KR20180048642A

KR20180048642A - 지정된 위치에서 향상된 용량을 갖는 통신 위성 시스템

Info

Publication number: KR20180048642A
Application number: KR1020187005457A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 와일러
Original assignee: 월드뷰 새틀라이트 리미티드
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2018-05-10
Also published as: IL257101A; CN108028699B; CA2993628A1; US20170026109A1; IL257101B; CN108028699A; KR102125155B1; EP3326304A1; JP2018526879A; ES2743057T3; WO2017017570A1; JP6802254B2; US9991950B2; EP3326304B1; CA2993628C

Abstract

지구 전체에 통신 서비스를 제공하기 위한 통신 위성 시스템은 지구 저궤도(LEO)에 있는 복수의 인공 위성에 기초한다. 인공 위성은 복수의 궤도에서 지구를 공전하는데, 각각의 궤도에는 다수의 인공 위성이 있다. 이 궤도 배열은 지구 표면 상의 몇몇 로케이션이 중복된 인공 위성 커버리지를 수신하는 것으로 나타난다. 본 발명의 실시형태는, 중복된 커버리지가 필요로 되지 않는 로케이션으로부터 중복된 커버리지가 유익한 로케이션으로 중복된 커버리 중 일부를 전달하기 위해, 인공 위성 중 일부의 방위를 선택적으로 그리고 적응적으로 회전시킬 수 있다.

Description

지구 무선 커버리지를 보장하기 위해 인공 위성을 그 롤 축을 중심으로 회전시키기 위한 자세 제어 모듈을 각각 포함하는, 지구 저궤도의 인공 위성의 무리

본 발명은 일반적으로 지구 궤도 통신 위성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 지구 저궤도(low earth orbit)의 통신 위성 시스템에 관한 것이다.

우주 시대가 시작된 이래로, 통신 위성은 우주 기술의 중요한 응용 분야였다. 첫 번째 통신 위성은 텔스타(Telstar)였다. 당시, 그것은 특별한 기술 업적이었다. 그것은 미국 뉴저지 홀름델(Holmdel) 소재의 Bell Telephone Laboratories에 의해 설계, 구축 및 운영되었다.

통신 위성은 통신 서비스를 제공하는 목적을 위해 지구 표면으로부터 무선 신호를 수신하고 지구 표면으로 무선 신호를 송신한다. 처음이자 유일한 통신 위성이었던 텔스타(Telstar)를 통해, 지구 표면의 모든 로케이션(location)으로 중단 없는 통신 서비스를 제공하는 것은 불가능하였다. 임의의 주어진 시간에 인공 위성의 시야 내에 들어오게 된 몇몇 로케이션만이 인공 위성으로 무선 신호를 송신할 수 있었고 및/또는 인공 위성으로부터 무선 신호를 수신할 수 있었다. 보다 현대적인 통신 위성 시스템에서는, 일반적으로 범용 커버리지(universal coverage)로 칭해지는 능력인, 지구 상의 모든 장소가 항상 통신 서비스를 제공 받는 것이 바람직하다. 더구나, 지구 상에는 다른 곳보다 더 많은 통신 용량을 필요로 하는 장소(place) 및 로케이션이 있다. 예를 들면, 도시 및 다른 인구 밀집 로케이션은, 사람이 살지 않는 로케이션보다 더 많은 통신 용량을 필요로 할 것으로 예상될 수 있다.

본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, 용어 "장소(place)" 및 "로케이션(location)"은 용어는 다소 상이한 의미를 갖는다. 두 용어 모두 지구 자체에 대한 알려진 위치(위도 및 경도)에 있는 지구 표면의 일부를 가리킨다. 그러나, 용어 "장소"는 지구 표면 상의 단일 지점과 실제로 동등할 만큼 충분히 작은 어떤 것을 가리키는 것으로 이해되는 반면, 로케이션은 임의의 사이즈일 수 있다. 예를 들면, 작은 섬, 마을 또는 바다에 있는 배는 "장소"로 칭해질 수도 있고 또한 "로케이션"으로도 칭해질 수도 있다; 대조적으로, 세계의 대부분의 국가는 너무 커서 "장소"라고 불릴 수 없으며 "로케이션"으로만 칭해질 수 있다. 본 개시를 읽은 이후, "로케이션"이 "장소"로 또한 칭해질 수 있는 경우가 기술 분야의 숙련된 자에게는 명백할 것이다.

앞 단락에서 언급되는 예 중에서, 바다에 있는 배는, "로케이션"이 지구 표면 상의 고정된 불변의 위치에 있지 않아도 된다는 사실을 강조한다. 실제로, 인공 위성 통신 시스템은 선박, 항공기, 버스, 자동차, 등등과 같은 고정되지 않은 물체에 통신 서비스를 제공하는 데 특히 유용하다. 고정되지 않은 물체의 위치를 측정하기 위한 많은 기술이 당해 기술 분야에서 널리 공지되어 있다. 예를 들면, 바다에 있는 선박 또는 다른 고정되지 않은 물체의 위치를 측정하기 위해, 전지구 위치 결정 시스템(global positioning system; GPS)이 사용될 수 있다. 지구 표면 상의 물체의 위치가 알려지면, 그것은 이전 단락의 정의에 따라 "로케이션"으로 간주될 수 있다.

통신 위성을 통한 범용 커버리지의 목표는 지구 저궤도(low earth orbit; LEO)를 기반으로 하는 인공 위성 시스템을 사용하여 달성될 수 있다. 본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, 인공 위성 궤도는, 인공 위성이 궤도 상의 모든 지점에서 지구 표면으로부터 항상 2,000km 이내에 있는 경우, LEO 궤도로 간주될 수 있을 것이다. 동일한 정의는, 지구 표면 위의 인공 위성 고도가 2,000km를 초과해서는 안된다는 것이다.

LEO 궤도는, 그것이 양 극지 위 또는 거의 위를 통과하는 경우 "극" 궤도("polar" orbit)로 칭해진다. 본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, LEO 극 궤도는, 그 지상 진로(ground track)가 지구 표면 상의 북극권(Arctic circle) 및 남극권(Antarctic circle) 둘 다와 교차하는 LEO 궤도이다. 북극권 및 남극권에 의해 둘러싸이는 극관(polar cap)은 각각 "극지역(polar region)"으로 칭해진다.

도 1은 LEO 인공 위성(140)으로 묘사되는 통신 위성에 대한 가능한 LEO 극 궤도(150)를 묘사한다. 도 1은 대륙 덩어리의 윤곽이 명확하게 묘사된 행성 지구(110)의 윤곽을 도시한다. 북극(120) 및 남극(130)의 위치는, 지구의 회전축을 나타내는 직선에 의해 나타내어진다. 궤도는 두 개의 극 바로 위를 통과한다. 인공 위성은 화살표에 의해 나타내어지는 이동 방향(101)에서 궤도를 따라 주행한다. 도 1에서 묘사되는 바와 같은 궤도를 통해, 인공 위성은 전체 궤도를 완주하는 데 대략 2 시간이 걸린다.

도 2는 인공 위성 및 그 아래의 지구 표면에 대한 관계를 더욱 자세하게 나타낸다. (이 상세한 도면 및 후속 도면 중 일부에서, 지구 표면 상의 대륙 윤곽은 시각적인 혼란을 방지하기 위해 생략되었다). LEO 인공 위성(140)은 무선 안테나(210)로 묘사되는 하나 이상의 무선 안테나를 갖추고 있다. 안테나는 하나 이상의 무선 신호를 지구(110)의 표면을 향해 송신한다. 이러한 송신은 도면에서 안테나 빔(220)으로서 도시된다. 무선 송신은, 커버리지 영역(230)으로 묘사되는 커버리지 영역 내의 지구 표면 상에 위치되는 지상 단말(Earth terminal)에 의해 수신될 수 있다. 인공 위성은 또한 지상 단말에 의해 송신되는 무선 신호를 수신할 수 있다. 통신 위성의 경우, 무선 신호는 통신 채널을 지원하는 데 사용될 수 있고, 따라서 그 지상 단말에 양방향 통신 서비스를 제공하게 된다. 반대로, 커버리지 영역 밖에 있는 지상 단말은 인공 위성으로부터 강한 신호를 수신할 수 없고, 그들의 송신된 신호는 인공 위성에 의해 적절한 강도로 수신되지 않을 것이다.

