(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地球周回軌道上の通信衛星の熱収支を変更する方法であって、
前記通信衛星は、ビームパターンをもたらす複数の通信アンテナを有し、
前記ビームパターンは対称軸を有し、かつ対称軸の周りで離散的な回転対称性を有し、
前記方法は、
前記通信衛星のビームパターンの対称軸の周りで前記通信衛星を回転させるステップを備え、
前記通信衛星は前記離散的な回転対称性の対称角度だけ回転される、方法。
【請求項２】
前記通信衛星は、１つまたは複数の放熱器を備え、前記通信衛星の回転は、前記１つまたは複数の放熱器によって受容された太陽光からの放射熱の量の変更を引き起こす、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記通信衛星の回転は、前記通信衛星が地球上のまばらに住んでいる地域の上空にある場合に引き起こされる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記通信衛星は極軌道上にあり、前記通信衛星の回転は、前記通信衛星が極地域の上空にある場合に引き起こされる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記通信衛星の回転は、前記極軌道のベータ角度が所定の値に到達した場合に引き起こされる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の値は、前記通信衛星の温度変化を減少させるために調節される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ビームパターンのビームは、前記通信衛星を回転させる間オフにされる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記対称軸は、ヨー軸である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記対称角度は、９０度、１８０度、及び２７０度のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
地球周回軌道上の通信衛星の温度を制御する方法であって、
温度を監視するステップと、
前記温度が所定の値に到達したことに応じて、前記通信衛星のビームパターンの対称軸の周りで前記通信衛星を回転させるステップと、
を備え、
前記ビームパターンは、前記対称軸の周りで離散的な回転対称性を有し、
前記回転は、前記離散的な回転対称性の対称角度だけ行われる、方法。
【請求項１１】
前記温度が前記所定の値に到達した後で遅延が経過した後に、前記通信衛星の回転は引き起こされる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記通信衛星が地球上のまばらに住んでいる地域の上空にある場合に、前記通信衛星の回転が引き起こされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ビームパターンのビームは、前記通信衛星を回転させる間オフにされる、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に通信衛星に関連しており、より具体的には通信衛星の熱管理に関連する。
【背景技術】
【０００２】
５０年以上前にテルスター衛星が打ち上げられて以来、通信中継局として使用されるために様々な地球周回軌道に多くの人工衛星が打ち上げられてきた。そのような通信衛星は、長年にわたり、能力およびコストの大幅な改善を達成しており、多くの場合、他の通信技術によってサービスが不十分である地球上の地域への通信接続性を提供している。
【０００３】
通信衛星の軌道は通常、通信のための通信衛星の有効性を最大化させるように選択される。例えば、無線通信のための短い遅延を達成するために、通信衛星は低地球軌道（ＬＥＯ）に配置されてもよい。
【０００４】
図１は、通信衛星のための極軌道の低地球軌道を図示する。図１は、その昼側１２０が太陽光１３０によって照らされているのに対して、夜側１４０が暗くなっている状態の惑星地球１１０の輪郭を示す。図１は、通信衛星のための可能な極軌道の低地球軌道１５０を示す。極軌道が、地球の極地域の上空又は極地域の近くを通過する軌道であることは先行技術において理解される。図１に示された特定の極軌道の低地球軌道は、地球の夜側において部分的に観察されることができる。その結果として、そのような軌道上の人工衛星は、軌道の一部に亘って、地球によって太陽から影になっている場合がある。
【０００５】
いくつかの人工衛星の軌道がその全体に亘って太陽光に晒される場合があるのに対して、他の人工衛星の軌道が地球の影内とされる場合があることは、当業者にとって明らかとなるだろう。このことは特に、低地球軌道に当てはまる。さらに、地球は太陽の周りを動くので、太陽光が地球に到達する角度が変化する。また、人工衛星の軌道も回転する。最も顕著には、軌道平面は地球の回転軸の周りで歳差運動する。それらの時間に依存した変化により、いくつかの時点で完全に太陽光に晒される軌道は、わずか数か月後には、地球の影内に部分的に存在する場合があり、その逆も考えられる。
