KR20230027008A - Leo 위성 통신 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
프로세서, 메모리 및 통신 서브 시스템을 포함하는 저궤도(LEO) 위성. 통신 서브 시스템은 안테나 어레이 및 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 포함한다. 프로세서는 LEO 위성의 궤도 스케줄에 따라 하나 이상의 관심 방향으로부터 수신된 송신을 증폭 또는 감쇠시키거나, 하나 이상의 관심 방향에서 안테나 어레이에 의해 송신된 신호를 증폭 또는 감쇠시키도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성한다.
Description
실시예들은 통신 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 실시예들은 원격 지상 통신 시스템들과의 저궤도(LEO : low earth orbit) 위성 통신을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
원격 환경들에서의 포지셔닝 센서(positioning sensor)들은 다양한 경제적 또는 환경적 맥락들에서 유익한 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 원격 채굴 작업에서, 원격에 위치된 기계류에 포지셔닝된 센서들로부터의 정보는 원격 채굴 작업을 관리하고 개선하는데 유리할 수 있다. 유사하게, 원격 위치된 농장의 경우, 가축에 포지셔닝된 다양한 센서 또는 지상에 포지셔닝된 센서로부터의 정보는 원격 위치된 농장에서의 운영들을 관리하고 계획하는데 유리할 수 있다.
원격 환경으로부터의 정보 액세스는 몇 가지 기술적인 문제가 존재한다. 원격 환경에서는 접속 및 전원 공급 문제가 중요할 수 있다. 종래의 센서 네트워크들 및 게이트웨이들은 접속(connectivity) 및 전력의 부족으로 인해 원격 환경에 포지셔닝된 센서들에 의해 생성된 정보에 대한 신뢰성 있고 풍부한 액세스를 제공하지 않을 수 있다. 예를 들어, 위성 업링크를 통해 접속이 가능하다면, 이러한 업링크를 사용하는 현재 및 예상되는 미래 비용은 많은 센서 배치 시나리오들에 대해 통상적으로 엄청나게 높다. LEO 위성을 사용하는 위성 업링크는 종종 대역폭의 상당한 제한들을 가질 수 있고 통신이 가능한 제한된 시간 윈도우(time window)들을 가질 수 있다. 또한, LEO 위성들의 크기, 전력 공급 및 열 소산 제한은 LEO 위성에 탑재된 통신 시스템들에 대한 추가적인 도전들을 제시한다.
LEO 나노- 또는 마이크로-위성들에 대한 종래의 위성 통신 기법들의 하나 이상의 결점들 또는 단점들을 해결하거나 개선하는 것, 또는 적어도 그에 대한 유용한 대안을 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에 포함된 문서, 행위, 재료, 디바이스, 물품 등에 대한 임의의 논의는 이들 사항 중 일부 또는 전부가 선행 기술의 기초의 일부를 형성하거나 본 출원의 각 청구항의 우선일 전에 존재했으므로 본 개시와 관련된 분야에서 일반적인 상식이었음을 인정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
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일부 실시예들은 저궤도(LEO) 위성에 관한 것으로, LEO 위성은:
마이크로위성 또는 나노위성 섀시 - 마이크로위성 또는 나노위성 섀시는 적어도 하나의 프로세서, 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능하고, LEO 위성의 궤도 스케줄을 저장하는 메모리, 및 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 통신 서브 시스템을 포함하고, 통신 서브 시스템은:
2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이;
안테나 어레이와 통신하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스;
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스와 통신하고, 및
적어도 하나의 프로세서는 안테나 어레이의 다수의 안테나 엘리먼트들에 의해 시간에 따라 동시에 수신 또는 송신된 신호들에 상이한 전달 함수들을 적용함으로써 궤도 스케줄에 기초하여 지향성 빔성형을 수행하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성된다.
마이크로위성 또는 나노위성 섀시는 섀시의 면(face)들 중 임의의 하나 상에서 안테나 어레이를 운반할 수 있다. 마이크로위성 또는 나노위성 섀시는 프로세서, 메모리 및 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 그 탑재체 컴포넌트 중 하나로서 운반하거나 수용할 수 있다.
전달 함수는 안테나 어레이에 의해 수신된 하나 이상의 신호에 대해 수행되는 수학적 연산을 정의한다. 전달 함수의 수학적 연산들은 예를 들어, 수신된 신호의 일부를 증폭하기 위한 수학적 연산들 및/또는 수신된 신호의 일부를 감쇠시키기 위한 수학적 연산들을 포함할 수 있다.
지향성 빔성형은 안테나 어레이의 모든 안테나 엘리먼트들을 동시에 이용하여 수행될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 안테나 어레이의 다수의 안테나 엘리먼트들에 의해 시간에 따라 수신 및/또는 송신된 신호들에 상이한 전달 함수들을 적용함으로써 궤도 스케줄에 기초하여 지향성 빔 널링(directional beam-nulling)을 수행하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 추가로 구성될 수 있다.
지향성 빔성형 및/또는 빔 널링은 다수의 주파수 채널들에 걸쳐 동시에 수행될 수 있다. 지향성 빔성형 및/또는 빔 널링은 다수의 상이한 방향에서 동시에 수행될 수 있다.
안테나 어레이는 선형 어레이일 수 있다. 안테나 어레이는 섀시의 일측을 따라 배치될 수 있다. 안테나 어레이는 섀시의 부면을 실질적으로 커버하도록 배치될 수 있다. 안테나 엘리먼트들 각각은 패치 안테나를 포함할 수 있다. 안테나 어레이는 적어도 4개의 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 각 패치 안테나는 물결 모양의 방사체(corrugated radiator)를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 LEO(low earth orbit) 위성에 관한 것으로, LEO 위성은, 적어도 하나의 프로세서, 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능하고 LEO 위성의 궤도 스케줄을 저장하는 메모리, 및 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 통신 서브 시스템을 수용하는 섀시를 포함하고, 통신 서브 시스템은,
2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이;
안테나 어레이와 통신하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스;
적어도 하나의 프로세서는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스와 통신하고,
적어도 하나의 프로세서는 LEO 위성의 궤도 스케줄에 따라 송신을 위해 하나 이상의 관심 방향으로 안테나 어레이에 의해 송신될 신호를 증폭하거나 또는 LEO 위성의 궤도 스케줄에 따라 하나 이상의 관심 방향으로부터 수신된 송신을 증폭하기 위해 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 처리하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성되고;
LEO 위성은 1kg 내지 100kg 범위의 질량을 갖는다.
일부 실시예들에서, 섀시는 큐브위성(CubeSat) 구조 및 1 큐브위성 단위 내지 50 큐브위성 단위들, 또는 3 큐브위성 단위들 내지 6, 12, 16 또는 24 큐브위성 단위들의 크기를 갖는다.
일부 실시예들에서, 섀시는 주면(major face), 부면(minor face)을 포함하고, 주면은 부면보다 더 큰 표면적을 가지며; 안테나 어레이는 부면의 적어도 일부 상에 제공된다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 LEO 위성의 궤도 스케줄에 따라 관심이 없는 하나 이상의 방향으로부터 수신된 송신을 감쇠시키거나, LEO 위성의 궤도 스케줄에 따라 송신을 위해 관심이 없는 하나 이상의 방향으로 안테나 어레이에 의해 송신된 신호를 감쇠시키도록 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 처리하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성한다.
일부 실시예들에서, 궤도 스케줄 데이터는 하나 이상의 안테나 어레이 구성 레코드들을 포함하고, 각각의 안테나 어레이 구성 레코드는:
일정 기간에 걸쳐 상이한 시간들에서 궤도에 있는 LEO 위성의 비행 경로의 일부 또는 스케줄링된 위치를 나타내는 궤도력 레코드; 및
궤도력 레코드와 관련하여 정의된 둘 이상의 안테나 엘리먼트들 각각과 연관된 어레이 인자 계수들(array factor coefficients)를 포함한다.
어레이 인자 계수들은 안테나 어레이에 의해 수신 또는 송신된 신호들에 적용되는 전달 함수의 수학적 연산들을 정의한다.
일부 실시예들에서, 각각의 어레이 인자 계수는 실수 계수 값 및 허수 계수 값을 포함하는 복소 가중치이다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 LEO 위성의 스케줄링된 위치와 연관된 안테나 어레이 구성 레코드에 정의된 어레이 인자 계수 및 LEO 위성의 스케줄링된 위치에 기초하여 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 처리하거나 안테나 어레이에 의해 송신된 신호를 증폭하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성한다.
일부 실시예들에서, 안테나 어레이는 패치 안테나 어레이(patch antenna array)이다.
일부 실시예의 LEO 위성은 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의한 처리 전에 신호를 전처리하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 더 포함한다. 일부 실시예의 LEO 위성은 안테나 어레이에 의한 송신을 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의해 생성된 신호를 처리하기 위한 디지털-아날로그 컨버터를 더 포함한다.
일부 실시예의 LEO 위성은 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의한 처리 전에 신호를 채널화하기 위한 신호 채널라이저를 더 포함한다. 채널화는 공통 라디오 주파수 범위/대역을 통해 동시에 또는 거의 동시에 다수의 메시지들 또는 다수의 일련의 메시지들의 송신 또는 수신을 허용한다. 채널화는 LEO 위성과 원격 지상 통신 시스템 간의 통신의 추가 스케일링을 허용한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 궤도 스케줄 데이터에 따라 송신을 위해 안테나 어레이로부터 하나 이상의 관심 방향으로 신호의 송신을 가능하게 하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성한다.
일부 실시예에서, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함한다.
일부 실시예에서, LEO 위성은 다수의 관심 방향으로부터 신호를 수신한다. 적어도 하나의 프로세서는 하나 초과의 관심 방향들로부터 수신된 신호들의 진폭들을 레벨링하기 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, LEO 위성은 신호들을 다수의 관심 방향들로 송신한다. 적어도 하나의 프로세서는 다수의 관심 방향들로 송신된 신호들의 진폭들을 레벨링하기 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성된다.
일부 실시예의 LEO 위성은 적어도 하나의 프로세서와 통신하는 하나 이상의 가변 이득 증폭기(VGA)를 더 포함하고, LEO 위성이 다수의 관심 방향으로부터 신호를 수신할 때, 적어도 하나의 프로세서는 하나 초과의 관심 방향으로부터 수신된 신호의 진폭을 레벨링하도록 하나 이상의 VGA를 구성한다.
일부 실시예들의 안테나 어레이는 4개 이상의 안테나 엘리먼트들을 포함한다.
일부 실시예는 복수의 지상 센서 디바이스와 통신하는 적어도 하나의 LEO 위성과 복수의 지상 게이트웨이 디바이스 사이의 통신 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
궤도 스케줄 데이터에 기초하여, 적어도 하나의 프로세서가 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리하거나 안테나 어레이를 통해 신호들을 생성 및 송신하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는 단계;
안테나 어레이는 송신들을 수신하고 수신된 송신들을 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 이용 가능하게 하는 단계;
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스가 복수의 지상 게이트웨이 디바이스들 중 하나 이상에 의해 송신된 신호들에 대응하는 수신된 신호들의 서브세트를 증폭하기 위해 수신된 신호들을 처리하는 단계, 또는
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스는 복수의 지상 게이트웨이 디바이스 중 하나 이상의 각각의 위치에 대응하는 하나 이상의 송신 방향으로의 송신을 위해 안테나 어레이에 신호를 공급하는 단계(feeding)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 수신된 신호들의 서브세트에 인코딩된 정보를 디코딩하기 위해 수신된 신호들의 증폭된 서브세트를 처리하는 통신 서브 시스템을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 안테나 어레이에 의해 수신된 관심없는 신호들에 대응하는 수신된 신호들의 제2 서브세트를 감쇠시키기 위해 수신된 신호들을 처리하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 더 포함한다. 관심없는 신호들에 대응하는 수신된 신호들은 지상 소스들 또는 다른 위성들로부터 발원하는 신호들과 같은, 알려진 노이즈 소스들 또는 바람직하지 않은 신호들에 관련될 수 있다.
일부 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 프로세서가 궤도 스케줄 데이터에 따라 송신을 위해 안테나 어레이로부터의 신호들의 하나 이상의 관심 방향으로 송신을 가능하게 하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예는 위성 통신 서비스를 제공하기 위한 방법에 관한 것으로, 탑재체로서 실시예들 중 어느 하나의 LEO 위성을 위성 발사체에 제공하는 단계를 포함한다.
일부 실시예의 방법은 궤도에서 LEO 위성을 방출하도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 통신 시스템의 블록도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 LEO 위성의 통신 시스템의 신호 처리 부분의 개략도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 빔성형 부분의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 로직 처리부에 의해 수행되는 신호 처리 동작들을 예시하는 개략도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 라디오 주파수 게이트웨이 부분의 개략도이다.
도 6, 7, 8, 9 및 10은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 로직 처리부에 의해 수행되는 공간 필터링 동작들을 예시하는 그래프들이다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 안테나 어레이의 개략도이다.
도 12는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 패치 안테나 어레이(patch antenna array)의 예시적인 평면도이다.
도 13은 안테나 어레이의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트의 평면도이다.
도 14는 안테나 어레이의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트의 추가 평면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 안테나 어레이 엘리먼트의 측단면도이다.
도 16은 일부 실시예들에 따른 안테나 어레이의 안테나 어레이 엘리먼트의 프로브 부분의 확대 측단면도이다.
