(57)【要約】  ＬＥＯ衛星から発信された信号がＧＥＯを指向する地上局アンテナのビーム幅内に現れないように、ＬＥＯ衛星コンステレーションベースの通信システムにおいてＧＥＯに割り当てられた通信スペクトルを再利用するシステムと、ビームを投影するように角度が制御された前方ビーム及び後方ビームを含み得、ＧＥＯを指向する地上局アンテナとの干渉の可能性を低減又は除去する、それぞれのビーム送信を操作することによって通信を提供するように構成された衛星が開示される。本システム及びＬＥＯ衛星は、ＧＥＯ衛星又はＧＥＯ指向性地上局との調整なしに、地表のいかなる場所にも配置される地上局の実質的に１００％のカバレッジを提供し得る。本システムはまた、ＧＥＯ通信システムとＬＥＯ通信システムとの離隔を強化するように構成された地上局を提供して、ＧＥＯ指向性地上局アンテナがＬＥＯ通信をピックアップする可能性を低減し得る。【選択図】  図２
2019520729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信のための低軌道衛星コンステレーションであって、
ａ）地球周囲の極軌道内の複数の衛星を備え、
ｂ）前記衛星は、通信のための地上の実質的にすべての地点に実質的にすべての時点でカバレッジを提供するのに十分な数の軌道面に配置され、
ｃ）各軌道面内の前記衛星の数は、前記軌道面の範囲にわたって通信を提供するのに十分であり、
ｄ）各衛星は、地上局から受信し、地上局に送信するためのアンテナを有し、前記衛星アンテナは、地上の任意の地点のＧＥＯ指向性アンテナのボアサイトに下方送信することを回避するように制御され、
ｅ）前記衛星軌道面は、地球の４つの象限の周りの極軌道を規定する軌道面を含み、前記衛星は指向性制御を含み、前記第１象限における前記指向性制御は、カバレッジを最大にし、ＧＥＯ指向性アンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように衛星送信を向けるアルゴリズムに従い、
ｆ）前記衛星指向性制御は、前記衛星軌道の以前の象限で投射投射された後方指向ビームの衛星送信カバレッジをミラーリングするように前記軌道面の各象限における衛星送信カバレージを向け、
ｇ）赤道における象限間での移行は、ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように、衛星が地上に向けたその送信機をオフにすることを含み、
ｈ）衛星と地上局間の送信は、同じ地域内で通信するＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して実行される、衛星コンステレーション。
【請求項２】
任意の衛星と地上の地上波ネットワーク間のデータグラムの伝送手段は、同じ衛星の視界内に配置されたゲートウェイ局へのデータグラムの即時再送信を介するものである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
任意の衛星と地上の陸上ネットワーク間のデータグラムの伝送手段は、前記コンステレーション内の１つ又は複数の他の衛星への、次いで前記他の衛星から、任意の特定の時点で前記第１の衛星の視界内にはないゲートウェイへのクロスリンクを介するものである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記衛星は、衛星間のデータグラムの転送を切り替えるための切換手段を含み、衛星に関連する前記切換手段は、別の衛星に関連する切換手段へのデータグラムの送信をハンドオフするように構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記地上局と衛星間のデータグラムの送信に関連する前記関連地上局は、無指向性アンテナを使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記地上局と衛星間のデータグラムの送信に関連する前記関連地上局は、前記衛星コンステレーシの前記軌道面に対して北方向又は南方向の指向性アンテナを使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記アンテナは、仰角及び方位角の両方において指向性である、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記衛星は地上の全ての地点のカバレッジを提供するのに十分な数の軌道面に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
各軌道面における衛星の数は、衛星の高度及び水平仰角の最大の送信及び受信カバレッジに応じて選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記衛星指向性制御は、制御機構を備え、前記制御機構は、前記衛星の１つ又は複数のアンテナからのビームを、（１）γＥは地球の半径を表し、γＬは前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表すものとして、ＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角γについて、及びＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角βについて式：
【数８】
2019520729.tif 000010
で決定される後方ビーム角λで投射される後方方向でのビーム投射、
（２）衛星の軌道における所与の緯度位置について式：
【数９】
2019520729.tif 000011
で決定される前方ビーム角ψで投射される前方方向でのビーム投射に従って、
前記衛星のうちの１つ又は複数からのビームを衛星通信を方向付けるように制御する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記衛星からの前記投射は、前記カバレッジを最大にするように制御され、前記衛星からの前記投射は、ＧＥＯ指向性アンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように制御される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記衛星は、前記衛星の送信機を制御する制御機構を有し、前記衛星アンテナは、前記制御機構によって地上の任意の地点で前記制御機構によるＧＥＯ指向性アンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように制御され、前記制御機構は、前記送信機からの送信がＧＥＯ衛星を指向するＧＥＯ地上局アンテナのボアサイトと一致する位置で前記送信機をオフにするように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
各衛星は、ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトでの下方送信を回避するために、赤道での象限間での移行時に地上に向かって送信する前記衛星の送信機をオフにするように構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＬＥＯ衛星は通信リンクを提供し、ＧＥＯ衛星地上局のアンテナのボアサイトに接近する前記ＬＥＯ衛星コンステレーシの衛星、又は前記接近する衛星の前記軌道面内のＧＥＯ衛星ガードバンドに接近する前記ＬＥＯ衛星コンステレーシの衛星は、前記ＧＥＯ衛星のアンテナのボアサイト内にない他の前記ＬＥＯ衛星に通信をハンドオフするように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
地上局から受信し、これに送信するための前記ＬＥＯ衛星アンテナは、リアルタイムで調整可能なビームアンテナを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記衛星は、前記アンテナから投射されたビームを送信し、前記ビームは、前記軌道内の前記衛星の動きに対して前方方向及び後方方向を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記衛星は、前記アンテナから投射されたビームを送信し、前記ビームは、前方指向部及び後方指向部を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記衛星アンテナは指向性アンテナを含み、前記前方方向の前記衛星ビームは、前方ビーム角ψで投射され、前記後方方向の前記衛星ビームは、後方ビーム角λで投射され、前記衛星指向性アンテナは、ＬＥＯ衛星が緯度限界に向かって移動するにつれて前方ビーム角ψを減少させるように操作される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記衛星指向性アンテナは、前記ＬＥＯ衛星が赤道から離れて緯度限界角度に向かって移動するにつれて前記前方ビーム角ψを減少させるように操作される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記衛星指向性アンテナは、前記衛星が赤道から遠ざかるにつれて前記後方指向ビーム角λを増加させるように操作される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記衛星指向性アンテナは、前記衛星がＧＥＯ地上局のガードバンドから遠ざかるにつれて前記後方指向ビーム角λを増加させるように操作される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記衛星指向性アンテナは、前記衛星がＧＥＯ地上局のボアサイトから遠ざかるにつれて前記後方指向ビーム角λを増加させるように操作される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２３】
衛星ビームの前記衛星の通信ビームの前方部分は、前記衛星の緯度の関数として調整される前方ビーム角を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２４】
低地球軌道衛星コンステレーション通信システムであって、
ａ)地球の４つの象限をカバーする極軌道を周回する複数の低軌道衛星と、
ｂ）地上局と前記衛星コンステレーションの１つ又は複数の衛星間で信号を送受信するためのプロセッサ及び回路を含む、各衛星に設けられた通信処理装置と、を備え、
ｃ）各衛星は地上局との送受信のための少なくとも１つのアンテナを有し、
ｄ）前記アンテナは、地上の任意の地点のＧＥＯ指向性アンテナのボアサイトへの下方送信を回避するように制御可能である、システム。
