CN115836494A - Leo卫星通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种低地球轨道(LEO)卫星包括处理器、存储器和通信子系统。所述通信子系统包括：天线阵列和可重新配置的数字逻辑处理装置。所述处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以根据所述LEO卫星的轨道计划来放大或衰减从一个或多个所关注方向接收的传输、或者放大或衰减由所述天线阵列在一个或多个所关注方向上传输的信号。

Description

LEO卫星通信系统和方法
技术领域
实施例涉及通信系统和方法。特别地，实施例涉及用于与远程地面通信系统进行低地球轨道(LEO)卫星通信的系统和方法。
背景技术
在远程环境中定位传感器可提供各种经济或环境背景中的有益信息。举例来说，在远程开采操作中，来自定位在远程定位的机器中的传感器的信息可有益于管理并改进远程开采操作。类似地，对于远程定位的农场，来自定位在家畜上的各种传感器或定位在地面上的传感器的信息可有益于管理并规划在远程定位的农场处的操作。
对来自远程环境的信息的存取呈现出若干技术挑战。在远程环境中，可存在显著连接性和供电问题。由于缺乏连接性和电力，因此先前传感器网络和网关可能不提供对由定位在远程环境中的传感器产生的信息的可靠且丰富存取。如果连接性是有可能的，例如经由卫星上行链路，那么对于许多传感器部署情境，使用此上行链路的当前和预期的未来成本通常过高。使用LEO卫星的卫星上行链路可通常具有带宽的显著限制，并且可具有有限的时间窗，通信经由所述时间窗而为可行的。此外，LEO卫星中的大小、供电和热耗散限制对于LEO卫星上的通信系统呈现额外挑战。
需要解决或改善用于LEO纳米卫星或微卫星的先前卫星通信技术的一个或多个缺点或不足，或至少向其提供有用的替代方案。
不应由于对已包含在本说明书中的文件、动作、材料、装置、物件等的任何论述在本申请的每一权利要求的优先权日之前便已存在而承认任何或所有这些内容形成现有技术基础的部分，或为与本公开相关的领域中的公共常识。
在整个本说明书中，词语“包括(comprise)”或例如“包括(comprises或comprising)”等变化形式将理解为暗示包括所陈述的元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的群组，但不排除任何其它元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的群组。
发明内容
一些实施例涉及一种低地球轨道(LEO)卫星，所述LEO卫星包括：
微卫星或纳米卫星底盘，其容纳或承载至少一个处理器、可由所述至少一个处理器存取的存储器以及可由所述至少一个处理器存取的通信子系统，所述存储器存储所述LEO卫星的轨道计划；所述通信子系统包括：
天线阵列，其包括两个或更多个天线元件；
可重新配置的数字逻辑处理装置，其与所述天线阵列通信；
其中所述至少一个处理器与所述可重新配置的数字逻辑处理装置通信，并且
其中所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以通过将不同传递函数应用于由所述天线阵列的多个天线元件随时间同时接收或传输的信号来基于所述轨道计划而执行定向波束成形。
所述微卫星或纳米卫星底盘可在所述底盘的面中的任一者上承载所述天线阵列。所述微卫星或纳米卫星底盘可承载或容纳所述处理器、存储器和所述可重新配置的数字逻辑处理装置作为其有效载荷组件中的一者。
传递函数定义对由所述天线阵列接收的一个或多个信号执行的数学运算。举例来说，传递函数的所述数学运算可包含用以放大所接收的信号的一部分的数学运算和/或用以衰减所接收的信号的一部分的数学运算。
可使用所述天线阵列的所有天线元件同时执行所述定向波束成形。所述至少一个处理器可进一步被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以通过将不同传递函数应用于由所述天线阵列的多个天线元件随时间接收和/或传输的信号来基于所述轨道计划而执行定向波束调零。
可跨越多个频率信道同时执行所述定向波束成形和/或波束调零。可在多个不同方向上同时执行所述定向波束成形和/或波束调零。
所述天线阵列可为线性阵列。所述天线阵列可沿着所述底盘的一侧安置。所述天线阵列可安置成大体上覆盖所述底盘的次要面。所述天线元件中的每一者可包含贴片天线。所述天线阵列可包含至少四个天线元件。每一贴片天线可包含波纹辐射器。
一些实施例涉及一种低地球轨道(LEO)卫星，所述LEO卫星包括：底盘，其容纳至少一个处理器、可由所述至少一个处理器存取的存储器以及可由所述至少一个处理器存取的通信子系统，所述存储器存储所述LEO卫星的轨道计划；所述通信子系统包括：
天线阵列，其包括两个或更多个天线元件；
可重新配置的数字逻辑处理装置，其与所述天线阵列通信；
其中所述至少一个处理器与所述可重新配置的数字逻辑处理装置通信，并且
其中所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以：处理由所述天线阵列接收的信号以根据所述LEO卫星的轨道计划来放大从一个或多个所关注方向接收的传输，或根据所述LEO卫星的所述轨道计划来放大待由所述天线阵列在用于传输的或多个所关注方向上传输的信号；并且
所述LEO卫星具有在1kg至100kg范围内的质量。
在一些实施例中，所述底盘具有CubeSat结构以及1 CubeSat单元至50 CubeSat单元或3 CubeSat单元至6、12、16或24 CubeSat单元的大小。
在一些实施例中，所述底盘包括主要面、次要面，所述主要面具有比所述次要面大的表面积；并且所述天线阵列设置于所述次要面的至少一部分上。
在一些实施例中，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以：处理由所述天线阵列接收的所述信号以根据所述LEO卫星的所述轨道计划来衰减从一个或多个非关注方向接收的传输，或根据所述LEO卫星的所述轨道计划来衰减由所述天线阵列在用于传输的一个或多个非关注方向上传输的信号。
在一些实施例中，轨道计划数据包括一个或多个天线阵列配置记录，每一天线阵列配置记录包括：
星历表记录，其指示在某一时间段内的不同时间所述LEO卫星在轨道中的计划位置或飞行路径的一部分；以及
关于所述星历表记录而定义的阵列因子系数，其与所述两个或更多个天线元件中的每一者相关联。
所述阵列因子系数定义应用于由所述天线阵列接收或传输的所述信号的所述传递函数的所述数学运算。
在一些实施例中，每一阵列因子系数是包括实数系数值和虚数系数值的复数权重。
在一些实施例中，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以处理由所述天线阵列接收的所述信号，或基于所述LEO卫星的所述计划位置以及如在与所述LEO卫星的所述计划位置相关联的所述天线阵列配置记录中所定义的所述阵列因子系数而放大由所述天线阵列传输的信号。
在一些实施例中，所述天线阵列是贴片天线阵列。
一些实施例的所述LEO卫星进一步包括模数转换器，所述模数转换器用于在由所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理信号之前预处理所述信号。一些实施例的所述LEO卫星进一步包括数模转换器，所述数模转换器用于处理由所述可重新配置的数字逻辑处理装置产生的信号以供由所述天线阵列传输。
一些实施例的所述LEO卫星进一步包括信号信道器，所述信号信道器用于在由所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理信号之前对所述信号进行信道化。信道化允许经由共同射频范围/波段同时或几乎同时传输或接收多个消息或多个系列消息。信道化允许进一步扩展LEO卫星与远程地面通信系统之间的通信。
在一些实施例中，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以使得能够根据所述轨道计划数据来在用于传输的一个或多个所关注方向上从所述天线阵列传输信号。
在一些实施例中，所述可重新配置的数字逻辑处理装置包括现场可编程门阵列(FPGA)。
在一些实施例中，所述LEO卫星从多个所关注方向接收信号。所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以调平从所述多于一个所关注方向接收的信号的振幅。
在一些实施例中，所述LEO卫星将信号传输到多个所关注方向。所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以调平传输到所述多个所关注方向的信号的振幅。
一些实施例的所述LEO卫星进一步包括与所述至少一个处理器通信的一个或多个可变增益放大器(VGA)，其中当所述LEO卫星从多个所关注方向接收信号时，所述至少一个处理器配置所述一个或多个VGA，以调平从所述多于一个所关注方向接收的信号的振幅。
一些实施例的所述天线阵列包括四个或更多个天线元件。
一些实施例涉及一种在至少一个LEO卫星与同多个地面传感器装置通信的多个地面网关装置之间通信的方法，所述方法包括：
基于所述轨道计划数据，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以处理由所述天线阵列接收的信号或通过所述天线阵列产生并传输信号；
