DE102016121919A1 - Kommunikationssatellit für eine Satellitenkonstellation - Google Patents

Abstract

Es ist ein Kommunikationssatellit (100) zum Verwenden in einer Satellitenkonstellation (10) angegeben. Der Kommunikationssatellit weist auf: eine nutzerseitige Schnittstelle (105) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine netzseitige Schnittstelle (110) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine erste inter-Satelliten-Schnittstelle (115) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer ersten Abstrahlrichtung (116) elektromagnetischer Wellen; eine zweite inter-Satelliten-Schnittstelle (120) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer zweiten Abstrahlrichtung (121) elektromagnetischer Wellen. Die erste Abstrahlrichtung (116) schließt mit Bezug zu einer Bewegungsrichtung (125) des Kommunikationssatelliten einen ersten Abstrahlwinkel (117) ein. Die zweite Abstrahlrichtung (121) schließt mit Bezug zu der Bewegungsrichtung (125) des Kommunikationssatelliten einen zweiten Abstrahlwinkel (122) ein. Ein Betrag des ersten Abstrahlwinkels entspricht einem Betrag des zweiten Abstrahlwinkels.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Daten- und Signalübertragung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kommunikationssatelliten zum Verwenden in einer Satellitenkonstellation sowie eine Satellitenkonstellation aufweisend eine Mehrzahl solcher Kommunikationssatelliten.
• Hintergrund der Erfindung
• Kommunikationssatelliten werden üblicherweise als Element oder Teil einer Kommunikationsstrecke genutzt und ersetzen ganz oder zum Teil ein terrestrisches Kommunikationsnetz. Vorliegend werden unter einer Kommunikationsstrecke diejenigen Komponenten verstanden, welche zwischen zwei kommunizierenden Geräten angeordnet sind und dazu dienen, Daten zwischen diesen Geräten zu übertragen. Auch können Kommunikationssatelliten dazu dienen, Nutzergeräte mit Übergangspunkten zu einem terrestrischen Kommunikationsnetz zu verbinden, so dass die Nutzergeräte an das Kommunikationsnetz angebunden werden können.
• Kommunikationssatelliten können vorteilhaft dazu verwendet werden, Nutzergeräte in infrastrukturell schlecht oder gar nicht erschlossenen Regionen der Erde an ein Kommunikationsnetz anzubinden. Dies kann der Fall sein, wenn terrestrische Zugänge zu dem Kommunikationsnetz komplett fehlen oder gar nicht bereitgestellt werden können, z.B. in dünn besiedelten Gebieten der Erde oder auf weiten Wasserflächen.
• Kommunikationssatelliten weisen mindestens zwei Schnittstellen auf. Über eine nutzerseitige Schnittstelle werden Signale von einem Nutzergerät empfangen bzw. an dieses gesendet und über eine netzseitige Schnittstelle werden Signale an das Kommunikationsnetz gesendet oder von diesem empfangen. Satelliten haben ganz allgemein den Vorteil, dass sie die Erde in einem Orbit umrunden und dadurch nahezu jeden Punkt der Erdoberfläche an ein Kommunikationsnetz anbinden können. Jedoch erfordert auch ein solcher Satellit eine Gegenstelle, welche an das terrestrische Kommunikationsnetz angeschlossen ist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, die Verfügbarkeit des Anschlusses eines Nutzergerätes an ein terrestrisches Kommunikationsnetz zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
• Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Kommunikationssatellit zum Verwenden in einer Satellitenkonstellation angegeben. Der Kommunikationssatellit weist auf: eine nutzerseitige Schnittstelle zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine netzseitige Schnittstelle zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine erste inter-Satelliten-Schnittstelle zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer ersten Abstrahlrichtung elektromagnetischer Wellen; eine zweite inter-Satelliten-Schnittstelle zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer zweiten Abstrahlrichtung elektromagnetischer Wellen. Die erste Abstrahlrichtung schließt mit Bezug zu einer Bewegungsrichtung des Kommunikationssatelliten einen ersten Abstrahlwinkel ein. Die zweite Abstrahlrichtung schließt mit Bezug zu der Bewegungsrichtung des Kommunikationssatelliten einen zweiten Abstrahlwinkel ein. Dabei entspricht ein Betrag des ersten Abstrahlwinkels einem Betrag des zweiten Abstrahlwinkels.
• Der Kommunikationssatellit kann insbesondere verwendet werden, um eine Kommunikationsinfrastruktur bereitzustellen. Er ist insbesondere geeignet, Kommunikationsverbindungen in Regionen der Erde bereitzustellen, in denen eine infrastrukturelle Erschließung mit Landleitungen nicht möglich oder nur sehr schwer möglich ist oder aus anderen Gründen nicht erfolgt, beispielsweise aus wirtschaftlichen Überlegungen.
• Der Begriff der Satellitenkonstellation wird vorliegend so verwendet, dass er einer Gesamtheit von Kommunikationssatelliten (den sog. Konstellationssatelliten) entspricht, zumindest der Gesamtheit der Satelliten in einer Umlaufebene.
• Die nutzerseitige Schnittstelle ist die Verbindung zu den Nutzern bzw. Nutzergeräten. Ein Nutzergerät kann ein Endgerät sein, aber auch ein Netzwerkknoten, welcher die Kommunikationsverbindungen mehrere Nutzerendgeräte bündelt und an die nutzerseitige Schnittstelle des Kommunikationssatelliten überträgt. Die nutzerseitige Schnittstelle sowie alle übrigen Kommunikationsschnittstellen sind bevorzugt ausgeführt, Signale leitungslos und mittels elektromagnetischer Wellen zu übertragen. Die elektromagnetischen Wellen können beispielsweise optische Signale oder Funksignale sein.
• Die netzseitige Schnittstelle ist die Verbindung zu den Übergangsknoten in das terrestrische Kommunikationsnetz (z.B. das Internet). Diese Übergangsknoten können als Gateways bezeichnet werden und sind beispielsweise stationäre Gegenstellen auf der Erdoberfläche. Der Kommunikationssatellit stellt eine Verbindung zwischen den Nutzergeräten und den Übergangsknoten her.
• Grundsätzlich ist eine Datenübertragung von der nutzerseitigen Schnittstelle zu der netzseitigen Schnittstelle oder umgekehrt vorgesehen. Damit ersetzt der Kommunikationssatellit eine ggf. erforderliche Landleitung oder eine andere Kommunikationsverbindung zwischen einem Nutzergerät und einem Daten- bzw. Kommunikationsnetz.
• Die erste und zweite inter-Satelliten-Schnittstelle können auch als inter-Satelliten-Links (ISL) bezeichnet werden. Die ISLs können Verbindungen zu einem Vorgängersatelliten und/oder zu einem Folgesatelliten in einer Umlaufbahn der Satellitenkonstellation herstellen. Diese ISLs sind so eingestellt, dass ihre Abstrahlrichtung einem fest vorgegebenen Abstrahlwinkel entspricht, damit eine Verbindung zu dem Vorgänger und zu dem Folgesatelliten hergestellt werden kann. Gerade der Aufbau, dass die Abstrahlwinkel der beiden Abstrahlrichtungen mit Bezug zu der Bewegungsrichtung (Flugbahn oder auch Tangente an die im Wesentlichen kreisförmige Flugbahn an der aktuellen Position des Kommunikationssatelliten) den gleichen Betrag haben, ermöglicht die Verwendung in einer Satellitenkonstellation, in welchem mehrere Satelliten die Erde in derselben kreisförmigen Umlaufebene umkreisen und unter der Voraussetzung, dass die Abstände zwischen den Satelliten auf derselben Umlaufbahn gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß sind. Da der Abstand zwischen jedem Satelliten und dessen Vorgänger sowie dessen Folgesatelliten gleich ist, ermöglicht der betragsmäßig gleiche Abstrahlwinkel der beiden Abstrahlrichtungen, dass jeder Satellit zu jedem Zeitpunkt und an jedem Punkt der Umlaufbahn eine Verbindung über die ISLs sowohl zu dem Vorgängersatelliten und/oder zu dem Folgesatelliten herstellen kann.
• Gemäß einem alternativen Beispiel und für den Fall einer ellipsenförmigen Umlaufbahn der Kommunikationssatelliten um die Erde können die Abstrahlwinkel der ISLs in einem eingeschränkten Winkelbereich lediglich in einer Dimension variabel sein, nämlich in der Bahnebene der Umlaufbahn. Dies bedeutet, dass die Abstrahlwinkel in diesem Beispiel nicht fest vorgegeben sind und während der Betriebszeit des Satelliten variiert werden können. Die Abstrahlwinkel können insbesondere so variiert werden, dass der erste Abstrahlwinkel größer oder kleiner als der zweite Abstrahlwinkel ist. Die erste und zweite inter-Satelliten-Schnittstelle können jeweils mit Bezug zu dem Satelliten so aufgehängt sein, dass sie insbesondere um eine Achse (Drehachse) oder um einen Punkt eine Rotationsbewegung ausführen können. Hierzu können geeignete Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein. Die erste und zweite inter-Satelliten-Schnittstelle führen in diesem Beispiel eine Rotationsbewegung mit einem Freiheitsgrad aus und sind ansonsten nicht beweglich. Die Rotationsbewegung der inter-Satelliten-Schnittstellen erfolgt so, dass eine relative Positionsänderung von zwei unmittelbar benachbarten Satelliten in derselben Umlaufbahn ausgeglichen werden kann, d.h. dass zumindest eine inter-Satelliten-Schnittstelle dem unmittelbar benachbarten Satelliten nachgeführt werden kann, wenn der unmittelbar benachbarte Satellit seine relative Position zu dem aktuellen Satelliten auf Grund der ellipsenförmigen Umlaufbahn ändert. Bevorzugt sind beide inter-Satelliten-Schnittstellen in derselben Richtung bzw. derselben Ebene schwenkbar, d.h. dass die inter-Satelliten-Schnittstellen nur einen rotatorischen Freiheitsgrad haben und die Drehachsen der beiden inter-Satelliten-Schnittstellen parallel sind.
• Die nutzerseitige Schnittstelle, die netzseitige Schnittstelle, sowie die erste und zweite inter-Satelliten-Schnittstelle können jede einzelne als Kommunikationsschnittstelle bezeichnet werden. Diese Kommunikationsschnittstellen sind bevorzugt für eine bidirektionale Datenübertragung ausgeführt und können einen Sendepfad und einen Empfangspfad aufweisen.
• Es wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Beschreibung die Begriffe „Kommunikationssatellit“ und „Satellit“ analog verwendet werden, d.h. insbesondere, dass eine Bezugnahme auf einen Satelliten auch stets und insbesondere einen Kommunikationssatelliten einschließt.
• Die ISLs ermöglichen die vorteilhafte Verwendung in einer Satellitenkonstellation, weil sie eine beliebige Verbindung zwischen einem Satelliten und dessen unmittelbaren Vorgängersatelliten und Folgesatelliten erlauben und ein transparentes Routing ermöglichen. Unter dem Begriff des transparenten Routings wird das bedarfsorientierte Umlenken des Datenstroms zwischen den Satelliten derselben Umlaufbahn verstanden, um transparent für die Nutzergeräte eine Verbindung zu einer Gegenstelle herzustellen.
