СПОСОБЫ РАБОТЫ СПУТНИКОВОЙ КОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОТОЙ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СПУТНИКОВЫМ АНТЕННЫМ ОХВАТОМ НЕГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ МНОГОСПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к нескольким спутникам, перемещающимся относительно друг друга и оснащенных антеннами, обеспечивающими многократный ячеистый охват Земли.

Предпосылки к созданию изобретения
Спутники становятся важными коммуникационными звеньями между станциями, находящимися в различных точках земли, в частности между подвижными коммуникационными станциями. Чтобы спутниковая система обеспечивала охват всей Земли, необходимо создать определенную сеть или созвездие из спутников. Сведения о минимальном числе спутников и требованиях к их орбитам для обеспечения непрерывного однократного или многократного охвата в различных частях земли можно найти в работе Л. Райдера "Аналитический проект спутниковых созвездий для зонального схвата Земли при использовании наклонных круговых орбит". Джорнал оф Астронотикал Сайенс, том 34, N 1, январь-март, 1986 г, стр. 31-64, и работе У.С. Адамса и Л. Райдера "Круговые полярные созвездия, обеспечивающие непрерывный однократный или многократный охват по заданной широте", тот же журнал, том 35, N 2, апрель-июнь, 1987, стр. 155-192.

Каждый спутник в таком спутниковом созвездии имеет одну или более направленных антенн, создающих на земле диаграммный охват, именуемый "следом" спутниковой антенны. При использовании нескольких спутников с полярными орбитами спутников охват у полюсов и антенные следы начинают перекрываться.

В прежние времена перекрытие антенных картин часто считалось желательным (см. например, указанные работы Адамса и Райдера). Однако, когда антенный след состоит из нескольких отдельных "ячеек", в которых будут иметь место индивидуальные коммуникации, перекрытие может казаться нежелательным. Когда ячейки от одного спутника перекрывают ячейки от другого спутника, уменьшается охват и повышается вероятность взаимных помех. Поэтому существует необходимость предотвратить возникновение взаимных помех в многоспутниковых ячеистых системах.

В настоящей заявке термин "спутник" предполагает любой спутник, движущийся относительно другого спутника. Неограничивающими примерами являются: несколько спутников, чьи орбиты сходятся, или один или более спутников, движущихся относительно геостационарного спутника. Термин "ячейка" указывает на одну или более частей антенной диаграммы, в которых может осуществляться коммуникация независимо от коммуникаций в других частях (т.е. других ячейках) антенной диаграммы.

Краткое изложение существа изобретения
Целью настоящего изобретения является создание управляющего антенным охватом устройства и способа, который модифицирует спутниковые антенные диаграммы таким образом, чтобы уменьшались или исключались взаимные помехи или нераспознание сигналов наземного пользователя, держащего связь с одним или более спутниками.

Способ работы спутниковой коммуникационной системы, содержащей два или более спутников, антенные диаграммы которых перекрываются или не перекрываются на протяжении некоторого участка орбиты по крайней мере одного из спутников, включающей в себя определение соответственно первой и второй диаграммы антенного охвата антенн первого и второго спутников, определение, когда первая и вторая диаграммы антенного охвата перекрываются или не перекрываются при передвижении одного первого или второго спутника относительно другого, и модификацию диаграммы антенного охвата одного или двух спутников в функции времени для исключения существенного помехообразующего перекрытия или существенного неохваченного разрыва.

В предпочтительном варианте осуществляется диаграммы антенного охвата содержат ячейки, активность которых приспособлена к модификации и первый определенный шаг включает в себя вычисление координат центров по крайней мере периферийных ячеек антенных диаграмм и вычисление межцентровых расстояний приближающихся или отдаляющихся ячеек первой и второй диаграмм антенного охвата. Рассчитанные межцентровые расстояния сравниваются с предопределенными межцентровыми расстояниями для одних и тех же ячеек, и диаграмма антенного охвата одного или двух спутников модифицируется, когда рассчитанные межцентровые расстояния отличаются от предопределенного межцентрового расстояния в том случае, когда может возникнуть существенное взаимодействие или разрыв при приближении или отдалении спутников.

Диаграммы антенного охвата модифицируются путем изменения числа или размера, или положения, или активности ячеек, или включением или отключением конкретных ячеек.

Дополнительно создана система для управления спутниковым антенным охватом для избежания интерференции или разрывов между антенными диаграммами сближающихся спутников, включающая в себя запоминающее устройство для запоминания информации, относящейся к предопределенным участкам орбиты, когда антенная диаграмма одного спутника будет или не будет интерферировать с антенной диаграммой другого спутника, спутниковое локаторное устройство для определения текущей орбитальной информации об одном спутнике, и контроллерное устройство для сравнения такой текущей орбитальной информации с хранящейся орбитальной информацией для определения, когда удовлетворяется предопределенный критерий принятия решения, и последующего модифицирования антенной диаграммы, ассоциированной с одним или другим спутником, для избежания существенного интерферирования или разрывов между их антенными диаграммами.

В предпочтительном варианте осуществления система дополнительно содержит коммуникационную маршрутизирующую матрицу для изменения маршрута сигналов, передаваемых или принимаемых от индивидуальных управляемых ячеек антенны, и запоминающее устройство, локаторное устройство и контроллерное устройство, размещенные на одном или другом спутнике.

Антенная диаграмма содержит ячейки, и контроллерное устройство для модифицирования антенной диаграммы дополнительно включает в себя, что желательно, устройство для включения или отключения индивидуальных антенных ячеек или изменения формы или размера индивидуальных антенных ячеек.

Фиг. 1 является упрощенной диаграммой, на которой изображено несколько околоземных низкоорбитальных спутников на существенно полярных околоземных орбитах,
Фиг. 2 является упрощенным видом, иллюстрирующим известные диаграммы антенного охвата соседних спутников, спроецированных на Землю, без управления антенными ячейками и в различных точках их полярных орбит.

Фиг. 3 является упрощенным видом, иллюстрирующим диаграммы антенного охвата соседних спутников, согласно настоящему изобретению, спроектированные на Землю, при наличии управления антенными ячейками и в различных точках их полярных орбит.

