CN110545137B

CN110545137B - 通信系统及其方法

Info

Publication number: CN110545137B
Application number: CN201910767603.7A
Authority: CN
Inventors: M.克雷布斯
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: CN106464343A; US9647749B2; CN106464343B; CN110545137A; US20160094288A1; US20170005719A1; US9973267B2; WO2016053389A1; DE112015004482T5

Abstract

本申请涉及一种通信系统(100)及其方法，所述通信系统(100)包括：环绕地球(30)旋转的通信设备(200)的群。每个通信设备包括带有相对于地球的赤道为小于90度大于0度的倾角的相应环绕路径或轨道(204)。该群包括通信设备的第一组(202,202a)，以自地球的第一高度且第一倾角环绕轨道旋转。该群还包括通信设备的第二组(202,202b)，以低于第一高度的自地球的第二高度且不同于第一倾角的第二倾角环绕轨道旋转。

Description

通信系统及其方法

本申请是申请日为2015年5月15日、申请号为201580030568.0、发明名称为“卫星群”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有环绕地球旋转的卫星的卫星群。

背景技术

通信网络是用于接收信息(信号)和将信息发送到目的地的大型分布式系统。在过去的几十年中，对于通信访问的需求急剧增长。虽然传统的线路和光线陆上网络、蜂窝式网络和对地静止卫星系统已经连续地增加以便满足增长的需要，但是已有的通信基础设施仍然不够满足增长的需求。此外，世界上的某些地区未连接到通信网络，因此不能成为其中任何事物都连接到因特网的全球社区的一部分。

卫星能够将通信服务提供到有线电缆不能达到的地区。卫星可以是对地静止的或非对地静止的。当从地球上的特定位置观看时，对地静止卫星永久保持在天空的同一区域中，因为卫星在以精确的一天的环绕周期环绕赤道旋转。非对地静止卫星典型地以低或中地球轨道运行，不是保持相对于地球上的固定位置静止。卫星的环绕轨道可以部分地由与地球的球心交叉并且包含该轨道的平面来描述。每个卫星可以提供有称为交互卫星链路(或者更通常的交互设备链路)的通信设备以与相同平面或其它平面中的其它卫星通信。通信设备使得卫星能够与其它卫星通信。此外，通信设备显著增加每个卫星的建造、发射和运营成本并且增加卫星的重量。通信设备还使卫星通信系统和允许每个卫星获取和跟踪相对位置变化的其它卫星的相关的天线和机构的设计和研发大大复杂化。每个天线具有机械或电气操控机构，这增加卫星的重量、成本、振动和复杂性，并且增大失败的风险。

发明内容

本发明的一个方面提供一种通信系统，包括环绕地球旋转的通信设备(例如卫星)群。每个通信设备具有相对于地球赤道倾角小于90度并且大于0度的相应的环绕路径或者轨道。该卫星群还包括以距离地球第一高度且以第一倾角环绕的第一组通信设备和以距离地球低于第一高度的第二高度且以不同于第一倾角的第二倾角环绕的第二组通信设备。

本发明的实施可以包括一个或多个下述可选特征。通信设备组可以提供地球各部分的重叠覆盖。

在某些范例中，一组通信设备以等于大约60度的倾角环绕地球旋转。此外或者替代地，环绕路径或轨道之内的通信设备可以分开相等的间隔。该系统还可以包括与至少一组通信设备中的通信设备通信的源地面站和与至少一组通信设备中的通信设备通信的目的地面站。

具有通信的当前的通信设备可以与前向通信设备和后向通信设备通信。前向通信设备和后向通信设备可以与当前的通信设备在相同的环绕路径或轨道之内。

该通信系统还可以包括与源地面站、通信设备群和目的地面站通信的数据处理设备。数据处理设备可以确定从与源地面站通信的源到与目的地面站通信的目的地的通信路由路径。此外或替代地，数据处理设备可以基于边界网关协议、内部网关协议、最大流量算法或最短路径算法中至少之一来确定路由路径。在某些实施方式中，数据处理设备基于源到目的地之间的距离、两个设备之间的内部卫星链路的容量、通信设备的工作状态和通信设备的信号强度中一个或多个的评分功能来确定路由路径。通信设备的工作状态可以包括通信设备作为整体或者通信设备的一个或多个单独部件的活动状态或非活动状态。

第一组通信设备和第二组通信设备可以安排用于提供在任意给定时间至少75％的地球覆盖率。此外，一个或多个通信设备可以具有地球的矩形或六边形覆盖区。

本发明的另一方面提供一种通信方法。该方法包括：在数据处理设备处确定从源地面站经环绕地球旋转的通信设备群到目的地面站的通信的路由路径。每个通信设备具有相应的相对于地球赤道小于90度且大于0度的倾角的环绕路径或轨道。通信设备群包括以距离地球第一高度且以第一倾角环绕的第一组通信设备和以距离地球低于第一高度的第二高度且以不同于第一倾角的第二倾角环绕的第二组通信设备。该方法还包括：利用数据处理设备指示源地面站经彼此通信的通信设备群中的一个或多个通信设备将通信发送到目的地面站。

在某些实施例中，该方法包括：指示源地面站将通信发送到第一组通信设备中的第一通信设备。该方法还包括：指示第一组通信设备中的第一通信设备将通信发送到第一组通信设备中的第二通信设备或者到第二组通信设备中的第三通信设备。

