CN101023601B - 便携式卫星终端 - Google Patents

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胡荣恩
刘刚
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Abstract

一种便携式卫星终端，包括本体(620)和在本体(620)内的单元(637)以用于控制终端和终端功能元件。还提供用于相对于本体移动的天线(607)。天线(607)能够在不使用的时候装载在本体(620)内。天线(607)可以是平板天线(624)，并且可相对于本体(620)从装载位置移动到使用位置。

Description

便携式卫星终端
技术领域
本发明涉及便携式卫星终端，具体但不限于涉及用于卫星通信的便携式卫星终端，该便携式卫星终端能够与卫星通信系统的基站进行发送、接收或者发送和接收数据。本发明可以实施为由一个人操作的便携式卫星终端或者能够安装到车辆、船或者建筑物上的移动卫星终端。
背景技术
在卫星通信中，移动终端被要求用于诸如语音、数据、互联网接入、远程控制、视频会议、视频流等的通信服务。这样的终端优选足够小以便于携带、能够支持合理高的数据传输速率和易于架起，并且符合卫星传输的一般规定。
现有的产品通过使用较小的天线(通常，用于C-带卫星通信的直径为1.8m的碟形天线)解决了可便携性的要求，但是由此折衷了链路质量。对于任何给定的频带的小尺寸天线的设计变得相当难，这是因为当天线小时，干扰和系统的噪声水平变得不可接收，并且难以符合卫星传输的有关规定。例如，对于C带频带，目前可购买到的最小的实用天线是1.8m直径的碟形天线。这限制了终端系统的大小和重量。
当终端被装载时，典型的天线被拆开并且置于若干个箱子中。总的重量是相当地重。对于直径为1.8m的C带天线，通常100kg的范围。在某低数据传输速率应用中(终端的尺寸比数据传输速率更重要)，使用较小的天线。然而，天线增益被折衷了。为了补偿低的天线增益，使用较高的功率接发器。这样的接发器更昂贵、更重，并且具有更高的功率消耗。当用小的天线进行更高的功率传输，会违反了离轴发射规定。
这些产品尝试通过增大天线尺寸满足合理高的数据传输速率的要求，由此折衷了其它两项要求(便携性和容易架起)。这使得终端更重了。通 常，至少需要两个人来架起该终端，并且该架起可能花费更长的时间。
尽管在移动应用中，对使用通信卫星有显著的兴趣，但是到目前为止还没有能够克服提供能够提供良好质量服务的真正的便携式卫星终端的限制。因而，显著需要紧凑、容易架起的便携式终端，并且提供合理高的数据传输速率。
发明内容
根据优选方面，提供一种便携式卫星终端，包括本体；在本体内的单元，用于控制终端和终端功能元件；和天线，其安装到本体上相对于本体移动。天线能够在不使用的时候装载在本体内。
还有用于本体的盖子，以封闭装载的天线。天线可以在使用状态下装载，并且不需要折叠装载在本体和盖子内。天线还可以在使用状态下被装载，并且不需要拆卸装载在本体和盖子内。可选地，在装载之前，天线可以被折叠和被拆卸。天线可以是平板天线，并且是有源或者无源。
终端可以进一步包括以下当中的一个或者多个：水准泡、罗盘，和至少一个高度可调节腿。
天线可以相对于本体从装载位置移动到使用位置。当天线在使用位置时，其仰角和方位角可以进行调节。天线可以安装在天线板上，天线板可以安装在杆上，该杆可旋转以调节仰角。杆可以安装在可相对于本体可旋转地安装的支撑板上，以进行方位角调节。
可以有至少一个连接到天线板的天线摆臂，并且天线摆臂可操作地连接到杆。支撑板可以安装在安装块上，安装块安装在本体上，以能够进行支撑板的旋转运动，以进行方位角调节。
单元可从本体拆卸。单元包括以下各项中的一个或者多个：全球定位卫星接收器、高稳定性时钟、数字调制解调器、电话听筒、显示器、键盘、电池和风扇。数字调制解调器是扩展光谱调制解调器。并且单元具有防溅或者防水的壳体。
盖子可以铰链连接到本体。在有或者没有盖子的情况下，本体还可以作为当天线在使用位置时的用于天线的稳定器。
终端还包括RF接发器、微处理器、路由器和物理通信接口。
