(57)【要約】  複数の衛星によるスペクトルの再使用によってキャパシティを増大させるための、衛星通信システムが開示される。このシステムは、同期軌道を移動する衛星のコンステレーションを備え、この同期軌道によって衛星トラックが定められる。コンステレーションの衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップする。並べて配置されたコンステレーション及び旧式衛星の間での干渉を防止するため、コンステレーション衛星のそれぞれは、旧式衛星と通信する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際にサイレントモードで作動する。干渉ビーム幅の外側では、コンステレーションの衛星は、アクティブモードでの運転に復帰する。【選択図】  図１
2009517973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期軌道を移動する複数の衛星を含んで構成され、
前記同期軌道によって衛星トラックが定められ、
前記衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップし、
前記複数の衛星のそれぞれは、前記旧式衛星と通信する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際にサイレントモードで作動し、前記地上ターミナルの前記干渉ビーム幅の外側を移動する際にアクティブモードで作動する衛星コンステレーション。
【請求項２】
前記複数の衛星のそれぞれは、前記地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第１の緯線方向に移動する際に第１のアクティブモードで作動する一方、前記地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第２の緯線方向に移動する際に第２のアクティブモードで作動し、
前記第１の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して最小のスペーシングを維持し、
前記第２の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して前記最小のスペーシングを維持する請求項１に記載の衛星コンステレーション。
【請求項３】
前記最小のスペーシングは、隣り合う衛星同士の間での干渉を防止するのに必要なスペーシングである請求項２に記載の衛星コンステレーション。
【請求項４】
前記衛星トラックは、衛星トラックの緯線方向の行程がその経線方向の行程よりも大きい縦長の衛星トラックである請求項１に記載の衛星コンステレーション。
【請求項５】
前記複数の衛星及び旧式衛星は、共通の周波数バンドのオーバーラップ部分を使用する請求項１に記載の衛星コンステレーション。
【請求項６】
前記複数の衛星は、前記サイレントモードで作動する場合に、前記共通の周波数バンドのうち前記オーバーラップ部分での通信信号の送信を停止する請求項５に記載の衛星コンステレーション。
【請求項７】
前記複数の衛星は、前記サイレントモードで作動する場合に、全ての通信信号の送信を停止する請求項１に記載の衛星コンステレーション。
【請求項８】
同期軌道を移動する複数の衛星と、
前記複数の衛星のうち少なくとも１つと通信するための第１の地上ターミナルと、
を含んで構成され、
前記同期軌道によって衛星トラックが定められ、
前記衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップし、
前記複数の衛星のそれぞれは、前記旧式衛星と通信する第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際にサイレントモードで作動し、前記第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際にアクティブモードで作動する衛星通信システム。
【請求項９】
前記複数の衛星のそれぞれは、前記第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第１の緯線方向に移動する際に第１のアクティブモードで作動する一方、前記地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第２の緯線方向に移動する際に第２のアクティブモードで作動し、
前記第１の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して最小のスペーシングを維持し、
前記第２の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して前記最小のスペーシングを維持する請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１０】
前記最小のスペーシングは、隣り合う衛星同士の間での干渉を防止するのに必要なスペーシングである請求項９に記載の衛星通信システム。
【請求項１１】
前記衛星トラックは、衛星トラックの緯線方向の行程がその経線方向の行程よりも大きい縦長の衛星トラックである請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１２】
