DE1591811A1 - Satelitten-Nachrichtenverbindungssystem - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated L. C. Tillotson

New York, N. Y._ 1000ι7_ΪΓ. S. A.

Satelliten-Nachrichtenverbindungssystem

Die Erfindung betrifft ein System mit künstlichen Erdsatelliten, das gleichzeitig mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen in Verbindung steht.

Es wurde bereits eine Anzahl von Systemen vorgeschlagen, um gleichzeitig eine Verbindung auf große Entfernungen zwischen einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen unter Verwendung von einem oder mehreren künstlichen Erdsatelliten herzustellen, die in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht sind. In den vergangenen Jahren haben weithin bekanntgewordene Versuche dramatisch die Durchführbarkeit und die Wichtigkeit dieser Systeme gezeigt.

Typischerweise können die Satellitenteile derartiger Nachrichtenverbindungssysteme von der Art sein, wie sie in der US-Patentschrift 3 095 538 (1963) beschrieben ist, bei der e^n Mehrfachfrequenz system verwendet wird, derart, daß eine Vielzahl von parabolischen Antennen mit konkaven reflektierenden Oberflächen in Abständen auf dem Umfang des Satelliten angeordnet ist. Jeder der Reflektoren gehört zu zwei Speiseantennenpaaren. Das eine Speiseantennenpaar an jedem Reflektor ist einzeln auf ein Paar von ausgewählten Frequenzen f-

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und f. abgestimmt, um Energie zu einer der Erdstationen zu senden und sie von ihr zu empfangen. Das andere Speiseantennenpaar an jedem Reflektor ist einzeln auf ein anderes Paar von ausgewählten Frequenzen f„ und f„ abgestimmt, um Energie zur anderen Erdstation zu senden und von ihr zu empfangen. Für jedes der beiden Paare an jedem Reflektor (und damit für jede Erdstation) ist ein amplitudenabhängiger Mehrfaeh-Selektor vorgesehen, um nur die Speiseantennenpaare derjenigen Reflektoren in Tätigkeit zu setzen, die zu dieser Zeit so gerichtet sind, daß die Nachrichtenverbindung mit den zugehörigen Erdstationen am wirksamsten ist.

Der Hauptnachteil der Verwendung eines derartigen Verfahrens zur gleichzeitigen Nachrichtenverbindung besteht darin, daß verschiedene Frequenzen für verschiedene Richtungen der Nachrichtenverbindung zwischen dem Satellit und den Erdstationen notwendig sind. Unglücklicherweise nahm man bisher an, daß die andere Alternative, d. h. eine gleichzeitige Nachrichtenverbindung mit allen Erdstationen bei einer festen Frequenz eine Vielzahl von Antennen mit extrem hoher Richtungsuntenscheidung (z. B. der Art, wie sie in der U. S. -Patentschrift 2 495 219 beschrieben ist) erforderte. Durch die Verwendung dieser Antennen würde der Satellitenteil des Nachrichtenverbindungssystems zu kompliziert, um praktischen Wert zu haben.

Das Problem der Schaffung eines Satellitenantennensystems, das

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gleichzeitig bei derselben Frequenz eine Verbindung mit einer Vielzahl von Erdstationen ohne die Notwendigkeit komplizierter Richtantennen herstellen kann, wurde durch die Anordnung der vorliegenden Erfindung gelöst. Eine einzige konkave reflektierende Oberfläche wird so gerichtet, daß sie stets die Strahlung aller Erdstationen empfängt, z.H. dadurch, daß sie in einem geeignet stabilisierten Synchronsatelliten angeordnet wird. Die einzelnen Antennenspeisungen werden mit der gemeinsamen reflektierenden Oberfläche an einer Vielzahl von Punkten auf einer zweiten Oberfläche gekoppelt, die durch den Brennpunkt der ersten Oberfläche geht. Diese Punkte sind so gewählt, daß sie der Lage der Abbildungen aller Erdstationen auf der zweiten Oberfläche entsprechen. Bei einer bevorzugten Ausführung ist die reflektierende Oberfläche ein sphärisches Segment, wobei die zweite Oberfläche ebenfalls ein sphärisches Segment mit demselben Krümmungsmittelpunkt wie die erste Oberfläche und im wesentlichen den halben Radius ist. Jedes der Speiseelemente, die auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind, steht daher individuell mit einer einzigen Erdstation in Verbindung. Wie bei früheren Einrichtungen, sind Mittel im Satelliten vorgesehen, um die durch ein Speiseelement von der zugehörigen Erdstation empfangene Wellenenergie wieder zu einem anderen Speiseelement zu geben, das zu einer getrennten Erdstation gehört. Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines synchronen Nachrichtenverbindungs-Satelliten, dessen Antennensystem erfindungsgemäß aufgebaut ist.

