WO2005083903A1 - 低軌道衛星によるマンハッタンストリートネットワークの構成方法 - Google Patents

低軌道衛星によるマンハッタンストリートネットワークの構成方法 Download PDF

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WO2005083903A1
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satellites
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plane
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Ryutaro Suzuki
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National Institute Of Information And Communications Technology
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/195—Non-synchronous stations

Definitions

  • the present invention relates to a method for configuring a Manhattan Street network using low earth orbit (LEO) satellites.
  • LEO low earth orbit
  • Figure 10 is a diagram showing the types of satellite constellations (arrays). This is a structure when the orbit of the satellite is overlooked from the north pole on the rotation axis extension of the earth. As shown in the figure, it has been adopted in the iridium system known as a satellite communication system that covers the entire earth using the conventional low-orbit satellite group. Specifically, in the azimuth system, the orbital plane orbiting the earth is divided into six orbital planes at 180 degrees in the longitude direction of the earth, and a plurality of satellites are placed on each orbital plane ring. It adopts a method of moving around each track. Communication between satellites is performed using radio waves at a speed of several M bps. Each satellite communicates with mobile terminals on the earth.
  • FIG. 10 shows the 27 ° constellation, which is a method of dividing the earth's longitude 360 degrees by the number of orbital planes.
  • Each satellite orbit follows the orbit inclination angle, and each satellite has its own. Orbiting its orbit.
  • This 27 ⁇ constellation is used in the global star system. With this method, inter-satellite communication with satellites traveling in the same direction in adjacent orbits is possible, and the ground surface can be covered uniformly.
  • the service area shall be the service area on the earth's surface excluding the north and south polar regions.
  • the radiation tolerance of the semiconductor mounted on the satellite is 5 ⁇ 10 4 , and the satellite altitude is 1200 km.
  • the satellite altitude shall be two or more visible satellites at an elevation angle of 10 degrees or more.
  • the minimum elevation angle shall be not less than 20 degrees in the range from 70 degrees south latitude to 70 degrees north latitude.
  • the relationship between intersatellite communication and the orbit is based on a 2 ⁇ constellation using a combination of an inclined orbit without seams and a 27 ° constellation to simplify the control of the intersatellite communication network.
  • the communication distance between satellites shall be within 50,000 m.
  • Orbital eccentricity 0 Circular orbit
  • the relative directions of adjacent satellites between the orbital planes are as follows: If the Yaw axis direction of the satellite is represented by the elevation angle directly below and the Ro11 axis direction is represented by the azimuth angle of 0 degree, the azimuth angle is between 15 and 55 Degrees and elevation angles are between 11 and 19 degrees.
  • the variation range of the relative distance is maintained at 3,000 to 5,000 km. Therefore, the control range of the satellite communication antenna between adjacent orbital planes is about 120 degrees in the azimuth direction and 10 degrees in the elevation direction (the angle at which the satellite is viewed from the ground).
  • Figure 11 shows the concept of the proposed next-generation LEO system.
  • a network using multiple low-Earth orbit satellites is constructed, and mobile communication between arbitrary points on the earth is possible. It provides multimedia communication with various types of terminals (mobile phones, personal computers with communication functions, video cameras with communication functions, etc.) via a satellite network.
  • 10 al, 10 a 2, 10 b 1, 10 b 2 » represent satellites
  • 11 a 1, 1 1 a 2,..., 11 b 1, 1 1 b 2,... , 11 ab 1, 11 ab 2, ... represent the satellite ISLs (Inter Satellite Links)
  • 12 is a spotlight system for communicating with each satellite and terminals on the earth.
  • 13 (Spot Beam) 13 are terminals on the earth, such as mobile phones, personal computers, video cameras, and PDAs.
  • satellites in the orbit plane of orbit a are composed of a plurality of satellites 10a1 and 10a2, and satellites 10b1 to 10b3 are the orbits of another adjacent orbit b.
  • the satellites in the plane constitute the orbit, and the satellites in each orbit plane orbit the earth along their orbits.
  • Each satellite forms a bidirectional communication link by an inter-satellite optical link in the same orbit plane and an inter-orbit plane optical link to a satellite in an adjacent orbit, and llal, 11a2, 11a3, 111 a4 is an in-orbit link of orbit a, llbl, 1 1b2, 1 1b3 is an in-orbit link of orbit b, and ll abl, 1 ab 2 is an inter-orbit link.
  • Terminal 13 on the earth communicates with satellites within a certain elevation range, and the other terminal in other areas is a satellite that can communicate with the other terminal and a satellite that relays. Two-way communication is performed via the inter-communication link.
  • Fig. 12 shows the schematic block configuration of the proposed satellite.
  • Optical antennas 20a to 20d for optical communication between satellites are provided and used for optical SSL connection. That is, two of these optical antennas are for communication with two adjacent satellites in orbit, and the other two optical antennas are for communication with two satellites belonging to two adjacent orbits. It is.
  • the distance between this optical antenna and an adjacent satellite is about 3000 Km to 5000 Km.
  • precise pointing control technology and optical modulation / demodulation technology for the optical antenna have been developed.
  • an active universal joint (AUJ) optical antenna that has been improved from the one-front mirror drive system has been created. Control the rotation axis tilted by degrees. In optical communication between satellites, transmission of about 10 Gbps is possible.
  • AUJ active universal joint
  • the optical modem 21 modulates the transmitted light and demodulates the received light.
  • H22 is a cell-based signal that supports various protocols such as ATM (Asynchronous Transfer Mode), IP (Internet Protocol), MPLS (Multiprotocol Label Switching), etc. This is a mechanism that performs mutual switching between and the user link signal.
