СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ И НЕГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ СПУТНИКИ Российский патент 2000 года по МПК H04B7/185 

Область техники
Настоящее изобретение касается способов и систем, предназначенных для обеспечения радиосвязи, и более конкретно - таких способов и систем, в которых для обеспечения радиосвязи используются спутники.

Предшествующий уровень техники
Известные спутниковые системы, предназначенные для обеспечения глобального охвата, представляли один из трех типов, классифицируемых в широком смысле по орбитальному расстоянию системы спутников, находящихся на геостационарной орбите (ГСО), низкой околоземной орбите (НОО) и средней околоземной орбите (СОО). Примером системы связи на геостационарных спутниках является система ИНМАРСАТ (INMARSAT) (Международная организация морской спутниковой связи). Одним из преимуществ геостационарных спутников состоит в том, что они остаются в неподвижном положении относительно Земли, и для облучения всей Земли требуются только четыре таких спутника. Недостаток геостационарных спутников состоит в том, что они отдалены на большое расстояние, нуждаются в высокой мощности передачи и больших антеннах для обеспечения пропускной способности каналов связи и создают примерно 1/4 секунды задержки сигнала на распространение в обе стороны.

Примером спутниковой системы на низкой околоземной орбите (НОО) является система ИРИДИУМ (IRIDIUM), обеспеченная фирмой "Моторола". Преимущество систем на НОО состоит в том, что спутники находятся гораздо ближе к Земле, обеспечивая тем самым улучшенную связь. Поскольку спутники находятся ближе к Земле, необходима меньшая мощность передачи и для спутника и для индивидуального передатчика пользователя. Недостаток состоит в том, что требуется примерно 70 спутников, чтобы обеспечить 24-часовой охват большей части точек земного шара. Более того, спутники на низких околоземных орбитах гораздо быстрее движутся относительно Земли, вызывая тем самым большое доплеровское смещение и частые переключения связи с одного спутника на следующий.

Примером компромиссной спутниковой системы на средней околоземной орбите (СОО) является спутниковая система ОДИССЕЙ (ODYSSEY), обеспеченная фирмой TRW. Орбитальная высота спутников на СОО находится между орбитами ГСО и НОО, обеспечивая лучшее качество связи, чем система на ГСО, при более низкой скорости перемещения и меньшем доплеровском смещении, чем в случае системы на НОО. Более того, системы на СОО обеспечивают более или менее 24-часовой охват большей части точек на земной поверхности, используя от 8 до 18 спутников, что дешевле решения примерно из 70 спутников на НОО.

Хотя решение СОО представляет хороший компромисс между противоречивыми требованиями, оно страдает определенным недостатком, состоящим в том, что все спутники должны находиться на месте, прежде чем можно будет считать охват достаточно приемлемым (в процентном отношении имеющегося времени) для абонентов. Это положение было изучено на опыте эксплуатации спутниковой навигационной системы GPS (глобальная спутниковая система радиоопределения), которая представляет также решение системы СОО. Таким образом, прежде чем можно будет ожидать существенного дохода от выполнения системы СОО, необходимо осуществление многолетней программы и значительных капиталовложений.

Другим примером является система спутниковой связи, описанная в заявке WO 88/04866, содержащая геостационарный спутник и спутник, размещенный на квазистационарной орбите. По меньшей мере, два потока данных передают при различных уровнях мощности. Один поток данных с более высоким уровнем мощности используют для линии связи с геостационарным спутником, а другие потоки данных передают посредством использования псевдошума. Однако при этом для связи с геостационарным спутником требуется высокая мощность передачи и таким образом не решаются вышеупомянутые проблемы.

Известная система является наиболее близкой к предложенным системам спутниковой связи и может быть выбрана за прототип.

В соответствии с этим, представляется необходимым разработать системы и способы радиосвязи, в которых были бы устранены недостатки известных спутниковых систем на НОО, СОО и ГСО.