【０００６】
当然ながら、太陽光は、通信衛星を加熱する効果を有する。さらに、人工衛星は、排熱を発生させる多くの部品、例えば無線増幅器、電池、リアクションホイール及びその他の部品などを備える。太陽光からの熱とともに、そのような熱は、人工衛星及びその部品の温度を所望の範囲内に維持するように、制御された方法で取り除かれなければならない。すべての熱源から人工衛星への熱の流れ及び人工衛星からの熱の流れは、人工衛星の「熱収支」として言及される。熱収支を制御することは、「熱管理」として言及される。最も多くの場合、熱管理の目標は、人工衛星の温度又は人工衛星の重要な部品の温度を安定化させることである。
【０００７】
空気は一般に、地球の表面上における熱管理に使用される。例えば、自動車、コンピュータ、および他の多くの装置には、冷却のためのファンが装備されている。ファンによって提供される冷却量を調整することは、例えば必要に応じてファンをオンまたはオフにすることによって、簡単に行うことができる。デバイスの温度が高すぎる場合、ファンをオンにして空気を移動させ、デバイスを冷却することができる。温度が下がると、ファンをオフにすることができる。
【０００８】
空気がない宇宙では、人工衛星などの物体を冷却することはより困難である。実際には、放射冷却が唯一の実行可能な選択肢である。放射冷却は、暖かい物体が熱を放つ（放射する）という事実に基づいている（以下、「放射熱」という）。物体が暖かくなればなるほど、より多くの放射熱が放出される。放射熱は（光や電波など）電磁波で構成されている。実際、太陽光に晒される場合に物体が受ける熱は、太陽光に固有の放射熱に起因している。放射熱の放出は、人工衛星の熱管理に活用することができる。
【０００９】
人工衛星は通常、放熱器を備えている。これらは、放射熱を効率的に放出するために作られた人工衛星の部品である。放射熱の物理学的性質により、放熱器はしばしば太陽光のような熱源から生じる放射熱の良好な吸収体でもある。人工衛星には、通常、放熱器の同等物（ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ）である熱シールドが装備されている。それらは、典型的には、放射熱の貧弱な吸収体であり、かつ放射熱の貧弱な放射体でもある。それらは宇宙機のための断熱材とみなすことができる。
【００１０】
人工衛星は、一の側面に熱シールドを有し、他の側面に放熱器を有するように設計されてもよい。熱シールドを有する側面が太陽に面するとともに、放熱器を有する側面が何もない宇宙空間に面するように人工衛星が方向付けられた場合、高温の太陽光からの放射熱の吸収が減少するとともに、人工衛星から宇宙空間への放射熱の放出が高まり、人工衛星の温度を低下させることが期待されることができる。逆に、放熱器を有する側面が太陽に面するとともに、熱シールドを有する側面が何もない宇宙空間に面するように人工衛星が方向付けられた場合、高温の太陽光から人工衛星への放射熱の吸収が高まるとともに、人工衛星から宇宙への放射熱の放出が減少し、人工衛星の温度を上昇させることが期待されることができる。それらの間の中間の方向付けは中間結果を達成し、人工衛星の温度はそれ故に、人工衛星の方向付けを調整することによって単純に制御することができる。
【００１１】
人工衛星全体の方向付けを調整する代替手段としては、人工衛星は放熱器を備えることができ、この放熱器の方向は人工衛星の本体に対して調整されることができる。例えば、ＮＡＳＡのスペースシャトルには、カーゴベイドアの内側表面上に大きな熱パネルが設けられている。温度調節は、シャトルの本体に対して熱パネルの方向付けを調節することによって、かつシャトルの様々な部分から熱パネルへ熱を運んだ冷媒の流れを調整することによって達成されることができる。
【００１２】
多くの種類の人工衛星は、どのようにそれらの人工衛星が方向付けることができるかについて制約を有する。例えば、地球観測のための人工衛星は、地球の表面に指向されなければならないカメラ又は他のセンサーを備えなければならない。そのような要求は、そのような人工衛星の可能な方向付けの範囲を制限する。
【００１３】
通信衛星にとって、典型的には、人工衛星は、１つまたは複数のアンテナを備えており、これらのアンテナは通信サービスが提供されるべきである地球上の地域に正確に指向されなければならない。アンテナは通常、どのように無線信号を送信するかによって特徴付けられる。アンテナによって送信された無線信号は、異なる方向において異なる強度で宇宙空間を通じて伝播する。伝播している信号のスペクトル分布に対応する幾何学的形状はしばしば、「アンテナビーム」と言及される。「ビーム」との用語の使用は、幾何学的形状の形状を反映しており、通信衛星で一般的に使用される指向性の高いアンテナにとって、幾何学的形状はサーチライトのビームに非常に似ている。無線信号が見える場合には、アンテナは、サーチライトのように見えるだろう。