第一组通信设备和第二组通信设备可以安排用于提供在任意给定时间至少75％的地球覆盖率。此外，一个或多个通信设备具有地球的矩形或六边形覆盖区。

本发明的一个或多个实施例的细节在以下附图和说明中给出。本发明的其它方面、特征和优点将从说明书和附图以及权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1A是具有卫星的范例性全球规模通信系统的示意图；

图1B是图1A的卫星的范例性环绕路径或轨道的示意图；

图2A是全球规模通信系统的范例性第一组卫星的示意图；

图2B是全球规模通信系统的范例性第二组卫星的示意图；

图2C是图2A和2B中的全球规模通信系统的范例性第一和第二组卫星的示意图；

图3A是每组在不同高度的不同组卫星之间的示范性路径的示意图；

图3B是每组在不同高度的不同组卫星之间的示范性地球覆盖的示意图；

图4是卫星的范例性全球规模通信系统中使用的卫星的透视图；

图5是全球规模通信系统中用于在第一用户和第二用户之间发送通信的卫星的范例性路径的示意图；

图6是用于实施第一和第二用户之间的通信路径的范例性计算设备的示意图；

图7是用于两个用户之间的通信操作的范例性设置的示意图。

各图中类似的附图标记指代类似元素。

具体实施方式

参考图1A-1B，在某些实施例中，全球规模通信系统100包括卫星200、网关300(包括源地面站310、目的地面站320和可选的链接网关330)和系统数据处理设备110。在某些实施例中，源地面站310和/或目的地面站320是用户终端或连接到一个或多个用户终端的网关300。卫星200可以以低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)或高地球轨道(HEO)环绕地球30旋转，包括地球同步轨道(GEO)。卫星200包括接收来自源地面站310的通信20且将通信信号再寻径到目的地面站320的天线207。卫星200还包括处理收到的通信20并确定通信20到达目的地面站320的路径的数据处理设备210。此外，全球规模通信系统100包括多个地面站，诸如源地面站310、目的地面站320和可选的链接网关330。源地面站310经电缆的、光纤的或者无线的射频连接12a与第一用户10a通信，目的地面站320经电缆的、光纤的或者无线的射频连接12b与第二用户10b通信。在一些范例中，源地面站310和第一用户10a之间的通信20或者目的地面站320和第二用户10b之间的通信20是无线通信20(射频或者自由空间光学)。

卫星200是放入环绕地球30的轨道中的对象，并且可以用于不同目的，诸如军事或民用观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和科研卫星。卫星200的轨道部分取决于卫星200所用于的目的而变化。卫星轨道204可以基于它们距离地球30表面的高度而分类为低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)和高地球轨道(HEO)。LEO是以地球为中心的轨道(即环绕地球30的旋转)，其高度范围为0-1240英里。MEO也是以地球为中心的轨道，其高度范围是1200英里-22236英里。HEO也是以地球为中心的轨道，其高度范围是高于22236英里。地球同步轨道(GEO)是HEO的一种特殊情况。对地静止地球轨道(GSO，虽然有时也称为GEO)是地球同步轨道的一种特殊情况。

由于地球30的尺寸的原因，使用大量的卫星200来提供有人居住的世界的信号覆盖。卫星200可以具有相对于地球30的赤道大约90度倾角的环绕路径或轨道204，但是在90度倾角时，卫星200提供对非有人居住的区域的覆盖，诸如北极和南极。需要提供一种通信系统，其能够增加对有人居住的世界的卫星信号覆盖，减少当卫星200环绕地球30旋转时它们之间的卫星碰撞，减少全球规模通信系统100中卫星200的数量，并且当覆盖地球30的一部分的卫星200之一正在经历故障时提供重叠覆盖以保持相同部分的卫星覆盖。

协同工作的多个卫星200形成卫星群。卫星群内的卫星200可以相互协调共同工作并且重叠地面覆盖以避免在卫星200经历(例如机械的、电气的或通信的)问题时发生通信停工。两种通常类型的群是极地(Polar)群和沃克(Walker)群，二者都用于在利用最小数量的卫星200b的同时提供最大地球覆盖。极地群包括在覆盖整个地球30并且环绕极地(例如北极和南极)的极地星座中设置的卫星200，而沃克群包括覆盖低于特定纬度的区域并且同时考虑地面上的用户10提供更大数量的卫星200的卫星200(导致更高的可利用性、更少的断连接)。

如图1A和1B所示，第一用户10a可以与第二用户10b或第三用户10c通信。由于每个用户10处于由海洋或大距离隔开的不同位置，因此从第一用户10a经全球规模通信系统100发送的通信20到达其最终目的地，即第二或第三用户10a或10c。因此，需要具有能够长距离路由通信信号业务量的全球规模通信系统100，其中一个用户位置位于距离源或目的地面站310,320(例如海洋)很远的位置。由于卫星200的使用，与基于光纤或电缆的通信相比，还需要提供系统100的减少的延迟以及加强的安全性。此外，期望具有成本有效的系统。如后面将讨论的，能够容易地连接并且提供与每个卫星200的更少的且更简单的交互卫星链路的卫星200的连接性的全球规模通信系统100也是需要的。最后，需要具有能够在提供对有人居住区域的重叠覆盖(以便补偿正遭受问题的任何卫星200)的同时减少全球规模通信系统100的卫星200的数量的全球规模通信系统100。

