CN102362445A

CN102362445A - 用于隧道中卫星通信的系统

Info

Publication number: CN102362445A
Application number: CN200980156160.2A
Authority: CN
Inventors: 安东尼奥·塞托; 达米亚诺·德卢卡; 罗萨里奥·博诺; 达尼埃莱·德阿姆布罗西奥
Original assignee: TELEVISION SpA
Current assignee: TELEVISION SpA; Telespazio SpA
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: RU2011129769A; US20120069777A1; WO2010070435A8; WO2010070435A1; EP2374226A1; RU2528166C2; ES2439271T3; US8837333B2; EP2374226B1; CN102362445B

Abstract

本发明涉及一种用于在卫星的非可视区域(2)中扩展车辆(1)和卫星之间的通信的卫星通信系统。该卫星通信系统包括固定收发机系统和移动收发机系统。该固定收发机系统包括：第一天线(11)和至少一个第二天线(12)，其中，该第一天线(11)位于卫星的非可视区域(2)外部，该至少一个第二天线(12)与所述第一天线(11)耦合并且位于卫星的非可视区域(2)之中。该固定收发机系统被配置为：通过第一天线(11)接收由卫星在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号，并且通过至少一个第二天线(12)在卫星的非可视区域(2)中在至少一个下行链路载频上发射已接收的下行链路信号。该移动收发机系统被安装在所述车辆(1)上，该移动收发机系统包括第三天线(13)和第四天线(14)，并且该移动收发机系统被配置为：通过第三天线(13)接收由固定收发机系统在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号，通过第四天线(14)接收由卫星在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号，确定车辆(1)是处于卫星的非可视区域(2)还是处于卫星的可视区域，并且如果车辆(1)处于卫星的非可视区域(2)，则通过第三天线(13)在至少一个上行链路载频上发射上行链路信号，如果车辆(1)在卫星的可视区域中则通过第四天线(14)在至少一个上行链路载频上发射上行链路信号。固定收发机系统进一步被配置为：通过至少一个第二天线(12)接收由动收发机系统在至少一个上行链路载频上发射的上行链路信号；通过第一天线(11)在至少一个上行链路载频上向卫星发射已接收的上行链路信号。

Description

用于隧道中卫星通信的系统

技术领域

总体而言，本发明涉及一种即使在卫星的非可视区域中也能够与卫星通信的系统，更具体地，涉及一种在任意长度的隧道中对来自卫星的宽带信号进行扩展的系统，该系统能够实现卫星与穿过隧道的移动车辆之间的双向无线电通信，从而即使在卫星的非可视的情况下也能确保发射和接收的连续性。

一般来说，可以有利地利用本发明以确保用于铁路隧道中铁路车辆的宽带连接。

特别地，在基于互联网协议(IP)并在高速列车上提供的宽带通信服务的领域中，可以有益地但非排他性地应用本发明。

在任何情况中，可以有利地应用本发明以确保也利用其他类型的服务，诸如，关系到铁路领域安全的卫星导航服务，还针对该类型的服务解决关系到由于存在隧道而使服务不连续的问题。

背景技术

在诸如意大利、法国以及德国的许多国家，当前存在针对基于用于高速铁路的IP的宽带卫星通信服务的不同的开发活动。事实上，人们期望这些服务不久将变成高速铁路和传统铁路这两者的特定特征。

能够通过火车的卫星通信系统开发的服务示例可以是：

·基于IP上语音(VoIP)技术的服务；

·视频监视服务；

·例如按需求的视频流的使用；

·例如根据标准数字视频广播卫星(DVB-S)或数字视频广播手持(DVB-H)的数字电视；

·互联网网上冲浪；

·电子邮件查阅；

·即时消息(IM)服务；

·电子文件和/或数据库的查阅；以及

·基于文件传输协议(FTP)的服务。

正如已知的，在许多国家(诸如，意大利)的当前铁路网络中，可能遇到阻挡了卫星的可视性的各种障碍，从而会导致在火车上提供的卫星通信服务的不连续性。

特别地，当火车穿过铁路隧道时，存在直接火车-卫星连接的完全中断。

为了解决上述问题，已知要使用将卫星信号扩展到铁路隧道的系统。

在JP2001230718中描述了前述类型的系统。

具体地，JP2001230718提出了用于卫星信号接收较弱的区域的卫星通信系统，该系统基于对卫星接收机装置和发射机装置的使用，该卫星接收机装置和发射机装置通过同轴电缆进行连接。该卫星通信系统仅支持单向通信(即，基于广播类型的信号的通信)，并且不提供针对必须在此情境中操作的移动终端的配置问题的解决方案。此外，JP2001230718未提出针对卫星无线电信道和由卫星通信系统重新发射的无线电信道之间进行切换的解决方案。

专利申请JP2001308765也考虑了类似的问题，其提出了如下解决方案：通过由置于隧道外部的卫星接收机天线和在隧道内部由光纤连接的多个无线电发射单元形成的通信系统在隧道中扩展广播类型的卫星信号。

在WO2007113861中描述了进一步的解决方案，其用于将来自卫星的信号重新发射至位于卫星的非可视区域中的移动终端。

具体地，WO2007113861描述了包括固定终端和移动终端的系统，其中，用于隧道照明的固定终端连接到固定卫星站，移动终端安装在火车上并连接到移动卫星终端。在从卫星到火车的链路中，外部固定卫星站接收由卫星发射并且指向火车的卫星信号，并且通过固定终端将该卫星信号重新发射至隧道中。在从火车到卫星的链路中，固定终端接收由火车发射并且指向卫星的信号，并且通过外部固定卫星站将该信号重新发射至隧道外。

此外，再次根据WO2007113861中所描述的发明，火车配备有连接到移动卫星终端的收发机装置，其在火车和卫星间可视(即，当火车在没有障碍物的开放空间行驶)的期间实现与卫星直接地交换信号。当火车离开卫星的可视区域并且进入隧道时，系统自动地执行卫星信道和隧道中可用的无线电信道之间的切换，该无线电信道传播相同的卫星信号但在不同的载频上。类似地，当火车离开隧道并且进入卫星的可视区域时，系统自动地执行隧道中可用的无线电信道和卫星信道之间的切换。根据对有关信道质量的信息进行处理并且决定要使用两个信道中哪个信道的逻辑来执行信道之间的切换。

