專利名稱：高緯度對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明背景本發(fā)明要求1997年5月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)SN 60-045506的本國(guó)優(yōu)先權(quán)，這里引用其整個(gè)內(nèi)容作為參考。越來越多地要求提供固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)衛(wèi)星通信服務(wù)。滿足衛(wèi)星通信服務(wù)需要的軌道頻譜的使用已經(jīng)明顯增加，導(dǎo)致對(duì)于某些基頻帶和軌道位置，對(duì)地靜止軌道時(shí)隙或衛(wèi)星位置不足或不可用。對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的衛(wèi)星使用的頻譜是有限的，并且由這些衛(wèi)星對(duì)頻譜的復(fù)用受到共享該頻帶的軌道中不同衛(wèi)星系統(tǒng)之間引發(fā)的干擾電平的限制。按照這種日益擁擠的目前狀況(頻譜和軌道兩者)，需要建立替代系統(tǒng)，其中衛(wèi)星具有與對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的衛(wèi)星基本相同的用戶特性(即，這些衛(wèi)星對(duì)應(yīng)于地面幾乎保持靜止)，并且在沒有地面干預(yù)的情況下連續(xù)地為用戶提供服務(wù)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供這種替代系統(tǒng)。本發(fā)明的軌道可使由對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的衛(wèi)星使用的頻譜由本發(fā)明的衛(wèi)星完全復(fù)用而不引起任何干擾。利用本發(fā)明衛(wèi)星的通信地面站與利用對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中衛(wèi)星的地面站相同。區(qū)別僅在于，從任意地面位置來看，本發(fā)明的衛(wèi)星和對(duì)地靜止衛(wèi)星之間有45度或更多的角距，本發(fā)明系統(tǒng)的地面終端站指向天空中的不同位置。
本發(fā)明的另一目的是將每個(gè)衛(wèi)星放置這樣的軌道中，即在軌道工作段該軌道相對(duì)于地球固定點(diǎn)幾乎保持靜止的，因此該衛(wèi)星的特征為“對(duì)地靜止”，其中，對(duì)地面用戶來說，沿該工作段運(yùn)行的衛(wèi)星示出一個(gè)小環(huán)路。實(shí)際上，對(duì)于地面觀測(cè)者而言，在單個(gè)經(jīng)度位置定義一對(duì)環(huán)路，其中一個(gè)是其遠(yuǎn)地點(diǎn)擴(kuò)展到63.4度的最高緯度的次環(huán)路，另一個(gè)是主環(huán)路，這對(duì)環(huán)路位于赤道一側(cè)。由于軌道的工作部分(次環(huán)路)位于高緯度(分別大于45度南或北，在或小于63.4度南或北)處，因此，本發(fā)明被定義為高緯度對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)。在本發(fā)明的軌道中運(yùn)行的衛(wèi)星與普通“對(duì)地靜止衛(wèi)星”之間的差別在于，本發(fā)明的衛(wèi)星在它們的部分軌道中(即工作段)對(duì)地靜止，而普通的對(duì)地靜止衛(wèi)星位于24小時(shí)對(duì)地靜止的軌道中，因此這些衛(wèi)星每天24小時(shí)對(duì)地靜止。
本發(fā)明的又一目的是通過使用全球定位系統(tǒng)(GPS)的精確定時(shí)信號(hào)并使用各衛(wèi)星之間的衛(wèi)星間鏈路來實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星之間的有效通信的切換，以便保證為地面用戶提供通信服務(wù)的無縫轉(zhuǎn)移，而無需任何地面控制干預(yù)。
本發(fā)明概述本發(fā)明包括衛(wèi)星系統(tǒng)、用于提供衛(wèi)星廣播和通信服務(wù)的相關(guān)的裝置和方法，其方式與當(dāng)前為對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道的用戶提供服務(wù)的方式相同，同時(shí)允許完全頻率復(fù)用由提供類似服務(wù)的對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的衛(wèi)星使用的射頻頻譜。盡管現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)和本發(fā)明使用相同的頻帶，但不產(chǎn)生干擾，并且兩個(gè)系統(tǒng)不需要抑制干擾手段。
本發(fā)明的衛(wèi)星放置在高橢圓軌道中的由3或4個(gè)衛(wèi)星組成的星座中，其運(yùn)行高度范圍從約30000到約40000km。這種衛(wèi)星的星座可用來對(duì)北半球或南半球提供服務(wù)。在每個(gè)半球中，兩個(gè)覆蓋區(qū)域是通過在經(jīng)度上彼此分開180度而得到的。這些衛(wèi)星處于近12小時(shí)的軌道中。在3衛(wèi)星星座的場(chǎng)合，兩個(gè)衛(wèi)星同時(shí)工作，它們中的每一個(gè)在兩個(gè)覆蓋區(qū)域之一的上方，而第三衛(wèi)星在覆蓋區(qū)域之間轉(zhuǎn)移。在4衛(wèi)星星座中，兩個(gè)衛(wèi)星同時(shí)工作，其每個(gè)在兩個(gè)覆蓋區(qū)域上方，而另外的兩個(gè)衛(wèi)星在覆蓋區(qū)域之間轉(zhuǎn)移。在3衛(wèi)星星座情況下，每個(gè)衛(wèi)星每24小時(shí)在兩個(gè)覆蓋區(qū)域的每個(gè)上提供8小時(shí)服務(wù)。在4衛(wèi)星星座情況下，每個(gè)衛(wèi)星每24小時(shí)在兩個(gè)覆蓋區(qū)域的每個(gè)上提供6小時(shí)服務(wù)。在工作階段，為其指定區(qū)域提供服務(wù)的每個(gè)衛(wèi)星相對(duì)于地面用戶幾乎固定。當(dāng)工作的衛(wèi)星將由進(jìn)入相同區(qū)域的下一個(gè)衛(wèi)星替代時(shí)，提供相同覆蓋區(qū)的兩個(gè)衛(wèi)星在一段時(shí)間內(nèi)共處。在地面網(wǎng)絡(luò)采用下述高方向性天線的情況下，該時(shí)段足以使輪替(hand-over)操作不中斷對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，該高方向性天線具有窄波束，在工作時(shí)不需要?jiǎng)討B(tài)指向能力或至多指向單個(gè)平面。
這種無縫輪替是在兩個(gè)衛(wèi)星之間進(jìn)行的，而與利用這些衛(wèi)星的任何地面控制網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，并且使用從全球定位系統(tǒng)(GPS)得到的精確定時(shí)，以保證對(duì)于在覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意地面站，一個(gè)衛(wèi)星的傳輸終止與一個(gè)新衛(wèi)星傳輸開始同步。還可以采用來自地球站的實(shí)時(shí)定時(shí)信號(hào)但不是控制信號(hào)，來代替使用GPS。
本發(fā)明使用的衛(wèi)星軌道用來給選定的地區(qū)提供覆蓋，該地區(qū)中人口密度高并且需要這些類型的衛(wèi)星服務(wù)。首先，這些高密度人口地區(qū)出現(xiàn)在北半球，并且在南半球也有一些，但一般不在赤道附近。因此，與為人口密集的區(qū)域提供服務(wù)的對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的衛(wèi)星的低仰角相比，由于對(duì)衛(wèi)星的高仰角，所以，在北和南半球沿高緯度的小對(duì)地靜止環(huán)路工作的本發(fā)明的衛(wèi)星可以為相同區(qū)域中的用戶提供服務(wù)。因此，本發(fā)明能夠?qū)⒎?wù)延伸到眾多高緯度用戶，而由于這些高緯度用戶的低仰角和因之而起的地面阻擋和大氣衰減效應(yīng)，這些高緯度用戶不能有效使用赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星，從而接收低質(zhì)服務(wù)，或甚至完全不能得到服務(wù)。本發(fā)明衛(wèi)星的高緯度上的高仰角也有益于遭受雨致衰減的區(qū)域。