所述天线阵列接收传输并使所接收的传输可供所述可重新配置的数字逻辑处理装置使用；
所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理所述所接收的信号以放大与由所述多个地面网关装置中的一者或多者传输的信号相对应的所述所接收的信号的子集，或
所述可重新配置的数字逻辑处理装置将信号馈送到所述天线阵列以用于在与所述多个地面网关装置中的一者或多者的相应位置相对应的一个或多个传输方向上传输。
在一些实施例中，所述方法进一步包括所述通信子系统处理所接收的信号的经放大子集以对在所接收的信号的所述子集中编码的信息进行解码。
在一些实施例中，所述方法进一步包括所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理所述所接收的信号以衰减与由所述天线阵列接收的非关注信号相对应的所述所接收的信号的第二子集。与非关注信号相对应的所述所接收的信号可涉及已知的噪声源或不合需要的信号，例如源自地面源或其它卫星的信号。
在一些实施例中，所述方法进一步包括所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以使得能够根据所述轨道计划数据来在用于传输的一个或多个所关注方向上从所述天线阵列传输信号。
一些实施例涉及一种用于提供卫星通信服务的方法，其包括将根据实施例中任一项所述的LEO卫星作为有效载荷提供到卫星运载火箭。
一些实施例的所述方法进一步包括发射被配置成在轨道中释放所述LEO卫星的所述卫星运载火箭。
附图说明
图1是根据一些实施例的通信系统的框图；
图2是根据一些实施例的LEO卫星的通信系统的信号处理部分的示意图；
图3是根据一些实施例的通信系统的数字波束成形部分的示意图；
图4是示出根据一些实施例的由通信系统的数字逻辑处理部分执行的信号处理操作的示意图；
图5是根据一些实施例的通信系统的射频网关部分的示意图；
图6、7、8、9和10是示出根据一些实施例的由通信系统的数字逻辑处理部分执行的空间滤波操作的曲线图；
图11是根据一些实施例的通信系统的天线阵列的示意图；
图12是根据一些实施例的通信系统的贴片天线阵列的范例性平面视图；
图13是天线阵列的范例性天线阵列元件的平面视图；
图14是天线阵列的范例性天线阵列元件的另一平面视图；
图15是图14中所展示的天线阵列元件的侧面横截面视图；
图16是根据一些实施例的天线阵列的天线阵列元件的探针部分的特写横截面侧视图；
图17是天线阵列元件的接地平面的平面视图；
图18是根据一些实施例的用于LEO卫星的底盘的透视图；
图19是根据一些实施例的LEO卫星的示意图；
图20是在至少一个LEO卫星与多个地面网关装置之间通信的方法的流程图；以及
图21是发射被配置成在轨道中部署LEO卫星的卫星运载火箭的方法的流程图。
具体实施方式
所描述的实施例大体上涉及用于通信的LEO卫星。特定实施例涉及用于LEO卫星通信的通信系统。LEO卫星包括在2000km或更小的海拔高度环绕地球运行的卫星。LEO卫星的轨道周期(用以完成环绕地球运行的时间)为128分钟或更小，有时更接近90分钟。LEO卫星的较低海拔高度和较短轨道周期使所述LEO卫星的视场在所覆盖的地球区域和覆盖特定区域的持续时间方面均较小。因此，需要使LEO卫星与地面通信系统之间的通信更高效以最好地利用在某一地面区域上方的有限视场和较短的视场持续时间。举例来说，必须在从LEO卫星进入计划与之通信的目标地面系统的视野中的那一刻起约240秒或更短的时间内执行LEO卫星从地面系统进行数据搜集。此外，可用于LEO卫星与地面通信系统之间的通信的频谱也有限。有限的频谱对LEO卫星与地面通信系统之间的通信添加另外的约束，从而放大对通信中的效率的需求。
为了增加根据本文中所描述的实施例的LEO卫星的数据搜集能力(相比于常规LEO卫星)，本公开的LEO卫星通信子系统使用数字波束成形来同时形成在不同地面方向上导向的多个数字波束以接收和/或传输数据。一些实施例利用同时形成的三个或更多个数字波束。在一些实施例中，此类多个数字波束由相控天线阵列形成。多个数字波束通常垂直于LEO卫星的飞行方向以方位角定向。这允许在LEO卫星的每一横向侧上创建地面导向的数据漏斗以用于高效通信。
实施例充分利用特定滤波或波束成形信号处理技术来实现LEO卫星与地面通信系统之间的高效通信。各种实施例涉及用于例如LEO卫星等卫星的通信系统，其中通信系统包括天线阵列和可重新配置的数字逻辑处理装置(例如，现场可编程门阵列(FPGA))。可重新配置的数字逻辑处理装置被配置成在考虑到地球上的地面通信系统的相对位置的同时根据LEO卫星在轨道中的变化位置来动态地接收或传输信号。举例来说，可将地球上的地面通信系统的相对位置编码到存储在LEO卫星的存储器中的计划数据中。
换句话说，可重新配置的数字逻辑处理装置允许形成多个波束以在第一组方向上传输和/或接收数据，并且接着改变其配置以在LEO卫星沿着其轨道路径前进时在第二组方向上传输和/或接收数据。此类配置变化可例如在围绕地球的每一完整轨道周期期间进行至多20至40次。
实施例的地面通信系统可包括在2019年5月9日提交且题为“具有在高时延通信系统上的回程的远程LPWAN网关(Remote LPWAN gateway with backhaul over a high-latency communication system)”的PCT申请第PCT/AU2019/050429号中所描述的网关装置，所述申请的内容以引用的方式并入本文中。此类网关装置可具有有限的上行链路功率，并且因此与LEO卫星的高效通信至关重要，以便能够省电并使数据传输最大化。
LEO卫星在2000km或更小的海拔高度环绕地球运行。发射卫星涉及相当大的成本，并且对于具有更大质量的LEO卫星，发射的成本显著更高。因此，LEO卫星的质量常常受到将LEO卫星发射到轨道中的成本的限制。LEO卫星通常由一个或多个电池组所支持的太阳能电池供电。由于对卫星的质量限制，太阳能电池产生电力的容量也受到限制。太阳能的可用性还受限于卫星在其轨道中的位置以及在卫星环绕地球运行时暴露于可供卫星使用的太阳能。这继而限制可用于LEO卫星的各种电子组件的电力。电力限制对可并入在LEO卫星中的电子组件的性质和数目施加限制。
一些实施例的LEO卫星可包括用于容纳LEO卫星的各种电子和通信组件的底盘。底盘可实现空间的高效利用以及高效热耗散。在一些实施例中，底盘可呈CubeSat的形式。CubeSat包括结构框架，所述结构框架包括一个或多个立方结构单元。每一立方结构单元可呈大致尺寸为10cm×10cm×10cm的立方体的形式。可聚合各种立方结构单元以形成用于LEO卫星110的CubeSat结构。CubeSat结构的大小可由包括于CubeSat中的立方结构单元的数目表示。举例来说，可将包括两个立方结构单元的CubeSat描述为2U CubeSat单元卫星。
LEO卫星还具有用以辐射热功率以冷却产生热量的卫星的各种组件的有限容量。一些实施例可包括6CubeSat单元(6U)LEO卫星(具有约10cm×20cm×30cm或约12cm×24cm×36cm的尺寸的卫星)结构设计和/或框架。6CubeSat单元LEO卫星可从其太阳能电池阵列接收平均每轨道50至60W的功率。平均每轨道热耗散能力可为大致40至45W。在范例性实施例中，在S波段频率中操作的6U纳米卫星可具有四个天线的线性阵列。此阵列允许在方位角中形成4个独立的数字波束。当与不使用数字波束成形的常规LEO卫星相比时，这有可能将LEO卫星的数据搜集能力增至两倍。如果天线阵列包含8个天线元件，那么此阵列相对于常规LEO卫星有可能将数据搜集容量增至四倍。这是因为根据本文中所描述的实施例的天线阵列可允许以相同频率同时形成多个波束。
在一些实施例中，可接通或断开各种耗电组件以管理总电力消耗和对卫星热耗散的需求。LEO卫星可使用装配在LEO卫星上的GPS信号接收器119来跟踪其位置。在一些实施例中，LEO卫星可包括设置于LEO卫星上的存储器中的轨道传播器程序。轨道传播器程序可由LEO卫星上的处理器执行以通过关于加速度和初始速度的信息确定LEO卫星在任何时间例项的位置。使用可用的位置信息，LEO卫星可自适应性地接通或断开各种耗电组件以管理总电力消耗和对卫星热耗散的需求。一些实施例可包括大小为1CubeSat单元至50CubeSat单元的LEO卫星。一些实施例可包括大小为3CubeSat单元至48CubeSat单元的LEO卫星。举例来说，大小可为3U、4U、5U、6U、8U、9U、10U、12U、16U、20U、24U、32U或48U。
LEO卫星内的各种组件可对热耗散具有不同要求。一些组件可产生与组件的其余部分相比更多的热量。在一些实施例中，产生更多热量的组件可定位成更接近LEO卫星的底盘(即，外部框架)以改进热耗散。需要较低的热耗散速率的组件可远离底盘放置。在一些实施例中，热条带可用于改进热耗散。热条带可帮助将热量从LEO卫星内部传导至其底盘。特别地，远离底盘定位的组件可具备用以将热量从组件中传导出去的热带。
各种实施例的LEO卫星的质量可在例如1kg至100kg、10kg至50kg或10kg至100kg的范围内。各种实施例的LEO卫星的质量可在例如10kg至30kg的范围内。范例性质量进一步包含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49和50kg。质量在10kg至100kg之间的卫星可被称为微卫星。质量在1kg至10kg之间的卫星可被称为纳米卫星。
