JP6853395B2 - Methods for maintaining the signal-to-noise ratio at user terminals in satellite systems - Google Patents

Description

関連件の陳述
本件は、2015年10月14日に出願した、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第62/241449号の優先権を主張する。 Statement of Related Matters This case claims the priority of US Patent Application No. 62/241449, which was filed on October 14, 2015 and is incorporated herein by reference.

本発明は、地球軌道通信衛星と、それに使用するユーザ端末とに関する。 The present invention relates to an earth orbit communication satellite and a user terminal used therein.

非静止衛星システムは、静止軌道(地球表面から約36000キロメートル上)以外の高度において地球を周回する衛星のグループまたはコンステレーションを備える。低地球軌道(LEO:low earth orbit)にある非静止衛星システムは、非静止衛星のより低い軌道により、地球同期衛星システムよりも少ない伝搬損失と少ない伝搬遅延とを有する。結果として、そのような衛星は、インターネットサービスなどの対話型通信に関して、静止衛星よりも適している。 A non-geostationary satellite system comprises a group or constellation of satellites orbiting the Earth at altitudes other than geostationary orbit (approximately 36000 kilometers above the surface of the Earth). Non-geostationary satellite systems in low earth orbit (LEO) have less propagation loss and less propagation delay than geosynchronous satellite systems due to the lower orbits of non-geostationary satellites. As a result, such satellites are more suitable than geostationary satellites for interactive communications such as Internet services.

静止衛星システムは、地球の回転周期に等しい軌道周期を有し、したがって、地球からは、空の固定位置にあるように見える。非静止衛星は、比較的より高速で移動し、したがって、地上の観察者には、地平線から地平線へ頭上を通り過ぎるように見える。非静止衛星と地球との間のこの相対的な動きのため、そのような衛星は、地上のユーザ端末の範囲の内外に移動する。そのような端末は、したがって、連続通信を達成するために、ある衛星から次の衛星へそれらの通信リンクを切り替えなければならない(すなわち、ハンドオフ)。 Geostationary satellite systems have an orbital period equal to the Earth's rotation period, and therefore appear to the Earth to be in a fixed position in the sky. Geostationary satellites move at relatively higher speeds and therefore appear to ground observers to pass overhead from horizon to horizon. Due to this relative movement between non-geostationary satellites and the Earth, such satellites move in and out of the range of user terminals on the ground. Such terminals must therefore switch their communication links from one satellite to the next (ie, handoff) in order to achieve continuous communication.

いくつかのシステムでは、衛星からユーザ端末への無線送信は、異なる方向に向けられた複数の独立したビームの形態である。したがって、衛星間のハンドオフと競合する地上ユーザ端末に加えて、衛星のカバレッジエリアが特定のユーザ端末を通過するにつれて、個々の衛星の個々のビーム間にハンドオフが存在する。 In some systems, the radio transmission from the satellite to the user terminal is in the form of multiple independent beams directed in different directions. Thus, in addition to terrestrial user terminals competing with intersatellite handoffs, there are handoffs between individual beams of individual satellites as the coverage area of the satellite passes through a particular user terminal.

最適な状況では、各衛星は、そこから放射されるビームが指定された方向において「指し示している」ように、宇宙空間内で適切に配向される。しかしながら、現実は、ビームがシステム設計に従って正確に指し示していないように、個々のビームに関する任意の他の誤差に加えて、衛星の姿勢において誤差が存在する可能性がある。ビーム照準におけるそのような不正確さは、ユーザ端末における信号対雑音比(SNR)の低下をもたらす。 Under optimal circumstances, each satellite is properly oriented in space so that the beam emitted from it "points" in a specified direction. However, in reality, there may be errors in the attitude of the satellite, in addition to any other errors with respect to the individual beams, so that the beams do not point exactly according to the system design. Such inaccuracies in beam aiming result in reduced signal-to-noise ratio (SNR) at the user terminal.

ビーム照準は、2つの方法においてSNRに影響を及ぼす。1つの方法は、コンステレーション内の2つの隣接する衛星が互いにわずかに離れて指し示す場合、これらの衛星間の地上にカバレッジにおけるギャップが生じる場合があることである。SNRが影響を受ける可能性がある第2の方法は、単一の衛星がわずかに間違った方向を指し示し、その衛星からの2つのユーザビーム間の分割線が地球の表面上の位置をシフトした(たとえば、前方または後方など)ときである。この分割線は、両方のビームからの信号強度が等しい場所であると定義される。ユーザ端末が、(天体暦および端末の位置の知識から演繹的に計算されるような)時間に基づいてあるビームから次のビームにその電気通信接続を切り替えるシステムにおいて、分割線がその予想される位置からシフトしている場合、端末は、シフトの前後で不均等な信号強度を経験することになる。 Beam aiming affects SNR in two ways. One method is that if two adjacent satellites in the constellation point slightly apart from each other, there may be a gap in coverage on the ground between these satellites. The second way the SNR can be affected is that a single satellite points in a slightly wrong direction and the dividing line between the two user beams from that satellite shifts its position on the Earth's surface. When (for example, forward or backward). This dividing line is defined as the location where the signal intensities from both beams are equal. Dividing lines are expected in systems where the user terminal switches its telecommunications connection from one beam to the next based on time (as calculated deductively from the ephemeris and knowledge of the terminal's position). When shifting from position, the terminal will experience uneven signal strength before and after the shift.

現在、この問題に対処するいくつかの方法が存在する。1つの方法は、モバイル電話通信において一般的な技法を使用することであり、ユーザ端末は、現在受信されている信号の電力と、他のチャネルにおいて受信される他のビームの電力とを比較する。別のビームの受信電力が現在受信されている信号の受信電力を超えるとすぐに、ユーザ端末は、切り替えを実行する。そのとき、2つのビームの受信信号強度は、互いに非常に近くなり、SNRの変化をほとんど生じない。しかしながら、この手法は、かなりの量のオーバヘッドトラフィックを生じる。問題に対処する第2の方法は、ビーム照準において非常に厳しい公差(最大0.2度まで)で各衛星を設計することである。しかし、これは、厳しい製造公差に加えて、衛星において比較的より高価なハードウェアを必要とする。安価な衛星制御システムがこの公差を満たす可能性は低い。第3の手法は、比較的貧弱なサービスの品質がユーザに提供されることを受け入れることである。 Currently, there are several ways to deal with this problem. One method is to use a common technique in mobile telephone communication, where the user terminal compares the power of the signal currently being received with the power of other beams received on other channels. .. As soon as the received power of another beam exceeds the received power of the signal currently being received, the user terminal performs the switch. At that time, the received signal intensities of the two beams are very close to each other, causing almost no change in SNR. However, this approach produces a significant amount of overhead traffic. The second way to address the problem is to design each satellite with very tight tolerances (up to 0.2 degrees) in beam aiming. However, this requires relatively more expensive hardware in the satellite, in addition to tight manufacturing tolerances. Inexpensive satellite control systems are unlikely to meet this tolerance. The third method is to accept that relatively poor quality of service is provided to the user.

この第1の手法は、過剰な量の電気通信トラフィックをもたらし、第2の手法は、問題を回避することを試み、第3の手法は、問題を無視する。これらの手法のいずれも、特に満足のいくものではない。 This first method results in an excessive amount of telecommunications traffic, the second method attempts to avoid the problem, and the third method ignores the problem. Neither of these methods is particularly satisfactory.

米国出願第14/627577号US Application No. 14/627577

本発明は、ユーザ端末が衛星から送信されたあるビームから次のビームに通信を切り替えるとき、信号対雑音比を維持するためのシステムおよび方法を提供する。本発明は、
いつハンドオフするかを決定するのに従来の手法を使用する(すなわち、チャネルにおける受信電力を比較する)のではなく、タイミングベースの手法が使用され得る、
角度オフセットとタイミングの不一致との間の関係が定義され得る、
関係から得られる情報が、次いで、
(ユーザ端末が両方のビームから等しい信号強度を受信するように)ビーム切り替え時間を調整するために使用され得る、および/または、
切り替え時間の調整が不要になるように、衛星が必要な姿勢調整を行うことができるように、衛星にフィードバックされ得る
といういくつかの洞察に基づく。 The present invention provides a system and method for maintaining a signal-to-noise ratio when a user terminal switches communication from one beam transmitted from a satellite to the next. The present invention
Rather than using traditional techniques to determine when to hand off (ie, comparing received power in a channel), timing-based techniques can be used.
The relationship between angular offsets and timing discrepancies can be defined,
The information obtained from the relationship is then
Can be used to adjust beam switching times (so that the user terminal receives equal signal intensities from both beams) and / or
It is based on some insight that the satellite can be fed back so that it can make the necessary attitude adjustments so that no adjustment of the switching time is required.