前記第１の地上ターミナルは、前記複数の衛星に対してビームを選択的に向けるためのアンテナシステムを含んで構成される請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１３】
前記アンテナシステムは、前記複数の衛星に対して選択的にヌル点を向ける請求項１２に記載の衛星通信システム。
【請求項１４】
前記アンテナシステムは、前記旧式衛星に対して選択的にヌル点を向ける請求項１３に記載の衛星通信システム。
【請求項１５】
前記第１の地上ターミナルは、前記旧式衛生と通信可能である請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１６】
前記複数の衛星及び旧式衛星は、共通の周波数バンドのオーバーラップ部分を使用する請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１７】
前記複数の衛星は、前記サイレントモードで作動する場合に、前記共通の周波数バンドのうち前記オーバーラップ部分での通信信号の送信を停止する請求項１６に記載の衛星通信システム。
【請求項１８】
前記複数の衛星は、前記サイレントモードで作動する場合に、全ての通信信号の送信を停止する請求項８に記載の衛星通信システム。
【請求項１９】
同期軌道を移動する複数の衛星と、
静止軌道を移動する旧式衛星と、
前記複数の衛星及び旧式衛星のうち少なくとも１つと通信するための第１の地上ターミナルと、
を含んで構成され、
前記同期軌道によって衛星トラックが定められ、
前記衛星トラックは、前記旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップし、
前記複数の衛星のそれぞれは、前記旧式衛星と通信する第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際にサイレントモードで作動し、前記第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際にアクティブモードで作動する衛星通信システム。
【請求項２０】
前記複数の衛星のそれぞれは、前記第２の地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第１の緯線方向に移動する際に第１のアクティブモードで作動する一方、前記地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側で前記衛星トラック上を第２の緯線方向に移動する際に第２のアクティブモードで作動し、
前記第１の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して最小のスペーシングを維持し、
前記第２の緯線方向に移動する衛星は、互いに対して前記最小のスペーシングを維持する請求項１９に記載の衛星通信システム。
【請求項２１】
前記最小のスペーシングは、隣り合う衛星同士の間での干渉を防止するのに必要なスペーシングである請求項２０に記載の衛星通信システム。
【請求項２２】
前記衛星トラックは、衛星トラックの緯線方向の行程がその経線方向の行程よりも大きい縦長の衛星トラックである請求項２１に記載の衛星通信システム。
【請求項２３】
前記第１の地上ターミナルは、前記複数の衛星及び旧式衛星に対してビームを選択的に向けるためのアンテナシステムを含んで構成される請求項１９に記載の衛星通信システム。
【請求項２４】
前記アンテナシステムは、前記複数の衛星及び旧式衛星に対して選択的にヌル点を向ける請求項２３に記載の衛星通信システム。
【請求項２５】
前記複数の衛星は、共通の周波数バンドのオーバーラップ部分を使用する請求項１９に記載の衛星通信システム。
【請求項２６】
前記複数の衛星は、前記サイレントモードで作動する場合に、前記共通の周波数バンドのうちオーバーラップ部分での通信信号の送信を停止する請求項２５に記載の衛星通信システム。
【請求項２７】
前記複数の衛星は、前記サンレントモードで作動する場合に、全ての通信信号の送信を停止する請求項１９に記載の衛星通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星通信システムに関し、詳細には、周波数スペクトルの再使用が促される同期衛星コンステレーションを用いた衛星通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星は、現代の通信システムにおいて重要な役割を果たしている。テレホンコール及びテレビプログラム等の一般的な通信が衛星通信システムによって送信及び受信されている。通信衛星は、地球の周りの静止軌道に配置されるのが一般的である。しかしながら、限られた周波数スペクトル及び不充分な軌道位置が衛星通信システムの拡張を妨げている。この問題は、北アメリカ及びヨーロッパ等の地域において特に深刻である。
【０００３】