Фиг. 3 является диаграммой, иллюстрирующей предпочтительные диаграммы антенного охвата /т.е. "следы"/ трех соседних спутников и индивидуальные ячейки внутри каждого следа согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 показывает пример ячеек соседних антенных диаграмм с изображениями межцентровых расстояний нескольких ячеек согласно настоящему изобретению.

Фиг. 6 является упрощенной алгоритмической диаграммой, иллюстрирующей предпочтительный способ для определения, какая ячейка должна включаться или отключаться согласно настоящему изобретению.

Фиг. 7 представляет вариант осуществления аппаратной части для реализации способа управления спутниковыми ячейками согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение обеспечивает новый способ управления ячейками и устройство для определения, какие ячейки многоячеистой диаграммы спутниковой антенны должны включаться или отключаться или другим способом изменяться в функции времени и/или орбитальной позиции. Хотя способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, описаны для созвездия /группы/околоземных низкоорбитальных спутников, это сделано исключительно для простоты объяснения и не предназначено быть ограничивающим. Настоящее изобретение применимо к любой системе, имеющей по крайней мере два перемещающихся относительно друг друга спутника, перекрытие антенных следов которых изменяется. Оба спутника могут быть движущимися, или один может быть движущимся, а другой быть геостационарным.

Фиг. 1 иллюстрирует созвездие околоземных низкоорбитальных спутников наземной коммуникационной системы 49, причем орбиты являются существенно полярными. Спутник 42 движется около Земли 59 по орбите 50. Спутник 40 и спутник 41 движутся вокруг Земли 59 по орбите 51. Спутники 43 и 44 движутся вокруг Земли 59 по орбите 52. Спутник 45 движется вокруг Земли 59 по орбите 53. Спутники 46 и 48 движутся вокруг Земли 59 по орбите 54, и спутник 47 движется по орбите 55. Земля 59 имеет северный полюс 60 и южный полюс 61. Экватор 62 изображен пунктирной линией на Земле 59.

Стрелки 63-68 указывают направление каждой из орбит 50-55, как оно видно, из удаленной точки пространства. Орбиты 50-53 направлены к полюсу 60 и после полюса 60 они направлены вниз, к полюсу 61. Орбиты 54-55 направлены к полюсу 61, и после полюса 61 они направлены вверх к полюсу 60. Имеется область, где орбиты спутников, движущихся к полюсу 60 /например, орбита 53/, и орбиты спутников, движущихся к полюсу 61 /например, орбита 54/, и орбиты спутников, движущихся к полюсу 63 /например, орбита 54/, направлены в противоположные стороны. Это различие между соседними орбитами, когда спутники движутся по орбитам в противоположных направлениях, называются "шов". Относительная скорость спутников, движущихся в противоположных направлениях по орбитам 53, 54 по разным сторонам от шва, значительно больше относительной скорости спутников на одного направления орбитах 50-53.

Как видно на фиг. 1, расстояние между спутниками, находящимися на соседних орбитах /например, между спутником 40 и спутником 44/, уменьшается, когда они приближаются к полюсам, и расстояние между ними увеличивается, когда они удаляются от этих полюсов. Максимальное расстояние между спутниками, находящимися на соседних орбитах, наблюдается на экваторе 62, и минимальное расстояние между ними на полюсах 62 и 61. Расстояние между спутниками, находящимися на одной орбите, остается постоянным. Например, расстояние между спутниками 40 и 41 остается постоянным, в то время как расстояние между спутниками 40 и 44 изменяется. Такое утверждение остается истинным для спутников, находящихся на других орбитах.

Фиг. 2 является упрощенным видом, иллюстрирующим диаграмму антенного охвата /т. е. "следов"/ 80 и 81 спутников 42 и 41 соответственно, представленных фиг. 1, спроектированных на Землю в различных точках их орбит 50, 51, соответствующих известному уровню техники /например, см. работы Райдера или Райдера и Адамса, указанные выше/. На экваторе 62 диаграммы антенного охвата 80 и 81 лишь касаются друг друга. Вблизи полюса 60 диаграммы антенного покрытия 80' и 81' / здесь обозначенные как диаграммы 80 и 81/ перекрываются в значительной мере, поскольку орбиты 50, 51 и спутники 40 и 41 сближаются. По мере приближения спутников к полюсу 60 наблюдается значительное перекрытие диаграмм антенного охвата. Величина перекрытия изменяется от существенного нуля у экватора до приблизительно 50% на полюсах. "Перекрытие" определяется как область на Земле, где индивидуальное абонентное устройство или другой наземный пользователь, передающий или принимающий от спутника, будет находиться внутри антенной диаграммы и опознаваться как действительный пользователь любым из спутников.

Способ расчета диаграммы антенного охвата хорошо известен для специалистов в данной области техники. Зная параметры спутниковой орбиты /т.е. высоту и расстояние до поверхности земли/, характеристики антенны /т.е. усиление диаграмм излучения/, мощность передатчика и чувствительность приемника, можно рассчитывать размер и форму диаграммы охвата для каждой антенной ячейки и антенны для любой точки спутниковой орбиты. См. например, работу Джона Д. Крауза "Антенна" 1950, Мак-Гроу, Хилл Компани, Нью-Йорк.

Фиг. 3 является упрощенным видом, иллюстрирующим диаграмму антенного охвата /т. е. "следов"/ 81 спутников 42 и 41 соответственно, представленных фиг. 1, спроектированных на Землю в различных точках их орбит с управлением антенными ячейками, соответствующим настоящему изобретению.

Фиг. 3 показывает диаграммы 80 и 81 на экваторе 62 и соответствующий размер диаграмм антенного охвата /диаграммы 80" и 81" /, когда они находятся вблизи полюса 60, при использовании системы управления ячейками настоящего изобретения. Перекрытия ячеек, изображенных на фиг. 3, вблизи полюса 60 было уменьшено или исключено. Каждый спутник имеет диаграмму антенного охвата такую, что на экваторе 62 диаграммы антенного охвата 60, 61 соседних спутников являются смежными, т.е. находятся в контакте, но не слишком сильно перекрываются. Это необходимо для обеспечения полного охвата на экваторе. Способ управления антенными ячейками и система, соответствующая настоящему изобретению, модулируют или включают-отключают различные ячейки так, чтобы сохранить это состояние "контакта" без слишком большого перекрытия, когда спутники приближаются или отдаляются от полюсов.

