JPH05102920A

JPH05102920A - セル式の電話サテライトシステム

Info

Publication number: JPH05102920A
Application number: JP4068127A
Authority: JP
Inventors: Michael Horstein; ホースタインマイケル; Peter H Cress; エイチクレスピーター
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1993-04-23
Also published as: EP0510789B1; DE69218023D1; EP0510789A1; DE69218023T2

Abstract

(57)【要約】【目的】移動セルステーションによって直接アクセス
できると共に、音声メッセージの送信と受信との間にや
っかいな時間遅れを生じることなく少なくとも局内領域
にあるステーション間で電話会話を行うことのできるセ
ル式電話システムのサテライトコンステレーションを提
供する。【構成】セル式電話システムは、複数の通信サテライ
トで形成されたサテライトコンステレーションを含み、
地域内にある移動セル式ステーションと固定の電話ステ
ーションとのＲＦ通信リンクを確立する。このようなサ
テライトの少なくとも１つは、所定領域から１０度以上
の仰角で常に見ることができる。このように目に見える
サテライトとセル式ステーションとの間のＲＦ伝播遅延
は６０ミリ秒以下である。サテライトの軌道は、その惑
星上の高度が４０００ないし１００００航海マイルの中
間地球軌道と称する高度を越えて延びることはない。軌
道平面の数は３以上であり、サテライトは軌道平面間に
均一に分割される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電話通信システムに係
り、より詳細には、通信サテライトの新規なコンステレ
ーション（集合）を含むセル式の通信システムに係る。

【０００２】

【従来の技術】セル式の通信システムは、移動電話の利
用者が、中央電話ネットワークからサービスを受けてい
る固定の地上ベース電話ステーションにいる他の利用者
や、同様のサービスを受けている他の移動ステーション
と選択的に通信を行えるようにする。これは、局内通話
及び遠距離通話の両方を含む。移動電話と地上ベースの
中央電話交換器との間の電話リンクはワイヤレスであ
り、即ち、この通信リンクは、典型的に、超高周波レン
ジの無線周波数「ＲＦ」エネルギである。セル式の電話
システムは、無線通信及び放送に固有のＲＦ技術の利点
を取り入れて、電子形態の情報をある選択された位置か
ら別の位置へ電話線を使用せずに伝達するものである。
音声通信においては、ＲＦが搬送波として働き、ユーザ
の音声、即ちマイクロホンへ話された音声周波数で変調
される。他の接続ステーションでは、ＲＦ搬送波が受信
されて復調され、音声信号が発生される。この音声信号
は小さなスピーカへ送られ、元の話し手の音声がその位
置で再生される。セルリンクはＲＦであるが、電話シス
テムのセル部分は、電話線及び従来の電話機を含む他の
部分と一体化される。

【０００３】更に、放送システムとは別のセル式システ
ムを含む電話通信システムは、あるステーション、発呼
ステーションにいるユーザが、システム内の数百万の考
えられるステーションの中から別のステーション、被呼
ステーションと電話接続即ちリンクを選択的に確立し、
その被呼ステーションと両方向通信を行うことができ
る。従って、発呼者の「ダイヤルパルス」に応答してそ
のダイヤルパルス情報によって表された被呼ステーショ
ンとのリンクを確立するダイヤルスイッチング・ルーテ
ィングネットワーク装置が、全電話システムの特徴とな
る。更に、多くの国々において、電話システムは典型的
に商業的な性格のものである。そこで、消費者は、行っ
た通話に対して請求が課せられて支払いを行わねばなら
ない。通話に対する請求金額は、主として、通話時間及
び距離と、政府により課せられる該当する税金とによっ
て決まる。従って、通話に対する消費者の請求額を決定
して印刷する請求書発行装置も、電話システムの特徴で
ある。技術背景として示される電話システムのこれら装
置特徴は、当業者に良く知られており、これ以上説明し
ない。これらの特徴は、これ以上詳細に述べないが、本
発明のセル式システム内にも包含されると理解された
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が知っている
全てのこのようなセル式電話システムは、地上をベース
とするものである。即ち、セル式の移動ステーション
は、ローカル地上ベースステーションによって中央の電
話交換器とリンクされ、地上ベースステーションのある
ものは中央交換器に配置されていて、その到達範囲内の
移動ステーションへＲＦを送信したりそこからＲＦを受
信したりすることができる。これらの固定の地上ベース
のセル式装置は、移動ユニットと対話するように働き、
例えば、共同体の種々の位置にある高いビルディング又
は塔の上にその大部分が配置されて、下部の動力移動ス
テーションからの信号を受けやすいようにされている。

【０００５】営業コストと利益を考えることによって決
まるが、既存のセル式システムは、米国及びヨーロッパ
のほとんどの人口密集地域内では移動音声通信を果たす
ことができる。これらの国々の他の地域は、経済性が悪
いために本質的に除外されている。従って、セル式のシ
ステムは、更に人口が希薄である世界中の他の地域で
は、たとえその総人口が多くても、現在のところは提供
されていない。個人電話ビジネスでは、銅線ラインを長
距離にわたって敷設するのにコストがかかるために、２
０世紀初期には政府の奨励が発せられるまで、通常の電
話システムの電話線を米国内の農業地域へ拡張すること
が妨げられていたが、同様の経済的な考え方から、既存
のセル式技術をこのような人口が希薄な地域に導入する
ことも個人用のものについては延び延びになっていた。
セル式システムの設備をこれらの他の地域へ追加してい
く過程においては、更に高い経済性が得られることが待
たれている。政府の奨励が発せられるか（通常は、経済
性に係わりない理由で）、既存のセル式技術のコストが
大量生産によって下がるか、或いは更にコストの低い新
しい技術が開発されなければ、世界中の人口の希薄な地
域にはセル式システムの設置を商業的に実現することは
できない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の特徴
は、以下の説明から明らかとなるように、人口の密集し
た地域をサービスするだけでなく、特に人口の希薄な地
域でも商業的に実現可能なベースでセル式電話通信を行
えるようにする改良された技術を提供するという効果を
もたらす。

