(57)【要約】      （修正有）【課題】高スループット（大情報量能力の）分散型衛星（High Throughput Fractionated Satellite，ＨＴＦＳ）システムおよび方法を提供する。【解決手段】高スループット分散型衛星（ＨＴＦＳ）システム１００および方法においては、従来の巨大な宇宙船の機能的能力が、多数の小型または超小型衛星３０２、および中央指令・中継衛星２００に分散され、それらの衛星は、慎重に設計されたフォーメーションで、分離した状態で飛行し、宇宙空間に非常に大きな１つのアパーチャ（開口）、または複数のアパーチャ（開口）を生成し、コストおよび重量を大幅に削減し、空間的にスペクトルを再利用することによって大情報処理性能を可能にする。【選択図】図１Ａ
2019001446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのアンテナをそれぞれ備え、互いの距離が維持され、結合型の開口システムを宇宙空間に構成する、組織化された複数の遠隔衛星を含む、遠隔衛星のアレイを有する、高スループット衛星システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の遠隔衛星が分散されている、システム。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記複数の遠隔衛星が分散されている前記アレイと通信する制御衛星をさらに有する、システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記アレイは地球から低周波信号を受信し、前記制御衛星はより高い周波数の信号を地球に送信する、システム。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記制御衛星は、地上局から高周波信号を受信し、その受信信号を送信し、
前記複数の遠隔衛星は、前記高周波信号を受信し、その信号を低周波数で複数のエンドユーザ装置へ送信する、システム。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、前記複数の遠隔衛星の重量を最小にする前記複数の遠隔衛星のための中央指令機能を有する、システム。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、空間的に分離された複数のビームを生成するように前記複数の遠隔衛星を制御する、システム。
【請求項８】
請求項３ないし７のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、隣接する複数のビームが同じ周波数信号スペクトルを利用せずに信号の干渉を緩和するように前記複数の遠隔衛星を制御する、システム。
【請求項９】
請求項３ないし８のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、周波数信号を再利用し、高スループットの周波数信号スペクトルの再利用を可能にするように前記複数の遠隔衛星を制御する、システム。
【請求項１０】
請求項３ないし９のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、前記複数の遠隔衛星からの信号を集約し、それらの信号を、より高い周波数でそれらを地球または他の衛星に中継する、システム。
【請求項１１】
請求項３ないし１０のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、前記複数の遠隔衛星からの多数の信号を集約して周波数変換し、それらの信号をより高い周波数帯域で再送信して、地球または宇宙空間に通信を返す、システム。
【請求項１２】
請求項３ないし１１のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、高スループットな帯域幅の処理を可能にする、システム。
【請求項１３】
請求項３ないし１２のいずれかにおいて、
前記制御衛星は、分散アレイを生成し、ビーム形成にスペクトルを再利用するように、前記複数の遠隔衛星の間で信号処理を分散する、システム。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
前記分散型開口システムは、前記複数の遠隔衛星の前記開口よりも大きい規模である、システム。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星は、互いの距離を、所定の距離に、または動的に維持する、システム。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記複数の遠隔衛星は、一次重力を用いて、互いに前記距離を維持する、システム。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星は、地球の半径方向に対して実質的に直交する平面内にある、システム。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星は、それら遠隔衛星間を電磁的に結合することによって互いとの距離を維持する、システム。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれかにおいて、
前記アレイは、コサイン損失を減らし、電波到達範囲を増大する、体積型の飛行編隊配置を有する、システム。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記体積形状は位置制御操作を最小にする、システム。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれかにおいて、
アレイ信号処理アルゴリズムにより、楕円の軌跡に沿って回転する遠隔衛星を動的に適応させる、システム。
【請求項２２】
請求項１ないし２１のいずれかにおいて、
前記遠隔衛星のアレイは、宇宙空間に位置し、前記結合型の開口システムは、地球と、または宇宙空間との間で、信号を受信し、増幅し、リダイレクトする、システム。
【請求項２３】
請求項１ないし２２のいずれかにおいて、
前記遠隔衛星のアレイは、通信、地球観測、レーダー、合成開口レーダー（ＳＡＲ）、ＡＩＳ、気象分析、モノのインターネット（ＩｏＴ）、信号収集と中継、深宇宙通信と観測、およびジオロケーションを含む、商業、通信、科学、教育、状況認識アプリケーションの多目的型である、システム。
【請求項２４】
請求項１ないし２３のいずれかにおいて、
前記遠隔衛星のアレイを複数含み、それら複数のアレイは、異なる軌道傾斜または軌道に位置し、遠隔衛星のアレイの集合を形成して、地球上の通信範囲に対する再訪時間および同時性を向上させる、遠隔衛星の複数のアレイ群を含む、システム。
【請求項２５】
請求項１ないし２４のいずれかにおいて、
当該システムは、多数の遠隔衛星間で信号処理を分散することにより生成された、周波数スペクトルを再利用する分散アレイを含む、システム。
【請求項２６】
請求項１ないし２５のいずれかにおいて、
前記アレイは、エンドユーザ装置に、直に接続する機能を含む、システム。
【請求項２７】
請求項１ないし２６のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星の各１つが、衛星歴およびビーム中心の経緯度に基づいて、当該衛星によるドップラー周波数シフトに対して事前補償されたビームを形成する、システム。