Хотя диаграммы антенного охвата, представленные фиг. 2-3, изображены шестигранными контурами, они могут иметь другие формы и по-прежнему обеспечивать желаемый охват. Например, контуры могут быть прямолинейными, кругообразными, ромбообразными и другой формы, какая будет необходима для любого конкретного положения. Приблизительно шестигранная форма, изображенная на фиг. 3, является предпочтительной.

Фиг. 4 показывает диаграммы антенного охвата 80, 81, 82 трех спутников /например 42, 41, 40 соответственно/, включая индивидуальные ячейки, которые составляют диаграмму антенного охвата или след, когда они приближаются к экватору. Орбитальные траектории 50 и 51 также показаны.

Диаграмма антенного охвата 81 имеет область перекрытия 90 с диаграммой антенного охвата 82. Область перекрытия 90 заштрихована под углом в 135^o для большой наглядности. Размер перекрытия области 90 постоянен, поскольку расстояние между спутниками остается постоянным. Этот тип перекрытия наблюдается между двумя спутниками одной и той же орбиты. Площадь области перекрытия 90 обычно задают малой, чтобы интерференции была нормальной, но без разрывов.

Диаграмма антенного охвата имеет области перекрытия 91 и 92 с диаграммами антенного охвата 81 и 82 соответственно. Области перекрытия 91 и 92 заштрихованы под углом 45^o для большей наглядности. Эти области перекрытия постоянно изменяются в функции орбитального положения относительно движущихся спутников. На экваторе области перекрытия 91, 92 обычно также малы.

Диаграммы антенного охвата 80, 81, 82 состоят из более мелких элементов, называемых ячейками. Число и форма этих ячеек являются функцией типа и числа антенн на спутнике. На фиг. 4 каждая спутниковая антенна создает 37 ячеек, обозначенных ячейка 1 - ячейка 37 Обычно каждая ячейка соответствует одному элементу антенны, расположенной на спутнике. Например, спутниковой антенной может быть матрица из микроволновых рупорных антенн, причем каждый рупор порождает некоторую конкретную ячейку. Альтернативно, антенна может представлять собой одну или более базированных решетчатых антенн и быть электрически управляема, чтобы охватывать каждую ячейку или некоторую их комбинацию. Эти и другие формы антенны, имеющих предопределенные диаграммы охвата, хорошо известны специалистам в данной области техники.

Для создания многоячеистой антенной диаграммы можно использовать любые устройства. След антенной диаграммы на поверхности Земли обычно изменяет включением-отключением или модулированием различных участков спутниковых антенн, создающих индивидуальные ячейки. Также возможно изменять охват или размер индивидуальных ячеек, то есть изменять их формы /размер/, положение, вместо простого включения-отключения их.

Хотя в настоящем примере на след спутниковой антенны приходится 37 ячеек, количество ячеек может быть любым. Для специалистов в данной области техники должно быть ясно, что число ячеек является функцией экономики системы и желаемой пропускной способности.

Для связи между спутником и некоторым числом наземных станций обычно имеется в наличии лишь ограниченное число коммуникационных частот или каналов. Пространственное разнесение лучей спутниковой антенны желательно, поскольку пропускная способность спутника, обслуживающего некоторое количество наземных станций увеличивается в зависимости от числа ячеек, проецируемых спутниковой антенной системой.

Надир спутника определяется как точка, в которой поверхность Земли пересекает линия, проецируемая из центра Земли через центр спутника. Центры разных ячеек, проецируемых спутниковой антенной, обычно сохраняют постоянное расстояние от надира спутника. Надирные ячейки диаграммы антенного охвата 80, 81 изображены на фиг. 4 как ячейки 37. Центр ячейки 37 обычно /но не обязательно/ находится на надирной линии. Поэтому, когда антенная диаграмма перемещается по поверхности Земли, центры ячеек 1-36 остаются на постоянном расстоянии от центра ячейки 37 для спутника, движущегося на постоянной высоте и с постоянным размером ячеек. Если размер ячейки изменяется, то происходит соответствующие изменения расстояния между ячейками. Расстояние может быть выражено в метрах или милях на поверхности Земли и величиной угла между ячейками при известной высоте спутника.

Центр каждой из ячеек, проецируемых на поверхность Земли, имеет конкретные широту и долготу в функции времени для каждой точки спутниковой орбиты, которые ниже называются широтной-долготной-временной позицией. Зная эту широтную-долготную-временную позицию и размеры ячеек, величину перекрытия ячеек, проецируемых из соседних спутников, можно вычислить как функцию временной или орбитальной позиции. Орбитальная позиция включает в себя помимо широтно-долготной системы отсчета еще и высотный фактор. Поскольку спутник движется вокруг Земли обычно по круговой орбите, хотя Земля не является идеальной сферой, размер антенной диаграммы может изменяться как функция орбитальной позиции. Размер диаграммы может быть различным для различных спутников, находящихся над одним и тем же местом на земле, если они находятся на различных высотах.

"Расстояние" от центра каждой ячейки соседних антенных диаграмм вычисляется и затем сравнивается с таблицей предопределенных приемлемых межцентровых расстояний между ячейками. Фиг. 5 дает пример ячеек, принадлежащих к пересекающимся антенным диаграммам 80 и 81, для которых рассчитывается межцентровое расстояние. Области перекрытия заштрихованы под углом 45^o для большей наглядности. "Расстояние" можно рассчитывать, используя любую координарную систему.

Ячейки 7 и 8 принадлежат антенным диаграммам 80 /см. фиг. 4/ и ячейки 11 и 33 принадлежат к антенным диаграммам 81. Центры некоторых пересекающихся ячеек обозначены точкам с позициями со 121 и 124. Расстояние между центром 121 ячейки 8 и другими центрами изображены на фиг. 5 линиями расстояния 130-132. Например, изображено расстояние 130 до центра 123 ячейки 33, расстояние 131 до центра 124 ячейки 11 и расстояние 132 до центра 122 ячейки 26.

