JP2000224090A - 傾斜した離心静止軌道衛星のオ―バ―ヘッドシステム - Google Patents

傾斜した離心静止軌道衛星のオ―バ―ヘッドシステム

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JP2000224090A
JP2000224090A JP2000011942A JP2000011942A JP2000224090A JP 2000224090 A JP2000224090 A JP 2000224090A JP 2000011942 A JP2000011942 A JP 2000011942A JP 2000011942 A JP2000011942 A JP 2000011942A JP 2000224090 A JP2000224090 A JP 2000224090A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、比較的低いコストの衛星サービス
を提供する傾斜した静止軌道を使用する衛星システムを
提供することを目的とする。 【解決手段】 水平線から予め定められた最小の仰角を
有する地球表面上のサービス区域62と、このサービス区
域62内から観察したとき空中のトラックを有する地球に
関する軌道を有する衛星と、サービス区域上の空中のト
ラック上の点のサブセットによって定められた動作アー
ク44とを有し、この動作アーク44上で衛星が動作するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に傾斜した
離心静止地球軌道衛星の軌道のオーバーヘッドシステム
に関するものであり、特に、サービス区域内から見たと
き動作が集中したオーバーヘッドである衛星システムに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】静止地球軌道（ＧＳＯ）（以下静止軌道
という）における衛星はそのような軌道によって提供さ
れる経済的な利点のために好ましいものとして数十年に
わたって広く使用されている。静止軌道では地球が回転
する方向と同じ方向に同じ角速度で地球の赤道の上空を
移動する衛星は地球上の点に関して静止しているように
見える。これらの衛星はそのサービス区域内の全ての位
置で常に観察できる状態にあり、そのためそれらの利用
効率は実効的に１００％である。地上局のアンテナはＧ
ＳＯ衛星に対して一度だけ指向方向を設定すればよく、
目標の追跡システムは必要ない。
【０００３】ＧＳＯと地域的なサービスとの調整はサー
ビスの形式にしたがって角度的に離間した指定スロット
の政府割当てによって行われている。静止軌道衛星の軌
道の要望が多く、静止軌道ベルトにおける利用できるス
ロットの数が有限であることによって、利用できるスロ
ット数の容量はＫｕ帯域（１８ＧＨｚまで）にわたって
所望の周波数帯域で動作している衛星により飽和されて
いる。その結果、政府は残りの少なくなっているスロッ
トを競売している。
【０００４】その結果、低高度の地球軌道（ＬＥＯ）、
中高度の地球軌道（ＭＥＯ）のシステム、および、また
は例えばＫａ帯域（約４０ＧＨｚまで）のようなもっと
高い周波数を含む複雑で高価な新しいシステムの開発が
進められている。もっと高い周波数への発展は技術的お
よび電波伝播の問題によって制限され、衛星の用途の拡
張は空間的なディメンション（すなわちＧＳＯベルトの
上および下）の利用を必要とする。提案されているＬＥ
ＯおよびＭＥＯシステムの多くはこの方向の例である。
使用者に対するＬＥＯおよびＭＥＯシステムの欠点は、
衛星位置が比較的不確実であり急速に移動し、データ速
度を制限する低い利得を有する典型的に無指向性アンテ
ナの使用が必要になることである。
【０００５】ロシアで使用されている長い１２時間“モ
ルニア（Ｍｏｌｎｉｙａ）”およびヨーロッパ宇宙エー
ジェンシーの８時間“アルキメデス”のような高度に楕
円形の軌道（ＨＥＯ）が使用された。ＨＥＯシステムの
欠点には所定の区域に対するサービスが短くなること
（地球上に多数のノードを生じさせる静止軌道周期の分
