイクルを有することは重要ではない。各素子がおよそ１ＭＨｚの帯域幅の合成信号を放射するものとすると、ナイキストサンプリング定理を満たすのに必要な毎秒素子当たり複素サンプル数は１００万サンプルとなる。Ｋバンドリンクを介した毎秒総サンプル数は５億１２００万となり、１６００万サンプル／秒の３２のサブマルチプレクスストリームを含み、その３１の１６００万サンプル／秒ストリームは各アレイパネル用であり１つの１６００万サンプル／秒ストリームは校正サンプルにより構成されている。１６メガサンプル／秒校正ストリームは＋１，−１もしくは０等の周知の信号レベルにより構成することができ、所望により、ＩおよびＱストリーム上に１６メガビット符号を形成することができる。これは衛星に対してハウスキーピング情報もしくはコマンドを送受信するだけでなく、同期を得て維持するのに十分すぎる情報である。ＩサンプルおよびＱサンプルにより構成される校正サンプルは一緒に複素サンプルを形成する。１＋ｊＱの送信複素サンプルはＡ・ｃｏｓ（θ）＋ｊＡ・ｓｉｎ（θ）として受信することができ、Ａは伝搬経路を介して減衰され受信機内で増幅された後の受信振幅であり、θは経路上で導入される移相である。同期化および周波数修正装置４５はこのようなＩおよびＱ校正サンプルの二乗和を計算してＡ²を得ることができ、受信機４１およびデマルチプレクサ４３，４４からの出力校正サンプルが所望の振幅となるまで、それを使用して受信機４１の利得を調整することができる。それにより、アレイ信号サンプルも所望の大きさとなることが保証される。アレイ信号の相対位相しか重要ではないため、絶対移相θはどうでもよい。しかしながら、θの変化率は周波数誤差を表し、同期化および周波数修正装置４５は同種の連続ＩおよびＱ校正サンプルとＩ（ｉ−１），Ｑ（ｉ−１）およびＩ（ｉ），Ｑ（ｉ）を次式を使用して結合させて位相変化率を計算することができる。この式により、同種の連続校正サンプル間でどれだけ位相が回転したかという尺度、したがって周波数誤差の尺度が得られる。それは周波数誤差が許容限界内となるまでＫバンド受信機４１で使用される局部発振器を修正するのに使用することができる。前例では１６００万にも及ぶ計算可能な周波数誤差のサンプル数／秒は、高速で正確な自動周波数制御帰還ループを構成できることを保証するのに十分すぎるものである。絶対位相θの素子も自動周波数制御帰還内に含めて、周波数同期ループだけでなく位相同期ループを形成することができる。それはＱサンプルＡ・ｓｉｎ（θ）の素子を制御されてゼロとなる帰還ループ内へ加えて、 θを目標値ゼロへ制御して行うことができる。同期化装置４５の制御下で予期された校正サンプルパターンを分離すると、クロック発生器４２は出力クロックパルスおよびフレーミングストローブも発生し、各パネルに対する分離された各信号サンプルと共にアレイパネルへ分配される。特定パネルの各素子においてこのようなクロックおよびストローブがどのように使用されるかを図５に示す。装置４２からのクロック信号はバッファ増幅器３７ａによりバッファされてカウンタ３３を駆動するのに使用される。装置４２からのストローブ信号はバッファ増幅器３７ｂによりバッファされてカウンタをリセットするのに使用される。ストローブ信号は、例えば、校正サンプルがデマルチプレクサ４３，４４により分離されかつアレイ素子が分離されていない時間に対応することができ、ストローブは時間多重フォーマットからのアレイサンプル分離の開始をマークする。カウンタ３３にはサンプルホールド回路３４のためのサンプリングパルスを発生すべきストローブの後のクロックパルス数’Ｎ’がプログラムされている。それにより、問題とするアレイパネルの素子Ｎに対する信号がＩおよびＱ多重ストリームから分離される。バッファ増幅器３８ａ，３８ｂはサンプリングスイッチ３４からのグリッチがＩおよびＱ多重ラインへ帰還されるのを防止して、パネルの全素子に共通するライン上の潜在的干渉を回避する。次に、素子’Ｎ’の分離されたＩおよびＱサンプルは、サブマルチプレクスされたサンプルレート（前例では１メガサンプル／秒）の丁度半分以下の遮断周波数を有するローパスフィルタ３５，３６を使用して、連続変調波形へ変換される。図５に示す回路により生成される連続ＩおよびＱ波形が直交変調器を使用してＬバンド搬送波を直交変調するのにどのように使用されるかを図６に示す。希望するＬバンド中心周波数が局部発振器信号５６により決定され、例えば、印刷回路アレイパネル上のストリップライントラックに沿って全素子へ分配される。局部発振器信号の一部は、やはりパネル上に印刷することができる指向性結合器５５を使用してオフラインサンプル５６される。