• Die Umlaufbahn eines Satelliten wird durch deren Form (elliptisch oder kreisförmig), den Radius oder die mittlere Flughöhe über der mittleren Erdoberfläche und den Inklinationswinkel (Winkel der Umlaufbahn zum Äquator) definiert.
• Für den Fall, dass ein Satellit seine Orientierung im Raum und auf der Umlaufbahn ändert, z.B. durch eine Schwenk- oder Kippbewegung um einen Mittelpunkt des Satelliten, können die inter-Satelliten-Schnittstellen gemäß einem Beispiel eine Ausgleichsbewegung durchführen, um einen konstanten Abstrahlwinkel mit Bezug zu der Umlaufbahn beizubehalten.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die erste inter-Satelliten-Schnittstelle so angeordnet, dass der erste Abstrahlwinkel mit Bezug zu dem Kommunikationssatelliten starr vorgegeben und während der Betriebszeit des Kommunikationssatelliten unveränderlich ist.
• Unter der Voraussetzung, dass eine Mehrzahl von Kommunikationssatelliten im gleichen Abstand zueinander auf einer Umlaufbahn angeordnet sind und die Mehrzahl von Kommunikationssatelliten sich mit der gleichen Geschwindigkeit auf dem gleichen Pfad (d.h. Umlaufbahn) bewegt, ist der Betrag des ersten Abstrahlwinkels unmittelbar abhängig von der Anzahl der Kommunikationssatelliten auf einer Umlaufbahn. Die Abstände zwischen den Kommunikationssatelliten verändern sich nicht oder nicht wesentlich, so dass der Abstrahlwinkel bereits zur Fertigungszeit der Kommunikationssatelliten vorgegeben werden kann. Eine Änderung des Abstrahlwinkels während der Betriebszeit ist bei einer kreisförmigen Umlaufbahn nicht notwendig, so dass eine komplexe Nachführung des Abstrahlwinkels ebenfalls entfällt. In anderen Worten erfolgt zwischen den Kommunikationssatelliten einer Umlaufbahn bei einer kreisförmigen Umlaufbahn keine Relativbewegung, so dass es gar nicht erforderlich ist, den Abstrahlwinkel zu verändern.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, das Vorhandensein einer Gegenstelle für die netzseitige Schnittstelle zu detektieren und im Falle, dass eine solche Gegenstelle fehlt, die erste inter-Satelliten-Schnittstelle und/oder die zweite inter-Satelliten-Schnittstelle in einen aktiven Zustand zu versetzen, so dass eine ausgehende Kommunikationsverbindung zu einem Vorgängersatelliten und/oder einem Folgesatelliten aufgebaut werden kann.
• Diese Ausführungsform beschreibt das Vorgehen im Falle einer fehlenden oder defekten Gegenstelle und wie der Kommunikationssatellit in einem solchen Szenario arbeitet. In anderen Worten baut der Kommunikationssatellit eine ausgehende Kommunikationsverbindung zu einem benachbarten Satelliten auf, insbesondere zu einem unmittelbar benachbarten Satelliten auf der gleichen Umlaufbahn. Hierzu kann jedem Kommunikationssatelliten in der Satellitenkonstellation eine Identifikationsnummer (ID) zugewiesen sein und jeder Kommunikationssatellit kann so konfiguriert sein, dass die IDs der benachbarten Kommunikationssatelliten bekannt sind. In der Regel muss jeder Kommunikationssatellit seine eigene ID und zwei weitere IDs kennen, nämlich die des Vorgängersatelliten und die des Folgesatelliten. Die ISLs können bedarfsorientiert aktiviert werden, sie werden nicht benötigt, wenn ein Satellit für die netzseitige Schnittstelle eine Gegenstelle auf der Erdoberfläche hat.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, im Falle einer fehlenden Gegenstelle für die netzseitige Schnittstelle die für einen Sendepfad der netzseitigen Schnittstelle vorgesehenen Daten über die in dem aktiven Zustand befindliche erste inter-Satelliten-Schnittstelle oder zweite inter-Satelliten-Schnittstelle zu senden.
• Fehlt die Gegenstelle, werden die Daten über den aktiven ISL an einen unmittelbar benachbarten Kommunikationssatelliten gesendet. Der aktive ISL übernimmt die Funktion der netzseitigen Schnittstelle.
• Dadurch wird ermöglicht, dass mit Hilfe der Kommunikationssatelliten eine Anbindung an ein terrestrisches Kommunikationsnetz auch in Regionen der Erde bereitgestellt wird, in denen eine terrestrische Kommunikationsinfrastruktur fehlt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, über einen Empfangspfad zumindest einer der inter-Satelliten-Schnittstellen eine eingehende Anfrage zum Herstellen einer Kommunikationsverbindung zu einem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten zu empfangen und eine Kommunikationsverbindung mit dem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten herzustellen, insbesondere mit dem auf der Umlaufbahn unmittelbar benachbarten Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten.
• Diese Ausführungsform erweitert den Funktionsumfang so, dass der Kommunikationssatellit nicht nur im Falle fehlender Gegenstellen auf der Erdoberfläche seine ausgehenden Daten über einen ISL ausgeben kann, sondern auch im Falle, dass ein benachbarter Satellit keine Gegenstelle auf der Erdoberfläche hat, der benachbarte Satellit dessen ausgehenden Daten über einen ISL an den aktuellen Kommunikationssatelliten übertragen kann. Der Kommunikationssatellit nimmt also eingehende Kommunikationsverbindungen an.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, Daten, welche über die Kommunikationsverbindung einer inter-Satelliten-Schnittstelle empfangen werden, entweder über die netzseitige Schnittstelle oder über die andere inter-Satelliten-Schnittstelle auszugeben.
• Diese Ausführungsform beschreibt, wie Daten, welche über einen ISL empfangen werden, weiterverarbeitet werden und insbesondere, über welche Ausgangsschnittstelle diese Daten ausgegeben werden. Wenn der Kommunikationssatellit eine Verbindung zu einer Gegenstelle auf der Erdoberfläche hat, dann werden die über den ISL empfangenen Daten hierüber ausgegeben, andernfalls werden diese Daten über den zweiten ISL an den nächsten Satelliten weitergegeben. Letzteres wird als transparentes Routing bezeichnet.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, Frequenzbänder der Kommunikationsverbindungen so umzusetzen, dass Signale einer eingehenden Kommunikationsverbindung (beispielsweise über einen ISL eingehende Kommunikationsverbindungen) sich nicht mit Signalen einer ausgehenden Kommunikationsverbindung des Kommunikationssatelliten überlagern.
• Diese Ausführungsform beschreibt die Zuweisung von Ressourcen in einem Kommunikationssatelliten. Unter Ressourcen kann vorliegend die Frequenz, die Zeit oder ein genutzter Code verstanden werden. Zuweisung von Ressourcen ist (nur) für eingehende Kommunikationsverbindungen relevant. Gibt ein Satellit über einen seiner ISLs lediglich Daten aus, tut er dies auf den ihm zugeordneten Frequenzen. Um Interferenzen und Überlagerungen auf dem Sendepfad (sei es zu einer Gegenstelle auf der Erdoberfläche oder über den anderen ISL zu einem anderen Satelliten) zu vermeiden, muss hingegen der Satellit, welcher über einen ISL Daten von einem benachbarten Satelliten erhält, auf seiner Ausgangsschnittstelle bzw. in einem Signalverarbeitungspfad, welcher der Ausgangsschnittstelle vorgelagert ist, Zuweisung von Ressourcen betreiben.
• Die Zuweisung von Ressourcen wird im Folgenden beispielhaft an Hand der genutzten Frequenzen erläutert. Diese Erläuterungen gelten aber sinngemäß auch für andere Ressourcen, z.B. Zeit oder Codes bzw. Codierverfahren. Die Kommunikationssatelliten in einer Satellitenkonstellation können mehrere Frequenzbänder zugewiesen bekommen, in welchen sie über die nutzerseitige Schnittstelle Daten übertragen. Die nutzerseitige Schnittstelle kann mehrere Abstrahl- und Empfangseinrichtungen (z.B. Antennen) aufweisen, welche jeweils eine eigene Abstrahlrichtung zugewiesen bekommen. Im Folgenden wird die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen als Abstrahleinrichtung bezeichnet, wobei darauf hingewiesen wird, dass dieser Begriff eine bidirektionale Übertragung (Senden und Empfangen) nicht ausschließt. Die Frequenzbänder werden den Abstrahleinrichtungen so zugeordnet, dass benachbarte Abstrahleinrichtungen unterschiedliche Frequenzbänder nutzen. Nachdem unterschiedlichen Satelliten auf Grund der räumlichen Trennung die gleichen Frequenzbänder für ihre Abstrahleinrichtungen zugewiesen werden können, ohne dass es im Normalbetrieb (jeder Kommunikationssatellit hat zumindest eine Kommunikationsverbindung zu einer Gegenstelle auf der Erdoberfläche) zu Überlagerungen kommt, kann es sehr wohl zu Überlagerungen kommen, wenn ein Satellit seine ausgehenden Daten über einen ISL an einen benachbarten Satelliten weiterleitet. Um diese Überlagerung zu verhindern, erfolgt eine Frequenzumsetzung der Kommunikationsverbindung, welche über einen ISL eingeht. Die Frequenzumsetzung kann so erfolgen, dass der Kommunikationssatellit, zu welchem die zusätzliche Kommunikationsverbindung über einen ISL aufgebaut wird, für die eigenen Daten (also die Daten, welche dieser aktuelle Kommunikationssatellit auf der nutzerseitigen Schnittstelle empfängt und zu verarbeiten hat) nur einen Teil der ihm zugewiesenen Frequenzbänder nutzt und die anderen Frequenzbänder für die über den ISL eingehende Kommunikationsverbindung nutzt. Diese Zuweisung bzw. Umsetzung kann in Abhängigkeit des Bandbreitenbedarfs dynamisch erfolgen, wobei bestimmte Szenarien bei der Fertigung bzw. initialen Konfiguration des Kommunikationssatelliten vorbereitet werden können, so dass nur die entsprechende Konfiguration ausgelesen und angewandt werden muss.
• Für die Zuweisung der für die Übertragung erforderlichen Ressourcen sind alle Zugriffsverfahren anwendbar, also beispielsweise Frequenz-Multiplex (FDMA, frequency division multiple access), Zeit-Multiplex (TDMA, time division multiple access), oder Code-Multiplex (CDMA, code division multiple access), oder eine Kombination hiervon, um die Übertragungsbereiche von zwei Satelliten voneinander zu trennen und Überlagerungen zu vermeiden. Was oben mit Bezug zu Frequenzbändern erläutert wurde, kann sinngemäß auch auf voneinander getrennte Zeitbereiche oder unterschiedliche Codierverfahren übertragen werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die nutzerseitige Schnittstelle eine Mehrzahl von Abstrahl- und Empfangseinrichtungen auf, wobei jeder Abstrahl- und Empfangseinrichtung eine Kommunikationszelle auf der Erdoberfläche zuordenbar ist.
