CN108028699B - 具有在指定地点增强容量的卫星通信系统 - Google Patents

Abstract

用于向整个地球提供通信服务的通信卫星系统，其为基于近地轨道(LEO)中的多颗卫星。所述卫星在多个轨道中绕地球运行，其中每个轨道中有多颗卫星。这种轨道设置会导致地球表面上的一些地点接收到冗余卫星覆盖。在本发明的实施方案中能够选择性地并且自适应性地旋转一些卫星的取向，以便将一些冗余覆盖从不需要冗余覆盖的地点转移到冗余覆盖有利的地点。

Description

具有在指定地点增强容量的卫星通信系统

技术领域

本发明大体上涉及地球轨道通信卫星，更具体地，本发明涉及近地轨道中的通信卫星系统。

背景技术

自太空时代开始以来，通信卫星一直是空间技术的重要应用。第一颗通信卫星是Telstar。当时，这是一项非凡的技术成就。它由美国新泽西州汉姆戴尔市的贝尔电话实验室设计、建造并运营。

为了提供通信服务，通信卫星从地球表面接收无线电信号并且向地球表面发射无线电信号。Telstar是第一颗也是当时唯一一颗通信卫星，其不可能向地球表面上的每个地点提供不间断的通信服务。在任意给定时间，只有恰巧在卫星视野内的少数地点才能向卫星发射无线电信号和/或从卫星接收无线电信号。在更现代的通信卫星系统中，人们往往希望在任何时候地球上的每一个地方都能被提供通信服务，这种能力通常被称为全球覆盖。此外，地球上的许多地方和地点比其它地方和地点需要更多的通信容量。例如，可想到的是，城市和其它人口稠密的地点比荒芜地区的地点需要更多的通信容量。

出于本公开和所附权利要求书的目的，术语“地方”和“地点”的含义略微不同。这两个术语都是指相对于地球本身的在已知位置(经度和纬度)处的地球表面的一部分。然而，术语“地方”被理解为是指小到足以有效地等同于地球表面上的单个点的事物，而地点可具有任意大小。例如，小岛屿、村庄或海上船舶可称为“地方”，也可称为“地点”；相比之下，世界上大多数国家都太大而不能被称为“地方”，只能称为“地点”。本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚“地点”何时也可被称为“地方”。

在前一段中列举的实例中，通过海上船舶强调了“地点”不必位于地球表面上固定不变的位置的事实。实际上，卫星通信系统对于向诸如船舶、航空器、公共汽车、汽车等非固定物体提供通信服务特别有用。在测量非固定物体位置的技术领域中，许多技术已为大家熟知。例如，全球定位系统(GPS)可用于测量海上船舶或其它非固定物体的位置。如果物体在地球表面上的位置是已知的，则根据前一段的定义可将其视为“地点”。

可利用基于近地轨道(LEO)的卫星系统通过通信卫星实现全球覆盖的目标。出于本公开和所附权利要求书的目的，如果卫星在轨道上的所有点始终在地球表面2000km以内，则卫星轨道将被视为LEO轨道。一个等效定义是，卫星在地球表面上方的高度不得超过2000km。

如果LEO轨道经过两极上方或接近上方，则其被称为“极”轨道。出于本公开和所附权利要求书的目的，LEO极轨道是地面轨迹与地球表面上的北极圈和南极圈相交的LEO轨道。分别被北极圈和南极圈包围的极冠被称为“极区”。

图1描绘了用于通信卫星(其被描绘为LEO卫星140)的可能LEO极轨道150。图1示出了行星地球110的轮廓，其中清楚地勾画了大陆板块的轮廓。北极120和南极130的位置由表示地球的旋转轴线的直线指示。轨道正好经过两极上方。卫星在箭头所示的运动方向101上沿着轨道运行。采用如图1所描绘的轨道，卫星需要将近两个小时来完成沿一个完整轨道的运行。

图2更详细地描述了卫星及其与其下方的地球表面的关系。(在这个详细图中以及在一些后续图中，已经省略了地球表面上的大陆轮廓以避免视觉混乱)。LEO卫星140配备有一个或多个无线电天线，其被描绘为无线电天线210。天线朝向地球110的表面发射一个或多个无线电信号。这种发射在图中被示出为天线波束220。无线电发射可由位于地球表面上的覆盖区域(其被描绘为覆盖区域230)内的地球终端接收。卫星还能够接收地球终端所发射的无线电信号。对于通信卫星，无线电信号可用于支持通信信道，从而向那些地球终端提供双向通信服务。相反，位于覆盖区域之外的地球终端无法从卫星接收足够强的信号，并且这些地球终端的发射信号也不能以足够的强度被卫星接收。

出于本公开和所附权利要求书的目的，术语“地球终端”是指由通信卫星系统所提供的通信服务的最终用户操作的通信终端。在许多通信卫星系统中，通信服务提供与诸如因特网等基于地球的网络连接。因此，这种系统中的卫星通常还具有将通信信道中继到地球上用于与基于地球的网络连接的中继站的天线。这种中继站通常由通信卫星系统的运营商或其附属公司运营，出于本公开和所附权利要求书的目的，不应视为“地球终端”。