본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, 용어 "지상 단말"은, 통신 위성 시스템에 의해 제공되는 통신 서비스의 엔드 유저에 의해 동작되는 통신 단말을 가리킨다. 많은 이러한 시스템에서, 통신 서비스는 인터넷과 같은 지상 기반 네트워크와의 연결성을 제공한다. 따라서, 이러한 시스템의 인공 위성은, 지상 기반 네트워크와 연결되는 지구 상의 중계국에 통신 채널을 중계하기 위한 안테나를 통상적으로 구비한다. 이러한 중계국은 통상적으로 통신 위성 시스템 또는 그 관련 회사의 오퍼레이터에 의해 동작되며, 본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해 "지상 단말기"로 간주되지 않아야 한다.

지상 단말과의 통신 채널에 대해 사용되는 무선 안테나는, 예를 들면, 제어 채널을 지원하기 위해 또는 중계국과의 통신을 위해 사용되는 안테나와는 대조적으로, 통신 안테나로 칭해진다. 지상 단말은, 인공 위성의 통신 안테나를 통해 통신 위성과 통신하기 위해 무선 신호를 송신 및 수신할 수 있는 지구 표면에 또는 그 근처에 위치되는 디바이스(예를 들면, 항공기 또는 해상 선박을 포함함)이다.

본 개시 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, 인공 위성의 "커버리지 영역"은, 지상 단말이 인공 위성의 통신 안테나 중 하나 이상을 통해 통신 서비스에 액세스할 수 있는 지구 표면의 일부이다. 인공 위성의 커버리지 영역은, 인공 위성이 자신의 궤도를 따라 이동함에 따라, 인공 위성과 함께 지구 표면 상에서 이동한다. 통상적으로, 인공 위성의 커버리지 영역은, 도 2에서 인공 위성 아래 지점(subsatellite point)(245)으로서 묘사되는 인공 위성 아래 지점을 중심으로 한다. 인공 위성 아래 지점은 지구 표면에서 인공 위성에 가장 가까운 지점이다. 이 지점으로부터, 인공 위성은 정점에서 머리 위로 정확히 나타난다. 인공 위성이 자신의 궤도를 따라 이동함에 따라, 인공 위성 아래 지점은 인공 위성과 함께 이동한다. 인공 위성 아래 지점에 의해 그려지는(traced) 경로는 인공 위성에 의해 그려지는 "지상 진로"로 칭해진다.

비록 커버리지 영역이 도 1에서 원형 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 다른 형상도 또한 가능하다.

도 3은, 커버리지 영역에 대한 직사각형 또는 준 직사각형 형상이 어떻게 유리할 수 있는지를 묘사한다. 준 직사각형 형상은, 커버되지 않고 남게 되는 영역이 없는 그리고 인접한 커버리지 영역 사이에 적절한 양의 중첩만이 있는 지구 표면의 효율적인 커버리지를 허용한다. 도면은 적절한 양의 중첩을 갖는 이러한 완전한 커버리지를 제공하도록 배열되는 준 직사각형 커버리지 영역(301 내지 306)을 도시한다.

도 4는 인공 위성의 궤도와 인공 위성의 지상 진로 사이의 관계를 예시한다. LEO 인공 위성(440)은 LEO 극 궤도(450)에서 지구를 공전한다. 인공 위성이 자신의 궤도를 따라 주행함에 따라, 인공 위성 아래 지점(445)은 지구 표면 상에 경로를 그린다. 경로는 도 4에서 지상 진로(447)로서 묘사된다. 궤도(450)는, 지상 진로(447)가 두 개의 극권 내에서 알맞게 통과하기 때문에, 앞서 제공되는 정의에 따른 극 궤도이다. 특히, 궤도(450)의 궤도 경사는, 묘사되는 바와 같이, 대략 80°이다.

도 4에서, 인공 위성의 궤도는 원형이고, 그에 따라, 인공 위성의 지상 진로(447)는 지구 표면 상의 큰 원으로서 묘사된다. 그러나, 이미 언급한 바와 같이, 인공 위성은 전체 궤도를 완주하는 데 거의 2 시간을 필요로 한다. 시간의 이러한 기간 동안, 지구는 거의 30°만큼 회전한다. 따라서, 도 4의 지구 표면 상의 대륙 윤곽 및 그리드 라인의 묘사는, 시간의 그 기간 동안 시간적으로 단일의 시점에서의 지구의 위치의 단순한 스냅샷으로 해석되어야 한다. 인공 위성 아래 지점이 지상 진로를 따라 이동함에 따라, 지구는 일정한 속도로 회전하고 그 결과 지구 표면 상의 인공 위성 아래 지점에 의해 그려지는 실제 경로는 원이 아닐 것이다. 인공 위성이 전체 궤도를 완주하고 궤도 상의 동일한 지점으로 돌아 오면, 인공 위성 아래 지점은 지구 표면 상의 동일한 장소에 있지 않을 것이다.

일반적으로, 인공 위성 아래 지점은, 궤도의 주기가 이러한 결과를 얻기 위해 의도적으로 선택되지 않는 한, 지구 표면 상의 정확히 동일한 장소로 결코 돌아 가지 않을 것이다. 예를 들면, GPS 인공 위성의 궤도 주기는, 인공 위성 아래 지점이 약 2 궤도 이후 동일한 지상 진로를 다시 그리도록 선택되었다. GPS 인공 위성에 대해 이러한 결과를 달성하기 위해, 궤도 주기는 항성일(sidereal day)의 절반과 거의 동일하도록 신중하게 선택되었다. 그것의 정확한 값은, 극지에서의 지구의 평탄화에 의해 그리고 조수에 의해 야기되는 궤도 세차 운동의 존재 하에서도, GPS 인공 위성이 두 번의 완전한 궤도 이후에 동일한 지상 진로를 다시 그리도록 고안되었다.

이 도면에서 그리고 대륙 윤곽 및/또는 그리드 라인이 묘사되는 본 개시의 다른 도면에서, 이러한 윤곽 및 그리드 라인은 시간적으로 특정한 시점에서의 지구 위치의 스냅샷을 나타낸다는 것, 및 지구는 실제로는 항상 회전하고 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 도면에서, 지구의 표면 상에서 묘사되는 패턴은, 지구가 회전하고 있지 않을 경우에 이루어지는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 읽은 이후, 기술 분야의 숙련된 자에게는, 소망되는 경우, 지구 자전을 설명하기 위해 이들 패턴을 수정하는 방법이 명백할 것이다. 본 개시에서 묘사되는 패턴은 본 발명 및 그 실시형태를 예시하는 데 가장 적합하다.

도 4에서, 인공 위성(440)의 커버리지 영역은 명시적으로 묘사되어 있지 않다. 그러나, 도 2의 묘사로부터, 인공 위성 아래의 지구 표면의 작은 부분만이 임의의 주어진 시간에 인공 위성을 통해 통신 서비스를 향유할 것이다는 것은 명백하다. 범용 커버리지를 달성하기 위해서는, 다수의 인공 위성이 필요로 된다.

도 5는, 동일한 궤도(즉, 공전 궤도)에 있는 다수의 인공 위성이 궤도 아래의 로케이션(즉, 지상 진로를 따른 그리고 그 근처의 로케이션)에 연속적이고 중단되지 않는 커버리지를 제공할 수 있는 방법을 도시한다. LEO 극 궤도(150)는 원이고, 스물 네 개의 인공 위성(540)이 궤도(150)에서 지구를 공전한다. (도면에서, 시각적인 혼란을 방지하기 위해, 스물 네 개의 인공 위성(540) 중 단지 다섯 개의 인공 위성만 명시적으로 라벨링된다.) 인공 위성은 검은 점으로 묘사된다. 그들은 궤도를 따라 균일하게 이격되어 있으며, 궤도가 원형이기 때문에, 그들은 항상 같은 속도로 움직이며, 따라서 인공 위성 사이의 간격은 일정하게 유지된다. 각각의 인공 위성은, 자신의 인공 위성 아래 지점을 중심으로 하는 커버리지 영역에 통신 서비스를 제공한다. 따라서, 도 5에서는, 스물 네 개의 커버리지 영역(530)이 있다. (도면에서, 시각적인 혼란을 방지하기 위해, 스물 네 개의 커버리지 영역(530) 중 단지 네 개만이 명시적으로 라벨링된다.) 인공 위성의 커버리지 영역이 도 3에서 예시되는 바와 같은 준 직사각형 형상을 갖는다면 유익한데, 그 이유는, 인접한 커버리지 영역이 적절한 양의 중첩을 갖는 연속하는 커버리지를 제공할 수 있기 때문이다.