特定の時間においてユーザ端末において受信される電力が予想されたレベルにない多くの理由が存在する。理由は、衛星の姿勢における偏差(ピッチ、ロール、ヨー)、個々のビームが機械的に位置ずれされ得ること、ビーム形状の変動、ビーム強度の変動、衛星がその軌道上の規定位置に正確に位置しない場合があることなどを含む。これらの問題の各々は、なんらかのパラメータ(たとえば、衛星軌道位置、ビーム方位角など)によって特徴付けられる。また、これらの問題の各々は、タイミング誤差をもたらすことになる。 There are many reasons why the power received at a user terminal at a particular time is not at the expected level. The reasons are deviations in satellite attitude (pitch, roll, yaw), individual beams can be mechanically misaligned, beam shape fluctuations, beam intensity fluctuations, satellites accurately in their orbital position. Including that it may not be located. Each of these problems is characterized by some parameter (eg, satellite orbit position, beam azimuth, etc.). Also, each of these problems will result in timing errors.

より具体的には、理想的には、ユーザ端末において受信された電力が両方のビームについて同じであるとき、ユーザ端末は、その通信をある衛星ビームから次の衛星ビームに切り替える。これは、ユーザ端末がビームを切り替えるときに一定の信号対雑音比をもたらす。この切り替えは、スケジュールに従って実行される。具体的には、ユーザ端末は、ユーザ端末が、特定の時間において、どの衛星および衛星のどのビームと通信すべきであるかを示すルックテーブルを受信する。テーブル内の情報は、ビームがすべて正確に予想されるように指し示していることを仮定する。それらがそうでない場合、前述の問題のいずれかによって引き起こされるように、切り替え時間は、誤りである。したがって、受信された電力レベルが切り替え時に変更されないままなのではなく、受信電力において変化、典型的には低下がある。これは、信号対雑音比における低下をもたらす。 More specifically, ideally, when the power received at the user terminal is the same for both beams, the user terminal switches its communication from one satellite beam to the next. This results in a constant signal-to-noise ratio when the user terminal switches beams. This switch is performed according to the schedule. Specifically, the user terminal receives a look table indicating which satellite and which beam of the satellite the user terminal should communicate with at a specific time. It is assumed that the information in the table points all the beams exactly as expected. If they are not, the switching times are incorrect, as caused by any of the problems mentioned above. Therefore, the received power level does not remain unchanged at the time of switching, but there is a change, typically a decrease, in the received power. This results in a reduction in the signal-to-noise ratio.

本教示によれば、ビーム照準情報は、ユーザ端末によって取得される。具体的には、ユーザ端末は、ビームから受信された電力の読み取り値を時間の関数として取得する。システムは、そのデータを取り出し、それを予想される電力レベルと比較する。その比較から、衛星の姿勢(すなわち、ロール、ピッチ、およびヨー)における誤差に相関する情報が抽出され得る。衛星の姿勢における誤差を決定することに加えて、測定データは、他のタイプの誤差を同様に捉えることができる。 According to this teaching, the beam aiming information is acquired by the user terminal. Specifically, the user terminal acquires the reading of the power received from the beam as a function of time. The system retrieves the data and compares it to the expected power level. From that comparison, information that correlates with errors in satellite attitudes (ie, roll, pitch, and yaw) can be extracted. In addition to determining the error in satellite attitude, the measurement data can capture other types of error as well.

最終的に、ユーザ端末から取得された測定値によって生成されたビーム照準情報は、(1)ユーザ端末が第1のビームから第2のビームに通信を切り替える時間を変更するため、または(2)衛星の姿勢を調整する(それによって、衛星からユーザ端末に送信されるビームの指向角における任意の誤差を補正する)に使用される。 Finally, the beam aiming information generated by the measurements obtained from the user terminal can be (1) to change the time it takes for the user terminal to switch communication from the first beam to the second beam, or (2). It is used to adjust the attitude of the satellite, thereby correcting any error in the direction angle of the beam transmitted from the satellite to the user terminal.

家庭にインターネットサービスを配信するための衛星システム100を示す図である。It is a figure which shows the satellite system 100 for delivering an Internet service to a home. システム100の衛星から送信されるビームを示す図である。It is a figure which shows the beam transmitted from the satellite of the system 100. 衛星から送信されるビームにおけるロール誤差の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the roll error in the beam transmitted from the satellite. 衛星から送信されるビームにおけるピッチ誤差の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the pitch error in the beam transmitted from the satellite. 衛星から送信されるビームにおけるヨー誤差の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the yaw error in the beam transmitted from the satellite. 16のビームを有する衛星に関する、衛星の下のカバレッジエリア内のユーザ端末の位置の関数としてユーザ端末によって受信される電力を示す図である。FIG. 5 shows the power received by a user terminal as a function of the position of the user terminal within the coverage area below the satellite for a satellite with 16 beams. 例示的な実施形態によるピッチ誤差を決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the pitch error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるピッチ誤差を決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the pitch error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the yaw error and the pitch error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the yaw error and the pitch error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the yaw error and the pitch error by an exemplary embodiment. ヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための図5A〜図5Bおよび図6A〜図6Cに示す方法のさらなる詳細を示す図である。It is a figure which shows the further detail of the method shown in FIGS. 5A-5B and 6A-6C for determining a yaw error and a pitch error. ヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための図5A〜図5Bおよび図6A〜図6Cに示す方法のさらなる詳細を示す図である。It is a figure which shows the further detail of the method shown in FIGS. 5A-5B and 6A-6C for determining a yaw error and a pitch error. ヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための図5A〜図5Bおよび図6A〜図6Cに示す方法のさらなる詳細を示す図である。It is a figure which shows the further detail of the method shown in FIGS. 5A-5B and 6A-6C for determining a yaw error and a pitch error. ヨー誤差とピッチ誤差とを決定するための図5A〜図5Bおよび図6A〜図6Cに示す方法のさらなる詳細を示す図である。It is a figure which shows the further detail of the method shown in FIGS. 5A-5B and 6A-6C for determining a yaw error and a pitch error. 例示的な実施形態によるロール誤差を決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the roll error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるロール誤差を決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the roll error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態によるロール誤差を決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining the roll error by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態による、ロール誤差と、ピッチ誤差と、ヨー誤差とを一緒に決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining a roll error, a pitch error, and a yaw error together by an exemplary embodiment. 例示的な実施形態による、ロール誤差と、ピッチ誤差と、ヨー誤差とを一緒に決定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining a roll error, a pitch error, and a yaw error together by an exemplary embodiment. 本発明の例示的な実施形態による方法の第1の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the 1st Embodiment of the method by the exemplary embodiment of this invention. 個々のビーム照準オフセットと、ビーム形状における変動と、ビーム強度における変動とを含む追加のビーム誤差のシミュレーションマップを示す図である。FIG. 5 shows a simulation map of additional beam errors including individual beam aiming offsets, variations in beam shape, and variations in beam intensity. 図11aのシミュレーションマップにおいて使用されるパラメータからの地上のビーム割り当て領域のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the beam allocation area on the ground from the parameter used in the simulation map of FIG. 11a. 本発明の例示的な実施形態による方法の第2の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Embodiment of the method by an exemplary embodiment of this invention.