Если ячейки 7, 8 и 33, 11, 26 сближаются, то требуется принятие решения о том, какую ячейку или ячейки необходимо модулировать например, отключить. Перекрытие, изображенное на фиг. 5, не является достаточным, чтобы обусловить отключение, поскольку будет существовать разрывы в охвате, если например, отключить ячейку 8 или 33. Однако по мере движения по орбите перекрытие окажется таковым, что сближающаяся ячейка 8 или 33 будет с необходимостью отключена. Предпочтительной точкой отключения является та, где площадь одной ячейки перекрывает около 70% площади другой ячейки. Расчет отключающего порогового значения расстояния, которое обеспечивает 70% перекрытия зависит от фактической формы ячеек. Альтернативно предпочтительной точкой включения является та, где площадь одной ячейки перекрывает до 10% другой ячейки. Расчет включающего порогового межцентрового расстояния, которое обеспечивает 10% перекрытия, зависит от фактической формы ячеек. Специалистам в данной области должно быть ясно, учитывая приведенное здесь описание, как рассчитывать такие точки включения-отключения, основываясь на размере ячеек, их форме и желаемой величине перекрытия.

Важно, чтобы сохранялось достаточная удельная мощность в расположении наземного индивидуального абонентного устройства, чтобы оно по-прежнему передавало и принимало от спутника. Ячейки отключаются, когда спутники движутся к полюсам и включаются, когда спутники движутся к экватору. Отключение происходит, когда межцентровое расстояние между обливающимися ячейками уменьшается до величины, где ячейка может быть отключена без создания разрыва в антенном охвате. Предпочтительно отключать ячейки спутника с минимальным углом, то есть спутника, имеющего наименьший угол при измерении от горизонта индивидуального абонентного устройства /или наибольший угол при измерении от надира/. Ячейки спутника, наиболее близкого к зениту, предпочитаются ячейкам спутника с малым углом к горизонту индивидуального абонентского устройства и с большим углом к линии надира индивидуального абонентного устройства. Хотя выше описаны перекрывающиеся ячейки, на которые воздействуют включением или отключением, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что, учитывая настоящее описание, можно так же использовать другие устройства или схемы для избежания нежелательных перекрытий. Неограничивающими примерами являются: изменение размеров ячеек или местонахождения или числа ячеек или изменение усиления антенны в таких областях перекрытия, чтобы отдать предпочтение одному спутнику перед другим для избежания интерференции. Ссылки на включение отключение ячеек, как они используются в настоящем описании, предполагают включение таких альтернативных устройств для локальных воздействий на чувствительность или диаграмму антенны, чтобы устранялась интерференция или неопределенность выбора спутника наземных устройством или станцией /например, индивидуальным абонентным устройством/.

Фиг. 6 представляет упрощенную алгоритмическую диаграмму, иллюстрирующую предпочтительный способ определения, какая ячейка должна быть включена или отключена. Способ предпочтительно начинается с того момента, когда спутники находятся на или весьма близко к экватору. Это суть место, где все ячейки каждого спутника включены. Широта и долгота /предпочтительно/ центра каждой ячейки каждого спутника, когда он находится на или около экватора, рассчитываются и запоминаются в блоке 200. Далее, в блоке 201 рассчитываются межцентровое расстояние между ячейками и запоминается. Для простоты изложения предполагается, что ячейки имеют одинаковую форму и ограничивают одинаковую площадь. При использовании различных форм и ограниченных площадей каждое межцентровое расстояние сравнивается с уникальным "допустимым" расстоянием, зависящим от конкретной формы и размера. Это осуществляется известными способами программирования с применением универсального компьютера. Нет необходимости проводить вычисления для каждой ячейки антенной диаграммы относительно каждой другой ячейки в соседней антенной диаграмме. Можно рассчитывать расстояние от включенной ячейки на периферии конкретной антенной диаграммы до трех ближайших включенных ячеек соседней антенной диаграммы. Хотя три ближайшие включенные ячейки адекватны, все же могут быть случаи, например, вблизи "углов" антенной ячеистой диаграммы (например, ячейки 31, 25, 19, 13, 7, 1 на фиг. 4, где желательно использовать более трех ячеек). Это выполняется для каждой ячейки на периферии антенной диаграммы, которая подвергается перекрытию.

Фиг. 5, например, иллюстрирует расстояния между ячейкой 8 и ячейками 26, 33 и 11, которые надо вычислить. Эти расстояния используются при определении "точки наилучшего режима", причем точкой наилучшего режима полагается та, где отключение ячейки вызовет наименьшей величины неприемлемое перекрытие ячеек без образования неприемлемого разрыва в охвате.

Определение наилучшего режима должно изменяться в зависимости от территории под спутником. Детерминанты наилучшего режима представляют собой разнообразные факторы. Например, наилучший режим может допускать большие разрывы в охвате над океанами и Арктикой (с малым числом индивидуальных абонентских устройств), в то время допуская значительное перекрытие в густо заселенных регионах (поскольку много индивидуальных абонентских устройств). Наилучший режим также зависим от фактической антенной диаграммы. Например, если у антенны очень узкий луч, удельная мощность в центре ячейки значительно больше, чем по краям этой ячейки, противоположность этому - антенная с широким лучом, при котором удельная мощность в центре ячейки может незначительно отличаться от таковой на краях этой ячейки. Межцентровые данные затем поступают на блок 202, где выполняется анализ для определения, оказывается ли межцентровое расстояние меньше минимально допустимого межцентрового расстояния для данной антенной диаграммы в конкретном спутниковом пункте (или для орбитального времени). Это выполняется для каждого межцентрового расстояния, рассчитанного в блоке 201. Если окажется, что нет межцентровых расстояний меньших минимально допустимому расстоянию (например, движение по стрелке 206), то орбитальная позиция, для которой выполняются вычисления, в блоке 203 получает приращение, например, 0,1, градуса широты и соответствующей долготы. Новые координаты ячейки заново рассчитываются с учетом новой предполагаемой орбитальной позиции, в блоке 200, и процесс продолжается. Если окажется, что имеются межцентровые расстояния, которые меньше минимально допустимого расстояния, то (по стрелке 205) межцентровые данные поступают на блок 204 для установления, какую ячейку следует отключить.

