(57)【要約】  無線通信ルートは、アクティブな姿勢制御の無いランダムに周回する衛星が複数あるうちのひとつを介した、送信元地上局から宛先地上局への通信を可能とする。地上局および衛星は、複数の方向からの無線信号を受信し、複数の方向へ無線信号を送信するための、マルチフィードパラボラアンテナを含む。衛星は、初期情報信号が宛先地上局から送信されたときのその宛先地上局のアドレスと、初期情報信号が受信された衛星アンテナのフィードを特定するアンテナ情報と、を保持する。複数の衛星アンテナは、送信元地上局に対して衛星を特定するリンキング情報を送信する。送信元地上局において受信されたデータ伝送は特定の宛先を指定し、そのデータ伝送はリンキング情報が受信されたアンテナを用いて送信元地上局によって送信され、衛星は、保持されるアンテナ情報によって特定される衛星アンテナのフィードを用いてデータ伝送を再送信する。【選択図】図５
2020536409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの地上局位置にあるトランシーバ間のデータ通信用の無線ルートを提供するための、姿勢制御無しでランダムな軌道で地球を周回する複数の衛星を備える無線通信システムであって、衛星および地上局のそれぞれが前記システムのノードを含み、複数の前記衛星のそれぞれは、
複数の他のノードからの無線信号を受信し、無線信号を送信するための複数の衛星アンテナであって、複数の衛星アンテナのそれぞれが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有する、複数の衛星アンテナと、
前記衛星がルーティング信号を別のノードから受信したときのその別のノードを特定し、かつ、前記衛星が前記ルーティング信号を受信した前記衛星アンテナおよびその前記フィードを特定するアドレス情報を保持するためのアンテナペアリング回路と、
複数の前記衛星アンテナからルーティング信号を送信するためのルート生成回路であって、前記ルーティング信号が、（ｉ）前記衛星を特定するリンキング情報と、（ｉｉ）前記二つの地上局位置の間の前記無線ルートにおける無線リンクとしての、前記衛星および前記別のノードの適切性を示す前記受信されたルーティング信号の質と、を含む、ルート生成回路と、を含む無線通信システム。
【請求項２】
前記複数の衛星アンテナの全てが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の衛星アンテナのそれぞれの対応するフィードは、前記アンテナの軸に対して実質的に同じ角度で無線信号を送信するために、前記アンテナのリフレクタに対して実質的に同じ角度姿勢で配置される請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各アンテナのリフレクタはパラボラ状の断面を有し、前記無線信号の波長（γ）の少なくとも４倍の直径を有する円形であり、各フィードは前記リフレクタから、少なくともγの４倍だけ離間される請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
各アンテナは少なくとも七つのフィードを含み、そのうちのひとつは実質的に前記パラボラ状リフレクタの前記焦点に配置され、残りのフィードは前記焦点の周りに等間隔に、かつ、前記焦点から径方向に離れて、分布する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記衛星アンテナが、前記衛星のそれぞれを取り囲む実質的に全ての球面空間に亘って無線信号を送受信するよう構成される請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記衛星アンテナが、前記衛星のそれぞれを取り囲む球面空間全体よりも少ない部分に亘って無線信号を送受信するよう構成される請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記衛星ノードが第１タイプとして設計され、前記地上局が第２タイプとして設計され、ノードの前記二つのタイプが互いに通信しない請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ルーティング信号が前記ノードから送信されたデジタルデータのパケットを含み、
各パケットが、
前記リンキング情報と前記受信されたルーティング信号の前記質とを含むヘッダと、
ルーティング信号を受信する別のノードによって、前記衛星から受信された前記ルーティング信号の前記質を決定するために用いられるサンプルデータストリームを含むペイロードと、を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記受信されたルーティング信号の前記質が前記サンプルデータストリームの誤り率に少なくとも部分的に基づく定量的性能指数として表現される請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
受信地上局から送信地上局へのデータ通信用の無線通信ルートを生成するための方法であって、前記地上局が無線信号を送受信するための複数の地上局方向性アンテナを含み、前記方法は、
（ａ）姿勢制御無しでランダムな軌道で地球を周回する複数の衛星を提供することであって、前記複数の衛星のそれぞれが複数の衛星アンテナを含み、複数の衛星アンテナのそれぞれが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有する、提供することと、
（ｂ）少なくともひとつの衛星の衛星アンテナにおいて、送信地上局のアンテナから送信された初期情報信号を受信することと、
（ｃ）前記初期情報信号を受信した衛星のいずれかにおいて、少なくとも、（ｉ）前記初期情報信号が前記地上局から受信されたときのその前記地上局を特定するアドレス情報と、（ｉｉ）前記初期情報信号が受信された前記衛星アンテナと、（ｉｉｉ）前記情報信号が受信された前記アンテナのフィードと、を保持することと、
（ｄ）前記初期情報信号を受信した少なくともひとつの衛星の複数の前記アンテナからリンキング情報信号を送信することであって、前記リンキング情報信号が、（ｉ）前記衛星を特定するリンキング情報と、（ｉｉ）前記地上局の間の無線ルートにおける無線リンクとしての、前記衛星および前記送信地上局の適切性を示す前記受信された初期情報信号の質と、を含む、送信することと、
（ｅ）少なくともひとつのリンキング情報信号を受信した受信地上局において、（ｉ）前記リンキング情報信号を送信した前記衛星を特定するアドレス情報と、（ｉｉ）前記リンキング情報信号が受信された前記受信地上局アンテナと、（ｉｉｉ）前記リンキング情報信号を送信した前記衛星において受信された前記初期情報信号の質と、を保持することと、
（ｆ）特定の衛星を介した前記受信地上局から前記送信地上局へのデータ通信用の無線ルートの質を、（ｉ）前記地上局の間の無線ルートにおける無線リンクとしての、前記特定の衛星および前記受信地上局の適切性を示す前記受信されたリンキング情報信号の質と、（ｉｉ）前記初期情報信号の前記質と、に基づいて決定することと、を含む方法。
【請求項１２】
前記衛星がノードの第１タイプとして設計され、前記地上局がノードの第２タイプとして設計され、ノードの前記二つのタイプが互いに通信しない請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記送信元地上局から前記宛先地上局へのデータ伝送を送信することをさらに含み、
ノードの前記第１タイプが無線信号を第１モードでのみ送信すると共に無線信号を第２モードでのみ受信し、該第２モードが前記第１モードでの送信との干渉を実質的に除去し、ノードの前記第２タイプが無線信号を前記第１モードでのみ受信すると共に無線信号を前記第２モードでのみ送信する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の衛星アンテナの全てが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の衛星アンテナのそれぞれの対応するフィードは、前記アンテナの軸に対して実質的に同じ角度で無線信号を送信するために、前記アンテナのリフレクタに対して実質的に同じ角度姿勢で配置される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
各アンテナのリフレクタはパラボラ状の断面を有し、前記無線信号の波長（γ）の少なくとも４倍の直径を有する円形であり、各フィードは前記リフレクタから、少なくともγの４倍だけ離間される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
各アンテナは少なくとも七つのフィードを含み、そのうちのひとつは実質的に前記パラボラ状リフレクタの前記焦点に配置され、残りのフィードは前記焦点の周りに等間隔に、かつ、前記焦点から径方向に離れて、分布する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記衛星アンテナが、前記衛星のそれぞれを取り囲む実質的に全ての球面空間に亘って無線信号を送受信するよう構成される請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
受信地上局を含む送信元から送信地上局を含む宛先へのデジタルデータのパケットを含むデータ伝送を通信することをさらに含み、
各データ伝送パケットが、前記宛先のアドレス情報と、前記伝送の前記コンテンツを表すデータストリームを含むペイロードと、を含み、
前記送信元が、
前記リンキング情報信号が受信された前記受信地上局アンテナを用いて前記特定の衛星にデジタルデータの前記パケットを送信し、
前記特定の衛星が、前記初期情報信号が受信された前記特定の衛星の前記アンテナの前記フィードを用いて、前記宛先に、デジタルデータ伝送の前記パケットを送信する請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記決定するステップが、前記受信地上局によって、前記衛星または他の地上局と通信する中央コンピュータ無しで行われる請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
回転軸周りの回転速度を伴って前記衛星を展開することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
複数の所定の衛星が回転軸の周りの第１向きに回転し、複数の第２の所定の衛星が回転軸の周りの第２向きに回転する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
所定数の前記衛星が反対向きに回転する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
送信元地上局から宛先地上局へのデータ通信用の無線通信ルートであって、前記ルートが前記地上局と通信する、姿勢制御無しでランダムな軌道で地球を周回する複数の衛星のうちの少なくともひとつを備え、各地上局が複数の方向からの無線信号を受信し、かつ、複数の方向に無線信号を送信するための複数のアンテナを含み、前記衛星は、
複数の方向からの無線信号を受信し、複数の方向に無線信号を送信するための複数のアンテナであって、複数の衛星アンテナのそれぞれが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有する、複数のアンテナと、
初期情報信号が宛先地上局から送信されたときのその宛先地上局を特定するアドレス情報と、前記初期情報信号が受信された前記衛星アンテナおよびその前記フィードを特定するアンテナ情報と、を保持するためのアンテナペアリング回路と、
複数の前記衛星アンテナから、前記地上局アンテナのうちのひとつで前記リンキング情報信号を受信する送信元地上局に対して前記衛星を特定するリンキング情報を含むリンキング情報信号を送信するためのルート生成回路と、を含み、
前記送信元地上局において受信され、かつ、特定の宛先地上局を指定するデータ伝送は、前記リンキング情報が受信された前記地上局アンテナを用いて前記送信元地上局によって送信され、
前記衛星が、前記保持されるアンテナ情報によって特定される前記衛星アンテナのフィードを用いて前記データ伝送を送信する無線通信ルート。
【請求項２５】
前記衛星が回転軸周りで回転し、
前記複数の衛星のそれぞれがさらに、前記回転軸の周りのモーメントを前記衛星に付与するよう構成された複数の太陽光パネルを含む請求項２４に記載の無線通信ルート。
【請求項２６】
二つのノードの間で、他のノードを含む無線通信ルートを介して、データを送信する方法であって、各ノードが複数のアンテナを含み、複数のアンテナのそれぞれが、互いに異なる複数の方向に無線信号を送信し、対応する前記異なる方向において無線信号を受信する複数のフィードを伴うリフレクタを有し、前記方法は、
ａ）第１ノードＮ１の前記複数のアンテナから第１ルーティングメッセージを送信することと、
ｂ）ノードＮ１からの前記第１ルーティングメッセージを受信したノードＮ２における第１アンテナのひとつ以上のフィードと第２アンテナのひとつ以上のフィードとを特定することと、
ｃ）ノードＮ２における前記第１アンテナの、最高品質の信号を伴う前記フィードと、前記第２アンテナの、最高品質の信号を伴う前記フィードと、を選定することと、
ｄ）ノードＮ２における選定された前記フィードのなかから、より高い信号品質を伴うフィードを選択することと、
ｅ）前記送信元ノード識別子とノードＮ１の前記識別子とノードＮ１とノードＮ２との間の無線リンクの前記信号品質とを含む第２ルーティングメッセージをノードＮ２から送信することと、
ｆ）ノードＮ１からの前記第１ルーティングメッセージを受信したノードＮ３における第１アンテナのひとつ以上のフィードと第２アンテナのひとつ以上のフィードとを特定することと、
ｇ）ノードＮ３における前記第１アンテナの、最高品質の信号を伴う前記フィードと、前記第２アンテナの、最高品質の信号を伴う前記フィードと、を選定することと、
ｈ）ノードＮ３における選定された前記フィードのなかから、より高い信号品質を伴うフィードを選択することと、
ｉ）前記送信元ノード識別子とノードＮ１の前記識別子とノードＮ１とノードＮ３との間の無線リンクの前記信号品質とを含む第３ルーティングメッセージをノードＮ３から送信することと、
ｊ）前記第２および第３ルーティングメッセージを受信した第４ノードＮ４に前記データを提供し、ノードＮ１へのより高い品質の無線ルートを提供する前記ノードＮ２またはＮ３に前記データを送信し、前記ノードＮ４から送信された前記データを受信した前記ノードＮ２またはＮ３の前記選択されたフィードからノードＮ１へ前記データを送信することと、を含む方法。
【請求項２７】
少なくとも前記ノードＮ２およびＮ３の前記アンテナはそれぞれ、パラボラ状の断面を有する円形リフレクタを備える請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
各アンテナは少なくとも七つのフィードを含み、そのうちのひとつは実質的に前記パラボラ状リフレクタの前記焦点に配置され、残りのフィードは前記焦点の周りに等間隔に、かつ、前記焦点から径方向に離れて、分布する請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【０００２】
本発明は、ランダムなまたは準ランダムなルートで航行する衛星などのひとつ以上の無誘導または実質的無誘導空中ノードを介した地上局ノード間の無線リンクを含む無線ルートを自動的に確立するシステムにおけるノードのアンテナに関し、特にシステムノード間の無線リンクを生成する確率を上昇させるアンテナデザインに関する。
【背景技術】
【０００３】
【０００４】
本開示に関係するセルラテレフォニーのある側面の簡略な歴史は米国特許第５，７９３，８４２号に記載されており、該特許の発明者はＪｅｒｒｙ  Ｒ．  Ｓｃｈｌｏｅｍｅｒであり、彼は本願の発明者でもある。今日まだ使用されている、ひとつの初期のシステムアーキテクチャは、限定された数のタワー取り付けトランシーバ（「ドロップ」）と、複数のモバイル無線機（「セルラ電話」）と、を含んだ。これらの初期のシステムにおいて、またある場合には現在もまだ、中央コンピュータが、タワーに接続された地上線とモバイル無線機との間の通信を制御した。このシステムアーキテクチャを実装するには設備および計算能力への相当な投資が必要であった。これは特に、セルラ電話の数が増え、その技術的能力が向上したことにより、システムの容量および複雑さを増やす必要があったからである。代替的なシステムアーキテクチャは、建物や電柱などの既存の構造物に取り付けられた無線トランシーバ（「ノード」）を用いることを含んだ。これらのアーキテクチャは、ノード間の無線ルートであって選択されたノードにおけるドロップへの無線ルートに沿って、セルラ電話へおよびセルラ電話から信号を送受信することができるノードを用いる。これはメッシュネットワークと呼ばれるようになり、初期の例は、Ｃｏｘ，  Ｄｏｎａｌｄ  Ｃ．，  ”Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｃｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｍａｇａｚｉｎｅ  （Ｄｅｃ．  １９９２），  ｐｐ  ９６−１１５に開示されるシステムである。
【０００５】
メッシュシステムを実装する際の特定の困難は、ノードを相互接続するための利用可能ななかで最良の無線ルートをどのように決定するかであった。総じて、初期のメッシュシステムは依然として、ルーティング決定を行うために中央コンピュータを必要とした。これは、システムの複雑さおよびコストを追加した。Ｗｅｄｄｌｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第４，９３７，８２２号に記載されているものなどの他のアプローチは、ルートが自動的に確立され、中央コンピュータ無しで行われるメッシュシステムを含んだ。しかしながら、Ｗｅｄｄｌｅは、ノードが正規矩形グリッド状に配置され、互いに直交的に隣接するノードの間でのみ無線ルーティングリンクが存在する（すなわち、ノード間の対角線リンクは許されない）メッシュのシステムのみを開示した。そのようなシステムの短所は当業者に直ちに明らかになるところであり、というのも、システムを現実的にするのに十分なほど広いエリアに亘って、厳密に直交する一様な間隔の矩形グリッド状にノードを分布させるのは不可能でないとしても現実世界の設定では非常に困難であるという理由があるからである。さらに、Ｗｅｄｄｌｅはノードが実際に好適な無線ルートを生成する際に依拠するアルゴリズムを詳細に開示していない。