【０００７】この効果を達成するために、本発明は、新
規な通信サテライトコンステレーション、即ち、惑星に
対して相対的に離れた位置に多数の通信サテライトを幾
何学的に配置したものを使用している。地理的に静止し
た軌道を進む通信サテライトは、長距離有料電話ネット
ワークに現在使用されていることが分かっている。これ
らは、例えば海洋をまたぐように長距離にわたって延び
る電話リンクを形成する。地理的に静止したサテライト
は、地球がその軸に対して回転するのと同じ２４時間の
周期で地球軌道を回り、即ち、サテライトは地理的に同
期している。このように地球と同じ周期で移動すると、
地上にいる観察者にとってサテライトは静止して見え
る。多くの場合に、これらの地理的に静止したサテライ
トは、海底の光ファイバ電話ケーブルに対する別のリン
クともなり得るし、他の場合には、サテライトが唯一の
リンクとなることもある。不都合なことに、このような
サテライトは、各々、地球の限られた部分しかカバーす
ることができない。

【０００８】本発明のセル式システムは、地球に対する
選択的非同期軌道に配置される通信サテライトも使用し
ている。これらのサテライトは、長距離の大陸間通信を
行うために他の通信リンクに関連して使用される。

【０００９】船舶や航空機に対する移動サテライト通信
は、現在は、インターナショナル・マリタイム・サテラ
イト・オーガナイゼーションが所有するＩＮＭＡＲＳＡ
Ｔで得られている。アメリカン・モービル・サテライト
・カンパニ及びテレサット・モービル・インクのサテラ
イトシステムは開発中であると考えられる。ジェオスタ
ー、ロクスターは、移動通信を行うシステムである。エ
ウテル・トラックスは乗物の監視追跡を行うことのでき
るシステムである。このようなシステムは、次の５年内
に完成されて発進されたときには、北アメリカの移動通
信を行うであろう。以上に提案したシステムはどれも地
理的に静止したサテライトを使用しており、従って、重
量があり、かさばって且つ経費のかかる移動トランスポ
ンダを必要とする。

【００１０】国際電話サービスの一般の電話利用者は、
近年、主要工業国間の電話通信において相当の改善がな
され、特に充分な音量と音声の明確さが音声通信に実現
されていることを認識しているが、これら通信のあらゆ
る観点で全く満足している者はいない。これらの電話通
話においては、会話中に容易にコメントを差しはさむこ
とができず、つまり、一方の電話ステーションの音声発
生時と、離れた位置にある第２ステーションでの音声受
信時との間には、典型的に、１／４秒、即ち２５０ミリ
秒程度の時間遅れがあることが挙げられる。従って、お
そらく誰でもが会話が困難なものとなる。更に、電話利
用者はこの厄介な伝播遅延に素早く適応できない。ほと
んどの電話通話は局内のものでありそしてこれら通話に
おいては認知し得る遅れは生じないので、一般の利用者
は局内電話通話の手順については充分に馴染んでいる
が、時々行う長距離通話に対して「動揺を払いのける」
訓練は困難である。１９，３２３航海マイルの地理的に
静止した高度においては１／４秒の伝播遅延（”１ホッ
プ”時間）が生じるので、前記の地理的に静止したサテ
ライトシステムの音声伝達の質は、局内電話ネットワー
ク上で得られるものに比して低下すると考えられ、更
に、国と国との間でおそらく１０，０００マイルにわた
って延びる地上ベースの海底電話中継ケーブルに比して
も低下すると考えられる。この厄介な状態は国際通信に
おいては耐えられるが、望ましからぬものであり、局内
通話では回避しなければならないものである。本発明
は、地理的に静止したサテライトに本来ある長い時間遅
延の介入を回避することを利点とするものである。

【００１１】この伝播遅延についてはこれまでに色々考
えられている。米国、イリノイ州、シャンベルグのモー
トローラ社は、「イリジウム」と称する世界的な移動セ
ル式通信システムを最近発表しており、これは非静止軌
道に配置された通信サテライトを使用している。この提
案の詳細については分からず、又、このシステムはまだ
実施されていないが、この提案の一般的な特徴の幾つか
は更に検討する価値のあるものである。このイリジウム
システムは、「低地上高度」軌道に配置される７７個の
個別通信サテライトを使用するものである。この軌道
は、地表からの高度が４１３航海マイルしかない円形軌
道である。各サテライトは、必要に応じて他のサテライ
トと通信して通信リンクを確立することができる。この
イリジウムコンステレーションにあるサテライトと地上
のセル式ステーションとの間の距離は高度の高い地理的
に同期したサテライトに対して小さいので、ある電話ス
テーションから別のステーションまでのＲＦ伝播時間も
小さい。その結果、このシステムのステーション間の音
声通信の時間遅れは感じられない程度になる。このよう
に、時間遅れが感じられなければ、イリジウムシステム
の音声伝達の質は、地理的に静止したサテライトを組み
込んだシステムに比して高いものとなる。電話利用者
は、既存の局内の地上ベース電話ネットワークにおいて
学んだのと同様に別の利用者と会話することができる。
本発明の効果は、地理的に静止したサテライトについて
述べた遅延時間が実質的に減少され、そしてほとんどの
場合に上記の提案されたイリジウムシステムと同様に、
感じられない程度であることに注目されたい。

【００１２】上記の提案されたイリジウムシステムは、
非常に多数のサテライトを必要とする。更に、このシス
テムは、非常に多数のサテライトを発進することを考え
れば複雑で且つコストがかかり、そしてその運転におい
ては、サテライト間のクロスリンク形態を頻繁に変更す
る必要があることが予想される。