衛星にスペーシングが必要とされるため、静止軌道位置の数が制限される。周波数スペクトルのうち共通の部分を用いる衛星は、隣り合う衛星との干渉を回避するのに充分な間隔を空けて配置されなければならない。一般的には、この間隔は、地球の中心から計測した角間隔の大きさによって規定される。例えば、固定放送衛星（ＤＢＳ）では、隣り合う衛星間に少なくとも９度の角間隔が必要とされるのが一般的であり、固定衛星サービス（ＦＳＳ）では、一般的に少なくとも２度の角間隔が必要とされる。必要とされるスペーシングが拡大されるのに伴って、利用可能な軌道位置の数が減少する。北アメリカ及びヨーロッパ等の高需要地域では、不充分な数しかない有効静止軌道位置を将来の通信ニーズに適合させる必要がある。
【０００４】
有効軌道位置が衛星で満たされるようになると、衛星による使用のために割り当てられる周波数スペクトルの量が衛星通信の拡張を制限する第２の要因となる。国際電気通信連合（ＩＴＵ）は、周波数スペクトルの一部を衛星通信での使用に割り当てている。衛星通信システムは、現在では周波数スペクトルのうちＣバンド、Ｋｕバンド及び／又はＫａバンドを使用している。衛星によって送信及び／又は受信されるデータの量は、これらの周波数バンドによって定められるバンド幅に制限される。有効バンド幅が使用された後では、追加の通信キャパシティを提供するために他の解決法が案出されなければならない。
【０００５】
オペレータが既存の通信システムを新しいものと取り替えたいと願うようになると、他の問題が生じる。一般的には、運転を完全に停止して既存の全ての設備を新たな通信システムに交換又は修正することは、オペレータによってとり得る選択ではない。例えば、ＤＢＳシステムでの切り換えでは、全ての顧客は、受信設備を更新して新しいシステムとの互換性を持たせなければならなくなる。顧客によっては、オペレータが望む時間枠内に設備を更新するのに消極的であったり、又はこれができない状態にあるかもしれない。従って、いかなる新たな通信システムも、オペレータにとっての円滑な移行パスを提供し得るものでなければならない。
【０００６】
よって、衛星通信システムについては、将来の通信ニーズに適合する充分なキャパシティを提供し得るものであることが望まれる。そのようなシステムは、有効軌道位置及び割り当てられた周波数スペクトルによって課される制限を考慮して、追加の通信キャパシティを提供し得るものでなければならない。システムは、新たな通信システムへの移行の際に生じる、起こり得る困難に対応したものであることも必要である。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、典型的な静止衛星通信システムに見られる上記の問題を考慮した同期衛星通信システムに関するものである。本システムは、１以上の地上ターミナルと通信する衛星の同期コンステレーションを備える。この衛星の同期軌道は、静止軌道を移動する旧式衛星（ｌｅｇａｃｙ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）が占める静止軌道位置とオーバーラップする衛星トラックを定める。衛星コンステレーションと旧式衛星との干渉を避けるため、コンステレーションの各衛星は、旧式衛星に対する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際にサイレントモードで作動し、この地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際にアクティブモードで作動する。
【０００８】
一形態によれば、本発明は、衛星トラックを定める同期軌道を移動する複数の衛星を有する衛星コンステレーションに関するものである。この衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップする。複数の衛星のそれぞれが旧式衛星に対する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際に、衛星は、サイレントモードで作動する。複数の衛星のそれぞれがこの地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際に、衛星は、アクティブモードで作動する。
【０００９】
他の形態によれば、本発明は、衛星トラックを定める同期軌道を移動する複数の衛星と、これらの衛星のうち少なくとも１つと通信するための第１の地上ターミナルとを備える衛星通信システムに関する。衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップする。複数の衛星のそれぞれが旧式衛星に対する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際に、衛星は、サイレントモードで作動する。複数の衛星のそれぞれがこの地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際に、衛星は、アクティブモードで作動する。
【００１０】
別の形態によれば、本発明は、衛星トラックを定める同期軌道を移動する複数の衛星と、静止軌道を移動する旧式衛星とを備える衛星通信システムに関する。これら複数の衛星及び旧式衛星のうち少なくとも１つと通信するために第１の地上ターミナルが設けられる。複数の衛星の衛星トラックは、静止軌道を移動する旧式衛星が占める静止軌道位置とオーバーラップする。複数の衛星のそれぞれが旧式衛星に対する地上ターミナルの干渉ビーム幅内を移動する際に、衛星は、サイレントモードで作動する。複数の衛星のそれぞれがこの地上ターミナルの干渉ビーム幅の外側を移動する際に、衛星は、アクティブモードで作動する。
