專利名稱：在傾斜軌道上的衛星蜂窩電話和數據通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及移動通信，特別涉及改進的衛星蜂窩電話和數據通信系統。
在一些常規的衛星通信系統中，衛星或節點在極地軌道中繞地球運行，即衛星在跨越北極和南極的軌道中繞地球運行。雖然在極地軌道中的衛星提供整個地球的覆蓋，但是存在兩個問題。
第一，極地軌道衛星產生一個反向旋轉縫(Counter-rotatingseam)。反向旋轉縫是由衛星在相反方向中運行產生的。例如，假定衛星從南極向北極運行，一旦它們通過了北極，該衛星則向相反的方向運行，亦即這時衛星從北極向南極(即軌道的另一半)運行。在通過南極之后，該衛星又向上朝著北極方向運行，因此在一些在軌道的一半中運行的衛星超越軌道的另一半中運行的其它衛星時產生反向旋轉縫。反向旋轉縫產生了如何建立和保持在相反方向中運行的衛星之間的通信的問題。
第二，雖然多個極地軌道衛星覆蓋比單個衛星覆蓋優化了對整個地球的覆蓋，但是雙波束覆蓋可能要求雙倍的衛星數量或者要求這些衛星本身增加更多的能力。然而，雙倍的衛星數量和對衛星增加更多的能力顯著地增加系統的費用，而且每當增加能力時通常衛星總是要增加更多的重量。
據此，本發明的目的是提供一種低地球軌道的多衛星蜂窩通信系統，該系統消除了反向旋轉縫并且提供覆蓋大部分地球的連續雙通信。
圖1表示本發明可構成其一部分的基于衛星通信系統的高度簡化圖；圖2是表示衛星交換單元與其相關的移動用戶的互相連接和互連到公共交換電話網的簡化方框圖；圖3表示由地面蜂窩衛星交換星座服務的區域上雙波束覆蓋范圍；
圖4表示星座的幾何圖形，用于確定相同軌道平面中的衛星之間和不同軌道平面中的衛星之間的間隔；圖5～6表示根據本發明優選實施例的衛星星座的衛星點和時間序列；圖7表示衛星蜂窩通信系統的數據庫設置方框圖。
參見圖1，圖中示出一種改進的衛星蜂窩電話通信系統的高度簡化的衛星配置。在這個配置中示出在一個低地球軌道中的多個衛星。多個衛星放置在每個軌道平面中，該軌道以約60°傾斜角并對除了北極和南極附近的少數地區外的地球的大部分地區提供連續的雙衛星交換覆蓋。這些衛星直接在多個蜂窩電話和配備了數據傳輸的用戶之間接口，還將這些用戶接口到公共交換電話網(PSTN)。
這個衛星蜂窩結構有點類似于目前的蜂窩移動電話系統。目前，基于地面的蜂窩系統、蜂窩站址是固定的，而用戶是移動的。當用戶從一個網孔站地移動到另一個網孔站址時，他的電話呼叫從一個蜂窩交換單元越區切換到另一個交換單元。
在本發明中，在任何給定時間用戶是相對固定的，而作為網孔的衛星是連續地移動。對于手持的或移動安裝的蜂窩電話機來說與圖1所示的衛星交換機之一的連接是直接從手持移動安裝的或遠端固定的電話機到最接近的衛星交換機之一的連接。每個衛星繞地球運動。在開始起著特定用戶的交換單元作用的衛星離開該交換機的網孔時，該用戶的呼叫被“越區切換”到適當的相鄰網孔。相鄰網孔可能是在一個衛星范圍內的網孔或者位于一個特定軌道平面或相鄰軌道平面中的其它衛星的網孔。用戶可“漫游”，但是與衛星交換機的移動距離相比這個漫游距離相當小。
與蜂窩移動電話系統類似，衛星蜂窩通信系統提供頻譜效率。這意味著相同的頻率可由不同的衛星交換機同時使用。頻譜效率由衛星交換機和用戶之間的空間分集提供。
用戶可位于緯度小于低地球軌道衛星高度的大片陸地、水中或空中的任何地方。例如，在一大片陸地上的一個人可呼叫在另一片陸地上的一個人、在船上的一個人或在飛機中的一個人。
低功率手持移動安裝的或固定的無線電話機可用于這個系統中。利用本技術功率要求小于10瓦。