【００１３】特定の用途に係わりなく、これまでに多数
の研究者が潜在的なサテライトコンステレーションにつ
いての数学的な研究を行い、地球上の全ての位置を一重
又は二重にカバーするためのサテライトの最小数を決定
している。これらの研究者の一人がＪ．Ｇ．ウオルカー
氏であり、従って、円形コンステレーションをウオルカ
ーコンステレーションとも称する。ウオルカー氏は、デ
ィフェンス・テクニカル・インフォーメーション・セン
ター（ＤＴＩＣ）から入手できるロイヤル・エアクラフ
ト・エスタブリシュメント用に作成したテクニカルレポ
ート７７０４４（１９７７年３月）に掲載した「円形軌
道サテライトパターンによる連続的な全地球の網羅(Con
tinuous Whole-Earth Coverage by Circular-Orbit Sat
ellite Patterns)」と題する論文においてサテライトの
コンステレーションを一般的に定めている。ウオルカー
氏の考え方を使用すると、最小のサテライト数及び少な
くとも一重の全地球網羅に対して非常に多数のサテライ
トコンステレーションが定められることが印象付けられ
る。もう一人の研究者はジョンＥ．ドレイム氏であり、
世界中を網羅できる彼の定めた特定のコンステレーショ
ンにおいてサテライトの最小数が４であると決定してい
る。従って、ドレイム氏は、異なったコンステレーショ
ンを定めるこれまでの数学的規定に基づいて従来最小で
あると考えられていた最小５のサテライト数を１つ減少
した。

【００１４】例えば、本発明の後に出願人が知った１９
８９年８月８日付の米国特許第４，８５４，５２７号に
おいて、ドレイム氏は、世界中を網羅する４サテライト
コンステレーションについて述べており、サテライトは
各々が同じ周期で４つの別々の楕円軌道を運行し、これ
らサテライトは地球に交差する辺をもたない四面体を常
に定めるとしている。

【００１５】ウオルカー氏及びドレイム氏の上記研究
は、それらの目標及び分析に向けられたものであって、
セル式通信システムの特定の要求に関連したものではな
い。予期しないことではないが、これらの著者がその特
定の目的に対して提供したサテライト構成は、本発明に
類似してはいるが、同じであるとは考えられない。

【００１６】本発明は、移動セル式電話の利点と、宇宙
に上げられた通信サテライトの技術的な利点とを組み合
わせたものである。従って、本発明の主たる目的は、セ
ル式電話システム用の新規なサテライトコンステレーシ
ョンであって、移動セルステーションによって直接アク
セスできると共に、少なくとも局内ゾーン又は領域にあ
るステーション間で電話の会話を行うことのできるサテ
ライトコンステレーションを提供することである。本発
明の更に別の目的は、人口の集中した領域も、人口の希
薄な領域も、コスト効率の良い質の高いやり方で、半球
及び世界中を網羅することのできる移動セル式電話シス
テムを提供することである。

【００１７】前記目的によれば、本発明のセル式電話シ
ステムは、地球のような実質的に球状の惑星の所定領域
内で互いに離間された少なくとも１つの可動のセル式電
話ステーションと少なくとも１つの固定の電話ステーシ
ョンとを含んでおり、即ち、複数の通信サテライトで形
成されたサテライトコンステレーションがその所定領域
内でセル式及び固定の電話ステーションに対するＲＦ通
信リンクを形成する。このような領域内では、各ステー
ションから少なくとも１０度の仰角で通信サテライトの
少なくとも１つを見ることができる。いずれかのステー
ションとこのように目に見えるサテライトとの間の最大
ＲＦ伝播時間は６０ミリ秒以下である。更に、サテライ
トコンステレーションは、複数の通信サテライトが惑星
に対する軌道平面内の軌道をたどり、その軌道は、惑星
上の高度が中間地球軌道と称する４，０００ないし１
０，０００航海マイルの高度を越えて延びないことを特
徴とする。軌道平面の数は３以上であるのが適当であ
り、サテライトは軌道平面間に均一に分割される。

【００１８】軌道は円形もしくは楕円形である。本発明
の特定の特徴においては、各々４個のサテライトが３つ
の軌道平面に配置された１２個のサテライトでコンステ
レーションが形成される。各々の軌道平面内では、４個
のサテライトが均一に離間されて、惑星上５，６００航
海マイルの高度にある円形軌道を同じ方向に同じ速度で
進行する。このようなコンステレーションでは、各利用
者が世界的な規模で二重の網羅を受ける。別の態様で
は、半球網羅をなす楕円軌道が形成される。

【００１９】以下、添付図面を参照し、本発明の実施例
を詳細に説明する。図１は、本発明の通信システムを部
分的に記号で示している。セル式の通信サテライト１
は、軌道上を適当な速度で右へ移動するように示されて
いる。このサテライトは、地上ベースのセル式電話装置
との間でＲＦ信号をやり取りするための下向きのアンテ
ナ２及び２’を支持している。

【００２０】図示されたように、移動セル式ステーショ
ンは、乗物３内に搭載されていて無指向性アンテナ４を
経てセル式のアクセスを行うことができ、ハンドヘルド
の携帯用セル式ステーション５は各人により携帯され、
このステーションは無指向性アンテナ６を経てセル式通
信をアクセスすることができ、更に、固定の電話ステー
ションがブロック７で示されている。図示された領域に
あるこれらの地上ベース要素の各々は、少なくとも１０
度の仰角でサテライト１を見る。これらの要素はサテラ
イトの到達範囲内に入る。電話交換器９は、アンテナ１
０で示されたセル式通信装置も含んで示されている。電
話交換器９は、地上ベースの電話線１３を経て固定ステ
ーション７にアクセスし、通常そうであるように、一般
的に部分的に示された更に別の電話線を経て多数の他の
固定ステーションをアクセスすることができる。中央の
電話ステーションは、長距離課金ネットワーク１１を経
て長距離回線にもアクセスする。課金ネットワーク１１
は、被呼者にアクセスできるように適当な回線を選択す
る役目を果たし、これは、１５で示されたように、地上
電話線を経て被呼者の場所に基づいて行われる。セル式
システムには更に別の自動車セル式ステーションも含ま
れるが、説明の必要がないことを理解されたい。

