CN1615563B - 用于卫星跟踪的相控阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供卫星通信系统使用的固定地面用户终端天线，在所述卫星通信系统中，卫星在由多个分开轨道平面组成的星座中绕地球运行，所述多个轨道平面中的每一个轨道平面有多个卫星。所述用户终端天线包括底座，其具有和所述底座相连接的斜板。所述斜板具有一维电子扫描阵列天线，所述一维电子扫描阵列天线沿着连接到所述斜板的单个轴扫描，使得所述阵列天线通过倾斜所述斜板来倾斜。当所述单个卫星穿过所述阵列天线的视野时，所述阵列天线跟踪在所述多个轨道平面的一个轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星。

Description

用于卫星跟踪的相控阵列天线系统

技术领域

本发明涉及用于卫星通信系统的用户终端天线，尤其涉及用于其中在由分开的多个轨道平面组成的星座中的卫星绕地球运行的卫星通信系统的用户终端天线，所述多个轨道平面中的每个轨道平面有多个卫星。

背景技术

卫星通信系统采用了用户终端天线(“UTA”)和所述卫星通信系统通信，在所述卫星通信系统中，由分开的多个轨道平面组成的星座中的卫星绕地球运行，所述多个轨道平面中的每个轨道平面有多个卫星。将UTA安装在地球上为UTA提供观察天空视图的地方。所述UTA有这样的视野，在其视野中所述UTA能够和所述视野中的卫星通信系统中的任何卫星通信。

地球的旋转使得多个轨道平面中的每一个轨道平面随着地球的旋转而在所述UTA的视野的东西域上升、穿过和下降。即，在所述UTA的视野里面的多个轨道平面的特定轨道平面将会随着地球旋转而变化。典型的卫星通信系统采用了足够数量的轨道平面，使得当一个轨道平面从所述UTA的视野下降时，另一个轨道平面升入到所述UTA的视野里面，以致轨道平面总是在所述UTA的视野内。而且，由于在每个轨道平面中的多个卫星围绕地球运行，当多个轨道平面中的一个轨道平面在所述UTA的视野内时，在那个轨道平面中的多个卫星将随着所述多个卫星在那个轨道平面进行而升入到、穿过所述UTA的视野以及所述UTA的视野下降。即，在所述UTA的视野内的那个轨道平面中的多个卫星中的特定卫星将随着多个卫星在那个轨道平面中绕轨道运行而变化。典型的卫星通信系统在每个轨道平面采用了足够数量的卫星，使得在轨道平面中的多个卫星中的至少一个卫星总处于所述UTA的视野内，以致能够出现不中断的通信。只要那个轨道平面在所述UTA的视野内，则多个卫星升入到、穿过在所述UTA的视野并从在所述UTA的视野下降将会继续。当所述轨道平面从所述UTA的视野穿过时，多个轨道平面的一个不同的轨道平面将在所述UTA的视野内，并且在不同轨道平面中的多个卫星中的单个卫星将穿过所述UTA的视野，使得所述卫星通信系统中的至少一个卫星总处于UTA的视野内。

由于多个卫星在轨道平面绕轨道运行以及地球的旋转，所述UTA必须能够：1)当所述单个卫星穿过所述UTA的视野时，捕获和跟踪单个卫星；2)在原来捕获和跟踪的单个卫星已经离开UTA的视野后，捕获和跟踪在相同轨道平面中的一个不同的单个卫星；3)当它穿过UTA的视野时，跟踪轨道平面；以及4)在原来捕获和跟踪的单个轨道平面已经离开UTA的视野后，跟踪所述多个轨道平面中的一个不同的单个轨道平面。因此，当在所述UTA的视野内时，所述UTA必须能够跟踪在特定轨道平面内的多个卫星的空间轨道，以及跟踪由于地球旋转而导致的多个轨道平面的移动。

用于和这样一种卫星通信系统通信的典型现有技术的UTA使用了双碟结构。在双碟结构中，第一碟跟踪并和在所述UTA的视野内的卫星通信，而第二碟捕获或者准备捕获将要进入视野的不同卫星。用此方法，在没有任何通信中断的情况下，能够将通信功能从所述第一碟转移到所述第二碟。将通信从一个卫星转移到另一个卫星称作为切换(handoff)。由于平面内和平面间卫星两者切换，双碟设计能够为平面内和平面间的卫星切换提供不间断的通信。

这些双碟现有技术UTA并非没有缺点。双碟UTA相对来说尺寸大。双碟的大尺寸使得搬运和安装困难。从审美的角度来讲，大尺寸同样也令人不快。而且，某些地方法规会禁止将双碟UTA安装在诸如屋顶或者其他提供无障碍观察天空的地方的所想要的地方。

对双碟UTA的一种现有技术替代使用二维电子扫描相控阵列天线来代替双碟。所述二维电子扫描相控阵列天线基本上是平的，并且全部的组装具有比双碟UTA小得多的尺寸。然而，二维电子扫描相控阵列天线与双碟UTA比较非常昂贵。二维电子扫描相控阵列天线的高成本限制了能够买得起这样一种UTA并使用卫星通信系统的潜在用户数量。卫星通信系统的潜在用户数量的限制改变了开发和采用这样一种系统的经济合理性理由(justification)，并会使得所述系统在经济上不可行。