参考图2A-3B，全球规模通信系统100的卫星200分成一个或两个组202，每个组202包括一个或多个卫星200。在某些范例中，每个组202包括一个或多个环绕路径或轨道204，其中每个环绕路径或轨道204包括相互隔开的多个卫星200。轨道204内的卫星200可以以等间距D1，D2相互分开。在某些范例中，全球规模通信系统100包括卫星200的第一组202a和卫星200的第二组202b。卫星200的第一组202a以第一高度A₁环绕地球30旋转，卫星200的第二组202b以第二高度A₂环绕地球30旋转。第一高度A₁大于第二高度A₂。在某些范例中，全球规模通信系统100包括卫星200的三个或更多组，第三组具有小于第二高度的第三高度，第四组具有小于第三高度的第四高度，等等。卫星200可以在LEO轨道内(即低于2000公里(例如1300公里))环绕地球30旋转。

以更高的第一高度A₁发射卫星200a的第一组202a使得全球规模通信系统100能够具有位于第一高度A₁的更少的卫星200，这是由于卫星200越高，卫星200覆盖的区域越大。跟随第一高度A₁发射的卫星200a的第一组202a，卫星200b的第二组202b被发射并且包括更大数量的卫星200b，这提供更大的系统带宽并支持使用全球规模通信系统100的增加数目的用户。参考图3B，卫星200a的第一组202a的第一卫星200aa的覆盖区域C₁大于卫星200b的第二组202b的第二卫星200bc的覆盖区域C₂。第一覆盖区域C₁大于第二覆盖区域C₂，这样因为第一卫星200aa的高度更高。

在某些范例中，卫星200a的第一组202a的倾角不同于卫星200b的第二组202b的倾角。卫星200b的第二组202b提供对卫星200的第一组提供的覆盖的重叠覆盖。卫星200的组202内的轨道204可以具有相同数量的卫星200或者不同数量的卫星200。在某些范例中，倾角(例如60度)防止卫星200遭受任何仰俯动作以增加其覆盖面积。

由第一组202a的卫星200a和第二组202b的卫星200b引起重叠覆盖如图3B所示(例如由第一组202a的第一卫星200aa和第二组202b的两个其它卫星200ba，200bb所示)，使得卫星200能够在群间共享功率，于是减少每个卫星200需要的电池功率。此外，保持固定倾角消除了对卫星间万向传感器的需要。万向传感器是允许对象绕着单一轴转动的中枢支持，通常用于当对象被推动或滚动时维持对象相对于另一对象向上直立。

功率通量密度(PDF)是平均分布在具有自(卫星200的)天线207的半径的球面上的功率的测量值(该球面的每单位面积)。PDF取决于信号的总的发送功率。因此，由于地球30的重叠覆盖，每个卫星200的PDF是减少的，这是因为卫星200之间的功率共享。

在某些实施例中，系统100包括短期的覆盖空白，诸如临时覆盖空白，这可以减少信号的服务器质量(QOS)，但是也可以减少覆盖地球30上有人区域的卫星200的总数。

斜视是卫星200的发送被从卫星200的天线207的平面的法线偏离的角度。在某些范例中，卫星200的斜视角度是45度或更小，例如37度。

系统数据处理设备110可以是卫星200的数据处理设备210、任何一个网关300的数据处理设备110、与卫星200和网关通信的另一数据处理设备中的任何之一，或者它们的组合。

卫星200a的第一组202a和卫星200b的第二组202b可以安置用于提供在任意给定时间对地球的至少75％的覆盖。此外，一个或多个卫星200可以具有对地球的矩形或六边形覆盖区。六边形覆盖区可以使得用最少的卫星200。举例来说，29个平面/轨道204内的29个卫星200导致在925公里高度的45度斜视角度的总共841颗卫星200。更高的高度减少了斜视角度和卫星数量。举例来说，1300公里的高度处，通信系统100可以包括32×32(在32个平面/轨道204中的32颗卫星200)颗卫星，导致35度斜视角度的1024颗卫星200。在某些范例中，通信系统100使用矩形覆盖模式并且可以包括29×42(42个平面/轨道204内29颗卫星200)卫星，导致45度斜视角度的1218颗卫星200。这样的设置通过灵活插入空闲卫星200并允许对连接丢失的控制，对于真实的异常相位变化是不敏感的。

由第一组202a的卫星200a和第二组202b的卫星200b引起的地球的普遍的双重覆盖允许卫星200的断供(单个航天器故障)、整个卫星200的群的功率共享和每个地面-空间链路的多个LOS机会，这些提供了规避“远离”视线(例如到对地同步卫星)的能力。卫星200的双重覆盖还使得能够实现单个航天器的覆盖区的最大利用率，对于轨道交叉点处的可预见的且安全的合脱靶量(conjunction miss distance)，对有人区域提供加强的(更大的)覆盖，实现整个群的同步和低的航天器数量，而不需要借助于极地倾角(它会不必要地提供对无人极地区域的覆盖)。

参考图4，卫星200包括具有数据处理设备210的卫星体206。数据处理设备210执行算法来确定卫星200朝向哪里。卫星200还包括用于接收和发送通信20的天线207。卫星200包括安装在卫星体206上的太阳板208。太阳板208向卫星200提供能量。在某些范例中，卫星200包括可充电电池，当太阳光不能到达并且给太阳板208充电时使用可充电电池。