与例如用于支持控制信道或用于与中继站通信的天线相比，用于作为与地球终端通信的通信信道的无线电天线被称为通信天线。地球终端是位于地球表面上或附近(包括例如在航空器或海上船舶上)的装置，这些装置能够发射和接收无线电信号以通过卫星的通信天线与通信卫星通信。

出于本公开和所附权利要求书的目的，卫星的“覆盖区域”是地球表面的一部分，地球终端能够经由卫星通过卫星的一根或多根通信天线接入通信服务。随着卫星沿着其轨道运行，卫星的覆盖区域随之在地球表面上移动。通常，卫星的覆盖区域以星下点(其在图2中被描绘为星下点245)为中心。星下点是地球表面上最靠近卫星的点。从这点来看，卫星恰好出现在头顶上的天顶处。随着卫星沿着其轨道运行，星下点与之一起移动。星下点追踪形成的路径被称为卫星移动的“地面轨迹”。

虽然覆盖区域在图1中示为具有圆形形状，但具有其它形状也是可能的。

图3描绘了矩形或准矩形形状对于覆盖区域而言是如何有利的。相邻覆盖区域之间适度重叠且没有未覆盖区域的情况下，准矩形形状可以实现地球表面的有效覆盖。该图示出了为实现具有适度重叠的完全覆盖准矩形覆盖区域301至306的设置方式。

图4示出了卫星的轨道与卫星的地面轨迹之间的关系。LEO卫星440在LEO极轨道450中绕地球运行。随着卫星沿着其轨道运行，星下点445的移动在地球表面上形成一条路径。所述路径在图4中被描绘为地面轨迹447。根据前面提供的定义，轨道450为极轨道，因为地面轨迹447在两个北极圈内很好地通过。明确地说，如图所示，轨道450的轨道倾角约为80°。

卫星的轨道是圆形的，因此，在图4中，卫星的地面轨迹447被描绘为地球表面上的大圆。然而，如上所述，卫星需要将近两个小时来完成一个完整轨道的运行。在这段时间内，地球旋转了将近30°。因此，图4中对地球表面上的大陆轮廓和网格线的描绘应理解为仅仅是地球位置在该时间段内单个时间点的快照。

当星下点沿着地面轨迹运行时，地球以稳定速率旋转，使得星下点在地球表面移动形成的实际路径并不是圆。当卫星完成一个完整轨道的运行并且返回到轨道上的同一点时，星下点并不会返回到地球表面的同一地方。

一般来说，星下点将永远不会返回到地球表面的同一确切地方，除非轨道周期恰巧是为了实现这一目标而特意设置的。例如，GPS卫星的轨道周期的设置是使得在大约两个轨道的运行之后，星下点再次沿同一地面轨迹移动。为了实现GPS卫星的这一目标，轨道周期被仔细地设置为约等于恒星日的一半。该值设置的精准程度使得即使存在由潮汐和地球两极变平引起的轨道旋进的情况下，GPS卫星在两个完整轨道的运行之后仍再次沿同一地面轨迹运行。

在该图中和本公开中描绘大陆轮廓和/或网格线的其它图中，应当理解的是，这种轮廓和网格线表示的是地球位置在特定时间点的快照，因为地球实际上一直在旋转。在这些图中，地球表面上所描绘的图案应当理解为地球不旋转时的图案。本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚在需要考虑地球旋转时，如何修改那些图案。本公开中所描绘的图案为最适合用于说明本发明及其实施方案。

在图4中，LEO卫星440的覆盖区域没有明确被描绘。然而，从图2的描绘中可以清楚看到，在任意给定时间，仅卫星下面的一小部分地球表面将通过卫星享受通信服务。为了实现全球覆盖，需要多颗卫星。

图5示出了同一轨道(即，共轨)中的多颗卫星如何能够向轨道下方(即，沿着和靠近地面轨迹)的地点提供连续不间断的覆盖。LEO极轨道150是圆，并且24颗卫星540在轨道150中绕地球运行。(在图中，为了避免视觉混乱，仅明确标记了24颗卫星540中的5颗卫星)。卫星被描绘为黑点。其沿着轨道均匀地间隔开，因为轨道是圆形的，所以它们都一直以相同速度移动，使得卫星之间的间距保持恒定。每颗卫星向以其星下点为中心的覆盖区域提供通信服务。相应地，在图5中，存在24个覆盖区域530。(在图中，为了避免视觉混乱，仅明确标记了24个覆盖区域530中的4个覆盖区域。)如果卫星的覆盖区域具有如图3所示的准矩形形状，则是有利的，因为相邻覆盖区域可提供具有适度重叠的连续覆盖。