【０００６】
そのような背景のなか、本発明者の米国特許第５，７９３，８４２号は、ノード配置に制限がなく、中央コンピュータを必要としないノードのメッシュを通じて無線ルートを生成するシステムおよび方法を開示した。本発明との関連で以下に詳述されるシステムおよび方法は、複数のランダムに配置されたノードを通じた無線ルートの生成およびそれらのルートを用いた通信の伝送に関して、米国特許第５，７９３，８４２号に記載される技術を利用する。本明細書においてこれらのタイプのシステムおよび方法の詳細を説明する必要性を避けるために、米国特許第５，７９３，８４２号の開示は、ルート生成およびそのように生成されたルートを用いたデジタルおよびアナログ信号伝送に関して、あたかも本明細書にその全てが記載されているかのように、参照により本明細書に組み入れられる。
【０００７】
本発明者は、彼の後の米国特許第６，４５９，８９９号においてその技術を発展させた。それは、とりわけ、方向性アンテナを備えるノードを用いることで、初期のシステムのルート生成および通信伝送能力を向上させるシステムを開示する。この改善は、’８４２特許で説明されたシステムおよび方法において方向性アンテナを伴うノードを用いることにより提示された複雑な問題を解決し、したがって、方向性アンテナで達成可能な高品質の無線リンクを利用する。本発明もまた’８９９特許で開示される技術を用い、そのルート生成の記載は参照により本明細書に組み入れられる。
【０００８】
ランダムに分布したノードを伴い中央コンピュータを伴わない無線メッシュネットワークを通じてルートを生成するという本発明者のアプローチ以前、他者は、地上ベースの送信元ドロップと宛先ドロップとの間の呼伝送用に衛星を用いることで、全世界的セルラカバレッジを提供する方法を提案していた。実際に商用化された衛星システムの例は、Ｓｃｈｗｅｎｄｅｍａｎの米国特許第５，２７４，８４０号やＢｅｒｔｉｇｅｒらの米国特許第５，４１０，７２８号などの種々の特許に開示されている。これらの特許は両方ともモトローラ社に譲渡されている。このシステムは、所定数の極軌道に均等に分布した衛星を、衛星間の信号用のトランシーバとして、また衛星と地上のトランシーバとの間の信号用のトランシーバとして、用いていた。地球全体のカバレッジを提供するのに十分な数の衛星が用いられる。しかしながら、実際、イリジウムによって商用化された実際のこのシステムは数多くの欠点を有していた。そのひとつは、各衛星がその所望の軌道を維持するためにスラスタ、ロケット燃料および航行用ハードウエアを搭載する必要があったことである。これにより衛星のサイズと重量が増大し、それは打ち上げコストを増大させ、衛星そのもののコストも増大させた。また、避けがたい衛星の不具合に対処するために、不具合を起こした衛星の軌道に余剰の衛星を操縦して入れなければならず、したがって、余剰の衛星が要求されることによる、またそれに付随して生じる製造および打ち上げの高コストにより、システム全体のコストが増大した。例えば、「Ｉｒｉｄｉｕｍ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ，」  Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ，  ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｉｒｉｄｉｕｍ  （ｌａｓｔ  ｖｉｓｉｔｅｄ  Ｍａｙ  ９，  ２０１７）を参照。複雑なコンピュータ技術を用いた地上ベース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。結局、その欠点のためにそのシステムは大規模商用アプリケーションでは商業的に生き残ることができなかった。ただ、軍事用途や遠隔地からのジャーナリストによる報告などの特別な分野においてその利用可能性が見出されたと信じられている。
【０００９】
各イリジウム衛星を地球および他の衛星に対する特定の軌道位置に維持することに加えて、各衛星の姿勢もまた所定の許容誤差内に維持されなければならず、これはその衛星のアンテナを、有効な衛星間無線通信および衛星−地上間無線通信のために方向付けするようにするためのものである。姿勢制御を提供するひとつの方法は搭載されたスラスタを用いることであったが、この欠点は上述した通りである。種々の機械ベースの慣性姿勢制御システムが提案されており、例えば、米国特許第３，０１７，７７７号および第８，１６４，２９４号に記載されるもの、Ｃｈａｂｏｔ，  Ｊ．  Ａ．，  「Ａ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｄｉｐｏｌｅ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ  Ａｔｔｉｔｕｄｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」（２０１５年、コロラド大学航空宇宙工学科学、修士論文）に記載されるものなどがある。しかしながら、これらのタイプのシステムはロケットベースの姿勢制御よりも良く振る舞うとは信じられておらず、むしろ、その機械的複雑さおよび搭載される制御システムにより、ロケットベースの姿勢制御と比べた場合の相当な重量低減が妨げられた。
【００１０】
本発明者は、彼の米国特許第５，５６６，３５４号において、モトローラ−イリジウムアプローチを改善した衛星セルラ電話システムを開示した。本発明者の改善されたアプローチは衛星がランダムな軌道を占めることを可能とした。モトローラ−イリジウムシステムや米国特許第５，３０３，２８６号に開示される無線電話／衛星システムなどの衛星システムは各衛星が他のものに対して既知の位置にあることに依存していたが、上記はこの衛星システムの軌道制御コンポーネントを除去した。しかしながら、３５４特許に記載されるランダム軌道システムはある欠点を有しており、そのような欠点のひとつは、衛星のアンテナが正しい方向を向いていることを保証するために依然として姿勢制御を必要とすることである。さらに、後に詳述されるように、それが本開示で用いられる意味での真のメッシュシステムの利点を有していなかったこともある。
【００１１】
近年の世界中でのセルラ電話の利用の急速な広がりを措いても、コンピュータやスマートフォンを通じたインターネットへのアクセスはビジネスおよび個人等にとって必要不可欠となっている。電子メールや電子バンキングや調査／サーチサービスや他の多くのものなどのインターネットベースのリソースへのアクセスなしに、ビジネスを行うことや私事を有効に管理することは難しい。加えて、フェイスブックやツイッターなどのソーシャルメディアプロバイダは、世界のうちインターネットアクセスを提供するエリアにおいてのみ存在しうる。衛星ベースのシステムは、国をタワーで包んだり広大なエリアに亘って地上ベースの無線メッシュノードをインストールすることなく、インターネットおよびセルラ電話サービスを遠隔地においても利用可能とする理想的な手段を提供する。しかしながら、既知の衛星システムは数多くの欠点を抱えており、そのいくつかは上述の通りであり、今日に至るまで商業的に成功したものはない。実際、低コスト衛星システムは、タワーベースのシステムおよび地上ベースのメッシュシステムを併せて置き換えることができる潜在的な力を有している。
【発明の概要】
【００１２】
複数の衛星を互いに対してまたは地球に対して所定の軌道または所定の姿勢に維持することを必要とすることなしに、周回する衛星間の無線リンクおよび衛星と地上ベースの局との間の無線リンクを確立することができる複数の衛星を備える無線通信システムを提供することが本発明の目的である。好適な実施の形態では、地球表面上の任意のスポットが常に少なくともひとつの衛星の視野内にあることをほぼ確実にする衛星メッシュを提供するために十分な数の衛星がある。ひとつの特定の実施の形態は少なくとも２００個の衛星を用いる。
【００１３】
本発明のある態様は、全ての方向に送受信可能な複数のアンテナをそのような衛星のそれぞれに組み入れることに、部分的に存する。ある衛星のアンテナから送信された無線ビームが他の衛星のアンテナによって受信された場合、無線リンクが生成されうる。これは本明細書において「ビームマッチ」と称されることがある。本発明者は、ユニークなアンテナ構成、ならびに、衛星および地上局からのユニークに符号化された無線伝送を用いることにより、また、それらの両方をメッシュにおけるノードとして扱うことにより、複数の衛星のうちのひとつ以上を介した無線リンクを集めることで、地上局間の無線ルートを確立することが可能となることを認識した。本発明のこの態様を導いたひとつの洞察は、衛星の姿勢および相対位置が、各衛星の内蔵コンピュータが無線ルートを計算するのにかかる時間と比べて、十分にゆっくりと変化することである。したがって、いったん無線ルートが確立されると、複数の衛星のうちのひとつ以上を介した地上局間の通信（「呼」）は通常妨げられることはなく、あるいは、衛星が移動するか宙返りすることで既存のルートが妨げられた場合でも、呼が進行している間に同じまたは異なる衛星で「飛行中に」新たな無線ルートが確立されうる。以下の説明で用いられる場合、明示的にまたはコンテキストによりそうでないと示されない限り、「呼」は衛星間または衛星と地上局との間の無線ルートを介したコンテンツ（デジタルまたはそうでない）の通信である。そのように限定するものではないが、本明細書で説明されるシステムはパケットでのデータ伝送に特に良く適している。パケットは、本明細書において、一般的に受け入れられている意味で定義され、すなわち、伝送のコンテンツを表す部分（「ペイロードと称されることがある」）と、制御部分（「ヘッダ」や「トレイラ」と称されることがある）と、を伴うデジタルデータの集合として定義され、制御部分はソー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の、ペイロードの送達を成功させることができる情報を含む。
【００１４】
より広い態様のうちのひとつでは、本発明は、搭載型コンピュータを伴うユニークな衛星構成を用いる。そのコンピュータは計算を実行可能であり、衛星が非制御軌道を姿勢制御無しで移動する際に仮想的にリアルタイムで、ひとつ以上の衛星を介した地上局間の無線ルートを生成するようアンテナを選択可能である。無線ルートは衛星内のコンピュータによって実行されるアルゴリズムによって決定され、この場合、地上局間の最適な無線ルートをどの衛星またはどの複数の衛星が構成するかを指定するために中央コンピュータを必要としない。
【００１５】
本発明のある実施の形態は、開示される衛星メッシュを用いることで、二つの地上ベースのトランシーバの間の無線ルートを提供する単一の衛星を備える最適無線ルートを生成する。本明細書で説明されるユニークな衛星デザインにより、衛星が姿勢制御無く宙返りする場合や、最初の衛星が漂って範囲外に出るか何らかの理由で動作不能になったことにより地上ベースのトランシーバの視野内の他の衛星がより良い無線ルートを提供するものとなるように条件が変化した場合でも、単一衛星のルートを維持することができる。
【００１６】
本明細書で開示されるシステムの具体的な利点は、好適な実施の形態において、上述の特徴および以下に詳述される特徴を提供することであり、それは、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高コストな制御システムの必要性を除去し、打ち上げコストを低減する軽量かつ電池駆動の衛星で地球を覆うことによる。本発明の他の態様は、衛星で用いられるアンテナ構成とは異なるアンテナ構成を伴う地上局を用い、これは、地上局には、衛星重量、サイズおよび電力に対する制限が適用されないからである。これは、地上局はより大きなアンテナ密度（所与の球面上でのより多くのアンテナビーム）を有し、より大きな電力（利得）でアンテナを用いることができ、したがって、任意の二つの地上局間でのデータ通信が可能であることを仮想的に保証するものであることを意味する。
【００１７】
本発明の他の実施の形態は、軸の周りでスピンまたは回転する衛星を用いることで、衛星間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強化する。これは、各衛星が所与の期間中に他の衛星のより多くのアンテナを「見る」蓋然性が高くなるので、二つの衛星間のビームマッチを生成する確率を高める。これにより、より高い利得のアンテナであってしたがって対応するより狭いビーム幅を伴うアンテナの使用が可能となり、したがって、無線リンクの強度が増大し、呼伝送の信頼性が高まる。典型的には、衛星は衛星ごとに異なりうる所定の角速度を伴って展開される。この実施の形態のある変形では、システムは反対向きに回転する衛星を含む。この実施の形態を実現するためのさらなる考察は以下の詳細な説明で議論される。
【００１８】
本発明のさらに別の実施の形態は、マルチフィードパラボラアンテナを使用して、所定の球面エリア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ことによって、システムノード（衛星および地上局）間に無線リンクを確立するシステムの能力をさらに強化する。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、他の実施の形態で使用されるシングルフィードアンテナよりも大きなリフレクタを有する。本実施の形態による衛星は同数のシングルフィードアンテナを有する衛星よりも大型で重い可能性が高いが、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マッチを作成するために利用可能な、大幅に増加した数の高利得無線ビームを送信する。
【００１９】
本明細書に記載されるシステムおよび方法のさらなるアプリケーションは、低地球軌道衛星以外の様々な空中車両上のノードの実施の形態のいずれかの組み込みに関する。これらの車両は、それら自体と地上ノードとの間の無線信号の信号減衰がより少ない非常に低い地球軌道衛星（１００〜２００マイル）を含むことができるが、これらに限定されず、そのような衛星は、いわゆる物のインターネット、地方エリアにインターネットサービスをもたらすように設計されたシステムに適合させることができる高高度バルーン（例えば、１１マイル）、および個々のハンドヘルドデバイスと直接無線リンクを生成するシステムの能力を増大させることができる１０００〜２０００フィートで飛行するドローン、を相互接続するシステムで使用するのに適合可能であり得る。加えて、地上局において使用される上述のマルチフィードアンテナの実施の形態の適合はおそらく、いかなる空中ノードも含まずに、変化する高さにある地上局間に直接無線リンクを確立することができる確率を増加させるのであろう。
【００２０】
本発明およびその実施の形態のこれらおよび他の態様および特徴は本開示が進むにつれてより詳細にカバーされるであろう。
【００２１】
このサマリは、以下に詳述される選ばれたコンセプトを、単純化された形態で、導入するためだけに提供される。本明細書で請求される主題の主要なまたは不可欠な特徴を特定することを意図するわけでは必ずしもなく、また、請求される主題の範囲を決める際の助けとして用いられることを意図するわけでも必ずしもない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
添付の図面と併せて以下の好適な実施の形態の詳細な説明から本発明の目的を良く理解することができるであろう。該図面において、一貫して、同様の符号や記号は同様の特徴を指し示す。以下は、添付の詳細な説明で用いられる図面の簡単な説明である。
【００２３】
【図１】図１Ａおよび１Ｂを含み、本発明者の米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号に開示される無線メッシュコンセプトを模式的に示す。
【００２４】
【図２】図２Ａおよび２Ｂを含み、本明細書で開示され請求される宇宙ベースの無線システムに通底する所定の幾何的原則を示す。
【００２５】
【図３】本明細書で開示され請求される宇宙ベースの無線システムでの使用に適する衛星の実施の形態を模式的に示す。
【００２６】
【図４】図３に示される衛星の種々の動作コンポーネントの表現である。
【００２７】
【図５】二つの地上局間の無線ルートを生成するために単一の衛星を用いるプロセスの実施の形態を示す。
【００２８】
【図６】図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃを含み、ランダムな軌道にある衛星を用いるシステムの代替的な実施の形態にしたがう回転衛星を模式的に示す。
【００２９】
【図７】姿勢制御なしでランダムに周回する衛星を使用する、本明細書に記載されるシステムの別の実施の形態によるアンテナ構成を有する球形衛星の表面の概略２次元図である。
【００３０】
【図８】図７に描かれたアンテナ構成を有する衛星の電子部品の機能図である。
【００３１】
【図９】図７および図８に図示されたアンテナ構成および制御回路を組み込んだ地上局間の直接リンクを示すとともに、種々のタイプの低軌道でない空中車両を使用するシステムの概念図である。
【００３２】
当業者であれば、図面は厳密にサイズ通りに描かれているわけではないと容易に理解するであろうが、それでも、以下の好適な実施の形態の詳細な説明と合わせて理解された場合、本発明を実施するのに十分であることを見出すであろう。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下の詳細な説明は、請求される主題を実装する様々な方法を説明する特定の実施の形態の具体的な例を提供することが意図されている。請求される主題に関する技術分野における当業者の知識レベルを考慮するように記載されている。したがって、本明細書に記載される実施の形態をそのような者が実現することができるためには不要なものとして、ある詳細は省略されうる。また、方向や向きを示す用語は説明を容易にするために用いられ得ることは理解されるであろう。そのような用語の使用は、請求される主題が説明されている構成の特定の向きに限定されることを暗に示すわけではない。
【００３４】