【００１１】
本発明の上記の概要は、本発明の本質が速やかに理解され得るように提供したものである。本発明の好ましい実施形態のより詳細で完全な理解は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、同期軌道を航行する衛星のコンステレーションを採用することで、衛星通信システムのデータキャパシティを改善するものである。本発明は、衛星間の空間分離及び信号分離を組み合わせることで、複数の衛星が割り当てられた周波数スペクトルを、干渉を生じさせることなく再使用することを可能とする。同期軌道は、衛星コンステレーションが単一の静止軌道位置を越えて航行する一方、近傍の静止軌道位置を航行している衛星との干渉を生じることのないように形成される。ここで、単一の静止衛星によってこれまでに得られていたデータキャパシティが、同期衛星コンステレーションを採用することによって大幅に改善される。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る衛星通信システムの基本要素を示す概略図である。この衛星通信システムは、４つの衛星１０ａ〜１０ｄと、地球の表面１２に配置された地上ターミナル１１とを備える。衛星１０ａ〜１０ｄは、同期軌道において地球を周回しており、地上ターミナル１１と通信状態にある。図１に示すシステムは、４つの衛星と１つの地上ターミナルとを備えている。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、異なる数の衛星及び地上ターミナルによって具現することも可能である。さらに、地上ターミナル１１は、地球上の定位置にあるターミナルに限らず、陸地、海上又は上空を移動可能な輸送機に組み込むことも可能である。
【００１４】
同期軌道は、地球の表面における衛星トラックを定めるものである。衛星トラックは、同期軌道にある衛星の、地球の表面から見たトラックを示す。このトラックは、衛星が同期軌道を移動する際の、地球の中心からこの衛星に伸びる線が地表と交わる位置を示す一連の点から形成される。図２は、本発明の一実施形態に係る同期衛星コンステレーションの衛星トラックを示す概略図である。
【００１５】
図２に示す衛星コンステレーションは、８つの衛星２０ａ〜２０ｄ及び２１ａ〜２１ｄを備える。衛星コンステレーションは、割り当てられたバンドの周波数スペクトルを用いて１以上の地上ターミナルと通信する。衛星通信システムが用いる特定の周波数バンドは、本発明の目的にとって重要ではないので、本発明の範囲を逸脱することなく、衛星通信に割り当てられるいかなる周波数バンドを用いることも可能である。本発明は、コンステレーション内の複数の衛星が、空間分離と信号分離との双方を用いて衛星間の干渉を防止することで、割り当てられた周波数バンドを再使用することを可能とする。
【００１６】
空間分離は、衛星間に最小のスペーシングを要求することによって干渉を防止する。上記のように、このスペーシングは、角間隔の大きさとして計測されるのが一般的であり、衛星通信システムの技術に応じて変化する。衛星トラック２２の北−南方向面において、本発明は、空間分離を用いることによって共通の緯線方向に移動する衛星間の干渉を防止する。具体的には、衛星トラック２２上を北へ移動する全ての衛星は、互いに最小のスペーシングを保って離間しており、衛星トラック２２上を南へ移動する全ての衛星は、互いに最小のスペーシングを保って離間している。図２によると、衛星２０ａ〜２０ｄがいずれも衛星トラック２２上を北へ移動し、かつ互いに最小のスペーシングを保って離間している。同様に、衛星２１ａ〜２１ｄがいずれも衛星トラック２２上を南へ移動し、かつ互いに最小のスペーシングを保って離間している。このような空間分離を採用することで、衛星２０ａ〜２０ｄのそれぞれは、互いに干渉することなく、地上ターミナルとの通信のための周波数スペクトルの共通部分を再使用する。同様に、衛星２１ａ〜２１ｄのそれぞれは、互いに干渉することなく、地上ターミナルとの通信のために割り当てられた周波数スペクトルの共通部分を再使用する。
【００１７】
衛星トラック２２の北−南方向、即ち緯線方向の行程は、ＮＳを付したディメンジョンによって示されている。本発明に用いられる衛星トラックの緯線方向の行程は、上記の衛星間の最小の空間分離を可能とするのに充分に長い。従って、一般的には、より多くの数の衛星を有する衛星コンステレーションは、少ない数の衛星を有する衛星コンステレーションに用いられるものよりも、衛星トラックの緯線方向の行程が長い。衛星トラックの緯線方向の行程は、傾斜及び偏心率等、対応する同期軌道のパラメータを変更することによって制御される。
【００１８】
衛星間における、衛星トラック２２の東−西方向面での干渉を防止するため、本発明は、信号分離を採用する。本発明の一実施形態では、信号分離は、割り当てられた周波数バンドを２つの周波数サブバンドに分割し、異なる周波数サブバンドを異なる緯線方向に移動する衛星に割り当てることによって達成する。例えば、衛星トラック２２を北へ移動している衛星２０ａ〜２０ｄには、地上ターミナルとの通信のための第１の周波数サブバンドを使用する。これと同様に、衛星トラック２２を南へ移動している衛星２１ａ〜２１ｄには、地上ターミナルとの通信のための第２の周波数サブバンドを使用する。２つの異なる周波数サブバンドを用いることで、衛星２０ａ〜２０ｄは、衛星２１ａ〜２１ｄに対して、これら２つの衛星群の間での空間分離に拘わらず、干渉することがない。