所以，所需要的是具有小型尺寸的UTA，使得所述UTA易于安装、从美学上来讲令人愉快，并且不与监管在想要地方放置UTA的典型地方法规相抵触。而且，UTA的成本对大量的潜在用户来说应该是可承受的，以致将要使用UTA的卫星通信系统在经济上是可行的。

发明内容

本发明针对克服了与供卫星通信系统使用的UTA的现有技术UTA的缺点相关的UTA，在所述通信系统中，在由分开的多个轨道平面组成的星座中，卫星绕地球运行，所述多个轨道平面中的每一个轨道平面有多个卫星。本发明同样也针对使用这样一种UTA的方法。

本发明的所述UTA有为UTA提供支撑的底座。将斜板连接到所述底座。所述斜板能够相对所述底座倾斜。将沿着单个扫描轴扫描的一维电子扫描相控阵列天线(以后称作为“阵列天线”)连接到所述斜板。所述阵列天线通过倾斜斜板来倾斜。当单个卫星穿过阵列天线的视野时，阵列天线跟踪在所述多个轨道平面中的一个轨道平面中的多个卫星中的单个卫星，使得所述阵列天线能够将数据发送到单个卫星或者从所述单个卫星接收数据。

最好，调整阵列天线的扫描轴的方向使其总体上和在多个轨道平面中的多个卫星的轨道对齐，使得当在所述第一轨道平面的第一卫星穿过阵列天线的视野时，所述阵列天线能够跟踪在多个轨道平面中的第一轨道平面的所述多个卫星中的第一卫星。甚至更好的是，所述斜板在大概和所述扫描轴对齐的单个斜轴周围倾斜，并且当阵列天线跟踪在所述第一轨道平面中的第一卫星时，所述斜板沿斜轴倾斜。斜板的倾斜补偿了地球的旋转，使得阵列天线的视野依然朝向所述第一轨道平面，并且所述阵列天线能够发送数据到在所述第一轨道平面中的所述第一卫星，并从所述第一轨道平面中的所述第一卫星接收数据。

当由阵列天线跟踪的所述第一轨道平面中的所述第一卫星到达在阵列天线视野的预定卫星释放位置时，阵列天线从跟踪所述第一轨道平面中的所述第一卫星切换到跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的第二卫星。当在第一轨道平面中的所述第二卫星到达在阵列天线视野的预定卫星释放位置时，阵列天线从跟踪所述第一轨道平面中的所述第二卫星切换到跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的第三卫星。对于在所述第一轨道平面中的多个卫星的每一个卫星来说，这种步骤一直进行到所述第一轨道平面到达预定轨道平面释放位置。

当第一轨道平面到达预定轨道平面释放位置时，阵列天线从跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星的单个卫星切换到跟踪所述多个轨道平面的所述第二轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星。为了实现阵列天线从跟踪在所述第一轨道平面中的单个卫星到跟踪在所述第二轨道平面中的单个卫星，所述斜板沿所述斜轴倾斜到预定轨道平面捕获位置。由所述斜板的回扫来实现轨道平面的切换。所述斜板到预定轨道平面捕获位置的倾斜使得阵列天线的视野朝向在多个轨道平面中的第二轨道平面，以致能够跟踪在所述多个轨道平面的第二轨道平面中的多个卫星中的第一单个卫星，并将数据发送到在所述第二轨道平面中的第一单个卫星以及从在所述第二轨道平面中的第一单个卫星接收数据。阵列天线接着进行对第二轨道平面中的多个卫星的每个卫星的跟踪，直到所述第二轨道平面到达预定轨道平面释放位置，在此时，所述斜板绕所述斜轴倾斜到所述预定轨道平面捕获位置。所述斜板到预定轨道平面捕获位置的倾斜使得阵列天线的视野朝向所述多个轨道平面的第三轨道平面，以致能够跟踪在多个轨道平面的第三轨道平面中的多个卫星中的第一单个卫星，并将数据发送到在所述第三轨道平面中的第一单个卫星以及从所述第三轨道平面中的第一单个卫星接收数据。所述多个轨道平面中的每一个轨道平面都继续这种步骤，并无限地重复下去。

具有单个斜轴的一维电子扫描相控阵列天线的使用提供了小型的UTA。而且，一维电子扫描相控阵列天线的成本比二维电子扫描相控阵列天线的成本小很多。所以，本发明通过提供能够在如上所述卫星通信系统中使用的不昂贵的小型简单的UTA来克服现有技术UTA的缺点。

本发明可适用的其他领域将根据此后所提供的详细描述变得清楚。应该理解，详细描述和具体例子，尽管指示了本发明的优选实施例，但是也仅出于说明的目的，而且不意味着限制本发明的范围。

