特許 6553309 位相敏感ビーム・トラッキング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6553309

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】位相敏感ビーム・トラッキング

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/112 20130101AFI20190722BHJP

【ＦＩ】

   H04B10/112

【請求項の数】29

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2018-554759(P2018-554759)

(86)(22)【出願日】2017年4月27日

(65)【公表番号】特表2019-517183(P2019-517183A)

(43)【公表日】2019年6月20日

(86)【国際出願番号】US2017029855

(87)【国際公開番号】WO2017204987

(87)【国際公開日】20171130

【審査請求日】2018年12月12日

(31)【優先権主張番号】15/163,745

(32)【優先日】2016年5月25日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】516326438

【氏名又は名称】エックス デベロップメント エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100126480

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 睦

(72)【発明者】

【氏名】スタインクラウス，ロバート

(72)【発明者】

【氏名】ウランダー，クラウス

【審査官】 前田 典之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１１１４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１４２６７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１６３７４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第６４６９８１５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００６−３１９８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５０３０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ １０／１１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

信号処理ハードウェア（４００）において、多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）から軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）を受け取ることであって、各軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）に入射する光ビームのビーム位置（１２２）を示し、各軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）の軸（５８０）に対応する、受け取ることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）を合計することによって基準信号（６６０）を生成することと、
前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）の軸（５８０）ごとに、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記軸（５８０）の第２の軸信号（５３０、５５０）からの９０度位相差を有するように前記軸（５８０）の第１の軸信号（５２０、５４０）の位相（５２２）を変換することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第１および第２の軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）を合計することによって軸フェーザ信号（６４０、６５０）を生成することであって、前記軸フェーザ信号（６４０、６５０）は、前記光ビームの前記ビーム位置（１２２）にマッピングする角度を有する、生成することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、位相差を判定するために前記軸フェーザ信号（６４０、６５０）および前記基準信号（６６０）を比較することであって、前記位相差は、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）上の対応する前記軸（５８０）に沿ったビーム位置誤差（７８０、７９０）にマッピングする、比較することと
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）の各軸（５８０）の前記ビーム位置誤差（７８０、７９０）に基づいて前記光ビームを向けるミラー（８８０）のミラー位置を決定することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記ミラー位置に移動するために前記ミラー（８８０）を作動させることと
を含む方法。

【請求項2】

前記信号処理ハードウェア（４００）において、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）の軸（５８０）ごとに光電流（５２０、５３０、５４０、５５０）を受け取ることであって、各光電流（５２０、５３０、５４０、５５０）は、前記光ビームのビーム・パワー（１２４）および前記ビーム位置（１２２）に依存する振幅（５２４、５３４、５４４、５５４）を有する、受け取ることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ（５６０）によって、前記光電流（５２０、５３０、５４０、５５０）を対応する前記軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）に変換することであって、各軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は、電圧信号である、変換することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタを使用して各軸信号（５２０、５３０、５４０、５５０）を高域フィルタリングすることをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタを使用して各軸フェーザ信号（６４０、６５０）を低域フィルタリングすることをさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

それぞれが対応する対数利得を表すように、前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの制限増幅器（６７０）によって各軸フェーザ信号（６４０、６５０）および前記基準信号（６６０）を変更することをさらに含む、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

前記変更された軸フェーザ信号（６４０、６５０）および前記変更された基準信号（６６０）のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの比較器（６８０）によって、前記変更された軸フェーザ信号（６４０、６５０）および前記変更された基準信号（６６０）をフィルタリングすることをさらに含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記基準信号（６６０）を前記信号処理ハードウェア（４００）の基準クロック（６６２）に同期化することをさらに含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記信号処理ハードウェア（４００）のデジタル電位差計を使用して前記基準信号（６６０）の周波数をトリミングすることをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記信号処理ハードウェア（４００）のコントローラ（７４０）によって、前記多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）の少なくとも１つの軸（５８０）の前記ビーム位置誤差（７８０、７９０）に基づいて前記ミラー位置の変化のレートを考慮して前記ミラー位置を決定することをさらに含む、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の方法。

【請求項10】

前記コントローラ（７４０）と通信しているノッチ・フィルタ（７５０）によって、ターゲット周波数を減衰させるために前記ミラー位置をフィルタリングすることをさらに含む、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法。

【請求項11】

信号処理ハードウェア（４００）において、多軸ポジション・センシング・ディテクタ（５１０）に入射する光ビームのビーム位置（１２２）に関する第１のＸ信号（５２０）、Ｘ信号位相（５３２）を含む第２のＸ信号（５３０）、第１のＹ信号（５４０）、およびＹ信号位相（５５２）を含む第２のＹ信号（５５０）を受け取ることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第２のＸ信号（５３０）の前記Ｘ信号位相（５３２）を９０度だけシフトすることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第２のＹ信号（５５０）の前記Ｙ信号位相（５５２）を９０度だけシフトすることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第１のＸ信号（５２０）および前記シフトされた第２のＸ信号（５３０）を合計することによって合計されたＸ信号（６４０）を生成することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第１のＹ信号（６５０）および前記シフトされた第２のＹ信号（５５０）を合計することによって合計されたＹ信号（６５０）を生成することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、前記第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）を合計することによって基準信号（６６０）を生成することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記光ビームを向けるミラー（８８０）のミラー位置を決定することであって、前記ミラー位置は、
前記基準信号（６６０）と前記合計されたＸ信号（６４０）との間の第１の信号差（７８０）または
前記基準信号（６６０）と前記合計されたＹ信号（６５０）との間の第２の信号差（７９０）
のうちの少なくとも１つに基づく、決定することと、
前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記ミラー位置に移動するために前記ミラー（８８０）を作動させることと
を含む方法。

【請求項12】

前記信号処理ハードウェア（４００）において、第１のＸ光電流（５２０）、第２のＸ光電流（５３０）、第１のＹ光電流（５４０）、および第２のＹ光電流（５５０）を受け取ることであって、各光電流（５２０、５３０、５４０、５５０）は、前記光ビームのビーム・パワー（１２４）および前記ビーム位置（１２２）に依存する振幅（５２４、５３４、５４４、５５４）を有する、受け取ることと、
前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ（５６０）によって、第１のＸ光電流（５２０）、第２のＸ光電流（５３０）、第１のＹ光電流（５４０）、および第２のＹ光電流（５５０）を対応する前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、前記第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）に変換することであって、各信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は電圧信号である、変換することと
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタによって前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、前記第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）を高域フィルタリングすることをさらに含む、請求項１１または請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

それぞれ対応する対数利得を表すように、前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの制限増幅器（６７０）によって、前記合計されたＸ信号（６４０）、前記合計されたＹ信号（６５０）、および前記基準信号（６６０）を変更することであって、変更された前記合計されたＸ信号（６４０）、変更された前記合計されたＹ信号（６５０）、および変更された前記基準信号（６６０）は、それぞれ、対応する前記合計されたＸ信号（６４０）、対応する前記合計されたＹ信号（６５０）、および対応する前記基準信号（６６０）の対数に比例する、変更することをさらに含む、請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の方法。

【請求項15】

それぞれ前記対応する対数利得を表すように、前記信号処理ハードウェア（４００）によって、前記変更された合計されたＸ信号（６４０）、前記変更された合計されたＹ信号（６５０）、および前記変更された基準信号（６６０）を増幅することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記変更された合計されたＸ信号（５２０）、前記変更された合計されたＹ信号（５３０）、および前記変更された基準信号（６６０）のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、前記信号処理ハードウェア（４００）の少なくとも１つの比較器（６８０）によって、前記変更された合計されたＸ信号（６４０）、前記変更された合計されたＹ信号（６５０）、および前記変更された基準信号（６６０）をフィルタリングすることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記信号処理ハードウェア（４００）のデジタル電位差計を使用して前記基準信号（６６０）の周波数をトリミングすることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記信号処理ハードウェア（４００）のコントローラ（７４０）によって、前記第１の信号差（７８０）または前記第２の信号差（７９０）のうちの少なくとも１つに基づいて前記ミラー位置の変化のレートを考慮して前記ミラー位置を決定することをさらに含む、請求項１１〜請求項１７のいずれかに記載の方法。

【請求項19】

前記コントローラ（７４０）と通信しているノッチ・フィルタ（７５０）によって、ターゲット周波数を減衰させるために前記ミラー位置をフィルタリングすることをさらに含む、請求項１１〜請求項１８のいずれかに記載の方法。

【請求項20】

位置敏感検出器に入射する光ビームのビーム位置（１２２）に関する第１のＸ信号位相、Ｘ信号（５２０、５３０）を含む第２のＸ信号（５３０）、第１のＹ信号（５４０）、およびＹ信号位相を含む第２のＹ信号（５５０）を出力するように構成された前記位置敏感検出器と、
前記位置敏感検出器と通信しており、
前記第２のＸ信号（５３０）のＸ信号位相を９０度だけシフトし、
前記第２のＹ信号（５４０）の前記Ｙ信号位相を９０度だけシフトする
ように構成された少なくとも１つの位相シフタと、
前記位置敏感検出器および前記少なくとも１つの位相シフタと通信している少なくとも１つの加算増幅器（６３０）であって、前記少なくとも１つの加算増幅器（６３０）は、
前記第１のＸ信号（５２０）および前記シフトされた第２のＸ信号（５３０）の合計を含む合計されたＸ信号（６４０）と、
前記第１のＹ信号（５４０）および前記シフトされた第２のＹ信号（５５０）の合計を含む合計されたＹ信号（６５０）と、
前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）の合計を含む基準信号（６６０）と
を出力するように構成される、少なくとも１つの加算増幅器（６３０）と、
前記少なくとも１つの加算増幅器（６３０）と通信している信号処理ハードウェア（４００）であって、
前記光ビームを向けるミラー（８８０）のミラー位置を、
前記基準信号（６６０）と前記合計されたＸ信号（６４０）との間の第１の信号差（７８０）または
前記基準信号（６６０）と前記合計されたＹ信号（６５０）との間の第２の信号差（７９０）
のうちの少なくとも１つに基づいて決定し、
前記ミラー位置に移動するために前記ミラー（８８０）を作動させる
ように構成された信号処理ハードウェア（４００）と
を含む光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項21】