【００１４】
受信アンテナとして使用されるアンテナでさえ、「アンテナビーム」によって特徴付けられる。このことは、アンテナは相互装置（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅｓ）であり、無線信号を受信するために使用される場合に、異なる方向から到達する無線信号のための異なる感度を示すからである。そのような変更している感度のスペクトル分布に対応するこの幾何学的形状は、アンテナが送信のために使用された場合と同じである。それ故に、受信アンテナにとって、「アンテナビーム」は、その信号が効率的に受信されることができる宇宙空間の領域を示す。
【００１５】
通信衛星は例えば、円形状のアンテナビームと有する単一のアンテナを有することができる。図２は、低地球軌道の極軌道におけるそのような人工衛星の例を示す。低地球軌道の人工衛星２１０は、低地球軌道の極軌道１５０で地球を周回する。人工衛星は、アンテナビーム２３０によって特徴付けられた無線アンテナ２２０を備える。アンテナビーム２３０を示す円錐形状は、アンテナによって送信された信号が良好な強度で受信される宇宙空間の領域を示す。受信アンテナにとって、それは、信号が効率よく人工衛星によって発信され、かつ人工衛星によって受信されることができる宇宙空間の領域を示す。アンテナビーム２３０が地球の表面と交差する地球上の地域は、「カバレッジエリア」として一般的に知られており、カバレッジエリア２３０として図２に図示される。それは、人工衛星２１０がアンテナ２２０を通じて通信サービスを提供することができる地球上の地域である。
【００１６】
図２において、アンテナビームは、円対称性を有するように図示される。それによって、カバレッジエリア２３０は円形である。さらに、アンテナは、「まっすぐ」に指向されており、「まっすぐ」とは、アンテナビームの円対称性の軸が地球の表面に直角で交差することを意味する。地球の表面と交差するポイントは衛星直下点であり、図２において衛星直下点２４０として示される。人工衛星から地球へ延び、かつ地球の表面と直角で出会う軸は一般的に、「ヨー」軸として言及されており、図２においてヨー軸２５０として図示される。円形状のカバレッジエリア２３０は、衛星直下点の周りに中心が置かれる。
【００１７】
円対称性により、低地球軌道の人工衛星は、カバレッジエリアの形状に影響を与えることなく、ヨー軸周りに自由に回転することができる。そのような操縦は、「ヨーステアリング」として周知であり、人工衛星の熱管理のために有利に使用されることができる。人工衛星は、人工衛星の異なる側面に放熱器及び熱シールドの組み合わせを備えることができ、カバレッジエリア２３０の形状及びサイズに影響を与えることなく、太陽光に一の側面又は他の側面を晒すために、必要に応じて回転することができる。
【００１８】
実際に、ヨーステアリングは、複数のアンテナを備える多くの人工衛星のための選択肢ではない。そのような人工衛星では、無線通信は、人工衛星の「ビームパターン」として通常言及される複数のアンテナビームの幾何学的パターンに従って行われる。ビームパターンは、カバレッジエリアの所望のパターンを発生させるために、地球の表面に正確に指向されなければならない。カバレッジエリアのパターンは、所望の性能を達成するために注意深く設計されており、パターンの中断は非常に有害である。これは、人工衛星が、一の人工衛星によって提供された通信サービスが他の衛星によって提供された通信サービスと連携されなければならないある衛星コンステレーションの一部である場合に特に当てはまる。
【００１９】
多くの通信衛星において、アンテナは衛星の本体にしっかりと固定されている。アンテナの相対位置及び相対的な方向付けは、所望のビームパターン、すなわち、地球の表面を適切に指向する場合に、所望のパターンのカバレッジエリアをもたらすビームパターンを達成するように設計されている。ヨー軸または任意の他の軸の周りの人工衛星の回転は、ビームパターンの回転を伴う。実質的の回転は通常、カバレッジエリアのパターンの許容できない歪みを生じさせる。それ故に、ヨーステアリングによる熱管理は、そのような人工衛星にとって選択肢ではない。
【００２０】
一の可能な解決方法は、操縦可能なアンテナを使用することである。そのようなアンテナは、方向を調節することができるビームを発生させる。ビームステアリングのための機械的手段及び電子的手段の両方は可能である。人工衛星はその結果、所望のビームパターンを維持するようにアンテナが操縦される間に回転することができる。
【００２１】