【００１９】
衛星が衛星トラック２２の北−南方向の極に至った際の、東−西方向面での信号分離を維持するため、衛星ペイロードは、作動モードを切り換え、他方の通信用周波数サブバンドを使用する。衛星トラック２２の極点は、図２において符合Ａ及びＢを付して示されている。各衛星が点Ａ及びＢのそれぞれに至った際に、当該衛星のペイロード（ｐａｙｌｏａｄ）は、作動モードを切り換え、異なる通信用周波数サブバンドの使用を開始する。例えば、衛星２０ａが衛星トラック２２上の点Ａに至った場合に、衛星２０ａが衛星トラック２２での北への移動から南への移動に切り換わり、かつこれと同時に、衛星２０ａのペイロードが通信のための第１の周波数サブバンドの使用から第２の周波数サブバンドの使用に切り換わる。同様に、衛星２１ｄが衛星トラック２２上の点Ｂに至った場合に、衛星２１ｄが南への航行から北への航行に切り換わると同時に、衛星２１ｄのペイロードが第２の周波数サブバンドの使用から第１の周波数サブバンドの使用に切り換わる。
【００２０】
上記の構成の同期衛星通信システムを採用することで、利用可能なキャパシティが、単一の静止衛星による場合に得られるものを超えて充分に増大する。具体的には、本発明によれば、図２に示す８つの衛星の構成を採用することで、全体の有効キャパシティが４の係数で増大する。この増大は、割り当てられた周波数スペクトルの第１の部分を再使用する４つの衛星２０ａ〜２０ｄと、割り当てられた周波数スペクトルの残りの部分を再使用する他の４つの衛星２１ａ〜２１ｄとによって得られるものである。キャパシティの更なる増大は、８つよりも多い衛星を有する衛星コンステレーションを用いることによって実現可能である。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、割り当てられた周波数バンドが２つの周波数サブバンドの間で等分される。ここで、北へ航行する衛星が割り当てられた周波数バンドの半分を使用するとともに、南へ航行する衛星が割り当てられた周波数バンドの他の半分を使用する。しかしながら、本発明は、この構成に限られるものではなく、割り当てられた周波数バンドの多様な不等分によって具現することも可能である。
【００２２】
上記の実施形態において、信号分離は、割り当てられた周波数スペクトルを２つの異なる周波数サブバンドに分割することによって達成される。信号分離は、当業者に知られた他の方法を用いることによっても達成することができる。例えば、符合分割多重接続（ＣＤＭＡ）技術を採用して、信号分割を提供することが可能である。ＣＤＭＡを採用することで、北へ航行する衛星と南へ航行する衛星とに対して、互いに近接して航行する衛星に干渉を生じさせることのないように、異なる符合セットが割り当てられる。他の可能な信号分離技術には、これに限られるものではないが、直交ポラリゼーションを使用すること、及び信号伝送のための異なる時間スロットを使用することが含まれる。
【００２３】
信号分離を用いて衛星トラックの東−西方向面における干渉を防止することで、衛星トラック２２の東−西方向、即ち経線方向の行程が比較的に狭くなることが許容される。緯線方向の行程と同様に、衛星トラックの経線方向の行程は、傾斜及び偏心率等、対応する同期軌道のパラメータを変更することによって制御される。衛星トラック２２の東−西方向の行程は、図２においてＥＷを付したディメンジョンによって示されている。衛星トラック２２の形状が縦長であることは、本発明に関して以下に述べる重大な利点をもたらすものである。
【００２４】
静止軌道とは異なり、本発明の同期軌道は、地球の表面上に相対的に固定された位置を維持するものではない。衛星が同期軌道の衛星トラック上を移動する際に、衛星及び地上ターミナルの双方がそれらの各アンテナビームを制御して、通信が維持されるようにしなければならない。図３は、衛星トラック上の２点における衛星とそのアンテナビームの動きを示す概略図である。
【００２５】
図３において、衛星３０ａ及び３０ｂは、衛星トラックにおいて衛星が通過する２つの位置を表している。衛星は、衛星トラック上を移動する際に、地球の表面３２に配置された地上ターミナル３１と通信する。衛星３０ａ及び３０ｂは、サービス領域３４に配置された地上ターミナル３１との通信に際して使用されるアンテナビーム３３ａ及び３３ｂを夫々有する。アンテナビーム３３ａ及び３３ｂのパターンは、図３において点線を用いて示されている。サービス領域３４を定める範囲は、図３においてドット線を用いて示されている。図３に示す形及びパターンは、説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。当業者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく採用し得る他のビームパターン及びサービス領域の形を理解することができるであろう。
【００２６】