数）および特定された６３度の傾斜（低い近地点による
燃料要求を最小にするため）が必要なことである。ＬＥ
Ｏ、ＭＥＯおよびＨＥＯシステムは単一サービス区域に
対する特定の仰角におけるカバー区域に対して本発明よ
りも多くの衛星を必要とする。
【０００６】上述のすべてのシステムの使用に対する別
の欠点は地球に対する相対運動があることである。広い
帯域幅に対して２次元の追跡アンテナを地上局に設ける
ことが要求される。追跡アンテナは比較的高価であり、
したがって一般の消費者用として考慮することはできな
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】傾斜した離心静止軌道
の未使用の領域は衛星サービスの成長と調和する大きい
潜在性を提供するが、系統的に傾斜した離心静止軌道
（ＩＥＧＯ）オーバーヘッドシステムに対する従来の技
術は知られていない。
【０００８】種々の従来のシステムは比較的満足できる
ように有効に機能するが、以下説明するような本発明に
よる傾斜した離心静止軌道衛星軌道のオーバーヘッドシ
ステムの有する利点を開示した技術は存在しない。
【０００９】本発明の目的は、特に消費者市場に適した
比較的低いコストの衛星サービスを提供するために傾斜
した傾斜した離心静止軌道の利点を使用する衛星システ
ムを提供することである。
【００１０】本発明の目的はまた、２以上の衛星の同期
されたセットを使用するサービス区域の連続したカバー
範囲を与える衛星システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の１特徴によれ
ば、傾斜した離心静止軌道衛星（ＩＥＧＯ）の軌道の同
期されたシステムは地球表面の定められたサービス区域
を有する。このサービス区域はサービス区域内の任意の
位置から衛星システムに対して水平線からの予め定めら
れた最小の仰角よりも大きい仰角によって定められる。
ＩＥＧＯ衛星は前記サービス区域内から観察したとき空
中の固定されたトラックを有する地球に関する軌道を有
している。もちろん、この空中のトラックはそれに対応
する地上トラックを有する。動作アーク（弧）はサービ
ス区域上空の軌道の空中トラックのサブセットによって
定められる。そのセットの衛星は空中トラックの動作ア
ークの部分で動作することに成功する。
【００１２】本発明の利点の１つは、同じトラックにお
いてフェイズの異なる別の衛星に対するハンドオーバー
により連続して高い仰角カバー範囲を与えることができ
ることである。本発明の別の利点は、追跡アンテナでは
ない円錐パターンの上方監視ユーザアンテナを使用する
ことができることである。
【００１３】本発明の目的、利点および特徴は、添付図
面を参照にした本発明を実行する最良のモードについて
の以下の詳細な説明により明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明と多数の付随する利点およ
びその特徴は添付図面を考慮した以下の詳細な説明を参
照してさらに完全に認識されよう。同一の参照符号は全
ての図面で対応する部分を示している。ここで本発明を
種々の傾斜角度、離心率値、その他の値を使用して衛星
軌道システムに関して説明する。特定の数値は最終的な
設計値としてではなく例として与えられていることを理
解すべきである。
【００１５】本発明の本質は、傾斜した好ましくは地上
の反復的な地上トラックにより静止地球衛星軌道を設定
することであり、その空中軌道はサービス区域にわたっ
て固定したものであるように構成される動作アークを含
んでいる。
【００１６】本発明では、（２４時間）傾斜した楕円静
止軌道（ＩＥＧＯ）衛星は、小さいサービス領域のため
の可能なスペクトル再使用により、動作が広い地域の予
め定められたサービス領域で高い仰角のサービスを行う
ことを可能にする。
【００１７】図１を参照すると、地球10はＩＥＧＯ衛星
14を有する傾斜した離心静止地球軌道（ＩＥＧＯ）12を
有して示されている。ＩＥＧＯ軌道12は傾斜した静止地
球軌道16と対照的に示されている。ＩＧＯ軌道16は地球
10を中心とする傾斜した円形の軌道である。ＩＧＯ軌道