Ｉ．無線メッシュコンセプトおよび原理
【００３５】
本明細書で説明されるシステムは複数のトランシーバ（「ノード」）の使用に通底する所定の原理の上に構築されている。その原理はは、トランシーバのひとつ以上を用いて無線ルートにおけるリンクのための終端を形成するために使用可能である。本明細書の説明を通じて、用語「無線」、「無線信号」や同様のものは、無線波とよく呼ばれている周波数における電磁放射を指すものに限定されない。光、マイクロ波、ＶＨＦ（「ｖｅｒｙ  ｈｉｇｈ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ」）、ＵＨＦ（「ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ」）などを含む、情報を伝達可能な任意の周波数の電磁放射を包含することが想定されている。このセクションでの議論は、メッシュシステムと称されることもある従来構成の所定の関連する特徴を説明し、および、本明細書で説明されるユニークな装置、システムおよび方法によって達成される、既知のメッシュ技術を超える顕著な進歩を表す基本的コンセプトのいくつかを説明する。
【００３６】
Ａ．従来のメッシュおよび衛星無線通信システム
【００３７】
本発明者の米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号に記載されるものなどの既存の地上ベースの無線メッシュシステムは、複数のノードを通じたデジタルおよびアナログ通信信号用の無線ルートを確立する際に非常に有効であることが示された。それらは、メッシュシステムにおいて高品質の無線リンクを確立することを可能とする。このメッシュシステムは、ノードを所定のパターンではなく便利な位置に置くことを可能とする。図１Ａおよび１Ｂは、そのような地上ベースの無線メッシュを示す。この単純化された例では、発信元ノードＡと、アップル社製のｉＰｈｏｎｅ（登録商標）やサムソン電子社製のギャラクシー（登録商標）などのいわゆるスマートフォンなどの近くのモバイル無線機（不図示）と、の間で通信信号ＣＳが伝送されうる。それらの信号は次いで、ノードＢなどの「ドロップ」に伝達されなければならず、「ドロップ」はインターネットルータや電話ネットワークであってもよく、該ネットワークは例えば地上線に接続される。ノードＡとノードＢとが、大きな丘ＬＨなどのそれらの間の障害物の存在のために見通し線接続にない場合（図１Ａ）、リンクを確立できた場合であっても、直接無線リンクＬは信号強度のかなりの減少に曝されるであろう。
【００３８】
上述の通り、米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号で説明されるシステム以前に提案された多くのメッシュシステムは、発信元ノードとドロップとの間のルートを制御するために中央コンピュータを用いた。しかしながら、それらの特許は、発信元ノードと宛先ノードとの間の通信を最適化するように、必要とされるだけの数の中間ノードの間の好適なルートを、ノード自身が確立することを可能とするためにアルゴリズムを用いたシステムを開示した。例えば、図１Ａは、ノード自体のなかのソフトウエアおよびファームウエアが丘ＬＨを回る好適なルートを確立するシステムを示し、その好適なルートはノードＡと第１の高い丘Ｈ１の頂上にあるノードＸとの間の無線リンクＬ１を含む。ノードは、ノードＡとノードＸとの間のリンクＬ１を、そのリンクが実際は宛先ノードＢから離れる向きに導くものであるにも関わらず、用いる。個々のノードにあるアルゴリズムは、次いで、第２の丘Ｈ２の頂上にある別のノードＹとの無線リンクＬ２を確立し、そこから宛先ノードＢへのリンクを確立する。この好適なルートでは、メッシュのノードＺは二つの他のノード（不図示）の間の無線ルートの一部であり得るが、ノードＸおよびＹを通じたルートが好適であるとノードＸ、ＹおよびＺが自己決定するので、バイパスされる。
【００３９】
このシステムの重要な特徴のひとつは、ノード自身が異なる好適なルートを生成可能であることであり、例えば、そのように生成されるルートは、ノードの配置後に状況が変わった場合に、リンクＬ４およびＬ５を用いる、ノードＺを通じた、ノードＸとノードＹとの間のものである。図１Ｂは、ノードＡとノードＢとの間に明確な見通し線がない場合にノード自身がどのようにノードＡとノードＢとの間に異なるルートを生成するかを示す。この例では、ノードＸとノードＹとの間に直接建設されている建物ＢＬによって見通し線が遮られている。他の例は、冬の間は葉っぱがないためにノードＸとノードＹとの間を無線信号が通過することを許す木であり、この木は葉っぱが出てくる夏には無線リンクを妨げるものとなる。そのような場合、米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号に記載されるシステムは、ノードＡ、Ｂ、Ｘ、ＹおよびＺが自動的に、ノードＸ、ＹおよびＺの間の新たな無線リンクＬ４およびＬ５を用いて新たな好適な無線ルートを生成することを可能とする。
【００４０】
これらの特許はしたがって、本質的にランダムな分布を可能とするノードのメッシュを用いるシステムを説明しており、そのシステムでは、ノード自身が、ノード内の搭載型計算能力を用いてノードによって交換される無線信号を解析することで、宛先とドロップとの間の好適な無線ルートを確立する。これにより、ノードと通信し、ノードによってメッシュ内の他の複数のノードから集められたデータを用いて、最適なまたは好適なルートを決定する中央コンピュータの必要性がなくなる。総じて、ノードの配置に対する唯一の制限は、三つ以上のノードのルートにおける中間ノードが少なくともふたつの他のノードの見通し線内になければならないことである。これによりシステムは広いエリアをカバーすることが可能となり、そうするためには数多くのノードが必要となり得るが、ノードが互いに「見る」ことができる限り、システムは好適な無線ルートを自己確立することができるであろう。
【００４１】
しかしながら、固定位置で地上ベースの送受信ノードを含む無線メッシュシステムの後ろにある一般コンセプトを、どのように、ノードが地球を周回する衛星であるシステムに適用することができるかは自明ではない。米国特許第５，２７４，８４０号および第５，４１０，７２８号に開示されるモトローラ−イリジウムシステムは、およそ、ノードが特定の位置にある地上ベースのシステムの類似物である。すなわち、衛星が所定の軌道を維持すること、および、衛星アンテナが正しい向きを向いていることを維持するための搭載型姿勢制御を有すること、が要求され、かつ、ある地上局から伝送を受信し、別のものにそれを再送信する際に衛星の位置を知っていることに依存する。このアプローチは技術的にはうまくいくが、実装にコストがかかりすぎるために商用の観点からは非現実的であることが証明されたと信じられている。ただし、上述の通り、所定の専門的アプリケーションにおいては依然として用いられる。加えて、それは衛星間の無線ルートを確立するために中央コンピュータを用いる。
【００４２】
本発明者の米国特許第５，５６６，３５４号は、ランダム軌道の衛星を用いるシステムを開示するが、上述の通り、実際それは本明細書で用いられる意味でのメッシュシステムではない。例えば、３５４特許のシステムは、送信元ユニットに宛先ユニットに対してページを送信させることで衛星がその目的のために利用可能であるか否かを判定し、次いでその衛星を通じて二つのユニットの間で通信を単に伝送することによって、地上ベースのモバイルユニットの間の通信チャネルを確立する。そのシステムは、本明細書で説明されるメッシュシステムの数多くの顕著な特徴を有しておらず、そのような特徴は例えば複数のノードによって送受信される信号の質を用いて好適な無線ルートを生成することである。加えて、衛星は依然として位置決めスラスタやそのためのロケット燃料などの高価な搭載型姿勢制御ハードウエアを必要とし、それらの両方は更なる重量を追加し、したがって衛星を軌道に運ぶコストを増大させる。一方、本発明は、衛星であるか地上局であるかにかかわらず、ノード間の無線リンクのうち最高品質の無線リンクを提供するような、ノードにおけるアンテナについての選択を実行可能とするように、ノード（衛星および地上局）のアンテナを連続的に更新する衛星を用いる。加えて、３５４特許はランダムに周回する衛星の間の衛星間通信をいかに提供するかを開示しない。モトローラ−イリジウムシステムが衛星間通信をサポートするといっても、その衛星は予め設定された軌道および固定の姿勢の両方を維持しなければならない。
【００４３】
Ｂ．本明細書で説明されるユニークな衛星無線メッシュシステムの原理
【００４４】
本システムで用いられる衛星無線メッシュは、二つの地上局の間の好適なルートが二つ以上の衛星を含みひとつ以上の衛星間無線リンクを有する無線ルートをサポートする。それはまた、両方の地上局と通信する単一の衛星を含む無線ルートをサポートする。両方の実施の形態において、以下で詳述される数多くのユニークな衛星が軌道に打ち上げられる。衛星の数は、任意の時点で、地球表面上のある点が所定数の衛星の見通し線内にある高い確率を提供するよう選択される。例えば、米国特許第５，５６６，３５４号は、軌道高度５００マイルにランダムに２００個の衛星を配置した場合、地球上の所与の地点は時間平均で約１２個の衛星を「見る」ことになると、言い換えると、地球上の所与の地点がただひとつの衛星の見通し線にも入らない確率は４／１００００００でしかない、と推定している。
【００４５】
図２Ａおよび２Ｂはこの原理を図で示す。５００マイルの高度ＡＬにおける衛星Ｓから水平ＥＨまでのおよその距離ＤＨは数式
ＤＨ＝［（Ｒ＋５００）２−Ｒ２］１／２
にしたがって計算可能であり、ここで、Ｒは地球Ｅの半径である。選択されたＲの値に依存して、ＤＨは約２０００マイルとなる。したがって、衛星のカバレッジ面積ＡＲはπ×ＤＨ２≒１２，５００，０００平方マイルである。地球の表面積を１億９千７百万平方マイルとすると、各衛星は地球の表面の約６％を「カバー」し、これは表面上の任意の地点が平均で約１２個の衛星（２００×０．０６）を「見る」であろうことを意味する。逆に、地球上の任意のある地点からひとつの衛星が見えない確率は９４％である。ランダムな軌道に２００個の衛星が打ち上げられた場合、地球上の任意の所与の地点がただひとつの衛星も見ない確率は０．９４２００≒０．０００４％（すなわち、百万分の４）でしかない。３５４特許は、異なる衛星の数について、表面上の地点の一定の経時的カバレッジの確率の評価値を示すテーブルを含んでおり、それは参照により本明細書に組み入れられる。
【００４６】
本開示のコンテキストにおける用語「ランダムな軌道」は、システムで用いられる衛星の数との組み合わせで考慮されなければならない。一般に、それは、地球を最大限にカバーするという目的を伴って、最初は離間されている十分な数の衛星が軌道に投入されることを意味する。それは、純粋に数学的な意味でのランダムな分布を要求することを意味するわけではない。むしろ、それは、衛星を特定の位置に正確に配置することが要求されていないことを示すために用いられ、また、それらの衛星を軌道に投入する態様が、地球表面上の任意の所与の地点が常に少なくともひとつの衛星の見通し内にあるように、適切な統計的アルゴリズムにしたがって算出される、システムを構成する衛星の数および所望の確度を考慮することを示すために用いられる。（衛星の軌道が時間の経過と共に変わるにつれて、所与の地点について、異なる衛星がその要件を充たすことをシステムが許すことは理解されるであろう。）例えば、いわゆる疑似ランダム数についての既知の技術を、初期衛星数および配置を計算するためのベースとして用いることができる。「ランダムな」衛星分布を達成する他の方法は米国特許第５，５６６，３５４号の「Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｌａｕｎｃｈ」セクションに記載されており、当該特許は参照により本明細書に組み入れられる。軌道に投入される衛星の数は算出された数を超えることが好ましく、これは、時間の経過と共に所定数の衛星が故障することに対応することにより、または軌道崩壊または宇宙ゴミによる損傷のために大気圏に再突入することによって衛星が破壊されることに対応することにより、継続的な完全地球カバレッジを可能とするためのものである。
【００４７】
本明細書で説明され請求されるシステムの別の重要な特徴は、衛星がアクティブな搭載型姿勢制御を必要としないことである。したがって、可動部も可動機構も推進システムも必要とされず、これは衛星重量およびコストを低減し、衛星の角度向きを気にせずに衛星を軌道に放つことができる。宇宙ステーション等などの投入ビークルから衛星を展開可能であることが想定されている。本明細書で説明されるシステムのある実施の形態では、できるだけ小さい角速度で、しかしながらそのための特別な労力なしに、衛星を展開するよう試みることが好ましい。そのような実施の形態にしたがうシステムは、衛星が「宙返りする」場合でも無線ルートを生成するであろう。宙返りとは、各衛星が、周回中に他の衛星とは異なるレートで角度向きを変えるか、角度向きを全く変えないということが可能であることを意味する。言い換えると、衛星は所与の軌道にあるわけでも、制御された向きにあるわけでも、ない。ある実装では、強磁性材料からなる衛星および／またはコンポーネントの質量を分散させることで、衛星が地球を周回しその重力場および磁場と相互作用するにつれて所定量の宙返りを維持することができる。加えて、電力を生成するために用いられる太陽光パネルのサイズおよび向き（図３および４参照）を賢明に選択することによって、パネルに当たる光子の運動エネルギを用いて、衛星の宙返り動作に影響を与える力を提供することができる。望まれるなら、各衛星は追跡テレメトリを含むことができ、これにより、軌道が崩壊しており衛星を再配置する必要があるかを検出することができ、また、周回体に適用される国家プロトコルまたは国際プロトコルにしたがわせることができる。しかしながら、そのようなテレメトリを提供するのは比較的単純で廉価であることが想定されている。
【００４８】
別の実施の形態では、衛星は、衛星に角速度が付与された態様で、ランダムな軌道に展開される。後述のような態様で、これは、より高い利得のアンテナを用いることによって無線ビームがより狭い場合でもビームマッチを生成することを可能とする。これにより、二つ以上の衛星を用いて無線ルートをより容易に生成するシステムの能力が強化され、これはある設定において、地上局間のルートの質を高め、それによりデータ伝送を促進する可能性を秘めている。さらに別の実施の形態では、衛星は、システムノード間の無線リンクとして使用するために潜在的に利用可能な高利得ビームの数を増加させるために、複数のフィードを備えたパラボラアンテナを組み込んでいる。これらの実施の形態の詳細は後に詳述される。
【００４９】
ＩＩ．衛星設計：アンテナ構成および搭載制御回路
【００５０】
ある実施の形態に係る衛星は、ユニークな複数アンテナアレイとソフトウエア実装アルゴリズムとを用いるシステムノードを備え、そのアルゴリズムは、ノードが情報信号を送信しているアンテナおよび当該送信アンテナからの情報信号を受信している別のノードのアンテナをほぼ即座に特定することを可能とすることによって、無線ルートを生成するためのものである。衛星および地上局は総じてシステム内のノードとしての機能について同等であることから、ノードという用語は、そうでないと明記されるかそうでないことを文脈が示す場合を除いて、衛星および地上局の両方を指すことができる。加えて、各ノードにあるソフトウエアは、情報信号内の内容を用いることで、二つのノード間の無線リンクとしての、これらのアンテナペアの適切性を評価する。ノードにあるソフトウエアは、その評価を用いることで、送信元地上局から宛先地上局へデータ通信を送信するための好適な無線ルートを生成する。本明細書で説明される衛星システムを用いて無線ルートを生成することに係る基本的コンセプトを説明する目的で、本議論はルート生成のある側面を別個に扱うことがある。例えば、潜在的無線リンク用にアンテナペアを特定するというコンセプトは、無線ルート用に所定のリンクを選択することにより好適な無線ルートを特定することとは別個に説明されうる。いずれにせよ、議論が進むにつれて、ルート生成が、地上ノードが初期情報信号を送信したときに始まり、送信元地上ノードからひとつ以上の衛星ノードを通って宛先地上ノードに至る通信信号の好適な無線ルートの生成で全盛となるステップの組み合わせを含むことは、明らかになるであろう。
【００５１】
開示されるシステムおよびルート生成プロセスは、ランダムな軌道を漂う姿勢制御のない衛星の利用を可能とする。ノードの選択されたアンテナペアが時間の経過と共に変わる場合でも、または、ルートを構成する衛星が時間の経過と共に変わる場合でも、データ通信を送受信することが可能である。すなわち、衛星に搭載されるコンピュータおよび地上局におけるコンピュータは、所与の通信中に、またはある通信から次の通信にうつるときに、無線ルートを変更することができる。加えて、無線ルートは単一の通信中に異なる衛星を利用することができる。あるいはまた、第１の時刻における地上局間の第１通信が所定の衛星または複数の衛星を用い、一方で、同じ二つの地上局間の後の通信が第１の通信では用いられなかったひとつ以上の衛星を用いることができる。
【００５２】
図３は、本明細書で説明される宇宙ベースの無線メッシュシステムで使用可能な衛星１０の実施の形態の模式図である。本明細書で説明されるシステムおよび方法における衛星１０の動作に通底する所定の原理の理解を容易とするために、ＣＴを中心とする球の形状の外筐体１２と共に示されている。当業者であれば、他の設計思想によりそのようにされるのであれば、衛星が異なる形状を有しうることを認識するであろう。衛星の所定の特徴は、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であろう。本開示が進むにつれて、本明細書で開示され請求される宇宙ベースの無線システムの特徴のうちのひとつが、既述の通り、衛星が地球を周回する際に衛星の任意の角度向きを想定可能であることだということが理解されるであろう。これまでの記載から、当業者であれば、図３に示される座標系が衛星の特徴を記述する際のまさに説明用に用いられると理解するであろう。言い換えると、座標系は、衛星に紐付けられており、衛星がゆっくりと宙返りするにつれて地球に対する角度向きを変えるものであるとみなされうる。
【００５３】