【請求項２５】
前記衛星コンステレーションの前記衛星の各々は、それらそれぞれのアンテナを制御するための制御機構を有する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記制御機構は、少なくとも１つのアンテナを制御して、ＧＥＯ衛星を指向するＧＥＯ衛星地上局アンテナのボアサイトとの干渉を回避するように前記ビームを方向付ける、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記制御機構は、前方ビーム角で投射された前方方向のビームを生成し、後方ビーム角で投射された後方方向のビームを生成するように衛星の１つ又は複数のアンテナを制御する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記後方方向の前記衛星ビームは、前記衛星がその指向性軌道内で前方に移動するにつれて減少する後方ビーム角で投射される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記前方方向の前記衛星ビームは、前記衛星がその指向性軌道内で前方に移動するにつれて増大する前方ビーム角で投射される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記前方方向の前記衛星ビームは、前記衛星がその指向性軌道内で前方に移動するにつれて増大する前方ビーム角で投射される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記後方方向の前記衛星ビームは、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表すものとして、ＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角γについて、及びＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角βについて式：
【数１０】
2019520729.tif 000012
で決定される後方ビーム角λで投射される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記前方方向の前記衛星ビームは前方ビーム角ψで投射され、前記衛星軌道における所与の緯度位置について投射される前記前方ビーム角ψは、γＥは地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬは前記衛星軌道の半径を表すものとして、式：
【数１１】
2019520729.tif 000013
で決定される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３３】
前記地平線仰角は、地上局の位置から見て、前記衛星と前記衛星が通信し得る、（１）地平線と（２）前記衛星の間の最小角度からなる、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記後方方向の前記衛星ビームは、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、前記後方方向の前記衛星ビームは、式：
【数１２】
2019520729.tif 000014
で決定される後方ビーム角λで投射され、
前記前方方向の前記衛星ビーム角ψであって、前記衛星軌道における所与の緯度位置についての前記投射される前方ビーム角ψは、γＥが地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式： 
【数１３】
2019520729.tif 000015
で決定される、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記前方方向に生成される前記ビームは、複数のサブビームから構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３６】
前記後方方向に生成されるビームは、複数のサブビームからなる、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３７】
前記前方方向に生成されるビームと前記後方方向に生成されるビームの少なくとも１つは、複数のサブビームからなり、前記サブビームは、前記衛星アンテナからの前記通信ビームの投射を制御するように制御可能である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３８】
前記前方方向に生成される前記ビームは、複数のサブビームからなり、前記後方方向に生成されるビームは、複数のサブビームからなり、前記サブビームは、前記衛星アンテナからの前記通信ビームの投射を制御するように制御可能である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３９】
サブビームは、サブビームを提供する前記アンテナを配置することによって制御可能である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記前方ビーム及び前記後方ビームの少なくとも１つは、それぞれの前方ビーム又は後方ビームを含むサブビームを作動又は停止することによって制御可能である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４１】
前記前方ビームは、前記前方ビームを含むサブビームを作動又は停止することによって制御可能であり、前記後方ビームは、前記後方ビームを含むサブビームを作動又は停止させることによって制御可能である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４２】
前記衛星アンテナは、リアルタイムで調整可能なビームアンテナを含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項４３】
前記リアルタイム調整可能ビームアンテナは、フェーズドアレイアンテナを含む、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記アンテナは、特定の周波数再使用、偏波再使用、又は他の軌道要素又は地上局要素に対応するために構成されたサブビームからなるビームエンベロープを提供する、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４５】
前記アンテナは、特定の周波数再使用、偏波再使用、又は他の軌道要素又は地上局要素に対応するために構成されたサブビームからなるビームエンベロープを提供する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４６】
前記衛星コンステレーションは、前記衛星コンステレーションの少なくとも１つの衛星が常に地上の任意の地点Ｐからの視界内にあるように提供される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項４７】
前記前方方向の前記衛星ビームは、前方ビーム角ψで投射され、前記後方方向の衛星ビームは後方ビーム角λで投射され、少なくとも１つの衛星アンテナは、前記前方ビームを投射する指向性アンテナを含み、かつ前記前方ビームを投射する少なくとも１つの指向性アンテナは、前記ＬＥＯ衛星が緯度限界に向かって移動するにつれて前記前方ビーム角ψを減少するように操作され、少なくとも１つの衛星アンテナは、前記後方ビームを投射する指向性アンテナを備え、前記後方ビームを投射する少なくとも１つの衛星指向性アンテナは、前記ＬＥＯ衛星が緯度制限に向かって移動するにつれて前記後方ビーム角λを増加させるように操作される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項４８】
各指向性アンテナは、前記アンテナに信号を供給する関連する送信機を有し、各衛星は、その送信機からの送信がＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトと一致する位置で関連する送信機をオフにするように構成される、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記地上局との送受信のための少なくとも１つのアンテナが指向性アンテナを含み、前記アンテナに信号を提供する前記指向性アンテナに関連付けられた少なくとも１つの送信機があり、各衛星は、その送信機からの送信がＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトと一致する位置で前記関連する送信機をオフにするように構成される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５０】
前記衛星コンステレーションは、前記軌道面の４つのそれぞれの象限を画定する地球の４象限にわたる軌道面内にあり、赤道は、前記軌道面の象限間の遷移を画定する、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
各衛星は、ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトでの下方送信を避けるために、赤道での象限間の前記遷移時に地球に向かって送信するその送信機をオフにするように構成される、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記軌道面の第２、第３、及び第４の各象限は、前記第１象限の運用でのミラーリングであり、軌道上の前記衛星コンステレーションの衛星は、連続する象限ごとの角度ビーム投射をミラーリングする、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記衛星は、同じ地域内でＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して運用される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５４】
前記衛星は、同じ地域内でＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して運用される、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５５】