バッファ増幅器５４においてバッファした後で、ヒルベルトネットワークもしくは移相器５１を使用して信号は９０°位相の異なる成分へ分離される。これらの成分はＩおよびＱ搬送波へＩおよびＱ変調を行うＩおよびＱ平衡変調器をそれぞれ駆動する。次に、変調されたＩおよびＱ搬送波は総和接合５８において和分され電力増幅器１０６を駆動する信号を発生する。任意の位相差が中間段階では（ｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍｔｅｒｍ）固定されかつ安定であり、したがって地上局における基本的ＩおよびＱサンプルの発生中に補償することができるため、さまざまな素子へ分散される局部発振器５６の相対位相を制御するステップをとる必要はない。ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する米国特許出願第０８／１７９，９５３号には、このような要因の不完全な補償により生じるビーム形成誤差を移動端末を使用して求め、このような測定値を戻りリンクにより衛星を介して地上局へ周期的に返送することが開示されている。本発明の一実施例に従った受信信号処理ネットワークの一部を図７に示す。アレイ素子もしくはサブアレイに受信される信号は低ノイズ増幅器１０４により増幅され、次にフィルタ６４において画像阻止（ｉｍａｇｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）した後で、信号はミクサ６４において第１の局部発振器信号６１によりスーパヘテロダインすることによりダウン変換される。その結果得られる信号は印刷回路トラックに沿った全素子へ分配され、各素子は指向性結合器６２およびバッファ増幅器６３を使用して信号の一部をサンプルする。混合されて適切な中間周波数とされている受信信号はバンドパスフィルタ６５を使用して濾波されて、希望する総システム帯域幅（前例では１ＭＨｚ）とされる。次に、濾波信号は中間周波数増幅器６６を使用してさらに増幅され、信号を簡便なレベルへ引き上げる。次に、増幅された中間周波数信号は直交復調器６９を使用して複素（Ｉ，Ｑ）ベースバンドへ直交ダウン変換される。第２の局部発振器が帯域幅の中心周波数を規定し、それはベースバンドへ変換されて全素子へ分配される。図８に示す回路を修正して分散される局部発振器の数を減少し、シリコンチップ内に集積するのに適さない回路部品数を最小限に抑えることができる。例えば、画像除波フィルタ６０を使用する替わりに、スプリット増幅器７４、直交ＶＣＯ７１からの直交局部発振器信号により駆動されるミクサ７２，７３、および中間周波数ヒルベルト結合ネットワーク７０を含む画像除波ミクサ構成７５を使用することができる。第１および第２の局部発振器周波数が、例えば３２：１等の、単純な関係を有するように選択されるならば、分配される局部発振器信号の数を低減することができる。次に、第１の局部発振器周波数は増幅器７６によりバッファされデジタル除算器７７へ送られて３２で除算され、バッファ８０，８１によりオフラインサンプル６７された分配された第２の局部発振器信号と位相比較器７８により比較される。次に、誤差信号がループフィルタ７９を使用して濾波され直交電圧制御発振器７１の電圧制御入力へ加えられ、その周波数および位相を制御する。このような回路も縮小して実施するようにされており、全ブロック７５，７７，７８，８０，８１，８２，６６および６９を含むシングルシリコンチップ内に集積することができる。１０３，６５および７９等の集積不能なフィルタだけがチップの外側に残され、シリコンの僅か数平方ミリメートルしか占有しない。さらに、同じ技術を使用して送信局部発振器信号５６を局部的に生成し、一つの基準周波数だけをアレイパネルに沿って素子へ分配すればよいようにされる。分散されたマルチプレクサ９１，９２および最後に衛星について説明したものと同様な地上局における用途、すなわち、同期化獲得、保守、自動利得制御および自動周波数制御を遂行する校正信号をやはり内蔵する中央マルチプレクサ９３を使用する全パネル信号のスーパマルチプレクシングを使用して、パネルの各素子からの信号を多重化してパネル多重信号を生じるもう一つの受信処理回路を図９に示す。分散されたマルチプレクサ９２，９１は図８の回路を実現しようとする同じシリコンチップ内へ内蔵することができる。受信処理のためのクロックおよびストローブを送信に使用したものと同じにすることができれば、クロックおよびストローブを分配するライン数を最小限に抑えられることは明らかであり、それは好ましい解決策である。