Раскрытие изобретения.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения возможно гибридное решение с использованием спутников на ГСО-СОО с запуском геостационарного спутника, обеспечивающего зону охвата радиосвязи региона основного ожидаемого роста радиообмена, но имеющего ограниченную пропускную способность, которая достаточна для обеспечения связи только первоначального количества абонентов. После этого осуществляют последовательный запуск ряда спутников на СОО. Вначале спутники на СОО могут дополнять область охвата геостационарного спутника. Позже, когда на орбите оказывается достаточное количество спутников СОО, основную нагрузку по радиообмену можно переложить на спутники СОО, при выполнении спутником ГСО дополнительной роли. И наконец, в случае необходимости можно запустить достаточное количество спутников СОО для обеспечения всей требуемой пропускной способности системы.

Таким образом, преодолевается основной недостаток системы СОО, в частности слишком длительный период для получения рентабельности от начального запуска до получения достаточной пропускной способности системы, поскольку соответствующие настоящему изобретению системы обеспечивают мгновенную пропускную способность посредством первого запуска геостационарного спутника.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг. 1 иллюстрирует соответствующий настоящему изобретению геостационарный спутник, движущийся на орбите вокруг Земли.

Фиг. 2 иллюстрирует геостационарный спутник и несколько спутников на средней околоземной орбите в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет геостационарный спутник и большое количество спутников на средней околоземной орбите в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Лучший вариант осуществления изобретения
В соответствии с настоящим изобретением на фиг. 1 показан первый спутник 10, который будет установлен на геостационарной орбите с целью обеспечения начальной пропускной способности системы. Хотя этот геостационарный спутник 10 имеет ограниченную пропускную способность, он может обеспечить достаточную пропускную способность для обслуживания ограниченного количества абонентов в пределах заранее определенной географической зоны охвата или области радиообмена 20. Таким образом, например, если оконечная аппаратура 30 остается в географической области охвата 20 и является одним из ограниченного количества абонентов, обслуживаемых геостационарным спутником 10, можно ожидать, что оконечная аппаратура 30 будет получать хорошее обслуживание, за исключением, возможно, использования в часы пик.

Во время второго этапа развития системы, можно запустить следующие спутники 40 на среднюю околоземную орбиту, как показано на фиг. 2. Например, такой орбитой может быть так называемая гармонически синхронная орбита, благодаря которой спутник облетает Землю целое число раз в одни звездные сутки, так что его след на Земле повторяется. Например, орбитальный радиус 16756 км (орбитальная высота 10386 км) дает 4 орбиты в течение звездных суток. Отметим, что каждый из спутников 40 на средней околоземной орбите может иметь большую номинальную пропускную способность, чем геостационарный спутник 10, из-за их относительной близости. Конечно, единственный спутник 40 на средней околоземной орбите не охватывает какую-то область на Земле в течение более чем части суток, например, в течение двух часов в течение суток, но эту зону охвата можно выбирать таким образом, чтобы она попадала на период максимального радиообмена в течение суток, по меньшей мере и одном месте большего радиообмена, и таким образом дополняла ограниченную пропускную способность спутника ГСО, позволяя увеличить количество абонентов.

Одна желательная характеристика соответствующего настоящему изобретению варианта осуществления состоит в том, чтобы способ модуляции и многостанционного доступа (например, многостанционного доступа с частотным разделением каналов, многостанционного доступа с временным разделением каналов, многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и их гибридных сочетаний), используемый для двухстороннего обмена радиосигналами между оконечной аппаратурой и спутниками, был одним и тем же, независимо от того, осуществляется ли доступ к спутникам на геостационарной или на средней околоземной орбите. Желательно также, чтобы период обращения спутника на СОО составлял целое число частей суток, чтобы он повторно пролетал над выбранной областью обслуживания в заданный период максимального радиообмена.

По мере запуска все большего количества спутников 40 на СОО, все более и более глобальный радиообмен можно получить с помощью спутников на СОО от непрерывно увеличивающейся базы абонентов. В конечном итоге, при запуске достаточного количества спутников на СОО, можно избежать необходимости использования спутника 10 на ГСО. Однако количество спутников 40 на СОО, требуемое для обеспечения 100% охвата по времени на 100% местоположениях, значительно выше, чем если когда процентные отношения уменьшаются, в частности, когда добавляются вторичные критерии, такие как угол места движущегося спутника больше 20 градусов, или видимость двух спутников с каждого подвижного телефонного аппарата, по меньшей мере в 90% случаях, для обеспечения приема на разнесенные антенны.

