(57)【要約】  無線通信システムは、所定範囲の北と南の緯度に分布するランダムな低地球軌道の衛星を１００から２００個使用する。衛星自体は、衛星の位置を判定するためのオンボードのグローバルナビゲーション衛星システム回路と、特定の瞬間における衛星の位置から宛先地上局への方向をリアルタイムで計算するための経路作成回路とによって、複数の衛星間の無線リンクを介して地上局間の無線経路を作成する。衛星内の指向性アンテナは、経路無線信号を送信し、他の衛星による受信の確率を高める。一実施形態は、各衛星に固有の識別子を割り当て、任意の特定の時間にシステム内のすべての周回衛星の位置を定義する軌道情報を記憶し、送信衛星に関連する固有の識別子を無線信号に含めることによって、衛星間リンクの作成を容易にする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムであって、無線通信システムは、赤道の北および南の所定の範囲の緯度にわたって延びる地球表面のエリアをカバーするためにランダム軌道に配置された周回衛星のコンスタレーションであって、２つの前記衛星の間の少なくとも１つの無線リンクを含む無線経路を介して地上局に宛てられたデータを通信するための周回衛星のコンスタレーションを含み、前記衛星のコンスタレーションによってカバーされる前記エリアは複数のゾーンに分割され、前記コンスタレーションのそれぞれの衛星は、
地球表面に対する前記衛星の位置を判定するためのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）回路と、
複数の他の衛星から無線信号を受信し、複数の他の衛星へ無線信号を送信するための複数の指向性衛星アンテナと、
前記コンスタレーション内の前記他のランダムに周回する衛星の大多数の任意の特定の時刻における位置を定義する軌道情報を格納するための経路作成回路と、
少なくとも１つの他の衛星と無線リンクを作成するために、前記経路作成回路によって場所が判定された前記少なくとも１つの他の衛星の方向に、前記複数の前記衛星アンテナのうちの少なくとも１つから経路無線信号を送信するアンテナペアリング回路と、
を含み、
前記衛星は前記衛星に関連付けられた一意の識別子を有し、
前記経路作成回路は格納された前記軌道情報から、前記衛星が位置する前記ゾーンと、前記宛先地上局の方向の少なくとも１つの他の衛星が位置する前記ゾーンとを判定し、
前記経路無線信号は前記経路無線信号を送信する前記衛星に関連付けられた前記一意の識別子を含む、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記コンスタレーション内の前記衛星は、前記コンスタレーション内の他の衛星のほぼ全部の前記軌道情報を格納するブロックチェーンを備え、前記他の衛星に記憶された前記軌道情報で前記衛星に記憶された前記軌道情報を定期的に更新することを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記コンスタレーションに追加される追加衛星の前記軌道情報は、少なくとも１つの他の衛星から前記他の衛星の前記軌道情報を受信し、前記追加衛星の前記軌道情報は、前記他の衛星に送信されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、各衛星は、その軌道情報および一意の識別子を１つ以上の地上局に送信することで他の衛星に送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、各衛星は、その軌道情報および一意の識別子を、その複数のアンテナ上の他の衛星に送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記ゾーンは、軌道に展開する前に、各衛星の経路作成回路に格納された緯度及び経度によって定義される境界を有することを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記データは発信地上局から最初の経路衛星にアップロードされ、最初の経路衛星内の経路作成回路が、前記宛先地上局の方向における前記ゾーンの緯度および経度の境界を判定することを特徴とする無線通信システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、最初の経路衛星は、重複する領域内の他の衛星の数によって判定される面積を有する重複領域を有する少なくとも２つのゾーンを定義することを特徴とする無線通信システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、前記ゾーンは、１つ以上の地上局によって各衛星の経路作成回路へ送信される緯度及び経度によって定義される境界を有することを特徴とする無線通信システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、各衛星は、能動的な姿勢制御なしに判定される向きを有することを特徴とする無線通信システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、各衛星は、その向きを制御する受動的な姿勢制御手段を含むことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであって、前記データは、発信地上局から宛先地上局への伝送のためのデジタルデータのパケットを含み、各データ伝送パケットは、前記宛先地上局の前記アドレス情報を含むヘッダと、前記伝送の内容を表すデータストリームを含むペイロードとを含むことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、前記発信地上局及び前記宛先地上局の少なくとも一方は、前記データ伝送パケットを送受信するために、地球表面の上方をホバリングする無人車両に搭載された送受信器を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記無人車両は、
前記車両の前記位置を制御するための飛行制御と、
地球表面に対する前記車両の前記位置を判定するためのＧＮＳＳ回路と、
前記ＧＮＳＳ回路によって判定された地球表面に対する実質的に固定された位置に前記車両を維持するために前記飛行制御と協調するための制御システムと、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムであって、前記衛星は、回転軸についての回転速度で配備されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、前記複数の衛星アンテナのうちの複数のアンテナの各々は、互いに異なる複数の方向で無線信号を送信し、互いに異なる方向の無線信号を受信するための複数の給電を有する反射器を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載のシステムであって、所定の複数の前記衛星は、回転軸について第１の方向で回転して配備され、第２の所定の複数の前記衛星は、回転軸について第２の方向に回転して配備されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、前記複数の衛星アンテナのうちの複数のアンテナの各々は、互いに異なる複数の方向で無線信号を送信し、前記個別に異なる方向の無線信号を受信する複数の給電を有する反射器を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のシステムであって、所定の数の前記衛星は、第１方向における所定の回転速度で配備され、第２の所定の数の前記衛星は第２方向における第２の所定の回転速度で配備されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２０】
請求項１５に記載のシステムであって、所定の数の前記衛星は、第１方向における所定の回転速度で配備され、第２の所定の数の前記衛星は第２方向における第２の所定の回転速度で配備されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムであって、前記複数の衛星アンテナのうちの複数のアンテナの各々は、互いに異なる複数の方向で無線信号を送信し、前記個別に異なる方向の無線信号を受信する複数の給電を有する反射器を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２２】
請求項１に記載のシステムであって、前記複数の衛星アンテナのうちの複数のアンテナの各々は、互いに異なる複数の方向で無線信号を送信し、前記個別に異なる方向の無線信号を受信する複数の給電を有する反射器を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のシステムであって、前記コンスタレーション内の実質的にすべての前記衛星は、姿勢制御なしに判定される向きを有し、前記コンスタレーション内の実質的にすべての前記衛星の前記衛星アンテナは、前記衛星の間に無線リンクを作成する確率を高めるため、各衛星を取り囲む実質的に全球状の空間にわたって無線信号を送信および受信するように配置されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２４】
請求項２２に記載のシステムであって、
前記コンスタレーション内の前記衛星の全ては、実質的に同様の高度で実質的に円形軌道に配備され、
前記衛星アンテナは、軌道崩壊または配備の不一致によって引き起こされる異なる軌道高度を有する衛星間に無線リンクを作成する確率を高めるために、各衛星を囲む実質的に全球状の空間にわたって無線信号を送信および受信するように構成されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２５】
請求項１に記載のシステムであって、複数の前記衛星の各々は、その向きを制御する受動的な姿勢制御手段を備え、受動的な姿勢制御手段を有する前記衛星の各々の前記衛星アンテナは、前記衛星を囲む前記全球状の空間未満にわたって無線信号を送受信するように構成されることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２６】
請求項１に記載のシステムであって、発信地上局からデータ伝送を受信する最初の衛星から、前記データ伝送におけるアドレス情報によって識別される宛先地上局までの無線経路は、前記発信地上局から前記データ伝送を受信する最初の経路衛星と第２衛星との間の少なくとも１つの無線リンクと、前記宛先地上局への前記無線経路に含まれる前記第２衛星と第３衛星との間の第２無線リンクとを含むことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムであって、経路無線信号を受信する各衛星は、前記経路無線信号を受信した前記アンテナから経路確認信号を送信し、前記経路確認信号を受信した前記衛星は、前記経路確認信号を受信した前記アンテナから前記データを送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２８】
無線通信システムにおける使用のために適用される発信地上局であって、宛先地上局を指定するアドレス情報を有するヘッダと指定された前記宛先地上局への送信の内容を表すデータストリームを含むペイロードとを含むデジタルデータのパケットを、発信地上局から送信することができ、前記発信地上局は、ランダム軌道内の複数の衛星のコンスタレーションにおいて、最初の経路衛星に前記デジタルデータのパケットを送信するように構成され、前記デジタルデータのパケットは、前記指定された宛先地上局が最初の経路衛星のラインオブサイトを越えて位置する場合、前記指定された宛先地上局のラインオブサイト内の終端経路衛星による受信のために、前記最初の経路衛星から送信されることができることを特徴とする発信地上局。
【請求項２９】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記デジタルデータのパケットは、前記最初の経路衛星から少なくとも１つの中間経路衛星によって、および前記中間経路衛星のうちの１つから終端経路衛星によって受信されることができることを特徴とする発信地上局。
【請求項３０】
請求項２９に記載の発信地上局であって、前記デジタルデータのパケットは、第１の中間経路衛星が前記最初の経路衛星から、少なくとも１つの追加の中間経路衛星が前記第１の中間経路衛星から、および終端経路衛星が前記少なくとも１つの追加の中間経路衛星から、受信されることができることを特徴とする発信地上局。
【請求項３１】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記コンスタレーションは、少なくとも１００個の衛星を含むことを特徴とする発信地上局。
【請求項３２】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記宛先地上局は、前記最初の経路衛星から少なくとも３５００マイルであることを特徴とする発信地上局。
【請求項３３】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記宛先地上局は、前記発信地上局とは異なる国にあることを特徴とする発信地上局。
【請求項３４】
請求項２８に記載の発信地上局であって、複数の指向性アンテナをさらに備え、前記指向性アンテナのうちの少なくとも１つは、前記デジタルデータのパケットを送信することを特徴とする発信地上局。
【請求項３５】
請求項３４に記載の発信地上局であって、前記複数の指向性アンテナの各々は、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信する複数の給電部を有する反射器を備え、前記デジタルデータのパケットは、複数の前記給電部から送信されることを特徴とする発信地上局。
【請求項３６】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記宛先地上局は、前記発信地上局と同じ国にあることを特徴とする発信地上局。
【請求項３７】
請求項２８に記載の発信地上局であって、前記最初の経路衛星は、前記デジタルデータのパケットを前記宛先地上局に向かう方向に送信することができることを特徴とする発信地上局。
【請求項３８】
請求項３７に記載の発信地上局であって、前記最初の経路衛星は、地球表面に平行な平面内で６０°、前記地球表面に垂直な上下方向で３０°にまたがる領域で前記デジタルデータのパケットを含む複数の無線信号を送信でき、前記コンスタレーションは、少なくとも１００個の衛星を含むことを特徴とする発信地上局。
【請求項３９】
無線通信システムにおける使用のために適用される宛先地上局であって、前記宛先地上局を指定するアドレス情報を有するヘッダと前記宛先地上局への送信の内容を表すデータストリームを含むペイロードとを含むデジタルデータのパケットを、発信地上局から送信することができ、前記宛先地上局は、ランダム軌道内の複数の衛星のコンスタレーションにおいて、終端経路衛星から前記デジタルデータのパケットを受信するように構成され、前記宛先地上局が、前記発信地上局から送信された前記デジタルデータのパケットを受信するように構成される最初の経路衛星のラインオブサイトを超えて位置する場合、前記デジタルデータのパケットは、前記最初の衛星から前記終端経路衛星に送信されることができることを特徴とする宛先地上局。
【請求項４０】
請求項３９に記載の宛先地上局であって、前記宛先地上局は前記発信地上局とは異なる国にあることを特徴とする宛先地上局。
【請求項４１】
請求項３９に記載の宛先地上局であって、前記宛先地上局は前記発信地上局と同じ国にあることを特徴とする宛先地上局。
【請求項４２】
請求項３９に記載の宛先地上局であって、最初の経路衛星は、前記デジタルデータのパケットを前記宛先地上局に向かう方向に送信することができることを特徴とする宛先地上局。
【請求項４３】
無線通信システムであって、無線通信システムは、赤道の北と南と緯度の所定の範囲をカバーするようにランダムに配置された少なくとも１００個の衛星であって、前記衛星のうちの２つの間の少なくとも１つの無線リンクを含む無線経路を介して地上局に宛てられたデータを通信するための衛星からなるコンスタレーションを含み、前記衛星のコンスタレーションによってカバーされるエリアは、それぞれが少なくとも１，０００，０００平方マイルの複数のゾーンに分割され、前記コンスタレーションの各衛星は、
地球表面に対する前記衛星の位置を判定するためのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）回路と、
複数の他の衛星から無線信号を受信し、複数の他の衛星へ無線信号を送信するための複数の指向性衛星アンテナと、
前記コンスタレーション内の前記ランダムに周回する衛星の大多数の任意の特定の時刻における位置を定義する軌道情報を格納するための経路作成回路と、
少なくとも１つの他の衛星と無線リンクを作成するために、前記経路作成回路によって場所が判定された前記少なくとも１つの他の衛星の方向に、前記複数の前記衛星アンテナのうちの少なくとも１つから経路無線信号を送信するアンテナペアリング回路と、
を含み、
前記衛星は前記衛星に関連付けられた一意の識別子を有し、
前記経路作成回路は格納された前記軌道情報から、前記衛星が位置する前記ゾーンと、前記宛先地上局の方向の少なくとも１つの他の衛星が位置する前記ゾーンとを判定し、
前記経路無線信号は前記経路無線信号を送信する前記衛星に関連付けられた前記一意の識別子を含む、
ことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
本出願は２０１７年１２月１１日提出の米国特許仮出願６２／５９６，９２８号の利益を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。発明者の米国特許出願１５／６５６，１１１（２０１７年７月２１日提出）、１５／７１９，６１１（２０１７年９月２９日提出）、６２／５８０，４６３（２０１７年１１月２日提出）、および６２／５９５，９１９（２０１７年１２月７日提出）、ならびに発明者の国際出願ＷＯ２０１８／０３９２９２（２０１８年３月１日公開）も参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