• Vorliegend wird der Begriff der nutzerseitigen Schnittstelle so verwendet, dass er die Gesamtheit der Kommunikationseinrichtungen umfasst, welche der Datenübertragung von oder an eine Nutzerseite dienen. Dies kann beispielsweise eine Mehrzahl von Antennen sein, welche jeweils so ausgerichtet sind, dass sie einen Bereich der Erdoberfläche von vorgegebener Größe abdecken. Zwei Antennen können so ausgerichtet sein, dass sie aneinander angrenzende Regionen der Erdoberfläche abdecken, wobei die Antennen, welche benachbarte Regionen abdecken, unterschiedliche Ressourcen (z.B. Frequenzbänder) benutzen, um Überlagerungen und Interferenzen zu vermeiden. Ein Kommunikationssatellit kann beispielsweise vier verschiedene Frequenzbänder nutzen. Somit kann ein Zellenverbund auf der Erdoberfläche abgebildet werden, in welchem es möglich ist, dass keine Zelle eine Nachbarzelle hat, in der die gleichen Frequenzbänder genutzt werden.
• Ausreichend Kommunikationssatelliten vorausgesetzt, kann somit die gesamte Erdoberfläche mit Zellen versehen werden, so dass von jedem Ort der Erde aus durch ein Nutzergerät eine Kommunikationsverbindung mit dem Kommunikationssatelliten hergestellt werden kann. Für ein solches Zellensystem, welches die gesamte Erdoberfläche abdeckt, können beispielsweise Kommunikationssatelliten in mehreren Umlaufbahnen vorgesehen sein, wobei in jeder Umlaufbahn mehrere Kommunikationssatelliten im gleichen Abstand oder Winkelabstand die Erde umrunden. Die hierin beschriebenen ISLs dienen der Verbindung zwischen Kommunikationssatelliten auf der gleichen Umlaufbahn. Es ist vorgesehen, dass ein Kommunikationssatellit nur zu seinem direkten Vorgängersatelliten und/oder zu seinem direkten Folgesatelliten eine Verbindung über die ISLs herstellen kann. Damit kann die Abstrahlrichtung der inter-Satelliten-Schnittstellen fest vorgegeben werden, wenn die Abstände der Satelliten auf einer Umlaufbahn sich nicht oder im Wesentlichen nicht verändern, d.h. wenn die Satelliten zueinander keine oder im Wesentlichen keine Relativbewegung ausführen, wie z.B. auf einer kreisförmigen Umlaufbahn.
• Es können beispielsweise n Umlaufbahnen mit jeweils m Satelliten vorgesehen sein, was in einer Gesamtzahl von n x m Satelliten resultiert. Die Anzahl der Satelliten pro Umlaufbahn sowie die Anzahl der Umlaufbahnen kann so gewählt werden, dass ein Großteil oder die gesamte Erdoberfläche abgedeckt wird. Damit können Schiffe auf offener See oder abgelegene Inseln oder Nutzergeräte in infrastrukturell nicht oder schlecht erschlossenen Regionen mittels einer solchen Satellitenkonstellation an ein Kommunikationsnetz angebunden werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist sind die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der nutzerseitigen Schnittstelle strukturell und/oder funktional identisch ausgeführt.
• Durch den hier beschriebenen Aufbau des Kommunikationssatelliten wird es ermöglicht, dass die Sende- und Empfangspfade der nutzerseitigen Schnittstelle strukturell und/oder funktional identisch ausgeführt werden und sich insbesondere nur durch die verwendeten Ressourcen (Frequenzen, Zeitschlitze, Codes) unterscheiden. Der Aufbau des Kommunikationssatelliten ermöglicht also einen hohen Grad der Modularisierung, und zwar bevorzugt jeweils entlang des Signalpfads einer Schnittstelle. Jeder Signalpfad kann als eigenes Modul ausgeführt sein, wobei unter einem Signalpfad jeweils ein Sende- und ein Empfangspfad zu verstehen ist. Diese Art der Modularisierung ermöglicht einen einfachen Aufbau des Kommunikationssatelliten sowie eine wirtschaftliche Verwendung der Komponenten in großem Maßstab, also für eine Satellitenkonstellation aufweisend eine Vielzahl von Satelliten.
• Die Abstrahleinrichtung beinhaltet auf einem Sendepfad diejenigen Komponenten, welche für das Aufbereiten eines zu übertragenden Signals bis hin zu der Übergabe an die drahtlose Übertragungsschnittstelle zuständig sind. Umgekehrt beinhaltet die Empfangseinrichtung auf dem Empfangspfad diejenigen Komponenten, welche das an der drahtlosen Übertragungsschnittstelle empfangene Signal erhalten und aufbereiten sowie für die weitere Verarbeitung zur Verfügung stellen. Sowohl die Abstrahleinrichtung als auch die Übertragungseinrichtung kann insbesondere die folgenden Komponenten aufweisen: zumindest ein Signalfilter, zumindest einen Verstärker, eine Weiche, um das empfangene Signal an eine gewünschte Komponente weiterzugeben (z.B. für die interne Verarbeitung oder an die nutzerseitige Schnittstelle oder auch an einen der ISLs) oder eine Komponente auszuwählen, von der das zu übertragende Signal erhalten werden soll (z.B. von der nutzerseitigen Schnittstelle oder von einem der ISLs).
• Ein Modul bzw. der Begriff der Modularisierung ist vorliegend wie folgt zu verstehen: ein Modul enthält Funktionen und/oder Bausteine sowie die Nutzung dieser Funktionen und/oder Bausteine, und ermöglicht das Fertigen von austauschbaren Einheiten (Module), welche deswegen austauschbar sind, weil sie funktional und/oder strukturell identisch sind, wobei diese modularen Einheiten ggf. durch Vorgabe von Konfigurationsparametern angepasst werden können, ohne dass sich ihre Funktion und/oder Struktur verändert.
• Der Aufbau des Kommunikationssatelliten unterstützt in vorteilhafter Weise das Nutzen von modularisierten, d.h. gleichartigen, Komponenten.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist weist die netzseitige Schnittstelle eine erste Abstrahl- und Empfangseinrichtung und eine zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung auf, welche beide ausgeführt sind, auf jeweils eine stationäre Gegenstelle auf der Erdoberfläche ausgerichtet zu werden.
• Die hierin beschriebenen Kommunikationssatelliten können insbesondere in einem erdnahen Orbit (low earth orbit, LEO) in einer mittleren Entfernung von 400 km bis zu 1.400 km von der mittleren Erdoberfläche zum Einsatz kommen. Im LEO bewegen sich die Satelliten beispielsweise mit einer Umlaufgeschwindigkeit, welche eine Umrundung der Erde in etwa 90 Minuten abschließt.
• Um Unterbrechungen der Verbindung auf der netzseitigen Schnittstelle resultierend aus der hohen Bahngeschwindigkeit der Satelliten zu vermeiden, sind zwei Abstrahl- und Empfangseinrichtungen vorgesehen, wovon eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung eine Verbindung mit der in Bewegungsrichtung des Satelliten nächsten stationären Gegenstelle aufbauen und halten kann, während die andere Abstrahl- und Empfangseinrichtung eine momentane Verbindung zu der aktuellen Gegenstelle hält. In anderen Worten wird also eine Verbindung zu der nächsten Gegenstelle aufgebaut, bevor die Verbindung zu der aktuellen Gegenstelle abbricht. Diese beiden Verbindungen können auch gleichzeitig für das Übertragen von Daten genutzt werden, so dass die effektiv verfügbare Bandbreite erhöht wird.
• Diese Verbindung zu den Gegenstellen ermöglicht es den Nutzergeräten, welche mit der nutzerseitigen Schnittstelle verbunden sind, Daten über die netzseitige Schnittstelle und die stationären Gegenstellen an ein Kommunikationsnetz zu übertragen bzw. hiervon zu empfangen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Abstrahlwinkel der ersten Abstrahl- und Empfangseinrichtung der netzseitigen Schnittstelle während der Betriebszeit des Kommunikationssatelliten veränderbar.
• Gerade in infrastrukturell schlecht oder nicht ausgebauten Regionen ist die Dichte der stationären Gegenstellen, welche einen Zugangspunkt zu einem Kommunikationsnetz ermöglichen, sehr gering. Diese geringe Dichte der stationären Gegenstellen kann besser ausgenutzt werden, wenn die Abstrahl- und Empfangseinrichtung (auch: Antenne) der netzseitigen Schnittstelle auf eine stationäre Gegenstelle eingestellt werden kann und während der Bewegung des Satelliten auf der Umlaufbahn zumindest für eine begrenzte Dauer bzw. für eine begrenzte Strecke auf die besagte Gegenstelle ausgerichtet bleibt, obwohl sich der Satellit bewegt.
• Im Gegensatz zu der nutzerseitigen Schnittstelle, welche einen Bereich der Erdoberfläche abdeckt (und in Summe aller Satelliten die gesamte oder ein Großteil der Erdoberfläche abgedeckt werden kann), ist die netzseitige Antenne darauf angewiesen, auf eine der wenigen stationären Gegenstellen ausgerichtet zu sein bzw. zu werden. Gerade auf Grund der Bewegung des Kommunikationssatelliten ist es nötig, diese Antennen nachzuführen, d.h. der aktuellen Position eines Satelliten mit Bezug zu den stationären Gegenstellen anzupassen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationssatellit ausgeführt, auf der netzseitigen Schnittstelle sowie auf der ersten inter-Satelliten-Schnittstelle und zweiten inter-Satelliten-Schnittstelle unterschiedlich polarisierte Signale zu nutzen.
• Hierdurch kann die effektiv zur Verfügung stehende Bandbreite erhöht, z.B. verdoppelt, werden. Die Signale können linear oder zirkular polarisiert sein. Durch das Polarisieren kann sich die Anzahl der Sende- und Empfangspfade (also der hierfür benötigten Komponenten) in den Schnittstellen verdoppeln.
• Um eine geforderte Bandbreite zur Verfügung zu stellen, kann alternativ oder zusätzlich zur Nutzung unterschiedlich polarisierter Signale natürlich auch die Anzahl der weiteren Ressourcen, z.B. der Frequenzbänder, erhöht werden, soweit dies möglich und zulässig ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste und zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung der netzseitigen Schnittstelle sowie Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der ersten und zweiten inter-Satelliten-Schnittstelle strukturell und/oder funktional identisch ausgeführt.
• Für den Fall, dass ein Satellit eine (ausgehende) ISL-Verbindung zu einem anderen Satelliten aufbaut, kann damit ermöglicht werden, dass der andere Satellit sich funktional wie eine Gegenstelle auf der Erdoberfläche verhält bzw. wie eine solche angesprochen werden kann. Dies gilt natürlich auch für den umgekehrten Fall einer eingehenden ISL-Verbindung.
• Der Aufbau ermöglicht eine Angleichung der Funktionen der einzelnen Schnittstellen und einen vereinfachten strukturellen Aufbau des Kommunikationssatelliten als Ganzes.
• Neben der strukturellen Identität werden aber in einer ISL-Verbindung auf einer ISL-Schnittstelle für den Sende- und Empfangspfad andere Ressource, z.B. Frequenzen, genutzt als auf der anderen ISL-Schnittstelle. Dies hat den einfachen Grund, dass eine ISL-Schnittstelle aus Sicht der anderen ISL-Schnittstelle funktional wie die stationäre Gegenstelle auf der Erdoberfläche agiert, so dass in dem Frequenzband empfangen wird, in welchem der andere Satellit sendet, und umgekehrt.