如本文中所描述的空间滤波包括信号处理技术，所述信号处理技术用于集中接收或传输同时来自或导向特定的所关注方向或多个所关注方向，例如约100km2或更大的地面区域的无线信号。举例来说，地面区域可为约200km2。根据所描述实施例的LEO卫星的视场可逻辑上分段成子区域，其中每一子区域由如本文中所描述的多个波束中的一者服务。空间滤波还可包括处理所接收的无线信号以衰减从特定方向接收的非关注信号(波束调零)。空间滤波还可包括衰减在一个或多个非关注方向上传输的信号。空间滤波可向LEO卫星提供避免干扰其它通信系统且满足与LEO卫星的操作相关联的任何法规要求的能力。空间滤波依赖于以特定方式处理由天线阵列接收或由天线阵列传输的信号以取决于通信系统在特定时间和位置处的需求而对信号施加相长干扰或相消干扰或者相长干扰和相消干扰两者的组合。相长信号干扰和相消信号干扰的组合可为由相控线性天线阵列的布置产生的线性组合。
所聚焦的空间滤波被配置成放大来自一些方向的信号和/或衰减来自其它方向的信号。对于所接收或所传输的信号的放大，空间滤波用以在选定方向上塑形天线的增益以类似于在相对较高增益的方向上的“波束”。用于放大的此空间滤波因此也可被称为波束成形。对于所接收或所传输的信号的衰减，空间滤波用以在选定方向上塑形天线阵列的增益以在特别不想要的(即，不合需要地干扰的)地面发射器或接收器信号的方向上具有信号衰减效应。用于衰减的此空间滤波因此也可被称为波束调零。
实施例依赖于被设计成用于低电力消耗的通信协议。将信号传输到LEO卫星的地面通信系统可位于远程位置中，在所述远程位置中，供电或其可用性可受到限制。可专门选择由地面通信系统采用的通信协议以减少在LEO卫星中传输、接收和处理信号时的电力消耗。此类通信协议包含例如基于扩频的协议，包含基于线性调频扩频的协议，例如远距离(LoRaTM)。
图1是根据一些实施例的LEO卫星通信系统100的框图。LEO通信系统100包括地面组件和卫星组件两者，所述地面组件和卫星组件被配置成彼此通信以提供通信服务。LEO通信系统100包括一个或多个LEO卫星110；一个或多个远程地面通信系统120，以及与网络150通信的至少一个地面站130，客户端装置140可通过所述网络与通信系统100交互。通信系统100的一个目标是使由远程地面通信系统120搜集的数据对于客户端装置140为易于获得的(尽管在高时延下)，同时处理从远程位置通过LEO卫星110向客户端装置140传送信息的通信约束。
远程地面通信系统120包括传感器装置网络122，所述传感器装置网络可被配置成例如与地面网关121无线地通信。传感器装置网络122可包括位于远程区域中的若干或许多传感器装置，举例来说，在所述远程区域中，例如因特网或蜂窝式网络等常规通信网络可能不可用。此类远程区域可包含例如矿场、远程农业用地、远程科研站。举例来说，传感器装置可被配置成感测各种环境条件、机器状态或可用于跟踪牛的移动。举例来说，传感器装置网络122可在约700km2的区域上方延伸。地面网关装置121接收并存储由传感器装置网络122的传感器装置传输的信息。地面网关装置121还充当传感器装置网络122中的装置与LEO卫星110之间的信息中继装置。
LEO卫星110包括带有天线阵列117的通信系统、射频前端115、数字逻辑处理装置114、处理器112、与处理器112通信的存储器113，以及数据处置子系统116。LEO卫星110还包括电力管理子系统111。
天线阵列117包括两个或更多个天线元件，每一天线元件是能够接收或传输或既能接收又能传输无线电波或信号的独立天线。多个天线元件实现LEO卫星110的通信系统的空间滤波能力。
LEO卫星110还包括射频前端115，所述射频前端对由天线阵列117接收到的信号执行预处理或对提供到天线阵列117以供传输的信号执行处理。举例来说，所述处理可包括将模拟信号转换成数字信号或反之亦然、对信号进行信道化，以及对信号的特定频带进行选择或拒绝。
可重新配置的数字逻辑处理装置114包括经由可编程互连件连接的可配置逻辑块(CLB)的矩阵。可重新配置的数字逻辑处理装置114可被动态地重新编程以提供所要应用程序或通过通信系统100提供通信服务所需的功能性。CLB可被重新配置成实施各种数字逻辑处理能力。CLB可被配置成通过恰当地编程互连件以实施复杂的逻辑运算而彼此合作地操作。有利的是，可重新配置的数字逻辑处理装置114可被动态地重新配置以考虑到LEO卫星在轨道期间的位置变化以及随之而来的对由LEO卫星的通信系统执行的空间滤波的需求的变化。在一些实施例中，可重新配置的数字逻辑处理装置114可为或包含现场可编程门阵列(FPGA)。
LEO卫星110还包括与存储器113和可重新配置的数字逻辑处理装置114通信的至少一个处理器112。处理器112具有根据存储在存储器113中的指令和数据来重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114的能力。在一些实施例中，LEO卫星110可经由链路170从地面站130接收命令或指令。所述命令可包含以下指令：重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114以满足LEO卫星110与一个或多个远程地面通信系统120之间的变化的通信要求。用以在LEO卫星110处于轨道中时重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114的能力在使用所描述的实施例提供卫星通信服务时提供了相当大的灵活性。
存储器113包括与LEO卫星110有关的轨道计划数据118。轨道计划数据118包含与在LEO卫星110穿越其轨道时LEO卫星110随时间相对于地球和各种远程地面通信系统120的计划位置有关的数据。轨道计划数据118还包括参考了指示在某一时间段内轨道中的LEO卫星110的计划位置的星历表记录(存储在存储器113中)的天线阵列配置记录，以及关于星历表记录而定义的与每一天线元件相关联的阵列因子系数或权重。与每一天线元件相关联的阵列因子系数或权重(在特定时间)定义数学运算，所述数学运算待由可重新配置的数字逻辑处理装置114执行以处理由每一天线元件接收到的信号或处理提供到每一天线元件以供传输的信号。阵列因子系数或权重是包括实数系数和虚数系数的复数。在下文中参考图4进一步解释由可重新配置的数字逻辑处理装置114使用阵列因子系数或权重来执行的数学运算。
至少一个处理器112被配置成执行存储在存储器113中的软件程序代码以周期性地检查LEO卫星110的当前计划轨道位置和/或实际确定的轨道位置，并且接着存取与当前(确定)轨道位置相关联的轨道计划数据以确定待提供到可重新配置的数字逻辑处理装置114的阵列因子系数以用于在下一(接续)时间段内的信号传输和/或接收。阵列因子系数的复位(以及因此对以数字方式形成的波束或调零波束的重导向)可根据与LEO卫星110的所确定位置相对应的星历表数据而频繁地发生。这意味着，在LEO卫星110在特定地面区域上经过的期间，阵列因子系数可在经过周期(例如，200至250秒，任选地约240秒)内复位多次，同时LEO卫星在所述特定区域的范围内。在经过周期内针对特定区域将阵列因子系数复位多次会引起成角度地调整LEO卫星110的一个或多个成形或调零波束以考虑到相对于特定区域的卫星移动。这允许调整卫星的形成或调零波束以更好地跟踪并瞄准特定地面区域以用于改进通信效率。在一些实施例中，可根据用于经过已知地面区域(含有用于通信的目标装置的场)的星历表数据来设定阵列因子系数，并且将阵列因子系数维持计划时间(例如，用于所述目标地面区域的整个经过周期)，同时以数字方式形成的或调零波束经过所述区域。接着可根据用于LEO卫星计划经过的下一目标地面区域的星历表数据来复位阵列因子系数。
地面站130是被设计成用于从LEO卫星110中的每一者接收并传输信号或无线电波的地面无线电站。地面站130包括用以与LEO卫星110通信的合适天线以及用以将从LEO卫星110接收到的数据传送到网络150的合适网络接口组件。网络150可为或包含数据网络，例如因特网，客户端装置140可经由所述数据网络接收或存取由地面站130接收到的数据。客户端装置140可为例如计算机服务器或终端用户计算装置，例如台式计算机、膝上型计算机、智能手机或平板计算机。
图2是LEO卫星110的通信系统的部分200的示意图。图2示出RF前端115和可重新配置的数字逻辑处理装置114的部分。在图2的示范性实施例中，天线阵列117具有四个元件。然而，实施例涵盖多于四个天线元件。举例来说，天线阵列可包含5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、15个、20个或更多个天线元件。在所描述的实施例中，需要最少两个天线元件来执行所描述的数字波束成形。
由每一天线元件接收的信号穿过带通滤波器210，所述带通滤波器去除以LEO卫星110不关注的频率接收的信号。在一些实施例中，带通滤波器可允许例如在约2170MHz与约2200MHz之间的频率的信号穿过。随后，所接收的信号穿过射频(RF)放大器220。RF放大器前端可提供40至60dB范围内的总增益，例如，因为可在中频(IF)级(228至242)中提供额外放大。举例来说，与处理RF信号的其它组件(包含输入滤波器)组合的RF放大器可具有来自天线端口的低于2dB的噪声指数。
射频放大器220通过在不会使弱信号受到噪声污染的情况下放大所述弱信号来增加接收器的灵敏度，以使得所述弱信号可在接续级中保持高于噪声电平。RF前端115包括本地振荡器280，所述本地振荡器在从由天线阵列117接收的信号偏移处产生本地RF信号。在一些实施例中，本地RF信号可具有例如在1000至1200MHz范围内的频率。