  • the multiport modem 23 is a mechanism that performs mutual conversion between the signal format corresponding to the user link and the signal format of the inter-satellite link.
  • the digital beam forming circuit 24 includes an antenna radio frequency (RF) circuit 25. This is a circuit that converts the signal from the multi-port modem 23 into a signal to the individual user.
  • RF radio frequency
  • Figure 13 shows the satellite configuration and inter-satellite communication connection configuration based on the orbital parameters proposed as a next-generation low-orbit system.
  • a in Fig. 13 shows the configuration of intra-planet inter-satellite communication (Intra-Plane ISL (Inter Satellite Link)), and B in Fig. 13 shows the satellite constellation and inter-orbit inter-satellite communication (Inter-Plane ISL). Plane ISL) configuration.
  • the black dots represent satellites, and the vertical axis represents latitude (indicated by Latitude (deg.)). In this example, the satellite orbits in the range from 60 north latitude to 60 latitude south (60).
  • the horizontal axis represents longitude aongitude (deg.)), And the longitudes of 0, 60, 90, -33, 0, 0 (0 to 360, not east and west longitudes) (Represented in degrees).
  • one satellite orbit plane is composed of 12 satellites in orbit with a fixed orbit inclination, and such satellite orbit planes are spaced at a fixed interval in longitude. 0 are arranged.
  • 12 satellites on each satellite orbit plane are connected in order by a link for two-way communication between adjacent satellites to form a ring network.
  • B in Fig. 13 shows the communication configuration between satellites between adjacent orbits.
  • FIG. 14 shows the inter-satellite distances constituting the constellation.
  • each satellite in the technology of satellite communication systems, there are a large number of low-orbit satellites that have a dynamic satellite constellation and move in orbit, and each satellite independently and independently identifies the position of an adjacent satellite.
  • the satellites are equipped with a function to switch the traffic and operate the traffic independently without receiving control from the ground.
  • each satellite provides a gateway to portable and mobile users, fixed wireless terminals, and users of the public telephone network capable of switching.
  • WO93 / 0961313 is a technology that can directly carry calls over the Internet, provides direct communication between arrayed satellites, and provides individual communication using a lightweight and portable telephone. No. 5,009,045. Disclosure of the invention
  • the present invention solves the above-mentioned problems, and makes it possible to easily form a communication link between users located in north-south distribution areas and to reduce the delay time by using a low-orbiting orbiting satellite.
  • the purpose is to provide a network configuration method.
  • the present invention uses the parameters of the number of satellite orbital planes (P), the number of satellites in orbit (S), and the phase difference coefficient (F) that meet the conditions for preventing approach and collision.
  • P satellite orbital planes have the same orbital inclination angle, which varies according to the maximum latitude of the service area, and ranges from 45 to 70 degrees.
  • the number of satellites in each orbit plane is numbered from the southern end to the northern end in the order 1, 2, «, the nth satellite on the orbital plane is east.
  • a ring connection is formed by sequentially connecting to the n-1st satellite on the orbital plane adjacent to the satellite, and a line connection is sequentially established for each satellite constituting each orbital plane. It is based on the principle that ring connections connecting the north and south areas with almost the same angle in Figure 8 are formed by the number of satellite orbit planes.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a satellite connection between satellite orbit planes according to the present invention.
  • the vertical axis represents the latitude of the earth
  • the horizontal axis represents the longitude of the earth
  • black circles represent satellites
  • solid lines connecting between the black circles represent bidirectional circuit connections between satellite orbit planes
  • Numeral 11 denotes a plurality of 8-shaped networks formed by satellite connections between satellite orbit planes according to the present invention, F-11, G-10, H-9, ..., D-2.
  • E-1 represent the satellites that make up the figure-eight network 3-11.
  • a network is formed (omitted in Fig. 1), a network connecting satellite orbit planes is simultaneously formed as shown in Fig. 1, and Fig. 2 shows the logical structure of the line connection between the satellite orbit planes. .
  • an eight-shaped ring-connected network is formed for the number of satellites (S) in the orbital plane of ⁇ .
  • 11 satellite orbit planes are labeled A, B, C,..., J, K (see Fig. 2), and are assigned to the satellites in each satellite orbit plane.
  • Figure 1 shows a figure eight-shaped network of satellite connections between satellite orbit planes (shown by numbers 1 to 11 in a circle).
  • Fig. 1 shows an 8-shaped network 3-11 consisting of satellites F-11 (the 11th satellite in satellite orbital plane F) to satellites G-10 (the 10th satellite in the satellite orbital plane G). ), Satellites H-9, satellites 1-8, satellites J-17, satellites K-6, satellites A-5, satellites B-4, satellites C-3, satellites D-2, and satellites E-1. Are connected in sequence to orbit the earth, and from satellite E-1 to satellite F-11, a ring connection is formed.
  • the other eight-shaped networks 3-1 to 3-10 are formed on the same principle.
  • Each satellite has the functions of two-way communication with adjacent satellites in the same orbit, two-way communication with satellites in adjacent orbits, and two-way communication with terminals on the ground. It has switching and modulation / demodulation functions for signals from and to satellites, signals from and to terminals.
  • FIG. 2 shows a logical structure of an inter-satellite communication line in the configuration example of FIG.
  • a to K are 11 satellite orbits, and 11 satellites in each orbit are represented by numbers 1 to 11 in ⁇ .
  • the 11th satellite in the uppermost stage (north end) of satellite orbit F is shown. Only the ring connections between all the satellites are indicated by bold lines, and the inter-orbit connections for other satellites and the ring connections (vertical direction) in each satellite orbit are also shown.