【請求項２８】
請求項１ないし２７のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星の各１つが、衛星歴およびビーム中心の経緯度に基づいて、当該遠隔衛星による各ビームの中心の遅延全体が一定となるように、遅延が事前補償されたビームを形成する、システム。
【請求項２９】
請求項１ないし２８のいずれかにおいて、
前記複数の衛星の各１つが、当該衛星によるドップラー周波数シフトに基づいて事前補償されたビームを形成する、システム。
【請求項３０】
請求項１ないし２９のいずれかにおいて、
前記複数の遠隔衛星は、ＷｉＦｉを介して前記制御衛星と通信する、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高スループット（大情報量能力の）分散型衛星（High Throughput Fractionated Satellite，ＨＴＦＳ）システムおよび方法に関するものであり、従来のモノリシック（巨大）な宇宙船の機能的能力は、多くの小型または超小型衛星と、中央指令・中継衛星とに分散される。それらの衛星は、宇宙空間に非常に大きな開口（アパーチャ）または複数の開口（アパーチャ）を形成するようにデザインされた編隊（フォーメーション）を構成するように、分散して（分かれて）飛行する。ここで示す開口（アパーチャ、aperture）は、一般的に、アンテナの領域（面積）を指し、信号を送受信するアンテナの性能に関連する。開口が増えると、信号の受信、送信、および指向性におけるアンテナの有効性も増す。
【０００２】
さらに具体的には、本発明は、複数の小型または超小型衛星の配列（アレイ）システムと、中央指令および中継衛星とに関するものである。小型または超小型衛星の配列は、宇宙空間において、大きな開口（アパーチャ）として機能するように調整（組織化）されている。これにより、重量と消費電力の要件が削減され、コストが大幅に削減され、開口利得と帯域幅の再利用性とが大幅に向上する。それらの衛星は、部分的に接続していてもよく、構造的に分離されていてもよく、電磁気力、太陽光、他の自然な軌道に関連する力を利用し、ＧＰＳシステムや位置調整機能の助けにより、近接した状態を維持することが可能である。
【背景技術】
【０００３】
既存のアンテナは巨大であり、パラボラ反射器を介して電力を供給されるか、または多くのアンテナ素子のフェーズドアレイを含む。いずれの場合も、アンテナ開口部は構造的に１つであり、一般的には数平方メートルの大きさに制限される。宇宙空間に大きなアンテナ構造を展開するには、主に２つの問題がある。第１に、大きくて重い物体を宇宙空間に打ち上げるためにはコストがかかるため、サイズに伴いコストと重量が大幅に増える。そして第２に、いかなるプレハブ構造（展開する機構と支持構造を含め）も、打ち上げ時の大きな加速度に耐える必要があり、その強度は、微小な重力の動作環境よりも、むしろこれらの力を考慮に入れて設計されなければならない。
【０００４】
宇宙船構成要素の重量およびコストは、特定の衛星任務で必要とされる搭載電力に関連する。搭載電力に対する要求は、主に、ユーザー端末で要求される目標の信号対雑音比、同時に使用するユーザ数、およびチャネル帯域幅の要求に依存する。搭載電力に対する要求が増加するにつれて、衛星に搭載されるＲＦコンポーネント、バッテリー、太陽光パネル、および他の電力処理コンポーネントの重量およびコストも増加する。さらに、エンドユーザ（最終消費者の）装置および端末（例えば、携帯装置、最新のスマートフォンのような超低電力端末、ジオロケーション・ブレスレット、ラジオ、電話、携帯電話、スマートフォン、ＩｏＴ端末、およびブレスレット型の人追跡、または機械の追跡装置であり、本明細書においては「エンドユーザ装置」または「エンドユーザ端末」と記載する）は、より小さく軽くなり、それらの送信電力および指向性に伴い、それらのエンドユーザ装置および端末間の直接接続を可能にするためには、より大きな開口が宇宙では必要となる。
【０００５】
最新式のＬＥＯ通信衛星は、衛星電話や低電力ＩＯＴ装置のようなエンドユーザ装置に直接接続するように設計され、５００ｋｇ〜１０００ｋｇの重量があり、製造および打ち上げにはコストがかかる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の１つの目的は、宇宙空間に展開された大型もしくは超大型アンテナとしての能力を有する分散型開口システム（distributed aperture system）を提供することであり、開口面積は２５ｍ２〜３００，０００ｍ２程度であるが、これに限定されるものではない。本発明の別の目的としては、宇宙空間における開口システム（aperture system）であって、プレハブ構造を最小限にするか、または完全に減らせる開口システムを提供することである。これら、および他の目的によれば、本発明は超小型または小型衛星の配列（アレイ）を含み、これらは大開口（large aperture）として機能するように組織化されているが、部分的に接続されているか、または、構造的には接続されていない。
【０００７】
本アプローチには、いくつかの利点がある。第１に、接続要素となる間隙の質量は不要となり、衛星の打ち上げ重量が減少し、結果、打ち上げコストが削減される。第２に、非常に大きなアパーチャ（開口）を宇宙空間で実現することが可能であり、これは比較的低い周波数で高いアンテナ効率を実現する際に特に有利である。そして第３に、希少で高価な帯域幅を空間的に数万回以上再利用することができるため、狭ビーム（narrow-beams）を実現し、小型または超小型衛星と、制御および中継衛星との両方において、分散信号処理アルゴリズムを利用してビームフォーミングをすることで、大情報量処理能力（高スループットな性能）が可能となる。
【０００８】
このＨＴＦＳと等価なアンテナ開口（アンテナアパーチャ）は、分散型衛星開口（distributed satellite aperture）を利用することにより、そのサイズが大幅に増加する。その結果、ＲＦ部品、バッテリ、太陽光パネル、およびパワーハンドリング部品に必要なサイズが大幅に縮小されるか、または不要となり、それは、巨大な衛星（モノリシック衛星）の導波管システムと同様である。また、これにより、この衛星システムに必要な重量およびコストが大幅に削減される。
【０００９】
他の利点としては、各個別衛星で必要とされる電力レベルが低減することである。本発明のＨＴＦＳアーキテクチャは、家電機器のために数百万個の単位で構築された市販の在庫の部品を利用する。ＨＴＦＳシステムにおいて必要な重要な部品、例えば、ソフトウェア無線、ＨＰＡ、ＬＮＡ、およびフィルターも、重量およびコストが最適化された市販の在庫の部品として利用可能となる。
【００１０】
本発明に記載のＨＴＦＳシステムは、モノリシック衛星と比較した場合、同等の数のエンドユーザおよび同等の帯域幅要件を満たすために、モノリシック衛星のごく一部分（約１／１０）の重量が必要となるだけである。例えば、同等の性能を持つ１，０００ｋｇの重量のモノリシック衛星を、本発明によるＨＴＦＳであれば、全体が１００ｋｇ程度で構築でき、重量およびコストを大幅に削減できる。
【００１１】