当建立允许不同用户10长距离特别是跨洋通信的通信网络时，通信安全可能是主要关切。经电缆发送的通信信号可能被拦截并且被通信的信息可以被检索到。在某些范例中，可以利用特殊开发设备开发光纤电缆用于通信的拦截。光纤的拦截允许检索经光纤电缆发送的所有语音和数据通信，这在多数情况下是不能被探测到的。光纤还可以有意地或偶然地切断或破坏，中断通信。因此，为了避免或最小化数据拦截或中断，全球规模通信系统100限制或者在某些情况下消除光纤电缆的使用，提供更安全的信号交换。举例来说，光纤电缆的使用限制于从源和目的地面站310,320到用户10之间相对短距离。全球规模通信系统100提供对地球30的各部分重叠覆盖以避免一个提供对第一区域的覆盖的卫星200正在遭受防止卫星200接收或传送通信到位于那个第一区域内的用户10的问题的情况(如针对图3B显示和说明的)。因此，覆盖同一区域的另一卫星200能够将通信20发送到用户10，而不是必须路由该通信20以便在可利用时经电缆传送该通信。

参考回图1-3B，当从多个卫星200构建全球规模通信系统100时，有时候需要通过链接一个卫星200到另一卫星200经系统100长距离的路由流量。举例来说，两个卫星200可以经卫星间链路通信。这样的卫星间链接(ISL)可以用于提供通信服务到距离源和目的地面站310,320远的地区，并且还可以减少延迟而加强安全性(光纤电缆12可能被拦截，经过电缆的数据可能被检索)。这个类型的卫星间通信不同于“弯管”模型，其中所有信号流量从地基网关310,320走到卫星200b然后直接下到地球30上的用户10或者相反。“弯管”模型不包括任何设备间通信，而是卫星200起到中继器的作用。在“弯管”模型的某些范例中，卫星200b接收的信号在被重新发送之前被放大；但是不发生信号处理。在“弯管”模型的另外范例中，部分或全部信号可以被处理并解码以便针对不同束流、误差校正或服务质量控制进行一个或多个路由；但不发生卫星间通信。

在某些实施例中，同一平面204内的卫星200相对于它们的平面内卫星200邻居保持在同一位置处。但是，相对于相邻平面204(在相同组202或不同组内)中的邻居，卫星200的位置随时间而改变。举例来说，参考回图1B，大规模卫星群100包括围绕一个或多个环绕路径204a放置的卫星200a的第一组202a和围绕一个或多个环绕路径204b放置的卫星200b的第二组202b。第一环绕路径204aa的第一卫星200aa和同一环绕路径204aa的第二卫星200ab之间的卫星间距D₁与第一环绕路径204aa的第二卫星200ab和第一环绕路径204aa的第三卫星200ac之间的间距D₁是相同的。该规律适用于任何环绕路径的卫星200b之间的间距(例如卫星200b的第二组204b内的环绕路径204b的卫星200b之间的间距D₂)。这样，同一平面内(在给定时间点，大致对应于一特定高度)的卫星200相对于它们的平面内邻居(即，前向和后向卫星200)保持在大致不变的位置，但是相对于相邻平面中的邻居，它们的位置随时间而改变。

卫星间链路(ISL)消除或减少了卫星200到网关跳变的数量，这减小延迟并增加整个网络的能力。卫星间链路使得能够从覆盖特定区域的一个卫星200到覆盖同一区域的另一卫星200无缝地转换通信流量，其中第一卫星200正在离开第一区域，第二卫星200正在进入该区域。

在某些实施例中，卫星群包括具有足够卫星间链路以使得该群全部被连接的卫星200，其中每个卫星200被配备通信设备和附加的天线207，以便跟踪同一平面202内的其它卫星200的位置或者其它相邻平面202中的其它卫星200的位置，以便与其它卫星200b通信。

在某范例中，当前卫星200的附加天线207能够跟踪当前卫星200视野内任一其它卫星200。于是附加天线207跟踪不同轨道和/或卫星200组中的其它卫星200。这增加卫星200的成本，因为它增加了额外的硬件(例如额外的天线)和用于卫星200跟踪其它平面内的卫星200(其位置在一直变化)的计算量。

在某些范例中，为了保持系统100的设计、构造和发射的简单和低成本，系统100包括仅跟踪其前面或前方的第一卫星200和其后面或后方的另一卫星200，并使用链接网关330来链接从一个平面204到另一平面的通信。在此情况下，为了获得完全连接的系统100，系统100包括从卫星200接收通信20以及将通信20发送到不同平面204中的另一卫星200的链接网关330。

如图3A和3B所示，链接网关330可以连接两个卫星200，每个卫星200在不同的组202a，202b中。链接网关330从卫星200的第一组202a接收通信20并将通信20发送到卫星200的第二组202b。此外，链接网关330可以从组202a，202b内的卫星200接收通信20并将通信20发送到同一组202a，202b内的另一卫星200。

在某些范例中，环绕第一组202a的平面204a旋转的第一卫星200a从源地面站310接收通信20并将通信20发送到环绕第二组202b的平面204b旋转的第二卫星200b，后者再将通信发送到目的地面站320。这种设置以比当前卫星200(其具有复杂的算法来跟踪多个其它卫星200)更低价格和更小的复杂性来提供完全连接的卫星群，这意味着来自一个卫星200的信号可以被发送到群内的任何其它卫星200。举例来说，在平面204内，每个卫星200可以与位于当前卫星200前面的前向卫星200和位于当前卫星200的后面的后向卫星200链接。这就减少了每个卫星200到其它卫星200的链路数量，因此减少跟踪多于一个卫星200所需要的额外设备的成本。