图6从不同视点示出了24颗共轨卫星540。该图还示出了基于多颗卫星所形成的组合覆盖的形状。组合覆盖被描绘为覆盖条带647-1。覆盖条带为环绕地球且具有以卫星地面轨迹为中心线的带状物的形状(因此称为“条带”)。(各个覆盖区域530未被明确示出)。从图6清楚看到，覆盖条带647-1仅覆盖地球表面的一部分；因此，为了提供全球覆盖，需要更多轨道中的更多卫星。

图7描绘了两个不同的卫星轨道，其中两个轨道均为具有相同形状、高度和倾角的圆形LEO极轨道。开普勒定律指出，这两个轨道肯定在两个点处彼此相交。其中一个相交点在图中可见，表示为北极附近的相交点751。另一个相交点在南极附近，不可见。

图8描绘了对应于图7中两个轨道的覆盖条带。覆盖条带647-1对应于轨道450并且用垂直阴影线描绘；覆盖条带647-2对应于轨道750并且用水平阴影线描绘。两个轨道之间的角度被刻意设置为使得两个覆盖条带在其越过地球赤道810时几乎彼此不接触。然而，在其它纬度处，随着条带接近极区，在两个条带之间的重叠越来越多。重叠区域被描绘为具有垂直阴影线和水平阴影线的重叠区域860。

从图8的描绘中清楚看到，添加第二轨道扩大了整体覆盖，但覆盖区域没有加倍，因为在两个覆盖条带之间有大量重叠。重叠的存在可被视为资源浪费，因为在重叠区域中，一直有两颗卫星提供冗余覆盖。有人可能会争辩说，这种冗余覆盖实际上提供了向位于重叠区域中的地球终端供应更大通信容量的机会。的确，位于该区域的地球终端能够与两颗卫星通信，因此，同仅与一颗卫星通信相比，其具有双倍容量。同样地，该区域中的两个不同地球终端能够与两个不同的卫星通信，使得每个终端享有一颗卫星的全部容量，而不必与另一个终端共享这种容量。

遗憾的是，这种增强的容量并不像看起来那样有用。这是因为地球的旋转。如上文已经提到，地球在覆盖条带的图案下方不断旋转。图8所示的大陆轮廓和网格线只是地球位置在特定时间点的快照。如图8所描绘，覆盖条带的宽度约为10°。地球用不到40分钟就能旋转10°。因此，在某个特定时间位于重叠区域中的地点可能很容易就在几分钟后不再位于那个区域中。通常认为这种增强容量不稳定的可用性并不是很有用。另一方面，假如有可能保证特定地点将一直在重叠区域中，则将有可能充分利用双倍容量。或者，例如，假如有可能事先并且按需安排特定地点在将来特定所需时间位于重叠区域中，其也将是有用的。在这种情况下，重叠区域中可用的额外容量可被有效且有利地利用。

发明内容

本发明的实施方案可用于基于LEO轨道的通信卫星系统。图9描绘了具有18个LEO极轨道并且每个轨道中有36颗卫星(总共648颗卫星)的系统。18个轨道平面以10°的增量均匀地间隔开。本发明的实施方案基于以下事实，即不改变卫星本身的位置和轨迹，而卫星覆盖区域在地球表面上的位置可在有限范围内改变。明确地说，如本领域中通常所做那样，卫星的覆盖区域230在图2中被示出为是以星下点为中心的区域。然而，通过简单地改变卫星的取向可容易地使覆盖区域偏离中心。

卫星的取向由卫星的姿态控制模块控制，姿态控制模块包括用于控制和调整卫星取向的硬件和软件。例如，姿态控制模块可能包括一组反作用轮，其旋转速率决定了卫星主体的旋转速率。姿态控制模块可令卫星旋转而不改变卫星的轨迹。明确地说，其可令卫星围绕与其沿着轨道的运动方向平行的轴线旋转。这种轴线在本领域中被称为“翻滚”轴线(与“俯仰”轴线和“偏航”轴线相对)。

在英语中，动词“旋转”及其变形形式(动名词“旋转”、名词“旋转”等)既可为及物的，也可为不及物的。在本公开和所附权利要求书中，两种变体都使用。例如，动词在“地球旋转”中为不及物的，但在“由姿态控制模块旋转卫星”中是及物动词。结合上下文将会清楚地看出在每次出现时使用的是哪种变体。

当卫星旋转时，卫星的整个主体的取向改变，包括通信天线的取向(如果其刚性地附接到卫星的主体)。由于通信天线的旋转，地球表面上的覆盖区域的位置通常将改变。明确地说，如果旋转是围绕翻滚轴线，则覆盖区域将移动到图6所描绘的覆盖条带之外。因而，与图6所描绘的标称形状相比，覆盖条带的实际形状由于旋转的原因将会更改。图18中描绘了形状可能如何更改的实例。

覆盖条带形状的更改使得其与其它覆盖条带重叠的区域的位置发生改变。利用本发明的实施方案的通信卫星系统在地球旋转时自适应地控制卫星旋转的程度和定时，从而使得重叠区域位于地球表面上的需要增强通信容量的指定地点。