在一些实施例中，本地RF信号可具有例如C波段(4.5至6GHz)中或Ku波段(13至14.5GHz)中或Ka波段(27.5至31GHz)中的频率。
分离器280将本地RF信号拆分成四个不同的分离本地RF信号。分离本地RF信号中的每一者通过混频器225与由天线阵列元件中的每一者接收的信号混合，以产生用于所有阵列元件117a至117n的混合相位和振幅同步中频信号(MIF1)。举例来说，MIF1信号可具有在750至950MHz之间的频率范围。MIF1频率具有比由天线阵列117接收的信号的频率低的频率，并且所述MIF1频率由RF前端115的其余组件更方便地处理。在较低频率下处理信号时所必需的组件不太复杂、更便宜且常常更节能。此外，天线阵列117可在不同频率下接收信号。将通过天线阵列117接收的各种信号转换成MIF1信号简化了通过RF前端115的其余组件对所有所接收的信号的处理。
MIF1信号随后穿过带通滤波器230以产生中频信号(IF1)。在一些实施例中，带通滤波器230可将信号保持在例如900MHz至930MHz的频率范围内。在一些实施例中，例如muRataTM SF2098H等信号调节单元可用于实施带通滤波器230。IF1信号随后穿过可变增益放大器240。天线阵列117可同时从多个远程地面通信系统120接收信号。由天线阵列117从两个远程地面通信系统120接收的信号的强度可显著变化。信号强度的显著差异可使所接收的信号上的数字操作对于可重新配置的数字逻辑处理装置114来说是不可行的或复杂的。可变增益放大器240基于从自动增益控制回路270接收的命令或信号而执行信号调平的功能。自动增益控制回路270从可重新配置的数字逻辑处理装置114接收关于所接收的信号的强度的反馈。尽管IF1信号的信号振幅会变化，但与可变增益放大器240组合工作的自动增益控制回路270维持合适的信号振幅。
在其中通过天线阵列117接收的信号由噪声支配的实施例中，RF前端115可通过固定增益实施(无可变增益放大器240)。在噪声支配的所接收RF信号中，由远程地面通信系统120进行的传输的功率电平可类似于噪声支配的所接收RF信号中的噪声分量的功率电平。因此，可变增益放大器240在处理噪声支配的所接收RF信号时可能并非必需的，因为其可能不会有意义地将噪声分量与由远程地面通信系统120进行的传输分离。可对由LEO卫星110在多个所关注方向上传输的信号执行类似信号调平操作。可通过可重新配置的数字逻辑处理装置114产生提供到RF前端115以供天线阵列117传输的信号来执行由LEO卫星110在多个所关注方向上传输的信号的调平。
在可变增益放大之后，信号IF1穿过平衡-不平衡转换器250。平衡-不平衡转换器250将不平衡信号UBIF1转换成适合于由RF前端115的其余部分进行下游传输和处理的平衡信号BIF1。随后通过模数转换器255处理BIF1信号以将模拟信号转换成适合于由可重新配置的数字逻辑处理装置114进行处理的数字信号DIF2。在一些实施例中，DIF2信号可为12位数字信号。
如图2中所示出，可重新配置的数字逻辑处理装置114(在其它操作当中)将DIF2信号信道化为适合于由扩频接收器集成电路(IC)260进行处理的多个扩频调制信号。在一些实施例中，举例来说，扩频调制信号可为根据LoRaTM协议而经编码的信号，并且扩频接收器集成电路260可为LoRaTM接收器IC，例如SemtechTM SX1301或SX1302IC。
图2中标记为“att.pad”的块222、228、232、242是衰减垫。在一些实施例中，衰减垫可包括布置在输入与输出点之间的π配置中的三个电阻器。衰减垫被配置成使信号衰减固定功率电平，例如3dB。图2中的各种衰减器垫允许调整各个信号处理级之间的功率电平以将所接收的信号的增益调整到所要的总增益电平。衰减器垫还衰减由一个或多个滤波器230拒绝的信号。举例来说，衰减垫228可衰减由滤波器230拒绝的信号。通过衰减由一个或多个滤波器拒绝的信号，衰减器垫提供滤波器之间的改进的阻抗匹配。图2的一个或多个滤波器可为反射滤波器，即，不穿过滤波器的信号被反射。并且可在图2的信号处理链中的先前组件不能够吸收反射信号的情况下产生驻波。此类驻波可使图2中的各种滤波器的频率响应失真。图2的衰减垫222、228和242通过调整各个信号处理级之间的功率电平以将所接收的信号的增益调整到所要的总增益电平来解决驻波的影响。
RF前端115还可处理由可重新配置的数字逻辑处理装置114产生的信号，以使得能够通过天线阵列117传输信号。RF前端115可基于可重新配置的数字逻辑处理装置114所提供的信号而控制提供到天线阵列117的馈送器信号。基于提供到天线阵列117的馈送器信号，天线阵列117可基于射频传输的相长干扰和/或相消干扰而以包括一个或多个波束的图案传输信号。一个或多个波束的方向性或方向可由可重新配置的数字逻辑处理装置114所提供的信号控制。可控制一个或多个波束的方向性或方向以对应于一个或多个远程地面通信系统120的位置，进而增强由远程地面通信系统120接收的信号的质量。以此方式，可在多个不同地面目标方向上同时产生且引导多个传输波束。
在一些实施例中，LEO卫星110可包括单独的可重新配置的数字逻辑处理装置和单独的RF前端，这两者均专用于传输波束成形。在一些实施例中，可重新配置的数字逻辑处理装置114和RF前端115可被配置成执行传输和接收波束成形两者。在一些实施例中，可存在执行传输和接收波束成形两者的共同可重新配置的数字逻辑处理装置114，以及两个单独的RF前端，一个专用于传输波束成形且另一个专用于接收波束成形。
图3是示出根据一些实施例的可重新配置的数字逻辑处理装置114的部分300的示意图。在输入点301、302、303和304处，接收数字信号。每一输入点对应于由天线阵列117的特定天线元件接收的信号。此实例对应于具有四个元件的示范性天线阵列。在输入点301至304处接收的信号是上文参考图2所描述的DIF2信号。DIF2信号被传输到信道器310以将所接收的信号信道化到多个单独信道中。在一些实施例中，举例来说，信道器可将信号分离成8个信道化信号。信道化信号被传输到多个波束成形块320。提供用于每一信道的单独波束成形块320。每一波束成形块320处理从天线阵列117的每一天线元件接收的信道化信号以产生用于每一信道的两个波束成形信号。信道中的波束成形信号的数目取决于天线阵列117中的天线的数目。通过增加天线阵列中的天线的数目，可增加用于每一信道的波束成形信号的数目以按比例放大由LEO卫星110提供的卫星通信服务。在图3中，波束成形信号被标记为1A、1B……NA、NB。每一波束成形信号对应于使用例如LoRaTM等扩频协议调制的数据的独立信道。
波束成形信号随后由波束调平块330处理。预期已从特定的远程地面通信系统120接收到每一波束成形信号。取决于远程地面通信系统120相对于LEO卫星110的相对位置，从各种远程地面通信系统120接收的信号可具有不同振幅电平。波束调平块330执行跨越与由不同远程地面通信系统120产生的信号相对应的各种波束对振幅电平进行调平的功能。波束调平块330可通过动态地调整施加到波束成形信号的相乘系数来执行波束调平。通过波束调平块330的信号调平可单独使用，或在必要时可与由参考图2所描述的可变增益放大器240所执行的信号调平组合应用。
在波束调平之后，通过波束基带下变频块340处理经调平波束信号。波束基带下变频块340以较低取样速率将经调平波束成形信号转换成较低频率信号以满足下游信号处理组件的要求。下游信号处理组件可包含预期例如根据LoRaTM协议的信号等扩频调制数字信号的组件。在一些实施例中，波束基带下变频块340可产生基于LoRaTM的信号370作为输出。
可重新配置的数字逻辑处理装置114还包括对应于每一输入点301、302、303和304的二极管305和低通滤波器308。在一些实施例中，举例来说，低通滤波器308使具有低于1kHz或低于10kHz的频率的信号通过。低通滤波器308被配置成具有显著低于由天线阵列117接收或传输的信号的最低频率的截止频率。在一些实施例中，低通滤波器308可具有约5至6kHz的截止频率。使用求和块360添加由低通滤波器308处理的信号，并且产生求和信号365。在依赖于用于信号调平的自动增益控制回路270的实施例中，求和信号充当用以驱动图2的自动增益控制回路270的输入。
图4是图3的波束成形块320的详细框图。波束成形块320从用于天线阵列元件117a至117n中的每一者的信道器310接收呈IQ形式的相位和振幅同步输入信号。呈IQ形式的信号是被分解为实(同相)和虚(正交)分量的复杂信号。实分量(I)对应于在特定时间点处的信号的振幅的余弦(X轴分量)。虚分量(Q)对应于在特定时间点处的信号的振幅的正弦(Y轴分量)。在图4中，输入401、403、405、407对应于从用于如由信道器310信道化的特定频率信道的相应天线元件接收的信号的I分量。输入402、404、406、408对应于从用于与用于I分量的输入401、403、405、407相对应的特定频率信道的相应天线元件接收的信号的Q分量。
处理块470和475定义对在输入401和402处接收的信号执行的数学运算。通过适当地配置可重新配置的逻辑处理装置114的逻辑块和互连件来执行数学运算。举例来说，处理块470以复数实施操作：
I1A＝IAnt.1(t).ICoef1A-QAnt.1(t).QCoef1A