如图所示，在某些实施例中，为了增加地球30有人区域的覆盖，每个平面204具有相对于地球赤道40的大于0度小于等于60度的倾角。此外，组202内的所有轨道204可以具有相等的倾角。举例来说，如果第一组202a的第一轨道204aa具有相对于赤道40为60度的第一倾角，那么同一组202a内的任何其它轨道204a具有相对于地球30赤道40为60度的倾角。因此，轨道204的更低的倾角(相对于极地轨道)将卫星200的数量减少到大约一半(例如与极地群相比)，因为该群仅在覆盖世界上有人的部分而避免对无人地区(诸如北极和南极)的浪费的覆盖。再有，由于减少卫星200的数量，即节约成本，额外的成本节约在于发射卫星200的费用的减少。

地面站通常被用作卫星200和因特网之间，或者卫星200和用户终端(例如源地面站310和/或目的地面站320)之间的连接器。但是，系统100利用网关300作为链接网关330，用于中继从一个卫星200到另一卫星200的通信20，其中每个卫星在不同组202中或不同平面204中。每个链接网关330从一个环绕卫星200接收通信20，处理该通信20并将该通信20交换到不同组202或不同平面204中的另一卫星200。因此，当使用连接网关330来填充减少每个卫星200的天线的数量的空白时，卫星200和链接网关330的组合提供完全连接的系统100，该系统跟踪当前卫星200的不同组202或平面204内的其它卫星设备。

图5提供从第一用户10a到第二用户10b的范例性通信路径22的示意图。在某些范例中，巴西的第一用户10a想要与美国的第二用户10b通信。第一用户10a将通信20发送到第二用户10b。全球规模通信系统100在源地面站310接收通信20并(利用系统数据处理器110)确定引导到目的地面站320的路径22。在某些范例中，源地面站310经缆线或者光纤连接12从第一用户10a接收通信20。在其它范例中，源地面站310经无线射频通信接收通信20。类似地，目的地面站320可以经缆线或光纤连接12、或经无线射频通信将通信20发送到第二用户10b。也可能有其它的范例，诸如用户10和网关300(例如源地面站310和目的地面站320)之间的自由空间光学通信或者自由空间光学、缆线、无线射频和光纤通信的组合。此外，用户10可以在房子、居民建筑、商业建筑、数据中心、计算设施或服务提供商处。在某些范例中，源地面站310和/或目的地面站320连接到一个或多个用户10。再有，用户10可以是源地面站310或目的地面站320。

当系统100接收通信20时，系统数据处理设备110,210基于一个或多个准则来确定通信20的路由路径22。在某些实施例中，系统数据处理设备110,210考虑但是不限于边界网关协议(包括路由算法)、内部网关协议、最大流量问题和/或最短路径问题。

边界网关协议(BGP)是用于在因特网上的自主系统之间交换路由和可达性信息的外部网关协议。协议分类为或者路径矢量协议或者距离矢量路由协议。路径路由协议是用于维持自动更新的(通信20的)路径信息的计算机路由协议。路径路由协议不同于距离矢量路由协议之处在于其路由表中的每个条目包括目的地网络(例如目的地面站320或者末端用户10b)、下一个路由器(例如下一个卫星200)和到达目的地面站320的路径22。距离矢量路由协议要求路由器(例如卫星200或链接网关330)通知其邻居(例如HA卫星CD200或链接网关330)拓扑周期性改变。当系统100使用距离矢量路由协议时，系统100考虑每个通信20应该被向前发送的方向以及到其目的地(当前位置)的距离。系统数据处理设备110计算到系统100中的其它任一卫星200的方向和距离。方向是到达下一目的地的成本的度量；因此两个节点(例如卫星200，网关300)之间的最短距离是最小距离。当前设备(例如卫星200或网关300)的距离矢量路由协议的路由表被周期性更新，并且可以发送到相邻设备。BGP不利用内部网关协议(IGP)。

内部网关协议(IGP)可以用于在自主系统(例如系统100)内的网关(例如卫星200或链接网关330)之间交换路由信息。于是此路由信息可以用于路由网络级协议(比如因特网协议(IP))。相反，外部网关协议用于在自主系统之间交换路由信息，并且依赖IGP来解决自主系统内的路由。IGP可以分成两个范畴：距离矢量路由协议和链路状态路由协议。IGP协议的特定范例包括开放式最短路径优先(OSPF)、路由信息协议(RIP)和中间系统到中间系统(IS-IS)。

最大流量问题和相关算法包括发现经最大的网络从单一的源到单一的目的地的合理的流量，其中源和目的地由其它设备(例如卫星200和网关300)分开。最大流量问题考虑卫星200或网关300之间的上边界容量以确定最大流量。最短路径问题包括发现卫星200或网关300之间的最短路径22，其中最短路径22包括最小的成本。最短路径可以以物理距离定义，或者以某些其它量或者综合分数或权重来定义，要求其最小化。其它算法也可以用于确定通信20的路径22。

用于确定通信20的路径22的算法可以包括打分功能，用于给每个链路(卫星200之间的通信或者卫星200与网关300之间的通信)分配一个分数或权重值。这些分数在使用的算法中被考虑。举例来说，算法可以试图最小化路径22的累计权重(即构成路径22的所有链路的权重和)。在某些实施例中，系统数据处理器110考虑卫星200或网关300之间的物理距离(和紧密相关的延迟)、与卫星200或网关300之间的链路的容量相比当前链路负载、卫星200或网关300的健康程度，或者运营状态(活动的或者非活动的，其中活动的表示该设备是工作的且健康的，非活动的表示该设备是不工作的)；卫星200或网关300的电池(例如设备有电的时间多长)；以及用户终端的信号长度(用于用户终端到卫星链路)。