本発明の例示的な実施形態は、地球上の任意の場所に低コストのブロードバンドインターネットサービスをもたらすための衛星システム100に関係する。本発明の実施形態は、一般に、任意の数の衛星(すなわち、1つまたは複数)を用いて、地上で測定可能な放射線のビーム(たとえば、光学、RF、またはそれ以外のもの)を生成する非静止衛星に適用可能である。 An exemplary embodiment of the invention relates to a satellite system 100 for bringing low cost broadband internet services anywhere on the planet. Embodiments of the invention generally use any number of satellites (ie, one or more) to generate a beam of radiation (eg, optics, RF, or otherwise) that can be measured on the ground. Applicable to non-geostationary satellites.

図1は、衛星システム100およびその動作環境の例示的な実施形態を示す。システム100は、コアネットワーク102と、ゲートウェイアンテナ104と、LEO衛星106と、ユーザ端末108とを含む。システム100は、インターネット50からユーザデバイス70(たとえば、テレビ、コンピュータ、タブレット、スマートフォン、または、データを受信および/もしくは送信することができる他のデバイス)に、およびその逆にデータを送信する。 FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the satellite system 100 and its operating environment. System 100 includes a core network 102, a gateway antenna 104, an LEO satellite 106, and a user terminal 108. System 100 transmits data from the Internet 50 to a user device 70 (eg, a television, computer, tablet, smartphone, or other device capable of receiving and / or transmitting data) and vice versa.

コアネットワーク102は、インターネット50から/にデータを受信/送信する。数ある機能の中でも、コアネットワーク102は、複数のLEO衛星106への送信のためにデータパケットを複数のゲートウェイアンテナ104にルート転送する。同様に、コアネットワーク102は、複数のゲートウェイアンテナを介して複数のLEO衛星からデータパケットを受信する。インターネットコンテンツなどを含むことに加えて、データパケットは、以下でさらに議論するように、システム関連情報を含む。 The core network 102 receives / transmits data from / to / from the Internet 50. Among other features, the core network 102 routes data packets to multiple gateway antennas 104 for transmission to multiple LEO satellites 106. Similarly, the core network 102 receives data packets from a plurality of LEO satellites via the plurality of gateway antennas. In addition to including Internet content and the like, the data packet contains system-related information, as further discussed below.

単純化のために、図1は、単一のLEO衛星106を示すが、システム100は、「コンステレーション」と呼ばれる複数のそのようなLEO衛星を含むことが理解されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態では、コンステレーションは、720の衛星などの、非常に多数の衛星を含む。いくつかの実施形態では、衛星のコンステレーションは、複数の軌道「平面」に編成され、各軌道平面は、異なる高度にある。典型的には、必ずしもそうではないが、各軌道平面内に等しい数の衛星が存在する。 For simplicity, Figure 1 shows a single LEO satellite 106, but it should be understood that System 100 contains multiple such LEO satellites called "constellations". For example, in some embodiments, the constellation comprises a very large number of satellites, such as 720 satellites. In some embodiments, the satellite constellation is organized into multiple orbital "planes", each orbital plane at a different altitude. Typically, there are an equal number of satellites in each orbital plane, but not necessarily.

図1に示す実施形態では、ユーザデバイス70は、ユーザ端末108を介して、衛星106からデータを受信し、および/または衛星106にデータを送信する。ユーザデバイス70は、構造物60内に位置するものとして示されている。いくつかの他の実施形態では、ユーザデバイス70は、ユーザ端末108とユーザデバイスとの間の適切な拡張電気通信接続によってサポートされるように、屋外で使用される。 In the embodiment shown in FIG. 1, the user device 70 receives data from satellite 106 and / or transmits data to satellite 106 via user terminal 108. User device 70 is shown as being located within structure 60. In some other embodiments, the user device 70 is used outdoors to be supported by a suitable extended telecommunications connection between the user terminal 108 and the user device.

例示的な実施形態では、ユーザ端末108は、住宅である構造物60に取り付けられるものとして示されている。いくつかの他の実施形態では、構造物60は、会社(たとえば、オフィスビル、レストラン、倉庫など)、小屋、または、クルーズ船などのゆっくり動く船舶などの、住宅以外の建物である。典型的には、1つのユーザ端末108は、インターネット接続を提供するために、各場所(たとえば、住宅、会社など)に設置される。ユーザ端末108の一実施形態は、2015年2月20日に出願された、「User Terminal Having A Linear Array Antenna With Electronic And Mechanical Actuation System」と題する、米国出願第14/627577号において提供される。 In an exemplary embodiment, the user terminal 108 is shown to be attached to a residential structure 60. In some other embodiments, the structure 60 is a non-residential building, such as a company (eg, an office building, restaurant, warehouse, etc.), a shed, or a slow-moving vessel such as a cruise ship. Typically, one user terminal 108 is installed at each location (eg, home, office, etc.) to provide an internet connection. One embodiment of User Terminal 108 is provided in US Application No. 14/627577, entitled "User Terminal Having A Linear Array Antenna With Electronic And Mechanical Actuation System," filed February 20, 2015.

図2に示すように、LEO衛星106は、少なくとも2つの異なるタイプのアンテナの複数のバージョンを備える。アンテナ205は、ゲートウェイアンテナ104との通信のためのものであり、アンテナ207は、ユーザ端末108との通信のためのものである。例示的な実施形態では、アンテナ207は、無線信号を地球の表面に向けて送信するための無線アンテナである。そのような送信は、ビーム210として示され、その各々は、地球の表面上にフットプリント212を提供する。ユーザ端末108がビーム210のうちの1つのフットプリント212内にあるとき、そのユーザ端末は、その無線送信からそのようなデータを受信する。 As shown in FIG. 2, the LEO satellite 106 comprises multiple versions of at least two different types of antennas. The antenna 205 is for communication with the gateway antenna 104, and the antenna 207 is for communication with the user terminal 108. In an exemplary embodiment, antenna 207 is a radio antenna for transmitting radio signals toward the surface of the earth. Such transmissions are shown as beams 210, each of which provides a footprint 212 on the surface of the earth. When the user terminal 108 is in the footprint 212 of one of the beams 210, the user terminal receives such data from its radio transmission.

ユーザ端末108の最初の試運転時に、ユーザ端末は、衛星106のうちの1つを取得して追跡するまで(すなわち、衛星コンステレーション内のすべての衛星が送信するパイロット信号をリッスンすることによって)空の高速走査を実行する。ユーザ端末108がサインインを完了し、(その正確な位置をシステムに転送することを含んで)認証されると、ユーザ端末108は、制御チャネルを介して「衛星およびビーム」ルックアップテーブルを受信する。このテーブルは、ユーザ端末108が、所与の時間において、どの特定の衛星106および衛星のどのビーム210と通信すべきであるかを示す。ルックアップテーブルは、天体暦に関する情報が更新されると定期的に更新される(たとえば、毎日など)。 During the first commissioning of user terminal 108, the user terminal is empty until it acquires and tracks one of the satellites 106 (ie, by listening to the pilot signals transmitted by all satellites in the satellite constellation). Perform high-speed scanning of. When user terminal 108 completes sign-in and is authenticated (including transferring its exact location to the system), user terminal 108 receives a "satellite and beam" look-up table over the control channel. To do. This table indicates which particular satellite 106 and which beam 210 of the satellite the user terminal 108 should communicate with at a given time. The lookup table is updated regularly as information about the ephemeris is updated (for example, daily).

ルックアップテーブル内に含まれる情報の使用は、暗黙の仮定に基づき、すなわち、衛星から送信されたビームが予想される場所を正確に指し示しており、指定された電力量において送信していることに基づく。この仮定は、ほとんどの場合正確ではない可能性が高いので、テーブルにおいて指定される切り替え時間は、誤りになる。 The use of the information contained in the look-up table is based on tacit assumptions, that is, it points exactly where the beam transmitted by the satellite is expected and is transmitting at the specified amount of power. Based on. This assumption is likely to be inaccurate in most cases, so the switch time specified in the table will be incorrect.

たとえば、衛星のロール、ピッチ、またはヨーのうちの1つまたは複数におけるオフセットは、そのビームの照準方向を変化させることになる。図3A〜図3Cは、前述の誤差に関するビーム照準方向への影響を示す。これらの図において、矢印314は、その軌道における衛星106の飛行方向を表す。 For example, an offset in one or more of the satellite rolls, pitches, or yaws will change the aiming direction of the beam. 3A-3C show the effect of the above error on the beam aiming direction. In these figures, arrow 314 represents the direction of flight of satellite 106 in its orbit.