前記位置敏感検出器は、
第１のＸ光電流（５２０）を出力するように構成された第１のＸ陽極（５１２）と、
第２のＸ光電流（５３０）を出力するように構成された第２のＸ陽極（５１４）と、
第１のＹ光電流（５４０）を出力するように構成された第１のＹ陽極（５１６）と、
第２のＹ光電流（５５０）を出力するように構成された第２のＹ陽極（５１８）であって、各光電流（５２０、５３０、５４０、５５０）は、前記光ビームのビーム・パワー（１２４）および前記ビーム位置（１２２）に依存する、第２のＹ陽極（５１８）と、
前記第１のＸ陽極（５１２）、前記第２のＸ陽極（５１４）、前記第１のＹ陽極（５１６）、および前記第２のＹ陽極（５１８）と通信している少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ（５６０）であって、前記少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ（５６０）は、前記第１のＸ光電流（５２０）、前記第２のＸ光電流（５３０）、前記第１のＹ光電流（５４０）、および前記第２のＹ光電流（５５０）を対応する前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、前記第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）に変換するように構成され、各信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は、電圧信号である、少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ（５６０）と
を含む、請求項２０に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項22】

前記位置敏感検出器と通信しており、前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、前記第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）を高域フィルタリングするように構成された少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタをさらに含む、請求項２０または請求項２１に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項23】

前記少なくとも１つの位相シフタは、
前記第２のＸ信号（５３０）のＸ位相（５３２）を９０度だけシフトするように構成された第１の位相シフタと、
前記第２のＹ信号（５３０）のＹ位相（５５２）を９０度だけシフトするように構成された第２の位相シフタと
を含み、前記少なくとも１つの加算増幅器（６３０）は、
前記第１の位相シフタと通信しており、前記第１のＸ信号（５２０）および前記シフトされた第２のＸ信号（５３０）を合計するように構成された第１の加算増幅器（６３０、６３０ａ）と、
前記第２の位相シフタと通信しており、前記第１のＹ信号（５４０）および前記シフトされた第２のＹ信号（５５０）を合計するように構成された第２の加算増幅器（６３０、６３０ｂ）と、
前記位置敏感検出器と通信しており、前記第１のＸ信号（５２０）、前記第２のＸ信号（５３０）、第１のＹ信号（５４０）、および前記第２のＹ信号（５５０）を合計するように構成された第３の加算増幅器（６３０、６３０ｃ）と
を含む、請求項２０〜請求項２２のいずれかに記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項24】

前記少なくとも１つの加算増幅器（６３０）と通信している少なくとも１つの制限増幅器（６７０）であって、前記少なくとも１つの制限増幅器（６７０）は、
前記合計されたＸ信号（６４０）、前記合計されたＹ信号（６５０）、および前記基準信号（６６０）を受け取り、
それぞれ対数利得を表すように、前記合計されたＸ信号（６４０）、前記合計されたＹ信号（６５０）、および前記基準信号（６６０）を変更し、
前記変更された合計されたＸ信号（６４０）、前記変更された合計されたＹ信号（６５０）、および前記変更された基準信号（６６０）を出力し、各変更された信号（５２０、５３０、５４０、５５０）は、対応する前記受け取られた信号（５２０、５３０、５４０、５５０の対数）に比例する
ように構成された少なくとも１つの制限増幅器（６７０）をさらに含む、請求項２０〜請求項２３のいずれかに記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項25】

前記少なくとも１つの制限増幅器（６７０）と通信している少なくとも１つの比較器（６８０）であって、前記少なくとも１つの比較器（６８０）は、前記変更された合計されたＸ信号（６４０）、前記変更された合計されたＹ信号（６５０）、および前記変更された基準信号（６６０）のそれぞれに対してエッジ検出を実行する
ように構成された少なくとも１つの比較器（６８０）をさらに含む、請求項２４に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項26】

前記少なくとも１つの比較器（６８０）と通信しているデジタル電位差計であって、前記デジタル電位差計は、前記基準信号（６６０）の周波数をトリミングする
ように構成されたデジタル電位差計をさらに含む、請求項２５に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項27】

前記信号処理ハードウェア（４００）は、前記第１の信号差（７８０）または前記第２の信号差（７９０）のうちの少なくとも１つに基づいて前記ミラー位置の変化のレートを考慮して前記ミラー位置を決定する
ように構成されたコントローラ（７４０）を含む、請求項２０〜請求項２６のいずれかに記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項28】

前記コントローラ（７４０）と通信しているノッチ・フィルタ（７５０）であって、前記ノッチ・フィルタ（７５０）は、ターゲット周波数を減衰させるために前記ミラー位置をフィルタリングする
ように構成されたノッチ・フィルタ（７５０）をさらに含む、請求項２７に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【請求項29】

前記コントローラ（７４０）と通信しているミラー・スケーリング・カリキュレータであって、前記ミラー・スケーリング・カリキュレータは、ミラー・バイアス・セット・ポイントから離れて回転する相補的な第１および第２のミラー信号を生成する
ように構成されたミラー・スケーリング・カリキュレータをさらに含む、請求項２７に記載の光ビーム・トラッキング・システム（４００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［0001］ 本開示は、位相敏感ビーム・トラッキング・システムに関する。

【背景技術】

【0002】

［0002］ 通信ネットワークは、情報（信号）を受信し、情報を宛先に送信する大規模分散システムである。過去２０〜３０年にわたって、通信アクセスの需要が、劇的に増加した。従来のワイヤおよびファイバの地上通信線、セルラ・ネットワーク、および静止衛星システムが、需要の増加に対処するために間断なく増大してきたが、既存の通信インフラストラクチャは、それでも、需要の増加に対処するのに十分に大きくはない。通信ネットワークが、光通信ビームの使用を介して帯域幅および伝送距離を改善しようとする場合がある。地球上での自由空間光通信ビームの使用は、シンチレーションおよび指向誤差に起因して問題含みである場合がある。シンチレーションは、大気乱流およびビーム・サイズによって引き起こされる可能性がある。指向誤差は、ジッタ、ミスアライメント、建物の動揺および振動、プラットフォームの動きおよび振動、熱膨張などからの静的指向誤差と動的指向誤差との両方を含む。これらの指向誤差によって引き起こされる素早い変化は、高精度で高速のビーム・トラッキング・システムの必要を顕在化させる可能性がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

［0003］ 本開示は、伝統的にアナログ除算または数値除算によって解決される正規化を必要とする、非常に動的な振幅によって駆動された差動アナログ信号の処理問題を、デジタル・エレクトロニクスを使用してたやすく測定され得る位相／タイミング問題に変換することのできるトラッキング・システムを説明する。それを行う際に、除算によって生成される数値誤差が除去される。具体的には、本明細書で説明される方法およびシステムは、信号の振幅が何桁も変化している間に、位置センサ上で位置を測定することができ、この測定は、０．１％までの２つの信号の比の高精度測定を用いる。

【0004】

［0004］ 本開示の一態様は、通信ビームに関して光ビーム・トラッキング・システムを動作させる方法を提供する。この方法は、信号処理ハードウェアにおいて、多軸ポジション・センシング・ディテクタ（ｍｕｌｔｉ−ａｘｉｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）から軸信号を受け取ることと、信号処理ハードウェアによって、軸信号を合計することによって基準信号を生成することとを含む。この方法は、信号処理ハードウェアによって、多軸ポジション・センシング・ディテクタの各軸のビーム位置誤差に基づいて光ビームを向けるミラーのミラー位置を決定することと、信号処理ハードウェアによって、ミラー位置に移動するためにミラーを作動させることとをさらに含む。各軸信号は、多軸ポジション・センシング・ディテクタに入射する光ビームのビーム位置を示す。さらに、各軸信号は、多軸ポジション・センシング・ディテクタの軸に対応する。多軸ポジション・センシング・ディテクタの軸ごとに、この方法は、ｉ）信号処理ハードウェアによって、軸の第２の軸信号からの９０度位相差を有するように軸の第１の軸信号の位相を変換することと、ｉｉ）信号処理ハードウェアによって、第１および第２の軸信号を合計することによって軸フェーザ信号を生成することと、ｉｉｉ）信号処理ハードウェアによって、位相差を判定するために軸フェーザ信号および基準信号を比較することとを含む。軸フェーザ信号は、光ビームのビーム位置にマッピングする角度を有する。位相差は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ上の対応する軸に沿ったビーム位置誤差にマッピングする。

【0005】

［0005］ 本開示の実施態様は、以下のオプションの特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施態様では、この方法は、信号処理ハードウェアにおいて、多軸ポジション・センシング・ディテクタの軸ごとに光電流を受け取ることと、信号処理ハードウェアの少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプによって、光電流を対応する軸信号に変換することであって、各軸信号は、電圧信号である、変換することとを含む。各光電流は、光ビームのビーム・パワーおよびビーム位置に依存する振幅を有することができる。この方法は、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタを使用して各軸信号を高域フィルタリングすることを含むことができる。この方法は、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタを使用して各軸フェーザ信号を低域フィルタリングすることをも含むことができる。いくつかの例では、この方法は、それぞれが対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの制限増幅器によって各軸フェーザ信号および基準信号を変更することを含む。

【0006】

［0006］ いくつかの実施態様では、この方法は、変更された軸フェーザ信号および変更された基準信号のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの比較器によって、変更された軸フェーザ信号および変更された基準信号をフィルタリングすることを含む。この方法は、信号処理ハードウェアによって、基準信号を信号処理ハードウェアの基準クロックに同期化することをも含むことができる。この方法は、アナログ・デバイスでの待ち時間および位相シフトを考慮するために、信号処理ハードウェアのデジタル電位差計を使用して基準信号の周波数をトリミングすることをも含むことができる。この方法は、信号処理ハードウェアの閉ループ・コントローラ（たとえば、比例・積分・微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）コントローラ）によって、多軸ポジション・センシング・ディテクタの少なくとも１つの軸のビーム位置誤差に基づいてミラー位置の変化のレートを考慮してミラー位置を決定することをさらに含むことができる。この方法は、コントローラと通信しているノッチ・フィルタによって、ターゲット周波数を減衰させるためにミラー位置をフィルタリングすることをも含むことができる。