前記前方ビーム角ψ及び前記後方ビーム角λは、前記緯度限界で、ＧＥＯ地上局とＧＥＯ衛星との間の角γのベクトル周囲の所与のガードバンド角βについて前記緯度限界σの関数として決定され、前記衛星は、地域の地平線の上方の少なくともαの角度にある高度ｈの軌道にある、請求項４７に記載のシステム。
【請求項５６】
各衛星は、ハードウェアプロセッサを有するコンピュータと、前記コンピュータに前記衛星からの前記ビームを前方方向及び後方方向に操作するように命令する命令を含むソフトウェアを含み、前記命令は、前記コンピュータに、
衛星の高度及び位置座標を監視することによって前記前方ビーム角ψを決定し（ただし、前記前方ビーム角ψは、地球の中心及び前記衛星から前記衛星軌道の方向に前方に投射する衛星位置によって画定されるベクトルに対するビーム角）、
前記衛星の高度及び衛星の位置座標を監視することによって後方ビーム角λを決定し（ただし、前記後方ビーム角λは、地球の中心及び前記衛星の方向と逆方向に後方に投射する衛星位置によって画定されるベクトルに対するビーム角）、
前記衛星軌道の見通し内にあるＧＥＯ地上局の位置を特定し、かつ
カバレッジを最大にし、ＧＥＯ地上局アンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように前記前方ビーム角ψ及び後方ビーム角λを制御するよう命令することを含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項５７】
前記衛星コンステレーションの前記ＬＥＯ衛星は、地表上空の軌道平面に分散され、前記衛星コンステレーションのＬＥＯ衛星は、前記ＬＥＯ衛星とそれに隣接する衛星がそれらの間の見通し距離内にあるように前記衛星コンステレーションの隣接するＬＥＯ衛星に対して前記軌道上に分散される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５８】
前記衛星は、隣接する衛星を離間する見通し距離ｓでそれらの軌道面内で離間される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５９】
前記衛星コンステレーションの衛星間の最大見通し距離間隔は、水平線と、地上のある地点に位置する地上局と通信し得る衛星との間の最小角度によって決定される、請求項５７に記載のシステム。
【請求項６０】
隣接する衛星間の最大離間距離は、それぞれの軌道平面内のそれぞれの隣接する衛星のそれぞれの緯度位置によって画定されるベクトルの角度θ（ただし、前記角度の頂点は地球の中心である）によって決定される、請求項５９に記載のシステム
【請求項６１】
前記角度θは、式：θ＝２ＡＲＣＳＩＮ（ｓ／２γＬ）によって決定される（ただし、ｓは隣接する衛星間の離間距離であり、式：ｓ＝２γＬｓｉｎ（θ／２）で表される）、請求項６０に記載のシステム。
【請求項６２】
衛星コンステレーションの少なくとも１つの第１の軌道ＬＥＯ衛星が、信頼できる通信のために利用可能になるように、前記衛星コンステレーションからの送信を受信するＬＥＯ地上局の見通し内にあるために十分にその地域の地平線より上空にあり、前記衛星コンステレーションの前記少なくとも１つの第１の軌道ＬＥＯ衛星が、ＧＥＯ地上局とＧＥＯ衛星との間のベクトル周囲のガードバンド内にある期間中、少なくとも１つの第２のＬＥＯ衛星が見通し内にあり、かつ充分にその地域の地平線の上空にあり、前記ガードバンドベクトル内の前記第１のＬＥＯ衛星からの前記地上局とのいずれの通信機能をも引き継ぐ、請求項５７に記載のシステム。
【請求項６３】
前記少なくとも１つの第２のＬＥＯ衛星は、前記第１の衛星が前記ガードバンドベクトルでその送信機能をオフにする前に、前記少なくとも１つの第１の衛星から前記通信機能を引き継ぐ、請求項６０に記載のシステム。
【請求項６４】
前記少なくとも１つの第１の衛星は、前記ガードバンドベクトル内にある場合に、その送信ビームの１つ又は複数のサブビームをオフにすることによって送信を停止する、請求項６３に記載のシステム。
【請求項６５】
前記第１の衛星の前記後方ビーム投射は、前記前方ビームが前記ボアサイトベクトルを通過した後に前記地上局と通信し得る、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６６】
前記衛星コンステレーションの軌道面は、前記軌道が通過する地球の象限にそれぞれ対応する４つの象限を有し、前記衛星は、前記衛星が象限内でその軌道を通って移動する際に前記投射角度を変化させることによって前記前方投射ビームの前方ビーム角を制御し、その軌道の次の象限にある前記衛星コンステレーションの前記衛星の前記後方ビームは、その前の象限内で前記衛星によって投射された前記前方ビームをミラーリングするように投射される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項６７】
前記後方投射のミラーリングは、前記衛星が前記象限を通って進行する際に、前記衛星の後方に最大カバレッジ領域を提供する、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記衛星コンステレーションのＬＥＯ衛星によって送信される前記ビームは、ＧＥＯ衛星が同じ地上局に送信する方向と逆方向である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項６９】
送信する衛星が、地上局のＧＥＯアンテナのボアサイトベクトルを回避するために、地上のある地点に位置する地上局への送信を停止しなければならないとき、前記ＬＥＯ衛星コンステレーションの別の衛星が前記送信する衛星の送信を引き継ぐ、請求項２４に記載のシステム
【請求項７０】
ＬＥＯ衛星からの送信を受信し、送信をＬＥＯ衛星に送信するように構成された複数の地上局を含み、前記複数の地上局の少なくとも幾つかは無指向性アンテナを有する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項７１】
ＬＥＯ衛星からの送信を受信し、送信をＬＥＯ衛星に送信するように構成された複数の地上局を含み、前記複数の地上局の少なくとも幾つかは指向性アンテナを有する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項７２】
前記指向性アンテナは、前記衛星コンステレーションの前記軌道面に対して北向き又は南向きである、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
前記北向き又は南向きのアンテナは、仰角及び方位角で方向付けが可能である、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７４】
前記衛星は、同じ地域内のＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して運用される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項７５】
前記衛星コンステレーションの前記衛星は、通信のために地球上の実質的に地上の全ての地点のカバレッジを実質的に常に提供するのに十分な数の軌道面に配置される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項７６】
前記衛星コンステレーションの前記衛星は、規則的な角度の経度間隔の複数の軌道面に配置される、請求項７５に記載のシステム。
【請求項７７】
１つの軌道面に設けられる衛星の数は、高度ｈ、地平線上空の少なくとも角度αにある軌道内の衛星間の距離によって決定され、ＧＥＯ地上局と角度γにあるＧＥＯとの間のベクトルの周囲のガードバンド角βを維持する、請求項６１に記載のシステム。
【請求項７８】
各衛星が複数のアンテナを有する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項７９】
各衛星の複数のアンテナは、地上局とのアップリンク／ダウンリンク用のアンテナと、他の衛星とのクロスリンク用のアンテナとを含む、請求項７８に記載のシステム。
【請求項８０】
前記アップ／ダウンリンクがヘリカルアンテナを含み、前記クロスリンクアンテナがレンズを含む、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８１】
衛星の数は衛星の最小数であり、衛星間の距離は衛星間の最大距離である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項８２】
少なくとも１つの指向性アンテナを有する複数の地上局をさらに含み、南半球に位置する地上局については、前記指向性アンテナの最高利得が実質的に南を指向するように向けられ、北半球に位置する地上局については、前記指向性アンテナの最高利得が実質的に北を指向するように向けられている、請求項２４のシステム。
【請求項８３】
前記指向性地上局アンテナは、その最大アンテナ利得がＧＥＯ衛星の方向から外れて、ＬＥＯ衛星の方向に向くように指向される、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８４】
静止地球軌道（ＧＥＯ）通信衛星の再使用周波数の再使用を提供する低軌道（ＬＥＯ）衛星を有する衛星通信システムを介して通信を実施するための方法であって、
ａ）地球周囲の複数の軌道面内に、地上に配置された地上局によって受信するのに適した周波数を有するＲＦ送信を送信するための機器を含む複数のＬＥＯ衛星を配置するステップと、
ｂ）前記衛星ＲＦ送信を制御する制御機構を提供するステップと、
ｃ）ＬＥＯ衛星から地上局に送信を送信するするステップと、
ｄ）ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトでの下方送信を回避するために、衛星の送信を制御するステップを含み、
ｅ）ＬＥＯ衛星から地上局への送信を送信するステップは、同じ地域内で通信するＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して行われる、方法。
【請求項８５】
衛星の送信を制御するステップは、前記衛星の１つ以上のアンテナの動作を制御機構で制御して、前方ビーム角で投射される前方方向の送信ビームを生成し、後方ビーム角で投射される前方方向の送信ビームを生成するステップを含む、請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記ビーム角を制御するステップは、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式： 
【数１４】
2019520729.tif 000016