每個(gè)星座的衛(wèi)星總數(shù)是3或4。這些衛(wèi)星的重量比對(duì)應(yīng)的赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星的重量低得多，因此發(fā)射成本也遠(yuǎn)低。對(duì)于相同性能的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，本發(fā)明的兩個(gè)衛(wèi)星可采用相同的運(yùn)載火箭發(fā)射，而該運(yùn)載火箭僅能應(yīng)付一個(gè)赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星?？紤]到與需要兩個(gè)衛(wèi)星(加上兩個(gè)備用衛(wèi)星)來覆蓋兩個(gè)區(qū)域的赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)相比本發(fā)明最少需要3個(gè)衛(wèi)星來覆蓋兩個(gè)區(qū)域，本發(fā)明的衛(wèi)星更經(jīng)濟(jì)。
本發(fā)明的另一特征是使用具有3軸穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和單萬向架太陽能電池組的衛(wèi)星，該衛(wèi)星包括消旋天線或天線平臺(tái)，它被用來在所述衛(wèi)星在次環(huán)路時(shí)消除衛(wèi)星天線繞目標(biāo)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，以防止在工作時(shí)段波束旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明提供了大大擴(kuò)展由商業(yè)衛(wèi)星所采用的緊缺射頻頻譜資源的機(jī)會(huì)，同時(shí)不會(huì)對(duì)由對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道提供給用戶的當(dāng)前通信服務(wù)產(chǎn)生影響。
附圖簡(jiǎn)述

圖1A表示本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)的示意圖；圖1B表示本發(fā)明的衛(wèi)星間鏈路和GPS衛(wèi)星系統(tǒng)通信的示意圖；圖1C表示星座中每個(gè)衛(wèi)星(3或4個(gè))地面徑跡(ground track)，和在作為衛(wèi)星工作點(diǎn)的僅具有最小環(huán)路(位于最高緯度)的每個(gè)位置上的兩個(gè)環(huán)路；圖2A表示4衛(wèi)星系統(tǒng)的每個(gè)衛(wèi)星沿軌道的工作弧段的地面徑跡；圖2B表示3衛(wèi)星系統(tǒng)的每個(gè)衛(wèi)星沿軌道的工作弧段的地面徑跡；圖3A表示從軌道環(huán)境以外并且處于北緯5度的空中一點(diǎn)看去的4衛(wèi)星系統(tǒng)的一般軌道示圖；圖3B表示從軌道環(huán)境以外并且處于北緯5度的空中一點(diǎn)看去的3衛(wèi)星系統(tǒng)的一般軌道示圖；圖4A表示從沿地球軸北側(cè)的軌道環(huán)境以外的空中一點(diǎn)看去的4衛(wèi)星系統(tǒng)的一般軌道示圖；圖4B表示從沿地球軸北側(cè)的軌道環(huán)境以外的空中一點(diǎn)看去的3衛(wèi)星系統(tǒng)的一般軌道示圖；圖5A-5D表示對(duì)于沿各軌道的工作弧段的4衛(wèi)星系統(tǒng)的從美國(guó)本土上幾個(gè)取樣地點(diǎn)的衛(wèi)星可見角度(方位角和仰角)以及距離；圖6A-6D表示在4衛(wèi)星系統(tǒng)中從不同地點(diǎn)看去的在輪替期間衛(wèi)星距離差和角距；圖7表示在該系統(tǒng)(3或4)的任意一個(gè)衛(wèi)星和對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道中的各衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系；圖8表示離開環(huán)路的工作衛(wèi)星和進(jìn)入環(huán)路的新衛(wèi)星之間的輪替順序，即方法1；圖9表示離開環(huán)路的工作衛(wèi)星和進(jìn)入環(huán)路的新衛(wèi)星之間的輪替順序，即方法2；以及圖10表示通信切換和天線控制的框圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述如附圖所示，本發(fā)明是一種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它采用了在下述軌道中的衛(wèi)星星座，這些軌道使得每個(gè)衛(wèi)星從地面上看去經(jīng)過預(yù)定經(jīng)度上或赤道一側(cè)的多個(gè)緯度之間的一對(duì)環(huán)路，一個(gè)是次環(huán)路，另一個(gè)是主環(huán)路，并且當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過次環(huán)路時(shí)，對(duì)于地面上的用戶來說，看上去衛(wèi)星幾乎靜止，從而當(dāng)一個(gè)衛(wèi)星接管另一個(gè)衛(wèi)星時(shí)可以提供無縫操作，同時(shí)不中斷通信傳輸服務(wù)。在選擇各衛(wèi)星軌道參數(shù)時(shí)，應(yīng)使次環(huán)路尺寸最小，并且能夠進(jìn)行從離開次環(huán)路的一個(gè)衛(wèi)星到進(jìn)入該環(huán)路的衛(wèi)星的通信輪替操作，這兩個(gè)衛(wèi)星在足以使得在兩者之間進(jìn)行傳輸服務(wù)切換的時(shí)段內(nèi)共處，而不中斷對(duì)地面用戶的高質(zhì)量通信服務(wù)。
圖1A表示本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通信衛(wèi)星星座，該星座可包括軌道中的廣播衛(wèi)星，在這些軌道中，衛(wèi)星對(duì)地面用戶幾乎保持靜止，并且與對(duì)地靜止軌道中的衛(wèi)星共享相同的頻譜。該星座由3或4個(gè)衛(wèi)星構(gòu)成，這些衛(wèi)星放置在高度傾斜、高度偏心的軌道中，其軌道周期約等于12小時(shí)。衛(wèi)星成員和軌道參數(shù)的選擇應(yīng)滿足如下目標(biāo)1.在工作衛(wèi)星和其替代衛(wèi)星之間提供無縫傳輸輪替，而無需地面干預(yù)。
2.使工作環(huán)路的經(jīng)度方向和緯度方向尺寸最小。
3.為地面上的固定的高度方向性接收天線提供衛(wèi)星廣播服務(wù)。
4.為北或南半球的兩個(gè)經(jīng)線方向相對(duì)區(qū)域提供局域性的覆蓋。
5.使星座中的衛(wèi)星數(shù)最小。
6.消除對(duì)赤道對(duì)地靜止通信衛(wèi)星系統(tǒng)的任何成員的干擾的任何可能9在地面上或空間中)。
7.使維持軌道所需的能量(推進(jìn)劑)最少。
8.將工作衛(wèi)星維持在連續(xù)太陽光下并避免任意日蝕，從而不需要使通信子系統(tǒng)在日蝕期間工作的沉重電池，而赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星卻需要這種電池。
9.與赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星相比，本發(fā)明所采用衛(wèi)星的衛(wèi)星成本最小，并降低本發(fā)明的衛(wèi)星的發(fā)射重量。