• Die Frequenzbänder der inter-Satelliten-Schnittstellen und der netzseitigen Schnittstellen können identisch sein und damit gemeinsam genutzt werden, da Abstrahlrichtungen der inter-Satelliten-Schnittstellen und der netzseitigen Schnittstellen stets ausreichend winkelentkoppelt sind um damit gegenseitige Störungen sicher zu vermeiden. Dies reduziert insgesamt die Anzahl der genutzten Frequenzbänder, was insbesondere bei der Verwendung in Satelliten ein relevanter Aspekt ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Satellitenkonstellation in einem Orbit angegeben, die Satellitenkonstellation aufweisend eine Vielzahl von Kommunikationssatelliten wie hierin beschrieben, wobei eine erste Gruppe von Kommunikationssatelliten in einer ersten Umlaufbahn in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet ist und wobei eine zweite Gruppe von Kommunikationssatelliten in einer zweiten Umlaufbahn in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet ist.
• Bei dem Orbit kann es sich insbesondere um ein erdnahes Orbit in einer mittleren Höhe von 400 km bis zu 1.400 km über der mittleren Erdoberfläche handeln.
• Die zweite Umlaufbahn ist relativ zu der ersten Umlaufbahn in einem Winkel ungleich 0° und ungleich 180° angeordnet und so, dass die Satelliten der beiden Umlaufbahnen einander nicht kreuzen. D.h. dass die erste Umlaufbahn sich von der zweiten Umlaufbahn dahingehend unterscheidet, dass die Kommunikationssatelliten der zweiten Umlaufbahn andere Regionen der Erdoberfläche abdecken bzw. überfliegen als die Satelliten der ersten Umlaufbahn, wobei die Umlaufbahnen sich aber an zwei Punkten überschneiden können, z.B. über den Polen der Erde. Die beiden Umlaufbahnen können eine geringfügig unterschiedliche Höhe über der Erdoberfläche haben, damit sich die Satelliten an den Kreuzungspunkten nicht beeinflussen.
• Die Satellitenkonstellation kann selbstverständlich auch mehr als zwei Gruppen von Kommunikationssatelliten aufweisen.
• Jede Gruppe von Kommunikationssatelliten ist so angeordnet, dass die entsprechende Umlaufbahn bevorzugt einen geschlossenen Kreis oder auch eine Ellipse beschreibt, welche die Satelliten wiederholt abfahren. Der Kreis oder die Ellipse kann als Umlaufebene bezeichnet werden. Ausgehend von einem Mittelpunkt der Umlaufbahn (dieser kann dem Mittelpunkt der Erde entsprechen) ist ein Öffnungswinkel zwischen jeweils zwei benachbarten Satelliten (also auf derselben Umlaufbahn unmittelbar hintereinander angeordnet, so dass kein anderer Satellit derselben Umlaufbahn dazwischen ist) einer Umlaufbahn identisch oder nahezu identisch. In anderen Worten ist der Abstand zwischen jeweils benachbarten Satelliten einer Umlaufbahn gleich groß.
• Gemäß einer Ausführungsform ist jeder Kommunikationssatellit der Vielzahl von Kommunikationssatelliten ausgeführt, eine Kommunikationsverbindung über seine inter-Satelliten-Schnittstellen ausschließlich zu den unmittelbar benachbarten Kommunikationssatelliten in derselben Umlaufbahn herzustellen.
• Diese bedeutet im Umkehrschluss natürlich nicht, dass die Kommunikationssatelliten über die nutzerseitige Schnittstelle und die netzwerkseitige Schnittstelle keine Kommunikationsverbindungen herstellen können. Es betrifft lediglich den Aspekt, dass über die inter-Satelliten-Schnittstellen außer den direkt benachbarten Satelliten derselben Umlaufbahn keine anderen Satelliten über die inter-Satelliten-Schnittstelle verbunden werden können.
• Im Falle einer kreisförmigen Umlaufbahn kann die Ausrichtung der Antennen der inter-Satelliten-Schnittstelle fest vorgenommen werden.
• Im Falle einer elliptischen Umlaufbahn hingegen kann die Ausrichtung der Antennen der inter-Satelliten-Schnittstelle in einem eingeschränkten Winkelbereich lediglich in einer Dimension, nämlich in der Bahnebene, angepasst werden.
• Im Folgenden sollen die Eigenschaften des Kommunikationssatelliten sowie die sich daraus ergebenden Vorteile und Eigenschaften der Satellitenkonstellation zusammengefasst werden.
• Auf Grund der hohen Anzahl der Kommunikationssatelliten in einer gesamten Satellitenkonstellation kann eine Forderung sein, dass die Satelliten eine möglichst kleine Startmasse haben, um möglichst viele Satelliten pro Rakete starten zu können. Ebenso kann gefordert sein, dass die Herstellkosten pro Satellit möglichst niedrig sind, um Investitionskosten pro Raumsegment zu minimieren und dass pro Satellit eine möglichst hohe Datenkapazität bereitgestellt wird, um eine garantierte Datenkapazität pro Nutzergerät bzw. Nutzer möglichst hoch zu halten (z.B. 50 Mbps). Vorteilhaft ist eine unterbrechungsfreie Übergabe der Kommunikationsverbindung von Nutzergeräten von Satellit zu Satellit beim Überflug sowie eine hohe Verfügbarkeit der Dienste (z.B. durch redundante Satelliten).
• Der Aufbau der Kommunikationssatelliten sowie der Satellitenkonstellation ermöglich es, die Zahl der Bodenstationen zu minimieren sowie sich an verschiedene Nutzerdichten in verschiedenen Versorgungsgebieten anzupassen. Ebenso wird ermöglicht, fehlende „Landepunkte“ für Bodenstationen, z.B. bei riesigen Wasserflächen wie dem Pazifischen oder Atlantischen Ozean oder großen Wüstengebieten wie der Sahara, mit Hilfe der Satellitenkonstellation zu überbrücken (mittels transparentem Routing), um eine wirtschaftliche, globale Versorgung zu ermöglichen. Ebenso wird eine hohe Verfügbarkeit der Dienste auch bei Ausfall von Bodenstationen ermöglicht (flexibles Routing via Raum-Segment).
• Die hierin beschriebenen Kommunikationssatelliten bieten die Möglichkeit einer modularen Erweiterung zur Realisierung von Inter-Satelliten Links (ISLs) zwischen Konstellationssatelliten, bevorzugt auf derselben Umlaufbahn. Zur Realisierung von ISLs zwischen Konstellationssatelliten sind für den ISL zum Nachfolger-(Successor) Satelliten die baugleichen TRX-Einheiten anwendbar, die für die Gateway-Links (Verbindung zu stationärer Gegenstelle am Boden) verwendet werden. Für den ISL zum Vorgänger- (Predecessor) Satelliten sind die Sende- und Empfangs-Frequenzbänder zu spiegeln. D.h. der so ergänzte Modul-Baukasten deckt auch die Erweiterung durch ISLs ab. ISLs zwischen Satelliten einer Umlaufbahn ermöglichen ein transparentes Weiterleiten (transparent routing and forwarding, TRF) von Nutzergerätedaten über mehrere Satelliten hinweg, bevor diese Daten über einen Gateway-Link an die Bodenstation und dann in das terrestrische Netz eingespeist werden.
• Das vorgeschlagene TRF ist mit sämtlichen Zugriffsverfahren (Frequency Division Multiple Access (FDMA), Time Division Multiple Access (TDMA) und Code Division Multiple Access (CDMA)) und deren Mischformen kompatibel. Die Anwendung von TRF setzt lediglich voraus, dass für freie Frequenzbänder, Zeitschlitze oder Codes sowie für eine geeignete Steuerung und Synchronisation (Frequenz, Zeit, Code) auf den beteiligten Gateway-Links und ISLs gesorgt ist.
• Bei einem Winkelabstand α zwischen zwei auf einer Umlaufebene benachbarten Satelliten können die Antennen der ISLs zum Predecessor- und Successor-Satelliten mit einem Abstrahlwinkel β = α/2 (Downtilt-Winkel, Neigung nach innen in Richtung der Erdoberfläche bezogen auf die kreisförmige Umlaufbahn) fest montiert werden.
• Die Ausrichtung der fest montierten ISL-Antennen ist fest gekoppelt mit der orthogonalen Ausrichtung der Antennen (Userlink-Spotbeam) der nutzerseitigen Schnittstelle zur Erdoberfläche und erfordert somit keinerlei zusätzliche Justiermechanismen und keinerlei zusätzlichen Steuerungs- und Kontrollaufwand.
• Eine Verwendung der Frequenzbänder der Gateway-Links auch für die ISLs ist möglich, da beide Links stets räumlich (Raumwinkel 90°- α/2) entkoppelt sind.
• Eine Verwendung derselben Frequenzbänder für sämtliche ISLs ist möglich, da die ISLs von einem Satelliten zum nächsten jeweils mit dem Raumwinkel α entkoppelt sind. Durch ein geeignetes Design der ISL-Antenne kann sichergestellt werden, dass deren Direktivität ausreichend ist, einen Störer unter dem Raumwinkel α ausreichend zu unterdrücken.
• Gemäß einem Beispiel können ISLs von einem Satelliten zum übernächsten Satelliten in derselben Umlaufbahn bereitgestellt werden. Die ISLs zum übernächsten Satelliten sind jeweils mit dem Raumwinkel 2α bei vorigem Antennen-Design von den ISLs zum unmittelbar benachbarten Satelliten räumlich sicher entkoppelt. Gemäß einem weiteren Beispiel können ISLs sowohl zum unmittelbar benachbarten Satelliten als auch zu dem übernächsten Satelliten aufgebaut werden.
• Eine Interferenz der ISLs mit anderen Satelliten außerhalb der Konstellation (GEO oder LEO auf anderen Flughöhen) die dieselben Frequenzbänder nutzen, kann durch Entkopplung über einen ausreichend großen Raumwinkel in Verbindung mit einer ausreichend großen Distanz ausgeschlossen werden.
• Der zusätzliche Hardware-Aufwand für TRF beläuft sich auf dieselbe Anzahl von TRX-Einheiten, die für die Gateway-Links erforderlich sind, sowie zusätzlich zwei fest montierte Antennen.
• TRF ermöglicht, die Dichte der Bodenstationen für eine Satellitenkonstellation zu reduzieren. Damit kann trotz geringeren infrastrukturellen Aufwands am Boden die Netzabdeckung global erhöht werden.
• TRF ermöglicht die Überbrückung sog. „Dead Zones“, d.h. von großen Ozean- und Wüsten-Gebieten, in denen keine Bodenstationen möglich sind. Damit ermöglicht TRF die globale Abdeckung, die eine Satellitenkonstellation erzielen kann, drastisch zu erhöhen. TRF ermöglicht vor allem in der Start- und Ausroll-Phase des Raum- und Boden-Segments einer Satellitenkonstellation eine vorteilhafte und flexible Architektur, die frühe Investitionen (Bodensegment) minimiert und frühe Einnahmen (Abdeckung) maximiert.
• Steigt die Auslastung der Satelliten-Konstellation in der Nutzungsphase in bestimmten Gebieten (Hot Spots) bis zur Kapazitätsgrenze auf der Nutzerseite der einzelnen Konstellationssatelliten an, so kann durch Erweiterung des Bodensegments in diesen Hot Spots auf TRF verzichtet werden. Auch dieses Szenario bietet eine flexible Netzwerkarchitektur.