  • each satellite orbit is drawn in the vertical direction. However, since each satellite orbit is actually tilted by the orbit inclination angle as shown in Fig. 11 (conventional example),
  • the ring connecting the orbits has a figure eight shape linking the north and south as shown in Figure 1 above.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a satellite connection between satellite orbit planes according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a logical structure of an inter-satellite communication line in the configuration example of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement in the case where the connection between the satellites between the orbit planes is n ⁇ n ⁇ 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing a connection configuration between track surfaces when P> S.
  • FIG. 5 is a diagram showing a connection configuration between track surfaces in the case of P ⁇ S.
  • Fig. 6 is a diagram showing an example of combinations of P, S, and F to form a Manhattan street network.
  • Fig. 7 is a diagram showing an example of combinations of parameters that make up a Manhattan street network structure without approaching and colliding satellites.
  • FIG. 10 is a diagram showing the types of satellite constellations.
  • FIG. 11 is a diagram showing the concept of the proposed next-generation LEO system.
  • FIG. 12 is a diagram showing a schematic block configuration of the proposed satellite.
  • Fig. 13 is a diagram showing the satellite configuration and inter-satellite communication connection configuration based on orbital parameters proposed as a next-generation low-orbit system.
  • FIG. 14 is a diagram showing the distance between satellites constituting the constellation. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Fig. 3 shows the arrangement when the connection between satellites between orbit planes is n ⁇ n-1.
  • P is a gauge
  • S is the number of satellites in the orbital plane
  • F is the phase difference coefficient (an integer in units of 360 degrees Z (PXS))
  • the vertical is a row of satellites in the same orbital plane, and the orbit in the horizontal direction.
  • a satellite for interplane connection is arranged, and the connection path between the orbit planes is as shown in Fig. 3.
  • j represents the number of the orbit plane, which is the number of 0,..., P-1
  • k represents the number of the in-orbit plane, which is the number of 0,..., S-1.
  • the arrangement in Fig. 3 is based on the condition that one P / 2 ⁇ F ⁇ PZ2.
  • Fig. 4 shows the connection configuration between track surfaces when P> S. (0, S—1) to (0, 0), (1, S—2) to (1, S_l), whil, (P ⁇ 1, 2S— P) to (P-1, 2S-P + 1) are the S satellites in the satellite orbit planes that make up each of the P satellite orbit planes numbered 2, to P, respectively.
  • the whole is composed of PxS satellites.
  • the satellite in orbit plane P in Fig. 4 is connected to the satellite in orbit plane 1 corresponding to the satellite number shown at the right end.
  • the satellite in orbit plane 1 is also connected to the satellite in orbit plane P corresponding to the satellite number shown at the left end.
  • Fig. 5 shows the connection configuration between track surfaces when P ⁇ S.
  • each satellite on the right end of the figure is connected to the same number of each satellite arranged in the vertical direction on the left end.
  • Fig. 6 shows an example of combinations of P, S, and F to form a Manhattan street network. Indicates.
  • Conditions for approaching a satellite in another orbital plane at the point of intersection with the satellite equator are as shown in (1) and (2).
  • Fig. 7 shows an example of the combination of each parameter that makes the Manhattan Street network structure without satellite approach and collision.
  • the number of satellite orbital planes P is odd (7, 9, 11, 1, 13) in the Manhattan street network structure.
  • collisions can be avoided by using the values shown in the figure as values of F for each number of satellites S in the orbit plane (6 to 13).
  • a in Fig. 8 shows the case of inter-satellite connection in the same orbit plane, where one ring connection with an orbit inclination angle is formed.
  • B in Fig. 8 is an interorbit connection between adjacent orbit planes (n ⁇ n-1), where n is the satellite number in each satellite orbit plane. It has a structure in which 12 ring-shaped ring connections are arranged in the longitudinal direction.
  • a two-way Manhattan Street network structure is formed with the rings connected to the satellites in the same orbit plane.
  • a in Fig. 9 shows the connection between satellites in the same orbit plane, and ring connections in nine orbit planes are formed.
  • B in Fig. 9 shows an adjacent orbit plane connection configuration, in which eight figure-shaped ring connections composed of nine satellites in the latitudinal direction are arranged in the longitudinal direction. The connection between satellites in the same orbit shown in A and the connection between satellites in adjacent orbit planes shown in B (n ⁇ n-1 connection) are shown.
  • each satellite forms a bidirectional communication link by an optical link with the adjacent satellite in the same orbit plane and the two satellites forming the figure-eight ring on both adjacent orbit planes. Communication between satellites and communication connection with terminals on the ground are executed.
  • communication between north and south areas included in the same longitude range on the earth can be formed by a short route, control for connection can be simplified, and transmission delay time is reduced. This makes it possible to efficiently provide multimedia such as voice, images, and data from mobile terminals between the north and south cell phones.