도 6은 스물 네 개의 공동 궤도 인공 위성(540)을 상이한 관점으로부터 도시한다. 도면은 또한, 인공 위성에 의해 제공되는 결합된 커버리지의 형상을 도시한다. 그것은 커버리지 스트립(6471)으로 묘사된다. 그것은 지구를 둘러싸는 리본의 형상(이 사실에서 "스트립"이 유래함)을 갖는데, 인공 위성 지상 진로가 리본의 중심 라인을 그린다. (개개의 커버리지 영역(530)은 명시적으로 도시되지 않는다). 도 6으로부터, 커버리지 스트립(6471)은 지구 표면의 일부분만을 커버한다는 것이 명백하다; 따라서, 범용 커버리지를 제공하기 위해서는, 더 많은 궤도에 더 많은 인공 위성이 필요로 된다.

도 7은, 두 궤도가 동일한 형상, 고도 및 경사를 갖는 원형의 LEO 극 궤도인 두 개의 별개의 인공 위성 궤도를 묘사한다. 케플러의 법칙은 두 궤도가 두 지점에서 서로 교차해야 한다는 것을 지시한다. 교차점 중 하나는 북극 근처에 위치되는 교차점(751)으로서 도면에서 보인다. 다른 교차점은 남극 근처에 있으며 시야에서 가려져 있다.

도 8은 도 7의 두 개의 궤도에 대응하는 커버리지 스트립을 묘사한다. 커버리지 스트립(647-1)은 궤도(450)에 대응하며 수직 해칭을 가지고 묘사된다; 커버리지 스트립(647-2)은 궤도(750)에 대응하며 수평 해칭을 가지고 묘사된다. 두 궤도 사이의 각도는, 두 개의 커버리지 스트립이 그들이 지구의 적도(Equator)(810)를 가로지를 때 거의 서로 닿지 않도록 의도적으로 선택되었다. 그러나, 다른 위도에서는, 스트립이 극지역에 접근함에 따라, 두 스트립 사이에 점점 더 많은 중첩이 있다. 중첩 영역은 수직 및 수평 해칭 모두를 갖는 중첩 영역(860)으로 묘사된다.

도 8의 묘사로부터, 제2 궤도의 추가는 전체 커버리지를 확장하지만, 커버된 영역은, 두 커버리지 스트립 사이에 상당한 중첩이 있기 때문에, 두 배가 되지 않는다는 것이 명백하다. 중첩의 존재는, 리소스의 낭비로서 간주될 수 있는데, 그 이유는, 중첩 영역에서, 항상 이용 가능한 두 개의 인공 위성이 존재하여 중복된 커버리지를 제공하기 때문이다. 누군가는, 이러한 중복 커버리지가 중첩 영역에 위치되는 지상 단말에 더 큰 통신 용량을 제공할 기회를 실제로 제공한다고 주장할 수도 있을 것이다. 사실, 그 영역에 있는 지상 단말은 두 인공 위성과 통신할 수 있고 따라서, 하나의 인공 위성과만 통신하는 것에 비교하여, 두 배의 용량을 향유할 수 있다. 동등하게, 그 영역에 있는 두 개의 별개의 지상 단말은 두 개의 별개의 인공 위성과 통신할 수 있고, 따라서, 각각의 단말은, 이러한 용량을 다른 단말과 공유해야 하는 대신, 하나의 인공 위성의 전체 용량을 향유한다.

불행히도, 이러한 향상된 용량은 보일 수도 있는 것처럼 유용하지는 않다. 이것은 지구 자전 때문에 그렇다. 앞서 이미 언급한 바와 같이, 지구는 커버리지 스트립의 패턴 하에서 지속적으로 회전하고 있다. 도 8에서 도시되는 그리드 라인 및 대륙의 윤곽은, 단지, 시간적으로 특정한 시점에서의 지구 위치의 스냅샷이다. 커버리지 스트립의 폭은, 도 8에서 묘사되는 바와 같이, 약 10°이다. 지구가 10°만큼 회전하는 데 사십 분 미만이 걸린다. 따라서, 몇몇 특정한 시간에 중첩 영역에 있는 로케이션은 아무래도 단지 몇 분 후에 그 영역에 더 이상 있지 않을 수도 있다. 향상된 용량의 이러한 불규칙한 가용성은 그다지 유용하지 않은 것으로 일반적으로 간주된다. 한편, 특정한 로케이션이 항상 중첩 영역에 있을 것이다는 것을 보장하는 것이 가능하면, 두 배의 용량을 완전히 이용하는 것이 가능할 것이다. 대안적으로, 예를 들면, 미리, 그리고 요구에 따라 스케줄링하는 것이 가능하다면, 미래의 특정한 소망하는 시간에 특정한 로케이션이 중첩 영역에 있을 것이라는 것도 또한 유용할 것이다. 이러한 경우에, 중첩 영역에서 이용 가능한 추가 용량은 효과적이고 유리하게 활용될 수 있을 것이다.

개요

본 발명의 실시형태는 LEO 궤도에 기초한 통신 위성 시스템에서 유용하다. 도 9는 열 여덟 개의 LEO 극 궤도 및 각각의 궤도에 서른 개의 인공 위성이 있는 총 648 개의 인공 위성을 갖는 시스템을 묘사한다. 열 여덟 개의 궤도 면은 10° 단위로 균등하게 이격된다. 본 발명의 실시형태는, 인공 위성의 커버리지 영역의 지구 표면 상의 위치가, 인공 위성 자체의 위치 및 궤적을 변경하지 않고도 제한된 범위 내에서 변경될 수 있다는 사실에 기초한다. 특히, 도 2에서, 인공 위성의 커버리지 영역(230)은, 기술분야에서 관례적으로 행해지는 바와 같이, 인공 위성 아래 지점을 중심으로 하여 도시되어 있다. 그러나, 커버리지 영역은 인공 위성의 방위를 간단히 변경하는 것에 의해, 중앙에서 쉽게 벗어나게 될 수 있을 것이다.

인공 위성의 방위는 인공 위성의 자세 제어 모듈에 의해 제어되는데, 자세 제어 모듈은 인공 위성의 자세를 제어 및 조정하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 예를 들면, 자세 제어 모듈은, 자신의 회전율이 인공 위성의 본체의 회전율을 결정하는 반응 휠의 세트를 포함할 수도 있을 것이다. 자세 제어 모듈은 인공 위성의 궤도를 변경하지 않고도 인공 위성으로 하여금 회전할 수 있게 한다. 특히, 자세 제어 모듈은 인공 위성으로 하여금 궤도를 따른 인공 위성의 이동 방향과 평행한 축을 중심으로 회전하게 할 수 있다. 이러한 축은 기술 분야에서 ("피치(pitch)" 축 및 "요(yaw)" 축과는 대조적으로) "롤(roll)" 축으로 공지되어 있다.

영어에서, 동사 "회전한다(rotate)" 및 그것의 굴절된 형태("회전하는(rotating)", "회전(rotation)", 등등)는 타동사 및 자동사 둘 다일 수 있다. 본 개시 및 첨부된 청구범위에서, 변형 형태(variant) 둘 다가 사용된다. 예를 들면, 동사는 "지구가 회전한다"에서는 자동사이지만, "인공 위성은 자세 제어 모듈에 의해 회전된다"에서는 타동사이다. 각각의 경우에 어떤 변형 형태가 사용되는지는 문맥으로부터 분명할 것이다.

인공 위성이 회전할 때, 통신 안테나가 인공 위성의 본체에 고정된 경우, 통신 안테나의 방위를 비롯하여, 인공 위성의 본체 전체의 방위가 변한다. 통신 안테나의 회전의 결과로서, 지구 표면 상의 커버리지 영역의 위치는 일반적으로 변할 것이다. 특히, 회전이 롤 축을 중심으로 하면, 커버리지 영역은 도 6에서 묘사되는 커버리지 스트립 밖으로 이동할 것이다. 결과적으로, 회전으로 인해, 실제 커버리지 스트립의 형상은, 도 6에서 묘사되는 공칭 형상과 비교하여, 변경될 것이다. 형상이 변경될 수도 있는 방법의 예가 도 18에서 묘사된다.

