相關(guān)申請的交叉引用

本案要求于2011年11月24日提交的美國臨時(shí)申請sn62/083,412的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入本文。

本發(fā)明一般涉及地球軌道通信衛(wèi)星，更具體地涉及與其它通信衛(wèi)星共享無線頻譜而沒有相互干擾的通信衛(wèi)星。

背景技術(shù)：

從空間時(shí)代開始，通信衛(wèi)星已經(jīng)是空間技術(shù)的重要應(yīng)用。第一顆通訊衛(wèi)星是telstar。當(dāng)時(shí)，它是一個(gè)非凡的技術(shù)成就。它是由美國新澤西州霍爾姆德爾的bell電話實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營。

通信衛(wèi)星從地球表面接收和發(fā)送無線電信號(hào)。對于telstar來說，作為當(dāng)時(shí)第一個(gè)也是唯一的通信衛(wèi)星，在其無線電信號(hào)和與其他通信衛(wèi)星相關(guān)的無線電信號(hào)之間不存在干擾問題。但隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步和需求的爆發(fā)，這種情況發(fā)生了迅速的變化。

目前，無線通信方式的需求已經(jīng)達(dá)到新高，無線電頻譜已成為非常有價(jià)值的商品。2015年1月，作為政府拍賣的一部分，50mhz的無線電頻譜達(dá)到了前所未有的395億美元。因此，能夠建立不需要專用頻譜的無線電通信系統(tǒng)將是顯著的優(yōu)點(diǎn)。

在通信衛(wèi)星方面，所謂的地球同步衛(wèi)星是一種成熟的衛(wèi)星類型，所述衛(wèi)星已經(jīng)在數(shù)十年內(nèi)提供了多種有用的服務(wù)。地球同步衛(wèi)星在與地球赤道(“赤道平面”)相交的平面內(nèi)圍繞地球運(yùn)行。他們在距離地球一定距離的軌道運(yùn)行，使得其軌道的周期恰好是一個(gè)恒星日。地球同步軌道是一個(gè)圓，因此，地球同步衛(wèi)星以與地球圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)的完全相同的速度繞地球運(yùn)行。因此，每顆地球同步衛(wèi)星出現(xiàn)在天空中的離地球的固定位置，就好像它是安裝在一座非常高的塔樓上。

這個(gè)虛擬塔的確是非常高的：約36000千米，或幾乎是地球半徑的六倍。地球同步(通?？s寫為“geo”)衛(wèi)星與地球表面之間的巨大距離具有多個(gè)不良后果，包括需要更高的發(fā)射信號(hào)功率，難以產(chǎn)生小的傳輸覆蓋面，以及令人煩惱的通信延遲等。對于某些應(yīng)用，包括互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，靠近地球表面運(yùn)行的衛(wèi)星可能更適合。

圖1示出了近地軌道(通?？s寫為“l(fā)eo”)的衛(wèi)星。雖然對于諸如“geo”、“l(fā)eo”和“meo”(代表“中軌道”)的軌道式指示詞的確切含義沒有國際標(biāo)準(zhǔn)，但它們在本技術(shù)中是常用的。leo軌道通常被認(rèn)為是衛(wèi)星軌道在不超過地球表面約2000千米的軌道。如圖1所示，leo軌道由圓形虛線表示為leo極地軌道150。因?yàn)檐壍朗菆A形的，所以衛(wèi)星以與地球表面大致恒定的距離圍繞地球110運(yùn)行。如圖1所示，與地球的半徑相比，所述距離是小的；在比例圖中，它對應(yīng)于大約900千米。

如圖1所示的leo軌道的類型被稱為“極地”軌道，因?yàn)樗?jīng)過北極和南極。極地軌道的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星通過所有緯度。隨著地球旋轉(zhuǎn)(當(dāng)軌道的平面保持大致不變時(shí))，衛(wèi)星將通過地球的不同區(qū)域。在有足夠數(shù)量軌道后，適當(dāng)?shù)剡x擇軌道周期，可以使衛(wèi)星通過地球上的每個(gè)地方。為此，經(jīng)常選擇極地軌道(或近極地軌道)以用于地球測量衛(wèi)星。

圖2示出了與圖1所示的相同leo衛(wèi)星和的衛(wèi)星軌道，以及對地球同步衛(wèi)星的描述，以用于強(qiáng)調(diào)按比例繪制的不同軌道尺寸的目的。如圖所示，geo衛(wèi)星230在地球赤道210的平面內(nèi)繞地球110運(yùn)行。平面是由虛線描繪為赤道平面220。如幾何學(xué)所預(yù)測，leo極地軌道150與赤道平面垂直相交。存在有兩個(gè)交點(diǎn)。在本領(lǐng)域中，軌道和赤道平面220之間的兩個(gè)交點(diǎn)被稱為“節(jié)點(diǎn)”。北極是位于赤道平面220的一側(cè)，南極是位于另一側(cè)。衛(wèi)星沿如圖2所示的方向“101運(yùn)動(dòng)方向”的其軌道行進(jìn)。在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，它穿過赤道平面220往北極行進(jìn)。該節(jié)點(diǎn)通常被稱為“上升”節(jié)點(diǎn)，而另一節(jié)點(diǎn)通常被稱為“下降”節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)衛(wèi)星230不是地球同步衛(wèi)星并且其軌道不在赤道平面時(shí)，也可以定義“上升”和“下降”節(jié)點(diǎn)的命名。例如，衛(wèi)星230可以是在所謂的geo穩(wěn)定平面中繞地球軌道運(yùn)行的地球同步衛(wèi)星，所述穩(wěn)定平面相對于赤道平面以約7.3°的角度傾斜。對于通過地球中心的任何平面，北極位于平面的一側(cè)，南極位于另一側(cè)。當(dāng)衛(wèi)星沿其軌道行進(jìn)時(shí)，在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，它穿過該平面往北極所在的平面一側(cè)前進(jìn)。該節(jié)點(diǎn)被稱為“上升”節(jié)點(diǎn)，而另一節(jié)點(diǎn)被稱為“下降”節(jié)點(diǎn)。