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Abstract

地球上空を周回する複数（Ｓ）個の低軌道の衛星を一定間隔でリング状に配置した衛星軌道面を，衛星間で衝突が発生しない所定の軌道傾斜角を持って経度方向に一定の間隔を置いて複数（Ｐ）個配置し，各衛星は同一衛星軌道面を構成する隣接する衛星と順次光リンクにより接続したネットワークを構成すると共に，各衛星は先行する隣接軌道面の各衛星に対し位相差係数（Ｆ）を持って配置され，各衛星は，東側に隣接する衛星軌道面の衛星との軌道面間接続で，自衛星軌道面内の衛星番号ｎより１少ない衛星番号ｎ−１の衛星へ接続して８字型のリング状のネットワークを形成し，各衛星軌道面内のネットワークと衛星軌道面間接続のネットワークによりマンハッタンストリートネットワークを構成する。

Description

明細
低軌道衛星によるマンハッタンストリ一トネッ トワークの構成方法 技 fe分野
本発明は， 低軌道 （L E O : Low Earth Orbi t) 衛星によるマンハッタンストリ —トネットワークの構成方法に関する。 背景技術
第 1 0図は衛星コンステレ一シヨン （配列） の種類を示す図であり， 衛星の軌 道を地球の回転軸延長上の北極側から俯瞰した場合の構造であり， Aは; Γコンス テレーシヨンを示し， 従来の低軌道衛星群を用いて全地球をカバ一する衛星通信 システムとして知られているィリジゥムシステムで採用されている。 具体的には ， ィリジゥムシステムでは， 地球上を周回する軌道面配置を地球の経度方向 1 8 0度を 6軌道面で分割して， 各軌道面を構成するリングに複数の衛星が配置され 各軌道上を周回移動する方法を採用している。 そして， 各衛星間は電波を用いて 数拾 M (メガ） b p sの速度の通信が行われている。 なお， 各衛星は地球上の携 帯端末と通信を行う。 この Aの 7Γコンステレーシヨンの方法では， 隣接軌道の衛 星が経度 1 8 0度おきに逆方向 （各軌道上の衛星は一方の面では南下するが地球 の反対側では北上する） に移動するシーム （Seam) があり， 隣接する軌道の衛星 間通信は不可能である。
第 1 0図の Bは 2 7Γコンステレーションを示し， 地球の経度方向 3 6 0度を軌 道面数で分割する方法であり， 各衛星軌道は軌道傾斜角に沿って， 各衛星はそれ ぞれの軌道を周回している。 この 2 7Γコンステレ一ションはグロ一バルスターシ ステムで採用されている。 この方法では， 隣接軌道上を同一方向に進行する衛星 との衛星間通信は可能であり， 地表面を均一にカバーすることができる。
この 2 7Γコンステレーシヨンを採用する次世代低軌道 （次世代 L E O ) システ ムの研究が進められており， 電子情報通信学会論文誌 B， Vol. J84-B No. 6 PP963 -972 (2001年 6月） に開示されている。 その中で， 次世代 L E Oシステムにおけ る軌道選定の条件として， 次の点を考慮することが記載されている。 (1) サービスエリアは， 南北の両極域を除く地球表面をサ一ビスエリアとする
(2) バンアレン帯について， 衛星に搭載する半導体の放射線耐量を 5 X 1 0 4 とし， 衛星高度を 1 2 0 0 K mとする。
(3) 衛星高度は， 仰角 1 0度以上での可視衛星数 2個以上とする。
(4) 最低仰角は， 南緯 7 0度から北緯 7 0度の範囲で 2 0度以上とする。
(5) 衛星間通信と軌道の関係は， 衛星間通信ネッ トワークの制御を簡単化する ためシームのない傾斜軌道と 2 7Γコンステレ一ションの組み合わせを用い， 2 π コンステレ一シヨンで衛星間通信の距離を考慮し， 衛星間通信距離を 5 0 0 0 Κ m以内とする。
これらの諸条件を考慮して， 上記文献の次世代 L E 0システムとして提案され ている軌道パラメータは次のように設定されている。
総衛星数 1 2 0個
軌道面数 1 0面
同一軌道面内の衛星数 1 2個
衛星の軌道高度 1 , 2 0 0 K m
軌道離心率 0 ：円軌道
衛星軌道周期 1 0 9 . 4分
各軌道面の軌道傾斜角 5 5度
隣接軌道面の昇交点赤経角度差 3 6度
隣接軌道面の衛星の中心角位相差 3度
また， 軌道面間隣接衛星の相対方向は， 衛星の Y a w軸方向を仰角で直下方向 ， R o 1 1軸方向を方位角 0度方向として表すと， 方位角で一 5 5〜十 5 5度， 仰角で— 1 1〜一 1 9度となる。 相対距離の変動範囲は 3 , 0 0 0〜5 , 0 0 0 Kmに維持される。 従って， 隣接軌道面間の衛星通信用アンテナの指向方向は方 位角方向で 1 2 0度程度， 仰角方向 （地上から衛星を見る角度） で 1 0度の制御 範囲が実現できる。
第 1 1図は提案された次世代 L E Oシステムの概念を示す。 このシステムでは 複数の低軌道衛星を用いたネットワークを構築し， 地球上の任意の地点間で携帯 型の各種端末 （携帯電話， 通信機能を持つパーソナルコンピュータ， 通信機能を 持つビデオカメラ等） とのマルチメディア通信を衛星ネッ トワーク経由で提供す る。 図中， 1 0 a l, 1 0 a 2, 1 0 b 1 , 1 0b 2……は衛星を表し， 1 1 a 1， 1 1 a 2, …， 1 1 b 1 , 1 1 b 2, …， 1 1 a b 1 , 1 1 a b 2, …は衛 星間光リンク （Optical I SL (Inter Satellite Link))を表し， 1 2は各衛星 と地球上の端末と通信を行うためのスポッ トビ一ム （Spot Beam), 1 3は地球上 の端末であり， 端末として， 携帯電話， パーソナルコンピュータ， ビデオカメラ , PDA等がある。