Fig. 2 ein Blockschema der Verstärkerteile im Antennensystera der Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Form des Antennensystems der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Nachrichtenverbindungssystem, wie es von der Erfindung vorgeschlagen wird, auf einer nichtmaßstäblichen und stark stilisierten Zeichnung dargestellt, die jedoch gut geeignet ist, das Erfindungsprinzip zu erläutern. Auf der Erdoberfläche 10 ist eine Anzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen 11, 12 und 13 bezeichnet. Jede Station kann entweder einen Sender oder einen Empfänger enthalten. Vorzugsweise enthält jede Station sowohl einen Sender als auch einen Empfänger, um eine Zweiwegübertragung durchzuführen. Jede Station enthält Richtantennen mit schmalem Strahl, die z. B. Horn-Reflektorantennen sein können, wie sie bei Satellitanverbindungen in Gebrauch sind und wie sie z.B. im Zusammenhang mit dem TELSTAR-System in Bell System Technical Journal, Band XLII beschrieben sind.

Das Raumfahrzeug selbst ist schematisch durch die Begrenzung 14 dargestellt. Es ist angenommen, daß es sich in der definierten syn¹-chronen Umlaufbahn befindet und daß es zusätzlich zu anderen später

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beschriebenen Einrichtungen einen konkaven leitenden Reflektor 15 enthält, der bei einer bevorzugten Ausführung aus einem Kugelsegment besteht. Wenn dieser Reflektor auch in der Zeichnung nicht maßstäblich dargestellt ist, so würde er doch bei einer praktischen Anwendung einen Durchmesser von etwa 3 m haben, und als Segment einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 8 m ausgebildet sein.

Von der Erfindung werden gewisse Eigenschaften eines sphärischen Reflektors benutzt. Es sei daran erinnert, daß der Brennpunkt eines derartigen Reflektors herkömmlicherweise so definiert ist, daß er auf seiner "sphärischen Achse" in der Mitte zwischen der Oberfläche und seinem Krümmungsmittelpunkt liegt. Parallel zur Achse ankommende Strahlen laufen in diesem Brennpunkt zusammen. Die vorliegende Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß es eine unbegrenzte Anzahl von "sphärischen Achsen" gibt, die jeweils einen Brennpunkt haben, der auf einer sphärischen Fläche liegt, die denselben Krümmungsmittelpunkt wie die reflektierende Oberfläche hat und zwar auf der Hälfte ihres Radius. Eine derartige "Brennfläche" ist in Fig. 1 durch die Oberfläche 16 dargestellt.

Da die Oberfläche 16 einen eindeutigen Brennpunkt für Strahlen enthält, die am Reflektor 15 von einer gegebenen Richtung eintreffen und andere eindeutige Brennpunkte für Strahlen, die von anderen Richtungen eintreffen (innerhalb der Begrenzungen durch Beugung und

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durch zulässige sphärische Aberration) wird ein umgekehrtes fokussiertes Abbild aller Gegenstände auf der Oberfläche 16 erzeugt, die innerhalb der "Sicht" des Reflektors 15 auf der Erde liegen. Dies ist in Fig. 1 durch die Punkte II¹, 12¹ und 13* auf der Oberfläche 16 dargestellt, welche die Abbildungen der Erdstationen 11, 12 und 13 sind. Die einzelnen Strahlen 11", 12" und 13", welche die Verbindung zu jedem der Punkte herstellen, sind für die unbegrenzte Anzahl von Strahlungen symbolisch, welche tatsächlich auf jeden Punkt fokussiert werden.