本発明に記載のＨＴＦＳシステムは、同等の、非常に大きな分散アパーチャ（分散開口）を生成し、この非常に大きな分散アパーチャは、コスト、重量、およびスペクトルの再利用に大きな利点をもたらす。これらの利点は、一般的に、エンドユーザ端末への直接接続に使用される１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚのスペクトルに対して特に明らかである。低周波数スペクトル（例えば、１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ）は、エンドユーザと宇宙空間のＨＴＦＳシステムとの間でアンテナ、ゲートウェイ、またはＶＳＡＴシステムを使用せずにすむために特に良好である。Ｖ、Ｋａ、Ｋｕ、Ｃ、Ｘのような、より高い周波数のシステムに比べて、建物、木、飛行機の胴体、列車、車、および船舶の構造物、ならびにその他の視界の障害物によって引き起こされる損失は小さい。さらに、より高い周波数スペクトルで必要とされるエンドユーザ端末における高価で重い衛星追跡システムは、より低い帯域周波数において不要となる。また、本発明のＨＴＦＳシステムに接続する低帯域周波数においては、エンドユーザ装置は、ＨＴＦＳシステムに直に接続することができ、ＶＳＡＴ端末または高価で重い追跡アンテナは不要であり、本発明を多種多様に応用および利用できる。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の目的、ならびにそれらの意図される利点の多くは、添付の図面と併せて以下の説明を参照すると、より容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の好ましい実施形態による、衛星通信システムを示す図である。
【００１４】
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、衛星通信システムを示す図である。
【００１５】
【図２】図２（ａ）および（ｂ）は、図１Ａおよび図１Ｂのシステムのブロック図である。
【００１６】
【図３】図３は、単一チャネル受信機のノイズ温度を示す図。
【００１７】
【図４】図４は、小型衛星３０２の各々と衛星アレイ３００全体の一般的なアレイ受信システムを示す図。
【００１８】
【図５】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、地球上の通信到達範囲（フットプリント）とビーム切替（スイッチング）を示す図。
【００１９】
【図６】図６は、複数の小型衛星の代替構成を示し、複数の小型衛星は台形構成を備えている。
【００２０】
【図７】図７（ａ）は、図６のアレイの電波到達範囲（フットプリント）にフォーメーションが入る状態、図７（ｂ）は、図６のアレイのフットプリントの中央にフォーメーションが居る状態、図７（ｃ）は、図６のアレイのフットプリントからフォーメーションが離れる状態を示す。
【００２１】
【図８Ａ】図８Ａは、ビームスイッチングを示す図。
【００２２】
【図８Ｂ】図８Ｂは，ビームスイッチングを示す図。
【図８Ｃ】図８Ｃは、ビームスイッチングを示す図。
【００２３】
【図９】図９（ａ）、９（ｂ）は、放射パターンを示す図。
【００２４】
【図１０】図１０は、フットプリントセルの周波数レイアウトを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面が示す本発明の好ましい実施形態を説明するにあたり、明確化のために特定の用語を使用する。しかしながら、本発明は、それらの選択された特定の用語に限定されるものではなく、それぞれの特定の用語は、同様の目的を達成するために、同様の方法で動作するすべての技術的な等価な意味を含むものであると解されるべきである。
【００２６】
図を参照すると、図１Ａでは、本発明の非限定的な実施形態の一例における、衛星通信システムまたはＨＴＦＳ１００を示す。その衛星システムまたは衛星編隊（フォーメーション）１００は、小型または超小型の要素、例えば、複数の小型または超小型の衛星３０２（例えば、スレーブまたは遠隔衛星（リモートサテライト））と、局所制御（ローカルコントローラー）および中継衛星２００（例えば、主（マスタ）または中央衛星、ここではまた制御衛星と呼ぶ）とを含む。複数の衛星３０２は、適切な衛星であればいかなるものであってもよく、例えば、高度制御された超小型衛星３０２であってもよく、それらは、サイズは超小型で、かつ軽量（例えば、１．５ｋｇ未満の重量）のものである。多くのアンテナ素子を１つに組み合わせたものであってもよく、その利点は、複数の素子の間隙の一部を太陽電池で利用して、これらの素子で利用可能な電力を増大できることである。図示されているように、例えば、各遠隔衛星は、４つのアンテナ３０６を収容するハウジング３０４を有してもよく、アンテナは有線で電気的に互いに接続してもよい。例示のため、図１Ａにおいては、３つの遠隔衛星ハウジングのみが図示されている。
【００２７】
複数の遠隔衛星３０２は、低地球軌道（Low Earth Orbit，ＬＥＯ）で動作する。それら小型衛星３０２は、ヴァン・アレン帯より上で動作するとより高価な耐宇宙環境部品が必要となるため、１４００ｋｍにおけるプラズマのヴァン・アレン帯より下で動作する。しかしながら、本発明は、いかなる特定の軌道または軌道の組み合わせで動作することに限定されず、他の適切な軌道が、すべての低地球軌道（ＬＥＯ）、中地球軌道（ＭＥＯ）、および静止地球軌道（ＧＥＯ）を利用したものであってもよく、ヴァン・アレン帯より上であってもよい。
【００２８】
このシステム１００（中央衛星２００および複数の小型衛星３０２を含む）は、２つの主要構成である、動作構成（オペレーティングコンフィギュレーション）と、運搬もしくは保管構成（シッピング・ストレージコンフィギュレーション）とを含む。オペレーティングコンフィギュレーションでは、複数の小型衛星３０２が、宇宙空間において、全体で配列（アレイ）３００を形成する。一実施例では、１０００個の小型衛星３０２が用いられているが、小衛星３０２の数は幾つであってもよく、１０００個よりかなり多くても、かなり少なくてもよい。アレイ３００は、非常に大きな空間的広がりのある配列（空間アレイ、spatial array）３００を形成する。１０００個の小型衛星３０２の実施例では、アレイ３００は、幅および／または高さが５００メートルを超えてもよい。この配列構成（アレイコンフィギュレーション）では、小型衛星３０２によるアンテナは、大型のアンテナに相当し、地球との通信能力を拡張できる。それらの遠隔衛星３０２は、本質的に、分散されており、分散型フェーズドアレイアンテナが提供され、１つのモノリシックまたは接続されたアレイが提供されるわけではない。
【００２９】
オペレーティングコンフィギュレーションにおいて、アレイ３００は、中央衛星２００の周りに形成される。アレイ３００は、地球に対向するように配置され、構成される。すなわち、アレイ３００では上面が規定され、それは直線であっても湾曲していてもよく、上面は、全体として地球に対向している。より大きな衛星２００は、アレイ３００の編隊（フォーメーション）の、実質的な質量中心に位置する。複数の小型衛星は、互いに約数センチメートルから約２０メートル離れた位置であってもよい。
【００３０】