第 1 1図では， 複数の衛星 1 0 a 1， 1 0 a 2により軌道 aの軌道面内の衛星 を構成し， 衛星 1 0 b 1〜1 0 b 3は隣接する他の軌道 bの軌道面内の衛星を構 成し， 各軌道面の衛星はそれぞれの軌道に沿って地球上空を周回する。 各衛星は 同一軌道面内の衛星間光リンク及び隣接する軌道の衛星との軌道面間光リンクに より双方向の通信リンクが形成され， l l a l， 1 1 a 2, 1 1 a 3, 1 1 a 4 は軌道 aの軌道面内リンク， l l b l， 1 1 b 2, 1 1 b 3は軌道 bの軌道内リ ンクを構成し， l l ab l, 1 1 ab 2は軌道面間リンクである。 地球上の端末 1 3は， 一定の仰角の範囲に含まれる衛星との間で通信を行い， 他の地域の相手 端末とは相手端末と通信が可能な衛星と， 中継を行う衛星との衛星間通信リンク を介して双方向の通信を行う。
第 1 2図は提案された衛星の概略のブロック構成を示す。 衛星間の光通信を行 うための光アンテナ 20 a〜20 dが設けられ， 光 I SL接続に使用する。 すな わち， この中の 2つの光アンテナは軌道内の隣接する 2つの衛星との通信用であ り， 他の 2つの光アンテナは隣接する 2つの軌道に属する 2つの衛星との通信用 である。 この光アンテナは隣接する衛星との距離は 3000 Km〜5000 Km 程度離れており， そのために光アンテナの精密指向制御技術と光変復調技術の開 発が行われている。 具体的な例としては， 前面 1平面鏡駆動方式を改良したァク ティブユニバーサルジョイント （AUJ) 方式の光アンテナが作成されており， AUJ方式では， 前面鏡の E I方向の角度制御のために Az軸と 度傾いた回転 軸を制御する。 衛星間の光通信では 1 0 Gb p s程度の伝送が可能である。
また， 光モデム 2 1は送信光の変調， 受信光の復調を行い， セルベーススイツ チ 2 2は A TM(Asynchronous Transfer Mode), I P (Internet Protocol), M P L S (Multiprotocol Label Switching)等の各種プロトコルに対応したセルべ一 スの信号を衛星間の光 I S Lの光アンテナに対応した信号とユーザリンクの信号 との相互のスィツチングを行う機構である。 マルチポートモデム 2 3はユーザリ ンクに対応した信号形式と衛星間リンクの信号形式との相互変換を行う機構であ り， ディジタル · ビーム · フォーミング回路 2 4は， アンテナ高周波 （R F ) 回 路 2 5からの信号をマルチポ一トモデム 2 3へ変換し， マルチポートモデム 2 3 からの信号を個別のユーザへの信号に変換する回路である。 また， アンテナ -高 周波回路 2 5は， 地上の個別の地点の端末に対しアンテナから地上固定走查スポ ットビームを送信すると共に端末から送信した高周波信号を受信したアンテナか らの信号を受信する。 第 1 3図は次世代低軌道システムとして提案された軌道パ ラメ一夕による衛星配置と衛星間通信接続構成である。 第 1 3図の Aは同一軌道 面内衛星間通信 （Intra-Plane I S L ( Inter Sateli te Link)) の構成を示し， 第 1 3図の Bは衛星配置と隣接軌道間衛星間通信 （Inter- Plane I S L ) の構成 を示す。
両図において， 黒点は衛星を表し， 縦軸は緯度 （Latitude(deg. )で表示） を表 し， この例では北緯 6 0〜南緯 6 0 (一 6 0 ) の範囲で衛星が周回していること を表し， 横軸は経度 aongitude(deg. ) で表示） を表し， 0 , 6 0， 9 0 , - 3 3 0， 0 , の各経度 （東経， 西経ではなく， 0〜3 6 0度で表す） に対応する数 字が示されている。
図 1 3の Aの場合， 一つ衛星軌道面は一定の軌道傾斜角を持った軌道上の 1 2 個の衛星により構成され， このような衛星軌道面が経度上に一定間隔をおいて 1 0個配置されている。 各衛星軌道面上の 1 2個の衛星は点線で示すように隣接衛 星間が双方向の通信を行うためのリンクにより順番に接続されてリング状のネッ トワークを構成する。 第 1 3図の Bは隣接軌道間衛星間の通信構成を示し， 各衛 星は隣接する両方の衛星軌道面の衛星と一定の位相差があり （軌道面間衛星中心 角位相差は 3度： 3 6 0度/ 1 2 0 (全衛星数） = 3度に基づく） ， 隣接する軌 道面の衛星を順次接続すると， らせん型の接続となって， 地球を複数回巡る経路 により， 全衛星 （ 1 2 X 1 0 = 1 2 0 ) がリング状に接続されている。 上記第 1 3図の Aのネッ トワークにより同一軌道面内の衛星間の通信が形成さ れ， 第 1 3図の Bのネッ トワークにより隣接軌道間衛星間の通信が形成され， こ れらの両方のネッ トワークにより全ての衛星間での通信が形成されるが， このよ うな通信ネットワークをマンハッタンストリートネットワークと呼ばれる。 第 1 4図はコンステレ一シヨンを構成する衛星間距離を示す。 衛星コンステレ一シ ョンにおいて， 衛星の衝突を避けるために衛星の位相角パラメ一夕 Fを適切に選 定する必要があり， 次世代低軌道衛星システムの軌道面数 （P = l 0 ) 及び軌道 面内衛星数 （S = l 2 ) では， 軌道面間の位相差を 0にすると赤道道上で交差す る軌道面の衛星が衝突する可能性がある。 第 1 4図の Aに衛星周回における他衛 星との相対距離変動を示す。 軌道位相 0度と 1 8 0度のところで， 昇交点経度が 1 8 0度異なる軌道面の衛星と接近する。 また， ここに示すように軌道位相 3 0 ， 1 5 0 , 2 1 0及び 3 3 0度のところでも他の衛星に接近している力 この接 近は軌道傾斜角を変更することで避けることができる。