【００２１】明らかなように、サテライト１は、図２以
降を参照して詳細に述べるコンステレーションにおける
多数のサテライトの１つであり、このコンステレーショ
ンにおいて地上５６００航海マイルの高度で円形軌道を
運行して、例えば、その下の図示のごときステーション
にＲＦ網羅を与えるサテライトの１つである。サテライ
トが移動して地上ステーションの視界範囲から外れる
と、そのコンステレーションの別のサテライトがそれに
代わってその範囲内に入り、その後、この後者のサテラ
イトは、セル式システムの通信リンクにおいて前者のサ
テライトと同じ機能を果たす。これについては、以下で
詳細に説明する。

【００２２】少なくとも、通信サテライトは、そのサテ
ライトが網羅する地域からその受信アンテナにおいて１
つの周波数帯域、例えばＦ１のＲＦ信号を受信し、これ
を中間周波数ＩＦに変換し、このＩＦを増幅し、そして
その信号を別の周波数、例えばＦ２の出力に変換し、こ
れを送信アンテナから同じ地域へ送信するように設計さ
れる。これは、実際には、「ダム（おし）」サテライト
であることを特徴とする中継器であり、入ってくるＲＦ
信号に含まれた基礎帯域情報、音声、データ及び／又は
交換メッセージを得ようとしないものである。これに対
し、当業者に良く知られた他の精巧なサテライト、即ち
「スマート」サテライトは、これらを行うことができ
る。あるサテライト設計では、多数のＲＦ出力ビーム
が、網羅された地域の選択された部分に別々に指向され
る。これらの設計では、入力信号がサテライト内で処理
されて、基線情報がデコードされ、到達すべきステーシ
ョンが第１ビームの地域にあるか第２ビームの地域にあ
るかが判断され、適当なビームが出力として選択され
る。

【００２３】ＲＦ搬送波が変調されるときには、情報が
話された言葉のようなアナログ音声情報であるか、デジ
タル音声情報であるか、デジタルデータ信号であるかと
いった情報が変調にしばしば含まれる。この情報の内容
は、話した言葉が伝えている意味であるか及び／又はデ
ータが現わそうとしている実体である。例えば、被呼ス
テーションの電話番号は、ダイヤルキーを押すことによ
って送られる。このような全ての情報を「基礎帯域」情
報と称する。例えば、電話交換器は、ＲＦ信号を復調し
て基礎帯域情報を抽出し、そして処理を行って、それが
ダイヤルされた番号の場合にはその情報に基づいて操作
をして被呼ステーションへの接続を確立する。

【００２４】本発明において機能することのできる現在
入手できる「ダム」サテライトは、移動ステーションの
無指向性アンテナから放射される０．５ワット程度の低
い電力レベルで発生された移動セル信号を受信できると
共にその移動ステーションへ送信できるような出力電力
をもつことができ、より重要なことには、そのような受
信感度及びアンテナをもつことができる。このような特
性のサテライトを構成するための設計上の考え方は公知
である。当業者に明らかなように、質の高い伝達を行う
ために送信及び受信に要求される電力は、主として、ア
ンテナのサイズによって決まり、アンテナが大きい程、
伝達は良好となる。確かに、地理的に静止した高度で使
用される通信サテライトは、ＲＦ電力が６００ワットで
あり、本発明のシステムではこれらのアンテナが使用さ
れる。ここに開示するシステムのサテライトの場合に
は、サテライトの推進重量が２４００ないし３０００ポ
ンドである。その消費電力は２６００ワット程度であ
り、そのうちの１５００ワットは移動ユニットに対する
下方リンク送信器に対するものである。サテライトは、
０．５ワット電力の移動セルステーションと通信を行う
と共に地上のベースステーションと通信を行えるに適し
たサイズのアンテナを含んでいる。

【００２５】本発明の通信プロトコルでは、サテライト
からの「ダウンリンク」送信Ｆ１が１．４ないし１．５
ＧＨｚの周波数レンジでありそして移動ステーションか
らサテライトへの「アップリンク」送信Ｆ２が１．５な
いし１．６ＧＨｚの周波数レンジであることが必要であ
る。これらの周波数レンジは、一般に、Ｂバンド周波数
と称する。電話交換器１１のような固定ステーションへ
の通信リンクには別の周波数選択が規定されており、そ
れはＫｕバンドである。そのダウンリンクについては、
周波数Ｆ１が１１．７ないし１２ＧＨｚのレンジであ
り、それに関連したアップリンク周波数Ｆ２が１４ない
し１４．５ＧＨｚである。個々のステーションとの間の
送信を一般にＦ１及びＦ２で示したが、これらステーシ
ョンの周波数は、同じ規定の周波数レンジ内に入るけれ
ども、互いの干渉を避けるために少なくとも若干異なる
ことを理解されたい。バンド内でのこれらの異なる周波
数は電話会社によってステーションに指定される。

【００２６】従って、既存設計の通信サテライトが本発
明のシステムに使用されてもよい。本発明は、その範囲
内で、スマート又はダムのいかなる形式の通信サテライ
トも包含する。当業者に明らかなように、本発明は、使
用する通信サテライトの種類や形式によって左右される
ものではなく、又、特定サテライト構造や細部の特定種
類によって左右されるものではない。従って、公知の通
信サテライトの公知の細部をこれ以上詳細に説明する必
要はなかろう。

【００２７】電話システムの以上の一般的な説明は、非
常に簡単なものであり、長距離又は局内通話の交換回路
やルート選択回路や請求書発行装置等の全ての観点を実
施するためにシステムに含蓄的に存在してこれまでにシ
ステムの実施にも見られている種々の公知形式の装置
は、ブロック形態ですら示していないことに注意された
い。というのは、その細部は本発明を理解する上で必要
なく、かえって本発明を明確に理解する妨げとなるから
である。