【0007】

［0007］ 本開示のもう１つの態様は、通信ビームに関して光ビーム・トラッキング・システムを動作させる方法を提供する。この方法は、信号処理ハードウェアにおいて、多軸ポジション・センシング・ディテクタに入射する光ビームのビーム位置に関する第１のＸ信号、Ｘ信号位相を含む第２のＸ信号、第１のＹ信号、およびＹ信号位相を含む第２のＹ信号を受け取ることを含む。この方法は、信号処理ハードウェアによって、第２のＸ信号のＸ信号位相を９０度だけシフトすることと、信号処理ハードウェアによって、第２のＹ信号のＹ信号位相を９０度だけシフトすることとを含む。この方法は、ｉ）信号処理ハードウェアによって、第１のＸ信号およびシフトされた第２のＸ信号を合計することによって合計されたＸ信号を生成することと、ｉｉ）信号処理ハードウェアによって、第１のＹ信号およびシフトされた第２のＹ信号を合計することによって合計されたＹ信号を生成することと、ｉｉｉ）信号処理ハードウェアによって、第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号を合計することによって基準信号を生成することとをさらに含む。この方法は、信号処理ハードウェアによって、光ビームを向けるミラーのミラー位置を決定することをさらに含む。ミラー位置は、基準信号と合計されたＸ信号との間の第１の信号差または基準信号と合計されたＹ信号との間の第２の信号差のうちの少なくとも１つに基づく。この方法は、信号処理ハードウェアによって、ミラー位置に移動するためにミラーを作動させることを含む。

【0008】

［0008］ この態様は、以下のオプションの特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。この方法は、信号処理ハードウェアにおいて、第１のＸ光電流、第２のＸ光電流、第１のＹ光電流、および第２のＹ光電流を受け取ることを含む。各光電流は、光ビームのビーム・パワーおよびビーム位置に依存する振幅を有する。この方法は、信号処理ハードウェアの少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプによって、第１のＸ光電流、第２のＸ光電流、第１のＹ光電流、および第２のＹ光電流を対応する第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号に変換することであって、各信号は電圧信号である、変換することをも含むことができる。

【0009】

［0009］ この方法は、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタによって第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号を高域フィルタリングすることをも含むことができる。いくつかの例では、この方法は、それぞれ対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの制限増幅器によって、合計されたＸ信号、合計されたＹ信号、および基準信号を変更することを含む。変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号は、それぞれ、対応する合計されたＸ信号、対応する合計されたＹ信号、および対応する基準信号の対数に比例するものとすることができる。いくつかの実施態様で、この方法は、それぞれ対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェアによって、変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号を増幅することを含む。この方法は、変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、信号処理ハードウェアの少なくとも１つの比較器によって、変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号をフィルタリングすることをも含むことができる。

【0010】

［0010］ いくつかの例では、この方法は、アナログ・デバイスでの待ち時間および位相シフトを考慮するために、信号処理ハードウェアのデジタル電位差計を使用して基準信号の周波数をトリミングすることを含む。いくつかの例では、この方法は、信号処理ハードウェアのコントローラ（たとえば、ＰＩＤコントローラ）によって、第１の信号差または第２の信号差のうちの少なくとも１つに基づいてミラー位置の変化のレートを考慮してミラー位置を決定することを含む。この方法は、コントローラと通信しているノッチ・フィルタによって、ターゲット周波数を減衰させるためにミラー位置をフィルタリングすることをも含むことができる。

【0011】

［0011］ 本開示のもう１つの態様は、光ビーム・トラッキング・システムを提供する。このシステムは、位置敏感検出器に入射する光ビームのビーム位置に関する第１のＸ信号位相、Ｘ信号を含む第２のＸ信号、第１のＹ信号、およびＹ信号位相を含む第２のＹ信号を出力するように構成された位置敏感検出器を含む。少なくとも１つの位相シフタが、位置敏感検出器と通信しており、第２のＸ信号のＸ信号位相を９０度だけシフトし、第２のＹ信号のＹ信号位相を９０度だけシフトするように構成される。少なくとも１つの加算増幅器が、位置敏感検出器および少なくとも１つの位相シフタと通信している。少なくとも１つの加算増幅器は、第１のＸ信号およびシフトされた第２のＸ信号の合計を含む合計されたＸ信号と、第１のＹ信号およびシフトされた第２のＹ信号の合計を含む合計されたＹ信号と、第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号の合計を含む基準信号とを出力するように構成される。このシステムは、少なくとも１つの加算増幅器と通信しており、光ビームを向けるミラーのミラー位置を決定し、ミラー位置に移動するためにミラーを作動させるように構成された信号処理ハードウェアをも含む。ミラー位置は、基準信号と合計されたＸ信号との間の第１の信号差または基準信号と合計されたＹ信号との間の第２の信号差のうちの少なくとも１つに基づく。

【0012】

［0012］ この態様は、以下のオプションの特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。位置敏感検出器は、第１のＸ光電流を出力するように構成された第１のＸ陽極と、第２のＸ光電流を出力するように構成された第２のＸ陽極と、第１のＹ光電流を出力するように構成された第１のＹ陽極と、第２のＹ光電流を出力するように構成された第２のＹ陽極とを含むことができる。各光電流は、光ビームのビーム・パワーおよびビーム位置に依存する。位置敏感検出器は、第１のＸ陽極、第２のＸ陽極、第１のＹ陽極、および第２のＹ陽極と通信している少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプをも含むことができる。少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプは、第１のＸ光電流、第２のＸ光電流、第１のＹ光電流、および第２のＹ光電流を対応する第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号に変換するように構成され得、各信号は、電圧信号である。いくつかの例で、このシステムは、位置敏感検出器と通信しており、第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号を高域フィルタリングするように構成された少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタを含む。

【0013】

［0013］ いくつかの例で、少なくとも１つの位相シフタは、第２のＸ信号のＸ信号位相を９０度だけシフトするように構成された第１の位相シフタと、第２のＹ信号のＹ信号位相を９０度だけシフトするように構成された第２の位相シフタとを含む。少なくとも１つの加算増幅器は、第１の位相シフタと通信しており、第１のＸ信号およびシフトされた第２のＸ信号を合計するように構成された第１の加算増幅器と、第２の位相シフタと通信しており、第１のＹ信号およびシフトされた第２のＹ信号を合計するように構成された第２の加算増幅器と、位置敏感検出器と通信しており、第１のＸ信号、第２のＸ信号、第１のＹ信号、および第２のＹ信号を合計するように構成された第３の加算増幅器とを含むことができる。このシステムは、少なくとも１つの加算増幅器と通信している少なくとも１つの制限増幅器をも含むことができる。少なくとも１つの制限増幅器は、ｉ）合計されたＸ信号、合計されたＹ信号、および基準信号を受け取り、ｉｉ）それぞれ対数利得を表すように、合計されたＸ信号、合計されたＹ信号、および基準信号を変更し、ｉｉｉ）変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号を出力するように構成され得る。各変更された信号は、対応する受け取られた信号の対数に比例するものとすることができる。

【0014】

［0014］ いくつかの実施態様で、このシステムは、少なくとも１つの制限増幅器と通信している少なくとも１つの比較器を含む。少なくとも１つの比較器は、変更された合計されたＸ信号、変更された合計されたＹ信号、および変更された基準信号のそれぞれに対してエッジ検出を実行するように構成され得る。このシステムは、少なくとも１つの比較器と通信しており、アナログ・デバイスでの待ち時間および位相シフトを考慮するために、基準信号の周波数をトリミングするように構成される、デジタル電位差計をさらに含むことができる。

【0015】

［0015］ 信号処理ハードウェアは、第１の信号差または第２の信号差のうちの少なくとも１つに基づいてミラー位置の変化のレートを考慮してミラー位置を決定するように構成されたコントローラ（たとえば、ＰＩＤコントローラを含むことができる。いくつかの例で、このシステムは、コントローラと通信しているノッチ・フィルタであって、ノッチ・フィルタは、ターゲット周波数を減衰させるためにミラー位置をフィルタリングするように構成される、ノッチ・フィルタを含む。このシステムは、コントローラと通信しているミラー・スケーリング・カリキュレータであって、ミラー・スケーリング・カリキュレータは、ミラー・バイアス・セット・ポイントから離れて回転する相補的な第１および第２のミラー信号を生成するように構成される、ミラー・スケーリング・カリキュレータをさらに含むことができる。

【0016】

［0016］ 本開示の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付図面および下の説明で示される。他の態様、特徴、および利点は、この説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明白になるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】［0017］例示的な通信システムを示す概略図である。

【図1B】［0018］空中基地局および地上端末を含む例示的な通信システムを示す概略図である。

【図1C】［0019］衛星が極コンステレーション（ｐｏｌａｒ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）を形成する、衛星および通信気球を有する例示的な地球規模の通信システムを示す概略図である。

【図1D】［0020］Ｗａｌｋｅｒコンステレーションを形成する、図１Ａの衛星の例示的なグループを示す概略図である。

【図2A】［0021］空中基地局の例を示す透視図である。

【図2B】［0021］空中基地局の例を示す透視図である。

【図3】［0022］衛星の例を示す透視図である。

【図4】［0023］ビーム・トラッキング・システムを示す概略図である。

【図5】［0024］感光検出器システムを示す概略図である。

【図6】［0025］シグナル・コンディショニング・システムを示す概略図である。

【図7】［0026］データ処理ハードウェア機能を示す概略図である。

【図8】［0027］ミラー制御システムの例を示す概略図である。

【図9】［0028］ビーム・トラッキング・システムを動作させる方法の動作の構成の例を示す図である。

【図10】［0029］ビーム・トラッキング・システムを動作させる方法の動作の構成の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［0030］ 様々な図面内の同様の符号は、同様の要素を示す。