Q1A＝IAnt.1(t).QCoef1A+QAnt.1(t).ICoef1A
在以上数学运算中，IAnt.1(t)是对应于由与401处的输入相对应的天线元件Ant.1接收的信号的I分量的函数。类似地，QAnt.1(t)是对应于由与402处的输入相对应的天线元件Ant.1接收的信号的Q分量的函数。ICoef1A和QCoef1A是控制对所接收的信号进行的数学运算的结果的系数。处理块470使用系数ICoef1B和QCoef1B执行信号401和402的类似操作。波束成形块320内的处理块的其余部分使用存储在存储器113中的不同组系数来执行与在输入403至408处接收的其余信号类似的操作。这些系数还可被描述为对应于每一天线元件的权重。
每一天线元件具有标注为ICoef1A、QCoef1A、ICoef1B和QCoef1B的至少4个系数或权重。这些系数或权重是动态的并且由波束成形块320根据来自处理器112的指令变化。处理器112基于轨道计划数据118和关于LEO卫星110的当前位置的信息而改变这些系数。在一些实施例中，LEO卫星110可经由通信链路170从地面站130接收命令指令。命令指令可包括使处理器112取决于来自通信系统100的需求的变化而改变系数的指令。通信需求的变化可包含对通信计划添加或去除特定远程地面通信系统120。通信需求的变化还可包含识别沿着LEO路径的某些部分的干扰源或噪声源，并且在沿着LEO路径的适当时间或时间段实施波束调零以解决干扰源或噪声源。
轨道计划数据118包含天线阵列配置记录。每一天线阵列配置记录包括星历表记录或星历表区段记录以及与关于星历表记录的每一天线阵列元件相关联的权重或系数。星历表记录定义LEO卫星110的轨道的区段或部分。给定LEO卫星110的当前位置，处理器112能够确定卫星的当前位置对应于哪个星历表记录。在确定卫星的当前位置所对应于的星历表记录之后，处理器112检索与关于星历表记录的每一天线阵列元件相关联的权重或系数。处理器112随后基于所检索的权重而重新配置波束成形块320的系数。一旦波束成形块320的权重或系数被重新配置，那么可重新配置的数字逻辑处理装置114处理由天线阵列117接收的信号以最好地放大由一个或多个远程地面通信系统120传输的信号，所述远程地面通信系统是通信系统100的部分且当前处于LEO卫星110的天线阵列117的视场内。
处理块470处理输入信号401和402以产生输出信号409和410。通过求和块460添加由图4中所示出的各种数学运算产生的输出信号以产生中间信号411和412。举例来说，如果由块470使用12位整数作为输入信号来执行处理，那么输出可为24位整数信号，以便不会在确定中间信号411和412时损失任何信息。中间信号411和412除以除法块480以获得一起被描述为波束1A的输出信号413(I分量)和414(Q分量)。每一除法块480将24位输入信号变换为12位输出信号。波束成形块320还产生被描述为波束1B的输出信号。波束1A和1B中的每一者包括I和Q分量。每一波束可对应于由特定远程地面通信系统120传输(且从其接收)的信号。在一些实施例中，处理块470可被配置成执行固定点操作，进而从与权重的I和Q分量进行相乘操作而产生的位数目可为固定的。在此类实施例中，块480对于减少输出信号中的位数目而言可能并非必需的。
可重新配置的数字逻辑处理装置114可类似地包括传输波束成形块，所述传输波束成形块基于存储在存储器113中的传输波束成形系数或权重而产生提供到RF前端115的信号以实现使用天线阵列117的传输波束成形。
图5是根据一些实施例的RF前端500的电路图。在一些实施例中，RF前端500可被RF前端115取代。RF前端500包括一系列放大器、带通滤波器和两个可变增益放大器以将由天线阵列117接收的信号调节成适合于由可重新配置的数字逻辑处理装置114进行处理。每一天线元件117a至117n可对应于天线元件530。在一些实施例中，为了处置噪声支配的所接收信号，可变增益放大器可由固定增益放大器替换。
RF前端500包括一系列带通滤波器501、504、507、517和522。在一些实施例中，举例来说，带通滤波器501、504和507可使具有1980MHz至2010Mhz的频率的信号通过，其中损耗为0.7dB。在一些实施例中，举例来说，带通滤波器501、504和507可使用muRata SF2234E-1滤波器来实施。在一些实施例中，带通滤波器517和522可使具有938MHz至902Mhz的频率的信号通过，其中损耗为3dB。在一些实施例中，举例来说，带通滤波器517和522可使用muRataSF2098H滤波器来实施。
RF前端500包括一系列放大器502、505、508、510、515、520和526。在一些实施例中，举例来说，放大器502、505、508和510可具有20dB的增益、0.7dB的噪声指数、17.5dBm的输出截获点(OIP3)。在一些实施例中，举例来说，放大器515和520可具有23dB的增益、0.7dB的噪声指数、17.5dBm的输出截获点(OIP3)。在一些实施例中，举例来说，放大器526可具有22dB的增益、1.5dB的噪声指数、28dBm的输出截获点(OIP3)以及18dBm的OP1dB增益压缩参数值。在一些实施例中，举例来说，放大器502、505、508、510、515和526可使用6mA电流和漏极20mW功率在3V下操作。
RF前端500包括可变增益放大器518和523。举例来说，可变增益放大器518和523可具有-23dB至17dB的可变增益值、5dB的噪声指数(包含衰减器插入损耗)以及34dBm的OIP3值。举例来说，可变增益放大器518和523可使用110mA电流和漏极550mW功率在5V下操作。在一些实施例中，举例来说，可变增益放大器518和523可使用美信(Maxim)集成式MAX2092可变增益放大器来实施。
RF前端500包括衰减器垫503、506、509、511、516、519、521和524。在一些实施例中，举例来说，衰减器垫503、506、509、511、516、519、521和524可各自具有3dB的损耗值。RF前端500包括平衡-不平衡转换器512、514和527。RF前端500包括混频器513。在一些实施例中，举例来说，混频器513具有1dB的增益、12dB的噪声因数以及22dBm的OIP3。在一些实施例中，举例来说，混频器513可使用95mA电流和漏极320mW功率在3.3V下操作。RF前端500包括模数信号转换器528。在一些实施例中，举例来说，模数信号转换器528可在4dBm的功率电平下操作。
图6是示出用于具有以下天线阵列权重或系数的示范性4元件天线阵列117的阵列因子的曲线图600：
表1
Figure BDA0004026293440000231
可重新配置的数字逻辑处理装置114在并有表1的系数时根据由图6的曲线图600以图形方式表示的传递函数来处理由天线阵列接收的信号。天线阵列系数有效地定义传递函数。曲线图600的x轴对应于到达的无线电波的倾角(即，接收方向)，并且y轴对应于放大电平。在对应于0度的点610处，放大电平为最大值(0)。在对应于约40度的点620处，放大电平为最小值。在曲线图600的阵列因子的情况下，在约40度处接收的任何信号显著衰减或失效。在此配置中，0度方向可被配置成对应于如由轨道计划数据118限定的LEO卫星轨道的特定周期处的远程地面通信系统120的预期位置。40度方向可对应于产生通信系统不关注的信号的已知干扰源。表1中的线长度值指示在天线阵列117的对应元件与RF前端115之间的电连接长度。电长度为如电信号所见的长度，其在具有较高相对介电常数或渗透率的介质中传播得较慢。在一些实施例中，不同的天线阵列元件可具有不同的线长度值。线长度的差异可通过I、Q系数中的变化来校正或调节。
图7是示出用于具有以下天线阵列权重或系数的示范性4元件天线阵列117的阵列因子的曲线图700：
表2
Figure BDA0004026293440000241
可重新配置的数字逻辑处理装置114在并有表2的系数时根据图7的曲线图700中的阵列因子来处理由天线阵列接收的信号。表2的天线阵列系数有效地定义由曲线图700以图形方式表示的传递函数。在对应于x轴上的15度的点710处，放大电平为最大值(0)。在分别对应于约-15度、50度和-55度的点720、730、740处，放大电平为最小值。在曲线图700的阵列因子的情况下，在约-15度、50度、-55度处接收的任何信号显著衰减或失效。在此配置中，15度方向可对应于远程地面通信系统120。-15度、50度、-55度方向可对应于产生通信系统不关注的信号的干扰源。曲线图700中的阵列因子包括对应于单独波束角范围的三个旁瓣712、714和716。由于按表2的天线阵列配置参数而配置的天线阵列117具有均匀激励电平，因此旁瓣712、714和716的峰值增益电平仅比主瓣710低约12dB。在其中在共同频率信道上需要若干波束的实施例中，可能有必要具有带有显著更低的增益电平的旁瓣。图8提供天线阵列的配置的实例，其中旁瓣具有显著更低的增益电平。
图8是示出用于具有以下天线阵列权重或系数的示范性4元件天线阵列117的阵列因子的曲线图800：
表3
Figure BDA0004026293440000251