附图说明

根据所述详细描述和附图，本发明将得到充分理解，其中：

图1A是示出所述斜板和阵列天线的本发明UTA的侧视图；

图1B是示出阵列天线孔径的图1A的UTA前视图；

图2是和本发明兼容的具有在极轨道的多个轨道平面的卫星星座的极视图；

图3是和图2的卫星星座一起使用的图1A-B的UTA的电子扫描轴和机械斜轴的图形表示；

图4A是随着地球旋转，并且所述多个卫星下降到从地面上的用户角度看为北时，在图2的卫星星座的轨道平面内由多个卫星形成的地面轨迹的图形表示；

图4B是随着地球旋转，并且所述多个卫星下降到从地面上的用户角度看为南时，在图2的卫星星座的轨道平面内由多个卫星形成的地面跟踪的图形表示；

图5是阵列天线在图2的卫星星座的相同轨道平面里面从跟踪在轨道平面中的第一卫星到跟踪的第二卫星的切换的图形表示；

图6是当卫星从在赤道上的UTA的角度看卫星上升和下降时，从南极上的点所看到的示出在图2的卫星星座的轨道平面内的单个卫星的轨迹的简化图形表示；以及

图7是从所述赤道上的点所看到的如图6所示的现象的简化图形表示。

具体实施方式

下面优选实施例的描述上仅是范例，而决不意味着限制本发明，它的应用或者使用。

参照图1A-B，示出了根据本发明的优选实施例的用户终端天线(UTA)。所述UTA具有连接到诸如屋顶的固定设备24的底座。所述底座22具有从底座22向上延伸的基架26。万向节28和所述基架26相连接。斜板30和万向节28相连接。一维电子扫描相控阵列天线(阵列天线)32和斜板30相连接。天线罩34和底座22相连，并覆盖UTA20，以致保护UTA20不受环境影响。UTA20和控制器36相连。控制器36控制UTA20的操作。

将UTA20设计为供卫星通信系统38使用，其中卫星40绕星座中的地球41运行。所述星座包括多个分开的轨道平面44。最好，轨道平面44是非常倾斜的轨道平面。非常倾斜的轨道平面有相对于地球赤道平面大约在70°到110°之间的倾斜。

每个轨道平面44都有多个绕轨道平面44中的地球运行的卫星40。最好，轨道平面44是分开的，以致轨道平面44能够提供对整个地球41的卫星覆盖。甚至更最好，轨道平面44是均等分开的。

出于解释本发明和方法的目的，按实际极轨道讨论和在图中示出在极平面44的卫星40的轨道。不过，应当理解，同样也能够将本发明以及方法应用于并非非极轨道或近极轨道轨道平面44中绕地球41运行的卫星40。所以，本发明及其方法不限于其中在极轨道的轨道平面44中卫星40绕地球41运行的卫星通信系统38，并且因此在非极轨道的轨道平面44中绕地球41运行的卫星40也在由权利要求所定义的本发明的范围内。

最好，在轨道平面44中的卫星轨道40是如图2所示的极轨道或者近极轨道。正如在图4A-B能够看到的那样，当卫星40在极轨道平面44中在地球41表面45上方绕行时，每个卫星40将地面轨迹46投影到地球表面45。图4A示出了以任意选择的40°仰角在UTA 20的视野47内所投影到地球表面45上的地面轨迹46。在图4A中，卫星40在极轨道上从南上升而向北降落。图4B示出：当卫星40在轨道平面中从北上升而向南降落时，相同的卫星40在以40°仰角在UTA 20的视野47内在地球的另一面45形成地面轨迹46。如果地球41不旋转，则在相同轨道平面44内的每一个卫星40的地面轨迹46是对齐和重叠的，并且地面轨迹46在极轨道情形时将会是从北延伸到南的单一轨迹。然而，因为地球41的旋转，地面轨迹46正如在图4A-B所能够看到的那样，当卫星40在地球表面45之上绕行时，有一个向西的倾斜。地面轨迹46的向西倾斜由地球41的旋转产生。地球41的旋转将会使得单个轨道平面44沿着地球表面45从东向西穿过。结果，在轨道平面44里面的每个卫星40在地球41旋转时将在地球表面45上投影不同的地面轨迹46。例如，正如在图4A-B所看到的那样，由在轨道平面44中绕行的多个卫星40在地球表面45投影出13个不同地面轨迹46。应该理解，13个不同地面轨迹46的给出仅仅用作举例，而地面轨迹46的实际数量将会根据卫星通信系统38的细节和UTA20的能力而变动。

对于具有多个卫星40的每一个轨道平面44来说，在如图4A-B所看到的轨道平面44中绕地球41运行的卫星40所投影的地面轨迹46绕地球表面45重复。正如在图2所能够看到的那样，随着地球41旋转，穿过UTA20所处的地球表面45的特定轨道平面44将会变动。即，随着地球41旋转，不同的轨道平面44将穿过UTA 20的视野47。

阵列天线32能够沿着单个扫描轴48扫描。最好，阵列天线32的扫描轴48和在多个轨道平面44中的多个卫星40的轨道对齐。即，当卫星40在作为极地轨道平面44中绕地球41运行时，扫描轴最好指向北南方向。将阵列天线32的扫描轴48调整到和在多个轨道平面44中的多个卫星的轨道对齐允许阵列天线32在卫星40沿在UTA 20的视野47中绕地球41运行时，跟踪在轨道平面44中的多个卫星40，这一点将在下面作更详细的描述。阵列天线32能够发送数据到由阵列天线32所跟踪的任何卫星40，并且从由阵列天线32所跟踪的任何卫星40接收数据。