例示的な衛星１０は複数のアンテナモジュール１２を含み、それらのうちのひとつは説明用に図３に模式的に示されている。本例の各アンテナモジュールは、所定の方向においてより大きな電力で無線信号を送受信する方向性アンテナを含む。本実施の形態は円形ディッシュパラボラアンテナを用い、そのようなアンテナのそれぞれの頂点は球形衛星の中心ＣＴにあり、立体角Ωを占める。衛星に組み込まれる個別のアンテナモジュールの数は、システムの特定の応用およびアンテナ設計に依存する。ある実施の形態では、ステラジアン単位のΩは以下のように選択される。すなわち、衛星の周りに配置された特定の数のアンテナモジュールが、地上局トランシーバからの無線信号の受信および当該トランシーバへの無線信号の送信を可能とするのに十分な、および、他の衛星のアンテナが後述の態様でのシステムの動作を有効化できるのに十分な、ほど大きな球面面積へと無線信号を送信し、かつ、その球面面積から無線信号を受信する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よう既知のアンテナ設計原則を用いて決定されうる。
【００５４】
しかしながら、アンテナ動作の基本的原理は、図３に示されるような衛星に、本明細書で説明されるシステムおよび方法を有効とするのに十分な数のアンテナを備えさせることが技術的に実現可能であることを示す。ある設計アプローチは、各モジュールのアンテナのビーム幅は、特定の衛星の全てのアンテナから送信される信号が別の衛星または地上ベースのトランシーバで受信される所定の確率を提供しなければならないことを規定してもよい。円形ディッシュパラボラアンテナのビーム幅を表現する典型的な態様は、ビームのパワーが３ｄＢだけ減少する角度αである。これはハーフパワービーム幅（ＨＰＢＷ）と呼ばれ、以下の関係式で与えられる：
α＝（ｋ×γ）／ｄ      （１）
ここで、αは度単位であり、ｋはアンテナの所定の設計パラメータに依存するファクタであって典型的には７０°という値が割り当てられ、γはセンチメートル単位の波長であり、ｄはアンテナ反射材の円形「口」の直径である。Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ａｎ  ＩＰｖ６  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，  Ｍｉｎｏｌｉ，  Ｄａｎｉｅｌ，  ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ，  ＦＬ  （２００９），  ｐａｇｅｓ  ７８−８０。５ＧＨｚ信号について、これは衛星通信でよく用いられる無線周波数（マイクロ波Ｃバンド）であり、γ＝６ｃｍ（γ＝ｃ／ｆ、ここでｃ＝光速、３×１０１０ｃｍ／ｓｅｃ）、したがってα≒１４０°であるが、２０１７年７月２１日に出願された本発明者等の米国特許出願番号１５／６５６，１１１で説明されているとおり、直径ｄ＝３ｃｍのアンテナによって送信された無線ビームが十分なエネルギを有しているかは定かではない。直径が波長の２倍であれば（これは従来のアンテナ設計により合致する）、アンテナのリフレクタの直径は１２ｃｍとなり、そのＨＰＢＷ＝３５度となろう。相反定理の元、同じパラボラアンテナは１７．５度の軸外で到達する信号を、軸上利得の−３ｄＢで、受信するであろう。
【００５５】
本システムで用いられる衛星は、図４との関係で以下に詳述される、衛星の動作に必要な様々な電子部品および機械部品を収容するのに十分なほど大きい必要があり、また、打ち上げの加重に耐え、かつ、軌道上で出会うであろう過酷な環境への長期間暴露にも耐えるのに十分な程度に構造的に堅牢でなければならない。本発明者の米国出願第１５／６５６，１１１号は、おそらく直径２０ｃｍ程度の小さい衛星を記載しているが、少なくとも第一世代システムのためのより実際的な目標は、アンテナのリフレクタから２波長程度のアンテナフィードを有する直径１２ｃｍのアンテナを使用して、６０〜７０ｃｍの範囲内にあるのであろう。各アンテナについての、衛星の表面の開口は、表面下の反射材からのビームが遮られずに広がることを許すようなサイズを有する。衛星の開口が直径約１８ｃｍの円形である場合、その面積は８１πｃｍ２（π×（９ｃｍ）２）である。直径約６０ｃｍの衛星について、２５個のそのようなアンテナは衛星表面の約６０％を占めるであろう。
【００５６】
本メッシュシステムでの使用に適した衛星およびアンテナは、複雑系の工学の当業者になじみのあるトレードオフに依存して異なる形態をとりうることは理解されるべきである。後に詳述されるように、本明細書で説明される衛星メッシュの実施の形態を用いて無線ルートを生成するステップのうちのひとつは、ひとつ以上の衛星および地上ベースのトランシーバの全てのアンテナからの特定用メッセージの送信であり、ひとつ以上の衛星および地上ベースのトランシーバはあるコンテキストでは本明細書で「ノード」と互換的に参照される。ノードにおけるアンテナの数を増やすことにより、他のノードから送信される無線信号および他のノードにより受信される無線信号の総球面カバレッジを増やすことができ、それによりあるノードからの信号が他のノードで受信される確率を高めることができることが理解されるであろう。衛星ごとのアンテナの数を増やすことにより、軌道に投入される衛星の数を減らすことが可能になることがさらに理解されるであろう。そのような衛星はより高価でより重いものとなり、したがって打ち上げコストの増大となるが、打ち上げる必要がある衛星の数を減らせるので、他のファクタがそのコストの増大をオフセットしうる。当業者であれば、また、本明細書で説明されるシステムが、完全な３６０度より小さな球面カバレッジを伴って送信するアンテナアレイを有する衛星で実装可能であることを認識するであろう。
【００５７】
同様に、アンテナを追加することによる地上局の重量の増大は要因ではない。したがって、システムは、地上局よりも少ない数のアンテナを衛星に組み込んでもよい。また、所与の数のアンテナで衛星を設計し、統計的評価を用いることで、地球の表面上の任意の所与の地点から所定数（の衛星）が見えることを保証するのに必要なそのような衛星の数を算出することが、より現実的であろう。衛星が軌道に打ち上げられた後、システムはその計算を確かめるべくテストされてもよく、望まれるのならより多くの衛星を追加してもよい。さらに、本例はパラボラアンテナを用いることでノードデザインに係る所定の原理を説明するが、システムは特定のタイプのアンテナを用いることに依存しない。すなわち、アンテナのタイプおよび特定のアンテナ設計もまた、ノードが他のノードから送信された信号を役に立つ利得で受信することを適切な確率で保証するのに必要なビーム幅および衛星の数を決定する際のファクタであろう。本明細書で説明され請求されるメッシュシステムの任意の所与の実装の上手くいくデザインを決めるファクタは当業者に理解されるであろう。以下にさらに説明する所定のアンテナ構成は、システム内の任意の２つのノード（衛星／衛星および衛星／地上局）の間にビームマッチが作成される確率を高めるように独自に設計されている。
【００５８】
衛星１０はまた複数の太陽光パネルを含み、そのうちの三つ１４ａ、１４ｂ、１４ｃが図３に示される。図示の実施の形態では、太陽光パネルは互いに直交する平面内に配置され、衛星１０の周りに等間隔に配置される。本実施の形態において太陽光パネルの位置と向きとを説明する目的で、衛星の赤道１６は大円として定義され、そこでは衛星表面はｘ−ｙ平面に平行で球の中心ＣＴを通る平面と交差する。基準子午線１８は大円として定義され、そこでは衛星表面はｘ−ｚ平面に平行で球の中心ＣＴを通る平面と交差する。直交子午線２０は大円として定義され、そこでは衛星表面はｙ−ｚ平面に平行で球の中心ＣＴを通る平面と交差する。太陽光パネル１４ａは、赤道１６と基準子午線１８との交差点において、適切な取り付け構成２２ａによって衛星に取り付けられている。太陽光パネル１４ｂは、赤道１６と直交子午線１８との交差点において、適切な取り付け構成２２ｂによって衛星に取り付けられている。太陽光パネル１４ｃは、基準子午線１８と直交子午線２０との交差点において、適切な取り付け構成２２ｃによって衛星に取り付けられている。
【００５９】
太陽光パネルは総じて平面状であり、ソーラセルが一方の面または両方の面に分布しており、そのソーラセルが太陽光に曝されたときに電力を生成する。効率を最大化するために、平面状太陽光パネルを互いに直交する平面内に取り付けることによって、衛星の角度向きによらずに、十分な数のソーラセルが太陽光に曝されることを保証する。図示の実施の形態では、太陽光パネル１４ａはｘ−ｚ平面内にあり、太陽光パネル１４ｂはｘ−ｙ平面内にあり、太陽光パネル１４ｃはｙ−ｚ平面内にある。衛星は、衛星の反対側の赤道、基準子午線、直交子午線がそれぞれ交わるところに、さらに三つの対となる太陽光パネルを含むことが理解されるであろう。対となる太陽光パネル（図４でダッシュ「’」付きで示される）は図３に示される対応物１４ａ、１４ｂおよび１４ｃのそれぞれと同じ平面内に配置されることが好ましい。各太陽光パネルは衛星の表面に対して垂直であることが好ましい。この場合、太陽光パネルに隣接するアンテナによる無線信号の送受信を邪魔しない。
【００６０】
図３は、本明細書で説明される衛星メッシュシステムの本実施の形態を理解するために必要な、衛星１０の特徴を説明するためだけのものであることは理解されるであろう。当業者であれば、本システムを具現化する実際の衛星が図３の模式図に示されないデザイン的特徴を有しうることを理解するであろう。例えば、良好なデザイン慣行は、アンテナの口をその周りの衛星表面から凹ませることで、宇宙ゴミによる衝突損傷の蓋然性を低減することを想定するであろう。あるいはまた、（凹んでいるか否かを問わず）各アンテナの口を、衛星で送受信される信号に対して透過的な材質のシートで覆うことによって、追加的な保護が提供される。図３に示される太陽光パネル１４のデザインおよび配置はまた高度に模式的であり、本明細書で説明され請求される発明はいかなる特定の太陽光パネル構成、配置、展開手段にも限定されない。
【００６１】
図４は、他のノードに無線信号を送信し、他のノードから無線信号を受信することができる無線ルートを生成するための、衛星１０（ノード）によって収容される種々のコンポーネントを模式的に示す。当業者であれば容易に認識するように、本実施の形態および他の実施の形態ならびに本明細書で開示され請求される主題を含む無線システムの態様の説明において、種々の図面で説明され図示される制御回路およびコンポーネントは、それに帰せられ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としての意味を有する。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出力インタフェースデバイスと中央演算ユニット（ＣＰＵ）とを含み、適切なオペレーティングシステムとプログラムインストラクションを実行するためのアプリケーションソフトウエアとを伴う。加えて、本明細書において、システムの要素を指す用語および本明細書で説明されるユーザインタフェースの要素を指す用語は、参照の単純化のために用いられる。例えば、「コンポーネント」、「モジュール」、「システム」、「装置」、「インタフェース」などの用語は、文脈が明確にそうでないことを示さない限り、ハードウエアであれ、ハードウエアとソフトウエア（ファームウエア）との組み合わせであれ、ソフトウエアであれ、実行ソフトウエアであれ、コンピュータ関連エンティティを指すことが意図されている。例えば、そのようなコンポーネントは、プロセッサで実行されるプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行可能プログラム、実行スレッド、プログラム、および／またはコンピュータであってもよいが、そのようなものであることに限定されない。例示を目的として、電子計算デバイスで実行されるアプリケーションおよびデバイスそのものの両方がコンポーネントでありうる。ひとつ以上のコンポーネントがプロセッサおよび／または実行スレッド内にあってもよく、コンポーネントがひとつのコンピュータに局在してもよいし、および／または二つ以上のコンピュータに分散してもよい。
【００６２】
図４をより詳細に参照すると、衛星１０は図３のｘ−ｚ平面を見る形で図示される。対象の無線システムおよびそのコンポーネントを説明するために本明細書で用いられる他の図示と同様に、図４は寸法通りではないことが理解されるであろう。図３に示されるように、それは太陽光パネル１４ａおよび１４ｃを図示し、また、上述の径方向で反対側にある対となる太陽光パネル１４ａ’および１４ｃ’を図示する。それはまた、複数のアンテナモジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅおよび１２ｆを模式的に図示し、図３との関連で上述されたような無線信号の送受信のために衛星１０に全てのアンテナモジュールが搭載されていることを表す。この模式的な図は本実施の形態の動作原理を伝えることを意図しており、複数のアンテナモジュールを組み合わせることで、実質的に全ての径方向において、ノードに無線信号を送信し、かつ、ノードから無線信号を受信することができる。（しかしながら、既述の通り、本明細書で説明されるシステムが、完全な３６０度より小さな球面カバレッジを伴って送信するアンテナアレイを有する衛星で実装可能である。）
【００６３】
衛星１０は、衛星のコンポーネントを動作させるための信頼できる電源を提供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、太陽光パネルによって生成される電気で充電される電池を含む。適切な電力調整装置は、太陽光パネルが各衛星軌道のうちの半分を太陽から見えないところで過ごすにもかかわらず、衛星に備えられている種々の電子部品に定常電力を提供する。電力モジュールに加えて、衛星は、衛星の種々の機能を制御するための動作ソフトウエアを保持するオペレーティングシステムモジュール４２を伴う中央演算ユニット４０を含む。図４に示されるように、ＣＰＵ４０は電力およびデータリンク４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ等を解して全てのアンテナモジュール１２と動作可能に接続されている。
【００６４】
図４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四つのメイン動作モジュールを示す。これらのコンポーネントは同様に地上局ノードにも含まれる。無線ルートにおける各衛星ノードは二つのアンテナモジュールを用いることが必要である。衛星は好適な向きを有さないので、各衛星（ノード）が、衛星であれ地上局であれ他のノードと通信するためにアンテナモジュール１２を選択する必要がある。オペレーティングシステムの制御下にあるアンテナペアリングモジュール４４は、他のノード（地上局または他の衛星）から受信した情報メッセージを用いることで、信号の送信／受信用としてのあるノードのアンテナモジュールと、信号の受信／送信用としての他のノードのアンテナモジュールと、をペアにする。以下に詳述されるアルゴリズムを用いるルート生成モジュール４６がノード間で交換された無線信号を解析することで、二つの地上局間の無線ルートを生成する。（地上局ノードは対応する中央演算ユニットを有する。）無線ルートが確立されると、各ノード内のデータ移動モジュール４８は無線ルートを通じた通信信号ＣＳの伝送を制御する（図１参照）。上述の通り、アンテナペアリングおよびルート生成用の別個のモジュールという図４の図示は、ノード間での信号の送受信用のアンテナペアの特定および無線ルートとしての潜在的無線リンクの選択が、ある地上局から別の地上局へのデータ通信の伝送用の好適な無線ルートを生成するためのおおよそ単一のプロセスの一部以外のものであるということを、暗示するわけでは必ずしもない。
【００６５】
ＩＩＩ．データ通信用の無線ルートの生成
【００６６】
上述のように十分な数の衛星１０をランダムなまたは疑似ランダムな軌道に打ち上げることにより、さまざまなルート生成戦略を具体化することができる。このセクションは、そのような衛星システムを用いて生成される無線ルートの二つの実施の形態およびその変形例を説明する。ひとつの実施の形態は、単一の衛星と二つの地上局との間の無線リンクを含む無線ルートを生成する。他方の実施の形態は、より長距離の通信を可能とするものであり、第１地上局、第１衛星および第２地上局を含むひとつ以上のサブルートの一連のものと、第２地上局、第２衛星および第３地上局を含む別のサブルートと、必要であれば、第３地上局、第３衛星および第４地上局を含む第３サブルートと、を生成する。この無線ルートは、第１地上局と第ｎ地上局との間の通信を、ｎ−１個の衛星を用いて、可能にする。これらの実施の形態の変形例は以下に説明される。例えば、当業者であれば、無線ルートが衛星間リンクを、ノード内にあるコンピュータが後述の原理に基づいてそのようなルートを集める場合には、含むことができると理解するであろう。
【００６７】
本システムの本実施の形態にしたがう無線ルートを用いて地上局間でデータを伝送する能力は、基本的に、姿勢制御を伴う固定衛星を用いるモトローラ−イリジウムシステムの既知の動作能力によって確認されている。そのタイプのシステムは、衛星と地上の携帯型ユニットとの間に直接的に通信リンクを、そのようなユニットで利用可能なアンテナ電力（または利得）が制限されているにもかかわらず、確立することができた。したがって、本システムの実施の形態は衛星における制限された電力のアンテナを、より強力な、異なるタイプの、および／またはより多くのアンテナを有する地上局と組み合わせて用いるので、二つの地上局間に無線ルートを確立することができるのは保証されていると言ってよい。
【００６８】
基本的な実施の形態では、本発明に係る衛星メッシュシステムは、上記記載にしたがう衛星のうちのひとつを用いることで、二つの地上局間の通信用の無線ルートを生成する。このルートは二つの無線リンクを含み、一方は第１地上ノードと衛星ノードとの間のものであり、他方はその衛星ノードと第２地上ノードとの間のものである。地上局の構成は衛星の構成とは異なりうるものの、概念的には、無線信号の送受信はそれぞれによって基本的に同じように処理される。地上局ノードが、衛星が備えるものと比較してより多くのアンテナおよび／またはより強力なアンテナ、また異なるアンテナタイプを用いることによって、無線ルートの生成を強化することができる。地上のノードは、重量、電力およびスペースの制限について衛星と同じ制約を有してはいないからである。加えて、地上局アンテナを背の高いビルや塔や高い丘などに取り付けることで、周回する衛星に対する見通し線可視性を最大化することができる。加えて、地上ノードは、衛星ノードのように全ての球面方向にではなく半球に亘ってのみ伝送を行うので、リンク生成を強化するためのアンテナ追加分のコストを低減できる。