도 17은 안테나 어레이 엘리먼트의 접지면의 평면도이다.
도 18은 일부 실시예에 따른 LEO 위성용 섀시(chassis)의 사시도이다.
도 19는 일부 실시예에 따른 LEO 위성의 개략도이다.
도 20은 적어도 하나의 LEO 위성과 복수의 지상 게이트웨이 디바이스 간의 통신 방법의 흐름도이다.
도 21은 LEO 위성의 궤도에 전개되도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 LEO 위성의 통신 시스템의 신호 처리 부분의 개략도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 빔성형 부분의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 로직 처리부에 의해 수행되는 신호 처리 동작들을 예시하는 개략도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 라디오 주파수 게이트웨이 부분의 개략도이다.
도 6, 7, 8, 9 및 10은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 디지털 로직 처리부에 의해 수행되는 공간 필터링 동작들을 예시하는 그래프들이다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 안테나 어레이의 개략도이다.
도 12는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 패치 안테나 어레이(patch antenna array)의 예시적인 평면도이다.
도 13은 안테나 어레이의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트의 평면도이다.
도 14는 안테나 어레이의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트의 추가 평면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 안테나 어레이 엘리먼트의 측단면도이다.
도 16은 일부 실시예들에 따른 안테나 어레이의 안테나 어레이 엘리먼트의 프로브 부분의 확대 측단면도이다.
도 17은 안테나 어레이 엘리먼트의 접지면의 평면도이다.
도 18은 일부 실시예에 따른 LEO 위성용 섀시(chassis)의 사시도이다.
도 19는 일부 실시예에 따른 LEO 위성의 개략도이다.
도 20은 적어도 하나의 LEO 위성과 복수의 지상 게이트웨이 디바이스 간의 통신 방법의 흐름도이다.
도 21은 LEO 위성의 궤도에 전개되도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 방법의 흐름도이다.
설명된 실시예들은 전반적으로 통신을 위한 LEO 위성들에 관한 것이다. 특정 실시예들은 LEO 위성 통신들을 위한 통신 시스템들에 관한 것이다. LEO 위성은 고도가 2000km 이하인 지구 궤도를 도는 위성을 포함한다. LEO 위성은 128분 미만, 때로는 90분에 더 가까운 궤도 주기(지구 주위를 궤도를 완료하는 시간)를 갖는다. LEO 위성의 낮은 고도와 짧은 궤도 주기는 커버되는 지구의 면적과 특정 면적의 커버리지 지속기간(duration) 면에서 모두 작은 시야(field of view)를 부여한다. 따라서, 특정 지상 면적에 걸쳐 제한된 시야와 시야의 짧은 지속기간을 가장 잘 활용하기 위해 LEO 위성과 지상 통신 시스템 사이의 통신을 더 효율적으로 할 필요가 있다. 예를 들어, 지상 시스템으로부터의 LEO 위성에 의한 데이터 수집은 LEO 위성이 통신하도록 스케줄링된 타겟 지상 시스템을 고려한 순간으로부터 약 240초 이내에 수행되어야 한다. 또한, LEO 위성과 지상 통신 시스템 간의 통신에 이용 가능한 주파수 스펙트럼도 제한된다. 제한된 주파수 스펙트럼은 LEO 위성들과 지상 통신 시스템들 사이의 통신에 대한 추가적인 제약들을 추가하여, 통신들에서의 효율에 대한 필요성을 증폭시킨다.
(종래의 LEO 위성과 비교하여) 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 LEO 위성의 데이터 수집 능력을 증가시키기 위해, 본 개시의 LEO 위성 통신 서브 시스템은 데이터를 수신 및/또는 송신하기 위해 상이한 지상 방향으로 동시에 지향되는 다수의 디지털 빔을 성형하기 위해 디지털 빔성형(digital beamforming)을 사용한다. 일부 실시예들은 동시에 성형된 3개 이상의 디지털 빔들을 이용한다. 이러한 다수의 디지털 빔들은 일부 실시예들에서 위상 안테나 어레이에 의해 성형된다. 다수의 디지털 빔들은 LEO 위성의 방위각의 비행 방향에 수직으로 전체적으로 배향된다. 이는 효율적인 통신을 위해 LEO 위성의 각 측방 측면 상에 지상 지향 데이터 퍼널(data funnel)의 생성을 허용한다.
실시예들은 LEO 위성 및 지상 통신 시스템들 사이의 효율적인 통신들을 가능하게 하기 위해 특정 필터링 또는 빔성형 신호 처리 기술들을 활용한다. 다양한 실시예들은 LEO 위성들과 같은 위성들을 위한 통신 시스템들에 관한 것이며, 여기서 통신 시스템들은 안테나 어레이 및 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(예를 들어, FPGA(Field Programmable Gate Array))를 포함한다. 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스는 지상의 지상 통신 시스템의 상대적 위치를 고려하면서 궤도에서 LEO 위성의 변화하는 위치에 따라 신호를 동적으로 수신 또는 송신하도록 구성된다. 지상의 지상 통신 시스템들의 상대적 위치는 예를 들어, LEO 위성의 메모리에 저장된 스케줄 데이터로 인코딩될 수 있다.
즉, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스는 LEO 위성이 궤도 경로를 따라 진행함에 따라 제1 방향 세트로 데이터를 송신 및/또는 수신하고, 이어서 제2 방향 세트로 데이터를 송신 및/또는 수신하도록 그 구성을 변경하도록 다수의 빔이 성형될 수 있게 한다. 그러한 구성 변경들은, 예를 들어, 지구 주위의 각각의 전체 궤도 기간 동안 최대 20 내지 40회 이루어질 수 있다.
실시예들의 지상 통신 시스템들은 "고-레이턴시 통신 시스템을 통한 백홀을 갖는 원격 LPWAN 게이트웨이"라는 제목으로, 2019년 5월 9일에 출원된 PCT 출원 번호 PCT/AU2019/050429에 설명된 게이트웨이 디바이스들을 포함할 수 있으며, 이의 내용들은 본원에 참조로서 통합된다. 이러한 게이트웨이 디바이스는 제한된 업링크 전력을 가질 수 있고, 따라서 LEO 위성과의 효율적인 통신은 전력을 절약하고 데이터 송신을 최대화할 수 있도록 하기 위해 중요하다.
LEO 위성은 2000km 이하의 고도에서 지구 궤도를 돈다. 위성을 발사하는 것은 상당한 비용을 수반하고, 더 많은 질량을 가진 LEO 위성들의 경우 발사 비용이 상당히 더 높다. 따라서, LEO 위성의 질량은 종종 LEO 위성을 궤도로 발사하는 비용에 의해 제한된다. LEO 위성은 종종 하나 이상의 배터리에 의해 지지되는 태양 전지에 의해 전력을 공급받는다. 위성에 대한 질량 제한 때문에 태양 전지에 의한 전력 생산 능력도 제한적이다. 태양 전력의 이용 가능성은 또한 위성이 궤도에 있는 위치와 위성이 지구를 공전함에 따라 이용 가능한 태양 전력에 대한 노출에 의해 제한된다. 이것은 결국 LEO 위성의 다양한 전자 컴포넌트에 이용 가능한 전력을 제한한다. 전력 제한은 LEO 위성에 포함될 수 있는 전자 부품의 성질 및 수에 제한을 부여한다.
일부 실시예의 LEO 위성은 LEO 위성의 다양한 전자 및 통신 컴포넌트를 수용하기 위한 섀시를 포함할 수 있다. 섀시는 공간의 효율적인 이용 및 효율적인 열 소산을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 섀시는 큐브위성(큐브위성)의 형태일 수 있다. 큐브위성은 하나 이상의 입방체 구조 단위를 포함하는 구조 프레임워크를 포함한다. 각각의 입방체 구조 단위는 10cm X 10cm X 10cm의 대략적인 치수를 갖는 입방체의 형태일 수 있다. 다양한 입방체 구조 단위는 LEO 위성(110)에 대한 큐브위성 구조를 형성하기 위해 집성(aggregate)될 수 있다. 큐브위성 구조의 크기는 큐브위성에 포함되는 입방체 구조 단위의 개수로 표현될 수 있다. 예를 들어, 2개의 입방체 구조 단위를 포함하는 큐브위성은 2U 큐브위성 단위 위성으로 설명될 수 있다.
LEO 위성들은 또한 열을 발생시키는 위성의 다양한 컴포넌트들을 냉각시키기 위해 열 전력을 방사하는 제한된 용량을 갖는다. 일부 실시예는 6 큐브위성 단위(6U) LEO 위성(약 10×20×30 cm 또는 약 12×24×36 cm의 치수를 갖는 위성) 구조 설계 및/또는 프레임워크를 포함할 수 있다. 6 큐브위성 단위 LEO 위성은 태양 전지 어레이로부터 궤도 당 평균 50-60 W의 전력을 수신할 수 있다. 궤도당 평균 열 발산 능력(thermal dissipation capability)은 약 40-45W일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, S-대역 주파수들에서 동작하는 6U 나노위성은 4개의 안테나들의 선형 어레이를 가질 수 있다. 그러한 어레이는 방위각에서 4개의 독립적인 디지털 빔의 성형을 허용한다. 이것은 디지털 빔성형을 사용하지 않는 종래의 LEO 위성들에 비교할 때 LEO 위성들의 데이터 수집 능력을 2배로 하는 잠재력을 제공한다. 안테나 어레이가 8개의 안테나 엘리먼트를 포함하면, 이러한 어레이는 잠재적으로 종래의 LEO 위성에 비해 데이터 수집 용량을 4배로 할 수 있다. 이는 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 어레이가 동시에 동일한 주파수로 다수의 빔을 성형할 수 있기 때문이다.
일부 실시예들에서, 다양한 전력 소비 컴포넌트들은 위성에 의한 전력의 전체 소비 및 열 소산에 대한 필요성을 관리하기 위해 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. LEO 위성들은 LEO 위성에 맞춰진 GPS 신호 수신기(119)를 사용하여 그들의 위치를 추적할 수 있다. 일부 실시예에서, LEO 위성은 LEO 위성 상의 메모리에 제공된 궤도 전파기 프로그램(orbit propagator program)을 포함할 수 있다. 궤도 전파기 프로그램은 가속도 및 초기 속도에 관한 정보로 임의의 시점에서 LEO 위성의 위치를 결정하기 위해 LEO 위성에 탑재된 프로세서에 의해 실행가능하다. 이용 가능한 위치 정보를 사용하여, LEO 위성은 위성에 의한 전체 전력 소비 및 열 소산 필요성을 관리하기 위해 다양한 전력 소비 컴포넌트를 적응적으로 턴 온 또는 턴 오프할 수 있다. 일부 실시예는 1 큐브위성 단위(unit)에서 50 큐브위성 단위까지의 크기의 LEO 위성을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 3 큐브위성(CubeSat) 단위에서 48 큐브위성 단위까지의 크기의 LEO 위성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기는 3U, 4U, 5U, 6U, 8U, 9U, 10U, 12U, 16U, 20U, 24U, 32U 또는 48U일 수 있다.
LEO 위성 내의 다양한 컴포넌트는 열 소산을 위한 상이한 요건을 가질 수 있다. 일부 컴포넌트는 나머지 컴포넌트에 비해 더 많은 열을 발생시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 더 많은 열을 발생시키는 컴포넌트는 열 소산을 개선하기 위해 LEO 위성의 섀시(즉, 외부 프레임)에 더 가깝게 위치될 수 있다. 더 낮은 열 소산 속도를 요구하는 컴포넌트는 섀시에서 떨어져 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 소산을 개선하기 위해 열 스트랩(thermal strap)이 사용될 수 있다. 열 스트랩은 LEO 위성 내부로부터 그 섀시로의 가열을 수행하는 것을 도울 수 있다. 특히, 섀시로부터 떨어져 위치된 컴포넌트들에는 컴포넌트들로부터 멀리 열을 전도하기 위해 열 스트랩들이 제공될 수 있다.
다양한 실시예의 LEO 위성의 질량은 예를 들어, 1kg 내지 100kg, 10kg 내지 50kg, 또는 10kg 내지 100kg의 범위 내에 있을 수 있다. 다양한 실시예의 LEO 위성의 질량은 예를 들어, 10kg 내지 30kg의 범위 내에 있을 수 있다. 예시적인 질량에는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 및 50 kg이 추가로 포함된다. 질량이 10kg 내지 100kg인 위성을 마이크로위성(microsatellite)이라고 할 수 있다. 질량이 1kg 내지 10kg인 위성을 나노 위성이라고 칭할 수 있다.