在WO2007113861提出的系统中，卫星信道的载频和在卫星-火车方向(即，下行链路)的隧道中无线电信道的载频由第一定义的频率转换关系相互关联。同样地，卫星信道的载频和在火车-卫星方向(即，上行链路)的隧道中无线电信道的载频由第二定义的频率转换关系相互关联。

卫星信号在下行链路和上行链路这两者中经历的载频的转换使得WO2007113861提出的系统有些复杂并且因此对于实现相当昂贵。

最后，以本申请人名义提交的欧洲专利申请EP1861530描述了用于对铁路隧道中的导航卫星信号(诸如，GPS(全球定位系统)、GLONASS或伽利略信号)进行扩展的系统。所述系统包括位于隧道外部的天线，该天线被配置为接收导航卫星信号并且连接到安装在隧道内部的多个转发器。该外部天线接收导航卫星信号并且将其提供至隧道内部对该信号进行重新发射的转发器。

发明内容

本申请人已经进行了深度的研究，目标是研究对于EP1861530中描述的系统进行改进的可能性，从而也能够在火车上提供的宽带双向通信服务的情境中利用该系统，同时，也为了开发用于在卫星的非可视区域中扩展来自卫星的信号的系统，该系统能够克服已知系统的缺点。

因此，本发明的目标是提供一种用于在卫星的非可视区域中对车辆和卫星之间的通信进行扩展的卫星通信系统，该系统能够减轻前述的缺点。

如所附权利要求所限定的，本发明能够达到前述目标，这是因为本发明涉及用于在卫星的非可视区域中扩展车辆和卫星之间通信的卫星通信系统。

具体地，根据本发明的卫星通信系统包括固定收发机系统和移动收发机系统。该固定收发机系统包括：第一天线和至少一个第二天线，其中，第一天线被设计为位于卫星的非可视区域外部，至少一个第二天线与第一天线耦合并且被设计为位于卫星的非可视区域内部。该固定收发机系统被配置为：

·通过第一天线接收由卫星在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号；以及

·通过至少一个第二天线在卫星的非可视区域中、在至少一个下行链路载频上发射已接收的下行链路信号。

该移动收发机系统被设计为安装在车辆上，该移动收发机系统包括第三天线和第四天线，并且该移动收发机系统被配置为：

·通过第三天线接收由固定收发机系统在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号；

·通过第四天线接收由卫星在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号；

·确定车辆是处于卫星的非可视区域还是处于卫星的可视区域；以及

·如果车辆处于卫星的非可视区域中则通过第三天线在至少一个上行链路载频上发射上行链路信号，如果车辆处于卫星的可视区域中则通过第四天线在至少一个上行链路载频上发射上行链路信号。

固定收发机系统被进一步配置为：

·通过至少一个第二天线来接收由移动收发机系统在至少一个上行链路载频上发射的上行链路信号；以及

·通过第一天线在至少一个上行链路载频上将已接收的上行链路信号发射至卫星。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考附图(不是按比例的)示出一些优选实施例，这些实施例仅是为了示例而非限制的实施例，其中：

图1是根据本发明的卫星通信系统在其中进行操作的第一场景实施例的示意性视图；

图2详细地示出了图1的卫星通信系统；

图3是根据本发明的第一实施方式、图1和图2的卫星通信系统的第一子系统的示意性视图；

图4更详细地示出了图3的第一子系统；

图5详细地示出了图4的第一子系统的第一部件；

图6详细地示出了图4的第一子系统的第二部件；

图7详细地示出了图1和图2的卫星通信系统的第二子系统；

图8是图7的第二子系统的逻辑操作的示意性视图；

图9是根据本发明的第二实施方式、图1和图2的卫星通信系统的第一子系统的示意性视图；以及

图10是根据本发明的优选实施方式的卫星通信系统在其中进行操作的第二场景实施例的示意性视图。

具体实施方式

提供了以下描述以使本领域技术人员能够再现并使用本发明。对所呈现的实施方式的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的，并且本文所公开的一般原理可以应用于其他实施方式和应用，然而其没有暗示偏离本发明的保护范围。

因此，本发明不应该被理解为仅限于所描述和示出的实施方式，本发明应该具有与本文中呈现的并且在所附权利要求中限定的原理和特征相一致的最宽的保护范围。

本发明涉及一种用于在卫星的非可视区域(尤其是任意长度的隧道)中扩展车辆和卫星之间通信的卫星通信系统。

因此，本发明解决了有关由于缺乏卫星可视性所造成的卫星通信服务不连续的问题。

一般地说，该卫星通信系统包括：

·固定收发机系统，其能够确保“无缝”服务并且可以被安装在卫星的非可视区域中；特别地，其可以耦合到任何长度的铁路隧道；以及

·移动收发机系统，其直接与已经安装在移动车辆(具体地，火车)上的卫星收发机装置集成，并且该移动收发机系统被配置为在可用于卫星可视区域中的一个或多个卫星信道和在卫星的非可视区域(具体地，在铁路隧道内)中由固定收发机系统提供的一个或多个无线信道之间自动地进行切换。

优选地，固定收发机系统被配置为当火车接近该固定收发机系统所耦合的相应隧道时自动地开启或者要被自动地开启。

图1是以示例方式提供的场景的示意性视图，根据本发明的卫星通信系统在该场景中进行操作。

具体地，图1是火车1穿过其中安装了卫星通信系统的铁路隧道2的示意性视图，该卫星通信系统包括：

·固定卫星天线11，其位于铁路隧道2外部，并且被配置为接收由卫星(图1中未示出)在一个或多个下行链路载频上发射的下行链路信号；

·多个固定地面天线12，其以覆盖铁路隧道2的总长度的方式位于铁路隧道2内部，优选地，该多个固定地面天线通过光纤连接与固定卫星天线11耦合，并且该多个固定地面天线被配置为在铁路隧道2中在下行链路载频上重新发射由固定卫星天线11接收的下行链路信号；以及

