KR20200107962A

KR20200107962A - 위성에서 위성으로의 무선 링크를 사용하는 데이터 전송 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20200107962A
Application number: KR1020207019847A
Authority: KR
Inventors: 제럴드 알. 슐뢰머
Original assignee: 스타 메쉬 엘엘씨
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-09-16
Also published as: US11206079B2; US20210067242A1; CA3083425A1; AU2018384617A1; WO2019118245A1; JP7366018B2; MX2020005990A; US20240195494A1; US20190181947A1; CN111566948A; CN111566948B; EP3725016A1; SG11202004637SA; US20220231758A1; EP3725016A4; CL2020001509A1; US10784953B2; IL275287A; JP2021506153A; US10291316B1

Abstract

무선 통신 시스템은 미리 정해진 범위의 북쪽 및 남쪽 위도에 분포된 임의의 낮은 지구 궤도에서 100 ~ 200개의 위성을 사용한다. 위성 자체는 위성의 위치를 결정하기 위한 온보드 글로벌 내비게이션 위성 시스템 회로(onboard global navigation satellite system circuitry) 및 특정 순간 위성 위치에서 목적지 지상국까지의 방향을 실시간으로 계산하기 위한 경로 생성 회로의 힘으로(by virtue of) 여러 위성 사이의 무선 링크를 통해 지상국 사이의 무선 경로를 생성한다. 위성의 방향성 안테나는 라우팅 위성 신호를 전송하여 다른 위성에 의한 수신 확률을 향상시킨다. 일 실시 예는 각각의 위성에 고유 식별자를 할당하고, 임의의 특정 시간에 시스템에서 모든 궤도 위성의 위치를 정의하는 궤도 정보를 저장하며, 무선 신호에 송신 위성과 관련된 고유 식별자를 포함시킴으로써 위성 대 위성 링크의 생성을 용이하게 한다.

Description

위성 대 위성 무선 링크를 사용하는 데이터 전송 시스템 및 방법

<관련 출원의 상호 참조>

본 출원은 2017년 12월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/596,928호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다. 또한, 발명자의 2017년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/656,111호, 2017년 9월 29일에 출원된 제15/719,611호, 2017년 11월 2일에 출원된 제62/580,463호, 2017년 12월 7일에 출원된 제62/595,919호, 및 2018년 3월 1일에 공개된 본 발명자의 국제 출원 번호 WO 2018/039292는 본 명세서에 참고로 포함된다.

<기술 분야>

본 발명은 궤도 연결 노드(orbiting linking node)를 사용하여 지상의 한 위치에서 다른 위치로 데이터를 전송하는 것에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하나 이상의 위성-위성 무선 링크를 포함하는 무선 경로를 통해 지구 표면의 먼 지상국(distant ground station)들 사이에서 데이터가 전송될 수 있도록 복수의 랜덤-궤도 위성의 충분한 수의 위성군(constellation)에서 위성들 사이에 무선 링크를 설정하는 것에 관한 것이다.

발명자의 미국 출원 번호 제15/656,111호(때로는 "'111 출원"이라고도 함)는 능동적인 온보드 자세 제어 없이 랜덤 궤도에서 위성을 이용하는 새로운 무선 통신 시스템을 개시하고 있다(본 명세서 및 상호 참조된 출원에서 사용된 "랜덤 궤도"의 특별한 의미는 아래에 더 반복된다). 알려진 많은 우주 기반 통신 시스템의 위성과 달리 '111 출원의 위성에는 특정 궤도 또는 자세를 유지하기 위한 추진 시스템이나 이동식 기계 부품이 없다. 결과적으로, 종래의 위성 통신 시스템에서 사용되는 위성 인프라의 종류를 확립하는데 요구되는 비용의 극히 적은 비용으로 발사되고 궤도에 삽입되도록 상기 위성은 아마도 수백 개의 위성의 위성군(constellation)을 허용하는 것을 목표로 매우 작고, 가벼우며, 저렴한 비용으로 만들어질 수 있다. 일 실시 예에서, 지구 표면의 특정 지역에서 여러 위성이 시야에 들어올 수 있도록 하기 위하여, 발명가의 이전 시스템은 충분한 수의 위성을 최대 200개 이상 사용한다. 새로운 위성 안테나 구조와 무선 링크를 만드는 독특한 방법을 결합함으로써, 이 시스템은 위성군(satellite constellation)과 지상에서 데이터 통신을 위한 지상 대 위성(ground-to-satellite) 무선 링크를 쉽게 구축할 수 있다. 발명자의 '111 출원 및 출원 번호 제15/719,611호(때로는 "'611 출원"이라고도 함)은 본 명세서에 개시된 시스템에 유용한 위성용 안테나 구조의 다양한 실시 예를 개시한다.

'111 및 '611 출원의 위성 라디오 시스템은 원칙적으로 임의 궤도에 충분한 위성이 있을 가능성에 의존하고, 지상국과 다른 위성(총칭하여 "노드"라고 함)의 가시선에는 두 개의 서로 다른 노드의 안테나가 쌍을 이루고 노드 간 무선 링크를 형성할 수 있는 충분한 수가 있을 것이다. 그러나 더 많은 위성 대 위성 링크가 경로에 통합됨에 따라 두 개의 지상국 간에 무선 경로를 생성할 가능성이 줄어든다. '111 및 '611 출원에 설명된 것과 같이 구성된 위성 안테나는 서로 다른 위성의 안테나가 쌍을 형성할 가능성을 높이지만 두 지상국 사이에서 가장 신뢰할 수 있는 경로 생성에는 단일 위성을 통한 두 개의 홉 경로(hop route)가 포함된다. 지상국의 크기 또는 무게가 위성과 같이 제한되지 않기 때문에 지상국은 훨씬 더 많은 안테나를 사용할 수 있고 훨씬 더 강력해지기 때문이고, 이는 상대적으로 낮은 이득(low-gain)의 안테나와 제한된 가용 전력을 가지고 있다.

대부분의 경우 단일 위성으로의 경로를 제한하면 시스템 성능에 거의 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 임의의 궤도에서 200개의 위성의 위성군을 사용하는 "111 출원에 기술된 일 실시 예에서, 이집트와 같은 주어진 국가의 어느 곳의 지상국은 약 10개의 위성을 "볼" 것이다. 또는 다른 방법으로 말하면, 특정 위성이 지상국 위치로부터 수평선에 얼마나 가까운지에 따라, 적어도 하나의 위성이 이 지역의 어느 곳에서도 보이지 않을 확률은 백만에서 약 35에 불과하다. 단일 위성 경로로 더 먼 거리를 커버하는 한 가지 방법은 중간에 위치한 두 개의 지상국 사이에 지상 연결(terrestrial connection)을 제공하는 것이다. 이 접근법에서, 발신 지상국(originating ground station)은 단일 위성 경로를 통해 하나의 중간 지상국에 연결되며, 이는 다른 하나의 중간 지상국에 지상적으로(terrestrially) 연결된다. 제2중간 지상국은 단일 위성 경로를 통해 목적 지상국으로 연결된다. 그러나 이러한 접근 방식은 대양과 같은 넓은 수역이나 사막이나 열대 우림과 같은 기후가 좋지 않은 지형으로 분리된 지상 위치에는 구현하기 어려울 수 있다.

위성 대 위성 링크를 사용하여 광범위하게 분리된 위치에서 공간-기반 통신을 가능하게 하는 것은 주로 규정된 궤도로 유지되는 위성을 포함하는 시스템 인프라와 관련하여 접근되어 왔다. Liu 등의 미국 특허 제7,502,382호는 위성 대 위성 무선 링크를 통해 정보를 전송하기 위해 특별히 고안된 시스템의 예를 기술하고 있다. Liu는 궤도면(orbital planes)을 규정한 여러 코호트(cohort)에 위성을 배치한다. 특허에 기술된 실시 예에서, 위성은 3개의 고정 궤도에 있으며, 9개의 위성의 코호트가 그들 각각의 궤도 내에 균일하게 분포되어 있다. 궤도 코호트 중 하나의 위성은 동일한 궤도의 인접한 위성과 다른 궤도 각각의 위성과 무선 링크를 설정할 수 있다. 다른 궤도면에서 위성으로 향하는(destined) 소스 위성으로부터 전송된 정보 패킷은 목적지 위성이 위치한 다른 평면과의 링크를 형성할 수 있는 동일 평면 내의 위성으로의 평면 링크를 통해 이동한다. 라우팅 테이블은 지상에서 업로드되고 각 위성에 저장되므로 한 위성에서 다른 위성으로의 경로가 미리 지정된다.

Liu의 시스템은 적어도 이론적으로는 효과적인 위성 대 위성 링크를 생성할 수 있지만, 위에서 상호 참조된 특허 출원에 기술된 종래 기술과 동일한 단점이 많다. Liu는 위성을 엄격하게 규정된 궤도에 유지해야 하는데, 이로 인해 추진 시스템을 갖추어야 하므로 위성이 크고 무거워지고 건설 및 발사 비용이 많이 든다. 그러나 알려진 궤도에서 위성이 유지되는 Liu 시스템에 의해 사용되는 경로 생성 기술은 위성이 규정된 궤도에 있지 않은 시스템에서 작동할 수 없다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 즉, Liu 시스템의 작동성(operability)은 위성이 특정 고도에서 정확하게 유지된 궤도에 있도록 위성에 의존하여 각 위성이 다른 위성으로 신호를 전송하는 정확한 방향을 알 수 있도록 한다.

실제로 상용화된 유사한 위성 시스템의 예는 Schwendeman의 미국 특허 번호 제5,274,840호 및 Bertiger 등의 미국 특허 번호 제5,410,728호와 같은 다양한 특허에 개시되어 있으며, 둘 다 Motorola, Inc.에 양도되어 있다. 이 시스템은 또한 위성들 사이 및 위성들과 지상의 트랜시버(transceiver)들 사이의 신호들에 대한 트랜시버(transceivers)로서 미리 결정된 수의 극궤도(polar orbit)에 균일하게 분포된 위성들을 이용했다. 이 시스템은 이리듐(Iridium)에 의해 상용화되었지만 위성을 알려진 미리 정해진 궤도에 유지하는데 의존하는 모든 위성 시스템에 공통적인 단점이 있었다. 상기 위성은 원하는 궤도를 유지하기 위해 추진기(thruster), 로켓 연료 및 내비게이션 하드웨어가 필요하여 위성 크기와 무게가 증가했다. 그 결과 위성 발사 비용과 비용이 많이 들었다. 그리고 불가피한 위성 고장을 처리하기 위해 추가 위성을 고장난 위성 궤도로 조종해야 하므로 추가 위성과 그에 따른 높은 제조 및 출시 비용을 요구하여 전체 시스템 비용을 증가시켜야 한다. 복잡한 컴퓨터 기술을 사용한 지면 기반 궤도 및 자세 제어는 시스템 비용을 더욱 증가시킨다. 결국 이 시스템의 단점은 대량 시장 응용 프로그램에 상업적으로 사용할 수 없는 시스템이 되었지만 군사 응용 프로그램 및 원격 지역으로부터의 기자에 의한 보고와 같은 전문 영역에서 사용되는 것으로 여겨진다.

이와 같은 종래 기술의 시스템은 지상국 간 무선 경로를 너무 멀리 떨어져 있어서 2 홉(two-hop) 지상-위성-지상 무선 경로에 의해 연결될 수 없다. 그러나 그들은 추진 궤도에 위성을 삽입하고 유지하기 위해 온보드 추진 시스템을 갖춘 위성을 필요로 한다. 이로 인해 엔지니어링 및 제조 비용이 많이 들고 무게가 증가하여 비용이 많이 든다. 또한, 이 시스템을 작동하려면 위성을 정해진 궤도에 유지하기 위해 인프라와 인력이 필요하다. 위성의 궤도가 붕괴하거나 추진 시스템이 오작동하는 경우 시스템에서 고장난 위성 위치에 또 다른 무겁고 값 비싼 위성을 삽입해야 한다.

'111 및 '611 출원에 설명된 것과 같이 제어되지 않은 임의 궤도에 배치된 작고 가벼운 위성을 사용하여 지표면의 멀리 떨어진 위치 간에 데이터 통신을 안정적으로 전달하는 방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 위성이 미리 결정된 궤도에서 유지될 필요 없이 또한 서로에 대해 미리 결정된 태도로 유지하기 위한 능동 태도 제어 메커니즘을 통합할 필요 없이 신뢰할 수 있는 위성 간 무선 링크를 설정할 수 있는 복수의 연결 노드를 제공하는 위성들의 위성군을 포함하는 무선 통신 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 기능을 통해 저렴하게 설계하고 발사할 수 있는 작고 가벼운 위성을 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 상기 위성은 다중 방향으로 송수신할 수 있는 복수의 안테나를 포함한다. 상기 시스템에서 사용하기에 적합한 위성의 실시 예는 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제15/656,111호 및 제15/719,611호에 설명되어 있으며, 두 출원 모두에 설명된 위성의 구조 및 작동은 마치 전체가 설명된 것처럼 참조로 본 명세서에 통합된다. 본 발명자의 이전 미국 출원 및 국제 출원 WO 2018/039292("WO '292"라고도 함)에 설명된 시스템 및 방법과 비교하여, 이들 위성은 서로 멀리 떨어진 지상 위치 사이에서 데이터 통신의 신뢰성과 예측 가능성을 높이기 위해 본 명세서에 설명된 랜덤 궤도 시스템 및 방법에 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 2-홉/단일 위성 무선 경로를 설정하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있도록 멀리 떨어진 지상 위치 간에 무선 경로를 생성하는데 특별한 유용성을 가지고 있다.

본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 특정 양태는 위성의 태양 패널을 통해 재충전된 배터리로 구동되는 다수의 경량 랜덤-궤도(lightweight random-orbit) 위성으로 지구를 덮는(blanketing) 것을 포함하며, 각 위성에는 지구 표면을 기준으로 자신의 위치를 결정할 수 있는 온보드 GNSS(Global Navigation Satellite System) 회로를 포함한다. 이 기능을 통해 데이터 전송을 위한 위성 대 위성 무선 링크(satellite-to-satellite radio link)를 안정적으로 생성하기 위한 여러 가지 새로운 전략을 사용할 수 있다. 위성군에 충분한 수의 위성이 있어 지구 표면의 모든 또는 거의 모든 위치가 수많은 위성을 볼 수 있다는 사실과 함께, 데이터는 단일 위성을 통해 통신하기에는 너무 먼 지상국 간에 안정적으로 전송될 수 있다.

본 발명에 따른 특정 바람직한 경로 생성 전략에서, 모든 위성은 다른 모든 위성의 궤도 매개 변수를 저장한다. 이것은 특정 목적지 지상 위치에 대해 지정된 데이터 전송을 수신한 하나의 위성이 선호하는 무선 경로를 목적지에 제공하기 위해 데이터 통신을 전송할 수 있는 하나 이상의 다른 위성을 선택할 수 있게 한다. 위성은 그것의 특정 궤도 매개 변수를 하나 이상의 지상국을 통해 다른 위성으로 보내거나, 위성 위성군 도처에(throughout) 전파하기 위해 다른 위성으로 직접 전송할 수 있다.

본 발명의 일 양태는 부분적으로 많은 상이한 방향으로 송신 및 수신할 수 있는 복수의 안테나를 각각의 그러한 위성에 통합하는 것에 있다. 무선 링크는 한 위성의 안테나에서 전송된 무선 빔이 다른 위성의 안테나에서 수신될 때 생성될 수 있다. 이것은 본 명세서에서 "빔 정합(beam match)"이라고도 한다. 고유한 안테나 배열과 위성 및 지상국에서 고유하게 코딩된 무선 전송을 사용하면 하나 이상의 위성을 통해 무선 링크를 조립하여 지상국 간에 무선 경로를 설정할 수 있다.

보다 일반적인 측면 중 하나에서, 본 발명은 위성이 자세 제어(attitude control)없이 제어되지 않은 궤도에서 이동함에 따라 사실상 실시간으로 하나 이상의 위성을 통해 지상국 사이의 무선 경로를 생성하기 위해 계산을 수행하고 안테나를 선택할 수 있는 온보드 컴퓨터가 있는 고유한 위성 구조를 사용한다. 상기 무선 경로는 위성에 의해 운반되는 컴퓨터에 의해 실행되는 방법에 의해 결정되므로 중앙 컴퓨터는 지상국 간의 최적의 무선 경로를 구성할 위성을 지정하는데 필요하지 않다.

본 명세서에 공개된 시스템의 특별한 이점은 바람직한 실시 예에서 발사 비용을 절감하고 특정 궤도와 특정 자세에서 위성을 유지하기 위한 복잡하고 값비싼 제어 시스템의 필요성을 제거하는 경량의 배터리 구동 위성으로 지구를 덮음으로써 위의 기능과 아래에서 자세히 설명하는 기능을 제공한다는 것이다. 본 발명의 또 다른 측면은 위성 중량, 크기 및 전력에 대한 제한이 지상국에 적용되지 않기 때문에 위성에서 사용되는 것과 다른 안테나 배열을 갖는 지상국을 사용한다. 즉, 지상국은 더 큰 안테나 밀도(주어진 구형 영역에 대해 더 많은 안테나 빔)를 가질 수 있고 더 많은 전력(게인)을 가진 안테나를 사용할 수 있으므로 사실상 하나 이상의 위성을 통해 두 지상국 간에 데이터 통신이 가능할 것이다.

본 발명의 다른 실시 예는 축을 중심으로 돌거나 회전하는 위성을 사용함으로써 위성 사이 및 위성과 지상국 사이에 무선 링크를 설정하는 위성의 능력을 향상시킨다. 이는 각 위성이 주어진 시간 동안 다른 위성에서 더 많은 안테나를 "볼" 가능성이 높기 때문에 두 위성 간에 빔 일치를 생성할 확률을 높인다. 따라서 빔 폭이 더 좁은 고-이득 안테나를 사용할 수 있으므로 무선 링크의 강도와 데이터 전송의 신뢰성이 향상된다. 일반적으로 위성은 미리 결정된 각속도로 배치되며 위성마다 다를 수 있다. 이 실시 예의 한 변형에서, 시스템은 반대 방향으로 회전하는 위성을 포함한다. 이 실시 예를 실현하기 위한 추가 고려 사항은 다음의 상세한 설명에서 논의된다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 멀티 피드 포물선 안테나(multi-feed parabolic antenna)를 사용하여 규정된 구형 영역을 통해 각 안테나로부터 복수의 무선 빔을 전송함으로써 시스템 노드 (위성 및 지상국) 사이에 무선 링크를 설정하는 시스템의 능력을 향상시킨다. 상기 안테나는 각 무선 빔이 더 많은 이득을 갖도록 다른 실시 예에서 사용되는 단일-피드 안테나보다 더 큰 반사기(reflector)를 포함한다. 본 실시 예에 따른 위성은 유사한 수의 단일-피드 안테나를 가진 위성보다 크고 무거울 수 있지만, 그들은 시스템 노드 간의 고품질 무선 링크를 나타내는 빔 매칭을 생성하는데 사용할 수 있는 고-이득 무선 빔을 훨씬 더 많이 전송한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서, 지상국은 특정 지상국이 제공하는 영역(area)을 늘리고 상기 시스템에 연결할 수 있는 지상의 사용자 수를 늘리기 위해 일반적으로 고도가 500 피트 이하인 저공 비행 드론에 장착할 수 있다. 이 실시 예는 인구 밀도가 낮은 지역 또는 비슷한 수의 사용자에게 서비스를 제공하기 위해 다수의 타워-기반 지상국을 구축하는 것이 비용이 많이 드는 제한된 접근성을 갖는 지역에서 특별한 유용성을 가질 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 측면 및 특징 및 그 실시 예는 이 설명이 진행됨에 따라 더 상세히 다루어질 것이다.

이 요약은 아래에서 자세히 설명하는 개념의 선택을 단순화된 형태로 소개하기 위해서만 제공된다. 본 명세서에서 청구된 주제의 핵심 또는 필수 특징을 반드시 식별하기 위한 것은 아니며 청구된 주제의 범위를 결정하는데 도움을 주기 위한 것도 아니다.