附图说明

图1描绘了现有技术中的LEO极轨道中的通信卫星。

图2示出了现有技术中的卫星覆盖区域和星下点的定义。

图3示出了准矩形覆盖区域如何能够有效地提供地球表面的有效覆盖。

图4示出了现有技术中的卫星地面轨迹的定义。

图5描绘了现有技术中的多个共轨卫星如何能够提供地球表面上的位于卫星地面轨迹附近的地点的连续覆盖。

图6示出了现有技术中的多个共轨卫星的覆盖区域如何组合成单个覆盖条带。

图7示出了现有技术中的如何在通信卫星系统中使用多个卫星轨道来实现全球覆盖。

图8示出了现有技术中的与相邻轨道相关联的相邻覆盖条带之间的几何关系。

图9描绘了可利用本发明的实施方案的通信卫星系统的快照。所述系统具有648颗卫星，其排列在位于均匀间隔开的轨道平面中的18个LEO极轨道中，每个轨道具有沿着轨道均匀分布的36颗共轨卫星。卫星被描绘成黑点。

图10描绘了相邻轨道中的卫星的覆盖条带如何在地球赤道处提供没有重叠的完全覆盖。

图11描绘了相邻轨道中的卫星的覆盖条带如何在纬度30°处具有较小重叠范围。

图12描绘了可如何通过使卫星围绕其翻滚轴线旋转来增加覆盖条带重叠范围。在本公开中，“倾斜”用作“旋转”的同义词。

图13描绘了覆盖条带重叠范围的增加如何受卫星旋转(倾斜)最大允许值限制。

图14描绘了覆盖条带重叠范围在远离赤道的纬度处如何更大。

图15描绘了如何可能地在多个相邻轨道中旋转卫星以避免覆盖间隙。

图16a至16e描绘了不同卫星倾斜组合的序列，上述序列的实施可以保证随着地球旋转地球表面上的指定地点一直处于覆盖条带重叠区域中。在这些图中，指定地点具有较小范围。

图17a至17f描绘了不同卫星倾斜组合的序列，上述序列的实施可以保证随着地球旋转地球表面上的指定地点一直处于覆盖条带重叠区域中。在这些图中，指定地点具有较大范围。

图18描绘了通过在卫星轨道中的某些点处实施卫星旋转而改变覆盖条带的几何形状。

具体实施方式

本发明的实施方案可根据需要在在地球表面上指定某些地点，使得在这些地点具有增强的通信容量。对于一些指定地点，可能需要一直具有增强的容量；而对于其它指定地点，可能需要在一天中的某些时间或根据需要(例如，在发生特殊活动或事件时)具有增强的容量。

一般来说，本发明的实施方案能够保证指定地点将在预先指定的时间间隔内具有双重覆盖。这种时间间隔可能是(例如)重复的每天或每个工作日中的特定部分，或者在指定地点处对于特定的最终用户方便的任意日子和时间。一些最终用户可能希望预先指定的时间间隔为每天24小时，以便始终不间断地进行双重覆盖。

通信卫星系统对于向地面通信系统不可用或难以接入的地点提供通信服务特别有利。举例来说，单个通信卫星可能具有10到20个通信天线，并且每个天线可能提供多达数百Mbit/s的通信容量。然而，地球上需要容量的地方往往聚集在一起。例如，偏远区域的小镇可能受益于经由卫星接入通信，但是这个小镇很可能小到足以完全容纳在单个天线波束内。在这种情况下，如果只有一颗卫星可用，则可用于这种小镇的总容量受到单个卫星天线容量的限制。

公海上的游轮就是这一问题的一个特别显著的实例，对于这些游轮来说，卫星是与世界其它地方通信的唯一实用手段。现代游轮可能具有多达六千名乘客和两千多名船员。如果可用于这种游轮的容量限于单颗卫星天线所提供的数百Mbit/s，则船上每个人平均只能获得几十kbit/s。显然，将可用于这种游轮的容量增加一倍会是非常有益的。

现有技术的通信卫星系统通常构造为保证地球上的每个地方总是在至少一颗卫星的视野内，使得能够保证用于最终用户的连接性在任何时候都是可用的。如背景技术部分中所论述，这意味着实际上地球上的许多地方在任意给定时间将在两个或更多颗卫星的视野内。有些地方(尤其是在两极附近)将一直享受这种双重覆盖。但是，那些地方通常不是需要增强容量的地方。需要增强容量的地方更有可能存在于有大部分人口居住的中纬度地区。

从图8中清楚地看出，在中纬度处，在现有技术的系统中地球表面相当大的部分在任意给定时间均享受双重覆盖。但是现有技术的系统无法控制在何时何地双重覆盖可用。因此，在任意给定时间，在不需要双重覆盖的区域中有大量双重覆盖可用；并且需要双重覆盖的区域无法被保证在需要时具有双重覆盖。相反，利用本发明的实施方案，有可能将双重覆盖从其可用但不需要的区域转移到需要的区域。同时每个地方至少有单个覆盖以继续保证连接性。