·移动地面天线13，其安装在火车1的顶部，被配置为当火车1处于铁路隧道2时接收由固定地面天线12在铁路隧道2中重新发射的下行链路信号，并且在一个或多个上行链路载频上发射上行链路信号用于火车1上的用户的上行链路通信；固定地面天线12进一步被配置为接收由移动地面天线13发射的上行链路信号；固定卫星天线11进一步被配置为在上行链路载频上将固定地面天线12接收的上行链路信号发射至卫星；在火车1的顶部还安装有移动卫星天线(图1中未示出)，其被配置为在卫星可视的区域中直接地从卫星接收下行链路信号并且直接向卫星发射上行链路信号。

此外，火车1可以方便地设置有优选为无线的LAN(局域网)类型的内部通信网络(图1中未示出)，其与移动地面天线13和移动卫星天线耦合，并且被设计为使得在火车1上并且配有电子设备(诸如，智能手机、笔记本等)的用户能够使用基于下行链路和上行链路信号的通信服务。

固定卫星天线11、固定地面天线12和连接它们的光纤连接构成了卫星通信系统的固定收发机系统。固定收发机系统可以被看作是中继类型的透明站，其扩展隧道2中的卫星无线电信道，使得火车1上的用户也能够在隧道(即，卫星不可视的区域)中单向和/或双向地进行通信。

优选地，固定收发机系统配备有自动开启/关闭系统，该自动开启/关闭系统用于限制当隧道2中没有火车时在隧道内部的传输所导致的环境影响并且延长固定收发机系统自身的服务寿命。

此外，移动地面天线13被配置为接收由固定地面天线12在除了移动卫星天线的正常指向方向之外的方向上、在铁路隧道2内重新发射的下行链路信号，而移动卫星天线必须连续地对准卫星。

换句话说，移动地面天线13是非定向天线，而移动卫星天线是以连续地对准卫星的方式安装在火车1的顶部上的定向天线。

同样地，固定卫星天线11是以连续地对准卫星的方式安装在铁路隧道2外部的定向天线，而每个固定地面天线12是非定向天线。

通过安装在火车1上的移动收发机系统，在火车1上对于卫星的可视区域中存在的卫星无线电信道和卫星的非可视区域(例如，隧道2)中存在的地面无线电信道之间的自动切换进行管理，其中，将在下文中更详细描述的移动收发机系统包括移动地面天线13和移动卫星天线。

图2更详细地示出了在图1示出并且之前描述的卫星通信系统。

具体地，图1中示出并且先前描述的卫星通信系统的部件在图2中被指定为与图1所使用的标号相同的参考标号，并且以下不再详细描述。

详细地，图2示出了：

·火车1在隧道2内；

·以卫星的完全可视(图2中未示出)的方式位于隧道2外部的固定卫星天线11，其被设计为在下行链路载频上接收来自卫星的下行链路信号/在上行链路载频上将上行链路信号发射至卫星，并且因此对准卫星，即，具有确保与卫星对准(即，指向卫星)的辐射模式；

·位于铁路隧道2内、与固定卫星天线11耦合的固定地面天线12，该固定地面天线被设计为在上行链路载频上接收来自隧道2内的火车(例如，火车1)的上行链路信号/在下行链路载频上将下行链路信号发射至隧道2内的火车(例如，火车1)；

·安装在火车1顶部、具有低方向性的移动地面天线13，其被设计为当火车1处于卫星不可视的区域时(例如，当火车1在隧道2内)在下行链路载频上接收下行链路信号/在上行链路载频上发射上行链路信号；以及

·安装在火车1顶部的移动卫星天线，其被设计为当火车1处于卫星可视的区域时在下行链路载频上接收来自卫星的下行链路信号/在上行链路载频上将上行链路信号发射至卫星，并因此对准卫星，即，具有确保与卫星连续对准(即，连续指向卫星)的辐射模式，在图2中移动卫星天线被指定为14。

固定卫星天线11可以被看作隧道2配备的固定收发机系统的朝向卫星的网关天线。

固定地面天线12可以被看作是隧道2内的、来自卫星并且由固定网关卫星天线11接收的信号的中继器。

安装在隧道2中的固定地面天线12的数量取决于与移动地面天线13相关的每个单独的固定地面天线12的链路预算的分配并且取决于隧道2的长度。

图3更详细地描述固定收发机系统，其包括固定卫星天线11和固定地面天线12。

具体地，如图3所示，固定卫星天线11与第一信号分发/获取光电系统15耦合，接下来，该第一信号分发/获取光电系统通过光纤连接与多个第二信号分发/获取光电系统16耦合，该第二信号分发/获取光电系统中的每一个均与相应的固定地面天线12耦合。

此外，图4示出了更详细地表示图3示出的固定收发机系统的框图，具体地是第一信号分发/获取光电系统15和多个第二信号分发/获取光电系统16，图5示出了图4所示的第一信号分发/获取光电系统15的放大图，图6示出了图4所示的多个第二信号分发/获取光电系统16之一的放大图。

具体地，如图4和图5所示，第一信号分发/获取光电系统15包括：

·第一双工器(R/T)151，与固定卫星天线11耦合；

·第一低噪声放大器(LNA)152，通过同轴电缆连接到第一双工器(R/T)151；

第一功率放大器(PA)153，通过同轴电缆连接到第一双工器(R/T)151；

·第一双向光电转换器(E/O)154，通过同轴电缆连接到第一低噪声放大器(LNA)152和第一功率放大器(PA)153；

·光学合成器(1＜-N)155，通过光纤连接到第一双向光电转换器(E/O)154；以及

·分光器(1-＞N)156，通过光纤连接到第一双向光电转换器(E/O)154。

此外，如图4和图6所示，每个第二信号分发/获取光电系统16包括：

·各自的第二双工器(R/T)161，与相应的固定地面天线12耦合；

·各自的第二低噪声放大器(LNA)162，通过同轴电缆连接到相应的第二双工器(R/T)161；

·各自的第二功率放大器(PA)163，通过同轴电缆连接到相应的第二双工器(R/T)161；以及

·各自的第二双向光电转换器(E/O)164，其通过同轴电缆连接到相应的第二低噪声放大器(LNA)162和相应的第二功率放大器(PA)163。

第一双工器(R/T)151被配置为将下行链路信号(即，在卫星-火车方向上用于通信的信号)从固定卫星天线11路由至第一低噪声放大器(LNA)152；以及将上行链路信号(即，在火车-卫星方向上用于通信的信号)从第一功率放大器(PA)153路由至固定卫星天线11。