さらに、システム１００および複数の小型衛星３０２は、シッピング・ストレージコンフィギュレーションであってもよい。小型衛星３０２は、別体で独立した装置であり、互いに物理的に接続されていない。これらの小型衛星３０２は、保管および搬送のために、合体または一体化され、宇宙空間では大型衛星アレイ３００に変身する（を形成する）。例えば、シッピングコンフィギュレーションでは、複数の小型衛星３０２を単一の搬送容器、例えば１つの箱、に一緒に入れ、搬送のためにロケットや他の搬送装置または宇宙船に載せてもよい。１つまたは複数の搬送容器が、宇宙空間の所望の軌道のリリース位置に到達すると、その搬送容器を開けて、複数の小型衛星３０２をリリースできる。そして小型衛星３０２は、それ自体の自動操縦および／または制御衛星２００の支援により、宇宙空間で、オペレーティングコンフィギュレーションに展開しアレイを形成できる。中央衛星２００は、すでに宇宙空間に位置していてもよい。もしくは、中央衛星２００は、アレイ３００が形成される前または後に、個別の搬送容器で搬送され、宇宙空間で個別に配置されてもよい。
【００３１】
このように、搬送中に小型衛星３０２が必要とする空間を減少でき、オペレーティングコンフィギュレーションにおいては小型衛星３０２が大きなアレイを形成することを可能にする。それら複数の小型衛星３０２は、衛星３０２の数によるが、２−３平方メートルの空間に収まり、それらが宇宙空間に配置されると、多平方メートルに変換される。これはまた、アレイ３００の複雑さを低減するとともに打ち上げ質量も低減する、というのは、オペレーティングコンフィギュレーションにおいて、小型衛星３０２を互いに、または制御衛星２００に接続するための構造部材が不要となるからである。したがって、衛星配列（サテライトアレイ）３００は、人間の介在を最小限（例えば複数の衛星３０２を搬送容器および宇宙船からリリースするなど）にして形成でき、さらに物理的な人間の介在（例えばフレームまたは他の構造を構築するなど）なしで形成できる。さらに、複数のアレイ３００を宇宙空間の様々な位置に設け、衛星アレイ３００群（サテライトアレイ３００の集まり）を形成し、地球全体を覆う通信網を得ることができる。例えば、ＬＥＯ軌道に約５０〜１００個のアレイ３００を設け、地球全体を連続的に覆うことが可能である。
【００３２】
なお、複数の遠隔衛星３０２は、適切な方法で移動でき、位置決めできることに留意すべきである。図２（ａ）および２（ｂ）で図示される一実施例においては、遠隔衛星３０２および中央衛星２００には、それら遠隔衛星３０２を移動するために、電磁コイル３１４および磁気トルカ（magnetorquers）３１６を設けている。
【００３３】
さらに詳細には、図２（ａ）は、小型または超小型遠隔衛星３０２のブロック図である。遠隔衛星３０２は、処理装置３０６、アンテナ３１０を介して通信する無線トランシーバ３０８、ＧＰＳ３１２、電磁コイル３１４、磁気トルカ３１６、電源管理機能３２０、ヒートシンク３２２、太陽光電源３２４、バッテリ電源３２６を含む。これらの遠隔衛星３０２の構成要素は２つに分けられ、エネルギー管理に関連するものとエネルギー利用に関連するものである。電力は熱、光および化学の異なる発生源から得られる。これらの構成要素はそれぞれ、ヒートシンク３２２と、太陽光電源３２４と、バッテリ電源３２６とである。遠隔衛星３０２間、もしくは遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の通信は、無線トランシーバ３０８とアンテナ３１０によって行われる。
【００３４】
図２（ｂ）は、遠隔衛星３０２間、および遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の相対位置を一定に維持するための電磁システムのブロック図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、衛星の位置結滞には距離ｘおよび角度ｙが用いられる。搭載コンピュータまたは処理装置３０６は、他の遠隔衛星３０２および中央衛星２００に対する遠隔衛星３０２の所定または動的に決定された所望の（可変またはランダムであり得る）距離ｘおよび角度ｙを維持するために必要な操作（作戦、機動飛行）を計算する。これは、遠隔衛星３０２の相対位置を他の遠隔衛星３０２や中央衛星２００と比較することでなされる。電磁コイル３１４は、遠隔衛星３０２と他の遠隔衛星３０２との間もしくは遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の相対距離を変化させることで、移動するための電磁力を生成する。図２（ｂ）は、遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の距離および角度を示す。なお、遠隔衛星３０同士の間でも同様に距離および角度が維持される。
【００３５】
磁気トルカ３１６は、衛星の質量中心の周りの回転を生成し、他の遠隔衛星３０２または中央衛星２００に対する角度ｙを制御する。全地球測位システム（ＧＰＳ）３１２は、相対的な衛星位置を地球上の位置（地球的な位置、グローバルポジション）と比較する。
【００３６】
中央衛星２００は、衛星アレイの基準であり、ＧＰＳ２００を介して地球上の位置を知る必要があるが、その相対位置を知る必要はない。したがって、中央衛星２００は（遠隔衛星の場合のように）磁気トルカを使用せず、電磁コイル２０４のみを使用する。電磁気を利用した編隊飛行システム（電磁フォーメーションフライトシステム、electromagnetic formation flight system）は、電磁力および／または回転を生成することによって、各小型衛星３０２および／または中央衛星２００の間の所望の距離ｘおよび所望の角度ｙを維持する。電磁コイル３１４は、全地球測位システム（ＧＰＳ）３１２から得られた位置に対するそれ自体の位置を比較することによって距離ｘを制御する。
【００３７】
しかしながら、ＧＰＳ３１２は、遠隔衛星３０２において選択可能な手段の１つにすぎない。中央衛星２００は、ＧＰＳ２００を含み、遠隔衛星３０２は、隣接および／またはその周囲の遠隔衛星３０２に対するそれ自体の相対位置を知り、その遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の相対的な位置のみを知ればよい。しかしながら、アレイ３００内の１つまたは複数の遠隔衛星３０２がＧＰＳ３１２を利用して、その地球上の位置を決定することにより、遠隔衛星３０２の位置決めがさらに容易になる。その場合、中央衛星のＧＰＳ２０２は省略してもよく、中央衛星２００は、１つまたは複数の遠隔衛星３０２との相対位置のみを使用してもよい。
【００３８】
磁気トルカ３１６は、相対位置を測定することによって角度ｙを制御する。位置と角度が安定するまで、何回かの操作（誘導）による補正が行われる。そして、特定の衛星に影響を及ぼす高荷電粒子（すなわち、宇宙線、ヴァン・アレン帯荷電粒子など）のような攪乱（妨害）が発生した場合にのみ補正が必要となる。太陽風、軌道回転、または衛星間の相互作用は、予測可能で、誘導（機動飛行、作戦行動）の一部であるため、攪乱とはみなされない。
【００３９】