［発明の分野］
【０００３】
本発明は、軌道上のリンクノードを使用して地上のある場所から別の場所へデータを送信することに関し、より詳細には、１つ以上の衛星から衛星への無線リンクを含む無線経路を介して地球表面上の遠方の地上局間でデータを伝送することを可能にするのに十分な数の複数のランダム軌道の衛星の群れ（コンスタレーション）内の衛星の間に無線リンクを確立することに関する。
【０００４】
［関連技術の説明］
【０００５】
発明者の米国出願１５／６５６，１１１（しばしば「’１１１出願」と呼ばれる）は、能動的な内蔵姿勢制御なしにランダム軌道の衛星を使用する新規な無線通信システムを開示している。（本明細書および相互参照出願で使用される「ランダム軌道」の特別な意味は、以下でさらに引用される。）多くの公知の空間ベースの通信システムにおける衛星とは異なり、’１１１出願における衛星は、特定の軌道または姿勢でそれらを維持するための推進システムまたは可動機械部品を有さない。結果として、衛星は、非常に小さく、軽く、低コストで作ることができ、場合によっては数百の衛星のコンスタレーションを、一般的な従来技術の衛星通信システムで使用される衛星インフラストラクチャの種類を確立するのに必要なコストの一部で軌道に発射および挿入することを可能にすることを目的としている。一実施形態では、発明者の以前のシステムは、２００以上までの十分な数のそのような衛星を使用して、複数の衛星が地球の表面の任意の所与の領域から見通し線上にある可能性があるようにする。無線リンクを作成する固有の方法を新規衛星アンテナ構造と組み合わせることによって、システムは、衛星コンスタレーションおよび地上とのデータ通信のための地上から衛星への無線リンクを容易に確立することができる。発明者の’１１１出願および出願１５／７１９，６１１（しばしば「’６１１出願」と呼ばれる）は、本明細書に開示されるシステムにおいて有用な衛星のためのアンテナ構造の様々な実施形態を開示する。
【０００６】
’１１１号および’６１１号出願における衛星無線システムは、主に、ランダム軌道における十分な衛星では、地上局および他の衛星（集合的に「ノード」と称される）のラインオブサイト上に十分な数があり、２つの異なるノード上のアンテナが一緒にペアリングし、ノード間無線リンクを形成することを可能にする確率に主に依存する。しかしながら、任意の２つの地上局の間に無線ルートを作成することができる確率は、より多くの衛星間リンクがルートに組み込まれるにつれて減少する。’１１１号および’６１１号出願に記載されるもののように構成された衛星アンテナは、異なる衛星上のアンテナがペアを形成する可能性を増加させるが、２つの地上局間の最も信頼できる経路作成は、単一の衛星を通る２ホップ経路を伴う。これは、地上局は、比較的低い利得のアンテナおよび限られた利用可能な電力を有する衛星のようにサイズまたは重量が制限されないので、地上局は、はるかに多くのアンテナを使用し、それらをはるかに強力にすることができるためである。
【０００７】
多くの場合、単一の衛星への経路を制限することは、システム性能にほとんどまたは全く影響を及ぼさない。例えば、ランダム軌道で２００個の衛星のコンスタレーションを使用する’１１１出願に記載されている一実施形態では、エジプトのような所与の国のどこかの地上局は、約１０個の衛星を「見る」可能性がある。あるいは、別の言い方をすれば、特定の衛星が地上局の位置からどれだけ水平に近いかに応じて、少なくとも１つの衛星が領域内のいずれの場所の視界内にもない確率は、わずか約１００万分の３５である。単一の衛星経路でより大きな距離をカバーする１つの方法は、２つの中間地上局の間に地上接続を提供することである。この手法では、発信地上局は、地上的に別の中間地上局に接続される１つの中間地上局に、単一衛星経路を介して接続されている。第２の中間地上局は、次に、単一衛星経路を介して宛先地上局に接続される。しかし、このアプローチは、海のような大きな水域によって、または砂漠や熱帯雨林のような気候の悪い地形によって分離される地上の場所に対して実装することは困難であり得る。
【０００８】
衛星間リンクを使用して、広く分離した場所にわたる間隔をあけた通信を可能にすることは、主に、所定の軌道で維持される衛星を含むシステムインフラストラクチャのコンテキストにおいて、アプローチされてきた。米国特許７，５０２，３８２（Ｌｉｕら）は、衛星間無線リンクを介して情報を送信することを特に意図されたシステムの例を示す。Ｌｉｕは、所定の軌道平面を有する複数のコホートに衛星を配置する。特許に記載される実施形態では、衛星は、３つの固定軌道にあり、９つの衛星のコホートがそれぞれの軌道内に均一に分布している。軌道上のコホートのうちの１つにある任意の衛星は、同じ軌道中の隣接する衛星と、および他の軌道の各々における衛星と、無線リンクを確立することができる。別の軌道平面内の衛星に向けられたソース衛星から送信された情報のパケットは、平面内のリンクを介して、宛先衛星が位置する別の平面とのリンクを形成することができる同じ平面内の衛星に移動する。ルーティングテーブルは地面からアップロードされ、ある衛星から別の衛星への経路が定められるように、各衛星に格納される。
【０００９】
Ｌｉｕのシステムは、少なくとも理論的には有効な衛星間リンクを作り出すことができるが、上述の特許出願に記載されている従来技術と同じ欠点の多くを被る。Ｌｉｕは、衛星をしっかりと規定した軌道で維持することを必要とし、この軌道は、推進システムを有することを必要とし、したがって、衛星を大型かつ重くし、構築および発射するのに費用がかかる。しかしながら、既知の軌道に維持された衛星を有するＬｉｕシステムによって採用される経路作成技法は、衛星が所定の軌道にないシステムでは機能できないことが当業者には明らかであろう。すなわち、Ｌｉｕのシステムのオペラビリティは、各衛星が他の衛星に向かって信号を送信する正確な方向を知っているように、衛星を特定の高度で正確に維持された軌道に置くことに依存する。
【００１０】
実際に商品化された同様の衛星システムの例は、米国特許５，２７４，８４０（Ｓｃｈｗｅｎｄｅｍａｎ）及び米国特許５，４１０，７２８（Ｂｅｒｔｉｇｅｒら）などの様々な特許に開示されており、その両方はモトローラ社に譲渡されている。また、このシステムは、所定の数の極軌道に均等に分配された衛星を、衛星間、衛星と地上のトランシーバとの間の信号のためのトランシーバとして利用した。このシステムは、イリジウムによって商品化されているが、衛星を既知の所定の軌道に保持することに依存して、すべての衛星システムに共通の欠点を有していた。衛星は、それらの所望の軌道を維持するために、内蔵のスラスタ、ロケット燃料、およびナビゲーションハードウェアを必要とし、衛星サイズおよび重量を増加させた。これは、今度は衛星を発射するのにコストがかかり、高価であった。そして、不可避の衛星障害に対処するために、余分の衛星が、失敗した衛星の軌道に操作されなければならず、したがって、余分の衛星およびそれに付随する高い製造および発射コストを必要とし、システム全体のコストを増大させる。複雑なコンピュータ技術を用いた地上型の軌道および姿勢制御は、システムコストをさらに増大させた。最終的に、このシステムは、軍事用途および遠隔地からのジャーナリストによる報告などの特殊な分野での使用が見出されたと考えられているが、その欠点のために大量市場の用途のために商業的に利用不能となった。
【００１１】
これらのような従来技術のシステムでは、地上局間の無線経路が遠く離れすぎて、２ホップの地上−衛星−地上の無線経路によってリンクされる可能性がある。しかしながら、従来技術のシステムは、内蔵推進システムを有する衛星が、所定の軌道に挿入され、そこに維持されることを必要とする。これは、衛星をエンジニアリングおよび製造するのに費用をかけ、衛星の重量を増大させ、衛星を発射するのに費用をかけさせる。さらに、これらのシステムの動作は、衛星を所定の軌道に維持するためにインフラストラクチャおよび要員を必要とする。衛星の軌道が崩壊するか、またはその推進システムが故障すると、別の重い費用がかかりやすい衛星をシステム内の故障した衛星の場所に挿入しなければならない。
【００１２】
必要とされているのは、地球の表面上の遠方の場所間のデータ通信を確実に送達するために、制御されないランダム軌道に配備された’１１１号および’６１１号出願に記載されているような小型で軽量の衛星を使用する方法である。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、衛星を所定の軌道で維持する必要がなく、または衛星を互いに対して所定の姿勢で維持するための能動的な姿勢制御機構を組み込むことなく、信頼できる衛星間無線リンクを確立することができる複数のリンクノードを提供する衛星のコンスタレーションを備える無線通信システムを提供することである。これらの特徴は、安価に設計および打ち上げすることができる小型軽量衛星の使用を可能にする。
【００１４】
本発明の別の態様では、衛星は、複数の方向で送受信が可能な複数のアンテナを含む。本システムで使用するのに好適な衛星の実施形態は、同時係属中の米国特許出願１５／６５６，１１１及び１５／７１９，６１１に記載されており、両方の出願に記載される衛星の構造および動作は、完全に記載されるかのように参照により本明細書に組み込まれる。これらの衛星は、発明者の以前の米国出願およびその国際出願ＷＯ  ２０１８／０３９２９２（しばしば「ＷＯ’２９２」と称する）に記載されるシステムおよび方法と比較して、互いに離れた地上位置間のデータ通信の信頼性および予測性を増加させるために、本明細書に記載されるランダム軌道システムおよび方法において使用され得る。本明細書で説明されるシステムおよび方法は、２ホップ／１衛星無線経路がそれらの間に確立するのが困難または不可能であり得るように、遠く離れた地上場所の間に無線経路を作成する際に特に有用性を有する。
【００１５】
本明細書に開示されるシステムおよび方法の特定の態様は、衛星上のソーラーパネルを介して再充電されるバッテリによって電力供給される多数の軽量ランダム周回衛星で地球を覆うことを含み、衛星の各々は、地球の表面に対するその位置を決定することを可能にする内蔵グローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）回路を有する。この能力を用いて、データ伝送のための衛星間無線リンクを確実に作成するためのいくつかの新規な戦略が利用可能である。地球表面上のすべてのまたはほぼすべての場所が多数の衛星の視界内にあることを保証するためにコンスタレーション内に十分な数の衛星があるという事実と組み合わせて、データは、単一の衛星を介して通信するには遠く離れすぎた地上局間で確実に送信されることができる。
【００１６】
本発明によるある好ましい経路作成戦略では、すべての衛星は、他のすべての衛星の軌道パラメータを記憶する。これは、特定の宛先の地上場所に対して指定されたデータ伝送を受信した１つの衛星が、その宛先への好ましい無線経路を提供するためにデータ通信を送信できる１つ以上の他の衛星を選択することを可能にする。衛星は、その特定の軌道パラメータを、１つ以上の地上局を介して、または衛星コンスタレーション全体を通して拡散するために他の衛星に直接送信することによって、他の衛星に送信することができる。
【００１７】
本発明の一態様は、そのような衛星の各々に、多くの異なる方向で送受信が可能な複数のアンテナを組み込むことに一部留意する。無線リンクは、ある衛星内のアンテナから送信された無線ビームが別の衛星内のアンテナによって受信されるときに作成され得る。これは、本明細書では「ビーム整合」と呼ばれることもある。一意のアンテナ構成、ならびに衛星および地上局からの一意に符号化された無線送信を使用することにより、１つ以上の衛星を介して無線リンクを組み立てることによって地上局間で無線経路を確立することができる。
【００１８】
より一般的な態様の１つでは、本発明は、計算を実行し、アンテナを選択して、衛星が姿勢制御を伴わずに制御されない軌道で動くときに仮想的にリアルタイムで１つ以上の衛星を介して地上局の間に無線経路を作成することができる、オンボードのコンピュータを有する固有の衛星構成を使用する。無線経路は、衛星によって運ばれるコンピュータによって実行される方法によって決定されるので、中央コンピュータは、どの衛星または複数の衛星が地上局間の最適な無線経路を含むかを指定する必要はない。
【００１９】
本明細書に開示されるシステムの特定の利点は、好ましい実施形態において、それが、打ち上げコストを低減し、衛星を特定の軌道および特定の姿勢に維持するための複雑でコストのかかる制御システムの必要性を排除する軽量のバッテリ駆動型の衛星で地球を覆うことによって、上記の特徴および以下により詳細に説明される特徴を提供することである。本発明の別の態様は、衛星重量、サイズ、および電力に対する制限が地上局に当てはまらないので、衛星で使用されるアンテナ配置とは異なるアンテナ配置を有する地上局を使用する。これは、地上局が、より大きいアンテナ密度（所与の球面領域にわたってより多くのアンテナビーム）を有し、より多くの電力（利得）を有するアンテナを使用することができ、したがって、１つ以上の衛星を介して任意の２つの地上局間でデータ通信が可能であることを事実上保証することを意味する。
【００２０】
本発明の別の実施形態は、軸の周りをスピンまたは回転する衛星を使用することによって、衛星間の、および衛星と地上局との間の無線リンクを確立する衛星の能力を向上させる。これは、各衛星が所与の期間の間に他の衛星上でより多くのアンテナを「見ている」可能性があるため、２つの衛星の間にビーム一致を生成する確率を増加させる。これは、それに対応してより狭いビーム幅を有するより高い利得のアンテナの使用を可能にし、したがって、無線リンクの強度およびデータ伝送の信頼性を増加させる。通常、衛星は所定の角速度で配備され、これは異なる衛星に対して異なり得る。この実施形態の一変形形態では、システムは、反対方向に回転する衛星を含む。この実施形態を実現するさらなる考察は、以下の詳細な説明において考察される。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態は、さらに、システムノード（衛星および地上局）間の無線リンクを確立するシステムの能力を、所定の球領域にわたって各アンテナから複数の無線ビームを送信するために多給電パラボラアンテナを使用することによって向上させる。アンテナは、各無線ビームがより多くの利得を有するように、他の実施形態で使用される単一給電アンテナよりも大きい反射器を有する。本実施形態による衛星は、同等の数の単一給電アンテナを有する衛星よりも大きく重い可能性があるが、システムノード間のより高品質の無線リンクを表すビーム整合を生成するために利用可能な非常に増加した数の高利得無線ビームを送信する。
【００２２】
本発明のさらに別の実施形態では、地上局は、典型的には５００フィート以下の高度で、低飛行ドローン上に搭載されて、特定の地上局によって提供される面積を増加させ、システムと接続することができる地球上のユーザの数を増加させることができる。この実施形態は、集団密度が低い地域またはアクセス可能性が限られた地域において特に有用性を有し、同等の数のユーザにサービスするために複数のタワーベースの地上局を構築することは、非常に高価であろう。
【００２３】
本発明のこれらおよび他の態様および特徴ならびにその実施形態は、本明細書が進むにつれて、より詳細に網羅される。
【００２４】
本概要は、以下でさらに詳細に説明される概念の選択を単純化した形式で紹介するためにのみ提供される。本明細書で請求される主題の主要な又は必須の特徴を特定することは必ずしも意図されておらず、請求される主題の範囲を決定する際に補助として使用されることも意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の目的は、同様の符号および文字が全体を通して同様の特徴を指す添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。以下は、添付の詳細な説明で使用される図面の簡単な識別である。
【００２６】
【図１Ａ】本明細書で開示および請求される空間ベースの無線システムにおいて低地球軌道における衛星の使用に関連する幾何学的原理を示す。
【図１Ｂ】本明細書で開示および請求される空間ベースの無線システムにおいて低地球軌道における衛星の使用に関連する幾何学的原理を示す。
【００２７】
【図２】本明細書で開示および請求される空間ベースの無線システムにおいて使用するのに適した衛星の実施形態を概略的に示す。
【００２８】
【図３】図２に示される衛星の様々な動作コンポーネントの表現である。
【００２９】
【図４】本発明の特定の態様による、長距離にわたってデータ伝送を提供するための原理となるシステムおよび方法を示すために使用される、低地球軌道に配置された２つのそのような衛星の１つの軌道横断を示す地球のメルカトル投影図である。
【００３０】
【図５】各衛星が他のすべての衛星の軌道を定義するパラメータを知るように、衛星インフラストラクチャが図４に示されるコンスタレーションから作成される本発明の実施形態を実施するために衛星と地上局との間で交換される情報を概略的に示す。
【００３１】
【図６】衛星間無線通信を容易にするためのアンテナ構成を示す、図２に示される衛星などの球状衛星の表面の一部の概略二次元描写である。
【００３２】
【図７】本発明の特定の実施形態による衛星間リンクの確立を示すためにゾーンに分割された地球の表面を示す。
【００３３】
【図８】特定の瞬間に地球の表面の一部の上に配置された複数の周回衛星Ｓを示す図７の一部を表す。
【００３４】
【図９】図８に示す地球表面の部分の地上局間の地球表面のスワスにおける衛星対間の距離をマイルで表したエントリを有するマトリックスである。
【００３５】
【図１０Ａ】衛星間無線リンクを使用する空間ベースの通信システムの代替実施形態による回転衛星を概略的に示す。
【図１０Ｂ】衛星間無線リンクを使用する空間ベースの通信システムの代替実施形態による回転衛星を概略的に示す。
【図１０Ｃ】衛星間無線リンクを使用する空間ベースの通信システムの代替実施形態による回転衛星を概略的に示す。
【００３６】