在固定收发机系统的正常操作期间，由固定卫星天线11接收的信号首先被第一双工器(R/T)151路由到第一低噪声放大器(LNA)152，然后被第一低噪声放大器(LNA)152进行放大，然后被第一光电转换器(E/O)154从射频(RF)转换到光频。转换到光频的信号在光纤中传输，到达具有N个输出端的分光器(1-＞N)156，其中，N等于隧道2中安装的固定地面天线12的数量，该分光器将接收到的光频信号分为N个光频信号，每个光频信号被提供至分光器(1-＞N)156的各个输出端。

此外，提供至分光器(1-＞N)156的输出端的N个光频信号中的每一个在光纤上传输，到达相应的第二光电转换器(E/O)164，该第二光电转换器(E/O)164将其从光频转换到射频(RF)。转换到射频(RF)的信号首先由相应的第二功率放大器(PA)163进行放大，然后由相应的第二双工器(R/T)161路由到相应的固定地面天线12，该固定地面天线在隧道2中发射该信号。

同样地，由固定地面天线12接收的信号首先由相应的第二双工器(R/T)161路由到相应的第二低噪声放大器(LNA)162，然后由该相应的第二低噪声放大器(LNA)162进行放大，然后由相应的第二光电转换器(E/O)164从射频(RF)转换到光频。转换到光频的信号在光纤中传输，到达具有N个输入端的光学合成器(1＜-N)155，该光学合成器将在其输入端接收的N个光频信号组合为单个合成的光频信号，然后该信号被提供至输出端。该合成的光频信号在光纤上传输，到达第一光电转换器(E/O)154，该第一光电转换器将该信号从光频转换到射频(RF)。转换到射频(RF)的合成信号首先由第一功率放大器(PA)153进行放大，然后由第一双工器(R/T)151路由到固定卫星天线11，该固定卫星天线将该信号发射至卫星。

此外，图7示出了详细地图示安装在火车1上的移动收发机系统的框图。

具体地，如图7所示，移动收发机系统包括：

·卫星子系统21；

·地面子系统22；

·卫星导航子系统23；以及

·子系统自动切换器24，其与卫星子系统21、地面子系统22、卫星导航子系统23、以及火车1的内部通信网络(LAN)(在图7中被指定为25)耦合，并且该子系统自动切换器被配置为在卫星子系统21和地面子系统22之间自动地切换来自/去往内部通信网络(LAN)25的通信。

更详细地，再次如图7所示，卫星子系统21包括：

·移动卫星天线14；

·第一转换器(RF/BB)211，其与移动卫星天线14耦合，并且被配置为将通过移动卫星天线14接收的下行链路信号从射频(RF)降到基带(BB)，并且将要被移动卫星天线14发射的上行链路信号从基带(BB)升到射频(RF)；

·第一调制解调器212，与第一转换器(RF/BB)211以及子系统自动切换器24耦合，并且被配置为对基带(BB)处的上行链路进行调制/对基带(BB)处的下行链路信号进行解调；以及

·第一分析模块213，与第一调制解调器212以及子系统自动切换器24耦合，并且被配置为分析下行链路卫星无线电信道的质量。

此外，再次如图7所示，地面子系统22包括：

·移动地面天线13；

·第二转换器(RF/BB)221，与移动地面天线13耦合，并且被配置为将通过移动地面天线13接收的下行链路信号从射频(RF)降到基带(BB)，并且将必须被移动地面天线13发射的上行链路信号从基带(BB)升到射频(RF)；

·第二调制解调器222，与第二转换器(RF/BB)221以及子系统自动切换器24耦合，并且被配置为对基带(BB)处的上行链路进行调制/对基带(BB)处的下行链路信号进行解调；以及

·第二分析模块223，与第二调制解调器222和子系统自动切换器24耦合，并且被配置为分析下行链路地面无线电信道的质量。

最后，再次如图7所示，卫星导航子系统23包括：

·移动GPS天线231，被配置为接收由GPS系统发射的导航卫星信号；

·GPS接收机232，与移动GPS天线231耦合，并且被配置为根据移动GPS天线231接收的信号来计算火车1的位置；以及

·第三分析模块233，与GPS接收机232和子系统自动切换器24耦合，并且被配置为分析接收到的GPS信号。

正如本领域技术人员可以从图7中容易地理解，分别由移动卫星天线14和移动地面天线13接收的下行链路信号首先分别由第一转换器(RF/BB)211和第二转换器(RF/BB)221从射频(RF)降到基带(BB)，然后分别由第一调制解调器212和第二调制解调器222进行解调，然后被供应至子系统自动切换器24以及分别供应至第一分析模块213和第二分析模块223。

第一分析模块213根据对由移动卫星天线14接收的、被降到基带(BB)并且解调的下行链路信号的信噪比或每比特能量与噪声功率谱密度比(E_b/N₀)的分析，或者根据对于其比特误差率(“Bit Error Rate”-BER)的分析，来确定下行链路卫星无线电信道的质量。

第二分析模块223根据对由移动地面天线13接收的、被降到基带(BB)并且解调的下行链路信号的信噪比或每比特能量与噪声功率谱密度比E_b/N₀的分析，或者根据对于其BER的分析，来确定下行链路地面无线电信道的质量。