【００６９】
Ａ．無線ルート生成および維持
【００７０】
本明細書で説明される衛星メッシュシステムにおける無線リンク生成に通底する原理は、まず、衛星および地上局の両方の全てのトランシーバがメッシュ内のノードであると考えられる場合を用いて説明される。これは、二つ以上のノード間リンク（すなわち、少なくとも三つのノードを伴う）を伴う無線ルートをどのように生成するかの理解を可能とする。衛星間の無線リンク、または衛星と地上局との間の無線リンクの生成は、殆どの点で同じである。ノードペア間の無線リンクおよびルートの特定および最適化は、ある意味、本発明者の米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号に記載される地上ベースのシステムでルートを生成する態様と似ている。それらの特許におけるリンク選択およびルート生成の記載は、無線メッシュのノードによる最適なまたは好適なルート生成に関する背景技術情報として、参照により本明細書に組み入れられる。
【００７１】
しかしながら、重要な違いは、本システムは従来技術で知られるシステムとは異なり、ノード（衛星）のうちのいくつかの位置および向きが時間の経過と共に変わるなかで、そのようなノードを用いてルートを生成することである。したがって、従来の固定ノードシステムはときとして図１に関連して上述した理由で無線ルートを変えなければならないことがあるものの、移動しかつ宙返りするノードを伴うダイナミックな環境を含んではいなかった。そこでは、ノードが相対的に移動し姿勢を変えるなかで、ノード内の送信／受信アンテナペアの選択を自動的かつ動的に更新することができるシステムが必要とされていた。例えば、モトローラ−イリジウムシステムは固定姿勢および既知の相対位置を伴う衛星を用いていたのであり、したがって地上ベースのシステムについて知られていたやり方で最適なルート生成を行っていた（モトローラ−イリジウムシステムが無線ルートを生成するためにノード自体を用いるとは知られていないが）。
【００７２】
ちょうど示されたように、ノード間の堅牢な無線リンクを伴う無線ルートを生成するための本システムおよび方法は、アンテナペアを選択することと、後述の基準で各リンクの「質」を評価することと、を含む。図５は、アドレス番号１４０、番号２５０、番号２８０、番号３００、および番号１６５を有する複数の衛星を示し、これらの衛星は、アドレス番号１０００、番号１０５２、番号１６３０、および番号２００１を有する地上局と無線リンクを形成することができる。以下は、システム内の単なるノードが、地上ノード番号２００１から地上ノード番号１０００へのデータ通信（呼）用の好適な無線ルートをどのように決めるかを説明する。これは、二つの候補ルートの間から選ぶことによるものであり、一方は衛星番号２５０を介するもので、他方は衛星番号３００との間のものである。典型的なシステムでは、２００個ほどの衛星がある。無論、地上局の数は変わりうるが、図５は例えば直径約７００マイルの広い範囲の上のいくつかのそのような地上局を示す。
【００７３】
各地上ノードからルーティング信号を、初期情報を伴う識別パケットを含む初期情報信号の形で、送信することによってリンク選択プロセスが始まる。衛星ノードおよび地上ノードの両方を含む個々全てのノードのアンテナモジュールのそれぞれには識別番号が付与される。加えて、各ノードは、タイプＡと称されることがある地上ノードとして、または、タイプＢと称されることがある衛星ノードとして、特定される。このノード識別データは典型的にはパケットヘッダに含まれ、識別パケットは初期サンプルデータストリームを含むペイロードを含む。以下の表１は、例えばアドレス「１０００」が割り当てられたノードなどの第１送信地上ノード内のアンテナモジュールのうちの二つから送信されるデジタル第１情報信号の例である。
表１
パケットＮｏ．１
ノードアドレス番号  １０００
ノードタイプ：Ａ
ノードアンテナ番号  ＧＡ１
リンクカウント：１
サンプルデータ（ペイロード）  ＸＸ．．．ＸＸ
パケットＮｏ．２
ノードアドレス番号  １０００
ノードタイプ：Ａ
ノードアンテナ番号  ＧＡ４
リンクカウント：１
サンプルデータ（ペイロード）  ＸＸ．．．ＸＸ
全ての地上ノードの全てのアンテナから連続的に同様のパケットが送信される。これらの信号は地上局および衛星の両方を含む多くの他のノードによって受信されるが、ノード内のアンテナペアリングモジュールは同じノードタイプから送信された情報信号を拒絶する。衛星はまた、送信地上ノードへ戻るリンクの数を保持する。この場合、リンクカウントは１である。
【００７４】
初期サンプルデータストリームは典型的には既知のビット列であり、後述の態様で二つのノード間の無線リンク候補の質を評価するのに用いられる。各ノードのアンテナは、他のノードから送信される情報信号との干渉に出会うことなくランダムな間隔で情報信号を送信可能であることが想定されている。これは、他のノードから信号を受信するノードの数および所与のノードにおけるそのようなアンテナの数が少ない蓋然性が高いからである。あるいはまた、ノード内のアンテナモジュールは、予め割り当てられたタイムスロットで情報信号を送信することで、あるノードから送信された情報信号が別のノードの所与のアンテナに、該所与のアンテナがその情報信号を送信しているのとまさに同じ時に、到着する確率をさらに最小化することができる。
【００７５】
この例を続けると、プロセスの第２ステップは、地上ノードからの初期情報信号を受信する全ての衛星ノードによる評価を含む。プロセスは、衛星のアンテナペアリングモジュールおよびルート生成モジュールで行われる複数の動作を含む。受信衛星のアンテナペアリングモジュールは、それが初期情報信号を受信したアンテナを保持する。図５の例では、衛星番号２５０は地上ノードアドレス番号１０００に関連付けられた衛星アンテナＳＡ６を保持し、衛星番号３００は地上ノードアドレス番号１０００に関連付けられた衛星アンテナ番号ＳＡ３を保持する。ルート生成回路は、地上局および衛星にそれぞれあるアンテナのペアに渡って送信される信号の質を反映する受信初期情報信号の性能指数を決定する。性能指数はノード内のアルゴリズムにしたがう所定のパラメータの解析の結果であり、その目的は、送信元地上局と宛先地上局との間に生成されるべき無線ルートの無線リンクとしての、二つのノード内の特定のアンテナの適切性をランク付けするための定量値を割り当てることである。すなわち、プロセスのこのステップは、初期情報信号を送信する地上局と、それを受信する衛星と、の間の無線リンク候補の質をランク付けすることを含む。性能指数（信号の質）を導出するために使用可能である受信信号の特性の例は、信号強度、データストリームにおける誤り率、および信号対ノイズ比のうちのひとつ以上である。この例では、性能指数は１（最悪の質）から１０（最良の質）までの範囲にある。
【００７６】
次のステップは、全ての衛星のルート生成回路が、その全てのアンテナから、リンキング情報信号の形でルーティング信号を送信することである。説明するために、アドレス番号２５０の衛星が送信地上ノード番号１０００から初期情報信号を受信したとする。表２は、ノード番号２５０の全てのアンテナからパケット形態で送信される、送信地上ノード番号１０００とのリンク候補に関するリンキング情報を示す。
表２
送信元：ノード番号２５０
ノードタイプ：Ｂ
ノード送信アンテナ番号  ＳＡ１
ノード受信アンテナ番号  ＳＡ６
リンキングノードアドレス番号  １０００
リンキングノードアンテナ番号  ＧＡ１
リンクカウント：２
リンク性能指数（ＦＯＭ）  １０中６
サンプルデータ（ペイロード）  ＸＸ．．．ＸＸ
表３は、ノード番号３００の全てのアンテナからパケット形態で送信される、送信地上ノード番号１０００とのリンク候補に関するリンキング情報を示す。
表３
送信元：ノード番号３００
ノードタイプ：Ｂ
ノード送信アンテナ番号  ＳＡ４
ノード受信アンテナ番号  ＳＡ３
リンキングノードアドレス番号  １０００
リンキングノードアンテナ番号  ＧＡ１０
リンクカウント：２
リンク性能指数（ＦＯＭ）  １０中３
サンプルデータ（ペイロード）  ＸＸ．．．ＸＸ
リンキング信号は他の衛星では受け入れられないであろう。他の衛星はリンキングメッセージを送信する衛星番号２５０および番号３００と同じタイプ（タイプＢ）である。加えて、地上ノードは、受信地上局と同じリンキングノードアドレスを伴うリンキング信号を拒否するよう、同様にプログラムされる。表１からリンクカウントが衛星によって１だけ増やされることにも注目したい。これは、送信地上ノード番号１０００へのリンクの数（２）を反映している。
【００７７】
リンキング信号を受信する受信地上局のアンテナペアリング回路は、リンキング信号の送信元の衛星ノードアドレスと、受信地上ノードでリンキング信号を受信したアンテナと、を少なくとも保持する。図５では、地上局番号２００１はアンテナ番号ＧＡ５に関連付けられた衛星アドレス番号２５０を保持し、アンテナ番号ＧＡ２１に関連付けられた衛星アドレス番号３００を保持する。受信地上ノードはまた、それ自身と衛星番号２５０との間の候補リンクの性能指数と、それ自身と衛星番号３００との間の候補リンクの性能指数と、をそれぞれ決定する。本例では、地上局番号２００１と衛星番号２５０との間の候補リンクのＦＯＭ＝６であり、地上局番号２００１と衛星番号３００との間の候補リンクのＦＯＭ＝８である。
【００７８】
受信地上局から送信地上局への好適な無線ルートは、次に、利用可能な候補リンクの性能指数に基づいて決定される。図５に示される例では、衛星番号２５０を介した無線ルートの総性能指数は１２（６＋６）であり、衛星番号３００を介した無線ルートの総性能指数は１１（３＋８）である。したがって、好適な無線ルートは衛星番号２５０を介するものである。上記選択を決定づけるのはルート全体の質であって、個々のリンクの質ではないことを注意すべきである。後に詳述されるように、送信地上局番号１０００を宛先とするデータ伝送は宛先アドレス（ノード番号１０００）を含む。受信地上局番号２００１は、宛先ノード番号１０００へのルートにおける最初の無線リンクが衛星番号２５０であり、地上局番号２００１のアンテナ番号ＧＡ５の伝送が衛星番号２５０で受け取られることを知っている。（オプションで、伝送が衛星アンテナ番号ＳＡ１で受信された場合、衛星番号２５０は、その伝送が地上ノード番号２００１からのものであることを確認することができる。）    衛星番号２５０はアンテナ番号ＳＡ６を、地上局番号１０００へのデータ伝送用に用いるべきアンテナとして保持した。（オプションで、伝送が地上局アンテナ番号ＧＡ１で受信された場合、地上局番号１０００は、その伝送が衛星番号２５０からのものであることを確認することができる。）したがって、地上局および衛星（ノード）の選択されたアンテナは、送信元ノードから衛星へと、そして宛先ノードへと伝送信号を向かわせ、これはいずれかのノードまたは中央にルート全体を保持することを要求せずに、また、中央コンピュータが好適なルートを決めることを要求せずに、行われる。この例から、当業者であれば、複数の受信（宛先）地上局のうちのいずれかから複数の送信（送信元）地上局のうちのいずれかへのデータ通信用の無線ルートをどのように構築するかを理解するであろう。
【００７９】
衛星番号１４０、２８０、１６５等が地上局番号１０００からの初期情報信号を受信し、地上局番号１０５２、１０５２、１６３０および２００１によって受信されるリンキング信号を送信することも、理解されるであろう。同様に、図５に示される全ての衛星および無線範囲（図２参照）内の任意の他の衛星は、全ての地上局番号１０５２、１６３０および２００１ならびに無線範囲内の任意の他の地上局からの初期情報信号を受信してもよい。しかしながら、任意の二つの地上局間の好適なルートの決定は上述の議論にしたがって進むのであり、そこでは、地上局間の無線ルートにおける両方のリンク候補の合成性能指数が、無線ルート候補の受信地上ノードによって評価される。
【００８０】
上述のステップは、無線ルートを介した通信信号のパケット伝送中を含む、所定の間隔で繰り返され続ける。したがって、衛星が移動し向きを変えるにつれて、ノードのモジュールはノード間の無線リンクの評価を更新し続けることができ、送信元ノードと宛先ノードとの間の好適な無線ルートを変えることができる。これは、各ノードが実際の所限られた数の他のノードとのみ通信し、したがってリンク生成プロセスの各繰り返しで限られた数のリンクのみを更新すればよいという事実によって促進される。リンクリフレッシュプロセスの頻度は種々のファクタに依存するが、典型的なシステムでは０．５Ｈｚから２０Ｈｚの間の頻度で十分であると信じられている。既述の通り、リンク選択および維持手順は、本明細書で説明されるようなノードの搭載計算容量だけを用いた計算により実行される。
【００８１】
あるノードが他のノードからの信号を、二つ以上のアンテナで受信する可能性があり、これはＨＰＢＷなどのアンテナモジュールの特性に依存することは注意されるべきである。しかしながら、ルート生成プロセスはその例で上述されたものと同じである。ノード間のリンク候補の質を評価するために多くの異なる基準を使用可能であることも理解されるであろう。典型的なものは、受信信号の強度や誤り率推定値などのリンクの質を直接的に示すものであろう。しかしながら、他の基準を用いてもよい。例えば、リンク候補におけるノードのそれぞれの電池残量が決定されてもよく、質のレーティング（性能指数）は衛星が太陽にどれくらいの期間曝されていたかを説明するよう調整され、それは電池電力がリンクを維持するのに十分なほどの強度を維持するのは短期間だけであることを示すものとしてである。他の基準はリンクローディングであり、それは特定のノードに保持される、他のノードとの無線リンク候補の数を指す。システム内の各ノード（地上局および衛星）は、所定のしきい値（例えば、ＦＯＭ＝２）より低い質を伴うリンク候補を排除することができる。これは、ひとつの非常に高い質のリンクとひとつの非常に低い質のリンクとを用いてルートが形成されることを防ぐことができる。後者は、ルートの全体の質が十分なように見えてもデータ通信を邪魔しうる。それは、ノード間の伝送の数を減らすことによって、好適な無線ルートを決定するのに必要な時間を低減することができる。
【００８２】
Ｂ．無線ルートを介したデータ通信の伝送
【００８３】
ちょうど説明したように、複数のリンクがひとつの無線ルートとして組み立てられると、それは送信元ノードから宛先ノードへ通信信号を送信するために使用可能となる。しかしながら、無線ルートを介してデータ伝送を通信する際に解決されなければならない問題は、ノードの単一のアンテナが信号の送信と受信とを両方同時に行うことはできないことである。この問題は、８４２特許および８９９特許において様々な方法で解決される。本システムに特に適用されるひとつのものは、ノードを、本説明では「Ａ」、「Ｂ」と称される二つのタイプのいずれかとして指定することである（または、８４２特許および８９９特許では「奇数」、「偶数」である）。そのような構成では、あるタイプのノードから送信される信号は、ある態様で、他のタイプのノードから送信される信号と区別され、その結果、ノードはそれが信号の送信用に用いるアンテナと同じアンテナで信号を受信することができる。
【００８４】
これを行うひとつの方法は、あるタイプのノードが所定の周波数帯で送信し、他のタイプのノードが異なる周波数帯で送信することである。この構成では、ノードのアンテナは信号を同時に送受信できる。ひとつの欠点は、アンテナが同時に送受信しているときに干渉が生じないことを保証するために、各周波数帯の間に十分な分離を提供する必要があることである。信号送信と信号受信とを分ける別の方法は、あるタイプのノードから特定のタイムスロットで送信し、他のタイプのノードから先のタイムスロットと互い違いになっている異なるタイムスロットで送信することである。
【００８５】
この説明にしたがうデータ／通信信号伝送は衛星１０のデータ移動モジュール４８によって制御される。例えば、ヘッダおよびペイロードを伴うデータパケットを含むデータ通信が送信元地上局で受信される。ヘッダは、典型的には、宛先地上局の識別子を含むアドレス情報を含む。データ伝送モジュールはアドレス情報を開封し、宛先ノードのシステムアドレス（ノード番号）を示す。次いで、パケットは、上述のやり方で確立された無線ルートを介して宛先地上局に送信される。本システムの重要な側面は、好適な無線ルートが、進行中のデータ伝送中においても変わりうることである。しかしながら、宛先地上局に到着するデータパケットは、既知の原理にしたがって開封され、誤り訂正にかけられ、適切な順序に再組み立てされうる。これは、パケットが異なるルートを進行した結果、または異なるルートが生成されていた間に遅延した結果、順序無く到着した場合であってもである。
【００８６】
Ｃ．サマリ
【００８７】
本システムが、８４２特許や８９９特許に記載のルート生成技術を、ノードが実質的に二次元の空間内にある固定デバイスの代わりに衛星を含む三次元メッシュに、単に重ね合わせたものではないことは、当業者に理解されるであろう。リンク選択およびルート生成に関与する数多くのファクタがあり、それらのいくつかは上述され、そのようなファクタは、本明細書で説明される宇宙ベースの三次元メッシュのタイプにおいて考慮されなければならない。例えば、衛星は異なる軌道を有するのであって、そのような軌道のいくつかは人の居ない大きく広がる海洋の上を通過し、一方他のものはより多くのデータ伝送を生成するであろう大陸の上を通過するであろうし、したがって、電池寿命は衛星ごとにかなり変わりうる。したがって、無線ルートにおけるノードとして衛星を選択する際に、電池残量は重要なパラメータとなり得る。
【００８８】