圖3呈現(xiàn)了leo衛(wèi)星的更詳細(xì)描述，以及l(fā)eo衛(wèi)星與其下的地球表面的關(guān)系。特別地，它顯示leo衛(wèi)星是通信衛(wèi)星的情況。(在這個(gè)詳細(xì)的附圖和許多后續(xù)的附圖中，地球表面的大陸輪廓已被省略，以避免雜亂)。leo衛(wèi)星140配備有一個(gè)或多個(gè)無線電天線。天線向地球110的表面發(fā)射一個(gè)或多個(gè)無線電信號(hào)。這種傳輸如圖所示為無線電傳輸310。在被描繪為覆蓋區(qū)域320的某個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)，位于地球表面上的接收器可以接收無線電傳輸。在覆蓋區(qū)域320之外，來自衛(wèi)星的無線電信號(hào)預(yù)計(jì)將太弱而不能進(jìn)行足夠的接收；實(shí)際上，衛(wèi)星上的無線電天線可以故意設(shè)計(jì)成使這種無線電45信號(hào)變?nèi)?，以用于限制由這些信號(hào)引起的對覆蓋區(qū)域320之外的其他接收器干擾的目的。

圖4示出了當(dāng)geo衛(wèi)星230是服務(wù)于與覆蓋區(qū)域320重疊的地球部分(在該圖中未明確示出)的通信衛(wèi)星時(shí)發(fā)生的情況。與leo衛(wèi)星一樣，geo衛(wèi)星也配備有一個(gè)或多個(gè)無線電天線，其將一個(gè)或多個(gè)無線電信號(hào)傳輸?shù)降厍虮砻?。這種傳輸如圖所示為無線電傳410。無線電傳輸是針對于如圖所示的地球的一部分的覆蓋區(qū)域420。

如圖4所示的leo衛(wèi)星140非常接近覆蓋區(qū)域420；因此，即使覆蓋區(qū)域320未明確地示出，覆蓋區(qū)域320還是明顯地與覆蓋區(qū)域420至少部分地重疊。如果無線電傳輸410和無線電傳輸310包括無線電頻譜的相同部分中的無線電信號(hào)，則來自leo衛(wèi)星的傳輸和用于geo衛(wèi)星的傳輸之間存在干擾的可能性。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(itu)規(guī)則，允許在某些條件下允許諸如leo衛(wèi)星140的非地球同步衛(wèi)星(ngso)使用與geo衛(wèi)星相同的頻譜。特別地，ngso衛(wèi)星不得干擾使用相同頻譜頻率的geo衛(wèi)星。國際電信聯(lián)盟規(guī)則制定了具體指導(dǎo)方針，其是關(guān)于可以產(chǎn)生多大的進(jìn)入geo衛(wèi)星終端的無線電信號(hào)功率，而無需與geo衛(wèi)星運(yùn)營商進(jìn)行“協(xié)調(diào)”或談話，并獲得批準(zhǔn)。

圖5示出了，leo衛(wèi)星對geo衛(wèi)星的信號(hào)如何造成不可接受的干擾的可能情況。在地球110的表面上，存在有試圖從geo衛(wèi)星接收無線電信號(hào)520的geo接收器510。然而，geo接收器510是位于覆蓋區(qū)域320內(nèi)，其中來自leo衛(wèi)星140的無線電傳輸310包括可能使用落入geo衛(wèi)星使用的頻譜范圍內(nèi)的頻率的無線電信號(hào)。更糟糕的是，leo衛(wèi)星140位于沿geo接收器510和geo衛(wèi)星之間的視線上。因此，geo無線電信號(hào)520在其通往geo接收器510的路徑通過leo衛(wèi)星140附近，并且從geo接收器510的角度來看，期望的無線電信號(hào)520和干擾無線電傳輸310都從同方向到達(dá)。在這些條件下，不采用進(jìn)一步的緩解技術(shù)，并且根據(jù)干擾無線電傳輸310的功率譜密度，geo接收器510可能難以實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)520的良好接收。

圖6示出了通常用于緩解先前圖中所示的干擾情況類型的技術(shù)。如圖6所示，leo衛(wèi)星140簡單地減小其提供通信服務(wù)的覆蓋區(qū)域620的大小。通過這樣的減少，geo接收器510現(xiàn)在位于覆蓋區(qū)域620之外。仍然是事實(shí)的是，從geo接收器510的角度來看，期望的無線電信號(hào)520從與減少的覆蓋區(qū)域620的邊界外的“溢出”的leo衛(wèi)星140的任何干擾無線電傳輸相同的方向到達(dá)。然而，如上所述，leo衛(wèi)星140上的無線電天線可被設(shè)計(jì)成使得溢出覆蓋區(qū)域620外的無線電信號(hào)是弱的。天線可以被設(shè)計(jì)成使得這些信號(hào)弱至滿足itu限制。