他の可能な解決方法は、人工衛星がより適合性のある放熱器を備えることである。例えば、放熱器は、人工衛星の本体に対してそれらの放熱器を動かくことができるモータとジンバルとによって、人工衛星の本体に装着されてもよい。太陽光に対するそれらの露出角度はその結果、所望された熱管理を達成するために必要に応じて変更されることができる。さらに、放熱器は、必要な場合に放熱器を使用不能にする熱スイッチ、又は、所望された熱管理を達成するために必要に応じてバルブ及びポンプによって冷却剤循環パターンが調節可能となる、パネルに対して冷却剤を循環させるためのシステムを備えることができる。
【００２２】
それらの解決方法、及び先行技術における利用可能な他の方法は、追加されたコスト、追加された人工衛星の重量、及び、抑制された性能という重大な欠点を有する。将来、小型で軽量かつコンパクトな低コストの人工衛星の設計による通信衛星システムは、広範囲な新しいサービスを提供するだろう。そのような人工衛星を実現するために、熱管理のための異なる方法が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の実施形態は、そのビームパターンが離散的な回転対称性を有する通信衛星と共に使用されることができる。この種類の対称性は、ビームパターンが円対称性を有していないが、対称軸が存在し、所定の角度が存在し、回転後に、新しいビームパターンが本来のビームパターンと機能的に同一になるようにビームパターンがその所定の角度だけ回転されることができることを意味する。例えば、その底面が完全な正方形であるエジプトのピラミッドは、そのような対称性を有する。それらのピラミッドのうちの１つは、垂直軸周りに９０度、１８０度、又は２７０度だけ回転されることができ、それ自体と同一のコピーを生成することができる。
【００２４】
ビームパターンが離散的な回転対称性を有する場合には、人工衛星全体が対称角度のうちの１つだけ回転されることができ、新しいビームパターンは、本来のビームパターンと機能的に同一になるだろう。回転後に、人工衛星は、同じ性能パラメータで、同じ地域に通信サービスを提供し続けることができる。
【００２５】
当然ながら、人工衛星の回転は瞬間的ではなく、人工衛星が対称角度だけ回転する間、中間の位置は、許容できないカバレッジエリア、又は、適切なカバレッジを提供しないカバレッジエリア、あるいはその両方のカバレッジエリアのパターンをもたらす場合がある。本発明の実施形態は、いくつかの人工衛星システムの２つの以下の特徴をうまく利用する。（ｉ）カバレッジを提供するために必要とされる人工衛星の数より多くの人工衛星が利用可能である地球上の地域が存在する。（ｉｉ）どこにもまばらに住んでいる地球上の地域が存在し、そのような地球上の地域では通信サービスの中断が全体的なシステム性能に許容可能な影響を引き起こす。第１の特徴を利用すると、人工衛星は回転を実行し、通信サービスを提供するために他の衛星が利用可能である場合には、そのすべての通信ビームをオフにしながら回転を行うことができる。第２の特徴を利用すると、関連した中断が我慢できる場合に、人工衛星はそのビームをオフにしてもオフにしなくても回転を行うことができる。
【００２６】
人工衛星の回転は、人工衛星の異なる部分を太陽光に対して晒されるので、それ故に、人工衛星の回転は人工衛星の熱管理のために使用されることができる。本発明の実施形態において、人工衛星は、人工衛星の異なる側面に異なる放熱器及び／又は異なる熱シールドを備える。熱管理は、軌道パラメータ、ビームパターン、及び、所望の範囲内に温度を維持するために必要とされる場合に回転を可能にする他の人工衛星との連携のうちの賢明な選択によって達成される。本発明の実施形態は、通信衛星の熱管理サブシステムの重量およびコストの大幅な減少を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】通信衛星の極軌道の低地球軌道（ＬＥＯ）を図示する。
【図２】低地球軌道上の通信衛星を図示する。この通信衛星は、ヨー軸の周りに中心が置かれた円対称性を有するアンテナビームを発生させる単一の通信アンテナを有する。
【図３】低地球軌道で使用するための通信衛星を図示する。この通信衛星は、複数の通信アンテナと複数の放熱器とを有する。
【図４】図３の通信衛星の複数のアンテナによって発生した複数のビームパターンを図示する。
【図５】図４の複数のビームパターンによって、地球の表面に発生し得るカバレッジエリアのパターンを図示する。
【図６】人工衛星の軌道と太陽光の到達方向との関係を図示する。また、ベータ角度がどのように定義されるのか、及び時間の経過とともにベータ角度がどのように進展するのかを図示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図３は、本発明のいくつかの実施形態に適した人工衛星３００を記載する。この人工衛星は、低地球軌道での使用のために最適化される。人工衛星は、太陽光から電力を発生させるためのソーラーパネル３１０及び３２０を備える。これらのソーラーパネルはヒンジ３４０などでヒンジ接続されており、モータは、太陽光に晒されるように必要に応じて、ソーラーパネルを方向付けるために使用される。人工衛星は２つの無線アンテナ３５０及び３６０をさらに備え、これらのアンテナは、ヒンジ取付部上にあり、地球の表面の特定の位置を指向するように必要に応じて方向付けられることができる。人工衛星は、１６個の通信アンテナからなるアレイをさらに備え、これらの通信アンテナはサポートウェブパネル３７０を介して人工衛星の本体３８０にしっかりと固定される。これらの１６個の通信アンテナは、同一の丸みを帯びたキャニスターとして記載されており、それらの通信アンテナのうちの１つには参照符号３８０−１が付されている。