При запуске большого количества спутников на СОО, как показано на фиг. 3, здесь все еще будут оставаться "мертвые зоны" в охвате, когда не удовлетворяются вторичные критерии в конкретных местах в течение некоторого времени. В соответствии с настоящим изобретением на этом этапе геостационарный спутник или спутники поддерживаются в рабочем состоянии, чтобы заполнить "мертвые зоны", позволяя таким образом удовлетворять вторичные критерии меньшим окончательным количеством спутников 40 на СОО.

Можно видеть, что первоначально запущенный геостационарный спутник 10 имеет различные функции на трех различных этапах программы:
1 этап: один геостационарный спутник обеспечивает обслуживание ограниченной первоначальной базы абонентов.

2 этап: пропускную способность геостационарного спутника дополняют в периоды максимального радиообмена одним или более спутниками на СОО.

3 этап: геостационарный спутник "заполняет" "мертвые зоны" в охвате, обеспечиваемом ограниченной плеядой спутников на СОО.

В целях эффективной работы на всех трех этапах, геостационарный спутник должен обладать определенными характеристиками. В частности, для выполнения своей функции на 3 этапе, геостационарный спутник должен иметь возможность направлять пропускную способность на требуемый район (например, на "мертвые зоны") посредством электронным или механическим способом управляемых антенных лучей или переключаемых лучей. В качестве технического решения, предназначенного для направления такой пропускной способности, можно использовать спутниковый ретранслятор с фазированной антенной решеткой, как описано в заявке на патент США с регистрационным номером 08/179-953 на имя Раула У.Дента под названием "Спутниковая система связи с сотовой структурой зоны обслуживания с усовершенствованным повторным использованием частоты", зарегистрированной 11 января 1994 года, полное раскрытие которой включено в настоящую заявку путем ссылки. Однако альтернативное устройство представляет многолучевая параболическая антенная система, приводимая так называемым матричным усилителем мощности, используемым на современных спутниках ИНМАРСАТ-III и описанным в патенте США N 3917998, выданном Уэлти, описание которого также включено здесь путем ссылки. Устройство матричного усилителя мощности позволяет либо с использованием мощности каждого усилителя передачи мощности возбуждать соответственный луч, либо, в случае высокой гибкости и на посигнальной основе, мощность нескольких каскадов усилителей мощности объединять в один луч, если в данный момент где-то требуется наибольшая пропускная способность.

Хотя настоящее изобретение описано исходя из вышеописанных примерных вариантов осуществления, эти варианты осуществления предназначены для иллюстрирования во всех отношениях, а не ограничения настоящего изобретения, хотя в вышеприведенных вариантах имеется только один геостационарный спутник и множество спутников на средней околоземной орбите, можно обеспечивать два или более геостационарных спутников. Более того, хотя может оказаться желательным вначале запустить геостационарный спутник для обеспечения немедленной пропускной способности, до геостационарного спутника можно запустить один или более спутников на среднюю околоземную орбиту.

Для специалистов в данной области техники представляется очевидным в рамках настоящего изобретения заключено большое количество модификаций и усовершенствований, объем которых определяется прилагаемой формулой изобретения, включая все его эквиваленты.