子系统自动切换器24被配置为能够根据火车1是否在卫星的可视区域中(特别是在铁路隧道(例如，隧道2)外部或内部)使用移动卫星天线14或移动地面天线13。

具体地，当火车1位于卫星的可视区域中时，经由移动卫星天线14来接收和发射信号，然而，当火车位于铁路隧道(例如，隧道2)中时，经由移动地面天线13接收和发射信号。

详细地，子系统自动切换器24根据由第一分析模块213和第二分析模块223对在基带(BB)处解调的信号执行的分析的结果和由第三分析模块233对接收到的GPS信号的分析的结果，自动地确定要在卫星子系统21和地面子系统22之间使用哪个收发子系统。因此，根据在卫星子系统21和地面子系统22之间要使用哪个收发子系统，子系统自动切换器24将基带(BB)处解调的各个下行链路信号路由到火车1的内部通信网络(LAN)25。

同样地，在上行链路上，子系统自动切换器24将来自内部通信网络(LAN)25的上行链路信号路由到卫星子系统21和地面子系统22之间正在被使用的收发子系统，该信号首先分别由第一调制解调器212或第二调制解调器222进行调制，然后分别由第一转换器(RF/BB)211和第二转换器(RF/BB)221从基带(BB)变到射频(RF)，然后分别被移动卫星天线14或移动地面天线13进行发射。

方便地，移动地面天线13可以以距移动卫星天线14一预设距离被安装在火车1的乘客舱的座位下方，以避免信号环路。

具体地，也为了避免信号环路，可以方便地通过在卫星信号的工作频率处适当大小的电磁势阱将移动卫星天线14与移动地面天线13隔离，并且被设置为分开一个显著的距离。

如前所述，在卫星子系统21和地面子系统22之间进行切换的逻辑是基于对下行链路卫星信道和地面无线电信道的质量的分析，具体地是对信噪比或E_b/N₀比或者BER的分析，并且根据由第三分析模块233(其能够检测出火车1进入隧道2)发射的信息。

在这点上，在图8中示出了代表根据本发明的第一优选实施方式、在卫星子系统21和地面子系统22之间自动切换的流程图。

具体地，如图8所示，如果由第一分析模块213根据由移动卫星天线14接收的、被降到基带并且被解调的下行链路信号计算得到的第一比特误差率BER_S低于由第二分析模块223根据由移动地面天线13接收的、被降到基带并且被解调的下行链路信号计算得到的第二比特误差率BER_T(在第二个框82中出现的条件)，则通过移动卫星天线14接收和发射信号(TX开启-RX开启)，并且仅通过移动地面天线13(第一框81)接收信号(TX关闭-RX开启)；然而，如果第一比特误差率BER_S高于第二比特误差率BER_T并且不存在GPS信号(在第三个框83中出现的条件)，也就是说，第三分析模块233检测到移动GPS天线231没有正在接收任何GPS信号，则通过移动地面天线13接收和发射信号(TX开启-RX开启)，并且仅通过移动卫星天线14接收信号(TX关闭-RX开启)。

子系统自动切换器24的使用能够极大地减少任何可能的干扰。

有关双天线结构的另一优点是通过在两个天线上对信号的复制来优化信号接收。

优选地，移动地面天线13是具有弱方向性的小天线。

可替换地，根据本发明的第二优选实施方式，自动切换逻辑也可以仅基于由移动GPS天线231接收的GPS信号的处理。

在这点上，在以本申请人名义提交并结合于此作为参考的欧洲专利申请第EP1861530号所描述的是一种扩展在隧道中用于卫星导航的信号(具体地，GPS信号)的系统，在其多种功能中，该系统能够确定(即，检测)何时火车进入隧道。在第EP1861530号文献中所描述的系统的该特征可以被本发明有利地利用。

关于这一点，图9示出了在EP1861530中所描述类型的、用于在隧道2中扩展GPS信号的系统。

如图9所示，用于在隧道2中扩展GPS信号的系统包括：

·固定GPS天线31，位于隧道2外部并且被配置为接收GPS信号；以及

·M个转发器32，位于隧道内部，与固定GPS天线31耦合，并被配置为在隧道2中重新发射由固定GPS天线31接收的GPS信号，其中，M是整数并且在图9中等于1，也就是说，图9中仅示出了一个转发器32。

此外，根据本发明的第二优选实施方式，火车1的移动收发机系统可以不包括分析模块213、223和233，同时GPS接收机232与子系统自动切换器24直接地耦合，用于当火车1进入隧道或离开隧道(具体地，当火车1进入隧道2或离开隧道2)时通知该子系统自动切换器。

此外，根据本发明的该实施方式，子系统自动切换器24根据火车1进入隧道2/离开隧道2从而在卫星子系统21和地面子系统22之间切换来自/去往内部通信网络(LAN)25的通信。

具体地，GPS接收机232被配置为：

·根据移动GPS天线231接收的GPS信号来计算相位和伪距数据以及总时钟误差，其中，该总时钟误差包括固有时钟误差并且当火车1在隧道(具体地，在隧道2中)中时还包括取决于移动GPS天线231相对于固定GPS天线31的位置的附加时钟误差；

·根据计算出的总时钟误差来确定火车1何时进入隧道(具体地，隧道2)以及火车1何时离开隧道(具体地，隧道2)；

·如果火车1在隧道外部(具体地，在隧道2外部)，则根据计算出的相位和伪距数据来计算火车1的位置；

·如果火车1在隧道内(具体地，在隧道2内)，则计算所计算的总时钟误差中的附加时钟误差，根据计算出的附加时钟误差校正计算出的相位和伪距数据，并且根据经校正的相位和伪距数据计算火车1的位置；以及

·向子系统自动切换器24通知火车1何时进入隧道以及火车1何时离开隧道，具体地，火车1何时进入隧道2以及火车1何时离开隧道2，该子系统自动切换器24相应地在卫星子系统21和地面子系统22之间切换来自/去往内部通信网络(LAN)25的通信。

如之前提及的，优选地，固定收发机系统可以附加地被配置为：

·如果该固定收发机系统是关闭的并且火车(例如，火车1)将要进入隧道2，则自动地开启该固定收发机系统；以及

·如果火车(例如，火车1)离开隧道2并且没有其他火车在隧道2中，则自动地关闭该固定收发机系统。

具体地，卫星通信系统可以包括与固定收发机系统耦合的自动开启/关闭系统，并且该自动开启/关闭系统包括：

·至少一个传感器，安装在隧道2外部，并且被配置为检测火车(例如，火车1)是否要进入隧道2以及检测火车(例如，火车1)是否已经离开隧道2；以及

·开启/关闭控制单元，与固定收发机系统和传感器耦合，并且被配置为：如果固定收发机系统是关闭的并且传感器检测到火车(例如，火车1)将要进入隧道2，则开启该固定收发机系统；如果传感器检测到火车(例如，火车1)已经离开隧道2并且没有其他火车在隧道2中，则关闭该固定收发机系统。