在減少的覆蓋區(qū)域620內(nèi)的接收器是怎樣呢？圖6示出了一個(gè)如geo接收器515這樣的接收器。它位于減小覆蓋區(qū)域620的邊界附近，并嘗試從geo衛(wèi)星接收無線電信號(hào)525。從geo接收器515的角度來看，期望的無線電信號(hào)525不是從與leo衛(wèi)星140的干擾無線電傳輸相同的方向到達(dá)。兩個(gè)到達(dá)方向之間有一個(gè)非零角度。由于這個(gè)角度，geo接收器515可以更好地區(qū)分無線電信號(hào)525和無線電傳輸140。換句話說，正是由于該角度，由geo接收器515接收的無線電傳輸140的功率譜密度可以更容易地滿足itu限制。當(dāng)然，角度越大，益處越大；因此，在減小的覆蓋區(qū)域620內(nèi)的geo接收器的最差情況的位置是靠近減小的覆蓋區(qū)域620的北部邊界的如圖6所示的geo接收器515的位置，其中角度最小。這種最小的角度在圖6中表示為角間距630。如圖所示，由于無線電信號(hào)520是基本上與無線電信號(hào)525平行，所以可以相對于兩個(gè)無線電信號(hào)中的任意一個(gè)來測量角間距630。

角間距630的存在使得geo接收器515即使在存在來自leo衛(wèi)星140的干擾無線電傳輸610的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)對期望的無線電信號(hào)525的良好接收。這是事實(shí)，只要角間距630足夠大。它需要多大，主要取決于用于接收無線電信號(hào)525的geo接收器515使用的天線的特性。事實(shí)證明，geo衛(wèi)星信號(hào)的地面接收器通常必須使用所謂的高增益天線。這種天線表現(xiàn)出優(yōu)異的角度選擇性，其使得天線能夠以小到幾度的角間距來抑制干擾信號(hào)。

而且，用于geo接收器的天線的特性具有明確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，leo衛(wèi)星可以進(jìn)行仔細(xì)地選擇角間距，并且有信心不會(huì)干擾geo接收器。

如果來自衛(wèi)星的無線電傳輸是以不同方向瞄準(zhǔn)的多個(gè)獨(dú)立波束的形式，則可以容易地實(shí)現(xiàn)如圖6所示的技術(shù)。在這種情況下，可以通過關(guān)閉一些波束來簡單地減小覆蓋區(qū)域。但是，存在有幾個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是，通過減少覆蓋面積，當(dāng)然也減少衛(wèi)星的有效性。它將服務(wù)更少的在地球表面上的通信終端，且衛(wèi)星承載的通信量減少。而另一個(gè)重要的缺點(diǎn)是該技術(shù)的實(shí)用性有限。如圖6所示的情況是適用于中高緯度地球的區(qū)域。如圖6的描繪，北方是朝向上(與上述圖相同)，地球表面的角度對應(yīng)于緯度47°。地球上的大多數(shù)人生活在這個(gè)緯度或以下。然而，在圖6的幾何學(xué)情況下，很明顯，如果要避免對geo接收器的干擾，leo衛(wèi)星140所服務(wù)的覆蓋區(qū)域必須嚴(yán)格限制。如下圖所示，在較低的緯度地區(qū)情況變得更糟。

圖7顯示了在較低緯度地區(qū)嘗試如圖6所示的干擾減輕技術(shù)時(shí)發(fā)生的情況。特別地，圖7示出了leo衛(wèi)星140的軌道150靠近赤道的情況。該圖也示出了geo接收器710，其正在嘗試從geo衛(wèi)星接收無線電信號(hào)720。很明顯，在geo接收器710處接收的無線電信號(hào)720的到達(dá)方向是與來自leo衛(wèi)星的干擾無線電傳輸712的到達(dá)方向相同。幾何學(xué)使得即使在覆蓋區(qū)域722的中間也是如此。覆蓋區(qū)域722的尺寸的減小程度不會(huì)在無線電信號(hào)720和干擾無線電傳輸712之間達(dá)到合理的角間距。leo衛(wèi)星140滿足國際電信聯(lián)盟規(guī)則的唯一方法是停止所有傳輸，或潛在地以顯著地較低的功率譜密度運(yùn)行，從而負(fù)面地影響由衛(wèi)星140提供的服務(wù)。

由于有多個(gè)軌道衛(wèi)星，所以在任何給定的時(shí)間，這個(gè)問題總是存在于其中一個(gè)或多個(gè)。當(dāng)然，必須關(guān)掉一顆衛(wèi)星是不合期望的，特別是如果堅(jiān)持必須這樣做，則總是發(fā)生在同一地點(diǎn)。該位置不會(huì)接收到通信服務(wù)。在這種情況下，在所有低緯度地區(qū)將始終發(fā)生該問題。圖7示出了，如果這些leo衛(wèi)星必須與geo衛(wèi)星共享無線電頻譜，那么利用leo衛(wèi)星在低緯度地區(qū)為地面區(qū)域提供通信服務(wù)是困難的。

在圖3-7中，來自衛(wèi)星的無線電傳輸簡單地描繪為從該衛(wèi)星發(fā)出的圓錐體。在典型的通信衛(wèi)星中，這種傳輸包括多個(gè)獨(dú)立的波束，每個(gè)獨(dú)立波束承載一個(gè)或多個(gè)無線電信號(hào)?？梢越?jīng)由例如多個(gè)獨(dú)立天線，或經(jīng)由具有多個(gè)饋送的單個(gè)天線反射器，或經(jīng)由天線陣列或經(jīng)由其它裝置來生成多個(gè)波束。圖8和9示出了通過leo通信衛(wèi)星使用多個(gè)波束。