본 발명의 목적은 첨부 도면과 관련하여 후술되는 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 유사한 참조 번호 및 문자는 전체에 걸쳐 유사한 특징을 지칭한다. 다음은 첨부된 상세한 설명에 사용된 도면을 간략하게 식별한 것이다.
도 1A 및 도 1B를 포함하는 도 1은 본 명세서에 개시되고 청구된 공간-기반 무선 시스템(space-based radio system)에서 저-지구 궤도(low-earth orbit)에서의 위성 사용과 관련된 기하학적 원리를 도시한다.
도 2는 본 명세서에 개시되고 청구된 공간-기반 무선 시스템에 사용하기에 적합한 위성의 실시 예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 위성의 다양한 동작 구성 요소의 표현이다.
도 4는 본 발명의 특정 양상에 따라 장거리에 걸쳐 데이터 전송을 제공하기 위한 시스템 및 방법의 기본 원리를 설명하기 위해 사용되는 저-지구 궤도에 배치된 2개의 상기 위성의 하나의 궤도 트래버스를 도시하는 지구의 메르카토르 투영도(Mercator projection)이다.
도 5는 각 위성이 모든 다른 위성의 궤도를 정의하는 파라미터를 알 수 있도록 위성 인프라가 도 4에 도시된 위성군으로부터 생성되는 본 발명의 실시 예를 구현하기 위해 위성과 지상국 사이에서 교환되는 정보를 개략적으로 도시한다.
도 6은 위성 대 위성 무선 통신을 용이하게 하기 위한 안테나 구성을 도시한 도 2에 도시된 위성과 같은 구형 위성 표면의 일부의 개략적인 2차원 묘사이다.
도 7은 본 발명의 특정 실시 예에 따른 위성-위성 링크의 설정을 예시하기 위해 지구 표면을 구역으로 분할한 것을 도시한다.
도 8은 특정 순간에 지표면의 일부 위에 위치한 복수의 궤도 위성(S)을 도시한 도 7의 일부를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 지구 표면의 일부에서 지상국 사이의 지구 표면의 스와스(swath)에서 위성 쌍 사이의 거리를 마일 단위로 나타내는 항목이 있는 행렬이다.
도 10A, 10B 및 10C를 포함하는 도 10은 위성 대 위성 무선 링크를 이용하는 공간 기반 통신 시스템의 대안적인 실시 예에 따른 회전 위성을 개략적으로 도시한다.
본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 도면이 축척에 비례하지는 않지만, 다음의 바람직한 실시 예의 상세한 설명과 함께 본 발명을 만들고 사용하기에 충분하다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

다음의 상세한 설명은 청구된 주제를 구현하는 다양한 방식을 나타내는 구체적인 실시 예의 특정 예를 제공하기 위한 것이다. 청구된 주제가 속하는 관련 기술 분야의 통상의 기술자의 지식수준을 고려하여 기록된다. 따라서, 그러한 사람이 여기에 설명된 실시 예들을 실현할 수 있게 하는 것으로 특정 세부 사항들이 생략될 수 있다.

본 발명의 특정 바람직한 실시 예에 대한 다음의 상세한 설명은 다음과 같이 구성된다:

I. 정의

II. 위성 연결 노드를 사용하는 시스템의 기본 개념 및 원리

A. 위성 설계: 안테나 구성 및 온보드 제어 회로

B. 위성 대 위성 무선 링크를 용이하게 하는 위성 특징

III. 경로 생성 방법

A. 범용 위성 인프라 생성

1. 위성 간 지상국 중계 궤도 매개 변수

2. 위성 사이에서 직접 전송되는 궤도 매개 변수

B. 위성 대 위성 링크로 무선 경로를 생성하기 위한 구역/매트릭스 시스템

1. 풀 존/매트릭스 시스템

2. 제한 존/매트릭스 시스템

3. 다이나믹-홀드 존/매트릭스 시스템

4. 가변 존/매트릭스 시스템

C. 위성 대 위성 링크로 무선 경로를 생성하기 위한 구역/방향 시스템

D. 위성 대 위성 링크로 무선 경로를 생성하기 위한 벡터/방향 시스템

IV. 기타 수정 및 변형

A. 회전 위성

1. 역-회전 위성

2. 다른 각속도로 회전하는 위성

3. 기타 고려 사항

B. 드론-장착 지상국

C. 위성-위성 링크로 무선 경로에 적용되는 블록체인 원리

V. 요약 및 결론

I. 정의(Definitions)

다음의 설명은 특정한 의미를 갖는 수많은 용어를 사용한다. 본 명세서에 기술되고 청구된 시스템의 특정 실시 예의 중심에 있는 하나의 개념은 위성이 "랜덤 궤도"에 있을 수 있다는 것이다. 이 용어는 시스템의 위성 수의 맥락에서 고려되어야 하며, 일반적으로 지구의 범위(coverage)를 최대화하거나 지정된 북위 및 남위도 사이에서 지구의 원하는 스와스(swath)를 목표로 충분한 간격으로 충분한 수의 위성이 궤도에 배치됨을 의미한다. 순수한 수학적 의미에서 랜덤 분포를 다루지만, 그렇게 제한되지는 않는다. 오히려 궤도 위성에 적용되는 "랜덤"은 특정 위치와 특정 시간에 위성을 정확하게 배치할 필요가 없으며, 그리고 궤도에 배치하는 방식이 시스템을 구성하는 위성의 수와 적절한 통계적 방법에 따라 계산된 원하는 확실도를 고려하여 지구 표면의 어떤 지점이라도 항상 적어도 하나의 위성이 보일 수 있어야 함을 의미한다(위성들은 궤도를 돌면서 지구 표면의 어떤 특정 지점으로 위성이 지속적으로 들어오고 나가기 때문에, 다른 위성들이 다른 시점에 주어진 지점에 대한 요구 사항을 충족시킬 것임을 이해할 것이다.). 예를 들어, 소위 의사 난수(pseudorandom number)를 생성하기 위한 공지된 방법이 초기 위성 수 및 배치를 계산하기 위한 기초로서 사용될 수 있다. "랜덤" 위성 분포를 달성하는 일부 방법은 미국 특허 제5,566,354호 "위성 발사" 섹션에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참조로 포함된다.

요약하면, "랜덤 궤도"는 지구 표면의 특정 표면을 최대한 넓히도록 설계된 방식으로 배치될 수 있지만, 위성이 궤도로 발사된 후 다른 위성 및 특정 시간에 지구에 대한 특정 위성의 위치가 제어되지 않도록 위성이 배치됨을 의미한다. 언급한 바와 같이, "랜덤 궤도"는 위성을 수학적으로 무작위로 배치할 것을 요구하지 않고, 그러나 위성을 사용하여 생성된 무선 경로에 의해 제공될 지구의 지리적 영역을 고려하는 위성 배치 방향, 각도, 고도, 속도 등을 결정하기 위해 수학적 방법을 사용하는 것은 "랜덤 궤도"라는 용어의 범위 내에 있다. 또한, 개별 위성은 다른 또는 다른 배치 기술과 결합하여 서로 다른 궤도 방향으로 (지구의 동쪽 또는 서쪽으로) 발사될 수 있으며, 그들의 위치가 서로에 대해 그리고 지구의 관찰자에게 임의적으로 보이도록 하는 목표를 발전시킨다. 예를 들어, 위성은 궤도 방향(즉, 일반적으로 동쪽 또는 서쪽)으로 이동하는 발사체 차량과는 다른 속도로 다른 방향으로 방출되어(ejected) 시간이 지나면 그들은 본질적으로 통제되지 않은 방식으로 궤도로 자신을 분리하고 여기에 사용된 정의 내에서 "랜덤 궤도"를 가정한다. 여기에는 주어진 궤도 방향으로 이동하는 하나 이상의 발사 차량을 사용하여 위성군의 모든 위성을 발사하는 것이 포함된다.

본 명세서에 설명된 시스템에서 위성에 적용되는 용어 "수동 자세 제어" 및 관련 용어 "능동 자세 제어 없음"은 위성이 외부 기준 프레임에 대하여 위성의 자세를 의도적으로 변경하기 위해 다른 위치로 이동된 부분들과 함께 자세 제어 메커니즘을 갖지 않음을 의미한다. 능동 자세 제어 메커니즘의 예는 위성에 순간을 부여하여 회전할 수 있은 추진 장치가 있는 추진 시스템 또는 위성의 무게 중심 또는 각 운동량을 변경하는데 사용할 수 있는 움직이는 부품이 있는 기계적 수단이다. 이 용어는 이동 부품 없이 위성 자세를 변경하기 위한 수동 수단의 사용을 배제하지 않으며, 이로써 위성은 단순히 구조 및 제조에 사용되는 재료로 인해 시간이 지남에 따라 특정 자세를 취하는 경향이 있을 수 있다. 또한 위성의 태도에 영향을 미치는 전기 수단을 배제하지 않는다. 여기에는 위성의 자세를 바꾸는 방식으로 지구 자기장과의 상호 작용을 변화시키기 위해 하나 이상의 전자석 어레이의 선택적 변환과 같은 기술이 포함될 수 있다. 현재 알려지거나 미래에 개발된 유사한 기술들도 "수동 자세 제어"및 "능동 자세 제어 없이"라는 용어로 커버된다.

이하의 설명에서 사용되는 다른 용어는 "데이터 통신" 및 "라우팅 메시지"이다. "데이터 통신"은 달리 명시적으로 또는 문맥으로 표시되지 않는 한 위성 사이 또는 위성과 지상국 사이의 무선 링크를 통해 (디지털 또는 다른 방식으로) 전송된 콘텐츠를 포함한다. 그러한 것으로 제한되지는 않지만, 본 명세서에 설명된 시스템은 패킷(packet), 본 명세서에서 일반적으로 허용되는 정의로 전송 내용을 나타내는 부분(때로는 "페이로드"라고 함)을 포함하는 디지털 데이터의 수집 및 제어부분(때로는 "헤더" 또는 "트레일러"라고 함)(여기에는 소스 및 대상 주소, 오류 감지 코드 및 시퀀싱 정보와 같이 페이로드를 성공적으로 전달할 수 있는 정보가 포함된다)의 데이터 전송에 특히 적합하다. 라우팅 메시지는 다중 링크 무선 경로에 포함하기 위한 노드의 적합성에 대한 정보를 포함하는 시스템의 노드(지상국 또는 궤도 위성)에서 전송된 무선 신호이다. 주어진 무선 신호는 라우팅 메시지 및 데이터 통신 모두를 포함할 수 있다.

"노드"는 다른 노드에 의해 수신되도록 의도된 무선 신호를 전송하고 다른 노드로부터 전송된 무선 신호를 수신하기 위한 트랜시버(transceiver)를 포함하는 물리적 대상이다. 노드는 지면-기반("지상 노드(ground node)") 또는 지구 주위의 궤도에 있는 위성("링크 노드"라고도 함)일 수 있다. 본 명세서의 설명은 약 500 마일 정도의 고도에서 낮은 지구 궤도에서 궤도 노드 위성으로서 사용하는 것에 기초하지만, 본 시스템 및 방법은 그렇게 제한되지 않는다. 하나의 변형에서, 100-200 마일 범위의 매우 낮은 지구 궤도의 위성은 지상에 도달하는 무선 신호의 강도를 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 지상국은 실제로 지상 구조물이거나 약 500 피트 이하의 고도에서 실질적으로 고정된 위치로 유지되는 저-비행 드론에 장착될 수 있다. 드론-장착 지상국은 더 많은 사용자가 인구 밀도가 낮은 지역에서 시스템에 연결하고 지상국이 접근할 수 없는 지역으로 유입될 수 있도록 한다.

당업자라면, 본 명세서에 개시되고 청구된 주제의 설명에서, 다양한 도면에 기술되고 도시된 제어 회로 및 구성 요소는 그들에 속하는 기능을 수행할 수 있는 임의의 전자 컴퓨터 시스템의 예인 것으로 의도된다. 이러한 컴퓨터 시스템은 일반적으로 필요한 입출력 인터페이스 장치 및 프로그램 명령을 실행하기에 적합한 운영 체제 및 애플리케이션 소프트웨어를 갖춘 중앙 처리 장치(CPU)를 포함할 것이다. 또한, 시스템의 구성 요소를 지칭하는 용어는 본 명세서에서 간략화를 위해 사용된다. 예를 들어, 용어 "구성 요소(component)", "모듈", "시스템", "장치", "인터페이스" 등은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 일반적으로 컴퓨터 관련 엔티티, 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합(펌웨어), 소프트웨어 또는 실행중인 소프트웨어를 지칭한다. 또한, "모듈" 또는 "구성 요소"라는 용어는 그 자체가 자체 포함 구조를 의미하는 것이 아니라 특정 기능을 수행하기 위해 결합하는 다양한 하드웨어 및 펌웨어를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 구성 요소 또는 모듈은 프로세서상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 파일, 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 전자 컴퓨팅 장치에서 실행되는 응용 프로그램 및 장치 자체는 구성 요소일 수 있다. 하나 이상의 구성 요소는 프로세스 및/또는 실행 스레드 내에 상주할 수 있으며, 구성 요소는 하나의 컴퓨터에 국한되고/되거나 둘 이상의 컴퓨터 사이에 분산될 수 있다.

II. 위성 연결 노드를 사용하는 시스템의 기본 개념 및 원리(Basic Concepts and Principles of Systems Using Satellite Linking Nodes)

이미 언급한 바와 같이, 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 백본은 상기 식별된 상호 참조된 출원에 개시된 위성의 위성군(constellation)이다. 즉, 상기 시스템은 다수의 링크 노드를 포함하며, 이는 이러한 응용에 개시된 구조물을 갖는 저-지구 궤도 위성의 형태를 취할 수 있다. 본 명세서에 설명된 시스템은 주로 위성 간 위성 링크를 생성하는 것에 관한 것으로, 특히 단일 위성을 사용하여 무선 경로를 지원하기에는 너무 멀리 떨어진 지상 노드 사이의 무선 경로를 생성하기 위한 것이다. 본 명세서의 설명 전체에서, 용어 "무선"은 일반적으로 라디오 파(radio wave)로 지칭되는 주파수에서의 전자기 복사(electromagnetic radiation)에 대한 언급으로 제한되지 않는다. 이는 빛, 마이크로파, VHF("very high frequency"), UHF ("ultrahigh frequency") 등을 포함하여 정보를 전송할 수 있는 임의의 주파수의 전자기 복사를 포함하는 것을 의미한다.

넓게 분리된 지구 위치(terrestrial location)에 인터넷 액세스를 제공할 수 있는 시스템 및 방법의 실시 예는 약 500 마일의 고도에서 임의의 낮은 지구 궤도에 배치된 다수의 위성의 위성군을 사용한다. 도 1A와 1B는 이 원리를 그래픽으로 보여준다. 500마일의 고도(AL)에서 위성(S)으로부터 수평선(EH)까지의 대략적인 거리(DH)는 공식 DH　=　[(R　+　500)² - R2]^½에 따라 계산될 수 있으며, 여기서 R은 지구의 반경이다. R에 대해 선택된 값에 따라 DH는 약 2000마일이다. 따라서 위성의 적용 범위 AR은 π × DH² ≒ 12,500,000 sq. mi 이다. 지구 표면적을 197 밀리언 평방 마일로 측정하면 각 위성은 지구 표면의 약 6%를 "덮고" 평균적으로 표면의 한 지점이 약 12개의 위성 (200 × 0.06)을 "볼" 것이다. 반대로, 단일 위성이 지구의 특정 지점에서 보이지 않을 확률은 94%이다. 임의의 궤도에 발사된 200개의 위성이 있다면, 지구상의 어떤 지점이 적어도 하나의 위성을 볼 수 없을 확률은 0.94²⁰⁰ ≒ 0.0004% (즉, 백만 중 4)이다. 미국 특허 제5,566,354호는 상이한 수의 위성에 대한 표면상의 한 지점의 시간에 따른 일정한 커버리지의 추정 확률을 보여주는 표가 여기에 참조로 포함된다.

주어진 위성군에서 더 많은 수의 위성이 데이터 전송에 이용될 수 있는 가능성은 위성을 특정 위도 범위의 스와스 내에, 예를 들어 북극과 남극 사이에 배치함으로써 실현될 수 있다. 이렇게 하면 극에서 사용 가능한 위성 수가 줄어들 수 있지만 전체 위성군은 여전히 지구 표면의 약 90 %에 분산된다. 이것은 북극과 남극권에서 어느 정도 떨어진 지구 표면상의 어떤 위치의 가시선 내에 있을 가능성이 있는 위성의 수를 증가시킨다. 반대로 시스템을 구현하는데 필요한 위성 수를 줄인다. 북극권에서 더 멀리 살고 있는 사람들이 거의 없기 때문에 이런 식으로 전 지구 위성 범위를 제한하는 유일한 영향은 북극과 남극의 전초 기지(outpost)일 것이다. 그럼에도 불구하고 이 설명이 진행됨에 따라 명백한 바와 같이, 최악의 경우 데이터 송수신에 지연이 발생할 수 있다.

다른 실시 예에서, 위성은 북회귀선(Tropics of Cancer)과 남회귀선(Capricorn) 사이의 스와스에만 배치될 수 있다. 같은 수의 위성의 경우, 이는 북회귀선(Tropics of Cancer)과 북극권 사이 및 북회귀선과 남극권 사이에서 아프리카, 남아시아 및 미크로네시아와 같은 많은 국가와 같이 온대 지역의 선진국에서 볼 수 있는 수준의 인터넷 액세스를 지원하는 인프라가 부족한 곳의 지상 위치를 볼 수 있는 범위를 크게 증가시킬 것이다. 그러한 분포는 또한 위성 대 위성 링크를 성공적으로 구축할 가능성을 증가시킬 것이다. 대안적으로, 위성군에서의 위성의 수는 시스템의 비용을 더욱 낮추기 위해 감소될 수 있다. 전술한 바와 같이, 위도 범위에서 제한된 위성의 위성군은 해당 용어의 상기 정의에서 논의된 바와 같이 달리 전개되는 경우 여전히 "임의 궤도"인 것으로 간주된다. 바람직한 실시 예에서, 궤도로 발사된 위성의 수는 시간이 지남에 따라 특정 수의 위성 고장 또는 궤도 붕괴로 인해 지구 대기로 재진입하여 파괴되거나 우주 파편으로 손상된 위성을 처리함으로써 지구 표면의 선택된 표면을 계속해서 완전히 커버할 수 있도록 계산된 수를 초과하는 것이 바람직하다.

본 명세서에 기술되고 청구된 시스템의 다른 중요한 특징은 위성이 능동적인 온보드 자세 제어(onboard attitude control)를 필요로 하지 않는다는 것이다. 따라서 그들은 각도 방향에 관계없이 궤도로 방출될 수 있다. 위성은 우주 정거장 등과 같은 발사 차량으로부터 배치될 수 있을 것으로 예상된다. 본 명세서에 기술된 시스템의 일부 실시 예에서 가능한 적은 각속도(angular velocity)로 시스템을 배치하려고 시도하는 것이 바람직할 것이지만, 그와 관련하여 특별한 노력이 요구되지는 않는다. 위성은 임의의 궤도에 있을 수 있고 능동 자세 제어가 없기 때문에 위성의 위치나 태도를 변경 또는 유지하기 위한 로켓 스러스터와 같은 온보드 메커니즘을 작동하기 위해 무겁고 비용이 많이 드는 온보드 시스템이 필요하지 않다. 원하는 경우, 각 위성은 궤도가 붕괴되는 시점을 감지하고 교체가 필요한 경우를 추적하고 궤도 기관에 적용 가능한 모든 국가 또는 국제 프로토콜을 준수하기 위해 추적 원격 측정(tracking telemetry)을 포함할 수 있다. 그러나 이러한 원격 측정을 제공하는 것은 비교적 간단하고 저렴할 것으로 예상된다.

A. 위성 설계 : 안테나 구성 및 온보드 제어 회로(Satellite Design: Antenna Configuration and Onboard Control Circuitry)

이미 언급한 바와 같이, 본 명세서에 개시된 위성 기반 시스템에 대한 링크 노드는 출원 번호 제15/656,111호 및 No. 제15/719,611호에 개시된 것들 이후에 모델링된 위성을 사용한다. 그러한 응용들에서의 위성의 설명은 전체적으로 제시된 것처럼 참조로서 본 명세서에 포함된다. 다음의 논의는 또한 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법에 사용된 위성과 관련된 특정 차이점을 지적한다. 이와 관련하여, 도 2는 그러한 위성-기반 시스템 및 방법에서 링크 노드로서 사용될 수 있는 위성(10)의 실시 예의 개략도이다. 위성(10)의 동작의 기본이 되는 특정 원리의 이해를 용이하게 하기 위해, CT를 중심으로 하는 구 형태의 외부 케이싱(12)이 도시되어 있다. 당업자는 다른 설계 고려 사항에 의해 지시된 경우 위성이 다른 형상을 가질 수 있음을 인식할 것이다. 위성의 특정 특징들은 서로 직교하는 x, y 및 z축을 갖는 좌표 시스템을 참조하여 설명될 것이지만, 이 좌표 시스템은 위성의 특징을 설명하는데 예시의 목적으로 엄격하게 사용된다. 예를 들어, 도 2에 부과된 좌표 시스템은 위성에 묶여 있고 위성이 천천히 회전함에 따라 지구에 대한 각도 방향을 변경하는 것으로 간주될 수 있다

예시적인 위성(10)은 복수의 안테나 모듈(12)을 포함하며, 그 중 하나는 예시의 목적으로 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예에서 각각의 안테나 모듈은 미리 결정된 방향으로 더 큰 전력으로 무선 신호를 송신 및 수신하는 방향성 안테나(directional antenna)를 포함한다. 본 실시 예는 각각 구형 위성의 중심(CT)에서 정점(vertex)과 함께 입체 각(solid angle)(Ω)을 차지하는 원형 접시 포물선 안테나를 사용한다. 일반적으로, 안테나 반사기(명확성을 위해 도면에서 생략됨)는 위성 표면 아래에 리세스될 것이다. 상기 위성에 통합된 개별 안테나 모듈의 수는 상기 시스템의 특정 응용 및 상기 안테나 설계에 따라 달라진다. 또한, 안테나 모듈은 출원 번호 제15/656,111호 및 제15/719,611호 중 어느 하나 또는 여기에 기술된 기능을 수행할 수 있게 하는 임의의 다른 구성에서 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 아래에 설명된 방식으로 상기 시스템의 동작에 영향을 미치기 위해 다른 위성의 지상국 트랜시버 및 안테나로부터 무선신호를 수신 및 전송하는 것을 가능하게 하도록 위성 주위에 분포된 특정 수의 안테나 모듈은 충분히 큰 구형 영역으로 무선 신호를 송신하고 무선 신호를 수신할 수 있도록 스테라디안에서의 Ω가 선택될 수 있다. 안테나모듈(12)의 실제 구성은 그 목표를 달성하기 위해 알려진 안테나 설계 원리를 사용하여 결정될 수 있다.