본 명세서에 설명된 공간 필터링(patial filtering)은 약 100 km2 이상의 지상 면적과 같은 특정 관심 방향 또는 다수의 관심 방향들로부터 동시에 도달하거나 또는 그에 지향되는 무선 신호의 수신 또는 송신에 초점을 맞추기 위한 신호 처리 기술들을 포함한다. 예를 들어, 지상 면적은 약 200km2일 수 있다. 설명된 실시예에 따른 LEO 위성의 시야는 서브 면적으로 로직적으로 분할될 수 있으며, 여기서 각각의 서브 면적은 본 명세서에 설명된 다수의 빔 중 하나에 의해 서비스된다. 공간 필터링은 또한 특정 방향으로부터 수신된 관심 없는 신호들을 감쇠시키기 위해 수신된 무선 신호들을 처리하는 것(빔 널링(beam nulling))을 포함할 수 있다. 공간 필터링은 또한 관심이 없는 하나 이상의 방향들에서 송신된 신호들을 감쇠시키는 것을 포함할 수 있다. 공간 필터링은 LEO 위성에 다른 통신 시스템과의 간섭을 회피하고 LEO 위성의 동작과 관련된 임의의 규제 요건을 충족시키는 능력을 제공할 수 있다. 공간 필터링은 특정 시간 및 위치에서 통신 시스템의 필요에 따라 신호에 보강 또는 상쇄 간섭 또는 보강 및 상쇄 간섭의 조합을 부과하기 위해 특정 방식으로 안테나 어레이에 의해 수신되거나 송신되는 신호를 처리하는 것에 의존한다. 보강 및 상쇄 신호 간섭의 조합은 위상 선형 안테나 어레이의 배열에 기인하는 선형 조합일 수 있다.
집중 공간 필터링은 일부 방향들로부터의 신호들을 증폭하고/하거나 다른 방향들로부터의 신호들을 감쇠시키도록 구성된다. 수신 또는 송신 신호의 증폭을 위해, 공간 필터링은 비교적 높은 이득의 방향들에서의 "빔"과 유사하도록 선택된 방향들에서 안테나의 이득을 형상화(shape)하는 역할을 한다. 증폭을 위한 이러한 공간 필터링은 따라서 또한 빔 성형으로 지칭될 수 있다. 수신 또는 송신 신호의 감쇠를 위해, 공간 필터링은 특히 원하지 않는(즉, 바람직하지 않게 간섭하는) 지상 방출기(ground emitter) 또는 수신기 신호의 방향에서 신호 감쇠 효과를 갖도록 선택된 방향에서 안테나 어레이의 이득을 형상화하는 역할을 한다. 따라서, 감쇠를 위한 이러한 공간 필터링은 또한 빔 널링(beam-nulling)으로 지칭될 수 있다.
실시예들은 낮은 전력 소비를 위해 설계된 통신 프로토콜들에 의존한다. LEO 위성에 신호를 송신하는 지상 통신 시스템은 전력 공급 또는 가용성이 제한될 수 있는 원격 위치에 위치될 수 있다. 지상 통신 시스템에 의해 채용된 통신 프로토콜은 LEO 위성에서 신호의 송신, 수신 및 처리에서 전력 소비를 감소시키도록 특별히 선택될 수 있다. 이러한 통신 프로토콜들은, 예를 들어, LoRa™(Long Range)와 같은 처프 확산 스펙트럼(chirp spread spectrum) 기반 프로토콜들을 포함하는 확산 스펙트럼 기반 프로토콜들을 포함한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 LEO 위성 통신 시스템(100)의 블록도이다. LEO 통신 시스템(100)은 통신 서비스를 제공하기 위해 서로 통신하도록 구성된 지상 및 위성 컴포넌트 둘 모두를 포함한다. LEO 통신 시스템(100)은 하나 이상의 LEO 위성(110); 하나 이상의 원격 지상 통신 시스템(120), 및 클라이언트 디바이스(140)가 통신 시스템(100)과 상호작용할 수 있는 네트워크(150)와 통신하는 적어도 하나의 지상국(ground station)(130)을 포함한다. 통신 시스템(100)의 하나의 목표는, 원격 위치로부터 LEO 위성(110)을 통해 클라이언트 디바이스(140)로 정보를 전달하는 통신 제약을 대처하면서, 원격 지상 통신 시스템(120)에 의해 수집된 데이터를 클라이언트 디바이스(140)에 쉽게 이용 가능하게 만드는 것이다(높은 레이턴시이지만).
원격 지상 통신 시스템(120)은 예를 들어, 지상 게이트웨이(121)와 무선으로 통신하도록 구성될 수 있는 센서 디바이스 네트워크(122)를 포함한다. 센서 디바이스 네트워크(122)는, 예를 들어, 인터넷 또는 셀룰러 네트워크들과 같은 종래의 통신 네트워크들이 이용가능하지 않을 수 있는 원격 면적에 위치된 수 개 또는 많은 센서 디바이스들을 포함할 수 있다. 그러한 원격 지역들은 예를 들어, 광산, 원격 농경지, 원격 과학 연구소들을 포함할 수 있다. 센서 디바이스는 예를 들어, 다양한 환경 조건, 기계류의 상태를 감지하도록 구성될 수 있거나 소의 움직임을 추적하는데 사용될 수 있다. 센서 디바이스 네트워크(122)는 예를 들어, 대략 700km2의 면적에 걸쳐 연장될 수 있다. 지상 게이트웨이 디바이스(121)는 센서 디바이스 네트워크(122)의 센서 디바이스들에 의해 송신된 정보를 수신하여 저장한다. 지상 게이트웨이 디바이스(121)는 또한 센서 디바이스 네트워크(122) 내의 디바이스와 LEO 위성(110) 사이의 정보 중계 디바이스(information relay device)로서 역할한다.
LEO 위성(110)은 안테나 어레이(117), 라디오 주파수 프론트 엔드(115), 디지털 로직 처리 디바이스(114), 프로세서(112), 프로세서(112)와 통신하는 메모리(113), 및 데이터 핸들링 서브 시스템(116)을 포함하는 통신 시스템을 포함한다. LEO 위성(110)은 또한 전력 관리 서브 시스템(111)을 포함한다.
안테나 어레이(117)는 2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하며, 각각의 안테나 엘리먼트는 전파(radio wave) 또는 신호를 수신 또는 송신하거나 또는 수신 및 송신 둘 모두를 할 수 있는 독립적인 안테나이다. 다수의 안테나 엘리먼트는 LEO 위성(110)의 통신 시스템의 공간 필터링 능력을 가능하게 한다.
LEO 위성(110)은 또한 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호의 전처리 또는 송신을 위해 안테나 어레이(117)에 제공된 신호의 처리를 수행하는 라디오 주파수 프론트 엔드(115)를 포함한다. 처리는 예를 들어, 아날로그 신호들의 디지털 신호들로의 변환 또는 그 반대, 신호들의 채널화, 및 신호들의 특정 주파수 대역들의 선택 또는 거부를 포함할 수 있다.
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 프로그램 가능한 상호연결부를 통해 연결된 재구성 가능한 로직 블록(CLB : configurable logic block)의 매트릭스를 포함한다. 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 통신 시스템(100)을 통해 통신 서비스를 제공하는데 필요한 원하는 애플리케이션 또는 기능을 제공하도록 동적으로 재프로그래밍될 수 있다. CLB는 다양한 디지털 로직 처리 능력을 구현하도록 재구성될 수 있다. CLB들은 복잡한 로직 연산들을 구현하기 위해 상호연결부(interconnect)들을 적절하게 프로그래밍함으로써 서로 협력하여 동작하도록 구성될 수 있다. 유리하게는, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 궤도 동안 LEO 위성의 위치의 변화 및 LEO 위성의 통신 시스템에 의해 수행될 공간 필터링의 필요성의 결과적인 변화를 고려하도록 동적으로 재구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 FPGA(field-programmable gate array)이거나 이를 포함할 수 있다.
LEO 위성(110)은 또한 메모리(113) 및 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)와 통신하는 적어도 하나의 프로세서(112)를 포함한다. 프로세서(112)는 메모리(113)에 저장된 명령어들 및 데이터에 따라 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 재구성하는 능력을 갖는다. 일부 실시예에서, LEO 위성(110)은 링크(170)를 통해 지상국(130)으로부터 커맨드 또는 명령어를 수신할 수 있다. 커맨드는 LEO 위성(110)과 하나 이상의 원격 지상 통신 시스템(120) 사이의 변화하는 통신 요건을 충족시키기 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 재구성하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. LEO 위성(110)이 궤도 내에 있는 동안 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 재구성하는 능력은 설명된 실시예를 사용하여 위성 통신 서비스를 제공하는데 상당한 유연성을 제공한다.
메모리(113)는 LEO 위성(110)에 관한 궤도 스케줄 데이터(orbital schedule data)(118)를 포함한다. 궤도 스케줄 데이터(118)는 LEO 위성(110)이 그 궤도를 이동할 때 지구 및 다양한 원격 지상 통신 시스템(120)에 대한 시간에 따른 LEO 위성(110)의 스케줄링된 위치에 관한 데이터를 포함한다. 궤도 스케줄 데이터(118)는 또한 궤도력 레코드(ephemeris record)와 관련하여 정의된 각각의 안테나 엘리먼트와 연관된 어레이 인자 계수 또는 가중치와 함께, 일정 기간에 걸쳐 궤도에서 LEO 위성(110)의 스케줄링된 위치를 나타내는 궤도력 레코드(메모리(113)에 저장됨)를 참조하는 안테나 어레이 구성 레코드를 포함한다. (특정 시간에) 각각의 안테나 엘리먼트와 연관된 어레이 인자 계수들 또는 가중치들은 각각의 안테나 엘리먼트에 의해 수신된 신호들을 처리하거나 송신을 위해 각각의 안테나 엘리먼트에 제공된 신호들을 처리하기 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 수행될 수학적 연산들을 정의한다. 어레이 인자 계수 또는 가중치는 실수 계수 및 허수 계수를 포함하는 복소수이다. 어레이 인자 계수들 또는 가중치들을 사용하여 재구성 가능 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 수행되는 수학적 연산들은 도 4를 참조하여 아래에서 더 설명된다.
적어도 하나의 프로세서(112)는 메모리(113)에 저장된 소프트웨어 프로그램 코드를 실행하여 LEO 위성(110)의 현재 스케줄링된 궤도 위치 및/또는 실제 결정된 궤도 위치를 주기적으로 체크하고, 그런 다음, 다음(후속) 기간에 걸쳐 신호 송신 및/또는 수신을 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 제공될 어레이 인자 계수를 결정하기 위해 현재(결정된) 궤도 위치와 연관된 궤도 스케줄 데이터에 액세스하도록 구성된다. 어레이 인자 계수들의 리셋(및 따라서 디지털적으로 성형된 빔들 또는 널링된(nulled) 빔들의 리다이렉션(redirection))은 LEO 위성(110)의 결정된 위치에 대응하는 궤도력 데이터(ephemeris data)에 따라 빈번하게 발생할 수 있다. 이는, 특정 지상 면적을 통한 LEO 위성(110)의 통과 동안, 어레이 인자 계수가 통과 기간(예를 들어, 200-250초, 옵션으로 약 240초)에 여러 번 리셋될 수 있는 반면, LEO 위성은 해당 특정 면적의 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 특정 면적에 대한 통과 기간에서 어레이 인자 계수를 복수 회 리셋하는 것은 LEO 위성(110)의 하나 또는 다수의 성형된 또는 널링된 빔이 특정 면적에 대한 위성 이동을 고려하도록 각도 조정되게 한다. 이는 위성의 성형된 또는 널링된 빔들이 개선된 통신 효율을 위해 특정 지상 면적을 더 잘 추적하고 타겟팅하도록 조정될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 어레이 인자 계수들은 알려진 지상 면적(통신을 위한 타겟 디바이스들의 필드를 포함함)을 통한 통과에 대한 궤도력 데이터에 따라 설정될 수 있고, 어레이 인자 계수들은 디지털적으로 성형된 또는 널링된 빔들이 해당 면적을 통과하는 동안 스케줄링된 시간(예를 들어, 그 타겟 지상 면적에 대한 전체 통과 기간) 동안 유지된다. 그런 다음, 어레이 인자 계수는 LEO 위성이 통과하도록 스케줄링된 다음 타겟 지상 면적에 대한 궤도력 데이터에 따라 리셋될 수 있다.
지상국(130)은 LEO 위성들(110) 각각으로부터 신호들 또는 전파들을 수신 및 송신하도록 설계된 지상 라디오국(radio station)이다. 지상국(130)은 LEO 위성들(110)과 통신하기 위한 적절한 안테나들 및 LEO 위성들(110)로부터 수신된 데이터를 네트워크(150)로 전달하기 위한 적절한 네트워크 인터페이스 컴포넌트들을 포함한다. 네트워크(150)는 클라이언트 디바이스(140)가 지상국(130)에 의해 수신된 데이터를 수신하거나 액세스할 수 있는 인터넷과 같은 데이터 네트워크일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 클라이언트 디바이스(140)는 예를 들어, 데스크톱, 랩톱, 스마트폰 또는 태블릿과 같은 컴퓨터 서버 또는 최종 사용자 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
도 2는 LEO 위성(110)의 통신 시스템의 일부(200)의 개략도이다. 도 2는 RF 프론트 엔드(115) 및 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)의 일부를 도시한다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 안테나 어레이(117)는 4개의 엘리먼트를 갖는다. 그러나, 실시예들은 4개 초과의 안테나 엘리먼트들을 고려한다. 예를 들어, 안테나 어레이는 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20개 또는 그 초과의 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 설명된 실시예들에서, 기술된 디지털 빔성형을 수행하기 위해, 최소 2개의 안테나 엘리먼트들이 요구된다.