また， 第 1 4図の Bはコンステレ一シヨンを構成する衛星間距離を示す。 これ は， F = 1 とした場合の衛星間距離を示す。 この場合， 1 2 0個の衛星が数 1 0 0 k m以下に接近することはなく安全である。
一方， 衛星通信システムの技術において， 動的な衛星配列を備え， 軌道面を移 動する多数の低軌道衛星を含み， 各衛星はそれぞれ独立して自主的に隣接する衛 星の位置を識別してスィツチを行うと共に地上からの制御を受けることなく独立 に通信量を操作する機能を備え， 更に各衛星は携帯可能， 移動可能なユーザ及び 固定無線端末及びスィツチできる公衆電話ネットワークのユーザへゲートウェイ を介して直接呼を搬送することができ， 配列された衛星間の直接通信を提供し， 軽量で携帯型の電話機を使用した個別の通信を提供する技術が， W O 9 3 / 0 9 6 1 3号公報に開示されている。 発明の開示
上記第 1 3図の A及び Bに示す従来の周回衛星によるマンハッタンストリー ト通信ネットワークによると， 南北に分布するエリア （地域） に位置するユーザ 間の通信を行う場合， 上記第 1 3図に示すように南北のエリアの一方に属する地 上のユーザ端末からの信号は， そのエリアの上空の衛星と通信が行われ， その衛 星は少しずつ上方 （北方向） または下方 （南方向） にらせん型の衛星軌道面の軌 道内の通信を介し， 南北のェリァの他方のェリアに属する相手ユーザ端末と通信 を行う他の衛星軌道面の何れかの衛星と軌道面間通信により通信を行う必要があ るので， その経路選択の制御が複雑になるという問題があり， 伝送距離も長くな るため伝送遅延が大きいという問題もある。
本発明は上記の問題を解決し， 南北に分布するエリアに位置するユーザ間の通 信リンクの形成を簡単に実現すると共に遅延時間を少なくすることができる低軌 道周回衛星によるマンハッタンストリ一トネットワークの構成方法を提供するこ とを目的とする。
本発明は， 衛星軌道面数 （P ) と軌道内の衛星数 （S ) 及び位相差係数 （F ) のパラメ一夕について， 接近， 衝突を防止する条件に適合するパラメ一タを用い
， P個の衛星軌道面は同じ軌道傾斜角を備え， その角度はサービスエリアの最大 緯度に対応して変化し， 4 5度〜 7 0度の範囲であり， 仰角についても接近， 衝 突を回避する数値を備え， 軌道面間の回線接続は， 各軌道面内の衛星に南端から 北端へ順番に 1 , 2 , ……と番号を付与した場合， 軌道面上の n番目の衛星を東 側に隣接する軌道面上の n— 1番目の衛星に順に回線接続することでリング接続 を形成し， 全ての軌道面のそれぞれを構成する各衛星について順番に回線接続を 行うことで， 地球上のほぼ同じ柽度の南北のェリアを 8の字型で結ぶリング接続 が衛星軌道面の個数分形成することを原理とする。
第 1図は本発明による衛星軌道面間の衛星接続の構成例である。 図中， 縦軸は 地球の緯度， 横軸は地球の経度を表し， 黒丸は衛星， 黒丸の間を接続する実線は 衛星軌道面間の双方向の回線接続を表し， 3— 1〜3— 1 1は本発明により衛星 軌道面間の衛星接続により形成される複数の 8の字型のネッ トヮ一ク， F— 1 1 ， G - 1 0 , H— 9， ……， D - 2 , E - 1は 8の字型のネッ トヮ一ク 3— 1 1 を構成する衛星を表す。
第 1図の構成例は， 衛星軌道面数 P = l 1， 軌道面内衛星数 S = l 1， 位相差 係数 F = 0の場合である。 P個 （ 1 1個） の各衛星は低軌道周回型であり， 同一 軌道面内の複数 （S = l 1 ) の衛星を順番に接続する軌道内のリング接続のネッ トワークが形成されるが （第 1図では省略） ， 第 1図に示すような衛星軌道面間 を接続するネットワークが同時に形成され， 第 2図に衛星軌道面間の回線接続の 論理構造を示す。
衛星軌道面間の回線接続は， P個 （ 1 1個） の衛星軌道上の各衛星 （S = l 1 個） はその位置 （n ) に対し， 右側に隣接する軌道 （東側に隣接する軌道） の 1 段下の位置 （n— 1 ) の衛星に接続し， その衛星から更に右側に隣接する衛星軌 道上の 1段下の位置に接続して， 以下順番に同様の接続をして最後に同じ元の衛 星に戻って， 8の字型のリング接続のネットワークが ^の軌道面内の衛星の個 数分 （S個） 形成される。 第 1図には， 1 1個の衛星軌道面に対して A, B , C ， …， J , Kと符号が付けられ （第 2図参照） ， 各衛星軌道面内の衛星に対して ある時点における同一軌道内の南北方向の一方の端に位置する衛星に番号 1を付 与し， 他方の端に位置する衛星に番号 1 1が付与された場合 （第 2図を参照する と各番号が丸の中の 1〜1 1の番号で示す） の， 衛星軌道面間の衛星接続の 8の 字型のネッ トワークを示す。