16は第１の位置のＩＧＯ衛星18を有し、これは基準用に
使用されている。静止地球（ＧＳＯ）軌道20も対照のた
めに示されており、ＧＳＯ衛星22を有する。各衛星14、
18、22は地球10周辺を移動するときそれぞれの軌道12、
16、20をたどる。
【００１８】図１と２はＧＳＯ、ＩＧＯ、ＩＥＧＯ軌道
の幾つかの一般的な差を示している。この例では、ＧＳ
Ｏ軌道20は半径Ｒを有する。ＧＳＯ軌道20は地球10の赤
道平面上に限定されている。地球10は毎日回転するの
で、ＧＳＯ衛星22は地球上で実質上一定の位置を維持す
る。地上の点から見るとき、衛星の仰角は一定である。
【００１９】ＩＧＯ軌道16もまたＧＳＯ軌道20の半径と
同じ半径Ｒを有する。ＩＧＯ軌道16はＧＳＯ軌道20を有
する赤道平面に関して傾斜角度24を有する平面に位置さ
れている。ＩＧＯ軌道16とＧＳＯ軌道20により限定され
ている平面は地球10の中心を通って延在するノード26の
線で交差する。ＩＧＯ衛星18とＧＳＯ衛星22は軌道を完
成するために１恒星日を取る（２３時間５６分）。地球
上の点に関するＩＧＯ軌道の仰角はＩＧＯ軌道16のＩＧ
Ｏ衛星18の位置に依存する。
【００２０】ＩＥＧＯ軌道12は地球に関して観察すると
き軌道の最北点に設定されている遠地点と、地球に関し
て観察するとき軌道の最南点である近地点とを有する。
楕円軌道12のＩＥＧＯはＩＧＯ軌道16の焦点からシフト
されている焦点を有し、それによって遠地点28は北半球
の方向にシフトされている。結果として、近地点30は南
半球方向にシフトされている。したがって、近地点30の
仰角が減少する一方で、地球表面の上方の遠地点28の高
度は増加される。ＩＥＧＯ軌道12の主直径はＩＧＯ軌道
16の場合のように２Ｒである。しかしながらＩＥＧＯ軌
道12は離心率ｅだけＩＧＯ軌道16の中心に関してシフト
されている。したがって、ノード26のラインからの遠地
点28の距離は式（１＋ｅ）Ｒにより与えられる。ノード
26のラインからの近地点の距離は式（１−ｅ）Ｒにより
与えられる。
【００２１】地球10の表面上の地上トラック32はＩＥＧ
Ｏ衛星14から発生される。地上トラックは地球の中心か
ら軌道衛星まで延在するラインにより地球表面上で繰り
返しトレースされる衛星点の軌跡を表す仮想線である。
ＯＥＧＯ地上トラックは特定の経度に位置され、それぞ
れの恒星日（２３時間５６分）で反復的に再度トレース
する。
【００２２】衛星14、18、22の位置は図２では図１の位
置から約５時間後として示されている。地球はしたがっ
て軌道に関して回転している。結果として、ＩＧＯ衛星
18とＩＥＧＯ衛星14に関する仰角も変化する。
【００２３】図３を参照すると、ＩＥＧＯ衛星14' を有
する第２のＩＥＧＯ軌道12' が示されている。ＩＥＧＯ
軌道12' はまた傾斜角度24' を有する。傾斜角度24' と
フェイジングはＩＥＧＯ軌道12' に位置する衛星がＩＥ
ＧＯ軌道12の衛星と実質上同一の地上トラック32をトレ
ースするように選択されている。ＩＥＧＯ衛星14、14'
は一方の衛星がサービス区域を離れるとき、他方の衛星
がサービス区域に入るように位置付けられている。この
ようにして、連続的なカバー領域が特定のサービス区域
に対して与えられる。
【００２４】図示されていないが、先の例は、連続的な
カバー領域が対応する類似の円錐内のサービス区域に対
して与えられるように全て同期されているＩＥＧＯ軌道
の３以上の平面まで拡張されてもよい。サービス区域内
のさらに大きいサービス区域またはさらに高い仰角が所
望されるならば、さらに多くの衛星が必要とされる。高
い仰角でサービスを行うことにより、固定した衛星サー
ビス、放送衛星サービス、または自動車衛星サービスの
応用がさらに効果的に実現される。したがって、同期さ
れたオーバーヘッドＩＥＧＯシステムは参照符号34によ
り示される。
【００２５】図４を参照すると、等しい方形の投影マッ
プ36は北米と南米の主要部を示している。ＩＥＧＯ軌道
から投影された１例の地上トラック32が示されている。
地上トラックの傾斜角度は６３．４５°であり、０．２