本発明の一実施例に従った衛星通信システムを図１０に示す。軌道衛星３００に搭載された通信トランスポンダが一つ以上の中央地上基地局３０２から複数の移動局すなわち端末３０４へ、およびその逆に送られる信号を中継する。地上ベース基地局から衛星へのリンク３０６は、前記したように、衛星に搭載されたフェーズドアレイアンテナ用複素駆動信号の広帯域時間多重を運ぶ。次に、衛星は移動局へ信号を中継するためのビームを形成する。基地局と衛星との間のリンクはフィーダリンクと呼ばれる。本発明の一実施例に従って、フィーダリンクは情報信号だけでなく電力を基地局から衛星へ運ぶ。前記したように、複数の基地局により送信される多数の低電力フィーダリンクを使用して衛星へ電力が運ばれる。基地局のサイトダイバーシティにより、商業空間内の任意の点に危険なほど高いエネルギ密度が現れる可能性が回避される。さらに、サイトダイバシティは悪気象条件による高いマイクロ周波数における信号減衰を克服するのにも役立つ。通常の光源は全方向を放射する。しかしながら、レーザ源からの出力は理想的に均一な平面波に非常に近く、その発散は主として回折効果による。有効放射口径がＤで、波長λで放出されるレーザの角発散は次式で与えられ、 Θ_d＝βλ／Ｄここに、βは効率係数である。望遠鏡式構造を使用して放射口径を増加することにより角発散を低減することができる。既存の技術を使用して実施するのが簡単である典型的な光学設計望遠鏡式アーキテクチュアを図１１に示す。レーザ４００からの光がビームエクスパンダ４０２により拡張され、コリメータ４０４を使用してコリメートされる。光が拡張された後で、ビームは２色ビームスプリッタ４０６を通りビーム径をＤの値へ拡大する望遠鏡式光学系４０８へ入る。実用的な自由空間レーザ通信システムの典型的な値はＤ＝４０ｃｍであり、倍率は１０倍である。送信機と共通遠隔受信開口との間の粗いビームアライメントのために２軸ジンバルミラーが使用される。このようなシステムのもう一つの利点は太陽電池を固定したままとすることができため衛星上の機械的複雑さが低減されることである。次に、高度１０３５５ｋｍの低軌道衛星に対するいくつかの望遠鏡構造ついて説明する。λ＝０．６９４マイクロメータで望遠鏡の直径が１ｍであるルビーレーザを使用すると、衛星におけるレーザビーム径はおよそ１３．５ｍとなる。このようなレーザの平均送信電力はパルスモードで１Ｗであり、所望により１０ＭＷまでのピーク電力を達成することができる。もう一つの例では、Ｎｄ：ＹＡＧＣＷレーザを使用することができ、λ＝１０６４ｎｍである。この場合、既存のレーザの平均電力は２００Ｗである。望遠鏡の直径が１ｍであるため、衛星におけるビーム径は２０．７ｍとなる。図１１に示す望遠レンズ配置ではなく望遠ミラーを使用する別の望遠鏡構造を図１２に示す。この構造では、レーザ４２０は光をビームとして衛星へ反射する曲面鏡４２２へ向けられる。曲面鏡４２２の高さが１ｍであれば、衛星におけるビーム径はおよそ２０ｍに等しくなる。高容量衛星に対しては、本発明の一実施例に従ったレーザ光フィーダリンクを使用することができる。光信号は雲の中を進行する時に著しく減衰してしまうことがある。本発明では、少なくともいくつかが軌道衛星の鮮明な視界を有することを補償するのに十分な多数の間隔のとられたサイトを提供することにより、この問題が回避される。航空機を危険に曝すことなく衛星へ電力を運ぶために、さまざまなサイトから多数の低電力レーザビームが発せられ、これらのビームは衛星の高度においてのみ調和されて他の全ての位置においてエネルギ密度が安全限界以下となるようにされる。さらに、１８，２８８ｍ（６０，０００フィート）を飛行中の航空機の地平線内のレーザサイト数はエアスペース内で潜在的に危険な指向されたエネルギ力となるように調和することはできないように拘束することができる。衛星へ情報を運ぶために、地上ベースビーム形成コンピュータが各ユーザ端末へ向けた情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成する。各駆動信号は複素信号Ｉ＋ｊＱを形成する同相および直交成分を含んでいる。Ｉ，Ｑ信号はＴＤＭフレーム内でＩ₁，Ｑ₁，Ｉ₂，Ｑ₂，．．．のシーケンスで時間多重化され、次にレーザビーム上へ振幅もしくは周波数偏移変調される。例えば、情報を運ぶ一つの方法は次のようである。Ｉチャネルでビット０を送信するために、全レーザのパワーが“オフ”とされる。ビット１を送信するために、レーザがオンとされる。同様に、情報がＱチャネルで送信される。受信機は非コヒーレント検出器である。