각각의 안테나 엘리먼트에 의해 수신된 신호는 LEO 위성(110)에 대해 관심없는 주파수에서 수신된 신호를 제거하는 대역 통과 필터(210)를 통과한다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터는 예를 들어, 약 2170 MHz 내지 약 2200 MHz의 주파수들의 신호들이 통과하게 할 수 있다. 이어서, 수신된 신호들은 RF(radio frequency) 증폭기(220)를 통과한다. RF 증폭기 프론트 엔드는, 예를 들어, IF(Intermediary Frequency) 스테이지(228 내지 242)에서 추가 증폭이 제공될 수 있기 때문에, 40 내지 60 dB 범위의 총 이득을 제공할 수 있다. RF 신호를 처리하는 (입력 필터를 포함하는) 다른 컴포넌트와 조합된 RF 증폭기는 예를 들어, 안테나 포트로부터 2dB보다 낮은 노이즈 지수(noise figure)를 가질 수 있다.
라디오 주파수 증폭기(220)는 약한 신호를 노이즈로 오염시키지 않고 증폭시켜 수신기의 감도를 높임으로써, 이후 스테이지에서 노이즈 레벨 이상을 유지할 수 있도록 한다. RF 프론트 엔드(115)는 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호로부터 오프셋에서 로컬 RF 신호를 생성하는 로컬 발진기(local oscillator)((280)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 로컬 RF 신호는 예를 들어, 1000 내지 1200 MHz 범위의 주파수를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 로컬 RF 신호는, 예를 들어, C-대역(4.5 내지 6GHz) 또는 Ku-대역(13 내지 14.5GHz) 또는 Ka-대역(27.5 내지 31GHz)의 주파수를 가질 수 있다.
스플리터(splitter)(280)는 로컬 RF 신호를 4개의 상이한 분할된 로컬 RF 신호들로 분할한다. 분할된 로컬 RF 신호들 각각은 믹서(mixer)들(225)에 의해 안테나 어레이 엘리먼트들 각각에 의해 수신된 신호들과 혼합되어, 모든 어레이 엘리먼트들(117a 내지 117n)에 대한 혼합된 위상 및 진폭 동기 중간 주파수 신호(MIF1)를 생성한다. MIF1 신호는 예를 들어, 750 내지 950 MHz 사이의 주파수 범위를 가질 수 있다. MIF1 주파수는 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호의 주파수보다 낮은 주파수를 가지며, RF 프론트 엔드(115)의 나머지 컴포넌트들에 의해 더 편리하게 처리된다. 더 낮은 주파수들에서 신호들을 처리하는 데 필요한 컴포넌트들은 덜 정교하고, 덜 비싸며, 종종 더 전력 효율적이다. 또한, 안테나 어레이(117)는 상이한 주파수의 신호를 수신할 수 있다. 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 다양한 신호들을 MIF1 신호들로 변환하는 것은 RF 프론트 엔드(115)의 나머지 컴포넌트들에 의한 모든 수신된 신호들의 처리를 단순화한다.
MIF1 신호는 이어서 대역 통과 필터들(230)을 통과하여 중간 주파수 신호(IF1)를 생성한다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터(230)는 예를 들어, 900 MHz 내지 930 MHz의 주파수 범위 내의 신호들을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, muRata™ SF2098H와 같은 신호 컨디셔닝 유닛(signal conditioning unit)이 대역 통과 필터들(230)을 구현하는 데 사용될 수 있다. IF1 신호는 이어서 가변 이득 증폭기(240)를 통과한다. 안테나 어레이(117)는 다수의 원격 지상 통신 시스템(120)으로부터 동시에 신호를 수신할 수 있다. 2개의 원격 지상 통신 시스템들(120)로부터 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호들의 강도는 상당히 변할 수 있다. 신호 강도의 상당한 차이는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 대해 수신된 신호에 대한 수치 연산을 불가능하거나 복잡하게 만들 수 있다. 가변 이득 증폭기들(240)은 자동 이득 제어 루프(270)로부터 수신된 커맨드들 또는 신호들에 기초하여 신호 레벨링(signal levelling)의 기능을 수행한다. 자동 이득 제어 루프(270)는 수신된 신호의 강도에 관한 피드백을 재구성 가능 디지털 로직 처리 디바이스(114)로부터 수신한다. 가변 이득 증폭기들(240)과 조합하여 동작하는 자동 이득 제어 루프(270)는 IF1 신호의 신호 진폭의 변화에도 불구하고 적절한 신호 진폭을 유지한다.
안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호들이 노이즈에 의해 우세한 실시예들에서, RF 프론트 엔드(115)는 고정 이득(가변 이득 증폭기들(240) 없이)으로 구현될 수 있다. 노이즈 우세 수신 RF 신호에서, 원격 지상 통신 시스템(120)에 의한 송신의 전력 레벨은 노이즈 우세 수신 RF 신호에서 노이즈 성분의 전력 레벨과 유사할 수 있다. 따라서, 가변 이득 증폭기들(240)은, 그것들이 원격 지상 통신 시스템(120)에 의한 송신들로부터 노이즈 성분을 의미있게 분리하지 않을 수 있기 때문에, 노이즈 우세 수신된 RF 신호들을 처리하는데 필요하지 않을 수 있다. 유사한 신호 레벨링 동작은 다수의 관심 방향으로 LEO 위성(110)에 의해 송신된 신호에 대해 수행될 수 있다. 다수의 관심 방향으로 LEO 위성(110)에 의해 송신된 신호의 레벨링은 안테나 어레이(117)에 의한 송신을 위해 RF 프론트 엔드(115)에 제공된 신호를 생성하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 수행될 수 있다.
가변 이득 증폭 후에, 신호(IF1)는 발룬(balun)들(250)을 통과한다. 발룬들(250)은 불평형(unbalanced) 신호(UBIF1)를 RF 프론트 엔드(115)의 나머지에 의한 다운스트림 송신 및 처리에 적합한 평형(balanced) 신호(BIF1)로 변환한다. BIF1 신호는 그 후 아날로그-디지털 컨버터(255)에 의해 처리되어 아날로그 신호들을 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의한 처리에 적합한 디지털 신호(DIF2)로 변환한다. DIF2 신호들은 일부 실시예들에서 12-비트 디지털 신호들일 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 (다른 동작들 중에서도) DIF2 신호를 확산 스펙트럼 수신기 집적 회로들(IC들)(260)에 의한 처리에 적합한 복수의 확산 스펙트럼 변조된 신호들로 채널화한다. 일부 실시예들에서, 확산 스펙트럼 변조된 신호들은 LoRa™ 프로토콜에 따라 인코딩된 신호들일 수 있고, 확산 스펙트럼 수신기 집적 회로들(260)은 LoRa™ 수신기 IC들, 예컨대 Semtech™ SX1301 또는 SX1302 IC들일 수 있다.
도 2에서 "att.pad"로 라벨링된 블록들(222, 228, 232, 242)은 감쇠 패드들이다. 일부 실시예들에서, 감쇠 패드들은 입력 지점과 출력 지점 사이에 π 구성으로 배열된 3개의 저항기들을 포함할 수 있다. 감쇠 패드들은 고정된 전력 레벨, 예를 들어, 3dB만큼 신호를 감쇠시키도록 구성된다. 도 2의 다양한 감쇠기 패드들은 수신된 신호의 이득을 원하는 전체 이득 레벨로 조정하기 위해 다양한 신호 처리 스테이지들 사이의 전력 레벨들의 조정을 허용한다. 감쇠기 패드는 또한 하나 이상의 필터(230)에 의해 거부된 신호를 감쇠시킨다. 예를 들어, 감쇠 패드(228)는 필터(230)에 의해 거부된 신호들을 감쇠시킬 수 있다. 하나 이상의 필터들에 의해 거부된 신호들을 감쇠시킴으로써, 감쇠기 패드들은 필터들 사이에 개선된 임피던스 정합(impedance matching)을 제공한다. 도 2의 하나 이상의 필터들은 반사 필터들일 수 있는데, 즉 필터를 통과하지 않는 신호들은 반사되고, 도 2의 신호 처리 체인의 선행 컴포넌트가 반사된 신호를 흡수할 수 없는 경우 정상파(stationary wave)들을 생성할 수 있다. 이러한 정상파는 도 2의 다양한 필터의 주파수 응답을 왜곡시킬 수 있다. 도 2의 감쇠 패드들(222, 228 및 242)은 수신된 신호의 이득을 원하는 전체 이득 레벨로 조정하기 위해 다양한 신호 처리 스테이지들 사이의 전력 레벨들을 조정함으로써 정상파들의 영향들을 다룬다.
RF 프론트 엔드(115)는 또한 안테나 어레이(117)에 의한 신호들의 송신을 가능하게 하기 위해 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 생성된 신호들을 처리할 수 있다. RF 프론트 엔드(115)는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 제공된 신호들에 기초하여 안테나 어레이(117)에 제공되는 피더 신호(feeder signal)를 제어할 수 있다. 안테나 어레이(117)에 제공되는 피더 신호에 기초하여, 안테나 어레이(117)는 라디오 주파수 송신의 보강 및/또는 상쇄 간섭에 기초하여 하나 이상의 빔을 포함하는 패턴으로 신호들을 송신할 수 있다. 하나 이상의 빔의 지향성 또는 방향은 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 제공된 신호에 의해 제어될 수 있다. 하나 이상의 빔들의 지향성 또는 방향은 하나 이상의 원격 지상 통신 시스템들(120)의 위치에 대응하도록 제어됨으로써, 원격 지상 통신 시스템들(120)에 의해 수신되는 신호들의 품질을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 송신 빔들이 동시에 생성되고 다수의 상이한 지상 타겟 방향들로 지향될 수 있다.
일부 실시예에서, LEO 위성(110)은 별개의 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스 및 별개의 RF 프론트 엔드를 포함할 수 있으며, 둘 모두 송신 빔성형에 전용된다. 일부 실시예들에서, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114) 및 RF 프론트 엔드(115)는 송신 및 수신 빔성형 둘 모두를 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신 및 수신 빔성형 둘 모두 및 2개의 별개의 RF 프론트 엔드를 수행하는 공통 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)가 존재할 수 있으며, 하나는 송신 빔성형에 전용되고 다른 하나는 수신 빔성형에 전용된다.
도 3은 일부 실시예에 따른 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)의 일부(300)를 예시하는 개략도이다. 입력 지점들(301, 302, 303 및 304)에서, 디지털 신호가 수신된다. 각각의 입력 지점은 안테나 어레이(117)의 특정 안테나 엘리먼트에 의해 수신된 신호에 대응한다. 이 예는 4 개의 엘리먼트들을 갖는 예시적인 안테나 어레이에 대응한다. 입력 지점들(301 내지 304)에서 수신된 신호들은 도 2를 참조하여 위에서 설명된 DIF2 신호들이다. DIF2 신호는 채널라이저(channelizer)(310)로 송신되어 수신된 신호를 다수의 개별 채널로 채널화한다. 일부 실시예들에서, 채널라이저는, 예를 들어, 신호를 8개의 채널화된 신호들로 분리할 수 있다. 채널화된 신호들은 다수의 빔성형 블록들(320)로 송신된다. 각 채널마다 별도의 빔성형 블록(320)이 존재한다. 개별 빔성형 블록(320)은 안테나 어레이(117)의 각각의 안테나 엘리먼트로부터 수신된 채널화된 신호들을 처리하여 각각의 채널에 대해 2개의 빔성형된 신호들을 생성한다. 채널에서의 빔성형된 신호들의 수는 안테나 어레이(117)에서의 안테나들의 수에 의존한다. 안테나 어레이에서의 안테나의 수를 증가시킴으로써, 각각의 채널에 대한 빔성형된 신호의 수는 LEO 위성(110)에 의해 제공되는 위성 통신 서비스를 스케일업하도록 증가될 수 있다. 도 3에서, 빔성형된 신호들은 1A, 1B ... NA, NB로 라벨링된다. 각각의 빔성형된 신호는 예를 들어, LoRa™과 같은 확산 스펙트럼 프로토콜을 사용하여 변조된 데이터의 독립적인 채널에 대응한다.
빔성형된 신호들은 이어서 빔 레벨링 블록(beam levelling block)(330)에 의해 처리된다. 각각의 빔성형된 신호는 특정 원격 지상 통신 시스템(120)으로부터 수신되었을 것으로 예상된다. LEO 위성(110)에 대한 원격 지상 통신 시스템(120)의 상대적 위치에 따라, 다양한 원격 지상 통신 시스템(120)으로부터 수신된 신호는 상이한 진폭 레벨을 가질 수 있다. 빔 레벨링 블록(330)은 상이한 원격 지상 통신 시스템(120)에 의해 생성된 신호에 대응하는 다양한 빔에 걸쳐 진폭 레벨을 레벨링하는 기능을 수행한다. 빔 레벨링 블록(330)은 빔성형된 신호에 적용되는 곱셈 계수를 동적으로 조절하여 빔 레벨링을 수행할 수 있다. 빔 레벨링 블록(330)을 통한 신호 레벨링은 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 필요에 따라, 도 2를 참조하여 설명된 가변 이득 증폭기(240)에 의해 수행되는 신호 레벨링과 조합하여 적용될 수 있다.