커버리지 스트립의 변경된 형상은 다른 커버리지 스트립과의 중첩 영역의 위치가 변하게 한다. 본 발명의 실시형태에 따른 통신 위성 시스템은, 중첩 영역으로 하여금 향상된 통신 용량이 소망되는 지구 표면 상의 지정된 로케이션에 있게 하기 위해, 지구가 회전함에 따라, 인공 위성 회전의 범위 및 타이밍을 적응적으로 제어한다.

도 1은 종래 기술에서의 LEO 극 궤도의 통신 위성을 묘사한다.
도 2는 종래 기술에서의 인공 위성 커버리지 영역 및 인공 위성 아래 지점의 정의를 예시한다.
도 3은 지구의 표면을 효율적으로 커버함에 있어서 준 직사각형 커버리지 영역이 어떻게 효율적일 수 있는지를 예시한다.
도 4는 종래 기술에서의 인공 위성 지상 진로의 정의를 예시한다.
도 5는, 종래 기술에서의 인공 위성의 지상 진로 근처에 놓여 있는 지구 표면 상의 로케이션의 연속적인 커버리지를 다수의 공동 궤도 인공 위성이 어떻게 제공할 수 있는지를 묘사한다.
도 6은 다수의 공동 궤도 인공 위성의 커버리지 영역이 종래 기술에서의 단일의 커버리지 스트립으로 어떻게 결합되는지를 예시한다.
도 7은 범용 커버리지를 달성하기 위해 종래 기술에서의 통신 위성 시스템에서 다수의 인공 위성 궤도가 어떻게 사용되는지를 예시한다.
도 8은 종래 기술에서의 인접한 궤도와 관련되는 인접한 커버리지 스트립 사이의 기하학적 관계를 도시한다.
도 9는 본 발명의 한 실시형태를 활용할 수 있는 통신 위성 시스템의 스냅샷을 묘사한다. 시스템은, 균일하게 이격된 궤도 면의 18 개의 LEO 극 궤도에 배열되는 648 개의 인공 위성을 구비하는데, 18 개의 LEO 극 궤도의 각각은 궤도를 따라 균일하게 분포된 36 개의 공동 궤도 인공 위성을 갖는다. 인공 위성은 검은 점으로 묘사된다.
도 10은, 인접한 궤도에 있는 인공 위성의 커버리지 스트립이 지구 적도에서 중첩 없이 완전한 커버리지를 제공하는 방법을 묘사한다.
도 11은, 인접한 궤도에 있는 인공 위성의 커버리지 스트립이 30°의 위도에서 어떻게 적은 정도의 중첩을 갖는지를 묘사한다.
도 12는 인공 위성을 그들의 롤 축을 중심으로 회전시키는 것에 의해 커버리지 스트립 중첩의 정도가 어떻게 증가될 수 있는지를 묘사한다. 본 개시에서, "기울다(tilt)"는 "회전하다(rotate)"에 대한 동의어로 사용된다.
도 13은, 커버리지 스트립 중첩의 정도에서의 증가가 최대 허용 가능한 인공 위성 회전(경사(tilt))에 의해 어떻게 제한되는지를 묘사한다.
도 14는 커버리지 스트립 중첩의 정도가 적도에서 더 멀리 떨어진 위도에서 얼마나 큰지를 묘사한다.
도 15는 커버리지 갭을 방지하기 위해 다수의 인접한 궤도에서 인공 위성을 회전시키는 것이 어떻게 가능한지를 묘사한다.
도 16a 내지 도 16e는, 지구가 회전함에 따라, 지구 표면 상의 지정된 로케이션이 항상 커버리지 스트립 중첩 영역에 남아 있게 되는 것을 보장하기 위해 구현될 수 있는 인공 위성 회전의 상이한 조합의 시퀀스를 묘사한다. 이들 도면에서, 지정된 로케이션은 작은 범위를 갖는다.
도 17a 내지 도 17e는, 지구가 회전함에 따라, 지구 표면 상의 지정된 로케이션이 항상 커버리지 스트립 중첩 영역에 남아 있게 되는 것을 보장하기 위해 구현될 수 있는 인공 위성 회전의 상이한 조합의 시퀀스를 묘사한다. 이들 도면에서, 지정된 로케이션은 큰 범위를 갖는다.
도 18은 인공 위성 궤도의 소정의 지점에서 인공 위성 회전을 구현하는 것에 의해 변경되는 커버리지 스트립의 기하학적 형상을 묘사한다.

본 발명의 실시형태는 향상된 통신 용량을 갖는 것이 바람직한 지구 표면 상의 소정의 로케이션을 지정하는 것을 가능하게 만든다. 몇몇 지정된 로케이션의 경우, 항상 향상된 용량을 갖는 것이 바람직할 수도 있을 것이다; 다른 경우에, 하루 중 소정의 시간에 또는 요구에 따라, 예를 들면, 특별한 이벤트 또는 사건의 경우에, 향상된 용량을 갖는 것이 바람직할 수도 있을 것이다.

일반적으로, 본 발명의 실시형태는, 지정된 로케이션이 시간의 지정된 간격에 걸쳐 이중 커버리지를 가질 것을 보장할 수 있다. 시간의 이러한 간격은, 예를 들면, 매일, 또는 매 평일(business day) 반복되는 하루 중 특정한 부분, 또는 지정된 로케이션에서 특정한 엔드 유저에게 편리한 날짜 및 시간의 임의의 선택일 수도 있을 것이다. 몇몇 엔드 유저는, 항상 중단 없는 이중 커버리지에 대한 시간의 미리 지정된 간격을 매일 24 시간 전체일 것을 원할 수도 있을 것이다.

통신 위성 시스템은 지상 통신 시스템이 이용 가능하지 않거나 또는 액세스하기 어려운 로케이션에 통신 서비스를 제공하는 데 특히 유리하다. 단일의 통신 위성은, 예를 들면, 열 개 내지 스무 개의 통신 안테나를 가질 수도 있을 것이고, 각각의 안테나는 수백 Mbit/s만큼 큰 통신 용량을 제공할 수도 있을 것이다. 그러나, 용량이 필요로 되는 지구 상의 장소는 함께 모여 있는 경향이 있다. 예를 들면, 원격 영역에 있는 작은 마을은 인공 위성을 통한 통신 액세스로부터 이점을 얻을 수도 있을 것이지만, 그러나 작은 마을은 전체적으로 단일의 안테나 빔에 맞을 정도로 충분히 작을 가능성이 있다. 이러한 상황에서, 이러한 작은 마을이 이용 가능한 전체 용량은, 단지 하나의 인공 위성만이 이용 가능한 경우, 단일의 인공 위성 안테나의 용량에 의해 제한된다.

이 문제의 특히 주목할 만한 예는, 인공 위성이 나머지 세계와 통신할 유일한 실용적인 수단인 공해 상의 유람선에 의해 제공된다. 현대 유람선에는, 육천 명만큼 많은 승객 및 이천 명보다 많은 승무원이 있을 수 있다. 이러한 유람선이 이용 가능한 용량이 단일의 인공 위성 안테나에 의해 제공되는 수백 Mbit/s로 제한된다면, 선박에 탑승한 각각의 사람은 평균적으로 단지 수십 kbit/s로 액세스할 수 있다. 분명히, 이러한 유람선이 이용 가능한 용량을 두 배로 하는 것이 큰 이점을 가질 것이다.

종래 기술의 통신 위성 시스템은 통상적으로 지구 상의 모든 장소가 항상 적어도 하나의 인공 위성의 시야 내에 있는 것을 보장하도록 구성되고, 따라서 엔드 유저에 대한 연결성이 항상 이용 가능하도록 보장될 수 있다. 배경 섹션에서 논의되는 바와 같이, 이것은 지구 상의 많은 장소가 임의의 주어진 시간에 두 개 이상의 인공 위성의 시야 내에 실제로 있다는 것을 의미한다. 몇몇 장소, 특히, 극지 근처는 항상 이중 커버리지를 향유할 것이다. 그러나, 일반적으로, 이들 장소는 향상된 용량에 대한 요구가 존재하는 곳이 아니다. 이러한 요구는, 대부분의 인간 인구가 살아가고 있는 중위도 지역에 존재할 가능성이 있다.