で決定される前方ビーム角ψで送信ビームを前方方向に投射するステップを含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記ビーム角を制御するステップは、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式：
【数１５】
2019520729.tif 000017
で決定される後方ビーム角λで送信ビームを後方方向に投射するステップを含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８８】
前記ビーム角を制御するステップは、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式： 
【数１６】
2019520729.tif 000018
で決定される前方ビーム角ψで送信ビームを前方方向に投射するステップを含み、
前記ビーム角を制御するステップは、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式：
【数１７】
2019520729.tif 000019
で決定される後方ビーム角λで送信ビームを後方方向に投射するステップを含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８９】
低地球軌道（ＬＥＯ）衛星であって、
ａ）地上に位置する地上局によって受信されるのに適した周波数を有するＲＦ送信を送信するための機器と、他の衛星と通信するための通信機器とを含む通信機器と、
ｂ）前記ＬＥＯ衛星から地上局へのＲＦ送信を制御するための命令を有するソフトウェア及び処理コンポーネントを含む制御機構と、
ｃ）ＲＦ送信を送信するための送信機と、
ｄ）前記ＬＥＯ衛星から前記ＲＦ送信を投射するための少なくとも１つのアンテナと、を備え、
ｅ）前記制御機構は、ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトでの下方送信を回避するように前記衛星の送信を制御し、
ｆ）前記ＬＥＯ衛星から地上局への前記ＲＦ送信は、同じ地域内で通信するＧＥＯ通信衛星によっても使用されるスペクトルを使用して実行される、衛星。
【請求項９０】
前記制御機構は、前方ビーム角で投射される前方方向の送信ビームを生成し、後方ビーム角で投射される後方方向の送信ビームを生成するように、前記衛星の１つ又は複数のアンテナの動作を制御する、請求項８９に記載の衛星。
【請求項９１】
前記制御機構は、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式： 
【数１８】
2019520729.tif 000020
で決定される前方ビーム角ψで送信ビームを前方方向に投射するように前記ビーム角を制御する、請求項９０に記載の衛星。
【請求項９２】
前記制御機構は、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式：
【数１９】
2019520729.tif 000021
で決定される後方ビーム角λで送信ビームを後方方向に投射するように前記ビーム角を制御する、請求項９０に記載の衛星。
【請求項９３】
前記制御機構は、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、αが水平仰角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式： 
【数２０】
2019520729.tif 000022
で決定される前方ビーム角ψで送信ビームを前方方向に投射するように前記ビーム角を制御し、
前記制御機構は、前記衛星軌道における所与の緯度位置について、γＥが地球の半径を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表し、γはＧＥＯ地上局が静止衛星を指向している地上の地点の位置におけるベクトルと地平線の間の鋭角を表し、βは、ＧＥＯ地上局とそれが指向するＧＥＯ衛星との間の地平線に対する角度がγである前記ベクトルの周囲のＧＥＯ保護ガードバンド角を表し、γＬが前記衛星軌道の半径を表すものとして、式：
【数２１】
2019520729.tif 000023
で決定される後方ビーム角λで送信ビームを後方方向に投射するように前記ビーム角を制御する、請求項９０に記載の衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は衛星通信の分野に関し、より詳細には、対地静止軌道（ＧＥＯ）通信衛星の再使用周波数の再使用を提供する低地球軌道（ＬＥＯ／単に「低軌道」と表記する場合がある）衛星を有する（ＬＥＯ衛生との）衛星通信システムを実施するためのシステム、方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地上局と衛星間の通信に適した大量のマイクロ波スペクトルは、様々な国内及び国際規制機関によって対地静止軌道（ＧＥＯ）衛星を含む通信サービスに割り当てられる。現在の状況では、衛星ベースの通信システムを使用する新しい通信サービスへの割り当てのために残された未割り当てのマイクロ波スペクトルは、これらが従来から構想され、構築され、運用されているためごく僅かである。さらに、ＧＥＯ衛星通信サービスに割り当てられる既存のスペクトルの多くは、主にテレビ配信、既存のテレフォニーバックホール及び政府データ移動のための既存のアプリケーションで既に消費されている。その結果、既存のＧＥＯ衛星通信システムオペレータが、これらの用途が成長しているのと同様の迅速さで、割り当てられたいずれかの既存のスペクトルを新たな用途に再利用できる可能性は少ない。
【０００３】
大量かつ高速度のデータが要求される新たな産業が急激に出現し、これらの産業における多くの用途は、大データ量の、又は高データ速度のグローバル通信能力と、地上ベースネットワークのサービスエリア外の通信カバレッジ（受信可能範囲／coverage）を必要としている。幾つかの例には、リモートセンシング、無人航空機の遠隔制御、（音声通信とは対照的な）ビデオ及び画像ベースの通信、ビデオ及び画像ベースのマシン間通信及び制御、及び地上ネットワークを経由しない２つの地上局間のセキュリティが極めて高いデータ転送が含まれる。これらのアプリケーションは、専用の衛星通信システムによるサービスによく適合する。しかし、新たな衛星ベースの通信システムの配備は、割り当てのための利用可能なスペクトルの欠如によって大きく制約される。
【０００４】
今日の衛星通信システムは周知であり、世界中の多くの地域に直接放送テレビジョンを配信するなど、多くの近代的な利便性を担っている。現在、通信機能専用の低軌道（ＬＥＯ）及び中軌道（ＭＥＯ）衛星及び衛星コンステレーションが若干存在するが、今日の通信衛星及びシステムのほとんどは静止軌道（ＧＥＯ）型である。
【０００５】
国際電気通信連合（ＩＴＵ）並びにその他の運営及び規制機関は、多様な目的のために、地上と衛星間の双方向通信のためのＧＥＯ衛星の使用に広範な無線周波数スペクトルを認識し、割り当てている。今日運用されている多数のＧＥＯ衛星は、新たな衛星通信リンクに利用可能なスペクトルがごく僅かしかない状況をもたらしている。ほとんどの地上局から衛星へのモバイル通信は、マイクロ波周波数を使用することによってのみ実際的に満たされているため、地上局で使用されるアンテナを小型及び／又は携帯可能にすることができ、かつ既知のデータ通信方法で送受信可能なデータ転送速度を高くすることができる。これは、規制又は割り当ての問題に関わりなく、使用可能な地上局から衛星への通信周波数に実際上の下限を課す。大気吸収及びレインフェードの問題があるため、使用可能な地上局から衛星への通信周波数には、規制又は割り当ての問題に関わりなく実際的な上限がある。新たな割り当てに利用できる未使用のスペクトルは、そのほとんどが固定衛星サービスのためのＧＥＯ衛星システムとの地上−宇宙通信に既に割り当てられているため、これらの実際的な限度の間に利用できる未使用のスペクトルは少ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いわゆるＫａ及びＫｕバンド内のスペクトルの多くは、宇宙部分にＧＥＯ衛星を使用する固定衛星サービスの用途に割り当てられ、ＧＥＯ衛星は空中の固定ポイントで地上局に対して出現するため、これらは無指向性ではなく、必然的に指向性である。例えば、ＧＥＯ関連スペクトルの最も普及した使用は、現在、通常は顧客の家庭又は建物に取り付けられた固定指向性を用いて、地上局で小さな指向性ディッシュによって受信されるテレビ番組の直接放送のためである。一般的な消費者向けの直接放送衛星アンテナの３ｄＢビーム幅はおよそ２〜３度であり、それらの指向性は高い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＬＥＯ衛星起源の信号がＧＥＯ指向した地上局アンテナのビーム幅内に出現しないが、それにも関わらず、ＬＥＯ衛星コンステレーションが、ＧＥＯ衛星又はＧＥＯ指向性地上局とのいかなる調整もなく地表の各地に位置する地上局の１００％のカバレッジを常時有することができるように、ＧＥＯ割り当て通信スペクトルをＬＥＯ衛星コンステレーションベースの通信システムで再使用するためのシステムを開示する。さらに、本発明は、開示されたＬＥＯ衛星コンステレーションと通信することを意図している地上局をＧＥＯ衛星が意図せずにピックアップするのを防ぐための措置を講じることによって、同じスペクトルを使用するＧＥＯ通信システムとＬＥＯ通信システムの間の分離を強化する、開示されたＬＥＯ衛星通信コンステレーションに関連する地上局の詳細を開示する。
【０００８】
本発明の実施形態は、ＧＥＯベースの通信システムへの干渉を引き起こすことなく、ＧＥＯベースの衛星通信サービスに割り当てられた任意の既存のスペクトルを再使用し得る低軌道（ＬＥＯ）の衛星通信システムを構築し運用する方法を提供する。アルゴリズムが自由変数として受け入れる他のパラメータの中で、本発明は特に、ＧＥＯベースの通信システム内にあるあらゆる地上局の周囲に角度のガードバンドを作成するための任意の実用範囲内のパラメータを受け入れる。本発明は、ＬＥＯベースのシステムがＧＥＯベースの衛星又はＧＥＯベースの地上局と何らかの調整を行う必要が全くなく、ＧＥＯベースの地上局のすぐ隣に位置する地上局（ＬＥＯベースの通信用）との同時かつ同じスペクトル上でのＬＥＯベースの通信を可能にする。このシステム、方法及び装置は、本明細書に示され説明されるＬＥＯ衛星コンステレーションの例示的な実施形態によって開示されるように、常に任意の地上局と、ギャップ又は接触損なく、各地に位置する任意の地上局に１００％のグローバルカバレッジを同時に提供するように構成される。