【００２８】図１に示すシステムの動作において、ある
人が送受器を外す（オフ・フック）ことによって移動ユ
ニット３から電話通話を開始したとすれば、そのステー
ションは、オフ・フック状態を指示するように変調され
た周波数Ｆ１のＲＦ信号を送信する。このＲＦ信号は、
そのときその地域をカバーしているサテライトによって
直接ピックアップされ、ここではサテライト１がアンテ
ナ２において信号をピックアップする。次いで、サテラ
イトは、その信号を解読し、アンテナ２’を経て周波数
Ｆ２でその下にある電話交換器９へそのアンテナ１０を
経て送信する。回線が使用できる場合には、通常はほと
んど瞬間的に、交換器９がサテライトへその旨指示し、
そしてサテライトは、同じ周波数Ｆ２によりコードを送
信する。このコードは、ステーション３がその発呼者ス
テーションの「タッチトーン」キーを押すことにより別
のステーションをダイヤルできるようにするものであ
る。次いで、サテライトは、搬送波周波数Ｆ１における
ＲＦ上の変調の形態としてその情報を受け取り、標準的
な通信サテライトの場合には、その情報を解読してそれ
を搬送波周波数Ｆ２で電話交換器へ再送信する。そのと
き、電話交換器９は、従来の回路を用いて被呼者への接
続を設定する。その詳細は当業者に明らかであり、ここ
では述べない。

【００２９】被呼ステーションは、例えば、固定ステー
ション７であり、この場合、交換器は接続を確立し、固
定ステーションの回線がビジーであるかどうか通常のテ
ストを行い、もし使用できれば、適当なリンギング電流
を電話線１３に供給し、これにより、被呼者の電話機は
リンギングのための可聴信号を発生する。被呼者が固定
ステーション７において応答するときには、電話の送話
器、マイクロホンに向かって話をし、その音声メッセー
ジが電話線を経て電話交換器へ伝えられる。次いで、電
話交換器は、その音声信号をそのＲＦ送信装置の搬送波
への変調信号として供給し、それをＦ１でサテライトへ
送信する。従来のやり方では、サテライト１は、それを
周波数Ｆ２に変換し、それを網羅されたエリアへダウン
リンクする。このエリアは、移動ステーション３を含む
と共に、その信号を送信していて今度はそれを放棄する
電話交換器９も含んでいるエリアである。

【００３０】次いで、移動ステーション３と固定ステー
ション７にいる人同士で会話を行うことができる。移動
ステーションからの音声変調されたＲＦ信号はサテライ
トへと上方に送られ、次いで、交換器及びステーション
７へと単一「ホップ」で下方に送られ、ステーション７
で発せられる音声メッセージはこれと逆に送られ、本明
細書のいずれかで詳細に述べるように若干の伝播遅延が
生じるに過ぎない。

【００３１】固定ステーション７ではなくて、移動ステ
ーション３にいる利用者が移動ステーション５と通話し
たい場合には、要素の相関関係が若干異なる。この場合
は、電話交換器９が別の移動ステーションへの通話を検
出し、ステーション５の周波数を搬送波Ｆ２の変調信号
として送信する。サテライト１は、その信号を受信して
解読し、ステーション５を含むカバーされたエリアへそ
の信号を本質的に送信する。

【００３２】交換器９は、そのローカル回路を通して、
ステーション５がビジー状態であるかどうかチェック
し、そのステーションが使用できると分かると、適当な
コードを発生し、これにより、ステーション５にリンギ
ング信号を生じさせる。交換器は、ＲＦ搬送波Ｆ１につ
いての変調信号としてコードを送信し、サテライトは、
前記したようにこれをＲＦ搬送波Ｆ２に変換し、その信
号Ｆ２をカバーされたエリアに送信する。ステーション
５は、そのコードを認識し、ステーション内の音声回路
を動作させ、入呼びを知らせる信号が発生される。短い
時間中、電話が鳴る。ステーション５を動作させて通話
を受け取るときには、２つの移動ステーションが通信リ
ンクに入れられ、両方向通信を行うことができる。この
場合、移動ステーション３によって放射された変調周波
数はサテライトへ送られ、そこから交換器９へ送られ
る。次いで、交換器は、そのアンテナ１０から信号をサ
テライト１へ戻し、サテライトは再びその信号を他の移
動ステーションへ送信する。

【００３３】明らかなように、発呼者によって入力され
た音声メッセージは、サテライトと中央の交換器への２
つの経路、即ち「二重ホップ」をたどり、その後に、第
２の移動ステーションに受け取られる。これは、実際
上、伝播時間及び遅延時間を、固定ステーションでの前
記例に比して２倍にする。たとえ、このような「二重ホ
ップ」であったとしても、伝播遅延は、地理的に静止し
た高度にサテライトを使用することにより生じる時間よ
りも短い。

【００３４】移動ステーション対移動ステーションの通
信においては特定形式のスマートサテライトを組み込む
ようにシステムを変更することによりこのような二重ホ
ップを除去できることに注意されたい。このようなサテ
ライトでは、プロセッサがダイヤル信号パルス列の基礎
帯域情報をチェックすると共に、移動ステーションが呼
び出されているかどうかのチェックも行う。このような
場合には、プロセッサはそのメモリをチェックし、電話
信号を直接送信する。したがって、通話は単一ホップで
終了する。

【００３５】伝播遅延は、地上のサテライト高度に関係
している。ＲＦ信号は本質的に光の速度で進むので、サ
テライトの高度が高いほど、伝播遅延は大きくなる。本
発明では、セル式ステーションから視界内のサテライト
までの伝播遅延は６０ミリ秒以下であり、サテライトか
ら地上の交換器までの伝播遅延も６０ミリ秒以下であ
る。従って、単一ホップ送信時間は１２０ミリ秒以下で
ある。例えば、５６００航海マイルの高度においては、
本質的にサテライトの下に両方とも配置された２つのス
テーションからの１ホップ伝播時間は６９ミリ秒である
一方、最小１０度の仰角で離間された２つのステーショ
ンの最大伝播遅延は９６ミリ秒である。