このような検出器は受信する光子数をカウントし、それが非常に小さければビット０を出力する。通常、システム設計者はしきい値Λ を選択する。αを光子カウントとすると、受信機は次のように作動する。出力＝｛ α≦Λ ならば０ α＞Λ ならば１ここで、Λは誤差の確率を最小限に抑えるように選択することができる。さらに、ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する米国特許出願第０８／２２５，３９９号に開示されているように、Ｉ，Ｑ信号を従来の方式でマイクロ波ビーム上へ変調することができる。下り方向では、フィーダリンクは衛星搭載変調レーザを利用することもできる。高度制御システムにより制御される正確な機構により、中央地上局を指すようにレーザを操縦することができる。少なくとも他の２つのレーザを別の中央局を指すように操縦して気象減衰に対するサイトダイバーシティを提供することができる。さらに、マイクロ波ビームを代わりに使用することができ、スポットビームもしくはグローバルカバレッジビームとすることができる。下りにおいてビーコン信号を使用して、中央地上局を指すようにレーザを操縦することができる。このビーコン信号は、例えば８３０ｎｍの波長の、送信光波長とは異なる光波長で空間獲得および追跡データを中継する。この場合、送信機の２色ビームスプリッタは着信ビーコン信号を１組のビームスプリッタ、および電荷結合デバイス（ＣＣＤ）検出器アレイとホトダイオードに独立して結合される集束レンズへ向ける。ＣＣＤの出力は粗いアライメントの程度を示し、次にジンバルミラーを使用して精密なアライメントの調整が行われる。ホトダイオードは受信機からビーコンデータを発生する。当業者ならば、ここに引用することにより本願明細書の一部として援用する米国特許出願第０８／１７９，９５３号に開示されている材料を使用して、本発明のさまざまな詳細変更を考えられるものと思われる。このような変更は全て請求の範囲に記載された本発明の範囲および精神に含まれるものと見なされる。当業者ならば、本発明の精神やその本質的な特徴を逸脱することなく本発明を他の特定の形式で実施できるであろう。したがって、ここに開示した実施例はあらゆる点において説明用であって制約的な意味合いはない。本発明の範囲は前記説明ではなく添付した請求の範囲によって示され、それと等価的なものの意味および範囲内にはいる変更は全て包含されるものとする。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年８月６日【補正内容】明細書光衛星フィーダリンク発明の分野本発明は衛星と地上局との間の光フィーダリンクを使用して電力および情報信号を供給する衛星通信システムに関する。開示の背景セルラー通信システムは固定地上ベース局もしくは軌道衛星もしくは両者の組合せにより対処されるいくつかのローミング車載もしくはハンドヘルド電話機を含むことができる。多数の加入者に対処するこのようなシステムの容量は無線スペクトルのどれだけがサービスに分配されるかまたどれだけ効率的に無線スペクトルが使用されるかによって決まる。スペクトル利用効率はメガヘルツ当たり平方キロメートル当たり同時通話（アーラン）の単位で測定される。一般的に帯域幅を狭くすると通話間の空間的分離を大きくすることが必要となって容量の利得が取り消されるため、一般的には、同じ帯域幅内により多くの通話を詰め込もうとするよりも利用可能な帯域幅を何度も再利用する方法を見つけるほうがよりスペクトル効率を改善することができる。したがって、一般的には、より接近した周波数再利用を行えるように各通話に使用する帯域幅を大きくするのが良い。容量を増加する一つの方法はフェーズドアレイ通信衛星を使用して地上局から複数の移動局へ信号を中継することである。地上制御軌道フェーズドアレイシステムが米国特許出願第０８／１７９，９５３号および米国特許出願第０８／１７９，９４７号に開示されている。分散デマルチプレクシングを行うコヒーレントな時間多重フィーダリンクを使用して展開可能なフェーズドアレイへのケーブリングを低減する従来技術は開示されていない。いくつかの従来技術のシステムでは、独立した同軸ケーブルや導波路によりアレイの各素子が中央に配置されたトランスポンダに接続されている。一方、サブアレイが狭すぎると、カバレッジ領域のエッジにおいて利得の損失が生じる。カバレッジ利得は、例えば、地平線から２０°以上で衛星を瞬時に見ることができる地球のエリアと見なすことができる。