【0019】

［0031］ 本開示は、自由空間光通信ビームの素早いアライメントおよび補正のためのビーム・トラッキング・システムを説明する。光通信システムは、光通信ビームを介してデータを伝送することができる。光通信ビームは、静的なおよび／または動的なシンチレーションおよび指向誤差にさらされる可能性がある。光通信システムは、ビーム・トラッキング・システムを使用して、光通信ビームをトラッキングし、シンチレーションおよび指向誤差を補正するために通信ビームの位置補正およびアライメント補正を判定することができる。非常に動的な振幅によって駆動された差動アナログ信号の処理問題を、アナログ・エレクトロニクスまたはアナログ−デジタル変換器ではなくデジタル・エレクトロニクスを使用してたやすく測定され得る位相／タイミング問題に変換することのできるビーム・トラッキング・システム。具体的には、ビーム・トラッキング・システムは、信号の振幅が何桁も変化している間に、位置センサ上で位置を測定することができ、この測定は、０．１％までの２つの信号の比の高精度測定を用いる。ミラーが、ビーム・トラッキング・システムによる光通信ビームのトラッキングに基づいて通信ビームを向けることができる。

【0020】

［0032］ ビーム・トラッキング・システムは、それに入射する通信ビームの位置を感知し、通信ビームの感知された位置に対応する軸信号を出力するように構成された多軸位置敏感検出器を含む。ビーム・トラッキング・システムは、軸信号を位相シフトすることによって軸信号を振幅問題から周波数問題に変換するために軸信号をコンディショニングするように構成された信号処理ハードウェアをも含む。信号処理ハードウェアは、軸信号の利得を高めることとビーム・パワーの素早い変化を補償することとによって、軸信号をさらにコンディショニングする。信号処理ハードウェアは、コンディショニングされた軸信号を基準信号と比較することによって位置敏感検出器の各軸の位置誤差を判定し、この基準信号は、すべての軸信号の合計である。さらに、信号処理ハードウェアは、位置誤差を改善するために、比例・積分・微分計算およびノッチ・フィルタをオプションで使用することができる。信号処理ハードウェアによるミラー・スケーリングは、位置誤差を、ミラーを動作させるのに適当な値にスケーリングし、ミラー位置信号をもたらすことができる。信号処理ハードウェアは、ミラー位置信号をミラー・コントローラに送る。ミラー・コントローラは、ミラーを動かすためにミラー位置信号をミラー信号に変換するデジタル−アナログ変換器を含むことができる。ミラーは、通信ビームを位置敏感検出器に向ける。いくつかの実施態様では、ミラーは、通信ビームの位置を１つまたは複数の異なる光通信システムに向ける。

【0021】

［0033］概要
［0034］ 図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、いくつかの実施態様では、地球規模通信システム１００は、ゲートウェイ１１０（たとえば、ソース地上局１１０ａおよび宛先地上局１１０ｂ）、成層圏プラットフォーム（ＨＡＰ）または空中基地局２００、および衛星３００を含む。成層圏プラットフォーム（ＨＡＰ）および空中基地局２００は、交換可能に使用され得る。ソース地上局１１０ａは、衛星３００と通信することができ、衛星３００は、空中基地局２００と通信することができ、空中基地局２００は、宛先地上局１１０ｂと通信することができる。いくつかの例では、ソース地上局１１０ａは、衛星３００の間のリンクするゲートウェイとしても動作する。ソース地上局１１０ａは、１つまたは複数のサービス・プロバイダに接続され得、宛先地上局１１０ｂは、ユーザ端末（たとえば、モバイル・デバイス、住宅ＷｉＦｉデバイス、ホーム・ネットワーク、その他）とすることができる。いくつかの実施態様では、空中基地局２００は、高々度（たとえば、１７〜２２ｋｍ）で動作する航空通信デバイスである。空中基地局は、たとえば航空機によって、地球の大気圏に解放され、または所望の高さまで流され得る。さらに、空中基地局２００は、準静止航空機として動作することができる。いくつかの例では、空中基地局２００は、無人航空機（ＵＡＶ）などの航空機２００ａであるが、他の例では、空中基地局２００は、通信気球２００ｂである。衛星３００は、低軌道（ＬＥＯ）、中軌道（ＭＥＯ）、または、地球同期軌道（ＧＥＯ）を含む高軌道（ＨＥＯ）にあるものとすることができる。

【0022】

［0035］ 図１Ｂは、光通信システム１３０の光通信ビーム１２０を介して通信リンクを確立する通信システム１００の例示的なアーキテクチャの概略図を提供する。光通信システム１３０は、光通信ビーム１２０を介する、空中基地局２００と１つまたは複数の地上端末１１０（たとえば、ゲートウェイ１１０）との間の通信を容易にする。地上端末１１０は、光通信ビーム１２０を介してお互いと通信しているものとすることができる。光通信ビーム１２０は、その位置に対する基準としてビーム位置１２２、その強度に対する基準としてビーム・パワー１２４を含むことができる。

【0023】

［0036］ いくつかの例では、空中基地局２００は、無人航空システム（ＵＡＳ）である。図示の例では、空中基地局２００は、光通信システム１３０を支持する本体２１０を含む。光通信システム１３０は、１つまたは複数の光通信システム１３０を介して複数の光通信ビーム１２０を送信しまたは受信することができる。単一の光通信システム１３０が、複数の光通信ビーム１２０を送信することができ、あるいは、複数の光通信システム１３０が、それぞれ、対応する光通信ビーム１２０またはその組合せを送信することができる。光通信システム１３０は、トランシーバ、ビーム・エミッタ、ビーム・レシーバ、および光通信ビーム１２０を介してデータを送り、受信するシステムを含むことができる。

【0024】

［0037］ 地球５上での光通信ビーム１２０の使用は、シンチレーションおよび指向誤差に起因して問題含みである場合がある。シンチレーションは、大気乱流およびビーム・サイズによって引き起こされる可能性がある。静的および／または動的な指向誤差は、ジッタ、ミスアライメント、建物の動揺および振動、プラットフォームの動きおよび振動、熱膨張などから生じる可能性がある。

【0025】

［0038］ 光通信システム１３０は、光通信ビーム１２０の位置／アライメントをトラッキングし、すべての位置／アライメント誤差を補償するために光通信ビーム１２０を向けるミラー８８０を調整するように構成されたビーム・トラッキング・システム４００を含むことができる。ビーム・トラッキング・システム４００は、光通信ビーム１２０が、地上端末１１０または空中基地局２００などの所期の光通信システム１３０と通信しているままになることを保証することができる。光通信システム１３０は、光通信ビーム１２０を介して、地上端末１１０、空中基地局２００、または衛星３００にデータ１４０を送信することができる。ビーム・トラッキング・システム４００は、ビーム位置１２２を調整し、ビーム位置１２２が別の光通信システム１３０に接触したままになることを保証するためのミラー８８０の素早い調整を介して、すべてのシンチレーションおよび指向誤差の影響を補償する。

【0026】

［0039］ いくつかの例では、地上端末１１０は、空中基地局２００または衛星３００と通信するように構成された光通信システム１３０を含む。同様に、空中基地局２００および衛星３００は、それぞれ、光通信システム１３０を含むことができる。各光通信システム１３０が、専用のビーム・トラッキング・システム４００を含むことができ、あるいは、複数の光通信システム１３０が、共有されるビーム・トラッキング・システム４００を用いて通信することができる。

【0027】

［0040］ 空中基地局２００は、対気速度、飛行方向、姿勢位置（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）、温度、ＧＰＳ（全地球測位システム）座標、風況、フライト・プラン情報、燃料量、バッテリ量、他のソースから受信されたデータ、他のアンテナから受信されたデータ、センサ・データ、その他などであるがこられに限定されない様々なデータ１４０および情報を地上端末１１０に通信することができる。同様に、地上端末１１０は、他の地上端末１１０または他のデータ・ネットワークに転送されるべきデータを含む様々なデータ１４０および情報を空中基地局２００に通信することができる。空中基地局２００は、航空機、飛行船、ヘリコプタ、ジャイロコプタ、小型飛行船、マルチコプタ、グライダ、気球、固定翼、回転翼、ロータ機、リフティング・ボディ、重航空機、軽航空機、その他の組合せを含むがこれに限定されない飛行機の様々な実施態様とすることができる。

【0028】

［0041］ 空中基地局２００は、経路、軌跡、または軌道２０２（その軌道または軌跡がほぼ幾何学的平面を形成することができるので、平面とも呼ばれる）に沿って地球５の回りを移動することができる。さらに、複数の空中基地局２００が、同一のまたは異なる軌道２０２内で動作することができる。たとえば、いくつかの空中基地局２００は、第１の軌道２０２ａ内でほぼ地球５の緯度に沿って（または部分的に卓越風によって決定される軌跡内で）移動することができ、他の空中基地局２００は、第２の軌道２０２ｂ内で異なる緯度または軌跡に沿って移動することができる。空中基地局２００は、地球５の回りの複数の異なる軌道２０２の中でグループ化され得、かつ／または他の経路２０２（たとえば、個々の経路）に沿って移動することができる。同様に、衛星３００は、異なる軌道３０２、３０２ａ〜３０２ｎに沿って移動することができる。協力して働く複数の衛星３００は、衛星コンステレーションを形成する。衛星コンステレーション内の衛星３００は、グラウンド・カバレージ（ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｖｅｒａｇｅ）においてオーバーラップするために、調整された形で動作することができる。図１Ｃに示された例では、衛星３００は、衛星３００に地球５の両極を周回させることによって、極コンステレーションで動作するが、図１Ｄに示された例では、衛星３００は、Ｗａｌｋｅｒコンステレーションで動作し、このＷａｌｋｅｒコンステレーションは、ある緯度未満のエリアをカバーし、地上のゲートウェイ１１０の視野内に同時に多数の衛星３００を提供する（より高い可用性、より少ない破棄された接続につながる）。