最好，阵列天线32是双孔径阵列天线32，使得阵列天线32能够同时发送数据到由阵列天线32所跟踪的任何卫星40，并且从由阵列天线32所跟踪的任何卫星40接收数据。最好，阵列天线32具有分开的发送和接收孔径50、52。然而，应该理解，能够利用单个发送接收组合孔径，并且仍在由权利要求所定义的本发明的范围之内。将发送孔径50用于将数据发送到由阵列天线32所跟踪的卫星40。将接收孔径52用于从由阵列天线32所跟踪的卫星40接收数据。发送和接收孔径50、52具有各自的长度54、56和各自的宽度58、60。最好，各自的发送和接收孔径50、52的长度54、56大于发送和接收孔径50、52的各自宽度58、60。最好，各自的发送和接收孔径50、52的长度54、56沿着扫描轴48延伸，而各自发送或者接收孔径50、52的宽度58、60大体和各自长度54、56垂直。然而，应该理解，在由权利要求所定义的本发明范围内，各自的发送和接收孔径50、52的长度54、56不必沿着扫描轴48延伸，而各自发送或者接收孔径50、52的宽度58、60不必和各自长度54、56垂直。

由现有技术所知，在给定方向上孔径越窄，则在所述给定方向所投影的天线波束则越宽。因此，当由孔径所跟踪的轨道能够沿着轴非常精确跟踪时，所述孔径能够沿着那个轴更宽，而所述波束能够更窄，并且相反，当由孔径所跟踪的轨道不能够沿着轴非常精确跟踪时，所述孔径必须沿着那个轴更窄，从而产生包围跟踪轨道的更宽的光束。沿着扫描轴48的阵列天线32的电子扫描非常精确，用闭环或者开环跟踪来实现。因此，窄的波束能够沿着对应于天线孔径50、52的长度的电子扫描轴包围卫星40。

现在参照图6，从南极俯视地球41的角度示出了在单个轨道平面44绕地球41运行的单个卫星40的简化视图。当将UTA 20放置在地球41的赤道62上，以致UTA20不和轨道平面44对齐时，单个卫星40具有弧形的天空轨迹64。即，当单个卫星40处于用68所指示的上升或者下降位置时，单个卫星40出现在水平线的低的位置。当单个卫星40在轨道平面44绕地球41运行并且接近单个卫星在UTA20的正西方(或者正东方，未示出)的如70所指示的位置时，单个卫星40将在水平线的最高处出现。类似地，当它们在位置68上升或者下降时，所述卫星将出现在水平线最低处。当用户终端20不在轨道平面44的卫星40的天空轨迹64的正下方时，这对于在轨道平面44中绕行的每一个卫星40来说都是如此。通过利用在东西向中更宽波束或者通过机械跟踪在东西向的卫星位置变化，能够调整天空轨迹64的曲率。当卫星40从上升位置68运行到正西向位置70(或者正东向位置，未示出)并接着到下降位置68时，发送和接收孔径50、52的波束宽度需要宽到足以应付卫星40的俯仰方向的变化。当所述轨道是极轨道时，最好各自发送和接收孔径52、54的宽度58、60大体和东西向对齐。所以，将各自发送和接收孔径52、54的宽度58、60设计为能当卫星40绕地球41运行时产生包围单个卫星40的俯仰变化的宽波束。因为阵列天线32不沿着东西向电子扫描，所以，各自的发送和接收孔径50、52的宽度58、60最好比各自发送和接收孔径50、52的长度更窄。由各自发送和接收孔径50、52所投影的波束宽度定义了阵列天线32的视野71。即，阵列天线32的视野71表示空间的容积，在此容积内，阵列天线32能够发送数据到在阵列天线32的视野内的任何卫星40上，并从在阵列天线32的视野内的任何卫星40接收数据。

万向节28允许斜板30相对于底座22倾斜。万向节28允许斜板30沿单个倾斜轴72倾斜。最好，倾斜轴72和阵列天线32的电子扫描方向48对齐。倾斜轴72和扫描方向48的对齐使得阵列天线32和扫描方向48垂直倾斜。阵列天线32沿斜轴72的倾斜保持了阵列天线32的视野71在地球41旋转时指向轨道平面44，并且允许阵列天线32在轨道平面44从UTA20的东方经过UTA20的正上方到UTA20的西方时，跟踪在轨道平面44中的单个卫星40，这一点将在下面更详细地描述。正如在图3中所见，当斜轴72和阵列天线32的扫描轴48对齐，并且扫描轴48向北和南方向延伸时，阵列天线32能够沿着南北向电子扫描，并沿着东西向倾斜。

UTA20的视野47由阵列天线32的视野71以及斜板30能够沿斜轴72倾斜的范围来定义。即，UTA 20的视野47是阵列天线32的视野71扫过斜板30能够沿斜轴72倾斜的全部范围的投影。因此，UTA 20的视野47表示了卫星40能够在其中并能够和UTA20通信的容积。

连接到UTA 20的控制器36控制阵列天线32的电子扫描以及阵列天线32沿斜轴72的倾斜。控制器36知道卫星通信系统38的星座轨道信息，以致控制器36能够控制UTA 20的操作并保持和卫星通信系统38的联系。阵列天线32沿斜轴72的倾斜改变了阵列天线的方向和阵列天线32的相关视野71的方向。即，阵列天线32的视野71能够通过沿斜轴72倾斜和沿着扫描轴48的电子扫描朝向天空中任何特定点。因此，UTA 20能够跟踪在穿过UTA 20运动范围并在UTA 20的视野47中的轨道平面44中的单个卫星40。