參照?qǐng)D1A，其表示根據(jù)本發(fā)明在高緯度對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)中的各成員的示意圖，其中位于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的每個(gè)區(qū)域內(nèi)的饋線鏈路站(feeder linkstation)1向衛(wèi)星3發(fā)送信息，衛(wèi)星3再向在該衛(wèi)星發(fā)射覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收站2傳輸該信息。工作衛(wèi)星3位于軌道4A中，該軌道4A從每個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地面上看去就象“8”形的一對(duì)連接環(huán)路，其中，當(dāng)衛(wèi)星處在軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)的次環(huán)路4中并在該環(huán)路中停留6小時(shí)(4衛(wèi)星星座)或8小時(shí)(3衛(wèi)星星座)時(shí)，在地面和衛(wèi)星3之間進(jìn)行通信。該對(duì)環(huán)路(一個(gè)次環(huán)路和一個(gè)主環(huán)路)均設(shè)在赤道的一側(cè)，并且從滿足系統(tǒng)覆蓋區(qū)域所需的緯度和經(jīng)度條件下，從地面上看去，在次環(huán)路中的衛(wèi)星保持對(duì)地靜止。
從地面站看去，按照衛(wèi)星距離和衛(wèi)星角距來衡量，離開環(huán)路4的工作衛(wèi)星5A與進(jìn)入環(huán)路5B的下一個(gè)工作衛(wèi)星共處，并且與該衛(wèi)星共處至少3分鐘(在4衛(wèi)星星座中)。從采用20度或更高的衛(wèi)星仰角工作的地面站看去，兩個(gè)衛(wèi)星距離之差的變化范圍約3000米或更小。如圖1B所示，在分別使用星載衛(wèi)星切換裝置6和7在衛(wèi)星5A和5B之間進(jìn)行同步切換過程的場(chǎng)合，需要適當(dāng)控制該距離差以免出現(xiàn)在軌碰撞。這兩個(gè)衛(wèi)星直接從全球定位系統(tǒng)(GPS)8中的衛(wèi)星星座接收定時(shí)信息。然后，，通過兩個(gè)衛(wèi)星彼此接近時(shí)可以工作的局部衛(wèi)星到衛(wèi)星通信鏈路9，兩個(gè)衛(wèi)星自動(dòng)在它們之間建立精確的定時(shí)關(guān)系。該鏈路在這些衛(wèi)星變?yōu)楣蔡幹敖?，并使發(fā)送操作能夠精確地從前一工作衛(wèi)星切換到新的工作衛(wèi)星。采用本發(fā)明所提出的兩種衛(wèi)星切換方法，不論是在發(fā)射終端位置還是在接收終端位置，均不出現(xiàn)服務(wù)中斷現(xiàn)象。
為了獲得該環(huán)路和相同幾何空間位置上的衛(wèi)星交叉點(diǎn)，給出了3衛(wèi)星星座和4衛(wèi)星星座的最佳軌道參數(shù)組。這些參數(shù)是半長(zhǎng)軸(a)26450km偏心率(e)0.7237傾角(i)63.43度近地點(diǎn)幅角(ω)270度(北區(qū)覆蓋)90度(南區(qū)覆蓋)右升的升交點(diǎn)(RAAN)。繞赤道等間隔分布。
對(duì)于3衛(wèi)星系統(tǒng)，軌道參數(shù)僅有的變化是e＝0.7137。下面詳細(xì)描述4衛(wèi)星系統(tǒng)。與3衛(wèi)星系統(tǒng)的差別將在必要時(shí)指出。
半長(zhǎng)軸值是這樣選擇的，即軌道的旋轉(zhuǎn)周期大約為12小時(shí)(具體地講為11小時(shí)53分30秒)，因而在出現(xiàn)軌道擾動(dòng)(日月重力和地球諧波)時(shí)會(huì)引起重復(fù)的地面徑跡。圖1C中示出了4衛(wèi)星系統(tǒng)的地面徑跡。該地面徑跡是將衛(wèi)星的瞬間位置與地心連線的地面軌跡。一般需要63.43度的軌道傾角來防止在軌道平面中出現(xiàn)拱線旋轉(zhuǎn)(有時(shí)稱作“軌道游動(dòng)(orbit walk)”)。這就保證了軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)始終保持在工作緯度(北或南)，從而不必定期地調(diào)整拱線。
近地點(diǎn)幅角建立近地點(diǎn)的緯度位置，并建立北或南的遠(yuǎn)地點(diǎn)的緯度位置。如圖1C所示，具有這些軌道參數(shù)的地面徑跡10跟蹤在每個(gè)經(jīng)度位置上的兩對(duì)環(huán)路11、12，它們僅具有在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近的較小環(huán)路13A、14A，即進(jìn)行衛(wèi)星廣播的軌道部分，被用作“工作環(huán)路”。要注意的是，每對(duì)中的其它環(huán)路13B、14B(這里稱“主環(huán)路”)所處經(jīng)度位置與次環(huán)路基本相同，但更靠近并且仍在赤道15的相同側(cè)。兩對(duì)環(huán)路11、12間隔180度，并處于相同的半球中。
選擇偏心率的兩個(gè)準(zhǔn)則之一是使軌道工作弧段(環(huán)路)的地面徑跡的經(jīng)度方向和緯度方向的偏差最小。這就保證了在衛(wèi)星經(jīng)過軌道工作部分時(shí)衛(wèi)星相對(duì)于覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何地面位置幾乎保持靜止，從而使固定天線終端能夠從衛(wèi)星接收通信。圖2A所示為4衛(wèi)星系統(tǒng)沿兩個(gè)對(duì)地靜止環(huán)路中的一個(gè)的地面徑跡。該圖實(shí)際上是圖1C的小“工作環(huán)路”在北美大陸上的地面徑跡的最高緯度處的放大圖。沿該環(huán)路的緯度變化稍微小于9度。經(jīng)度變化小于1.4度。該圖中該環(huán)路從頭至尾的標(biāo)號(hào)之間的時(shí)間單位為1/2小時(shí)，各點(diǎn)之間的時(shí)間單位為3分鐘。在亞洲大陸，在相同的緯度上相對(duì)于西伯利亞上的地理經(jīng)度處出現(xiàn)相同的環(huán)路。3衛(wèi)星系統(tǒng)的環(huán)路地面徑跡如圖2B所示。經(jīng)度/緯度偏差幾乎是4衛(wèi)星系統(tǒng)偏差的2倍(例如，18.4度；2.02度)。當(dāng)星座的每個(gè)衛(wèi)星沿著這些高緯度環(huán)路中的每個(gè)并且僅在這些環(huán)路的邊界內(nèi)跟蹤地面徑跡時(shí)，才啟用該衛(wèi)星廣播。由于3衛(wèi)星系統(tǒng)在服務(wù)區(qū)域上方的空間偏差更大，所以窄波束天線可能需要采用最小限度的跟蹤機(jī)構(gòu)(單軸)。選擇偏心率所依據(jù)的另一個(gè)準(zhǔn)則是保證每個(gè)衛(wèi)星在每個(gè)服務(wù)區(qū)域上在分配給它的數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)沿該環(huán)路運(yùn)動(dòng)(從頭至尾)。因此，對(duì)于4衛(wèi)星系統(tǒng)，環(huán)路小時(shí)數(shù)為6，而3衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)則為8。