【0029】

［0042］ 図１Ｂ、図２Ａ、および図２Ｂを参照すると、いくつかの実施態様では、空中基地局２００は、空中基地局本体２１０と、空中基地局本体２１０上に配置された光通信システム１３０とを含む。空中基地局２００の光通信システム１３０は、対応する光通信ビーム１２０を介して衛星３００から通信２０を受信し、対応する光通信ビーム１２０を介して通信２０を宛先地上局１１０ｂに再ルーティングし、その逆を行うように構成され得る。空中基地局２００の光通信システム１３０は、受信された通信２０を処理し、宛先地上局１１０ｂ（たとえば、ユーザ端末）に達するための通信２０の経路を判定することができる。いくつかの実施態様では、地上の宛先地上局１１０ｂは、通信信号を空中基地局２００に送る特殊化されたアンテナまたは光エミッタを有する。通信２０を受信する空中基地局２００は、別の空中基地局２００、衛星３００、またはゲートウェイ１１０（たとえば、地上端末１１０ｂ）に通信２０を送ることができる。

【0030】

［0043］ 図２Ｂは、気球２０４（たとえば、幅約４９フィート、高さ約３９フィートでヘリウムまたは水素を充填される）、空中基地局本体２１０としての機器ボックス２０６、および太陽電池パネル２０８を含む通信気球２００ｂの例を示す。機器ボックス２０６は、高々度気球２００ｂがどこに行く必要があるのかを判定するアルゴリズムを実行するデータ処理デバイスおよび／または光通信システム１３０を含み、各高々度気球２００ｂは、それが行かなければならないところへそれを連れていくことのできる方向に吹く風の層内に移動する。光通信システム１３０は、対応する通信ビーム１２０を向けるために、ビーム・トラッキング・システム４００およびミラー８８０を含むことができる。機器ボックス２０６は、電力を蓄えるバッテリと、他のデバイス（たとえば、他の空中基地局２００、衛星３００、地上端末１１０ｂなどのゲートウェイ１１０、地上のインターネット・アンテナ、その他）と通信するトランシーバ（たとえば、アンテナまたは光エミッタ）とをも含む。太陽電池パネル２０８は、機器ボックス２０６に電力を供給することができる。

【0031】

［0044］ 通信気球２００ｂは、通常、１１マイルと２３マイルとの間の高度を達成するために地球の成層圏内に解放され、地上無線データ・サービス（３Ｇまたは４Ｇなど）に匹敵する速度で直径２５マイルの地上エリアに接続性を提供する。通信気球２００ｂは、成層圏内で航空機および気象の２倍の高度（たとえば、地球の表面から２０ｋｍ上）に浮かぶ。高々度気球２００ｂは、風によって地球５の回りで運ばれ、所望の方向に移動する風を有する高度に上昇しまたは下降することによってステアリングされ得る。成層圏内の風は、通常は安定し、約５ｍｐｈおよび約２０ｍｐｈでゆっくり移動し、風の各層は、方向および大きさにおいて異なる。

【0032】

［0045］ 図３を参照すると、衛星３００は、地球５の周囲の軌道３０２内に配置された物体であり、軍事観測衛星、民間観測衛星、通信衛星、航行衛星、気象衛星、および研究用衛星（ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）など、異なる目的のために働くことができる。衛星３００の軌道３０２は、衛星３００の目的に部分的に依存して変化する。衛星軌道３０２は、地球５の表面からの高度に基づいて、低軌道（ＬＥＯ）、中軌道（ＭＥＯ）、および高軌道（ＨＥＯ）として分類され得る。ＬＥＯは、高度において０マイルから１２４０マイルまでの範囲にわたる地球周回軌道（すなわち、地球５の回りを周回する）である。ＭＥＯも、高度において１２００マイルから２２２３６マイルまでの範囲にわたる地球周回軌道である。ＨＥＯも、地球周回軌道であり、２２２３６マイルを超える高度を有する。地球同期軌道（ＧＥＯ）は、ＨＥＯの特例である。対地静止軌道（ＧＳＯ、時々ＧＥＯとも呼ばれる）は、地球同期軌道の特例である。

【0033】

［0046］ いくつかの実施態様では、衛星３００は、たとえば空中基地局２００のデータ処理デバイスまたは光通信システム１３０に似た、データ処理デバイスおよび／または光通信システム１３０を有する衛星本体３０４を含む。データ処理デバイスおよび／または光通信システム１３０は、衛星３００がどこに進んでいるのかを判定するためにアルゴリズムを実行する。光通信システム１３０は、対応する通信ビーム１２０を向けるために、ビーム・トラッキング・システム４００およびミラー８８０を含むことができる。衛星３００は、通信２０を受信し、送信するためにアンテナまたは光エミッタ３２０をも含む。衛星３００は、衛星３００に電力を供給するために衛星本体３０４に取り付けられた太陽電池パネル３０８を含む。いくつかの例では、衛星３００は、日光が到達しておらず、太陽電池パネル３０８を充電していない時に使用される再充電可能バッテリを含む。

【0034】

［0047］ 空中基地局２００を使用して地球規模通信システム１００を構築する時には、時々、空中基地局２００を衛星３００にリンクすることおよび／または１つの空中基地局２００をお互いにリンクすることによって、通信システム１００を介して長距離にわたってトラフィックをルーティングすることが望ましい。たとえば、２つの衛星３００が、デバイス間リンクを介して通信することができ、２つの空中基地局２００が、デバイス間リンクを介して通信することができる。デバイス間リンク（ＩＤＬ）は、空中基地局２００または衛星３００からゲートウェイ１１０までのホップ数を除去しまたは減少させ、これは、待ち時間を減少させ、全体的なネットワーク容量を増加させる。デバイス間リンクは、特定の領域をカバーする、ある空中基地局２００または衛星３００からの通信トラフィックが、同一の特定の領域をカバーする、別の空中基地局２００または衛星３００にシームレスにハンド・オーバされることを可能にし、ハンド・オーバでは、第１の空中基地局２００または衛星３００が、第１のエリアを去ろうとし、第２の空中基地局２００または衛星３００が、そのエリアに入ろうとしている。そのようなデバイス間リンクは、ソース地上局１１０ａおよび宛先地上局１１０ｂから離れたエリアに通信サービスを提供するのに有用であり、待ち時間を低減し、セキュリティを強化することもできる（光ファイバ・ケーブルは、傍受される可能性があり、そのケーブルを介して進むデータは、取り出される可能性がある）。このタイプのデバイス間通信は、すべての信号トラフィックが、ソース地上局１１０ａから衛星３００に進み、その後、宛先地上局１１０ｂ（たとえば、地上端末）に直接に進み、逆も同様である「曲管」モデルとは異なる。「曲管」モデルは、デバイス間通信をまったく含まない。その代わりに、衛星３００がリピータとして働く。「曲管」モデルのいくつかの例では、衛星３００によって受信された信号は、再送信される前に増幅されるが、信号処理は行われない。「曲管」モデルの他の例では、信号の一部またはすべてが、異なるビームへのルーティング、誤り訂正、またはサービス品質制御のうちの１つまたは複数を可能にするために処理され、復号される場合があるが、デバイス間通信は行われない。

【0035】

［0048］ いくつかの実施態様では、大規模通信コンステレーションが、複数の軌道２０２、３０２と、１つの軌道２０２、３０２あたりの空中基地局２００または衛星３００の個数とに関して記述される。同一の軌道２０２、３０２内の空中基地局２００または衛星３００は、その軌道内の空中基地局２００または衛星３００隣接物に対して相対的に同一の位置を維持する。しかし、隣接する軌道２０２、３０２内の隣接物に対する相対的な空中基地局２００または衛星３００の位置は、経時的に変化する可能性がある。たとえば、極に近い軌道を有する大規模衛星コンステレーションでは、同一の軌道２０２（所与の時点で特定の緯度におおまかに対応する）を有する衛星３００は、その軌道内隣接物（すなわち、前後の衛星３００）に対して相対的におおむね一定の位置を維持するが、隣接する軌道３０２内の隣接物に対する相対的な位置は、経時的に変化する。同様の概念が、空中基地局２００にあてはまるが、空中基地局２００は、地球５の回りで緯度平面に沿って移動し、隣接する空中基地局２００に対しておおむね一定の位置を維持する。

【0036】

［0049］ ソース地上局１１０ａは、衛星３００とインターネットとの間または空中基地局２００と地上端末１１０ｂとの間のコネクタとして使用され得る。いくつかの例では、システム１００は、ある空中基地局２００または衛星３００から別の空中基地局２００または衛星３００に通信２０を中継する、リンクするゲートウェイ１１０ａとしてソース地上局１１０ａを利用し、ここで、各空中基地局２００または衛星３００は、異なる軌道２０２、３２内にある。たとえば、リンクするゲートウェイ１１０ａは、周回する衛星３００から通信２０を受信し、通信２０を処理し、通信２０を異なる軌道３０２内の別の衛星３００に切り替えることができる。したがって、衛星３００とリンクするゲートウェイ１１０ａとの組合せは、完全に接続されたシステム１００を提供する。さらなる例において、ゲートウェイ１１０（たとえば、ソース地上局１１０ａおよび宛先地上局１１０ｂ）は、地上端末１１０と呼ばれなければならない。

【0037】

［0050］ビーム・トラッキング・システム
［0051］ 図４は、ビーム・トラッキング・システム４００の例の概略図を示す。ビーム・トラッキング・システム４００は、光通信ビーム１２０を受け入れ、多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００上の光通信ビーム１２０のビーム位置１２２を報告するように構成された多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００を含む。ビーム・トラッキング・システム４００は、シグナル・コンディショニング・システム６００は多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００と通信している、およびシグナル・コンディショニング・システム６００と通信している信号処理ハードウェア７００をも含む。シグナル・コンディショニング・システム６００は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００から受け取られた信号をコンディショニングする。ミラー制御システム８００は、信号処理ハードウェア７００と通信しているものとすることができる。ミラー制御システム８００は、信号処理ハードウェア７００によって出力された角度に応答してミラー８８０を動かすことができる。ビーム・トラッキング・システム４００、多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００、シグナル・コンディショニング・システム６００、信号処理ハードウェア７００、およびミラー制御システム８００は、単一の回路基板上で、またはお互いと通信している別々の基板上で、実施され得る。