最適なまたは好適な無線ルートを確立するために単一の衛星を用いることは、いくつかの利点を有する。ひとつは、衛星と地上局との間でやりとりされる無線信号が、地上局においておよび衛星において保持されるアルゴリズムによって用いられる情報を含み、それによって好適な無線ルートが１秒よりも短い期間で計算されるので、ほぼ即座に好適なルートを特定することができることである。したがって、地上局が別の地上局へのルートを必要としていることを示す信号を送信するとすぐに、そのようなルートを直ちに確立し通信信号の送信用に用いることができる。このタイプの三ノードルートは、データ伝送への擾乱を最小化するのに十分なほど急速に「リフレッシュ」することができ、この場合、後に異なる衛星または同じ衛星の異なるアンテナがより良い質のルートを提供するのであれば、より良い質のリンクを提供しつつデータ伝送における遅延を最小化するようほぼ即座にルート設定を調整することができる。また、電池残量の欠乏などの他の理由によって、ルートで用いられる衛星を変更することも可能である。
【００８９】
当業者であれば、上記にしたがうシステムを設計することがシステムの異なる側面の間のトレードオフを要求することを理解するであろう。したがって、実際のシステムは、特定のデザインを最適化する際の多くの競合する考慮を含むこととなろう。これらの考慮のうちのいくつかは、衛星の数、衛星の高度、特に衛星におけるアンテナの数、アンテナのビーム幅、衛星のサイズ、ルート生成を更新する周期、等である。
【００９０】
本実施の形態の態様は、地上から衛星へそして衛星から地上への無線ルートを確立するための少なくともひとつの衛星が存在する確率を、上記にしたがいより多くの衛星を軌道に入れるだけで、容易に増大させることができることである。衛星はとても軽くて廉価なので、その数を増やすことはシステムの信頼性を増大させる経済的に実現可能な方法である。二つの地上局間の無線ルートの確立のために即座に利用可能な衛星がない期間が生じうるのであるが、システムが自身をリフレッシュ可能な急速なレートは、少なくともひとつの衛星がすぐに（おそらく数秒以内に）利用可能となる確率を高める。大抵のアプリケーションでは、この程度の大きさの持続期間を伴うタイムラグは許容可能である。このような理由から、本実施の形態の特に有益なアプリケーションは、特定の地理的領域に亘って信頼性の高い無線ルートを提供することである。
【００９１】
本明細書で説明されるシステムはまた、ランダムに周回する複数の衛星を用いて地上から単一衛星への無線ルートを生成することを可能とし、そのルートを介して所定の地理的領域上でのみ信号を送受信可能となっている。２０１７年７月２１日に出願された本発明者等の米国特許出願第１５／６５６，１１１号は、エジプトにまで至る無線ルートを提供するために用いられるそのようなシステムを開示する。システムはまた、地上ノードが離れすぎている場合や地形的特徴により両方の地上ノードから視認可能な衛星の数が相当制限される場合のセッティングに、容易に適合することができる。その場合、複数の単一衛星無線ルートを生成するために、ひとつ以上の中間地上ノードを離れている位置の間に設ける。そのようなシステムは、ロシア連邦全体のカバレッジを提供するために用いられた。本発明のこれらおよびさらに別の実施の形態および態様は、米国特許出願第１５／６５６，１１１号、ならびに本発明者等の２０１６年８月２５日に出願された米国仮出願第６２／３７９，６０１号、および２０１６年９月１８日に出願された第６２／３９６，１８１号に記載されており、これらの３つすべての内容は、あたかも完全に記載されているかのように参照により本明細書に組み込まれる。
【００９２】
ＩＶ．回転衛星
【００９３】
既述の通り、上記説明の通りに衛星ベースの無線メッシュシステムをデザインすることは、広範囲のパラメータに亘って無数のトレードオフを含む。相反的に作用ししたがって賢明な選択を必要とする二つの特定のパラメータは、ノード内のアンテナによって送信されるルーティング信号および呼のビーム幅と、アンテナのパワー（利得）と、である。ビーム幅を大きくするとビームマッチが生成されうる確率を高めることができる一方、より大きなビーム幅はアンテナの利得を低減させる。逆に、ビームを狭くするとアンテナの利得は高まるが、ノード間にビームマッチを生成する確率は低くなる。このトレードオフは衛星ノードにおいて特に顕著である。なぜならば、衛星のアンテナ構成は衛星の重量およびサイズに課された制限を考慮に入れなければならないのであって、それは衛星が備えることができるアンテナの数を制限し、また、衛星のアンテナ構成は搭載電池から利用可能な電力に課された制限も考慮に入れなければならない。また、ノード間のビームマッチ候補の数を増やすことが望ましいのであり、なぜならばいくつかの無線ビームは地球の表面をかすめることによって弱まる場合があり、地球の表面は信号が受信ノードに到着する前に信号を部分的に遮る可能性がある。
【００９４】
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が効率的に機能するために重要である。そのようなシステムは、ルートを生成および選択するために、ランダムに周回する衛星を用いてルートが生成されうる統計的確率に依存する。上述のような宙返りする衛星を用いる基本的なシステムは、シンプルで、廉価に実装でき、単一衛星無線ルートを生成する際に特に有効である。既述の通り、ノード間のリンクの確立を可能とするために、衛星のアンテナは宙を向いている−互いおよび地球を向いている。システムの基本的な性質は、他のノード（地上局および衛星）に到達する十分な強度のルーティング信号およびデータ伝送に対するその依拠性である。システムは以下に依拠する。すなわち、軌道に十分な数の衛星を有し適切なデザイントレードオフ（ビーム幅対利得を含む）を行うことによって、ひとつ以上の衛星を介して二つの地上局の間に適切なルートを生成可能である確率を強化することである。しかしながら、衛星間の高品質（性能指数）リンクを生成する確率が高くなる場合には複数の衛星ルートによってより良いデータ伝送が達成可能であり、そのようなシステム導入もまたありうる。
【００９５】
本実施の形態は軸の回りに回転する衛星を用い、本明細書で説明した通り、これはひとつ以上の衛星を用いて高品質リンク及びサブルートを伴うルートを生成できる蓋然性を高める。後述の通り、回転する衛星を採用することにより、ビーム幅を低減することができ、それに対応して利得を高めることができ、したがってノード間のより高品質な無線リンクを生成できる。
【００９６】
Ａ．本実施の形態に通底する原理
【００９７】
上述の宙返りする衛星の実施の形態では、例示的な衛星構成は２５個のアンテナを用い、球状衛星の表面の約６０％をカバーする。したがって、そのような衛星によって送信された無線ビームが他の同様な衛星によって受信される確率は粗く見積もって約３６％（０．６×０．６）である。無線ビームはサイドローブを有し、それはリンクが生成される確率をある程度高めることから、これが単なる見積もりであることは当業者には理解される。衛星の直径が二倍になると、上述の例で用いられたパラボラディッシュアンテナの直径ｄもまた二倍になりうる。上記の式（１）、α＝（ｋ×γ）／ｄ、によると、ＨＰＢＷは上述のアンテナ例の値から半分すなわち約１８度になる。ビームの面積は四分の一だけになってしまうが、アンテナ利得は四倍、すなわち約６ｄＢ、まで高められる。一方、ある宙返りする衛星から送信された無線ビームが他によって受信される確率は約２％（３６％×（１／４）２）まで減少する。
【００９８】
宙返りする衛星の実施の形態で上述した通り、システム内のノードによって繰り返し送信される無線信号は、最終地上宛先のアドレスとその宛先に対する性能指数とのみを含む必要がある、リンクおよびサブルートについての情報を含む。回転する衛星の実施の形態は、宙返りする衛星の実施の形態を、特に高利得および狭いビームのアンテナを伴う衛星間に無線リンクを生成する確率を高めるための技術への出発点として捉えている特に以下に続く議論から、スピンしている衛星のシステムにおける特定の無線ルートは宙返りする衛星のシステムにおけるものほどは継続しないことを理解するであろう。したがって、ルート生成プロセスを強化するためのひとつの方法は、より少量のサンプルデジタルデータ（上述の表１−３参照）を有するルート生成信号を用いることで、そのような信号をより短い期間で送信することを可能とし、より急速なルート生成を実現することである。
【００９９】
また上述されるように、データ伝送（「呼」）は典型的にはヘッダを伴うパケットの形態をとり、ヘッダは、パケットの宛先を示すアドレスデータと、伝送の内容を含むペイロードと、を含む。複数パケットにおけるヘッダ情報は、それらが送信されたときと同じ順番にパケットを並べるのに使用可能である。回転する衛星のシステムにおける特定の無線ルートは宙返りする衛星のシステムにおけるものほどは継続しないのではあるが、データ伝送パケットヘッダは、伝送を再組み立てするために宛先地上局によって用いられる、パケットの適切な順番についての情報を含むであろう。したがって、新たな無線ルートが伝送の途中で生成されている間に特定のデータ伝送を完了する際に遅延がありうるものの、回転する衛星を用いることによって実現可能とされるより高い利得の無線ビームがより高い蓋然性で無線ルートを確立し、そもそもその無線ルートによって所定の地上局間のデータ伝送が可能となるので、そのような潜在的な欠点はオフセットされるであろう。
【０１００】
Ｂ．衛星間のリンキング
【０１０１】
宙返りする衛星の実施の形態の上記議論は、地上局アンテナの数および利得を増大させることによって、地上局と衛星との間の無線リンクの確立を強化することができることを指摘する。地上局は典型的には、衛星では存在するような、重量や利用可能スペースや電力に課せられる制限を有さないので、これは大抵の導入において実現可能である。本実施の形態では、衛星間のビームマッチングによる無線リンクの確立は、回転軸の回りに故意にスピンさせられている、軌道に投入された衛星を用いることによって強化される。ある実施の形態では、衛星自体は図３および４に示されそれらの図に関連して上述された衛星のコンポーネントと同じコンポーネントを有する。
【０１０２】
衛星の角速度は比較的大きい。回転する衛星を用いた典型的なシステムの動作を説明するために、衛星が角速度ω＝２πラジアン／秒（６０ｒｐｍ）を伴って展開されることを想定する。当業者であれば、本例が限定を意味するものではなく、本明細書で説明され請求される無線ルートを確立するのに有効な任意の角速度を用いることが本開示の範囲内に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、物理の原則は、各衛星にはその重心を通る回転軸があり、その回転軸は角速度ωの周りで歳差運動することを示す。しかしながら、任意の所与の時刻における回転軸の向きは無線リンクの生成に影響を与えないのであり、これは以下の説明で明らかになる。
【０１０３】
衛星アンテナは衛星が回転するにつれて領域を「掃引」するので、回転する衛星は、送信された無線ビームが他の衛星によって受信される確率を高める。これは図６Ａに示される衛星Ｓ１を考えることによって理解可能である。図６Ａは衛星の「赤道」での模式的断面であり、これは図３の衛星１０の赤道１６に対応する。本例では、衛星Ｓ１は五つのアンテナ１２１、１２２、１２３、１２４および１２５を備え、それぞれがＨＰＢＷとして３５度を有し、それらは赤道１６の周りに等間隔に設けられ、角速度ωでｚ軸の周りを回転している。衛星から離れたところにあり、赤道の平面内にある位置ＲＬは、衛星が一回転を完了する際に五つのアンテナを「見る」。赤道平面内にない位置についてはこの数は異なるが、原理は依然として成り立つことが理解されるであろう。また、回転軸周りの歳差運動のため、この数は増減するが、衛星から離れたところにある大抵の位置（地上局を含む）は依然として衛星が回転するにつれて複数のアンテナを見ることとなることが理解されるであろう。したがって、その赤道面が第１衛星Ｓ１の赤道面内にある第２衛星について、上述の例の宙返りする衛星の利得を６ｄＢ上回る利得を伴う無線リンクを生成することができる確率は、約１０％（５個のアンテナ×アンテナごとに２％）である。地上局アンテナとビームマッチを生成する確率も同様に増大する。
【０１０４】
これは非常に理想化された表現であって、回転軸周りの衛星の歳差運動などのファクタを無視していることは理解されようが、それでもなお、回転する衛星により二つの衛星間のビームマッチを生成する確率が高まるというコンセプトを示す。いずれにせよ、ルート生成用に利用可能なランダムに周回する衛星の数が多いことを考えると、回転する衛星を用いたビームマッチの高い確率は、大抵ではないにしても多くの場合、複数の衛星を介した二つの地上局間の、高品質リンクを伴う無線ルートの組み立てを可能とするのに十分である。これは、大きな距離で隔てられた地上局間に達することに対する特別な適用可能性を有するが、またそれは、他のセッティングにおける地上局間の無線ルートの信頼性を高めることができる。
【０１０５】
１．逆回転衛星
【０１０６】
衛星は、その約半分が回転軸周りの第１向きに回転し、他の半分が反対向きに回転するよう展開されることが好ましい。図６Ｂは、図６Ａと同様の部材には同様の符号を用いており、衛星Ｓ１が角速度ωで第１向きに回転し、第２衛星Ｓ２が同じ角速度−ω（反対の回転向きに）で回転することを示すことにより、この原理を示す。これは、衛星Ｓ１のアンテナ１２５と衛星Ｓ２のアンテナ１２４との間のビームマッチが、どのように、それら二つの衛星が同じ向きに回転している場合よりも長く維持されるか、を示す。すなわち、衛星が反対向きに回転している場合、それらの衛星の対向するアンテナは互いに対して基本的に同じ線速度で並進している。一方、衛星が同じ向き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二倍である。軌道に十分な数の衛星がある状況（前の実施の形態では２００個）では、無線ルートが確立されている任意の所与の地理的領域の上に、複数の反対向きに回転する衛星を有する確率は相当あると信じられている。したがって、少なくともいくつかの、および好適には約半分の衛星を他方とは反対向きに回転するよう展開することによって、比較的長期間持続する無線ルートを素早く確立する確率が高まる。加えて、二つの衛星の二つのアンテナがより長期間揃っているだけでなく、それらが回転して互いに見えなくなるとすぐに、衛星の他の二つのアンテナが揃い、したがって衛星間の無線リンクの急速なリフレッシュを可能とする。図６Ｂに示される例では、衛星Ｓ１のアンテナ１２１と衛星Ｓ２のアンテナ１２５とが次に揃う。
【０１０７】
ちょうど上で議論された回転する衛星を用いることの増大した効率を示すために用いられた例のように、これはまた、反対向きに回転する衛星がいかにそれらの間により長期間持続する無線リンクを生成することができるかの理想的な説明でもある。加えて、上記説明に通底する前提に対し、任意の所与の時刻において、二つの地上局間に無線ルートが望まれる領域の上に二つの反対向きに回転する衛星がない場合があるかもしれない。それでもなお、総合すると、これらの例は、回転する衛星および特に反対向きに回転する衛星が、ランダム軌道衛星間に比較的高い利得の無線リンクを確立することでひとつ以上の衛星を介した二つの地上局間の信頼性高いデータ通信を可能とする十分な確率を提供するであろう、というポイントを示す。そして、アンテナが複数の向き（好適には衛星を取り巻く球状空間全体に亘る）を向くのであるから、二つのスピンしている衛星の間に無線リンクを確立する機会は大抵の場合、回転する衛星を用いることで強化されうる。
【０１０８】
２．異なる角速度を伴う衛星
【０１０９】
ちょうど上で説明した実施の形態の変形例は、異なる角速度で回転する衛星を用いる。この変形例は図６Ｃに模式的に示されており、衛星Ｓ１は角速度ω１で回転し、Ｓ２は異なる角速度ω２で回転する。このシステムの利点は、反対向きに回転する衛星のアンテナの位相がずれた状態になり、これは、一方の衛星のアンテナが第２衛星のアンテナとアンテナとの間のスペースを直接向くことがあり得るという意味であり、これは図６Ｃに示されている。衛星が同じ角速度で回転している場合、この状況はかなり長い期間持続する可能性があり、したがって、衛星間の無線リンクを弱め、またはおそらくリンクの確立を妨げる。衛星を異なる角速度で回転させることで、ある角度位置において、両方の衛星のアンテナが互いに対向し（同位相となり）、したがってそれらの間に便利な無線リンクを確立することを可能とする確率を高めることができる。例えば、図６Ｃに示されるケースでは、衛星のアンテナはちょうど１８０度位相がずれており、すなわち、衛星Ｓ１のアンテナ１２２は衛星Ｓ２のアンテナ１２４と１２５との間のスペースを直接指している。ω１＝１．３３×ω２である場合、衛星Ｓ２のアンテナ１２５と衛星Ｓ２のアンテナ１２５とは衛星が回転するにつれて揃う。
【０１１０】
システムのある導入は数多くの衛星間リンクを用い、一方で同時に、地上局間で呼を伝送する時の遅延を許容できることが理解される。このタイプの導入は、わずかに異なる角速度で回転する衛星を用いることによる恩恵を受けることができる。言い換えると、システムは、無線信号を送信する衛星がその信号を受信する衛星とは異なる角速度で回転する確率を高めるよう設計されうる。二つの衛星の異なるアンテナがずれてから再度揃うにつれて、無線ルートが間欠的に妨害されそしてリフレッシュされる間、データ通信は遅延するであろう。しかしながら、データ通信をバッファリングし、無線リンクが存在する各間隔においてそれらを送信することによって、これを補償することができる。
【０１１１】
例示的なアプローチでは、衛星の集団は、以下の表にしたがい、異なる角速度を伴う五つのグループに分割可能である。
表４
非常に遅いスピナ：毎秒０．６８回転
遅いスピナ：毎秒０．８４回転
平均的スピナ：毎秒１．０回転
速いスピナ：毎秒１．１６回転
非常に速いスピナ：毎秒１．３２回転
【０１１２】
直上の議論は、これがいかにして衛星のアンテナ間にビームマッチを確立する確率を高める傾向にありうるかを説明する。すなわち、上述の議論は、他の衛星の角速度の１．３３倍の角速度で回転する衛星がいかにしてビームマッチを促進しうるかの一例を示した。同じ原理は他の複数の角速度にも適用される。
【０１１３】