当業者は、図面は厳密に一定の縮尺ではないが、それにも関わらず、以下の好ましい実施形態の詳細な説明で理解すると、本発明を作製および使用するのに十分であることを容易に理解するであろう。
発明を実施するための形態
【００３７】
以下の詳細な説明は、請求される主題を実施する様々な方法を示す特定の実施形態の具体例を提供することを意図している。これは、特許請求される主題が関連する当業者の知識のレベルを考慮するように記載される。したがって、特定の詳細は、そのような人が本明細書に記載される実施形態を実現させるのに不要なものとして省略され得る。
【００３８】
本発明の特定の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、以下のように編成される。
Ｉ．  定義
ＩＩ．  衛星リンクノードを用いたシステムの基本的な概念および原理
Ａ．  衛星デザイン：アンテナ構成およびオンボードの制御回路
Ｂ．  衛星間無線リンクを容易にする衛星特徴
ＩＩＩ．  経路作成方法
Ａ．  汎用衛星インフラストラクチャの作成
１．  地上局：衛星からのビットパラメータの中継
２．  衛星間で直接伝送される軌道パラメータ
Ｂ．  衛星間リンクによる無線経路の生成のためのゾーン／マトリックスシステム
１．  フルゾーン／マトリックスシステム
２．  制限ゾーン／マトリックスシステム
３．  ダイナミックホールドゾーン／マトリックスシステム
４．  可変ゾーン／マトリックスシステム
Ｃ．  衛星間リンクによる無線経路の生成のためのゾーン／方向システム
Ｄ．  衛星間リンクによる無線経路の生成のためのベクトル／方向システム
ＩＶ．  他の変更例および変形例
Ａ．  回転衛星
１．  反回転衛星
２．  異なる角度で移動している衛星
３．  他の考察
Ｂ．  ドローン搭載型の地上局
Ｃ．  衛星間リンクを有する無線経路に適用されるブロックチェーン原理
Ｖ．  要約および結論
【００３９】
Ｉ．  定義
【００４０】
以下の説明は、特定の意味を有することを意図した多数の用語を使用する。本明細書で説明し、請求するシステムの特定の実施形態の中心にある１つの概念は、衛星が「ランダム軌道」にあることができることである。この用語は、システム内の衛星の数との関連で考慮されなければならず、一般に、地球のカバレッジを最大化するという目的、または指定された北緯度と南緯度との間の地球の少なくとも所望のスワスを最大化するという目的を伴って、十分な数の衛星が最初に離間された軌道内に置かれることを意味する。これは、純粋な数学的意味でランダム分布を網羅するが、そのように限定されない。むしろ、周回衛星に適用される「ランダム」は、特定の場所および特定の時間における衛星の正確な測位が必要とされないこと、ならびにそれらを軌道に配置する方法が、適切な統計的方法に従って計算される、システムを構成する衛星の数および所望の確信度を考慮することを意味する。地球の表面上の任意の所与のポイントは、常に少なくとも１つの衛星の視界内にあるべきである。（衛星が軌道を描くにつれて地球表面上の任意の特定のポイントの視界内外へ常に動いているので、異なる衛星は、異なる時間に所与のポイントに対するその要件を満たすことが理解されよう。）例えば、いわゆる擬似乱数を生成する周知の方法が、初期衛星数および配置を計算するための基礎として使用され得る。「ランダム」衛星分布を達成するいくつかの方法は、「衛星打ち上げ」の節において米国特許５，５６６，３５４に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【００４１】
要約すると、「ランダム軌道」は、衛星が軌道に発射された後、任意の所与の時間における他の衛星および地球に対する任意の特定の衛星の位置が制御されないように衛星が配備されることを意味するが、それらは地球表面の特定のスワスのカバレッジを最大にするように設計された方法で配備されてもよい。上述したように、「ランダム軌道」は、衛星を数学的意味でランダムに配備することを必要としないが、衛星を使用して生成される無線経路によってサービス提供される地球の地理的エリアを考慮する衛星配備方向、角度、高度、速度などを決定するために数学的方法を使用することは、用語「ランダム軌道」の範囲内である。さらに、個々の衛星は、それらの衛星の位置を互いに対して、および地球上の観察者に対して任意の位置に見えるようにするという目的のために、それらの配置技術または他の配置技術のいずれかと組み合わせて、異なる軌道方向（地球の周りの前向きまたは前向き）に打ち上げることができる。例えば、衛星は、軌道方向（すなわち、一般に、東方向または西方向）に走行する打ち上げ車両から異なる速度で異なる方向に放出することができ、それにより、ある時間後に、衛星は、本質的に制御されない方法で軌道に分離し、本明細書で使用される定義内の「ランダム軌道」を仮定する。これはまた、所与の軌道方向に走行する１つ以上の打ち上げ車両を使用して、コンスタレーション内の衛星のすべてを発射することを含む。
【００４２】
本明細書で説明されるシステムにおいて衛星に適用される「受動的南姿勢制御」という用語および関連する「能動的な姿勢制御なし」という用語は、衛星が、外部基準系に対して衛星の姿勢を意図的に変更するために異なる位置に移動する部品を有する姿勢制御機構を有さないことを意味する。能動的な姿勢制御機構の例は、衛星にモーメントを与えて衛星を回転させることができるスラスタを有する推進システム、または衛星の重心もしくは角運動量を変化させるために使用することができる可動部品を有する機械的手段であろう。これらの用語は、部品を移動させることなく衛星の姿勢を変化させるための受動的手段の使用を排除するものではなく、それによって衛星は、単にその構造及びその製造に使用される材料によって、経時的に特定の姿勢をとる傾向がある。さらに、これらの用語は、衛星の姿勢に影響を与えるための電気的手段を排除するものではない。これは、衛星の姿勢を変化させる方法で地球の磁場との相互作用を変化させるために１つ以上の電磁石のアレイの選択的スイッチングなどの技術を含むことができる。現在公知または将来開発される同様の技術も、「受動的な姿勢制御」および「能動的な姿勢制御なし」という用語によって包含される。
【００４３】
以下の説明で使用される他の用語は、「データ通信」および「経路メッセージ」である。「データ通信」は、特に明示的にまたは文脈によって示されない限り、衛星間または衛星と地上局との間の無線リンクを介して送信されるコンテンツ（デジタルまたはその他）を含む。そのように限定されないが、本明細書で説明されるシステムは、送信の内容を表す部分（「ペイロード」と呼ばれることもある）と、例えばソースアドレスおよび宛先アドレス、誤り検出符号、およびシーケンス情報など、ペイロードがうまく配信されることを可能にする情報を含む制御部分（時に「ヘッダ」又は「トレーラー」と呼ばれる）とを有するデジタルデータのコレクションとして本明細書で一般に受け入れられた意味で定義されるパケット内のデータ伝送に特によく適している。経路メッセージは、マルチリンク無線経路に含めるためのノードの適合性に関する情報を含むシステム（地上局または周回衛星）内のノードから送信される無線信号である。所与の無線信号は、経路メッセージとデータ通信の両方を含むことができる。
【００４４】
「ノード」は、他のノードによって受信されることを意図された無線信号を送信し、他のノードから送信された無線信号を受信するトランシーバを有する物理的なオブジェクトである。ノードは、地上ベース（「地上ノード」）または地球の周りの軌道にある衛星（「リンクノード」と呼ばれることもある）であり得る。本明細書の説明は、約５００マイル程度の高度で低地球軌道の衛星を軌道ノードとして使用することに基づいているが、本システムおよび方法は、そのように限定されない。一変形例では、地面に到達する無線信号の強度を増加させるために、１００〜２００マイルの範囲の非常に低い地球軌道の衛星を利用することができる。地上局は、実際に地上に構造化され得るか、または実質的に固定された位置において、典型的には約５００フィート以下の高度で維持される低空飛行ドローン上に装着されてもよい。ドローン搭載型の地上局は、人口密度の低い領域でより多くのユーザがシステムに接続することを可能にし、そうでなければアクセスできない地域に地上局を飛ばすことを可能にする。
【００４５】
当業者が認識するように、本明細書に開示および請求する主題の説明において、様々な図に記載および図示される制御回路および構成要素は、それらに帰属する機能を実行することができる任意の電子コンピュータシステムの例示であることが意図される。そのようなコンピュータシステムは、典型的には、必要な入力／出力インターフェースデバイスと、適切なオペレーティングシステムおよびプログラム命令を実行するためのアプリケーションソフトウェアを有する中央処理ユニット（ＣＰＵ）とを含む。さらに、システムの要素を指す用語は、参照を簡単にするために本明細書で使用される。例えば、用語「コンポーネント」、「モジュール」、「システム」、「装置」、「インターフェース」などは、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、一般に、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ（ファームウェア）、ソフトウェア、または実行中のソフトウェアのいずれかであるコンピュータ関連エンティティを指すことが意図される。さらに、「モジュール」または「コンポーネント」という用語は、それ自体が自己含有構造を意味するものではなく、むしろ、特定の機能を実行するために組み合わせられる様々なハードウェアおよびファームウェアを含み得る。その点に関して、コンポーネントまたはモジュールは、プロセッサ上で実行されるプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行ファイル、実行スレッド、プログラム、および／またはコンピュータとすることができるが、これらに限定されない。例として、電子コンピューティングデバイス上で実行されるアプリケーションとデバイス自体の両方がコンポーネントであり得る。１つ以上のコンポーネントは、プロセスおよび／または実行スレッド内に常駐してもよく、コンポーネントは、１つのコンピュータ上に局所化され、および／または２つ以上のコンピュータ間に分散されてもよい。
【００４６】
ＩＩ．衛星リンクノードを用いたシステムの基本的な概念および原理
【００４７】
既に述べたように、本明細書で説明されるシステムおよび方法のバックボーンは、上で識別された相互参照出願で開示されるような衛星のコンスタレーションである。すなわち、システムは、これらの出願に開示される構造を有する低地球軌道衛星の形態をとることができる多数のリンクノードを備える。本明細書で説明されるシステムは、主に、衛星間無線リンクを作成することに関し、特に、地上ノード間の無線経路を作成することは、単一の衛星を使用して無線経路をサポートするには遠すぎる。本明細書の説明全体を通して、用語「放射」は、一般に電波と呼ばれる周波数の電磁放射への言及に限定されないことを理解されたい。これは、光、マイクロ波、ＶＨＦ（「超高周波」）、ＵＨＦ（「超高周波」）等を含む、情報を送信することができる任意の周波数の電磁放射を包含することを意味している。
【００４８】
広く分離した地上位置へのインターネットアクセスを提供することができるシステムおよび方法の実施形態は、約５００マイルの高度でランダムな低地球軌道に配置される複数の衛星のコンスタレーションを使用する。図１Ａおよび図１Ｂは、この原理をグラフで示す。高度ＡＬ５００マイルの衛星Ｓから地平線ＥＨまでのおおよその距離ＤＨは、式ＤＨ＝［（Ｒ  ５００）２−Ｒ２］＾１／２に従って計算することができ、ここでＲは、地球Ｅの半径である。Ｒに対して選択された値に応じて、ＤＨは約２０００マイルである。したがって、衛星のカバレッジ領域ＡＲは、π×ＤＨ２≒１２，５００，０００平方マイル（ｓｑ．ｍｉ）である。地球の表面積を１．９７億平方マイルとすると、各衛星は、したがって地球表面の約６％を「カバー」し、これは、平均して、表面上の任意の１点が約１２個の衛星（２００ｘ０．０６）を「見る」ことを意味する。逆に、単一の衛星が地球上のいずれの特定の点からも見えない可能性は９４％である。地球の表面全体を横切るランダム軌道に発射される２００個の衛星が存在する場合、地球上の任意の所与のポイントが少なくとも１つの衛星を見られない確率は、わずか０．９４＾２００≒０．０００４％（すなわち、数百万分の４）である。米国特許５，５６６，３５４は、参照により本明細書に組み込まれるテーブルを含み、これは、異なる数の衛星について表面上のあるポイントの時間にわたる一定のカバレッジの推定確率を示す。
【００４９】
所与のコンスタレーションにおけるより多くの数の衛星がデータ送信に利用可能である確率は、特定の横方向範囲のスワス内に、例えば、北極圏と南極圏との間に衛星を配備することによって実現され得る。これは、極にわたって利用可能な衛星の数を減少させるが、コンスタレーション全体は依然として地球表面の約９０％にわたって分布する。これは、今度は、地球表面上の任意の所与の位置の視線内にある可能性のある衛星の数を、北極圏および南極圏を超えてある程度の距離だけ増加させる。逆に、これは、システムを実装するのに必要な衛星の数を減少させる。北極圏のさらに北方に生きている人はほとんどないので、このようにグローバル衛星カバレッジを制限することの唯一の実際の影響は、北極および南極における拠点であろう。そのときでさえ、この説明が進むにつれて明らかなように、それらは、最悪の場合、データを送受信する際の遅延を経験する可能性がある。
【００５０】
別の実施形態では、衛星は、北回帰線と南回帰線との間のスワスにのみ配備することができる。同じ数の衛星について、これは、アフリカ、サウス・アジア、およびミクロネシアなどの多くの国々がインターネットアクセスをサポートするインフラストラクチャを欠いている場所における地上位置のラインオブサイト内であろう数を、北回帰線と北極圏との間、および、南回帰線と南極圏との間の温帯地域におけるより発展した国で見つかる程度まで大きく増加させるであろう。そのような分布はまた、衛星間リンクを首尾よく確立する確率を増加させる。あるいは、コンスタレーション内の衛星の数は、システムをさらにより安価にするために低減され得る。上記で論じたように、その用語の上記定義で論じたように、衛星が別様に配備された場合、横方向範囲が限られた衛星のコンスタレーションは、「ランダム軌道」にあると依然として見なされる。好ましい実施形態では、軌道に発射される衛星の数は、好ましくは計算された数を超えて、ある数の衛星障害を経時的に考慮することによって、または軌道崩壊のために地球の大気に再進入することによって破壊されるか、または空間デブリによって損傷される衛星について、地球表面の選択されたスワスの完全なカバレッジを継続可能にする。
【００５１】
本明細書で説明するいくつかのシステムおよび方法の別の重要な特徴は、衛星がオンボードの姿勢制御を必要としないことである。したがって、それらは、それらの角度配向に無関係に軌道を回ることができる。衛星は、宇宙ステーションなどの打ち上げ車両から展開可能であることが期待される。いくつかの実装では、可能な限りわずかな角速度でそれらを展開しようとすることが好ましい場合があるが、その点では特別な努力は必要ない。本明細書で説明されるシステムは、衛星が軌道を回るときに回転しても、無線経路を作成することができ、これは、衛星が既知の所定の向きにある必要はないことを意味する。衛星がランダム軌道にあることができ、能動的な姿勢制御を有さないことは、衛星の位置または姿勢を変更または維持するためのロケットスラスタなどの内臓機構を操作するための重くて費用がかさむ内蔵システムの必要性を排除する。求められる場合には、各衛星は、その軌道が崩壊して、それを交換する必要になったときにそれを検出するための追跡テレメトリを含むことができ、軌道上の物体に適用可能な任意の国内または国際プロトコルに準拠している。しかしながら、そのようなテレメトリを提供することは比較的簡単かつ安価であることが予期される。
【００５２】
衛星デザイン：アンテナ構成および内蔵制御回路
【００５３】
既に述べたように、本明細書に開示される衛星ベースのシステムのリンクノードは、出願第１５／６５６，１１１号および第１５／７１９，６１１号に開示される衛星の後にモデル化された衛星を使用する。これらの出願における衛星の説明は、参照により完全に記載されるかのように本明細書に組み込まれる。また、以下の考察は、本明細書に開示されるシステムおよび方法で使用される衛星に関連する特定の差異を指摘する。これに関して、図２は、そのような衛星ベースのシステムおよび方法におけるリンクノードとして使用することができる衛星１０の一実施形態の概略図である。衛星１０の動作の根底にある特定の原理の理解を容易にするために、外側ケーシング１２がＣＴを中心とする球の形状で示されている。衛星は、他の設計上の考慮事項によってそのように指示される場合、異なる形状を有することができることを当業者は認識するであろう。衛星の特定の特徴は、互いに直交するｘ、ｙ、およびｚ軸を有する座標系を参照して説明されるが、この座標系は、衛星の特徴を説明するのに厳密に説明の目的で使用される。例えば、図２に課される座標系は、衛星に結び付けられ、衛星の向きが変化するにつれて地球に対するその角度の向きを変化させると考えることができる。
【００５４】
例示的な衛星１０は、複数のアンテナモジュール１２を含み、そのうちの１つは、例示の目的のために図２に高度に概略的に示される。この例の各アンテナモジュールは、所定の方向により多くの電力で無線信号を送受信する指向性アンテナを備える。本実施形態では、球状衛星の中心ＣＴを頂点とする立体角Ωを占める円形皿状のパラボラアンテナを用いる。典型的には、アンテナ反射器（明瞭にするために図面から省略される）は、衛星の表面の下に凹んでいる。衛星に組み込まれる離散アンテナモジュールの数は、システムの特定の用途およびアンテナ設計に依存する。さらに、アンテナモジュールは、出願第１５／６５６，１１１号および第１５／７１９，６１１号のいずれかに記載されるような構造、または本明細書に記載される機能を実行することを可能にする任意の他の構成とすることができる。一実施形態では、ステラジアンにおけるΩは、衛星の周りに分散される特定の数のアンテナモジュールが、十分な大きさの球状領域へ無線信号を送信およびそこから無線信号を受信し、他の衛星の地上局のトランシーバおよびアンテナへ無線信号を受信および送信して、以下で説明するようにシステムの動作をもたらすことができるように選択される。アンテナモジュール１２の実際の構成は、その目的を達成するために公知のアンテナ設計原理を使用して決定することができる。