圖8示出了能夠發(fā)送多個(gè)獨(dú)立波束810的leo通信衛(wèi)星840。所述波束瞄準(zhǔn)地球表面。每個(gè)波束向整個(gè)覆蓋區(qū)域的一部分提供無線電覆蓋。理想地，不同的波束不應(yīng)該重疊，但是，當(dāng)然地，一定量的重疊是不可避免的，并且實(shí)際上，避免波束之間的覆蓋間隙是必要的。盡管如此，習(xí)慣上按就像波束不相交一樣來描述覆蓋區(qū)域。

圖9示出了波束覆蓋區(qū)圖案的示例。十九個(gè)六角形代表從衛(wèi)星發(fā)射出的十九個(gè)波束的覆蓋面。覆蓋面是位于地球表面。所有六邊形具有相同的尺寸，使得所有的波束都經(jīng)受大致相等的通信負(fù)載。值得注意的是，靠近周邊的六邊形(六邊形8至19)產(chǎn)生于以低仰角到達(dá)地面的波束，而靠近中心的六邊形(如六邊形1)則產(chǎn)生于近似垂直的方向到達(dá)地面的波束。必須調(diào)整從衛(wèi)星發(fā)出的波束的實(shí)際圖案和產(chǎn)生波束的天線，使得，與靠近中心的波束相比，靠近邊緣的波束具有不同的形狀，以致地面上的覆蓋面實(shí)現(xiàn)所需的規(guī)則的圖案。在本領(lǐng)域中眾所周知的是，如何設(shè)計(jì)產(chǎn)生三維圖案的波束的天線系統(tǒng)，使得，當(dāng)波束到達(dá)地面時(shí)，它們以期望的覆蓋圖案形成覆蓋面。

圓形軌道上的leo衛(wèi)星以離地球表面基本恒定的距離圍繞地球運(yùn)行。該衛(wèi)星配備有一個(gè)用于控制衛(wèi)星方位的姿態(tài)控制系統(tǒng)。調(diào)整方位使得衛(wèi)星天線總是指向地球的表面，并且使得當(dāng)衛(wèi)星沿其軌道行進(jìn)時(shí)，天線相對于衛(wèi)星下方的地球表面的幾何形狀不變。這樣做是為了確保如圖9所示的覆蓋圖案在衛(wèi)星下保持不變，并隨著衛(wèi)星沿其軌道行進(jìn)，覆蓋圖案與衛(wèi)星一起行進(jìn)。

當(dāng)在軌道上，通信衛(wèi)星必須相對于地球?qū)⑵涮炀€保持在精確的方位。然后，天線可以以設(shè)計(jì)(devise)的幾何圖案發(fā)射瞄準(zhǔn)地球表面的無線電信號(hào)，以向地球表面上的無線電終端提供良好的覆蓋。對于leo衛(wèi)星，該圖案通常包括多個(gè)獨(dú)立的波束，每個(gè)波束覆蓋整個(gè)覆蓋區(qū)域的一部分。圖8和9示出了這樣的多波束覆蓋區(qū)域。

在現(xiàn)有技術(shù)中，leo通信衛(wèi)星沿圓周軌道并且相對于leo通信衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向保持固定的方位，其中波束圖案向下朝向地球表面。這樣，地球表面的覆蓋區(qū)域圖案與衛(wèi)星一起移動(dòng)，而不改變覆蓋圖案的形狀。

如果衛(wèi)星可以使用專用頻譜，則這種覆蓋圖案實(shí)現(xiàn)良好的性能。但是，如果衛(wèi)星必須與一個(gè)或多個(gè)geo衛(wèi)星共享頻譜，則如圖6和圖7所示的問題要求在很多軌道部分關(guān)閉多個(gè)波束，并且當(dāng)衛(wèi)星靠近赤道平面時(shí)，所有波束必須被關(guān)閉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的leo衛(wèi)星沿著圓形軌道，但是它不是相對于其運(yùn)動(dòng)方向保持固定的方位。相反，當(dāng)它沿其軌道行進(jìn)時(shí)，衛(wèi)星逐漸傾斜(參見下文“定義”部分中的“傾斜”的定義)。特別地，當(dāng)衛(wèi)星沿其軌道行進(jìn)時(shí)，逐漸傾斜使得衛(wèi)星在地球表面上的覆蓋區(qū)的變化和前進(jìn)比衛(wèi)星本身更快。

作為傾斜的結(jié)果，當(dāng)衛(wèi)星接近赤道平面，與衛(wèi)星遠(yuǎn)離赤道平面相比，其傳輸波束越來越朝向赤道平面瞄準(zhǔn)。接近赤道平面的衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)如圖10-12所示。如圖所示，通過這種技術(shù)，在所有衛(wèi)星位置，衛(wèi)星的無線電信號(hào)和geo無線電信號(hào)之間保持良好的角間距。沒有必要關(guān)閉部分leo衛(wèi)星傳輸。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于傾斜leo衛(wèi)星的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以與一個(gè)或多個(gè)geo衛(wèi)星共享頻譜，同時(shí)在地球表面上提供無間隙的良好覆蓋，即使對于接近赤道的區(qū)域也是如此。在這種系統(tǒng)中，多個(gè)leo衛(wèi)星在相對于赤道平面傾斜的多個(gè)軌道上繞地球軌道行進(jìn)。例如，這樣的軌道可以是極地的或接近極地的圓形軌道。在每個(gè)軌道中，多個(gè)leo衛(wèi)星以相等的間隔行進(jìn)；它們向軌道下方的地球表面的區(qū)域提供覆蓋。注意，盡管這里為了示例性目的而使用極地圓形軌道，但是本文描述的技術(shù)不一定限于極地或任何其它類型的軌道。