可重新配置的数字逻辑处理装置114在并有表3的系数时根据图8的曲线图800中的阵列因子来处理由天线阵列接收的信号。表3的天线阵列系数有效地定义由曲线图800以图形方式表示的传递函数。在对应于x轴上的15度的点810处，放大电平为最大值(0)。在分别对应于约-15度、50度和-55度的点820、830、840处，放大电平为最小值。在曲线图800的阵列因子的情况下，在约-15度、50度、-55度处接收的任何信号显著衰减或失效。在此配置中，15度方向可对应于远程地面通信系统120，LEO卫星110计划沿着卫星路径的特定部分与所述远程地面通信系统进行通信。-15度、50度、-55度方向可对应于沿着卫星路径的相同部分产生通信系统不关注的信号的干扰源。基于表3的配置参数的天线阵列117的配置产生天线阵列的锥形激励，其中边缘(天线阵列)元件1和2在-5dB下被激励。由于基于表3的配置参数的锥形激励，旁瓣的峰值(对应于角范围812、814)比阵列因子800的峰值(810)低20dB(在y轴上)。在其中需要若干波束用于共同频率信道的实施例中，主瓣与各种旁瓣之间的增益电平的显著差异可为有利的。使用与表3中所例示的参数类似的参数的天线阵列117的配置可提供共享共同信道频率的多个转向波束之间的改进的独立性，同时改进卫星通信系统100的总体通信带宽和并行度。
图9是示出用于具有以下天线阵列权重或系数的示范性4元件天线阵列117的阵列因子的曲线图900：
表4
Figure BDA0004026293440000261
可重新配置的数字逻辑处理装置114在并有表4的系数时根据图9的曲线图900中的阵列因子来处理由天线阵列接收的信号。表4的天线阵列系数有效地定义由曲线图900以图形方式表示的传递函数。在对应于x轴上的0度的点910处，放大电平为最大值(0)。在分别对应于约-30度和-30度的点920和930处，放大电平为最小值。在曲线图900的阵列因子的情况下，在约-30度和30度处接收的任何信号显著衰减或失效。在此配置中，0度方向可对应于远程地面通信系统120。-30度和30度方向可对应于产生通信系统不关注的信号的干扰源。
图9的阵列因子曲线图900可与图6的阵列因子曲线图600形成对比。使用天线1和天线2(天线阵列的边缘元件)上的5dB锥形产生阵列因子曲线图600。相比之下，使用均匀激励产生阵列因子曲线图900。阵列因子曲线图600和900的配置中的激励的此差异使得在阵列因子曲线图600中产生显著低于阵列因子曲线图900中的旁瓣(对应于角范围912、914)的旁瓣(对应于角范围612、614)。此外，由于在产生阵列因子曲线图600和900的配置参数中的差异，阵列因子曲线图900的主波束(对应于角范围910)稍微窄于阵列因子曲线图600的主波束(对应于角范围610)。因此，如由图6至9所示出，通过修改天线阵列权重或系数，可获得天线阵列因子的不同配置(以及由此传递函数)以满足卫星通信系统100的变化的通信要求。
图10是示出用于具有以下天线阵列权重或系数的示范性4元件天线阵列117的阵列因子的曲线图1000：
表5
Figure BDA0004026293440000271
可重新配置的数字逻辑处理装置114在并有表5的系数时根据图10的曲线图1000中的阵列因子来处理由天线阵列接收的信号。表5的天线阵列系数有效地定义由曲线图1000以图形方式表示的传递函数。在对应于x轴上的0度的点1030处，放大电平为最小值(且衰减电平为最大值)。在分别对应于约-25度和25度的点1020和1010处，放大电平为最大值(且衰减电平为最小值)。在曲线图1000的阵列因子的情况下，在0度倾角处接收的任何信号显著衰减或失效。在此配置中，-25度和25度方向可对应于例如远程地面通信系统120。举例来说，0度方向可对应于产生通信系统不关注的信号的干扰源。
图11是根据一些实施例的包括天线元件1100a、1100b、1100c和1100d的天线阵列1100的示意图。天线阵列1100是相控天线阵列。图11还示出用作用于由可重新配置的数字逻辑处理装置114和RF前端115执行的计算的参考的Z轴和Y轴。X轴(未展示)垂直于Y轴和Z轴。在其它实施例中，可使用X轴、Y轴和Z轴的其它定向。
在一些实施例中，天线阵列117或1100可为适合于定位或安装在平坦表面上的贴片天线阵列。天线阵列的每一元件可为安装在较大金属薄片1190上的金属贴片，所述金属薄片充当用于天线阵列的接地平面。在其它实施例中，举例来说，天线阵列117或1100可包含其它形式的辐射元件中的多个辐射元件，例如鞭状辐射元件或角状辐射元件。然而，天线阵列117或1100的天线元件并不被配置成相对于彼此移动，天线阵列也不依赖于多样性设置。
图12是根据一些实施例的呈通信系统的贴片天线阵列1200形式的天线阵列117或1100的范例性平面视图。贴片天线阵列1200展示为线性阵列。线性阵列的天线元件沿着一个线性维度定位，即，天线元件沿着一条线定位以形成贴片天线阵列。贴片天线阵列1200展示为位于由底盘限定的共同底座平面上的天线元件阵列。贴片天线阵列1200的每一天线元件或贴片1200a、1200b、1200c、1200d具有杯形的堆叠式贴片配置。在一些实施例中，邻近天线元件或贴片1200a、1200b、1200c、1200d之间的间隔保持大体上均匀。天线阵列1200还包括两个同轴探针1210和1220。探针1210和1220彼此正交(即，相对于中心支柱1440成角度地间隔开约90度)，并且可轴向固定以在LEO卫星110的发射期间承受振动。在一些实施例中，举例来说，天线阵列1200可具有81mm×301mm×15mm的尺寸。在一些实施例中，可替代地使用例如矩形阵列、多个线性阵列或圆形或其它非线性阵列来实施天线阵列117。均匀或非均匀距离可用以使矩形阵列或圆形阵列的天线元件间隔开。
图13是根据一些实施例的天线阵列1200的范例性天线阵列元件1200a的平面视图。探针1220和1210分别在点Y和X处与天线阵列元件1200a接触。
图14是根据一些实施例的天线阵列1200的范例性天线阵列元件1200a的另一平面视图。图14示出第一(上部)条带/贴片1410、第二(下部)条带/贴片1420以及杯1430。举例来说，每一杯1430嵌入于LEO卫星110的底盘的外部部分或子框架中或定位在其上或并入在其中。为了较大机械稳定性，可用较薄贴片来压印贴片1410和1420。两个贴片1410和1420由中心支柱1440机械地支撑。经由两个正交同轴探针1220和1210来电激励下部贴片1420。在一些实施例中，在贴片1420下方具有微带混合网络(未展示)。
微带混合网络可创建两个端口，一个为右旋圆极化(RHCP)端口且另一个为左旋圆极化(LHCP)端口。因此，一些实施例使用左旋或右旋圆极化的传输。合并左旋或右旋圆极化的传输会允许同时传输两个独立信号，即，使用RHCP端口的第一信号和使用LHCP端口的第二信号。两个同时传输的信号包括彼此正交的平面中的振荡，而不是单个极化传输中的振荡。响应于与信号反射或缺乏到传输目标的清晰视线相关联的问题，圆极化传输更加稳固。
图15是图14中所展示的天线阵列元件1200a的侧面横截面视图。杯1430具有开口1510，探针1210、1220两者朝向贴片1410和1420穿过所述开口。
图16是根据一些实施例的天线阵列1200的天线阵列元件1200a的探针部分1600的特写横截面侧视图。探针部分1600包括同轴探针1630和1650。在一些实施例中，同轴探针1630和1650可具有50欧姆的阻抗。探针由铁氟龙(Teflon)套管1610包围，所述铁氟龙套管又由铝接地底座1660包围。在探针部分的底部为接地平面1640。在接地平面1640与LEO卫星110的底盘的表面之间具有微带1620。在一些实施例中，微带1620可具有50欧姆的阻抗。根据一些实施例，在同轴探针1630的底部处具有导体，例如晶须铜线1670。晶须铜线1670将探针1630和1650连接到微带1620。在一些实施例中，可使用Sn96/Ag4合金焊料来焊接晶须铜线1670。支撑微带1620的电介质可例如为具有电介质厚度508μm(约0.5mm)的Rodgers RT-Duroid 6002(介电常数2.94)，并且在17μm(0.017mm)的铜厚度下在两侧上金属化。
图17是根据一些实施例的天线阵列元件1200a的接地平面1700的俯视图。接地平面1700限定经蚀刻区域或不连续区域1710，以使得铁氟龙套管1610不接触接地平面1700。
本文中所公开的各种实施例的相控天线阵列有利地适合于在多个方向上创建多个同时传输或接收波束(或用于波束无效)。这增加了LEO卫星110的通信效率。
在与6U CubeSat有关的实施例中，对6U选定卫星底盘平台的空间限制使得需要将天线阵列拟合到卫星主体的一侧上的最大310×90×14mm3体积中。
为了执行阵列波束扫描，阵列中的辐射元件不应任意地分离，但应具有随阵列波束扫描角范围而变的间隔距离。如果天线元件到天线元件间隔太大，那么光栅瓣(其为一种寄生辐射瓣)可出现在天线辐射方向图中。此类光栅瓣可通过降低信号传输效率而对天线系统的性能有害，这可最终不利地影响整个卫星的性能。
在基于6U底盘的一些实施例中，75mm的(中心到中心)天线元件到天线元件间隔可用于S波段频率中的通信。邻近天线元件的邻近边缘可例如间隔约3mm至约5mm。在一些实施例中，相比于RF性能(即，避免光栅瓣)，卫星上的天线容纳可能更多地是性能限制因素。如果天线阵列在卫星上的空间容纳允许此类天线元件到天线元件间隔，那么天线阵列的所要RF性能可维持在接收模式，其中天线元件到天线元件间隔为78mm而无显著变化。
一般说来，当元件较小和/或轮廓极低时，就带宽来说，贴片天线的性能在带宽方面会降低。为了实现如本文中所描述的6U卫星实施例的卫星通信功能性所需的RF性能，但具有可适配至具有75mm的最大长度的阵列单元中的元件，可采用天线元件的贴片辐射器的纵向压缩或表面变化。