カバレッジのエッジにおける利得のこのような損失は各素子の放射パターンを、地上移動局（ｅａｒｔｈ−ｂｏｕｎｄｍｏｂｉｌｅｓｔａｔｉｏｎｓ）が最大傾斜範囲となるカバレッジのエッジにおいて大きい利得を与え、衛星が直接頭上にあって移動局への傾斜範囲が最小となるカバレッジの中間において小さい利得を与えるような形状とすることにより最小限に抑えることができる。地上のカバレッジよりもビーム幅の幾分広いサブアレイを慎重に使用し、かつ希望ビームを形成するのにより多くのサブアレイを使用することによりカバレッジのエッジにおける利得を改善することもできる。それにはＫバンド帯域幅を広くする必要があり、できれば２倍とするのが有利である。次に、米国特許出願第０８／１７９，９４７号の他の発明的特徴を利用して、効率的なＣ級電力増幅器を多数の信号の送信に使用し、発生される干渉相互変調成分を地球を遮らない方向へ消散させることができる。図３はＫバンドフィーダリンクに使用される時間多重フォーマットを示す。衛星送信方向に対して、地上局信号処理装置は各送信アレイ素子に対する複素（Ｉ＋ｊＱ）信号を計算し、それは複数の移動局へ向けられる信号の重みづけされた和からなる複素信号を表す。各素子の合成信号は、対応する衛星アレイ素子からそれらを送信する結合効果により、各移動局向けの各信号が希望方向へ送信されるように計算される。デジタル信号処理装置によりこれらの信号を発生する行列数学演算が、米国特許出願第０８／１７９，９５３号に開示されている。各素子の信号サンプルは逐次素子の実数部を表す時間多重化’Ｉ’信号２０１および連続素子の虚数部を表す時間多重化’Ｑ’信号へ時間多重化される。次に、素子’Ｎ’の分離されたＩおよびＱサンプルは、サブマルチプレクスされたサンプルレート（前例では１メガサンプル／秒）の丁度半分以下の遮断周波数を有するローパスフィルタ３５，３６を使用して、連続変調波形へ変換される。図５に示す回路により生成される連続ＩおよびＱ波形が直交変調器を使用してＬバンド搬送波を直交変調するのにどのように使用されるかを図６に示す。希望するＬバンド中心周波数が局部発振器信号５６により決定され、例えば、印刷回路アレイパネル上のストリップライントラックに沿って全素子へ分配される。局部発振器信号の一部は、やはりパネル上に印刷することができる指向性結合器５５を使用してオフラインサンプル５６される。バッファ増幅器５４においてバッファした後で、ヒルベルトネットワークもしくは移相器５１を使用して信号は９０°位相の異なる成分へ分離される。これらの成分はＩおよびＱ搬送波へＩおよびＱ変調を行うＩおよびＱ平衡変調器をそれぞれ駆動する。次に、変調されたＩおよびＱ搬送波は総和接合５８において和分され電力増幅器１０６を駆動する信号を発生する。任意の位相差が中間段階では（ｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍｔｅｒｍ）固定されかつ安定であり、したがって地上局における基本的ＩおよびＱサンプルの発生中に補償することができるため、さまざまな素子へ分散される局部発振器５６の相対位相を制御するステップをとる必要はない。米国特許出願第０８／１７９，９５３号には、このような要因の不完全な補償により生じるビーム形成誤差を移動端末を使用して求め、このような測定値を戻りリンクにより衛星を介して地上局へ周期的に返送することが開示されている。本発明の一実施例に従った受信信号処理ネットワークの一部を図７に示す。アレイ素子もしくはサブアレイに受信される信号は低ノイズ増幅器１０４により増幅され、次にフィルタ６４において画像阻止（ｉｍａｇｅｒｅｇｅｃｔｉｏｎ）した後で、信号はミクサ６４において第１の局部発振器信号６１によりスーパヘテロダインすることによりダウン変換される。その結果得られる信号は印刷回路トラックに沿った全素子へ分配され、各素子は指向性結合器６２およびバッファ増幅器６３を使用して信号の一部をサンプルする。曲面鏡４２２の高さが１ｍであれば、衛星におけるビーム径はおよそ２０ｍに等しくなる。高容量衛星に対しては、本発明の一実施例に従ったレーザ光フィーダリンクを使用することができる。光信号は雲の中を進行する時に著しく減衰してしまうことがある。本発明では、少なくともいくつかが軌道衛星の鮮明な視界を有することを補償するのに十分な多数の間隔のとられたサイトを提供することにより、この問題が回避される。航空機を危険に曝すことなく衛星へ電力を運ぶために、さまざまなサイトから多数の低電力レーザビームが発せられ、これらのビームは衛星の高度においてのみ調和されて他の全ての位置においてエネルギ密度が安全限界以下となるようにされる。