중위도에는, 종래 기술의 시스템에서 임의의 주어진 시간에 이중 커버리지를 향유하는 지구의 표면의 상당한 부분이 있다는 것이 도 8로부터 명확하다. 그러나 종래 기술의 시스템은 이중 커버리지가 이용 가능한 때 및 장소를 제어할 수 없다. 결과적으로, 임의의 주어진 시간에, 이중 커버리지가 필요로 되지 않는 영역에서 이용 가능한 많은 이중 커버리지가 존재하고; 이중 커버리지가 필요로 되는 영역은 그들이 이중 커버리지를 필요로 할 때 그것을 갖는 것을 보장 받을 수 없다. 대조적으로, 본 발명의 실시형태를 통해, 이중 커버리지가 이용 가능하지만, 그러나 필요로 되지 않는 영역으로부터 이중 커버리지가 필요로 되는 영역으로 이중 커버리지를 전송하는 것이 가능하다. 모든 곳에서, 적어도 단일의 커버리지를 가지고, 연결성을 계속 보장한다.

도 10은 지구 적도에서의 인공 위성 커버리지의 도면이다. 곡선(110)은 북극 위 높은 위치에 대해 보일 수도 있는 적도에서의 지구 표면을 나타낸다. 이 관점으로부터, 도 7에서 도시되는 것과 같은 LEO 극 궤도는 도면의 평면 밖으로 나오는 라인이다. 도 10은 또한 인접한 극 궤도에 있는 일곱 개의 LEO 인공 위성(1040)을 도시한다. 인공 위성은 검은 점으로 묘사된다.

도면에서 시각적 혼란을 방지하기 위해, 각각의 인공 위성은 단일의 통신 안테나를 갖는 것으로 묘사된다. 대응하는 안테나 빔은 안테나 빔(220-1 내지 220-7)으로 묘사된다. 각각의 안테나 빔은 대응하는 커버리지 스트립의 폭에 걸치도록 도시된다. 일곱 개의 커버리지 스트립(647-1에서 647-7)이 있다. 도 8과 연계하여 설명되는 바와 같이, 커버리지 스트립은, 도 10에 도시된 바와 같이, 적도에서 어떠한 중첩도 없는 전체 커버리지를 제공한다.

도 11은 적도에서 멀리 떨어진, 그러나 중위도만큼 멀지 않은 위도에서의 인공 위성 커버리지의 도면이다. 도 11의 도면은 30°의 위도에 대한 것이다. 그 도면은 30°의 북위 및 남위 둘 다에 대해 유효하다. 이러한 위도에는, 중첩(1110)으로서 도면에 도시되는, 인접한 커버리지 스트립 사이에 약간의 중첩이 있지만, 중첩의 정도는 작다. 그것은 이들 위도에서는 약 12 %에 불과하다. 이러한 작은 중첩을 가지고는, 중첩 영역에서 이용 가능한 두 배의 용량을 지구 상의 한 장소로부터 다른 장소로 전달하기 위한 본 발명의 실시형태를 구현하는 것은 (비록 불가능하지는 않지만) 어렵다. 세부 사항은 다음의 몇몇 도면에서 예시된다.

도 12는 본 발명의 실시형태에 의해 활용되는 기술의 기본적인 엘리먼트: 인공 위성 회전, 또는 "기울어짐(tilting)"을 예시한다. 본 개시에서, 동사 "기울다"는 동사 "회전하다"의 더 짧은 동의어로 사용된다. 더 짧은 단어는 도면을 덜 혼란스럽게 만들고 이해하기 쉽게 만드는 데 있어서 도움이 된다. 도 12는, 커버리지를 서쪽을 향해, 즉 기울어지지 않은 인공 위성(1240)을 향해 인공 위성(1245)의 커버리지 영역을 이동시키기 위해, 인공 위성(1245)을 그 롤 축을 중심으로 회전된(기울어진) 것으로서 묘사한다. 인공 위성(1245)의 회전은 인공 위성의 자세 제어 모듈을 통해 달성되었는데, 인공 위성의 자세 제어 모듈은 경사 각도(1230)로서 도 12에서 도시되는 각도만큼 인공 위성을 회전시켰다.

도면에서, 인공 위성(1220)에 대한 수직 방향은 점선의 수직라인(1220)에 의해 도시되고, 한편 점선(1221)은 안테나 빔의 대칭축을 도시한다. 수직라인(1220)이 지구 표면과 만나는 지점은 인공 위성 아래 지점이고, 점선(1221)이 지구 표면과 만나는 지점은 인공 위성(1245)의 커버리지 영역의 대략 중심이다. 두 라인은 기울어지지 않은 인공 위성의 경우 일치하고, 기울어진 인공 위성의 경우, 두 라인 사이의 각도는, 공칭 인공 위성 방위와 비교하여, 인공 위성이 기울어진 각도이다.

도 12의 도면은, 인공 위성 기울어짐이 인공 위성(1245)의 커버리지 영역과 인공 위성(1240)의 커버리지 영역 사이의 중첩의 정도를 증가시킨다는 것을 도시한다. 그 증가는, 인공 위성(1245)의 다른 쪽 상의 인접한 커버리지 스트립(도 12에서 도시되지 않음)과의 중첩의 정도에서의 감소를 대가로 한다. 이러한 의미에서, 인공 위성 기울어짐은 중첩, 및 관련된 두 배의 용량을 한 로케이션에서 다른 로케이션으로 전송하기 위한 기술로서 보여질 수 있다.

도 13은 인공 위성 기울어짐을 통해 얼마나 많은 중첩이 전송될 수 있는지에 대한 한계를 예시한다. 인공 위성이 기울어질 수 있는 각도는 다양한 이유 때문에, 무제한이 아니다. 예를 들면, 지상 단말에서 봤을 때, 수평선 위의 인공 위성의 허용 가능한 고도에 대한 하한이 있을 수도 있을 것이다. 이러한 고도 한계의 결과는 인공 위성 기울어짐에 대한 한계인데, 그 이유는 인공 위성이 너무 많이 기울어지면, 커버리지 영역의 가장자리 근처에 있는 지상 단말이 인공 위성을 수평선 위로 너무 낮게 있는 것으로 볼 수도 있기 때문이다. 또한, 지상 단말과 인공 위성 사이의 거리는 최대 허용 가능한 값보다 더 크지 않도록 요구 받을 수도 있을 것인데, 이것도 또한 기울기 한계로 나타나게 된다. 이들 및 다른 이유 때문에, 본 발명의 많은 실시형태에서는 최대 허용 가능한 경사 각도가 존재할 것이다.

도 13의 도면은 인공 위성이 최대 양만큼 기울어졌을 때 어떤 일이 발생하는지를 도시한다. 인공 위성(1345)은 최대 경사 각도(1330)만큼 기울어진 최대 경사 상태에 있다. 증가된 중첩(1310)의 정도는 이 위도의 경우 그 최대 가능한 값에 있다. 불행하게도, 도 13의 예시적인 도면에서, 이것은 인공 위성(1345)의 기울어진 커버리지 영역의 가장자리가 인접한 커버리지 스트립의 중심 라인에 도달하기에는 충분하지 않은데, 인접한 커버리지 스트립의 위치는 도면에서 화살표에 의해 나타내어진다. 화살표는 "인공 위성(1240)의 지상 진로(1347)"로 라벨링되는데, 그 이유는 지상 진로가, 도 6에서 예시되는 바와 같이, 인접한 커버리지 스트립의 중심 라인이기 때문이다.