衛星が衛星トラックを転々とするのに従って、サービス領域３４の方向及び形が衛星に対して変化する。サービス領域３４内の全ての地上ターミナルとの通信を維持するため、アンテナビームのパターンは、サービス領域３４に亘って足跡（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）を維持する向きに操作される。本発明の追加の特徴は、アンテナビームのパターンを、これを操作することによってサービス領域３４外の隔離領域への足跡のオーバーラップが最小化し又は除去されるように適合させることである。さらに、衛星のアンテナビームのパターンを、要求のあらゆる隔離領域でのサイドローブを最小化させるように制御してもよい。衛星のアンテナパターンの操作及び適合は、当業者に知られた多くの技術及びシステムのうちいずれかを用いて実現される。例えば、位相アレーアンテナシステムを使用して、アンテナビームのパターンを電気的に操作及び適合させることが可能である。他の代替技術には、衛星上での複合ビームリフレクタアンテナ又は機械的操作アンテナを用いてサービス領域上の足跡を維持することが含まれる。
【００２７】
図４は、同期衛星コンステレーションとの通信を維持する際に地上ターミナルによって使用されるアンテナビームを示す概略図である。図４に示す衛星通信システムは、４つの衛星４０ａ〜４０ｄからなる同期衛星コンステレーションを備える。この衛星コンステレーションは、地球の表面に配置された地上ターミナル４１と通信する。衛星コンステレーションのキャパシティを充分に利用するため、地上ターミナル４１は、衛星４０ａ〜４０のそれぞれと同時に通信するための４つのアンテナビーム４３ａ〜４３ｄを有する。アンテナビーム４３ａ〜４３ｄのパターンは、図４において点線を用いて示されている。図４に示すパターンは、説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。
【００２８】
静止衛星とは違い、衛星４０ａ〜４０ｄは、地上ターミナル４１に対して衛星トラック上を移動する。通信を維持するため、アンテナビーム４３ａ〜４３ｄは、衛星４０ａ〜４０ｄの動きを夫々スキャンする、操作可能なアンテナビームである。さらに、アンテナビーム４３ａ〜４３ｄのそれぞれに関するヌル点を、コンステレーションのうち特定のアンテナビームに対して重要ではない他の１以上の衛星に向けることも可能である。このようにヌル点を向けることは、コンステレーションの衛星間の干渉を防止するための他のメカニズムを提供する。アンテナビーム及びヌル点の操作は、電気的及び機械的に操作され、適合されたアンテナシステムの双方を含め、当業者に知られた技術を用いて達成することが可能である。可能な実装には、複合ビームアンテナシステム又は位相アレーアンテナシステムを使用することが含まれる。
【００２９】
好ましい実施形態において、本発明は、対応する衛星トラックの、地上ターミナル４１が通信を維持するために北−南方向面でアンテナビーム４３ａ〜４３ｄをスキャンしさえすればよいほどに充分に狭い東−西方向の行程を提供する同期軌道を採用する。これは、東−西方向の行程をアンテナビーム４３ａ〜４３ｄの有効ビーム幅内に保つ衛星トラックを用いることによって達成される。有効ビーム幅は、特定の衛星通信システムの設計パラメータ及び技術に応じて変化する。例えば、有効ビーム幅は、３ｄＢのビーム幅、１ｄＢのビーム幅又は０．５ｄＢのビーム幅であってよい。１つの平面でスキャンしさえすればよいということは、コストを削減し、かつ信頼性を向上させるアンテナシステムを簡略化するとともに、同期衛星の動きを追うために２つの平面でのビームスキャンが必要である典型的な同期システムに比して重大な利点をもたらす。幅の狭い衛星トラックを用いることは、同期衛星コンステレーションが、近傍の軌道位置と干渉することなく、単一の静止軌道位置を占めることをも可能とする。
【００３０】
本発明の他の実施形態は、対応する衛星トラックの、アンテナビーム４３ａ〜４３ｄの有効ビーム幅を超える東−西方向の行程を提供する同期軌道を採用する。これらの実施形態では、アンテナビーム４３ａ〜４３ｄは、通信を維持するために主に北−南方向面でスキャンされ、東−西方向面でのスキャンは、小さく抑えられる。これらの実施形態は、静止軌道位置に関する要求の削減等、典型的な同期システムに比してなお利点をもたらす。さらに、東−西方向面での限られたアンテナスキャンを提供する地上局アンテナシステムは、東−西方向面と北−南方向面との双方での大規模アンテナスキャンを提供するアンテナシステムと比してより低コストである。
【００３１】
図２に示す衛星トラック及びその対応の同期軌道は、本発明に適用し得る衛星トラックの一例に過ぎない。衛星トラックの特徴が発明に関する上記の要求を満たす限りにおいて、他の衛星トラック及びその対応の同期軌道を採用して、本発明を具現することが可能である。当業者であれば、適切な同期軌道を理解し得るであろう。
本発明の他の実施形態は、アンテナビームを特定の衛星に向くように操作することで、地上ターミナル４１が衛星４０ａ〜４０ｄと選択的に通信することを可能とする。例えば、地上ターミナル４１に対して、衛星４０ｂ及び４０ｄによって送信されたデータの受信のみをさせることが可能である。ここで、地上ターミナル４１は、アンテナビーム４３ｂ及び４３ｄを向けて衛星４０ｂ及び４０ｄを夫々スキャンするとともに、アンテナビーム４３ａ及び４３ｃを停止させるか又は衛星４０ａ及び４０ｃから離すようにその向きを修正する。さらに、アンテナビーム４３ｂ及び４３ｄのヌル点を衛星４０ａ及び４０ｃに向けることも可能である。ここで、特定のサービス領域において、異なる通信キャパシティを異なる地上ターミナルに対して利用することが可能となる。