由于軌道的高偏心率，因此，當(dāng)接近遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)衛(wèi)星明顯地逐漸變慢。在次環(huán)路中，在遠(yuǎn)地點(diǎn)，它達(dá)到最小速度，此后以對(duì)稱的相反方式加速。采用所選擇的該組軌道參數(shù)，從每個(gè)環(huán)路的開頭運(yùn)動(dòng)到尾部的4衛(wèi)星系統(tǒng)的每個(gè)衛(wèi)星所花費(fèi)的時(shí)間精確地為6小時(shí)。這使得能夠?qū)π亲械?個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行“分段(phasing)”，其方式為，當(dāng)一個(gè)衛(wèi)星沿“環(huán)路”運(yùn)行接近該衛(wèi)星的結(jié)尾時(shí)(即，它離開環(huán)路)，下一個(gè)衛(wèi)星預(yù)備接管其服務(wù)的6小時(shí)部分。由于軌道周期離12小時(shí)有6.5分鐘的差值，因此在環(huán)路的每個(gè)尾部有最小3分鐘的重疊，這就足以進(jìn)行完全切換。以這種方式，能夠連續(xù)地為各覆蓋區(qū)域提供服務(wù)。在每個(gè)恒星日(地球繞其軸精確地旋轉(zhuǎn)360度所用的時(shí)間，大約是23小時(shí)56分4秒)，星座中的每個(gè)衛(wèi)星為每個(gè)覆蓋區(qū)域服務(wù)一次。類似的情況(環(huán)路小時(shí)適當(dāng)變化)適用于3衛(wèi)星系統(tǒng)。
重要的是要理解，衛(wèi)星間的切換為相同的覆蓋區(qū)域提供連續(xù)服務(wù)。要指出的是，當(dāng)衛(wèi)星軌道在“慣性空間”中幾乎保持靜止(除了在選擇軌道要素時(shí)已考慮的最小擾動(dòng)效應(yīng)外)時(shí)，地球繞其軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，為了使每個(gè)衛(wèi)星在提供服務(wù)的前一衛(wèi)星將“離開”地面環(huán)路時(shí)進(jìn)入地面徑跡的相同“環(huán)路”，必須使衛(wèi)星軌道平面繞地球均勻間隔分布。這就意味著需要使衛(wèi)星的RAAN在經(jīng)度方向上均勻間隔分布。
圖3A表示4衛(wèi)星星座。該圖實(shí)際上是瞬時(shí)的系統(tǒng)“圖形”，此時(shí)北美大陸的近似中心在軌道#1遠(yuǎn)地點(diǎn)的正下方。該圖還以虛線表示每個(gè)軌道的地面徑跡(圖中可看到3個(gè)，第四個(gè)過于接近可見地平線，因此與其重疊)。在高緯度，各軌道在點(diǎn)A、B、C和D彼此相交。因此，各地面徑跡在點(diǎn)A1、B1等(即4個(gè)地面徑跡交匯點(diǎn)中的2個(gè)，圖中只能看見2個(gè)，其它的在地球的背面)彼此相交。軌道#1至#4的工作弧段分別是A-B、B-C、C-D和D-A。下面描述切換順序。
例如，假設(shè)在給定時(shí)間t(假設(shè)t＝0小時(shí))軌道#4中的衛(wèi)星要離開其工作弧段D-A。在該順序中的下一個(gè)衛(wèi)星必須是衛(wèi)星#1，該衛(wèi)星#1必須同時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)入其工作弧段A-B。因此，兩個(gè)衛(wèi)星(#1和#4)必須在那時(shí)靠近點(diǎn)A。由于衛(wèi)星#1需要花費(fèi)6小時(shí)從A移動(dòng)到B，再花費(fèi)6小時(shí)返回到A，并且星座中的每個(gè)衛(wèi)星都要重復(fù)該過程。因此可以看出，為了使衛(wèi)星#2在工作弧段A-B的尾部B遇到衛(wèi)星#1，衛(wèi)星#2在其離開其工作弧段B-C的t＝0時(shí)刻必須接近點(diǎn)C。因此，類似于前面的兩個(gè)衛(wèi)星，衛(wèi)星#3必須在接近其工作弧段C-D的相同時(shí)刻接近點(diǎn)C?？傊?，在所述及的瞬時(shí)圖形中，兩個(gè)衛(wèi)星靠近A，而另兩個(gè)靠近C。另外，由于軌道周期略小于12小時(shí)，并且每個(gè)衛(wèi)星精確地花費(fèi)6小時(shí)經(jīng)過其工作弧段，因此，可以推想，在接近切換時(shí)刻，衛(wèi)星對(duì)#4-#1和#2-#3所處緯度稍微高于相交點(diǎn)(在所述及的示例中為A和C)的緯度。這就在各環(huán)路的底部提供了約3.25分鐘的重疊。圖中未按比例地示出了衛(wèi)星對(duì)#4-#1和#2-#3。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)衛(wèi)星遵循其航線，但一次僅有兩個(gè)(在相反軌道中，如軌道#1和#3，或#2和#4)處于它們的工作階段。因此，每個(gè)衛(wèi)星在每個(gè)連續(xù)的12小時(shí)周期中工作6小時(shí)，即其占空比為50％。由于每個(gè)衛(wèi)星沿其軌道中運(yùn)行的同時(shí)地球繞其軸運(yùn)動(dòng)，所以在6小時(shí)的服務(wù)期間，沿上述環(huán)路運(yùn)行的每個(gè)衛(wèi)星的位置看起來近似靜止。因此，在整個(gè)恒星日期間，每個(gè)服務(wù)區(qū)域可依次連續(xù)地看到4個(gè)衛(wèi)星。然后該循環(huán)本身進(jìn)行重復(fù)。圖4A中示出了該系統(tǒng)的另一示意圖。該圖更清楚地表示了每個(gè)衛(wèi)星沿其工作弧段的緯度偏差(圖2A示出了細(xì)節(jié))。該圖中所示出的各衛(wèi)星位置也不成比例。
對(duì)3衛(wèi)星系統(tǒng)也采用類似的考慮，即考慮到不同的軌道幾何形狀。結(jié)果是1)在相反經(jīng)度，在兩個(gè)地區(qū)中的服務(wù)連續(xù)；2)每個(gè)衛(wèi)星工作占空比等于2/3或約66.6％。所述的軌道特征及其好處是，從地面的任意點(diǎn)上看起來，沿整個(gè)工作弧段的每個(gè)衛(wèi)星幾乎靜止。重要的是要理解，在經(jīng)度方向上沿環(huán)路的衛(wèi)星偏差的實(shí)際角度寬度小于圖2A或2B中所示值的1/2。原因是，這些圖表示的是地面徑跡經(jīng)度，但在給定緯度上真正以地球?yàn)橹行牡慕嵌炔坏扔诮?jīng)度跨度。相反，它等于該跨度乘以緯度的余弦。由于在稍微大于60度的緯度處出現(xiàn)環(huán)路的最大經(jīng)度寬度，因此，乘數(shù)略小于0.5。
從軌道正下方處(sub-orbital point)看去的該環(huán)路略大?！胺糯笠蜃印奔s等于r/h，其中r和h分別是瞬時(shí)軌道半徑和高度。由于r和h均沿環(huán)路變化，因此，只能計(jì)算放大因子的平均值。該值在軌道正下方處略小于1.2。從地面上其它地點(diǎn)看去的環(huán)路形狀不僅受到該地點(diǎn)和衛(wèi)星之間距離(以下簡(jiǎn)稱距離)的影響，還受到該地點(diǎn)位置的影響。隨著該地點(diǎn)逐漸靠近衛(wèi)星的地平線并且距離逐漸增大，從地面看去的環(huán)路整體幅度變得更小(透視作用還會(huì)增強(qiáng)該效果)。天空中環(huán)路的取向隨地點(diǎn)相對(duì)于軌道正下方處的位置而變化。
圖5A-5C表示從3個(gè)采樣地點(diǎn)看去的環(huán)路取向和尺寸，選擇這些地點(diǎn)是為了方便地表示從美國(guó)本土(CONUS)上各地點(diǎn)看去的環(huán)路形狀。圖5D表示從各地點(diǎn)的距離變化。環(huán)路取向和尺寸以慣用的方位和仰角方式來詳細(xì)描述。(方位是在地點(diǎn)的局部水平面順時(shí)針方向測(cè)量的從北方向到通過衛(wèi)星的垂直平面之間的角度，仰角是衛(wèi)星視線和局部水平面之間的角度。)該圖包括沿環(huán)路伸長(zhǎng)方向從每個(gè)地點(diǎn)看去的總角度偏差?？偨嵌绕罱咏诰暥绕?圖2A或2B)乘以放大因子。由于新罕布爾什(New Hampshire)站位置更靠近于衛(wèi)星軌道正下方處，因此在新罕布爾什站出現(xiàn)的偏差更大。在距軌道正下方處最遠(yuǎn)的范登堡(Vandenberg)出現(xiàn)偏差較小，如圖5C所示。