【００２９】
人工衛星が「逆さま」に図示されることに留意されるべきである。軌道上にある場合に、１６個の通信アンテナは、地球の表面を指向する。このことは図４に図示されており、１６個の通信アンテナのそれぞれが別個のアンテナビームを発生させ、それによって、１６個の通信アンテナからなるアレイが１６個のビームからなるビームパターン４００を発生させる。地球の表面上において、ビームパターンは、１６個のカバレッジエリアからなるパターンをもたらし、それらのカバレッジエリアのうちの１つが参照符号４１０を付されたカバレッジエリアである。
【００３０】
人工衛星３００は、５個の放熱器３９１〜３９５を人工衛星の本体の４つの側面上にさらに備える。特に、放熱器３９１及び３９２はそれぞれ、＋Ｙ放熱器及び−Ｙ放熱器として言及されており、放熱器３９３及び３９４はそれぞれ、＋Ｘ放熱器及び＋Ｘ電池放熱器として言及される。残りの放熱器は、図３の描写では見えていない。放熱器３９５は、図３に記載されるように人工衛星の底面上にあり、−Ｚ放熱器として言及される。５個の放熱器は、すべて同一のサイズ、性能、及び機能ではない。これは部分的には、人工衛星の設計の制約に起因する。例えば、＋Ｘ電池放熱器は電池モジュールの一部であり、それ故に、その主な機能は、電池を冷却することである。他の放熱器は、ヒートパイプを介して他の人工衛星のモジュールに結合される。
【００３１】
人工衛星３００は、熱シールドをさらに備える。それは、図３の描写では見えていない。それは、人工衛星の底面上にあり、参照符号３３０が付される。人工衛星の異なる側面上の異なる放熱器及び熱シールドの適用は、この開示を読んだ後で当業者にとって明確になるように、人工衛星が本発明の実施形態をうまく利用することを可能にする。
【００３２】
図５は、人工衛星３００によって地球の表面上で発生したカバレッジエリア５００のパターンを記載する。このパターンは、参照符号５０１〜５１６が付された１６個のカバレッジエリアからなる。図５において、それらのカバレッジエリアは同一の円形状として記載されており、これらの円形状は、カバレッジエリアの間の境界に近接してカバーされていない領域が残らないことを確実にするように十分に重複している。カバレッジエリア４００のパターンは、離散的な回転対称性（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ｓｙｍｍｅｔｒｙ）を有するように観察されることができる。
【００３３】
離散的な回転対称性は、いくつかの幾何学的形状の性質である。幾何学的領域５００のパターンなどの２次元形状にとって、ある角度だけ回転した後で、同じように見える場合に、その形状は、離散的な回転対称性を有すると言われている。「離散的な（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）」との用語は、円対称性からこの種類の回転対称性を区別するために使用される。円対称性を有する形状は、任意の角度だけ回転した後でも同じように見える。それに対して、離散的な回転対称性を有する形状は、回転角度がある値、０度より大きく３６０度未満である有限数の可能な角度値を有する場合だけ、同じに見える。（任意の形状は、０度又は３６０度だけ回転した後で同じに見える。それは、回転していないと同じである。）。それらの角度値は、「対称角度（ｓｙｍｍｅｔｒｙ  ａｎｇｌｅｓ）」として言及される。カバレッジエリア５００のパターンにとって、パターンは、９０度、１８０度、及び２７０度だけ回転した場合に同じに見える。この形状にとって３つの対称角度が存在する。この開示及び添付した特許請求の範囲の目的のために、対称角度の、正又は負の倍数とされるある角度だけの回転は、対称角度だけの回転に同等であるように思われるだろう。
【００３４】
離散的な回転対称性の性質はまた、例えばアンテナアレイ３７０によって発生した３次元ビームパターンなどの３次元形状のために規定されることができる。３次元形状は、回転軸の周りで所定の角度だけ回転した後同じに見える場合に、離散的な回転対称性の性質を有するように言われている。別懇回転対称性が存在する回転軸は、「対称軸」として言及される。２次元形状と同様に、対称軸の周りで回転するために０度より大きく３６０度未満の有限数の可能な対称角度だけが存在しているが、複数の対称軸も存在することができる。例えば、立方体は複数の対称軸を有する。立方体は、その縁部の対の１つに対して平行である任意の軸の周りに９０度、１８０度、及び２７０度だけ回転されることができる。それは依然として、同じように見えるだろう。