【００３６】地上ステーションからサテライトへそして
地上へと再び戻る単一ホップにおけるステーション対ス
テーションの伝播時間とサテライト高度との間の関係
は、サテライトが最小１０度の仰角にあるときに最大範
囲が生じるようにすると、次のように示される。

【００３７】到達範囲は、特定のサテライトのＲＦ受信
及び送信特性によって効果的に取り扱われる地理的な領
域、即ち、サテライトが通信できる惑星である地球上の
領域でサテライトの下にあたる領域を示している。例え
ば、あるものが地球から充分遠くにある場合にはその視
線を考えると、目で見て半球を網羅することになる。と
ころがサテライトを地球に向けて低く移動するにつれ
て、半球の一部分しか見えなくなってくる。所与のアン
テナ及び受信感度を含むサテライトについても、そのサ
テライトが地球に近づいたり離れたりするにつれて、同
じことが言える。もちろん、サテライトアンテナの指向
性を強くすることにより、サテライトがカバーする領域
は更に限定される。

【００３８】本発明は、サテライトを３つの傾斜した軌
道平面内に配置するようなサテライトのコンステレーシ
ョンを使用している。この軌道平面は、惑星に対して均
一に離間されており、地球の赤道である緯度０にとった
それらの上昇するノードは１２０度づつ離されている。
いずれの軌道によって得られる地球上の最大距離も、地
球上５，０００ないし１０，０００航海マイルの範囲内
にあり、これを「中間地球」軌道と称する。

【００３９】円形軌道の場合には、サテライトは常に中
間地球軌道の範囲内に保たれる。しかしながら、以下で
述べる楕円軌道の場合には、サテライトは、ある一部の
時間中はその範囲内に保たれるが、周期的な移動中のそ
の他の時間には、低高度地球軌道と称する範囲内を運行
する。例えば、以下で述べる１つの打円軌道において
は、遠地点高度が６，３００航海マイルであり、近地点
高度が地球上６００航海マイルである。

【００４０】図２に一般的に示された第１のコンステレ
ーションを詳細に説明すれば、１ａ−１ｃ、２ａ−２ｃ
及び３ａ−３ｃと示された従来構造のものである一連の
９個の通信サテライトが、地球を現す惑星Ｅのまわりの
円で示された３つの軌道平面Ｐ１、Ｐ２及びＰ３間に均
一に分割されて配置されている。３つのサテライト１
ａ、１ｂ及び１ｃは、軌道平面Ｐ１に配置され、同じ円
形軌道を同じ速度で同じ方向に移動する。これらのサテ
ライトは、１２０度の弧によって互いに等しく離間され
る。

【００４１】各サテライトは、地上５６００航海マイル
の高度にある円形軌道を運行する。サテライトの１つ
は、惑星の後で視界から隠れるために破線で示されてい
る。各軌道平面は、緯度０で現された地球の赤道面に対
して５５度の角度に傾斜されている。上昇するノードの
間隔は１２０度である。平面Ｐ２のサテライト２ａ、２
ｂ及び２ｃと、平面Ｐ３のサテライト３ａ、３ｂ及び３
ｃは同じである。各軌道内では、サテライトが均一に離
間され、地上５６００航海マイルの同じ高度を同じ速度
で運行する。３つの軌道は、平面及び相対的な位相が異
なる以外は、同一である。

【００４２】隣接軌道平面内のサテライト間の相対的な
位相角は、８０度である。従って、コンステレーション
内の１つのサテライトが地球上のカバーされた位置から
見て視界から消える前に、少なくとも１つの別のサテラ
イトが１０度の仰角上で視界に入ることになる。地上の
最小仰角は１０度である。前記のコンステレーション
は、地球上の各位置を１回カバーするようにして全世界
をカバーする。

【００４３】前記例の３つの円形軌道を用いて全世界を
二重にカバーするようにするため、各軌道におけるサテ
ライトの数を１だけ増加して、軌道平面当たり全部で４
つのサテライトが３６０／４即ち９０度離間されるよう
にし、全部で１２個のサテライトを運行させる。これが
図３に示されており、理解を助けるために図２の要素の
呼称がそのまま使われている。この図は、サテライト１
ａ−１ｄ、２ａ−２ｄ及び３ａ−３ｄを含んでいる。隣
接する軌道平面内のサテライト間の相対的な位相は９０
度である。即ち、サテライト１ａと２ａとの間の位相は
９０度であり、２ａと３ａとの間の位相は９０度であ
り、等々となる。この例の軌道を定める他の要素は前記
例の場合と同じである。

【００４４】全世界的なカバーが所望される場合には、
円形軌道が好ましい。しかし、半球のカバーしか所望さ
れない場合は、楕円軌道のコンステレーションが好まし
い。半球カバーに対するこれらの付加的なコンステレー
ションが図４及び５に示されており、ここでも、便宜
上、追加のプライム（’）記号を含む以外は同様の呼称
が前記の対応する要素に使用されている。例えば、地球
の北半球、特に、北緯２０度から北緯９０度までを一重
にカバーするための好ましい楕円軌道は、図４に示すよ
うに、軌道平面当たり２個のサテライトで３つの軌道平
面について６個のサテライトを含むことになる。

【００４５】軌道は、遠地点高度６３００航海マイル、
近地点高度６００航海マイル、平面傾斜６３．４度、上
昇ノード間隔１２０度、近地点のアーギュメント２７０
度、及び隣接軌道平面内のサテライト間の相対位相１８
０度によって定められる。最小地上仰角は１０度であ
る。