终端可以容纳C带和Ku带频范围。
在另一方面，提供一种便携卫星终端，包括
(a)本体；
(b)盖子，用于本体；
(c)本体内的单元，用于控制终端和终端功能元件；和
(d)天线，用于储存在本体和盖子的组装件内；
其中，
便携式卫星终端具有小于25kg的重量，并且盖子具有小于2平方米的顶部表面积。
该重量在0.8kg至20kg的范围中，优选在2.5kg至8kg的范围中，更优选是6kg。
顶部表面积在0.06至2平方米的范围中，优选0.2m×0.3m至1.21m×1.66m的范围中，更优选是0.4m×0.55m。终端的高度在0.08m至0.18m的范围中，更优选是0.16m。
终端具有的RF传输功率在0.25瓦至18瓦的范围内，优选0.5瓦至8瓦，更优选是5瓦。
根据第三方面，提供一种便携式卫星终端，包括全球定位卫星接收器和高稳定性时钟，全球定位卫星接收器用来为高稳定性时钟提供时间参考，以使高稳定性时钟能够产生精确的时钟信号。
附图说明
为了本发明更好地理解和易于实施，现在将仅仅通过非限制性的示例的方式描述本发明的优选实施例，描述将参照示例性的附图，其中：
图1是两个形式的公知的天线和其性能的图示；
图2是图1的天线不精确地指向卫星的结果的图示；
图3图示不同天线的相对大小；
图4图示了优选电路的示例；
图5图示了当天线被装载时，终端的优选形式；
图6是沿着图5中的线和箭头6-6的方向所取的局部剖视图；
图7图示了在使用位置的优选形式；
图8图示了在不同的使用位置中的第二优选形式；和
图9图示了待使用的优选形式的其它可行方法。
具体实施方式
在附图中，类似的参考标号用于类似的部件，但是第一个数字表示附图的图号。
首先参考图1，示出窄束宽天线100，由于其窄束102更难将天线100指向卫星。图1中的表1表示窄束宽天线的束宽。其示出了窄束宽天线100具有在约2.9度上的3dB的束宽104，而图1的表2示出了具有宽波束103的宽束天线101具有在约18度上的3dB的束宽。
所采用的束宽取决于所使用的天线。在优选的实施例中，其可以在从8度到360度的范围，优选从10至60度，更优选是18度。
图2示出致力于将窄束宽天线200与宽束宽天线201进行指向的差异。窄束202的小角度的未对准将使得窄束天线200(在本示例中是1.8m)错过卫星206。在宽束宽天线201的宽束203的相同未对准角度使具有所需的卫星还在其3dB束宽203内。
出于便携性考虑，优选使用小天线。天线可以是任何类型，这取决于天线增益和应用要求。然而，平板有源天线是优选的，因为其辅助使终端紧凑和轻重量。
图3图示了典型的1.8m的天线300、平面天线301和根据本实施例的优选的天线307。天线307具有宽的束宽。
相比上述的现有技术天线，通过使用本发明的优选实施例，终端的壳体可以具有小于2平方米的顶部表面积，优选地，在0.06至0.3平方米的范围内，更优选0.22平方米。这个面积可以由具有在0.06至0.3平方米的尺寸的顶部表面积来表示，并且优选在0.2m×0.3m至1.21m×1.66m的范围内，更优选在0.4m×0.55m内。终端的高度可以在0.08m至0.18m(优选是0.16m)的范围内。终端的重量可以小于25kg，优选在0.8至20kg的 范围内，更优选在2.5kg至8kg，并且进一步更优选是6kg。
比现有技术的终端，在尺寸上显著小(＜20％)并且显著轻(＜25％)。盖子应该能够容纳天线307，且天线307不用折叠或者拆卸。然而，如果要求或者需要更高增益的天线，天线307可以需要变大，并且可以折叠或者拆卸以装配在天线壳体内。壳体的高度可以在80mm至180mm的范围内，优选是160mm。
优选地，使用在先申请中公开的光谱扩展方法和设备，传输的数据被扩展，并且接收的数据解扩。以此方式，可以减小来自附近卫星的干扰。
图4示出了用于便携式卫星终端的电路的优选实施例。便携式卫星终端可以由以下组成：
1.天线系统407；
2.接发系统408；
3.扩展光谱调制解调器409；
4.微控制器410；
5.诸如路由器、网桥等的数据终端装备411；
6.通信接口412；
7.板载电源413；