• Eine vorteilhafte Auslegung der nutzbaren Bandbreiten der Gateway-Links sowie der ISLs relativ zur Summe der Bandbreiten sämtlicher Nutzer-Links besteht darin, dass erstere mindestens einen Faktor 2 größer gewählt werden. Dann kann, im Fall von voller Auslastung bis zur Kapazitätsgrenze auf der Nutzer-Seite der einzelnen Konstellations-Satelliten, TRF wegen der höheren nutzbaren Bandbreiten der Gateway-Links und der ISLs immer noch genutzt werden. Dies erlaubt auch bei voller Auslastung bis zur Kapazitätsgrenze mit einer geringeren Dichte an Bodenstationen wegen der Nutzung von TRF zu arbeiten.
• Wird zwei Polarisationsebenen (horizontal & vertikal oder links & rechts zirkular), für die Gateway-Links und ISLs verwendet, jedoch nicht für die Nutzer-Links, so ist damit bereits ohne einen Mehrbedarf an Frequenzbändern der vorteilhafte, vorher erläuterte Faktor 2 realisiert. Basis für die Implementierung ist nach wie vor der erweiterte Modulbaukasten.
• TRF ermöglicht es, Redundanzpfade für den Fall von Ausfällen der Bodenstationen zu schalten und erhöht damit die Zuverlässigkeit des gesamten Systems (Boden- und Raum-Segment). TRF ermöglicht ebenso Redundanzpfade für Gateway-TRX-Ausfälle auf Satelliten zu schalten und erhöht damit die Zuverlässigkeit des gesamten Systems (Boden- und Raum-Segment).
• Figurenliste
• Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems für einen Kommunikationssatelliten;
• 2 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems für einen Kommunikationssatelliten;
• 3 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems für einen Kommunikationssatelliten;
• 4 eine schematische Darstellung einer Satellitenkonstellation gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 5 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 6 eine schematische Darstellung einer Satellitenkonstellation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 7 eine schematische Darstellung einer Satellitenkonstellation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 8 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 9 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 10 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 11 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• 1 zeigt ein Kommunikationssystem 102 eines Kommunikationssatelliten. Unter einem Kommunikationssystem 102 werden vorliegend diejenigen Systeme eines Kommunikationssatelliten verstanden, welche für das Empfangen und Senden von Daten vorgesehen und eingerichtet sind. Wird im Folgenden auf den Kommunikationssatelliten Bezug genommen, so wird hiermit insbesondere auch auf das Kommunikationssystem 102 Bezug genommen.
• Das Kommunikationssystem 102 weist eine nutzerseitige Schnittstelle 105 auf. Die nutzerseitige Schnittstelle kann mehrere Abstrahl- und Empfangseinrichtungen aufweisen, wovon jede zumindest einen Empfangspfad 105A und einen Sendepfad 105B aufweist. Sowohl der Sendepfad als auch der Empfangspfad können die üblichen hierfür erforderlichen Komponenten aufweisen, beispielsweise Verstärker, Filter, Frequenzweichen, usw.
• Das Kommunikationssystem 102 weist weiterhin eine netzseitige Schnittstelle 110 auf. Die netzseitige Schnittstelle 110 kann ebenfalls mehrere Abstrahl- und Empfangseinrichtungen aufweisen, wovon jede einen Empfangspfad 110A und einen Sendepfad 110B aufweist. Hier gelten die gleichen Ausführungen wie zu dem Sendepfad und dem Empfangspfad der nutzerseitigen Schnittstelle.
• Die nutzerseitige Schnittstelle 105 und die netzseitige Schnittstelle 110 können jeweils ausgeführt sein, Signale drahtlos an einen Nutzer oder eine anderweitige Gegenstelle zu übertragen. Hierfür können jeweils bestimmte Frequenzbereiche vorgesehen sein, z.B. auf der nutzerseitigen Schnittstelle 105 Frequenzen aus dem Ku-Band und auf der netzseitigen Schnittstelle 110 z.B. Frequenzen aus dem K-Band oder Ka-Band.
• Das Kommunikationssystem 102 ist insbesondere ausgeführt, Daten, welche an der nutzerseitigen Schnittstelle 105 empfangen werden, an der netzseitigen Schnittstelle 110 auszugeben, oder umgekehrt. Um die empfangenen Daten an der vorgesehenen Schnittstelle auszugeben, ist ein Schaltwerk 103 vorgesehen, welches die entsprechenden Empfangspfade und Sendepfade verbindet.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems für einen Kommunikationssatelliten 100. Für Details dieser Darstellung wird auf 1 verwiesen. Allerdings wird in 2 schematisch gezeigt, wie Komponenten des Kommunikationssystems 102 modularisiert werden können. In dieser Darstellung erfolgt die Modularisierung an Hand von gleichen Funktionen. Das bedeutet, dass Komponenten mit gleichen Funktionen als Module vorgesehen werden und grundsätzlich austauschbar sind. Diese Art der Modularisierung kann auch als vertikale Modularisierung bezeichnet werden.
• 3 zeigt ähnlich wie 2 eine Möglichkeit, Komponenten eines Kommunikationssystems zu modularisieren. Im Gegensatz zu 2 wird aber in 3 eine Modularisierung entlang des Signalpfads gezeigt. Das heißt, dass zumindest ein Teil des Signalpfads, d.h. beispielsweise des Empfangspfads und/oder des Sendepfads, als Modul bereitgestellt wird. Diese Art der Modularisierung kann auch als horizontale Modularisierung bezeichnet werden und bringt die oben beschriebenen Vorteile mit sich.
• 4 zeigt schematisch eine Satellitenkonstellation 10 sowie einen Teil der Erde 1. Eine Vielzahl von Kommunikationssatelliten 100 umrundet die Erde in der gleichen Umlaufbahn 125. Die Kommunikationssatelliten 100 in derselben Umlaufbahn 125 sind bevorzugt im gleichen Winkelabstand 30 zueinander angeordnet und bewegen sich mit der gleichen Winkel- und/oder Bahngeschwindigkeit um die Erde, so dass der Winkelabstand 30 auch während der Bewegung der Kommunikationssatelliten um die Erde beibehalten wird.
• Der Winkelabstand 30 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommunikationssatelliten wird ermittelt als Winkel, der zwischen zwei gedachten Verbindungslinien 30A, 30B von den jeweiligen Kommunikationssatelliten zu dem Erdmittelpunkt aufgespannt wird.
• Die Umlaufbahn 125 kann im niedrigen Erdorbit bei einem Abstand zur Erdoberfläche zwischen 400 km und 1.400 km verlaufen, z.B. bei 1.000 km über der Erdoberfläche.
• Aus Sicht eines jeden Kommunikationssatelliten 100 gibt es in derselben Umlaufbahn jeweils einen unmittelbaren Vorgängersatelliten 100A und einen unmittelbaren Folgesatelliten 100B. Wie bereits beschrieben, kann jeder Kommunikationssatellit 100 Kommunikationsverbindungen über die inter-Satelliten-Schnittstelle nur zu dem unmittelbaren Vorgängersatelliten oder zu dem unmittelbaren Folgesatelliten hergestellt werden.
• Der 4 kann ebenfalls entnommen werden, dass jeder Kommunikationssatellit 100 Kommunikationsverbindungen zu einem Nutzergerät 15 (über die nutzerseitige Schnittstelle) und zu mindestens einer, bevorzugt zwei, Gegenstellen 20A, 20B (über jeweils eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung der netzseitigen Schnittstelle) herstellen kann, so dass das Nutzergerät 15 über den Kommunikationssatelliten Daten an die Gegenstellen übertragen und/oder von diesen empfangen kann.
• Da der Winkelabstand zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kommunikationssatelliten gleich ist, wenn die Umlaufbahn kreisförmig ist, kann ein Abstrahlwinkel 117 der inter-Satelliten-Schnittstelle fest vorgegeben und gehalten werden.
• Der Abstrahlwinkel 117 kann für den Kommunikationssatelliten 100 und dessen inter-Satelliten-Schnittelle mit Bezug zu dem Kommunikationssatelliten 100B beschrieben werden als Winkel zwischen einer Tangente an der Umlaufbahn an der Position des Kommunikationssatelliten 100 und einer gedachten Verbindung zwischen den Kommunikationssatelliten 100 und 100B. Dieser Winkel 117 ist mit dem Symbol β angezeigt, wobei dieser Winkel der Hälfte des Winkelabstands 30 zwischen zwei benachbarten Kommunikationssatelliten auf derselben Umlaufbahn entspricht.
• 5 zeigt einen Kommunikationssatelliten 100, wobei die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der nutzerseitigen Schnittstelle 105, der netzseitigen Schnittstelle 110 und der inter-Satelliten-Schnittstellen 115, 120 gezeigt sind.
• Die nutzerseitige Schnittstelle 105 weist mehrere Abstrahl- und Empfangseinrichtungen auf, wovon in dieser Darstellung vier gezeigt sind. Die vier gezeigten Abstrahl- und Empfangseinrichtungen sind mit W1, W5, W9 und W13 gekennzeichnet. Jede dieser Abstrahl- und Empfangseinrichtungen ist ausgeführt, zu Nutzergeräten, die sich in Kommunikationszellen 5 auf der Erdoberfläche 1 befinden, eine Kommunikationsverbindung herzustellen. Die Kommunikationszellen sind vorliegend wabenförmig dargestellt. Durch die Anzahl der Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der nutzerseitigen Schnittstelle, die Anzahl der Kommunikationssatelliten pro Umlaufbahn und die Anzahl der Umlaufbahnen kann die gesamte Erdoberfläche oder ein wesentlicher Teil der Erdoberfläche mit Kommunikationszellen abgedeckt werden.
• Die netzseitige Schnittstelle 110 weist zwei Abstrahl- und Empfangseinrichtungen 111, 112 auf. Die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen 111, 112 sind jeweils einzeln schwenkbar (die Schwenkbarkeit ist angedeutet durch die Pfeile), um auf eine Gegenstelle auf der Erdoberfläche ausgerichtet zu werden. Die Gegenstellen können auch als Gateway bezeichnet werden und diesen für die Überleitung der Kommunikationsdaten in ein terrestrisches Kommunikations- und Datennetz. Damit können Nutzergeräte, welche über die Erdoberfläche verstreut angeordnet sind, über den hierin beschriebenen Kommunikationssatelliten bzw. über die Satellitenkonstellation Daten mit dem besagten terrestrischen Kommunikationsnetz austauschen.
• Der Kommunikationssatellit 100 weist zudem eine erste inter-Satelliten-Schnittstelle 115 mit einer ersten Abstrahl- und Empfangseinrichtung 115A sowie eine zweite inter-Satelliten-Schnittstelle 120 mit einer zweiten Abstrahl- und Empfangseinrichtung 120A auf. Die Abstrahlrichtungen 116, 121 der ersten bzw. zweiten Abstrahl- und Empfangseinrichtung 115A, 120A sind so eingestellt, dass sie auf den unmittelbaren Folgesatelliten oder Vorgängersatelliten ausgerichtet sind. Der Darstellung in 5 ist zu entnehmen, dass der Abstrahlwinkel 117, 122 aufgespannt wird von der Abstrahlrichtung 116, 121 der ersten bzw. zweiten Abstrahl- und Empfangseinrichtung 115A, 120A und der Umlaufbahn 125 bzw. einer Tangente an demjenigen Punkt der Umlaufbahn, an dem sich der Kommunikationssatellit 100 aktuell befindet.