図3Aは、ビーム照準方向に対する衛星のロールの影響を示す。時計回り方向においてロールして示されているが、衛星は、時計回り方向または反時計回り方向において回転することができることが理解されよう。「ロール」は、回転軸が飛行方向と平行である場合である。矢印316は、ビーム210(およびそれらのそれぞれのフットプリント212)がロールの結果としてシフトする方向を示す。シフトは、衛星の飛行方向に直交する、図における「左」または「右」である。 Figure 3A shows the effect of satellite roll on the beam aiming direction. Although shown rolling in the clockwise direction, it will be appreciated that the satellite can rotate in the clockwise or counterclockwise direction. "Roll" is when the axis of rotation is parallel to the direction of flight. Arrow 316 indicates the direction in which the beams 210 (and their respective footprints 212) shift as a result of the roll. The shift is "left" or "right" in the figure, orthogonal to the direction of flight of the satellite.

図3Bは、ビーム照準方向に対する衛星のピッチの影響を示す。反時計回り方向においてピッチして示されているが、衛星は、時計回り方向または反時計回り方向において回転することができることが理解されよう。「ピッチ」は、回転軸が飛行方向に対して直交する場合である。矢印316は、ビーム210(およびそれらのそれぞれのフットプリント212)がピッチの結果としてシフトする方向を示す。シフトは、衛星の飛行方向に平行な、図における「前方」または「後方」である。 Figure 3B shows the effect of satellite pitch on the beam aiming direction. Although shown pitched in the counterclockwise direction, it will be appreciated that satellites can rotate in the clockwise or counterclockwise direction. "Pitch" is when the axis of rotation is orthogonal to the direction of flight. Arrow 316 indicates the direction in which the beam 210 (and their respective footprint 212) shifts as a result of pitch. The shift is "forward" or "backward" in the figure, parallel to the direction of flight of the satellite.

図3Cは、ビーム照準方向に対する衛星のヨーの影響を示す。時計回り方向においてヨーイングして示されているが、衛星は、時計回り方向または反時計回り方向において回転することができることが理解されよう。「ヨー」は、回転軸が飛行方向に対して直交する(かつ平面外にある)場合である。矢印316は、ビーム210(およびそれらのそれぞれのフットプリント212)がヨーの結果としてシフトする方向を示す。シフトは、上から見たときの「時計回り」または「反時計回り」である。 Figure 3C shows the effect of satellite yaw on the beam aiming direction. Although shown yawing in the clockwise direction, it will be appreciated that satellites can rotate in the clockwise or counterclockwise direction. "Yaw" is when the axis of rotation is orthogonal (and out of plane) to the direction of flight. Arrow 316 indicates the direction in which the beam 210 (and their respective footprint 212) shifts as a result of yaw. The shift is "clockwise" or "counterclockwise" when viewed from above.

図4は、衛星106のうちの1つの下でユーザ端末108によって受信される電力のコンピュータ予測を示す。この図において、衛星は、16のビームを送信する。各ビームについて、受信電力は、ピーク418を有する特徴的な「こぶ(hump)」形状を示す。ユーザ端末が衛星に対して地上のどこにあるかに応じて、そのユーザ端末は、ピーク418における電力、または傾斜上にあるときはより少ない電力420を見る可能性ある。こぶの間の「谷」は、隣接するビームから受信された電力が等しい場所である。ユーザ端末において受信された電力がそのような谷と一致するときは、ユーザ端末が受信電力におけるどのようなステップ変化も見ないようにビーム切り替えが生じるべきときである。 FIG. 4 shows a computer prediction of the power received by the user terminal 108 under one of the satellites 106. In this figure, the satellite transmits 16 beams. For each beam, the received power exhibits a characteristic "hump" shape with a peak of 418. Depending on where the user terminal is on the ground with respect to the satellite, the user terminal may see power at peak 418, or less power 420 when on an incline. The "valley" between the humps is where the power received from adjacent beams is equal. When the power received at the user terminal coincides with such a valley, it is time for beam switching to occur so that the user terminal does not see any step changes in the received power.

図4が、ビームが公称方向を指し示しているときに複数のユーザ端末において受信される電力を示すと仮定する。任意の特定のユーザ端末がビーム間で切り替えるべき時間は、その特定のユーザ端末について、受信電力が「谷」にあるときに基づく。ビームの照準方向が、たとえば、衛星のロール、ピッチ、またはヨーのために公称値からオフセットされた場合、なにが起こるのかを検討する。ユーザ端末において受信された電力が谷における電力レベルに対応する時間は、変更される。その結果、ユーザ端末108がルックアップテーブル内で指定された時間において異なるビームに切り替わることになっていた場合、ユーザ端末において受信された電力は、谷における電力レベルに対応しないであろう。結果は、切り替えにおける受信電力のステップ変化(および、典型的には減少)である。 It is assumed that FIG. 4 shows the power received by multiple user terminals when the beam points in the nominal direction. The time that any particular user terminal should switch between beams is based on when the received power is in a "valley" for that particular user terminal. Consider what happens if the aiming direction of the beam is offset from the nominal value, for example due to satellite roll, pitch, or yaw. The amount of time the power received at the user terminal corresponds to the power level in the valley is varied. As a result, if the user terminal 108 were to switch to a different beam at a time specified in the lookup table, the power received at the user terminal would not correspond to the power level in the valley. The result is a step change (and typically a decrease) in the received power at the switch.

本明細書の残りの部分は、衛星の姿勢のオフセットまたは他の問題の結果として、予想される場所を正確に指し示していないビームを補正する方法を開示する。すなわち、任意のオフセットとタイミングの不一致との間の幾何学的および三角法的考察に基づく数学的関係が開発され、ユーザ端末における信号対雑音比を維持するために使用される。 The rest of this specification discloses a method of correcting a beam that does not pinpoint the expected location as a result of satellite attitude offset or other problems. That is, a geometric and trigonometric mathematical relationship between any offset and timing mismatch is developed and used to maintain the signal-to-noise ratio in the user terminal.

角度オフセットが小さい場合、タイミングの不一致も小さくなり、数学的関係は、線形関係によって近似され得る。結果として、タイミングの不一致は、3つの角度オフセットの線形関数として近似的に表され得る。3つの未知数、この場合には3つの角度オフセットについて解くために、少なくとも3つの方程式が必要とされる。すでに示したように、タイミングの不一致の1つの推定値は、3つの角度オフセットの線形関数として表され得る。これは1つの線形方程式を提供する。さらに2つのタイミングの不一致の推定値は、3つの未知の角度オフセットに関する値を導出するために必要な2つの追加の方程式を提供する。 If the angular offset is small, the timing mismatch is also small and the mathematical relationship can be approximated by a linear relationship. As a result, the timing mismatch can be approximately represented as a linear function of the three angular offsets. At least three equations are needed to solve for three unknowns, in this case three angular offsets. As already shown, one estimate of the timing mismatch can be expressed as a linear function of three angular offsets. This provides one linear equation. In addition, the two timing mismatch estimates provide two additional equations needed to derive values for the three unknown angular offsets.

追加のタイミングの不一致の推定値は、3つの未知数に対する解の「最適な」セットを決定するために使用され得る。すなわち、未知数よりも多くの方程式を用いる線形方程式のシステムは、一般に「過剰決定系」と呼ばれる。以下で議論する共分散行列は、次いで、3つの未知の角度オフセットに対する解の「最適な」セットを見つけるために、線形方程式と共に使用され得る。 Additional timing mismatch estimates can be used to determine the "optimal" set of solutions for the three unknowns. That is, a system of linear equations that uses more equations than unknowns is commonly referred to as an "overdetermined system." The covariance matrix discussed below can then be used with linear equations to find the "optimal" set of solutions for three unknown angular offsets.