さらに、１８，２８８ｍ（６０，０００フィート）を飛行中の航空機の地平線内のレーザサイト数はエアスペース内で潜在的に危険な指向されたエネルギ力となるように調和することはできないように拘束することができる。衛星へ情報を運ぶために、地上ベースビーム形成コンピュータが各ユーザ端末へ向けた情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成する。各駆動信号は複素信号Ｉ＋ｊＱを形成する同相および直交成分を含んでいる。Ｉ，Ｑ信号はＴＤＭフレーム内でＩ₁，Ｑ₁，Ｉ₂，Ｑ₂，．．．のシーケンスで時間多重化され、次にレーザビーム上へ振幅もしくは周波数偏移変調される。例えば、情報を運ぶ一つの方法は次のようである。Ｉチャネルでビット０を送信するために、全レーザのパワーが“オフ”とされる。ビット１を送信するために、レーザがオンとされる。同様に、情報がＱチャネルで送信される。受信機は非コヒーレント検出器である。このような検出器は受信する光子数をカウントし、それが非常に小さければビット０を出力する。通常、システム設計者はしきい値Λ を選択する。αを光子カウントとすると、受信機は次のように作動する。ここで、Λは誤差の確率を最小限に抑えるように選択することができる。さらに、米国特許出願第０８／２２５，３９９号に開示されているように、Ｉ，Ｑ信号を従来の方式でマイクロ波ビーム上へ変調することができる。下り方向では、フィーダリンクは衛星搭載変調レーザを利用することもできる。高度制御システムにより制御される正確な機構により、中央地上局を指すようにレーザを操縦することができる。少なくとも他の２つのレーザを別の中央局を指すように操縦して気象減衰に対するサイトダイバーシティを提供することができる。さらに、マイクロ波ビームを代わりに使用することができ、スポットビームもしくはグローバルカバレッジビームとすることができる。下りにおいてビーコン信号を使用して、中央地上局を指すようにレーザを操縦することができる。このビーコン信号は、例えば８３０ｎｍの波長の、送信光波長とは異なる光波長で空間獲得および追跡データを中継する。この場合、送信機の２色ビームスプリッタは着信ビーコン信号を１組のビームスプリッタ、および電荷結合デバイス（ＣＣＤ）検出器アレイとホトダイオードに独立して結合される集束レンズへ向ける。ＣＣＤの出力は粗いアライメントの程度を示し、次にジンバルミラーを使用して精密なアライメントの調整が行われる。ホトダイオードは受信機からビーコンデータを発生する。当業者ならば、米国特許出願第０８／１７９，９５３号に開示されている材料を使用して、本発明のさまざまな詳細変更を考えられるものと思われる。このような変更は全て請求の範囲に記載された本発明の範囲および精神に含まれるものと見なされる。２．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記フィーダリンク（３０６）は光フィーダリンクであるセルラー通信システム。３．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記フィーダリンク（３０６）はレーザビームであるセルラー通信システム。４．請求項３記載のセルラー通信システムであって、前記レーザビームは低電力レーザビームであるセルラー通信システム。５．請求項３記載のセルラー通信システムであって、複数のレーザビームが衛星（３００）の高度で調和されるセルラー通信システム。６．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記地上ベース基地局（３０２）は分散されているセルラー通信システム。７．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星（３００）は中央地上ベース基地局への下りフィーダリンクに操縦可能なレーザを使用するセルラー通信システム。８．請求項７記載のセルラー通信システムであって、前記衛星（３００）はさらに代わりの地上ベース基地局への下りフィーダリンクに複数の付加レーザを使用するセルラー通信システム。９．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星（３００）はマイクロ波ビームを使用して中央地上ベース基地局への下りフィーダリンクを形成するセルラー通信システム。 10．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星（３００）は複数のマイクロ波ビームを使用して前記複数の地上ベース基地局（３０２）への下りフィーダリンクを形成するセルラー通信システム。 11．