图10是地球赤道处的卫星覆盖图。曲线110表示从北极上方的位置可能看到的赤道处的地球表面。从这个视点来看，LEO极轨道(诸如图7所示的那些LEO极轨道)是从图的平面出来的线。图10还示出了在相邻极轨道中的7颗LEO卫星1040。卫星被描绘成黑点。

为了避免图中的视觉混乱，每颗卫星被描绘为具有单个通信天线。对应的天线波束描绘为天线波束220-1至220-7。每个天线波束被示为跨越了对应覆盖条带的宽度。存在7个覆盖条带647-1至647-7。如图10所描绘，再结合图8的解释，覆盖条带在赤道处提供了无任何重叠的完全覆盖。

图11是在远离赤道但未至中纬度那么远的纬度处的卫星覆盖图。图11中的图是针对纬度30°。该图对北纬30°和南纬30°均有效。在这种纬度处，在相邻覆盖条带之间存在一些重叠，图中示出为重叠1110，但重叠的范围较小。在这些纬度处只有大约12％的重叠。利用这种小重叠，难以(但不是不可能)通过实施本发明的实施方案以将重叠区域中可用的双倍容量从地球上的一个地方转移到另一个地方。接下来几个图中示出了细节。

图12示出了本发明的实施方案所采用的技术的基本元素：卫星旋转或“倾斜”。在本公开中，动词“倾斜”用作动词“旋转”的较短同义词。较短的单词有助于使图片没那么混乱并且更易于理解。图12中描绘的卫星1245已经绕其翻滚轴线旋转(倾斜)以便使其覆盖区域向西移动，即朝向未倾斜的卫星1240移动。卫星的姿态控制模块控制卫星1245完成了一定角度的旋转，该角度在图12中被示为倾斜角1230。

在图中，卫星1220的垂直方向由点垂线1220表示，而天线波束的对称轴线由虚线1221示出。垂线1220与地球表面相遇的点是星下点，而虚线1221与地球表面相遇的点是卫星1245的覆盖区域的近似中心。对于未倾斜的卫星，两条线重合，而对于倾斜的卫星，两条线之间的角度是卫星与标称卫星取向相比已经倾斜的角度。

图12中示出了卫星倾斜增加了卫星1245的覆盖区域与卫星1240的覆盖区域之间的重叠范围。该增加的代价是与卫星1245的另一侧的相邻覆盖条带(图12中未示出)的重叠范围减小。从这个意义上来说，卫星倾斜可被看作是用于将重叠和相关联的双倍容量从一个地点转移到另一个地点的技术手段。

图13示出了经由卫星倾斜能够转移多少重叠的限制。出于多种原因，卫星能够倾斜的角度不是无限的。例如，当从地球终端看时，卫星在地平线上方的允许高度可能存在下限。这种高度限制的结果是对卫星倾斜的限制，因为如果卫星倾斜得太多，从靠近覆盖区域边缘的地球终端来看，卫星在地平线上方的位置可能太低。另外，地球终端与卫星之间的距离可能要求不大于最大允许值，这也导致倾斜限制。出于这些和其它原因，在本发明的许多实施方案中将存在最大允许倾斜角度。

图13示出了当卫星倾斜最大量时发生的情况。卫星1345处于最大倾斜，其倾斜角度为最大倾斜角度1330。对于这个纬度，重叠1310增加的范围处于其最大可能值。遗憾的是，在图13的说明图中，这不足以使卫星1345的倾斜覆盖区域的边缘达到相邻覆盖条带的中心线，该中心线的位置在图中由箭头指示。箭头被标记为“卫星1240的地面轨迹1347”，因为那个地面轨迹是相邻覆盖条带的中心线，如图6所示。

倾斜卫星1345的覆盖区域的最大所及范围没有达到图13中的箭头那么远这一事实存在重要后果：地球上的恰好位于那个箭头的位置的地方将不能具有双倍容量。因此，在这些纬度处，本发明的实施方案无法无条件地保证对指定地点的双倍容量，因为随着地球旋转，那个地点可能在某一时刻位于覆盖条带的中心线上并且相邻轨道中的卫星均将不能够倾斜足够远以到达该地点。为了实现这种无条件保证的双倍容量，例如可以增大最大倾斜角度，或者可以增加覆盖条带的宽度使得即使在赤道处相邻覆盖条之间也存在一些重叠的程度。本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚何时以及如何增大覆盖条带的宽度或最大倾斜角度，以便能够在所需纬度处实施本发明的实施方案。

图14示出了卫星倾斜如何在高纬度有效地无条件地将双倍容量传送到任何地点。图14中的图是针对赤道以北或以南40°的纬度。在这些纬度处，相邻覆盖条带之间的重叠约为23％，并且在图14的描绘中，最大允许倾斜角度足够大，使得能够通过卫星倾斜向地球上的任何指定地方无条件地提供双倍容量。这在图14中由卫星1345示出，卫星1345以最大允许倾斜角度1330倾斜。其覆盖区域的边缘达到卫星1240的地面轨迹1347(由箭头表示)那么远。因为这个倾斜角度，箭头处的地方将享有双倍容量。对于比箭头更靠近卫星1345的地方，较小的倾斜角度将足以为它们提供双倍容量。