기울어진 인공 위성(1345)의 커버리지 영역의 최대 도달 거리가 도 13의 화살표만큼 멀리 가지 않는다는 사실에 중요한 결과가 있다: 화살표 위치에 있게 되는 지구 상의 장소는 두 배의 용량을 가질 수 없을 것이다. 따라서, 이들 위도에서, 본 발명의 실시형태는 지정된 로케이션에 대한 두 배의 용량을 무조건적으로 보장할 수 없는데, 그 이유는, 지구가 회전함에 따라, 그 로케이션이, 몇몇 지점에서는, 커버리지 스트립의 중심 라인 상에 있을 수도 있고 인접한 궤도의 어떠한 인공 위성도 그것에 도달할 만큼 충분히 멀리 기울어질 수 없을 것이기 때문이다. 이러한 무조건적으로 보장된 두 배의 용량을 가능하게 하기 위해, 최대 경사 각도가, 예를 들면, 증가될 수 있거나, 또는 커버리지 스트립의 폭이, 심지어 적도에서도, 인접한 커버리지 스트립 사이에 약간의 중첩이 있는 지점까지 증가될 수 있다. 본 개시를 읽은 이후, 소망하는 위도에서 본 발명의 실시형태를 구현할 수 있기 위해, 커버리지 스트립의 폭 또는 최대 경사 각도를 언제 얼마나 많이 증가시킬 것인지는 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다.

도 14는, 임의의 로케이션에 두 배의 용량을 무조건적으로 전달하기 위해 인공 위성 기울어짐이 고위도에서 어떻게 효과적으로 되는지를 예시한다. 도 14의 도면은 적도의 북쪽 또는 남쪽으로의 40°의 위도에 대한 것이다. 이들 위도에서, 인접한 커버리지 스트립 사이의 중첩은 약 23%이며, 도 14의 묘사에서, 최대 허용된 경사 각도는, 지구 상의 임의의 지정된 장소가 인공 위성 기울어짐을 통해 무조건적으로 두 배의 용량을 제공 받을 수 있을 만큼 충분히 크다. 이것은 도 14에서, 최대 허용된 경사 각도(1330)로 기울어진 인공 위성(1345)에 의해 예시된다. 커버리지 영역의 가장자리는, 화살표에 의해 나타내어지는 인공 위성(1240)의 지상 진로(1347)만큼 멀리 도달한다. 이 경사 각도를 통해, 화살표에서의 장소는 두 배의 용량을 향유할 것이다. 화살표보다 인공 위성(1345)에 더 가까운 장소의 경우, 그들에게 두 배의 용량을 제공하기에는 더 적은 경사 각도가 충분할 것이다.

그러나, 도면은, 인공 위성 커버리지에서 인공 위성(1345)과 화살표 반대 쪽 상의 인접한 커버리지 스트립 사이에 갭(1450)이 나타난다는 것을 도시한다. 그것은, 다음 도면에서 보여지는 바와 같이, 추가적인 인공 위성을 기울이는 것에 의해 처리될 수 있다.

도 15는, 인접한 인공 위성의 점진적인 기울어짐을 통해 갭(1450)이 어떻게 제거될 수 있는지를 도시한다. 도면에서, 인공 위성(1545)은 허용되는 최대 각도보다 더 작은 각도만큼 기울어진다. 그 각도는, 그 밖의 곳에서 나타나는 갭 없이 인공 위성(1545)의 커버리지 영역에 의해 갭(1450)이 커버되게 될 만큼 간신히 충분하다. 그러나, 본 개시를 읽은 이후, 나타날 수도 있는 다른 갭을 커버하기 위해, 필요한 경우, 추가 인공 위성을 점진적으로 기울이는 방법이 기술 분야의 숙련된 자에게는 명확할 것이다.

도 16a 내지 도 16e는 지구의 표면 상의 지정된 로케이션(1600)이 중위도에서 지구가 회전함에 따라 항상 두 배의 용량을 갖는 것을 보장하도록 구현될 수 있는 인공 위성 경사의 상이한 조합의 시퀀스를 묘사한다. 이들 도면에서 지정된 로케이션은, 그 위치가 도면의 백색 화살표에 의해 나타내어지는 지구 상의 단일의 장소로서 간주될 수 있을 만큼 충분히 작다.

시퀀스는 도 16a에서 시작하는데, 여기서 지정된 로케이션은 인공 위성(1240)의 커버리지 스트립의 중심 라인 상에 있다. 지정된 로케이션의 이 위치에 대해 두 배의 용량을 달성하는 인공 위성 경사의 조합은, 물론, 도 15에서 이미 묘사되었던 조합이다. 후속하는 도면에서, 지구가 회전함에 따라, 백색 화살표에 의해 나타내어지는 지정된 로케이션의 위치는, 검은 화살표의 지구 회전(1610)에 의해 나타내어지는 방향인 좌측을 향해 이동할 것이다.

도 16b에서, 지정된 로케이션은 경도 2~3도만큼 이동하였다. 그것은 이제 인공 위성(1245)에 더 가깝고, 결과적으로, 인공 위성(1245)은 지정된 로케이션에 두 배의 용량을 제공하기 위해 이전만큼 기울어질 필요는 없다. 또한, 인공 위성 (1245)의 감소된 경사는, 갭을 커버하기 위해 인공 위성(1545)을 더 이상 기울일 필요가 없다는 것을 의미한다.

도 16c에서, 지정된 로케이션은 더 멀리 움직였고, 심지어 인공 위성 기울어짐 없이도, 이들 위도에서, 인접한 커버리지 스트립 사이에서 발생하는 중첩 영역에 이제 있게 된다. 이 도면에서는, 지정된 로케이션에 두 배의 용량을 제공하기 위해 인공 위성 기울어짐이 필요하지 않다.

도 16d에서, 지구가 계속 회전함에 따라, 지정된 로케이션은, 이제, 지정된 로케이션에 두 배의 용량을 계속 제공하기 위해 인공 위성(1240)이 기울어질 필요가 있는 지점에 도달하였다. 다른 인공 위성은 아직 기울어질 필요가 없다. 도 16d의 도면은 도 16b의 도면의 미러 이미지인 것처럼 보인다.

도 16e에서, 지정된 로케이션은 인공 위성(1245)의 커버리지 스트립의 중심 라인에 도달하였다. 도 16e의 도면은 도 16a의 도면의 미러 이미지처럼 보인다. 지정된 로케이션이 이제는 커버리지 스트립의 중심 라인 상에 있기 때문에, 인공 위성(1240)은 최대 각도만큼 기울어져야 하고, 인공 위성(1640)도, 기울어지지 않으면 나타날 커버리지의 갭을 커버하도록 또한 기울어져야 한다.

지정된 로케이션이 지구의 회전과 함께 계속 움직임에 따라, 도 16a 내지 도 16e의 시퀀스는 이제, 인공 위성(1245)의 커버리지 스트립의 중심 라인 상의 새로운 시작 지점을 가지고 반복될 수 있다.

도 16a 내지 도 16e는 단일의 장소로 간주되기에 충분히 작은 지구 상의 로케이션에 대한 것이지만, 그러나, 때로는, 예를 들면, 아주 큰 도시 또는 작은 지방과 같은 더 넓은 범위를 갖는 로케이션에 두 배의 용량을 제공하는 것이 바람직하다.

도 17a 내지 도 17f는, 그 범위가 전체 커버리지 스트립과 거의 동일한 로케이션에 두 배의 용량을 항상 보장하기 위한 인공 위성 경사의 조합의 시퀀스를 묘사한다. 물론, 도 16a 내지 도 16e의 시퀀스와 비교하여, 이러한 큰 로케이션에 두 배의 용량을 보장하기 위해서는 더 많은 인공 위성이 기울어질 필요가 있다. 도면에서, 커버될 확장된 로케이션은, 커버리지 스트립과 거의 동일한 백색 직사각형(1700)으로 묘사된다.

시퀀스는 도 17a에서 시작하는데, 여기서 지정된 로케이션은 인공 위성(1240)의 커버리지 스트립에 중심을 두고 있다. 지정된 로케이션의 전체 폭에 두 배의 용량을 제공하기 위해서는, 양측의 인공 위성(1245 및 1746)이 기울어질 필요가 있다. 더구나, 커버리지 갭의 출현을 방지하기 위해서는 다음 두 개의 인공 위성(1545 및 1747)의 점진적인 기울어짐이 또한 필요로 된다.

도 17b에서, 지정된 로케이션은 경도 2~3도만큼 이동하였다. 인공 위성(1545, 1245, 1746 및 1747)은 경사 각도를 유지할 필요가 있지만, 그러나 이제 심지어 인공 위성(1240)조차도 기울어짐을 시작할 필요가 있고, 따라서 그것의 커버리지 영역은 지구가 회전함에 따라 확장된 로케이션(1700)을 따른다.