なお、電磁気は、遠隔衛星３０２間の距離を所定の動作範囲内に維持し、また、遠隔衛星３０２と制御衛星２００との間を所定の動作範囲内に維持するために利用される。しかしながら、本発明はまた、遠隔衛星３０２と地球との間、および制御衛星２００と地球との間の一次の重力（first order gravitational force）を利用し、遠隔衛星３０２および制御衛星２００の自然軌道（natural orbit）によるものも同様に利用する。本発明は、遠隔衛星３０２および制御衛星２００を、重力を利用するように位置づけ、電磁気または他の外力を利用して行わなければならない位置決め量を最小にしている。さらに、重力は、衛星３０２、２００の軌道を生成する。本発明では、衛星３００，２００の自然軌道を利用して、アレイ３００内の遠隔衛星３０２の位置、および遠隔衛星３０２に対する制御衛星２００の位置を維持する。最終的に、アレイ３００および制御衛星２００は自然に回転し、アレイ３００および衛星２００、３０２の位置は、自然回転を考慮して構成されており、その回転により必要となる衛星２００，３０２の位置調整を最小にしている。例えば、制御衛星２００は、アルゴリズムを利用して、遠隔衛星３０２の体積形状の回転に動的に適応し、および／または遠隔衛星と標的ビームの対象物（ターゲットビームオブジェクト）との相対位置または地表（地理）との相対位置に動的に適応する。そのアルゴリズムは、重力、自然軌道、および回転を考慮したものであってもよい。
【００４０】
図１Ａ、図１Ｂ，図２（ａ）および図２（ｂ）は、システム１００のブロック図であり、中央衛星２００から超小型衛星３０２に対する無線通信ネットワークを介した通信を示す。遠隔衛星３０２は、制御インターフェースを有する遠隔制御装置（リモートコントローラ）３０４（例えば、プロセッサまたは処理装置）、アンテナ、送受信機３０６を含む。この送受信機３０６は、無線通信ネットワークなどを介して制御衛星２００と通信する。それらの衛星３０２は、太陽電池で動力を供給され、日食などのために充電可能なコンデンサまたはバッテリを有する。
【００４１】
衛星３０２は、電磁気などを含めた航空電子システム（アビオニクスシステム）を含んでもよく、コントローラ３０４によって制御され、アレイフォーメイション内に衛星３０２を配置するために用いてもよい。この航空電子システムは、衛星３０２を適切な高度、位置、および向きに維持し、地球上および通信到達範囲（フットプリント）の装置との通信能力を最大化すると共に、複数の衛星３０２をアレイ３００のフォーメーションの状態に維持することができる。これらの遠隔衛星３０２は、適切な航空性能を得るために他の遠隔衛星３０２と通信してもよい。
【００４２】
小型遠隔衛星３０２と制御衛星２００との間で電磁気力が利用され、遠隔衛星３０２のフォーメーションと向きとが維持され、さらに、電力を分配するために用いられる。磁力の発生に関連する付加的な質量は、要素間を構造的に接続するための質量よりはるかに小さく、さらに、それらを展開するための機構の質量よりもはるかに小さいであろう。
【００４３】
アレイ３００のそれぞれに中央制御衛星２００が設けられる。一実施形態では、制御衛星２００は、キューブサット（CubeSat）または小型衛星であってよい。制御衛星２００、各小型衛星２００と通信する。例えば、制御衛星２００は、各遠隔衛星３０２のリモートコントローラ３０４と通信する中央制御装置（背セントラルコントローラ（例えば、プロセッサまたは処理装置））を有してよい。その中央コントローラは、遠隔コントローラ３０４を介して、遠隔衛星３０２の動作を制御することができ、中央衛星２００、遠隔衛星２００、および地上局の間の通常の通信中などであっても制御でき、さらに、地上局から受信するコマンドを遠隔衛星２００に実行させてもよい。中央コントローラは、遠隔衛星３０２の編隊（フォーメーション）をアレイ３００となるように制御してもよい。また、中央コントローラは、アレイ３００による電磁波シェーディングまたは閉塞を回避し、展開および動作中の通信周波数を制御するように、中央衛星２００の位置を制御してもよい。
【００４４】
遠隔衛星３０２は、いかなる形状であってもよい。さらに、衛星配列（サテライトアレイ）３００は、正方形、長方形、六角形、または円形のいずれかの形状であってもよく、遠隔衛星３０２が行および列をなすように互いに整列しており、したがって、このアレイは二次元アレイ（二次元配列）である（すなわち、行およびアレイはｘｙ座標で示される）。複数の遠隔衛星３０２は、相互に所定の距離だけ離れるように制御される（または、他の実施形態では、距離は、遠隔衛星３０２ごとに異なっていてもよく、遠隔衛星３０２および／または制御衛星２００により動的に制御されてもよい）。しかしながら、衛星３０２および衛星アレイ３００は任意のサイズおよび形状であってもよく、間隔も同様であり、アレイは三次元でもよい。
【００４５】
図１Ｂは、通信方式を示す。エンドユーザ端末５００は、サブ２ＧＨｚ周波数を介して、多数の衛星３０２と通信する。この周波数は、Ｔｘエンドユーザ周波数と呼ばれる。図示しているように、また図１０でさらに説明されるように、地上の電場到達範囲の複数のセル（footprint cells、フットプリントセル）は、それぞれ、４つの異なる周波数のうちの１つで通信する。すなわち、第１のフットプリントセルのエンドユーザ端末５００は、第１の周波数Ｆ１で通信し、第２のフットプリントセルのエンドユーザ端末５００は、第２の周波数Ｆ２で通信し、第３のフットプリントセルのエンドユーザ端末５００は、第３の周波数Ｆ３で通信し、さらに、第４のフットプリントセル内のエンドユーザ端末５００は、第４の周波数Ｆ４で通信する。したがって、周波数Ｆ１〜Ｆ４は、複数回（すなわち、複数の異なるフットプリントセルに位置するエンドユーザ端末と通信するために）再利用され、大情報量の帯域幅（高いスループット帯域幅）を可能にする。同じセル（例えば、第１のフットプリントセル）に配置された複数のエンドユーザ端末５００は、時分割多重化または他の適切な送信方式を使用して同じ周波数（すなわち、第１の周波数Ｆ１）で通信してもよい。
【００４６】
多数の衛星３０２と制御衛星２００は、それらの間で通信するＷＩＦＩ無線ネットワークを形成することにより、衛星３０２の受信信号を制御衛星２００で集約するとともに、衛星システムの位置調整を支援している。図示しているように、互いに、または所与のアレイ３００と通信する複数の制御衛星２００が存在してもよい。制御衛星２００は、ＫＡ帯またはＶ帯のような高周波を介して、ゲートウェイ６００（例えば地球上の地上局に配置してもよい）と通信し、それを通じて、インターネット、セルラーシステム（携帯電話システム）、またはプライベートネットワークと（例えば、ファイバ光リンクまたは他のリンクを介して）通信する。この周波数は、コールダウンリンクゲートウェイの周波数である。ゲートウェイ６００は、また高周波を介して制御衛星２００に通信を返す。この周波数は、コールアップリンクゲートウェイ周波数である。
【００４７】
制御衛星２００と多数の衛星３０２は、それらの間で通信するためにＷｉｆｉ無線ネットワークを形成する。したがって、制御衛星２００は、地球への送信信号が地球視野上に特定のビーム形成（beam forming）４００を生成するように、異なる小型衛星３０２に信号を分配することができる。多数の小型衛星３０２は、エンドユーザ装置５００に送信を返す。この周波数は、ＲＸエンドユーザ周波数と呼ばれ、低周波数であってよい。Ｆ１Ｒｘは同じ帯域だが、Ｆ１Ｒｘとは異なる周波数である。複数のセルで同じ送信周波数が再利用される。つまり、Ｆ１Ｔｘは、複数のＦ１セルのそれぞれにおいて同じであり、Ｆ１Ｒｘは複数のＦ１セルのそれぞれにおいて同じであり、Ｆ４Ｔｘは、複数のＦ４セルのそれぞれにおいて同じであり、Ｆ４Ｒｘは複数のＦ４セルのそれぞれにおいて同じであるなどである。