同様に、このシステム実装はまた、所与の期間においてより多くのビームマッチを可能とする。なぜならば、ある衛星のアンテナは、衛星が異なる角速度で反対向きに回転する場合、ビームマッチを形成するのに十分なほど他の衛星のアンテナと揃うより多くの機会を有するであろうからである。衛星が回転するにつれ、所与の時刻において、または所定の期間の間、二つの衛星の間にビームマッチがないことがありうる。しかしながら、それらが異なる角速度で回転し続けるにつれて、衛星のアンテナは、各衛星の各アンテナがある時点で揃う蓋然性が高いので、ビームマッチを形成する蓋然性が高い。これは衛星の複数回転分の時間を要するかもしれないが、異なる角速度での回転は、衛星が回転し続けるにつれて更に多くのマッチが生成されうる確率を大いに高める。したがって、衛星がその軌道内を移動し、その軸の周りで回転する際の異なる衛星上のアンテナの複雑な相関関係から、それぞれ異なる角速度で回転する衛星の集団を複数提供することによって、任意の所与の期間中に衛星ペア間のビームマッチをより多く生成する確率を高めることができることが理解される。ビームマッチが生成されている間に結果として生じる任意の遅延は、それに対する代替が特定の地上局がデータ伝送を送受信することが全くできないという不能性であるなら、許容可能でありうる。
【０１１４】
３．他の考慮
【０１１５】
地球軌道を回る物体、特に低軌道を回る物体の角速度が多くの要因により減衰するものであることが知られている。例えば、本システムで用いられる衛星が好適に占める領域である低高度地球周回軌道では、地球の大気は非常に薄いものの、それでも、周回する物体は空力抵抗を経験する。また、物体内の強磁性物質が地球の磁場を通過することにより生成される力は、衛星などの回転体の角速度に影響を及ぼしうる。回転する衛星が経時的な角速度の低減を経験する傾向は、様々な方法で補償可能である。ひとつは、従来知られているように、逆進ロケットやアクティブ機械的デバイスを用いることである。しかしながら、本発明の目的の一つは、本明細書で説明される無線システムで用いられる衛星を製造し、展開し、維持するコストを最小化することであるから、衛星に加えられる外力を補償するために、または、衛星の運動を制御するための力を生成するために、受動的な手段を用いることが好ましい。
【０１１６】
ひとつのそのような手段は、一方の面のみにソーラセルが設けられた太陽光パネルを用いることで、衛星の回転軸周りのトルクを生成するためにパネルに衝突する光子の運動量を利用する。例えば、ｚ軸周りで反時計回りに（負ｚ方向で見た場合）回転するよう展開された衛星について、図３および４を参照すると、各太陽光パネル１４ａは一方の面にのみソーラセルを有しており、すなわち、図４の右側の太陽光パネル１４ａについては見る人に対向する面であり、図４の左側の他の太陽光パネル１４ａについては見る人に背を向ける面である。残りの太陽光パネルは、依然として、両方の面にソーラセルを有しうる。より大きな太陽光パネルは衛星に対する空力学的抵抗を増大させるであろうが、賢明なデザインにより、角速度の減衰傾向に打ち克つ衛星に対する総トルクを生成するサイズ、構成および向きの太陽光パネルを提供できるであろうと信じられている。
【０１１７】
同様に、衛星コンポーネントの質量を選択的に分散させることで、衛星に、特定軸の周りで回転させることができると信じられている。電池が衛星質量の大部分を形成することが想定されるので、電池は衛星の重心に配置され、回転軸について対称な質量分布を有することが好ましい。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物質を用いることによって、最小化可能である。これらの特徴は、回転軸周りの運動量を提供するための太陽光パネルの使用に加えて、衛星の角速度の減衰レートを少なくとも低減するのに十分であろう。
【０１１８】
上述の通り、衛星の運動を制御する上述の受動的手段のいくつかまたはすべてを、宙返りする衛星の実施の形態において利用可能である。すなわち、ある変形例では、ひとつ以上の太陽光パネルは一方の面にのみソーラセルを有することにより、衛星に不均衡運動量を付与し、衛星に宙返りさせ続けることが可能である。別の変形例は、衛星の選択された位置に強磁性物質を配置し、この強磁性物質は衛星が地球の磁場を横切る際に大きさおよび方向が変化する力を生成するであろう。
【０１１９】
元々回転するよう展開された衛星は、その初期角速度が時間と共に減衰してしまったとしても、軌道にあり続ける蓋然性が高いから、それらは依然として、地上局間の無線ルートにおけるノードとして利用可能である。本システムにしたがう衛星は廉価に製造、打ち上げおよび展開を行えるので、角速度が減衰してしまった任意の衛星を置き換えるべく、追加的な回転する衛星を打ち上げることができる。これは、ルート生成に利用可能な衛星の数を増やすだけでなく、古い衛星のいずれかがスピンし続けている程度において、その効果は、異なる角速度で回転する衛星を用いることにより可能となった改善された性能を自動的に利用するものであろう。
【０１２０】
Ｖ．三次元無線メッシュシステムの高利得方向性アンテナ
【０１２１】
上述のように、衛星とのビームマッチを確立する際の重要な要因は、衛星から送信され、別のノード（衛星または地上局）によって受信される無線ビームの幅である。回転衛星は、セクションＩＩで先に議論したものよりも狭いビーム（より低いＨＰＢＷ）を有するアンテナを装備した衛星とビームマッチする確率をある程度増加させるのであろう。しかし、ノード間の無線リンクの品質を高めるためにより狭いビームとより高いゲインを持つアンテナを使用することと、より低いゲインを持つより広いビーム（より高いＨＰＢＷ）を生成するアンテナを使用してビームマッチを生成する確率を高めることとの間には、なおトレードオフが必要である。この状況は、システムノード間のビームマッチの生成が前述したような多数の他の要因に依存するので、より複雑になり、その結果、システム性能を最適化することは競合するアンテナ構成間の単なるトレードオフ以上を必要とする。上述の実施の形態に従って動作可能なシステムを設計し、実装することは当業者の能力の範囲内であるが、そのようなシステムは、複数の許容可能な無線リンクを、地上局間のひとつの無線ルートへと組み立てるために過度の時間を必要とするなど、ある種の性能問題を有することが分かり、それによって呼送信が遅延する可能性がある。長距離にわたるデータの送信が可能でない場合などの特定の設定において、任意の潜在的な欠点は許容可能であり得るが、そのような遅延が最小化または排除されるように、無線ルートを組み立てることが好ましい。
【０１２２】
そのために、本実施の形態は、高利得無線ビームを使用することによって、衛星から衛星へのビームマッチ及び衛星から地上局へのビームマッチを生成する確率をさらに増加させることができるアンテナの設計及び構成を記載しており、これにより、無線ルートにとって許容可能な性能指数を伴う無線リンクがより迅速に生成されることになる。同じアンテナ構成により、より低い利得、より少ない指向性のアンテナでは不可能であるような、２つの地上局間の無線リンクを作成することも可能となり得ることが理解されよう。さらに、ここで論じたアンテナ設計は、すでに論じた衛星構成および展開方式（回転衛星および逆回転衛星など）のいずれにおいても使用することができる。また、非軌道上の空中ノードを利用したシステムや、異なるタイプの空中ノード間の直接通信、スマートフォンやＷｉ−Ｆｉを搭載したコンピュータなどの個別のパーソナルデバイス（ＶＩセクションで後述）での利用も可能である。
【０１２３】
図７は、本実施の形態を例示する略球状の衛星ＳＸの表面の概略図である。図７は衛星の３次元表面を２次元で表し、衛星の表面を実質的に覆う衛星アンテナモジュールのアレイＳＡを示す。この実装では、ＳＡ１〜ＳＡ２５の番号のアンテナモジュールが２５個ある。図７の衛星表面の部分には、アンテナＳＡ２、ＳＡ６、ＳＡ７、およびＳＡ１２について、衛星表面におけるアンテナ開口部全体が示されている。他のアンテナの開口部は部分的に示されており、図７では、ＳＡ３、ＳＡ８、ＳＡ１１、ＳＡ１３、およびＳＡ１８など、その一部がラベル付けされている。これは理想化された表現であり、太陽光パネル１４を取り付けるための適切な位置にアンテナ開口部間の十分な間隔を設けるとともに、所望の数のアンテナを含めることと整合するように衛星をできるだけ小さくす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るのであろう（図３及び４参照）。
【０１２４】
アンテナ利得を増加させるために、本実施の形態におけるアンテナリフレクタは、打ち上げコストを最小化するための衛星の重量およびサイズの制限など、システムの他の全体的な要件と整合する限りにおいてできるだけ大きく作られる。パラボラアンテナ設計の既知の原理によれば、リフレクタは、直径が少なくとも１波長、好ましくはそれより大きくあるべきである。上記の例を使用して、アンテナは、５ＧＨｚの信号でマイクロ波Ｃ帯で送信（および受信）する。しかしながら、セクションＩＩで論じた実施の形態との比較を容易にするために、アンテナリフレクタが、セクションＩＩの実施の形態におけるリフレクタのサイズの１．６倍である２４ｃｍリフレクタを使用する例を取る。これは（リフレクタ径の二乗＝１．６２に比例する）２５０％ものゲインの増大をもたらし得るが、全てが等しいとすると、ＨＰＢＷを約６０％（式１によると１／１．６）だけ減少させる。フィードがアンテナリフレクタから４波長のところに位置する場合、直径が約１メートル（又は衛星が非球面であれば同程度の大きさ）の衛星は、ここでの運用仕様を満たすことができると考えられる。しかしながら、システムの操作は、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、当業者は本実施の形態によって必要とされる能力を衛星に提供するために、既知のアンテナ設計原理を使用することができるのであろう。それにもかかわらず、より大きなリフレクタを備えたアンテナを使用して、さらに高い利得を提供することができ、それに対応して衛星をより大きくなりうる。更に、付加重量の大部分は衛星外側筐体の大きさの増加と、追加のフィード及びより大きなリフレクタに必要とされる追加の材料に起因する（ただし、リフレクタがメッシュ構造を有する場合には、衛星重量を減少させることができる）。従って、本実施の形態において使用される衛星は、上述した全ての理由（その中の主要なものは、姿勢制御を必要としないことである）のために、既知の通信衛星と比較して、依然として極めて軽いはずである。
【０１２５】
図７に示す本実施の形態では、アンテナＳＡ１〜ＳＡ２５の各々が７つのフィードＦ１〜Ｆ７を有するパラボラアンテナである。以下の説明では、表記ＦＸＳＡＸを使用して、特定のアンテナの特定のフィードを示している。例えば、Ｆ１ＳＡ３はアンテナＳＡ３のフィードＦ１を指し、Ｆ５ＳＡ１８はアンテナＳＡ１８のフィードＦ５を指し、以下同様である。フィードＦ１〜Ｆ６は互いに等間隔に配置され、アンテナの焦点にあるフィードＦ７から離れた位置に配置される。これについては後述する理由により詳細に説明する。アンテナリフレクタの形状および曲率は、既知のマルチフィードアンテナ設計および動作原理に従って選択することができる。アンテナ開口部の六角形状は、フィードＦ２からＦ７がリフレクタ焦点軸から変位することを強調するために、図において使用される。また、アンテナリフレクタはここで説明するシステムの実施の形態の動作特性を最大化するために、球面、球面／放物線の組み合わせなどのような非パラボラトポロジーを有することができることが理解されるのであろう。当業者が本実施の形態での使用に適合させることができるマルチフィード反射アンテナ設計の例は米国特許第３，８１５，１４０号、第６，２０８，３１２号、第６，２１９，００３号、および第９，０３５，８３９号に開示されており、これらの開示はすべて、あたかも完全に記載されているかのように、参照により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フィード数は、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が理解されるべきである。本発明の範囲内で、より多くの又はより少ないアンテナ及びフィードを使用することができる。
【０１２６】
Ａ．アンテナ制御回路
【０１２７】
図８は、アンテナフィードによって受信されたルーティング信号および呼を処理し、アンテナフィードによる送信のためにリンク信号および呼を組み立てるための、例示的なコンピュータ回路の機能ブロック図である。前述のコンピュータおよび処理回路の全ての説明と同様に、図８における箱およびそれらの間の接続は、本実施の形態の操作を説明する際の補助としてのみ使用される。本明細書で説明される機能を実行するために必要とされるハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアを含む、適切なコンピュータ構成要素を設計し、実装することは、十分に当業者の技能の範囲内である。さらに、図８の回路図は、説明する機能を実行するための特定のアーキテクチャを示唆するものではない。
【０１２８】
図８は本明細書の目的のために、アンテナモジュールＳＡ１およびＳＡ２５のみを示しており、残りのアンテナモジュールは、明瞭にするために図から省略されている。各アンテナモジュールは、アンテナフィードに導入された信号を処理し、アンテナフィードからの信号を受信するためのマイクロプロセッサ「μｐｒｏｃ」を、それに関連付けて有している。個々のアンテナマイクロプロセッサは、図８において、μｐｒｏｃ（ＳＡＸ）という表記によって識別され、「Ｘ」は図７の上述の説明に従った関連するアンテナモジュールの番号である。したがって、図において、「μｐｒｏｃ（ＳＡ２５）」はアンテナモジュールＳＡ１のフィードＦ１からＦ７に導入され、そこから受信される信号を処理するためのオンボード回路を示している。同様に、「μｐｒｏｃ（ＳＡ２５）」は、アンテナモジュールＳＡ２５のフィードＦ１からＦ７に導入され、そこから受信される信号を処理するためのオンボード回路を示している。他のアンテナモジュールＳＡ２〜ＳＡ２４の各々は、図８のμｐｒｏｃ（ＳＡ１）とμｐｒｏｃ（ＳＡ２５）との間の複数のドットによって表されるように、それ自体のマイクロプロセッサに関連付けられる。各マイクロプロセッサμｐｒｏｃはＲ１〜Ｒ７によって示される無線トランシーバを含み、各トランシーバは、そのアンテナの対応するフィードＦ１〜Ｆ７に関連付けられていることを示す。トランシーバはフィードによって受信されたＲＦ信号をデータストリームに変換し、アンテナによって報知するよう、データストリームをＲＦ信号に変換する。
【０１２９】
アンテナモジュールマイクロプロセッサは、電力およびデータライン４０ＳＡ１〜４０ＳＡ２５によって衛星ＣＰＵ  ４０’に接続されている。図８のライン４０ＳＡ１とライン４０ＳＡ２５との間のドットは同様に、電力ラインおよびデータラインも、対応する電力ラインとデータラインとを、それぞれのアンテナモジュールマイクロプロセッサμｐｒｏｃ（ＳＡ２）〜μｐｒｏｃ（ＳＡ２４）に接続することを示している。ここで、電力ラインおよびデータラインならびに衛星ＣＰＵに使用される参照符号は、図４に示される参照符号を反映し、ここで説明されるように、同様の参照符号によって特定される構成要素が図４において同様の参照符号で示される対応物のものと同様のルート生成およびデータ伝送を実行するように機能することを示す。
【０１３０】
Ｂ．ルート生成およびデータ伝送
【０１３１】
一般に、無線ルートは、セクションＩＩＩＡで上述したように作成される。しかしながら、各衛星アンテナに複数のフィードを使用することは、所与の無線ルートのための特定の衛星アンテナだけでなく、そのアンテナの個々のフィードも識別することを必要とする。例えば、本実施の形態によるシステムを用いて無線ルートを生成する１つの方法では、ルーティングメッセージが単にアンテナ自体ではなく、特定のアンテナのアンテナフィードに関する情報を含むことになる。この説明は一例として、セクションＩＩＩで上述し、図５で示した、単一の衛星を介した２つの地上局間の無線ルートの生成を使用する。地上局ノードは衛星ノードと同様のマルチフィードアンテナを有するか、または、図５に関連する実施の形態におけるものと同じように、アンテナあたり単一のフィードのみで構築することができる。いずれの場合も、地上局ノードは、地上局が（衛星ノードと）同じサイズおよび重量制約を有していないため、衛星ノードよりも大きいおよび／または多いアンテナを使用することができる。しかしながら、地上局ノードは１８０°の球体の周りで信号を送受信するために配置されたアンテナのみを必要とする（すなわち、そのアンテナは地上局の上空のカバレッジを提供するために、「上」および「外」を向いていればよい）。
【０１３２】
表１に付随する説明を参照すると、地上ノードは、表１で識別される初期情報を有するルーティング信号を送出する。１つまたは複数の衛星がこれらの信号をアンテナ上で受信するが、本実施の形態では信号を受信する各アンテナモジュールのアンテナモジュールマイクロプロセッサμｐｒｏｃ（ＳＡ）は、地上局から信号を受信した特定のアンテナと、信号が受信されたアンテナフィードとの両方を識別する。ルーティングプロセスにおける次のステップは、地上局からの初期情報信号を受信した全ての衛星の全てのアンテナがルーティング信号を報知する、上記表２および表３に関連して議論されたステップと類似している。しかしながら、本実施の形態では、全てのアンテナの全てのフィードがルーティング信号を報知する。
【０１３３】
図７に見られるように、衛星アンテナフィードは、同様の番号が付されたフィードが同様のタイムスロットでルーティング信号を送信することを示すために番号が付されている。同様に、隣接するアンテナの同様の番号のフィード間の角度分離を最大化するために、全てのアンテナにおいて、アンテナリフレクタに対して同じ位置に、同様の番号のフィードが配置される。言い換えると、複数の衛星アンテナのそれぞれの対応するフィードは、アンテナの軸に対して実質的に同じ角度で送信するために、アンテナのリフレクタに対して実質的に同じ角度姿勢で配置される。したがって、同様に番号付けされたフィードからの狭い無線ビームは、それらが互いに干渉するか、または同じノードで受信されるという可能性をほぼ伴わずに、同時に報知され得る。その結果、ノード内の全てのアンテナフィードは、同じタイムスロットで送信することができる。例えば、全てのアンテナＳＡ１〜ＳＡ２５はそれらのＦ１フィードから同時に送信し、次いで、全てのアンテナはそれらのＦ２フィードから同時に送信し、以下同様である。この結果、各ルート生成サイクルに対して７つの異なるタイムスロットが得られる。加えて、全てのフィードは、アンテナの反射面と実質的に同じトポロジを有する仮想面上に配置される。（例えば、アンテナがパラボラリフレクタを有する場合、仮想表面もパラボラである。）したがって、本実施の形態は、２５個の単一フィードアンテナを使用する上記実施の形態のような２５個のタイムスロットとは対照的に、全てのアンテナフィードからのルーティング信号を報知するために、７個のタイムスロットのみを必要とする。これは、２つの地上局間に無線ルートを迅速に生成する確率をさらに増加させる。