盡管地點(diǎn)位置影響天空中的環(huán)路取向，但對(duì)環(huán)路形狀的影響很小。從沿環(huán)路平均子午線(meridian)的任意地點(diǎn)上看去環(huán)路形狀為直線，而從偏離環(huán)路子午線的地點(diǎn)看去則呈稍微的曲線形狀。該曲線接近于天空中理想環(huán)路的曲線(衛(wèi)星沿工作弧段運(yùn)行的地面位置的軌跡)。圖6A-6B表示從服務(wù)區(qū)域內(nèi)的采樣地點(diǎn)看去的在切換衛(wèi)星(進(jìn)入環(huán)路的衛(wèi)星和離開環(huán)路的衛(wèi)星)之間的距離差和角距(它們是4衛(wèi)星星座的時(shí)間函數(shù))。選擇這些地點(diǎn)來表示極端情況，如一個(gè)地點(diǎn)接近于軌道正下方處，而其它地點(diǎn)接近服務(wù)區(qū)域邊緣。要注意的是，在兩個(gè)衛(wèi)星在環(huán)路上沿看起來相反的方向移動(dòng)的輪替期間，最遠(yuǎn)離地球的離開衛(wèi)星向下移動(dòng)，而最靠近地球的接近的衛(wèi)星向上移動(dòng)。因此，如圖所示，在輪替期間，距離差和角距逐漸減小然后增大。在零交叉點(diǎn)附近呈現(xiàn)最佳輪替條件。此外，從地面向離開衛(wèi)星和進(jìn)入衛(wèi)星發(fā)送信息的時(shí)間差異應(yīng)對(duì)進(jìn)入衛(wèi)星有利(即，進(jìn)入衛(wèi)星比離開衛(wèi)星先接收到地面發(fā)送信息)。
本發(fā)明的主要特征是一種系統(tǒng)用戶容易理解的從離開次環(huán)路的衛(wèi)星輪替到進(jìn)入次環(huán)路的衛(wèi)星的方法和裝置。各衛(wèi)星之間的切換是以如下獨(dú)立于任何衛(wèi)星地面控制站的兩種方式之一來實(shí)現(xiàn)的，這兩種方式是本發(fā)明實(shí)施例的一部分1.在各衛(wèi)星具有最小的距離間隔時(shí)一次切換整個(gè)衛(wèi)星容量。
2.切換衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的各部分(轉(zhuǎn)發(fā)器)，其中每個(gè)部分從不同地理位置接收傳輸信息，因此每個(gè)位置上出現(xiàn)最小距離間隔的時(shí)間不同。
由于兩個(gè)衛(wèi)星之間存在距離間隔，所以這兩種切換方法均依賴于(a)從GPS網(wǎng)絡(luò)接收精確定時(shí)信息；和(b)精確的延時(shí)信息。圖8對(duì)兩種切換方法共用。為了解釋，假設(shè)當(dāng)前衛(wèi)星#1處在其工作模式期間的次環(huán)路1中，并正被進(jìn)入該次環(huán)路的衛(wèi)星#2替代。隨時(shí)間變化的距離差通過每個(gè)衛(wèi)星根據(jù)GPS網(wǎng)絡(luò)確定的時(shí)間來表示。當(dāng)相對(duì)于GPS時(shí)間的衛(wèi)星#1和衛(wèi)星#2之間的時(shí)間差為零或最小時(shí)，這些衛(wèi)星位于彼此最靠近的點(diǎn)。通過經(jīng)局部遙測(cè)鏈路在兩個(gè)衛(wèi)星之間發(fā)送校準(zhǔn)的定時(shí)信息，使每個(gè)衛(wèi)星得知該時(shí)間差。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)由于局部衛(wèi)星發(fā)送和接收裝置而引起的固定延時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。重要的是要注意對(duì)衛(wèi)星#2的發(fā)送定時(shí)始終超前于對(duì)衛(wèi)星#1的發(fā)送定時(shí)。這是由于衛(wèi)星#2的軌道結(jié)構(gòu)在高度上低于衛(wèi)星#1，并且該軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，使得衛(wèi)星#2接收到傳輸信息的定時(shí)有效地超前于衛(wèi)星#1接收到相同傳輸信息的定時(shí)，因此，如果在交叉之前進(jìn)行輪替，則不丟失信息。
在切換方法1中，如圖8所示，兩個(gè)衛(wèi)星中均接收來自地面的傳輸信息，而衛(wèi)星#2發(fā)射機(jī)處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)在兩個(gè)衛(wèi)星之間發(fā)送的時(shí)間信息最小或等于零時(shí)，指令接通衛(wèi)星#2，而指令衛(wèi)星#1關(guān)斷。兩個(gè)衛(wèi)星以可忽略的延時(shí)進(jìn)行上述工作，這是因?yàn)閷?shí)際上僅切換每個(gè)衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中的低功率信號(hào)路徑。
圖9示出與方法1的原理相同的切換方法2，當(dāng)?shù)孛嫔系母鱾€(gè)地球發(fā)送站要求非常精確的兩個(gè)衛(wèi)星之間的通信切換時(shí)，需要采用該切換方法2。在方法1的情況下，切換是根據(jù)為最小值或趨于零的各衛(wèi)星之間的GPS定時(shí)差進(jìn)行的。由于從不同地理位置上到每個(gè)衛(wèi)星的地面?zhèn)鬏敃r(shí)間不同，所以會(huì)出現(xiàn)切換定時(shí)誤差。從不同地理位置到達(dá)兩個(gè)衛(wèi)星的不同通信傳輸時(shí)間，取決于兩個(gè)衛(wèi)星相對(duì)于特定地面站的角距。典型的切換時(shí)間誤差小于7微秒，但可通過在衛(wèi)星上單獨(dú)地切換來自不同地理位置上的地面站的各個(gè)傳輸而明顯減小運(yùn)一誤差。典型的地面?zhèn)鬏敒閿?shù)字形式，并使用稱作轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信有效負(fù)荷部分。因此，通過切換各轉(zhuǎn)發(fā)器可消除因地球上地理位置不同而導(dǎo)致的任何誤差。圖9表示的是切換方法2，從該圖可看出，每個(gè)衛(wèi)星從其它衛(wèi)星接收GPS定時(shí)。當(dāng)時(shí)間差(Td)為其最小值時(shí)，各衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器被指令以在下一個(gè)相關(guān)的地面同步脈沖處進(jìn)行切換。如果同步脈沖的時(shí)間間隔值大于公共地面站信息到達(dá)時(shí)間之差，則這些同步脈沖將是相同的同步脈沖。地面發(fā)射機(jī)同步脈沖的精確定時(shí)卻不是重要參數(shù)。采用這種方法，從一個(gè)衛(wèi)星到另一個(gè)衛(wèi)星的通信轉(zhuǎn)移準(zhǔn)確地出現(xiàn)在傳輸信號(hào)的相同點(diǎn)而無發(fā)送數(shù)據(jù)的丟失。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，由于3個(gè)因素必須控制衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)域。
1.當(dāng)衛(wèi)星在環(huán)路中工作時(shí)，在環(huán)路的底部和頂部(圖2A和2B)之間出現(xiàn)約30000km到約40000Km(4衛(wèi)星星座)的高度變化。這種高度上的變化將導(dǎo)致覆蓋區(qū)域形狀發(fā)生變化。具體地講，當(dāng)衛(wèi)星處于其最高高度時(shí)，衛(wèi)星波束在地面上提供最大覆蓋，而當(dāng)衛(wèi)星處于其最低高度時(shí)，波束覆蓋最小。
2.周期為12小時(shí)的單個(gè)衛(wèi)星為在次環(huán)路13A、14A的經(jīng)度上的兩個(gè)不同地理位置提供覆蓋，如圖1C所示。這就要求改變衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)域，以便可在衛(wèi)星要提供服務(wù)的每個(gè)位置提供最佳的或商用覆蓋區(qū)域。
3.當(dāng)衛(wèi)星在小環(huán)路中工作時(shí)，必須提供法向姿態(tài)控制。但是，由于通過單連接點(diǎn)(萬向架)連接到航天器的太陽能電池組指向太陽，所以天線波束將繞目標(biāo)指向軸(target-pointing axis)旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)可由相控陣天線或采用消旋天線平臺(tái)來進(jìn)行校正。