可在贴片辐射器的表面和横截面轮廓中形成波或波纹以增加其RF电长度，同时维持减小的机械长度。贴片表面的波状或波纹允许若干百分比的物理贴片尺寸减小，但这可足以允许CubeSat底盘的受约束物理空间内的所要RF性能。
然而，贴片表面的波或波纹图案化可引发制造挑战，因为其不适合于贴片天线辐射器的常规机械加工。根据一些实施例，贴片天线在具有波或波纹图案化的铝中的3D打印可用于制造贴片天线。然而，由于贴片天线的形状和性质以及3D打印机的物理约束，波状或波纹状贴片的3D打印具有挑战性。
图18是根据一些实施例的LEO卫星的底盘1800的透视图。底盘1800具有6CubeSat单元(即，6U)的范例性大小。底盘1800具有定向，其中3CubeSat单元定位成纵向邻近于3CubeSat单元以提供6CubeSat单元总体大小。LEO卫星110的各种组件可定位在底盘1800内或上。底盘1800通常由覆盖板和/或材料覆盖，并且在如此覆盖时包括第一主要面1810(对应于6个单元的区域)以及与第一主要面1810相对的第二主要面(对应于6个单元的区域，未展示)。底盘1800在由覆盖板和/或材料覆盖时包括第一次要面1820(对应于3个单元的区域)以及与第一次要面1820相对的第二次要面(对应于6个单元的区域，未展示)。底盘1800在由覆盖板和/或材料覆盖时包括第一侧面1830以及与第一侧面1830相对的第二侧面(未展示)。
在一些实施例中，天线阵列117或1100定位在第一次要面1820上，从而使第一主要面1810和第二主要面可用于定位太阳能电池。替代地或另外，天线阵列117或1100可安置在第二次要面上。天线阵列117或1100可例如跨越多个CubeSat单元延伸，并且可跨越第一次要面1820和/或第二次要面的大体上整个长度延伸。
由于第一主要面和第二主要面具有最大表面积，因此将天线阵列117或1100定位在第一次要面1820和/或第二次要面上会允许产生更多太阳能以供在LEO卫星内使用。在一些实施例中，天线阵列117或1100可定位在第一和/或第二主要面上以容纳比第一次要面1820和/或第二次要面的面积更大的天线阵列。在一些实施例中，天线阵列117或1100可包含安置在第一侧面1830和/或第二侧面上的阵列部分。至少一个处理器112被配置成控制LEO卫星110的定向机构以始终采用将天线阵列117或1100指向地球中心的定向。
图19是根据一些实施例的LEO卫星1900的示意图。LEO卫星1900并有底盘1800以形成LEO卫星1900的主体。LEO卫星1900包括在第一主要面1810的部分上的太阳能电池1910以及在第一次要面1820的部分上的天线阵列117或1100。
图20是在LEO卫星110与多个地面通信系统120之间通信的方法2000的流程图。方法2000的各个步骤由包含天线阵列117、可重新配置的数字逻辑装置114和处理器112的LEO卫星110的各种组件执行。在2010处，确定LEO卫星的当前位置。在一些实施例中，可使用来自GPS接收器的数据来确定当前位置。在一些实施例中，可使用初始卫星状态向量来确定LEO卫星的当前位置，所述初始卫星状态向量包括在从运载火箭发射LEO卫星110的时间点由卫星发射提供者提供的位置和速度数据。
在2012处，处理器112基于在2010处确定的卫星位置而确定阵列因子系数。可从存储轨道计划数据118的存储器113检索阵列因子系数。阵列因子系数可适合于允许传输或接收波束成形操作。
在2014处，处理器112使用在2012处确定的阵列因子系数来重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114。图4的示意图示出由一些实施例的数字逻辑处理装置114执行的信号处理操作。在步骤2014处，可基于在2012处确定的阵列因子系数而更新图4中所示出的各种系数。下表示出存储在存储器113中的记录的实例，所述记录可用于配置可重新配置的数字逻辑处理装置114，尤其是配置确定由LEO卫星110执行的波束成形或波束转向操作的I和Q阵列因子系数。
表6
Figure BDA0004026293440000321
Figure BDA0004026293440000331
LEO卫星110的轨道计划数据118可包括如以上表6中所例示的飞行路径坐标。存储在存储器118中的指示LEO卫星110的计划位置或飞行路径的一部分的星历表记录还可包含如以上表6中所例示的飞行路径坐标。
在2016处，天线阵列117可接收信号。所接收的信号由RF前端115处理且可供数字逻辑处理装置114使用。在2018处，数字逻辑处理装置114处理由天线阵列115接收的信号以放大与地面通信系统120相对应的所接收信号的子集。在2018处，数字逻辑处理装置114还可同时衰减非关注信号或对应于已知噪声源的信号。在2020处，处理在2018处确定的经放大信号子集以确定在由天线阵列117在2016处接收的信号中编码的信息。可由数字逻辑处理装置114或处理器112整体地执行步骤2020。在一些实施例中，可由数字逻辑处理装置114和处理器112彼此协同地执行步骤2020。经解码信息可存储在存储器113中。当LEO卫星110与地面站130建立通信时，经解码信息可经由无线电通信链路170而传输到地面站130以可供客户端装置140使用。
步骤2022、2024和2026对应于用于将信息从LEO卫星110传输到远程地面通信系统120的步骤。在2022处，处理器112从存储器113检索待传输的信息/有效载荷。所检索的信息/有效载荷可供可重新配置的数字逻辑处理装置114使用。在2024处，可重新配置的数字逻辑处理装置114处理信息/有效载荷以产生用于天线阵列117的馈送信号。基于阵列因子系数而确定所产生的馈送信号，所述阵列因子系数用以动态地重新配置数字逻辑处理装置114以允许在与远程地面通信系统120或地面站130相对应的传输所要的所关注方向上进行传输波束成形。馈送信号通过RF前端115而可用于天线阵列117。在步骤2026处，天线阵列117基于由可重新配置的数字逻辑处理装置114产生的馈送信号而传输信号。
如由LEO卫星110的各种组件执行的方法2000可以规律间隔连续地或重复地执行。在完成步骤2020之后或在完成步骤2026之后，方法2000可在步骤2010处通过确定卫星的位置变化且接着确定如所描述的方法2000的其余步骤而继续。
图21是发射被配置成在轨道中部署LEO卫星110的卫星运载火箭的方法2100的流程图。在步骤2102处，将根据实施例的LEO卫星110提供到卫星运载火箭。LEO卫星110可集成在分配器系统中，所述分配器系统提供LEO卫星与运载火箭之间的接口、在飞行期间保护LEO卫星110并且允许按运载火箭的命令来部署LEO卫星。在步骤2104处，从地球的表面发射被配置成释放LEO卫星110的卫星运载火箭，在此之后可部署LEO卫星以用于在特定轨道中行进。
一些实施例涉及在一种微卫星或纳米卫星底盘或外壳中和/或上安装：至少一个处理器、可由所述至少一个处理器存取的存储器以及可由所述至少一个处理器存取的通信子系统，所述存储器存储LEO卫星的轨道计划。所述通信子系统包括：天线阵列，其包括两个或更多个天线元件；以及可重新配置的数字逻辑处理装置，其与所述天线阵列通信。所述至少一个处理器与所述可重新配置的数字逻辑处理装置通信，并且所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以通过将不同传递函数应用于由所述天线阵列的多个天线元件随时间同时接收或传输的信号来基于所述轨道计划而执行定向波束成形。如所描述的通信子系统和其它组件的安装可形成提供上文所描述的步骤2102的早期部分。
一些实施例涉及一种用于提供卫星通信服务的方法，其包括将根据实施例中任一项所述的LEO卫星作为有效载荷提供到卫星运载火箭。
一些实施例涉及一种用于提供卫星通信服务的方法，其包括发射卫星运载火箭，所述卫星运载火箭被配置成释放根据实施例中任一项所述的LEO卫星以用于在低地球轨道中行进。
所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本公开的广泛一般范围的情况下对上述实施例作出众多变化和/或修改。因此，本发明的实施例应被视为在所有方面都是说明性而非限制性的。

Claims (34)

1.一种低地球轨道(LEO)卫星，所述LEO卫星包括：
微卫星或纳米卫星底盘，其容纳至少一个处理器、能够由所述至少一个处理器存取的存储器以及能够由所述至少一个处理器存取的通信子系统，所述存储器存储所述LEO卫星的轨道计划；所述通信子系统包括：
天线阵列，其包括两个或更多个天线元件；
可重新配置的数字逻辑处理装置，其与所述天线阵列通信；
其中所述至少一个处理器与所述可重新配置的数字逻辑处理装置通信，并且
其中所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以通过将不同传递函数应用于由所述天线阵列的多个天线元件随时间同时接收或传输的信号来基于所述轨道计划而执行定向波束成形。
2.根据权利要求1所述的LEO卫星，其中所述天线阵列是线性阵列。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的LEO卫星，其中使用所述天线阵列的所有天线元件同时执行所述定向波束成形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的LEO卫星，其中所述至少一个处理器进一步被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以通过将不同传递函数应用于由所述天线阵列的多个天线元件随时间接收并传输的信号来基于所述轨道计划而执行定向波束调零。