方便地，自动开启/关闭控制单元可以包括：

·一个或多个通过传感器，以与配备有固定收发机系统的隧道(例如，隧道2)相距预设距离、沿着铁轨被安装，并且被配置为检测火车的通过以及该火车的移动方向；以及

·开启/关闭控制单元，其总是激活的并且与固定收发机系统耦合并且连接到通过传感器。

当通过传感器检测到火车通过，它们将该通过连同火车的移动方向一起传送给开启/关闭控制单元。从而，开启/关闭控制单元根据火车是否要进入隧道或是否离开隧道来开启或关闭固定收发机系统。

在这点上，图10是场景实施例的示意性图示，其中：

·(顶部图)火车1接近隧道2，隧道2配备的固定收发机系统最初关闭(OFF)，并且沿着铁轨安装了通过传感器40；

·(中部图)通过传感器40检测到火车1的通过并且与耦合到固定收发机系统的开启/关闭控制单元(图10中未示出)进行通信，火车1的通过是朝着隧道2的方向，因此开启/关闭控制单元开启固定收发机系统(ON)；以及

·(下部图)火车1要进入隧道2，并且固定收发机系统开启(ON)。

作为自动开启/关闭系统的替代或与该自动开启/关闭系统一起，固定收发机系统还可以与远程控制中心耦合，该远程控制中心被配置为：

·监视在铁路网上行进的火车以及相应的位置；

·存储铁路隧道的位置；

·根据铁路隧道的位置和被监视的火车的位置来确定被监视的火车(例如，火车1)是否要进入铁路隧道(例如，隧道2)；

·根据铁路隧道的位置和被监视的火车的位置来确定被监视的火车(例如，火车1)是否已经离开铁路隧道(例如，隧道2)；

·根据铁路隧道的位置和被监视的火车的位置来确定被监视的火车(例如，火车1)是否处于铁路隧道(例如，隧道2)内；

·如果固定收发机系统是关闭的并且被监视的火车(例如，火车1)将要进入隧道2，则打开该固定收发机系统；以及

·如果被监视的火车(例如，火车1)已经离开隧道2并且没有其他被监视的火车在隧道2中，则关闭该固定收发机系统。

因此，通过来自远程控制中心的异步通信可以提供对固定收发机系统的开启/关闭，其中，远程控制中心将在铁路网上行进的火车的位置与铁路隧道的位置进行比较。

最后，本申请人已经深入研究了在铁路隧道中发射信号的可能性，该项研究可以得到以下结论：在火车中有关多径的问题不是很严重并且不会导致信号的显著劣化。这对于宽带信号尤其是正确的。

从前述描述中，可以立即理解本发明的优点。

具体地，可以有优势地利用形成本发明的主题的系统，用于承载期望被传送至隧道或卫星的非可视区域的、任何类型的卫星通信和/或卫星导航，以及用于为铁路运输领域提供大量的潜在服务，这些潜在服务可以从导航扩展至监视甚至安全。

此外，形成本发明的主题的系统能够以上行链路频带和下行链路频带的相同载波并且以用于卫星的可视区域的相同载频在隧道中供应卫星信号。

再次，形成本发明的主题的系统使用光纤连接和光电装置(用于从射频转换到光频以及将光频转换到射频)使得卫星信号能够在任何长度的隧道中传递。

具体地，形成本发明的主题的系统能够克服当前已知的某些单个转发器系统的8千米的物理极限；因此其可以安装在任何长度的隧道中。

此外，用于开启/关闭固定收发机系统的自动系统的使用能够在隧道中没有火车时节省能量，限制当隧道中没有火车时关于传输的环境影响，并且延长固定收发机系统的服务寿命。

另一方面，与JP2001230718中描述的系统不同，形成本发明的主题的系统能够支持双向通信，该系统包括可以安装在任何长度的隧道中的多转发器固定收发机系统和用于开启/关闭该固定收发机系统的自动系统，并且通过使用与位于火车上的移动收发机系统直接集成的硬件/软件模块来实现在卫星无线电信道和隧道中重新发射的地面无线电信道之间的自动切换。

此外，与JP2001308765中描述的系统不同，形成本发明的主题的系统能够支持双向通信，并且该系统包括固定收发机系统和用于开启/关闭该固定收发机系统的自动系统，其中，该固定收发机系统可以被安装在任何长度的隧道中并且包括由光纤连接的多个转发器，该自动系统仅当火车出现时才开启该固定收发机系统。此外，从技术的角度以及根据隧道中的妨碍物，将用于在隧道中重新发射卫星无线电信道的固定地面天线专门设计为提供低方向性和低影响。

最后，与WO2007113861中描述的系统相比，本发明由于其独特的特征而截然不同并且提供了特定的解决方案；也就是说：

·存在固定收发机系统，该系统包括用于双向传输宽带卫星信号的、由光纤连接的、隧道内的多个转发器；

·对天线的方向性的优化，对隧道内的固定收发机系统的天线的方向性和安装在火车上的移动收发机系统的天线的方向性这两者进行优化；

·在卫星的可视区域和卫星的非可视区域两者中使用相同的载波频带和相同的载频，而不需要上行链路和下行链路两者中使用的载波频带的任何转换或载频的转换，即，使得安装在火车上的移动收发机系统在隧道中使用具有与隧道外使用的相同载频的相同信号；以及

·使用用于开启/关闭固定收发机系统的自动系统，该自动系统仅当在隧道中出现火车时才开启该固定收发机系统。

最后，可以对本发明进行各种修改是显而易见的，所有的修改都落入所附权利要求中限定的本发明的保护范围。

具体地，这里旨在强调，尽管本发明的说明书对于用于GPS系统的信号、天线、以及接收机做出了清楚的参考，但隐含了可以使用用于例如伽利略系统的其他全球无线导航系统(GNSS)的天线、接收机和信号的全部等价物。