第 1図の 8の字型ネッ トワーク 3— 1 1は， 衛星 F— 1 1 (衛星軌道面 Fの 1 1番の衛星） から衛星 G— 1 0 (衛星軌道面 Gの 1 0番の衛星） へ接続し， 更に 衛星 H - 9， 衛星 1— 8， 衛星 J一 7， 衛星 K一 6， 衛星 A— 5 , 衛星 B - 4 , 衛星 C— 3， 衛星 D - 2， 衛星 E— 1 と順次接続されて地球を一回りし， 衛星 E - 1から衛星 F— 1 1に接続してリング接続が形成される。 他の 8の字型ネッ ト ワーク 3— 1〜3— 1 0についても同様の原理で形成される。
このように， 8の字型のリング接続により， 南北のエリアの端末間での通信を 簡単に構成することができる。
なお， 各衛星には同一軌道内の隣接する衛星との双方向の通信と， 隣接する軌 道の衛星との双方向の通信及び地上の端末との双方向の通信の機能を備えると共 に， 衛星から及び衛星への信号， 端末から及び端末への信号のスイッチング機能 や変復調の機能を備えている。
第 2図は第 1図の構成例における衛星間通信回線の論理構造を示す。 図中， A 〜Kは 1 1個の衛星軌道であり， 各軌道内の 1 1個の衛星が〇の中の数字 1〜 1 1で表される。 第 2図では， 衛星軌道 Fの最上段 （北端） の 1 1番の衛星につい ての衛星間のリング接続だけ太線により表示し， 他の衛星についての軌道間接続 及び各衛星軌道内のリング接続 （垂直方向） も示されている。 この第 2図では各 衛星軌道が垂直方向に描かれているが， 実際には各衛星軌道は， 上記第 1 1図 （ 従来例の図） に示すように軌道傾斜角だけ傾いているため， 軌道間を接続するリ ングは上記第 1図に示すように南北間を結ぶ 8の字型になる。 図面の簡単な説明
第 1図は本発明による衛星軌道面間の衛星接続の構成例を示す図である。
第 2図は第 1図の構成例における衛星間通信回線の論理構造を示す図である。 第 3図は軌道面間衛星間接続が n→n - 1の場合の配列を示す図である。
第 4図は P > Sの場合の軌道面間接続構成を示す図である。
第 5図は Pく Sの場合の軌道面間接続構成を示す図である。
第 6図はマンハッタンストリートネッ トワークとなる P， S , Fの組合せの例 を示す図である。
第 7図は衛星の接近， 衝突のないマンハッタンストリートネッ トワーク構造と なる各パラメータの組合せの例を示す図である。
第 8図は軌道面間衛星間接続構成 （P = 1 1， S = 1 2 , F =— 1の場合） を 示す図である。
第 9図は軌道面間衛星間接続構成 （P = 9， S = 1 1 , F =— 2の場合） を示 す図である。
第 1 0図は衛星コンステレーシヨンの種類を示す図である。
第 1 1図は提案された次世代 L E Oシステムの概念を示す図である。
第 1 2図は提案された衛星の概略のプロック構成を示す図である。
第 1 3図は次世代低軌道システムとして提案された軌道パラメ一夕による衛星 配置と衛星間通信接続構成を示す図である。
第 1 4図はコンステレーシヨンを構成する衛星間距離を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
第 3図は軌道面間衛星間接続が n→n - 1の場合の配列を示す。 図中， Pは軌 道面数， Sは軌道面内衛星数， Fは位相差係数 （3 6 0度 Z (PXS) を単位と する整数） とすると， 縦を同一軌道面内の衛星の列， 横方向に軌道面間接続の衛 星を配置し， 軌道面間接続経路は第 3図のようになる。 図中， jは 0, …， P— 1の数である軌道面の番号を表し， kは 0， …， S— 1の数である軌道面内衛星 の番号を表す。 なお， 第 3図の配列は， 一 P/2 <F<PZ2という条件の場合 でめ 。
第 3図について斜め方向の接続配置を横方向に整列して書き直すと， 第 4図及 ぴ第 5図のような配置となる。
第 4図は P > Sの場合の軌道面間接続構成を示す。 第 4図の縦方向に配置され た （0， S— 1 ) 〜 （0, 0) ， （ 1， S— 2) 〜 （ 1, S_ l ) ， …… , ( P - 1 , 2 S— P) 〜 （P— 1， 2 S— P+ 1 ) は， それぞれし 2， 〜Pの番号 が付与された P個の各衛星軌道面のそれぞれを構成する衛星軌道面内の S個の衛 星を表し， 全体は PxS個の衛星で構成される。 第 4図の軌道面 Pの衛星は， 右 端に示す衛星番号に相当する軌道面 1の衛星に接続される。 一方， 逆に軌道面 1 の衛星は， 左端に示す衛星番号に相当する軌道面 Pの衛星に接続されることも示 す。
第 5図は P<Sの場合の軌道面間接続構成を示す。 この場合も， 上記第 4図と 同様に図の右端の各衛星は左端の縦方向に配列された各衛星の同じ番号と接続さ
¾しる
上記第 4図， 第 5図において， 衛星軌道面数を P， 軌道面内衛星数を S, 位相 差係数を F, というパラメ一夕を用いて， マンハッタンストリートネッ トワーク 構造となる条件は， 右端と左端が同じ行に接続されることになるので， 第 4図， 第 5図の （k + 1 ) 行に着目すると， 双方とも次の式になる。
(0, mod(S— P + k + F， S) ) =k
従って， S— P + k + Fく Sの条件では，
S— P + k + F二 kであるため， S— P + F= 0となる。
なお， S = Pの場合はマンハッタンストリ一ト構造となることは第 2図に示す 通り明らかであるので， 任意の P, Sについて上記の式が適用できる。