為了滿足這些要求，衛(wèi)星上將使用可調(diào)節(jié)相控陣通信天線，該天線可以多種方式進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)所需波束覆蓋。衛(wèi)星相控陣天線的控制或者通過衛(wèi)星內(nèi)部或者由地面指令完成。需要在衛(wèi)星內(nèi)部對(duì)天線覆蓋區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部控制，以適應(yīng)在每個(gè)軌道期間和在環(huán)路內(nèi)的重復(fù)和周期性變化?？刂铺炀€覆蓋區(qū)域的地面指令變化(不頻繁地出現(xiàn))用來修改衛(wèi)星天線的波束覆蓋區(qū)域，以便在衛(wèi)星壽命期間適應(yīng)市場(chǎng)變化。圖10示出與本發(fā)明的該特征相關(guān)的結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星的典型通信子系統(tǒng)由標(biāo)號(hào)21表示，它由接收相控陣天線22、低噪聲放大器(未示出)、接收天線波束形成器23、通信接收機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器和RF切換器的組合24、發(fā)送波束形成器25、和發(fā)送相控陣26構(gòu)成。接收和發(fā)送波束形成器25兩者的控制由波束形成器控制器27進(jìn)行。天線波束形成器的控制采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行，即，將適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥讲ㄊ纬善髦械亩ㄏ喽O管，從而調(diào)整相控陣每個(gè)部件的RF信號(hào)相位，來改變波束模式。因此，由于對(duì)相控陣中每個(gè)部件的RF信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以波束模式發(fā)生變化。波束形成器控制器27由衛(wèi)星切換單元28和軌道定時(shí)單元29操作。根據(jù)處于環(huán)路中衛(wèi)星的位置，將必要的信號(hào)施加到波束形成器控制器，這也與高度調(diào)節(jié)直接相關(guān)。第二波束形成器控制器30控制天線波束形狀的主要變化，以適應(yīng)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的變化。通過衛(wèi)星通信遙測(cè)和指令信道從地面接收信息，以便將必要的指令提供給波束形成器控制器27。所示的衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星鏈路31為整個(gè)通信和控制系統(tǒng)的一部分，并且被用于前述的切換(handoff)操作。
在所有通信衛(wèi)星系統(tǒng)上，必須考慮到對(duì)赤道對(duì)地靜止軌道中以相同射頻工作的各衛(wèi)星的干擾、以及對(duì)也共享相同的射頻頻帶的地面通信系統(tǒng)的干擾。本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)與對(duì)地靜止通信衛(wèi)星系統(tǒng)(或者是它們的空間或者是地面部分)或地表微波地面網(wǎng)路的任何部分之間的干擾，受到兩種不同衛(wèi)星之間的角距的限制。
赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星與本發(fā)明的衛(wèi)星的幾何關(guān)系在圖7中示出，其中G1和G2是對(duì)地靜止衛(wèi)星，S是本發(fā)明的一個(gè)衛(wèi)星。所示的S的工作弧段橫跨緯度范圍在4衛(wèi)星星座情況下為約54.5到約63.5度(圖2A)，而在3衛(wèi)星星座情況下為約45度到約63.5度(圖2B)。在工作段期間，衛(wèi)星(S)將其天線波束指向下面的服務(wù)區(qū)域。因此，波束軸標(biāo)稱地指向衛(wèi)星的軌道正下方處P。因此，衛(wèi)星的最小緯度(大于45度)還表示衛(wèi)星的波束軸S-P和赤道平面之間的最小角距(角度S-0-G2)。
向衛(wèi)星S發(fā)送信息的地面站的波束軸類似地具有距對(duì)地靜止軌道中任何可見衛(wèi)星的大于45度的最小角距。該最小間隔條件應(yīng)用于下述地面發(fā)射機(jī)天線，該天線位于赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星覆蓋區(qū)的邊緣或附近(例如圖7中相對(duì)于點(diǎn)G2的點(diǎn)C)。通過簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系得知，當(dāng)衛(wèi)星S處于其最小高度時(shí)，角度S-C-G2呈現(xiàn)約45度(3衛(wèi)星星座)或約52.6度(4衛(wèi)星星座)的最小值。位于從兩個(gè)衛(wèi)星S和G2均可看見的區(qū)域內(nèi)的任何其它地面位置將始終具有較大的角距。類似地，還得知，在任何對(duì)地靜止衛(wèi)星的地面接收機(jī)處，距離衛(wèi)星S的最小角距始終大于45度。在S的地平線上的點(diǎn)B處，當(dāng)衛(wèi)星S處于其最小高度時(shí)，角度S-B-G2呈現(xiàn)45度(3衛(wèi)星星座)或約55度(4衛(wèi)星星座)的最小值。
根據(jù)簡(jiǎn)單幾何關(guān)系還得知，本發(fā)明的軌道中的各衛(wèi)星在3衛(wèi)星星座情況下以從赤道對(duì)地靜止軌道中運(yùn)行的任意衛(wèi)星至少45度的最小角距運(yùn)行，而在4衛(wèi)星星座情況下則以至少50度的最小角距運(yùn)行。在這種間隔角度的情況下，只要地面站以指向它們的各衛(wèi)星的方向性波束工作，則不出現(xiàn)干擾。該情況針對(duì)的是所有當(dāng)前和未來的固定衛(wèi)星服務(wù)，如用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和電視廣播服務(wù)。而這對(duì)使用非方向性(全向)天線的衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)則無效。它們不能區(qū)分具有大角距的各衛(wèi)星。本發(fā)明僅應(yīng)用于固定衛(wèi)星服務(wù)。
如上所述，對(duì)于具有單萬向架太陽能電池組的典型的3軸穩(wěn)定航天器，如果通過單節(jié)頭使該太陽能電池組準(zhǔn)確地指向太陽并且不對(duì)相控陣天線進(jìn)行調(diào)整，則衛(wèi)星通信天線波束將繞目標(biāo)指向軸旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，包括了一種消除該天線波束旋轉(zhuǎn)的方法。
通過使用最大旋轉(zhuǎn)到90度的消旋天線平臺(tái)來消除這種旋轉(zhuǎn)。只有在軌道工作部分或當(dāng)衛(wèi)星處于小工作環(huán)路時(shí)，才啟動(dòng)該消旋平臺(tái)。在3軸機(jī)體航天器中對(duì)包含天線和通信組件的消旋平臺(tái)的使用構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)包括使其與赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)區(qū)別的獨(dú)特參數(shù)。與赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)不同，本發(fā)明的衛(wèi)星使用高度傾斜并偏心的軌道。所述軌道參數(shù)和系統(tǒng)中數(shù)個(gè)衛(wèi)星的組合產(chǎn)生如下獨(dú)特的特征1.通過特別選擇衛(wèi)星軌道參數(shù)，利用最少數(shù)個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星星座(3或4)，實(shí)現(xiàn)了用于在北或南半球中建立衛(wèi)星的小工作軌跡的方法。從衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域中的任意地面點(diǎn)看去，這些小工作軌跡(環(huán)路)中的衛(wèi)星幾乎靜止。精確地選擇使環(huán)路尺寸最小的軌道參數(shù)。對(duì)于4衛(wèi)星星座，該環(huán)路在緯度方向橫跨約9度，在經(jīng)度方向橫跨1度(對(duì)應(yīng)于東/西方向的0.5度)，其環(huán)路位置設(shè)置在約60度的緯度。星座(3或4)中的所有衛(wèi)星輪流占據(jù)環(huán)路位置，并且在準(zhǔn)確選擇軌道參數(shù)的前提下，離開環(huán)路的衛(wèi)星將在幾分鐘的時(shí)段內(nèi)與進(jìn)入該環(huán)路的衛(wèi)星共處。