도 17c에서, 인공 위성(1240)의 경사 각도는 허용된 최대치에 도달하였고 더 이상 기울어질 수 없다. 지구가 계속 회전함에 따라 로케이션(1700)에 두 배의 용량을 계속 제공하기 위해서는, 몇몇 다른 인공 위성이 기울어짐을 시작할 필요가 있다. 이것은 다음 도면에서 도시된다.

도 17d에서, 인공 위성(1545)은 이제 최대 각도만큼 기울어졌고, 따라서, 그 커버리지 영역의 가장자리는 인공 위성(1245) 아래의 커버리지 스트립의 중심 라인에 도달하여, 인공 위성(1240)의 커버리지 영역의 가장자리를 만나게 되었다. 이렇게 하여, 확장된 로케이션(1700)은 계속 두 배의 용량을 향유할 수 있다. 그 동안, 확장된 로케이션(1700)의 서쪽 가장자리는 여전히 인공 위성(1240) 아래의 커버리지 스트립의 중심 라인 근처에 있고, 따라서 인공 위성(1245)은 최대 경사를 유지할 필요가 있다. 그러나, 인공 위성(1746)은 이제 자신의 경사 각도를 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 그것이 자신의 경사 각도를 제로로 감소시키면 나타날 갭만을 커버할 필요가 있기 때문이다. 도 17d의 도면은 도 17c의 도면의 미러 이미지처럼 보인다.

도 17e에서, 지구가 계속 회전함에 따라, 인공 위성(1745, 1545, 1240 및 1746)은 그들의 경사 각도를 유지할 필요가 있고, 한편, 인공 위성(1245)은 지구의 회전에 따라 자신의 커버리지 영역이 확장된 로케이션(1700)을 따르도록 자신의 경사 각도를 계속 변경할 필요가 있다. 도 17e의 도면은, 도 17b의 도면의 미러 이미지처럼 보인다.

도 17f에서, 지정된 로케이션(1700)은 이제 인공 위성(1245)의 커버리지 스트립에 중심을 두고 있다. 도 17f의 도면은 도 17a의 도면의 미러 이미지처럼 보이고, 시퀀스는 이제 완료된다. 지정된 로케이션이 지구의 회전과 함께 계속 움직임에 따라, 도 17a 내지 도 17f의 시퀀스는 이제 인공 위성(1245)의 커버리지 스트립에서의 새로운 시작 포인트를 가지고 반복될 수 있다.

도 16a 내지 도 16e 및 도 17a 내지 도 17f의 도면에서는, 설명의 명확화를 위해 연속적인 도면에서 동일한 인공 위성 지정이 사용된다. 그러나, 기술 분야의 숙련된 자는, 도면의 시퀀스에서 도시되는 바와 같이 지구가 회전하는 데 걸리는 시간에서, 상이한 도면에서 검은 점에 의해 마킹되는 위치에 상이한 인공 위성이 실제로 존재할 것이다는 것을 알아차릴 것이다. 이들 도면에서 반복된 인공 위성 지정은, 동일한 물리적 인공 위성을 가리키는 것으로서의 문자적 해석과 반대로, 동일한 궤도에 있는 인공 위성을 가리키는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들면, "인공 위성(1545, 1245, 1746 및 1747)이 그들의 경사 각도를 유지할 필요가 있다"는 것을 도 17b의 논의가 언급하는 경우, 그 진술문은, 몇몇 물리적 인공 위성이 도 17a 및 도 17b에 의해 걸쳐지는 시간 간격 동안 일정한 경사 각도를 유지해야 한다는 것을 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 대신, 그들 네 개의 궤도에 있는 인공 위성이 그 시간 간격 동안 40°의 위도에 접근함에 따라, 그들이 40°의 위도에 도달하는 시간까지 도면에서 도시되는 규정된 경사 각도를 가지도록 그들은 회전을 시작할 필요가 있다. 그들이 40°의 위도를 벗어나기 시작하면, 그들은 그들의 공칭 방위로 다시 회전할 수 있거나, 또는, 어쩌면, 상이한 위도에 있는 다른 지정된 로케이션을 지원하는 데 필요로 될 수도 있는 새로운 경사 각도로 회전하기 시작할 수 있다. 자신의 경사 각도를 유지하는 인공 위성에 관한 위 설명은, 그 위도에서 그들 궤도에 있는 인공 위성에 대한 규정된 경사 각도가 두 도면 사이의 시간 간격에 걸쳐 변하지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

도 18은, 특정한 궤도에 있는 인공 위성이 특정한 경사가 필요로 되는 지점에서 특정한 위도에 도달함에 따라 무슨 일이 발생하는지를 도시한다. 도 18은 도 6으로부터 도출되지만, 시각적인 혼란을 감소시키기 위해 대륙 윤곽 및 그리드 라인은 이 도면에서는 묘사되지 않는다. 공동 궤도 인공 위성의 이동의 방향은 화살표(1801)에 의해 나타내어진다. 인공 위성의 자세 제어 모듈이 인공 위성을 회전시킬 필요가 있을 때, 회전은 순간적일 수 없다. 그러므로, 특정한 경사 각도가 필요로 되는 위도의 범위에 인공 위성이 도달하기 이전에 회전은 시작될 필요가 있다.

도 18에서, 인공 위성 회전이 시작하는 지점은 1810으로 도시된다. 회전은 인공 위성이 1820에 도달하면 완료되고, 그 다음, 경사 각도는 위도의 범위(1830)를 통해 유지된다. 그 후, 인공 위성의 자세 제어 모듈은, 1810에서 시작된 회전의 반대인 회전을 구현하고, 그 결과, 1840과 1850 사이에서, 인공 위성은 자신의 공칭 방위로 복귀한다.

모든 공동 궤도 인공 위성은 그들이 로케이션(1810, 1820, 1840 및 1850) 위를 통과할 때 이전 단락에서 설명되는 기동을 수행한다. 결과적으로, 도 18의 공동 궤도 인공 위성에 의해 구현되는 실제 커버리지 스트립의 형상은, 도 6에서 묘사되는 커버리지 스트립의 공칭 형상과는 상이하다. 그 공칭 형상은 도 18에서 점선에 의해 개략적으로 묘사된다. 실제 형상은 수직 해칭에 의해 도시된다. 이전 문단 및 도면에서, 인공 위성의 커버리지 스트립에 대한 언급은 항상 인공 위성의 공칭 커버리지 스트립에 대한 것이었다; 물론, 단락 및 도면에서 예시되는 기울어짐 기동은 도 18에서 예시되는 바와 같은 공칭과는 상이한 실제 커버리지 스트립으로 나타났다.

실제 커버리지 스트립의 형상은, 지구가 회전함에 따라 그리고 지정된 영역이 이동함에 따라 특정한 위도에서 필요로 되는 경사 각도가 변함에 따라, 단지 점진적으로 느리게 변한다. 그 동안, 커버리지 스트립을 생성하는 공동 궤도 인공 위성은, 지정된 영역보다 훨씬 더 빠른 속도로 이동한다. 모든 인공 위성이 궤도의 동일한 지점에서 회전을 시작하기 때문에; 즉, 인공 위성 회전의 시작을 트리거하는 "트리거" 로케이션으로 간주될 수 있는 로케이션(1810) 위로 그들이 지나갈 때, 인공 커버리지 스트립의 형상은 안정적으로 유지된다.

비록 도 10 내지 도 17f가, 인접한 궤도의 인공 위성을, 동일한 위도를 동시에 가로지르는 것으로 묘사하지만, 기술 분야의 숙련된 자에게는, 본 개시를 읽은 이후, 본 발명의 실시형태의 성공적인 구현을 위해 인공 위성의 이러한 동기화가 필요로 되지 않는다는 것이 명확할 것이다. 실제로, 예를 들면, 도 9에서 묘사되는 인공 위성 시스템에서, 인접한 궤도의 인공 위성은 동일한 위도를 동시에 가로지르지 않는다. 도 18에서 묘사되는 실제 커버리지 스트립의 변경된 형상은, 인접한 궤도의 인공 위성에 대한 인공 위성(540)의 타이밍에 의존하지 않는다. 본 개시를 읽은 이후, 인접한 궤도에 있는 인공 위성 사이의 특정한 상대적인 타이밍을 수용하기 위해 필요에 따라 도 10 내지 도 17f에서 묘사되는 경사 각도의 정확한 값을 조정하는 방법은 기술 분야의 숙련된 자에게는 명백할 것이다.