• Durch diesen Aufbau des Kommunikationssatelliten 100 mit starr ausgerichteten Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der nutzerseitigen Schnittstelle und einstellbaren Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der netzseitigen Schnittstelle können Nutzergeräte von jedem beliebigen Ort der Erde und auch mobile Nutzergeräte über den Kommunikationssatelliten mit einer Gegenstelle verbunden werden, damit eine Kommunikationsverbindung mit einem terrestrischen Kommunikationsnetz hergestellt wird.
• Für den Fall, dass ein Kommunikationssatellit über die netzseitige Schnittstelle keine Verbindung zu einer Gegenstelle herstellen kann, z.B., weil in dessen räumlichen Abdeckungsbereich keine Gegenstellen vorhanden sind, kann dieser Kommunikationssatellit dennoch Daten von den Kommunikationszellen empfangen und diese Daten über eine seiner inter-Satelliten-Schnittstellen an den Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten übertragen. Hierdurch wird der Grad der Abdeckung der Erdoberfläche mit nutzbaren Kommunikationszellen erhöht.
• 6 zeigt eine Satellitenkonstellation 10, in welcher allgemein und schematisch die Verbindung zwischen Kommunikationssatelliten 100 zu einem Kommunikationsnetzwerk 7, welches insbesondere ein terrestrisches Kommunikationsnetzwerk, gezeigt sind. Hier sind beispielhaft fünf Kommunikationssatelliten gezeigt, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist.
• Über die nutzerseitigen Schnittstellen decken die Kommunikationssatelliten die Erdoberfläche mit Kommunikationszellen 5 ab, in welchen sich Nutzergeräte 15 befinden. Eine Kommunikationszelle kann eine Ausdehnung von beispielsweise 280 km haben.
• Eine Verbindung zu den stationären Gegenstellen 20A, 20B auf der Erdoberfläche stellen die Kommunikationssatelliten 100 über die netzseitige Schnittstelle her. Da die Satelliten sich auf einer Umlaufbahn um die Erde bewegen, ist es erforderlich, dass je nach Position eines Satelliten über der Erdoberfläche eine andere Gegenstelle für die Datenübertragen ausgewählt wird. Die beiden links dargestellten Satelliten sind ausschließlich mit der Gegenstelle 20A verbunden und die beiden rechts dargestellten Satelliten ausschließlich mit der Gegenstelle 20B, wohingegen der mittlere Satellit mit beiden Gegenstellen 20A, 20B verbunden ist. In einem Übergangsbereich zwischen den Sende- und Empfangsbereichen der beiden Gegenstellen 20A, 20B sind die Satelliten mit beiden Gegenstellen verbunden, um die Kommunikationsverbindungen von der Gegenstelle 20A auf die Gegenstelle 20B zu übertragen, damit die Nutzergeräte höchstens eine kurzzeitige oder gar keine Unterbrechung der effektiven Kommunikationsverbindung zu dem terrestrischen Kommunikationsnetz 7 erfährt.
• 7 zeigt nun ein Szenario, in welchem mindestens ein Kommunikationssatellit (hier die beiden linken Satelliten) keine direkte Gegenstelle auf seiner netzseitigen Schnittstelle hat. Damit die Kommunikationszellen der beiden linken Satelliten dennoch eine Verbindung zu dem Kommunikationsnetz 7 herstellen können, stellen die beiden linken Satelliten über jeweils eine inter-Satelliten-Verbindung 130 zu ihren jeweiligen Vorgängersatelliten her. Der äußerst linke Satellit stellt eine Verbindung zu dem Satelliten rechts von ihm her (zu dem zweiten Satelliten von links), wobei dieser ebenfalls keine Gegenstelle auf der netzseitigen Schnittstelle hat und wiederum eine Verbindung über dessen inter-Satelliten-Schnittstelle zu dem mittleren Satelliten herstellt.
• In anderen Worten wird der Datenverkehr von und zu den beiden linken Satelliten über den mittleren Satelliten an die Gegenstelle 20B übertagen. Dies erhöht die effektive Abdeckung der Erdoberfläche mit nutzbaren Kommunikationssatelliten, so dass auch in Regionen, die über keine stationären Gegenstellen verfügen, eine Verbindung zu dem Kommunikationsnetz 7 hergestellt werden kann.
• Nun wird jedoch die Bandbreite des mittleren Satelliten auf insgesamt drei Kommunikationssatelliten aufgeteilt. Hierzu werden die Daten von den beiden linken Satelliten in die Frequenzbänder des mittleren Satelliten integriert. Dies kann es erforderlich machen, dass eine Neuzuweisung von Übertragungsressourcen (insbesondere Frequenzen, Zeit, Codes) erfolgen muss, damit sich die Signale nicht überlagern.
• Grundsätzlich können alle Kommunikationssatelliten auf Grund der räumlichen Trennung gleiche Übertragungsressourcen nutzen. Wird nun aber eine inter-Satelliten-Verbindung 130 aufgebaut, kann es zu Konfliktsituation kommen. Dies soll beispielhaft durch Rückgriff auf acht Frequenzbänder erläutert werden, wobei die folgenden Ausführungen analog auch bei Verwendung der gleichen Zeitschlitze oder Codes gelten.
• In dem Szenario der 7 kann sowohl der äußerst linke Satellit als auch der zweite Satellit von links auf der nutzerseitigen Schnittstelle jeweils die Frequenzbänder 1, 2 und 3 nutzen, ohne dass hieraus ein Konflikt entsteht, weil die beiden Satelliten räumlich getrennt sind. Wird nun zwischen diesen beiden Satelliten eine inter-Satelliten-Verbindung aufgebaut, kann es zum Konflikt kommen, wenn die gleichen Frequenzbänder für die Datenübertragung genutzt werden. Die auf der inter-Satelliten-Schnittstelle genutzten Frequenzbänder müssen daher umgesetzt werden, bevor sie von dem empfangenden Satelliten verarbeitet oder übertragen werden. Die Daten, welche in den Frequenzbändern 1, 2 und 3 auf der inter-Satelliten-Schnittstelle eingehen, können beispielsweise auf die Frequenzbänder 4, 5 und 6 des empfangenden Satelliten umgesetzt werden, um einen Konflikt mit den Frequenzbändern 1, 2 und 3 des empfangenden Satelliten zu vermeiden. Wenn der empfangende Satellit seinerseits die Daten über eine inter-Satelliten-Verbindung an dessen Vorgängersatelliten überträgt, muss dort ggf. auch eine Ressourcenumsetzung erfolgen, um einen Konflikt zu vermeiden. In diesem Beispiel bleiben dann noch die Frequenzbänder 7 und 8 übrig. Für den Fall, dass die verfügbare Bandbreite nicht ausreicht, um alle Frequenzbänder übertragen zu können, kann eine Ressourcenverwaltung genutzt werden, welche den über eine inter-Satelliten-Verbindung übertragenen Datenverkehr begrenzt. In obigem Beispiel nutzt der erste Satellit drei Frequenzbänder, der zweite Satellit nutzt auch drei Frequenzbänder und der dritte Satellit nutzt zwei Frequenzbänder, was in Summe acht Frequenzbänder ergibt und in diesem Beispiel auch der Bandbreite der Verbindung zu der Gegenstelle entspricht. Hat nun jeder Satellit einen Bandbreitenbedarf von jeweils vier Frequenzbändern, so ergibt sich ein Bedarf von zwölf Frequenzbändern, was die verfügbare Anzahl von acht Frequenzbändern übersteigt. Diese Situation erfordert eine Begrenzung der Bandbreite (d.h. der nutzbaren Frequenzbänder) pro Satellit.
• Die 8 bis 11 zeigen schematische Darstellungen des Kommunikationssystems eines Kommunikationssatelliten 100 um mögliche Szenarien in einer Satellitenkonstellation zu erläutern. Es wird jeweils die nutzerseitige Schnittstelle, die netzseitige Schnittstelle, und die inter-Satelliten-Schnittstelle mit zugehörigen Abstrahl- und Empfangseinrichtungen gezeigt.
• Für alle Darstellungen in den 8 bis 11 gilt, dass die nutzerseitige Schnittstelle unverändert gezeigt wird. Die nutzerseitige Schnittstelle dient dazu, Kommunikationsverbindungen zu den Nutzergeräten herzustellen. Da Nutzergeräte mobil und über die gesamte Erdoberfläche verteilt sein können, sind die nutzerseitigen Schnittstellen ausgeführt, Kommunikationszellen nach einem vorgegebenen Schema anzubieten.
• Im Gegensatz zu den Nutzergeräten sind Gegenstellen für die Anbindung an das terrestrische Kommunikationsnetz nicht überall verfügbar, insbesondere in infrastrukturell nicht oder kaum ausgebauten Regionen oder in Regionen, welche eine solche Gegenstelle nicht enthalten können, wie z.B. weiträumige Wasserflächen, werden Gegenstellen in der Regel nicht bereitgestellt. Dennoch können aber in diesen Regionen Nutzergeräte vorhanden sein. Um diese Nutzergeräte an das terrestrische Kommunikationsnetz anzubinden, kann Datenverkehr von und zu diesen Nutzergeräten über die Satelliten weitergeleitet (auch: transparentes Routing) werden.
• Um dies zu ermöglichen, sind in der hier beschriebenen Satellitenkonstellation verschiedene Szenarien denkbar: der Kommunikationssatellit hat eine direkte Verbindung zu einer einzelnen Gegenstelle (dies kann irgendeine der beiden möglichen sein oder auch gleichzeitig zu zwei Gegenstellen) und es sind keine inter-Satelliten-Verbindungen zu einem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten aktiv (8); der Kommunikationssatellit hat keine Verbindung zu einer Gegenstelle und leitet den gesamten Datenverkehr über eine inter-Satelliten-Schnittstelle zu dem Vorgängersatelliten oder zu dem Folgesatelliten (9); der Kommunikationssatellit hat eine Verbindung zu einer Gegenstelle und es ist auch eine (oder zwei) inter-Satelliten-Schnittstelle(n) zu dem Vorgängersatelliten und/oder zu dem Folgesatelliten aktiv, damit Datenverkehr von oder zu dem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten über die Verbindung zu der Gegenstelle geleitet werden kann (10); der Kommunikationssatellit hat keine Verbindung zu Gegenstellen über die netzseitige Schnittstelle, dafür aber zwei aktive inter-Satelliten-Verbindungen sowohl zu dem Vorgängersatelliten als auch zu dem Folgesatelliten, damit Datenverkehr von dem Vorgängersatelliten zu dem Folgesatelliten (oder umgekehrt) geleitet werden kann, wobei der Datenverkehr von der eigenen nutzerseitigen Schnittstelle ebenfalls über die inter-Satelliten-Verbindung zu dem Vorgängersatelliten oder zu dem Folgesatelliten übertragen wird, je nachdem, ob der Vorgängersatellit oder der Folgesatellit eine Verbindung zu einer Gegenstelle hat (11).
• In sämtlichen Ausführungsbeispielen der 8 bis 11 ist ein Schaltwerk 103 vorgesehen, welches Daten von einer eingehenden Schnittstelle (z.B. von der nutzerseitigen Schnittstelle oder von einer inter-Satelliten-Schnittstelle) auf eine ausgehende Schnittstelle (z.B. auf die netzseitige Schnittstelle oder auf die andere inter-Satelliten-Schnittstelle) leitet. Dabei ist das Schaltwerk 103 ausgeführt, eine Ressourcenzuweisung so vorzunehmen, dass Ressourcenkonflikte auf der ausgehenden Schnittstelle vermieden werden.