然而，该图示出了卫星覆盖中的间隙1450出现在卫星1345和与箭头相反的那侧上的相邻覆盖条带之间。这可以通过倾斜另一颗卫星倾斜来解决，如下图所示。

图15示出了如何通过相邻卫星的渐进倾斜来消除间隙1450。在图中，卫星1545倾斜的角度小于所允许的最大值。该角度恰好足以使间隙1450变得由卫星1545的覆盖区域覆盖，并且不会在其它地方出现其它间隙。然而，本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚在必要时如何通过渐进倾斜另外的卫星以覆盖可能出现的其它间隙。

图16a至16e描绘了不同卫星倾斜组合的序列，上述序列的实施可以保证随着地球旋转地球表面上的位于中纬度处的指定地点1600一直享有双倍容量。在这些图中，指定地点足够小，使得其可被视为地球上的单个地方，其位置在图中由白色箭头指示。

该序列从图16a开始，其中指定地点在卫星1240的覆盖条带的中心线上。针对指定地点的该位置实现双倍容量的卫星倾斜组合当然是已经在图15中描绘的组合。在随后的图中，随着地球旋转，由白色箭头指示的指定地点的位置将在黑色箭头地球旋转1610所指示的方向上向左移动。

在图16b中，指定地点已经移动了几个经度。其现在更接近于卫星1245，因此，卫星1245在向指定地点提供双倍容量时不需要倾斜以前那样多。另外，卫星1245的倾斜减小意味着不再需要倾斜卫星1545来覆盖间隙。

在图16c中，指定地点已经进一步移动，即使没有任何卫星倾斜，该指定地点现在处于在这些纬度处相邻覆盖条带之间产生的重叠区域中。在这个图中，不需要通过卫星倾斜来向指定地点提供双倍容量。

在图16d中，随着地球保持旋转，指定地点现在已经达到卫星1240需要倾斜的点，以便保持向指定地点提供双倍容量。其它卫星均不需要倾斜。图16d看起来像图16b的镜像。

在图16e中，指定地点已经达到卫星1245的覆盖条带的中心线。图16e看起来像图16a的镜像。因为指定地点现在位于覆盖条带的中心线上，所以卫星1240必须倾斜最大角度，并且卫星1640也必须倾斜以覆盖否则将会出现的覆盖间隙。

随着指定地点随地球的旋转而保持移动，现在能够以卫星1245的覆盖条带的中心线上的新起始点重复图16a至16e的序列。

图16a至16e针对的是地球上小到足以被视为单个地方的地点，但是有时需要向具有较宽范围的地点(例如，非常大的城市或者小国)提供双倍容量。

图17a至17f描绘了卫星倾斜组合的序列，上述序列用于持续向范围几乎为整个覆盖条带那么宽的地点保证双倍容量。当然，与图16a至16e的序列相比，需要倾斜更多卫星以保证对这种大地点的双倍容量。在图中，要覆盖的延伸地点被描绘为几乎像覆盖条带那么宽的白色矩形1700。

该序列从图17a开始，其中指定地点居中于卫星1240的覆盖条带内。为了向指定地点的整个宽度范围内提供双倍容量，两侧的卫星1245和1746需要倾斜。此外，还需要接下来两颗卫星1545和1747渐进倾斜以防止出现覆盖间隙。

在图17b中，指定地点已经移动了几个经度。卫星1545、1245、1746和1747需要保持其倾斜角度，但是现在甚至卫星1240也需要开始倾斜，以便随着地球转动，其覆盖区域跟随延伸地点1700。

在图17c中，卫星1240的倾斜角度已经达到允许最大值并且无法进一步倾斜。为了随着地球的持续转动而持续向地点1700提供双倍容量，其它某颗卫星需要开始倾斜。这在下图中示出。

在图17d中，卫星1545现在已经倾斜了最大角度，使得其覆盖区域的边缘达到在卫星1245下面的覆盖条带的中心线，以与卫星1240的覆盖区域的边缘相遇。这样，延伸地点1700能够继续享有双倍容量。同时，延伸地点1700的西部边缘仍然靠近在卫星1240下面的覆盖条带的中心线，使得卫星1245需要保持最大倾斜。然而，卫星1746现在能够减小其倾斜角度，因为其只需要覆盖在使其倾斜角度减小到零的情况下出现的间隙。图17d看起来像图17c的镜像。

在图17e中，随着地球保持旋转，卫星1745、1545、1240和1746需要保持其倾斜角度，而卫星1245需要保持改变其倾斜角度，使得其覆盖区域随着地球转动而跟随延伸地点1700。图17e看起来像图17b的镜像。