在每個(gè)極地軌道中，在該軌道上沿著軌道均勻間隔地行進(jìn)的衛(wèi)星向位于軌道下方的地球表面區(qū)域提供完全不間斷的覆蓋。即使在任何給定的時(shí)間，關(guān)閉這些衛(wèi)星中的小部分并且不提供通信服務(wù)的情況下，仍可以提供完全不間斷的覆蓋。被關(guān)閉的衛(wèi)星是最接近赤道平面的衛(wèi)星。這部分衛(wèi)星被關(guān)閉，以防止它們對來自geo衛(wèi)星的無線電信號(hào)造成干擾。

系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖14所示。當(dāng)衛(wèi)星穿過赤道平面時(shí)，被關(guān)閉的衛(wèi)星也會(huì)在關(guān)閉時(shí)改變它們的傾斜角度。這樣，當(dāng)它們再次開啟并重新開始提供覆蓋時(shí)，它們的無線電傳輸沿著它們的行進(jìn)方向?qū)?zhǔn)它們后面。然后，當(dāng)再開啟的衛(wèi)星沿軌道行進(jìn)時(shí)，它們可以恢復(fù)逐漸向前的傾斜，所述傾斜逐漸地將其覆蓋區(qū)域提前于軌道。在沿軌道行進(jìn)一半后，當(dāng)它們再次到達(dá)赤道平面時(shí)，重復(fù)這個(gè)過程。圖12示出了衛(wèi)星通過赤道平面的過渡，圖15示出了當(dāng)衛(wèi)星關(guān)閉時(shí)，其覆蓋區(qū)域是如何被“移交”到正在被開啟的另一個(gè)衛(wèi)星，使得覆蓋區(qū)域接收不間斷的覆蓋。

附圖說明

圖1示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的近地極地軌道中的leo衛(wèi)星；

圖2示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的近地極地軌道中的leo衛(wèi)星和地球同步軌道上的geo衛(wèi)星；

圖3示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的leo衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域；

圖4示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的leo衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域；

圖5示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的leo衛(wèi)星對來自geo衛(wèi)星的信號(hào)造成無線電干擾的場景；

圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)中的干擾緩解技術(shù)；

圖7示出了現(xiàn)有技術(shù)中圖6的干擾緩解技術(shù)的問題；

圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)中能夠傳輸多個(gè)獨(dú)立波束的leo通信衛(wèi)星；

圖9示出了在現(xiàn)有技術(shù)中的多波束覆蓋圖案的示例；

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的用于減少由leo衛(wèi)星引起的干擾的方法；

圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的不同緯度的漸進(jìn)的衛(wèi)星傾斜；

圖12示出了，根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例，leo衛(wèi)星通過赤道平面的過渡，并且示出了傳輸波束覆蓋區(qū)域位置隨衛(wèi)星相對赤道平面位置的變化；

圖13示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的leo通信衛(wèi)星的系統(tǒng)；

圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的leo通信衛(wèi)星的系統(tǒng)；

圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的在赤道附近的從一個(gè)leo衛(wèi)星到另一個(gè)leo衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域的切換；

圖16示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例，其中通過與可選擇的波束的開啟/關(guān)閉相結(jié)合的衛(wèi)星傾斜來減輕干擾。

具體實(shí)施方式

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于減少由leo衛(wèi)星引起的干擾的方法。在該圖中，geo接收器510試圖從geo衛(wèi)星接收無線電信號(hào)520，并且在無線電信號(hào)520的到達(dá)方向與來自leo衛(wèi)星1040的任何無線電傳輸之間需要最小角間距1030。在本圖中，根據(jù)本發(fā)明的leo衛(wèi)星1040具有相對于地球表面改變其方位(即，自身傾斜)的能力。因此，與圖6中的leo衛(wèi)星140不同，該leo衛(wèi)星未減小其覆蓋區(qū)域1020的大小。相反，整個(gè)衛(wèi)星傾斜，使得其無線電傳輸指向遠(yuǎn)離geo接收器510，并且保持期望的角間距1030。

由于發(fā)射波束未被關(guān)閉，所以覆蓋區(qū)域的大小未減小，并且衛(wèi)星可以繼續(xù)承載相同的通信量。傾斜的結(jié)果是覆蓋區(qū)域1020不再位于衛(wèi)星1040下的中心。這與現(xiàn)有技術(shù)相反，其中圖6中的覆蓋區(qū)域620仍然在圍繞leo衛(wèi)星140下的地球表面上的子衛(wèi)星點(diǎn)的中心。在圖10中，覆蓋區(qū)域1020不是以子衛(wèi)星點(diǎn)為中心；相反，覆蓋區(qū)域1020的位置移向赤道平面。

圖11示出了所需的傾斜度如何根據(jù)leo衛(wèi)星1040沿其軌道的位置而演變。該圖示出了leo衛(wèi)星的四個(gè)可能位置，其標(biāo)記為從1141-1至1141-4。對于每個(gè)可能的衛(wèi)星位置，該圖示出了通過該位置的geo衛(wèi)星的無線電信號(hào)的路徑。四個(gè)geo無線電信號(hào)被共同地標(biāo)記為無線電信號(hào)1120。