【００４８】
主な周波数は、送信エンドユーザ周波数Ｔｘ、受信エンドユーザ周波数Ｒｘ、（遠隔衛星３０２と中央衛星２００との間の）ネットワーク周波数、ダウンリンクゲートウェイ周波数およびアップリンクゲートウェイ周波数である。例えば、エンドユーザ周波数Ｔｘは、ＬＴＥ帯域３１とすることができる。Ｒｘエンドユーザ周波数は、ＬＴＥ帯域３１であってよい。Ｗｉｆｉ・ＡＣネットワーク周波数は、５ＧＨｚとしてもよい。ダウンリンクゲートウェイ周波数は、Ｋａ帯域であってよい。また、アップリンクゲートウェイ周波数は、Ｋａ帯域アップリンクであってもよい。
【００４９】
したがって、コントローラ衛星２００と地上ゲートウェイ（地球上に位置する）との間のアップリンクおよびダウンリンクは高周波を介して行われるが、このシステムは、異なる通信帯域を介して宇宙空間の他の衛星システムと通信するように設計されてもよく、地球上で必要とされるゲートウェイの数を減らすことができる。したがって、衛星３０２は、エンドユーザ装置または端末と低周波数で通信でき、中央衛星２００とはＷｉｆｉに相当する無線通信ネットワークを介して通信できる。このシステムは低周波で動作し、障害物による損失の低減（Moderate Obstacle Loss）に好ましい低周波を使用してユーザーデバイスおよびユーザー端末とアレイ３００との間で直に送受信できる。周波数帯域の例としては、１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲である。
【００５０】
宇宙空間における分散アンテナシステムアレイのＧ／Ｔ（感度）およびＥＩＲＰ（Equivalent Isotropic Radiated Power、等価等方放射電力）は、各小型または超小型衛星における、ヘルツ当たりのビット数、周波数再利用、および必要な電力を決定する。これを導き出すために、図３は、単一チャネル受信機におけるノイズ温度を示す。以下は、単一チャネル受信機モデルから衛星アレイ３００のアンテナアレイのＧ／Ｔを求める。
【００５１】
図４は、各小型衛星３０２、および衛星アレイ３００全体を示す、一般的なアレイ受信システムである。ビームフォーミングネットワークの出力における信号電力は、以下の式（１）の通りである。
[式１]
2019001446.tif 000003
ここでは、ＰＯは無損失（ロスレス）等方性アンテナの電力出力、Ｇｅｎはアレーアンテナ素子ゲイン、Ｇｎはｎ番目のアンテナ素子の出力からビーム成型器出力までのあるチャネルの利用可能ゲイン、Ｇｍは正規化に使用されるＧｎの最大値、ａｎ＝Ｓｑｒｔ（Ｇｎ／Ｇｍ）はｎ番目の受信機チャネル伝達関数の実効分布（effective amplitude taper）である。θｎは、ビームステアリングおよび/または位相分布を考慮して、基準チャネルの全位相シフトに対する第ｎの受信機チャネルの全位相シフトである。
【００５２】
上式において、アレイアンテナの電力ゲインを示す式（２）を代入すると、式（３）が得られる。アレイ受信システムは、出力Ｐ０Ｇａを使った同等の単一アンテナと、式（４）を使った２ポート受信機とによって表すことができる。アレイ受信機（アレイレシーバ）の実効入力ノイズ温度は以下の式（５）となる。超過出力ノイズ密度は式（６）となる。したがって、ノイズ温度は以下の式（７）となる。
[式２−７]
2019001446.tif 000004
【００５３】
ダウンリンクにおけるマルチビームの受信範囲（downlink multi-beam coverage）において、我々はサイズとしてｎ×ｎアレイを選択し、そのゲインおよびノイズ温度を、式（８）の電界強度であって、下記のテーブル１による電界強度に対応させ、衛星アレイフォーメーションは、電界強度を、衛星（上側）から、セルラーシステム（携帯電話システム）（下側）で利用される地上基地局によるものと同じになるように維持する。
[式８]
2019001446.tif 000005
[表１]
2019001446.tif 000006
【００５４】
図５に示されているように、各衛星編隊（サテライトフォーメーション）１００の制御衛星２００は、ビーム切替（ビームスイッチング）を行ってもよい。例えば、所定の領域（例えば、４００ｋｍの直径を有する）は、特定の経度および緯度の組み合わせに対応するビーム指標（ビームインデックス）で識別され、ビームは世界中に、各ビームが固有のインデックスとともに割り当てられる（マッピングされる）。その情報は、制御衛星２００のメモリに格納されていてもよい。制御衛星２００は（例えば、その衛星のＧＰＳ２０２から得られたそのグローバル位置に基づいて）、どのビームをいつ送信すべきかを決定する。したがって、本発明の好ましい一実施形態では、各ビームは、単一のサテライトフォーメーション１００とのみ通信する。したがって、複数のビームは重複しないか、もしくは最小限の重なりがあるだけであり、複数のフォーメーション１００が特定のビームに出入りする際に、サテライトフォーメーション１００はビーム切り替えを行う。ビームの切り替えを最小限に抑えるために、特定のビームに割り当てられたサテライトフォーメーション１００は、フォーメーション１００の群（集合）の全体からの１つの（特定の）フォーメーション１００となり、そのフォーメーション１００が、そのビーム位置を、最も長く継続するように、時間的にも長期間にわたるようにカバーする。制御衛星２００は、それらの位置を他の制御衛星２００とやり取り（通信）して、ビームスイッチング操作が容易に行われるようにしてもよい。
【００５５】
図５（ａ）から５（ｃ）は、本発明を説明するために、ビーム切り替えのための通信プロトコルを示す。３つの（固定された）マルチビームの電波到達範囲（フットプリント）４００を示す。多くの固定されたフットプリントが、おそらく複数のフットプリント間の重複を伴い、地球をモザイク状に隣接した状態とする（すなわち、覆う）。図５は、サテライトフォーメーション１００（制御衛星２００およびアレイ３００を含む）を示し、フォーメーション１００が、地球を周回して、あるフットプリントに近づき（図５（ａ））、そのフットプリントを通過し（図５（ｂ））、最後にそのフットプリントから離れる（図５（ｃ））。第１のサテライトフォーメーション１００は、隣接するマルチビームが天底（底）（衛星の直下）になるまで、所定の（割り当てられた）第１のマルチビームのフットプリントに対する通信をカバーする。この時点で、第１のフォーメーション１００は、その下の、隣接する第２のマルチビームのフットプリントをサービスするように切り替わる。同時に、上昇してきた第２のフォーメーションが、第１のマルチビームのフットプリントを連続的にカバーするように、マルチビームのフットプリントを切り替える。フォーメーションにおけるビーム切り替えは、フォーメーションの天体位置（エフェメリス）に基づいて行われ、すなわち、そのフォーメーションが、あるマルチビームフットプリントを離れ始めると、別のフォーメーションがそのマルチビームフットプリントに対するサービスを開始する。制御衛星２００は、遠隔衛星３０２に対し、適切な通信プロトコル（周波数など）で通信してもよい。ビーム切り替えは、制御衛星２００によって実行されるものとして説明されているが、１つまたは複数の遠隔衛星３０２によって実行されてもよい。
【００５６】