尽管已经描述了斜轴72并且示出其大体上和扫描轴48对齐，但是，应该理解这适合于卫星40的极轨道的情形。调整斜轴72使得斜板30能够沿斜轴72倾斜，以补偿地球41的旋转。当所述轨道不是极轨道时，斜轴72很可能不和扫描轴48对齐，以致斜板30能够补偿地球41的旋转，而同时扫描轴48大体和轨道平面44对齐。因此，应该理解，在权利要求所定义的本发明范围内，斜轴72不必和扫描轴48对齐。

UTA 20的如上所述的视野，表示了UTA20的最大视野，在此视野内，UTA 20能够和任何卫星40通信。然而，在UTA20的视野的各个部分，障碍能够阻止UTA 20和卫星40进行通信。典型的障碍可以是诸如建筑物、树或者把UTA的视野47缩小到小于最大视野的干扰源之类的东西。例如，轨道平面44的数量和分布以及在轨道平面44里面的多个卫星40的数量和分布能够使得多个轨道平面44和多个卫星40能够同时在最大视野内，以致不必利用整个最大视野来和卫星通信系统38通信。因此，UTA 20的典型视野47是UTA 20的最大视野的子集。出于解释本发明的目的，对UTA 20的最大视野和视野47之间不加以区分，并且简单地称作为视野47。因此，UTA 20的视野47表示了所述空间容积，在此空间容积内，UTA 20能够和卫星通信系统38的任何卫星40进行通信。

当需要和卫星通信系统38通信时，控制器36沿斜轴72倾斜直到阵列天线32的视野71指向多个轨道平面44的第一轨道平面76。最好，控制器36使阵列天线32沿斜轴72倾斜，使得阵列天线32的扫描轴48大体和第一轨道平面76对齐。由于控制器36知道在多个轨道平面44的每个轨道平面44中的多个卫星40的轨道和位置，控制器36能够预测什么时候在特定轨道平面44中的特定卫星40在UTA 20的视野47内，并且能够由UTA 20来捕获和跟踪。当阵列天线32已经倾斜使得第一轨道平面76在阵列天线32的视野71内时，控制器36将会使得阵列天线32电子扫描到在第一轨道平面76中的第一卫星74所处的位置，使得阵列天线32能够捕获第一卫星74。一旦阵列天线32捕获到在第一轨道平面76中的第一卫星74，则当在第一轨道平面76中的第一卫星74绕地球41运行而穿过阵列天线32的视野71时，阵列天线32电子跟踪第一卫星74。最好，当阵列天线32电子扫描在第一轨道平面76中的第一卫星74时，控制器36沿斜轴72倾斜斜板30，使得阵列天线32的视野71在阵列天线32跟踪第一轨道平面76中的第一卫星74时依然保持朝向第一轨道平面76。沿斜轴72的斜板30的倾斜补偿了地球41的旋转，以致视野71和电子扫描轴48在地球41旋转时依然保持朝向第一轨道平面76。

正如从图4A-B所看到的那样，当在第一轨道平面76中的第一卫星74到达预定卫星释放位置78时，阵列天线32从跟踪第一轨道平面76中的第一卫星74切换到跟踪第一轨道平面76中的第二卫星80。因为阵列天线32已经沿斜轴72倾斜，以致阵列天线32的视野71朝向第一轨道平面76，在从跟踪第一轨道平面76中的第一卫星74到跟踪第一轨道平面76中的第二卫星80之间的切换能够通过沿着扫描轴48电子扫描(回扫)到在阵列天线32的视野71中的预定卫星捕获位置82来实现。这种切换通过天线波束的几乎瞬时回扫实现。在本发明中所使用的电子扫描相控阵列天线的特征在于，它们能够几乎瞬时地改变它们的扫描角。因此，在没有通信损失的情况下，实现从一个卫星到另一个卫星的切换。当阵列天线32从跟踪第一轨道平面76中的第一卫星74切换到跟踪第一轨道平面76中的第二卫星80时，当在第一轨道平面76中的第一卫星74继续穿过在阵列天线32的视野71中的预定卫星释放位置78时，阵列天线32通过停止跟踪在第一轨道平面76中的第一卫星74释放在第一轨道平面76中的第一卫星74。阵列天线32接着将捕获在第一轨道平面76中的第二卫星80，如上所述，并且在第一轨道平面76中的第二卫星80当在第一轨道平面76中绕地球41旋转，并经过在预定卫星捕获位置82和预定卫星释放位置78之间的阵列天线32的视野71时，开始跟踪在第一轨道平面76中的第二卫星80。在相同轨道平面内的单个卫星40的释放、沿着扫描轴48的电子重复扫描以及不同单个卫星40的捕获称作为平面内回扫。因为沿着扫描轴48的阵列天线的扫描是电子进行的，切换几乎是瞬时的。几乎是瞬时的切换防止了在UTA 20和卫星通信系统38在平面内回扫之间发送的数据丢失。