【００３５】
アンテナアレイ３７０によって発生したビームパターン４００の場合において、１６個のアンテナは、互いに対して意図的に配置される。それによって、ビームパターンは、９０度、１８０度、及び２７０度の対称角度を有する離散的な回転対称性を有する。実際には、カバレッジエリア５００のパターンの離散的な回転対称性は、ビームパターン４００の離散的な回転対称性の結果である。この結果は、人工衛星３００が地球の表面を直線的に指向する場合に得られる。それによって、ビームパターンの対称軸は、地球の表面に対して直角とされる。
【００３６】
離散的な回転対称性を有するビームパターンは、ビームパターンの変更をもたらすことなく人工衛星が対称軸の周りに対称角度だけ回転されることができるので、有利である。いくつかの実施形態において、そのような人工衛星は、ビームパターンを全く変更することなく、異なる時間で人工衛星の異なる側面を太陽光に晒す目的で対称角度だけ回転される。
【００３７】
離散的な回転対称性を有するビームパターンが、離散的な回転対称性を有するカバレッジエリアのパターンを発生させる必要がないことに留意すべきである。そして、反対に、離散的な回転対称性を有しないビームパターンによって、離散的な回転対称性を有するカバレッジエリアのパターンを発生させることは可能である。例えば、ビームパターンの対称軸が９０度以外の角度で地球の表面と交差するように人工衛星３００が傾斜された場合に、結果として生じるカバレッジエリアのパターンは、ビームパターンが離散的な回転対称性を依然として有するけれども、離散的な回転対称性を有していないだろう。ビームパターンの離散的な回転対称性の性質は、人工衛星の設計に本来備わっており、ビームパターンがどのように地球の表面と交差するのかと無関係である。本発明の実施形態は、人工衛星がどのように傾斜されるのか又はどのようにビームパターンが地球の表面と交差するかにかかわらず、離散的な回転対称性を有するビームパターンを発生させる人工衛星とともに有利に使用されることができる。
【００３８】
実世界で設計された任意のシステムにおいて、システムの設計者は、システム全体の性能及びそのサブシステムの性能に関する仕様を述べる。そのよう仕様は、システムが所望されるように動作するために満たされなければならない公差を常に含む。当然ながら、このことは、通信衛星およびそのカバレッジパターンにも当てはまる。通信衛星のビームパターンのパラメータは、人工衛星が所望されるように動作するための一定の公差範囲内になければならない。この開示および添付の特許請求の範囲の目的のために、通信衛星のビームパターンは、人工衛星を対称軸の周りの対称角度だけ回転させることができる場合に、離散的な回転対称性を有するとみなされ、  それによって、最初のビームパターン及び最終的なビームパターンは同じ設計公差を満たす。
【００３９】
アンテナによって送信された（又は受信された）無線信号の完全な特徴付けは、無線信号の偏波状態の表示を含むべきである。従って、ビームパターンの定義に偏波の仕様を含めることを決定する可能性がある。しかしながら、いくつかの無線受信機の設計は、偏波依存性（すなわち、それらは任意の偏波状態で動作する）であり、他の無線受信機の設計は偏波フレキシブル（すなわち、利用可能な偏波状態で動作するように必要に応じて動作を適合させる）であるのに対して、他の無線受信機は、所定の偏波状態で作動することができ、他の偏波状態では作動することができない。偏波がビームパターンの離散的な回転対称性の定義に含まれる本発明のいくつかの実施形態をどのように作製し、使用するか、および無線システムの能力に応じて偏波が含まれない他の実施形態をどのように作製し、使用するかは、この開示を読んだ後で当業者にとって明らかである。偏波が含まれる場合、離散的な回転対称性を有するビームパターンは、その幾何学的形状が同じに見える場合に、かつ送信信号及び受信信号の偏波のパターンも同じに見える場合に、対称角度による回転後で同じに見えると考えられる。
【００４０】
本発明の実施形態において、人工衛星は時々ビームパターンの対称軸の周りの回転を実行する。回転は対称角度によるものであり、それによって、回転後にビームパターンが変化しない状態を維持し、かつ人工衛星が中断または障害なしに通信サービスを提供し続ける。当然ながら、回転後、異なるアンテナが異なるカバレッジエリアを提供する。しかしながら、適切な通信チャネルが適切な目的地に向かうように、人工衛星に搭載されたチャンネル接続性又は地上局でのチャンネル接続性をどのように再構成するかは、当該技術分野において周知である。
【００４１】