在這個系統中，所示的每個衛星是一個交換單元。大多數常規衛星通信系統主要起著中繼站或“彎管”的作用，亦即，它們提供固定的點對點通信或者通過衛星從地球上的一點到地球上的另一點的通信。常規的衛星通信系統沒有與相同軌道平面或另一軌道平面中的另一個衛星通信的能力。在本發明中，每個軌道衛星都具備交換功能，以便衛星能夠與相同軌道平面的衛星和不同軌道平面中的衛星通信。
如前所述，在優選的實施例中，每個衛星軌道平面以60°角傾斜。以較高和較低的傾斜的軌道運行衛星平面是可工作的。通過減少或增加相對于傾斜角的軌道平面高度，可保證對地球大部分地區的連續雙衛星覆蓋。以優選的60°傾斜角繞地球運行的衛星在地球的大部分地區提供連續的雙衛星覆蓋。在北極和南極地區覆蓋是時有時無或者是不存在的，或在緯度80-85°以上是不保證的。
在優選的實施例中已經證明連續雙衛星覆蓋可以用81個低地球軌道運行衛星實現。這些衛星可安排在九個60°傾斜的軌道平面中，每個平面安排幾個衛星。其它的配置也可使用，如八乘八或七乘七配置。但是，衛星的高度必須調整以計算出比優選的九乘九衛星星座具有少些或多些衛星的星座的不同網孔尺寸。
每個衛星包含一個衛星交換單元、合適的天線11(例如，上行/下行鏈路的螺旋天線和交叉鏈路的透鏡)和解折疊展開的太陽能電池陣列12以及連接到為該交換單元提供電源的太陽能電池的蓄電池組(未示出)。衛星運載艙或運載工具本身是諸如商業化的低地球軌道運行衛星。這些衛星由發射運載工具送入軌道。在軌道中時，太陽能電池陣列開啟，因而交換單元工作。然后經過標準遙測、跟蹤和控制信道(TT&C)，將這些衛星單個地聯機在線以形成網絡。
如圖1所示，攜帶手持電話機的用戶A摘機，由特定的衛星1接收該信道請求。頻率信道分配給該用戶，然后通過該系統發送呼叫者所希望的號碼。每個衛星是一個分布式本地處理器并確定該呼叫的交換如何出發生。衛星1把呼叫轉接到其自身網孔組(cell complement)內的適當網孔或適當的衛星網孔組。路徑由每個衛星交換單元確定直到由衛星2收到呼叫為止。然后衛星2發送這個呼叫到圖1中所示的特定手持用戶B。
雖然示出兩個手持用戶，但用戶可以在水上、在移動車輛中、飛機上或是PSTN的一部分，在該PSTN中鏈路是通過一個網關器的。每個衛星是一個本地處理器。該系統確定呼叫被轉接到那個合適的衛星或網孔。每個衛星確定從其本身到下一個合適衛星的優選路徑。這些確定的根據是被叫用戶電話號碼的局代碼部分。
典型地，每個衛星投射到地球上至少4個或更多個波瓣并包括用于轉換的至少4個或更多個相應網孔。這些覆蓋波瓣通過具有與波瓣數相當的固定波束寬度的天線(典型地為螺旋形)取得。重疊網孔將使用目前的蜂窩技術區別。每個衛星確定從它到下一個衛星的最佳路徑，通過該路徑發送特定呼叫或數據傳輸。這些衛星交換機對數據分組進行操作，因此可發送數字話音或數據。在FDM基礎上接收下行鏈路和上行鏈路數據/數字話音，進行解調，然后分組用于衛星對衛星通信。
圖2示出衛星的一個平面的一部分的互連，還示出了衛星到該衛星相應移動用戶和到公共交換電話網的連接。圖2示出三個衛星衛星40、衛星50和衛星60。衛星40由鏈路i接到衛星50。衛星50由鏈路i＋1接到衛星60。衛星60經鏈路i＋2接到該平面的下一個后續的衛星(未示出)。衛星40經過鏈路i－1接到下一個在先衛星(未示出)。衛星的每個平面形成圍繞地球的連接衛星的環。
如前所述，圖2圖示一個衛星平面。另外，每個衛星經過無線電或光通信與其它軌道平面中的一個或多個衛星聯絡。即，每個衛星與其運行軌道平面中的前一個和后一個衛星以及在其它運行軌道平面中的一個或多個衛星聯絡。
衛星間的鏈路鏈路i－1、鏈路i等可通過在微波束上或激光束的數據傳輸來實現。現有技術目前提供這種數據傳輸。
例如，衛星與其移動用戶之間的聯絡是利用波束j－1和j＋1實現的。這些波束相應于圖3所示的波瓣和上述的交換單元。這些波束通過衛星上行/下行鏈路天線獲得，通過用戶全向天線向用戶提供通信。一個特定衛星在一個時間可處理的用戶數的限制取決于分配的帶寬加上在衛星上可得到的功率。典型地這個數目可以是每個衛星50000用戶。