【００５５】
本システムにおいて使用される衛星は、図３に関連して以下で詳細に論じられる、衛星動作に必要とされる様々な電子的および機械的コンポーネントを収容するのに十分な大きさであり、かつ軌道において遭遇する、発射のストレスおよび環境への長期間の曝露に耐える構造において十分にロバストである。’６１１出願は、衛星およびそれらのアンテナを設計するための様々なアプローチを記載し、詳細は、図６に関連して以下でさらに説明される。
【００５６】
本システムにおいて使用するのに適した衛星およびアンテナは、複雑なシステムをエンジニアリングする当業者によく知られたトレードオフに応じて異なる形態をとることができることが理解されるであろう。以下により詳細に説明されるように、以下に説明される特定の方法の態様の１つは、他の衛星におけるアンテナによる受信のために、１つ以上の衛星における複数のアンテナからの無線信号の送信を伴う。衛星リンクノードにおけるアンテナの数を増加させると、他のリンクノードから送信され、他のリンクノードによって受信される無線信号のカバレッジが増大され、これは、次に、１つのリンクノードからの信号が別のリンクノードにおいて受信される確率を増大させる。さらに、衛星当たりより多くのアンテナが、軌道に配置される衛星の数を減らすことを可能にし得ることを理解されたい。そのような衛星は、より高価であり、より重く、したがって打ち上げコストを増加させる可能性があるが、他の要因は、より少ない衛星が打ち上げられる必要があるため、増加したコストを相殺する可能性がある。当業者はまた、本明細書で説明されるシステムが、完全な３６０°未満の球面カバレッジで送信するアンテナコレクションを有する衛星ノードを用いて実装され得ることを認識するであろう。
【００５７】
衛星１０はまた、複数のソーラーパネルを含み、そのうちの３つ１４ａ、１４ｂ、および１４ｃが図２に示されている。図示した実施形態では、ソーラーパネルは、互いに垂直な平面に配向され、衛星１０の周りに等距離に離間されている。この実施形態におけるソーラーパネルの位置および向きを説明するために、衛星赤道１６は、衛星表面がｘ−ｙ平面に平行な平面によって交差され、球の中心ＣＴを通過する大円として定義される。ゼロ経線１８は、衛星表面がｘ−ｚ平面に平行な平面と交差し、球の中心ＣＴを通過する大円として定義される。そして、垂直経線２０は、衛星面がｙ−ｚ平面に平行な平面と交差し、球の中心ＣＴを通る大円として定義される。ソーラーパネル１４ａは、赤道１６とゼロ経線１８との交点において適切な取付構造２２ａによって衛星に取り付けられる。ソーラーパネル１４ｂは、赤道１６と通常の経線１８との交点において適切な取付構造２２ｂによって衛星に取り付けられる。そして、ソーラーパネル１４ｃは、ゼロ経線１８と通常の経線２０との交点において適切な取付構造２２ｃによって衛星に取り付けられる。
【００５８】
ソーラーパネルは一般に平面状であり、ソーラーセルが太陽光に曝されるときに発電するために、ソーラーセルが片面または両面に分布している。最大有効性のために、平面ソーラーパネルは、衛星の角度配向に関係なく適切な数のソーラーセルが太陽光に曝されることを確実にするために、互いに直交する平面内に取り付けられる。図示した実施形態では、ソーラーパネル１４ａはｘ−ｚ平面内にあり、ソーラーパネル１４ｂはｘ−ｙ平面内にあり、ソーラーパネル１４ｃはｙｚ平面内にある。また、衛星は、赤道、ゼロ経線、および通常の経線が衛星の他方の側で交差する３つのより競合するソーラーパネルを含むことも理解されるであろう。コンパニオンソーラーパネル（図３においてプライム記号（’）で示される）は、好ましくは、図２に示されるそれらの対応物１４ａ、１４ｂ、および１４ｃのそれぞれと同じ平面内に配向される。各ソーラーパネルは、ソーラーパネルに隣接するアンテナによる無線信号の送信および受信を妨害しないように、衛星の表面に対して垂直であるように示されている。
【００５９】
図２は、本明細書で説明するデータ通信システムおよび方法の本実施形態を理解するのに必要な衛星１０の特徴を示すことのみを意図していることが理解されよう。当業者は、本システムを実装するための実際の衛星が、図２の概略図に示されていない設計特徴を有し得ることを理解するであろう。例えば、良好な設計の実践は、空間デブリによる衝撃損傷の可能性を低減するために、アンテナの口が衛星の周囲表面の下に陥凹されることを規定し得る。あるいは、衛星によって送信され、衛星において受信される信号に対して透明な材料のシートで各アンテナ口（凹部または凹部）を覆うことによって、追加の保護が提供されてもよい。図２に示されるソーラーパネル１４の設計および配置も非常に概略的であり、本明細書に開示および請求される本発明は、任意の特定のソーラーパネル構成、配置、または配置手段に限定されない。別の変形例では、アンテナは、ソーラーパネルが、アンテナ口の間の空間において衛星表面と同一平面上に取り付けられるように配置することができる。
【００６０】
図３は、他のノードとの間でデータ送信を送信および受信することが可能な無線経路を作成するための衛星１０（リンクノード）によって収容される様々なコンポーネントを概略的に示す。当業者が容易に認識するように、本明細書に開示および請求される主題を備える無線システムのこの実施形態および他の態様の説明において、様々な図に記載および図示される制御回路およびコンポーネントは、それらに帰属する機能を実行することができる任意の電子コンピュータシステムの例示であることが意図される。そのようなコンピュータシステムは、典型的には、必要な入力／出力インターフェースデバイスと、適切なオペレーティングシステムおよびプログラム命令を実行するためのアプリケーションソフトウェアを有する中央処理ユニット（ＣＰＵ）とを含む。さらに、システムの要素を指す用語は、参照を簡単にするために本明細書で使用される。
【００６１】
図３をより詳細に参照すると、衛星１０は、図２のｘ−ｚ平面の図に示されている。図３は、主題の無線システムおよびそれらのコンポーネントを説明するために本明細書で使用される他の描写と同様に、一定の縮尺ではないことを理解されたい。これは、図２に示されるソーラーパネル１４ａおよび１４ｃ、ならびに上述の直径方向に対向するコンパニオンソーラーパネル１４ａ’および１４ｃ’を示す。また、図２に関連して上で議論したように、無線信号を送信および受信するための、衛星１０に搭載されたすべてのアンテナモジュールの略図として意図された、複数のアンテナモジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、および１２ｆも概略的に示す。この概略的な描写は、複数のアンテナモジュールが組み合わされて、複数の半径方向にノードとの間で無線信号を送受信することができる、本実施形態の動作原理を伝えることを目的としている。（しかしながら、既に述べたように、本明細書に記載するシステムは、完全な３６０°未満の球カバレッジで送信するアンテナアレイを有するリンクノードを用いて実装することもできる。）既に述べたように、アンテナモジュール１２の構造に関するさらなる詳細は、図６を参照して以下で説明される。
【００６２】
衛星１０は、衛星のコンポーネントを作動させるための信頼できる電源を供給することができる電力モジュール３０を含む。電力モジュール３０は、ソーラーパネルによって発電された電気によって充電される二次電池を含む。適切な電力調整機器は、ソーラーパネルが各衛星軌道の半分を太陽の視界から外すにも関わらず、衛星によって担持される様々な電気コンポーネントに定常状態の電力を提供する。電源モジュールに加えて、衛星は、衛星の様々な機能を制御するための動作ソフトウェアを格納するオペレーティングシステムモジュール４２を有する中央処理ユニット４０を含む。図３に示されるように、ＣＰＵ４０は、電力リンク４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆなどを介してすべてのアンテナモジュール１２に動作可能に接続される。
【００６３】
図３はまた、オペレーティングシステムモジュールの制御下にある３つの主要な動作モジュールを示す。ＧＮＳＳモジュール４４は、米国に基づく全地球測位衛星（ＧＰＳ）システム、欧州連合のＧａｌｉｌｅｏシステム、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳシステム、および中国のＢｅｉＤｏｕシステムなどのグローバルナビゲーション衛星システムと通信する。このモジュールは、衛星が、既知のグローバルナビゲーション衛星システムによって採用される方法で地球の表面に対するその位置を決定することを可能にする。アンテナモジュール１２を介して衛星間で交換される無線信号は、経路（ルート）作成モジュール４６によって使用され、経路作成モジュール４６は、２つ以上の衛星間のデータ通信のための無線経路を作成するために以下でさらに説明されるロジックを使用する。データ移動モジュール４８は、以下でさらに詳細に説明するように、衛星間のデータ（コンテンツ）の送信を制御する。上記で提案されるように、経路作成およびデータ移動のための別個のモジュールの図３の図は、必ずしも、無線経路において使用されるべき無線リンクを識別し、リンクされた衛星間でデータを送信することは、ある衛星から別の衛星へのデータ通信を送信するための好ましい無線経路を生成するより一貫性の低いプロセスの一部ではないことを暗示するものではない。
【００６４】
Ｂ．衛星間無線リンクを容易にする衛星特徴
【００６５】
上述したように、十分な数の衛星１０をランダム軌道内に打ち上げることは、セクションＩＩＩで論じられた様々な経路作成戦略の実装を可能にする。ここで説明されるシステムおよび方法の重要な特徴は、各衛星が、そのＧＮＳＳモジュール４４によって決定される地球の表面に対するその位置をその経路作成モジュール４６に格納することである。これは、衛星間の信頼できる無線リンクを有する無線経路を構築するためのいくつかの経路作成技術の実装を可能にする。
【００６６】
本明細書で説明される特定のシステムおよび方法は、米国出願第１５／６５６，１１１及び第１５／７１９，６１１及び国際出願ＷＯ２０１８／０３９２９２で説明される衛星無線システムおよび方法と対比され得る。これらの出願は、直接に、または同様のコンピュータを有する１つ以上の他の衛星を介して、別の地上局への好ましい無線経路を求める方法を実行するオンボードのコンピュータを用いて、ある地上局から複数の衛星に信号を送信することによって無線経路を作成することを議論する。次いで、データ通信は、経路作成中に識別された特定のアンテナを利用して通信を第１の地上局に戻す無線経路を介して第２の地上局から第１の地上局に送信される。特定の実施形態は、一例としてエジプトの国を使用して、所与のサイズの地上エリア内の２つの地上局の間に単一の衛星経路を生成する。
【００６７】
これらのシステムおよび方法は、より近い地上局間、例えば最大約１，０００マイル程度の無線経路を生成するのによく適している。しかし、発信地上局と宛先地上局との間の距離が増加するにつれて、両方に見える可能性の高い衛星の数は減少する。例えば、２００個の衛星を有するシステムでは、地上局２５００マイルの間隔を空けて３個または４個の衛星のみが同時に見える可能性がある。また、現実には地上局に近い地形（山など）の地上局に近い建物や地上局に近い地形によって地面に近い衛星が視界から遮られるため、数が少ないと考えられている。本明細書で説明するシステムおよび方法は、１つ以上の衛星間リンクを介して地上局間の無線経路を提供するために、代替の経路作成戦略と組み合わせて特定の衛星インフラストラクチャを使用する。これは、例えば、中間地上局を使用して送信を中継することが実現可能でないか、または上記で参照した発明者の先行出願に記載された技術を使用して衛星間リンクを信頼できる形で作成することが難しい場合に、無線経路を作成することを可能にする。本明細書のシステムおよび方法は、衛星が他の衛星に対して既知の位置にあること、または衛星が特定の向きに維持されることを必要とすることなく、衛星間リンクを容易にする。
【００６８】
ＩＩＩ．経路作成方法
【００６９】
このセクションで説明される経路作成方法は、上述の衛星インフラストラクチャの異なる実施形態を利用する。マトリックスおよびゾーンシステムは、各衛星がそのルート作成モジュール４６に地球の表面に対するそれ自体の位置に関する情報およびコンスタレーション内の他のすべての衛星の位置に関する情報を格納する汎用衛星インフラストラクチャを使用する。ベクトルシステムは、各衛星が地球の表面に対するそれ自体の位置しか知らない局所衛星インフラストラクチャを使用する。マトリックスおよびゾーンシステムのための汎用衛星インフラストラクチャの作成は、次のセクションＩＩＩ．Ａで説明する。これらのシステムの実施形態は、それぞれセクションＩＩＩ．Ｂ．およびＩＩＩ．Ｃ．に記載されている。ベクトルシステムはＩＩＩ．Ｄ節に記載されている。
【００７０】
汎用衛星インフラストラクチャの作成
【００７１】
本発明のこの態様による衛星インフラストラクチャの作成について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、本明細書で説明するシステムおよび方法の基礎となる様々な原理を示すために使用される地球のメルケータ投影図である。参考までに、図４は、赤道、北回帰線および南回帰線、および北極圏および南極圏の破線／一点鎖線の描写を含み、これらの主緯度線間の公称距離を示す。システムは、典型的には多数の衛星を使用し、そのうちの２つの地上トラックを図４に示す。説明のために、地上トラックは、赤道に関して対称な正弦波として描かれている。衛星Ｓ１は、赤道から最大距離ｍ１だけ運ぶ軌道傾斜角を有する二点鎖線で示される軌道平面内にある。衛星Ｓ２は、赤道から最大距離ｍ２だけそれを搬送する軌道傾斜角を有するダッシュ／３点鎖線によって示される軌道平面内にある。
【００７２】
衛星の数およびそれらの軌道の特性は、システムの所望の特性によって決定される。例えば、衛星は、典型的には、それらの地上トラックを地球の表面に対して連続軌道でシフトさせる軌道で配備される。これは、全ての衛星の軌道が、最終的に、赤道からのその最大距離によって決定される帯域内で地球の表面全体をカバーすることを意味する。衛星はまた、北回帰線と南回帰線との間で地球表面のスワスにおいてランダム軌道においてより密に分布するように配置することもできる。これは、赤道の周囲に集中する傾向がある、より発達していない国間の通信を容易にする。温帯のより発展した国は、おそらく、それらの広範な地上通信インフラストラクチャのために、宇宙ベースのシステムに対する必要性がより少なく、したがって、本明細書で説明するシステムおよび方法のいくつかの実装形態では、それらを赤道からさらに取り込む傾斜角を有する衛星の数を低減することができる。代替のアプローチは、北極圏または南極圏に近いか、またはそれを超える少数の人口密集地における通信を容易にするために、さらに南北に移動する十分な数の衛星を組み込むことができる。衛星は公称円形軌道にあるが、本明細書で説明されるシステムは、任意の特定の瞬間に異なる高度で衛星間に無線リンクを作成することができる。
【００７３】
この説明が進むにつれて、本明細書で説明されるシステムおよび方法は、システムの特定の性能目標に適合される任意の数の軌道構成で実装され得ることが、当業者には明白であろう。しかしながら、すべてのそのような軌道構成の顕著な特徴は、衛星が特定の間隔に無関係に配備されること、および任意の数の衛星が異なる種類の軌道に打ち上げられ得ることである。言い換えれば、本システムのすべての実装における衛星は、本明細書で使用されるようにランダム軌道にある。システムの別の顕著な特徴は、衛星が（上で定義されたような）能動的な姿勢制御を必要とせず、それらの間にデータ送信を実装するためにそれらの向きを正確に制御するための複雑なシステムを伴うことである。セクションＩＶ．Ａ．において以下で説明する代替的な実装形態では、発明者の米国出願’６１１および国際公開第ＷＯ’２９２号パンフレットの記載に従って、衛星は、衛星間リンクを確立するためのビームマッチを形成する能力を高める軸の周りを回転するように打ち上げられ得る。
【００７４】
この説明は、一例として、約８，０００マイル離れて、米国ナイジェリア（Ｎｉｇｅｒｉａ）からフィリピン（Ｐｈｉｌｌｉｐｐｉｎｅｓ）のレイテ（Ｌｅｙｔｅ）までのデータ伝送のための無線経路の作成を使用する。上述したように、５００マイル軌道における衛星のコンスタレーションでは、単一の衛星が同時に両方の場所に見られない。加えて、ウヨ（Ｕｙｏ）とレイテとの間には、インド洋の広さとそれらの間の人口密度の低い陸地があるため、十分な数の地上局を提供することが困難であることから、複数の単一衛星経路を作成することができない可能性がある。衛星間リンクは、発明者の以前のシステムを使用して確立され得るが、本明細書で説明されるシステムは、２ホップの単一衛星経路のために、データが遠すぎる場所間で通信され得る信頼性および速度を高める。
【００７５】
１．地上局：衛星間の軌道パラメータの中継
【００７６】
すべての衛星がすべての他の衛星の軌道に関する情報を知っている汎用衛星インフラストラクチャを構築する第１の方法について、図５を参照して説明する。一実施形態によれば、衛星コンスタレーションは、複数のｎ個の衛星Ｓ１、Ｓ２、．．．、Ｓｎを備え、１００≦ｎ≦２００である。しかしながら、システムは、任意の特定の数の衛星に限定されず、任意の所与の設置のために最適な数の衛星を決定することは、データ伝送が宛先に到達するのに必要なトランジット時間と衛星の数、および地球の表面のどれだけの量がシステムによってサービスされるかなどの因子に依存することになる。上述したように、各衛星のＧＮＳＳモジュール４４は、地球の表面に対する衛星の位置を決定する。十分な期間にわたる時間に対する衛星の位置をプロットすることにより、その軌道全体の計算と、任意の所与の時間に衛星が地球の表面に対してどこにあるかの決定が可能となる。各衛星の軌道に関する情報は、１つおきの衛星に送信される。