【００３２】
図５は、予備衛星を有する同期衛星コンステレーションを示す概略図である。図５に示すように、この衛星コンステレーションは、８つの衛星５０ａ〜５０ｈと予備衛星５１とを有する。衛星コンステレーションは、以上に述べた態様で衛星トラック５２上を移動する。衛星５０ａ〜５０ｈのうち１つに故障が生じると、予備衛星５１が故障した衛星の位置に移動する。この位置に入ると、予備衛星５１が起動して、コンステレーションにおいて故障した衛星と置き換わる。予備衛星５１は、衛星コンステレーションに対して、コンステレーションの各衛星について予備衛星を要求しない衛星通信システムについて望まれ、かつしばしば要求される冗長性をもたらすものである。この例では、１つの予備衛星５１のみが設けられているが、他の実施形態では、特定の用途における冗長性要件を満たすために１よりも多い予備衛星が設けられてもよい。さらに、コンステレーションの予備衛星は、予備として必要とされるまで他の通信サービスに用いることもできる。
【００３３】
図６は、本発明の他の実施形態に係る衛星通信システムの要素を示す概略図である。図１に示すシステムと同様に、図６に示す衛星通信システムは、４つの衛星６０ａ〜６０ｄと、地球の表面６２に配置された地上ターミナル６１とを備える。衛星６０ａ〜６０ｄは、同期軌道を移動し、地上ターミナル６１と通信する。本実施形態に用いる同期軌道の特徴は、以上で述べた実施形態において説明したものと同様である。以下に述べるサイレントモードの運転を除いて、衛星６０ａ〜６０ｄと地上ターミナル６１との間での通信の態様は、以上で述べた実施形態のシステムにおいて用いたものと同様である。
【００３４】
図１に示すシステムとは違い、図６のものは、旧式衛星６３及び地球の表面６２に配置された地上ターミナル６４を備える。旧式衛星６３は、静止軌道を移動するので、地上ターミナル６４に対して一定の位置を保持する。地上ターミナル６４は、旧式衛星６３との通信を維持するため、ビームパターン６５によって示されるアンテナビームをこの衛星に向ける。点線のビームパターン６５は、単純なビームパターンを表しているが、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。本発明の範囲を逸脱することなく、他のビームパターンを採用することが可能である。さらに、本発明は、図６に示す数の衛星及び地上ターミナルに限られるものではない。当業者であれば、異なる数の衛星及び地上ターミナルを備えるシステムへの本発明の適用を理解し得るであろう。
【００３５】
本発明に関する既述の実施形態では、軌道位置に配置された単一の静止衛星を使用して得られるものに比して通信キャパシティを改善するための、この軌道位置を占める同期衛星コンステレーションを採用している。しかしながら、北アメリカ及びヨーロッパ等の高需要地域の軌道位置は、既に多数の静止衛星によって占められている。図６は、同期衛星コンステレーションが静止衛星によって占められた軌道位置とオーバーラップするように配置されたシステムを示している。これを説明するため、この静止衛星を旧式衛星といい、単に本発明において用いるような同期軌道以外の典型的な静止軌道を衛星が移動していることを意味するものとする。
【００３６】
同期衛星コンステレーションと静止軌道を移動する旧式衛星とを並べて配置することで、本実施形態では、旧式衛星が占める軌道位置において本発明を適用することが可能となる。このような並べた配置は、同期衛星コンステレーションと通信するための設備が地上ターミナルに備わる時間を提供するための一時的なものであってよい。これに代えて、この配置は、２つの異なるオペレータが同一の軌道位置で運転することを可能とするために採用されてもよい。
【００３７】
本発明の一実施形態によれば、衛星６０ａ〜６０ｄ及び旧式衛星６３のいずれもが割り当てられた同一の周波数バンドのうち少なくとも一部を使用する。このような構成は、例えば、オペレータが単一の静止衛星の使用から、本発明に係る同期衛星コンステレーションの使用に移行している際に必要となる。衛星６０ａ〜６０ｄと旧式衛星６３との干渉を防止するため、同期軌道の一部において、衛星６０ａ〜６０ｄについてサイレントモードでの運転を適用する。以下に、サイレントモードでの運転について、図７を参照して説明する。
【００３８】
図７に示すシステムは、同期軌道を移動する衛星７０ａ〜７０ｈを備える。この同期軌道は、衛星トラック７２を定めるものである。旧式衛星７３は、衛星トラック７２に対する静止位置に示されている。衛星トラック７２の幅は、軌道位置のうち少なくとも一部を占める。図７に見られるように、旧式衛星７３は、衛星トラック７２がオーバーラップする軌道位置を占める。図７には、旧式衛星７３と通信する地上ターミナルの干渉ビーム幅７５が点線によって示されている。干渉ビーム幅は、周波数スペクトルの共通部分で不意の信号が作用した場合に受け入れ難いレベルの干渉を生じさせるのに充分な高さの利得レベルを有するアンテナビームの一部が、この干渉ビーム幅内に配置されることを表している。受け入れ難い干渉の閾値レベル、延いては干渉ビーム幅は、特定の衛星通信システムの設計パラメータ及び技術に応じて変化する。干渉ビーム幅は、１０ｄＢのビーム幅であることもあれば、１５ｄＢのビーム幅又は２０ｄＢのビーム幅であることもある。