Предложены система и способ связи, в которых используется сочетание геостационарного спутника (ГСО) и множества спутников на средней околоземной орбите (СОО). Вначале запускают спутник ГСО для обеспечения первоначальной пропускной способности системы. Далее последовательно запускают спутники на СОО в местоположения, где они могут дополнять зону охвата спутника на ГСО в часы пик радиообмена. И наконец, на ГСО можно обеспечить дополнительную пропускную способность, что является техническим результатом. 4 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система спутниковой связи, содержащая по меньшей мере один геостационарный спутник и по меньшей мере один спутник на средней околоземной орбите, предназначенные для обеспечения радиосвязи с множеством абонентских оконечных устройств, отличающаяся тем, что по меньшей мере один геостационарный спутник обеспечивает радиосвязь с упомянутыми абонентскими устройствами в течение периодов, когда абонентские оконечные устройства не могут осуществлять доступ к одному из упомянутых по меньшей мере одному из спутников на средней околоземной орбите. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый геостационарный спутник обеспечивает либо автономное обслуживание абонентов, либо обслуживание абонентов, добавляемых в пиковые периоды, с помощью по меньшей мере одного спутника на средней околоземной орбите или обслуживание зон в охвате, обеспечиваемом упомянутыми спутниками на средней околоземной орбите. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что обслуживание, обеспечиваемое упомянутым геостационарным спутником, определяется на основе количества спутников, находящихся на средней околоземной орбите. 4. Способ обеспечения радиосвязи с множеством оконечных устройств, заключающийся в том, что запускают спутник на геостационарную орбиту, отличающийся тем, что обеспечивают обслуживание радиосвязи с упомянутым множеством оконечных устройств, используя только упомянутый геостационарный спутник перед запуском дополнительных спутников, запускают множество спутников на среднюю околоземную орбиту и обеспечивают обслуживание радиосвязи с использованием геостационарного спутника и по меньшей мере одного спутника из упомянутого множества спутников на средней околоземной орбите. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что на упомянутом этапе обеспечения обслуживания радиосвязи с использованием геостационарного спутника и по меньшей мере одного спутника из упомянутого множества спутников на средней околоземной орбите дополнительно обеспечивают обслуживание радиосвязи, используя по меньшей мере один спутник из упомянутого множества спутников на средней околоземной орбите с целью дополнения упомянутого обслуживания упомянутого геостационарного спутника до запуска заранее определенного количества упомянутых спутников на средней околоземной орбите с последующим обеспечением обслуживания радиосвязи с использованием упомянутого геостационарного спутника для дополнения обслуживания упомянутых спутников на средней околоземной орбите. 6. Система спутниковой связи, предназначенная для обслуживания ряда оконечных станций наземного базирования с изменяющимися уровнями активности, содержащая геостационарный спутник, расположенный с возможностью быть видимым с зоны обслуживания в течение 24 ч в сутки, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один спутник, находящийся на квазистационарной орбите, имеющий наземную траекторию ретрансляции, установленную для охвата упомянутой зоны обслуживания в моменты времени ожидаемой максимальной активности упомянутых оконечных станций наземного базирования. 7. Система связи по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит центральную наземную станцию связанную с упомянутым геостационарным спутником и с упомянутым спутником на квазистационарной орбите, когда он виден для передачи сигналов между телефоном-автоматом и упомянутыми оконечными устройства по меньшей мере через один из упомянутых спутников. 8. Система связи по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство управления, предназначенное для управления сфокусированными лучами антенны упомянутого геостационарного спутника в местоположения, в данный момент неадекватно обслуживаемые упомянутым по меньшей мере одним спутником на квазистационарной орбите. 9. Система связи по п.8, отличающаяся тем, что упомянутое средство управления представляет собой компьютер формирования луча. 10. Система связи по п.9, отличающаяся тем, что упомянутый компьютер формирования луча расположен на упомянутой центральной станции. 11. Система связи, предназначенная для обеспечения телефонной связи между портативными беспроводными оконечными устройствами и коммутируемой телефонной сетью общего пользования (КТСОП) через находящиеся на орбите спутники, содержащая по меньшей мере один геостационарный спутник-ретранслятор, содержащий электронным способом управляемую антенну, по меньшей мере один спутник-ретранслятор на квазистационарной орбите, по меньшей мере одну связную станцию межсетевого сопряжения, соединенную с КТСОП, и связанную с упомянутым по меньшей мере одним геостационарным спутником-ретранслятором, причем упомянутая станция межсетевого сопряжения содержит средство управления, предназначенное для управления зонами, облучаемыми упомянутыми лучами управляемой антенны, средство маршрутизации, предназначенное для маршрутизации сигналов между упомянутыми портативными оконечными устройствами и КТСОП через спутник и луч антенны, отличающаяся тем, что содержит сеть слежения, предназначенную для слежения за мгновенными местоположениями упомянутого спутника и передачи информации на связные станции межсетевого сопряжения, причем лучом антенны управляют на основании информации от упомянутой сети слежения.