8.全球定位卫星(GPS)接收器414；和
9.高稳定性时钟415。
电源413可以是电池和/或AC电源和/或DC电源。
利用这样的实施例，数据和语音通信能够在卫星无线电链路上实现。例如，能够打电话。当传输电话数据包从电话机经由通信接口412传递到终端时，那么由数据终端装备411接收，并且由微控制器410处理。随后，数据由前向纠错码(“FEC”)编码器409f编码，由扩频调制器扩展，接着由数字模拟转换器(“DAC”)409h转换成模拟信号。模拟信号由低通滤波器(“LPF”)409i过滤，并且进一步使用所需的调制方案由RF发射器409j用载波信号进行调制，以产生调制的信号IFUP408c。调制的信号IFUP408c由块上变频器(“BUC”)408e中的上变频器408f转换成所需的传输RF频率，并且进一步由放大器408g放大到所要求的传输功 率。接着发送到通信系统407，并且传输到卫星(未示出)。
当接收时，来自卫星的下链路信号由通信系统407接收。下链路信号以及交越信号(crossed-over signal)由发射拒绝过滤器(transmit rejectfilter)(“TRF”)408a过滤，然后由低噪声块(“LNB”)408b放大和向下转换以产生信号IFDOWN408d。RF接收器409a将所转换的信号解调成模拟信号。模拟信号接着由模拟数字转换器(“ADC”)409b转换成数字信号。数字信号接着由扩展光谱解调器409c解调，并且进一步由FEC解码器409e解码。解码数据传递到微控制器410用于进一步处理。处理后的数据接着由数据终端装备411通过通信接口412发送到所连接的电话机。
移动终端优选地能够在C带或者Ku带频范围中一者或者两者中工作。
移动终端装备可以具有全球定位卫星(GPS)接收器414，以接收GPS信号，并且确定终端位置。利用位置信息，微控制器410能够计算诸如例如天线407指向参数(仰角、方位角和倾斜角)的能够便于架起终端的信号。GPS时间信号可以用作用于高稳定性时钟415的时间参考，以产生精确的时钟信号。所产生的时钟信号能够用作参考时钟，以产生模拟和数字电路所需的时钟信号。出于跟踪的目的，终端位置信息可以报告到网络控制中心。
终端可以与远程终端用大天线通信，大天线具有从4.5m上到至少32m的直径(通常约为13m)。在这情况下，终端的传输功率能够降低。
对于C带，终端的传输功率可以在0.25至18W的范围，优选0.5W至8W，并且更优选5W。这允许使用低的功率等级的接发器。这能够由于较小的热沉和电源进一步减小总重量。
板载电源413可以是诸如例如膝上型电池组的通常的电池组。电池组可以由诸如通常用在膝上型计算机的适配器的外部适配器充电并且提供电力。
天线系统407可以是低轮廓(low profile)天线，优选地平面有源高增益天线。天线可以是单件、或者能够组装的若干件，并且可以折叠。可以 使用不同类型的天线，包括但不限于固定指向天线、通过束成形的电子转向天线、电子控制跟踪天线等。天线407可以是有源或者无源。
通过电池供电的终端是可携带的，并且能够几乎在任何地方工作。例如，其可以在车辆上、在船上和在诸如沙漠的情况的遥远的位置中工作。其可以用于诸如例如互联网接入、语音呼叫、VoIP、卫星新闻收集等的各种应用。
图5至图8图示移动终端的一个实现方式。图5示出了当被装载时的终端。如所见，当被装载时，天线在终端壳体内，优选不需要折叠或者拆卸。在此方式，天线完好地装载在使用状态下。
终端壳体包括：把手516、锁517、通风孔518、保护盖519、本体520和高度调节腿521。本体520可以是实心、空心、或者框架的方式。调节腿521可以在本体520的后部，且腿599在前部但是不可调节。可选地，所有的腿521、599可以是高度可调节的。还设置RJ45插座522。天线607在图5的装载位置和图6至图8的使用位置之间可移动。
在图6至图8中，使用了相同的第一个数字(“6”)。此处，示出安装在天线板624上的天线607。两个天线摆臂623可靠地但是可释放地连接在天线板624上。两个天线摆臂623还可靠地连接到天线安装杆625。臂623每一个用U形支架626安装到杆625，支架626具有轴承627，杆625穿过该轴承627以相对于支架626旋转。