参考回图5，系统数据处理设备110,210可以确定如图所示的通信20的多个路径22，但是基于不同因素而选择路径22中之一。举例来说，源地面站310接收通信20并将其发送到第一组202a中最近的卫星200aa，卫星200aa再将通信20发送到链接网关330a。在其它范例中，源地面站310将通信20发送到卫星200b的第二组202b内更远的卫星200ba。接收通信20的每个卫星200都将该通信20(基于所讨论的准则)发送到另一卫星200或链接网关330直到该通信20到达其最终目的地，即末端用户10b。如上所述，通信20通过利用链接网关330跳变平面204。

图6是可以用于实施本文档描述的系统和方法的范例性计算设备600的示意图。计算设备600旨在代表多种形式的数字计算机，诸如膝上计算机、台式计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片服务器、大型机以及其它适合的计算机。这里显示的部件、它们的连接和关系以及它们的功能只是用于举例，不是要限制本文件中描述和/或声明的本发明的实施例。

计算设备600包括处理器610、存储器620、存储设备630、连接到存储器620和高速扩展口650的高速接口/控制器640以及连接到低速总线670和存储设备630的低速接口660。每个部件610，620，630,640,650和660都利用多种总线互相连接，并且可以安装在公共的母板上或者以适当的其它方式安装。处理器610可以处理计算设备600内执行的指令，指令包括存储器620或者存储设备630中存储的用以在外部输入/输出设备(诸如耦合到高速接口640的显示器680)上显示图形用户接口(GUI)的图形信息的指令。在其它实施例中，可以与多个存储器和多个类型的存储器一起，适当地使用多个处理器和/或多个总线。再有，可以连接多个计算设备600，每个设备提供部分所需操作(例如，作为服务器站、刀片服务器组或多处理器系统)。

存储器620在计算设备600内非瞬时存储信息。存储器620可以是计算机可读介质、易失性存储器单元或非易失性存储器单元。非瞬时存储器620可以是用于临时或永久存储程序(例如指令序列)或数据(例如程序状态信息)以备计算设备600使用的物理设备。非易失性存储器的范例包括但是不限于闪存和只读存储器(ROM)/可编程只读存储器(PROM)/可擦写可编程只读存储器(EPROM)/电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)(例如典型地用于固件，比如启动程序)。易失性存储器的范例包括但是不限于随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、相变存储器(PCM)以及磁盘或磁带。

存储设备630能够为计算设备600提供大容量存储。在某些实施例中，存储设备630是计算机可读介质。在多种不同的实施例中，存储设备630可以是软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备、闪存或其它类似固态存储器设备或者设备阵列(包括存储区域网络或其它结构中的设备)。在另外的实施例中，计算机程序产品在信息载体上实际地体现。计算机程序产品包含指令，当指令被执行时实现如上所述的一个或多个方法。信息载体是计算机或机器可读的介质，诸如存储器620、存储设备630或处理器610上的存储器。

高速控制器640为计算设备600管理带宽密集的操作，而低速控制器660管理较低带宽密集的操作。这样分配职责只是示例性的。在某些实施例中，高速控制器640耦合到存储器620、显示器680(例如经图形处理器或加速器)和高速扩展口650，该高速扩展口650可以接受多种扩展卡(未显示)。在某些实施例中，低速控制器660耦合到存储设备630和低速扩展口670。可以包括多种通信端口(例如USB、蓝牙、以太网、无线以太网)的低速扩展口670可以耦合到一个或多个输入/输出设备或连网设备(例如经网络适配器)，输入/输出设备诸如键盘、指示设备、扫描仪，连网设备诸如开关或路由器。

计算设备600可以以多种不同形式实施，如图6所示。举例来说，可以实施为标准服务器600a或者在这样的服务器600a的组中多次实施为膝上计算机600b或机架服务器系统600c的一部分。

图7显示了通信方法700。该方法700包括：在数据处理设备110，210处确定702通信20自源地面站310经环绕地球30旋转的通信设备200的群到目的地面站320的路由路径22。每个通信设备200(例如卫星)具有相对于地球30的赤道40倾角小于90度并且大于0度的相应的环绕路径或者轨道204。该群包括以自地球30的第一高度A₁且第一倾角环绕轨道旋转的通信设备的第一组202a。通信设备200的第二组202b以低于第一高度A₁的自地球30的第二高度A₂且不同于第一倾角的第二倾角环绕轨道旋转。方法700还包括利用数据处理设备110,210指示704源地面站310经通信设备200的群中的相互通信的一个或多个通信设备200将通信20发送到目的地面站320。

在某些范例中，方法700包括指示源地面站310将通信20发送到通信设备的第一组202a中的第一通信设备200并指示通信设备200的第一组202a中的第一通信设备200将通信20发送到通信设备200的第一组202a中的第二通信设备200或者通信设备200的第二组202b中的第三通信设备200。在某些范例中，通信设备200包括卫星200。通信设备200的组202可以提供对地球30的各部分的重叠覆盖。