４０に等しい離心率値ｅを有し、西経９６°（西経６
９．０で上昇）で対称的に中心とされ、近地点270 °の
アーギュメントを有する。２つの類似の衛星Ａ＆Ｂが示
されており、地上トラック32を共有し、半周期だけ分離
されている。アクティブな衛星Ａは東方向のハンドオー
バー点38（緯度、経度＝北緯２４．０、西経８３．０）
を通って上昇するとき動作を開始する。衛星Ｂは西方向
のハンドオーバー点40（緯度、経度＝北緯２４．０、西
経１０９．０）を通って沈む。衛星Ａが西に沈むとき、
地球局42は再度東で上昇し衛星Ｂと通信する。東方向の
ハンドオーバー点38と西方向のハンドオーバー点40との
間の距離は動作アーク44として限定される。動作アーク
44は衛星が動作する地上の点から観察するときの地上ト
ラックの一部または空中トラックの一部（円錐オーバー
ヘッド中の残りの部分）である。
【００２６】図５を参照すると、図４で示されているサ
ービス区域の中心から見たときの軌道路の空中方向から
見たプロットが示されている。このプロットでは、０°
は水平線を表し、９０°は広い区域の特定点の上方の天
頂を表している。ハンドオーバー点38、40と動作アーク
44はまた空中方向のプロット46で示されている。静止ベ
ルト48のプロットは傾斜した離心静止軌道ベルトと対照
するために示されている。
【００２７】図６を参照すると、モービル衛星受信アン
テナ50のような地上ベースのユーザ装置が自動車52に配
置されている。したがって本発明の１つの利点が示され
ている。即ち、ほぼ平面のアンテナ50が頭上のＩＥＧＯ
衛星14から信号を受信するために設けられてもよいの
で、本発明は自動車のようなモービル用に適している。
円錐54は天頂方向に上方を指向している。仰角は制御さ
れることができるので、円錐角度55を有する比較的狭い
円錐54が上方向のアンテナ50によって生成されてもよ
い。この構造は全方向アンテナよりも高い利得を提供す
る。システムの水平線53からの高い仰角51は都市動作に
は影響されやすく、マルチパス効果および大気損失には
影響されにくい。サービス区域全体を通じて衛星信号を
受信する上方を向いた円錐を与えるアンテナが設けられ
るならば、操縦は必要とされない。
【００２８】図７を参照すると、米国大陸のサービス区
域内の５都市のそれぞれから、水平（仰角０°）から上
方で約４５°以上の仰角の動作アークを有する空中方向
プロット58が示されている。都市は基本的に米国大陸の
４つのコーナーおよび米国の中心からの代表図を与える
ように選択された。またマイアミとシアトルから見たと
きの静止軌道ベルトが示されている。軌道パラメータは
サービス区域内の全ての都市のプロット62ａの最小の仰
角を最大にするために延長するように選択されている。
図７のプロット62ａは軌道離心率０．４３と傾斜角度６
３．４５°を有し、結果として最小の仰角４６．９を生
じる２つのＩＥＧＯ衛星を使用している。これらのプロ
ットはサービス区域内の軌道トラックの動作アーク部分
62上の点のサブセットである。プロット62ａはマイアミ
とシアトルから観察したときのＧＳＯベルト63とを対照
的に示している。
【００２９】図８を参照すると、図７のプロットに類似
し、離心率０．３１、傾斜角度５０°を有するプロット
62ｂが、結果として最小の仰角３９．１°を生じる２つ
のＩＥＧＯ衛星システムに対して示されている。
【００３０】図９を参照すると、離心率０．５０５、傾
斜角度６３．４５°を有するプロット62ｃが、結果とし
て最小の仰角４６．９°を生じる３つのＩＥＧＯ衛星シ
ステムに対して示されている。
【００３１】図１０を参照すると、離心率０．２０３、
傾斜角度５０°を有するプロット62ｄが、結果として最
小の仰角５９．２°を生じる３つのＩＥＧＯ衛星システ
ムに対して示されている。
【００３２】図１１を参照すると、傾斜角度６３．４５
°、離心率０．２４を有するプロット62ｅが、結果とし
て最小の仰角４５．１°を生じる２つのＩＥＧＯシステ
ムに対して示されている。
【００３３】したがって、離心率値と傾斜角度値の変更
により、動作アークを中心にしサービス区域内の最小の