图4A-B示出了当第一轨道平面76穿过UTA 20的视野47时的平面内回扫的二维图形表示。将视野47叠加到40°仰角的地球41的表示上。示出了当第一卫星74在第一轨道平面76中绕地球41运行时由第一轨道平面76中的第一卫星74在所投影的地面轨迹84。地面轨迹84示出了经过卫星捕获位置82、穿过UTA 20的视野和经过卫星释放位置78的在第一轨道平面76中的第一卫星74。用箭头86表示由阵列天线32对在第一轨道平面76中的第一卫星74的电子跟踪。如上所论，阵列天线32在它穿过UTA 20的视野47时跟踪第一卫星74直到在第一轨道平面76中的第一卫星74经过卫星释放位置78。

当在第一轨道平面76中的第一卫星74到达卫星释放位置78时，阵列天线32执行由箭头87所表示的平面内回扫。如上所论，阵列天线32沿着第一轨道平面76电子扫描到预定卫星捕获位置82。正如在图4A-B所能够看到的那样，因为阵列天线32已经被调整以致扫描轴48在北-南方向，所以所述平面内回扫是真正的北南电子扫描。同样也能够看到，由在第一轨道平面76中的第一卫星74所投影的地面轨迹84由于地球的旋转而对西有一个倾斜。对第一轨道平面76中的第一卫星74在穿过阵列天线32的视野71时的跟踪同样也由于阵列天线32被沿斜轴72倾斜而有一个相对西向的倾斜，以致阵列天线32的视野71依然保持朝向第一轨道平面76。

在图4A中示出了由在第一轨道平面76的第二卫星80所投影的地面轨迹90。当阵列天线进行平面内回扫87并电子扫描到卫星捕获位置82时，在第一轨道平面76的第二卫星80处于阵列天线32的视野71内，并由阵列天线32来捕获。当在第一轨道平面76中的第二卫星80穿过阵列天线32的视野71时，阵列天线32接着跟踪用箭头92所示的在第一轨道平面76中的第二卫星80的路径。当在第一轨道平面76中的第二卫星80到达卫星释放位置78时，阵列天线32进行由箭头94所示的平面内回扫，并且阵列天线32通过停止跟踪在第一轨道平面76中的第二卫星80而释放在第一轨道平面76中的第二卫星80。阵列天线32接着沿着第一轨道平面76的轨道路径电子地从卫星释放位置78扫描到卫星捕获位置82，在此，在第一轨道平面76中的多个卫星40的第三卫星96能够被捕获、跟踪和释放。重复捕获、跟踪和释放在轨道平面44中的卫星40，并接着捕获、跟踪和释放在相同轨道平面44中的另一个卫星40的处理，直到轨道平面44处于预定轨道平面释放位置98，在此时刻，进行平面间回扫。

当第一轨道平面76处于预定轨道平面释放位置98时，UTA20通过让阵列天线32电子扫描或者从卫星释放位置78回扫到卫星捕获位置82，同时沿斜轴72从轨道平面释放位置98倾斜到轨道平面捕获位置100，执行用平面间回扫箭头99表示的平面间回扫。平面间回扫99使得阵列天线32的视野71从朝向第一轨道平面76转到朝向多个轨道平面44的第二轨道平面102。阵列天线32接着捕获在第二轨道平面102中的多个卫星40的第一卫星104。当在第二轨道平面102中的第一卫星104穿过在卫星捕获位置82和卫星释放位置78之间的阵列天线32的视野71时，阵列天线32接着进行对在第二轨道平面102中的第一卫星104的跟踪。阵列天线32接着沿着第二轨道平面102进行平面间回扫，以捕获在第二轨道平面102中的多个卫星40的第二卫星108。重复捕获、跟踪和释放在第二轨道平面102中的卫星40，并接着捕获、跟踪和释放在第二轨道平面102中的另一个卫星40的处理，直到第二轨道平面102处于预定轨道平面释放位置98，在此时刻，进行如上所论的平面间回扫，以致在多个轨道平面44的第三轨道平面112中的多个卫星40的第一卫星110能够被捕获、跟踪和释放。

连续地重复如上所述的阵列天线32捕获、跟踪和释放在轨道平面44中的各种卫星40的处理，直到不再想在UTA20和卫星通信系统38之间通信。利用这种处理，UTA 20能够保持和通信系统38的联系。当平面内回扫99出现时，由于完成机械倾斜运动需要时间，在UTA20和卫星通信系统30之间会有暂时的损失。即，因为定位阵列天线32，使得阵列天线32的视野71在轨道平面释放位置98处朝向第一轨道平面76，所以万向节28必须沿斜轴72旋转，直到阵列天线32的视野71在轨道平面捕获位置100朝向第二轨道平面102。根据预定轨道平面释放位置98相对于预定轨道平面捕获位置100的位置，能够改变斜板30必须沿斜轴72倾斜的倾斜度。因此，为进行平面间回扫所要求的时间量同样也变动。期望平面内回扫操作占用几秒钟。因此，在平面间回扫发生之前，最好在卫星通信系统38和控制器36之间建立在平面间回扫期间终止通信的数据转发协议。数据转发协议建立预定时间，在此预定时间，控制器36和卫星通信系统38将终止彼此的数据转发，并缓存所述数据直到平面间回扫完成。一旦已经完成平面间回扫，则数据转发协议将指示UTA 20和卫星通信系统38将在平面间回扫期间所存储的信息在卫星通信系统38和UTA 20之间转发。用此方法，在平面间回扫操作期间没有数据丢失。