図5Aおよび図5Bは、ピッチを測定するための方法を示す。衛星106の経路内の単一のユーザ端末108は、時間の関数として予想受信電力のプロファイル522を(たとえば、図1の衛星システムコアネットワーク102などから)受信する。ユーザ端末108は、受信電力を測定する。受信電力値は、図5Bに示すように、曲線適合され、プロファイル522と比較される。ピーク電力523(予想値)とピーク電力525(測定値)との間の到着時間の差Xが得られる。この誤差時間量は、以下でさらに議論するように、ピッチ誤差の尺度である。 5A and 5B show methods for measuring pitch. A single user terminal 108 in the path of satellite 106 receives the expected received power profile 522 (for example, from satellite system core network 102 in FIG. 1) as a function of time. The user terminal 108 measures the received power. Received power values are curve fitted and compared to profile 522, as shown in FIG. 5B. The difference X in arrival time between the peak power 523 (expected value) and the peak power 525 (measured value) is obtained. This amount of error time is a measure of pitch error, as discussed further below.

図6A〜図6Cは、ピッチとヨーとを一緒に測定するための方法を示す。この技法は、2つ以上のユーザ端末を必要とする。「ピーク」到着時間の同じ原理が使用される。したがって、衛星106の経路内の2つのユーザ端末108₁および108₂は、時間の関数として予想受信電力のそれぞれのプロファイル522₁および522₂を(たとえば、図1の衛星システムコアネットワーク102などから)受信する。ユーザ端末は、受信電力を測定する。受信電力値は、図6Bおよび図6Cに示すように、曲線適合され、それぞれのプロファイル522と比較される。図6Bは、ユーザ端末108₁に関するピーク電力523₁(予想値)とピーク電力525₁(測定値)との間の到着時間の差Aを示す。図6Cは、ユーザ端末108₂に関するピーク電力523₁(予想値)とピーク電力525₁(測定値)との間の到着時間の差Bを示す。 6A-6C show a method for measuring pitch and yaw together. This technique requires more than one user terminal. The same principle of "peak" arrival time is used. Therefore, two user terminals 108 ₁ and 108 _{2 in the path of satellite 106 have profiles 522 1} and 522 ₂ of expected received power as a function of time, respectively (for example, from satellite system core network 102 in FIG. 1). Receive. The user terminal measures the received power. Received power values are curve fitted and compared to their respective profiles 522, as shown in FIGS. 6B and 6C. 6B shows a difference A in arrival time between the peak power 523 ₁ regarding the user terminal 108 ₁ (predicted value) and peak power 525 ₁ (measured value). 6C shows a difference in arrival time between the peak power 523 regarding the user terminal 108 _{2 1} (predicted value) and peak power 525 ₁ (measured value) B.

図7A〜図7Dは、ピッチ誤差およびヨー誤差の決定についてのさらなる詳細を提供する。図7Aは、4つのビームのフットプリントを示し、ピーク受信電力がユーザ端末において測定された時間がピーク受信電力に関する予測時間と一致するシナリオを示す。言い換えれば、姿勢の(または他の)誤差は、存在しない。図7Bは、ヨー誤差を示す。到着時間誤差は、図7BにおいてT_yawとして示される。図7Cは、ヨー誤差とピッチ誤差の両方を示す。ピッチに関する到着時間誤差は、T_pitchとして示される。図7Cからわかるように、2つのユーザ端末に関する到着時間誤差の平均は、ピッチを示し、2つのユーザ端末に関する到着時間誤差の差は、ヨーを示す。 Figures 7A-7D provide further details for determining pitch and yaw errors. FIG. 7A shows the footprint of the four beams and shows a scenario in which the peak received power measured at the user terminal matches the predicted time with respect to the peak received power. In other words, there are no (or other) postural errors. FIG. 7B shows the yaw error. The arrival time error is shown as T_yaw in Figure 7B. Figure 7C shows both yaw and pitch errors. The arrival time error with respect to the pitch is shown as T_pitch. As can be seen from FIG. 7C, the average arrival time error for the two user terminals indicates the pitch, and the difference between the arrival time errors for the two user terminals indicates yaw.

ここで図7Dを参照すると、ピッチに関する時間誤差量(t_pitch)およびヨーに関する時間誤差量(t_yaw)からピッチ角θとヨー角Φとを決定するために、衛星およびユーザ端末の3D座標は、常に既知でなければならない。衛星上のGPSにより、衛星の高度(alt)および速度(v)は、知られる。ユーザ端末間の間隔「L」は、それらのGPSレシーバから知られる。小さいピッチ角およびヨー角について、以下のように、図7Dに示すように、ピッチとヨーとを決定するために三角法が使用される。
ピッチ角θ=t_pitch*v/alt [1]
ヨー角Φ=t_yaw*v/L [2] Referring here to FIG. 7D, the 3D coordinates of the satellite and the user terminal are always in order to determine the pitch angle θ and the yaw angle Φ from the time error amount (t_pitch) related to the pitch and the time error amount (t_yaw) related to the yaw. Must be known. The altitude (alt) and velocity (v) of the satellite are known by GPS on the satellite. The spacing "L" between user terminals is known from those GPS receivers. For small pitch and yaw angles, trigonometry is used to determine the pitch and yaw, as shown in Figure 7D, as shown below.
Pitch angle θ = t_pitch * v / alt [1]
Yaw angle Φ = t_yaw * v / L [2]

図8A〜図8Cは、ロール角βを測定するための方法を示す。この技法は、実用的な最小値として、nが6に等しいような、ユーザ端末108_i、i=1,nの小さいグループを必要とする。ユーザ端末は、衛星106の飛行方向に対して本質的に垂直な列に配置される。ある瞬間において、すべてのユーザ端末が電力測定値を報告する。図7Bに示すように、電力測定値は、プロットされ得る。これらの点が接続された場合、それらは、特徴的なこぶ形状を有する曲線を定義する。次いで、曲線のピークが推定され得る。このプロットは、測定時の各ユーザ端末に関する予測電力のプロットと比較される。実際の電力数対予測電力数のシフト(左<->右)は、ロール角に相関する。小さいロール角について、以下のように、図8Cに示すように、ロールを決定するために三角法が使用される。
ロール角β=距離/高度 [3] 8A-8C show a method for measuring the roll angle β. _{This technique requires a small group of user terminals 108 i} , i = 1, n such that n is equal to 6 as a practical minimum. User terminals are arranged in a row essentially perpendicular to the flight direction of satellite 106. At a given moment, all user terminals report power readings. As shown in Figure 7B, power measurements can be plotted. When these points are connected, they define a curve with a characteristic hump shape. The peak of the curve can then be estimated. This plot is compared to the projected power plot for each user terminal at the time of measurement. The shift between the actual number of powers and the predicted number of powers (left <-> right) correlates with the roll angle. For small roll angles, trigonometry is used to determine the roll, as shown in Figure 8C, as shown below.
Roll angle β = distance / altitude [3]

小さい角度誤差について、図5A〜図5B、図6A〜図6C、図7A〜図7D、および図8A〜図8Cに示す方法は、ロール誤差、ピッチ誤差、およびヨー誤差が同時に発生しても有効である。 For small angular errors, the methods shown in FIGS. 5A-5B, 6A-6C, 7A-7D, and 8A-8C are valid for simultaneous roll, pitch, and yaw errors. Is.

図9Aおよび図9Bは、ロールと、ピッチと、ヨーとを同時に決定するための代替的な方法を示す。図9Aに示すように、複数のユーザ端末108_i、i=1,nが、衛星106の経路を横切って一列に配置される。ユーザ端末は、代替的には、衛星106からすべてのビーム210を観測するのに十分な数のユーザ端末が存在する限り、ランダムに配置され得る。図9Bに示すように、各ユーザ端末108_iは、ある時間期間の間、受信電力を測定する。 9A and 9B show alternative methods for determining roll, pitch, and yaw at the same time. As shown in FIG. 9A, a plurality of user terminals 108 _i , i = 1, n are arranged in a row across the path of satellite 106. Alternatively, the user terminals may be randomly placed as long as there are sufficient number of user terminals to observe all beams 210 from satellite 106. As shown in FIG. 9B, each user terminal 108 _i measures received power for a period of time.