Определение того, какую ячейку следует отключить, происходит в блоке 204 и может производиться несколькими способами, выбор из которых за пользователем. Например, (1) можно поочередно и временно отключить ячейки соседних спутников, чтобы узнать, какая схема даст лучшие результаты (например, лучшее отношение сигнал/шум) для индивидуального абонентского устройства, использующего эту ячейку (2), можно сделать выбор ячейки, подлежащей отключению, основываясь на знания того, какая ячейка и/или спутник имеет большую или меньшую фактическую или предполагаемую нагрузку, выбор может быть сделан на основе знания, какая из конкретных ячеек имеет худшую рабочую характеристику (например, по причине старости или износа), и/или (4) комбинации этих и/или других факторов, отбираемых в соответствии с предопределенной стратегией взвешенного решения, которые хранятся на спутнике или передаются с земли или одновременно на спутнике и земле. Например, для примера на фиг. 5 вместо отключения ячейки 8 или 33 при сближении этих ячеек может оказаться целесообразным отключить ячейку 7, учитывая географические, эксплуатационные или политические обстоятельства. К политическим обстоятельствам, например, можно отнести требование удовлетворения разнообразных правительственных постановлений, действующих внутри территориальных границ, или предотвращение конкретной территориальной границы.

Желательно выполнять специальную подгонку при любых разрывах в охвате, появляющихся от отключения некоторой ячейки или других изменений в форме, размере, расположения, мощности, т.д. Например, если межцентровые расстояния после отключения выбранной ячейки превысят максимально допустимые межцентровые расстояния, может произойти разрыв (разрывы) в охвате. Если анализ покажет, что произойдет разрыв охвата по причине отключения некоторой конкретной ячейки в конкретное время, управляющая система может допустить разрыв или предписать этой или другой ячейке оставаться включенной или отключенной для избежания разрыва. Например, разрыв будет иметь по всей вероятности незначительный вредный эффект, скажем, над океаном или поздно ночью, но значительный вредный эффект над населенными площадями или во время часов пиковых нагрузок. Поэтому важное значение имеет положение спутников относительно земных характеристик (например, конкретные широта, долгота и время). Если разрыв не произойдет, то ячейка отключается без выполнения анализа, учитывающего локальные широту, долготу и время. Затем выбранная ячейка отключается в блоке 211. Процесс переходит к блоку 203, предполагаемая или фактическая орбитальная позиция получает приращение, и процесс продолжается, пока спутники не сойдутся у соответствующих полюсов. Отключение ненужных ячеек имеет преимущественно в сохранении спутниковой энергии, а также снижает интерференцию.

На полюсах все ячейки, которые должны были быть отключены, оказываются отключенными, и спутники начинают расходиться. При расхождении спутников становится необходимостью обратное включение спутников для обеспечения охвата без чрезмерных перекрытий и неприемлемых разрывов охвата. При расхождении спутников информации, которая ранее направлялась на блок 202, начинает поступать на блок 207, где выполняется анализ для определения, является ли межцентровое расстояние больше допустимого межцентрового расстояния. Это выполняется по крайней мере для активных ячеек спутников на границе или около пересечения следов способом, который весьма схож с тем, что описан для сходящихся спутников.

Когда межцентровое расстояние меньше или равно максимально допустимому расстоянию, ячейки не включаются. По линии 210 предполагаемая или фактическая орбитальная позиция получает приращение в блоке 203, и новые координаты ячейки рассчитываются в блоке 200, основываясь на новой предполагаемой орбитальной позиции, и процесс продолжается.

Когда межцентровое расстояние больше максимально допустимого межцентрового расстояния, то возможно появление разрывов и необходимо принимать решение о включении некоторой ячейки. Это выполняет блок 208, применяя стратегию и тактику, аналогичные описанным выше применительно к блоку 204. Функции блоков 204 и 208 можно реализовать такими же логическим устройством и программным обеспечением или аппаратным оборудованием, или кодом, принимая во внимание, что в первом случае (спутники сближаются) сходящиеся ячейки "включены" и подлежат "отключению", и во втором случае (спутники расходятся) отдаляющиеся ячейки "отключены" и подлежат "включению".

Затем необходимую ячейку включает блок 209. В этот момент подается команда на блок 203 дать приращение предполагаемой или фактической позиции, и процесс продолжается до тех пор, пока спутники не достигнут экватора. На экваторе достигается 180^o широта орбиты, возобновляется траектория схождения, и блок 202 вновь начинает функционировать. Этот процесс продолжается, пока не будет пройдено 360^o орбитальной долготы. Это составляет одну орбитальную развертку. Однако земля вращалась под находящимся на орбите спутником, поэтому спутник возвращается на экватор на долготе, которая отличается от той, с которой он начинал движение. Пока спутник совершает свои 360-градусные широтные орбиты, он постоянно процессирует по долготе, пока в конце концов не вернется к начальной долготе, после чего спутник начинает вновь двигаться над теми же самыми местностями земли. Период от изначального пускового времени до повтора долготы называется полным циклическим орбитальным временем.

Зная полное циклическое орбитальное время, можно определить циклическое орбитальное время для каждой ячейки. Это необходимо поскольку земля вращается внутри созвездия и удовлетворение требования при включении и отключении принимать разнообразие территорий зависит от широты и долготы антенного следа спутника или спутников.

После обретения данных о каждом включении и отключении спутниковых ячеек возникает график включения и отключения ячеек в функции орбиты. Например, график может базироваться на времени или о положении спутника по широте и долготе, или углу, или в любой удобной системе отсчета. Этот график можно загрузить в спутник до запуска и/или обновлять или загрузить после вывода на орбиту. График включения-отключения и критерий принятия решения желательно обновлять время от времени, поскольку изменяются орбитальные параметры и/или свойства спутников.