Claims

1.一种用于在卫星的非可视区域(2)中扩展车辆(1)和所述卫星之间的通信的卫星通信系统，包括：

固定收发机系统，包括第一天线(11)和至少一个第二天线(12)，所述第一天线(11)被设计为位于所述卫星的所述非可视区域(2)外部，所述至少一个第二天线(12)与所述第一天线(11)耦合并且被设计为位于所述卫星的所述非可视区域(2)内部，并且所述固定收发机系统被配置为：

通过所述第一天线(11)接收由所述卫星在至少一个下行链路载频上发射的下行链路信号，以及

通过所述至少一个第二天线(12)在所述卫星的所述非可视区域(2)中、在至少一个下行链路载频上发射接收到的所述下行链路信号；

以及

被设计为安装在所述车辆(1)上的移动收发机系统，包括第三天线(13)和第四天线(14)，并且所述移动收发机系统被配置为：

通过所述第三天线(13)接收由所述固定收发机系统在所述至少一个下行链路载频上发射的所述下行链路信号，

通过所述第四天线(14)接收由所述卫星在所述至少一个下行链路载频上发射的所述下行链路信号，

确定所述车辆(1)是处于所述卫星的所述非可视区域(2)还是处于所述卫星的可视区域，以及

如果所述车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则通过所述第三天线(13)在至少一个上行链路载频上发射上行链路信号，如果所述车辆(1)处于所述卫星的可视区域，则通过所述第四天线(14)在所述至少一个上行链路载频上发射所述上行链路信号；

所述固定收发机系统进一步被配置为：

通过所述至少一个第二天线(12)接收由所述移动收发机系统在所述至少一个上行链路载频上发射的所述上行链路信号；以及

通过所述第一天线(11)在所述至少一个上行链路载频上向所述卫星发射接收到的所述上行链路信号。

2.根据权利要求1所述的卫星通信系统，其中，所述卫星的所述非可视区域(2)是隧道。

3.根据权利要求2所述的卫星通信系统，其中，所述固定收发机系统包括多个第二天线(12)，所述多个第二天线(12)与所述第一天线(11)耦合并且被设计为位于所述隧道(2)内部的不同位置，以覆盖所述隧道(2)的整个长度。

4.根据权利要求2或3所述的卫星通信系统，其中，所述车辆(1)是火车。

5.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，其中，所述第一天线(11)是被设计为放置在所述卫星的所述非可视区域(2)外部以对准所述卫星的定向天线，其中，每个第二天线(12)是非定向天线，其中，所述第三天线(13)是非定向天线，以及其中，所述第四天线(14)是被设计为安装在所述车辆(1)上以对准所述卫星的定向天线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，其中，所述移动收发机系统进一步包括被配置为接收导航卫星信号的第五天线(231)，并且所述移动收发机系统进一步被配置为：

根据由所述第五天线(231)接收的所述导航卫星信号来确定所述车辆(1)是处于所述卫星的所述非可视区域(2)还是处于所述卫星的可视区域。

7.根据权利要求6所述的卫星通信系统，其中，所述移动收发机系统进一步被配置为：

如果所述车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则仅通过所述第三天线(13)接收所述下行链路信号；以及如果所述车辆(1)处于所述卫星的可视区域中，则仅通过所述第四天线(14)接收所述下行链路信号。

8.根据权利要求6或7所述的卫星通信系统，其中，

所述固定收发机系统进一步包括第六天线(31)和至少一个转发器(32)，所述第六天线(31)被配置为接收导航卫星信号并且被设计为位于所述卫星的所述非可视区域(2)外部，所述至少一个转发器(32)与所述第六天线(31)耦合并且被设计为位于所述卫星的所述非可视区域(2)，所述固定收发机系统进一步被配置为：

通过所述至少一个转发器(32)在所述卫星的所述非可视区域(2)中发射由所述第六天线(31)接收的所述导航卫星信号；

所述移动收发机系统进一步包括与所述第五天线(231)耦合的卫星导航接收机(232)，并且所述卫星导航接收机被配置为：

根据由所述第五天线(231)接收的所述导航卫星信号来计算总时钟误差，其中，所述总时钟误差包括固有时钟误差并且当车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)中时还包括取决于所述第五天线(231)对于所述第六天线(31)的位置的附加时钟误差；以及

根据计算得到的总时钟误差确定所述车辆(1)何时进入所述卫星的所述非可视区域(2)以及所述车辆(1)何时离开所述卫星的所述非可视区域(2)。

9.根据权利要求6所述的卫星通信系统，其中，所述移动收发机系统进一步被配置为：

计算第一质量指示符，所述第一质量指示符指示通过所述第三天线(13)接收的所述下行链路信号的质量；

计算第二质量指示符，所述第二质量指示符指示通过所述第四天线(14)接收的所述下行链路信号的质量；以及

还根据计算得到的所述第一质量指示符和计算得到的所述第二质量指示符来确定所述车辆(1)是处于所述卫星的所述非可视区域(2)还是处于所述卫星的可视区域。

10.根据权利要求9所述的卫星通信系统，其中，所述第一质量指示符是根据通过所述第三天线(13)接收的所述下行链路信号计算得到的第一比特误差率(BER_T)，其中，所述第二质量指示符是根据通过所述第四天线(14)接收的所述下行链路信号计算得到的第二比特误差率(BER_S)，以及其中，所述移动收发机系统进一步被配置为：

如果计算得到的所述第一比特误差率(BER_T)高于计算得到的所述第二比特误差率(BER_S)，则确定所述车辆(1)处于所述卫星的可视区域；以及

如果计算得到的所述第一比特误差率(BER_T)低于计算得到的所述第二比特误差率(BER_S)并且所述第五天线(231)没有接收到导航卫星信号，则确定所述车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)。