衛星40被表示為經過波束i－1連接到中繼站或網關器10。任何衛星，如衛星40，都能夠發送和接收來自網關器(如網關器10)的數據。這個網關器鏈路可使用分組數據實現，類似于衛星到衛星鏈路。
網關器10包括互連到公共電話交換網(PSTN)20的單元。所有公共交換電話網用戶30都連接到公共交換電話網20。由于衛星40通過網關器10連接到PSTN20，故經過波束直接到一個衛星的衛星蜂窩系統的移動用戶可通過衛星結構(經過相應鏈路從衛星到衛星)通過網關器10、通過公共交換電話網20向選定的PSTN30的用戶發送話音或數據，反之亦然。
每個衛星提供幾個數據傳輸波束。對于根據優選實施例的九乘九軌道星座，這些數據傳輸波束投射圖3中所示的覆蓋波瓣。這些衛星以60°傾斜在1118km的高度上具有10°仰角在軌道上運行。
如圖2所示的，衛星可使用其一個或幾個波束提供到網關器的接口。建立每個網關器和衛星之間鏈路至少需要一個波束。典型地一個衛星只鏈接一個網關器。一個網關器提供足夠的中繼，以互連多個移動用戶到公共交換電話網20。
每個衛星在其波束或網孔之間執行內部交換。這類似于常規電信系統的局內交換。例如，衛星和其移動用戶或網關器之間的上行/下行鏈接裝置通過波束可在約2.1至3.9GHz的范圍中發送和接收數據。本技術和頻段可用性使它為一個優選的數據傳輸范圍。但是，本發明的范圍不限于僅在這個范圍內的數據傳輸。
如前所述，數據(數字話音或數據)以分組形式發送，因此通過衛星系統可實現高速數據傳輸以及話音數據傳輸。給定目前可用的帶寬的數據傳輸速率至少1200波特。但是，利用擴展的帶寬和利用這個系統實際上可獲得較高的數據速率。
圖3表示根據本發明的優選實施例，在九乘九衛星星座地面上的雙衛星覆蓋。根據優選的實施例，衛星傾斜60°且在1118km的高度。其它的傾斜角也可使用，除了取得雙衛星覆蓋之外，衛星的高度也必須改變。衛星還具有最小10°仰角的腳印。
如圖3所示，衛星圖型示出沒有反向旋轉縫。沒有反向旋轉縫意味著建立和維持在相反方向移動的衛星之間的無線電或光通信的問題最小。此外，如圖所示的，存在著更多的衛星擺動。
衛星星座建立在三角幾何關系上，例如可以是一個等邊三角形。四個衛星彼此以平行四邊形幾何關系相關。這個配置允許衛星以提供必要覆蓋的方法分組。在由三角形幾何表示的三個衛星的交點滿足最小仰角(在優選實施例中為10°)。
圖4表示根據本發明的優選實施例，在傾斜角30°至90°(同方向運行)或90°至150°(逆運行)之間的衛星，在相同平面中的衛星和在另一個軌道平面中的衛星之間的間隔的星座幾何圖形。衛星A1和A2在相同軌道平面中，而衛星B1和B2在相同軌道平面中。在相同軌道平面中衛星之間的間隔由下式得出Ss＝360/Ns(1)式中Ns＝在平面中衛星的數量Ss＝衛星間隔(度)在不同軌道平面中的衛星之間的間膈由下式得出R=3(Ss)÷2sini---(2)]]>Sp=Ss[0.5-(3÷2tani)]---(3)]]>L=3(Ss)÷2sin(i+30)---(4)]]>式中i＝衛星傾斜角(度)R＝RAAN間隔(度)Sp＝衛星定相(phasing)(度)L＝緯度間隔(度)利用式(1)～(4)，星座中的衛星彼此具有三角的幾何關系。如圖4所示，衛星A1、A2和B1彼此具有三角的關系。類似地，衛星A2、B1和B2具有三角幾何關系。
雙覆蓋也由三角形的幾何狀確定。對于任何衛星星座，圍繞三角幾何形狀是優化的設計。雙衛星覆蓋可通過多個衛星加密星座(次優化)或在較高的高度上飛越星座可保證低于緯度60°。