【００７７】
図５は、所与の衛星Ｓ１に関する軌道情報を別の衛星Ｓ１に送信するための１つの好ましい方法を示す。既に述べたように、全ての衛星の軌道は、最終的には、図４に示される横方向スワスの範囲内で地球表面上の全ての点を通過する。例えば、衛星Ｓ１およびＳ２は、十分な数の軌道が、北回帰線の北側の距離ｍ１およびｍ２から、南回帰線の南側の距離ｍ１およびｍ２まで、赤道からの最大距離の各点でさらに約２０００マイルまで延びる範囲内で、地球の表面上のすべての点の視界内を通過することになる（図１参照）。
【００７８】
衛星Ｓは、地球Ｅを周回するときに、衛星のＧＮＳＳモジュール４４によって生成され、それらのアンテナモジュール１２のうちの１つ以上を介して送信される位置信号ｐを受信する１つ以上の軌道計算地上局ＯＣの視線内にある領域に入る。地上局は、好ましくは、それらがそれらの出願に記載される方法で衛星アンテナと容易にペアリングすることを可能にする、上述の相互参照された先行出願に記載されるタイプの高利得指向性アンテナの１つ以上のアレイを含む。一実施形態では、地上局は、図６に関連して以下で説明されるような多重給電アンテナを使用する。本例は、２つのそのような地上局を使用し、一方はエクアドルのキート（キートＯＣ）であり、他方はケニアのナイロビ（ナイロビＯＣ）である。地上局は、通常、高度なアンテナ構成および複雑なコンピュータ技術を組み込むので、それらのハードウェアおよびコンピュータへのメンテナンスおよびアップグレードを容易にするために、容易にアクセス可能な領域に配置されることが好ましい。軌道計算地上局ＯＣは、説明される理由から、赤道にできるだけ近接して配置されることが好ましい。
【００７９】
各衛星の経路作成モジュールは、軌道計算地上局の位置（緯度および経度）を記憶し、一実装形態では、衛星が起動される前に各衛星の経路作成モジュール４４にロードされる。衛星は地球の表面に対するそれ自体の位置を知っているので、衛星は、それがその視線に入ると、軌道計算地上局ＯＣへ位置信号を送信し始めることができる。衛星は、任意の所与の時間に衛星の姿勢の決定を可能にする外部基準フレーム（例えば、地平線または地球の磁場）と相互作用するセンサを含むことができる。これはまた、衛星の経路作成モジュール４６が地上局に対する衛星の位置に基づいて位置信号を送信するアンテナモジュール１２を選択することを可能にし、したがって地上局によるそれらの受信をさらに保証する。さらに、すべての衛星および軌道計算地上局は、ＧＮＳＳシステムのクロックに基づくことができるマスターシステムクロックと同期して維持されるタイマ回路を有する。
【００８０】
汎用衛星インフラストラクチャの作成は、参照により本明細書に組み込まれる’１１１号および’６１１号出願に開示される特定のアンテナ構造を使用して、衛星を地上局（および互いに）との無線通信にうまく配置する確率を改善することによって強化することができる。図６は、’６１１出願のものであり、本実施形態を例示する実質的に球状の衛星ＳＸの表面の概略図である。図６は、衛星の三次元表面を二次元で表し、実質的に衛星の表面を覆う衛星アンテナモジュールＳＡのアレイを示す。本実施形態において、ＳＡ１からＳＡ２５と番号付けられた２５個のアンテナモジュールが存在する（図には、アンテナモジュールの一部のみが図示されている）。衛星面の部分には、図６において、全アンテナ開口、衛星面がアンテナＳＡ２、ＳＡ６、ＳＡ１２、ＳＡ７。他のアンテナの開口は部分的に示されており、そのいくつかは図６においてＳＡ３、ＳＡ８、ＳＡ１１、ＳＡ１３、およびＳＡ１８とラベル付けされている。これは理想的な表現であり、衛星をできるだけ小さくして、所望の数のアンテナを含めること、ならびにソーラーパネル１４（図２および図３参照）を取り付けるのに適切な位置におけるアンテナ開口の間に十分な間隔を提供することと一致させることが好ましいことを示すことを意図していることが理解されよう。
【００８１】
アンテナ利得を増加させるために、本実施形態におけるアンテナ反射器は、打ち上げコストを最小にするように衛星重量およびサイズを制限するなど、システムの他の全体的な要件と可能な限り一致して、大きく作られる。パラボラアンテナ設計の既知の原理によれば、反射器は、直径が少なくとも１波長、好ましくはそれ以上であるべきである。一例として、５ＧＨｚのマイクロ波Ｃ帯域で送信（および受信）し、２４ｃｍの反射器を有するアンテナをとっている。給電体がアンテナ反射器から４波長に位置する場合、約１メートルの直径を有する衛星（または衛星が非球状である場合同等のサイズ）は、現実的な動作需要を満たすことができると考えられる。しかしながら、システムの動作は、特定のアンテナ設計を使用することに依存しないことが理解され、当業者は、既知のアンテナ設計原理を使用して、本システムによって要求される能力を衛星に提供することができるであろう。しかしながら、より大きな反射器を有するアンテナは、より高い利得を提供するために使用され得、衛星は、それに対応して大きくされ得る。さらに、追加の重量は、大部分では、衛星外側ケーシングおよび追加の給電体およびより大きな反射器（しかし、反射器がメッシュ構造を有する場合、衛星重量を低減することができる）に必要な追加の材料のサイズの増加に起因する。したがって、本実施形態で使用される衛星は、既に上述したすべての理由から、知られている通信衛星と比較して非常に軽量であるべきであり、その中の主な１つは、能動的な軌道または姿勢制御を必要としないことである。
【００８２】
図６に示される本実施形態では、アンテナの各々は、７つの給電Ｆ１〜Ｆ７を有するパラボラアンテナである。給電部Ｆ１〜Ｆ６は、互いに等距離に離間され、アンテナ焦点において中央給電部Ｆ７からある距離を隔てて配置されている。アンテナ反射器の形状及び曲率は、既知の多給電アンテナ設計及び動作原理に従って選択することができる。アンテナ開口の六角形形状は、給電体Ｆ２〜Ｆ６が反射器焦点軸からずれていることを強調するために図において使用されている。また、アンテナ反射器は、本明細書に記載されるシステムの実施形態の動作特性を最大にするために、球形、球形／放物線の組み合わせ、およびその他などの非放物線トポロジを有することができることも理解されるであろう。当業者が本実施形態での使用に適合できる多給電反射アンテナ設計の例は、米国特許３，８１５，１４０号、６，２０８，３１２号、６，２１９，００３号、及び９，０３５，８３９号に開示されており、それらのすべての開示は、参照により完全に記載されるかのように本明細書に組み込まれる。アンテナの数およびアンテナ当たりの給電の数は、衛星の設計およびシステムの所望の動作特性に依存することを理解されたい。本発明の範囲内で、より多いまたはより少ないアンテナおよび給電体を使用することができる。
【００８３】
このアンテナ構成の変形形態では、各アンテナは、中央の給電Ｆ７など、たった１つの給電を有する。これは、アンテナを低コストかついくらか軽くする（上述のように）が、同時に無線信号の数および伝送方向を減少させる。当業者が認識するように、特定のシステムの要件に応じて、有効な指向性アンテナの数と衛星コストおよび重量との間に一定のトレードオフが存在する。また、地上局は、同様のアンテナ構造を有し得、衛星と同じ空間的制約および電力制約を有さないため、より多くの利得を有するさらに多くの指向性アンテナを有し得ることも理解されよう。
【００８４】
図５および本実施形態が汎用衛星インフラストラクチャを作成する方法に戻ると、衛星Ｓｉは、そのラインオブサイト内の特定の軌道計算地上局ＯＣに時間ｔ１で第１の位置信号ｐ１を送信する。衛星Ｓｉは、時刻ｔ２に第２の位置信号ｐ２を同じ地上局に送信し、時刻ｔｎにｎ番目の信号ｐｎまでの別個の位置信号を地上局に送信し続ける。各位置信号は、そのソースとして衛星Ｓｉを識別する情報を含む。すなわち、各衛星は固有の識別子、典型的には番号を有する。軌道計算地上局ＯＣは、位置信号を用いて、衛星Ｓｉの経度および緯度の軌道を時間の関数として定義する１つ以上の方程式を計算し、軌道情報信号ＯＲｉとして、そのラインオブサイト内の衛星ＳｊおよびＳｋなどの他の衛星に送信する。すべての衛星および地上局が同期されるシステムマスタクロックは、異なるタイムスロットにおいて位置信号を送信し、それらが互いに干渉するのを防ぐことができる。
【００８５】
受信ノード（衛星または地上局）は、軌道計算地上局との間で送信が行われる度に、信号が受信されたことの確認を返す。この信号は、典型的には、元の信号が受信されたアンテナ、または特定のアンテナ給電部から送信される。これにより、地上局は、必要な軌道パラメータを計算するのに十分な数の位置信号が受信されたことを保証し、さらに位置信号を必要としないことを送信衛星に通知することができる。また、地上局は、衛星がいつ軌道パラメータを受信したかを知らせるので、もはやその衛星に軌道パラメータを送信し続ける必要がない。代替の実施形態では、各衛星は、それ自体の軌道方程式ＯＲを計算し、それらを既知の位置で１つ以上の地上局に送信し、それによって、それらを他の衛星にアップロードするようにプログラムすることができる。
【００８６】
同様の処理がコンスタレーション内の全ての衛星に対して実行される。各衛星の軌道パラメータがすべての他の衛星に送信されるのに一定の時間を要するが、システムは、コンスタレーション内のすべての衛星が汎用衛星インフラストラクチャに組み込まれる前に、説明されるマトリックスおよびゾーンシステムに従ってデータ伝送をサポートすることができる。例えば、１００個の衛星のコンスタレーションを有する実施形態は、大部分の衛星の各々が他の衛星の位置を定義する軌道情報を獲得することを可能にするのに十分な時間が経過した後、少なくとも幾つかのデータ伝送をサポートすべきである。コンスタレーション内のより多くの衛星が時間と共にインフラストラクチャに追加されると、データ伝送をサポートするその能力は増加し続ける。好ましい実装形態では、各衛星の軌道方程式ＯＲは、軌道計算地上局のうちの１つのラインオブサイト内に１０回到達するたびなど、所与の間隔で上記手順によって更新される。さらに、情報は、軌道から外れたまたは誤動作した衛星を置換するために新しい衛星がコンスタレーションに追加される度に更新される。しかしながら、個々の衛星の軌道方程式がわずかに変化しても、または交換衛星がデータ伝送のために直ちに利用可能でなくても、システムがデータ伝送可能であることは、以下でさらに説明から明らかであろう。
【００８７】
当業者は、１つだけを含む任意の数の軌道計算地上局を使用することができることを認識するであろう。同様に、当業者は、軌道計算地上局を赤道にできるだけ近く配置して、コンスタレーション内のすべての衛星が地球を軌道計算する地上局と通信できるようにすることが好ましいことを理解するであろう。（例えば、英国のロンドン付近の軌道計算地上局は、北回帰線の北だけを移動する衛星と通信することができない。）加えて、衛星の軌道は、地球が実際に衛星の下を回転しているため、各軌道と一定の距離だけ赤道に沿って進む。好ましい構成は、赤道から１０００マイル以内に少なくとも約９０°の緯度で離間した少なくとも２つの地上局を備える。これは、衛星が軌道を計算する異なる地上局と通信する回数を最大にし、衛星が２つ以上の地上局と強い無線信号を交換できる確率を増大させ、それによって、１つの衛星の軌道パラメータを他の衛星のすべてに分配するのに必要な時間を最小化する。地上局は、特定の衛星がそれらの軌道で到達するよりも、北や南に位置することができるが、そのような構成は、赤道の近くで旋回する衛星のスワス内に少なくとも１つの地上局を依然として必要とし得る。
【００８８】
２．衛星間を直接伝送される軌道パラメータ
【００８９】
本明細書で説明する方法を使用してデータ伝送のための汎用衛星インフラストラクチャを作成するための代替手法は、各衛星の軌道方程式を他の衛星のすべてに分配するための地上局を含まない。このアプローチでは、衛星は、それらの軌道情報を互いに直接通信する。これは、軌道情報をコンスタレーション内のすべての衛星に分配するのにより長い時間を要する可能性があるが、衛星間で信号を中継するための地上局の構築、維持、およびスタッフに関与する費用を排除する。
【００９０】
衛星は依然として固有の識別番号が与えられ、マスタークロック、好ましくはＧＮＳＳクロックに同期したクロックを有する。上述したように、各衛星の経路作成モジュール４６は、グローバルナビゲーション衛星システムから取得した位置情報及び時間情報を用いて軌道方程式を計算するようにプログラムされている。所与の時間間隔、例えば２４時間ごとに１回、コンスタレーション時間Ｃｔはゼロに設定される。（すなわち、全ての衛星がＣｔ＝０に設定する。）その後、各衛星は軌道伝送間隔の間に自身の軌道パラメータＯＲを順番に送信する。一例として、衛星Ｓ１が、Ｃｔ＝０とＣｔ＝３０秒との間の複数のアンテナ上でその軌道パラメータＯＲ１を送信すると仮定する。次に、Ｓ２は、Ｃｔ＝１．０分とＣｔ＝１．５分との間の複数のアンテナ上でその軌道パラメータＯＲ２を送信する。軌道情報の連続送信は、コンスタレーション内の衛星の全てが軌道情報を送信するまで継続する。２００個の衛星が存在する場合、１サイクルは４時間未満を要するべきである。また、各衛星は、そのタイムスロットの間に自身の軌道情報を送信するだけでなく、他の衛星から受信した軌道情報を送信する。
【００９１】
関与する原理は、各衛星がその視線内に約４０個の他の衛星を有すると仮定することによって例示することができる。これは、各衛星が水平線上で約３，５００マイルを「見る」ことができると仮定する。この図１Ａ、１Ｂは、この点を説明しており、衛星は理論的には４０００マイル（ＤＨ、すなわち２０００マイルの２倍）の距離を見ることができることを示す。しかしながら、保守的に見積もっても３５００マイルとなると、衛星の地平線において山の範囲などの表面の特徴を考慮するものとなる。半径３，５００マイルの円で覆われたエリアは、約４０，０００，０００平方マイルである。地球の表面はおよそ２００，０００，０００平方マイルであり、これは、平均して、衛星がコンスタレーション内の２００個の衛星の２０％（４０，０００，０００／２００，０００，０００）を見ることを意味する。このパーセンテージは、地球の特定の横方向スワスの周りのランダム軌道における同じ数の衛星に対してより高い。しかしながら、送信衛星および受信衛星上のアンテナは、データ伝送の成功のために整列しなければならないので、所与の衛星は、その視線において４０個またはそれ以上の衛星のうちの４個程度だけに情報をうまく伝送する可能性がある。
【００９２】
衛星Ｓ１が軌道送信間隔Ｃｔ＝０からＣｔ＝０．５分の間に軌道パラメータＯＲ１を送信する場合、その情報は衛星Ｓ５６、Ｓ７９、Ｓ１０２、およびＳ１６４によって受信され得る。（これらの衛星番号は、この例のためにのみ使用され、これらは、以下でさらに説明される図８に示される衛星分布と相関しない。）衛星Ｓ５６は、その軌道送信間隔Ｃｔ＝５５．０分からＣｔ＝５５．５分の間、その軌道パラメータＯＲ５６を送信する。しかしながら、Ｃｔ＝１．０分からＣｔ＝５４．５分まで衛星Ｓ２〜Ｓ５５から受信した軌道情報と同様に軌道情報ＯＲ１も送信する。軌道情報が衛星コンスタレーション全体にわたってそれ自体を分配するのにかかる時間量は、衛星自体が不確定軌道にあるため、不確定である。しかしながら、多くの方法で衛星間の軌道情報の成功した伝送の可能性を増加させることが可能である。図６に関連して上で論じられたアンテナ構成を使用することにより、衛星間ビーム一致の成功確率を増大させることができる。後で開発された技術が、衛星の姿勢が狭い公差内で制御されることを可能にする場合、衛星上の選択された数のアンテナのみが軌道情報を送信するために使用され得、したがって、同じ総電力量を使用してより高い利得で信号の送信を可能にする。
【００９３】
本方法の確率的性質は、他のすべての衛星に関する軌道情報を有する衛星の数が、コンスタレーションにおける総数に向かって時間と共に漸近的に増加することを意味する。しかしながら、十分な数の衛星が２００個の衛星コンスタレーション内の他の衛星に関する軌道情報を有し、少なくとも数日後にデータ通信をサポートし始めることが予想される。１つの推定は、コンスタレーション中の２００個の衛星のうちの少なくとも１００個が７２時間以内に互いに軌道情報を有することである。実際の時間は変わり、より多くのシステムが配備されると経験後に確立される。以下で説明するシステムおよび方法を使用する成功したデータ通信は、他の衛星への無線リンクを探す任意の所与の衛星に「見える」衛星の数に大いに依存する。上述したように、確率は、約４０個の衛星が常に所与の衛星と見通し線内にあることを示唆する。無線リンクを探す衛星が、それらの４０個の衛星のうちの１つ以上に関する軌道情報を有さない場合、成功したデータ送信が依然として可能である。同様に、任意の所与の衛星からのデータ伝送は、その視覚範囲内の複数の４０個の衛星によって受信される可能性が高い。データ伝送を受信する衛星が他の衛星に関する軌道情報を有さない場合、データ伝送を受信した衛星のうちの別の衛星はそのような情報を有する可能性がある。システムの１つの実装形態では、衛星は、衛星インフラストラクチャを完成させるために、ならびに任意の新たに打ち上げられた衛星をインフラストラクチャに組み入れ、軌道崩壊などに起因する衛星の軌道の緩やかな変化に対処するために、所定の時間ごとに、それらの軌道情報を断続的に送信し続ける。この態様では、コンスタレーションは、すべての衛星がすべての衛星の軌道情報を知っており、それらのうちの１つの軌道変更時にすべての衛星についてそれを更新し、１つの衛星による送信がそれらのすべての軌道情報を新しい衛星に提供することができるという点で機能ブロックチェーンとして機能する。
【００９４】
衛星間リンクによる無線経路を生成するゾーン／マトリックスシステム
【００９５】