图4B示出了当在轨道平面44中的卫星40下降到南面时阵列天线32的平面内回扫和平面间回扫。平面内回扫和平面间回扫和如图4A所示的如上所述的类似。

因为上升(朝北)卫星必须在(朝南)地球41的另一面下降，卫星星座42至少必须存在一上升和下降轨道平面彼此相邻接的“接缝”。当平面间回扫回扫过星座接缝114时，如上所述，阵列天线32沿斜轴72倾斜，以致阵列天线32的视野71朝向如上所论的轨道平面捕获位置100，但是，因为在平面间回扫回扫过星座接缝114时，调整阵列天线32处的卫星释放位置78成为卫星捕获位置，所以，阵列天线32不进行平面间回扫。平面内回扫和平面间回扫接着发生，如上所述并如图4B所示，直到平面间回扫再一次回扫过星座接缝114。平面内和平面间回扫如图4A所示那样发生。

在卫星星座42中的轨道平面44数量和这些轨道平面44的分布影响轨道平面捕获位置100和轨道平面释放位置98的位置。即，UTA 20不能进行平面间回扫，直到在UTA 20的视野47内存在另一个轨道平面44。在给定轨道平面44内的卫星40的数量影响卫星捕获位置82和卫星释放位置78的位置。即，阵列天线32不能进行平面内回扫直到另一个卫星40处于相同轨道平面44内，并在阵列天线32的视野71内。此外，在轨道平面44和卫星40之间的间隔最好相等，但是本发明同样也对非均匀分布成立。所以，由于既没有提供阵列天线32的操作或者调整的错误容限，也没有提供轨道平面44或卫星40的非均匀分布，所以不希望在UTA 20的视野47的边沿处定位卫星捕获位置100、卫星释放位置98、卫星捕获位置82和卫星释放位置78。因此，最好将卫星捕获位置100、卫星释放位置98、卫星捕获位置82和卫星释放位置78定位在UTA20的视野47里面，使得UTA20能够应付在卫星通信系统38中的潜在变化。

本发明的描述在实质上仅为举例，并且因此，不脱离本发明实质的各种修改应该在本发明的范围之内。这样的修改不被认为脱离了本发明的实质和范围。

Claims (20)

1.一种用于卫星通信系统的固定地面用户终端天线，其中，在由多个分开轨道平面所组成的星座中卫星绕地球运行，所述多个轨道平面中的每一个轨道平面有多个卫星，所述用户终端天线包括：

底座，所述底座为用户终端天线提供支撑；

斜板，所述斜板连接到所述底座并能够相对所述底座倾斜；以及

一维电子扫描相控阵列天线，用于沿着单个扫描轴扫描，所述阵列天线连接到所述斜板上，使得所述阵列天线通过倾斜斜板来倾斜，并且当所述单个卫星穿过所述阵列天线的视野时，阵列天线跟踪在所述多个轨道平面中的一个轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星，使得所述阵列天线能够将数据发送到所述单个卫星或者从所述单个卫星接收数据。

2.如权利要求1所述的用户终端天线，其中：

调整阵列天线的扫描轴的方向使其和在所述多个轨道平面中的所述多个卫星的轨道对齐，使得当在所述第一轨道平面的第一卫星穿过阵列天线的视野时，所述阵列天线能够跟踪在多个轨道平面中的第一轨道平面的所述多个卫星中的第一卫星。

3.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

当所述第一轨道平面中的所述第一卫星到达在阵列天线视野中的预定卫星释放位置时，所述阵列天线从跟踪所述第一轨道平面中的所述第一卫星切换到跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的第二卫星。

4.如权利要求3所述的用户终端天线，其中：

所述阵列天线通过回扫所述第一轨道平面到预定卫星捕获位置，从跟踪所述第一轨道平面中的所述第一卫星切换到跟踪所述第一轨道平面中的第二卫星。

5.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述斜板沿和所述扫描轴对齐的单个斜轴倾斜。

6.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述斜板沿单个斜轴倾斜；以及

当阵列天线跟踪在所述第一轨道平面中的第一卫星时，所述斜板沿斜轴倾斜，所述斜板的倾斜补偿了地球的旋转，使得所述阵列天线的视野依然朝向所述第一轨道平面，并且所述阵列天线能够发送数据到在所述第一轨道平面中的所述第一卫星，并从所述第一轨道平面中的所述第一卫星接收数据。

7.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述斜板沿单个斜轴倾斜；以及

当所述阵列天线从跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星切换到跟踪所述多个轨道平面的第二轨道平面中的所述多个卫星的单个卫星时，所述斜板沿所述斜轴倾斜到预定轨道平面捕获位置，所述斜板到预定轨道平面捕获位置的倾斜使得阵列天线的视野朝向在所述多个轨道平面中的所述第二轨道平面，以致能够跟踪在所述多个轨道平面的所述第二轨道平面中的所述多个卫星中的第一单个卫星，并将数据发送到在所述第二轨道平面中的第一单个卫星以及从在所述第二轨道平面中的第一单个卫星接收数据。