制御衛星２００は、遠隔衛星３０２に命令を発し、それによりビーム形成を行う。制御衛星２００は、Ｋａ帯域またはそれ以上の周波数で、アレイ３００のビームの集合体のベースとなる（ビームを集約する）。すべてのビームは集約され、高周波ダウンリンクを介して、制御衛星によって地上局（およびネットワーククラウド）に通信されなければならず、一方、制御衛星は、ハンドセットと通信するために、Ｋａ帯域内におけるアップリンクされたデータを様々な超小型衛星に配信する。
【００５７】
図６を参照すると、本発明の他の実施形態によるアレイ５００が示されている。アレイ５００は、ボトムアレイ（底面配列）５０２とサイドアレイ（側面配列）５０４ａ〜５０４ｄとを有する、実質的に（ほぼ）角錐台の形状を有する台形状に配置された複数の小型衛星３０２により形成される。すなわち、ボトムアレイ５０２は、楕円の軌跡に沿って行と列をなすように配置された小型衛星３０２ｅによって形成され、衛星のボトムアレイ５０２を形成している。また、各サイドアレイ（側面の配列）５０４ａ〜５０４ｄ（前方サイドアレイ５０４ａ、右サイドアレイ５０４ｂ、後方サイドアレイ５０４ｃ、左サイドアレイ５０４ｄ）は、地球の半径方向に直交する楕円の軌道に沿って行および列をなすように配置された小型衛星３０２によって構成されている。
【００５８】
図６では、いくつかの小型衛星３０２ｃ、３０２ｄ、３０２ｅが、台形アレイ５００として示されているが、台形アレイ５００の全体が、アレイ５００の底部５０２および側面５０４に沿って配置された複数の小型衛星３０２により構成されていることを示している。例えば、サイドアレイ５０４ｃは、それらは地球の半径に直交する楕円の軌跡に沿って列および行に形成された複数の小型衛星３０２ｃから成り、サイドアレイ５０４ｄは、地球の半径に直交する楕円の軌跡に沿って列および行に形成された小型衛星３０２ｄによって形成される。ボトムアレイ５０２は、実質的に正方形、長方形、または楕円形であってよく、サイドアレイ５０４は、それぞれ実質的に等脚台形形状を有してよい。したがって、サイドアレイ５０４ａ〜５０４ｄは、ボトムアレイ５０２の平坦な面から外側に向かって傾いており、互いに隣接していてもよく、または離間していてもよい。特に、アレイ５０２、５０４ａ〜５０４ｄは、それぞれ、地球の半径に対して実質的に直交している。
【００５９】
さらに図６に示すように、小型衛星３０２は、すべて同じ前向き方向５１０に配置され、その方向は、ボトムアレイ５０２の平面に実質的に垂直である。すなわち、小型衛星３０２は、任意の形状であってもよいが、１つの前向きの上部平面を含む。上面は、地球に対する所定の方向５１０に向き、複数の遠隔衛星の平面は、地球の表面に対して実質的に直交する（すなわち、地球の半径に直交する）。そのアレイは、天底領域をカバーするように位置する。大きなフットプリントでは、天底ビームは、そのフットプリントの他の領域を直に臨む（注視する、眺める、見る）ものではない。これらの領域をカバーするために、天底面に対し傾いた、他の４つの面を設けている。
【００６０】
台形、またはいかなる同様の体積型（容積型）のアレイ５００の構成は、信号の向きを領域（受信領域）に直に、またはそれに近い状態にすることが可能であり、地上局と送受信される信号におけるコサインロス（cosine loss）を管理することが可能となり、コサインロスを低減できる。制御衛星２００は、アレイ５００の質量中心に位置する。この「コサインロス」は、平面（アレイの面）の中心と、それが臨んでいる（注視している、見えている）領域とを結合する線に対する、平面の垂線の角度の余弦（コサイン）である。コサインは常に１以下であるため、常に損失であり、利得（ゲイン）ではないため、角度が大きいほど損失が大きくなる。図６における、平面５０２に対し追加された台形の面５０４ａ〜ｄは、その損失を低減するために設けられている。
【００６１】
さらに、底部５０２および複数の側面５０４は、平坦で、平面としての大きさがあり、さらに、それらが交差する、角度のあるコーナーがあるように示されていることに留意されたい。なお、その形状は、湾曲に近い形状であってもよく、湾曲した面としての大きさがあり、さらに、楕円形状となるように湾曲したコーナーを備えていてもよい。また、アレイの他の構成も異なるアレイ形状を備えていてもよく、他の三次元形状または重合した形状（ポリメトリック形状）であってもよい。さらに、アレイ５００は、地球５１０または宇宙空間５１２のいずれかを指すように、何らかの適切な方法で地球に対して方向付けられてもよい。
【００６２】
図７（ａ）〜７（ｃ）は、本発明のブロードバンド通信アプリケーションにおける、衛星位置（エフェメリス）に基づく、ビームとサブフォーメーションの割り当て使用（beam-to-sub-formation assignment use）を示し、ここでは、図７（ａ）は、フォーメーション（編隊）が地球上のフットプリント（電波到達範囲）に入る状態を示し、図７（ｂ）は、フォーメーションがフットプリントの中央にある状態を示し、図７（ｃ）は、フォーメーションがフットプリントから離れる状態を示す。フットプリントの境界線は、複数のビームをカバーするために使用されるサブフォーメーションを示す。ここでは、ビームＴＸおよびＲＸは、選択されたフォーメーションから、選択されたフォーメーションへと切り替えられる。その切り替えは、中央衛星２００との交信によりされてもよい。これらの図は、フットプリントの中央の衛星が通過する場合を示しているが、フットプリントの中央から離れた位置を通過する場合でもよい。この図は、フォーメーションがフットプリント上を通過する際の、錐台の様々な面へのビームの割り当てを示している。また、あるタイミングにおいて、錐台のすべての有効面が必ずしも常に有効である必要はないことも示している。
【００６３】
図８Ａおよび図８Ｂは、ビームスイッチング動作のさらなる非限定的な例として、図５および７とは別の通信プロトコルを示す。図８Ａに示すように（図５、７に示すように）、地球全体は、多数のビーム４５０に割り当てられ（マッピングされ）、各ビームに固有のビーム指標（ビームインデックス）が割り当てられる。その情報は、制御衛星２００のメモリに記憶されてもよい。サテライトフォーメーション（衛星編隊）１００は、地球の周りの軌道１０２として示されている。フォーメーション１００が軌道１０２を巡ると、通信範囲（フットプリント）１０４は、地球の表面に沿って移動し、それにより、サテライトフォーメーション１００は、そのフットプリント１０２に含まれる（内の）複数のビーム４５０により通信できる。したがって、サテライトフォーメーションが地球を周回するにつれて、サテライトフォーメーション１００のフットプリント１０４は、図８Ａに示す位置から図８Ｂに示す位置まで移動する。また、図８Ｃに示すように、単一の軌道１０２内に複数のサテライトフォーメーション１００が存在してもよい。図８Ｃに示すように、６つのサテライトフォーメーション１００（３つが地球の半分の上に示されているように）が単一の軌道１０２内にあってもよい。複数のサテライトフォーメーション１００のフットプリント１０４は互いに重ならない。
【００６４】
各ビーム４５０は、ビーム４５０の緯度および経度、ならびにサテライトフォーメーション１００の位置に基づいて、１つの衛星構成１００に一意的に割り当てられる。複数のサテライトフォーメーション１００が１つのビーム４５０をサービスできる場合、そのビーム４５０は、受信可能範囲の継続時間が最も長いサテライトフォーメーション１００に割り当てられる。