【００３９】
本実施形態では、衛星７０ａ〜７０ｈは、旧式衛星７３に割り当てられたものと同一の周波数バンドのうち少なくとも一部を使用する。換言すれば、衛星７０ａ〜７０ｈによって用いられる周波数バンドは、旧式衛星７３によって用いられる周波数バンドのうち少なくとも一部とオーバーラップする。衛星７０ａ〜７０ｈが旧式衛星７３及び関連のあらゆる地上ターミナルの間での通信と干渉することを防止するため、衛星７０ａ〜７０ｈは、軌道のうち関連する地上ターミナルの干渉ビーム幅７５内にある部分において、サイレントモードで運転する。例えば、図７に示す配置において、干渉ビーム幅７５内にある衛星７０ｂ，７０ｃ及び７０ｆは、サイレントモードの運転状態にあり、干渉ビーム幅７５の外側にある衛星７０ａ，７０ｄ，７０ｅ，７０ｇ及び７０ｈは、これまでの実施形態に関して既に述べたアクティブモードの運転状態にある。
【００４０】
サイレントモードは、衛星が地球の地上ターミナルに向けられた旧式衛星と同一の周波数レンジの通信信号の送信を停止する運転モードをいう。一実施形態では、サイレントモードでの運転は、衛星からの全ての通信信号の送信を停止させる。本発明の他の実施形態では、旧式衛星と同一の周波数レンジの通信信号の送信を停止させる一方、旧式衛星の周波数レンジの外側で操作される通信信号の送信を維持することも可能である。これら他の実施形態は、衛星コンステレーションによって用いられる周波数バンド幅が旧式衛星のものと部分的にオーバーラップするに過ぎないことで、競合しない周波数のサブバンドが提供される構成において有効である。さらに、衛星コンステレーションによって用いられる周波数バンド幅は、旧式衛星によって使用されるものよりも広いことで、周波数スペクトルのオーバーラップしない部分において、競合しない周波数の１以上のサブバンドを提供することが可能である。当業者であれば、上記のサイレントモードでの運転を制御するのに使用することのできる多様な構成及びメカニズムを理解し得るであろう。
【００４１】
以上で図４を参照して述べたように、本発明に係る同期衛星コンステレーションとの通信に適合された地上ターミナルには、特定の衛星に対してアンテナビーム及び／又はヌル点を選択的に向ける機能を持たせることができる。これらの機能は、図６及び７に示す実施形態において持たせることが可能であり、図６に示す地上ターミナル６１等の地上ターミナルによって、同期衛星コンステレーションとともに軌道位置に並べて配置された静止衛星に対してアンテナビーム及び／又はヌル点を選択的に向けることができる。ここで、新たな地上ターミナルは、サイレントモードにない場合に同期衛星コンステレーションによって提供される通信キャパシティに加えて、既存の旧式衛生によって提供される既存の通信キャパシティを利用することが可能である。旧式衛星にヌル点を向ける機能によって、地上ターミナルが旧式衛星と通信する構成にない場合に、旧式衛星によって生じる干渉が抑制される。
【００４２】
図６及び７に示す実施形態は、図示の数の衛星及び地上ターミナルに限定されるものではない。他の実施形態では、本発明の範囲を逸脱することなく、異なる数の衛星及び地上ターミナルを採用することができる。
本発明は、これまでの衛星通信システムに比して大きな利点をもたらすものである。追加の周波数バンド又は複数の静止軌道位置を必要とせずに、通信キャパシティが増大される。本発明は、異なるレベルの通信キャパシティを提供する可能性を拡張するものであり、静止衛星システムによってはなし得ない衛星の冗長性に対するコスト面で有効なアプローチを提供する。さらに、本発明は、静止衛星と並べて同期衛星コンステレーションを配置することで、典型的な通信システムから本発明によって提供されるものへの円滑な移行を可能とする。
【００４３】
本発明に関する以上の詳細な説明は、本発明の好ましい実施形態の説明を意図したものである。しかしながら、以上で述べた例は、本発明の範囲を制限することを意図したものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して解釈されるべきである。本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明に関して述べた例に対して多様な修正をなし得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る衛星通信システムの基本要素を示す。
【図２】本発明の一実施形態に係る同期軌道の衛星トラックを示す。
【図３】衛星が衛星トラック上を移動する際における衛星及びそのアンテナビームの動きを示す。
【図４】同期衛星コンステレーションとの通信を維持するために地上ターミナルによって使用されるアンテナビームを示す。
【図５】予備衛星を有する同期衛星コンステレーションを示す。
【図６】本発明の一実施形態に係る衛星通信システムの基本要素を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係る同期軌道の衛星トラックを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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