第 6図はマンハッタンストリートネッ トワークとなる P, S, Fの組合せの例 を示す。
この第 6図の組合せにおいても， パラメ一夕の組合せによって， 衛星が接近， 衝突する条件があり， 以下のようになる。
衛星赤道と交差する点で他の軌道面の衛星と接近する条件は， （1)，（2) のよう になる。
(1) 軌道面数 Pが奇数の場合， 昇交点経度が 1 80度異なる軌道面が存在しな いので軌道位置 1 80度での衛星接近はない。
(2) 軌道面数 Pが遇数の場合， 昇交点経度が 1 80度異なる軌道面が存在する ので，
a. 軌道面内衛星数 Sが奇数で Fが奇数の時， 接近条件となる。
b. 軌道面内衛星数 Sが偶数で Fが偶数の時， 接近条件となる。
すなわち， 第 6図において， Pが偶数の場合は全ての Fで衛星衝突の可能性が あるため， このパラメータを使用することはできない。 この結果， 衛星の接近， 衝突のないマンハッタンストリートネッ トワーク構造となる各パラメ一夕の組合 せの例は第 7図に示される。
第 7図に示すように， 軌道面数 Pが偶数の条件では成立しないので， マンハツ タンストリートネッ トヮ―ク構造で， 衛星軌道面の数 Pが奇数 （7, 9, 1 1， 1 3) に対し， 軌道面内の衛星数 Sの各数 （6〜1 3) について， Fの値として 図に示す各値を用いることで衝突を避けることができる。
上記第 1図に示す構成例は， P= l l， S= 1 1 , F=0の場合に相当する。 第 8図は軌道面間衛星間接続構成 （P= 1 1， S= l 2, F =— lの場合） を 示し， 軌道傾斜角 1 = 57. 9度である。 第 8図の Aは同一軌道面内衛星間接続 の場合であり， 軌道傾斜角を持つ 1 1個のリング接続が形成される。 第 8図の B は nを各衛星軌道面内の衛星番号とすると， 隣接軌道面間衛星間接続 （n→n— 1) であり， 本発明により緯度方向に 1 1衛星で構成される 8の字型のリング接 続が経度方向に 1 2個並ぶ構造となっている。 すなわち， 同一軌道面内衛星間接 続のリングと合わせて， 双方向マンハッタンストリートネットワーク構造となる 第 9図は軌道面間衛星間接続構成 （P= 9, S= 1 1, F =—2の場合） を示 し， 軌道傾斜角 1 = 5 4 . 9度である。 第 9図の Aは同一軌道面内衛星間接続を 示し， 9つの軌道面内のリング接続が形成される。 第 9図の Bは隣接軌道面間接 続構成であり， 緯度方向に 9衛星で構成される 8の字型のリング接続が経度方向 に 1 1個ならぶ構造となっている。 これらの Aに示す同一軌道内衛星間接続と， Bに示す隣接軌道面間衛星間接続 （n→n - 1接続） を示す。
上記第 1図， 第 8図及び第 9図に示す本発明による隣接軌道面間の衛星間を 8 の字型のリング接続を用い， 各軌道面内のリング接繞との組合せによりマンハツ タンストリートネッ トワーク構造が実現される。 具体的に各衛星は， 同一軌道面 内の隣接する衛星及び両隣の隣接軌道面の上記 8の字型のリングを形成する 2つ の衛星との光リンクにより双方向の通信リンクが形成され, 衛星間の通信及び地 上の端末との通信接続が実行される。 産業上の利用可能性
本発明によれば， 地球上の同じ経度の範囲に含まれる南北のエリアの間の通信 が短いルートで形成することができ， 接続のための制御を簡単化でき， 伝送の遅 延時間を減少することができ， 携帯端末等の音声， 画像， データ等のマルチメデ ィァの南北のェリァ間で効率的に提供することが可能となる。

Claims

請求の範囲
1. 低軌道衛星によるマンハッタンストリートネットワークの構成方法であつ て，
地球上空を周回する複数 （S) 個の衛星を一定間隔をおいて順次リング状に配 置した衛星軌道面を， 衛星間で衝突が発生しない所定の軌道傾斜角を持って経度 方向に一定の間隔を置いて複数 （P) 個配置し，
衛星軌道面の各衛星は， 先行する隣接衛星軌道面の各衛星に対して位相差 （F ： 360度 Z (PXS) を単位とする整数） を持って配置し，
各衛星は， 同一衛星軌道面を構成する隣接する衛星間を双方向で通信する光リ ンクにより順次接続したリング状のネットワークを構成すると共に， 各衛星は， 東側に隣接する衛星軌道面の衛星との軌道面間接続において， 自衛星軌道面内の 衛星番号 （n) より 1少ない衛星番号 （n - 1) の衛星と双方向で通信する光リ ンクで接続して 8の字型のリング状のネットワークを S個形成し，
前記各衛星軌道面内のネットワークと前記各衛星軌道面間のネットワークとに よりマンハッタンスト.リ一トネッ トワークを構成することを特徴とする低軌道衛 星によるマンハッタンストリ一トネッ トワークの構成方法。
2. 請求の範囲第 1項の記載において，
衛星の接近，衝突を避けるため前記衛星軌道面の数 （P) と前記軌道面内衛星 の数 （S) について，
P = 2 n+ 1 (nは自然数）
S-P + F= 0
の条件を満たす位相差係数 （F) を使用することを特徴とする低軌道衛星による マンハッタンストリートネッ トワークの構成方法。
3. 請求の範囲第 1項の記載において，
前記軌道傾斜角は 45度〜 70度の範囲とすることを特徴とする低軌道衛星に よるマンハッタンストリートネッ トワークの構成方法。
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