본 시스템에서 사용되는 위성은 도 3과 관련하여 아래에서 상세히 논의되는 위성 작동에 필요한 다양한 전자 및 기계 구성 요소를 수용할 수 있을 만큼 충분히 클뿐만 아니라 발사 스트레스 및 궤도에서 발생할 적대적인 환경에 대한 장기 노출에 견딜 수 있을 정도로 충분히 견고하다. 상기 '611 출원은 위성 및 그 안테나를 설계하기 위한 다양한 접근법을 설명하며, 세부 사항은 도 6과 관련하여 아래에서 더 논의된다.

본 시스템에서 사용하기에 적합한 위성 및 안테나는 복잡한 시스템을 엔지니어링하는 당업자에게 친숙한 트레이드 오프(trade-offs)에 따라 다른 형태를 취할 수 있음을 이해할 것이다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 아래에 설명된 특정 방법의 양상들 중 하나는 다른 위성들에서 안테나들에 의한 수신을 위해 하나 이상의 위성들에서 복수의 안테나들로부터의 무선 신호들의 전송을 포함한다. 위성 링크 노드에서 안테나의 수를 증가시키면 다른 링크 노드와 송수신하는 무선 신호의 커버리지가 증가하여 하나의 링크 노드의 신호가 다른 링크 노드에서 수신될 확률이 높아진다. 위성당 더 많은 안테나가 궤도에 배치된 위성의 수를 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 이러한 위성은 더 비싸고 무거워서 발사 비용이 증가할 수 있지만, 발사해야 하는 위성 수가 적기 때문에 다른 요인으로 인해 비용 증가를 상쇄할 수 있다. 당업자는 본 명세서에 설명된 시스템이 전체 360° 이하의 구형 커버리지로 송신하는 안테나 컬렉션을 갖는 위성 노드로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.

또한 복수의 태양 패널(그 중 3개는 14a, 14b 및 14c인)을 포함하는 위성(10)이 도 2에 도시되어 있다. 도시된 실시 예에서, 태양 패널은 서로 직교하는 평면으로 배향되고 위성(10) 주위에 등거리로 이격되어 있다. 이 실시예에서 태양 패널의 위치 및 방향을 설명하기 위해, 위성 적도(16)는 위성 표면이 x-y 평면에 평행하고 구의 중심 CT를 통과하는 평면에 의해 교차되는 큰 원으로 정의된다. 영 자오선(18)은 위성 표면이 x-z 평면에 평행하고 구의 중심 CT를 통과하는 평면에 의해 교차되는 큰 원으로 정의된다. 그리고 노말 자오선(normal meridian)(20)은 위성 표면이 y-z 평면에 평행하고 구의 중심 CT를 통과하는 평면에 의해 교차되는 큰 원으로 정의된다. 태양 패널(14a)은 상기 적도(16)와 영 자오선(18)의 교차점에서 적절한 장착 구조(mounting structure)(22a)에 의해 위성에 부착된다. 태양 패널(14b)은 적도(16)와 노말 자오선(18)의 교차점에서 적절한 장착 구조(22b)에 의해 위성에 부착된다. 그리고 태양 패널(14c)은 영 자오선(18)과 노말 자오선(20)의 교차점에서 적절한 장착 구조(22c)에 의해 위성에 부착된다.

상기 태양 패널은 일반적으로 태양 전지가 햇빛에 노출될 때 전기를 발생시키기 위해 일면 또는 양면에 태양 전지가 분포된 평면이다. 최대의 효과를 위해 평면형 태양 패널은 위성의 각도 방향에 관계없이 적절한 수의 태양 전지가 햇빛에 노출되도록 상호 직교 평면에 장착된다. 도시된 실시 예에서, 상기 태양 패널(14a)은 x-z 평면에 있고, 태양 패널(14b)은 x-y 평면에 있고, 태양 패널(14c)은 yz 평면에 있다. 위성은 적도, 영 자오선 및 노말 자오선이 위성의 다른 측면에서 교차하는 3개의 동반 태양 패널을 더 포함한다는 것을 이해할 것이다. 보조 태양 패널(도 3에서 프라임(')으로 표시됨)은 바람직하게는 도 2에 도시된 각각의 대응물(14a, 14b 및 14c)과 동일한 평면으로 배향된다. 각각의 태양 패널은 바람직하게는 위성 표면에 수직하므로 태양 패널에 인접한 안테나에 의한 무선 신호의 송수신을 방해하지 않는다.

도 2는 본 명세서에 기술된 위성 메시 시스템의 본 실시 예의 이해에 필요한 위성(10)의 특징을 도시하기 위한 것일 뿐이라는 것이 이해될 것이다. 당업자는 본 시스템을 구현하기 위한 실제 위성이 도 3의 개략도에 도시되지 않은 설계 특징을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 양호한 설계 관행은 안테나의 입구가 위성의 주변 표면 아래로 오목하게 되어 공간 파편에 의한 충격 손상의 가능성을 줄이도록 지시할 수 있다. 또는 위성에서 송수신되는 신호에 투명한 재질의 시트로 각 안테나 입구(오목 또는 불필요)를 덮어 추가 보호 기능을 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 태양 패널(14)의 설계 및 배치는 또한 매우 개략적이며, 여기에 개시되고 청구된 발명은 임의의 특정 태양 패널 구성, 배치 또는 배치 수단에 제한되지 않는다. 다른 변형에서, 안테나는 안테나 마우스(mouths) 사이의 공간에서 태양 패널이 위성 표면과 동일 평면에 장착될 수 있도록 배열될 수 있다.

도 3은 다른 노드와 무선 신호를 송수신할 수 있는 무선 경로를 생성하기 위해 위성(10)(노드)에 의해 수용된 다양한 컴포넌트(component)를 개략적으로 도시한다. 당업자는 본 명세서에 개시되고 청구된 주제를 포함하는 무선 시스템의 본 실시 예 및 다른 실시 예 및 측면의 설명에서, 다양한 도면에 기술되고 도시된 제어 회로 및 컴포넌트는 그들에 기인한 기능을 수행할 수 있는 임의의 전자 컴퓨터 시스템의 예인 것으로 의도된다. 이러한 컴퓨터 시스템은 일반적으로 필요한 입출력 인터페이스 장치 및 프로그램 명령을 실행하기 위한 적합한 운영 체제 및 애플리케이션 소프트웨어를 갖춘 중앙 처리 장치(CPU)를 포함할 것이다. 또한, 시스템의 컴포넌트를 지칭하는 용어는 본 명세서에서 간략화를 위해 사용된다.

도 3을 보다 상세하게 참조하면, 상기 위성(10)은 도 2의 xz 평면으로 도시되어 있다. 본 발명의 무선 시스템 및 그 컴포넌트를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 다른 도시와 같이, 도 3은 스케일되지 않는 것으로 이해될 것이다(It will be appreciated that FIGURE 3, like other depictions used herein to describe the subject radio systems and their components, is not to scale). 도 2에 도시된 바와 같이 태양 패널(14a 및 14c)뿐만 아니라 위에서 언급한 직경 대향 동반(diametrically opposed companion) 태양 패널(14a '및 14c')을 도시한다. 또한, 도 2와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 무선 신호를 송신 및 수신하기 위해 위성(10)의 모든 안테나 모듈을 나타내는 복수의 안테나 모듈(12a, 12b, 12c, 12d, 12e 및 12f)을 개략적으로 도시한다. 이 개략도는 본 실시 예의 동작 원리를 전달하기 위한 것으로서, 복수의 안테나 모듈이 조합되어 무선 신호를 실질적으로 모든 방사 방향으로 노드와 송수신할 수 있게 된다(그러나 이미 언급한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 시스템은 전체 360°이하의 구형 범위로 송신하는 안테나 어레이를 갖는 링크 노드로 구현될 수도 있다.). 이미 언급한 바와 같이, 안테나 모듈(12)의 구조에 관한 추가 세부 사항은 도 6을 참조하여 아래에 설명된다.

위성(10)은 위성의 컴포넌트를 동작시키기 위한 신뢰할 수 있는 전력 공급원을 제공할 수 있는 전력 모듈(30)을 포함한다. 상기 전력 모듈(30)은 상기 태양 패널에 의해 생성된 전기에 의해 충전되는 배터리를 포함한다. 적절한 전력 조절 장비는 태양 패널이 각 위성 궤도의 절반을 태양의 시야 밖으로 보내더라도 위성에 의해 운반되는 다양한 전자 부품에 정상 상태 전력을 제공한다. 전력 모듈 이외에, 상기 위성은 위성의 다양한 기능을 제어하기 위한 운영 소프트웨어를 저장하는 운영 체제 모듈(42)을 포함하는 중앙 처리 유닛(40)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, CPU(40)는 전력 및 데이터 링크(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f 등)를 통해 모든 안테나 모듈(12)에 작동 가능하게 연결된다.

도 3은 운영 시스템 모듈(operating system module)의 제어하에 있는 3개의 주요 작동 모듈(main operational module)도 나타낸다. GNSS 모듈(44)은 글로벌 내비게이션 위성 시스템과 통신하며, 그 예는 미국에 기반을 둔 GPS(Global Positioning Satellite) 시스템, European Union’s Galileo system, Russian GLONASS system, 및 the Chinese BeiDou system이다. 이 모듈을 통해 위성은 알려진 글로벌 내비게이션 위성 시스템에서 사용되는 방식으로 지구 표면에 대한 위치를 결정할 수 있다. 안테나 모듈(12)을 통해 위성 사이에서 교환되는 무선 신호는 2개 이상의 위성 사이의 데이터 통신을 위한 무선 경로를 생성하기 위해 아래에서 더 논의되는 로직을 이용하는 경로 생성 모듈(46)에 의해 사용된다. 데이터 이동 모듈(48)은 또한 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 위성 간의 데이터(콘텐츠)의 전송을 제어한다. 위에서 제안된 바와 같이, 경로 생성 및 데이터 이동을 위한 별도의 모듈의 도 3의 예시는 반드시 무선 경로에서 사용될 무선 링크를 식별하는 것을 의미하는 것은 아니며 링크된 위성들 사이의 데이터 전송은 하나의 위성에서 다른 위성으로 데이터 통신을 전송하기 위한 바람직한 무선 경로를 생성하는 다소(more or less) 단일 프로세스의 일부가 아니다.

B. 위성 대 위성 무선 링크를 용이하게 하는 위성 기능(Satellite Features Facilitating Satellite-to-Satellite Radio Links)

전술한 바와 같이 임의의 궤도에서 충분한 수의 위성(10)을 발사하면 섹션 III에서 논의된 다양한 경로 생성 전략의 구현이 가능하다. 여기에 설명된 시스템 및 방법의 중요한 특징은 각 위성이 GNSS 모듈(44)에 의해 결정된 지구 표면에 대한 위치를 경로 생성 모듈(46)에 저장한다는 것이다. 이를 통해 위성 간의 안정적인 무선 링크로 무선 경로를 구축하기 위한 여러 경로 생성 기술을 구현할 수 있다.

본원에 기술된 특정 시스템 및 방법은 미국 출원 제15/656,111호 및 제15/719,611호 및 국제 출원 WO 2018/039292에 기술된 위성 무선 시스템 및 방법과 대조될 수 있다. 이들 적용은 직접 또는 유사한 컴퓨터를 갖는 하나 이상의 다른 위성을 통해 다른 무선국으로 바람직한 무선 경로를 찾는 방법을 실행하는 온보드 컴퓨터를 이용하여 하나의 지상국으로부터 복수의 위성으로 신호를 전송함으로써 무선 경로를 생성하는 것에 대해 논의한다. 데이터 통신은 상기 통신을 다시 제1지상국으로 전송하는 것을 안내하기 위해 경로 생성 동안 식별된 특정 안테나를 이용하는 무선 경로를 통해 제2지상국으로부터 제1지상국으로 전송된다. 특정 실시 예는 예로서 이집트 국가를 사용하여 주어진 크기의 지상 영역에서 2개의 지상국 사이에 단일 위성 경로를 생성한다.

이러한 시스템과 방법은 최대 약 1,000 마일 정도 떨어진 지상 지상국 간에 무선 경로를 생성하는데 적합하다. 그러나 출발지와 목적지 지상국 사이의 거리가 멀어 질수록 위성의 수는 줄어들 것이다. 예를 들어, 200개의 위성이 있는 시스템에서는 2500 마일 떨어진 지상국 사이에서 동시에 3개 또는 4개의 위성만 볼 수 있다. 또한, 실제로는 수평선에 가까운 위성이 지상국 근처의 고층 빌딩이나 지상국 근처의 지형(예를 들어 산)의 특징으로 인해 차단될 수 있기 때문에 실제로는 수가 적을 것이다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 하나 이상의 위성 대 위성 링크를 통해 지상국 사이에 무선 경로를 제공하기 위해 대안적인 경로 생성 전략과 조합하여 특정 위성 인프라를 사용한다. 예를 들어, 중간 지상국을 사용하여 전송을 중계할 수 없거나 위에서 언급한 발명자의 이전 출원에서 설명된 기술을 사용하여 위성 대 위성 링크를 생성하기 어려운 경우 무선 경로를 생성할 수 있게 한다. 본 명세서의 시스템 및 방법은 위성이 다른 위성에 대해 알려진 위치에 있거나 특정 방향으로 유지될 필요없이 위성 대 위성 링크를 용이하게 한다.

III. 경로 생성 방법(Route Creation Methods)

이 섹션에서 논의된 경로 생성 방법은 위에서 논의된 위성 인프라의 다른 실시 예를 이용한다. 매트릭스 및 존 시스템(zone system)은 각 위성이 지구 표면에 대한 자신의 위치에 관한 정보 및 위성군에 있는 다른 모든 위성의 위치에 관한 정보를 경로 생성 모듈(46)에 저장하는 범용 위성 인프라를 사용한다. 벡터 시스템은 각 위성이 지표면과 관련된 자신의 위치만 알고 있는 지역화된(localized) 위성 인프라를 사용한다. 매트릭스 및 존 시스템을 위한 범용 위성 인프라 생성은 다음 섹션 III. A에 설명되어 있다. 이들 시스템의 실시 예는 섹션 III.B 및 III.C에 각각 기술되어 있다. 벡터 시스템은 섹션 III.D.에 설명되어 있다.

A. 범용 위성 인프라 생성(Creating a Universal Satellite Infrastructure)

본 발명의 이러한 양상에 따른 위성 인프라의 생성은 도 4 내지 6을 참조하여 설명될 것이다. 도 4는 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 기본이 되는 다양한 원리를 설명하기 위해 사용된 지구의 메르카토르 투영도(Mercator projection)이다. 참고로, 도 4는 적도(Equator), 북회귀선(Tropics of Cancer) 및 남회귀선(Tropics of Capricorn) 및 북극(Arctic) 및 남극권(Antarctic Circle)의 점선/단일 점선을 도시하고, 이들 주요 위도의 주요선 사이의 공칭 거리(nominal distances)를 나타낸다. 이 시스템은 일반적으로 많은 수의 위성을 사용하며, 그 중 두 개의 지상 트랙은 도 4에 나와 있다. 예시의 목적으로, 지상 트랙은 적도에 대해 대칭인 사인파로 표시된다. 위성(S1)은 적도로부터 최대 거리(m1)를 갖는 궤도 경사각을 갖는 점선/2점 선으로 도시된 궤도면에 있다. 위성(S2)은 적도에서 최대 거리(m2)를 갖는 궤도 경사각을 갖는 점선/3점 선으로 표시된 궤도면에 있다.

위성의 수와 궤도의 특성은 시스템의 원하는 특성에 의해 결정된다. 예를 들어 상기 위성은 일반적으로 궤도에 배치되어 지상 궤도가 연속적인 궤도에서 지표면을 기준으로 이동한다. 이것은 모든 위성의 궤도가 결국 적도로부터의 최대 거리에 의해 결정된 대역 내에서 지구의 전체 표면을 덮을 것임을 의미한다. 위성은 북회귀선 및 남회귀선 사이의 지표면의 스와스(swath)에 있는 임의의 궤도에 더 밀집되어 배치될 수 있다. 이것은 적도 주변에 집중되어 있는 저개발국 간의 통신을 용이하게 할 것이다. 온대 지역의 선진국은 광대한 지상 통신 인프라 때문에 공간-기반 시스템에 대한 필요성이 적을 것으로 예상된다. 따라서 적도로부터 멀어지게 하는 경사각을 갖는 위성의 수는 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 특정 구현에서 감소될 수 있다. 다른 접근 방식은 북극과 남극 근처 또는 인근의 인구가 적은 지역에서의 통신을 용이하게 하기 위해 북쪽과 남쪽으로 더 이동하는 충분한 수의 위성을 통합할 수 있다. 위성은 명목상 원형 궤도에 있지만, 본 명세서에 기술된 시스템은 임의의 특정 순간에 상이한 고도에서 위성 사이에 무선 링크를 생성할 수 있다.

이 설명이 진행됨에 따라, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 시스템의 특정 성능 목표에 맞춘 임의의 수의 궤도 구성으로 구현될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 그러나 이러한 모든 궤도 구성의 두드러진 특징은 위성이 특정 간격에 관계없이 배치되고 임의의 수의 위성이 다른 유형의 궤도로 발사될 수 있다는 것이다. 다시 말해서, 본 시스템의 모든 구현에서 위성은 그 용어가 본 명세서에서 사용되는 것처럼 임의의 궤도에 있다. 시스템의 또 다른 두드러진 특징은 위성들이 그들 사이에 데이터 전송을 구현하기 위해 그들의 방향을 정확하게 제어하기 위한 복잡한 시스템들을 포함하는 능동적 태도 제어(위에 정의된 바와 같이)를 필요로 하지 않는다는 것이다. 아래 섹션 IV.A.에 설명된 대체 구현예에서, 상기 위성은 축을 중심으로 회전하도록 발사될 수 있으며, 이는 발명자의 '611 미국 출원 및 WO '292의 설명에 따라 위성 대 위성 링크를 설정하기 위한 빔 매치를 형성하는 능력을 향상시킬 것이다.

이 설명에서는 약 8,000 마일 떨어진 나이지리아 우요(Uyo)에서 필리핀 레이테(Leyte)까지의 데이터 전송을 위한 무선 경로 생성을 예로 들어 설명한다. 전술한 바와 같이, 500 마일 궤도의 위성의 위성군에서 단일 위성이 두 위치를 동시에 볼 수는 없다. 또한 여러 개의 단일 위성 루트를 생성하는 것은 인도양과 그 사이에 드문드문 넓은 육지 지역을 감안할 때 Uyo와 Leyte 사이에 충분한 수의 지상국을 제공하기가 어렵다는 관점에서 실현 가능하지 않을 수 있다. 발명가의 이전 시스템을 사용하여 위성 대 위성 링크를 설정할 수 있지만, 본 명세서에 기술된 시스템은 2-홉, 단일 위성 경로에 대해 너무 먼 위치들 사이에서 데이터가 통신될 수 있는 신뢰성 및 속도를 증가시킨다.

1. 위성간 지상국 중계 궤도 매개 변수(Ground Stations Relay Orbit Parameters Between Satellites)

모든 위성이 다른 모든 위성의 궤도에 관한 정보를 알고 있는 범용 위성 인프라를 구성하는 첫 번째 방법은 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 일 실시 예에 따르면, 위성 위성군은 복수의 n 개의 위성(S₁, S₂, … S_n, 여기서 100 ≤ n ≤ 200)을 포함한다. 그러나 시스템은 임의의 특정 수의 위성으로 제한되지 않으며, 특정 설치에 대한 최적의 위성 수를 결정하는 것은 데이터 전송이 목적지에 도달하는데 필요한 전송 시간의 양과 위성 수 및 시스템이 제공할 지구 표면의 양과 같은 요인에 따라 달라진다. 위에서 언급한 바와 같이, 각 위성의 GNSS 모듈(44)은 지표면에 대한 위성의 위치를 결정한다. 충분한 시간 동안 시간과 관련하여 위성의 위치를 플롯하면 전체 궤도를 계산하고 위성이 주어진 시간에 지표면과 관련된 위치를 결정할 수 있다. 각 위성의 궤도에 관한 정보는 다른 모든 위성으로 전송된다.