本発明の実施形態に従って人工衛星を回転させることの利点は、ビームパターンが離散的な回転対称性を有するが、放熱器および熱シールドのパターンが必ずしもこのような対称性を有するとは限らないという事実に由来する。人工衛星のいくつかの側面は、放射熱を放出または吸収する際に他の側面よりも効果的に行うことができ、異なる人工衛星モジュールも、人工衛星の異なる側面と熱的に異なるように結合することができる。したがって、例えば、人工衛星３００の電池が過熱状態になっている場合、＋Ｘ電池放熱器３９４が太陽から離れる方向に向けるように人工衛星を回転させることが有利であり得る。逆に、例えば、地球の影内で費やされた長時間のために人工衛星があまりにも冷やされすぎた場合、太陽光からの熱がより容易に吸収されることができるように放熱器３９３および３９４が太陽に面しているとともに、熱シールド３３０が太陽から離れる方向に向けるように人工衛星を回転させることは有益であり得る。
【００４２】
一般に、通信サービスを中断することなく必要なときに人工衛星を回転させる能力は、たとえ人工衛星のビームパターンが円対称性を有さないとしても、従来技術のヨーステアリングと同様の方法で、同様の利点を有する、人工衛星の熱管理を実行する能力を本発明の実施形態に提供する。
【００４３】
対称角度による人工衛星の回転後にビームパターンは変化しない状態を維持するが、このような回転は瞬間的には実行できないことに留意することが重要である。実際、典型的な人工衛星では、１つまたは複数のリアクションホイールの回転速度を調整することによって回転が達成され、達成可能な回転速度は、関連するリアクションホイールの質量に依存する。大部分の人工衛星では、そのような質量を可能な限り低く保つことが望ましく、結果として、典型的な人工衛星の達成可能な回転速度はかなり低くなる。
【００４４】
人工衛星が対称角度だけの回転を実行する間に中間角度を通過するとき、ビームパターンは想定されていないものであり、通信サービスを提供する人工衛星の能力には深刻な影響がある。更に悪いことに、結果として生じる望ましくないカバレッジパターンは、隣接する人工衛星のカバレッジパターンと干渉問題を引き起こす可能性がある。このため、本発明のいくつかの実施形態では、人工衛星のビームの一部または全部がオフにされる間に、人工衛星は回転を行う。人工衛星が対称角度だけ回転した状態で回転が完了すると、ビームを再びオンにすることができる。
【００４５】
人工衛星が回転を行っている間に生じる中断は、いくつかの人工衛星システムの２つの特徴により、本発明の多くの実施形態で許容可能である：（ｉ）カバレッジを提供するのに必要とされる人工衛星の数より多くの人工衛星が利用可能な領域である地球上の地域が存在する。（ｉｉ）まばらに住んでいる地球上の地域があり、そのような地球上の地域における通信サービスの中断が、全体のシステム性能に許容可能な影響をもたらす。
【００４６】
冗長性を有する人工衛星カバレッジが存在する場合、他方の人工衛星が通信サービスを提供し続けている間に、一方の人工衛星がそのビームをオフにすることができるので、第１の特徴は有利である。人工衛星が回転を行う必要がある場合、システムは、人工衛星が、冗長性を有するカバレッジを利用することができる複数の地域のうちの１つの上空にある場合に、そのような回転の予定を決めることができる。その後、一の人工衛星は、回転を行っていない他の人工衛星が通信サービスを提供するように構成することができる間に、そのビームをオフにして回転を行うことができる。
【００４７】
第２の特徴は、本発明の実施形態以外の手段による人工衛星の熱管理のコストが非常に高くなる可能性があるため、有利である。通信衛星システムを設計する場合、本発明の実施形態による熱管理を実行する利点と、あらゆる場所で連続的な通信サービスを提供する必要性との間にトレードオフが存在するだろう。人工衛星が代替的な熱管理技術を備える代わりに、人工衛星を回転させることによって人工衛星の熱収支を変更することができる利点の代償として、地球のいくつかの人口密度の低い地域で時折サービスが中断されることを許容することは費用効果が高いと判断される可能性がある。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態において、前述の段落で説明したように、システム性能の少ない中断を可能にする、人工衛星の回転を高い頻度で行うこと、場合によっては軌道周期内で複数回行うことが有利である可能性がある。他の実施形態では、このような回転はめったに起こらない。例えば、太陽に対する極軌道の向きがある月から次の月に変わると、ある時点において地球の影内に長い時間存在していた軌道は、数か月後には、完全に太陽光の中とされる可能性がある。そのような軌道における人工衛星にとって、このような軌道上の衛星については、太陽から受けた平均熱量をほぼ一定に保つために、必要に応じて数ヶ月に１回、回転を行うことが有利かもしれない。
【００４９】
図６は、そのようなめったに起こらない回転が実施された本発明の一の実施形態を図示する。図６において、地球１１０は、北極上空から見たものである。太陽光１３０は左側から到達し、それによって、地球の夜の側が右側になり、日中の側が左側になる。地球の照射及び位置は、３月２２日世界時１５時４０分と一致する。