再び図4を参照すると、ビームパターンのコンピュータモデルは、すべての時点においてどのような電力が任意の特定のユーザ端末において受信されるのかを予測することができる。結果として、総電力誤差が、式[4]よって、すべての時間にわたり、すべてのユーザ端末にわたり、測定電力と予測電力との間の差の二乗の和として計算され得る。
電力誤差=Σ_{all terminals and all times}(power_meas-power_predicted)² [4]
コンピュータモデルは、その予測においてロール誤差、ピッチ誤差、およびヨー誤差の任意のおよびすべての値を含むように操作され得る。この問題を解決するための「力ずくの(brute force)」手法は、たとえば、0.1度の粒度で、ロール誤差、ピッチ誤差、およびヨー誤差のすべての組合せについて総電力誤差を計算し、次いで、最も小さい総電力誤差を有する場合を選択することである。測定ノイズがない場合、この方法は、約±0.05度の誤差を有することになる。 With reference to FIG. 4 again, the computer model of the beam pattern can predict what power will be received at any particular user terminal at all times. As a result, the total power error can be calculated by equation [4] as the sum of the squares of the difference between the measured power and the predicted power over all time and across all user terminals.
Power error = Σ _{all terminals and all times} (power _meas -power _predicted ) ² [4]
The computer model can be manipulated to include any and all values of roll error, pitch error, and yaw error in its prediction. A "brute force" technique to solve this problem calculates the total power error for all combinations of roll error, pitch error, and yaw error, for example, with a particle size of 0.1 degrees, and then the most. Select the case with a small total power error. In the absence of measurement noise, this method would have an error of about ± 0.05 degrees.

測定ノイズの影響を軽減するために、当業者に知られている任意の数の推定方法が用いられ得る。1つの方法は、各ケースについてすべての隣接するケースの平均を計算し、次いで、式[5]により、結果として生じる演算から最も小さい電力誤差を選択することによって、総電力誤差データを「平滑化」することである。 Any number of estimation methods known to those of skill in the art can be used to mitigate the effects of measurement noise. One method is to "smooth" the total power error data by calculating the average of all adjacent cases for each case and then selecting the smallest power error from the resulting operations by equation [5]. "It is to be.

ここで、i、j、kは、それぞれ、ロール、ピッチ、およびヨーの特定の事例のインデックスである。 Where i, j, and k are indexes of specific cases of roll, pitch, and yaw, respectively.

得られた任意の測定値は、測定誤差を受けやすく、(たとえば、不適切な衛星の姿勢などによる)タイミングの不一致の各推定値は、そのような測定誤差によって損なわれる。誤差は、確率変数であり、当然、その値は、未知である。しかし、誤差の分散は、レシーバノイズの知識、および、受信信号から不一致推定値を導出するために使用された方法の分析から推定され得る。異なる不一致推定値は、一般に、統計的に独立ではない。実際は、なぜ特定の不一致推定値が相関し得るのか、多くの理由が存在する。不一致推定値の分散を計算するために使用される方法は、推定値間の相互相関を推定するためにも使用され得る。分散の推定値および相関の推定値は、まとめて「共分散行列」と呼ばれる。 Any measurements obtained are susceptible to measurement errors, and each estimate of timing mismatch (eg, due to improper satellite attitudes) is compromised by such measurement errors. The error is a random variable, and of course its value is unknown. However, the error variance can be estimated from knowledge of receiver noise and analysis of the method used to derive the mismatch estimate from the received signal. Different inconsistency estimates are generally not statistically independent. In practice, there are many reasons why certain inconsistent estimates can correlate. The method used to calculate the variance of the discrepancy estimates can also be used to estimate the cross-correlation between the estimates. The variance and correlation estimates are collectively referred to as the "covariance matrix."

図10は、ビーム間を切り替えるときにユーザ端末における信号対雑音比(SNR)を維持するための方法1000を示す。方法1000は、照準誤差(すなわち、ロール、ピッチ、およびヨー)を決定するための上記で説明した技法を使用する。 FIG. 10 shows a method 1000 for maintaining a signal-to-noise ratio (SNR) at a user terminal when switching between beams. Method 1000 uses the techniques described above to determine aiming errors (ie, roll, pitch, and yaw).

タスク1001に従って、ユーザ端末は、衛星ビームからの受信電力を測定する。タスク1002により、ユーザ端末は、測定結果をその位置(たとえば、GPS座標など)と共に、典型的には、必ずしもそうでないが、衛星システムコアネットワーク(たとえば、図1参照)の一部であるデータ処理システムに送信する。参照された情報は、ユーザ端末から衛星に、衛星からゲートウェイアンテナに、ゲートウェイアンテナからデータ処理システムに送信される。ユーザ端末から受信された情報をゲートウェイアンテナに送信することに加えて、衛星はまた、タスク1003により、それ自体の位置データ(たとえば、GPS座標など)を取得し、データ処理システムに送信する。衛星に関するGPS座標は、ユーザ端末が受信電力を測定している時間期間の間、取得される。 According to task 1001, the user terminal measures the received power from the satellite beam. By task 1002, the user terminal, along with its location (eg GPS coordinates), typically, but not necessarily, data processing that is part of the satellite system core network (see Figure 1). Send to system. The referenced information is transmitted from the user terminal to the satellite, from the satellite to the gateway antenna, and from the gateway antenna to the data processing system. In addition to transmitting the information received from the user terminal to the gateway antenna, task 1003 also acquires its own position data (eg GPS coordinates) and sends it to the data processing system. GPS coordinates for the satellite are acquired during the time period during which the user terminal is measuring the received power.

タスク1004によって、データ処理システムは、受信された電力測定値と、GPSデータのすべてとを取り込み、衛星のビーム照準推定値を計算する。タスク1005に従って、データ処理システムは、衛星照準誤差の最良推定値を決定する。 By task 1004, the data processing system captures the received power measurements and all of the GPS data and calculates the beam aiming estimates for the satellite. According to Task 1005, the data processing system determines the best estimate of satellite aiming error.

この方法におけるこの時点で、処理は、2つの方法のうちのいずれか1つにおいて進むことができる。タスク1006aに従って、照準情報は、ゲートウェイアンテナを介して衛星に送信される。最後に、タスク1007aにおいて、衛星は、転送された情報に基づいてその姿勢を修正する。 At this point in this method, the process can proceed in one of two methods. According to task 1006a, aiming information is transmitted to the satellite via the gateway antenna. Finally, in task 1007a, the satellite corrects its attitude based on the transferred information.

代替的には、処理は、タスク1006bで継続することができ、照準情報は、ユーザ端末に送信され、ユーザ端末は、そのビーム切り替えスケジュールを調整する。 Alternatively, processing can continue with task 1006b, aiming information is sent to the user terminal, which adjusts its beam switching schedule.

電力レベルが測定されるユーザ端末は、実際の顧客のもの(システムによって提供されるサービスに関するもの)であり得、または、それらは、システムのオペレータに属する端末であり得る。いくつかの代替実施形態では、ユーザ端末を使用するのではなく、電力レベルを測定し、記録する目的のために作成された特殊なレシーバ機器である。 The user terminals whose power levels are measured can be those of the actual customer (related to the services provided by the system), or they can be terminals belonging to the operator of the system. In some alternative embodiments, it is a specialized receiver device created for the purpose of measuring and recording power levels rather than using a user terminal.