在位置1141-1處，子衛(wèi)星點(diǎn)處于高緯度，并且?guī)缀涡螤钍沟脼楸３执蟮慕情g距僅需很少或不需要衛(wèi)星傾斜。leo衛(wèi)星幾乎完全直下地對準(zhǔn)其傳輸波束，其覆蓋區(qū)域1122-1幾乎完全是以圍繞子衛(wèi)星點(diǎn)為中心。對于其它位置，情況逐漸變化：leo衛(wèi)星越接近赤道平面，所需要的傾斜度越大，以保持無線電信號(hào)之間所期望的角間距。在位置1141-4處，衛(wèi)星非常接近赤道平面，并且根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)的衛(wèi)星相比，為了保持所期望的角間距，它需要非常傾斜。相應(yīng)地，覆蓋區(qū)域1122-4基本上是偏離了子衛(wèi)星點(diǎn)；實(shí)際上，圖11示出了子衛(wèi)星點(diǎn)在覆蓋區(qū)域1122-4之外。

在所有位置，覆蓋區(qū)域的大小不需要減少，衛(wèi)星可以繼續(xù)承載相同的通信量。事實(shí)是，在位置1141-4處，傾斜度如此之大，使得地球表面上的傳輸波束的覆蓋面將經(jīng)歷一定量的失真，但影響很小。與現(xiàn)有技術(shù)在1141-4位置衛(wèi)星將完全無法傳輸相比，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)幾乎不變的衛(wèi)星通信量，而與覆蓋區(qū)域的位置無關(guān)。

圖11示出了leo衛(wèi)星的四個(gè)可能的位置，而沒有指定位置的時(shí)間順序。該圖同樣適用于沿其軌道以任一方向行進(jìn)的衛(wèi)星。在任一情況下，相對于子衛(wèi)星點(diǎn)的覆蓋區(qū)域位置沿與衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向相同的方向前進(jìn)。換句話說，當(dāng)衛(wèi)星在圍繞地球的軌道上移動(dòng)，覆蓋區(qū)域也以與衛(wèi)星相同的方向圍繞地球移動(dòng)，但是覆蓋區(qū)域繞地球的角速度大于衛(wèi)星的角速度。最終，覆蓋區(qū)域超過(outrun)衛(wèi)星。該圖顯示，當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)赤道平面時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。下圖顯示接著會(huì)發(fā)生什么情況。

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的leo衛(wèi)星通過赤道平面的放大視圖。示出了共計(jì)八個(gè)可能的衛(wèi)星位置。如前所述，該圖同樣適用于沿其軌道以任一方向行進(jìn)的衛(wèi)星；然而，為了清楚且容易地解釋，在本討論中假設(shè)衛(wèi)星向下行進(jìn)。

在從位置1241-1到位置1241-3中，leo衛(wèi)星正在接近赤道平面，如已經(jīng)討論的那樣，其傾斜度逐漸地增加，使得它的覆蓋區(qū)域越來越超前于衛(wèi)星而行進(jìn)。在位置1214-3處，觀察到覆蓋區(qū)域1220-3幾乎完全是以赤道為中心。在這個(gè)位置之后不久，衛(wèi)星關(guān)閉了所有的傳輸波束。

在傳輸波束關(guān)閉的情況下，不存在對地球表面的geo接收器造成干擾的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)衛(wèi)星行進(jìn)通過位置1242-1至1242-3時(shí)，衛(wèi)星保持傳輸波束關(guān)閉，并開始反向傾斜。目標(biāo)是在衛(wèi)星再次開啟其傳輸波束時(shí)完全反轉(zhuǎn)傾斜角。

在位置1243-3處，衛(wèi)星剛剛開啟了其傳輸波束。其方位、覆蓋區(qū)域和波束幾何可以被觀察成相對于赤道平面的位置1241-3的鏡像。現(xiàn)在覆蓋區(qū)域1222-3滯后于衛(wèi)星。當(dāng)衛(wèi)星從赤道平面離開行進(jìn)到位置1243-2時(shí)，傾斜逐漸減小，使得如前所述的覆蓋區(qū)域以比衛(wèi)星更大的角速度在與衛(wèi)星相同的方向上在地球表面上移動(dòng)。它將逐漸趕上衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星在地球另一邊再次穿過赤道平面時(shí)，覆蓋區(qū)域?qū)⒃俅纬坝谛l(wèi)星，并重復(fù)該過程。

當(dāng)衛(wèi)星的傳輸波束關(guān)閉時(shí)，衛(wèi)星不承載通信量。如果要維護(hù)不間斷的服務(wù)，則當(dāng)時(shí)由衛(wèi)星服務(wù)的地球終端需要移交給不同的衛(wèi)星。即使在現(xiàn)有技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，當(dāng)一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域從地球的一部分移動(dòng)到另一部分時(shí)，也需要切換。

圖13示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的leo通信衛(wèi)星的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在多個(gè)軌道平面中的多個(gè)leo軌道，其中一個(gè)為如圖所示的leo極地軌道150。軌道上存在有多個(gè)leo衛(wèi)星。如該圖所示，有被描繪為黑點(diǎn)的二十四個(gè)leo衛(wèi)星1340。每個(gè)衛(wèi)星向以其子衛(wèi)星點(diǎn)的為中心的覆蓋區(qū)域提供通信服務(wù)。因此，在圖13，有二十四個(gè)覆蓋區(qū)域1320。在如圖13所示的系統(tǒng)中，衛(wèi)星沒有傾斜，因此，隨著衛(wèi)星在軌道上繞地球行進(jìn)，二十四個(gè)覆蓋區(qū)域的圖案跟隨著衛(wèi)星。在沒有一些顯著的緩解系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)不能與geo衛(wèi)星共享頻譜，這通常會(huì)增加成本和/或降低性能。