【0038】

［0052］ 図５は、位置多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００の例の概略図である。多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０（たとえば、１つまたは複数のフォトダイオード）を含む。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に入射する光通信ビーム１２０に応答して１つまたは複数の信号を出力することができる。いくつかの例では、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、グリッド上で正しい位置に置かれ、１つの軸５８０あたり１つまたは２つの信号を出力する。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、Ｘ軸５８２に対応する第１の軸５８０、５８２と、Ｙ軸５８４に対応する第２の軸５８０、５８４とを含むことができる。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に衝突する光通信ビーム１２０のビーム位置１２２およびビーム・パワー１２４に応答して振幅および位相を出力することができる。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、Ｘ軸５８２に対応する第１のＸ陽極５１２および第２のＸ陽極５１４を含むことができる。第１のＸ陽極５１２および第２のＸ陽極５１４は、それぞれ、第１のＸ軸信号５２０および第２のＸ軸信号５３０を出力することができる。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、Ｙ軸５８４に対応する第１のＹ陽極５１６および第２のＹ陽極５１８を含むことができる。第１のＹ陽極５１６および第２のＹ陽極５１８は、それぞれ、第１のＹ軸信号５４０および第２のＹ軸信号５５０を出力することができる。第１のＸ軸信号５２０は、それぞれ第１のＸ軸信号５２０の位相および振幅を表す第１のＸ軸位相５２２および第１のＸ軸振幅５２４を含むことができる。第２のＸ軸信号５３０は、それぞれ第２のＸ軸信号５３０の位相および振幅を表す第２のＸ軸位相５３２および第２のＸ軸振幅５３４を含むことができる。第１のＹ軸信号５４０は、それぞれ第１のＹ軸信号５４０の位相および振幅を表す第１のＹ軸位相５４２および第１のＹ軸振幅５４４を含むことができる。第２のＹ軸信号５５０は、それぞれ第２のＹ軸信号５５０の位相および振幅を表す第２のＹ軸位相５５２および第２のＹ軸振幅５５４を含むことができる。

【0039】

［0053］ 少なくとも１つの例では、光通信ビーム１２０は、第１のＸ陽極５１２および第１のＹ陽極５１６のより近くで多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に衝突する場合がある。第１のＸ陽極５１２、第２のＸ陽極５１４、第１のＹ陽極５１６、および第２のＹ陽極５１８は、それぞれ、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０を出力することができる。光通信ビーム１２０が多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に衝突する位置に応答して、第１のＸ軸信号振幅５２４が第２のＸ軸信号振幅５３４より大きくなる場合があり、第１のＹ軸信号振幅５４４が第２のＹ軸信号振幅５５４より大きくなる場合がある。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に衝突する光通信ビーム１２０の強度は、第１のＸ軸振信号幅５２４、第２のＸ軸信号振幅５３４、第１のＹ軸信号振幅５４４、および第２のＹ軸信号振幅５５４の異なる総振幅をもたらす可能性がある。いくつかの実施態様では、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、光通信ビーム１２０、ビーム位置１２２、およびビーム・パワー１２４が、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０に関して多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０にどのように影響するのかに応答して、電流変化を出力する。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０が、光通信ビーム１２０に応答して電流を出力する時に、トランスインピーダンス・アンプ５６０は、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０を、それぞれ、第１のＸ軸振幅５２４、第２のＸ軸振幅５３４、第１のＹ軸振幅５４４、および第２のＹ軸振幅５５４などの電圧ベースの信号に変換することができる。トランスインピーダンス・アンプ５６０がない時には、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０は、それぞれ第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０に対応する第１のＸ軸光電流５２０、第２のＸ軸光電流５３０、第１のＹ軸光電流５４０、および第２のＹ軸光電流５５０を出力することができ、トランスインピーダンス・アンプ５６０が含まれる可能性があるかどうかに応じて交換可能に使用され得る。第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、第２のＹ軸信号５５０、第１のＸ軸信号振幅５２４、第２のＸ軸信号振幅５３４、第１のＹ軸信号振幅５４４、第２のＹ軸信号振幅５５４、第１のＸ軸信号位相５２２、第２のＸ軸信号位相５３２、第１のＹ軸信号位相５４２、および第２のＹ軸信号位相５５２は、多軸ポジションセンシング・ディテクタ・システム出力５７０によって多軸ポジション・センシング・ディテクタ・システム５００から出力され得る。多軸ポジションセンシング・ディテクタ・システム出力５７０は、シグナル・コンディショニング・システム６００に接続され得る。多軸ポジションセンシング・ディテクタ・システム出力５７０は、信号の要求されるデータ、振幅、位相、または電圧を伝送するのに適切な任意の接続とすることができる。

【0040】

［0054］ 図６は、シグナル・コンディショニング・システム６００の例の概略図である。第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０が、シグナル・コンディショニング・システム６００に入る。図示の例では、第１のＸ軸位相５２２および第１のＸ軸振幅５２４を有する第１のＸ軸信号５２０が、第１の高域フィルタ６１０、６１０ａに入る。同様に、第２のＸ軸位相５３２および第２のＸ軸振幅５３４を有する第２のＸ軸信号５３０が、第２の高域フィルタ６１０、６１０ｂに入る。また、図示の例では、第１のＹ軸位相５４２および第１のＹ軸振幅５４４を有する第１のＹ軸信号５４０が、第３の高域フィルタ６１０、６１０ｃに入る。同様に、第２のＹ軸位相５５２および第２のＹ軸振幅５２４を有する第２のＹ軸信号５５０が、第４の高域フィルタ６１０、６１０ｄに入る。いくつかの実施態様では、第１、第２、第３、および第４の高域フィルタ６１０、６１０ａ〜６１０ｄは、単一の共有される高域フィルタ６１０として組み合わされたものである。高域フィルタ６１０は、それぞれの信号上の高周波雑音または干渉をフィルタによって除去するように働くことができる。いくつかの例では、高域フィルタ６１０は、高域フィルタ６１０がフィルタによって除去する信号内のすべてのＤＣ貢献を制限する高域フィルタである。

【0041】

［0055］ いくつかの実施態様では、第１の全域通過フィルタ６２０、６２０ａは、第２のＸ軸信号５３０を受け取り、第２のＸ軸位相５３２を９０度だけシフトする。第１の加算増幅器６３０、６３０ａは、第１のＸ軸信号５２０および位相シフトされた第２のＸ軸信号５３０を受け取り、第１のＸ軸信号５２０を位相シフトされた第２のＸ軸信号５３０に加算し、フェーザＸ軸信号６４０をもたらす。第１の加算増幅器６３０、６３０ａは、信号を帯域制限するための低域通過応答に寄与することができる。第１のＸ軸信号５２０を位相シフトされた第２のＸ軸信号５３０に加算することによって、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０からの光通信ビーム１２０のオフセットの振幅表現だけが残る。位相の差および等しい振幅は、信号がお互いを完全に打ち消し合うことをもたらすことができる。位相および／または振幅の差は、信号がフェーザＸ軸信号６４０として残ることをもたらすことができる。

【0042】

［0056］ 第１の制限増幅器６７０、６７０ａは、フェーザＸ軸信号６４０を受け取り、対数利得を維持するためにフェーザＸ軸信号６４０を変更しまたは改変する。対数利得は、振幅の大きい変化を扱いやすいレベルに改変することを可能にすると同時に、ビーム・トラッキング・システム４００の制御を可能にし、ビーム・トラッキング・システム４００のダイナミック・レンジを増大させる。第１の制限増幅器６７０、６７０ａは、シンチレーションの影響を制限するために利得を提供することができる。

【0043】

［0057］ 第１の比較器６８０、６８０ａは、フェーザＸ軸信号６４０を受け取り、フェーザＸ軸信号６４０のエッジおよびすべての改変を識別するためにエッジ検出を提供する。第１の比較器６８０、６８０ａは、フェーザＸ軸信号６４０を３．３ボルト信号にレベル・シフトすることができる。第１の比較器６８０、６８０ａは、高周波チャタを制限するために低域フィルタを提供することもできる。フェーザＸ軸信号６４０は、オプションで、コネクタ６９０または汎用入出力（ＧＰＩＯ）ポートでシグナル・コンディショニング・システム６００を出て、信号処理ハードウェア７００に入ることができる。

【0044】

［0058］ いくつかの実施態様では、第２の全域通過フィルタ６２０、６２０ｂが、第２のＹ軸信号５５０を受け取り、第２のＹ軸信号位相５３２を９０度だけシフトする。第２の加算増幅器６３０、６３０ｂが、第１のＹ軸信号５４０および位相シフトされた第２のＹ軸信号５５０を受け取り、第１のＹ軸信号５４０を位相シフトされた第２のＹ軸信号５５０に加算し、フェーザＹ軸信号６５０をもたらす。第２の加算増幅器６３０、６３０ｂは、信号を帯域制限するための低域通過応答に寄与することができる。第１のＹ軸信号５４０を位相シフトされた第２のＹ軸信号５５０に加算することによって、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０からの光通信ビーム１２０のオフセットの振幅表現だけが残る。位相の差および等しい振幅は、信号がお互いを完全に打ち消し合うことをもたらすことができる。位相および／または振幅の差は、信号がフェーザＹ軸信号６５０として残ることをもたらすことができる。

【0045】

［0059］ 第２の制限増幅器６７０、６７０ｂは、フェーザＹ軸信号６５０を受け取り、対数利得を維持するためにフェーザＹ軸信号６５０を変更しまたは改変する。対数利得は、振幅の大きい変化を扱いやすいレベルに改変することを可能にすると同時に、システムの制御を可能にし、システムのダイナミック・レンジを増大させる。第２の制限増幅器６７０、６７０ｂは、シンチレーションの影響を制限するために利得を提供することができる。