5.根据权利要求4所述的LEO卫星，其中跨越多个频率信道同时执行所述定向波束成形和/或波束调零。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的LEO卫星，其中在多个不同方向上同时执行所述定向波束成形和/或波束调零。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线阵列沿着所述底盘的一侧安置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线阵列被安置成大体上覆盖所述底盘的次要面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线元件中的每一者包含贴片天线。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线阵列包含至少四个天线元件。
11.一种低地球轨道(LEO)卫星，所述LEO卫星包括：
底盘，其容纳至少一个处理器、能够由所述至少一个处理器存取的存储器以及能够由所述至少一个处理器存取的通信子系统，所述存储器存储所述LEO卫星的轨道计划；所述通信子系统包括：
天线阵列，其包括两个或更多个天线元件；
可重新配置的数字逻辑处理装置，其与所述天线阵列通信；
其中所述至少一个处理器与所述可重新配置的数字逻辑处理装置通信，并且
其中所述至少一个处理器被配置成动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以：
处理由所述天线阵列接收的信号以根据所述LEO卫星的轨道计划来放大从一个或多个所关注方向接收的传输，或
根据所述LEO卫星的所述轨道计划来放大待由所述天线阵列在用于传输的一个或多个所关注方向上传输的信号；并且
所述LEO卫星具有在1kg至100kg范围内的质量。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的LEO卫星，其中所述LEO卫星具有在10kg至30kg范围内的质量。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的LEO卫星，其中所述底盘具有CubeSat结构以及1CubeSat单元至50CubeSat单元的大小。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的LEO卫星，其中所述底盘具有CubeSat结构以及3CubeSat单元至24CubeSat单元的大小。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的LEO卫星，其中所述底盘包括主要面、次要面，所述主要面具有比所述次要面大的表面积；并且
所述天线阵列设置于所述次要面的至少一部分上。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的LEO卫星，其中所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以：
处理由所述天线阵列接收的所述信号，以根据所述LEO卫星的所述轨道计划来衰减从一个或多个非关注方向接收的传输，或
根据所述LEO卫星的所述轨道计划来衰减待由所述天线阵列在用于传输的一个或多个非关注方向上传输的信号。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的LEO卫星，其中轨道计划数据包括一个或多个天线阵列配置记录，每一天线阵列配置记录包括：
星历表记录，其指示在某一时间段内所述LEO卫星在轨道中的计划位置；以及
关于所述星历表记录而定义的阵列因子系数，其与所述两个或更多个天线元件中的每一者相关联。
18.根据权利要求17所述的LEO卫星，其中每一阵列因子系数是包括实数系数值和虚数系数值的复数权重。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的LEO卫星，其中所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以处理由所述天线阵列接收的所述信号，或基于所述LEO卫星的所述计划位置以及如在与所述LEO卫星的所述计划位置相关联的所述天线阵列配置记录中所定义的所述阵列因子系数而放大由所述天线阵列传输的信号。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线阵列是贴片天线阵列。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的LEO卫星，其进一步包括模数转换器，所述模数转换器用于在由所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理信号之前预处理所述信号。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的LEO卫星，其进一步包括数模转换器，所述数模转换器用于处理由所述可重新配置的数字逻辑处理装置产生的信号以供由所述天线阵列传输。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的LEO卫星，其进一步包括信号信道器，所述信号信道器用于在由所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理信号之前对所述信号进行信道化。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的LEO卫星，其中所述可重新配置的数字逻辑处理装置包括现场可编程门阵列(FPGA)。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的LEO卫星，其中当所述LEO卫星从多于一个所关注方向接收信号时，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以调平从所述多于一个所关注方向接收的信号的振幅。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的LEO卫星，其中当所述LEO卫星将信号传输到多个所关注方向时，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置，以调平传输到所述多个所关注方向的信号的振幅。
27.根据权利要求1至24中任一项所述的LEO卫星，其进一步包括与所述至少一个处理器通信的一个或多个可变增益放大器(VGA)，
其中当所述LEO卫星从多于一个所关注方向接收信号时，所述至少一个处理器配置所述一个或多个VGA，以调平从所述多于一个所关注方向接收的信号的振幅。
28.根据权利要求11至27中任一项所述的LEO卫星，其中所述天线阵列包括四个或更多个天线元件。
29.一种在卫星通信系统中的通信方法，所述卫星通信系统包括：
根据权利要求1至28中任一项所述的至少一个LEO卫星；以及
多个地面网关装置，每一地面网关装置与多个地面传感器装置通信；
所述通信方法在所述至少一个LEO卫星与所述多个地面网关装置之间进行，所述方法包括：
基于所述轨道计划数据，所述至少一个处理器动态地重新配置所述可重新配置的数字逻辑处理装置以处理由所述天线阵列接收的信号或通过所述天线阵列产生并传输信号；
所述天线阵列接收信号并使所接收的信号能够供所述可重新配置的数字逻辑处理装置使用；
所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理所述所接收的信号以放大与由所述多个地面网关装置中的一者或多者传输的信号相对应的所述所接收的信号的子集，或
所述可重新配置的数字逻辑处理装置使信号能够供所述天线阵列使用以用于在与所述多个地面网关装置中的一者或多者的相应位置相对应的一个或多个传输方向上传输。
30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包括所述通信子系统处理所接收的信号的经放大子集以对在所接收的信号的所述子集中编码的信息进行解码。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其进一步包括所述可重新配置的数字逻辑处理装置处理所述所接收的信号以衰减与由所述天线阵列接收的非关注信号相对应的所述所接收的信号的第二子集。
32.一种用于提供卫星通信服务的方法，其包括：
将根据权利要求1至28中任一项所述的LEO卫星作为有效载荷提供到卫星运载火箭。
33.一种用于提供卫星通信服务的方法，其包括发射卫星运载火箭，所述卫星运载火箭被配置成释放根据权利要求1至28中任一项所述的LEO卫星以用于在低地球轨道中行进。
34.个别地或共同地在本文中公开或在本申请的说明书中指示的步骤、过程、特征、整数、电路、组件、子系统和结构，以及所述步骤、过程、特征、整数、电路、组件、子系统和结构中的两个或更多个的任何和所有组合。
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