Erfindungsgemäß ist an jedem der Bildpunkte II¹, 12¹ und 13* eine unabhängige Speisung angeordnet, wie es schematisch durch die Wellenleiter 17, 18 und 19 dargestellt ist, die im wesentlichen in der Ebene der Oberfläche 16 enden. Jede Speisung ist ihrerseits mit einer geeigneten Mikrowellenverstärker-Einrichtung verbunden, die sich an Bord des Satelliten befindet. Diese Einrichtung wird später eingehender betrachtet. Somit wird ein nachrichtenführendes Mikrowellensignal, das z.B. von der Erdstation 11 gesendet wird, am Punkt II¹ durch die Speisung 17 empfangen. Wenn dieses Signal verstärkt anderweitig behandelt und über die Speisung 19 wieder gesendet wird, wird es an der Erdstation 13 empfangen. Andererseits kann das von der Erdstation 11 empfangene Signal über die Speisung 18 wieder gesendet und von der Erdstation 12 empfangen werden, oder es kann das Nachrichtensignal geteilt und ein Teil über jede der Speisungen 18 und 19

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wieder gesendet werden. Die Teile werden somit an jeder der Erdstationen 12 und 13 empfangen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung befinden sich benachbarte Erdstationen außerhalb des Gebiets, das durch den gesendeten Strahl einer benachbarten Speisung ausgeleuchtet wird. Somit wird das über die Speisung 19 wieder ausgesendete Signal an der Erdstation 11 oder der Erdstation 13 nicht empfangen. Umgekehrt wird das von irgendeiner Erdstation ausgesendete Signal an der einer anderen Erdstation entsprechenden Speisung nicht empfangen.

Die Beschränkungen, die zur Erfüllung dieser Forderung notwendig sind, haben keine große Bedeutung. Zum Beispiel wird für die vorliegende Erfindung ein Betrieb im 10 bis 30 Gigahertz -Band vorgeschlagen, ein Band, das sich bisher als nicht völlig zufriedenstellend für eine Mikrowellenverbindung mit gemeinsamem Träger zwischen zwei Erdpunkten wegen des übermäßigen Ausfalls infolge von Dämpfung durch Regen erwiesen hat. Am unteren Ende eines derartigen Bandes hat die Strahlungskeule, die durch eine sphärische Antenne von 3 Me-

2 tern erzeugt wird, welche durch eine Speiseöffnung von 4, 5 cm

gespeist wird, und welche sich in einer äquatorialen Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 35, 680 km von der Erde befindet, eine Strahlbreite, die eine elliptische Fläche auf der Erde in den Vereinigten Staaten ausleuchtet, die eine sich in Ost-West-Richtung erstreckende kleine Achse von etwa 416 km hat. Diese Achsenlänge nimmt mit zunehmender Frequenz ab, bis sie am oberen Ende des Bandes etwa

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die Hälfte dieser Strecke beträgt. Der sich ergebende Abstand erfordert, daß der Satellit innerhalb 160 km seiner zugeordneten Station in der Umlaufbahn bleibt und daß er so stabilisiert wird, daß die Richtung des Antennenstrahls innerhalb + 1/10 Grad gehalten wird, damit jede Station nur mit derjenigen Speisung in Verbindung steht, die sich in dem. Bildpunkt auf der Oberfläche 16 befindet, der dem Ort der Station auf der Erde entspricht. Diese Forderung in Bezug auf die Stationshaltung und die Stabilisierung wird leicht durch die später angegebenen derzeitigen Verfahren erfüllt.

Fig. 2 zeigt schematisch andere Teile, die im Satellit 14 enthalten sind. Da diese Teile bekannt sind, sind sie nur als Blockschema dargestellt. So enthält der Satellit zusätzlich zum Reflektor 15 und den zugehörigen Speisungen 17 bis 19 geeignete Mikrowellen-Verstärkereinrichtungen, um von der Erde gesendete Signale zu empfangen und um sie zu verstärken und wieder auszusenden. Um die Erfindung möglichst beweglich zu machen, ist jede der Speisungen 17 bis 19 mit einem getrennten HF Sender, z.B. 21 und einem HF Empfänger, z.B. 22 verbunden, die mit Hilfe eines bekannten Diplexers 20 vereinigt werden. Die Ausgänge der Empfänger und die Eingänge der Sender können aus dem Basisband- oder Nachrichtensignalen selbst bestehen, oder sie können Signale mit einer geeigneten Zwischenfrequenz sein. In jedem Fall werden sie an ein aus geeigneten Filtern und Schaltern bestehendes Verbindungsnetzwerk 23 angelegt und von