도 5는 주어진 위성(Si)에 관한 궤도 정보를 다른 위성(S_j)으로 전송하기 위한 바람직한 방법을 도시한다. 이미 언급한 바와 같이, 모든 위성의 궤도는 결국 도 4에 표시된 위도 스와스 범위(extent) 내에서 지표면의 모든 지점을 통과한다. 예를 들어, 위성 S1과 S2는 북회귀선(Tropic of Cancer)의 북쪽으로 각각 m1과 m2 거리로부터, 남회귀선(Tropic of Capricorn)의 남쪽으로 각각 m1과 m2 거리로 연장되고, 적도에서 최대 거리의 지점에서 약 2000마일 더 떨어진 밴드내에서 지구 표면의 모든 지점에서 충분한 수의 궤도를 통과할 것이다(도 1 참조).

이들이 지구(E)를 공전함에 따라 위성(S)은 위성의 GNSS 모듈(44)에 의해 생성되고 하나 이상의 안테나 모듈(12)을 통해 전송되는 위치 신호(p)를 수신하는 하나 이상의 궤도-계산 지상국(orbit-calculating ground station)(OC)의 가시선 내에 있는 영역으로 진입한다. 상기 지상국은 바람직하게는 상기 출원에서 기술된 방식으로 위성 안테나와 쉽게 쌍을 이룰 수 있도록 상기 상호 참조된 종래 출원에 기술된 유형의 하나 이상의 고 이득 지향성 안테나 어레이를 포함한다. 일 실시 예에서, 지상국은 도 6과 관련하여 아래에 설명된 것과 같은 다중 공급 안테나(multi feed antennas)를 사용한다. 본 예는 에콰도르 키토(Quito OC)와 케냐 나이로비(Nairobi OC)에 2개의 지상국을 사용한다. 지상국은 일반적으로 고급 안테나 구성과 복잡한 컴퓨터 기술을 통합할 것이기 때문에, 하드웨어 및 컴퓨터의 손쉬운 유지 보수 및 업그레이드를 위해 쉽게 접근할 수 있는 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 궤도 계산 지상국(OC)은 논의되는 이유로 가능한 한 적도에 가깝게 위치하는 것이 바람직하다.

각 위성의 경로 생성 모듈은 궤도 계산 지상국의 위치(위도 및 경도)를 저장하며, 이는 일 실시 예에서는 위성이 발사되기 전에 각 위성의 경로 생성 모듈(44)에 로딩된다. 위성은 지표면에 대한 자신의 위치를 알고 있기 때문에, 가시선(line of sight)으로 들어가면서 궤도 계산 지상국(OC)에 위치 신호를 전송하기 시작할 수 있다. 위성에는 언제든지 위성의 자세를 결정할 수 있는 외부 기준 프레임(예를 들어 수평선 또는 지구 자기장)과 상호 작용하는 센서가 포함될 수 있다. 이것은 위성의 경로 생성 모듈(46)이 지상국에 대한 위성의 위치에 기초하여 위치 신호를 송신할 안테나 모듈(12)을 선택하여 지상국에 의한 수신을 더 보장할 수 있게 한다. 또한, 모든 위성 및 궤도 계산 지상국은 GNSS 시스템의 시계(clock)에 기초할 수 있는 마스터 시스템 시계와 동기하여 유지되는 타이머 회로를 갖는다.

본 명세서에 참고로 포함되는 '111 및 '611 출원에 개시된 특정 안테나 구조를 사용하여 위성이 지상국(및 서로)과 무선 통신에 성공적으로 배치될 확률을 개선함으로써 범용 위성 인프라의 생성을 향상시킬 수 있다. 도 6은 '611 출원에서 취한 것으로, 본 실시 예를 예시하는 실질적으로 구형인 위성 SX의 표면의 개략도이다. 도 6은 위성의 3차원 표면을 2차원으로 나타내며, 위성의 표면을 실질적으로 덮는 위성 안테나 모듈(SA)의 어레이를 도시한다. 이 구현에서, SA1 내지 SA25로 번호가 매겨진 25개의 안테나 모듈이 있다(안테나 모듈 중 일부만이 도면에 도시되어 있다). 도 6의 위성 표면의 일부에서, 안테나 SA2, SA6, SA7 및 SA12에 대한 위성 표면의 전체 안테나 개구부가 표시된다. 다른 안테나의 개구부가 부분적으로 도시되어 있으며, 이들 중 일부는 SA3, SA8, SA11, SA13 및 SA18과 같이 도 6에 표시되어 있다. 이는 이상적인 수의 표현이며, 원하는 수의 안테나를 포함하는 것과 일치하여 위성을 가능한 작게 만드는 것이 바람직하며 도 2 및 3에 도시된 태양 패널(14)을 장착하기 위해 적절한 위치에서 안테나 개구부 사이에 충분한 간격을 제공하는 것이 바람직하다는 것을 나타내기 위한 것이다.

안테나 이득을 증가시키기 위해, 본 실시 예의 안테나 반사기(reflector)는 발사 비용을 최소화하기 위해 위성 무게 및 크기 제한과 같은 시스템의 다른 전체 요구 사항과 일치하도록 최대한 크게 만들어진다. 포물선 안테나 설계의 공지된 원리에 따르면, 상기 반사기는 직경의 적어도 하나의 파장, 바람직하게는 더 많은 파장이어야 한다. 예를 들어, 상기 안테나는 마이크로파 C 대역에서 5GHz 신호로 송신 및 수신하고, 24cm 반사기를 포함할 수 있다. 피드가 안테나 반사기에서 4개의 파장(wavelength)에 위치한 경우, 직경이 약 1미터인 위성(또는 위성이 비구면인 경우 비슷한 크기)은 여기에서 작동 사양을 충족할 수 있다고 믿어진다. 그러나 시스템의 동작은 특정 안테나 설계를 사용하는 것에 의존하지 않으며, 당업자는 공지된 안테나 설계 원리를 사용하여 본 실시 예에 의해 요구되는 기능을 위성에 제공할 수 있을 것이다. 그럼에도 불구하고 더 큰 반사기를 가진 안테나를 사용하여 더 높은 이득을 제공할 수 있으며 위성을 더 크게 만들 수 있다. 또한, 반사체에 메시 구조가 있는 경우 위성 무게를 줄일 수 있음에도) 추가된 중량의 양은 대부분 위성 외부 케이싱의 크기 증가 및 추가 공급물 및 더 큰 반사기에 필요한 추가 물질에 기인할 것이다. 따라서, 본 실시 예에서 사용된 위성은 이미 논의된 모든 이유로 공지된 통신 위성과 비교할 때 여전히 매우 가벼워야 하며, 그 중 주요한 것은 능동 궤도 또는 자세 제어가 필요하지 않다는 것이다.

도 6에 도시된 본 실시 예에서, 각각의 안테나는 7개의 피드(F1 내지 F7)를 갖는 포물선 안테나이다. 피드(F1 내지 F6)는 서로 등거리로 이격되어 있으며 안테나 초점(focal point)에서 피드(F7)로부터 거리를 두고 배치된다. 안테나 반사기의 형상 및 곡률은 공지된 다중 피드 안테나 설계 및 동작 원리에 따라 선택될 수 있다. 안테나 개구부의 육각형 형상은 피드(F2 내지 F7)가 반사기 초점 축으로부터 변위됨을 강조하기 위해 도면에서 사용된다. 안테나 반사기는 여기에 설명된 시스템 실시 예의 동작 특성을 최대화하기 위해 구형, 조합 구형/포물선 등과 같은 비포물면 토폴로지를 가질 수 있음을 이해할 것이다. 당업자가 본 실시 예에서 사용하기 위해 적용할 수 있는 다중-피드 반사 안테나(multi-feed reflecting antenna) 설계의 예는 미국 특허 제3,815,140호, 제6,208,312호, 제6,219,003호 및 제9,035,839호에 개시되어 있다. 이들 모두는 전체적으로 제시된 것처럼 본원에 참고로 포함된다. 안테나의 수 및 안테나 당 피드 수는 위성의 설계 및 시스템의 원하는 동작 특성에 의존한다는 것을 이해해야 한다. 더 많거나 적은 안테나 및 피드가 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.

이 안테나 구성의 변형에서, 각 안테나는 중앙 피드(F7)와 같은 하나의 피드만을 갖는다. 이렇게 하면 안테나가 저렴해지고 다소 가벼워지지만 무선 신호 및 전송 방향의 수는 줄어든다. 당업자라면 알 수 있듯이, 특정 시스템의 요구 사항에 따라 유효 지향성 안테나(directional antennas)의 수와 위성 비용 및 무게 사이에 특정한 절충점이 있을 것이다. 지상국은 위성과 동일한 공간 및 전력 제약을 갖지 않기 때문에 유사한 안테나 구조를 가질 수 있고, 더 많은 이득을 갖는 더 많은 지향성 안테나를 가질 수 있음을 이해할 것이다.

도 5 및 본 실시 예가 범용 위성 인프라를 생성하는 방법으로 돌아가면, 위성(S_i)은 시각(t₁)에서 제1위치 신호(p₁)를 시선 내 특정 궤도 계산 지상국(OC)으로 전송한다. 위성(S_i)은 시간(t₂)에서 제2위치 신호(p₂)를 동일한 지상국으로 전송하고, 시간(t_n)에서 n번째 신호(p_n)까지 분리된 위치 신호를 지상국으로 계속 전송한다. 각각의 위치 신호는 위성 S_i를 그 소스로서 식별하는 정보를 포함한다. 즉, 각 위성에는 고유 식별자, 일반적으로 숫자를 포함한다. 궤도 계산 지상국(OC)은 위치 신호를 사용하여 위성(S_i)의 궤도를 시간의 함수로서 경도 및 위도의 관점에서 정의하는 하나 이상의 방정식을 계산하고, 궤도 정보 신호(OR_i)로서의 방정식을 가시선 내의 위성 S_j 및 S_k와 같은 다른 위성에 전송한다. 모든 위성과 지상국이 동기화되는 시스템 마스터 클럭(master clock)을 사용하여 서로 다른 시간 슬롯(slot)에 위치 신호를 보내 서로 간섭하지 않도록 할 수 있다.

궤도-계산 지상국에 또는 궤도-계산 지상국으로부터 송신될 때마다, 상기 수신 노드(위성 또는 지상국)는 신호가 수신되었다는 확인을 리턴한다. 이 신호는 일반적으로 원래 신호가 수신된 안테나 또는 특정 안테나 피드에서 전송된다. 이를 통해 지상국은 필요한 궤도 매개 변수를 계산하기 위해 충분한 수의 위치 신호가 수신되었는지 확인하고 추가 위성 신호가 필요하지 않음을 송신 위성에 알릴 수 있다. 또한 위성이 궤도 파라미터를 수신한 시점을 지상국에 알려주므로 더 이상 위성으로 전송할 필요가 없다. 대안적인 실시 예에서, 각각의 위성은 자신의 궤도 방정식을 계산하고 이를 알려진 위치에 있는 하나 이상의 지상국으로 전송하도록 프로그래밍될 수 있으며, 이를 다른 위성에 업로드한다.

위성군의 모든 위성에 대해 동일한 프로세스가 수행된다. 각 위성의 궤도 파라미터가 다른 모든 위성으로 전송되려면 어느 정도의 시간이 걸리지만, 시스템은 위성군의 모든 위성이 범용 위성 인프라에 통합되기 전에 설명된 매트릭스 및 존 시스템에 따라 데이터 전송을 지원할 수 있다. 예를 들어, 100개의 위성의 위성군을 갖는 실시 예는 위성의 다수가 각각 다른 위성의 위치를 정의하는 궤도 정보를 획득할 수 있도록 충분한 시간이 지난 후 적어도 일부 데이터 전송을 지원해야 한다. 시간이 지남에 따라 위성군에 더 많은 위성이 인프라에 추가됨에 따라 데이터 전송을 지원하는 기능이 계속 증가할 것이다. 바람직한 구현에서, 각 위성의 궤도 방정식(OR)은 궤도 계산 지상국들 중 하나의 가시선 내에 있을 때마다, 주어진 간격으로 상기 절차에 의해 업데이트 될 것이다. 또한 궤도에서 떨어지거나 오작동하는 위성을 대체하기 위해 새 위성이 위성군에 추가될 때마다 정보가 업데이트된다. 그러나 이하의 설명으로부터, 개별 위성의 궤도 방정식이 약간 변경되거나, 대체 위성이 데이터 전송을 위해 즉시 이용 가능하지 않은 경우에도 시스템이 데이터 전송을 할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

당업자는 하나를 포함하여 임의의 수의 궤도 계산 지상국이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 마찬가지로, 당업자는 궤도 계산 지상국을 적도에 가능한 가깝게 배치하는 것이 바람직하고, 따라서 위성군의 모든 위성은 지구 궤도를 돌 때 궤도 계산 지상국과 통신할 수 있다. (예를 들어, 영국 런던 근처의 궤도 계산 지상국은 북회귀선에서 멀리 북쪽으로 이동하는 위성(satellite that only travels as far north as the Tropic of Cancer)과 통신할 수 없다.) 또한 지구의 위성 아래에서 실제로 회전하기 때문에 위성의 궤도는 적도를 따라 각 궤도와 일정한 거리만큼 전진한다. 바람직한 배치는 적도로부터 1,000 마일 이내에 적어도 약 90° 간격으로 두 개 이상의 지상국을 포함한다. 이것은 위성이 궤도를 돌면서 다른 궤도 계산 지상국과 통신하는 횟수를 최대화하고 위성이 하나 이상의 지상국과 강력한 무선 신호를 교환할 가능성을 증가시킵니다. 따라서 한 위성의 궤도 파라미터를 다른 모든 위성에 분배하는데 필요한 시간을 최소화한다. 지상국은 특정 위성이 궤도에 도달하는 것보다 북쪽이나 남쪽에 더 먼 곳에 위치할 수 있지만, 그러한 배치는 적도에 더 가까이 공전하는 위성의 스와스 내에 적어도 하나의 지상국이 필요하다.

2. 위성 사이에서 직접 전송되는 궤도 매개 변수(Orbital Parameters Transmitted Directly Between Satellites)

여기에 설명된 방법을 사용하여 데이터 전송을 위한 범용 위성 인프라를 만드는 다른 방법에는 각 위성의 궤도 방정식을 다른 모든 위성에 분배하기 위한 지상국이 포함되지 않는다. 이 접근법에서 상기 위성은 그들의 궤도 정보를 서로 직접 통신한다. 궤도 상의 정보를 위성군의 모든 위성에 분배하는데 시간이 더 걸릴 수 있지만, 위성 사이에 신호를 중계하기 위해 지상국을 건설, 유지 보수 및 인력 배치하는데 드는 비용을 제거할 수 있다.

위성에는 여전히 고유 식별 번호가 부여되고, 클록은 마스터 클록(master clock), 바람직하게는 GNSS 클록과 동기화된다. 위에서 언급한 바와 같이, 각 위성의 경로 생성 모듈(46)은 글로벌 네비게이션 위성 시스템으로부터 획득된 위치 및 시간 정보를 사용하여 궤도 방정식을 계산하도록 프로그래밍된다. 주어진 시간 간격에서, 예를 들어 24시간마다 한 번씩, 위성군 시간(constellation time) C_t는 0으로 설정된다. 즉, 모든 위성은 C_t = 0으로 설정된다. 그런 다음 모든 위성은 궤도 전송 간격 동안 자신의 궤도 매개 변수(OR)를 차례대로 전송한다. 예로서, 위성(S₁)은 자신의 궤도 파라미터(OR₁)를 C_t = 0과 C_t = 30 초 사이의 복수의 안테나를 통해 전송한다고 가정하자. 다음으로, S₂는 C_t = 1.0 분 및 C_t = 1.5 분 사이의 복수의 안테나상에서 자신의 궤도 파라미터(OR₂)를 전송한다. 궤도 정보의 직렬 전송은 별자리의 모든 위성이 궤도 정보를 전송할 때까지 계속된다. 위성이 200개인 경우 한 주기는 4시간 미만이 소요된다. 또한, 각 위성은 타임 슬롯 동안 자신의 궤도 정보를 전송할 뿐만 아니라 다른 위성으로부터 수신한 궤도 정보도 전송한다.

관련된 각 원리는 각 위성의 가시선 내에 약 40개의 다른 위성이 있다고 가정하여 설명할 수 있다. 이것은 각 위성이 수평선 위로 약 3,500 마일을 “볼” 수 있다고 가정한다. 도 1A와 1B는 위성이 이론적으로 4,000 마일(2,000 마일인 DH의 2배)을 볼 수 있음을 보여주는 이 포인트를 보여준다. 그러나 3,500 마일의 보수적인 추정치는 위성의 수평선에서 산맥과 같은 지표면 특성을 고려한다. 반경이 3,500 마일인 원으로 덮여있는 면적은 약 40,000,000 sq. mi.이다. 지구 표면은 약 200,000,000 sq. mi.이다. 즉, 평균적으로 위성은 위성군에 있는 200개의 위성 중 20% (40,000,000/200,000,000)를 볼 수 있다. 이 비율은 지구의 특정 위도 스와스에 있는 임의의 궤도에서 같은 수의 위성에서 더 높을 것이다. 그럼에도 불구하고, 송신 및 수신 위성의 안테나는 성공적인 데이터 전송을 위해 정렬되어야 하기 때문에, 주어진 위성은 가시 선에서 40개 이상의 위성 중 4개에만 정보를 성공적으로 전송할 수 있다.

즉, 위성(S₁)이 자신의 궤도 전송 간격(C_t = 0 내지 C_t = 0.5 분) 동안 자신의 궤도 파라미터(OR₁)를 전송하면, 그 정보는 위성(S₅₆, S₇₉, S₁₀₂ 및 S₁₆₄)에 의해 수신될 수 있다. (위의 위성 번호는 이 예제에만 사용되며 아래에서 더 자세히 설명하는 도 8에 표시된 위성 분포와 관련이 없다.) 위성 S₅₆은 궤도 전송 간격 C_t = 55.0 분에서 C_t = 55.5 분 동안 궤도 파라미터 OR₅₆을 전송할 것이다. 그러나 그것은 궤도 정보(OR₁)와 위성(S₂) 내지 위성(S₅₅)으로부터 수신된 궤도 정보는 C_t = 1.0 분에서 C_t = 54.5 분으로 전송한다. 위성 자체가 불확실한 궤도에 있기 때문에 궤도 정보가 위성 위성군 전체에 분포하는데 걸리는 시간은 미정이다. 그러나 여러 가지 방법으로 위성 간에 궤도 정보를 성공적으로 전송할 가능성을 높일 수 있다. 도 6과 관련하여 위에서 논의된 안테나 배열을 사용하면 성공적인 위성 대 위성 빔 정합의 확률을 증가시킬 수 있다. 나중에 개발된 기술로 위성 자세를 허용 오차 내에서 제어할 수 있다면 위성 상의 선택된 수의 안테나만이 궤도 정보를 전송하는데 사용될 수 있으며, 따라서 동일한 총 전력량을 사용하여 더 높은 이득으로 신호를 전송할 수 있다.

이 방법의 확률적 특성은 다른 모든 위성에 대한 궤도 정보를 갖는 위성의 수가 위성군의 총 수를 향한 시간에 따라 무증상으로 증가한다는 것을 의미한다. 그러나 충분한 수의 위성은 적어도 며칠 후에 데이터 통신을 지원하기 시작하기 위해 200개의 위성 위성군에서 다른 위성에 대한 궤도 정보를 가질 것으로 예상된다. 하나의 추정치는 별자리에 있는 200개 위성 중 100개 이상이 72시간 이내에 서로 궤도 정보를 가질 것으로 예상된다. 실제 시간은 다양하며 더 많은 시스템이 배포됨에 따라 경험 후에 설정된다. 후술될 시스템 및 방법을 이용한 성공적인 데이터 통신은 다른 위성에 대한 무선 링크를 찾는 임의의 주어진 위성에 "가시적인" 위성의 수에 크게 좌우된다. 위에서 언급했듯이, 확률은 항상 약 40개의 위성이 주어진 위성과 함께 가시선 상에 있을 것이라고 제안한다. 무선 링크를 찾는 위성에 40개 위성 중 하나 이상의 궤도 정보가 없는 경우에도 데이터를 성공적으로 전송할 수 있다. 마찬가지로, 임의의 주어진 위성으로부터의 데이터 전송은 그 가시 범위 내의 복수의 40개의 위성에 의해 수신될 수 있다. 데이터 전송을 수신하는 위성에 다른 위성에 대한 궤도 정보가 없는 경우, 데이터 전송을 수신한 다른 위성에 그러한 정보가 있을 수 있다. 시스템의 일 구현에서, 위성은 위성 인프라를 완성하고 새로 시작된 위성을 인프라에 통합하기 위하여 미리 정해진 간격으로, 즉 매 시간마다 궤도 정보를 간헐적으로 전송하고, 궤도 붕괴 등으로 인한 위성 궤도의 점진적인 변화를 조치한다(account for). 이 양상에서, 위성군은 모든 위성이 모든 위성의 궤도 정보를 알고 있으며 위성 중 하나의 궤도 변화에 따라 모든 위성에 대해 정보를 업데이트한다는 점에서 기능적 블록체인으로 작동하고 하나의 위성에 의한 전송은 그들에 관한 궤도 정보를 새로운 위성에 제공할 수 있다.