支架626接着安装在支撑板628上，支撑板628由安装块629可枢转地安装到本体620。在一端处，板628具有杆625穿过的支架630。在其外端625，杆625具有可靠地安装在其上的第一齿轮631。如箭头633所示，齿轮631适于由第二齿轮632驱动以使杆625绕其纵向轴线旋转以控制天线的仰角。如箭头635所示，第三齿轮设置来啮合板628，以调节天线607的方位角。齿轮由电动机(未示出)或者装配有曲柄(632)的轮子驱动。
盖子619由至少一个铰链636可枢转地连接到本体620。本体620可释放地包含室内单元637。室内单元637包括以下当中的一个或者多个：电话听筒638、显示器639、键盘640、电池641和风扇642。室内单元637由(多个)电缆643可操作连接到天线607。室内单元637具有包括：用于键盘640、电话听筒638和显示器639的壳体644；以及用于调制解调器的优选防溅或者防水的壳体646。还设置电力适配器647、第二插座649和把手648。室内单元637可以用于控制仰角633和方位角635。
水准泡650和罗盘651安装在本体629中。
以此方式，设备能够置于所需的位置，在具有提供水平的视觉指示的水准泡650的情况下，使用可调节腿621和699进行水平调节。天线607移动到使用位置，并且通过使用罗盘651针对方位角进行调节，以确保指向位置基本正确。仰角和方位角接着人工地调节，或者通过使用键盘640输入控制电动机(未示出)的指令进行调节，直到信号强度最大化，并且信噪比最佳。用于天线的所需的仰角和方位角被计算，并且由微控制器连同所需卫星的位置和从GPS接收器获得的当前终端位置的信息一起显示。结果，建立了在卫星无线电上的通信链路，并且终端用在激活不同的应用。本体620不仅用作天线607的安装件，而且用作稳定器，使得在使用中，天线607将相对地稳定，更难受到风和其它空气流影响。
室内单元637还可以由扩展光谱调制解调器409、微处理器410、RF调节器、RF接收器、物理通信接口、和图4的其它部件的一些构成。
终端还能够通过诸如无线LAN、蓝牙、LAN电缆、光纤等不同的装置连接到诸如个人计算机或者膝上型计算机的其它装备、诸如路由器、网桥等的数据终端装备和乙太网(Ethernet)开关。
室内单元637能够从本体620和天线607分离。例如，室内单元637可以用在室内，而天线607和本体框架620保持在室外。可以由电缆643或者无线连接进行它们之间的连接。
图9示出了其它可行的实施例，其中，天线可以从终端断开，并且安装在诸如柱960、壁961的不同的物体上或者地板962上，这取决于不同的要求和/或环境。
尽管在前述描述中已经描述可本发明的优选实施例，但是本有关技术中的技术人员可以理解到在不脱离本发明的情况下进行设计、构造或者操作的细节的许多变化或者修改。
本发明参照本申请人于2003年12月15日提交名称为“DigitalCommunication System and Methods”(在先申请)的共同待审的新加坡专利申请号200307498-6，其内容通过引用包含于此。

Claims (22)

1.一种便携式卫星终端，包括：
(a)本体；
(b)所述本体内的单元，用于控制所述终端和终端功能元件；
(c)天线，安装到所述本体上相对于所述本体在装载位置和使用位置之间移动，所述天线能够在不使用的时候装载在所述本体内；和
(d)当所述天线在所述使用位置时，其仰角和方位角相对于所述本体可进行调节。
2.根据权利要求1所述的便携式卫星终端，其中，所述天线在使用状态下原封不动地装载，并且不要求折叠以装载在所述本体和盖子内，所述盖子可枢转地连接到所述本体。
3.根据权利要求1所述的便携式卫星终端，其中，所述天线在使用状态下原封不动地装载，并且不要求拆卸以装载在所述本体和盖子内，所述盖子可枢转地连接到所述本体。
4.根据权利要求1所述的便携式卫星终端，其中，在装载在所述本体内之前，所述天线是以下各项状态中至少一个：被折叠和被拆卸。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，进一步包括从以下各项组成的组中选择的一个或者多个：水准泡、罗盘，和至少一个高度可调节腿。