共同旋轉衛星都保持相同的關系，因此交叉鏈路不受影響。如果交叉鏈路網絡是基于三角的幾何形狀，則交叉鏈路與衛星傾斜無關。換句話說，只要保持幾何關系，動態特性是相同的。
代之以東-西交叉鏈路出現跨越不同的軌道平面和具有極地軌道的衛星那樣跨越縫，東-西交叉鏈路基本上停留在相同軌道平面。這是由于衛星以60°傾斜角(或以一些其它的角度)繞地球運行。而且，交叉鏈路縫動態特性最小化或消除跨越縫的通信。
根據優選的實施例，圖5和6表示在九乘九衛星星座中81個衛星的每個衛星相對運動的子衛星點和六個一分鐘步長向時間序列。衛星的每個軌道在1118km的高度上以60°角傾斜并具有10°的仰角腳印。
圖7表示經過波束102直接接到移動用戶120的一個衛星交換單元100。衛星100經過波束104與數據庫計算機110聯絡。衛星100還經過波束106與數據庫計算機130聯絡。這個聯絡可如圖7所示的經過波束106直接到或者通過其它的衛星間接與數據庫計算機130聯絡。
移動用戶可在歸屬區中“漫游”或移動。歸屬區可以是一個市如紐約、洛杉機等。數據庫計算機110含有與其每個移動用戶相關的所有信息。只要特定的移動用戶在他們歸屬區操作，與該用戶相關的所有可用信息在本地歸屬區數據庫計算機都是可用的。
例如，如果在洛杉機市的一個歸屬區用戶旅行到紐約市并且試圖使用他的衛星蜂窩電話進行通信，則在紐約市用戶的新區中的數據庫計算機不知道該用戶存在。如果數據庫計算機110是在移動用戶的歸屬區洛杉機，則數據庫計算機110具有該特定移動用戶的所有信息。為此，移動用戶不被允許發出呼叫，因為他不被他的歸屬區的數據庫計算機識別。
為了克服這個問題，由該系統周期地詢問每個移動用戶以確定其位置，以便在他摘機時其業務呼叫可被識別和發送。但是，由于特定用戶的數據庫經過衛星系統存儲在他的歸屬區數據庫計算機中，故衛星系統首先詢問歸屬區，以確定他不再在那里，并獲得該用戶的交換信息。當作出決定時，新的歸屬區的數據庫計算機可被更新，以便包括這個“漫游”用戶。結果，就允許這個用戶在他的新區中始發和接收呼叫。因為衛星系統詢問用戶的歸屬數據庫計算機來確定他的位置，故可在整個衛星系統中尋找該用戶。因此，本系統提供尋找“漫游”用戶并與他們建立通信的能力。
為了便于跟蹤每個移動用戶，每個移動電話機提供被周期地監視的控制信號，以便在用戶始發呼叫時，最接近的衛星可跟蹤他并通過衛星網絡詢問他的歸屬數據庫計算機以確定他的適當的用戶信息。移動電話機可自動地向衛星網絡顯示一個新位置用以更新數據庫計算機。這個控制信號允許“漫游”用戶的來話呼叫通過鏈接到歸屬區的數據庫計算機的衛星對衛星進行確認。
衛星蜂窩通信系統中的每個衛星是自導航的。即，它使用全球定位衛星系統(GPS)或時間及天體位置推算數據，由該數據計算它的位置信息。另外，從全球定位系統或其它運載工具的固定位置，每個衛星可確定其位置和因此修改其過程而停留在其合適的軌道內，同時提供交換業務。
每個衛星可在衛星內(特定交換單元或網孔內)交換呼叫或者可通過微波或激光鏈路(鏈路i、i＋1等)把該呼叫連接到在其平面內或平面外(相鄰)的另一個衛星。每個衛星可區別特定的電話號碼并確定該號碼是在其本身呼叫區內還是在另一個衛星的區域內。如果是在另一個衛星的區域內，則呼叫交叉鏈接到下一個合適的衛星或進行相同確定的網孔，直到到達服務該電話號碼的衛星。到特定移動用戶的衛星下行鏈路試圖被呼叫。由于這個結構而使衛星網絡提供分布節點交換能力。每個衛星是特定區域的本地交換機，但是該區是不斷地變化的。為此，當衛星移出特定電話機用戶的范圍時，呼叫被越區切換。
各種多路復用技術(即FDMA、TDM、CDMA等)可用于增強圖2所示鏈路上的各個衛星之間的傳輸能力。
由于這個系統的交換單元是繞地球運行和相當保密而不致竄改，故這個系統利用本領域公知的數據加密和解密技術提供支持安全話音和數據傳輸的能力。由于交換單元享受在地球上空幾百公里的安全，故該系統還適用于軍事通信應用。