빔 레벨링 후에, 레벨링된 빔 신호들은 빔 기저 대역 하향 변환 블록들(340)에 의해 처리된다. 빔 기저 대역 하향 변환 블록들(340)은 하향 신호 처리 컴포넌트들의 요건들을 충족시키기 위해 레벨링된 빔성형된 신호들을 더 낮은 샘플링 레이트에서 더 낮은 주파수 신호로 변환한다. 다운스트림 신호 처리 컴포넌트들은 확산 스펙트럼 변조된 디지털 신호, 예를 들어, LoRa™ 프로토콜에 따른 신호를 예상하는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 기저 대역 하향 변환 블록들(340)은 출력으로서 LoRa™ 기반 신호(370)를 생성할 수 있다.
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 또한 각각의 입력 지점(301, 302, 303 및 304)에 대응하는 다이오드들(305) 및 저역 통과 필터들(308)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 저역 통과 필터들(308)은 예를 들어, 1 kHz 미만 또는 10 kHz 미만의 주파수를 갖는 신호들을 통과시킨다. 저역 통과 필터들(308)은 안테나 어레이(117)에 의해 수신되거나 송신되는 신호들의 최저 주파수보다 상당히 낮은 차단 주파수를 갖도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 저역 통과 필터들(308)은 약 5 내지 6 kHz의 차단 주파수를 가질 수 있다. 저역 통과 필터들(308)에 의해 처리된 신호들은 합산 블록(360)을 사용하여 합산되고, 합산된 신호(365)가 생성된다. 합산된 신호는 신호 레벨링을 위해 자동 이득 제어 루프(270)에 의존하는 실시예에서 도 2의 자동 이득 제어 루프(270)를 구동하기 위한 입력으로서 기능한다.
도 4는 도 3의 빔성형 블록(320)의 상세 블록도이다. 빔성형 블록(320)은 안테나 어레이 엘리먼트들(117a 내지 117n) 각각에 대해 채널라이저(310)로부터 IQ 형태의 위상 및 진폭 동기 입력 신호들을 수신한다. IQ 형태의 신호는 실수(in-phase) 성분과 허수(quadrature) 성분으로 분해되는 복소 신호이다. 실수 성분(I)은 특정 시점에서의 신호의 진폭(X축 성분)의 코사인(cosine)에 대응한다. 허수 성분(Q)은 특정 시점(Y축 성분)에서의 신호 진폭의 사인(sine)에 대응한다. 도 4에서, 입력들(401, 403, 405, 407)은 채널라이저(310)에 의해 채널화되는 특정 주파수 채널에 대한 각각의 안테나 엘리먼트들로부터 수신된 신호들의 I 성분에 대응한다. 입력들(402, 404, 406, 408)은 I 성분에 대한 입력들(401, 403, 405, 407)에 대응하는 특정 주파수 채널에 대한 각각의 안테나 엘리먼트들로부터 수신된 신호들의 Q 성분에 대응한다.
처리 블록들(470 및 475)은 입력들(401 및 402)에서 수신된 신호들에 대해 수행되는 수학적 연산들을 정의한다. 이러한 수학적 연산은 재구성 가능한 로직 처리 디바이스(114)의 로직 블록 및 상호연결부를 적절히 구성함으로써 수행된다. 예를 들어, 처리 블록(470)은 복소수들로 연산을 구현한다:
I1A = I안테나.1(t).I계수1A - Q안테나.1(t).Q계수1A
Q1A = I안테나.1(t).Q계수1A + Q안테나.1(t).I계수1A
상기의 수학적 연산들에서, I안테나.1(t)는 401에서의 입력에 대응하는 안테나 엘리먼트 안테나.1에 의해 수신된 신호의 I 성분에 대응하는 함수이다. 유사하게 Q안테나.1(t)는 402에서의 입력에 대응하는 안테나 엘리먼트 Ant.1에 의해 수신된 신호의 Q 성분에 대응하는 함수이다. I계수1A 및 Q계수1A는 수신된 신호들에 대한 수학적 연산의 결과를 제어하는 계수들이다. 처리 블록(470)은 계수들(I계수1B 및 Q계수1B)을 사용하여 신호들(401 및 402)의 유사한 연산들을 수행한다. 빔성형 블록(320) 내의 나머지 처리 블록들은 메모리(113)에 저장된 계수들의 별개의 세트를 사용하여 입력들(403 내지 408)에서 수신된 신호들의 나머지와 유사한 연산들을 수행한다. 이러한 계수들은 또한 각각의 안테나 엘리먼트에 대응하는 가중치들로서 설명될 수 있다.
각각의 안테나 엘리먼트는 I계수1A, Q계수1A, I계수1B 및 Q계수1B로 라벨링된 적어도 4개의 계수 또는 가중치를 갖는다. 이러한 계수들 또는 가중치는 동적이고, 프로세서(112)로부터의 명령어들에 기초하여 빔성형 블록(320)에 의해 변경된다. 프로세서(112)는 궤도 스케줄 데이터(118) 및 LEO 위성(110)의 현재 위치에 관한 정보에 기초하여 이들 계수를 변경한다. 일부 실시예에서, LEO 위성(110)은 통신 링크(170)를 통해 지상국(130)으로부터 커맨드 명령어를 수신할 수 있다. 커맨드 명령어들은 통신 시스템(100)으로부터의 요구들의 변화에 따라 계수들을 변화시키기 위한 프로세서(112)에 대한 명령어들을 포함할 수 있다. 통신 요구의 변화는 통신 스케줄에 대한 특정 원격 지상 통신 시스템(120)의 추가 또는 제거를 포함할 수 있다. 통신 요구의 변화는 또한 LEO 경로의 특정 부분을 따라 간섭 또는 노이즈의 소스의 식별 및 간섭 또는 노이즈의 소스를 다루기 위해 LEO 경로를 따라 적절한 시간 또는 기간에 빔 널링(beam nulling)을 구현하는 것을 포함할 수 있다.
궤도 스케줄 데이터(118)는 안테나 어레이 구성 레코드들을 포함한다. 각각의 안테나 어레이 구성 레코드는 궤도력 레코드 또는 궤도력 구역 레코드(ephemeris zone record) 및 궤도력 레코드와 관련하여 각각의 안테나 어레이 엘리먼트와 연관된 가중치들 또는 계수들을 포함한다. 궤도력 레코드는 LEO 위성(110)의 궤도의 구역 또는 일부를 정의한다. LEO 위성(110)의 현재 위치가 주어지면, 프로세서(112)는 위성의 현재 위치가 어느 궤도력 레코드에 대응하는지를 결정할 수 있다. 위성의 현재 위치가 대응하는 궤도력 레코드를 결정한 후, 프로세서(112)는 궤도력 레코드와 관련하여 각각의 안테나 어레이 엘리먼트와 연관된 가중치 또는 계수를 검색한다. 프로세서(112)는 후속하여 검색된 가중치들에 기초하여 빔성형 블록(320)의 계수들을 재구성한다. 일단 빔성형 블록(320)의 가중치 또는 계수가 재구성되면, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호를 처리하여, 통신 시스템(100)의 일부이고 현재 LEO 위성(110)의 안테나 어레이(117)의 시야 내에 있는 하나 이상의 원격 지상 통신 시스템(120)에 의해 송신된 신호를 최상으로 증폭한다.
처리 블록(470)은 입력 신호들(401 및 402)을 처리하여 출력 신호들(409 및 410)을 생성한다. 도 4에 도시된 다양한 수학적 연산들에 의해 생성된 출력 신호들은 합산 블록(460)에 의해 합산되어 중간 신호들(411 및 412)을 생성한다. 블록(470)에 의한 처리가 입력 신호로서 12 비트 정수를 사용하여 수행되면, 예를 들어, 출력은 중간 신호(411 및 412)의 결정에서 임의의 정보를 잃지 않기 위해 24 비트 정수 신호일 수 있다. 중간 신호들(411 및 412)은 분할 블록들(480)에 의해 분할되어, 함께 빔 1A로서 설명되는 출력 신호들(413(I 성분) 및 414(Q 성분))을 획득한다. 각각의 분할 블록(480)은 24 비트 입력 신호를 12 비트 출력 신호로 변환한다. 빔성형 블록(320)은 또한 빔 1B로서 설명된 출력 신호를 생성한다. 빔들(1A 및 1B) 각각은 I 및 Q 성분을 포함한다. 각각의 빔은 특정 원격 지상파 통신 시스템(120)에 의해 송신(및 수신)되는 신호들에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 처리 블록(470)은 고정 소수점 연산들을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 가중치의 I 및 Q 성분들과의 곱셈 연산들로부터 생성되는 비트들의 수가 고정될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 블록(480)은 출력 신호의 비트 수를 감소시키기 위해 필요하지 않을 수 있다.
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 유사하게, 안테나 어레이(117)를 사용하여 송신 빔성형을 가능하게 하기 위해 메모리(113)에 저장된 송신 빔성형 계수들 또는 가중치들에 기초하여 RF 프론트 엔드(115)에 제공되는 신호를 생성하는 송신 빔성형 블록들을 포함할 수 있다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 RF 프론트 엔드(500)의 회로도이다. RF 프론트 엔드(500)는 일부 실시예들에서 RF 프론트 엔드(115)를 대체할 수 있다. RF 프론트 엔드(500)는 안테나 어레이(117)에 의해 수신된 신호를 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의한 처리에 적합하도록 컨디셔닝하기 위해 일련의 증폭기, 대역 통과 필터 및 2개의 가변 이득 증폭기를 포함한다. 각각의 안테나 엘리먼트(117a 내지 117n)는 안테나 엘리먼트(530)에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 노이즈 우세 수신 신호들을 핸들링하기 위해, 가변 이득 증폭기들은 고정 이득 증폭기들에 의해 대체될 수 있다.
RF 프론트 엔드(500)는 일련의 대역 통과 필터들(501, 504, 507, 517 및 522)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터들(501, 504 및 507)은, 예를 들어, 0.7dB의 손실로 1980MHz 내지 2010Mhz의 주파수를 갖는 신호들을 통과시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터들(501, 504 및 507)은 예를 들어, muRata SF2234E-1 필터를 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터들(517 및 522)은 3dB의 손실로 938MHz 내지 902Mhz의 주파수를 갖는 신호들을 통과시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 대역 통과 필터들(517 및 522)은 예를 들어, muRata SF2098H 필터를 사용하여 구현될 수 있다.
RF 프론트 엔드(500)는 일련의 증폭기들(502, 505, 508, 510, 515, 520 및 526)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 증폭기들(502, 505, 508 및 510)은, 예를 들어, 20dB의 이득, 0.7dB의 노이즈 지수, 17.5dBm의 출력 인터셉트 지점(OIP3)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭기들(515 및 520)은, 예를 들어, 23dB의 이득, 0.7dB의 노이즈 지수, 17.5dBm의 출력 인터셉트 지점(OIP3)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭기(526)는 예를 들어, 22dB의 이득, 1.5dB의 노이즈 지수, 28dBm의 출력 인터셉트 지점(OIP3), 및 18dBm의 OP1dB 이득 압축 파라미터 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭기들(502, 505, 508, 510, 515 및 526)은 예를 들어, 6mA 전류 및 드레인 20mW의 전력을 사용하여 3V에서 동작할 수 있다.
RF 프론트 엔드(500)는 가변 이득 증폭기들(518 및 523)을 포함한다. 가변 이득 증폭기(518, 523)는 예를 들어, -23dB 내지 17dB의 가변 이득 값, 5dB의 노이즈 지수(감쇠기 삽입 손실을 포함), 34dBm의 OIP3 값을 가질 수 있다. 가변 이득 증폭기들(518 및 523)은 예를 들어, 110mA 전류 및 드레인 550mW 전력을 사용하여 5V에서 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가변 이득 증폭기들(518 및 523)은 예를 들어, Maxim Integrated MAX2092 가변 이득 증폭기를 사용하여 구현될 수 있다.
RF 프론트 엔드(500)는 감쇠기 패드들(503, 506, 509, 511, 516, 519, 521 및 524)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감쇠기 패드들(503, 506, 509, 511, 516, 519, 521 및 524)은 각각 예를 들어, 3dB의 손실 값을 가질 수 있다. RF 프론트 엔드(500)는 발룬(balun)들(512, 514 및 527)을 포함한다. RF 프론트 엔드(500)는 주파수 믹서(513)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 주파수 믹서(513)는 예를 들어, 1dB의 이득, 12dB의 노이즈 인자 및 22dBm의 OIP3을 갖는다. 일부 실시예들에서, 주파수 믹서(513)는 예를 들어, 95mA 전류 및 드레인 320mW 전력을 사용하여 3.3V에서 동작할 수 있다. RF 프론트 엔드(500)는 아날로그-디지털 신호 컨버터(528)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 아날로그-디지털 신호 컨버터(528)는 예를 들어, 4 dBm의 전력 레벨에서 동작할 수 있다.