在某些实施例中，一组通信设备200以等于大约60度的倾角环绕地球30旋转。每组202通信设备200可以包括多个环绕路径或轨道204，每个环绕路径204具有相互隔开的多个通信设备200。环绕路径或轨道204内的通信设备200可以分开相等的间距D₁，D₂。

在某些范例中，方法700还包括指示具有通信20的通信设备200将通信20发送到当前通信设备200的环绕路径或轨道内的前向或后向通信设备。确定通信20自源地面站310到目的地面站320的路由路径22的过程可以包括基于边界网关协议、内部网关协议、最大流量算法和最短路径算法中至少之一来确定路由路径22。替代地，确定通信20自源地面站310到目的地面站320的路由路径22的过程包括基于源和目的地地面站310，320之间的距离、两个设备之间的卫星间链路的容量、通信设备的操作状态和通信设备的信号强度中之一或多个的打分功能来确定。

这里描述的系统和技术的多种实施例可以在数字电子或/或光学电路、集成电路、特殊设计的ASICs(与特定应用有关的集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或它们的组合中实现。这些多种实施例可以包括在一个或多个计算机程序中的实施例，该计算机程序是在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行的和/或可编译的，该计算机程序可以是特殊或通用目的的，用于从存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，和向存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备发送数据和指令。

这些计算机程序(也被人们熟知为程序、软件、软件应用或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以在高级程序和/或面向目标的编程语言中实施，和/或在汇编/机器语言中实施。如这里所使用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指的是任何计算机程序产品、非瞬时计算机可读介质、用于提供机器指令和/或数据到可编程处理器的装置和/或设备(例如磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑设备(PLDs))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于提供机器指令和/或数据到可编程处理器的任何信号。

本说明书中描述的主题和功能操作的实施例可以在数字电子电路或计算机软件、固件或硬件中实施，包括本说明书中公开的指令和它们的等同物或者它们之一或多个的组合。此外，本说明书中描述的主题可以实施为一个或多个计算机程序产品，即编码在计算机可读介质上的用于由数据处理装置执行或者用于控制数据处理装置的操作的计算机程序指令的一个或多个模块。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、存储设备、产生机器可读的传播信号的物资的化合物或者以上的一个或多个的组合。术语“计算处理器”包含处理数据的所有装置、设备和机器，包括(举例方式)可编程处理器、计算机或者多个处理器或计算机。此装置可以包括除了硬件外的产生用于所述计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者以上一个或多个的组合的代码。传播信号是人工生成的信号，例如机器生成的电、光或者电磁信号，生成来编码用于发送到适合接收器装置的信息。

计算机程序(也公知为应用、程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以编程语言的任何形式书写(包括编辑或编译语言)，并且可以以任何形式被使用(包括作为独立程序或者作为模块、部件、子例行程序或者其它适合计算环境中使用的单元)。计算机程序不需要对应于文件系统中的一个文件。程序可以存储在保有其它程序或数据(例如标记语言文本中存储的一个或多个脚本)的文件的一部分之中、专用于所述程序的单个文件之中或者多个协同工作的文件(例如存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)之中。计算机程序可以被使用来在位于一个地点的一个计算机上或分布在多个地点的由通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器实施，以通过操作输入数据及生成输出来实现各功能。这些过程和逻辑流还可以由专用逻辑电路实现，并且这些装置还可以实施为专用逻辑电路，例如FPGA(场可编程门阵列)或ASIC(特定应用集成电路)。

适合执行计算机程序的处理器包括(以举例方式)通用和专用微处理器二者，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般地，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或者二者接收指令和数据。计算机的基本元素是执行指令的处理器和一个或多个用于存储指令或数据的存储设备。一般地，计算机还将包括一个或多个用于存储数据的大容量存储设备，或者操作上耦合来从其接收或向其发送数据的一个或多个用于存储数据的大容量存储设备，例如磁(盘)、磁光盘或光盘。但是，计算机不需要具有这样的设备。此外，计算机可以嵌入在另一设备中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器，这些只是一些例子。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储设备，含有(以举例方式)半导体存储设备(例如EPROM、EEPROM和闪存设备)、磁盘(例如内部硬盘或可拆卸盘)、磁光盘和CDROM及DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或合并到专用逻辑电路中。

本发明的一个或多个方面可以在包括后台部件(例如作为一个数据服务器)的计算系统中实施或者包括中间件部件(例如应用服务器)的计算系统中实施，或者包括前台部件(例如具有图形用户接口或网页浏览器(经其用户可以与本说明书中描述的主题的实施例交换)的客户计算机)的计算系统中实施，或者这样的后台、中间件或后台部件的一个或多个的组合中实施。系统的部件可以由数字数据通信的任何形式或介质互连，例如通信网络。通信网络的范例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、互联网(例如因特网)和点对点网络(例如自组织点对点网络)。

计算系统可以包括客户和服务器。客户和服务器通常相互远离并且典型地经通信网络交互。客户和服务器的关系由于运行在各自的计算机上的且具有相互之间的客户-服务器关系的计算机程序而产生。在某些实施例中，服务器发送数据(例如HTML页)到客户设备(例如用于显示数据和从与客户设备交互的用户接收用户输入的目的)。客户设备处生成的数据(例如用户交互结果)可以在服务器处从用户设备接收。