После вывода спутника на орбиту требуется минимальное наземное управление и наземная управляющая спутниками система обрабатывает лишь исключительно случаи или обновляет управляющие ячейками программы для учета дрейфа или износа аппаратной части, или других изменений. Например, предварительно запрограммированная бортовая память диаграммы ячеек спутника может быть модифицируема наземной управляющей спутниками системой при ухудшении работы какой-либо ячейки. Другим примером может быть случай, когда один спутник используется вблизи предела его пропускной способности и, если одну конкретную ячейку отключить, это могло бы улучшить его пропускную способность путем перенесения тяжелого траффика через эту ячейку на другой спутник. Обратное верно для спутников, движущихся от спутника, когда решение включить ячейки может быть принято с учетом траффика, выдерживаемого в текущий момент спутником или ячейкой.

Фиг. 7 представляет предпочтительный вариант осуществления аппаратной части для выполнения изобретенного способа управления спутниковыми ячейками, описанного выше. Фиг. 7 иллюстрирует спутник 40, содержащий спутниковой контроллер 300, спутниковый локатор 301, хранящую график включения-отключения память 302, приемник управляющих команд 303, индивидуальные ячеистые передающие-принимающие антенные решетки 304-341, переключатели "включено-отключено" или модуляторы ячеистой диаграммы, позиции или мощности 342-379 и коммуникационную маршрутизирующую матрицу 330. Управляющий спутниками центр 400 обычно располагается на земле 59, но может находиться на другом спутнике. В предпочтительном варианте осуществления изобретения прогнозированный график включения-отключения рассчитан до вывода спутника на орбиту и загружен в хранящую график включения-отключения память 302. График содержит конкретные широту и долготу и/или время, когда каждая конкретная ячейкаа должна быть включена или отключена или модифицирована другим способом.

После вывода на заданную орбиту спутник работает следующим образом. В нижеследующем описании предполагается, что некоторый новый спутник выводится на орбиту для замены существующего спутника, уже несущего траффик, но для специалистов в данной отрасли техники должно быть понятно, что существенно аналогичные процедуры применяются для первоначального запуска и вывода спутника. Управляющий спутниками центр 400 передает на спутник 40 координаты спутника 40. Спутник 40, зная свое начальное положение, следит за своей позицией, пока не пересечет экватор или попадает в другой предопределенный пункт, в котором ячейки включаются в первый раз. В этой точке весь траффик со спутника, ранее находившегося в этом орбитальном пункте, перемаршрутизируется через новый спутник 40 по командам из управляющего спутниками центра 400. Если предшествующий спутник существует, то в это время его можно снять с орбиты, переместить на другую орбиту для другого использования или "уложить спать" до нужного момента. Спутниковый контроллер 300 постоянно или периодически наблюдает за спутниковым локатором 301, который отслеживает спутниковую орбитальную позицию в функции времени, например, путем расчета ее по известным начальным условиям или использования справочной таблицы, или посредством запросов - ответов наземной станции, или с помощью Глобальной Позиционирующей Системы, или их комбинацией.

Когда положение, указываемое в спутниковом локаторе 301, совпадает с положением в хранящей график включения-отключения памяти 302 совпадают, спутниковый контроллер 300 предписывает подходящему переключателю (342-379) включиться или отключиться или изменяться должным образом. Переключатели 342-379 изображены как простые переключатели "включено-отключено"; прерывающие поток сигналов от коммуникационной маршрутизирующей матрицы 380 на принимающую-передающую антенную решетку 304-341. На практике эту функцию можно реализовать путем отключения питания, подаваемого на передающую и принимающие схемы ячейки, или другим подходящим устройством. Шунтирование мощности передатчика особо важно для сохранения энергии спутника. Другие устройства управления сигналами ячеистых антенн и/или потоками питания хорошо известны специалистам в данной области. Управляющий центр 400 и контроллер 300 маршрутизирует траффик на и от другой ячейки на этом же или другом спутнике.

Непосредственно перед подачей команды на переключатели 342-379 спутниковый контроллер 300 выполняет бортовой анализ спутникового коммуникационного траффика, обрабатываемого коммуникационной маршрутизирующей матрицей 380. Это желательно, чтобы обеспечивалась возможность модификации графика включения-отключения для поиска наилучшего режима работы. Если анализ покажет, что нет проблем, то выполняется действие, требуемое данными, находящимися в хранящей график включения-отключения памяти 302.

Если анализ траффика покажет, что следование установленному графику включений-отключений, хранящемуся в памяти 302, вызовет проблемы, то контроллер 300, желательно, запрограммирован: (1) в случае незначительных проблем инициировать команду включения-отключения в соответствии с графиком, что может повлечь появление шумов или прерывание в соединениях более низкого приоритета, или (2) в случае значительных проблем контакт с управляющим спутниками центром 400 для получения дальнейших инструкций. Затем управляющий спутниками центр, желательно, анализирует ситуацию и направляет надлежащие действия. Например, управляющий спутниками центр 400 может предписать, чтобы некоторые соединения были прерваны или часть траффика была перенесена на другие спутники. Если такая ситуация имеет вероятность повторяться, то желательно изменить содержание хранящей график включения-отключения памяти.

Выбор использования позиционных координат (т.е. широты и долготы или угла и высоты) для отслеживания позиции спутника оправдывается исключительно удобством. Хранящая график включений-отключений память может содержать также временную информацию, и спутниковый контроллер 300, вместо сравнения координат, сравнивает время. Позиция любого спутника может быть описана функцией координат и/или времени. Если известно время, можно вычислить координаты. Если известны координаты, можно вычислить время. То или другое может удовлетворить потребность управляющего ячейками спутниковой системы.

Если время выбрано в качестве единицы измерения, желательно периодически сбрасывать показание часов. Спустя определенный отрезок времени спутник 40 завершает один оборот, используя информацию, собранную за одну орбитальную развертку. После некоторого числа витков спутник 40 завершит все имеющиеся орбитальные развертки, и часы устанавливаются на ноль после каждого орбитального циклического временного периода.

В противном случае спутник будет исправно работать на одном орбитальном циклическом временном отрезке. Если используются координаты спутника вместо времени, то ничего не надо возвращать в исходное состояние. Когда спутник возвращается к своему прежнему положению, цикл начинается заново. Возможно определить циклическое орбитальное положение каждого цикла, зная полный орбитальный цикл. Преимущественно координатной системы отсчета в сравнении с временным отсчетом состоит в том, что он облегчает запуск новых спутников.