【００５０】
図６は、この図において、３つの直線６１０、６２０、及び６３０としてその縁部に現れる３つの極軌道を図示する。極軌道６１０は、昼と夜との境界線と位置合わせされる。極軌道６１０に沿って周回する人工衛星は、太陽光に常に晒される。軌道面と太陽光の到達方向との間の角度は、「ベータ角度」として言及される。この軌道６１０の場合、ベータ角度の値は９０度である。他の２つの極軌道６２０及び６３０はそれぞれ、＋３０度及び−３０度のベータ角度を有する。それら２つの軌道上の人工衛星は、地球の影内に大部分の時間を費やす。明らかに、極軌道６１０上の人工衛星に対して良好な熱収支を達成する人工衛星の方向は、極軌道６２０および６３０上の人工衛星に対してそうなる可能性は低い。
【００５１】
図６は、すべての極軌道が地球の極の上空で互いに交わるとの事実を図示する。複数の極軌道に基づく人工衛星システムにおいて、いずれかの時点で、地球上の他の場所の上空よりも多くの人工衛星がいずれかの極の上空に存在する。それ故に、極は、人工衛星にとってビームを停止し、かつ必要とされる場合に回転を行うのに良い場所である。人工衛星が各軌道において２つの極の一方の上空を２度通過するので、それらの人工衛星にとって回転を実行するための複数の機会が存在する。図６に記載された軌道に類似である低地球軌道の極軌道にとって、そのような機会は、１時間に一度よりも多くの頻度で訪れる。
【００５２】
年が進み、かつ太陽光の到達方向が変化するにつれて、極軌道の軌道面は非常に安定したままになる。それ故に、太陽光の到達角度の変化に応じて、軌道のベータ角度が変化する。特に、図６に示す日の２ヶ月後に、太陽光の到達方向は約６０度だけ変化するだろう。太陽光は、図６の図示において、左下から到着するであろう。極軌道６２０のベータ角度は９０度に近くなり、軌道全体は太陽光内にあるだろう。対照的に、極軌道６１０は−３０度に近いベータ角度を有し、極軌道６１０の大部分は地球の影内に存在する。明らかに、３月２２日の極軌道６１０上の人工衛星にとって良好な熱収支を達成した人工衛星の方向は、２ヶ月後も良好な方向とは限らないだろう。一般的に、他の軌道についても同様である。本発明のいくつかの実施形態によれば、極軌道６１０上の人工衛星は、３月２２日と３月２２日から２月後との間におけるいくつかの時点で、良好な熱収支を有する方向を維持するために回転を実行する。いくつかの実施形態では、回転が行われるベータ角度の１つ以上の所定の値が存在してもよい。極軌道のベータ角度がそれらの値の１つに達する場合、変更されたベータ角度にとってより適切な異なる熱収支を達成するために所定の回転が実行される。
【００５３】
本明細書における複数の例の多くは極軌道について言及しているけれども、本開示を読んだ後、人工衛星の軌道が極軌道でない本発明の実施形態をどのようにして使用するかは、当業者には明らかであろう。特に、極軌道に関係する本開示の記述および特性のほとんどは、近極軌道、すなわち高い傾斜角を有する軌道にも適用可能である。さらに、多くの記述及び特性は、任意の低地球軌道、または他の種類の軌道にも適用可能である。本開示を読んだ後で、様々な種類の軌道上にある人工衛星で使用可能である本発明の実施形態をどのようにして作製し使用するかは、当業者にとって明らかであり、本開示を読んだ後に、本発明の概念および方法を、そのような用途に役立つ衛星システムにどのように適合させることができるかは、当業者にとって明らかであろう。
【００５４】
本開示は、１つまたは複数の例示的な実施形態のうちの１つまたは複数の例を教示し、本発明の多くの変形が、本開示を読んだ後に当業者によって容易に考案されることができること、および本発明の技術的範囲がこの開示に添付している特許請求の範囲によって定義されることは、理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５５】
１１０  地球
１２０  昼側
１３０  太陽光
１４０  夜側
１５０  極軌道、低地球軌道
２１０  人工衛星
２２０  無線アンテナ、アンテナ
２３０  カバレッジエリア、アンテナビーム
２４０  衛星直下点
２５０  ヨー軸
３００  人工衛星
３１０  ソーラーパネル
３２０  ソーラーパネル
３３０  熱シールド
３４０  ヒンジ
３５０  無線アンテナ
３６０  無線アンテナ
３７０  サポートウェブパネル、アンテナアレイ
３８０  本体
３８０−１  通信アンテナ
３９１  放熱器
３９２  放熱器
３９３  放熱器
３９４  Ｘ電池放熱器、放熱器
３９５  放熱器
４００  ビームパターン
４１０  カバレッジエリア
５００  幾何学的領域、カバレッジエリア
５０１〜５１６  カバレッジエリア
６１０  極軌道
６２０  極軌道
６３０  極軌道
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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