2.通過采用GPS，建立精確的定時(shí)，以在離開環(huán)路的衛(wèi)星和進(jìn)入該軌道的衛(wèi)星之間轉(zhuǎn)移任何類型的通信服務(wù)。通過在兩個(gè)衛(wèi)星之間建立直接通信鏈路來進(jìn)行這種通信轉(zhuǎn)移，以便使每個(gè)衛(wèi)星使用GPS定時(shí)信息來得知相對(duì)于另一衛(wèi)星的其相對(duì)定時(shí)差。通過使兩個(gè)衛(wèi)星之間的定時(shí)差最小，通信服務(wù)被完全自發(fā)的整個(gè)地從一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到另一個(gè)，而不中斷服務(wù)(無需來自地面的任何指令或信號(hào))。
3.采用GPS和來自發(fā)送地面站的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)(同步脈沖)兩者，可實(shí)現(xiàn)精確各轉(zhuǎn)發(fā)器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)移，而不管衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)的地面站的特定位置如何。
4.可使用高增益、窄波束、地面固定天線或限定為單軸指向的天線，來與工作在小環(huán)路中的各衛(wèi)星進(jìn)行通信。
5.小工作環(huán)路(次環(huán)路)距離對(duì)地靜止赤道平面至少具有45度(3衛(wèi)星星座)或54度(4衛(wèi)星星座)的最小角距。這就使得能夠在對(duì)地靜止衛(wèi)星系統(tǒng)和本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)之間共享整個(gè)頻譜，而不需使用任何干擾抑制手段。
6.當(dāng)使用前述軌道參數(shù)的星座中的各衛(wèi)星位于工作環(huán)路之外而結(jié)束通信服務(wù)時(shí)，通過星載計(jì)算機(jī)控制相控陣，所述各衛(wèi)星可調(diào)整它們的天線覆蓋波束，而無需使用任何地面干預(yù)。所需的這些天線覆蓋范圍的變化，用于為衛(wèi)星工作環(huán)路優(yōu)化衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域。
7.對(duì)于兩個(gè)工作環(huán)路軌跡或之一，在衛(wèi)星壽命期間，通過對(duì)衛(wèi)星的地面指令干預(yù)，可以改變每個(gè)天線覆蓋模式，該指令修改計(jì)算機(jī)軟件，并因此改變衛(wèi)星天線覆蓋模式。
8.使用3軸穩(wěn)定和單萬向架太陽能電池組的本發(fā)明的軌道中的各衛(wèi)星必須消除衛(wèi)星天線波束繞目標(biāo)點(diǎn)的任何旋轉(zhuǎn)，以避免在環(huán)路中的工作期間波束旋轉(zhuǎn)。作為本發(fā)明的一部分，或者通過使用3軸航天器機(jī)體中的消旋天線和/或消旋通信天線平臺(tái)，或者通過調(diào)整相控陣來校正波束模式旋轉(zhuǎn)，來進(jìn)行這種校正措施。
盡管已參照一些優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不做任何限制，本發(fā)明的整個(gè)范圍將完全由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種高緯度通信衛(wèi)星系統(tǒng)，包括被設(shè)置在各自的橢圓軌道中移動(dòng)的多個(gè)衛(wèi)星，每個(gè)所述軌道具有相同的傾角值并且從地面觀察點(diǎn)觀察形成第一對(duì)環(huán)路和第二對(duì)環(huán)路，所述第一對(duì)環(huán)路包括被設(shè)置在第一經(jīng)度位置上的第一次環(huán)路和第一主環(huán)路，所述第二對(duì)環(huán)路包括設(shè)置在第二經(jīng)度位置上的第二次環(huán)路和第二主環(huán)路，所述第一對(duì)環(huán)路與所述對(duì)應(yīng)的第二對(duì)環(huán)路分離180°度，并且位于相同的緯度位置，所述第一對(duì)環(huán)路和所述第二對(duì)環(huán)路兩者均整個(gè)分布在北和南半球之一，其與對(duì)地靜止軌道的最小角距不小于45°；以及多個(gè)地面的、方向性和非跟蹤窄波束天線，每個(gè)天線在每個(gè)所述衛(wèi)星處于第一或第二次環(huán)路的部分時(shí)指向每個(gè)所述衛(wèi)星并與之進(jìn)行通信。
2.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述多個(gè)衛(wèi)星包括4個(gè)衛(wèi)星，其每個(gè)具有約12小時(shí)的軌道持續(xù)期間。
3.如權(quán)利要求2所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述環(huán)路橫跨約9度的緯度和約1度的經(jīng)度。
4.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中離開所述次環(huán)路之一的第一衛(wèi)星將基本上與同時(shí)進(jìn)入所述的一個(gè)次環(huán)路的第二衛(wèi)星共處。
5.如權(quán)利要求4所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中離開所述次環(huán)路的所述第一衛(wèi)星至少在所述第一衛(wèi)星處于所述次環(huán)路中的部分時(shí)間與所述地面天線之一進(jìn)行通信，并且進(jìn)入所述次環(huán)路的所述衛(wèi)星與相同的地面天線進(jìn)行通信。
6.如權(quán)利要求5所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中將從所述第一衛(wèi)星到所述地面天線站的通信傳輸被轉(zhuǎn)移到所述第二衛(wèi)星，所述轉(zhuǎn)移的定時(shí)使用由GPS衛(wèi)星星座中的GPS衛(wèi)星直接提供給所述第一和第二衛(wèi)星的定時(shí)而在所述各衛(wèi)星上建立。
7.如權(quán)利要求6所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述通信的轉(zhuǎn)移由所述第一和所述第二衛(wèi)星之間的直接通信鏈路完成。
8.如權(quán)利要求7所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述通信的轉(zhuǎn)移至少使用GPS和來自發(fā)射地面站的時(shí)間基準(zhǔn)脈沖之一來完成。
9.如權(quán)利要求5所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中使從所述各衛(wèi)星的傳輸之間的定時(shí)差最小。
10.如權(quán)利要求5所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)移操作在沒有來自地面的任何指令和控制下進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中每個(gè)所述軌道具有約26450km的半長(zhǎng)軸、約63.4°的傾角，右升的升交點(diǎn)(RAAN)繞赤道均勻間隔。