11.根据权利要求10所述的卫星通信系统，其中，所述移动收发机系统进一步包括：

第一转换器(211)，与所述第四天线(14)耦合并且被配置为将通过所述第四天线(14)接收的所述下行链路信号从射频(RF)降到基带(BB)，并且将要被发射的经调制的上行链路信号从基带(BB)升到射频(RF)；

第一调制解调器(212)，与所述第一转换器(211)耦合并且被配置为对通过所述第四天线(14)接收且被降到基带(BB)的所述下行链路信号进行解调，并且对要被发射的上行链路信号进行调制；

第一分析模块(213)，与所述第一调制解调器(212)耦合并且被配置为根据通过所述第四天线(14)接收、被降到基带(BB)且被解调的所述下行链路信号计算所述第二比特误差率(BER_S)；

第二转换器(221)，与所述第三天线(13)耦合并且被配置为将通过所述第三天线(13)接收的所述下行链路信号从射频(RF)降到基带(BB)，并且将要被发射的经调制的上行链路信号从基带(BB)升到射频(RF)；

第二调制解调器(222)，与所述第二转换器(221)耦合并且被配置为对通过所述第三天线(13)接收且被降到基带(BB)的所述下行链路信号进行解调，并且对要被发射的上行链路信号进行调制；

第二分析模块(223)，与所述第二调制解调器(222)耦合并且被配置为根据通过所述第三天线(13)接收、被降到基带(BB)且被解调的所述下行链路信号计算所述第一比特误差率(BER_T)；

卫星导航接收机(232)，与所述第五天线(231)耦合并且被配置为根据由所述第五天线(231)接收的所述导航卫星信号来计算所述车辆(1)的位置；

第三分析模块(233)，与所述卫星导航接收机(232)耦合并且被配置为检测所述第五天线(231)是否没有接收到导航卫星信号；以及

切换器(24)，与所述车辆(1)的内部通信网络(25)、所述第一调制解调器(212)、所述第一分析模块(213)、所述第二调制解调器(222)、所述第二分析模块(223)以及所述第三分析模块(233)耦合，所述切换器(24)被配置为：

如果所述车辆(1)处于所述卫星的可视区域，则向所述内部通信网络(25)发送通过所述第四天线(14)接收、被降到基带(BB)且被解调的所述下行链路信号，并且向所述第一调制解调器(212)发送从所述内部通信网络(25)接收的、要被发射的上行链路信号，以及，

如果所述车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则向所述内部通信网络(25)发送通过所述第三天线(13)接收、被降到基带(BB)且被解调的所述下行链路信号，并且向所述第二调制解调器(222)发送从所述内部通信网络(25)接收的、要被发射的上行链路信号。

12.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，其中，所述固定收发机系统进一步包括：与所述第一天线(11)耦合的第一信号分发/获取光电系统(15)以及针对每个第二天线(12)的相应的第二信号分发/获取光电系统(16)，所述第一信号分发/获取光电系统(15)通过至少一个光纤连接与每个第二信号分发/获取光电系统(16)耦合。

13.根据权利要求12所述的卫星通信系统，其中，所述第一信号分发/获取光电系统(15)包括：

第一双工器(151)，与所述第一天线(11)耦合；

第一低噪声放大器(152)，通过同轴电缆连接到所述第一双工器(151)；

第一功率放大器(153)，通过同轴电缆连接到所述第一双工器(151)；

第一双向光电转换器(154)，通过同轴电缆连接到所述第一低噪声放大器(152)和所述第一功率放大器(153)；

光合成器(155)，通过光纤连接到所述第一光电转换器(154)；以及

分光器(156)，通过光纤连接到所述第一光电转换器(154)。

14.根据权利要求12或13所述的卫星通信系统，其中，每个第二信号分发/获取光电系统(16)包括：

各自的第二双工器(161)，与相应的所述第二天线(12)耦合；

各自的第二低噪声放大器(162)，通过同轴电缆连接到各自的所述第二双工器(161)；

各自的第二功率放大器(163)，通过同轴电缆连接到各自的所述第二双工器(161)；以及

各自的第二双向光电转换器(164)，通过同轴电缆连接到各自的所述第二低噪声放大器(162)和各自的所述第二功率放大器(163)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，其中，所述固定收发机系统进一步被配置为：

如果所述固定收发机系统是关闭的并且车辆(1)将要进入所述卫星的所述非可视区域(2)，则自动地开启所述固定收发机系统；以及

如果车辆(1)离开所述卫星的所述非可视区域(2)并且没有其他车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则自动地关闭所述固定收发机系统。

16.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，进一步包括：

至少一个传感器(40)，安装在所述卫星的所述非可视区域(2)外部并且被配置为：

检测车辆(1)是否将要进入所述卫星的所述非可视区域(2)，以及

检测车辆(1)是否已经离开所述卫星的所述非可视区域(2)；以及

开启/关闭控制单元，与所述固定收发机系统和所述至少一个传感器(40)耦合并且被配置为：

如果所述固定收发机系统是关闭的并且所述至少一个传感器(40)检测到车辆(1)将要进入所述卫星的所述非可视区域(2)，则开启所述固定收发机系统；以及

如果所述至少一个传感器(40)检测到车辆(1)已经离开所述卫星的所述非可视区域(2)并且没有其他车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则关闭所述固定收发机系统。

17.根据前述权利要求中任一项所述的卫星通信系统，其中，所述固定收发机系统与远程控制中心耦合并且被配置为由所述远程控制中心开启和关闭，其中，所述远程控制中心被配置为：

监视运动中的车辆(1)；

确定被监视的车辆(1)是否将要进入所述卫星的所述非可视区域(2)；

确定被监视的车辆(1)是否已经离开所述卫星的所述非可视区域(2)；

如果所述固定收发机系统是关闭的并且被监视的车辆(1)将要进入所述卫星的所述非可视区域(2)，则开启所述固定收发机系统；以及

如果被监视的车辆(1)已经离开所述卫星的所述非可视区域(2)并且没有其他被监视的车辆(1)处于所述卫星的所述非可视区域(2)，则关闭所述固定收发机系统。

18.一种根据前述权利要求中任一项所述的固定收发机系统。

19.一种根据前述权利要求中任一项所述的移动收发机系统。