【０００９】
本システム、装置及び方法は、通信する装置間の通信を提供し、ＬＥＯ衛星からの放射パワー（電力）が特定のＧＥＯ衛星を指向する地上局の（すなわち、ＧＥＯ衛星関連の地上局の）アンテナビーム幅に出現するのを防止するように構成された低軌道衛星の構成を提供する。本システム、デバイス及び方法は、好ましくは、ＬＥＯ衛星ベースの通信を実施する一方、それにも関わらず、特定のＧＥＯ衛星に向けられた（例えば、ＧＥＯ衛星関連の地上局の）地上局アンテナのすぐ隣に位置するＬＥＯ衛星通信サービスに関連する地上局と通信する。
【００１０】
好ましい実施形態によれば、本発明は、そうでなければ（ＬＥＯ衛星の）衛星ビームがＧＥＯ地上局アンテナ（例えば、ＧＥＯ地上局アンテナボアサイト）のビームと一致するであろう場合には、それぞれの通信ビームをＧＥＯ指向性の地上局を介して別個に動作するＧＥＯ衛星との干渉から遠ざけるように向けることによって、及び／又は通信を停止することによって、通信を管理するように構成された衛星、好ましくはＬＥＯ衛星で実施され得る。実施形態は、地上局、又は１つ又は複数の地上局とリンクされ得る電気通信ネットワークなどの地上ベースの装置との通信を提供するビームカバレッジを制御するように衛星アンテナ（１つ又は複数）を向ける（方向付ける／方向決めする）制御機構を設けて構成された衛星を提供する。衛星は、例えば、２つの地上局間の、又は地上局と地上ベースのネットワーク間の通信などを処理するように構成され得る。衛星は、（軌道方向に対して）後端部又は後方部及び前方部を含む制御可能なカバレッジビーム（１つ又は複数）を提供するように通信を方向付けるアンテナを設けて構成され得る。衛星アンテナからのビーム角は好ましくは、衛星がその軌道を移動するにつれて調整される。幾つかの実施形態によれば、衛星アンテナは、ＧＥＯ地上局アンテナと干渉することなく、カバレッジを最大にするようにビームを調整するように制御される。
【００１１】
幾つかの実施形態によれば、システムは、ＧＥＯアンテナ、特にＧＥＯアンテナのボアサイト（視程／bore sight）とのクロスオーバ又は干渉を回避するようにビーム方向を管理するために使用される１つ又は複数の制御可能なアンテナを設けて構成された複数のＬＥＯ衛星からなるＬＥＯ衛星コンステレーションを有して実施され得る。ＬＥＯコンステレーションの衛星は、好ましくは、例えば（ＧＥＯアンテナ、及びそれとの干渉の可能性を回避するために）１つの衛星のＬＥＯ衛星ビームが停止される場合に、別のＬＥＯ衛星が通信をピックアップする（引き継ぐ）ように（例えば、１つの隣接する軌道衛星から別の隣接する軌道衛星へなど）、通信を互いにハンドオフ（引き渡す／hand-off）する。幾つかの実施形態によれば、隣接する衛星は、ハンドオフする衛星と同じ軌道面の隣接する衛星を含むことができ、一方、他の実施形態では、通信のハンドオフを受ける衛星は、（例えば、衛星が他の衛星と異なる軌道面にある場合など）、ハンドオフする衛星に隣接するが別の軌道面にある衛星であってもよい。
【００１２】
本発明は、列挙されていない他の利点に限定されず、その概要が以下のうちの１つ又は複数を含むことができる利益及び利点を提供する。ＬＥＯ衛星コンステレーションは、通常の条件下でＧＥＯの固定又は移動サービスへの干渉を引き起こすことなく、ＧＥＯ通信スペクトルを再利用するように構成され得る。ＬＥＯコンステレーションは、独立変数として、ＧＥＯ衛星を指向する（pointing towards）指向性アンテナ（方向性アンテナ／directional antenna）を有する地上局（ＧＥＯ地上局）のＧＥＯ指向性ベクトル（pointing vector）の周囲のガードバンド角のための任意の実用的なパラメータを受け入れるように設計され得る。ＬＥＯ衛星によって任意の地上局に向けて送信されるビームの方向は、好ましくは、ＧＥＯ衛星が地上局の天底（nadir）に関して同じ地上局に送信する方向とは常に反対の方向にある。幾つかの実施形態によれば、このシステムは、（地上局の象限に応じて）北極又は南極のいずれかを指向することだけを維持しなければならないＬＥＯシステムに関連する地上局に取り付けられた単純な指向性アンテナは、ＧＥＯ通信リンクと比較してＬＥＯ通信リンクに追加の離隔マージンを提供することができ、これらが両方とも同じ位置に配置され、同時に動作する地上局に対して動作する場合に実施され得る。さらに、システムは、ＧＥＯ放送周波数と同じ周波数で実施されるが、干渉を防止又は最小化するように制御されるＬＥＯ通信を提供することができる。本システム及び本システムと連携して動作する衛星は、ＬＥＯ衛星による通信サービスのためにＧＥＯ衛星放送周波数を空間的に再利用することができる。
【００１３】
本方法を実施するために使用されるシステム、方法、又はその実施形態に関連して説明される特徴は、１つ又は複数の特徴が１つ又は複数の他の特徴と組み合わされて共に又は組み合わせて提供されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示を通じて使用される用語を示す。
【００１５】
【図２】４つの象限を通る衛星及び軌道を示す地球の図である。
【００１６】
【図３】指向性アンテナと静止衛星との間の実際の高度指向性角を示す地球を表す図である。
【００１７】
【図４】地球を表し、ＬＥＯ軌道面内の２つの衛星の幾何配置を示す図である。
【００１８】
【図５】地球を表し、重ねられた２組の幾何配置を示し、ＬＥＯ衛星コンステレーション軌道としてのＬＥＯ衛星位置への方向ベクトルを示す図である。
【００１９】
【図６Ａ】地球を表し、任意の地上局がＧＥＯ衛星と通信すると実際的に予想され得る最大緯度付近のエンドケース状況（極限状況）を示す図である。
【００２０】
【図６Ｂ】図６Ａの上部を示す部分拡大図である。
【００２１】
【図７Ａ】地球を表し、任意の地上局がＧＥＯ衛星と通信することが実際的に予想され得る赤道におけるエンドケース状況を示す図である。
【００２２】
【図７Ｂ】図７Ａの上部を示す拡大部分図である。
【００２３】
【図８】本発明を説明するための１つの平面の一部を示す地球を表す図であり、世界の任意の地点の地上局との通信のためのＬＥＯベースのコンステレーションを示す図である。
【００２４】
【図９】地球を表す図であり、北から南へ赤道上空を横切って遷移するように描かれている、本発明による２つの衛星に関連する通信ビームを示す図である。
【００２５】
【図１０Ａ】地球を表す図であり、その軌道上の任意の特定の地点における衛星の緯度σを示す図である。
【００２６】
【図１０Ｂ】図１０Ａの拡大図である。
【００２７】
【図１１】地球を表し、表１（図１４）の仕様に従う本発明による衛星コンステレーション（縮尺通りではない）を示す図である。
【００２８】
【図１２】単ループアンテナの面内アンテナパターンを示す図である。
【００２９】
【図１３】地球を表し、本発明による衛星コンステレーションの一部を構成する衛星の例示的な配置を示し、最大利得表示を描写した地球の地表上に設けられたアンテナを示す図である。
【００３０】
【図１４】表１として参照される表であり、α＝５度、β＝５度及びｈ＝１、８００ｋｍの入力パラメータに対する様々なパラメータの図表を示す図である。
【００３１】
【図１５】表１と同様の表２として参照される表であるが、β＝０の限定的なケースでは、後方角は決して負にならず、赤道での後方ビーム角λが０の図である。
【００３２】
【図１６】表１と同様の表３として参照される表であるが、入力パラメータがα＝１０度、β＝１０度及びｈ＝８００ｋｍの図である。
【００３３】
【図１７】表４として参照される表であり、同一の通信周波数でＧＥＯ衛星に対する自由空間経路損失（ＦＳＰＬ）と比較して、地上局に対してある高度で周回するコンステレーションのＬＥＯ衛星からの様々な角度について計算された面内の自由空間経路損失（ＦＳＰＬ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１を参照すると、本開示及び図及び方程式全体を通して使用される用語が提示されている。さらに、本発明を効果的に図示し、説明するために、提示された図及び方程式は、本システムの二次元図であり、図は図２〜図１３に示され、方程式（１〜１９）は本明細書に、また本明細書の末尾のリストに提示されている。本発明の１つの特徴は、コンステレーションのＬＥＯ衛星が極軌道内にあることである。周波数が再利用される静止衛星を含む平面は、開示された極軌道ＬＥＯ通信衛星コンステレーションの任意の平面に直交する軌道上にあるので、図及び方程式に開示される二次元構成は、三次元構成の任意のＬＥＯ軌道面の単純な投影である。したがって、三次元図及び方程式は、軌道力学及び解析の当業者によってよく理解され、簡単に生成される二次元描写の投影された拡張である。
【００３５】
さらに、軌道力学の当業者には、地球のやや楕円形状、及び他のより高次の要因に適合する、本明細書に提示された方程式よりも複雑な方程式が周知である。地球が完全に球形であるとする仮定は、本発明の原理及び本発明の原理を説明するために本開示を通して用いられるが、本明細書に開示された事項に関する限定性を形成することを意味するものではない。本明細書に開示される原理及び本発明は、本開示の範囲から逸脱することなく、非球状の地球及びより高次の軌道要素に対応するように拡張され得る。
【００３６】
図２は後続の図のための状況を示し、基礎を提供する。図２では、極軌道におけるＬＥＯ衛星コンステレーションの複数のＬＥＯ衛星平面の単一平面が、ＬＥＯ１及びＬＥＯ２で示される軌道面ＯＰにある筈の多くの衛星のうちの２つとともに表示されている。ＬＥＯ通信コンステレーションで典型的なように、またＬＥＯ１ＢＥＡＭとＬＥＯ２ＢＥＡＭとして図示されているように、ＬＥＯ衛星は通常、地上局との信号の送信と受信の両方について重複するカバレッジのビームを作成する。単一のＬＥＯ衛星の各々のカバレッジビーム内には、地上局との通信機能においてビーム内での周波数及び偏波の再使用を可能にする複数のサブビームが存在し得る。さらに、当業者にはよく理解されるように、ビーム及び／又はサブビームは、様々な軌道要素及び地上局の実用性に対応するために、リアルタイムで方向付けられてもよい。軌道面を充分に占有し（fully populating an orbital plane／軌道面に十分多くの衛星を配置し）、複数の軌道面を規則的な角度の縦方向の間隔で配置することにより、地球全体が常にＬＥＯ通信コンステレーション内の少なくとも１つの衛星のビームでカバーされ得る。イリジウム通信衛星コンステレーションは、イリジウム衛星ＬＬＣが所有及び運用するそのようなコンステレーションの例である。しかし、イリジウムシステム並びに他のシステムは、ＧＥＯ衛星通信システムによって使用されるスペクトルと同一ではないスペクトルを使用しており、そのようなスペクトルはもはや利用可能ではない。衛星及びその運用の例は、米国特許第５、４１０、７２８号及び第５、６０４、９２０号に開示されており、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３７】