衛星の姿勢の偏差に加えて、タイミングの不一致の他の可能性のある原因が存在する。たとえば、個々のビームが機械的に位置ずれされ得る、ビーム形状の変動、ビーム強度の変動、衛星がその軌道上の規定位置に正確に位置しない場合がある、など。各々のそのような原因は、なんらかのパラメータ(たとえば、衛星軌道位置、ビーム方位角など)によって特徴付けられる。これらのパラメータのそれぞれについて、すべてのパラメータ(ヨー、ピッチ、およびロールを含む)と、特定の測定値に関するタイミングの不一致の値との間の数学的関係を導くために、ヨー、ピッチ、およびロールについては、同等のステップが実行され得る。次いで、その関係の線形近似が生成され、それは、すべての未知のパラメータにおいて1つの線形方程式をもたらす。少なくとも未知数と同数の線形方程式が存在するまで、追加の測定値が得られる。その方程式系は、次いで、すべての未知のパラメータに対する解を見つけるために解かれる。未知数よりも多くの方程式が存在する場合、「最適な」解を見つけるために、最小二乗法が使用され得る。このより複雑な分析について、ここでさらに詳細に説明する。 In addition to satellite attitude deviations, there are other possible causes of timing mismatch. For example, individual beams can be mechanically misaligned, beam shape fluctuations, beam intensity fluctuations, satellites may not be accurately positioned in their orbits, and so on. Each such cause is characterized by some parameter (eg, satellite orbit position, beam azimuth, etc.). For each of these parameters, yaw, pitch, and roll to derive the mathematical relationship between all parameters (including yaw, pitch, and roll) and the value of the timing mismatch for a particular measurement. For, equivalent steps can be performed. A linear approximation of that relationship is then generated, which yields one linear equation for all unknown parameters. Additional measurements are obtained until there are at least as many linear equations as unknowns. The system of equations is then solved to find solutions for all unknown parameters. If there are more equations than unknown, the least squares method can be used to find the "optimal" solution. This more complex analysis is described in more detail here.

図11aは、これらの効果のすべてのシミュレーションを、誇張したバージョンで示す。図11bは、図11aを生成するために使用されたのと同じパラメータからの、地上のビーム割り当て領域のマップを示す。ビーム間の境界は、隣接するビームからの受信された電力が等しい場所であり、したがって、ビーム切り替えが生じるべき場所である。 Figure 11a shows an exaggerated version of all simulations of these effects. Figure 11b shows a map of the beam allocation area on the ground from the same parameters used to generate Figure 11a. The boundary between the beams is where the power received from adjacent beams is equal and therefore where beam switching should occur.

ビーム割り当てマップが測定されたユーザ端末データに基づいて再計算され得る場合、ビーム切り替えスケジュールは、SNRを改善するために適切に修正され得る。このマップを計算するための1つの技法を以下に開示する。 If the beam allocation map can be recalculated based on the measured user terminal data, the beam switching schedule can be modified appropriately to improve the signal-to-noise ratio. One technique for calculating this map is disclosed below.

単一のビームの下で電力データを測定し記憶するユーザ端末のセットからのデータを考察する。各データ点は、電力zと、ユーザ端末位置と、収集時間tとを有する。誤差は、時間測定間隔(たとえば、分など)にわたって一定であり、衛星およびユーザ端末からのGPS座標を使用すると仮定すると、すべてのデータは、単一の時点に変換され得るが、異なる地点において収集され得る。類似は、各々が強度の時間履歴を有するピクセルの1次元アレイがスキャンされた物体の2次元画像を生成することができるオフィススキャナのそれである。したがって、各データ点は、ここでは、空間内の等価な[x,y,z]点であり、xおよびyは、もはやどのユーザ端末位置にも関連しない緯度座標および経度座標である。ビーム電力は、一般化された放物面の方程式によって密接に近似されると仮定する。
z=a1*x²+a2*x+a3*y²+a4*y+a5*x*y+a6 [6]
十分な[x,y,z]点(すなわち、最小6)を用いて、すべて式n[6]に基づく式のセットは、未知のa1、a2、a3、a4、a5、a6について最小二乗法によって解くために利用可能である。
状態=疑似逆(H)*z [7]
ここで、「状態」は、[a1 a2 a3 a4 a5 a6]の解であり、Hは、式[6]に基づく式のセットからのx²、x、y²、y、およびx*yデータのすべてを含む配列であり、zは、x、yデータに関連する電力データである。この解析は、一度に1つずつ、すべての衛星ビームに対して実行される。解析関数がすべてのビームについて再構成されると、ビーム割り当てマップは、計算され得る。ビーム割り当てマップは、衛星からの、地上の各位置に関するすべてのビーム電力を取り込み、次いで、最も高い受信電力を有するビームを選択することによって計算された。 Consider data from a set of user terminals that measure and store power data under a single beam. Each data point has a power z, a user terminal position, and a collection time t. The error is constant over the time measurement interval (for example, minutes), and assuming GPS coordinates from satellites and user terminals are used, all data can be converted to a single point in time, but collected at different points. Can be done. Similar to that of an office scanner where a one-dimensional array of pixels, each with an intensity time history, can generate a two-dimensional image of the scanned object. Thus, each data point is here an equivalent [x, y, z] point in space, where x and y are latitude and longitude coordinates that are no longer relevant to any user terminal position. It is assumed that the beam power is closely approximated by the generalized paraboloid equation.
z = a1 * x ² + a2 * x + a3 * y ² + a4 * y + a5 * x * y + a6 [6]
Using enough [x, y, z] points (ie, a minimum of 6), a set of expressions based on all expressions n [6] is the least squares method for the unknown a1, a2, a3, a4, a5, a6. Available to solve by.
State = Pseudo-Reciprocal (H) * z [7]
Where "state" is the solution of [a1 a2 a3 a4 a5 a6] and H is the x ² , x, y ² , y, and x * y data from the set of equations based on equation [6]. It is an array containing all of, and z is the power data related to the x and y data. This analysis is performed on all satellite beams, one at a time. Once the analytic function has been reconstructed for all beams, the beam allocation map can be calculated. The beam allocation map was calculated by capturing all beam power from the satellite for each position on the ground and then selecting the beam with the highest received power.

図12は、ビーム間の切り替え時にユーザ端末における信号対雑音比(SNR)を維持するための方法1200を示す。方法1200は、図11Aおよび図11Bに関連して上記で議論した技法を使用する。 FIG. 12 shows a method 1200 for maintaining a signal-to-noise ratio (SNR) at a user terminal when switching between beams. Method 1200 uses the techniques discussed above in connection with FIGS. 11A and 11B.

方法1200の最初の3つのタスク(1201〜1203)は、図10に示す方法1000と同じである。 The first three tasks of method 1200 (1201-1203) are the same as method 1000 shown in FIG.

タスク1204において、典型的には、必ずしもそうでないが、衛星システムコアネットワーク(たとえば、図1参照)の一部であるデータ処理システムは、ユーザ端末から受信されたデータ(電力/時間/位置)を変換し、GPSデータを使用してそれを純粋な位置のフォーマットに変換する(すなわち、式[6]に付随する上記の議論を参照)。タスク1205において、データ処理システムは、各ビームに関する解析関数を得るために、最小二乗法などの回帰分析を使用する(すなわち、式[7]に付随する上記の議論を参照)。各衛星ビームについて解析関数が得られる。 In task 1204, typically, but not necessarily, the data processing system that is part of the satellite system core network (see, eg, Figure 1) receives the data (power / time / location) received from the user terminal. Convert and use GPS data to convert it to a pure position format (ie see the discussion above accompanying Equation [6]). In task 1205, the data processing system uses regression analysis, such as the least squares method, to obtain an analytic function for each beam (ie, see the discussion above accompanying equation [7]). An analytic function is obtained for each satellite beam.

タスク1206に従って、解析関数からビーム割り当てマップが生成され、マップは、単に、地上の各位置におけるすべての関数の最大値である。タスク1207により、ビーム割り当てマップは、すべてのユーザ端末に送信される。最後に、各ユーザ端末は、マップに基づいてそのビーム切り替えスケジュールを調整する。 According to Task 1206, a beam allocation map is generated from the analytic function, which is simply the maximum of all functions at each location on the ground. Task 1207 sends the beam allocation map to all user terminals. Finally, each user terminal adjusts its beam switching schedule based on the map.

方法1200は、ビーム照準誤差を補償するようにビーム切り替えスケジュールを調整することに向けられる。当業者は、本明細書で開示される技法が、各ビームに関する解析関数のピークの位置を見つけることによって、衛星がその姿勢誤差を補正することを可能にすることに適合され得ることを理解するであろう。地上のすべてのビームのピーク位置にわたる平均値は、衛星に供給され得るロール誤差、ピッチ誤差、およびヨー誤差を計算するために使用され得る。 Method 1200 is directed to adjusting the beam switching schedule to compensate for beam aiming errors. Those skilled in the art will appreciate that the techniques disclosed herein can be adapted to allow the satellite to correct its attitude error by finding the position of the peak of the analytic function for each beam. Will. The mean over the peak positions of all beams on the ground can be used to calculate the roll, pitch, and yaw errors that can be delivered to the satellite.