도 6은 아래의 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 갖는 예시적인 4 엘리먼트 안테나 어레이(117)에 대한 어레이 인자를 예시하는 그래프(600)이다:
표 1
재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는, 표 1의 계수들을 통합할 때, 도 6의 그래프(600)에 의해 그래픽적으로 표현된 전달 함수에 따라 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 안테나 어레이 계수들은 전달 함수를 효과적으로 정의한다. 그래프(600)의 x 축은 도달하는 전파들의 기울기(즉, 수신 방향)에 대응하고, y 축은 증폭 레벨에 대응한다. 0도에 대응하는 지점(610)에서, 증폭 레벨은 최대(0)이다. 약 40도에 대응하는 지점(620)에서, 증폭 레벨은 최소이다. 그래프(600)의 어레이 인자에 의해, 약 40도에서 수신된 임의의 신호는 상당히 감쇠되거나 무효화된다. 이 구성에서, 0도 방향은 궤도 스케줄 데이터(118)에 의해 정의된 LEO 위성 궤도의 특정 기간에서 원격 지상 통신 시스템(120)의 예상 위치에 대응하도록 구성될 수 있다. 40도 방향은 통신 시스템에 관심이 없는 신호를 생성하는 알려진 간섭 소스에 대응할 수 있다. 표 1의 라인 길이(line length) 값들은 안테나 어레이(117)의 대응하는 엘리먼트와 RF 프론트 엔드(115) 사이의 전기적 연결 길이를 나타낸다. 전기적 길이는 전기 신호에 의해 보여지는 길이이며, 이는 더 높은 상대 유전율 또는 투자율을 갖는 매체에서 더 느리게 전파된다. 일부 실시예들에서, 상이한 안테나 어레이 엘리먼트들은 상이한 라인 길이 값들을 가질 수 있다. 라인 길이의 차이는 I, Q 계수의 변화에 의해 보정되거나 수용될 수 있다.
도 7은 아래의 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 갖는 예시적인 4 엘리먼트 안테나 어레이(117)에 대한 어레이 인자를 예시하는 그래프(700)이다:
표 2
표 2의 계수들을 통합할 때 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 도 7의 그래프(700)에서의 어레이 인자에 따라 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 표 2의 안테나 어레이 계수들은 그래프(700)에 의해 그래픽적으로 표현되는 전달 함수를 효과적으로 정의한다. x 축 상의 15도에 대응하는 지점(710)에서, 증폭 레벨은 최대(0)이다. 각각 약 -15, 50 및 -55도에 대응하는 지점(720, 730, 740)에서, 증폭 레벨은 최소이다. 그래프(700)의 어레이 인자에 의해, 약 -15, 50, -55도에서 수신된 임의의 신호는 상당히 감쇠되거나 무효화된다. 이 구성에서, 15도 방향은 원격 지상 통신 시스템(120)에 대응할 수 있다. -15, 50, -55도 방향들은 통신 시스템에 관심이 없는 신호를 생성하는 간섭의 소스에 대응할 수 있다. 그래프(700)의 어레이 인자는 빔 각도들의 별개의 범위들에 대응하는 3개의 부엽(sidelobe)들(712, 714 및 716)을 포함한다. 표 2의 안테나 어레이 구성 파라미터들에 따라 구성된 안테나 어레이(117)가 균일한 여기 레벨들을 갖기 때문에, 부엽들(712, 714 및 716)은 주엽(main lobe)(710)에 비해 피크 이득 레벨들에서 단지 약 12dB 더 낮다. 공통 주파수 채널 상에서 여러 개의 빔들이 요구되는 실시예들에서, 더 상당히 더 낮은 이득 레벨을 갖는 부엽들을 갖는 것이 필요할 수 있다. 도 8은 부엽들이 보다 현저하게 낮은 이득 레벨을 갖는 안테나 어레이의 구성의 예를 제공한다.
도 8은 아래의 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 갖는 예시적인 4 엘리먼트 안테나 어레이(117)에 대한 어레이 인자를 예시하는 그래프(800)이다:
표 3
표 3의 계수들을 통합할 때 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 도 8의 그래프(800)에서의 어레이 인자에 따라 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 표 3의 안테나 어레이 계수들은 그래프(800)에 의해 그래픽적으로 표현되는 전달 함수를 효과적으로 정의한다. x 축 상의 15도에 대응하는 지점(810)에서, 증폭 레벨은 최대(0)이다. 각각 약 -15, 50 및 -55도에 대응하는 지점(820, 830, 840)에서, 증폭 레벨은 최소이다. 그래프(800)의 어레이 인자에 의해, 약 -15, 50, -55도에서 수신된 임의의 신호는 상당히 감쇠되거나 무효화된다. 이 구성에서, 15도 방향은 LEO 위성(110)이 위성 경로의 특정 부분을 따라 통신하도록 스케줄링되는 원격 지상 통신 시스템(120)에 대응할 수 있다. -15도, 50도, -55도 방향들은 위성 경로의 동일한 부분을 따라 통신 시스템에 관심이 없는 신호를 생성하는 간섭의 소스들에 대응할 수 있다. 표 3의 구성 파라미터들에 기초한 안테나 어레이(117)의 구성은 안테나 어레이의 테이퍼형 여기(tapered excitation)를 야기하며, 여기서 에지(안테나 어레이) 엘리먼트들(1 및 2)은 -5 dB에서 여기된다. 표 3의 구성 파라미터들에 기초한 테이퍼형 여기 때문에, (각도 범위들(812, 814)에 대응하는) 부엽들의 피크들은 어레이 인자(800)의 피크(810)보다 (y 축 상에서) 20 dB 넘게 더 낮다. 주엽(main lobe)과 다양한 부엽들 사이의 이득 레벨들의 상당한 차이는, 공통 주파수 채널에 대해 여러 개의 빔들이 요구되는 실시예들에서 유리할 수 있다. 표 3에 예시된 파라미터들과 유사한 파라미터들을 사용하는 안테나 어레이(117)의 구성은, 위성 통신 시스템(100)의 전체 통신 대역폭 및 병렬성을 개선하면서, 공통 채널 주파수를 공유하는 다수의 조향된(steered) 빔들 사이의 개선된 독립성을 제공할 수 있다.
도 9는 아래의 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 갖는 예시적인 4 엘리먼트 안테나 어레이(117)에 대한 어레이 인자를 예시하는 그래프(900)이다:
표 4
표 4의 계수들을 통합할 때 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 도 9의 그래프(900)에서의 어레이 인자에 따라 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 표 4의 안테나 어레이 계수들은 그래프(900)에 의해 그래픽적으로 표현되는 전달 함수를 효과적으로 정의한다. x 축 상의 0도에 대응하는 지점(910)에서, 증폭 레벨은 최대(0)이다. 각각 약 -30도 및 -30도에 대응하는 지점(920 및 930)에서, 증폭 레벨은 최소이다. 그래프(900)의 어레이 인자에 의해, 약 -30 및 30도에서 수신된 임의의 신호는 상당히 감쇠되거나 무효화된다. 이 구성에서, 0도 방향은 원격 지상 통신 시스템(120)에 대응할 수 있다. -30도 및 30도 방향들은 통신 시스템에 관심이 없는 신호를 생성하는 간섭의 소스들에 대응할 수 있다.
도 9의 어레이 인자 그래프(900)는 도 6의 어레이 인자 그래프(600)와 대비될 수 있다. 어레이 인자 그래프(600)는 안테나 1 및 안테나 2(안테나 어레이의 에지 엘리먼트들) 상의 5dB 테이퍼(taper)를 사용하여 생성된다. 대조적으로, 어레이 인자 그래프(900)는 균일한 여기를 사용하여 생성된다. 어레이 인자 그래프(600 및 900)에 대한 구성에서의 이러한 여기의 차이는 어레이 인자 그래프(900)에서의 (각도 범위들(912, 914)에 대응하는) 부엽들보다 상당히 더 낮은 어레이 인자 그래프(600)에서의 (각도 범위들(612, 614)에 대응하는) 부엽들을 생성하게 한다. 또한, 어레이 인자 그래프(600 및 900)로 귀결되는 구성 파라미터의 차이 때문에, 어레이 인자 그래프(900)의 (각도 범위(910)에 대응하는) 메인 빔은 어레이 인자 그래프(600)의 (각도 범위(610)에 대응하는) 메인 빔보다 약간 더 좁다. 따라서, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 수정함으로써, 위성 통신 시스템(100)의 변화하는 통신 요건들을 충족시키기 위한 안테나 어레이 인자들(및 그에 의한 전달 함수들)의 상이한 구성들이 획득될 수 있다.
도 10은 아래의 안테나 어레이 가중치들 또는 계수들을 갖는 예시적인 4 엘리먼트 안테나 어레이(117)에 대한 어레이 인자를 예시하는 그래프(1000)이다:
표 5
표 5의 계수들을 통합할 때 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 도 10의 그래프(1000)에서의 어레이 인자에 따라 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 표 5의 안테나 어레이 계수들은 그래프(1000)에 의해 그래픽적으로 표현되는 전달 함수를 효과적으로 정의한다. x 축 상의 0도에 대응하는 지점(1030)에서, 증폭 레벨은 최소이다(그리고 감쇠 레벨은 최대이다). 약 -25도 및 25도에 각각 대응하는 지점(1020 및 1010)에서, 증폭 레벨은 최대이다(그리고 감쇠 레벨은 최소이다). 그래프(1000)의 어레이 인자에 의해, 0도 경사에서 수신된 임의의 신호들은 상당히 감쇠되거나 무효화된다. 이 구성에서, -25도 및 25도 방향들은 예를 들어, 원격 지상 통신 시스템들(120)에 대응할 수 있다. 0도 방향은 예를 들어, 통신 시스템에 관심없는 신호를 생성하는 간섭의 소스에 대응할 수 있다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 안테나 엘리먼트들(1100a, 1100b, 1100c 및 1100d)을 포함하는 안테나 어레이(1100)의 개략도이다. 안테나 어레이(1100)는 위상 안테나 어레이(phased antenna array)이다. 도 11은 또한 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114) 및 RF 프론트 엔드(115)에 의해 수행되는 계산을 위한 기준으로서 사용되는 Z 및 Y 축을 예시한다. X축(미도시)은 Y축 및 Z축에 수직이다. X, Y 및 Z 축들의 다른 배향들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 안테나 어레이(117 또는 1100)는 평평한 표면 상에 위치하거나 장착하기에 적합한 패치 안테나 어레이(patch antenna array)일 수 있다. 안테나 어레이의 각각의 엘리먼트는 안테나 어레이를 위한 접지면으로서 기능하는 더 큰 금속 시트(1190) 상에 장착된 금속의 패치일 수 있다. 다른 실시예에서, 안테나 어레이(117 또는 1100)는, 예를 들어, 휩 방사 엘리먼트(whip radiating element) 또는 혼 방사 엘리먼트(horn radiating element)와 같은 다른 형태의 방사 엘리먼트 중 다수의 방사 엘리먼트를 포함할 수 있다. 그러나, 안테나 어레이(117 또는 1100)의 안테나 엘리먼트들은 서로에 대해 이동하도록 구성되지 않고, 안테나 어레이는 다이버시티 셋업(diversity setup)에 의존하지 않는다.
도 12는 일부 실시예들에 따른 통신 시스템의 패치 안테나 어레이(1200) 형태의 안테나 어레이(117, 1100)의 예시적인 평면도이다. 패치 안테나 어레이(1200)는 선형 어레이로 도시된다. 선형 어레이의 안테나 엘리먼트들은 하나의 선형 치수를 따라 위치되는데, 즉 안테나 엘리먼트들은 패치 안테나 어레이를 형성하기 위해 하나의 라인을 따라 위치된다. 패치 안테나 어레이(1200)는 섀시에 의해 정의된 공통 베이스 평면 상에 위치된 안테나 엘리먼트들의 어레이로서 도시된다. 패치 안테나 어레이(1200)의 각각의 안테나 엘리먼트 또는 패치(1200a, 1200b, 1200c, 1200d)는 컵형 스택 패치 구성(cupped stacked patch configuration)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 인접한 안테나 엘리먼트 또는 패치(1200a, 1200b, 1200c, 1200d) 사이의 간격은 실질적으로 균일하게 유지된다. 안테나 어레이(1200)는 또한 2개의 동축 프로브들(1210 및 1220)을 포함한다. 프로브(1210, 1220)는 서로 직교하고(즉, 중심 포스트(1440)에 대해 약 90도만큼 각도에서 분리됨), LEO 위성(110)의 발사 동안 진동을 견디도록 축방향으로 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 안테나 어레이(1200)는, 예를 들어, 81mm x 301mm x 15mm의 치수들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 안테나 어레이(117)는 대안적으로, 예를 들어, 직사각형 어레이, 다수의 선형 어레이들 또는 원형 또는 다른 비선형 어레이를 사용하여 구현될 수 있다. 직사각형 어레이 또는 원형 어레이의 안테나 엘리먼트들을 이격시키기 위해 균일한 또는 불균일한 거리가 사용될 수 있다.
도 13은 일부 실시예들에 따른 안테나 어레이(1200)의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)의 평면도이다. 프로브들(1220 및 1210)은 각각 지점들 Y 및 X에서 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)와 접촉한다.
도 14는 일부 실시예들에 따른 안테나 어레이(1200)의 예시적인 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)의 추가 평면도이다. 도 14는 제1(상단) 스트립(strip)/패치(1410), 제2(하단) 스트립/패치(1420) 및 컵(cup)(1430)을 예시한다. 각각의 컵(1430)은 예를 들어, LEO 위성(110)의 섀시의 외측 부분 또는 서브프레임에 내장되거나 위치되거나 통합된다. 패치(1410, 1420)는 더 큰 기계적 안정성을 위해 더 얇은 패치로 엠보싱(emboss)될 수 있다. 2개의 패치(1410, 1420)는 중심 포스트(1440)에 의해 기계적으로 지지된다. 하단 패치(1420)는 2개의 직교 동축 프로브들(1220, 1210)을 통해 갈바닉(galvanically) 여기된다. 일부 실시예들에서, 패치(1420) 아래에 마이크로스트립 하이브리드 네트워크(도시되지 않음)가 놓인다.