相反，圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的leo通信衛(wèi)星的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在多個(gè)軌道平面中的多個(gè)leo軌道，其中一個(gè)為圖中所示的leo極地軌道150。該軌道上存在有多個(gè)leo衛(wèi)星。如該圖所示，有被描繪為黑點(diǎn)的二十四個(gè)leo衛(wèi)星1440，但僅存在二十二個(gè)覆蓋面積1420。在任何給定的瞬間，二十四顆衛(wèi)星中的兩顆沒有傳輸；該圖示出了兩個(gè)非傳輸衛(wèi)星之一：衛(wèi)星1441。

兩顆衛(wèi)星沒有傳輸?shù)脑蚴且驗(yàn)楫?dāng)它們在穿過赤道平面時(shí)已經(jīng)關(guān)閉了傳輸波束，如圖12所示。位于軌道150下方的地球的部分仍然接收不間斷的覆蓋，這是因?yàn)槎€(gè)覆蓋區(qū)域1420是連續(xù)的。通信量是由未關(guān)閉它們的發(fā)射波束的二十二顆衛(wèi)星承載。

如已經(jīng)討論的，這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是二十二個(gè)覆蓋區(qū)域的圖案比軌道衛(wèi)星更快地繞地球運(yùn)動(dòng)。當(dāng)覆蓋區(qū)域達(dá)到赤道且負(fù)責(zé)服務(wù)該赤道區(qū)域的衛(wèi)星關(guān)閉其傳輸波束時(shí)，另一個(gè)衛(wèi)星必須同時(shí)開啟其傳輸波束以向該覆蓋區(qū)域提供服務(wù)，使得系統(tǒng)用戶體驗(yàn)不間斷的覆蓋。在下一個(gè)圖中詳細(xì)說明了將覆蓋區(qū)域從一個(gè)衛(wèi)星切換到另一個(gè)衛(wèi)星的過程。

圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的實(shí)施例的在赤道附近的從一個(gè)衛(wèi)星到另一個(gè)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域是如何發(fā)生切換的。初一看，此圖表面上與圖12相似。但是，在這種情況下，該圖示出了在特定時(shí)刻的leo軌道150中的多個(gè)衛(wèi)星的快照。這一瞬間被選為當(dāng)一顆衛(wèi)星1540-4正通過赤道平面時(shí)的時(shí)間。當(dāng)然，如圖12所示，該衛(wèi)星1540-4在此時(shí)刻之前已經(jīng)很好地關(guān)閉了其傳輸波束，并且正在旋轉(zhuǎn)以反轉(zhuǎn)傾斜并準(zhǔn)備好在稍后的時(shí)間再次開啟其傳輸波束。

在這個(gè)特定的說明性的實(shí)施例中，當(dāng)它們在赤道平面上過渡時(shí)，有四顆衛(wèi)星在任何給定的時(shí)間不進(jìn)行傳輸。也就是說，在行星的每一邊，有一顆衛(wèi)星正在接近赤道，而一顆已準(zhǔn)備好在經(jīng)過赤道后重新開啟。如圖15所示，除衛(wèi)星1540-4之外，衛(wèi)星1540-5在此時(shí)也已將其傳輸波束關(guān)閉，但已經(jīng)完成了反轉(zhuǎn)傾斜的動(dòng)作，并準(zhǔn)備再次開啟傳輸波束。在同一時(shí)刻，衛(wèi)星1540-3已經(jīng)達(dá)到了必須關(guān)閉其傳輸波束的點(diǎn)。它的覆蓋區(qū)域1520-3跨越赤道。隨著衛(wèi)星1540-3關(guān)閉其傳輸波束，衛(wèi)星1540-5開啟其傳輸波束，并開始向覆蓋區(qū)域1520-3提供服務(wù)，因此覆蓋區(qū)域1520-3不會(huì)出現(xiàn)服務(wù)中斷。

迄今為止，在所介紹的本發(fā)明的所有實(shí)施例中，衛(wèi)星同時(shí)開啟或關(guān)閉其所有傳輸波束。然而，衛(wèi)星也可以在不同的時(shí)間選擇性地開啟或關(guān)閉波束。在本發(fā)明的實(shí)施例中可以有利地利用該能力。

圖16示出了如何在本發(fā)明的實(shí)施例中使用選擇性地將傳輸波束開啟或關(guān)閉的能力，以減少所需的衛(wèi)星傾斜量。如圖所示，leo衛(wèi)星1640需要在信號(hào)之間提供足夠的角間距，以為了地球表面上的geo接收器510和其它geo接收器的利益。如圖10所示，leo衛(wèi)星1640傾斜著離開geo接收器510，以實(shí)現(xiàn)角間距，但是在該說明性示例中，衛(wèi)星也選擇性地關(guān)閉傳輸波束1610，所述傳輸波束1610被指向在geo接收器510附近。這種技術(shù)使leo衛(wèi)星1640能夠?qū)崿F(xiàn)增大的角間距1630，而不會(huì)產(chǎn)生過度的傾斜。

當(dāng)然，由于關(guān)閉一些波束的影響，覆蓋區(qū)域的尺寸將會(huì)減小。如圖16所示，其中覆蓋區(qū)域1620具有減小的尺寸。然而，這不一定是個(gè)問題，本發(fā)明的實(shí)施例的覆蓋區(qū)域的大小可以根據(jù)leo衛(wèi)星在其軌道中的位置而改變。也可以設(shè)想本發(fā)明的實(shí)施例，其中，代替在赤道的覆蓋范圍的切換，覆蓋區(qū)域的尺寸在接近赤道的時(shí)候逐漸減小(dwindle)到無。