仰角を最大にするために動作アークの形状が実質上変更
されてもよいことが観察される。
【００３４】さらに小さい離心率はさらに円形の軌道が
最小の仰角に小さい衝撃を与えるという利点があるので
好ましい。１つの州または都市のようなさらに小さいサ
ービス区域の場合、最適な離心率はさらに大きいサービ
ス区域の最適な離心率とは異なる。したがって、最適な
離心率は０．１と０．５の間である。
【００３５】図１２の（ａ）を参照すると、傾斜角度６
３．４５°における度数で示した最小の仰角対離心率の
プロットが示されており、最小の仰角６３．４５°を生
じる。したがって最小の仰角の最大値はこの傾斜角度の
ＩＥＧＯでは離心率が約０．３乃至０．５であるときに
生じる。
【００３６】図１２の（ｂ）を参照すると、受信アンテ
ナの幾何学的指向方向対離心率のプロットが３つのＩＥ
ＧＯシステムと２つのＩＥＧＯシステムについて示され
ている。示されているように、指向性は約０．３乃至
０．５の離心率で最大にされる。
【００３７】図１２の（ｃ）を参照すると、最小の仰角
対離心率のプロットが５０°の傾斜について示されてい
る。この場合、最小の仰角のほぼ最大値は約０．２の離
心率で生じる。
【００３８】図１２の（ｄ）を参照すると、図１２の
（ｃ）のプロットに対応するプロットがデシベルで示し
た指向性対離心率に対して示されている。指向性は２つ
のＩＥＧＯと３つのＩＥＧＯシステムで離心率約０．２
乃至０．３で最大にされる。
【００３９】図１２の（ａ）乃至（ｄ）では、ＩＥＧＯ
軌道の最大の仰角の曲線は低い離心率の最大値において
大きい。対照的に、モルニヤを含むＨＥＯのこのような
曲線は離心率と共に上昇し、０．６を越える高い離心率
におけるピークである。結果として、仰角と衛星数の組
合わせは従来使用されたＨＥＯシステムよりも本発明の
さらに円形のＩＥＧＯ軌道でさらに好ましい。
【００４０】動作において、特定の大陸では、サービス
区域は地球の表面上で限定されなければならない。サー
ビス区域はサービス区域の任意の点の水平線の上方の予
め定められた最小の仰角で衛星ビームが指向する（米国
大陸または都市のようなさらに小さい）１つの領域とし
て限定される。同一の地上トラックを共有する衛星対ま
たは複数の衛星は傾斜した離心静止地球軌道で地球表面
上に発射される。軌道内の各衛星の動作領域は地球上の
サービス区域のオーバーヘッドである動作アークであ
る。したがって、衛星がその軌道を移動するとき、点の
軌跡はサービス区域とその上方の動作アークとを限定す
る軌道トラック上で限定される。１つの衛星がサービス
区域を離れるとき、第２の衛星がそのサービス区域に入
ることが好ましい。ハンドオーバー点は動作が１つの衛
星から別の衛星へ変更される点として定義される。した
がって、サービス区域を、比較的高い仰角を有する領域
として限定することによって、さらに良好なサービスカ
バー領域が廉価なアンテナによりユーザによる調節を必
要とすることなく提供されよう。
【００４１】軌道パラメータはある地上トラック形状を
実現するように選択される。サービス領域とサービス区
域のカバー範囲とカバー時間についての特定の制限につ
いて考慮する。
【００４２】本発明を詳細に説明し、本発明が関連する
技術を熟知することによって、特許請求の範囲に限定さ
れているように本発明を実施するための種々の代わりの
設計および実施形態を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】地球に関して傾斜した楕円静止軌道と、傾斜し
た静止軌道と、静止軌道（ＩＥＧＯ）の斜視図。
【図２】図１と類似した５時間後の斜視図。
【図３】衛星のフェイズド対が共通地上面または空中ト
ラック追跡で相互に追随するように２つのＩＥＧＯ軌道
平面が設けられている本発明による別の実施形態の斜視
図。
【図４】本発明に関連する典型的な地上トラックを示し
た等しい方形の投影マップ。
【図５】図４のＩＥＧＯシステムの動作アークの上方か
ら見た図。
【図６】本発明の１応用におけるアンテナに関する上方
受信円錐の斜視図。
【図７】米国大陸の５つの位置から離心率０．４６３を