【0046】

［0060］ 第２の比較器６８０、６８０ｂは、フェーザＹ軸信号６５０を受け取り、フェーザＹ軸信号６５０のすべてのエッジおよび改変を識別するためにエッジ検出を提供する。第２の比較器６８０、６８０ｂは、フェーザＹ軸信号６５０を３．３ボルト信号にレベル・シフトすることができる。さらに、第２の比較器６８０、６８０ｂは、高周波チャタを制限するために低域フィルタを提供することもできる。フェーザＹ軸信号６５０は、コネクタ６９０または汎用入出力ポートでシグナル・コンディショニング・システム６００を出て、信号処理ハードウェア７００に入ることができる。

【0047】

［0061］ 第３の加算増幅器６３０、６３０ｃは、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０を受け取り、合計して、基準信号６６０を出力する。第３の加算増幅器６３０、６３０ｃは、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０を組み合わされるように働くことができる。さらに、第３の加算増幅器６３０、６３０ｃは、低域フィルタに寄与することができる。信号５２０、５３０、５４０、５５０のそれぞれの位相または振幅は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に衝突する光通信ビーム１２０の総振幅を表すように働き、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の中心からの光通信ビーム１２０の総オフセットの基準位置を提供するようにも働く。

【0048】

［0062］ 第３の制限増幅器６７０、６７０ｃは、基準信号６６０を受け取る。第３の制限増幅器６７０、６７０ｃは、対数利得を維持するために基準信号６６０を変更しまたは改変するように構成される。対数利得は、振幅の大きい変化を扱いやすいレベルに改変することを可能にすると同時に、システムの制御を可能にし、システムのダイナミック・レンジを増大させる。第３の比較器６８０、６８０ｃは、第３の制限増幅器６７０、６７０ｃから基準信号６６０を受け取る。第３の比較器６８０、６８０ｃは、基準信号６６０のエッジ、ゼロ交差、および／または改変を識別するためにエッジ検出を提供することができる。基準信号６６０は、コネクタ６９０または汎用入出力ポートでシグナル・コンディショニング・システム６００を出て、信号処理ハードウェア７００に入ることができる。第３の比較器６８０、６８０ｃは、基準信号６６０に基づいて、光学的に受け取られるクロック６６２をも出力することができる。いくつかの例では、第３の比較器６８０、６８０ｃは、第３の比較器６８０、６８０ｃのゼロ交差検出器に基づいて光学的に受け取られるクロック６６２を判定する。

【0049】

［0063］ 図７は、信号処理ハードウェア７００の例の概略図である。信号処理ハードウェア７００は、フェーザＸ軸信号６４０、フェーザＹ軸信号６５０、および／または基準信号６６０をオーバーサンプリングすることができる。いくつかの例では、信号処理ハードウェア７００は、高いレート（たとえば、５０ＭＨｚ）でフェーザＸ軸信号６４０、フェーザＹ軸信号６５０、および／または基準信号６６０をサンプリングする。デジタル信号プロセッサ７１０が、フェーザＸ軸信号６４０、フェーザＹ軸信号６５０、および／または基準信号６６０のそれぞれを受け取り、個別にスケーリングすることができる。デジタル信号プロセッサ７１０は、ダイナミック・レンジをさらに改善することができる。位相ロック・ループを含むクロック回復７２０が、基準信号６６０を受け取り、信号処理ハードウェア７００のローカル・クロックを光学的に受け取られるクロック６６２に同期化する。信号処理ハードウェア７００（たとえば、デジタル信号処理ハードウェア）は、汎用Ｉ／Ｏを使用して、基準信号６６０および光学的に受け取られるクロック６６２をサンプリングすることができる。位相トリマ７２２が、クロック回復７２０から基準信号６６０を受け取り、シグナル・コンディショニング・システム６００を含むアナログ・エレクトロニクス内のすべての待ち時間および位相シフトを考慮するために基準信号６６０の位相をトリミングすることができる。位相トリマ７２２の位相トリミングは、電位差計によって、または電位差計によって調整される量によって、達成される。第１の加算器７３０、７３０ａが、フェーザＸ軸信号６４０を基準信号６６０に加算し、この２つの信号の間の差に基づくＸ軸信号位置誤差７８０（または位相差）をもたらす。比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラなどのコントローラ７４０が、Ｘ軸信号位置誤差７８０を受け取る。コントローラ７４０は、基準信号６６０からの比例、積分、および／または微分に応答してＸ軸信号位置誤差７８０を改変することができる。いくつかの実施態様では、信号処理ハードウェア７００は、コントローラ７４０は特定の周波数の前後のすべての誤差を制限するためにＸ軸信号位置誤差７８０を改変することができると通信しているノッチ・フィルタ７５０を含む。ミラー・スケーリング７６０は、Ｘ軸信号位置誤差７８０をＸミラー位置７６４に変換することができる。さらに、ミラー・バイアス・セットポイント７６２は、Ｘ軸信号位置誤差７８０をシフトし、ミラー制御システム８００内のすべての誤差を考慮するためにＸミラー位置７６４を改変することができる。

【0050】

［0064］ 同様の形で、第２の加算器７３０、７３０ｂが、フェーザＹ軸信号６５０を基準信号６６０に加算し、この２つの信号の間の差に基づくＹ軸信号位置誤差７９０（または位相差）をもたらす。コントローラ７４０が、Ｙ軸信号位置誤差７９０を受け取り、基準信号６６０からの比例、積分、および／または微分に応答してＹ軸信号位置誤差７９０を改変する。ノッチ・フィルタ７５０は、特定の周波数の前後のすべての誤差を制限するためにＹ軸信号位置誤差７９０を改変することができる。ミラー・スケーリング７６０は、Ｙ軸信号位置誤差７９０をＹミラー位置７６６に変換することができる。さらに、ミラー・バイアス・セットポイント７６２は、Ｙ軸信号位置誤差７９０をシフトし、ミラー制御システム８００内のすべての誤差を考慮するためにＹミラー位置７６６を改変することができる。Ｘミラー位置７６４およびＹミラー位置７６６は、バス信号７７２内でＸミラー位置７６４およびＹミラー位置７６６を組み合わせるバス・コントローラ７７０に入力され得る。バス・コントローラ７７０は、オプションである。いくつかの例では、Ｘミラー位置７６４およびＹミラー位置７６６は、ミラー制御システム８００に直接に供給される。

【0051】

［0065］ 図８は、ミラー制御システム８００の例の概略図を示す。バス信号７７２は、オプションで、マスタ端子コネクタ８１０を介してミラー・ドライバ基板８２０に進むことができる。ミラー・ドライバ基板８２０は、それぞれが出力８２４を含む４つのデジタル−アナログ変換器８２２を含むことができる。デジタル−アナログ変換器８２２は、ＳＰＩ信号７７２を読み取り、Ｘミラー位置７６４およびＹミラー位置７６６のデジタル値に基づいて代表電圧を出力することができる。電圧変換器８３０は、デジタル−アナログ変換器８２２の出力８２４を、ミラー８８０の受け入れ可能な電圧にスケーリングすることができる。少なくとも１つの例では、ミラー８８０は、０〜１６０ボルトの駆動電圧を使用し、中央セット・ポイントは８０ボルトである。４つのデジタル−アナログ変換器８２２は、それぞれ、第１のミラーＸ信号８４０、第２のミラーＸ信号８５０、第１のミラーＹ信号８６０、または第２のミラーＹ信号８７０という信号のうちの１つを出力することができる。第１のミラーＸ信号８４０および第２のミラーＸ信号８５０は、Ｘ軸などの軸に沿ってミラー８８０を動かして、光通信ビーム１２０を多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に整列させることができる。第１のミラーＹ信号８６０および第２のミラーＹ信号８７０は、Ｙ軸などの軸に沿ってミラー８８０を動かして、光通信ビーム１２０を多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に整列させ、ビーム・トラッキング・システム４００が光通信ビーム１２０の移動または大気効果を補償することを可能にすることができる。

【0052】

［0066］ 図９は、ビーム・トラッキング・システム４００を動作させる方法９００の動作の構成の例を提供する。ブロック９０２では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００において、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０から軸信号５２０、５３０、５４０、５５０を受け取ることを含む。各軸信号５２０、５３０、５４０、５５０は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に入射する光ビームのビーム位置１２２を示す。さらに、各軸信号５２０、５３０、５４０、５５０は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の軸５８０に対応する。軸信号５２０、５３０、５４０、５５０は、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、または第２のＹ軸信号５５０のうちの１つとすることができる。第１のＸ軸信号５２０は、それぞれ第１のＸ軸信号５２０の位相および振幅を表す第１のＸ軸位相５２２および第１のＸ軸振幅５２４を含むことができる。第２のＸ軸信号５３０は、それぞれ第２のＸ軸信号５３０の位相および振幅を表す第２のＸ軸位相５３２および第２のＸ軸振幅５３４を含むことができる。第１のＹ軸信号５４０は、それぞれ第１のＹ軸信号５４０の位相および振幅を表す第１のＹ軸位相５４２および第１のＹ軸振幅５４４を含むことができる。第２のＹ軸信号５５０は、それぞれ第２のＹ軸信号５５０の位相および振幅を表す第２のＹ軸位相５５２および第２のＹ軸振幅５５４を含むことができる。ブロック９０２では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、軸信号５２０、５３０、５４０、５５０を合計することによって基準信号６６０を生成することを含むことができる。加算増幅器６３０は、第１のＸ軸信号５２０、第２のＸ軸信号５３０、第１のＹ軸信号５４０、および第２のＹ軸信号５５０を合計し、基準信号６６０をもたらすことができる。多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の軸信号５２０、５３０、５４０、５５０ごとに、方法９００は、ブロック９０６で、信号処理ハードウェア４００によって、軸５８０の第２の軸信号５３０、５５０からの９０度位相差を有するように軸５８０の第１の軸信号５２０、５４０の位相５２２、５４２を変換することを含むことができる。たとえば、第１のＸ軸位相５２２および／または第２のＸ軸位相５４２が、全域通過フィルタ６２０によって９０度だけ位相シフトされ得る。ブロック９０８では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、第１および第２の軸信号５２０、５３０、５４０、５５０を合計することによって軸フェーザ信号６４０、６５０を生成することを含む。軸フェーザ信号６４０、６５０は、光通信ビーム１２０のビーム位置１２２にマッピングする角度を有する。さらに、軸フェーザ信号６４０、６５０は、加算増幅器６３０によって、第１のＸ軸信号５２０および第２のＸ軸信号５３０の合計ならびに／または第１のＹ軸信号５４０および第２のＹ軸信号５５０の合計とされ得る。ブロック９１０では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、位相差を判定するために軸フェーザ信号６４０、６５０および基準信号６６０を比較することを含むことができる。位相差は、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０上の対応する軸に沿ったビーム位置誤差７８０、７９０にマッピングする。加算器７３０は、フェーザＸ信号６４０を基準信号６６０と比較し、Ｘ軸信号位置誤差７８０をもたらすことができる。同様に、加算器７３０は、フェーザＹ信号６５０を基準信号６６０と比較し、Ｙ軸信号位置誤差７９０をもたらすことができる。ブロック９１２では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の各軸のビーム位置誤差７８０、７９０に基づいて光通信ビーム１２０を向けるミラー８８０のミラー位置７６４，７６６を決定することを含むことができる。ミラー位置７６４、７６６は、Ｘミラー位置７６４およびＹミラー位置７６６を含むことができる。ブロック９１４では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、ミラー位置７６４、７６６に移動するためにミラー８８０を作動させることを含むことができる。ミラー・ドライバ８２０は、第１のミラーＸ信号８４０、第２のミラーＸ信号８５０、第１のミラーＹ信号８６０、および第２のミラーＹ信号８７０を含む、デジタル−アナログ変換器８２２からの電圧に基づいてミラー８８０を作動させることができる。