마이크로스트립 하이브리드 네트워크는 2개의 포트들, 하나의 우측 원형 편광(RHCP : Right Hand Circular Polarised) 포트 및 다른 좌측 원형 편광(LHCP : Left Hand Circular Polarised) 포트를 생성할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들은 송신들의 좌측 또는 우측 원형 편광을 사용한다. 송신들의 좌측 또는 우측 원형 편광의 통합은 2개의 독립적인 신호들, 즉 RHCP 포트를 사용하는 제1 신호 및 LHCP 포트를 사용하는 제2 신호의 동시 송신을 허용한다. 동시에 송신된 2개의 신호는, 단일 편광 송신에서의 발진과는 반대로, 서로 직교하는 평면에서의 발진을 포함한다. 원형 편광 송신들은 송신 타겟에 대한 명확한 가시선(line of sight)의 결여 또는 신호 반사와 연관된 문제들에 응답하여 더 강건하다.
도 15는 도 14에 도시된 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)의 측단면도이다. 컵(1430)은 프로브(1210, 1220) 둘 모두가 패치(1410, 1420)를 향해 통과하는 개구(1510)를 갖는다.
도 16은 일부 실시예에 따른 안테나 어레이(1200)의 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)의 프로브부(1600)의 확대 측단면도이다. 프로브부(1600)는 동축 프로브들(1630, 1650)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 동축 프로브들(1630, 1650)은 50 옴(ohm)의 임피던스를 가질 수 있다. 프로브들은 테플론 슬리브(Teflon sleeve)(1610)에 의해 둘러싸이고, 테플론 슬리브는 결국 알루미늄 접지 베이스(1660)에 의해 둘러싸인다. 프로브 부분의 바닥에는 접지면(1640)이 있다. 접지면(1640)과 LEO 위성(110)의 섀시의 표면 사이에 마이크로스트립(1620)이 놓인다. 일부 실시예에서, 마이크로스트립(1620)은 50 옴의 임피던스를 가질 수 있다. 동축 프로브(1630)의 바닥에는 일부 실시예들에 따라 위스커 구리 와이어(whisker copper wire)(1670)와 같은 전도체가 놓인다. 휘스커 구리 와이어(1670)는 프로브(1630, 1650)를 마이크로스트립(1620)에 연결한다. 일부 실시예들에서, 위스커 구리 와이어(1670)는 Sn96/Ag4 합금 솔더(solder)를 사용하여 솔더링될 수 있다. 마이크로스트립(1620)을 지지하는 유전체는, 예를 들어, 유전체 두께 508 ㎛(약 0.5 mm) 및 구리 두께의 17 ㎛(0.017 mm)에서의 양 측면 상의 금속화를 갖는 Rodgers RT-Duroid 6002(상대 유전율 2.94)일 수 있다.
도 17은 일부 실시예들에 따른, 안테나 어레이 엘리먼트(1200a)의 접지면(1700)의 평면도이다. 접지면(1700)은 테플론 슬리브(1610)가 접지면(1700)과 접촉하지 않도록 에칭된 면적 또는 불연속 면적(1710)을 형성한다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들의 위상 안테나 어레이는 유리하게는 다수의 방향들에서 다수의 동시 송신 또는 수신 빔들의 생성(또는 빔 무효화(beam nullification))에 적합하다. 이는 LEO 위성(110)의 통신 효율을 증가시킨다.
6U 큐브위성(CubeSat)와 관련된 실시예들에서, 6U 선택된 위성 섀시 플랫폼에 대한 공간적 제한들은 안테나 어레이를 위성 본체의 일 측면 상의 최대 310 x 90 x 14 ㎣ 체적 내에 피팅하여야 하도록 되었다.
어레이 빔 스캐닝을 수행하기 위해, 어레이 내의 방사 엘리먼트들은 임의로 분리되어서는 안되며, 어레이 빔 스캔 각도 범위의 함수로서 분리 거리(separation distance)를 가져야 한다. 안테나 엘리먼트 대 안테나 엘리먼트 간격이 너무 크면, 그레이팅 로브(grating lobe)(일종의 기생 방사 로브(parasitic radiation lobe)임)가 안테나 방사 패턴에 나타날 수 있다. 이러한 그레이팅 로브는 신호 송신 효율을 감소시킴으로써 안테나 시스템의 성능에 해로울 수 있고 이는 궁극적으로 전체 위성의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
6U 섀시에 기초한 일부 실시예들에서, 75mm(중심 대 중심) 안테나 엘리먼트 대 안테나 엘리먼트 분리가 S-대역 주파수들에서의 통신을 위해 사용될 수 있다. 인접한 안테나 엘리먼트들의 인접한 에지들은 예를 들어, 약 3mm 내지 약 5mm만큼 분리될 수 있다. 위성 상의 안테나 수용은 일부 실시예들에서 RF 성능보다 성능 제한 인자(performance limiting factor)(즉, 격자 로브(grating lobes)를 회피함)에 더 가까울 수 있다. 위성 상의 안테나 어레이의 공간 수용이 안테나 엘리먼트 대 안테나 엘리먼트 간격을 허용한다면, 안테나 어레이의 원하는 RF 성능은 상당한 변화들 없이 78mm의 안테나 엘리먼트 대 안테나 엘리먼트 간격을 갖는 수신 모드에서 유지될 수 있다.
일반적인 규칙으로서, 패치 안테나의 성능은 엘리먼트가 작을 때 및/또는 극히 낮은 프로파일의 관점에서 감소된다. 본 명세서에 설명된 6U 위성 실시예들의 위성 통신 기능에 대해 그러나 최대 길이가 75mm인 어레이 셀에 피팅될 수 있는 엘리먼트를 이용하여 원하는 RF 성능을 달성하기 위해, 안테나 엘리먼트들의 패치 방사기들의 길이 방향 압축 또는 표면 변동이 이용될 수 있다.
감소된 기계적 길이를 유지하면서 그것들의 RF 전기적 길이를 증가시키기 위해 패치 방사기들의 표면 및 단면 프로파일에 파동(wave) 또는 물결 모양(corrugation)이 형성될 수 있다. 패치 표면의 파동 또는 물결 모양은 수 퍼센트의 물리적 패치 크기 감소를 허용하지만, 이것은 큐브위성 섀시의 제한된 물리적 공간 내에서 원하는 RF 성능을 허용하기에 충분할 수 있다.
그러나, 패치 표면의 파동 또는 물결 모양 패터닝은 패치 안테나 방사기의 종래의 기계가공에 적합하지 않으므로 제조 난제를 도입할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 파동 또는 물결 모양 패터닝을 갖는 알루미늄에서의 패치 안테나의 3D 프린팅이 패치 안테나의 제조에 사용될 수 있다. 그러나, 패치 안테나의 형상 및 성질과 3D 프린팅 기계의 물리적 제약 때문에 파동 또는 물결 모양 패치의 3D 프린팅은 어렵다.
도 18은 일부 실시예에 따른 LEO 위성의 섀시(1800)의 사시도이다. 섀시(1800)는 6개의 큐브위성 단위(즉, 6U)의 예시적인 크기를 갖는다. 섀시(1800)는 6개의 큐브위성 단위 전체 크기를 제공하기 위해 3개의 큐브위성 단위들이 3개의 큐브위성 단위들에 인접하여 길이 방향으로 위치되는 배향을 갖는다. LEO 위성(110)의 다양한 컴포넌트는 섀시(1800) 내에 또는 섀시 상에 위치될 수 있다. 섀시(1800)는 통상적으로 커버링 플레이트 및/또는 재료에 의해 커버링되고, 커버링될 때, 제1 주면(major face)(1810)(6 단위의 면적에 대응함) 및 제1 주면(1810)에 대향하는 제2 주면(6 단위의 면적에 대응함, 도시되지 않음)을 포함한다. 섀시(1800)는, 커버링 플레이트들 및/또는 재료들에 의해 커버될 때, 제1 부면(minor face)(1820)(3 단위들의 면적에 대응함) 및 제1 부면(1820)에 대향하는 제2 부면(6 단위들의 면적에 대응함)(도시되지 않음)을 포함한다. 섀시(1800)는, 커버링 플레이트들 및/또는 재료들에 의해 커버될 때, 제1 측면(side face)(1830) 및 제1 측면(1830)에 대향하는 제2 측면(도시되지 않음)을 포함한다.
일부 실시예에서, 안테나 어레이(117 또는 1100)는 제1 주면(1820) 상에 위치되고, 제1 주면(1810) 및 제2 주면은 태양 전지의 포지셔닝에 이용 가능하게 된다. 대안으로, 안테나 어레이(117, 1100)는 제2 부면 상에 배치될 수 있다. 안테나 어레이(117 또는 1100)는, 예를 들어, 다수의 큐브위성 단위들에 걸쳐 연장될 수 있고, 제1 부면(1820) 및/또는 제2 부면의 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.
제1 및 제2 주면이 가장 큰 표면적을 갖기 때문에, 안테나 어레이(117 또는 1100)를 제1 부면(1820) 및/또는 제2 부면 상에 위치시키는 것은 LEO 위성 내에서 사용하기 위한 더 큰 태양 전력의 생성을 허용한다. 일부 실시예들에서, 안테나 어레이(117 또는 1100)는 제1 및/또는 제2 주면 상에 위치되어 제1 부면(1820) 및/또는 제2 부면보다 큰 면적에 안테나 어레이를 수용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 안테나 어레이(117 또는 1100)는 제1 측면(1830) 및/또는 제2 측면 상에 배치된 어레이 부분들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서(112)는 안테나 어레이(117 또는 1100)를 지구의 중심을 향하는 배향을 일관되게 채택하도록 LEO 위성(110)의 배향 메커니즘을 제어하도록 구성된다.
도 19는 일부 실시예에 따른 LEO 위성(1900)의 개략도이다. LEO 위성(1900)은 LEO 위성(1900)의 본체를 형성하기 위해 섀시(1800)를 통합한다. LEO 위성(1900)은 제1 주면(1810)의 일부 상의 태양 전지(1910) 및 제1 부면(1820)의 일부 상의 안테나 어레이(117 또는 1100)를 포함한다.
도 20은 LEO 위성(110)과 복수의 지상 통신 시스템(120) 사이의 통신 방법(2000)의 흐름도이다. 방법(2000)의 다양한 단계는 안테나 어레이(117), 재구성 가능한 디지털 로직 디바이스(114) 및 프로세서(112)를 포함하는 LEO 위성(110)의 다양한 컴포넌트에 의해 수행된다. 2010에서, LEO 위성의 현재 위치가 결정된다. 일부 실시예들에서, 현재 위치는 GPS 수신기로부터의 데이터를 사용하여 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, LEO 위성의 현재 위치는 LEO 위성(110)이 발사체(launch vehicle)로부터 발사된 시점에 위성 발사 제공자에 의해 제공된 위치 및 속도 데이터를 포함하는 초기 위성 상태 벡터를 사용하여 결정될 수 있다.
2012에서, 프로세서 (112)는 2010에서 결정된 위성 위치에 기초하여 어레이 인자 계수(array factor coefficient)들을 결정한다. 어레이 인자 계수들은 궤도 스케줄 데이터(118)를 저장하는 메모리(113)로부터 검색될 수 있다. 어레이 인자 계수들은 송신 또는 수신 빔성형 동작들을 허용하기에 적합할 수 있다.
2014에서, 프로세서(112)는 2012에서 결정된 어레이 인자 계수들을 사용하여 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 재구성한다. 도 4의 개략도는 일부 실시예들의 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 수행되는 신호 처리 동작들을 예시한다. 단계(2014)에서, 도 4에 도시된 다양한 계수들은 2012에서 결정된 어레이 인자 계수들에 기초하여 업데이트될 수 있다. 아래의 표는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 구성하기 위해, 특히 LEO 위성(110)에 의해 수행되는 빔성형 또는 빔 조향(beam steering) 동작을 결정하는 I 및 Q 어레이 계수 계수를 구성하기 위해 사용될 수 있는 메모리(113)에 저장된 기록의 예를 도시한다.
표 6
LEO 위성(110)의 궤도 스케줄 데이터(118)는 위의 표 6에 예시된 비행 경로 좌표를 포함할 수 있다. LEO 위성(110)의 비행 경로의 일부 또는 스케줄링된 위치를 나타내는 메모리(118)에 저장된 궤도력 레코드들은 또한 위의 표 6에 예시된 바와 같은 비행 경로 좌표들을 포함할 수 있다.
2016에서, 안테나 어레이(117)는 신호들을 수신할 수 있다. 수신된 신호들은 RF 프론트 엔드(115)에 의해 처리되고 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 이용 가능하게 된다. 2018에서, 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 지상 통신 시스템(120)에 대응하는 수신된 신호들의 서브세트를 증폭하기 위해 안테나 어레이(115)에 의해 수신된 신호들을 처리한다. 2018에서, 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 또한 관심사가 아닌 신호들 또는 알려진 노이즈 소스들에 대응하는 신호들을 동시에 감쇠시킬 수 있다. 2020에서, 2018에서 결정된 신호들의 증폭된 서브세트는 안테나 어레이(117)에 의해 2016에서 수신된 신호들에서 인코딩된 정보를 결정하기 위해 처리된다. 단계(2020)는 그 전체가 디지털 로직 처리 디바이스(114) 또는 프로세서(112)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계(2020)는 서로 협력하여 디지털 로직 처리 디바이스(114) 및 프로세서(112)에 의해 수행될 수 있다. 디코딩된 정보는 메모리(113)에 저장될 수 있다. LEO 위성(110)이 지상국(130)과의 통신을 확립할 때, 디코딩된 정보는 클라이언트 디바이스(140)에 이용가능하게 되도록 라디오 통신 링크(170)를 통해 지상국(130)에 송신될 수 있다.