8.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述阵列天线是双反馈阵列天线，以致所述阵列天线能够同时发送和接收数据。

9.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述阵列天线具有分开的发送和接收孔径，并且所述发送孔径发送数据到由所述阵列天线所跟踪的单个卫星，而接收孔径从所述阵列天线所跟踪的单个卫星接收数据。

10.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

在所述多个轨道平面中的所述多个卫星的轨道是极轨道；

调整所述阵列天线，使得所述扫描轴向北和南延伸；以及

所述斜板沿和所述扫描轴对齐的单个斜轴倾斜。

11.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述多个分开的轨道平面是等间隔分开的。

12.如权利要求2所述的用户终端天线，其中：

所述阵列天线具有带有长度和宽度的孔径，所述孔径长度沿着所述扫描轴延伸，所述孔径宽和所述孔径长垂直，并且所述孔径长度大于所述孔径宽度。

13.如权利要求12所述的用户终端天线，其中：

所述孔径宽度的尺寸被量度，使得由所述阵列天线所产生的天线波束的宽度补偿了在所述多个轨道平面中的所述多个卫星的所述轨道的曲率。

14.一种用于使用具有单个扫描轴的一维电子扫描相控阵列天线的地面用户终端天线的方法，所述阵列天线连接到斜板上，所述斜板沿单个斜轴倾斜，从而阵列天线和卫星通信系统通信，在所述卫星通信系统中，卫星在由多个分开的轨道平面组成的星座中绕地球运行，所述多个轨道平面中的每一个有多个卫星，所述方法包括步骤：

调整用户终端天线，使得所述阵列天线的扫描轴和在所述多个轨道平面中的所述多个卫星的轨道对齐；

捕获在所述阵列天线视野中的所述多个轨道平面中的第一轨道平面中的所述多个卫星中的第一卫星；

当在所述第一轨道平面中的所述第一卫星绕地球运行而在所述第一轨道平面中的所述第一卫星穿过所述阵列天线的视野时，跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星；以及

当所述阵列天线跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星时，发送数据到在所述第一轨道平面中的所述第一卫星并且从所述第一轨道平面中的所述第一卫星接收数据。

15.如权利要求14所述的方法，还包括步骤：

将所述斜板倾斜到预定轨道平面捕获位置，使得在执行捕获第一卫星的步骤之前所述阵列天线的视野朝向所述多个轨道平面中的所述第一轨道平面。

16.如权利要求15所述的方法，其中捕获第一卫星的步骤包括步骤：

当所述阵列天线跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星时沿斜轴倾斜所述斜板，使得当所述阵列天线跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星时，所述阵列天线的视野依然保持朝向所述第一轨道平面。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述跟踪第一卫星的步骤包括步骤：

跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星直到在所述第一轨道平面中的所述第一卫星处于预定卫星释放位置；

当在所述第一轨道平面中的所述第一卫星继续穿过所述预定卫星释放位置时，通过停止跟踪在所述第一轨道平面中的所述第一卫星来释放在所述第一轨道平面中的所述第一卫星；

通过用所述阵列天线扫描到预定卫星捕获位置，捕获在所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的第二卫星；

当在所述第一轨道平面中的所述第二卫星在所述第一轨道平面中绕地球运行并且穿过预定卫星捕获位置和预定卫星释放位置之间的所述阵列天线的视野时，跟踪在所述第一轨道平面中的所述第二卫星；以及

发送数据到所述第一卫星和从所述第一卫星接收数据的步骤还包括：发送数据到由所述阵列天线所跟踪的所述多个轨道平面中的任何轨道平面中的所述多个卫星中的任何卫星，并且从由所述阵列天线所跟踪的所述多个轨道平面中的任何轨道平面中的所述多个卫星中的任何卫星接收数据。

18.如权利要求17所述的步骤，还包括步骤：

当在所述第一轨道平面中的所述第二卫星在所述预定卫星释放位置时，释放在所述第一轨道平面中的所述第二卫星；以及

其中，对于在所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的每一个卫星来说，重复捕获、跟踪和释放在所述第一轨道平面中的第一卫星并接着捕获、跟踪和释放在所述第一轨道平面中的第二卫星的步骤，直到所述第一轨道平面在预定轨道平面释放位置。

19.如权利要求18所述的方法，还包括步骤：

当所述第一轨道平面处于所述预定卫星释放位置时，通过停止跟踪在所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的任何卫星来释放所述第一轨道平面；

当所述第一轨道平面在所述预定轨道平面释放位置时，沿所述斜轴将所述斜板倾斜到所述预定轨道平面捕获位置，使得将所述阵列天线的视野朝向所述多个轨道平面中的第二轨道平面；以及

其中当所述第二轨道平面在所述预定轨道平面捕获位置和所述预定轨道平面释放位置之间时，对在所述第二轨道平面中的所述多个卫星中的每一个卫星执行用于捕获、跟踪和释放在所述第一轨道平面中的所述多个卫星的每一个卫星的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，其中用于发送和接收数据的步骤包括步骤：

在从跟踪所述第一轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星切换到跟踪所述第二轨道平面中的所述多个卫星中的单个卫星之前，商定一个数据转发协议，使得不会由于所述切换导致数据丢失。

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