6.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，进一步包括微处理器和显示器，所述微处理器用于计算所需的天线的仰角和天线的方位角，并且用于在所述显示器上显示所述所需的天线的仰角和天线的方位角。
7.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述天线是平板有源天线。
8.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述天线是平面有源高增益天线，并且安装在天线板上，所述天线板安装在杆上，所述杆可旋转地用于调节所述天线的仰角。
9.根据权利要求8所述的便携式卫星终端，其中，所述杆安装在支撑板上，所述支撑板可旋转地相对于所述本体安装，以用于所述天线的方位角调节。
10.根据权利要求8所述的便携式卫星终端，还包括连接到所述天线板并且可操作地连接到所述杆的至少一个天线摆臂。
11.根据权利要求9所述的便携式卫星终端，其中，所述支撑板安装在安装块上，所述安装块安装在所述本体上，以能够进行所述支撑板的所述旋转运动，以进行方位角调节。
12.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述本体还用作当所述天线在所述使用位置时用于所述天线的稳定器。
13.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述单元可从所述本体拆卸，并且具有防溅和防水两者中一个的壳体。
14.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述单元包括从以下各项组成的组中选择的一个或者多个：全球定位卫星接收器、高稳定性时钟、数字调制解调器、模拟调制器、模拟解调器、物理通信接口、电话听筒、显示器、键盘、电池和风扇。
15.根据权利要求14所述的便携式卫星终端，其中，所述数字调制解调器是扩展光谱调制解调器，并且所述全球定位卫星接收器用来为所述高稳定性时钟提供时间参考，以使所述高稳定性时钟能够产生精确的时钟信号。
16.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，进一步包括RF接发器、微控制器、数据终端装备。
17.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，当天线装载在所述本体内并且盖子在关闭的位置时，所述终端具有小于25kg的重量，并且所述盖子具有小于2平方米的顶部表面积，所述盖子可枢转地连接到所述本体。
18.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，由所述便携式卫星终端传输的所述无线电频率信号的所述功率是从以下组成的组中选择：在所述天线输出处的0.25瓦、在所述天线输出处在0.5瓦至8瓦的范围和所述天线输入处的5瓦。
19.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述便携式卫星终端能够容纳C带和Ku带频范围。
20.根据权利要求17所述的便携式卫星终端，其中，所述重量从以下各项组成的组中选择：0.8kg至20kg的范围、2.5kg至8kg的范围和6kg。
21.根据权利要求17所述的便携式卫星终端，其中，所述顶部表面积是从以下各项组成的组中选择：0.06至0.3平方米的范围、0.45m×0.6m至1.21m×1.66m的范围和0.4m×0.55m。
22.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的便携式卫星终端，其中，所述便携式卫星终端具有的高度从以下各项组成的组中选择：0.18m至0.08m范围和0.16m。
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