【0053】

［0067］ いくつかの実施態様では、方法９００は、信号処理ハードウェア４００において、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の軸ごとに光電流５２０、５３０、５４０、５５０を受け取ることと、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ５６０によって、光電流５２０、５３０、５４０、５５０を対応する軸信号５２０、５３０、５４０、５５０に変換することであって、各軸信号５２０、５３０、５４０、５５０は、電圧信号である、変換することとを含む。各光電流５２０、５３０、５４０、５５０は、光通信ビーム１２０のビーム・パワー１２４およびビーム位置１２２に依存する振幅５２４、５３４、５４４、５５４を有することができる。方法９００は、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタ６１０を使用して各軸信号５２０、５３０、５４０、５５０を高域フィルタリングすることを含むことができる。方法９００は、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタ６１０、６２０を使用して各軸フェーザ信号６４０、６５０を低域フィルタリングすることをも含むことができる。いくつかの例では、方法９００は、それぞれが対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの制限増幅器６７０によって各軸フェーザ信号６４０、６５０または軸信号５２０、５３０、５４０、５５０および基準信号６６０を変更することを含む。

【0054】

［0068］ いくつかの実施態様では、方法９００は、変更された軸フェーザ信号６４０、６５０および変更された基準信号６６０のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの比較器６８０によって、変更された軸フェーザ信号６４０、６５０および変更された基準信号６６０をフィルタリングすることを含む。方法９００は、信号処理ハードウェア４００によって、基準信号６６０を信号処理ハードウェア４００の基準クロック６６２に同期化することをも含むことができる。方法９００は、信号処理ハードウェア４００のデジタル電位差計または位相トリマ７２２を使用して基準信号６６０の周波数をトリミングすることをも含むことができる。方法９００は、信号処理ハードウェア４００の比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ７４０によって、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０の少なくとも１つの軸のビーム位置誤差７８０、７９０に基づいてミラー位置７６４、７６６の変化のレートを考慮してミラー位置７４６、７６６を決定することをさらに含むことができる。この方法は、コントローラ７４０と通信しているノッチ・フィルタ７５０によって、ターゲット周波数を減衰させるためにミラー位置７６４、７６６をフィルタリングすることをも含むことができる。

【0055】

［0069］ 図１０は、ビーム・トラッキング・システム４００を動作させる方法１０００の動作の構成の例を示す図である。ブロック１００２で、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００において、多軸ポジション・センシング・ディテクタ５１０に入射する光通信ビーム１２０のビーム位置１２２に関する第１のＸ信号５２０、Ｘ信号位相５３２を含む第２のＸ信号５３０、第１のＹ信号５４０、およびＹ信号位相５５２を含む第２のＹ信号５５０を受け取ることを含むことができる。ブロック１００４では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、第２のＸ信号５３０のＸ信号位相５３２を９０度だけシフトすることを含むことができる。第２のＸ軸信号５３０のＸ軸位相５３２は、全域通過フィルタ６２０によってシフトされ得る。ブロック１００６では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、第２のＹ信号５５０のＹ信号位相５５２を９０度だけシフトすることを含むことができる。第２のＹ軸信号５５０のＹ軸位相５５２は、全域通過フィルタ６２０によってシフトされ得る。ブロック１００８では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、第１のＸ信号５２０およびシフトされた第２のＸ信号５３０を合計することによって合計されたＸ信号すなわちフェーザＸ信号６４０を生成することを含むことができる。第１のＸ信号５２０およびシフトされた第２のＸ信号５３０は、合計されたＸ信号すなわちフェーザＸ信号６４０を作成するために、加算増幅器６３０によって合計され得る。ブロック１０１０では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、第１のＹ信号５４０およびシフトされた第２のＹ信号５５０を合計することによって合計されたＹ信号すなわちフェーザＹ信号６５０を生成することを含むことができる。第１のＹ信号５４０および第２のＹ信号５５０は、合計されたＹ信号すなわちフェーザＹ信号６５０を作成するために、加算増幅器６３０によって合計され得る。ブロック１０１２では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、第１のＸ信号５２０、第２のＸ信号５３０、第１のＹ信号５４０、および第２のＹ信号５５０を合計することによって基準信号６６０を生成することを含むことができる。第１のＸ信号５２０、第２のＸ信号５３０、第１のＹ信号５４０、および第２のＹ信号５５０は、基準信号６６０を作成するために、加算増幅器６３０によって合計され得る。ブロック１０１４では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、光通信ビーム１２０を向けるミラー８８０のミラー位置７６４、７６６を決定することであって、ミラー位置７６４、７６６は、基準信号６６０と合計されたＸ信号６４０との間の第１の信号差または基準信号６６０と合計されたＹ信号６５０との間の第２の信号差のうちの少なくとも１つに基づく、決定することをさらに含むことができる。加算器７３０は、信号差を作成するために、差 基準信号６６０と合計されたＸ信号６４０とおよび／または基準信号６６０と合計されたＹ信号６５０との間の第２の信号差を合計することができる。ブロック１０１６では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００によって、ミラー位置７６４、７６６に移動するためにミラー８８０を作動させることを含むことができる。

【0056】

［0070］ 方法１０００は、信号処理ハードウェア４００において、第１のＸ光電流５２０、第２のＸ光電流５３０、第１のＹ光電流５４０、および第２のＹ光電流５５０を受け取ることであって、各光電流５２０、５３０、５４０、５５０は、光通信ビーム１２０のビーム・パワー１２４およびビーム位置１２２に依存する振幅５２４、５３４、５４４、５５４を有する、受け取ることを含む。方法１０００は、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つのトランスインピーダンス・アンプ５６０によって、第１のＸ光電流５２０、第２のＸ光電流５３０、第１のＹ光電流５４０、および第２のＹ光電流５５０を対応する第１のＸ信号５２０、第２のＸ信号５３０、第１のＹ信号５４０、および第２のＹ信号５５０に変換することであって、各信号５２０、５３０、５４０、５５０は電圧信号である、変換することをも含むことができる。方法１０００は、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの単一極フィルタまたは多極フィルタ６１０によって第１のＸ信号５２０、第２のＸ信号５３０、第１のＹ信号５４０、および第２のＹ信号５５０を高域フィルタリングすることをも含むことができる。いくつかの例では、方法１０００は、それぞれ対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの制限増幅器６７０によって、合計されたＸ信号６４０、合計されたＹ信号６５０、および基準信号６６０を変更することを含む。変更された合計されたＸ信号６４０、変更された合計されたＹ信号６５０、および変更された基準信号６６０は、それぞれ、対応する合計されたＸ信号６４０、対応する合計されたＹ信号６５０、および対応する基準信号６６０の対数に比例するものとすることができる。

【0057】

［0071］ いくつかの実施態様では、方法１０００は、それぞれ対応する対数利得を表すように、信号処理ハードウェア４００によって、変更された合計されたＸ信号６４０、変更された合計されたＹ信号６５０、および変更された基準信号６６０を増幅することを含む。方法１０００は、変更された合計されたＸ信号６４０、変更された合計されたＹ信号６５０、および変更された基準信号６６０のそれぞれに対してエッジ検出を実行するために、信号処理ハードウェア４００の少なくとも１つの比較器６８０によって、変更された合計されたＸ信号６４０、変更された合計されたＹ信号６５０、および変更された基準信号６６０をフィルタリングすることをも含むことができる。いくつかの例では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００のデジタル電位差計または位相トリマ７２２を使用して基準信号６６０の周波数をトリミングすることを含む。いくつかの例では、方法１０００は、信号処理ハードウェア４００の比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ７４０によって、第１の信号差７８０または第２の信号差７９０のうちの少なくとも１つに基づいてミラー位置７６４、７６６の変化のレートを考慮してミラー位置７６４、７６６を決定することを含む。この方法は、コントローラ７４０と通信しているノッチ・フィルタ７５０によって、ターゲット周波数を減衰させるためにミラー位置７６４、７６６をフィルタリングすることをも含む。

【0058】

［0072］ 複数の実施態様が説明された。それでも、様々な変更が、本開示の趣旨および範囲から逸脱せずに行われ得ることを理解されたい。したがって、他の実施態様は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】