B. 위성-위성 링크로 무선 경로를 생성하기 위한 존/ 매트릭스 시스템(Zone/Matrix Systems for Creating Radio Routes With Satellite-to-Satellite Links)

도 7은 복수의 구역으로 분할된 지구 표면의 메르카토르 투영도이다. 이 예에서는 각각 2,500,000 ~ 3,000,000 sq. mi의 60개 영역이 있다. 도시된 실시 예에서, 0° 내지 30° 위도(북쪽)의 대역에서 16개의 구역(ZEN)이 있으며, 각각은 경도의 폭이 22.5°이다. 위도(남쪽)는 0°에서 30° 사이의 대역에 대응하는 수의 구역(ZES)이 있으며, 각 구역의 경도는 22.5°이다. 30° 위도(북쪽)와 60° 위도(북쪽) 사이의 스와스(swath)는 각각 경도가 30°에 걸쳐진 12개의 구역(ZTN), 30° 위도(남쪽)와 60° 위도(남쪽) 사이의 대역에 대응하는 수의 구역(ZTS)으로 나뉜다. 마지막으로 60° 위도(북쪽)와 75° 위도(북쪽) 사이의 스와스(swath)는 각각 경도가 90°에 걸쳐진 4개의 구역(ZAN)과 60° 위도(남쪽)와 75° 위도 사이의 대응하는 수의 구역(ZAS)으로 나뉜다. 혼동을 피하기 위해 일부 영역만 도 6에 표시되어 있다. 각 영역에는 고유 식별자가 할당된다. 이 예에서 구역은 0° 경도에서 1부터 시작하여 번호가 매겨진다; ZEN₁, ZEN₂, . . ., ZEN₁₆ ; ZTN₁, ZTN₂, . . ., ZTN₁₂; ZAN₁, ZAN₂, ZAN₃, ZAN₄; ZES₁, ZES₂,　.　. ., ZES₁₆; ZTS₁, ZTS₂, . . ., ZTS₁₂; ZAS₁, ZAS₂, ZAS₃, ZAS₄. 다양한 루트 생성 시스템 및 방법의 이하의 설명을 단순화하기 위해 이 예에서 극성 영역이 생략되지만, 당업자는 이러한 방법 및 시스템을 극성 영역을 포함하도록 확장하는 방법을 이해할 것이다. 도 7에 도시되고 본 명세서의 다른 곳에서 논의된 구역 치수는 단지 예로서 의미된다. 그러나 본 명세서에 설명된 구역 시스템은 모든 구역이 1,000,000 평방 미터 이상의 면적을 갖는 경우 최적의 성능을 제공할 것으로 여겨진다.

각 구역의 경계 길이는 도 7에 표시되어 있다. 각 구역의 형상이 대략 사다리꼴인 것으로 간주되면, 각 구역(ZE)의 면적은 약 3,000,000 sq. mi., 각 구역(ZT)의 면적은 약 2,900,000 sq. mi.이고, 각 구역(ZA)의 면적은 약 2,400,000 sq. mi.이다(극성 지역의 면적은 약 16,000,000 sq. mi.이다). 본 예는 200 위성 위성군을 사용하여 나이지리아 우요(Uyo)에서 필리핀 레이테(Leyte)로 데이터 통신을 전송하는 것을 고려할 것이다. 위에 제시된 계산과 출원 번호 656,111을 적용하기 위해, 전형적인 구역의 면적(극성 구역 이외)은 3,000,000 sq. mi.로, 극 지역(polar zones)을 지구 면적에서 뺀 값은 약 168,000,000 sq. mi.로 간주된다. 각 구역은 지표면의 약 1.8%를 차지하므로 각 구역마다 평균 3½ 개의 위성이 있다(200 × 0.018). 반대로 특정 영역에 하나 이상의 위성이 포함되지 않을 확률은 0.982200 = 0.025 (약 40분의 1)이다. 그러나 지상에 있는 노드는 주어진 시간에 평균 10개 이상의 위성을 계속 "볼" 수 있으며 1개 이상의 위성을 볼 수 없을 확률은 백만분의 4(four in a million) 정도이다. 따라서, 지상 노드와 200개의 임의 궤도 위성 중 하나 이상에서 데이터 전송을 성공적으로 완료할 확률은 발명자의 이전 위성 무선 시스템에서와 동일하다. 모든 위성의 경로 생성 모듈(46)은 구역의 경계 및 구역 식별자를 정의하는 위도 및 경도 정보를 저장한다. 따라서 위성의 경로 생선회로는 위성이 주어진 순간에 어떤 특정 구역을 차지하는지 계산할 수 있다. 온대 영역 ZTN 및 ZTS의 경계를 확장하여 각 거리에 특정 거리를 확장해도 이러한 계산에는 실질적으로 영향을 미치지 않는다.

도 8은 특정 순간에 나이지리아의 우요 및 필리핀의 레티(Letye) 사이의 지표면 일부에 위치한 복수의 궤도 위성(S)을 도시한다. 도 8에 도시된 위성 분포는 시간에 따라 변할 것이며, 위성의 궤도가 제어되지 않기 때문에, 주어진 시간에서의 수는 도시된 것보다 많거나 적을 수 있다. 다시 말해, 위성은 시간이 지남에 따라 특정 구역을 떠나고 들어가며, 본 명세서에 기술된 시스템의 중요한 특징은 위성이 본질적으로 임의의 방식으로 서로 및 지구에 대해 상대적으로 이동하더라도 위성 대 위성 무선 링크를 생성할 수 있다는 것이다. 도 8에 도시된 위성 분포는 개념적으로 200-위성 위성군에 기초하며, 여기서 각 위성은 도 4와 관련하여 논의된 바와 같이 궤도면에서의 위성과 함께, 상기 설명에 따라 다른 위성의 궤도 파라미터를 알고 있다. 위성 사이에 무선 링크를 생성하는 존/매트릭스 시스템은 Uyo에서 Leyte까지 약 8,000 마일에 걸쳐 데이터 통신을 위한 경로를 제공하는 맥락에서 논의될 것이다.

경로 생성 시스템 및 방법에 대한 다음 설명은 관련된 원칙을 이해하는데 도움이 되는 몇 가지 가정을 한다. 첫 번째 가정은 Uyo의 지상국 노드가 도 6과 같은 안테나 구성을 사용한다는 것이다. 예를 들어, 지상국은 모든 방향으로 위쪽을 향하는 다중 지향성 포물선 안테나를 가질 것이며, 각 안테나는 바람직하게는 주어진 반사기에 대한 다중 피드를 포함할 것이다. 마찬가지로 위성의 자세가 알려지지 않은 구현에서 위성은 모든 방향으로 송수신하기 위해 유사한 구조의 다중 지향성 안테나를 가질 것이다. 시작하기 위해 Uyo의 지상국은 모든 안테나 피드에서 데이터 통신을 전송한다. 본 실시 예에서, 데이터 전송은 전송 목적지를 지정하는 주소 정보를 갖는 패킷 형태일 것이다. 이 주소에는 Leyte에 있는 수신자 개인의 개인 주소(현재 사용되는 익숙한 전자 메일 주소와 유사)와 해당 개인에게 서비스를 제공하는 Leyte 지상국의 경도와 위도가 포함된다. 경도와 위도 정보가 아크의 10분의 몇 초(tenths of seconds of arc)인 경우, 위치는 약 10피트 이내로 알려져 있다.

전술한 것과 같은 지향성 안테나를 사용하면, Uyo 지상국으로부터 전송된 무선 신호는 지상국의 시야 내에있는 적어도 하나의 위성에 의해 수신될 것이며, 이는 적어도 하나의 위성으로부터 확인 핸드 셰이크 신호(confirmatory handshake signal)를 수신할 때까지 모든 안테나로부터 계속 방송(broadcast)된다. 이 핸드 셰이크 신호에는 Uyo 지상국으로부터의 수신 위성 거리 또는 Uyo 지상국으로부터 수신된 무선 신호의 강도와 같은 추가 정보가 포함될 수 있고, 이것은 지상국에 의해 전송을 수신한 다수의 위성 중 어느 것이 경로 생성/데이터 전송 프로세스를 개시해야 하는지를 선택하는데 사용될 수 있다. 지상국은 선택된 핸드 셰이크 신호를 수신한 안테나 피드를 사용하여 데이터 전송을 업로드한다. 본 예는 도 8의 위성(S₁₆)이 Leyte로의 무선 경로에서 제1위성을 포함한다고 가정한다. 다음 가정은 구역 ZEN₁₆, ZEN₁, ZEN₂, ZEN₃, ZEN₄, ZEN_{5 ,}및 ZEN₆ 대역에 묘사된 위성만 경로에 포함되는 것으로 간주됩니다. 이 가정은 경로 생성과 관련된 단계의 설명을 단순화하기 위해서만 만들어졌지만, 존/매트릭스 시스템에 따른 경로 생성은 출발지와 목적지 지상 위치 사이의 임의의 특정 영역 내에서 위성을 사용하는 것으로 제한되지 않는다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

본 명세서에 기술된 존/매트릭스 시스템의 중요성은 이들을 다중-노드 지상 메시 네트워크(multi-node terrestrial mesh networks)를 통해 경로를 조립하기 위한 공지된 기술과 대조함으로써 이해될 수 있다. 종래 기술은 그러한 네트워크에서 임의의 주어진 노드로부터 다른 모든 노드까지의 경로를 계산할 수 있은 계산 접근법을 개시하고 있다. 그러한 접근법 중 하나는 Bellman 최적성 원리(Bellman principle of optimality)를 이용하여 발명자의 미국 특허 제5,793,842호 및 제6,459,899호에 기술된 것과 같은 지상 네트워크의 발신 노드에서 목적지 노드까지의 최적 경로를 결정한다("최적의" 링크는 가장 높은 신호 강도, 가장 짧은 거리, 가장 높은 신호 대 잡음비 또는 서로에 대한 두 링크의 적합성을 반영하도록 선택된 기타 속성을 가진 링크를 의미할 수 있다.) 이러한 유형의 접근법은 본 시스템의 200-위성 위성군에서 하나의 위성에서 다른 원거리 위성으로의 (예를 들어 Uyo에서 Leyte로) 최적 경로를 결정하기 위해 적어도 이론적으로 이용 가능하다. 그러나 그들은 그러한 경로에 포함시키기 위해 가능한 모든 위성 대 위성 링크를 고려해야 한다. 계산된 위성 대 위성 링크 중 일부는 잠재적 다중 위성 경로의 일부로 고려에서 제외될 수 있지만, 예를 들어 잠재적인 링크가 서로 통신하기에 너무 멀리 떨어진 위성 쌍을 포함하는 경우 200개의 위성은 여전히 경로 생성 로직에 의해 그러한 경로에 포함하기 위한 후보로 간주되어야 한다. 이 방법은 지상 네트워크와 달리 위성 노드가 시간당 약 15,000 마일로 이동하기 때문에 더욱 복잡하다. 따라서 특정 경로에 사용될 위성은 경로가 계산된 위치에서 이동하기 전에 전송이 가능할 정도로 빠르게 식별되어야 한다. 실행 가능한 시스템이 여러 목적지 사이의 동시 경로 작성을 지원해야 한다는 사실과 함께, 위성군에 있는 모든 위성을 고려하는 경로 생성 방법은 실현 가능하지 않을 것이다. 같은 이유로, 본 시스템에서 경로 생성은 위성 대 위성 링크가 모든 가능한 경로에 이용 가능할 가능성을 높이기 위해 충분한 수의 위성을 사용하는 것에 의존하기 때문에, 위성군의 위성 수를 줄여 계산을 단순화할 수 없다.

1. 풀 존/매트릭스 시스템(Full Zone/Matrix System)

본 명세서에 기술된 존/매트릭스 시스템의 구현은 초기 라우팅 노드로 좀 더 구체적으로 표시될 수 있는 위성(S₁₆)의 GNSS 모듈(44)이 위성의 위치를 알고 있고 경로 생성 모듈(46)이 200-위성 위성군에서 다른 모든 위성 노드까지의 거리와 방향 및 그것이 차지하는 구역을 결정할 수 있다는 사실에 의존한다. 따라서 어떤 위성이 Leyte로 가는 경로에 포함될 후보인지 식별할 수 있다. 도 9는 ZEN₁₆, ZEN₁, ZEN₂, ZEN₃, ZEN₄, ZEN₅ 및 ZEN₆ 구역을 포함하는 0° 내지 30°N 대역을 점유하는 것으로 도시된 모든 위성의 상대 위치를 포함하는 위성(S₁₆)에서 경로 생성 모듈 소프트웨어에 의해 구성된 매트릭스를 도시한다. 이 매트릭스는 초기 위성(S₁₆)으로 시작하여 관심 대역의 22개 위성 사이의 거리에 대한 거리 항목을 포함하고, 다음 위성(S₂₆)으로 시작하여 Leyte 지상국에 가장 가까운, 위성(S₁₆)에 의해 통신 경로의 종단으로서 결정된 위성(S₁₆₃)으로 끝나는 동쪽 방향으로 일반적으로 순서대로 나열되는 엔트리를 포함한다. 설명의 명확성을 위해, 도 9에 도시된 거리는 대략적인 위성들 사이의 일부 마일리지는 명확성을 위해 생략된다. 설명의 편의를 위해 도 9에서 생략되었지만, 매트릭스 내의 각각의 엔트리는 또한 매트릭스가 위성(S₁₆)에서 경로 생성 모듈에 의해 구성될 때 위성에 의해 점유된 구역을 포함한다.

지구 표면을 구역으로 나누고 구역 경계를 모든 위성에 업로드하면 분산 노드를 통한 경로 생성을 위해 알려진 방법을 사용하더라도 계산 수를 크게 줄일 수 있다. 본 예에서, 위성(S₁₆)의 경로 생성 소프트웨어는 목적지 지상국이 위치한 지구 표면의 구역에 라우팅 라인을 "그리기"함으로써 제한된 경로 결정 방법이 적용될 구역을 결정한다. 그 후, 방법은 도 9에서와 같이, 목적지까지의 라인을 따라 방향으로 구역의 모든 위성에 대한 엔트리와 반대 방향으로 하나의 구역을 갖는 매트릭스를 구성함으로써 적용된다. 이 예에서, Uyo에서 Leyte까지의 선은 ZEN₁, ZEN₂, ZEN₃, ZEN₄, ZEN₅ 및 ZEN₆ 영역을 가로지르고 매트릭스에는 해당 영역의 모든 위성과 반대 방향의 ZEN₁₆ 영역이 포함된다. 이러한 방식으로 가능한 위성 간 링크의 수는 21 × 21 (=241) 또는 200 × 200 (=40,000) 매트릭스로 작업하는데 필요한 수의 약 0.6 %로 줄어든다. 경로 생성 로직은 잠재적 위성 대 위성의 양방향 특성을 고려해야 하기 때문에 한번에 각 링크는 위성(S_L)에서 위성(S_R)로, 위성(S_R)에서 위성(S_L)로 두 번 고려되어야 한다. 그들을 매트릭스에 두 번 포함하면 링크-링크 서브 루트를 구성하는데 필요한 계산 수가 줄어든다. 전술한 바와 같이, 많은 잠재적인 링크는 주어진 링크에서 위성들 사이의 미리 결정된 거리를 초과하는 것들을 필터링하는 것과 같은 다양한 전략을 사용하여 궁극적으로 폐기될 수 있지만, 여전히 계산되어야 한다.

이 접근법의 변형에서, 상기 매트릭스는 경로 생성 소프트웨어가 위성으로의 데이터 전송을 완료하는데 필요한 위성-위성 링크를 생성하여 Leyte 지상국으로 다운로드할 수 있는 위성을 생성할 확률을 높이는 데 사용할 수 있는 추가 정보를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 변형에서, 상기 매트릭스는 위성 사이의 거리뿐만 아니라 서로에 대한 그들의 속도 및 이들이 이동하는 방향 (예를 들어, 서로를 향하여 또는 임의의 것)을 포함한다. 위성의 경로 생성 모듈은 데이터 전송의 최종 목적지까지의 경로를 계산할 때 해당 정보를 고려할 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 도 9에 도시된 매트릭스는 위성의 움직임을 설명하기 위해 10초마다 간격으로 리프레쉬된다. 본 명세서에 설명된 존/매트릭스 방법에서 경로 생성 동안, 라우팅 메시지를 수신하는 각각의 위성은 라우팅 메시지를 수신한 위성으로 라우팅 확인 신호를 전송한다. 라우팅 확인 신호를 수신하는 위성은 특정 경로를 따라 위성 사이에서 데이터 패킷을 전송하는데 사용하기 위해 라우팅 확인 신호를 수신한 안테나(또는 안테나 피드; 도 6 참조)를 저장한다.

요약하면, 위성(S16)은 Uyo 지상국으로부터 데이터 전송을 수신할 때, 데이터 전송에 포함된 위도 및 경도 주소 정보에 기초하여 Leyte 지상국으로의 위성 대 위성 경로를 계산한다. 모든 가능한 경로를 결정하는데 필요한 계산 수를 제한함으로써, 경로는 데이터를 목적지로 전송하는데 지각 가능한 지연을 초래하지 않을 정도로 거의 즉각적으로 또는 적어도 신속하게 결정될 수 있다(이는 또한 주어진 경로를 만드는데 필요한 경로 생성 모듈의 컴퓨팅 용량을 제한하여 위성이 노드 후보인 다른 경로를 계산하기에 충분한 오버 헤드를 남긴다.). 경로의 처음 두 위성이 S₂ 및 S₆₇인 경우, 위성 S₁₆의 데이터 이동 모듈(48)은 루트 생성 동안 저장된 안테나 (또는 안테나 피드)를 통해 Uyo 지상국으로부터 수신한 데이터 전송 패킷을 위성(S₂)에서 위성(S₆₇)으로 차례로 송신하도록 지시하는 어드레싱 신호와 함께 위성(S2)으로 전송한다. 각 라우팅 메시지에는 수신 위성이 다음 위성의 위치를 계산할 필요가 없도록 경로에 다음 위성 노드의 위치가 포함될 수 있다. 목적지 지상국이 완전한 데이터 전송을 수신하면, 본 명세서에 기술된 임의의 방법에 따라 생성된 위성 대 위성 경로를 통해 확인 메시지를 발신 지상국(originating ground station)에 반환한다.

이 실시 예의 변형에서, 초기 수신 노드의 경로 생성 모듈은 목적지 지상국으로의 복수의 경로를 계산한다. 주어진 다중-패킷 데이터 전송은 패킷의 적절한 순서에 관한 정보를 포함할 것이기 때문에, 패킷이 순서에 관계없이 목적지 지상국에 조립될 수 있다. 이는 위성들이 특정 궤도에 제한되지 않더라도 목적지 지상국에서 완전한 데이터 전송이 수신될 확률을 증가시킬 것이다. 공지된 에러 코딩 기술을 데이터 패킷에 적용함으로써 추가적인 신뢰성이 제공될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이 위성의 궤도 파라미터가 위성군에 분포된 방식과 유사한 방식으로 지상국으로부터 정보를 업로드함으로써 구역이 "그리기(drawn)" 또는 "재그리기(redrawn)"가 될 수 있음을 이해할 것이다. 위성은 또한 전술한 방식으로 영역 경계 정의를 그들 사이에 분배할 수 있다. 각 경로는 경로에서 초기 노드의 위치에 대한 대상 지상국의 위치를 기반으로 결정된다. 도 9와 같은 매트릭스를 구성하는데 사용되는 특정 구역은 동일한 기준으로 결정될 것이다. 본 예는 위성들 사이의 거리를 사용하여 바람직한 경로를 조립하지만, 도 9의 매트릭스는 잠재적인 위성-위성 링크의 다른 특성, 예컨대 신호 강도, 신호 대 잡음비, 위성의 상대 속도(이미 언급한 바와 같이), 또는 그러한 파라미터 중 둘 이상의 조합에 기초할 수 있다. 그런 다음 위성의 컴퓨터는 각 잠재적 링크에 대한 매트릭스 값을 기반으로 모든 링크에 대한 정량적 성능 지수를 계산한다. 이 섹션과 다음 섹션에서 설명하는 위성 대 위성 시스템의 또 다른 특징은 궤도에서 궤도가 약간 원형이 아니거나 궤도 붕괴로 인해 약간 다른 고도로 인해 다른 고도에 있거나 다른 발사체에 의해 약간 다른 고도에 배치된 경우, 위성의 안테나를 분산시켜 각 위성을 둘러싸는 구형 공간의 적어도 일부를 통해 송수신함으로써 위성 간의 빔 매칭을 용이하게 한다는 것이다. 위성의 일부 또는 전부가 도 6과 관련하여 설명된 것과 같은 다중-피드 안테나(multi-feed antenna)를 포함하면 이 능력은 더욱 향상된다. 안테나는 자세 제어가 장착된 경우 위성의 미리 결정된 부분을 통해 송수신하도록 구성될 수 있다. 다른 적응에서, 자신의 위치의 특정 위성에 대한 정보 및 그것이 무선 신호를 수신한 위성의 위치에 대한 정보는 수신 위성이 무선 신호가 수신된 하나 이상의 안테나(또는 안테나 피드)에 기초하여 자신의 자세를 결정할 수 있게 할 것이다. 이 정보는 경로 생성 모듈에서 다른 위성 또는 지상국으로 무선 신호를 전송하는데 사용할 안테나 또는 안테나 피드를 결정하는데 사용할 수 있다. 이 적용은 자세 제어가 있거나 없는 위성에서 사용할 수 있다.