【００４６】北半球を二重にカバーする場合には、前記
コンステレーションにあるサテライトの個数が３だけ増
加されそして軌道平面当たりのサテライトの個数は図５
に示すコンステレーションに示すように３に増加され
る。この場合、隣接軌道平面内のサテライト間の相対位
相角は１８０度である。遠地点、近地点、傾斜及び上昇
ノード角の他の軌道パラメータは、前記の場合と同じで
ある。最小地上仰角も１０度である。

【００４７】遠地点高度が６３００航海マイルの楕円コ
ンステレーションにおいては、本質的にサテライトの下
に位置した２つのステーションからの１ホップ伝播時間
が７８ミリ秒であり、最小仰角１０度に離間された２つ
のステーションの最大伝播遅延が１０５ミリ秒である。

【００４８】以上のコンステレーションを表にまとめる
と、次のようになる。コンステレション範囲全世界北半球一重二重一重二重サテライトの個数 9 12 6 9 軌道平面数 3 3 3 3 平面当たりのサテライト 3 4 2 3 遠地点高度(nm) 5600 5600 6300 6300 近地点高度(nm) 5600 5600 600 600 傾斜度（度） 55 55 63.4 63.4 上昇ノード間隔 120 120 120 120 近地点アーギュメント 0 0 270 270 隣接軌道平面内のサテライト 80 90 180 120 間の相対位相（度）最小地上仰角（度) 10 10 10 10

【００４９】円形軌道及び楕円軌道によって与えられる
範囲は、著しく異なる。円形軌道は北緯又は南緯のいず
れにも適しておらず、従って、全世界的な範囲を与え
る。楕円軌道は全世界のある部分又は他の部分に適して
いる。従って、範囲を北緯に限定することが所望される
場合には、楕円軌道が好ましい。サテライトが到達する
最大の北緯（傾斜度に等しい）に遠地点を配することに
より、北緯に対する範囲が最大にされる。より少数のサ
テライトでこれらの緯度に対し同じ範囲（一重又は二
重）を与えることもできる。

【００５０】地球に対して低高度の軌道、又は近地点高
度が４０００航海マイル以下で地球に接近するような楕
円軌道においては、サテライトがバン・アレン放射ベル
トに遭遇する。この領域は有害な放射があることを特徴
とする。従って、この放射ベルト中を進行するサテライ
トは、電子装置、特に半導体回路の早期の故障を防止す
るように放射から保護されねばならない。従って、別の
実施例の楕円軌道に配置されるサテライトは、重量が大
きくなる。

【００５１】前記コンステレーションにおいて、サテラ
イトは、地上の固定位置から見ると空を横切って移動す
る。１つのサテライトが水平線のかなたに消えると、少
なくとも１つの他のサテライトが視界に現れるか又は１
０度又はそれ以上の仰角で現れる。

【００５２】地理的に静止する高度又は現在のコンステ
レーションよりも相当に低いことにより、高品質の電話
通信を行えるようにしつつも、サテライト及び地上の両
方の送信所要電力が低減される。通信サテライトが従来
サイズのアンテナを有する場合、本発明のシステムで
は、無指向性アンテナを含むハンド・ヘルドの移動セル
ステーションが０．５ワット程度のＲＦ電力を使用する
だけでよく、これは米国内で現在市販されているほとん
どのコンパクトなハンド・ヘルドユニットの電力レベル
である。これに対し、地理的に静止したサテライトに使
用される０．５ワットのセル式ステーションでは、米国
ＦＣＣ（フェデラル・コミュニケーションズ・コミッシ
ョン）によって現在割り当てられているＬバンド移動周
波数の非常に大きなサテライトアンテナが必要とされる
ことになる。

【００５３】本発明の効果は、その実施を少なくとも２
つの段階で行ない、システムを運転したときに学習した
実際の経験からシステムの拡張を後の段階で行えること
である。従って、最初に９個のサテライトで図２のコン
ステレーションを形成し、そしてその後に、３個のサテ
ライトを追加することによりシステムを拡張し、世界的
な規模で最低二重のカバーを果たすようにして、図３の
コンステレーションを得ることができる。

【００５４】本発明のシステムでは少数の軌道平面しか
必要でないので、最初は、サテライトの発射に著しい融
通性が与えられる。１回の発射に３個までのサテライト
を組み合わせ、安価なインステレーションにすることが
できる。

【００５５】サテライトは、適当な地上制御ステーショ
ンによって制御されるスラスターを搭載している。これ
らのスラスターは、従来の位置設定・制御アクセサリー
であり、コンステレーションの組み立てに際し、地上制
御器によりサテライトの速力を減じたり加速したりして
軌道内を前後に移動できるように助成する。従って、例
えば、ここに述べるコンステレーションの組み立てにお
いては、３個のサテライトがロケットやエンジンのよう
な１つの発射ビヒクルにおいて空中に打ち上げられ、軌
道内の１つの点において解放される。地上の制御器は、
第１のサテライトのスラスターを動作してその速度を下
げる一方、第３のサテライトのスラスターを動作して前
方に押しやる。これにより、３つのサテライトは、発射
ビヒクルから落とされた後に、同じ円形軌道の周囲に１
２０度づつ離れて配置される。もちろん、３つの別々の
軌道の場合には、サテライトのグループが少なくとも３
つの別々の発射ビヒクルにおいて空中に打ち上げられ、
前記のように位置設定されるか、或いは発射ビヒクルが
シャトル型のような再使用可能なものである場合には、
これを３回別々に使用して３つの軌道を満たすようにす
る。

【００５６】この後者のコンステレーションの更に別の
効果は、システムの１つのサテライトが故障した場合
に、その故障したサテライトが修理されるか又は交換さ
れて完全なサービスが復帰するまで、減じられた数の電
話リンクでもって世界的な規模でサービスを継続できる
ことである。サテライトの運転寿命は宇宙をフライトす
る運転時間によって決まるので、３個のサテライトを後
で追加することは、少なくともこれらの３個が、最初の
９個のサテライトの運転寿命後も運転を継続し、従っ
て、ある時間にわたって交換コストを分散させながら、
システムのある部分は常に動作状態に維持できることを
意味する。