さらに図２を参照すると、北半球の地表上の地点は、北緯７０度のＰ１ＮＥから赤道上にあるＰ８ＮＥとして示されている。各地点Ｐについて、静止衛星がその地点に位置する場合、静止衛星を指す指向性アンテナのボアサイト（照準／bore sight）を示すベクトルが描かれている。さらに、示されているＬＥＯ衛星軌道の軌跡ＯＰは時計回りに周回するが、これは単に本開示の図及び用語での慣例であり、この開示の一般性を限定するものではない。本明細書で使いられる慣例の下で、第１象限又は第２象限の任意の地点Ｐについて、極軌道のＬＥＯ衛星は北から上昇し、南に向かって（示された移動方向に）降下する。
【００３８】
さらに図２を参照すると、地上局との通信のためにＧＥＯ衛星と同じ周波数を使用するＬＥＯ衛星が地点Ｐを通過するときは常に、軌道の軌跡内に、ＬＥＯ衛星がＧＥＯ衛星と地上局との間の線上に直接的に存在するスポットがある。したがって、その地点で、ＬＥＯ衛星が、地上局がＧＥＯ衛星から受信するように設定された周波数と同じ周波数で送信する場合は干渉が発生し、ＧＥＯ衛星に特別に向けられた指向性の高い地上局アンテナであっても、同じ周波数の両方の信号が地上局のアンテナ及びＲＦフロントエンドによって同時に受信されることになるため、ＧＥＯ衛星の信号はＬＥＯ衛星の信号によって干渉される可能性があろう。
【００３９】
ここで図３を参照すると、静止衛星を指す地表上の任意の地点Ｐにおける指向性アンテナ間の実際の仰角指向性角度が示されている。方位角指向性角度は図示されておらず、３次元の方位角は図３に示される直交極平面への同じ射影を有するので、動作原理の説明には関係しない。支配方程式１及び２は、任意の緯度Фでのγの計算の解を提供する。方程式１及び２は、方程式の表及び以下に記載されている（方程式番号が式の隣に括弧内に示されている）。
【数１】
2019520729.tif 000003
【００４０】
限定されないが、一例として、図３の表は、ＧＥＯ−地上局ステーションの見通し内（line of sight）通信リンクが持続できるほぼ最高緯度である８０度の緯度から始まり、赤道である０度の緯度まで１０度の緯度の増分で指向性アンテナの近似仰角を計算する。
【００４１】
次に、図４を参照すると、ＬＥＯ軌道面内の２つの衛星のジオメトリが提示されている。方程式３と４とを含めてこの図４には、面内のＬＥＯ衛星の間隔ｓと、地球の幾何学中心Ｃの頂点から測定されたＬＥＯ衛星間の対角（中心角／subtended angle）θとの関係が示されている。この図４において、Ｐは赤道に示されている。方程式３及び方程式４が以下に示される（方程式番号が方程式の隣に括弧内に示されている）。
【数２】
2019520729.tif 000004
θに関して示すと、方程式５は、角度θを決定する解を提供する。
【数３】
2019520729.tif 000005
【００４２】
次に、図５を参照すると、２組の幾何配置（ジオメトリ）が重ねられており、青の太線がＬＥＯ衛星コンステレーションが軌道を周回するときのＰ１ＮＥ及びＰ８ＮＥから見たＬＥＯ衛星位置への方向ベクトルを示す。図５の重複では、ＬＥＯ衛星が北側から地上の任意の地点Ｐに接近するとき、ＧＥＯ衛星を指すＰにある指向性アンテナが南を指していることが分かる。
【００４３】
しかし、任意の特定のＬＥＯ衛星が通過し、次いで任意の地点Ｐを越えると、Ｐにある地上局に向かって後方に送信を続けるとすると、ある地点で、ＧＥＯ衛星を指向性しているいずれかのアンテナのボアサイトで下方に送信する（ボアサイトでの下方送信をする／transmit down the boresight）であろう。
【００４４】
ＬＥＯ衛星コンステレーションが地上のどこにでも継続的にカバレッジを提供するためには、少なくとも１つの衛星が常に地上の任意の点Ｐの視界内になければならず、その衛星からその地点Ｐへの指向性方向は、地点ＰとＧＥＯ衛星間の指向性方向と同じベクトルに沿っていてはならない。したがって、ＬＥＯ衛星の軌道内の第１の衛星が、同じ周波数で同時に、及び同じ位置に到達するＧＥＯ信号との干渉を回避するために地点Ｐへの送信を停止しなければならない期間中、ＬＥＯ通信衛星コンステレーションと地点Ｐにある地上局間で何らかの通信も行われ得る状態を続行するためには、地点Ｐの視界内でＬＥＯ軌道内の別の第２の衛星が利用可能でなければならない。これらの図の「ズームイン」図を含む図６及び図７は、２つのエンドケース状況、すなわち第１に図６Ａ及び６Ｂでは、いずれかの地上局が実際にＧＥＯ衛星と通信することが予測される最高緯度付近（緯度約７０度）での、そして第２に図７Ａ及び７Ｂでは赤道でのエンドケース状況を示すために用いられる。
【００４５】
ここで図６Ａ、６Ｂを参照すると、（ａ）地上局が、信頼できる通信のために利用できるその地域の地平線より十分に適切に上方にある周回ＬＥＯ衛星への見通しが決して失われないように、また（ｂ）周回する任意のＬＥＯ衛星が地上局とＧＥＯ衛星の間のベクトルの周りのガードバンド内にある期間中には、第１のＬＥＯ衛星からの地上局への任意の通信機能を引き継ぐため（なぜなら、第１のＬＥＯが地上局へのＧＥＯ衛星通信と干渉しないためには、第１のＬＥＯがガードバンド内にある場合は、第１のＬＥＯは地上局に送信することができないから）に、他のＬＥＯ衛星が視界内に（またその地域の地平線より十分に上方に）あるように、緯度７０度の地点Ｐ１ＮＥと通信状態にある又はそれが可能な極ＬＥＯ軌道内の２つの衛星の最大間隔を計算するための計算が示されている。
【００４６】
図６Ａ、６Ｂにおいて、高度ｈで軌道を周回する衛星は、少なくともその地域の地平線の上方の角度αを有し、地上局と角度γにあるＧＥＯ間のベクトルの周囲にガードバンド角βを維持しなければならないという制約に従って、θ（式５を参照）、したがって、ＬＥＯ軌道面内に必要な衛星の数の計算に必要となるｓが見出されなければならない。計算済みのｄ、計算済みのａ、及び既知の角度ω１を前提に、最初にｄを計算するために三角形Ｃ−Ｐ１ＮＥ−Ｄに関して、次いでａを計算するために三角形Ｃ−Ｐ１ＮＥ−Ａに関して、次いで最後にｓを計算するために三角形Ａ−Ｐ１ＮＥ−Ｄに関して余弦式が使用される。（方程式８は２つの解を提供し得るが、有意な解が距離ｄのために利用される）。関連する方程式は、以下に記載の方程式５〜８、９〜１２、及び１１〜１３として示される（方程式番号が式の隣に括弧内に示されている）。
【数４】
2019520729.tif 000006
【００４７】
図６Ａ、図６Ｂ及び図７Ａ、図７Ｂを比較すると分かるように、ＬＥＯコンステレーションの衛星が赤道に接近し、その通信ビームで地点Ｐをカバーすると、Ｐもまた赤道に接近するため、衛星が地平線の上に上昇するときと、地点Ｐへの送信を停止しなければならないときとの距離は減少する。しかし、衛星及び地点Ｐのより北側の位置とは異なり、赤道にある地点Ｐは、赤道から離れ、又は空中で南方に降下するＬＥＯ衛星によっても通信され得る。
【００４８】
図８は、世界各地の地上局との通信のためのＬＥＯベースのコンステレーションを含み、以下にさらに説明するように運用される、同じ時間と位置で地上局への通信を含むＧＥＯ−地上局の使用に割り当てられたスペクトルで同時に運用することができる本発明の一面の一部を示す。図８は、赤道の地上局にサービスを提供するように運用される、Ｔ＝１及びＴ＝２と呼ばれる２つの異なる概念上の時間での１つの軌道面内の（１、２及び３で示された円で表される）３つの衛星を示す。時間Ｔ＝１における衛星１（SAT 1）、衛星２（SAT 2）及び衛星３（SAT 3）は、実線の円によって表され、時間Ｔ＝２では、点線の円によって表される。赤道付近での運用は本発明の限定的なケースであり、したがって、本開示の多くの詳細及び重点が示されている。図８では、「２」と記された衛星の１つがＴ＝１の時点で赤道に接近し、次いで赤道を横切り、その下の地点Ｐ８ＮＥがある。この図では、地点Ｐ８ＳＥが導入され、この地点は、Ｐ８ＮＥが赤道のすぐ北側にあるのに対して赤道のすぐ南側にあることを除き、Ｐ８ＮＥとほぼ同じ地点である。北の地平線はＮＨと表示され、南の地平線はＳＨと表示されている。
【００４９】
開示された発明では、衛星３が赤道のＰ８ＮＥの地上局に対して選択された角度αだけ北の地平線ＮＨの上空に上昇すると、衛星３はＰ８ＮＥとの通信リンクを生成することができる。同じ時点Ｔ＝１で、ハンドオフ（引き渡し）に必要な時間を除いて、以前にＰ８ＮＥと通信する役割を果たしていた衛星２は、Ｐ８ＮＥのＧＥＯ衛星ガードバンドに入ると、Ｐ８ＮＥとの通信を停止する。衛星３がＰ８ＮＥの北側の上空を横切って上昇し続けると、この衛星は、Ｔ＝１で衛星２と示された位置に達するまで、任意のＧＥＯ衛星で使用されている周波数と同じ周波数であり得るＰ８ＮＥの通信ニーズに、前記ＧＥＯ衛星と進行中の通信と干渉することなく、対応し続ける。その時点で、衛星４（図示せず）はＰ８ＮＥについての北の地平線の上方に上昇し始めるので、衛星３はＰ８ＮＥのＧＥＯガードバンドを横切って移行する間にＰ８ＮＥとの通信リンクをオフにすることができる。
【００５０】
一方、衛星２はＴ＝２でＰ８ＮＥのガードバンドから出てくるので、赤道の南側であることを除いてＰ８ＮＥと同じ赤道上の場所にあるとみなされるＰ８ＳＥにサービスを開始することができる。衛星２によるＰ８ＳＥのサービス開始以前は、Ｐ８ＳＥはＰ８ＳＥに対して南側に設定されている衛星３によってサービスされていた。同様に、地球の周囲の全地点はコンステレーション内の衛星によってカバーされる。
【００５１】
ここで図９を参照すると、開示された発明の２つの衛星に関連する通信ビームは、それらが北から南へ赤道の上空を横切って移行するものとして記載されている。前述のように、記載されたビームは周知のものであり、当業者に理解されている位相アレイアンテナを用いて作成することができるような、ＬＥＯ衛星上のリアルタイムで調整可能なビームアンテナによって生成されるアンテナパターンである。また、前述したように、ビームエンベロープ（ビームの包絡線）は、各ビームエンベロープ内に特定の周波数再使用、偏波再使用、又は他の軌道要素又は地上局要素の対応のための種々のサブビームを有し得るが、これらは本発明の範囲内である。
【００５２】
さらに図９を参照すると、衛星についての前方ビーム角は角度ψとして示され、後方ビーム角は角度λとして示される。