図７は、複数のゾーンに分割された地球表面のメルカトル投影図である。この例では、それぞれ２，５００，０００及び３，０００，０００平方マイルの６０個のゾーンがある。図示した実施形態では、０°〜３０°の緯度（北緯）の帯域内に１６個のゾーンＺＥＮがあり、それぞれが経度幅２２．５°である。０°〜３０°の緯度（南緯）の帯域には対応する数のゾーンＺＥＳがあり、各ゾーンは同様に経度２２．５°に及ぶ。３０°緯度（北緯）と６０°緯度（北緯）との間のスワスは、１２個のゾーンＺＴＮに分割され、各ゾーンＺＴＮは、経度が３０°に及ぶとともに、３０°緯度（南緯）と６０°緯度（南緯）との間の帯域内の対応する数のゾーンＺＴＳに分かれる。最後に、６０°緯度（北緯）と７５°緯度（北緯）との間のスワスは、４つのゾーンＺＡＮに分割され、各ゾーンは、経度が９０°に及ぶとともに、対応する数のゾーンＺＡＳが６０°緯度（南緯）と７５°緯度（南緯）との間にある。混乱を避けるために、図６では一部のゾーンのみがラベル付けされている。各ゾーンには一意の識別子が割り当てられる。この例では、ゾーンは、０°経度で番号１から始まる、ＺＥＮ１、ＺＥＮ２、．．．、ＺＥＮ１６；ＺＴＮ１、ＺＴＮ２、・・・、ＺＴＮ１２；ＺＡＮ１、ＺＡＮ２、ＺＡＮ３、ＺＡＮ４；ＺＥＳ１、ＺＥＳ２、．．．、ＺＥＳ１６；ＺＴＳ１、ＺＴＳ２、・・・、ＺＴＳ１２；ＺＡＳ１、ＺＡＳ２、ＺＡＳ３、ＺＡＳ４；と番号付けされている。極圏は、様々な経路作成システムおよび方法の以下の説明を簡単にするためにこの例から省略されるが、当業者は、極圏を含むようにそれらの方法およびシステムを拡張する方法を理解するであろう。図７に示され、本明細書の他の箇所で議論されるゾーン寸法は、単に例として意味される。しかしながら、本明細書で説明されるゾーンシステムは、ゾーンの全てが少なくとも１，０００，０００平方マイルの面積を有する場合、最適な性能を提供すると考えられる。
【００９６】
各ゾーンの境界の長さを図７に示す。各ゾーンがほぼ台形であると見なされる場合、各ゾーンＺＥの面積は約３，０００，０００平方マイルであり、各ゾーンＺＴの面積は約２，９００，０００平方マイルであり、各ゾーンＺＡの面積は約２，４００，０００平方マイルである。（極圏の面積は約１６，０００，０００平方マイルである。）本例は、２００個の衛星コンスタレーションを使用して、ナイジェリアのウヨからフィリピンのレイテへのデータ通信を送信することを考慮する。上記および参考出願第６５６，１１１号において提示される計算を適用する目的のために、典型的なゾーン（極圏以外の）の面積は３，０００，０００平方マイルとみなされ、地球の面積は極圏を差し引かれる。各ゾーンが地球表面の約１．８％を表すように、約１６８，０００，０００平方マイルと見なされ、これは平均して、各ゾーンに３と１／２個（２００ｘ０．０１８）の衛星が存在することを意味する。逆に、任意の特定のゾーンが少なくとも１つの衛星を含まない可能性は、０．９８２２００＝０．０２５（すなわち、４０分の１程度）である。しかしながら、地上のノードは、任意の所与の時間に平均して少なくとも１０個の衛星を「見る」が、少なくとも１個の衛星を見られない確率は約百万分の４である。したがって、地上ノードと２００個のランダム軌道衛星のうちの少なくとも１つとの間のデータ伝送をうまく完了できる確率は、発明者の以前の衛星無線システムと同じであろう。各衛星の経路作成モジュール４６は、ゾーンの境界およびゾーン識別子を定義する緯度および経度情報を記憶する。したがって、衛星内の経路作成回路は、任意の所与の瞬間にその衛星がどの特定のゾーンを占有するかを計算することができる。温帯ＺＴＮおよびＺＴＳの境界を拡張して、それぞれの極領域内にある距離まで拡張することは、これらの計算に実質的に影響を及ぼさない。
【００９７】
図８は、特定の瞬間におけるフィリピンのウヨおよびナイジェリアのレイテの間の地球の表面の一部分の上に配置された複数の周回衛星Ｓを示す。図８に示す衛星分布は、時間と共に変化し、衛星の軌道は制御されないため、任意の所与の時間における数は、図示された数より大きくても少なくてもよいことが理解されるであろう。言い換えれば、衛星は、経時的に特定のゾーンを出て入るが、本明細書に記載するシステムの重要な特徴は、衛星が本質的にランダムに互いおよび地球に対して移動している場合でも、衛星間無線リンクを作り出すことができることである。図８に示す衛星分布は、概念的には２００個の衛星コンスタレーションに基づき、各衛星は、図４に関連して論じた軌道平面内の衛星と共に、上記の説明により他の衛星の軌道パラメータを知っている。衛星間無線リンクを作成するゾーン／マトリックスシステムは、ウヨからレイテまでの約８，０００マイルにわたるデータ通信のための経路を提供する文脈において説明される。
【００９８】
経路作成システムおよび方法の以下の説明は、関与する原理の理解を助けるいくつかの仮定を行う。第１の仮定は、ウヨにおける地上局ノードが、図６に示すようなアンテナ構成を使用することである。例えば、地上局は、すべての方向に上向きの複数の指向性パラボラアンテナを有し、各アンテナは、好ましくは、所与の反射器のための複数の給電体を組み込む。同様に、衛星は、少なくとも衛星の姿勢が分からない実装形態では、すべての方向に送信および受信するための同様の構成の複数の指向性アンテナを有する。始めに、ウヨの地上局は、そのアンテナ給電体の全てからデータ通信を送信する。本実施形態では、データ送信は、送信先を指定するアドレス情報を有するパケット形式である。アドレスは、レイテにおける受信者個人の個人アドレス（現在使用されている電子メールアドレスの慣れた形態に類似する）と、その個人にサービスを提供するレイテ地上局の経度および緯度とを含む。経度および緯度情報が円弧の１０分の１秒単位であれば、約１０フィート以内の位置がわかる。
【００９９】
前述のような指向性アンテナでは、ウヨ地上局から送信された無線信号は、地上局の視界内の少なくとも１つの衛星によって受信され、少なくとも１つの衛星から確認ハンドシェイク信号を受信するまで、すべてのアンテナからブロードキャストし続ける。このハンドシェイク信号は、ウヨ地上局からの受信衛星の距離またはウヨ地上局から受信された無線信号の強度などのさらなる情報を含むことができ、これは、送信を受信した複数の衛星のうちのいずれが経路作成／データ送信プロセスを開始するべきかを地上局によって選択するために使用することができる。地上局は、選択されたハンドシェイク信号を受信したアンテナフィードを使用してデータ伝送をアップロードする。本例は、図８の衛星Ｓ１６がレイテへの無線経路の第１の衛星を含むと仮定する。次の仮定は、ゾーンＺＥＮ１６、ＺＥＮ１、ＺＥＮ２、ＺＥＮ３、ＺＥＮ４、ＺＥＮ５、およびＺＥＮ６のゾーンバンドに示される衛星のみが、経路に含めるために考慮されることである。この仮定は、単に経路作成に関与するステップの説明を簡略化するために行われるが、ゾーン／マトリックスシステムによる経路作成は、発信地上位置と宛先地上位置との間の任意の特定のエリア内の衛星を使用することに限定されないことが当業者には明らかであろう。
【０１００】
本明細書で説明されるゾーン／マトリックスシステムの重要性は、マルチノード地上メッシュネットワークを通じて経路を組み立てるための既知の技術と対比することによって理解することができる。従来技術は、そのようなネットワークにおける任意の所与のノードから他のすべてのノードまでの経路を計算することができる計算アプローチを開示する。そのようなアプローチの１つは、発明者の米国特許第５，７９３，８４２及び第６，４５９，８９９に記載されているような地上ネットワークにおける発信ノードから宛先ノードまでの最適な経路を決定するために最適性のベルマン原理を利用する。（「最適な」リンクは、最も高い信号強度、最短距離、最も高い信号対雑音比、または互いに対する２つのリンクの適合性を反映するように選択された任意の他の特性を有するリンクを意味し得る。）これらのタイプのアプローチは、本システムの２００個の衛星コンスタレーション（ウヨからレイテなど）において、１つの衛星から別の遠距離衛星への最適な経路を決定するために少なくとも理論的に利用可能である。しかしながら、それらは、そのような経路に含めるために、全ての可能な衛星間リンクを考慮する必要がある。計算された衛星間リンクのいくつかは、潜在的なマルチ衛星経路の一部として考慮から除外され得るが、例えば、潜在的なリンクが、互いに通信するには遠く離れすぎる衛星ペアを伴う場合、すべての２００個の衛星は、そのような経路に含めるための候補として経路作成ロジックによって依然として考慮されるべきである。このアプローチは、地上ネットワークとは異なり、衛星ノードが時速約１５，０００マイルで移動しており、したがって、特定の経路に使用される衛星は、経路が計算された位置から移動する前に送信を可能にするのに十分に迅速に識別されなければならないので、さらに複雑である。作業可能なシステムが複数の宛先間の経路の同時作成をサポートしなければならないという事実と対照的に、コンスタレーション内の衛星のすべてを考慮する経路作成方法が実現可能でない可能性が最も高いことは明らかであろう。同じことに、本システムにおける経路作成は、衛星間リンクがすべての可能な経路のために利用可能となる確率が高くなるように十分な数の衛星を使用することに依存するので、コンスタレーション内の衛星の数を低減することによって計算を単純化することができない。
【０１０１】
１．フルゾーン／マトリックスシステム
【０１０２】
ここで説明されるゾーン／マトリックスシステムの実装は、最初の経路ノードとしてより一般的に言及され得る衛星Ｓ１６内のＧＮＳＳモジュール４４が衛星の位置を知り、その経路作成モジュール４６が２００個の衛星コンスタレーション内のすべての他の衛星ノードまでの距離および方向ならびにそれが占有するゾーンを決定することができるという事実に依存する。従って、どの衛星がレイテまでの経路に含める候補であるかを識別することができる。図９は、ゾーンＺＥＮ１６、ＺＥＮ１、ＺＥＮ２、ＺＥＮ３、ＺＥＮ４、ＺＥＮ５、およびＺＥＮ６を含む北緯０°〜３０°の帯域を占有するものとして示されるすべての衛星の相対位置を含む、衛星Ｓ１６内の経路作成モジュールソフトウェアによって構築されるマトリックスを示す。マトリックスは、最初の衛星Ｓ１６から始まり、その後、衛星Ｓ２６から始まり、レイテ地上局に最も近い衛星Ｓ１６３で終わる東寄りの方向に概して順に列挙される、関心のある帯域内の衛星の全２２個の間のマイル単位の距離のエントリを含み、通信経路の終端として衛星Ｓ１６によって決定される。説明の明確化のために、図９に示す距離は、おおよそ、衛星間のマイレージの一部であり、明瞭化のために省略されている。説明を容易にするために図９からも省略されるが、マトリックス内の各エントリはまた、マトリックスが衛星Ｓ１６内の経路作成モジュールによって構築されるときに衛星によって占有されるゾーンを含む。
【０１０３】
地球の表面をゾーンに分割し、ゾーンの境界をすべての衛星にアップロードすることによって、分散ノードを通じた経路作成のための既知のアプローチを使用してさえ、計算の数を大幅に削減することができる。なお、本例において、衛星Ｓ１６の経路作成ソフトウェアは、宛先の地上局が位置する地球表面上のゾーンに経路戦を「描画」することで、限定的な経路決定方法がどのゾーンに適用されるかを決定する。次いで、この方法は、宛先への線に沿った方向のゾーン内のすべての衛星のエントリに反対方向に１つのゾーンを加えた図９のようなマトリックスを構築することによって適用される。この例では、ウヨからレイテまでのラインは、ゾーンＺＥＮ１、ＺＥＮ２、ＺＥＮ３、ＺＥＮ４、ＺＥＮ５、およびＺＥＮ６を横断し、マトリックスは、それらのゾーン内の衛星のすべてと、逆方向のゾーンＺＥＮ１６とを含む。このようにして、可能な衛星間リンクの数は、２１×２１（＝２４１）、または２００×２００マトリックス（＝４０，０００）で作業する際に必要とされる数の約０．６％に低減される。経路作成ロジックは、潜在的な衛星間リンクの双方向性を考慮する必要があるので、各リンクは、衛星ＳＬから衛星ＳＲに１回、次いで衛星ＳＲから衛星ＳＬの２回考慮されなければならないことに留意されたい。これらをマトリックスに２回含めると、リンク間サブルートを構築するのに必要な計算数を減らすことができる。上述のように、潜在的なリンクの多くは、所与のリンクにおける衛星間の所定の距離を超えるものをフィルタリングするなど、様々な戦略を使用して最終的に廃棄され得るが、それらは依然として計算されるべきである。
【０１０４】
このアプローチの変形例では、マトリックスは、経路作成ソフトウェアが、レイテ地上局にそれをダウンロードすることができる衛星へのデータ伝送を完了するために求められる、必要な衛星間リンクを作成する確率を増加させるために使用することができる追加情報を含むことができる。１つのそのような変形例では、マトリックスは、衛星間の距離だけでなく、互いに対するそれらの速度およびそれらが動いている方向（例えば、互いに向かって、または互いから任意の）も含む。衛星内の経路作成モジュールは、データ伝送の最終的な宛先までの経路を計算する際に、その情報を考慮に入れることができる。好ましい実施形態では、図９に示すマトリックスは、衛星の移動を考慮するために、例えば１０秒ごとの間隔でリフレッシュされる。本明細書で説明するゾーン／マトリックス方法における経路作成中、ルーティング（経路）メッセージを受信する各衛星は、ルーティングメッセージを受信した衛星にルーティング確認信号を送信する。ルーティング確認信号を受信する衛星は、特定の経路に沿って衛星間でデータパケットを送信する際に使用するためのルーティング確認信号を受信するアンテナ（またはアンテナ給電、図６参照）を記憶する。
【０１０５】
要するに、衛星Ｓ１６は、ウヨ地上局からデータ伝送を受信すると、データ伝送に含まれる緯度・経度アドレス情報に基づいて、レイテ地上局までの衛星間経路を算出する。すべての可能な経路を決定するのに必要な計算の数を制限することによって、経路は、実質的に瞬時に、または少なくとも、その宛先にデータを送信する際に知覚可能な遅延をもたらさないほど十分に迅速に決定することができる。（これはまた、所与の経路を作成するために必要な経路作成モジュールの計算能力の量を制限し、衛星がノード候補である他の経路を計算するのに十分なオーバーヘッドを残す。）経路内の最初の２つの衛星がＳ２およびＳ６７である場合、衛星Ｓ１６のデータ移動モジュール４８は、ウヨ地上局から受信されたデータ伝送パケットを衛星Ｓ２に送信し、経路作成中に保存されるアンテナ（またはアンテナ給電）を、それを衛星Ｓ２に順に衛星Ｓ６７に送信するように指示するアドレッシング信号と共に送信する。各ルーティングメッセージは、受信衛星が次の衛星の位置を計算する必要性を排除するために、経路内の次の衛星ノードの位置を含むことができる。宛先地上局は、完全なデータ伝送を受信すると、本明細書に記載の方法のいずれかに従って作成された衛星間経路を介して、発信地上局に確認メッセージを返す。
【０１０６】
本実施形態の変形例では、初期受信ノードの経路作成モジュールは、宛先地上局までの複数の経路を計算する。所与のマルチパケットデータ伝送は、パケットの適切な順序に関する情報を含むので、パケットは、順序が外れても宛先地上局において組み立てられ得る。これは、衛星が特定の軌道に制約されない場合であっても、完全なデータ伝送が宛先地上局において受信される確率を増加させる。周知のエラー符号化技術をデータパケットに適用することによって、さらなる信頼性を提供することができる。
【０１０７】
ゾーンは、上述したように衛星の軌道パラメータがコンスタレーション全体にわたって分散される方法と同様の方法で地上局から情報をアップロードすることによって「描画」または「描画される」ことができることも理解されよう。衛星はまた、同様に上述の方法で、ゾーン境界定義をそれ自体に分配することもできる。各経路は、経路における初期ノードの位置に対する宛先地上局の位置に基づいて決定される。図９のようなマトリックスを構築するために使用されるべき特定のゾーンは、同じベースで決定される。本例は、好ましい経路を組み立てるために衛星間の距離を使用するが、図９のマトリックスは、信号強度、信号対雑音比、衛星の相対速度（既に述べたように）、またはそのようなパラメータの２つ以上の任意の組み合わせなど、潜在的な衛星間リンクの他の特性に基づくことができる。次いで、衛星内のコンピュータは、潜在的なリンク毎のマトリックスの値に基づいて、リンク毎の定量的性能指数を計算する。このセクションおよび以下のセクションで説明される衛星間システムの別の特徴は、各衛星を取り囲む球状空間の少なくとも一部にわたって送信および受信するために衛星のアンテナを分配することは、軌道崩壊を通じて、それらの軌道が展開時にわずかに非円形であるので、それらがわずかに異なる高度にある場合に、衛星間のビームマッチングを容易にすることである。または、異なる打ち上げ車両によってわずかに異なる高度で展開された場合である。この能力は、衛星の一部または全部が、図６に関連して説明されるような多給電アンテナを含む場合に、さらに強化される。アンテナは、姿勢制御を備える場合、衛星の所定の部分を通じて送受信するように構成することができる。別の適応では、それ自体の位置およびそれが無線信号を受信した衛星の位置に関する特定の衛星の知識は、受信衛星が、無線信号が受信された１つまたは複数のアンテナ（またはアンテナ給電）に基づいてその姿勢を決定することを可能にする。この情報は、他の衛星または地上局に無線信号を送信するためにどのアンテナまたはアンテナ給電を使用するかを決定するために経路作成モジュールによって使用され得る。この適応は、姿勢制御を伴うかまたは伴わない衛星において使用することができる。
【０１０８】
２．制限されたゾーン／マトリックスシステム
【０１０９】
経路作成のこの方法は、ゾーンの第１のグループを別々に考慮することによって、計算の数をさらに減少させる。この例では、衛星Ｓ１６は、最初の３つのゾーンＺＥＮ１６、ＺＥＮ１、およびＺＥＮ２内の衛星、すなわちそれ自体ならびに衛星Ｓ２６、Ｓ１０２、Ｓ４２、Ｓ２、Ｓ６７、Ｓ２５、Ｓ１７、およびＳ６３内の衛星から８×８の定義された距離マトリックスを組み立てる。このマトリックスは、図９において太い線によって示されている。衛星Ｓ１６における適切な経路作成ソフトウェアは、ゾーンＺＥＮ１６、ＺＥＮ１、およびＺＥＮ２における他の衛星の全てへの好ましいサブ経路を計算するために使用される。前述の通り、適切なマルチリンクサブルートの基準は、サブルートにおけるリンクの組み合わされた距離、信号強度、任意の２つの特定の衛星間の相対速度ベクトルの方向などの因子に基づく定量的性能指数によって示される衛星間リンクの品質などの１つ以上のパラメータとすることができる。
【０１１０】