虽然本说明书含有许多细节，但是这些不应理解为本发明的公开范围的限定，或者理解为要保护的内容，而是作为本发明的特定实施例的特征的说明。单个实施例的上下文中本说明书中描述的特定特征也可以在一个实施例中组合实施。相反，一个实施例的上下文中描述的多个特征也可以在多个实施例中分开实施或者在任何适合的子组合中实施。此外，虽然以特定组合或者甚至原始地如上的声明的那样描述了上述特征，但是所声明的组合的一个或多个特征可以在某些情况下从组合分出来，并且所声明的组合可以进行子组合或子组合的变形组合。

类似地，虽然以特定顺序在附图中描绘了操作，但是这不应理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或序列号来执行，或者所显示的全部操作必须执行以达到需要的结果。在特定环境下，多任务和并行处理可能是更优越的。此外，上述实施例中的多种系统部件的分开不应理解为要求在所有实施例中都要这样，而是应理解为所描述的程序部件和系统通常可以集成到一个软件产品中或者打包到多个软件产品中。

已经描述了多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以做出多种修改。举例来说，本说明书可以用于与卫星结合或替代卫星的环绕地球旋转或运动的高空伪卫星(HAPSs)和/或无人机(UAVs)。因此，其它实施例是落入后附权利要求的范围之内的。举例来说，权利要求书中引用的动作可以以不同顺序来实施但是仍然取得需要的结果。

Claims

1.一种通信系统，包括：

环绕地球旋转的通信设备的群，每个通信设备具有相对于地球的赤道的相应环绕路径和倾角，该群包括：

通信设备的第一组，其具有位于距地球第一高度和第一倾角的环绕路径，通信设备的第一组中的每个环绕路径具有相互间隔的多个通信设备；以及

通信设备的第二组，其具有位于距地球低于第一高度的第二高度和不同于第一倾角的第二倾角的环绕路径，通信设备的第二组中的每个环绕路径具有相互间隔的多个通信设备；以及

与通信设备的群分离并与其通信的至少一个链接设备，所述至少一个链接设备在位于通信设备的不同组和/或位于不同环绕路径的两个通信设备之间中继通信，

其中，通信设备的第一组仅通过所述至少一个链接设备与通信设备的第二组通信。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其中，具有第一环绕路径的第一通信设备仅通过所述至少一个链接设备与具有第二环绕路径的第二通信设备通信。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其中，第一通信设备和第二通信设备驻留在通信设备的同一组中或通信设备的不同组中。

4.根据权利要求1所述的通信系统，其中，每个通信设备相对于地球赤道的倾角小于90度且大于0度。

5.根据权利要求4所述的通信系统，其中，通信设备的一组中的通信设备的倾角大约为60度。

6.根据权利要求1所述的通信系统，其中，通信设备的组提供对地球的各部分的重叠覆盖。

7.根据权利要求1所述的通信系统，其中，每个环绕路径内的通信设备分开相等的间距。

8.根据权利要求1所述的通信系统，其中，具有通信的当前的通信设备与前向通信设备和后向通信设备通信，所述前向通信设备和所述后向通信设备与当前的通信设备在相同的环绕路径之内。

9.根据权利要求1所述的通信系统，还包括：

源地面站，与通信设备的群通信；

目的地面站，与通信设备的群通信；以及

数据处理设备，与源地面站、通信设备的群和目的地面站通信，所述数据处理设备确定从源地面站到目的地面站的通信的路由路径。

10.根据权利要求9所述的通信系统，其中，所述数据处理设备基于源和目的之间的距离、两个设备之间的卫星间链路的容量、通信设备的操作状态或通信设备的信号强度中的一个或多个的打分功能来确定路由路径，其中，通信设备的操作状态包括通信设备作为整体或者通信设备的一个或多个单独的部件的活动状态或非活动状态。

11.一种通信方法，包括：

在数据处理硬件确定通信自源地面站经环绕地球旋转的通信设备的群到目的地面站的路由路径，每个通信路径具有相对于地球的赤道的相应环绕路径和倾角，该群包括：

由数据处理硬件指示源地面站沿所确定的路由路径通过通信设备的群将通信发送到目的地面站,

其中，与通信设备的群分离并与其通信的至少一个链接设备在位于通信设备的不同组和/或位于不同环绕路径的两个通信设备之间中继通信，以及

12.根据权利要求11所述的方法，其中，具有第一环绕路径的第一通信设备仅通过所述至少一个链接设备与具有第二环绕路径的第二通信设备通信。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，第一通信设备和第二通信设备驻留在通信设备的同一组中或通信设备的不同组中。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，每个通信设备相对于地球赤道的倾角小于90度且大于0度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通信设备的一组中的通信设备的倾角大约为60度。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，通信设备的组提供对地球的各部分的重叠覆盖。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，每个环绕路径内的通信设备分开相等的间距。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：

由数据处理硬件指示源地面站将通信发送到通信设备的第一组中的第一通信设备；以及

由数据处理硬件指示通信设备的第一组中的第一通信设备将通信发送到：

通信设备的第一组中的第二通信设备；或

通信设备的第二组中的第三通信设备。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括：由数据处理硬件指示具有通信的当前的通信设备将通信发送到当前的通信设备的相同环绕路径之内的前向通信设备或后向通信设备。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，基于源地面站和目的地面站之间的距离、两个设备之间的卫星间链路的容量、通信设备的操作状态或通信设备的信号强度中的一个或多个的打分功能来确定从源地面站到目的地面站的通信的路由路径，其中，通信设备的操作状态包括通信设备作为整体或者通信设备的一个或多个单独的部件的活动状态或非活动状态。