【００５３】
図９に示されるように、ＬＥＯ通信衛星の極軌道の下降する半円の周囲では、衛星が象限１内にある間の部分について、ＬＥＯは、衛星の緯度σが赤道に接近するにつれていわゆる緯度の限界に達するまでその通信ビームを、地上局との通信に合理的又は実行可能な程度に大きな角度であり得る角度ψで、連続的に、衛星の進行方向の前方に投影する。ビームの前方部分に関しては、ビームが赤道に接近するにつれて、ＬＥＯ衛星の指向性アンテナの制御手段は、ＳＡＴ２と表示された衛星がＴ＝１からＴ＝２へ赤道方向に前進するにつれて、図示のように前方向ビームの前方向角度を減少させる。
【００５４】
図９ではまた、ここでＳＡＴ１と記されている衛星に注目すると、この衛星がＴ＝１からＴ＝６に進行するにつれて、そのビームは赤道の上方で消滅し、その衛星が赤道にあるＧＥＯガードバンドを横切って移行する間、任意の地上局からのその衛星との通信は行われない。次いでＳＡＴ１は、赤道ガードバンドを横切って第２象限に入った後、現時点では通信ビームの後方指向部分である部分を広げることで、衛星が赤道から離れた緯度限界角度に到達したときに後方ビームがその後方の最大の領域を、第１象限で生成された前方ビーム通信カバレージ領域の鏡像としてカバーする。
【００５５】
各衛星はまた、図１０Ａ、１０Ｂに示されるように、いわゆる後方ビームの角度λを制御する。図１０Ａ、１０Ｂはまた、その軌道上の任意の特定の地点における衛星の緯度σを示す。パラメータ及びラベルα、β、γ、Ａ、Ｐ、Ｃ、ａ及びｄは、図６及び図７に関して前述したように、方程式５〜１５は、図６及び図７に関して前述したように三角形の関連する幾何学的角度及び長さを計算するように演算可能である。長さａとｄが判明すると、方程式１７、１８、１９を用いて緯度限界でψが、所与のβ及びγについてのσの関数としてλが計算される。方程式１４〜１９が以下に示される（方程式番号が方程式の隣に括弧内に示されている）。
【数５】
2019520729.tif 000007
【００５６】
α＝５度、β＝５度、及びｈ＝１、８００ｋｍの入力パラメータについての様々なパラメータの表（要約）が表１（図１４）に示されている。これらのパラメータについて、赤で概略が示された計算は、開示された本発明の主な要素、及びビーム及び／又はサブビーム投影を調整する衛星アンテナ制御機構の実施を定義し、各極軌道面内に１１個の衛星が必要であり、最大前方ビーム角は５０．９６度であり、前方ビームは３４．０４度の衛星緯度で制限を開始しなければならず（赤道に接近するにつれて赤道のすぐ先を指向し続ける）、後方ビームλの角度が、λ及びσの名が付された列に示された値を追跡すべきであることを示すが、ここで、長い黒線の左側のσは、第１の列に示されるように地上局Ｐと通信するＬＥＯ衛星に基づく従属変数として扱われる。赤道に接近するにつれて、後方ビーム角は負になり、衛星が赤道に接近するにつれて、ＧＥＯ衛星を指向するアンテナのボアサイトで下方送信されることを回避するため、後方ビームが衛星の後方ではなく、幾分前方を指向し始めなくてはならないことを示していることに留意されたい。β＝０である場合、後方角度は決して負にならず、赤道における後方ビーム角λは０である（この状況は表２、図１５に示されている）。表１（図１４）の黒線の右側のσとψの下の列は衛星の緯度の関数として前方ビーム角を計算し、ここで衛星の緯度は独立変数として扱われる。
【００５７】
開示された発明が他のパラメータにどのように適用可能であるかを示すために、表３（図１６）は、α＝１０度、β＝１０度及びｈ＝８００ｋｍの入力パラメータの計算を示す。これらのパラメータについて計算は、本方法を実施するために各極軌道面に２１個の衛星が必要であり、必要な最大前方ビーム角は６１．０４度であり、前方ビームは、１８．９６度の衛星緯度で制限を開始すべき（赤道に接近するにつれて赤道のすぐ先を指向し続ける）ことを示している。例えば、表３（図１６）をさらに参照すると、コンステレーション内の衛星の１つが第１象限で赤道に接近するとき、地球の中心に対する緯度が北８．０６度である場合、その後方ビームは−０．０５度以下であり、したがって実際には後方ビームは前方を指している。
【００５８】
図９及び図１０から分かるように、コンステレーション内の衛星の１つが赤道に接近するにつれて、その全体的なビーム幅は支配方程式によってゼロに減少する。しかし、ビーム幅がゼロに接近するにつれて、実現可能な衛星アンテナには実際的な限界がある。この実際的な限界は、アンテナ及びそれに関連する制御機能の実施方法に基づいて変化する可能性があり、その限界でビームを単にオフにする（もはや送信しない）ことができる。このような最小ビーム幅に関連する追加のマージンは、ガードバンドβを調整することによって対応され得る。
【００５９】
衛星は、衛星の運用を制御する衛星制御機構を設けて構成され得る。例えば、制御機構は、その緯度を含む衛星の位置を決定し、緯度位置を用いて衛星から投射されるビームを調整し得る。幾つかの実施形態によれば、衛星制御機構は、好ましくは、衛星に搭載される計算コンポーネントを含む。計算コンポーネントは、好ましくは、衛星の軌道に沿った位置を監視し、衛星のアンテナによって投影されるビームを調整するための命令を含むソフトウェアを備えたコンピュータを含む。ビーム角を調整するためにこれらの方法を制限、拡大、方向付け、又は組み合わせる機械的又は電子的制御を含む、アンテナのビームを方向付けるための任意の適切な機構が利用され得る。ビームはまた、サブビームから形成されてもよい。衛星は、例えば、位相アレイアンテナ、又は当技術分野で知られている他のアンテナなどの１つ又は複数のリアルタイムで調整可能なビームアンテナを備え得る。衛星アンテナは、特定の周波数再使用及び／又は偏波再使用のための様々なサブビームを含むビームエンベロープを生成し得る。幾つかの実施形態によれば、ビームエンベロープサブビームは、他の軌道要素及び／又は地上局要素に対応するように構成され得る。好ましい実施形態によれば、衛星は、１つ又は複数のビームを生成するように構成され、好ましくは、ビームは１つ又は複数の前方部分と１つ又は複数の後方部分とを備えてもよい（例えば、ビーム前方部分は第１のビームを、ビーム後方部分は第２のビームを含み得る）。ビーム部分は、（例えば、それをオン又はオフにすることによって）ビームフィールド又は投影を制限するように調整され得る。幾つかの実施形態によれば、衛星制御機構は、衛星の電源を使用して電力供給され得る。幾つかの実施形態によれば、システムコンポーネントは、この目的及び他の目的のために衛星上に配備され得るソーラーパネルで電力供給され得る。衛星ビーム制御機構は、好ましくは、衛星位置情報を処理し、例えば衛星の送信アンテナなどのアンテナによって提供されるビーム角を決定するように構成された計算コンポーネントを含む。制御機構は、好ましくは、本明細書に記載の衛星位置情報及び位置決めの適用からの決定に従って、特に本明細書の方程式（例えば、方程式５〜１３）によって表される実施形態に従ってビーム角を操作する。衛星には、地上局との通信に適したアンテナを備えられ得る。例えば、位相アレイアンテナ、ヘリカルアンテナ、又は他の適切なアンテナが備えられ得る。さらに、衛星は、他の衛星と通信するように構成され得る。クロスリンク通信のためのレンズなどの適切なアンテナが備えられ得る。例えば、隣接する衛星は互いに通信し得る。衛星にはまた、通信及びデータなどの信号をルーティングするための装置が備えられ得る。例えば、衛星は、通信先に関する情報を処理し、適切な衛星を介して通信をルーティングする１つ又は複数の切換えユニットを設けて構成され得る。幾つかの実施形態によれば、衛星は、衛星のビーム範囲内で地上局に通信をルーティングするように構成され、地上局は、通信を指定された宛先にルーティングするネットワークに接続され得る。同様に、地上局からの送信は、衛星によって受信されてもよく、衛星は、その通信を機器などの宛先にルーティングしてもよい。例えば、幾つかの実施形態によれば、衛星及び衛星システムは、好ましくは、任意の衛星と地上の地上ネットワーク間でデータグラムを伝送し得る。ゲートウェイ局として、又はゲートウェイ局に関連して構成され得る地上局は、衛星間でデータグラムなどの信号を送受信し得る。これは、同じ衛星の視野内のゲートウェイウェイ局にデータグラムを直ちに再送受信することによって搬送（実行）され（すなわち、ベントパイプ式）、ここで、データは地上局又はゲートウェイから衛星に送信され、衛星はそれをすぐ下方に再送信する。幾つかの実施形態では、信号又はデータは、（信号増幅、再送信のためのアップリンク／ダウンリンク周波数のシフトを含む）信号を再送信するための処理以外の修正なしで送信され得る。他の実施形態によれば、衛星は、（例えば再生トランスポンダを介して）例えば信号を復調、デコード、再エンコード及び／又は変調するために、信号のオンボード処理を実行するために使用され得る装置を有して構成され得る。幾つかの好ましい実施形態によれば、任意の衛星と地上の地上ネットワーク間のデータグラムの伝送は、衛星コンステレーション内の１つ又は複数の他の衛星とのクロスリンクを介して、次いでこれらの他の衛星からゲートウェイへと実行され得る。例えば、意図されたゲートウェイは、任意の特定の時刻に第１の衛星の視野にないかもしれないが、衛星コンステレーションの他の衛星のうちの１つの視野にある場合がある。ゲートウェイの視野内の衛星は、別の衛星（例えば、第１の衛星）からルーティングされたデータグラムを受信し得る。コンステレーションの衛星は、好ましくは、それらのそれぞれのクロスリンクを介して伝送をクロスリンクし、ルーティングするように構成され得る。
【００６０】
方程式及び表は、示された任意の特定のパラメータを自由変数とすることができるように、数学分野の当業者には周知の直接的な数学的操作で再配置することができ、それにより、残りの衛星コンステレーションの軌道要素及び衛星アンテナ指向性配置は本発明の範囲から逸脱することなく、事後の計算が可能になる。
【００６１】
開示された発明の対称性から、各象限において衛星が互いに鏡像（ミラーイメージ）で動作することは容易に理解される。すなわち、第１象限の平面内の衛星のジオメトリ、アンテナパターン及び動作は赤道の周りでミラーリング（鏡像的に実施／反映）されて第２象限を生成し、次いでこれが地球の南北軸の周りでミラーリングされて第３象限を生成し、次いで赤道の周りでミラーリングされて第４象限を生成する。赤道を横切る衛星の詳細は、この位置が干渉の可能性が最も高い場所であるため、また衛星が赤道を横切る際の最も効果的な干渉回避技術は単に、ＧＥＯ指向性ベクトルの周囲のガードバンド内にある場合に赤道を通過する衛星に地上局への通信を停止させることであるため、詳細に提示されている。これはまた、衛星がアンテナシステムの方向を次の象限に向け直すのに十分な時間を可能にする。衛星が極の上にある場合は、アンテナ指向性システムの方向も向け直さなければならないが、静止衛星は極からの視界内にはないため極では静止衛星通信が不可能であるため、その技法は、当業者によって適切に設計された任意の方法で無制限に実行され得る。