단계(2022, 2024, 2026)는 LEO 위성(110)으로부터 원격 지상 통신 시스템(120)으로의 정보 송신을 위한 단계에 대응한다. 2022에서, 프로세서(112)는 메모리(113)로부터 송신될 정보/페이로드(payload)를 검색한다. 검색된 정보/페이로드는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 이용 가능하게 된다. 2024에서, 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)는 정보/페이로드를 처리하여 안테나 어레이(117)에 대한 피드 신호(feed signal)를 생성한다. 생성된 피드 신호는, 원격 지상 통신 시스템(120) 또는 지상국(130)에 대응하는 송신을 위해 원하는 관심 방향으로 송신 빔성형을 허용하도록 디지털 로직 처리 디바이스(114)를 동적으로 재구성하는데 사용되는 어레이 인자 계수들에 기초하여 결정된다. 피드 신호는 RF 프론트 엔드(115)를 통해 안테나 어레이(117)에 이용 가능하게 된다. 단계(2026)에서, 안테나 어레이(117)는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(114)에 의해 생성된 피드 신호에 기초하여 신호를 송신한다.
LEO 위성(110)의 다양한 컴포넌트에 의해 수행되는 방법(2000)은 규칙적인 간격으로 연속적으로 또는 반복적으로 수행될 수 있다. 단계(2020)의 완료 후에 또는 단계(2026)의 완료 후에, 방법(2000)은 설명된 바와 같이 방법(2000)의 나머지 단계들에 선행하는 위성의 위치의 변화를 결정함으로써 단계(2010)에서 계속될 수 있다.
도 21은 LEO 위성(110)의 궤도에서 전개되도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 방법(2100)의 흐름도이다. 단계(2102)에서, 실시예들에 따른 LEO 위성(110)이 위성 발사체에 제공된다. LEO 위성(110)은 LEO 위성과 발사체 사이에 인터페이스를 제공하고, 비행 중에 LEO 위성(110)을 보호하고, 발사체에 의해 명령된 LEO 위성의 전개를 허용하는 디스펜서 시스템(dispenser system)에 통합될 수 있다. 단계 (2104)에서, LEO 위성(110)을 발사하도록 구성된 위성 발사체는 지구의 표면으로부터 발사되고, 이에 이어서 LEO 위성은 특정 궤도에서 이동을 위해 전개될 수 있다.
일부 실시예는 마이크로위성 또는 나노위성 섀시 또는 하우징 내에 및/또는 그 상에 설치하는 것에 관한 것이다: 적어도 하나의 프로세서, 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 메모리, 메모리는 LEO 위성의 궤도 스케줄을 저장하고, 및 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 통신 서브 시스템. 통신 서브 시스템은, 2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이; 및 안테나 어레이와 통신하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 포함한다. 적어도 하나의 프로세서는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스와 통신하고, 적어도 하나의 프로세서는 안테나 어레이의 다수의 안테나 엘리먼트들에 의해 시간에 따라 동시에 수신되거나 송신되는 신호들에 상이한 전달 함수들을 적용함으로써 궤도 스케줄에 기초하여 지향성 빔성형을 수행하도록 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성된다. 설명된 통신 서브 시스템 및 다른 컴포넌트들의 설치는 전술한 제공하는 단계(2102)의 초기 부분을 형성할 수 있다.
일부 실시예는 위성 통신 서비스를 제공하기 위한 방법에 관한 것으로, 위성 발사체에 대한 탑재체(payload)로서 실시예들 중 어느 하나의 LEO 위성을 제공하는 단계를 포함한다.
일부 실시예는 위성 통신 서비스를 제공하기 위한 방법에 관한 것으로, 저 지구 궤도에서 이동하기 위해 실시예들 중 어느 하나의 LEO 위성을 발사하도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 단계를 포함한다.
당업자는 본 개시의 광범위한 일반적인 범위를 벗어나지 않고, 전술한 실시예들에 대해 다수의 변형예들 및/또는 수정예들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 모든 측면에서 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다.
Claims (34)
- 저궤도(LEO : Low Earth Orbit) 위성에 있어서, 상기 LEO 위성은,
적어도 하나의 프로세서, 상기 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능하고 상기 LEO 위성의 궤도 스케줄을 저장하는 메모리, 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 통신 서브 시스템을 수용하는 마이크로위성 또는 나노위성 섀시(chassis);를 포함하고, 상기 통신 서브 시스템은,
2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이;
상기 안테나 어레이와 통신하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스(reconfigurable digital logic processing device);를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스와 통신하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는 시간에 따라 상기 안테나 어레이의 다수의 안테나 엘리먼트들에 의해 동시에 수신 또는 송신된 신호들에 상이한 전달 함수들을 적용함으로써 상기 궤도 스케줄에 기초하여 지향성 빔성형(directional beamforming)을 수행하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 구성된, LEO 위성. - 제1항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 선형 어레이인, LEO 위성.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지향성 빔성형은 상기 안테나 어레이의 모든 안테나 엘리먼트를 동시에 사용하여 수행되는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는 시간에 따라 상기 안테나 어레이의 다수의 안테나 엘리먼트에 의해 수신되고 송신되는 신호에 상이한 전달 함수를 적용함으로써 상기 궤도 스케줄에 기초하여 지향성 빔 널링(directional beam-nulling)을 수행하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하도록 추가로 구성된, LEO 위성.
- 제4항에 있어서, 상기 지향성 빔성형 및/또는 빔 널링은 다수의 주파수 채널들에 걸쳐 동시에 수행되는, LEO 위성.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 지향성 빔성형 및/또는 빔 널링은 다수의 상이한 방향에서 동시에 수행되는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 상기 섀시의 하나의 측면을 따라 배치되는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 상기 섀시의 부면(minor face)을 실질적으로 커버하도록 배치되는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 안테나 엘리먼트는 패치 안테나(patch antenna)를 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 적어도 4개의 안테나 엘리먼트를 포함하는, LEO 위성.
- 저궤도 (LEO : Low Earth Orbit) 위성에 있어서, 상기 LEO 위성은,
적어도 하나의 프로세서, 상기 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능하고 상기 LEO 위성의 궤도 스케줄(orbital schedule)을 저장하는 메모리, 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 액세스가능한 통신 서브 시스템을 수용하는 섀시(chassis)를 포함하고; 상기 통신 서브 시스템은,
2개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이;
상기 안테나 어레이와 통신하는 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스와 통신하고, 및
상기 적어도 하나의 프로세서는:
상기 LEO 위성의 상기 궤도 스케줄에 따라 하나 이상의 관심 방향으로부터 수신된 송신을 증폭하기 위해 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 처리하거나, 또는
상기 LEO 위성의 상기 궤도 스케줄에 따라 송신을 위해 상기 하나 이상의 관심 방향으로 상기 안테나 어레이에 의해 송신될 신호를 증폭하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하고;
상기 LEO 위성은 1kg 내지 100kg 범위의 질량을 갖는, LEO 위성. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LEO 위성은 10kg 내지 30kg 범위의 질량을 갖는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섀시는 큐브위성(CubeSat) 구조 및 1 큐브위성 단위 내지 50 큐브위성 단위의 크기를 갖는, LEO 위성.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 섀시는 큐브위성 구조 및 3개의 큐브위성 단위에서 24개의 큐브위성 단위의 크기를 갖는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섀시는 주면(major face), 부면(minor face)을 포함하고, 상기 주면은 상기 부면보다 더 큰 표면적을 가지며; 및
상기 안테나 어레이는 상기 부면의 적어도 일부에 제공되는, LEO 위성. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 LEO 위성의 궤도 스케줄(orbital schedule)에 따라 관심없는 하나 이상의 방향들로부터 수신된 송신들을 감쇠시키기 위해 상기 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리하거나, 또는
상기 LEO 위성의 상기 궤도 스케줄(orbital schedule)에 따라 송신에 관심이 없는 하나 이상의 방향으로 상기 안테나 어레이에 의해 송신될 신호들을 감쇠시키도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는, LEO 위성. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 궤도 스케줄 데이터는 하나 이상의 안테나 어레이 구성 레코드(antenna array configuration record)를 포함하고, 각각의 안테나 어레이 구성 레코드는,
일정 기간에 걸쳐 궤도에서 상기 LEO 위성의 예정된 위치를 나타내는 궤도력 레코드(ephemeris record); 및
상기 궤도력 레코드와 관련하여 정의된 둘 이상의 안테나 엘리먼트들 각각과 연관된 어레이 인자 계수들(array factor coefficients)를 포함하는, LEO 위성. - 제17항에 있어서, 각각의 어레이 인자 계수는 실수 계수 값 및 허수 계수 값을 포함하는 복소수 가중치인, LEO 위성.
- 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 LEO 위성의 스케줄링된 위치와 연관된 상기 안테나 어레이 구성 레코드에 정의된 상기 어레이 인자 계수 및 상기 LEO 위성의 스케줄링된 위치에 기초하여 상기 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 처리하거나 상기 안테나 어레이에 의해 송신된 신호를 증폭하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는, LEO 위성.
- 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 패치 안테나 어레이(patch antenna array)인, LEO 위성.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의한 처리 전에 신호를 전처리하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 더 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이에 의한 송신을 위해 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의해 생성된 신호를 처리하기 위한 디지털-아날로그 컨버터를 더 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 의한 처리 전에 신호를 채널화(channelising)하기 위한 신호 채널라이저(signal channeliser)를 더 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LEO 위성이 하나 초과의 관심 방향으로부터 신호를 수신할 때, 상기 적어도 하나의 프로세서는 하나 초과의 관심 방향으로부터 수신된 신호의 진폭을 레벨링(level)하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LEO 위성이 다수의 관심 방향으로 신호를 송신할 때, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 다수의 관심 방향으로 송신되는 신호의 진폭을 레벨링하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서와 통신하는 하나 이상의 가변 이득 증폭기(VGA : variable gain amplifier)를 더 포함하고,
상기 LEO 위성이 하나 초과의 관심 방향으로부터 신호를 수신할 때, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 초과의 관심 방향으로부터 수신된 신호의 진폭을 레벨링하도록 상기 하나 이상의 VGA를 구성한, LEO 위성. - 제11항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 4개 이상의 안테나 엘리먼트를 포함하는, LEO 위성.
- 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 LEO 위성; 및
복수의 지상 게이트웨이 디바이스를 포함하는 위성 통신 시스템에서, 각각의 지상 게이트웨이 디바이스는 복수의 지상 센서 디바이스와 통신하고;
상기 적어도 하나의 LEO 위성과 상기 복수의 지상 게이트웨이 디바이스 간의 통신 방법은,
상기 궤도 스케줄 데이터에 기초하여, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 안테나 어레이에 의해 수신된 신호들을 처리하거나 상기 안테나 어레이를 통해 신호들을 생성 및 송신하도록 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스를 동적으로 재구성하는 단계;
상기 안테나 어레이는 신호를 수신하고 상기 수신된 신호를 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스에 이용 가능하게 하는 단계;
상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스가 상기 복수의 지상 게이트웨이 디바이스들 중 하나 이상에 의해 송신된 신호들에 대응하는 수신된 신호들의 서브세트를 증폭하기 위해 상기 수신된 신호들을 처리하는 단계, 또는
상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스가 상기 복수의 지상 게이트웨이 디바이스들 중 하나 이상의 각각의 위치들에 대응하는 하나 이상의 송신 방향들에서의 송신을 위해 상기 안테나 어레이 신호들에 이용 가능하게 하는 단계를 포함하는, 방법. - 제29 항에 있어서, 상기 통신 서브 시스템이 상기 수신된 신호들의 서브세트에 인코딩된 정보를 디코딩하기 위해 상기 수신된 신호들의 증폭된 서브세트를 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 재구성 가능한 디지털 로직 처리 디바이스가 상기 안테나 어레이에 의해 수신된 관심없는 신호들에 대응하는 상기 수신된 신호들의 제2 서브세트를 감쇠시키기 위해 상기 수신된 신호들을 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 위성 통신 서비스를 제공하는 방법에 있어서,
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 LEO 위성을 탑재체(payload)로서 위성 발사체(launch vehicle)에 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 위성 통신 서비스를 제공하는 방법에 있어서,
저궤도(low earth orbit)에서의 이동을 위해 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항의 LEO 위성을 발사하도록 구성된 위성 발사체를 발사하는 단계를 포함하는, 방법. - 본 명세서에 개시되거나 본 출원의 명세서에 개별적으로 또는 집합적으로 표시된 단계들, 프로세스들, 특징부들, 정수들, 회로들, 컴포넌트들, 서브 시스템들 및 구조들, 및 상기 단계들, 프로세스들, 특징부들, 정수들, 회로들, 컴포넌트들, 서브 시스템들 및 구조들 중 2개 이상의 임의의 및 모든 조합들.
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