2. 제한된 존/매트릭스 시스템(Limited Zone/Matrix System)

이 경로 생성 방법은 첫 번째 영역 그룹을 개별적으로 고려하여 계산 수를 더욱 줄인다. 이 예에서, 위성(S₁₆)은 처음 3개의 구역(ZEN₁₆, ZEN₁ 및 ZEN₂) 내의 위성, 즉 자체 및 위성 S₂₆, S₁₀₂, S₄₂, S₂, S₆₇, S₂₅, S₁₇, 및 S₆₃으로부터 8 × 8 정의 거리 매트릭스를 조립한다. 이 매트릭스는 도 9에서 더 두꺼운 선으로 표시된다. 위성(S₁₆)의 적절한 경로 생성 소프트웨어는 구역 ZEN₁₆, ZEN₁ 및 ZEN₂의 다른 모든 위성에 대한 선호 서브 루트를 계산하는데 사용된다. 이전과 같이, 적합한 다중 링크 서브 루트에 대한 기준은 서브 루트에서의 링크의 결합된 거리, 신호 강도, 임의의 두 특정 위성 사이의 상대 속도 벡터의 방향 등과 같은 요인에 기초한 정량적 성능 수치에 의해 표시되는 위성-위성 링크의 품질과 같은 하나 이상의 파라미터일 수 있다.

제한된 구역/매트릭스 방법의 다음 단계는 본 예에서 ZEN₁₆ 구역에서 위성 S₁₀₂ 및 S₂₆을 구성되는 목적지 지상국과 반대 방향으로 라우팅 라인을 따라 구역의 노드에서 끝나는 모든 서브 루트를 고려하지 않는다. 비록 그러한 서브 루트(route)가 후속하여 프로세스의 후속 단계 동안 다운 스트림 구역에서 다른 위성에 대한 바람직한 서브 루트의 일부인 것으로 결정되었을 가능성이 약간있지만, 이 전략은 경로 생성 프로세스가 ZEN₆ 영역으로 진행될 때 필요한 계산 수를 줄인다. 그러나 이러한 서브 루트를 식별하는 방법의 가능성은 충분히 낮아서 그러한 서브 루트가 임의의 잠재적인 최종 경로에 포함될 가능성은 낮다고 믿어진다. 경로에 포함하기 위한 기준이 최소 거리인 이 예에서, S₁₀₂ 또는 S₂₆과 관련된 다른 모든 서브 루트는 직접 S₁₆에서 S₂ 링크 또는 직접 S₁₆에서 S₄₂ 링크보다 길기 때문에 S₁₆에서 S₂ 또는 S₄₂로의 다중 링크 서브 루트가 없다. 신호 강도와 같은 다른 파라미터가 사용된 경우, S₂를 통한 S₄₂로의 서브 루트는 S₄₂로의 직접 링크, 또는 S₁₀₂를 포함하는 S₄₂로의 서브 루트 보다 보다 선호될 수 있다.

그런 다음 경로 생성 프로세스는 다음과 같은 방식으로 진행된다:

ㆍ 위성(S₁₆)은 상기 단계에서 선택된 구역(ZEN₁ 및 ZEN₂)의 위성에서 끝나는 서브 루트로부터 목적지 구역(ZEN₆)을 향한 라우팅 라인을 따라 다음 구역(ZEN₃)의 모든 위성까지 바람직한 서브 루트를 식별한다.

ㆍ 위성(S₁₆)은 구역 ZEN₂ 및 ZEN₃의 위성에서 끝나는 서브 루트로부터 목적지 구역을 향한 라우팅 라인을 따라 다음 구역 ZEN₄의 모든 위성까지의 바람직한 서브 루트를 식별한다. ZEN₁ 영역에서 끝나는 서브 루트(목적지 지상국과 반대 방향으로 라우팅 라인을 따라있는 영역)는 고려되지 않는다.

프로세스는 이러한 방식으로 라우팅 라인(routing line)을 따라 목적지 노드, 이 경우 ZEN₆ 구역의 위성 S₁₆₃를 향하여 구역마다 계속된다. 각 단계에서, 초기 위성 노드(S₁₆)는 하나의 구역에서 종료되는 임의의 서브 루트를 고려하지 않으면서, 목적지 영역의 방향으로 한 영역에서 다음 영역으로의 서브 루트를 계산한다. 따라서 초기 위성에서의 경로 생선회로는 경로 생성 프로세스 동안 식별되는 다양한 선호 서브 루트로부터 목적지 지상국으로의 적어도 하나의 선호 경로를 조립 한 다음, 하나 이상의 선호 경로를 사용하여 데이터 패킷을 목적지 지상국으로 전송한다. 언급된 바와 같이, 상기 목적지 지상국이 완전한 데이터 전송을 수신할 때, 본 명세서에 기술된 임의의 방법에 따라 생성된 위성 대 위성 경로를 통해 확인 메시지를 발신 지상국으로 리턴한다. 따라서, 이 제한된 구역/매트릭스 방법에서, 각 단계에서 고려해야 하는 위성 매트릭스는 전체 존/매트릭스 시스템에서와 같이 모든 구역의 모든 위성이 아니라 한 번에 세 구역의 위성으로 제한되고, 따라서, 목적지 지상국으로의 하나 이상의 선호 경로를 계산하는데 필요한 시간을 실질적으로 감소시킨다.

3. 다이나믹-홀드 존/매트릭스 시스템(Dynamic-Hold Zone/Matrix System)

이 경로 생성 방법은 위에서 설명한 풀/존 매트릭스 시스템 또는 제한/존 매트릭스 시스템과 함께 사용된다. 이들 시스템에서, 초기 위성 노드(initial satellite node)는 목적지 지상국으로의 하나 이상의 경로를 생성하기 위해 초기 노드에 의해 사용되는 주소 정보를 갖는 데이터 전송 패킷을 발신 지상국으로부터 수신한다. 초기 위성 노드는 경로가 조립될(assembled) 때까지 데이터 패킷을 보유하며, 이는 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 매우 짧은 시간이어야 한다. 초기 위성(본 예에서는 S₁₆)은 각 경로에서 제1위성으로 데이터 패킷을 전송한다. 해당 위성이 데이터를 성공적으로 수신하면 승인 신호(acknowledgement signal)를 전송 위성으로 보낸다. 이 데이터 전송 및 회신 확인(return acknowledgement)은 경로의 마지막 위성이 데이터 전송의 수신을 승인할 때까지 경로에서 위성에서 위성으로 계속된다.

그러나 본 발명의 특정 측면의 두드러진 특징은 일단 공중으로 이동(airborne)한 후에는 위치나 방향에 대해 제어되지 않는 위성을 사용하여 장거리 경로를 생성할 확률에 의존한다는 것이다. 이를 통해 위성 연결 노드의 큰 위성군을 매우 저렴한 비용으로 배치(deploy)할 수 있다. 이러한 패러다임으로 인해 시스템의 특성상 하나의 위성 노드가 다른 위성 노드와 통신하기가 어려운 경우가 있을 수 있다. 시스템의 특성상 다른 노드가 짧은 시간 내에 사용 가능해지기 때문에 이는 일시적이어야 한다. 전술한 매트릭스 시스템은 이러한 발생을 쉽게 설명할 수 있다.

언급한 바와 같이, 위성은 데이터 패킷을 시스템의 다음 노드로 전송할 때마다 승인 신호를 수신한다. 상기 위성은 데이터 패킷을 유지하면서 여러 번의 전송을 시도할 수 있지만, 미리 정해진 횟수만큼 시도한 후에도 여전히 승인이 없으면, 데이터 패킷(들)을 보유하는 경로의 위성은 단순히 풀 존/매트릭스 방법 또는 제한된 존/매트릭스 방법(또는 본원에 기술된 다른 방법) 중 하나에 의해 목적지로의 새로운 경로를 계산할 것이다. 이로 인해 목적지 지상국이 전체 데이터 전송을 수신할 때까지 약간의 지연이 발생할 수 있으나, 그것들은 실질적으로 감지할 수 없을 정도로 짧을 것으로 믿어진다. 목적지 지상국이 완전한 데이터 전송을 수신하면, 본 명세서에 기술된 임의의 방법에 따라 생성된 위성 대 위성 경로를 통해 확인 메시지를 발신 지상국에 반환한다. 이렇게 하면 발신자가 자신의 메시지가 의도한 목적지로 전송될 때 일정 시점에 배달되었을 수 있음을 알릴 수 있지만, 또한 대부분의 사용자는 개발되지 않은 지역에서는 이메일 및 다른 형태의 통신에 액세스할 수 있는 대가로 더 긴 전송 시간을 허용할 것으로 예상된다.

4. 가변 존/매트릭스 시스템(Variable Zone/Matrix System)

다른 실시 예에서, 존(zone)은 목적지 주소 정보를 포함하는 데이터 전송 패킷을 수신한 후 초기 위성 노드에 의해 그려진다. 위에서 설명한 다양한 존/매트릭스 시스템에 대한이 변형에서, 모든 위성의 경로 생성 모듈은 데이터를 목적지 지상국으로 전송하는데 사용되는 특정 경로 생성 시스템을 구현하는데 사용될 구역의 경계를 설정하는 소프트웨어를 포함한다. 이 경로 생성 방법은 잠재적인 영역의 위성 수 및 인접 영역의 위성 간 거리와 같은 요소를 고려하여 성공적인 경로를 만들 가능성을 최대화할 수 있다. 이 방법의 바람직한 일 실시 예에서, 데이터 전송을 수신하는 각각의 위성은 목적지 지상국으로의 나머지 경로에 대한 자체 구역 경계를 그린다(draw).

초기 위성은 적절한 모양이나 크기로 영역을 “그릴(draw)”수 있다. 예를 들어, 제1구역은 초기 위성을 중심으로 직경이 2000 마일인 원일 수 있고, 각 후속 영역은 첫 번째 원(중심을 연결하는 선을 따라)과 약 500 마일 정도 겹치는 유사한 원일 수 있으며, 그에 따라 목적지 위성에 연결된다. 겹치는 영역이 겹치는 영역에 특정 수의 위성을 제공하기에 충분하도록 원(또는 다른 모양)이 그려진다. 경로 생성 모듈은 주어진 수의 위성(또는 주어진 수의 범위)이 특정 구역의 적어도 하나의 위성에서 적어도 하나의 위성으로 해당 영역과 인접 영역의 겹치는 영역에서 성공적인 빔 매칭이 이루어질 수 있도록 미리 결정된 확률에 따라 계산하도록 프로그래밍된다. 다시 말해, 초기 위성은 라우팅 라인을 따라 겹치는 영역(overlapping regions)에서 위성의 수를 고려하고, 각 영역에서 위성의 수를 고려한 영역을 갖는 겹치는 영역을 구역에 제공할 것이다. 구역은 경로가 생성되는 특정 시간에 겹치는 영역의 위성 수에 따라 크기가 다를 수 있다.

초기 위성은 구역에 고유한 식별자를 부여할 것이며, 목적지 위성으로의 경로 생성에 영향을 주는 데 사용되는 매트릭스는 전술한 구역/매트릭스 방법 중 하나에서 전술한 바와 같이 조립될 것이다. 변형에서, 초기 위성과 목적지 위성 사이의 위성의 분포가 변경되면 경로 생성 프로세스 동안 구역 경계가 변경될 수 있다. 또한, 선택된 경로 생성 프로세스의 특정 단계는 원래 그려진 라우팅 라인에서 벗어난 새로운 라우팅 라인을 그릴 수 있다.

C. 위성 대 위성 링크를 사용하여 무선 경로를 생성하기 위한 존/방향 시스템(Zone/Direction System for Creating Radio Routes With Satellite-to-Satellite Links)

도 8은 모든 위성이 모든 다른 위성의 궤도를 정의하는 궤도 정보를 저장하는 위성 인프라를 사용하는 이 구역 데이터 전송 방법을 설명하기 위해 사용될 것이다. 이 정보를 통해 위성은 무선 신호를 전송하는 정확한 방향을 알게 된다; 즉, 그의 데이터 이동 모듈(48)은 다른 위성을 향해 데이터를 전송하기 위한 안테나 모듈을 선택할 것이다. 위에서 지적한 바와 같이, 이 방법은 나이지리아 Uyo에서 약 8000 마일 떨어진 필리핀 Leyte로 데이터를 전송하는 것과 관련하여 설명될 것이다.

이전과 같이, 위성(S₁₆)은 Leyte의 지상국에 가장 가까운 위성(S₁₆₃)으로 전송하기 위해 Uyo 지상국으로부터 데이터 전송을 수신한 초기 라우팅 노드인 것으로 가정한다. 이 루트 생성 방법에서, 초기 위성 노드(S₁₆)는 다음 인접 구역에 목적지 지상국을 향한 임의의 위성이 존재하는지를 결정하는데, 이 예에서는 구역(ZEN₂)이다. 그런 다음 위성(S₁₆)은 적절한 안테나 피드를 사용하여 데이터 전송을 위성 S₆₇, S₁₇, S₆₃ 및 S₂₅로 보낸다(도 6 참조). 데이터를 성공적으로 수신한 위성은 확인 신호를 위성(S₁₆)으로 리턴한다. 데이터 전송을 수신한 구역 ZEN₂의 각 위성은 다음 구역 ZEN₃의 위성으로 전송하고 승인 신호를 기다린다. 목적지 위성(S₁₆₃)이 위치한 구역 ZEN₆에 인접한 구역 ZEN₅에서 하나 이상의 위성에 의해 데이터가 수신될 때까지 프로세스가 반복된다. 데이터 전송을 수신한 구역 ZEN₅의 위성은 그것을 위성 S₁₆₃으로 안내하고, 이전과 같이 성공적으로 수신되었다는 확인 응답을 기다린다.

이 경로 생성 방법은 이전 섹션에서 설명한 매트릭스 방법보다 계산 집약도(calculation-intensive)가 낮지만, 실제로는 최종 목적지 위성으로의 데이터 전송 완료 지연을 최소화한다는 측면에서 신뢰성이 떨어질 수 있다. 예를 들어, 경로의 위성 중 임의의 하나는 다른 위성으로부터 확인 응답을 수신하기 전에 데이터 전송을 여러 번 전송해야 할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 어느 정도의 지연은 세계의 저개발 지역에 있는 사용자가 이용할 수 없는 먼 지리적 위치를 가진 전자 통신에 액세스함으로써 허용되는 결과일 수 있다. 그러나 메시지가 너무 오래 지연되거나 너무 많은 인스턴스에서 전혀 전달되지 않으면 시스템의 유틸리티가 줄어든다.

이러한 문제가 발생할 가능성을 최소화하기 위해 사용할 수 있은 여러 가지 전략이 있다. 한 가지 방법은 데이터를 처음으로 지시한 위성으로부터 승인 신호를 받지 못한 경우 데이터 전송이 있는 경로의 각 위성이 다른 영역의 인근 위성으로 전송을 시도하는 것이다. 예를 들어, 위성(S₂₅)이 미리 정해진 시간 내에 구역(ZEN₃)의 임의의 위성으로부터 확인 응답 신호를 수신하지 않으면, 구역(ZES₃)의 위성(S₅₂)으로 송신을 시도할 것이다.

이 존/방향 시스템의 변형에서, 상기 구역은 가변 구역/매트릭스 시스템과 관련하여 전술한 방식으로 목적지 주소 정보를 포함하는 데이터 전송 패킷을 수신한 후 초기 위성 노드에 의해 인출된다(drawn). 즉, 모든 위성의 경로 생성 모듈은 데이터를 목적지 지상국으로 전송하는데 사용되는 특정 경로 생성 시스템을 구현하는데 사용될 구역의 경계를 설정한다. 마찬가지로 위성 컴퓨터는 성공적인 경로를 만들 가능성을 최대화하기 위해 잠재적인 구역의 위성 수 및 인접 구역의 위성 간 거리와 같은 요소를 고려한다. 이 방법의 바람직한 일 실시 예에서, 데이터 전송을 수신하는 각각의 위성은 목적지 지상국으로의 나머지 경로에 대한 자신의 구역 경계를 그린다(draw).

D. 위성 대 위성 링크를 사용하여 무선 경로를 만들기 위한 벡터/방향 시스템(Vector/Direction System for Creating Radio Routes With Satellite-to-Satellite Links)

이 실시 예에서, 각각의 위성은 자신의 위도/경도 위치를 알고 있지만, 다른 위성의 궤도 파라미터를 알지 못한다. 따라서, 위에서 사용된 예에서, 위성(S₁₆)은 위성군에서 다른 위성의 위치를 모르지만, Uyo 지상국으로부터 수신된 데이터 전송 방향을 알고 있다. 이미 언급한 바와 같이, 확률은 200 위성 위성군에서 항상 주어진 위성과 함께 최소 40개의 위성이 시선에 있을 것이라고 제안한다. 마찬가지로 위성군 내 위성 분포의 무작위 특성을 고려할 때 위성 중 일부는 위성(S₁₆)의 현재 위치와 데이터 전송의 최종 목적지 사이에 있다.

따라서, 위성은 적절한 안테나 또는 안테나 피드(도 6 참조)를 사용하여 목적지 지상국의 위치를 포함하여 데이터의 전송으로 자신과 목적지 지상국 사이의 공간 영역에서 미리 정해진 영역을 플러딩(flood)할 수 있다. 예를 들어, 위성은 Leyte 지상국을 향한 방향(3차원)을 계산하고 지구 표면과 평행한 평면(xy 평면)에서 60°, 지구 표면과 수직인 상하 방향(z 축)에 이르는 지역을 플러드(flood)한다. z-방향에서 후자의 영역은 궤도 붕괴로 인해 생길 수 있은 위성 고도의 변화를 설명할 것이다. 위성이 도 8에 도시된 바와 같이 분포된 경우, 위성(S₆₃ 및 S₂₅) 중 하나 또는 둘 모두는 데이터 전송을 수신하고 확인 응답 신호를 반환할 수 있다. 위성(S₂₅)이 데이터를 수신한 경우, 동일한 영역을 차례로 플러딩하여 위성(S₇, S₅₂ 및 S₄₇)이 전송을 수신할 수 있다. 이 단계별 전송은 위성이 데이터 전송을 다운로드하는 Leyte 지상국의 가시선 내에 하나 이상의 위성이 데이터를 수신할 때까지 발생한다. 본 명세서에 기술된 모든 데이터 전송 방법에서와 같이, 목적지 지상국은 목적지 지상국이 완전한 데이터 전송을 수신할 때 위성 대 위성 경로를 통해 발신 지상국으로 확인 메시지를 리턴한다.

IV. 기타 수정 및 변형(Other Modifications and Variations)

이 섹션에서는 위에서 설명한 시스템에 대한 수정, 변형 및 추가 사항에 대해 설명하여 지상국 간의 데이터 전송 속도를 높이고 신뢰성을 높이고 다른 방법으로 시스템에 유틸리티를 추가할 수 있다.

A. 회전 위성(Rotating Satellites)

이미 논의된 바와 같이, 상기 설명에 따라 위성-기반 무선 메시 시스템을 설계하는 것은 광범위한 파라미터들 사이에서 무수한 트레이드-오프(trade-off)를 수반한다. 교차 목적으로 작동하여 신중하게 선택해야 하는 두 가지 특정 매개 변수는 안테나에 의해 전송되는 무선 신호의 빔 폭(beam width)과 안테나의 전력(이득)이다. 한편으로, 더 큰 빔 폭은 빔 정합이 생성될 가능성을 증가시키지만, 더 큰 빔 폭은 안테나의 이득을 감소시킨다. 반대로, 빔이 좁을수록 안테나 이득은 증가하지만 노드 간에 빔 정합이 발생할 가능성은 줄어든다. 위성이 운반할 수 있는 안테나의 수와 내장 배터리에서 사용할 수 있는 전력에 제한이 있어 위성 안테나 구성은 위성의 무게와 크기에 대한 제약을 고려해야 하기 때문에 위성 노드에서 트레이드-오프는 매우 중요하다. 또한 지구 표면을 스치면서(grazing) 수신 노드에 도달하기 전에 신호를 부분적으로 차단할 수 있고 일부 전파 빔이 약해질 수 있기 때문에 노드 간 가능한 빔 일치 수를 늘리는 것이 바람직하다.