본 개시는 하나 이상의 예시적인 실시형태의 단지 하나 이상의 예를 교시한다는 것, 및 본 개시의 판독 이후 본 발명의 많은 변동예가 기술 분야의 숙련된 자에 의해 쉽게 고안될 수 있다는 것, 및 본 발명의 범위가 본 개시에 첨부된 청구범위에 의해 정의된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

지구 저궤도 통신 위성 시스템으로서,
적어도 제1 인공 위성 및 제2 인공 위성을 포함하는 지구 저궤도의 복수의 통신 위성을 포함하고;
각각의 인공 위성은 상기 인공 위성의 커버리지 영역에 통신 서비스를 제공하기 위한 하나 이상의 통신 안테나를 포함하고;
인공 위성의 상기 커버리지 영역은, 지상 단말(Earth terminal)이 상기 인공 위성을 통해 통신 서비스에 액세스할 수 있는 지구 표면의 일부분이고;
각각의 인공 위성은 상기 인공 위성의 롤 축(roll axis)을 중심으로 상기 인공 위성을 회전시키기 위한 자세 제어 모듈을 더 포함하고;
상기 제1 인공 위성 및 상기 제2 인공 위성은 두 개의 별개의 궤도에서 지구를 공전하고;
상기 제1 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 제1 인공 위성이 지구 표면 상의 제1 트리거 로케이션(trigger location) 위를 통과할 때, 상기 제1 인공 위성으로 하여금 자신의 롤 축을 중심으로 제1 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제1 인공 위성을 제1 회전된 방위에 배치하고;
커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성의 상기 커버리지 영역 및 상기 제2 인공 위성의 상기 커버리지 영역이 적어도 부분적으로 중첩하도록, 상기 제1 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 제1 인공 위성으로 하여금 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 회전된 방위에 남아 있게 하고;
지구 표면 상의 지정된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 커버리지 영역이 중첩하는 부분 내에 남아 있는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항에 있어서,
적어도 두 개의 인공 위성 커버리지 영역은 하루 중 미리 지정된 부분 동안 매일 상기 지정된 로케이션에 걸쳐 중첩하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 두 개의 궤도의 평면은, 극지역에서 지구의 표면과 교차하는 라인을 따라 서로 교차하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지정된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제2 인공 위성에 의해 그려지는(traced) 지상 진로(ground track)의 일부를 포함하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 제2 인공 위성이 지구 표면 상의 제2 트리거 로케이션 위를 통과할 때, 상기 제2 인공 위성으로 하여금 자신의 롤 축을 중심으로 제2 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제2 인공 위성을 제2 회전된 방위에 배치하고;
상기 제2 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 커버리지 영역이 중첩하는 부분의 사이즈가 더 크게 되도록, 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제2 인공 위성으로 하여금 상기 제2 회전된 방위에 남아 있게 하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 통신 위성은 제3 인공 위성을 더 포함하고;
상기 제3 인공 위성은 또한 상기 제3 인공 위성의 커버리지 영역에 통신 서비스를 제공하기 위한 하나 이상의 통신 안테나를 포함하고;
상기 제3 인공 위성은 또한 상기 인공 위성의 롤 축을 중심으로 상기 제3 인공 위성을 회전시키기 위한 자세 제어 모듈을 더 포함하고;
상기 제3 인공 위성은 상기 제1 인공 위성의 상기 궤도 및 상기 제2 인공 위성의 상기 궤도와는 구별되는 궤도에서 지구를 공전하고;
상기 제3 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 제3 인공 위성이 지구 표면 상의 제3 트리거 로케이션 위를 통과할 때, 상기 제3 인공 위성으로 하여금 자신의 롤 축을 중심으로 제3 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제3 인공 위성을 제3 회전된 방위에 배치하고;
상기 제3 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈은, 상기 커버리지 시간 간격 동안 지구 표면 상의 생략된 로케이션이 상기 제3 인공 위성의 상기 커버리지 영역 내에 있도록, 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제3 인공 위성으로 하여금 상기 제3 회전된 방위에 남아 있게 하고;
상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성이 상기 제1 회전된 방향에 남아 있다는 사실이 없었다면, 상기 생략된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성의 상기 커버리지 영역 내에 있었을 것인, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법으로서,
제1 인공 위성이 지구 표면 상의 제1 트리거 로케이션 위를 통과할 때 상기 제1 인공 위성으로 하여금 상기 제1 인공 위성의 롤 축을 중심으로 제1 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제1 인공 위성을 제1 회전된 방위에 배치하기 위해, 상기 제1 인공 위성의 자세 제어 모듈을 동작시키는 단계;
커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성의 커버리지 영역 및 제2 인공 위성의 커버리지 영역이 적어도 부분적으로 중첩하도록 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성으로 하여금 상기 제1 회전된 방위에 남아 있게 하기 위해, 상기 제1 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈을 추가로 동작시키는 단계를 포함하고;
인공 위성의 상기 커버리지 영역은, 지상 단말이 상기 인공 위성을 통해 통신 서비스에 액세스할 수 있는 지구 표면의 일부분이고;
상기 제1 인공 위성 및 상기 제2 인공 위성은 두 개의 별개의 궤도에서 지구를 공전하고;
지구 표면 상의 지정된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 커버리지 영역이 중첩하는 부분 내에 남아 있는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제7항에 있어서,
적어도 두 개의 인공 위성 커버리지 영역은 하루 중 미리 지정된 부분 동안 매일 상기 지정된 로케이션에 걸쳐 중첩하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 두 개의 궤도의 평면은, 극지역에서 지구의 표면과 교차하는 라인을 따라 서로 교차하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지정된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제2 인공 위성에 의해 그려지는 지상 진로의 일부를 포함하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 인공 위성이 지구 표면 상의 제2 트리거 로케이션 위를 통과할 때 상기 제2 인공 위성으로 하여금 상기 제2 인공 위성의 롤 축을 중심으로 제2 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제2 인공 위성을 제2 회전된 방위에 배치하기 위해, 상기 제2 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈을 동작시키는 단계;
상기 제1 및 제2 커버리지 영역이 중첩하는 부분의 사이즈가 더 크게 되도록 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제2 인공 위성으로 하여금 상기 제2 회전된 방위에 남아 있게 하기 위해, 상기 제2 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈을 추가로 동작시키는 단계를 더 포함하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 인공 위성이 지구 표면 상의 제3 트리거 로케이션 위를 통과할 때, 상기 제3 인공 위성으로 하여금 상기 제3 인공 위성의 롤 축을 중심으로 제3 각도만큼 회전하게 하는 것에 의해 상기 제3 인공 위성을 제3 회전된 방위에 배치하기 위해, 상기 제3 인공 위성의 자세 제어 모듈을 동작시키는 단계;
상기 커버리지 시간 간격 동안 지구 표면 상의 생략된 로케이션이 상기 제3 인공 위성의 상기 커버리지 영역 내에 있도록 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제3 인공 위성으로 하여금 상기 제3 회전된 방위에 남아 있게 하기 위해, 상기 제3 인공 위성의 상기 자세 제어 모듈을 추가로 동작시키는 단계를 더 포함하고;
상기 제3 인공 위성은 상기 제1 인공 위성의 상기 궤도 및 상기 제2 인공 위성의 상기 궤도와는 구별되는 궤도에서 지구를 공전하고;
상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성이 상기 제1 회전된 방향에 남아 있다는 사실이 없었다면, 상기 생략된 로케이션은 상기 커버리지 시간 간격 동안 상기 제1 인공 위성의 상기 커버리지 영역 내에 있었을 것인, 지구 저궤도 통신 위성 시스템의 통신 용량을 향상시키는 방법.
제1항에 있어서,
적어도 두 개의 인공 위성 커버리지 영역은 상기 지정된 로케이션에 걸쳐 항상 중첩하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.
제1항에 있어서,
적어도 두 개의 인공 위성 커버리지 영역은 하루 중 미리 지정된 부분 동안 매 평일(business day)마다 상기 지정된 로케이션에 걸쳐 중첩하는, 지구 저궤도 통신 위성 시스템.