有する２つのＩＥＧＯシステムの空中方向の曲線図。
【図８】離心率が０．３１である図７を変更した曲線
図。
【図９】離心率が０．５０５である３つのＩＥＧＯシス
テムの空中方向の曲線図。
【図１０】離心率０．２０３である３つのＩＥＧＯシス
テムの空中方向の曲線図。
【図１１】離心率０．２４である２つのＩＥＧＯシステ
ムの空中方向の曲線図。
【図１２】ＩＥＧＯシステムおよびモルニヤシステムと
比較した傾斜角度対離心率および指向性対離心率のグラ
フ。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 広い地域の上空の傾斜した静止地球軌道
    衛星システムにおいて、 水平線から予め定められた最小の仰角を有する地球表面
    上のサービス区域と、 前記サービス区域内から観察したとき空中のトラックを
    有する地球に関する軌道を有する衛星と、 前記サービス区域上の前記空中のトラック上の点のサブ
    セットによって定められた動作アークとを有し、 前記衛星は前記動作アーク上で動作することを特徴とす
    るシステム。
  2. 【請求項２】 前記軌道は地球の赤道平面に関して予め
    定められた傾斜を有している請求項１記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記軌道は予め定められた離心率を有し
    ている請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記軌道は約０．１乃至０．５の範囲の
    離心率を有している請求項３記載のシステム。
  5. 【請求項５】 最高点および近地点を有する前記静止軌
    道において、前記最高点は前記サービス区域の上方にあ
    る請求項１記載のシステム。
  6. 【請求項６】 水平線から予め定められた最小の仰角を
    有する地球の表面上のサービス区域と、 前記サービス区域内から観察したとき第１の固定された
    反復空中トラックを有する地球に関する軌道を有する衛
    星と、 前記サービス区域内に位置する地上局とを具備し、 第１の衛星は前記サービス区域内から観察したとき第１
    の空中トラックを有する地球に関する第１の軌道を有
    し、 第２の衛星は前記サービス区域内から観察したとき第２
    の空中トラックを有する地球に関する第２の軌道を有
    し、 前記第１の衛星は前記サービス区域の上空の空中トラッ
    ク上の点の第１のサブセットによって定められた第１の
    動作アークを有し、前記第１の衛星はサービス区域内で
    動作し、 前記第２の衛星は前記サービス区域内の第２の空中トラ
    ック上の点の第２のサブセットによって定められた第２
    の動作アークを有し、前記第２の衛星はサービス区域内
    で動作することを特徴とする通信衛星システム。
  7. 【請求項７】 前記第１の空中トラックと前記第２の空
    中トラックとは一致している請求項６記載の通信衛星シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 前記第１の動作アークと前記第２の動作
    アークとは前記第１の衛星と前記第２の衛星との間の地
    上局動作を切替えるためにそれぞれ第１のハンドオーバ
    ー点および第２のハンドオーバー点を有している請求項
    ６記載の通信衛星システム。
  9. 【請求項９】 前記第１の衛星と前記第２の衛星は時間
    的に等間隔であるように同期されている請求項６記載の
    通信衛星システム。
  10. 【請求項１０】 前記第１の軌道と前記第２の軌道は地
    球の赤道平面に関して予め定められた傾斜を有している
    請求項６記載の通信衛星システム。
JP2000011942A 1999-01-21 2000-01-20 傾斜した離心静止軌道衛星のオ―バ―ヘッドシステム Pending JP2000224090A (ja)

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