12.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述軌道具有這樣的偏心率，即選擇該偏心率以使軌道工作弧段內(nèi)的地面徑跡的縱向和橫向偏差最小。
13.如權(quán)利要求12所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括4個(gè)衛(wèi)星，并且所述軌道具有0.7237的偏心率。
14.如權(quán)利要求12所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括3個(gè)衛(wèi)星，并且所述軌道具有0.7137的偏心率。
15.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述多個(gè)衛(wèi)星中的每個(gè)包括相控陣天線，用于響應(yīng)于基于所述衛(wèi)星在軌道中的位置的指令而改變天線的整個(gè)波束模式。
16.如權(quán)利要求15所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中當(dāng)所述衛(wèi)星位于所述次環(huán)路之外時(shí)，所述波束模式根據(jù)預(yù)編程的星載衛(wèi)星控制而自動(dòng)切換。
17.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述多個(gè)衛(wèi)星包括3個(gè)衛(wèi)星，其每個(gè)具有約12小時(shí)的軌道持續(xù)時(shí)間。
18.如權(quán)利要求17所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一和第二次環(huán)路橫跨約18.4度的緯度和約2.02度的經(jīng)度。
19如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中每個(gè)所述衛(wèi)星包括衛(wèi)星間鏈路裝置，用于當(dāng)它們沿其各自的軌道移動(dòng)而靠近時(shí)，在各對(duì)所述衛(wèi)星之間交換定時(shí)信息。
20.如權(quán)利要求19所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，還包括GPS定時(shí)信息的GPS系統(tǒng)源，其中每個(gè)所述衛(wèi)星包括GPS鏈路裝置，用于從所述GPS系統(tǒng)源接收GPS定時(shí)信息。
21.如權(quán)利要求20所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述鏈路裝置在靠近的各衛(wèi)星在所述次環(huán)路上變得共處之前在所述各衛(wèi)星之間建立定時(shí)通信。
22.如權(quán)利要求1所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述各衛(wèi)星包括3軸穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和單萬向架太陽能電池組，還包括用于消除衛(wèi)星天線繞目標(biāo)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、以避免在所述衛(wèi)星處于所述次環(huán)路中的工作期間波束旋轉(zhuǎn)的裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述3軸穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括位于所述航天器機(jī)體內(nèi)地消旋天線裝置。
24.一種通信衛(wèi)星方法，用于切換多個(gè)衛(wèi)星中第一衛(wèi)星到第二衛(wèi)星的有效通信鏈路，所述多個(gè)衛(wèi)星被設(shè)置成在各自的橢圓軌道中移動(dòng)，每個(gè)所述軌道處于單獨(dú)的平面中，所有所述軌道具有共同的傾角并且從地面天線位置上的地面觀察者看去形成公共環(huán)路對(duì)，所述環(huán)路對(duì)包括次環(huán)路和主環(huán)路，所述次環(huán)路處在約63.4°的最大緯度和大于約45°的最小緯度之間并與對(duì)地靜止軌道之間有預(yù)定的角距，在所述各衛(wèi)星和用于當(dāng)所述各衛(wèi)星處于所述次環(huán)路中時(shí)與之進(jìn)行通信的多個(gè)地面天線之間形成所述通信鏈路，所述方法包括(a)在所述第一和第二衛(wèi)星上分別檢測(cè)和存儲(chǔ)GPS定時(shí)信息；(b)當(dāng)所述第一和第二衛(wèi)星在它們的橢圓軌道中靠近時(shí)，所述第一和第二衛(wèi)星分別通過衛(wèi)星間鏈路向?qū)Ψ桨l(fā)送各自的GPS定時(shí)信息、并從對(duì)方接收對(duì)方的GPS定時(shí)信息；(c)檢測(cè)何時(shí)所述GPS信號(hào)之間的時(shí)間差最小；(d)響應(yīng)于所述檢測(cè)步驟，指令啟用一個(gè)待用的衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)，并停止使用一個(gè)正在使用的衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)。
25.如權(quán)利要求24所述的通信衛(wèi)星方法，還包括在每個(gè)所述衛(wèi)星上接收來自地面的同步脈沖；及若所接收的同步脈沖的時(shí)間間隔值大于公共地面站信息到達(dá)各所述衛(wèi)星的時(shí)間差，則將所述地面同步脈沖作為GPS定時(shí)信息的地面源。
26.如權(quán)利要求24所述的通信衛(wèi)星方法，其中在所述衛(wèi)星經(jīng)過環(huán)路交叉點(diǎn)進(jìn)入所述次環(huán)路之后不指令啟用一個(gè)待用的衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)。
27.如權(quán)利要求24所述的通信衛(wèi)星方法，其中在從地面看去的最小距離和角距處指令啟用一個(gè)待用的所述衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)。
全文摘要
一種衛(wèi)星廣播和通信系統(tǒng),采用高度橢圓和高度傾斜軌道中的各衛(wèi)星的星座,其中各衛(wèi)星對(duì)地面用戶保持幾乎靜止,在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)沿天空中繞軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)的小環(huán)路運(yùn)動(dòng)。采用傳統(tǒng)方向性天線的地面用戶將被每天24小時(shí)無中斷地提供連續(xù)的通信服務(wù)。衛(wèi)星工作的小環(huán)路處于軌道的最高緯度位置。因此,該小環(huán)路與赤道對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道(以下簡(jiǎn)稱對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道)中工作的各衛(wèi)星之間將具有較大角距,從而能夠完全共享由對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道系統(tǒng)使用的頻帶,而不會(huì)在兩種類型的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引起任何干擾,并且不需要有任何抑制干擾的措施。該軌道的用戶能夠在不需要在各衛(wèi)星之間切換或中斷服務(wù)的情況下獲得完全無縫的衛(wèi)星傳輸服務(wù)。
文檔編號(hào)H04B7/185GK1253678SQ98804530
公開日2000年5月17日 申請(qǐng)日期1998年5月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月2日
發(fā)明者賈科莫·波塞里, 肯尼思·F·曼寧 申請(qǐng)人:尤斯克斯公司