【００５７】本発明の特定の効果は、地理的に静止した
通常のサテライトや海底ケーブルをリンクの一部分とし
て使用する必要なくある大陸間電話通話を単一ホップで
しばしば処理できることである。より詳細には、本シス
テムは、ヨーロッパと北アメリカ、又は北アメリカと日
本の一対のポイントを含むエリアを１つのサテライトで
カバーできるようにする。従って、地理的に静止したサ
テライトシステムの不便な伝播遅延をもたないサテライ
トによって国際電話通話が可能となる。

【００５８】以上の説明においては、音声メッセージ、
即ち話した言葉の送信及び受信について電話を説明し
た。しかしながら、音声メッセージ以外の音声信号も電
話線に送れることが当業者に明らかであろう。例えば、
アクセサリーモデムを使用することにより、電話線を介
してコンピュータのデータを音声周波数信号として送る
ことができる。同様に、ファクシミリマシンを適当なモ
デムによって電話線に接続し、このモデムによって発生
される音声周波数信号により離れたファクシミリマシン
へ文書のコピーを送ることもできる。音声メッセージは
セル式通信の主たる駆動力であるが、音声通信を用いた
付加的な例がここに述べた電話通信の範囲内に含まれる
ことを理解されたい。

【００５９】本発明の好ましい実施例の前記説明は、当
業者が本発明を利用して実施するのに充分なものであろ
う。しかしながら、前記した細部は本発明の範囲を限定
するものではなく、本発明の範囲内で種々の変更や修正
がなされ得ることが当業者に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるセル式電話システムの概略図であ
る。

【図２】図１の実施例に関連して使用される単一カバー
の円形軌道を有する通信サテライトコンステレーション
を示す図である。

【図３】図２のサテライトコンステレーションの別の形
態を示す図で、二重カバーを果たす構成を示す図であ
る。

【図４】図１のセル式システムに使用される単一カバー
を果たす楕円軌道のコンステレーションを示す図であ
る。

【図５】図４のサテライトコンステレーションの別の形
態を示す図で、二重カバーを果たす構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１セル式通信サテライト２、２’ アンテナ３乗物４、６無指向性アンテナ５携帯セルステーション７固定電話ステーション９電話交換器１０アンテナ１１長距離課金ネットワーク１３電話線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ピーターエイチクレスアメリカ合衆国カリフオルニア州 90266 マンハツタンビーチナインスストリート 932

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの可動のセル式の電話ス
テーションと、少なくとも１つの固定の電話ステーショ
ンとが実質的に球状の回転する惑星の所定領域内に離間
されているようなセル式通信システムであって、サテラ
イトコンステレーション手段が上記惑星及び上記ステー
ション上のスペースに配置されて上記セル式及び固定電
話ステーションへのＲＦ通信リンクを果たし、上記ステ
ーション間に通信路が確立されるようになったシステム
において、上記サテライトコンステレーション手段は、
３Ｎ個の通信サテライトを備え、これらサテライトは、
円形状の３つの別々の実質的に同一の軌道間に均一に分
割され、ここでＮは少なくとも３で且つ４以下の全数で
あり、上記軌道の各々は、惑星の緯度０に対して５５度
の角度で傾斜した軌道平面内にあり、上記軌道の上昇ノ
ードは上記惑星の中間緯度に対して均一に１２０度離間
されており、全ての上記サテライトは、惑星の時計方向
又は反時計方向の同一方向に、惑星の回転周期と非同期
な同じ周期率で、惑星上５６００航海マイルの高度を進
行し、上記コンステレーション内の上記サテライトの少
なくとも１つは、１０度以上の仰角で上記可動のセル式
ステーションからいつでも見ることができ、そして上記
所定の領域内で上記セル式ステーションからいつでも見
ることのできるいずれかの上記サテライト間のＲＦ伝播
遅延は６０ミリ秒以下であることを特徴とするシステ
ム。
【請求項２】各々の上記軌道は、上記惑星上同様の高
度にある所定の円形形状のものである請求項１に記載の
システム。
【請求項３】各々の上記軌道の上記高度は５６００航
海マイルである請求項２に記載のシステム。
【請求項４】上記軌道の上記傾斜度は５５度である請
求項２に記載のシステム。
【請求項５】上記複数のサテライトは、９から１２ま
での範囲の数である請求項４に記載のシステム。
【請求項６】各々の上記軌道は、上記惑星上同様の遠
地点高度及び近地点高度をとる所定の楕円形状である請
求項１に記載のシステム。
【請求項７】各々の上記軌道の遠地点高度は６３００
航海マイルであり、近地点高度は６００航海マイルであ
る請求項６に記載のシステム。
【請求項８】地球の地域を通じて電話通信を行う請求
項１に記載のセル式電話システムを構成する方法におい
て、発射ビヒクルにおいて第１軌道へ複数の通信サテライト
の少なくとも１つを打ち上げ、この打ち上げたサテライ
トを上記発射ビヒクルから所定の軌道傾斜角で中間地球
軌道へ解放し、発射ビヒクルにおいて第２軌道へ複数の通信サテライト
の少なくとも１つを打ち上げ、この打ち上げたサテライ
トを上記発射ビヒクルから上記所定の軌道傾斜角で中間
地球軌道へ解放し、発射ビヒクルにおいて第３軌道へ複数の通信サテライト
の少なくとも１つを打ち上げ、この打ち上げたサテライ
トを上記発射ビヒクルから上記所定の軌道傾斜角で中間
地球軌道へ解放し、上記中間地球軌道は、地球上の高度が４０００航海マイ
ルから１００００航海マイルまでの範囲内の最大高度を
もつ軌道であり、そして上記第１、第２及び第３軌道
は、１２０度離間されていることを特徴とする方法。