如上所述，以60°角傾斜的衛星星座提供優于極地軌道的多種好處和優點。改進的衛星星座消除反向旋轉縫以及與跨縫通信有關的問題。改進的衛星星座確保雙衛星至少覆蓋地球的85％面積。因雙衛星覆蓋，故減少了網關器水平(horizon)干擾。衛星星座增加通信的可靠性，同時改善功率管理和具體性能。而且，對于建立與衛星星座大多數網孔中的用戶單元的通信來說存在較少的延遲時間。另一個優點是改善了地理位置。還有一個優點是改善了負荷平衡和資源分配。
權利要求
1.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置，每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元放置在以30°與90°之間的傾斜角在低地球軌道中圍繞地球運行。
2.根據權利要求1的改進衛星蜂窩通信系統，其特征在于，衛星交換單元包括對地球的至少百分之八十五面積提供連續雙衛星覆蓋的裝置。
3.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置，每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元彼此以三角幾何狀形關系放置并以30°與90°之間的傾斜角在低地球軌道中圍繞地球運行。
4.根據權利要求3的改進衛星蜂窩通信系統，其特征在于，衛星交換單元包括對地球的至少百分之八十五面積提供連續雙衛星覆蓋的裝置。
5.根據權利要求3的改進衛星蜂窩通信系統，其特征在于，所述衛星交換單元以60°傾斜角在1118公里的高度上的低地球軌道中圍繞地球放置，以提供對地球至少百分之八十五面積的雙覆蓋。
6.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元設置在以30°與90°之間的傾斜角在低地球軌道中繞地球運行，使得所述衛星蜂窩通信系統無反向旋轉縫。
7.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元彼此以等邊三角形幾何形狀關系放置并以30°與90°之間的傾斜角在低地球軌道上繞地球運行。
8.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元彼此以平行四邊形幾何形狀的關系放置和在30°與90°之間的傾斜角的低地球軌道上繞地球運行。
9.一種改進的衛星蜂窩通信系統，該系統類型是具有多個衛星交換單元和一個把用戶連到至少一個所述衛星交換單元的鏈路裝置每個所述衛星交換單元與相鄰的衛星交換單元通信，其特征在于，所做的改進包括所述衛星交換單元彼此以三角形的幾何形狀關系放置并以30°與90°之間的傾斜角的低地球軌道上繞地球運行，對地球至少百分之八十五面積連續雙覆蓋。
全文摘要
一種改進的衛星蜂窩電話和數據通信系統便于雙衛星覆蓋地球的至少百分之八十五。這個改進的系統允許與手持和移動安裝的蜂窩電話機(120)通信。這個改進的系統允許在地球上或其上方直到地球上空幾百海公里(nautical kilometer)的特定高度的任何地方雙向通信。該系統使用在軌道上繞地球運行的許多低地球軌道衛星(12)。衛星(12)以30°和90°度之間的一個角度傾斜。從衛星提供的直接到用戶(120)的鏈路(102)經過公共交換電話網(20)到其他用戶。衛星(12)通過繞地球的環結構中的鏈路互連。交換是由每個衛星(12)執行的。
文檔編號H04B7/185GK1141617SQ95191722
公開日1997年1月29日 申請日期1995年11月13日 優先權日1994年12月27日
發明者格雷戈里·巴頓·瓦特 申請人:摩托羅拉公司