• Zunächst soll an Hand der Darstellung in 8 der allgemeine Aufbau des Kommunikationssystems des Kommunikationssatelliten 100 erläutert werden. Die nutzerseitige Schnittstelle 105 weist mehrere Abstrahl- und Empfangseinrichtungen auf, z.B. bis zu acht, wovon zwei gezeigt sind, welche mit User-TRX-1 und User-TRX-8 gekennzeichnet sind. Jede Abstrahl- und Empfangseinrichtung weist einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf und die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen sind bevorzugt strukturell und funktional identisch ausgeführt. Die netzseitige Schnittstelle 110 weist zwei Abstrahl- und Empfangseinrichtungen 111, 112 auf, welche mit Feeder-TRX-A und Feeder-TRX-B gekennzeichnet sind. Jede Abstrahl- und Empfangseinrichtung weist einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf und die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen sind bevorzugt strukturell und funktional identisch ausgeführt. Daneben weist der Kommunikationssatellit zwei inter-Satelliten-Schnittstellen 115, 120 auf, welche jeweils eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung aufweisen, welche mit Router-TRX-P und Router-TRX-S gekennzeichnet sind, um die Verbindung zu dem Vorgängersatelliten (Predecessor, P) und Folgesatelliten (Successor, S) aufzubauen. Jede Abstrahl- und Empfangseinrichtung weist einen Sendepfad 119, 124 und einen Empfangspfad 118, 123 auf und die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen sind bevorzugt strukturell und funktional identisch ausgeführt.
• Jeder Sendepfad und jeder Empfangspfad auf allen Abstrahl- und Empfangseinrichtungen weist einen Schalter 140 auf, welcher den jeweiligen Pfad in den aktiven Zustand oder den inaktiven Zustand versetzen kann und damit vorgeben kann, ob über die jeweilige Abstrahl- und Empfangseinrichtung Daten übertragen/empfangen werden können oder nicht.
• Die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der nutzerseitigen Schnittstelle sind mit einer ersten Seite (links) des Schaltwerks 103 verbunden, während die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der netzseitigen Schnittstelle mit einer zweiten Seite (rechts) des Schaltwerks 103 verbunden sind. Die erste Seite und die zweite Seite können auch als Eingangs- und Ausgangsseite bezeichnet werden, wobei trotz dieser Bezeichnungen eine bidirektionale Datenübertragung möglich ist, also von der netzseitigen Schnittstelle auf die nutzerseitige Schnittstelle und umgekehrt.
• Für die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen der inter-Satelliten-Schnittstellen ist zusätzlich eine Weiche (auch: duplexer) 150 vorgesehen. Dies hat den Grund, dass die inter-Satelliten-Schnittstellen Datenverkehr sowohl von Nutzerseite als auch von Netzseite übertragen können. Hat beispielsweise der Folgesatellit keine Verbindung zu einer Gegenstelle, so überträgt er den Datenverkehr seiner Nutzerseite an den aktuellen Satelliten, so dass der über die inter-Satelliten-Schnittstelle eingehende Datenverkehr auf der Nutzerseite (links) des Schaltwerks 103 eingespeist wird und sodann von dem aktuellen Satelliten entweder an eine Gegenstelle oder an die andere inter-Satelliten-Schnittstelle ausgegeben wird. Die Weiche 150 legt also für eine inter-Satelliten-Schnittstelle fest, ob diese inter-Satelliten-Schnittstelle nutzerseitigen Datenverkehr oder netzseitigen Datenverkehr darstellt, so dass diese inter-Satelliten-Schnittstelle mit dem Schaltwerk 103 entweder links oder rechts verbunden wird.
• In 8 hat die netzseitige Abstrahl- und Empfangseinrichtung Feeder-TRX-A eine direkte Verbindung zu einer Gegenstelle und ist im aktiven Zustand, wie an dem geschlossenen Schalter 140 erkannt werden kann. Auch kann erkannt werden, dass die Abstrahl- und Empfangseinrichtung Feeder-TRX-A über eine Weiche mit der netzseitigen Seite des Schaltwerks 103 verbunden ist. In dieser Konstellation kann Datenverkehr von der nutzerseitigen Schnittstelle 105 unmittelbar über die zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung Feeder-TRX-A 112 an das terrestrische Kommunikationsnetz (nicht dargestellt) übertragen oder von diesem empfangen werden.
• Der Aufbau des Kommunikationssatelliten ist universell für verschiedene Szenarien geeignet. So kann Datenverkehr von der nutzerseitigen Schnittstelle 105 an die netzseitige Schnittstelle 110 oder an eine der beiden inter-Satelliten-Schnittstellen 115, 120 geleitet werden (oder umgekehrt) und es kann Datenverkehr von einer oder beiden inter-Satelliten-Schnittstellen 115, 120 an die netzseitige Schnittstelle 110, an die nutzerseitige Schnittstelle 105, oder an die andere inter-Satelliten-Schnittstelle geleitet werden. Damit kann ein Nutzergerät mit einer Gegenstelle des terrestrischen Kommunikationsnetzes über einen einzelnen Satelliten oder über mehrere Satelliten verbunden werden. Diese Verbindung ist für das Nutzergerät transparent.
• Es sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass der Kommunikationssatellit 100 die erste Abstrahl- und Empfangseinrichtung 111 der netzseitigen Schnittstelle 110 zusätzlich oder alternativ zu der zweiten Abstrahl- und Empfangseinrichtung 112 aktivieren kann, wie in 6 für den mittleren Satelliten gezeigt. In dem Fall können Daten über die erste Gegenstelle oder über die zweite Gegenstelle übertragen oder empfangen werden, was die effektiv nutzbare Bandbreite erhöht.
• 9 zeigt den Fall, dass der aktuelle Satellit keine Verbindung zu einer Gegenstelle hat (die Schalter 140 der beiden Feeder sind geöffnet). Die Verbindung zu den Gegenstellen des Kommunikationsnetzwerks erfolgt mittelbar über die erste inter-Satelliten-Schnittstelle 115 zu dem Vorgängersatelliten. Die Weiche 150 ist so geschaltet, dass die erste inter-Satelliten-Schnittstelle 115 mit der Netzseite (rechts) des Schaltwerks 103 verbunden ist. Datenverkehr von und zu der nutzerseitigen Schnittstelle 105 wird also über den Vorgängersatelliten geleitet.
• Auch in diesem Fall kann zusätzlich oder alternativ eine inter-Satelliten-Verbindung zu dem Folgesatelliten über die inter-Satelliten-Schnittstelle Router-TRX-S hergestellt werden, so dass jeweils eine Gegenstelle mittelbar über den Vorgängersatelliten und den Folgesatelliten erreichbar ist. Hierzu wird die Weiche 150 für Router-TRX-S allerdings auf die Netzseite des Schaltwerks 103 geschaltet. Vorliegend hat die Stellung der Weiche 150 für Router-TRX-S keinen Einfluss auf die Funktion, weil der Schalter 140 von Router-TRX-S geöffnet ist.
• 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem der Kommunikationssatellit 100 eine direkte Verbindung zu einer Gegenstelle über Feeder-TRX-A hat und zudem Datenverkehr von dem unmittelbaren Vorgängersatelliten über Router-TRX-P empfängt und diesen Datenverkehr über Feeder-TRX-A an die Gegenstelle leitet (oder umgekehrt). Router-TRX-P ist aktiv, der Schalter 140 ist geschlossen, und die Weiche 150 führt den Datenverkehr auf die Nutzerseite (links) des Schaltwerks 103.
• Die Verbindung dieses Satelliten zu der Gegenstelle wird also sowohl von der eigenen nutzerseitigen Schnittstelle als auch von dem Vorgängersatelliten genutzt. In diesem Beispiel könnte auch noch Router-TRX-S aktiv sein, um Daten von dem Folgesatelliten zu empfangen und über Feeder-TRX-A an die Gegenstelle zu leiten (wenn der Folgesatellit keine unmittelbare Verbindung zu einer Gegenstelle hat).
• Es ist auch denkbar, dass über die Schnittstelle Router-TRX-P der Datenverkehr von und zu mehreren Vorgängersatelliten geleitet wird, siehe 7. Dort wird der Datenverkehr von und zu den beiden linken Satelliten über die Schnittstelle XA des mittleren Satelliten geleitet. Um nun nicht den gesamten Datenverkehr von Router-TRX-P über Feeder-TRX-A zu leiten, ist es denkbar, dass ein Teil dieses Datenverkehrs über Router-TRX-S zu dem Folgesatelliten geleitet wird. Somit kann der Datenverkehr von mehreren Vorgängersatelliten auf zwei oder mehrere benachbarte Satelliten verteilt werden, wenn diese allesamt eine aktive und unmittelbare Verbindung zu einer Gegenstelle haben. Dies kann Vorteile für die effektive Nutzung der verfügbaren Bandbreite haben.
• 11 zeigt ein Szenario, in welchem der aktuelle Kommunikationssatellit 100 keine unmittelbare Verbindung zu einer Gegenstelle hat und Datenverkehr sowohl auf der eigenen nutzerseitigen Schnittstelle als auch von dem Vorgängersatelliten über Router-TRX-P empfängt. Router-TRX-P ist über die Weiche 150 auf die Nutzerseite (links) des Schaltwerks 103 geschaltet. Der gesamte Datenverkehr wird auf der Netzseite (rechts) des Schaltwerks 103 an Router-TRX-S geleitet.
• In 11 leitet also der aktuelle Kommunikationssatellit Datenverkehr von der eigenen nutzerseitigen Schnittstelle zu dem Folgesatelliten und dient auch als transparente Durchgangsstation für Datenverkehr von und zu mindestens einem Vorgängersatelliten.
• Insgesamt lässt sich also feststellen, dass die nutzerseitige Schnittstelle stets auf die Nutzerseite des Schaltwerks 103 geführt ist, dass die netzseitige Schnittstelle stets auf die Netzseite des Schaltwerks 103 geführt ist, und dass jede der beiden inter-Satelliten-Schnittstellen wahlweise sowohl auf die Netzseite als auch auf die Nutzerseite geführt sein kann. Daraus folgt, dass sowohl mindestens ein Vorgängersatellit als auch mindestens ein Folgesatellit entweder auf die Netzseite (alternativ oder zusätzlich zu der netzseitigen Schnittstelle) oder auf die Nutzerseite (zusätzlich zu der eigenen nutzerseitigen Schnittstelle) des Schaltwerks 103 des aktuellen Satelliten geschaltet werden können.
• Ein Kommunikationssatellit wie hierin beschrieben und in der Satellitenkonstellation wie hierin beschrieben kann damit die Verfügbarkeit von Zugang zu einem Kommunikationsnetz weltweit verbessern, weil die Kommunikationssatelliten den Datenverkehr für ein Nutzergerät transparent weiterleiten können.
• Die Kommunikationssatelliten können geeignete Steuerinformationen austauschen, so dass jeder Kommunikationssatellit über den Zustand der jeweiligen unmittelbaren Nachbarn informiert ist. Diese Steuerinformationen können über einen Satelliten angeben, ob eine unmittelbare Verbindung zu einer Gegenstelle besteht und wie viel Bandbreite insgesamt verfügbar ist und wie viel hiervon noch zu vergeben ist. Wenn ein Satellit nur über eine mittelbare Verbindung (d.h. über mindestens einen weiteren Satelliten) zu einer Gegenstelle verfügt, kann angegeben werden, wie viele Zwischenstationen (Satelliten) es bis zu der Gegenstelle sind, so dass jeder Satellit den kürzesten Weg zu einer Gegenstelle wählen kann, wenn er selbst keine unmittelbare Verbindung zu einer Gegenstelle hat.
• Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
• Bezugszeichenliste