在图17f中，指定地点1700现在居中于卫星1245的覆盖条带内。图17f看起来像图17a的镜像，并且所述序列现在完成。随着指定地点随地球旋转而保持移动，现在能够以卫星1245的覆盖条带中的新起点重复图17a至17f的序列。

在图16a至16e以及17a至17f的图中，为了解释清楚起见，在连续图中使用相同的卫星标记。然而，本领域的技术人员将注意到，在如图的序列中所示地球旋转所花费的时间内，不同的卫星实际上将存在于由不同图中的黑点标记的位置。这些图中重复的卫星标记应解释为指代相同轨道中的卫星，而不是字面解释为指代相同的物理卫星。

例如，当图17b的论述陈述“卫星1545、1245、1746和1747需要保持其倾斜角度”时，所述陈述不应被解释为意味着一些物理卫星应当在由图17a和17b所跨越的时间间隔期间保持以恒定倾斜角度倾斜。相反，随着那四个轨道中的卫星在那个时间间隔期间接近纬度40°，其需要开始旋转以便当其达到纬度40°时具有图中所示的规定倾斜角度。随着其离开纬度40°，其能够旋转回到其标称取向，或者也许开始旋转到新的倾斜角度，该新的倾斜角度可能是支持不同纬度处的另一个指定地点所需要的。

关于卫星保持其倾斜角度的陈述应当理解为意味着在该纬度处的那些轨道中的卫星的规定倾斜角度在两个图之间的时间间隔内不改变。

图18示出了随着特定轨道中的卫星接近需要特定倾斜的点处的特定纬度而发生的情况。图18是从图6导出的，但在这个图中没有描绘大陆轮廓和网格线以便减少视觉混乱。共轨卫星的运动方向由箭头1801指示。当卫星的姿态控制模块需要旋转卫星时，旋转不能是瞬时的。因此，需要在卫星达到需要特定倾斜角度的纬度范围之前开始旋转。

在图18中，卫星旋转开始的点被示出为1810。当卫星达到1820时旋转完成，并且接着在纬度范围1830内保持倾斜角度。此后，卫星的姿态控制模块实施与在1810处开始的旋转相反的旋转，使得在地点1840与地点1850之间，卫星返回到其标称取向。

所有共轨卫星在其经过地点1810、1820、1840和1850上方时执行上一段所描述的操作。因而，图18的共轨卫星所实施的实际覆盖条带的形状不同于图6所描绘的覆盖条带的标称形状。该标称形状在图18中用虚线勾画。实际形状由垂直阴影线示出。在之前的段落和图中，提到卫星的覆盖条带时总是指卫星的标称覆盖条带；当然，在这些段落和图中所示出的倾斜操作导致实际覆盖条带不同于图18所示的标称条带。

随着地球旋转并且随着在特定纬度处所需要的倾斜角度随指定区域移动而改变，实际覆盖条带的形状仅缓慢地变化。同时，生成覆盖条带的共轨卫星以比指定区域快得多的速度移动。覆盖条带的形状保持稳定，因为所有卫星在轨道中的同一点处开始旋转；也就是说，当它们经过地点1810上方时，地点1810因此能够被视为触发卫星旋转开始的“触发”地点。

虽然图10至17f将相邻轨道中的卫星描绘为同时跨越相同纬度，但本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚，成功实施本发明的实施方案并不需要卫星的这种同步。实际上，例如，在图9所描绘的卫星系统中，相邻轨道中的卫星不会在同一时间跨越相同纬度。图18中所描绘的实际覆盖条带形状的更改不依赖于卫星540相对于相邻轨道中的卫星的定时。本领域的技术人员在阅读本公开之后将清楚在需要时如何调整图10至17f中所描绘的倾斜角度的精确值以适应相邻轨道中的卫星之间的特定相对定时。

应当理解，本公开仅教导一个或多个说明性实施方案的一个或多个实例，并且本领域的技术人员在阅读本公开之后能够容易地构想出本发明的许多变型，且本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种近地轨道中的通信卫星系统，该系统包括：

近地轨道中的多个通信卫星，其至少包括第一卫星和第二卫星；

其中每颗卫星包括一个或多个用于向所述卫星的覆盖区域提供通信服务的通信天线；

其中卫星的覆盖区域是地球表面的一部分，地球终端能够经由所述卫星接入通信服务；

其中每颗卫星还包括用于使所述卫星围绕其翻滚轴线旋转的姿态控制模块；

其中所述第一卫星和所述第二卫星在两个不同轨道中绕地球运行；

其中当所述第一卫星经过地球表面上的第一触发地点上方时，所述第一卫星的姿态控制模块令所述第一卫星围绕其翻滚轴线旋转第一角度，从而将所述第一卫星置于第一旋转取向；

其中所述第一卫星的姿态控制模块令所述第一卫星在覆盖时间间隔期间保持所述第一旋转取向，使得所述第一卫星的覆盖区域和所述第二卫星的覆盖区域在所述覆盖时间间隔期间至少部分地重叠；