【００６５】
図９（ａ）、９（ｂ）は、それぞれ、６４×６４素子配列（エレメントア）と、１６×１６素子配列（エレメントアレイ）の放射パターン（放射パターンはアンテナアレイの利得（ゲイン）を、アレイの照準（ボアサイト）からの角度を関数として示している）を示す。アンテナ片（パッチアンテナ）（またはプリント回路基板）の可能なサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍであり、要素間隔は１６６ｍｍであり、周波数は７００ＭＨｚである。パッチアンテナは、ＰＣＢ上で実現可能なアンテナの１つのタイプである。マイクロストリップなど、ＰＣＢ上で実現可能な他のタイプはいくつかある。６４×６４アンテナの複合放射パターンが示されている。ここに示されているのは、狭いメインローブとはるかに小さい周囲のサイドローブである。１つの配列が、別の配列がゼロ（ＮＵＬＬ）になるように、錐台の角度を選択するのは、１つの設計上の選択枝である。また、放射パターンは、ゼロ（ＮＵＬＬ）がどこにあるかを示す。
【００６６】
図１０では、送受信周波数Ｔｘ、Ｒｘ（同じ帯域ではあるが異なる周波数で通信することができる）における、アレイ３００のフットプリントに対する周波数割り当てが示されている。４色構成が示されており、各色が異なる周波数を表す。したがって、隣接する２つのセルが同じ周波数を持たないように、任意の二次元マップを色付けするために４色（すなわち周波数）のみが必要となる。ビームが六角形セルの場合、４つの周波数で十分である（１つの行に２つの周波数を交互に割り当てることを原則とし、次の２つの異なる周波数が次の行に交互に割り当てられ、そのような行が交互に配置される）。したがって、周波数再利用係数は、望ましくは４であってもよい。しかしながら、干渉が隣接するセルに限定されている場合でも、干渉グラフＧにおける最適な色付けの問題は、ＮＰ完全であることが示されている。いくつかの最適に近いアルゴリズムが、割り当てを固定するために対して考案されている。割り当てを固定（Fixed Allocation、ＦＡ）した場合は、周波数数（または色数）の最適な数の３倍未満しか使わない。周波数再利用係数を７とするが、周波数再利用係数は４まで減らすことが可能ではある（というのは、衛星ビームは六角形のグリッドに近い形状にでき、１つのセルをスキップした干渉は小さいからである）。４つの周波数は、ｂ個のビーム（例えば、５００）を収容することができる。各ビームｂが帯域幅ｂｗを扱うことができると仮定すると、全スループット（全情報量）は各セルについてｂ×ｂｗとなる。もちろん、周波数およびフットプリントセルの最適な数はいくつであってもよく、４つより多くても、または少なくてもよい。
【００６７】
フォーメーションによる遅延およびドップラーの事前補償は、中央衛星２００で実行される。サテライトフォーメーションは、その衛星歴（エフェメリス）を考慮して、サービス中のフットプリントの各ビームの中心における遅延およびドップラーによる変動を予め補償し、そのビーム内の任意の場所におけるハンドセットにおいて見られる残留ドップラーを最小にし、ハンドセットにおいて見られる遅延をできるだけ一定の遅延に近くなるようにする。残留ドップラーおよび遅延は、ビームの中心で（各ビームの中心に対するフォーメーションの衛星歴（エフェメリス）を関数として）事前補償した後であっても変動する。結果として、ハンドフォン（携帯電話）では、センターから外れた位置で、遅延およびドップラーが変動してしまうが、その値は小さい（地上基地局サービスで観察されるであろう３倍程度）。
【００６８】
上述したように、中央衛星２００は、遠隔衛星３０２の動作を制御するために利用され、例えば、フォーメーション（編隊）を制御し、すなわち、複数の小型衛星３０２の位置決めを行い、衛星構成３００、５００を形成するように制御し、さらに、これらの遠隔衛星３０２同士の間隔も含めて制御する。なお、しかしながら、中央衛星２００を利用する代わりに、もしくはそれを利用することに加えて、遠隔衛星３０２（すなわち、遠隔コントローラ３０４）は、互いに通信し、衛星アレイ３００、５００のフォーメーションを含む、特定の動作を実行可能であることに留意すべきである。衛星衛星３０２に他の構成要素（部品、コンポーネント）を追加してもよく、例えば、近接検出器またはセンサを設けて、遠隔衛星３０２間を所定の位置に制御したり、位置を動的に変えることにより遠隔衛星３０２のフォーメーションを容易に制御できるようにしてもよい。アレイのフォーメーションは、事前に定義されていてもよく、動的に調整されていてもよい。
【００６９】
大型アンテナアレイ３００、５００は、それ自体は小型衛星である制御衛星２００のための大型アンテナとして効果的に動作する。そのため、アンテナアレイ３００，５００は、制御衛星２００と地球との間の通信を増強あるいは拡大（強化）することができる。したがって、制御衛星２００は、携帯電話などの低出力のアンテナ装置にに対し、信号を直に送受信することができる。
【００７０】
さらに、「衛星（サテライト）」という用語は、宇宙空間に置くことができる要素、物体、または装置としての遠隔衛星３０２を、広く、一般的に表していることに留意されたい。
【００７１】
図１〜２が示す実施形態では、リモートコントローラおよび／または中央コントローラは、本発明による様々な機能および動作を実行する処理装置（processing device）を含んでよい。処理装置は、例えば、コンピュータ装置、プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはコントローラであってよい。処理装置は、１つまたは複数の様々なコンポーネントまたはサブシステムを備えてよく、例えば、補助プロセッサ（コプロセッサ）、レジスタ、データ処理装置およびサブシステム、有線または無線通信リンク、および／または、メモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、アナログまたはデジタルメモリもしくはデータベースなどの記憶装置を含んでもよい。本発明で用いられるシステム、プロセス、および／またはデータのすべて、またそれらの一部は、記憶装置に記憶したり、記憶装置から読み取ることができる。この記憶装置は、本発明のプロセスを実行するためのマシン実行可能命令を記憶してもよい。処理装置は、記憶装置に記憶することができるソフトウェアを実行してもよい。特段の表示がない限り、そのプロセスは、プロセッサによって、遅滞なく、自動的に、実質的にリアルタイムで実施されることが好ましい。
【００７２】
本明細書において提供する本発明の説明および図面は、本発明の本質、基本的概念の例示に過ぎないと考えられるべきである。本発明は、様々な方法で構成することができ、好ましい実施形態に限定されるものではない。当業者には、本発明の多数の応用が容易に思い浮かぶであろう。したがって、本発明を、開示された特定の実施例、または図示し説明した構成および動作そのものに限定することは望ましくない。むしろ、全ての適切な改変および均等物は、本発明の範囲内に含まれ得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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