本開示は、少数の実施形態を説明すること、および、本開示を読んだ後で本発明の多くの変形例が当業者によって容易に考案され得ること、および、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定されるべきであることが理解されるべきである。 The present disclosure describes a small number of embodiments, and many variations of the present invention can be readily devised by those skilled in the art after reading the present disclosure, and the scope of the present invention is as follows: It should be understood that it should be determined by the claims.

50 インターネット
60 構造物
70 ユーザデバイス
100 衛星システム、システム
102 コアネットワーク
104 ゲートウェイアンテナ
106 LEO衛星、衛星
108 ユーザ端末
108₁ ユーザ端末
108₂ ユーザ端末
205 アンテナ
207 アンテナ
210 ビーム
212 フットプリント
314 矢印
316 矢印
418 ピーク
420 電力
522 プロファイル
522₁ プロファイル
522₂ プロファイル
523 ピーク電力
523₁ ピーク電力
523₂ ピーク電力
525 ピーク電力
525₁ ピーク電力
1000 方法
1200 方法 50 internet
60 structures
70 user device
100 satellite system, system
102 Core network
104 gateway antenna
106 LEO satellite, satellite
108 User terminal
108 ₁ User terminal
108 ₂ User terminal
205 antenna
207 antenna
210 beam
212 footprint
314 arrow
316 arrow
418 peak
420 power
522 profile
522 ₁ profile
522 ₂ Profile
523 Peak power
523 ₁ Peak power
523 ₂ Peak power
525 Peak power
525 ₁ Peak power
1000 ways
1200 way

Claims (8)

ユーザ端末が第1のビームと第2のビームとの間で通信を切り替えるときに前記ユーザ端末における信号対雑音比を維持するための方法であって、前記第1および第2のビームが非静止衛星から送信され、前記方法が、
前記ユーザ端末において、少なくとも前記第1のビームから受信される電力を測定するステップと、
前記ユーザ端末から、前記受信された電力の測定値と前記ユーザ端末の位置とをデータ処理システムに送信するステップと、
前記衛星から前記データ処理システムに、前記電力の測定値が前記ユーザ端末によって測定されていた間に得られた前記衛星の1つまたは複数の位置を送信するステップと、
前記データ処理システムにおいて、前記衛星の照準誤差のすべての可能な組合せについて、前記ユーザ端末における予測受信電力レベルを生成するステップと、
前記データ処理システムにおいて、そのすべての可能な組合せから衛星照準誤差の最良の推定値を選択するステップと、
前記データ処理システムから、(a)衛星および(b)ユーザ端末のうちの1つに衛星照準誤差の前記最良の推定値を送信するステップと
を備え、
(i)前記最良の推定値が前記衛星に送信される場合、前記方法が、
前記衛星において、その前記最良の推定値に基づいてその前記照準誤差を補正するステップをさらに備え、
(ii)前記最良の推定値が前記ユーザ端末に送信される場合、前記方法が、
前記ユーザ端末において、ビーム切り替えスケジュールを調整するステップをさらに備える、方法。 A method for maintaining a signal-to-noise ratio in a user terminal when the user terminal switches communication between the first beam and the second beam, wherein the first and second beams are non-geostationary. Transmitted from the satellite, the above method
In the user terminal, at least the step of measuring the power received from the first beam, and
A step of transmitting the measured value of the received power and the position of the user terminal from the user terminal to the data processing system, and
A step of transmitting one or more positions of the satellite obtained from the satellite to the data processing system while the measured value of the power is being measured by the user terminal.
In the data processing system, for all possible combinations of aiming errors of the satellite, the step of generating the predicted received power level at the user terminal and
In the data processing system, the step of selecting the best estimate of satellite aiming error from all possible combinations, and
It comprises a step of transmitting the best estimate of satellite aiming error from the data processing system to one of (a) satellites and (b) user terminals.
(i) If the best estimate is transmitted to the satellite, then the method
The satellite further comprises a step of correcting the aiming error based on the best estimate.
(ii) If the best estimate is transmitted to the user terminal, then the method
A method further comprising adjusting a beam switching schedule in the user terminal. 入力としての前記衛星のピッチオフセット、ロールオフセット、およびヨーオフセットのうちの少なくとも1つと、出力としての前記オフセットから生じるタイミングの不一致との間の数学的関係を定義することによって、照準誤差を特定するステップであって、前記ピッチオフセット、ロールオフセット、およびヨーオフセットのうちの少なくとも1つは、時間の関数として前記ユーザ端末において前記測定された電力に基づいて決定される、ステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。Identify the aiming error by defining the mathematical relationship between at least one of the satellite's pitch offset, roll offset, and yaw offset as input and the timing mismatch resulting from the offset as output. The step further comprises a step in which at least one of the pitch offset, roll offset, and yaw offset is determined as a function of time based on the measured power at the user terminal. The method described in 1. 前記ユーザ端末において、前記第1のビームおよび前記第2のビームのうちの少なくとも1つにおいて受信された電力を時間の関数として測定することによって、前記ピッチオフセット、前記ロールオフセット、および前記ヨーオフセットのうちの少なくとも1つを決定するステップをさらに備える、請求項2に記載の方法。 The pitch offset, the roll offset, and the yaw offset by measuring the power received in at least one of the first beam and the second beam in the user terminal as a function of time. The method of claim 2 , further comprising the step of determining at least one of them. 前記ピッチオフセット、前記ロールオフセット、および前記ヨーオフセットのうちの少なくとも1つを決定するステップが、前記ユーザ端末によって取得された時間の関数として受信された電力の前記測定値の曲線適合を生成するステップをさらに備える、請求項3に記載の方法。 The step of determining at least one of the pitch offset, the roll offset, and the yaw offset produces a curve fit of the measurements of the power received as a function of time acquired by the user terminal. The method according to claim 3 , further comprising. 前記ピッチオフセット、前記ロールオフセット、および前記ヨーオフセットのうちの少なくとも1つを決定するステップが、
前記曲線適合を、時間の関数として前記ユーザ端末によって受信される予想電力の基準プロファイルと比較するステップと、
前記曲線適合のピーク値と前記基準プロファイルのピーク値との間のオフセットを決定するステップと
をさらに備える、請求項4に記載の方法。 The step of determining at least one of the pitch offset, the roll offset, and the yaw offset is
A step of comparing the curve fit with a reference profile of expected power received by the user terminal as a function of time.
The method of claim 4 , further comprising determining an offset between the peak value of the curve fit and the peak value of the reference profile. ピッチオフセットとヨーオフセットとを一緒に測定するために、少なくとも2つのユーザ端末が、時間の関数として受信される電力を測定する、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3 , wherein at least two user terminals measure the power received as a function of time to measure the pitch offset and the yaw offset together. ロールオフセットを測定するために、少なくとも6つのユーザ端末が、時間の関数として受信される電力を測定する、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3 , wherein at least 6 user terminals measure the power received as a function of time to measure the roll offset. ピッチオフセット、ロールオフセット、およびヨーオフセットが同時に決定され、前記方法が、
複数のユーザ端末において、前記第1および第2のビームを含む、時間の関数として前記衛星から送信されたすべてのビームから受信される電力を測定するステップと、
時間の関数として前記ユーザ端末において受信される電力の予測を生成するステップと、
測定受信電力と予測受信電力との間の差の二乗の、すべてのユーザ端末にわたる和として、総電力誤差を計算するステップと
をさらに備える、請求項2に記載の方法。 The pitch offset, roll offset, and yaw offset are determined simultaneously, and the method described above
A step of measuring the power received from all the beams transmitted from the satellite as a function of time, including the first and second beams, at a plurality of user terminals.
A step of generating a prediction of the power received at the user terminal as a function of time,
The method of claim 2 , further comprising calculating the total power error as the sum of the squares of the difference between the measured received power and the predicted received power across all user terminals.

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