В предпочтительной схеме, использующей двадцать семь спутников на низких околоземных орбитах, причем всего семь орбит и одиннадцать спутников на каждой орбите, каждый находящийся на орбите спутник движения в том же направлении, что и соседний с ним, исключая орбиты у шва (см. фиг. 1). На орбитах, по которым спутники движутся в одном направлении, ячейки будут перемещаться горизонтально (восток-запад) относительно друг друга значительно медленнее, чем приблизительно 26000 миль в часорбитальной скорости. Но у шва ячейки будут двигаться не только горизонтально (восток-запад) относительно друг друга, но также двигаться в различных вертикальных направлениях (север-юг). Поэтому ячейки вдоль шва должны включаться и отключаться с более высокой частотой, чтобы сохранялся непрерывный охват антенных диаграмм. Настоящее изобретение учитывает эти различия в относительной скорости.

Следующее преимущество настоящего изобретения состоит в том, что спутниковая коммуникационная система предполагает увеличение числа спутников. Например, предположим, что в первоначальной спутниковой ячеистой системе, на спутник приходилось 37 ячеек. Чтобы повысить пропускную способность и обслужить дополнительных пользователей, на соседнюю орбиту выведен более совершенный спутник с 74 ячейками. Устройство и способ, описанные выше, не зависят от числа ячеек в конкретной спутниковой антенной диаграмме. Далее, можно использовать дополнительные спутники.

Следующее преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно компенсирует различия антенного схвата, когда спутники находятся на более высоких или более низких орбитах, чем номинальная орбита. Это существенно, поскольку высоты спутников следует выбирать различными, чтобы устранить вероятность столкновений на полюсах. Следующее преимущество настоящего изобретения состоит в том, что процедура и график ячеек, подлежащих включению и отключению, удобно размещены на спутнике и всегда доступны для переноса существующих соединений с одной ячейки на другую без прерывания соединений. Поэтому весьма просто решается задача переноса соединения, сделанного в одной ячейке на другую ячейку, когда первая ячейка становится недоступной. Отключение взаимодействующих с образованием помех ячеек также экономит энергию.

Из приведенного описания настоящего изобретения очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает устройство и способ, посредством которых охватом ячейками антенн орбитальных спутников можно управлять таким образом, что интерференции соседних ячеек минимизируется без возникновения чрезмерных разрывов в антенном охвате вне зависимости от местонахождения спутников и ячеистого охвата на поверхности земли. Энергия спутника экономится, и учитываются локальные вариации траффика и другие непредсказуемые аномалии.

Исходя из вышесказанного выше, можно сделать вывод, что создан новый способ управления ячейками спутниковой коммуникационной ячеистой системы, без которого возможности орбитальных спутниковых коммуникационных систем были бы сильно ограничены.

Хотя изобретение описано на конкретных примерах и специфических предпочтительных вариантах осуществления, очевидно, что специалисты в данной области техники могут внести изменения и дополнения, основываясь на приведенном описании, не выходя за пределы существа и объема изобретения, которые определены формулой изобретения.