랜덤-궤도 위성 시스템의 효율적인 기능을 위해서는 빔 폭과 안테나 이득 간의 적절한 절충(trade-off)을 달성하는 것이 중요하다. 이러한 시스템은 경로를 생성하고 선택하기 위해 랜덤 궤도 위성(randomly orbiting satellites)을 사용하여 경로를 생성할 수 있는 통계적 확률에 의존한다. 일반적으로 위성의 안테나는 노드 간 링크를 설정할 수 있도록 서로 및 지구를 향한 공간을 가리 킨다(point out). 상기 시스템의 기본 속성은 다른 노드(지상국 및 위성)에 도달하기에 충분한 강도의 라우팅 신호 및 데이터 전송에 의존한다는 것이다. 이 시스템은 궤도에 충분한 위성을 보유하고 하나 이상의 위성을 통해 두 지상국 간에 적절한 경로를 만들 수 있는 가능성을 높이기 위해 빔 폭 대 이득을 포함한 적절한 설계 균형을 유지하는데 의존한다. 그러나 위성 간 고품질(성능 지수) 링크를 생성할 확률이 증가할 경우 다중 위성 경로로 더 나은 데이터 전송을 달성할 수 있는 시스템 설치가 있을 수 있다.

본 실시 예는 축을 중심으로 회전하는 위성을 사용하는데, 여기에서 설명된 바와 같이, 이는 고품질 링크 및 서브 경로(sub routes)를 갖는 경로가 다수의 위성을 사용하여 생성될 수 있는 가능성을 증가시킨다. 후술하는 바와 같이, 회전 위성을 사용하면 빔 폭이 감소하고 이에 따라 이득이 증가한다.

예시적인 위성 구성은 구형 위성 표면의 약 60%를 커버하는 25개의 안테나를 사용한다. 따라서, 그러한 위성에 의해 전송된 무선 빔이 다른 유사한 위성에 의해 수신될 확률의 대략적인 추정치는 약 36%(0.6 × 0.6)일 것이다. 무선 빔은 링크가 어느 정도 생성될 확률을 증가시키는 사이드 로브(side lobe)를 가질 것이기 때문에, 이것은 단지 추정일 뿐이라는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 위성의 직경이 2배인 경우, 포물선 접시 안테나의 직경(d)도 2배가 될 수 있다. 　 수학식 α　=　(k×γ)/d에 의해, HPBW(half power beam width)는 반감될 것이다. 빔의 면적은 단지 1/4만큼 크지만 안테나 이득은 4배 또는 약 6dB 증가한다. 한편, 위성 간의 빔 일치 확률은 약 2% (36%×(¼)²)로 감소된다.

본 실시 예에서, 위성들 사이의 빔 매칭에 의한 무선 링크의 확립은 회전축을 중심으로 의도적으로 회전하는 궤도에 배치된 위성을 사용함으로써 향상된다. 일 구현에서, 위성 자체는 도 2 및 도 3에 도시되고 위성과 관련된 텍스트에서 설명된 위성과 동일한 구성 요소를 갖는다.

위성의 각속도는 상대적으로 높다. 회전 위성을 사용하는 전형적인 시스템의 동작을 설명하기 위해, 상기 위성이 각속도 ω = 2π rad/sec (60 rpm)로 전개되는 것으로 가정할 것이다. 당업자는 이 예가 제한적인 의미가 아니며, 본 명세서에 기술되고 청구된 무선 경로를 확립하고 데이터를 전송하기에 효과적인 임의의 각속도를 이용하는 것이 본 개시의 범위 내에 있다는 것을 이해할 것이다. 회전 축의 방향은 제어되지 않지만 물리 원리는 각 위성이 질량 중심을 통해 회전 축을 가정하고 회전 축이 각속도(ω)를 중심으로 전진한다(precess). 그러나 임의의 주어진 시간에서의 회전축의 배향은 다음의 논의에서 명백한 바와 같이 무선 링크의 생성에 영향을 미치지 않는다.

회전 위성(Rotating satellites)은 위성 안테나가 위성이 회전함에 따라 영역을 "스윕(sweep)"하기 때문에 다른 위성에 의해 전송된 무선 빔이 수신될 확률을 증가시킨다. 이는 도 2에서 상기 위성(10)의 적도(16)에 대응하는 위성 "적도"를 통한 개략적인 단면인 도 10A에 도시된 위성(S_ω)을 고려함으로써 이해될 수 있다. 이 예에서, 위성(S_ω)은 각각 적도(16) 주위에 동일하게 배열되고 각속도 ω로 z-축을 중심으로 회전하는 35°의 HPBW를 갖는 5개의 안테나(12₁, 12₂, 12₃, 12₄ 및 12₅)를 포함한다. 위성에서 멀리 떨어져 있고 적도의 평면에 있는 위치 RL은 위성이 완전한 회전을 통해 회전함에 따라 5개의 안테나를 "볼" 것이다. 이 숫자는 적도면이 아닌 위치에 따라 다르지만 원리는 여전히 유지된다는 것을 이해할 것이다. 회전축에 대한 세차 운동(precession)으로 인해 그 수가 증가하거나 감소할 수 있음을 이해할 것이다. 그러나 위성에서 멀리 떨어진 대부분의 위치(지상국 포함)는 위성이 회전함에 따라 여전히 복수의 안테나를 보게 된다. 따라서, 제1위성(S_ω)의 적도 면에 그의 적도면을 갖는 제2위성에서, 위의 텀블링 위성 예에서 6dB 이득 증가로 무선 링크를 생성할 수 있는 확률은 약 10%이다(5 안테나×각 안테나에 대한 2%). 지상국 안테나와의 빔 정합을 생성할 확률도 마찬가지로 증가한다.

이것은 회전 축 주위의 위성 세차와 같은 요인을 무시하는 매우 이상적인 표현이며, 그럼에도 불구하고 회전하는 위성이 두 위성 사이에서 빔 정합을 만들 확률이 높아진다는 개념을 보여준다. 그럼에도 불구하고 경로 생성에 사용할 수 있는 무작위로 궤도를 도는 수많은 위성을 고려하면, 회전 위성을 이용한 빔 정합 확률의 증가는 대부분의 경우 다수의 위성을 통해 2개의 지상국 사이에 더 높은 품질의 링크를 갖는 무선 경로의 조립을 가능하게 하기에 충분할 것이다. 이것은 멀리 떨어진 지상국에 도달하는데 특별한 적용성(applicability)을 갖지만, 다른 설정에서 지상국 사이의 무선 경로의 신뢰성을 높일 수도 있다.

1. 역-회전 위선(Counter-Rotating Satellites)

상기 위성은 바람직하게는 이들의 약 절반이 회전축을 중심으로 제1방향으로 회전하고 다른 절반이 반대 방향으로 회전하도록 배치된다. 도 10A에서 유사한 부분들에 대해 동일한 숫자를 사용하는 도 10B는 제1방향으로 각속도(ω)로 회전하는 위성(S_ω1)과 (반대 회전 방향으로) 동일한 각속도-ω로 회전하는 제2위성(S_ω2)을 도시함으로써 이러한 원리를 도시한다. 이것은 위성(S_ω1)의 안테나(125)와 위성(S_ω2)의 안테나(124) 사이의 빔 정합이 2개의 위성이 동일한 방향으로 회전하는 것보다 더 오래 지속되는 방법을 예시한다. 즉, 위성들이 반대 방향으로 회전하고 있다면, 위성의 마주보는 안테나들은 서로에 대해 본질적으로 동일한 선형 속도로 이동하고 있다. 반면에 위성이 같은 방향으로 회전하는 경우 상대 선 속도(relative linear velocity)는 각각 선 속도의 두 배이다. 궤도에 충분한 수의 위성이 있으면(이전 실시 예에서 200개), 무선 경로가 확립되는 임의의 주어진 지리적 영역에 대해 복수의 역회전 위성을 가질 가능성이 상당히 높다고 생각된다. 따라서, 상대적으로 오래 지속되는 무선 경로를 신속하게 구축할 가능성은 다른 위성과 반대 방향으로 회전하는 위성의 적어도 일부, 바람직하게는 약 절반을 배치함으로써 증가된다. 또한, 각 위성에 있는 두 개의 안테나는 정렬이 길어질 뿐만 아니라 서로의 시야에서 벗어나자마자 위성의 두 개의 다른 안테나가 정렬될 수 있으므로 위성 간의 무선 링크를 신속하게 새로 고칠 수 있다. 도 10B에 도시된 예에서, 위성(S_ω1)에서의 안테나(121) 및 위성(S_ω2)에서의 안테나(125)는 다음에 정렬될 것이다.

위에서 설명한 회전 위성 사용의 효율성 증가를 설명하는데 사용된 예와 같이, 이것은 또한 역회전 위성이 어떻게 그들 사이에 더 오래 지속되는 무선 링크를 만들 수 있는지에 대한 이상적인 설명이다. 또한, 상기 설명의 기초가 되는 가정들에 대해, 주어진 시간에 두 개의 지상국들 사이에서 무선 경로가 요구되는 영역에 대해 두 개의 반대 회전 위성들이 없을 수 있다. 그렇지만, 종합하면, 두 위성 사이에서 안정적인 데이터 통신을 가능하게 하기 위하여, 회전 위성, 특히 역회전 위성은 랜덤 궤도 위성 사이에 비교적 높은 이득의 무선 링크를 확립할 수 있는 충분한 확률을 제공할 것이다. 그리고 안테나가 복수의 방향(바람직하게는 위성을 둘러싸고 있는 전체 구형 공간을 가리킴)을 가리키기 때문에, 두 개의 회전 위성 사이에 무선 링크를 설정할 수 있는 기회는 대부분 회전 위성을 사용하여 향상된다.

2. 서로 다른 각속도를 갖는 위성(Satellites Rotating at Different Angular Velocities)

바로 위에 설명된 실시 예의 변형은 상이한 각속도로 회전하는 위성을 사용한다. 이 변화는 위성(S_ω1)이 각속도 ω₁에서 회전하고 S_ω2가 다른 각속도 ω₂에서 회전하는 것으로 도 10C에 개략적으로 도시되어 있다. 이 시스템의 장점은, 도 10C에 도시된 바와 같이, 하나의 위성 상의 안테나가 제2위성 상의 안테나들 사이의 공간을 직접 향할 수 있다는 점에서 카운터 회전 위성 상의 안테나들이 위상이 틀릴 수 있다는 것이다. 상기 위성이 동일한 각속도로 회전하는 경우, 이 상황은 장기간 지속할 수 있으므로 위성 간의 무선 링크가 약화되거나 링크가 완전히 설정되지 않을 수 있다. 서로 다른 각도 속도로 위성을 회전시키면 두 위성의 일부 각도 위치 안테나에서 (주기적으로) 서로 마주보게 될 가능성이 높아져서 그들 사이에 유용한 무선 링크를 설정할 수 있다. 예를 들어 도 10C에 도시된 경우에, 위성 상의 안테나는 정확히 180도 위상차(out of phase)이다. 즉 위성(S_ω1) 상의 안테나(122)는 위성(S_ω2) 상의 안테나(124 및 125) 사이의 공간을 직접 가리키고 있다. ω₁ = 1.33 ×ω₂ 인 경우 위성(S_ω1)의 안테나 125와 위성(S_ω2)의 안테나 125는 위성이 회전함에 따라 정렬된다.

상이한 각속도로 회전하는 위성의 사용은 위성들 사이 및 위성들 사이의 무선 링크를 설정하는데 있어서 가능한 모든 지연을 감소시킬 것으로 믿어진다. 예시적인 접근법에서, 위성의 코호트는 다음 표에 따라 상이한 각속도를 갖는 5개의 그룹으로 분할될 수 있다.

매우 느린 스피너	0.68 revolutions per second
느린 스피너	0.84 revolutions per second
평균 스피너	1.0 revolutions per second
빠른 스피너	1.16 revolutions per second
매우 빠른 스피너	1.32 revolutions per second

바로 위의 설명은 이것이 각 위성의 안테나 사이에 빔 정합을 설정할 확률을 어떻게 증가시킬 수 있는지 설명한다. 즉, 상기 논의는 다른 속도의 각속도 1.33 배의 각속도로 회전하는 위성이 어떻게 빔 정합을 용이하게 할 수 있는지의 한 예를 설명했다. 다른 원리의 각속도에도 동일한 원리가 적용된다.

마찬가지로, 이 시스템 구현은 하나의 위성의 안테나는 다른 위성의 안테나와 충분히 정렬되어 상기 위성이 다른 각속도로 역회전하는 경우 빔 정합을 형성할 수 있는 기회가 더 많기 때문에 주어진 기간 동안 더 많은 빔 정합을 가능하게 한다. 주어진 시간에 또는 특정 간격으로 두 위성 사이에서 빔이 일치하지 않을 수 있다. 그러나 이들이 서로 다른 각속도로 계속 회전함에 따라 위성의 안테나는 각 위성의 안테나가 어느 시점에서 정렬될 가능성이 있기 때문에 빔 정합을 형성할 가능성이 있다. 이를 위해서는 위성의 복수 회전이 필요할 수 있지만, 다른 각속도로 회전하면 위성이 계속 회전함에 따라 더 많은 정합이 생성될 가능성이 크게 증가한다. 따라서 상기 위성들이 그들의 궤도를 따라 이동하고 그들의 축을 중심으로 회전함에 따라, 각각의 상이한 각 속도로 회전하는 복수의 위성 코호트를 제공하는 것은 임의의 주어진 시간 간격 동안 위성 쌍 사이에 더 많은 빔 정합을 생성할 가능성을 증가시킬 것이기에 다른 위성에서 안테나의 복잡한 상호 관계를 통해 이해할 수 있다.

3. 다른 고려 사항(Other Considerations)

지구 궤도, 특히 낮은 고도에서 회전하는 물체의 각속도는 여러 요인으로 인해 붕괴하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 낮은-지구 궤도 고도에서 지구의 대기는 매우 얇지만, 본 시스템에 사용된 위성이 바람직하게 차지할 지역에서는 그럼에도 불구하고 공전하는 물체는 여전히 공기 역학적 항력을 경험한다. 상기 물체에서 강자성 물질의 지구 자기장을 통과하여 발생하는 힘은 위성과 같은 회전체의 각속도에 영향을 줄 수 있다. 상기 회전 위성이 시간에 따라 각속도의 감소를 겪는 경향은 다양한 방식으로 보상될 수 있다. 하나는 종래 기술로 알려진 레트로 로켓(retro rocket) 또는 능동 기계 장치(active mechanical devices)를 사용하는 것이다. 그러나 본 발명의 목적 중 하나는 본 명세서에 기술된 시스템에 사용되는 위성을 구축, 배치 및 유지하는 비용을 최소화하는 것이므로, 위성 상의 외부 힘을 보상하거나 위성 움직임을 제어하기 위한 힘을 생성하기 위해 수동 수단(passive mean)을 사용하는 것이 바람직하다.

하나의 그러한 수단은 일측에만 태양 전지를 갖는 태양 패널을 사용하여 위성의 회전축에 대한 토크를 생성하기 위해 상기 패널을 타격하는 광자의 운동량을 이용한다. 예를 들어, 도 2 및 3을 참조하면, z-축을 기준으로 시계 반대 방향(음의 z 방향으로 보여짐)으로 회전하도록 배치된 위성의 경우, 각각의 태양 패널(14a)은 일 측면, 즉 도 3에서 우측으로 태양 패널(14a)에 대한 뷰어(viewer)를 향하는 면 및 도 3에서 좌측으로 다른 태양 패널(14a)에 대한 뷰어로부터 먼 면에만 태양 전지를 포함할 것이다. 나머지 태양 패널에 여전히 양쪽에 태양 전지가 있다. 더 큰 태양 패널은 위성에서 공기 역학적 항력을 증가시키지만, 신중한 설계를 통해 각속도의 붕괴 경향을 극복하는 위성에서 순 토크를 생성하는 크기, 구성 및 방향의 태양 패널을 제공하는 것이 가능할 것으로 여겨진다.

마찬가지로 상기 위성 구성 요소의 질량을 선택적으로 분산시켜 특정 축을 중심으로 회전시키는 것이 가능하다고 생각된다. 배터리가 위성 질량의 대부분을 차지할 것으로 예상되므로, 그것은 바람직하게는 위성의 질량 중심에 위치하고 회전축에 대해 대칭인 질량 분포를 갖는다. 또한 가능하면 알루미늄과 같은 비-강자성 재료(nonferromagnetic material)를 사용하여 위성에 대한 지구 자기장의 영향을 최소화할 수 있다. 이러한 기능은 회전축에 대한 모멘트(moment)를 제공하기 위해 태양 패널을 사용하는 것 외에도 적어도 위성의 각속도의 감쇠율을 낮추기에 충분하다.

전술한 바와 같이, 위성 자세를 제어하기 위한 상기 수동적 수단의 일부 또는 전부가 실시 예에서 채용될 수 있다. 즉, 하나의 변형에서, 하나 이상의 태양 패널은 한 쪽면에만 태양 전지를 가질 수 있어 위성에 불균형 순간을 부여하여 태양 전지가 계속 회전할 수 있다. 또 다른 변형은 위성이 지구의 자기장을 가로지르면서 크기와 방향이 다른 힘을 생성하는 위성의 선택된 위치에 강자성 물질을 배치할 수 있다.

본래 회전하기 위해 배치된 위성은 초기 각속도가 시간이 지남에 따라 붕괴되더라도 궤도에 남아있을 가능성이 높기 때문에, 그들은 여전히 지상국들 사이의 무선 경로에서 노드로서 이용 가능할 것이다. 본 시스템에 따른 위성은 구축, 발사 및 배치가 저렴하기 때문에, 각속도가 붕괴된 것을 대체하기 위해 추가 회전 위성을 발사할 수 있다. 이 경우 경로 생성에 사용할 수 있는 위성 수가 증가 할뿐만 아니라, 오래된 임의의 위성이 계속 회전하는 정도까지 증가하며, 그 효과는 서로 다른 각속도로 회전하는 위성을 사용하여 개선된 성능을 자동으로 활용하게 된다.

B. 드론-장착 지상국(Drone-Mounted Ground Stations)

전술한 시스템의 다른 변형에서, 지상국은 저 비행 드론("무인 항공기") 상에 장착될 수 있다. 이것은 드론의 고도에 따라 특정 지상국이 제공하는 지상 지역(terrestrial area)을 증가시킬 것이다. GR = 1.22 × h^½ 방정식(여기서 h는 피트 단위의 드론 고도이고 GR은 마일 단위의 드론에서 수평선까지의 거리)에 의하면, 500 피트의 고도에 있는 드론은 이론적으로 약 25 마일 떨어진 지상에서 사용자에게 보여질 것이다. 드론 고도가 200 피트인 경우 비교 가능한 거리는 15 마일이다. 실제 거리는 사용자와 드론 사이의 언덕이나 건물과 같은 지형적 특징에 따라 적거나 사용자가 높은 위치에 있는 경우 다소 더 클 수 있다. 해당 지역에 있을 수 있는 저 비행 항공기와의 간섭을 피하기 위해 최대 바람직한 고도는 500 피트 부근에 있을 것으로 믿어진다. 그러나 매우 먼 지역에서는 고도가 1000 피트 (GR = 35 마일) 이상이 될 수 있다.

드론에는 드론의 경도 및 위도를 결정하는 위성의 것과 유사한 GNSS 모듈과 알려진 드론 구조에서 표준 안내 메커니즘을 제어함으로써 드론을 실질적으로 고정된 위치로 유지하기 위한 서보 시스템을 포함할 것이다. 즉, 드론은 드론이 배치될 경도 및 위도에서 원하는 위치를 포함하는 소프트웨어 또는 펌웨어로 프로그래밍된 컴퓨터를 포함할 것이다. 드론이 원하는 위치에서 벗어나면 컴퓨터가 오류 신호를 생성하고 서보 시스템이 드론의 비행 제어 장치를 조정하여 원하는 위치로 다시 조종한다. 따라서 드론이 장착된 지상국은 지상 지상국과 동일하다.

이 배치는 사용자 밀도가 낮고 단일 드론 장착 지상국이 다수의 지상 지상국만큼 많은 사용자에게 서비스를 제공할 수 있는 농촌 지역에서 특히 유용할 것이다. 또한, 지상 스테이션은 수리 또는 업그레이드를 위해 중앙에 위치한 유지 보수 시설로 이동하여 서비스 중단없이 새로운 지상 스테이션으로 교체할 수 있다. 이런 식으로 유지 보수 직원을 원격 위치로 파견할 필요가 없고 지상국에 접근하기 어렵지 않다. 이는 아프리카나 남미 정글과 같이 숲이 우거진 지역이나 동인도의 외딴 섬과 같이 인구가 적고 개발되지 않은 지역의 사용자에게 액세스 권한을 제공하는 경우에 특히 유리하다.