雖然本發(fā)明已經(jīng)針對leo衛(wèi)星的極地軌道和geo衛(wèi)星的赤道軌道進(jìn)行了說明，但是在閱讀本公開的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚如何制作和使用本發(fā)明的實(shí)施例，其中衛(wèi)星是處于其他類型的軌道。例如，但不限于本發(fā)明可有利于減少對處于非對地靜止軌道的衛(wèi)星的干擾；例如，這樣的衛(wèi)星可以在軌道平面相對于赤道平面傾斜的軌道中。這種傾斜平面的一個(gè)顯著的例子是稱為相對于赤道平面傾斜7.3°的geo穩(wěn)定平面。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中的衛(wèi)星可以在非極地軌道中，非極地軌道的平面相對于赤道平面傾斜，或相對于干擾被減輕的衛(wèi)星的平面傾斜一個(gè)小于90°的角度。

應(yīng)當(dāng)理解，本公開僅教導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)說明性的實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)示例，并且在閱讀本公開之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地設(shè)計(jì)出本發(fā)明的許多變型，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。

定義

天線-為了本說明書的目的，“天線”被定義為用于將電射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線電信號(hào)，或反之亦然，或兩者兼有的裝置。通常，天線是由一個(gè)或多個(gè)適當(dāng)尺寸的形狀和布置的金屬制成。除了金屬之外，天線也可以包括介電材料。有時(shí)使用金屬以外的導(dǎo)電材料。

基于為了本說明書的目的，與“獨(dú)立于”相反，短語“基于”被定義為“依賴于”。作為“基于”，其包括功能與關(guān)系。

近赤道軌道-在撰寫本說明書時(shí)，維基百科將近赤道軌道定義為“靠近赤道平面的軌道”。所需的接近度取決于周圍的情況。為了本公開的目的，如果近赤道軌道相對于赤道平面的傾斜角度足夠小以允許本發(fā)明的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)本說明書中闡述的結(jié)果，則近赤道軌道應(yīng)被認(rèn)為是足夠接近的。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很清楚何時(shí)近赤道軌道被認(rèn)為足夠接近。

赤道軌道-這是本領(lǐng)域常用的一種說法，其是指軌道平面為赤道平面的衛(wèi)星軌道。在本領(lǐng)域眾所周知的是，由于太陽、月亮和其他原因造成的擾動(dòng)，真正的衛(wèi)星的實(shí)際軌道是不能維持在赤道平面上。擬在赤道軌道上的衛(wèi)星需要進(jìn)行周期性軌道調(diào)整，以糾正這種擾動(dòng)并將衛(wèi)星的軌道帶回赤道平面附近。

這種調(diào)整的頻率和程度取決于衛(wèi)星的要求。特別地，根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)的目標(biāo)，將存在著最大容限的與完美的赤道軌道的偏離。根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以將軌道平面保持在該容限內(nèi)。這樣的衛(wèi)星的軌道仍然通常被稱為赤道軌道，因?yàn)闃?biāo)稱軌道平面是赤道平面，盡管在任何給定時(shí)刻的實(shí)際軌道平面可能相對于赤道平面成在容限內(nèi)的一角度。

軌道-這是本領(lǐng)域通常使用的術(shù)語，是指在地球重力井內(nèi)的無動(dòng)力衛(wèi)星的軌跡。特別地，軌道通常被理解為指一個(gè)焦點(diǎn)位于地球中心的橢圓。在本領(lǐng)域中可以理解，這樣的橢圓只是近似的。在實(shí)際中，地球的扁率及太陽和月亮的存在導(dǎo)致對軌道的擾動(dòng)，使得實(shí)際衛(wèi)星的軌跡與橢圓不同。然而，術(shù)語“軌道”仍然通常是用于指橢圓，因?yàn)闄E圓是衛(wèi)星軌跡的極好近似。

即使當(dāng)這種近似不足時(shí)，實(shí)際軌跡從完美橢圓的偏離的特征是關(guān)于橢圓的參數(shù)如何隨時(shí)間而變化。在任何給定的時(shí)刻，衛(wèi)星被視為以橢圓軌道行進(jìn)，這被稱為“密切(osculating)”軌道。

橢圓是平面幾何曲線。因此，在任何給定的時(shí)刻，衛(wèi)星被稱為在一個(gè)明確界定的軌道平面上移動(dòng)；即在密切軌道的平面上移動(dòng)。當(dāng)密切軌道的參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化，軌道的平面一般也會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)衛(wèi)星觸發(fā)其推進(jìn)器時(shí)，響應(yīng)于衛(wèi)星變化的速度，密切軌道突然變化。

展示-為了本說明書的目的，英語動(dòng)詞不定式的“展示”及其變形形式(例如“展示中”，“展示”等)被定義為“顯示或說明”。

生成-為了本說明書的目的，英語不定式的“生成”及其變形形式(例如“生成中”，“生成”等)應(yīng)該被賦予一般和慣用的含義，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在閱讀本發(fā)明時(shí)，這些術(shù)語將具有所述的一般和慣用的含義。

無線電信號(hào)-為了本說明書的目的，“無線電信號(hào)”被定義為由電磁波組成的信號(hào)，該電磁波通過空氣或真空傳播，而不需要諸如電線、連接器或傳輸線的材料支持。

何時(shí)-為了本說明書的目的，“何時(shí)”一詞被定義為“在…的情形”。