Способ и устройство для количественного управления перекрытием и разрывами в охвате ячейками антенной диаграммы движущейся спутниковой коммуникационной системы путем определения относительного пространственного положения перекрывающихся или отдаленных ячеек сближающихся или расходящихся спутников в функции времени, определения точки, где антенный охват одной или более ячеек от первого движущегося спутника будет перекрывать или отдаляться от одной или более перекрывающихся или отдаленных ячеек, чтобы исключалось вредное взаимодействие между ними без создания разрывов охвата между соседними антенными диаграммами, что является достижением технического результата. 4 с. и 19 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ управления работой многоспутниковой коммуникационной системы, включающей наземный пользователь и два или более спутников, диаграммы направленности антенн которых перекрываются или расходятся на некотором участке орбиты по меньшей мере одного из спутников, отличающийся тем, что на наземном пользователе определяют информацию, касающуюся орбитального положения или времени, когда диаграмма направленности антенны первого орбитального спутника существенно перекрывает или расходится с диаграммой направленности антенны второго спутника, находящегося на отличной, но сближающейся орбите, при которой диаграммы направленности обеих антенн перемещаются по поверхности Земли и обслуживают, исключая зоны перекрытия диаграмм направленности антенн, различные географические регионы, осуществляют хранение необходимой информации на борту первого или второго или обоих спутников и осуществляют основанную на такой хранимой информации пошаговую модификацию диаграмм направленности антенны одного или обоих спутников для уменьшения перекрытия или расхождения на частях орбиты, когда спутники сближаются или расходятся. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе пошаговой модификации дополнительно изменяют диаграмму направленности антенны одного или обоих спутников для существенного сохранения контактов между диаграммами направленности антенн, когда спутники расходятся, путем поочередного включения или отключения между спутниками по меньшей мере одной антенной ячейки, по мере необходимости. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе определения информации определяют циклический орбитальный временной интервал, когда диаграмма направленности антенны первого спутника существенно перекрывает диаграмму направленности антенны второго спутника, а на этапе изменения диаграммы антенны изменяют диаграмму направленности антенн одного или обоих спутников при каждом повторе указанных орбитальных временных интервалов. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на этапе хранения дополнительно вводят в память заданные орбитальные временные интервалы, когда перекрытие достигает значения, вызывающего сигнальную интерференцию между немодифицированными диаграммами направленности антенн сближающихся спутников, для обеспечения изменения диаграммы направленности антенн, а этап изменения включает в себя изменение диаграммы направленности антенн, когда фактический орбитальный временной интервал практически равен заданным орбитальным временным интервалам. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя периодическое обновление заданных орбитальных временных интервалов, на которых изменение диаграммы направленности антенн является желательным для исключения существенной интерференции. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаграмма направленности антенны, подлежащая изменению, содержит ячейки, а изменение диаграммы направленности антенны включает в себя отключение создающих помехи ячеек и включение ячеек с минимумом диаграммы направленности. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый этап определения включает в себя определение циклического орбитального положения, когда диаграмма направленности антенны первого спутника существенно перекрывает диаграмму направленности антенны второго спутника, и этап изменения включает в себя изменение диаграммы направленности антенн одного или обоих спутников при каждом повторении орбитального положения. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что этап запоминания включает в себя запоминание информации о заданном положении спутника на орбите в том случае, когда перекрытие достаточно для возникновения сигнальной интерференции между немодифицированными диаграммами направленности антенн сближающихся спутников, позволяющей гарантировать применение диаграммы направленности антенн, а этап изменения включает в себя изменение диаграммы направленности антенн, когда фактическая информация о положении спутника на орбите существенно совпадает с заранее заданной, указывающей на существенную сигнальную интерференцию. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя периодическое обновление заданной орбитальной позиционной информации, задающей изменения диаграмм направленности антенн, позволяющие избежать существенной интерференции. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что диаграммы направленности антенн, подлежащие модифицированию, содержат ячейки, а заданная хранящаяся орбитальная позиционная информация содержит минимальные межячейные расстояния перекрывающихся или отдаленных ячеек. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что модифицирование диаграммы направленности антенны включает в себя отключение создающих помехи ячеек, когда физические межячейные расстояния меньше, чем хранящиеся минимальные заданные межячейные расстояния. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит изменение диаграммы направленности антенны того спутника, у которого больше угол к надиру наземного пользователя системы. 13. Способ работы негеостационарной орбитальной спутниковой коммуникационной системы, имеющей два или более спутников, диаграммы направленности антенн которых перекрываются или расходятся на некотором участке орбиты по меньшей мере одного из спутников, отличающийся тем, что определяют соответственно первую и вторую диаграммы антенного охвата антенн первого и второго спутников, определяют момент перекрытия или расхождения первой и второй многоячеистых диаграмм антенного охвата при движении одного первого или второго спутников относительно другого, изменяют дискретно диаграмму антенного охвата одного или обоих спутников в функции времени для устранения существенного помехообразующего перекрытия или значительного неохваченного разрыва в процессе обеспечения обоими спутниками коммуникационного обслуживания. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве системы используется негеостационарная спутниковая орбитальная система связи, причем на этапе определения первой и второй диаграмм направленности антенн определяют соответственно первую и вторую многоячеистые диаграммы направленности антенн, на этапе определения диаграмм антенного охвата определяют момент перекрытия или расхождения первой и второй многоячеистых диаграмм антенного охвата, а на этапе изменения дискретной диаграммы антенного охвата осуществляют пошаговую модификацию периферийных ячеек многоячеистых диаграмм антенного охвата одного или двух спутников в функции времени путем изменения одной или более ячеек одной или обеих диаграмм направленности антенн. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что диаграммы многоячеистого антенного охвата изменяют путем пошагового изменения количества, размера или местоположения ячеек. 16. Способ по п.14, отличающийся тем, что на этапе пошагового изменения диаграмм антенного охвата осуществляют пошаговое изменение периферийных ячеек диаграммы многоячеечного антенного охвата. 17. Способ работы негеостационарной орбитальной спутниковой коммуникационной системы, имеющей два и более спутников, диаграммы направленности антенн которых перекрываются или расходятся на некотором участке орбиты по крайней мере одного из спутников, отличающийся тем, что определяют соответственно первую и вторую многоячеистые диаграммы антенного охвата антенн первого и второго спутников, определяют момент перекрытия или расхождения первой и второй многоячеистых диаграмм антенного охвата при перемещении одного из двух спутников относительно другого, производят пошаговую модификацию периферийных ячеек многоячеистых диаграмм антенного охвата одного или обоих спутников в функции времени для устранения существенного помехообразующего перекрытия или значительного неохваченного разрыва, причем на первом этапе определения дополнительно вычисляют межцентровое расстояние сходящихся или расходящихся ячеек первой или второй многоячеистых диаграмм антенного охвата. 18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что вычисленные межцентровые расстояния сравнивают с заданными для одних и тех же ячеек и диаграмм направленности антенн одного или обоих спутников, изменяющихся в случае, когда вычисленные межцентровые расстояния отличаются от заданных, что приводит к значительным помехам или разрывам при схождении или расхождении спутников. 19. Система управления спутниковым антенным охватом негеостационарной орбитальной многоспутниковой системы, обеспечивающей коммуникационное обслуживание наземных пользователей и исключение помех и разрывов между диаграммами направленности антенн сходящихся и расходящихся спутников, отличающаяся тем, что введено запоминающее устройство для хранения информации, относящейся к предопределенным участкам орбиты, когда диаграмма направленности антенны одного активного спутника будет или не будет интерферировать с диаграммой направленности антенны другого активного спутника, причем диаграммы направленности антенн активных спутников перемещаются над поверхностью Земли в соответствии с орбитами, спутниковое локаторное устройство для определения текущей орбитальной информации об одном спутнике, контроллерное устройство, предназначенное для сравнения такой текущей орбитальной информации с хранящейся орбитальной информацией для определения, когда удовлетворяется заранее заданный критерий принятия решения, и для последующего пошагового модифицирования антенной диаграммы, ассоциированной с одним или другим спутником, для устранения существенных помех или разрывов между их диаграммами направленности антенн, в то же время как оба спутника продолжают обеспечивать коммуникационное обслуживание. 20. Система по п.19, отличающаяся тем, что дополнительно содержит коммуникационную маршрутизирующую матрицу для изменения маршрута передаваемых или принимаемых сигналов на или от индивидуально управляемых ячеек антенны. 21. Система по п.19, отличающаяся тем, что запоминающее устройство, локаторное устройство и контроллерное устройство размещены на борту одного или другого спутника. 22. Система по п.19, отличающаяся тем, что диаграмма направленности антенны содержит ячейки, причем контроллерное устройство дополнительно содержит устройство для отключения или включения индивидуальных ячеек. 23. Система по п.19, отличающаяся тем, что диаграмма направленности антенны содержит ячейки, причем контроллерное устройство дополнительно содержит устройство для изменения формы или размеров индивидуальных антенных ячеек.