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diesem empfangen und zwar unter dem Einfluß von Signalen, die durch den Kommandoempfänger 24 über die Hilfsantenne 25 von der Erde empfangen werden. Die Funktion des Netzwerks 23 besteht darin, einen oder mehrere der Empfänger 22 mit einem oder mehreren der Sender 21 zu verbinden, wie es von der Erde veranlaßt werden kann. Die Schalteinrichtungen können mechanisch oder elektronisch sein, sie können auch aus Diodenmatrizen mit bekanntem Aufbau bestehen. Durch Einfügen von Kanalfiltern in das Netzwerk 23 kann der Ausgang irgendeines gegebenen Empfängers in eine Vielzahl von Teilbändern getrennt werden, die ihrerseits einzeln oder in Gruppen mit den Sendern verbunden werden können. Selbstverständlich können bei einer gegebenen Anwendung die Verbindungen zwischen den jeweiligen Sendern und Empfängern "dauernd" sein, wobei das Netzwerk 23 in Fortfall kommen kann.

Der Satellit 14 enthält zusätzlich ein System 26 zur Stabilisierung und Stationshaltung, das in der Lage ist den Satellit, wie vorher angegeben, in drei Dimensionen zu stabilisieren, wobei der Reflektor 15 auf einen Teil der Erde gerichtet ist. Die Forderungen, die in jeder Hinsicht für die vorliegende Erfindung gelten, wurden vor kurzem durch die Syncom-Versuche dargelegt. Wenn auch eine eingehende_i Schilderung der Stabilisierungs- und Antennenrichtverfahren außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erläuterung liegt, so sei doch gesagt, daß die Funktion entweder durch Verwendung eines restabili-

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sierten Satelliten bekannter Art, oder durch Verwenden eines Drei-Achsen-Stabilisierungsteilsystems durchgeführt werden kann, bei dem Düsen mit heißem oder kaltem Gas, oder andere Düsen benutzt werden, oder Kreisel oder eine Kombination beider Einrichtungen. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Brennstoffmenge, die zur Stabilisierung eines Satelliten von 910 kg in einer synchronen äquatorialen Umlaufbahn für zehn Jahre auf +1/10 Grad notwendig ist, nur wenige Zehntel Kilogramm beträgt. Die Nimbus-Wettersatelliten sind Beispiele für Raumfahrzeuge, die durch kleine Düsen mit kaltem Gas stabilisiert werden. Eine gute allgemeine Schilderung derartiger Einrichtungen ist von Michel E. Maes und George S. Sutherland in "international Seience and Technology" August 1966, Nr. 56 auf S. gegeben. Eine sehr vollständige Beschreibung eines viel komplizierteren Drei-Achsen-Stabilisierungssystems, das bei einer Mars-Sonde benutzt wurde, ist in NASA Technical Report Nr. 32-740, "Mariner Mars 1964 Project Report: Mission and Spacecraft Development, Band 1, From Project Inception Through Midcourse Maneuver", vom l.März 1965, auf S. 214-290, Jet Propulsion Laboratory gegeben. Das vorliegende Problem ist insofern einfacher, als die Raumfahrzeug-Orientierung genau auf der Erde bestimmt werden kann (wie z. B. in der U. S.-Patentschrift 3 137 853 vorgeschlagen) und Kommandos zur Korrektur von Fehlern zum Raumfahrzeug gegeben werden können. Zu diesem Zweck kann das Stabilisierungssystem 26 mit Hilfe des

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Kommando empfänger s 24 in Fig. 2 von der Erde kontrolliert werden«

Schließlieh enthält der Satellit 14 eine Stromversorgung 27, die aus Solarzellen aus Speicherbatterien mit langer Lebensdauer oder aus beiden bestehen kann. Die Energie wird von der Stromversorgung allen anderen Teilen durch nichtangegebene Verbindungen zugeführt. Einzelheiten mehrerer anderer Aufbaumöglichkeiten für irgendwelche dieser Teile sind bekannt, ferner sind Schaltungen, die sich für die Teile eignen, bei vor kurzem durchgeführten Satelliten-Versuchen verwendet worden. Es sei z. B. auf die verschiedenen vorher angegebenen Veröffentlichungen hingewiesen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anbringung der mehrfachen Speisungen in Bezug auf den sphärischen Reflektor erleichtert. So besteht der Reflektor 30 aus einem sphärischen Endteil eines zylindrischen Satellitenkörpers 31. Da die innere konkave Oberfläche des Reflektors 30 von Interesse ist, ist seine äußere Form unwesentlich, sie ist durch einen zylindrischen Abschluß 39 dargestellt. Der Körper 31 wird durch einen ebenen leitenden Reflektor 33 geteilt, der sich unter einem Winkel von vorzugsweise 45 zur Zylinderachse des Körpers 31 erstreckt. Eine öffnung 34 auf dem Umfang des Körpers 31 ist so angeordnet, daß : durch die öffnung 34 empfangene elektromagnetische Wellen, wie sie durch die Strahlen 38 dargestellt sind, durch die ebene Fläche 33