使得地球表面上的指定地点在所述覆盖时间间隔期间保持处于所述覆盖区域重叠的部分内。

2.根据权利要求1所述的通信卫星系统，至少两颗卫星覆盖区域在每天的预先指定的时间段内在所述指定地点上方重叠。

3.根据权利要求1或2所述的通信卫星系统，两个轨道的平面沿着在极区中越过地球表面的线彼此相交。

4.根据权利要求1或2所述的通信卫星系统，所述指定地点包括在所述覆盖时间间隔期间由所述第二卫星追踪的地面轨迹的一部分。

5.根据权利要求1或2所述的通信卫星系统，

其中当所述第二卫星经过地球表面上的第二触发地点上方时，所述第二卫星的姿态控制模块令所述第二卫星围绕其翻滚轴线旋转第二角度，从而将所述第二卫星置于第二旋转取向；

其中所述第二卫星的姿态控制模块令所述第二卫星在所述覆盖时间间隔期间保持所述第二旋转取向，使得所述覆盖区域重叠的部分的大小变大。

6.根据权利要求1或2所述的通信卫星系统，

其中所述多个通信卫星还包括第三卫星；

其中所述第三卫星还包括用于向所述第三卫星的覆盖区域提供通信服务的一个或多个通信天线；

其中所述第三卫星还包括用于使所述第三卫星围绕其翻滚轴线旋转的姿态控制模块；

其中所述第三卫星在与所述第一卫星的所述轨道和所述第二卫星的所述轨道不同的轨道中绕地球运行；

其中当所述第三卫星经过地球表面上的第三触发地点上方时，所述第三卫星的姿态控制模块令所述第三卫星围绕其翻滚轴线旋转第三角度，从而将所述第三卫星置于第三旋转取向；

其中所述第三卫星的姿态控制模块令所述第三卫星在所述覆盖时间间隔期间保持所述第三旋转取向，使得地球表面上的遗漏地点在所述覆盖时间间隔期间处于所述第三卫星的覆盖区域内；

其中所述遗漏地点本该在所述覆盖时间间隔期间处于所述第一卫星的覆盖区域内，但事实是所述第一卫星在所述覆盖时间间隔期间保持所述第一旋转取向。

7.根据权利要求1所述的通信卫星系统，其中至少两颗卫星覆盖区域一直在所述指定地点上重叠。

8.根据权利要求1所述的通信卫星系统，其中至少两颗卫星覆盖区域于每个工作日的预先指定的时间段内在所述指定地点上重叠。

9.一种用于增强近地轨道中的通信卫星系统的通信容量的方法，该方法包括：

操作第一卫星的姿态控制模块以便当所述第一卫星经过地球表面上的第一触发地点上方时令所述第一卫星围绕其翻滚轴线旋转第一角度，从而将所述第一卫星置于第一旋转取向；

进一步操作所述第一卫星的姿态控制模块以便令所述第一卫星在覆盖时间间隔期间保持所述第一旋转取向，使得所述第一卫星的覆盖区域和第二卫星的覆盖区域在所述覆盖时间间隔期间至少部分地重叠；

其中卫星的覆盖区域是地球表面的一部分，其中地球终端能够经由所述卫星接入通信服务；

其中所述第一卫星和所述第二卫星在两个不同轨道中绕地球运行；

其中地球表面上的指定地点在所述覆盖时间间隔期间保持处于所述覆盖区域重叠的部分内。

10.根据权利要求9所述的方法，其中至少两颗卫星覆盖区域在每天的预先指定的时间段内在所述指定地点上重叠。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中两个轨道的平面沿着在极区中越过地球表面的线彼此相交。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述指定地点包括在所述覆盖时间间隔期间由所述第二卫星追踪的地面轨迹的一部分。

13.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：

操作所述第二卫星的姿态控制模块以便当所述第二卫星经过地球表面上的第二触发地点上方时令所述第二卫星围绕其翻滚轴线旋转第二角度，从而将所述第二卫星置于第二旋转取向；

进一步操作所述第二卫星的姿态控制模块以便令所述第二卫星在所述覆盖时间间隔期间保持所述第二旋转取向，使得所述第一卫星的覆盖区域和所述第二卫星的覆盖区域重叠的部分的大小变大。

14.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：

操作第三卫星的姿态控制模块以便当所述第三卫星经过地球表面上的第三触发地点上方时令所述第三卫星围绕其翻滚轴线旋转第三角度，从而将所述第三卫星置于第三旋转取向；

进一步操作所述第三卫星的姿态控制模块以便令所述第三卫星在所述覆盖时间间隔期间保持所述第三旋转取向，使得地球表面上的遗漏地点在所述覆盖时间间隔期间处于所述第三卫星的覆盖区域内；

其中所述第三卫星在与所述第一卫星的所述轨道和所述第二卫星的所述轨道不同的轨道中绕地球运行；

其中所述遗漏地点本该在所述覆盖时间间隔期间在所述第一卫星的覆盖区域内，但事实是所述第一卫星在所述覆盖时间间隔期间保持处于所述第一旋转取向。

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