制限されたゾーン／マトリックス方法における次のステップは、宛先地上局から反対方向にルーティングラインに沿ったゾーン内のノードで終端するすべてのサブルートを考慮に入れて排除することであり、この例では、ゾーンＺＥＮ１６において衛星Ｓ１０２およびＳ２６を構成する。この戦略は、経路作成プロセスがゾーンＺＥＮ６に向かって進むときに必要とされる計算の数を低減するが、たとえそのようなサブルートが、その後、プロセスの後続のステップの間に、下流ゾーン内の他の衛星への好ましいサブルートの一部であると決定された可能性があるというわずかな可能性があったとしても、その計算の数を低減する。しかしながら、そのようなサブルートを識別する方法の確率は十分に低いため、そのようなサブルートが任意の潜在的な最終ルートに含まれる可能性は低いと考えられる。ルートに含めるための基準が最小距離であるこの例では、Ｓ１０２またはＳ２６を伴う他のすべてのサブルートが直接Ｓ１６からＳ２までのリンクまたは直接Ｓ１６からＳ４２までのリンクよりも長いので、Ｓ１６からＳ２またはＳ４２のいずれかへのマルチリンクサブルートは存在しない。信号強度などの別のパラメータが使用される場合、Ｓ４２からＳ２までのサブルートは、Ｓ４２への直接のリンクよりも好まれるか、またはＳ４２へのサブルートは、Ｓ１０２を含み得る。
【０１１１】
そして、経路作成処理は、以下のように進む。
・衛星Ｓ１６は、以上のステップで選択されたゾーンＺＥＮ１、ＺＥＮ２の衛星から、次のゾーンＺＥＮ３の衛星まで、経路ラインに沿って宛先ゾーン（ＺＥＮ６）に向かって優先サブルートを特定する。
・衛星Ｓ１６は、ゾーンＺＥＮ２およびＺＥＮ３内の衛星で終わるサブルートから、経路ラインに沿って次のゾーンＺＥＮ４内のすべての衛星まで、宛先ゾーンに向かって、好ましいサブルートを識別する。ゾーンＺＥＮ１（経路ラインに沿ったゾーンは、宛先地上局とは反対方向である）で終端するサブルートは考慮されない。
【０１１２】
プロセスは、このように、ルーティングラインに沿ってゾーンごとに宛先ノード、この場合、ゾーンＺＥＮ６内の衛星Ｓ１６３に向かって継続する。各ステップにおいて、初期衛星ノード（Ｓ１６）は、１つのゾーンで終わるサブルートを考慮せずに、宛先ゾーンの方向に１つのゾーンから次のゾーンへのサブルートを計算する。初期衛星内の経路作成回路は、それによって、経路作成プロセス中に宛先地上局までの少なくとも１つの好ましい経路を同定する様々な好ましいサブ経路から組み立て、次いで、データパケットを宛先地上局に送信するために好ましい経路のうちの１つ以上を使用する。上述したように、宛先地上局は、完全なデータ伝送を受信すると、本明細書に記載する方法のいずれかに従って作成された衛星間経路を介して確認メッセージを発信地上局に返す。したがって、この限定されたゾーン／マトリックス方法では、各ステップで考慮すべき衛星のマトリックスは、全ゾーン／マトリックスシステムのように全てのゾーン内の衛星の全てではなく、一度に３つのゾーン内の衛星に限定され、したがって、宛先地上局への１つ以上の好ましい経路を計算するのに必要な時間が実質的に短縮される。
【０１１３】
３．動的ホールドゾーン／マトリックスシステム
【０１１４】
この経路作成方法は、上述のフル／ゾーンマトリックスシステムまたは制限／ゾーンマトリックスシステムと共に使用される。これらのシステムでは、最初の衛星ノードは、宛先地上局への１つ以上の経路を作成するために初期ノードによって使用されるアドレス情報を有するデータ伝送パケットを発信地上局から受信する。最初の衛星ノードは、経路が組み立てられるまでデータパケットを保持し、これは、本明細書で説明される方法を使用して非常に短時間であるべきである。そして、最初の衛星（本例ではＳ１６）は、各経路の第１衛星にデータパケットを送信する。その衛星は、データの受信に成功すると、送信衛星に確認信号を送信する。このデータ送信および確認応答の返却は、ルート内の最後の衛星がデータ送信の受信を確認応答するまで、ルート内の衛星から衛星へと続く。
【０１１５】
しかしながら、本発明の一態様の顕著な特徴は、いったん空中にあると、衛星の位置または向きに関して制御されない衛星を使用することによって、遠距離の経路を作成する確率に依存することである。これは、衛星リンクノードの大きなコンスタレーションを非常に低いコストで展開することを可能にする。そのパラダイムのために、システムの性質が、ある衛星ノードが別の衛星ノードとの通信を確立するのを困難にする場合があり得る。システムの性質により、別のノードが短時間に利用可能になる可能性があるので、これは一時的であるべきである。上記のマトリックスシステムは、このような発生を容易に説明できる。
【０１１６】
上述したように、衛星は、システム内の次のノードにデータパケットを送信する度に、肯定応答信号をリッスンする。衛星は、データパケットを保持しながら数回の送信を試みることができるが、所定の回数の試行の後に確認応答がまだ存在しない場合、データパケットを保持する経路内の衛星は、単に、フルゾーン／マトリックス法または制限ゾーン／マトリックス法（または本明細書に記載する別の方法）のいずれかによって宛先までの新しい経路を計算する。これは、データ伝送全体が宛先地上局によって受信されるまで短い遅延をもたらし得るが、実質的に検出できないほど十分に短いと考えられる。宛先地上局は、完全なデータ送信を受信すると、本明細書に記載の方法のいずれかに従って作成された衛星間経路を介して、発信地上局に確認メッセージを返す。これは、送信者に、自分のメッセージの配信が、意図された宛先への送信におけるある時点で保持されているかもしれないことを警告するが、ほとんどのユーザは、電子メールおよびそれに対する他の形態の通信へのアクセスを有するために、それと交換してより長い送信時間を許容し、未開発のエリアでは利用できないことも予想される。
【０１１７】
４．可変ゾーン／マトリックスシステム
【０１１８】
別の実施形態では、ゾーンは、宛先アドレス情報を含むデータ伝送パケットを受信した後に最初の衛星ノードによって描画される。上述の様々なゾーン／マトリックスシステムに関するこの変形例では、衛星のすべてのルート作成モジュールは、宛先地上局にデータを送信するために使用される特定のルート作成システムを実装するために使用されるゾーンの境界を設定するソフトウェアを含む。この経路作成方法は、成功した経路を作成する確率を最大にするために、潜在的なゾーン内の衛星の数および隣接するゾーン内の衛星間の距離などの因子を考慮することができる。この方法の１つの好ましい実装形態では、データ伝送を受信する各衛星は、宛先地上局への経路の残りのためにそれ自体のゾーン境界を引く。
【０１１９】
最初の衛星は、任意の適切な形状またはサイズでゾーンを「描画」することができる。例えば、第１のゾーンは、最初の衛星を中心とする直径２０００マイルの円とすることができ、各後続のゾーン、例えば宛先衛星は、（それらの中心を結ぶ線に沿って）第１の円と約５００マイル重複する同様の円とすることができる。円（または他の形状）は、重複領域内の特定の数の衛星を提供するのに重複の面積が十分であるように描かれる。経路作成モジュールは、所定の確率に従って、所与の数の衛星（または所与の範囲の数）が、特定のゾーン内の少なくとも１つの衛星から、そのゾーンと隣接ゾーンとの重複領域内の少なくとも１つの衛星へのビーム一致の成功を可能にするように計算するようにプログラムされる。言い換えれば、最初の衛星は、経路ラインに沿った重複領域における衛星の数を考慮し、各領域における衛星の数を考慮する面積を有する重複領域を有するゾーンを提供する。ゾーンは、ルートが作成されている特定の時点における重複領域における衛星の数に応じて異なるサイズとすることができる。
【０１２０】
最初の衛星はゾーンに固有の識別子を与え、宛先衛星への経路の作成を行うために使用されるマトリックスは、既に説明したゾーン／マトリックス方法のいずれかにおいて上述したように組み立てられる。変形例では、最初の衛星と宛先衛星との間の衛星の分布が変化する場合、経路作成プロセスの間にゾーン境界を変化させることができる。さらに、選択された経路作成プロセスにおける特定のステップは、元々描画された経路ラインから外れた新しい経路ラインを描画し得る。
【０１２１】
衛星間リンクによる無線経路を生成するゾーン／方向システム
【０１２２】
図８は、すべての衛星が他のすべての衛星の軌道を定義する軌道情報を記憶する衛星インフラストラクチャも使用するデータ伝送のこのゾーン方法を示すために使用される。この情報を用いて、衛星は、無線信号を送信すべき正確な方向を知る。すなわち、そのデータ移動モジュール４８は、別の衛星に向けてデータを送信する１つ以上のアンテナモジュールを選択する。上で指摘したように、この方法は、約８０００マイル離れているフィリピンのウヨからナイジェリアのレイテへのデータ伝送に関連して説明される。
【０１２３】
前述の通り、衛星Ｓ１６は、ウヨ地上局からレイテ地上局に最も近い衛星Ｓ１６３へのデータ伝送を受信した最初のルーティングノードであると仮定する。この経路作成方法において、最初の衛星ノードＳ１６は、宛先地上局に向かって次の隣接ゾーン、この例ではゾーンＺＥＮ２に衛星があるか否かを判断する。次いで、衛星Ｓ１６は、適切なアンテナ給電を使用して衛星Ｓ６７、Ｓ１７、Ｓ６３、およびＳ２５にデータ伝送を送信する（図６参照）。データの受信に成功した衛星は、肯定応答信号を衛星Ｓ１６に返す。次いで、データ送信を受信したゾーンＺＥＮ２内の各衛星は、次のゾーンＺＥＮ３内の衛星に送信し、確認応答信号を待つ。このプロセスは、データが、宛先衛星Ｓ１６３が位置するゾーンＺＥＮ６に隣接するゾーンＺＥＮ５内の１つ以上の衛星によって受信されるまで繰り返される。データ伝送を受信したゾーンＺＥＮ５の衛星は、衛星Ｓ１６３に向けられ、以前と同様に、受信に成功したことの肯定応答の返却を待つ。
【０１２４】
経路作成のこの方法は、前のセクションで説明されるマトリックス方法よりも計算に費やすほど少ないが、実際には、それらの最終的な宛先衛星へのデータ伝送を完了する際の遅延を最小化する点で信頼性が低い可能性がある。例えば、経路内の衛星のいずれか１つは、他の衛星から肯定応答を受信する前にデータ伝送を複数回送信しなければならない場合がある。上で言及したように、ある量の遅延は、遠く離れた地理的位置を有する電子通信にアクセスでき、それゆえ、世界のあまり発展していない部分においてユーザに利用できないという許容可能な結果であり得る。しかしながら、これは、メッセージが長すぎる場合に、またはメッセージが多すぎて全く通過しない場合に、システムの有用性を低下させる。
【０１２５】
これらの問題が起こる可能性を最小にするために採用され得るいくつかの戦略がある。１つの方法は、データが最初に方向付けられた任意の衛星から肯定応答信号を受信していない場合に、他のゾーン内の近くの衛星にその衛星を送信しようと試みるためにボード上のデータ送信を有するルート内の各衛星のためのものである。例えば、衛星Ｓ２５は、ゾーンＺＥＮ３のいずれかの衛星からの確認応答信号を所定の時間内に受信していない場合、ゾーンＺＥＳ３の衛星Ｓ５２にそれを送信しようとする。
【０１２６】
このゾーン／方向システムの変形例では、ゾーンは、可変ゾーン／マトリックスシステムに関連して上述したように宛先アドレス情報を含むデータ伝送パケットを受信した後、最初の衛星ノードによって描画される。すなわち、すべての衛星の経路作成モジュールは、データを宛先地上局に送信するために使用される特定の経路作成システムを実装するために使用されるゾーンの境界を設定する。同様に、衛星コンピュータは、成功した経路を作成する確率を最大にするために、潜在的ゾーン内の衛星の数および隣接するゾーン内の衛星間の距離などの因子を考慮する。この方法の１つの好ましい実装形態では、データ送信を受信する各衛星は、宛先地上局への経路の残りのためにそれ自体のゾーン境界を引く。
【０１２７】
Ｄ．衛星間リンクによる無線経路を作成するためのベクトル／方向システム
【０１２８】
この実施形態では、各衛星は、それ自体の横方向／縦方向位置を知っているが、他の衛星の軌道パラメータは知らない。したがって、上記で使用された例において、衛星Ｓ１６は、コンスタレーション内の任意の他の衛星の位置を知らないが、それがウヨ地上局から受信するデータ伝送の方向を知る。既に述べたように、確率は、２００個の衛星コンスタレーションにおいて、少なくとも４０個の衛星が常に所与の衛星と見通し線内にあることを示唆する。同様に、コンスタレーション内の衛星の分布のランダムな性質を仮定すると、それらのいくつかは、衛星Ｓ１６の現在位置とデータ伝送の最終的な宛先との間にある。
【０１２９】
したがって、衛星は、適切なアンテナまたはアンテナ給電（図６参照）を使用して、それ自体と宛先地上局との間の空間エリア内の領域の所定の広がりを、その宛先地上局の位置を含むデータ伝送でフラッディングすることができる。一例として、衛星は、レイテ地上局に向かう方向（三次元）を計算し、地球の表面に平行な平面（ｘ−ｙ平面）において６０°、地球の表面に垂直な上下方向（ｚ軸）において３０°に及ぶ領域をフラッディングする。後者の領域は、ｚ方向において、軌道崩壊によって生じた衛星高度の変動に対処する。図８に示されるように衛星が分散された場合、衛星Ｓ６３およびＳ２５の一方または両方は、データ伝送を受信し、肯定応答信号を返すことができる。衛星Ｓ２５がデータを受信した場合、衛星Ｓ２５は同様に領域をフラッディングし、それによって衛星Ｓ７、Ｓ５２、およびＳ４７は送信を受信することができる。この段階的送信は、データが、衛星がデータ送信をダウンロードするレイテ地上局の視線内の１つ以上の衛星によって受信されるまで発生する。本明細書で説明されるすべてのデータ伝送方法の場合と同様に、宛先地上局は、宛先地上局が完全なデータ伝送を受信すると、衛星間経路を介して発信地上局に確認メッセージを返す。
【０１３０】
ＩＶ．他の変形例および変形例
【０１３１】
本節では、信頼性を向上させ、地上局間のデータ送信の速度を増大させ、他の方法でシステムに有用性を追加することができる、上述のシステムに対する修正、変形、および追加について説明する。
【０１３２】
回転衛星
【０１３３】
既に論じたように、上述の説明に従って衛星ベースの無線メッシュシステムを設計することは、多種多様なパラメータ間で無数のトレードオフを伴う。相互目的において機能し、したがって、疑わしい選択を必要とする２つの特定のパラメータは、アンテナによって送信される無線信号のビーム幅およびアンテナの電力（利得）である。一方では、ビーム幅が大きくなると、ビーム一致を作り出すことができる確率は大きくなるが、ビーム幅が大きくなると、アンテナの利得が低下する。逆に、より狭いビームは、アンテナ利得を増加させるが、ノード間のビーム一致を生成する確率を減少させる。このトレードオフは、衛星アンテナ構成が、衛星が運ぶことができるアンテナの数を制限する衛星の重量およびサイズならびに車載バッテリから利用できる電力に対する制約を考慮する必要があるため、衛星ノードにおいて特に重要である。ノード間の可能なビーム一致の数を増加させることも望まれるが、その理由は、幾つかの無線ビームが地球の表面をかすめることによって弱めることができ、これは受信ノードに到達する前に信号を部分的に遮断することができるからである。
【０１３４】
ビーム幅とアンテナ利得との間の適切なトレードオフを達成することは、ランダム軌道衛星システムの効率的な機能にとって重要である。そのようなシステムは、経路を作成および選択するためにランダムに周回する衛星を使用して経路を作成することができる統計的確率に依存する。通常、衛星のアンテナは、ノード間のリンクの確立を可能にするために、互いに地球に向かって空間を向く。システムの基本的な特性は、他のノード（地上局および衛星）に到達する十分な強度の経路信号およびデータ送信に依存することである。システムは、軌道内に十分な衛星を有し、ビーム幅対利得を含む適切な設計トレードオフをして、１つまたは複数の衛星を介して２つの地上局の間に適切な経路を作成できる確率を高めることに依存する。しかしながら、衛星間の高品質リンクを生成する確率が増す場合、複数の衛星経路によってより良いデータ伝送を達成することができるシステム導入があり得る。
【０１３５】
本実施形態は、軸の周りを回転する衛星を利用し、これは、本明細書で説明するように、高品質リンクおよびサブルートを有するルートが、複数の衛星を使用して作成され得る可能性を増加させる。以下で説明するように、回転衛星を使用することは、ビーム幅を縮小することを可能にし、対応する利得の増加を伴う。
【０１３６】
例示的な衛星構成は、球形衛星の表面の約６０％を覆う２５個のアンテナを使用する。したがって、そのような衛星によって送信される無線ビームが別の同様の衛星によって受信される確率の大まかな推定値は、約３６％（０．６×０．６）であろう。無線ビームは、リンクがある程度生成される確率を増加させるサイドローブを有するので、これは単に推定値であることが当業者には理解されよう。衛星の直径が２倍であれば、パラボラディッシュアンテナの直径ｄも２倍にすることができる。式α＝（ｋ×λ）／ｄによって、半電力ビーム幅（ＨＰＢＷ）は半分になる。ビームの面積はわずか１／４であるが、アンテナ利得は４倍、すなわち約６ｄＢ増加される。一方、衛星間のビーム一致確率は約２％（３６％×（１／４）２）に低減される。
【０１３７】
本実施形態では、衛星間のビーム整合による無線リンクの確立は、回転軸の周りを意図的に回転する軌道に展開される衛星を使用することによって強化される。一実装形態では、衛星自体は、図２および図３に示され、それらに関連する上記テキストに記載されている衛星と同じ構成要素を有する。
【０１３８】
衛星の角速度は比較的高い。回転衛星を使用する典型的なシステムの動作を示すために、衛星は、角速度ω＝２πｒａｄ／ｓｅｃ（６０ｒｐｍ）で展開されると仮定する。当業者は、この例が限定的であることを意図しておらず、本明細書で説明および請求されるように、無線経路を確立し、データを送信するのに有効な任意の角速度を採用することが本開示の範囲内であることを理解するであろう。回転軸の向きは制御されないが、物理学の原理は、各衛星が、その質量中心を通る回転軸を取り、回転軸が角速度ωの周りで歳差運動することを規定している。しかしながら、任意の所与の時間における回転軸の向きは、以下の考察から明らかなように、無線リンクの作成に影響を与えない。
【０１３９】