【００６２】
図８、９及び１０は、ＬＥＯ通信ビームが正確に赤道で地面と交差することを意味することに留意されたい。実際の実施形態では、軌道は、衛星が赤道に接近するにつれて、軌道及びアンテナパターンにおける様々な不確実性に対応するために、また他のＬＥＯ衛星が赤道上空の進入する際に他のＬＥＯ衛星からのハンドオフに必要な時間に対応するために必要な範囲で、ビームが赤道を越えて前方に広がるであろう。この実際的な事項は、本発明の範囲を逸脱することなく容易に適応される。
【００６３】
衛星アンテナ及びアンテナ制御システムの設計を複雑にするオプションは以下の通りであるが、本発明の範囲内にある。上述のビームエンベロープは、通常は、多くのサブビームで構成される。衛星が赤道上又は赤道付近を通過する際に、特定のサブビームがオフにされ、又はリダイレクトされる場合があり、それによって衛星が地上局への全ての送信を停止させることなく、赤道の上下の領域に対する追加の通信をサポートすることが可能になる。しかし、このオプションは、衛星アンテナパターンのサイドローブを入念に制御する必要があり、それには費用がかかり、特定のアンテナ実施方法では技術的に不可能なことがある。
【００６４】
開示された衛星コンステレーションの軌道は極軌道であるため、ＬＥＯ衛星コンステレーションの方位面（azimuth plane）は、本明細書で詳細に説明されている仰角面（elevation plane）とは別個に操作可能である。したがって、完全なグローバル（全地球的）カバレッジのための面の数は、面内の衛星の運用及びそれらのアンテナパターンに関する独立変数として設計可能である。例えば、ＬＥＯベースの通信システムは、同時に、本開示において、また例えば表１（図１４）に関して提示されるように、軌道面内で動作しながら、その軌道面の右又は左の３０度の経度をカバーするように設計可能である。
【００６５】
図１１は、表１（図１４）の仕様に準拠した完全な衛星コンステレーション（縮尺通りではない）を示しており、必要な極軌道において軌道高さ１８００ｋｍで、面当たり１１個の衛星、及び６つの面（図では３面のみが示されている）がある。図１１に示されるように各々の面は、隣接する面からややオフセットされた各衛星の赤道交差時間を有するように配置されてもよく、このことは、面内の衛星が選択された平面間隔に応じて、隣接する軌道面に近い赤道の近隣の地上局をカバーするための援助をさらに提供し得る。
【００６６】
本明細書に開示されるＬＥＯ通信コンステレーションの種類とさらに別の地上ターミナル又は地上ゲートウェイ間の前方通信の方法は、フレキシブルであり、いわゆるベントパイプアーキテクチャの各衛星の視界内の地上ゲートウェイを介してもよく、又はイリジウム衛星コンステレーションによって利用されているようなクロスリンクアーキテクチャを介してもよい。どちらの実施形態も、開示された発明で可能であり、いずれも地上局、本明細書に開示されるような衛星コンステレーション内で運用される衛星、及び別の地上局、又は他の地上波データ又は通信ネットワーク間の通信リンクを完成させるために使用され得る。
【００６７】
ＧＥＯ通信衛星、ＧＥＯ関連地上局、及び運用とアンテナシステムのジオメトリによって提供される本明細書に開示されるＬＥＯベースの通信システム間に提供される分離に加えて、ＬＥＯ衛星と通信する地上局に関連する開示されたシステムの付加的な特徴があり、それをここで説明することができる。開示されるシステムで地上局がＬＥＯ衛星に上方通信する場合、送信は、同じ周波数でＧＥＯ衛星との距離を克服するために必要な信号電力よりもかなり少ない信号電力しか必要としないＬＥＯ衛星までの距離を克服するだけでよい。この状況は、図１７の表４に示されており、この表は、１２ＧＨｚ（Ｋｕ帯域）の同じ通信周波数で、ＧＥＯ衛星に対するＦＳＰＬ（自由空間経路損失）と比較して、地上局に対して８００ｋｍ高度を周回するコンステレーション内のＬＥＯ衛星から様々な角度で計算されたＦＳＰＬを示している。この計算は、３３ｄＢの経路損失の最小差を示す。経路損失の差は、ＬＥＯ衛星のみに送信することを意図している無指向性アンテナを有する地上局によって送信された信号が、それにも関わらず同じ周波数で聴取するＧＥＯ衛星によって認識され、それによってＧＥＯ衛星通信システムに干渉を引き起こす可能性をさらに低減するために相当のリンクマージンを提供する。
【００６８】
図１７に示す表４をさらに参照すると、同一の経路損失データは、ＧＥＯベースの通信信号からの干渉を回避する無指向性アンテナを有するＬＥＯ衛星通信コンステレーションに関連する地上局の能力の基礎を提供する。ＬＥＯ衛星は、ＧＥＯベースの受信局からジオメトリによって（幾何配置的に）離隔されているため、ＬＥＯ衛星は、ＬＥＯシステムに関連する地上局によって地上で受信された信号電力が、ＧＥＯシステムからの同じ周波数の無指向性アンテナによって受信されたのと同じ電力よりもはるかに高くなるような電力で通信し、これにより、受信機設計の当業者に一般に知られている手段によって、ＬＥＯ関連地上局がＧＥＯ衛星からのずっと弱い信号を拒否する能力を提供する。
【００６９】
前述の段落に関わらず、所与のシステム設計において、より広い運用エンベロープに対応するために追加のリンクマージンが望ましい場合がある。したがって、開示されたＬＥＯシステムは、すぐ近隣にあるＧＥＯ衛星と通信する地上局と同じ周波数で通信しているにも関わらず、ＬＥＯ衛星のみと通信するように設計された地上局と対にされ得る。開示されるＬＥＯ衛星ベースの通信システムの１つの付加的な任意選択の要素は、地上局に指向性アンテナを追加することである。小さなビーム幅を有する完全な方位角及び仰角指向性アンテナは１つの選択肢であるが、そのようなアンテナは、特定の用途のためにはコスト、サイズ、重量又は電力の点で法外であることが多い。しかし、上述のように運用されるＬＥＯ衛星は、北半球では常に北側を向き、南半球では南を向く通信方向を提供する。このことは、地上局によって劇的に単純な指向性アンテナが利用されることを可能にする。地面に垂直に向けられた単純なループアンテナの面内アンテナパターンが図１２に示されている。この単純なアンテナでさえも、赤道上の地点Ｐで１２ｄＢもの追加のリンクマージンを、より高い緯度ではさらに多くのリンクマージンを提供する。地上局の唯一の要件は、地上局が南半球にある場合はアンテナの最大利得の方向が一般に南向き、又は地上局が北半球にある場合は一般に北向きであることである。
【００７０】
ここで図１３を参照すると、最大のアンテナ利得をＧＥＯ衛星の方向からそらし、ＬＥＯ衛星の方向に向けることによって、ＬＥＯ地上局の送信がＧＥＯ衛星システムによって認識されるほど十分な電力で受信される可能性を最小限にするのを補助するために追加のマージンが得られることが示されている。地上局がどちらの半球にあるかのみに応じて、一般的に北又は南を指向するという要件は、地上局の指向性アンテナでは、完全に方位角及び仰角方向の可能であるという要件よりもはるかに単純な要件であり、したがって、開示されるＬＥＯベースシステムが大量配備のためにより経済的になる。経済的な実施形態で同じ又はより大きな追加のマージンを提供することができる指向性アンテナの当業者には周知の他のアンテナタイプの他の同様のパターンが、本開示の範囲から逸脱することなく、作成することができる。
【００７１】
地上局とＬＥＯ衛星間の通信を受信し、送信する地上局を考察する。地上局は、ＬＥＯ衛星からの送信を受信し、かつ／又はＬＥＯ衛星に送信するために、地上に配置されたアンテナを含み得る。地上局のアンテナは、適切な周波数、特にＲＦ周波数を、ＬＥＯ衛星との間で送受信するための任意の適切なアンテナであってよい。各ＬＥＯ衛星は、１つの、また好ましくは複数のアンテナで構成され得る。例えば、ＬＥＯ衛星は、（例えば、衛星の軌道方向に対して）前方に前方ビームを送信する第１のアンテナと、後方方向に後方ビームを送信する第２のアンテナとを有してもよく、アンテナは別個に制御され、それぞれのビームを制限又は拡大し、又は消滅させ得る。衛星アンテナは、１つ又は複数の位相アレイアンテナを備え得る。例えば、位相アレイアンテナは、ビームカバレージ、特にビーム構成及び角度を制御するように制御可能な幾つかの個別の放射素子を設けて構成され得る。幾つかの実施形態によれば、（例えば、命令を含むチップ又は他の回路構成要素に格納されたソフトウェアを含み得る）ビーム角を操作するための命令がプログラムされた専用コンピュータを含み得る衛星上のコンピュータは、衛星軌道に従って増減され、又はアンテナのカバレッジを最大にするために実行され得るビーム投影を生成するようにアンテナアレイを制御するために使用され得る。コンピュータは、好ましくは、ＧＥＯ衛星通信（ＬＥＯ衛星及びＧＥＯ衛星伝送が同じスペクトルを使用する場合を含む）と干渉する可能性のある送信をなくすために、アンテナの動作を調整するための命令を含むソフトウェアを含んで構成される。これは、アンテナからの投射のビーム角を制御し、かつ必要に応じて（例えば、ＧＥＯ地上局アンテナのガードバンド範囲内にある場合）アンテナをオフにすることによって実行され得る。幾つかの好ましい実施形態によれば、コンピュータは、本明細書に記載の決定に従ってビーム投影を操作するように構成され得る。衛星ビームは、好ましくは所望のカバレッジビームを生成し、（例えば、ＧＥＯ地上局の）ＧＥＯ衛星アンテナのガードバンド内の送信を回避するために、機械的、電子的、又は両方の方法で操作される。
【００７２】
これら及び他の利点は、本発明によって実現され得る。本発明は特定の実施形態を参照して説明されが、その説明は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものと解されるべきではない。当業者には、本明細書に記載され、たかつ添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更が可能であろう。
【００７３】
【数６】
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【数７】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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