少なくとも一つの移動局への情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成し、前記駆動信号を時間多重化し、前記衛星へ送信されるレーザビームフィーダリンク信号上へ前記時間多重化された信号を振幅もしくは周波数偏移変調することにより、セルラー通信システムにおけるフィーダリンクを介して地上ベース基地局から軌道衛星へ情報を送信する方法であって、前記衛星において受信される前記フィーダリンク信号を復調して前記時間多重化駆動信号を再構成し、複数の分散されたデマルチプレクシング回路を使用して前記衛星において前記駆動信号をデマルチプレクシングする、ことを特徴とする、情報送信方法。 12．少なくとも一つの移動局への情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成し、前記駆動信号を時間多重化し、前記衛星へ送信されるマイクロ波フィーダリンク信号上へ前記時間多重化された信号を変調することにより、セルラー通信システムにおいて地上ベース基地局から軌道衛星へ情報を送信する方法であって、前記衛星において受信される前記フィーダリンク信号を復調して前記時間多重化駆動信号を再構成し、複数の分散されたデマルチプレクシング回路を使用して前記衛星において前記駆動信号をデマルチプレクシングする、ことを特徴とする、情報送信方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．複数の地上ベース基地局と、複数の移動局と、前記基地局と前記移動局との間で情報信号を中継する少なくとも一つの軌道衛星と、前記情報信号および電力を地上局から前記衛星へ送信する前記基地局と前記衛星との間の複数のフィーダリンクと、を含む、セルラー通信システム。２．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記フィーダリンクは光フィーダリンクであるセルラー通信システム。３．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記フィーダリンクはレーザビームであるセルラー通信システム。４．請求項３記載のセルラー通信システムであって、前記レーザビームは低電力レーザビームであるセルラー通信システム。５．請求項３記載のセルラー通信システムであって、複数のレーザビームが衛星の高度で調和されるセルラー通信システム。６．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記基地局は分散されているセルラー通信システム。７．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記フィーダリンクはマイクロ波ビームであるセルラー通信システム。８．セルラー通信システムにおいてフィーダリンクにより地上ベース基地局から軌道衛星へ情報を送信する方法であって、少なくとも一つの移動局への情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成するステップと、前記駆動信号を時間多重化するステップと、前記衛星へ向けられるレーザビームフィーダリンク上へ前記時間多重化された信号を振幅もしくは周波数偏移変調するステップと、を含む、情報送信方法。９．セルラー通信システムにおいてフィーダリンクにより地上ベース局から軌道衛星へ情報を送信する方法であって、少なくとも一つの移動局への情報信号を処理して衛星搭載フェーズドアレイ素子の駆動信号を形成するステップと、前記駆動信号を時間多重化するステップと、前記衛星へ向けられるマイクロ波フィーダリンク上へ前記時間多重化された信号を変調するステップと、を含む、情報送信方法。 10．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星は中央地上ベース基地局への下りフィーダリンクに操縦可能なレーザを使用するセルラー通信システム。 11．請求項１０記載のセルラー通信システムであって、前記衛星はさらに代わりの地上ベース基地局への下りフィーダリンクに複数の付加レーザを使用するセルラー通信システム。 12．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星はマイクロ波ビームを使用して中央地上ベース基地局への下りフィーダリンクを形成するセルラー通信システム。 13．請求項１記載のセルラー通信システムであって、前記衛星は複数のマイクロ波ビームを使用して前記複数の基地局への下りフィーダリンクを形成するセルラー通信システム。