【０１３４】
アンテナフィードの空間密度が増大するために、着信ルーティング信号の少なくとも幾つかは、複数のフィードによって受信されることがある。個々のアンテナマイクロプロセッサμｐｒｏｃは、もしそのアンテナモジュールが無線ルートで使用されたならば、最高品質の無線リンクを提供するのであろうフィードを識別する。これは、既に上述した基準のいずれかを用いて行うことができる。この情報は、電力およびデータライン４０ＳＡ１〜４０ＳＡ２５を介して衛星ＣＰＵ４０’に渡され、次に衛星ＣＰＵは、個々のアンテナマイクロプロセッサによって選択されたすべての無線信号の独自の評価を実行する。別のノード（この例では、地上局番号１０００）からの着信無線信号が境界にあるアンテナモジュールのフィードによって受信される場合、同じ手順に従う。例えば、入ってくる初期情報信号は、Ｆ３ＳＡ２、Ｆ４ＳＡ２、Ｆ１ＳＡ７、Ｆ６ＳＡ７などの隣接するアンテナモジュールの４つのフィードによって受信される場合がある。その場合、マイクロプロセッサμｐｒｏｃ（ＳＡ２）は、そのフィードＦ３またはＦ４のどちらがより良好な無線リンクを提供するかを決定し、その決定をサポートする決定パラメータを衛星ＣＰＵ４０’に提供する。同様に、マイクロプロセッサμｐｒｏｃ（ＳＡ７）は、そのフィードＦ１またはＦ６のどちらがより良好な無線リンクを提供するかを決定し、その決定をサポートする決定パラメータを衛星ＣＰＵ４０’に提供する。次に、衛星ＣＰＵはアンテナモジュールから受信したデータのすべてを使用して、１７５のアンテナフィードのすべてから送信されたルーティング信号に含めるべきものとして、アンテナモジュールおよびそのフィードを識別する。次に、図５に付随する説明に従って、地上局間で無線ルートが特定される。
【０１３５】
データ送信は、セクションＩＩＩＢで上述したように進行する。そのセクションからのデータ送信プロセス全体を繰り返すことなく、基本概念は、ヘッダとペイロードを持つデータのパケットからなるデータ通信を発信地上局で受信することである。ヘッダは、典型的には、宛先地上局の識別子を含むアドレス情報を含む。データ伝送モジュールはアドレス情報を開封し、宛先ノードのシステムアドレス（ノード番号）を示す。次いで、パケットは、上述のやり方で確立された無線ルートを介して宛先地上局に送信される。
【０１３６】
プロセスの変形例では、ノード間で送信されるルーティングメッセージはアンテナフィード情報を含まない。つまり、上記表２、表３で説明したルート生成処理と本質的に同じである。この適応において、衛星は、特定の受信アンテナに関連付けられたアンテナフィードを格納する。例えば、表２において、衛星ノード番号２５０が受信アンテナＳＡ６のフィードＦ７上でルーティング信号を受信した場合、衛星は、その情報を搭載することになる。そして、地上ノード１０００へのデータ送信のルートに衛星番号２５０のアンテナＳＡ６が含まれていれば、衛星はそのアンテナのフィードＦ７を用いてそれを報知する。
【０１３７】
以下は、本実施の形態の１つの例示的なアプリケーションに従って、データ送信のためのノード間無線ルートを生成することに関与するステップの概要である：
１．第１ノードＮ１は、その複数のアンテナから第１ルーティングメッセージを送信する。
２．ノードＮ１からの最初のルーティングメッセージは、少なくとも２つの異なるノードＮ２およびＮ３によって受信されてもよい。
３．ノードＮ２は、第１のアンテナの２つ以上のフィード上で、および／または第２のアンテナの２つ以上のフィード上で、第１のルーティングメッセージを聞くことができる。
４．そうであれば、ノードＮ２は、第１のアンテナで最も品質の高い信号を伴うフィードと、第２のアンテナで最も品質の高い信号を伴うフィードと、を決定する。
５．次に、ノードＮ２は第１のアンテナと第２のアンテナとの間で信号品質を比較し、より良い品質の信号を持つアンテナを選択する。
６．次いで、ノードＮ２は、その識別子（「Ｎ２」）、ノードＮ１の識別子、およびノードＮ１とノードＮ２との間の信号品質を含む第２のルーティングメッセージを送信する。
７．ノードＮ３はまた、第１のアンテナの２つ以上のフィードおよび／または第２のアンテナの２つ以上のフィード上で第１のルーティングメッセージを受信することができ、その場合、ノードＮ３は第１のアンテナと第２のアンテナとの間の信号品質を比較し、より良好な品質の信号を有するアンテナを選択する。
８．次いで、ノードＮ３は、その識別子（「Ｎ３」）、ノードＮ１の識別子、およびノードＮ１とノードＮ３との間の信号品質を含む第３のルーティングメッセージを送信する。
９．したがって、第１および第２のルーティングメッセージを受信するノードＮ４は、（ノードＮ２またはＮ３のいずれかを介して）ノードＮ１への高品質の無線ルートを知っている。
１０．ノードＮ１への送信のためにノードＮ４によって受信された呼（データ送信）は、それに応じてノードＮ２またはノードＮ３に向けられ、次いでノードＮ２またはノードＮ３は、ステップ５（ノードＮ２）またはステップ７（ノードＮ３）で特定されたアンテナフィードを使用してノードＮ１に呼を送信する。
【０１３８】
この例では、ノードＮ１が宛先地上局、または別の衛星ノードとリンクする中間ノードを表すことができることが理解されよう。同様に、ノードＮ４は、発信地上局、または別の衛星とリンクする中間ノードを表すことができる。また、上記のステップは、本実施の形態によるシステムにおけるノード間の無線ルートを生成する１つの方法として提示されていることを理解されたい。これは、全ての場合に適用可能ではない。例えば、所与の衛星アンテナフィードは閾値テストを通過させるのに不十分な品質のルーティングメッセージを受信し、従って、無線ルートでの使用に適しているように、衛星内の処理回路によって拒絶され得る。
【０１３９】
Ｃ．サマリ
【０１４０】
より大きな衛星アンテナを使用することによって、本実施の形態は、衛星から送信されるルーティング信号の利得を、増加アンテナ直径の二乗に比例する倍数だけ増加させるが、直径自体に比例する量だけアンテナＨＰＢＷを減少させるだけである。同時に、各アンテナには複数のフィードがあり、その結果、ルート生成に利用可能な衛星アンテナの数に、各アンテナのフィード数を乗じる。図７に示される例示的な衛星において、アンテナの有効数は１２５である。この実施の形態によって達成されるものに近づくルート生成能力を衛星に提供することは、同じサイズを有する同じ数の単一フィードアンテナを必要とすることが理解されるのであろう。複数のアンテナの対応する配置されたフィードは、同じタイムスロットにおいてルーティングメッセージを報知することができるので、２５個の単一フィードアンテナを有する実施の形態におけるような２５個ではなく、各ルート生成サイクルに対して７個のタイムスロットのみが必要とされる。これにより、ルートを確立するのにかかる時間が短縮される。
【０１４１】
同程度の利得とビーム幅で無線信号を報知および受信できる１２５個の単一フィードアンテナを持つ衛星は、１００個の追加単一フィードアンテナを必要とするのであろう。このようなシステムはその最も広い態様において本発明の範囲内にあるが、本発明の多くの重要な目的を取り除く。それらの目的の一つは、衛星が非常に小型で軽量であるため、打ち上げコストが最小となるシステムを提供することである。打ち上げコストを最小限に抑えることができる一つの方法は、単一の車両で複数の衛星を打ち上げることである。大型で重い衛星は、小型で軽量な衛星よりも多くの打ち上げを必要とする。マルチフィードアンテナを使用する本実施の形態は、典型的には上述の単一フィードの実施の形態よりも大型で若干重い衛星を使用するのであろうが、同じ機能性を達成するのに十分な単一フィードアンテナを有する衛星よりも、依然として桁違いに小型で軽量であろう。さらに、各衛星から送信されるルーティング信号の数を数倍に増やすことにより、地上局および他の衛星との無線リンクを生成する確率が高まる可能性が高くなり、これにより、単一フィードアンテナを備えた衛星を使用する場合と同じ結果を達成するために必要な衛星の数を減らすことができ、したがって、本実施の形態に従ったシステムの配備コストを下げることができる。
【０１４２】
さらに、マルチフィードアンテナを持つ地上ノードもそれらの間の直接通信を強化するのであろう。例えば、本実施の形態によるシステムによって担当される地形によっては、システムノード（衛星および地上局）内の適当なアルゴリズムは、いかなる衛星をも関与させずに、２つの特定の地上局間の無線ルートを組み立てることができる。さらに、そのようなノードは、本発明者等の米国特許第５，７９３，８４２号および第６，４５９，８９９号に開示されているような、純粋に地上ベースの無線メッシュシステムの動作性を向上させるために使用することができる。ある球面範囲にわたって高利得ビームを生成することができるノードは、高い建物を有する都市において有用性を見出し、これは、無線ビームを地面に向けることができるノードを含むことができる。別の例としては、ロサンゼルス地域のように、高地の丘陵地帯や渓谷を含む都市が挙げられる。
【０１４３】
地上ノード対ノード通信システムでは、本実施の形態を特徴づけるもののようなマルチフィードアンテナによって作られる非常に狭いビームの使用によって、都市全体の帯域幅を保存することができる。これらのより高い利得のアンテナはまた、より良い受信信号強度を提供するのであろう。マルチフィードアンテナシステムは追加の無線トランシーバを必要とするのであろうが、コストを考慮すると、谷では丸い側を上に向け、高高度では丸い側を下に向ける半球デザインを用いることで、所与のノードに必要なアンテナの数を減らすことが可能である。
【０１４４】
ＶＩ．三次元無線メッシュシステムのための他の空中ノードの実施の形態
【０１４５】
すでに指摘したように、本明細書に記載する三次元無線システムの実施は、約５００マイル程度の低地球軌道で衛星を使用することに限定されない。１つの変形では、１００〜２００マイルの範囲の非常に低い地球軌道にある衛星を利用して、地上に到達する無線信号の強度を増加させることができる。さらに、非軌道空中ノードも、本明細書に記載のシステムで使用することができる。例えば、上述の衛星と構造上同様なノードを風船からつり下げることができ、風船は成層圏（または低軌道）内を自由に漂流することが許される。風船取り付けノードは、複数の方向で信号を送受信するためにノードにおいて構成される上述の衛星アンテナに対応するアンテナを含む。他の変形例は、そのようなノードを、特定領域に亘ってランダムに展開される無人飛翔体（「ドローン」）に取り付けることができる。そのようなシステムは、衛星ベースのシステムよりも簡単に、携帯デバイスや他の個人デバイスからの直接通信を可能とする。なぜならば、ドローンは衛星ノードシステムよりも、地上局（携帯デバイス）により近いからである。
【０１４６】
低地球軌道衛星上の上記の変形のうちの任意の１つは、独立して、または２つ以上のそのような変形の組合せで使用することができる。図９は、これらの変形例のいくつかを示す。図面では、低地球軌道衛星ＳＬＯ１およびＳＬＯ２は、上で詳細に論じた衛星のような、姿勢制御を有さない多数のそのような衛星を表す。また、図９に示されているのは、姿勢制御を伴わない数多くのそのような衛星を表す、極低軌道衛星ＳＶＬＯ１、ＳＶＬＯ２、ＳＶＬＯ３などである。これらの衛星はいわゆる「物のインターネット」（ＩｏＴ）をサポートするために使用することができ、これは、一般に、ネットワーク間物理デバイス、車両（「コネクテッドデバイス」および「スマートデバイス」とも呼ばれる）、建物、ならびに電子機器、ソフトウェア、センサ、アクチュエータ、およびこれらの物がデータを収集して交換することを可能にするネットワーク接続性と共に埋め込まれた他のアイテムを意味すると解釈される。このようなＩｏＴデバイスは、互いに直接接続しなければならず、低飛行衛星からのより強い信号強度は、地表で利用可能な信号強度を、より高い高度の衛星より最大６ｄＢ増加させることができる。このようなシステムの操作性のさらなる向上は、前述の実施の形態で説明したように、マルチフィードアンテナを備えた衛星を使用することによって達成することができる。
【０１４７】
別の代替ノードタイプは、バルーンＢＮ１、ＢＮｓ等に搭載され、高高度に浮かぶことが可能である。このバルーンは地球Ｅ上の比較的小さなエリアに通信サービス（インターネットアクセス、電子メールなど）を提供するのに有用であることがわかっている。Ｇｏｏｇｌｅは、地方や遠隔地へのインターネットアクセスを提供するシステム（プロジェクトＬｏｏｎと呼んでいる）をテストしている。報告によれば、高高度バルーンは約１８ｋｍ（１１マイル）の高度の成層圏に置かれ、空中無線ネットワークを生成する。バルーンは、公表された風力データを用いて所望の速さおよび方向で風層を識別した後、風層に対して浮くように成層圏におけるその高度を調節することによって操縦される。信号はバルーンネットワークをバルーンからバルーンへ伝わり、次にインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）に接続された地上基地局へ伝わり、そしてグローバルインターネットへ伝わる。例えば、「プロジェクトＬｏｏｎ」、ウィキペディア、ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｐｒｏｊｅｃｔ＿Ｌｏｏｎを参照されたい（最終訪問２０１７年９月２０日）。当業者であれば、Ｇｏｏｇｌｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｌｏｏｎシステムのように、マルチフィードアンテナを備えたものを含め、本明細書に記載されるものようなノードを容易に適応させることができるのであろう。
【０１４８】
他のタイプの非軌道空中ノードは、ドローンＤＲ１、ＤＲ２などに搭載することができる。ドローンは１０００〜２０００フィートの高度で所定のエリア上を飛行することができるが、システムによってサービスされる特定のエリアに応じて、他の高度が望ましい場合がある。これらのノードは好ましくは、地上局ＧＳ３とハンドヘルドデバイスＨＤとの間のバルーンＢＮ２およびドローンＤＲ１を介した実線のルートによって示されるように、個々のハンドヘルドデバイスＨＤとの直接通信を可能にするのに十分に強い信号を提供するために、上述のマルチフィードアンテナの実施の形態を使用する。地上局ＧＳ２からドローンＤＲ１を介したハンドヘルドデバイスへのルートも存在する可能性がある。図９はまた、本明細書の説明に従って空中ノードを使用して作成された他の例示的な経路を一点鎖線および二点鎖線で示す。２つの地上局の間の直接的なルートは上記の議論によれば、図中に破線で示されている。
【０１４９】
ＶＩＩ．他の変更および変形
【０１５０】
本明細書で説明された構成および方法のさまざまな変形および変更が、本発明の範囲内で可能であることは理解されるであろう。上記の例示的な実施の形態は、好適な無線ルートを選択するために、二つの無線リンク候補の性能指数の追加を用いる。しかしながら、本発明は好適なルートを決定する他の方法を包含するのであって、これは、二つの異なる無線ルート候補の性能指数の和を用いることは、単一衛星ルートよりも複数衛星ルートのほうを好むものであるからである。したがって、単一衛星ルートにおける性能指数の加算が、典型的には、最適なまたは好適なルートを生じさせるが、候補としての単一衛星ルートと複数衛星ルートとから選択するときや二つの複数衛星ルート候補からひとつを選択するとき、本発明のこの態様を実装するために、より複雑で難しいアルゴリズムが必要となろう。そのような状況におけるひとつの可能なアプローチは、ある特定のルートを、他のルート候補がひとつ以上の理由により劣っていると判断されたリンクを含む場合に、選択することであり、そのような理由のいくつかの例は上述される（複数衛星ルート候補内の種々のノード間の不十分な信号強度および／または過剰な誤り率、衛星の電池残量が少ないこと、過剰なリンク負荷、または所定のしきい値を下回る性能指数を伴うリンク候補の排除）。
【０１５１】
当業者であれば、本明細書で議論される場合の「性能指数」は単に、二つの地上局間のデータ通信について最適とみなされる無線ルートを選択するという重要なコンセプトを明示するひとつの方法であると認識するであろう。特定のリンク候補の性能指数を決定する際に用いられるパラメータは、本説明で具体的に指摘したものに限定されない。一例は、衛星が互いに対し動いており、その結果衛星間のリンク候補または衛星と地上局との間のリンク候補の質が経時変化することを考慮に入れる。したがって、リンクを選択する際のファクタのひとつは、時間に対するリンクの質（性能指数）の微分でありえ、これは、正の値ならリンクの質が増大するであろうことを示し、したがってより安定であろうし、一方で負の値はその逆を示すからである。
【０１５２】
ＶＩＩ．サマリおよび結論
【０１５３】
当業者であれば容易に、本発明の選択された好適な実施の形態のみが図示され説明されたことを認識するであろう。以下の請求の範囲によってのみ規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上で特に言及されたもの以外の種々の変形や変更をなし得ることは理解されるであろう。
【図１Ａ】
2020536409.tif 000003
【図１Ｂ】
2020536409.tif 000004
【図２Ａ】
2020536409.tif 000005
【図２Ｂ】
2020536409.tif 000006
【図３】
2020536409.tif 000007
【図４】
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【図５】
2020536409.tif 000009
【図６Ａ】
2020536409.tif 000010
【図６Ｂ】
2020536409.tif 000011
【図６Ｃ】
2020536409.tif 000012
【図７】
2020536409.tif 000013
【図８】
2020536409.tif 000014
【図９】
2020536409.tif 000015
【国際調査報告】
2020536409.tif 000016
2020536409.tif 000017
2020536409.tif 000018