C. 위성 대 위성 링크를 사용하여 무선 경로에 적용되는 블록체인 원칙(Blockchain Principles Applied to Radio Routes With Satellite-to-Satellite Links)

본 명세서에 기술된 위성 통신 시스템은 특히 분산 원장 기술(distributed ledger technology)의 기본 원리의 적용에 적합하다. 블록체인은 여러 컴퓨터에서 검증되고 복사된 분산 원장으로, 일반적으로 수백 또는 수천 개의 번호가 매겨진다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법에 적용되는 바와 같이, 각 위성 및 지상국은 라우팅 및 라우팅 메시지의 일부로서 실행되는 데이터 전송 및/또는 각각 블록체인에서 노드로 간주될 수 있는 지상국 중 및 사이에서 데이터 전송의 다양한 측면에 관한 정보를 기록 및 배포하기 위해 사용된 블록체인의 노드로 간주될 수 있다.

블록체인 원리는 다양한 방식으로 본 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 데이터 전송이 초기 위성 노드에 업로드될 때마다 시스템의 모든 노드에 분배되는 트랜잭션으로 기록될 수 있다. 전술한 모든 실시 예의 특징인 데이터 트랜잭션이 완료된 후 목적지 그라운드 노드로 리턴된 확인 신호와 같은 다른 트랜잭션도 각각의 노드에 기록될 수 있다.

이러한 기록된 트랜잭선은 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 사용자가 시스템에 액세스하는 횟수와 완료된 데이터 전송 횟수는 시스템 소유자가 청구 목적(billing purposes)으로 사용하거나 사용량 또는 성공적인 전송에 대한 통계를 컴파일하는데 사용할 수 있다.

V. 요약 및 결론(Summary and Conclusion)

본 명세서에 기술된 다수의 신규 무선 통신 시스템의 기초가 되는 기본 패러다임은 적도의 북쪽과 남쪽의 미리 정해진 범위의 위도에 걸쳐 연장되는 궤도면에서 지구를 공전하는 다수의 위성을 포함한다는 것이다. 위성의 구성 요소(component)는 시스템에서 제공할 지구의 면적에 따라 일반적으로 100과 200 사이의 큰 위성의 위성군을 사용하여 3개 이상의 위성 간에 여러 무선 링크를 쉽게 만들 수 있다. 임의의 중앙 명령 컴퓨터와 달리 위성 자체의 구성 요소는 위성 대 위성 링크를 만든다. 시스템의 각 위성은 지구 표면에 대한 위성의 위치를 결정하기 위한 GNSS 회로와, 특정 순간 위성 위치에서 목적지 지상국의 위치까지의 방향을 가상으로 실시간 계산하기 위한 경로 생성 회로가 포함되어 있다. 안테나 페어링 회로는 목적지 지상국의 일반적인 방향으로 복수의 지향성 위성 안테나로부터 무선 신호를 전송한다. 위성군에는 많은 수의 위성이 있기 때문에, 적어도 하나의 다른 위성이 무선 신호를 수신하고 확인 신호를 반환할 가능성이 있다. 자신의 위치를 알고 있는 다른 위성은 목적지 지상국의 일반적인 방향으로 무선 신호를 전송한다. 이는 지상국이 신호를 수신할 때까지 계속된다.

목적지 지상국으로의 무선 경로를 성공적으로 생성할 가능성을 증가시키도록 설계된 실시 예에서, 각각의 위성은 그것과 관련된 고유 식별자를 가지며 임의의 특정 시간에 시스템에서 모든 궤도 위성의 위치를 정의하는 궤도 정보를 저장한다. 각각의 위성은 또한 저장된 궤도 정보에 기초하여 특정 시간에 시스템에서 복수의 다른 위성의 위치를 계산하기 위한 경로 생선회로 포함한다. 안테나 페어링 회로는 전송 위성과 관련된 고유 식별자를 포함하는 무선 신호를 복수의 지향성 위성 안테나 중 적어도 하나로부터 경로 생성 회로에 의해 위치가 계산된 적어도 하나의 다른 위성으로 전송한다. 안테나 페어링 회로는 경로 생성 회로에 의해 위치가 계산된 적어도 하나의 다른 위성을 향해 복수의 지향성 위성 안테나 중 적어도 하나로부터 전송 위성과 관련된 고유 식별자를 포함하는 무선 신호를 전송한다.

전술한 설명은 지상의 멀리 떨어진 위치들 사이의 다중 위성 경로 생성을 위해 적용될 수 있는 상이한 실시예들의 다수의 방식을 개략적으로 설명한다. 우선, 위성이 랜덤 궤도(위에 정의된 바와 같이)로 분포되는 시스템에 특히 적합하며, 하나의 핵심은 위치에 대한 사실상 실시간 정보의 각 위성에 존재하는 것이다. 위에서 논의된 다양한 "존/매트릭스" 실시 예에서, 모든 위성은 임의의 특정 순간에 시스템에서 모든 다른 위성의 위치를 알고 있다. 이들 시스템은 비록 그들이 출발지와 목적지 지상국에 대해 서로의 범위 내외로 이동하더라도 위성이 무선 신호를 성공적으로 송수신할 수 있도록 하는데 특히 능숙하다. 다양한 존/매트릭스 시스템에서 경로를 생성하기 위한 다른 전략에는 지구를 구역으로 나누고 구역별로 초기 위성으로부터 경로를 생성할 수 있은 위성에서 경로 생선회로 사용하는 것이 포함된다.

당업자는 본 발명의 선택된 바람직한 실시 예만이 도시되고 설명되었다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 위에서 구체적으로 언급된 것 이외의 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있으며, 이는 다음의 청구 범위에 의해서만 정의된다는 것이 이해될 것이다.

Claims

두 위성 사이에서 적어도 하나의 무선 링크를 포함하는 무선 경로를 통해 지상국으로 주소 지정된(addressed) 데이터를 통신하기 위해 적도의 위도 북쪽과 남쪽의 미리 결정된 범위에 걸쳐 연장되는 지표면의 영역을 커버(cover)하기 위해 랜덤 궤도에 배치된 궤도 위성의 위성군(constellation)을 포함하는 무선 통신 시스템으로, 상기 위성 위성군에 의해 커버되는 영역은 복수의 구역으로 분할되고,
여기서 상기 위성군의 위성은 지구 표면에 대한 위성의 위치를 결정하기 위한 GNSS(global navigation satellite system) 회로, 여기서 상기 위성은 위성과 관련된 고유 식별자를 포함함;
복수의 다른 위성으로부터 무선 신호를 수신하고 복수의 다른 위성으로 무선 신호를 전송하기 위한 복수의 방향성(directional) 위성 안테나;
위성군에서 다른 랜덤하게 공전하는 위성들의 대다수(majority)의 특정 시간에서의 위치들을 정의하는 궤도 정보를 저장하기 위한 경로 생선회로(route creation circuitry), 여기서 상기 경로 생선회로는 상기 저장된 궤도 정보로부터 위성이 위치한 구역 및 목적지 지상국 방향으로 하나 이상의 다른 위성이 위치하는 구역을 결정함; 및
상기 경로 생성 회로에 의해 위치가 결정된 적어도 하나의 다른 위성의 방향으로 상기 복수의 위성 안테나 중 적어도 하나로부터 라우팅 무선 신호(routing radio signal)를 전송함으로써 적어도 하나의 다른 위성과의 무선 링크를 생성하기 위한 안테나 페어링 회로(antenna pairing circuitry), 여기서 상기 라우팅 무선 신호는 상기 라우팅 무선 신호를 전송하는 위성과 관련된 고유 식별자를 포함함;을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 위성군의 위성은 각 위성이 위성군에 실질적으로 모든 다른 위성의 궤도 정보를 저장하는 블록체인(blockchain)을 포함하고, 각 위성에 저장된 궤도 정보는 다른 위성에 저장된 궤도 정보로 주기적으로 업데이트되는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 위성군에 추가된 추가 위성의 궤도 정보는 적어도 하나의 다른 위성으로부터 다른 위성의 궤도 정보를 수신하고 추가 위성의 궤도 정보는 다른 위성으로 전송되는 시스템.
제1항에 있어서,
각 위성은 자신의 궤도 정보 및 고유 식별자를 다른 위성으로 전송하기 위하여 그것을 하나 이상의 지상국으로 전송하는 시스템.
제1항에 있어서,
각각의 위성은 자신의 궤도 정보 및 고유 식별자를 복수의 안테나 상의 다른 위성으로 전송하는 시스템.
제1항에 있어서,
각 구역에는 궤도에 배치하기 전에 각 위성의 경로 생성 회로에 저장된 위도와 경도로 정의된 경계를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 데이터는 발신(originating) 지상국으로부터 초기(initial) 라우팅 위성으로 업로드되고, 초기 라우팅 위성에서의 경로 생선회로는 목적지 지상국 방향으로 구역의 경도 및 위도 경계를 결정하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 초기 라우팅 위성은 중첩 영역(overlapping region) 내의 다른 위성의 수에 의해 결정된 영역(area)을 포함하는 중첩 영역을 갖는 적어도 2개의 구역을 정의하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 구역은 하나 이상의 지상국에 의해 각 위성의 경로 생선회로 전송되는 위도와 경도로 정의된 경계를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
각 위성에는 능동 자세 제어 없이 결정된 방향을 갖는 시스템.
제10항에 있어서,
각 위성은 그 방향을 제어하기 위한 수동 자세 제어 수단을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 데이터는 발신 지상국으로부터 목적지 지상국으로 전송하기 위한 디지털 데이터의 패킷, 목적지 지상국의 주소 정보를 포함하는 헤더를 포함하는 각각의 데이터 전송 패킷 및 전송의 내용을 나타내는 데이터 스트림을 포함하는 페이로드를 포함하는 시스템.
제12항에 있어서,
발신 지상국 및 목적지 지상국 중 적어도 하나는 상기 데이터 전송 패킷을 전송/수신하기 위해 지구 표면 위에 떠 있는 무인 차량(unmanned vehicle)에 장착된 트랜시버를 포함하는 시스템.
제13항에 있어서,
상기 무인 차량은
상기 차량의 위치를 제어하기 위한 비행 제어;
지구 표면에 대한 차량의 위치를 결정하기 위한 GNSS 회로; 및
상기 GNSS 회로에 의해 결정된 바와 같이, 상기 차량을 지구 표면에 대하여 실질적으로 고정된 위치에 유지하기 위해 비행 제어와 협력하기 위한 제어 시스템을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 위성들은 회전축을 중심으로 하는 회전 속도와 함께 배치되는 시스템.
제15항에 있어서,
복수의 위성 안테나의 복수의 안테나 각각은 대응하는 서로 다른 복수의 방향으로 무선 신호를 전송하고 각각의 상이한 방향으로 무선 신호를 수신하기 위한 복수의 피드를 갖는 반사기를 포함하는 시스템.
제15항에 있어서,
소정의 복수의 위성이 회전축을 중심으로 제1방향으로 회전하여 배치되고, 및 제2소정의 복수개가 회전축을 중심으로 제2방향으로 회전하여 배치되는 시스템.
제17항에 있어서,
복수의 위성 안테나의 복수의 안테나 각각은 대응하는 서로 다른 복수의 방향으로 무선 신호를 전송하고 각각의 상이한 방향으로 무선 신호를 수신하기 위한 복수의 피드를 갖는 반사기를 포함하는 시스템.
제17항에 있어서,
소정의 수(predetermined number)의 위성이 제1방향으로 소정의 회전 속도로 배치되고, 및 제2소정 수가 제2방향으로 제2소정의 회전 속도로 배치되는 시스템.
제15항에 있어서,
소정의 수(predetermined number)의 위성이 제1방향으로 소정의 회전 속도로 배치되고, 및 제2소정 수가 제2방향으로 제2소정의 회전 속도로 배치되는 시스템.
제20항에 있어서,
복수의 위성 안테나의 복수의 안테나 각각은 대응하는 서로 다른 복수의 방향으로 무선 신호를 전송하고 각각의 상이한 방향으로 무선 신호를 수신하기 위한 복수의 피드를 갖는 반사기를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
복수의 위성 안테나의 복수의 안테나 각각은 대응하는 서로 다른 복수의 방향으로 무선 신호를 전송하고 각각의 상이한 방향으로 무선 신호를 수신하기 위한 복수의 피드를 갖는 반사기를 포함하는 시스템.
제22항에 있어서,
실제로 위성군의 모든 위성은 자세 제어 없이 결정된 방향을 가지며 및 위성군 내의 실질적으로 모든 위성들 상의 위성 안테나들은 위성 사이에 무선 링크를 생성할 가능성을 향상시키기 위해 각 위성을 둘러싸는 실질적으로 전체 구형 공간을 통해 무선 신호를 송수신하도록 구성되는 시스템.
제22항에 있어서,
위성군의 모든 위성은 실질적으로 유사한 고도에서 실질적으로 원형 궤도에 배치되고; 및 위성 안테나는 궤도 붕괴 또는 배치 불일치에 의해 야기된 상이한 궤도 고도를 갖는 위성들 사이에 무선 링크를 생성할 가능성을 향상시키기 위해 각 위성을 둘러싸는 실질적으로 전체 구형 공간을 통해 무선 신호를 송신 및 수신하도록 구성되는 시스템.
제1항에 있어서,
복수의 위성 각각은 그 방향을 제어하기 위한 수동 자세 제어 수단을 포함하고,
상기 수동 자세 제어 수단을 갖는 각각의 위성 상의 위성 안테나는 각각의 위성을 둘러싸는 전체 구형 공간보다 적은 공간을 통하여 무선 신호를 송수신하도록 구성되는 시스템.
제1항에 있어서,
데이터 전송에서 주소 정보에 의해 식별된 발신 지상국으로부터 목적지 지상국으로의 데이터 전송을 수신하는 초기 위성으로부터의 무선 경로는 발신 지상국으로부터 데이터 전송을 수신하는 초기 라우팅 위성과 제2위성 사이의 적어도 하나의 무선 링크,
목적지 지상국으로의 무선 경로에 포함된 제2위성 및 제3위성 사이의 제2무선 링크를 포함하는 시스템.
제26항에 있어서,
라우팅 무선 신호(routing radio signal)를 수신한 각각의 위성은 라우팅 무선 신호를 수신 한 안테나로부터 라우팅 확인 신호(routing confirmation signal)를 전송하고, 라우팅 확인 신호를 수신한 위성은 라우팅 확인 신호를 수신한 안테나로부터 데이터를 전송하는 시스템.
목적지 지상국을 지정하는 주소 정보를 포함하는 헤더 및 지정된 목적지 지상국으로의 전송의 내용을 나타내는 데이터 스트림을 포함하는 페이로드를 포함하는 디지털 데이터의 패킷을 발신 지상국으로부터 전송할 수 있는 무선 통신 시스템에서 사용하기에 적합한 발신(originating) 지상국으로, 여기서 상기 발신 지상국은 임의의 궤도에서 복수의 위성의 위성군에서 디지털 데이터의 패킷을 초기 라우팅 위성으로 전송하도록 구성되고, 지정된 목적지 지상국이 초기 라우팅 위성의 가시선을 넘어 위치할 때 상기 디지털 데이터 패킷은 지정된 목적지 지상국의 가시선 내에서 말단 라우팅 위성(terminal routing satellite)에 의해 수신되도록 초기 라우팅 위성으로부터 전송될 수 있는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
상기 디지털 데이터의 패킷은 초기 라우팅 위성으로부터 적어도 하나의 중간 라우팅 위성에 의해 그리고 중간 라우팅 위성 중 하나로부터 말단 라우팅 위성에 의해 수신될 수 있는 발신 지상국.
제29항에 있어서,
상기 디지털 데이터의 패킷은 초기 라우팅 위성으로부터 제1중간 라우팅 위성에 의해, 제1중간 라우팅 위성으로부터의 적어도 하나의 추가 중간 라우팅 위성에 의해, 그리고 적어도 하나의 추가 중간 라우팅 위성으로부터의 말단 라우팅 위성에 의해 수신될 수 있는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
상기 위성군은 적어도 100개의 위성을 포함하는 시스템.
제28항에 있어서,
상기 목적지 지상국은 최초 라우팅 위성에서 최소 3500 마일 떨어져 있는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
상기 목적지 지상국은 발신 지상국과 다른 나라에 위치하는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
복수의 방향성 안테나를 더 포함하고, 상기 방향성 안테나 중 적어도 하나는 디지털 데이터 패킷을 전송하는 발신 지상국.
제34항에 있어서,
다수의 상기 방향성 안테나 각각은 대응하는 서로 다른 복수의 방향으로 무선 신호를 전송하기 위한 복수의 피드를 갖는 반사기를 포함하고, 상기 디지털 데이터의 패킷은 복수의 상기 피드로부터 전송되는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
상기 목적지 지상국은 발신 지상국과 다른 나라에 위치하는 발신 지상국.
제28항에 있어서,
상기 초기 라우팅 위성은 목적지 지상국을 향한 방향으로 디지털 데이터 패킷을 전송할 수 있는 발신 지상국.
제37항에 있어서,
상기 초기 라우팅 위성은 지구 표면에 평행한 평면에서 60°, 지구 표면에 수직인 상하 방향으로 30°에 이르는 영역에서 디지털 데이터 패킷을 포함하는 복수의 무선 신호를 송신할 수 있고 위성군은 적어도 100개의 위성을 포함하는 발신 지상국.
목적지 지상국을 지정하는 주소 정보를 포함하는 헤더 및 지정된 목적지 지상국으로의 전송의 내용을 나타내는 데이터 스트림을 포함하는 페이로드를 포함하는 디지털 데이터의 패킷을 발신 지상국으로부터 전송할 수 있는 무선 통신 시스템에서 사용하기에 적합한 목적지(destination) 지상국으로, 여기서 목적지 지상국은 랜덤 궤도에서 복수의 위성의 위성군에서 말단 라우팅 위성으로부터 디지털 데이터의 패킷을 수신하도록 구성되고, 목적지 지상국이 발신 지상국으로부터 전송된 디지털 데이터의 패킷을 수신하도록 구성된 초기 라우팅 위성의 가시선을 넘어 위치할 때, 상기 디지털 데이터의 패킷은 초기 라우팅 위성으로부터 말단 라우팅 위성으로 전송될 수 있는 목적지 지상국.
제39항에 있어서,
상기 목적지 지상국은 발신 지상국과 다른 나라에 위치하는 목적지 지상국.
제39항에 있어서,
상기 목적지 지상국은 발신 지상국과 같은 나라에 위치하는 목적지 지상국.
제39항에 있어서,
초기 라우팅 위성은 목적지 지상국을 향한 방향으로 디지털 데이터 패킷을 전송할 수 있는 목적지 지상국.
두 위성 사이에서 적어도 하나의 무선 링크를 포함하는 무선 경로(radio route)를 통해 지상국으로 주소 지정된(addressed) 데이터를 통신하기 위해 적도의 위도 북쪽과 남쪽의 미리 결정된 범위에 걸쳐 연장되는 지표면의 영역(area)을 커버(cover)하기 위해 랜덤 궤도에 배치된 적어도 100개의 궤도 위성의 위성군(constellation)을 포함하는 무선 통신 시스템으로, 상기 위성 위성군에 의해 커버되는 영역(area)은 각각 적어도 1,000,000 평방 마일의 복수의 구역(zone)으로 분할되고,
여기서 상기 위성군의 위성은
지구 표면에 대한 위성의 위치를 결정하기 위한 GNSS(global navigation satellite system) 회로, 여기서 상기 위성은 위성과 관련된 고유 식별자를 포함함;
복수의 다른 위성으로부터 무선 신호를 수신하고 복수의 다른 위성으로 무선 신호를 전송하기 위한 복수의 방향성(directional) 위성 안테나;
위성군에서 다른 랜덤하게 공전하는 위성들의 대다수(majority)의 특정 시간에서의 위치들을 정의하는 궤도 정보를 저장하기 위한 경로 생선회로(route creation circuitry), 여기서 상기 경로 생성 회로는 상기 저장된 궤도 정보로부터 위성이 위치한 구역 및 목적지 지상국 방향으로 하나 이상의 다른 위성이 위치하는 구역을 결정함; 및
상기 경로 생성 회로에 의해 위치가 결정된 적어도 하나의 다른 위성의 방향으로 상기 복수의 위성 안테나 중 적어도 하나로부터 라우팅 무선 신호(routing radio signal)를 전송함으로써 적어도 하나의 다른 위성과의 무선 링크를 생성하기 위한 안테나 페어링 회로(antenna pairing circuitry), 여기서 상기 라우팅 무선 신호는 상기 라우팅 무선 신호를 전송하는 위성과 관련된 고유 식별자를 포함함;을 포함하는 시스템.