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zur sphärischen Oberfläche 30 reflektiert werden. Offensichtlich kann die öffnung 34 mit einer nichtdar ge stellten Abdeckung aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigen Material versehen werden, Die Mehrfachspeisungen 35 ragen durch eine öffnung 36 im Reflektor 33, sie enden in Horn-Strahlera 37, die im wesentlichen auf die Brennfläche des Reflektors 30 verteilt sind, wie es vorher beschrieben wurde. Vorzugsweise ist jeder Horn-Strahler 37 ein Pyramidenhorn mit einem quadratischen Querschnitt, das durch ein elektrisches Feld entlang einer Diagonalen erregt wird. Es wurde gezeigt, daß diese Erregung eines sphärischen Reflektors ein Minimum an Seitenkeulen hervorbringt. Siehe z.B, die Veröffentlichung von T, Li, "Study of Sperical Reflectors as Wide-Angle Scanning Antennas", IRE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-7, S, 223-226, Juli 1959. Wie von Li dargelegt wurde, erfordert eine auf diese Weise verwendete quadratische Speisung {da sie keine wirkliche Punktquelle darstellt} bei einer gegebenen Frequenz eine geringe empirische Einstellung abweichend vom optischen Brennpunkt der Kugel, Diese Speisungen 35 können nach Bedarf an Punkten enden, die um geringe Prozentzahlen von der optischen Brennfläche des Reflektors 30 nach oben oder unten entfernt sind. Die anderen Teile des Satellitenverstärkers befinden sich innerhalb des Körpers 31 auf der vom sphärischen Reflektor 30 abgewandten Seite des ebenen Reflektors 33, Der Körper 31 wird dann in den Umlauf gebracht und stabilisiert, wobei die öffnung

zu dem Teil der Erdoberfläche gerichtet ist, der die interessierenden Erdstationen enthält.

Wenn auch das Prinzip der Erfindung anhand eines sphärischen Reflektors beschrieben wurde, so ist doch selbstverständlich auch ein Segment eines Kreis Zylinders für gewisse Anwendungen brauchbar. Da ein Kreiszylinder einen Strahl erzeugt, der nur in einer Dimension fokussiert ist, Wird entsprechend jeder Speisung eine Dampfstrahlung auf der Erdoberfläche erzeugt.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Satelliten-Antennensystem zur gleichzeitigen Nachrichtenverbindung mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen, bei dem eine Vielzahl von Antennenelementen entfernt voneinander auf einem Teil des Satelliten angeordnet ist, und bei dem Gruppen der Antennenelemente einer konkaven reflektierenden Oberfläche zugeordnet sind, wobei die durch ein Antennenelement von einer Erdstation über die reflektierende Oberfläche empfangene Energie von einem getrennten Speiseelement zu einer anderen Erdstation übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennensystem eine einzige konkave reflektierende Oberfläche (15) enthält, die so gerichtet ist, daß sie stets eine Strahlung von allen Erdstationen (11,12,13) empfängt (z.B. dadurch, daß sie in einem geeignet stabilisierten Synchronsatelliten (14) angeordnet ist) und daß die Antennenspeiseelemente auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind und mit der reflektierenden Oberfläche ,an einer Vielzahl von Punkten auf einer zweiten Oberfläche (16) gekoppelt sind, die durch den Brennpunkt der reflektierenden Oberfläche geht, wobei der Ort der Speiseelemente (17,18,19) jeweils mit den Abbildungsorten (II¹,12·, 13*) aller Erdstationen auf der zweiten Oberfläche zusammenfällt.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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die reflektierende Oberfläche aus einem sphärischen Segment besteht und daß die zweite Oberfläche aus einem ähnlichen sphärischen Segment besteht, das denselben Krümmungsmittelpunkt und im wesentlichen den halben Radius wie die reflektierende Oberfläche hat.

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