回転衛星は、衛星が回転するにつれて衛星アンテナがエリアを「掃引」するので、送信無線ビームが別の衛星によって受信される確率を増加させる。これは、図２の衛星１０の赤道１６に対応する衛星「赤道」を通る概略断面である、図１０Ａに示される衛星Ｓωを考慮することによって理解することができる。この例では、衛星Ｓωは、それぞれ３５°のＨＰＢＷを有し、赤道１６の周りに等しく配置され、角速度ωでｚ軸の周りを回転する５つのアンテナ１２１、１２２、１２３、１２４、および１２５を備える。衛星から離れて赤道の平面内にある位置ＲＬは、衛星が１回転の間回転するにつれて５つのアンテナを「見る」ことになる。この数は赤道面内ではない場所では異なるが、原理は依然として成立することは理解されるであろう。また、回転軸周りの偏位のために数が増加または減少し得るが、衛星（地上局を含む）から離れた大部分の場所は、衛星が回転するにつれて依然として複数のアンテナを見るであろうことも理解されよう。したがって、第１の衛星Ｓωの赤道面内に赤道面を有する第２の衛星では、上記のタンブリング衛星の例よりも６ｄＢの利得増加を有する無線リンクを作り出すことができる確率は、約１０％（各アンテナについて５アンテナ×２％）である。地上局アンテナとのビーム一致を生成する確率も同様に増加する。
【０１４０】
これは、それらの回転軸の周りの衛星の偏位などの要因を無視する極めて理想化された表現であることが理解されようが、それにも関わらず、回転する衛星が、２つの衛星の間にビーム一致を生成する確率が高くなるという概念を示す。しかしながら、経路作成に利用できる多数のランダム周回する衛星を考慮すると、多くの場合、回転衛星を使用するビーム一致の確率の増加は、多くの場合、多くの場合、複数の衛星を介して２つの地上局間のより高品質のリンクを有する無線経路の組み立てを可能にするのに十分であろう。これは、大きな距離によって分離される地上局に到達することに特別な適用性を有するが、他の設定では地上局間の無線経路の信頼性を高めることもできる。
【０１４１】
１．逆回転衛星
【０１４２】
衛星は、好ましくは、それらの約半分がそれらの回転軸の周りに第１の方向に回転し、他の半分が反対方向に回転する状態で配備される。図１０Ｂは、図１０Ａの同様の部品に同様の番号を使用し、第１の方向に角速度ωで回転する衛星Ｓω１と、同じ角速度ωで（反対の回転方向で）回転する第２の衛星Ｓω２とを示すことによって、この原理を示す。これは、衛星Ｓω１のアンテナ１２５と衛星Ｓω２のアンテナ１２４との間のビーム一致が、２つの衛星が同じ方向に回転している場合よりも、どのように持続されるかを示す。すなわち、衛星が反対方向に回転している場合、衛星上の対向アンテナは、互いに対して本質的に同じ線速度で移動している。一方、衛星が同じ方向に回転している場合、その相対線速度は、それぞれの線速度の２倍となる。軌道内の十分な数の衛星（前の実施形態における２００）では、無線経路が確立されている任意の所与の地理的エリアにわたって複数の逆回転衛星を有する可能性が顕著であると考えられる。したがって、比較的長い持続する衛星間リンクを迅速に確立する可能性は、他の衛星とは反対方向に回転する衛星の少なくとも一部、好ましくは約１／２を配備することによって増大される。加えて、それぞれの衛星上に２つのアンテナがより長く整列しているだけでなく、それらが互いに視界から外れて回転するとすぐに、衛星の他の２つのアンテナが整列し得、したがって、衛星間の無線リンクの迅速なリフレッシュを可能にする。図１０Ｂに示される例では、衛星Ｓω１のアンテナ１２１および衛星Ｓω２のアンテナ１２５は、次に整列する。
【０１４３】
上記で論じた回転衛星の使用の有効性の増加を示すために使用される例のように、これはまた、逆回転衛星がどのようにそれらの間により長い持続的な無線リンクを作り出すことができるかの理想的な説明である。さらに、上記の説明の基礎となる仮定に対して、２つの地上局の間に無線経路が望まれるエリアにわたる２つの逆回転する衛星が、任意の所与の時間に存在しなくてもよい。それにも関わらず、これらの例は、回転衛星、特に逆回転衛星が、２つの衛星間の信頼できるデータ通信を可能にするために、ランダム軌道衛星間の比較的高い利得の無線リンクを確立する十分な確率を提供する点を示す。また、アンテナは、（好ましくは衛星を取り囲む全球状の空間にわたって）複数の方向を向いているので、衛星間無線リンクを確立する機会は、ほとんどの場合、回転衛星を使用することによって強化される。
【０１４４】
２．異なる角度で移動している衛星
【０１４５】
上記で説明した実施形態の変形は、異なる角速度で回転する衛星を使用する。この変化は図１０Ｃに概略的に示されており、衛星Ｓω１は角速度ω１で回転し、Ｓω２は異なる角速度ω２で回転する。このシステムの利点は、図１０Ｃに示されるように、逆回転する衛星上のアンテナが、１つの衛星上のアンテナが第２の衛星上のアンテナ間の空間に直接向き得るという意味で位相がずれ得ることである。衛星が同じ角速度で回転している場合、この状況は長期間持続することができ、したがって衛星間の無線リンクを弱めるか、またはおそらくリンクの確立を完全に妨げる。異なる角速度で衛星を回転させることは、両方の衛星上のいくつかの角度位置においてアンテナが互いに向かい合う（位相が合っている）可能性を増大させ、したがって、それらの間の有用な無線リンクの確立を可能にする。例えば、図１０Ｃに示される場合、衛星Ｓω１上のアンテナ１２２が衛星Ｓω２上のアンテナ１２４と１２５との間の空間に直接向いているという点で、衛星上のアンテナは正確に１８０°位相がずれている。ω１＝１．３３×ω２である場合、衛星Ｓω１上のアンテナ１２５および衛星Ｓω２上のアンテナ１２５は、衛星が回転するにつれて整列する。
【０１４６】
異なる角速度で回転する衛星の使用は、衛星間および衛星間の無線リンクを確立する際に考えられるあらゆる遅延をさらに低減すると考えられる。例示的なアプローチでは、衛星のコホートは、以下の表に従って、異なる角速度を有する５つのグループに分割することができる。
【表１】
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【０１４７】
上記説明は、これがどのようにしてそれぞれの衛星上のアンテナ間のビーム一致を確立する確率を増加させる傾向があるかを説明している。すなわち、上述の考察は、別の角速度の１．３３倍の角速度で回転する衛星がビームの整合を容易にする方法の一例を実証した。同じ原理は、角速度の他の倍数にも当てはまる。
【０１４８】
同様に、このシステム実装形態はまた、ある衛星上のアンテナが、衛星が異なる角速度で逆回転する場合にビームマッチを形成するために別の衛星上のアンテナと十分に整列する機会がより多く有するので、所与の期間により多くのビームマッチを可能にする。所与の時間に、または回転している一定の間隔の間、２つの衛星の間にビーム一致が存在しないことがある。しかしながら、異なる角速度で回転し続けるので、衛星上のアンテナは、それぞれの衛星上のアンテナが何らかの点で整列する可能性があるため、ビーム一致を形成する可能性がある。これは、衛星を複数回回転させ得るが、異なる角速度での回転は、衛星が回転し続けるにつれて、より多くの一致が生成される確率を大幅に増大させる。したがって、衛星がその軌道内を移動し、その軸の周りを回転するにつれて、異なる衛星上のアンテナの複雑な相互関係から、それぞれの異なる角速度で回転する衛星の複数のコホートを提供することは、任意の所与の時間間隔の間に衛星の対の間により多くのビーム一致を生成する可能性を増加させることが理解されるであろう。
【０１４９】
３．他の考察
【０１５０】
地球軌道で、特に低高度で回転する身体の角速度は、いくつかの要因から減衰を受けることが知られている。例えば、低地球軌道高度において地球の大気が極めて薄い場合であっても、本システムにおいて使用される衛星が好ましくは占有する領域は、それにもかかわらず、回転体は依然として空力抵抗を受ける。物体内の強磁性材料の地球の磁場を通過することによって生成される力はまた、衛星のような回転体の角速度に影響を及ぼし得る。回転衛星が経時的に角速度を低下させる傾向は、様々な方法で補償することができる。１つは、レトロロケットまたは従来技術で公知の能動的な機械装置を使用することである。しかしながら、本発明の目的の１つは、本明細書に記載されるシステムにおいて使用される衛星の構築、展開、および維持のコストを最小化することにあるので、衛星への外力を補償するため、または衛星の動きを制御する力を生成するために受動的手段を使用することが好ましい。
【０１５１】
そのような手段の１つは、パネルに当たる光子の運動量を利用して衛星の回転軸周りにトルクを発生させるために、片側のみにソーラーセルを有するソーラーパネルを使用する。例えば、図２および図３を参照すると、ｚ軸の周りで反時計回りに回転するように配備される衛星（ｚ方向の負方向に見た場合）の場合、各ソーラーパネル１４ａは片側のみにソーラーセルを有する。すなわち、ソーラーパネル１４ａは、図３の右に観察者に面する側と、他のソーラーパネル１４ａは、図３の左に観察者から離れて面する側とがある。残りのソーラーセルパネルは、両面にソーラーセルを依然として有する。より大きなソーラーパネルは、衛星上での空気力学的抗力を増加させるが、角速度が減衰する傾向を克服する正味トルクを衛星上に生成するサイズ、構成、および配向のソーラーパネルを設計することが可能であると考えられる。
【０１５２】
同様に、衛星コンポーネントの質量を選択的に分配して、特定の軸の周りで衛星コンポーネントを回転させることが可能であると考えられる。電池は、衛星質量の大部分を形成することが予想されるので、好ましくは、衛星の質量中心に配置され、回転軸に関して対称である質量分布を有する。加えて、衛星に対する地球の磁場の影響は、可能な限りアルミニウムなどの非強磁性材料を使用することによって最小化することができる。これらの特徴は、回転軸周りのモーメントを提供するためのソーラーパネルの使用に加えて、衛星の角速度の減衰率を少なくとも低減するのに十分であろう。
【０１５３】
上述したように、衛星の姿勢を制御する上述の受動的手段の一部または全部を使用することができる。すなわち、一変形例では、１つまたは複数のソーラーパネルは、衛星に不均衡なモーメントを与えて衛星をタンブルさせ続けるために、片側のみにソーラーセルを有することができる。別の変形例は、衛星が地球の磁場を横切るにつれて大きさおよび方向が変化する力を発生させる強磁性材料を衛星上の選択された位置に配置することが可能である。
【０１５４】
元々回転するように配備された衛星は、その初期角速度が経時的に減衰しても軌道に留まる可能性があるので、地上局間の無線経路のノードとして依然として利用可能である。本システムによる衛星は、構築し、打ち上げし、展開するのに安価であるため、角速度が減衰した衛星を置き換えるために追加の回転衛星を発射することができる。これは、ルート作成に利用できる衛星の数を増加させるだけでなく、古い衛星のいずれかが回転したままである限り、効果は、異なる角速度で回転する衛星を使用することによって作られる改善された性能を自動的に利用することであろう。
【０１５５】
Ｂ．ドローン搭載型地上局
【０１５６】
上記のシステムの別の変形例では、地上局は、低飛行ドローン（「無人車」）に取り付けることができる。これは、ドローンの高度に依存して、特定の地上局によってサービスされる地上エリアを増加させる。式ＧＲ＝１．２２×ｈ１／２、ここでｈはドローン高度（フィート）、ＧＲは地平線までの距離（マイル）によって、高度５００フィートのドローンは理論的には約２５マイルの距離から地上のユーザに視認されることになる。ドローンの高度が２００フィートである場合、その距離は１５マイルである。実際の距離は、ユーザとドローンとの間の山または建物などの地理的特徴に依存して、またはユーザが上昇した場所にある場合、いくらか大きくなる可能性がある。最大の望ましい高度は、５００フィート付近にあり、その領域にある可能性のある低空飛行機との干渉を回避すると考えられる。しかしながら、非常に離れた地域では、高度は１０００フィート（ＧＲ＝３５マイル）以上にもなり得る。
【０１５７】
ドローンは、ドローンの経度および緯度を決定する衛星におけるものと同様のＧＮＳＳモジュールと、公知のドローン構造における標準的なガイダンスメカニズムを制御することによってドローンを実質的に固定位置に維持するサーボシステムとを含む。すなわち、ドローンは、ドローンが配備されるべき経度および緯度における所望の位置を含むソフトウェアまたはファームウェアでプログラムされたコンピュータを含む。コンピュータは、ドローンが所望の位置から迷う場合にエラー信号を生成し、サーボシステムは、ドローンの飛行制御を調節して所望の位置に戻す。したがって、ドローン搭載型地上局は陸上の地上局の正確な等価物となる。
【０１５８】
この構成は、ユーザ密度が低く、単一のドローン搭載型地上局が複数の陸上地上局として多くのユーザを果たすことができる地上地域において特に有用である。さらに、地上局は、修理またはアップグレードのために中央に位置する保守設備に流され、サービス中断なしに新しい地上局と交換され得る。このようにして、保守員は、遠隔に位置するとともに地上局にアクセスすることが困難なように発送される必要がない。これは、アフリカまたは南米のジャングルのような森林の地域や、または東インドの遠隔アイランドのような人口がまばらで開発されていない地域のユーザへのアクセスを提供する場合に特に有利である。
【０１５９】
Ｃ．衛星間リンクによる無線経路に適用されるブロックチェーン原理
【０１６０】
本明細書で説明される衛星通信システムは、特に、分散型台帳技術の基礎となる原理の適用に適合される。ブロックチェーンは、典型的には数百または数千の番号付けで、複数のコンピュータにわたって検証およびコピーされる分散型台帳である。本明細書で説明するシステムおよび方法に適用されるように、衛星および地上局の各々は、経路メッセージの一部として実行されるルーティングおよびデータ伝送ならびに／または地上局間および地上局間のデータ伝送の様々な態様に関する情報を記録および配信するために使用されるブロックチェーン内のノードと見なすことができ、そのそれぞれはブロックチェーン内のノードと見なすことができる。
【０１６１】
ブロックチェーン原理は、様々な方法で本システムに適用することができる。例えば、データ伝送が最初の衛星ノードにアップロードされる度に、システム内のすべてのノードに配信されるトランザクションとして記録することができる。データトランザクションの完了後に宛先地上ノードに返される確認信号など、上述のすべての実施形態の特徴である他のトランザクションもまた、各ノードに記録され得る。
【０１６２】
これらの記録された取引は、様々な目的に使用することができる。例えば、特定のユーザがシステムにアクセスする回数および完了したデータ送信の数は、課金目的のために、または使用または成功した送信に関する統計をコンパイルするために、システム所有者によって使用され得る。
【０１６３】
Ｖ．まとめおよび結論
【０１６４】
本明細書で説明される新規な無線通信システムの多くを基礎とする基本的なパラダイムは、それらが、赤道の北および南の所定範囲の緯度にわたる軌道平面内で地球を回る複数の衛星を含むことである。衛星のコンポーネントは、システムによってサービスされる地球の面積に応じて、衛星の大きなコンスタレーション、典型的には１００〜２００を使用することによって、３つ以上の衛星間の複数の無線リンクの作成を容易にすることを可能にする。衛星自体のコンポーネントは、任意の中央指令コンピュータとは対照的に、衛星間リンクを生成する。システム内の各衛星は、地球の表面に対する衛星の位置を決定するためのＧＮＳＳ回路と、特定の瞬間における衛星の位置から宛先地上局の位置への方向を実質的にリアルタイムで計算するための経路作成回路とを含む。アンテナペアリング回路は、宛先地上局の一般的な方向に複数の指向性衛星アンテナからの無線信号を伝送する。コンスタレーション内の多数の衛星のために、少なくとも１つの他の衛星が無線信号を受信し、確認信号を返す可能性がある。他の衛星は、それ自体の位置を知っており、宛先地上局の一般的な方向に無線信号を送信する。これは、信号が地上局によって受信されるまで続く。
【０１６５】
宛先地上局への無線経路を首尾よく作成する可能性を高めるように設計された一実施形態では、各衛星は、それに関連付けられる一意の識別子を有し、任意の特定の時間にシステム内のすべての軌道衛星の位置を定義する軌道情報を記憶する。各衛星はまた、記憶された軌道情報に基づいて特定の時点におけるシステム内の複数の他の衛星の位置を計算するための経路作成回路を含む。アンテナペアリング回路は、送信衛星に関連する一意の識別子を含む無線信号を、複数の指向性衛星アンテナのうちの少なくとも１つから、経路作成回路によってロケーションが計算された少なくとも１つの他の衛星に向けて送信する。
【０１６６】
前述の説明は、異なる実施形態が地上の遠く離れた場所間の多衛星経路作成に適合され得る多数の方法を概説する。１つについては、それらは特に、衛星がランダム軌道（上で定義した）で分散されるシステムに適応され、１つのキーは、各衛星におけるその位置に関する実質的にリアルタイムの情報の存在である。上記で論じた様々な「ゾーン／マトリックス」実施形態では、すべての衛星は、任意の特定の瞬間にシステム内のすべての他の衛星の位置を知っている。これらのシステムは、衛星が、発信地上局および宛先地上局に対して互いの範囲外へ移動しても、無線信号を首尾よく送信および受信することを可能にする点で特に有益である。様々なゾーン／マトリックスシステムにおいて経路を作成するための異なる方策は、地球をゾーンに分割し、ゾーンごとに最初の衛星から経路を作成することができる衛星において経路作成回路を使用することを含む。
【０１６７】
当業者は、本発明の選択された好ましい実施形態のみが図示および説明されたことを容易に認識し、以下の特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記に具体的に言及されたもの以外の様々な変更および修正を行うことができることが理解されるであろう。
【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８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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