1

Erde

5

Kommunikationszellen

7

Kommunikationsnetzwerk

10

Satellitenkonstellation

15

Nutzergerät

20A, 20B

Gegenstelle

30

Winkelabstand

30A, 30B

Gedachte Linie zum Erdmittelpunkt

100

Kommunikationssatellit

100A

Vorgängersatellit

100B

Folgesatellit

102

Kommunikationssystem

103

Schaltwerk

105

nutzerseitige Schnittstelle

105A

Empfangspfad

105B

Sendepfad

106

Abstrahl- und Empfangseinrichtung

110

netzseitige Schnittstelle

110A

Empfangspfad

110B

Sendepfad

111

erste Abstrahl- und Empfangseinrichtung

112

zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung

115

erste inter-Satelliten-Schnittstelle

115A

Abstrahl- und Empfangseinrichtung

116

erste Abstrahlrichtung

117

erster Abstrahlwinkel

118

Empfangspfad

119

Sendepfad

120

zweite inter-Satelliten-Schnittstelle

120A

Abstrahl- und Empfangseinrichtung

121

zweite Abstrahlrichtung

122

zweiter Abstrahlwinkel

123

Empfangspfad

124

Sendepfad

125

Bewegungsrichtung, Umlaufbahn

130

inter-Satelliten-Verbindung

140

Schalter

150

Weiche

Claims (15)

1. Kommunikationssatellit (100) zum Verwenden in einer Satellitenkonstellation (10), der Kommunikationssatellit aufweisend: eine nutzerseitige Schnittstelle (105) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine netzseitige Schnittstelle (110) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten; eine erste inter-Satelliten-Schnittstelle (115) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer ersten Abstrahlrichtung (116) elektromagnetischer Wellen; eine zweite inter-Satelliten-Schnittstelle (120) zum leitungslosen Empfangen und Übertragen von Daten mit einer zweiten Abstrahlrichtung (121) elektromagnetischer Wellen; wobei die erste Abstrahlrichtung (116) mit Bezug zu einer Bewegungsrichtung (125) des Kommunikationssatelliten einen ersten Abstrahlwinkel (117) einschließt; wobei die zweite Abstrahlrichtung (121) mit Bezug zu der Bewegungsrichtung (125) des Kommunikationssatelliten einen zweiten Abstrahlwinkel (122) einschließt; und wobei ein Betrag des ersten Abstrahlwinkels einem Betrag des zweiten Abstrahlwinkels entspricht.
2. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 1, wobei die erste inter-Satelliten-Schnittstelle (115) so angeordnet ist, dass der erste Abstrahlwinkel (117) mit Bezug zu dem Kommunikationssatelliten starr vorgegeben und während der Betriebszeit des Kommunikationssatelliten unveränderlich ist.
3. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, das Vorhandensein einer Gegenstelle (20A, 20B) für die netzseitige Schnittstelle (110) zu detektieren und im Falle, dass eine solche Gegenstelle fehlt, die erste inter-Satelliten-Schnittstelle (115) und/oder die zweite inter-Satelliten-Schnittstelle (120) in einen aktiven Zustand zu versetzen, so dass eine ausgehende Kommunikationsverbindung zu einem Vorgängersatelliten (100A) und/oder einem Folgesatelliten (100B) aufgebaut werden kann.
4. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 3, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, im Falle einer fehlenden Gegenstelle für die netzseitige Schnittstelle die für einen Sendepfad der netzseitigen Schnittstelle vorgesehenen Daten über die in dem aktiven Zustand befindliche erste inter-Satelliten-Schnittstelle oder zweite inter-Satelliten-Schnittstelle zu senden.
5. Kommunikationssatellit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, über einen Empfangspfad (118, 123) zumindest einer der inter-Satelliten-Schnittstellen (115, 120) eine eingehende Anfrage zum Herstellen einer Kommunikationsverbindung zu einem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten zu empfangen und eine Kommunikationsverbindung mit dem Vorgängersatelliten oder Folgesatelliten herzustellen.
6. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 5, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, Daten, welche über die eingehende Kommunikationsverbindung einer inter-Satelliten-Schnittstelle empfangen werden, entweder über die netzseitige Schnittstelle oder über die andere inter-Satelliten-Schnittstelle auszugeben.
7. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, Frequenzbänder der eingehenden Kommunikationsverbindung so umzusetzen, dass Signale der eingehenden Kommunikationsverbindung sich nicht mit Signalen einer ausgehenden Kommunikationsverbindung des Kommunikationssatelliten überlagern.
8. Kommunikationssatellit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nutzerseitige Schnittstelle (105) eine Mehrzahl von Abstrahl- und Empfangseinrichtungen (106) aufweist, wobei jeder Abstrahl- und Empfangseinrichtung eine Kommunikationszelle (5) auf der Erdoberfläche zuordenbar ist.
9. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 8, wobei die Abstrahl- und Empfangseinrichtungen (106) der nutzerseitigen Schnittstelle (105) strukturell und/oder funktional identisch ausgeführt sind.
10. Kommunikationssatellit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die netzseitige Schnittstelle (110) eine erste Abstrahl- und Empfangseinrichtung (111) und eine zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung (112) aufweist, welche beide ausgeführt sind, auf jeweils eine stationäre Gegenstelle (20A, 20B) auf der Erdoberfläche ausgerichtet zu werden.
11. Kommunikationssatellit (100) nach Anspruch 10, wobei ein Abstrahlwinkel der ersten Abstrahl- und Empfangseinrichtung (111) der netzseitigen Schnittstelle (110) während der Betriebszeit des Kommunikationssatelliten veränderbar ist.
12. Kommunikationssatellit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kommunikationssatellit ausgeführt ist, auf der netzseitigen Schnittstelle (110) sowie auf der ersten inter-Satelliten-Schnittstelle (115) und zweiten inter-Satelliten-Schnittstelle (120) unterschiedlich polarisierte Signale zu nutzen.
13. Kommunikationssatellit (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste und zweite Abstrahl- und Empfangseinrichtung (111, 112) der netzseitigen Schnittstelle (110) sowie Abstrahl- und Empfangseinrichtungen (115A, 120A) der ersten und zweiten inter-Satelliten-Schnittstelle (115, 120) strukturell und/oder funktional identisch ausgeführt sind.
14. Satellitenkonstellation (10) in einem Orbit, aufweisend: eine Vielzahl von Kommunikationssatelliten (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei eine erste Gruppe von Kommunikationssatelliten (100) in einer ersten Umlaufbahn in einem gleichen Winkelabstand (30) zueinander angeordnet ist; wobei eine zweite Gruppe von Kommunikationssatelliten (100) in einer zweiten Umlaufbahn in einem gleichen Winkelabstand (30) zueinander angeordnet ist.
15. Satellitenkonstellation (10) nach Anspruch 14, wobei jeder Kommunikationssatellit (100) der Vielzahl von Kommunikationssatelliten ausgeführt ist, eine Kommunikationsverbindung über seine inter-Satelliten-Schnittstellen (115, 120) ausschließlich zu den unmittelbar benachbarten Kommunikationssatelliten (100A, 100B) in derselben Umlaufbahn herzustellen.

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