DE19751160A1 - Weltraum-gestützte Kommunikationssysteme - Google Patents

Weltraum-gestützte Kommunikationssysteme

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DE19751160A1
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    • H04BTRANSMISSION
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Description

Technischer Bereich
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Weltraum­ gestützte Telekommunikationssysteme und insbesondere auf Satel­ liten in verschiedenen Umlaufbahnen, die untereinander Satelli­ tensteuerinformationen austauschen.
Hintergrund der Erfindung
Einige Satelliten in herkömmlichen Satellitentelekommuni­ kationssystemen können sich mit benachbarten Satelliten, die dieselbe Umlaufbahnhöhe haben, verständigen. Diese Verbindungen zwischen Satelliten heißen Querverbindungen, wobei über die Querverbindungen Sprache und/oder Daten von einem Satelliten zum anderen Satelliten übertragen werden. Wenn eine Basisstati­ on auf der Erde Befehlsinformationen übermittelt, die für einen Satelliten bestimmt sind, der nicht der erste Satellit ist, der die Information empfängt, dann müssen die Befehlsinformationen viele Querverbindungen passieren, bevor sie der Satellit, für den die Befehlsinformationen bestimmt sind, tatsächlich emp­ fängt. Dieses Weiterleiten von Daten oder Informationen von ei­ nem Satelliten zum nächsten Satelliten heißt im allgemeinen "Springen". Das Springen verbraucht besonders dann wertvolle Energie und Bandbreite, wenn Befehlsinformationen über viele verschiedene Satelliten weitergeleitet werden. Daher wird drin­ gend ein Satellitentelekommunikationssystem gebraucht, bei dem weniger Sprünge nötig sich, bis die Satellitensteuerungsinfor­ mation oder bis Befehle vom Bestimmungssatelliten empfangen werden. Außerdem verbrauchen Querverbindungen für Satelliten­ steuerinformationen die Bandbreite der Querverbindungen, die statt dessen den Verkehr übertragen könnte, der Einnahmen bringt. Zu diesem Verkehr gehören unter anderem Sprache, Daten oder FAX-Informationen. Daher wird dringend ein Satellitentele­ kommunikationssystem gebraucht, das den über Querverbindungen abgewickelten Satellitensteuerungsverkehr minimiert und das da­ her die verfügbare Bandbreite für den Verkehr maximiert, der Einnahmen erbringt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine symbolische Darstellung eines Satelli­ tentelekommunikationssystems gemäß der bevorzugten Ausführungs­ farm der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein Beispiel eines Satelliten.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung dient der Verständigung zwischen einem Satellitennetz in geostationärer Umlaufbahn und einem Netz von Satelliten in niedriger Umlaufbahn um die Erde. Da die geostationären Satelliten die Satellitensteuerinformationen und Befehle übermitteln, werden in den niedrigen Erdumlaufbahnen keine Querverbindungen zur Übertragung dieser Informationen ge­ braucht. Eine Basisstation (d. h. eine Satellitensteueranlage) tauscht direkt mit einem geostationären Satelliten Informatio­ nen aus, der sie seinerseits direkt an die einzelnen Satelliten in niedriger oder mittlerer Erdumlaufbahn weitergibt. Ein geostationärer Satellit hat mit verschiedenen Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn gleichzeitig Sichtkontakt, und er hat damit eine direkte Verständigung. Durch eine Verbindung von drei oder vier geostationären Satelliten wäre jede Satelliten­ anordnung in niedriger Umlaufbahn um die Erde sichtbar.
Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines Te­ lekommunikationssystems 10 mit Satelliten. Wie in Fig. 1 ge­ zeigt, umfaßt das Telekommunikationssystem 10 mindestens zwei Satelliten 20 und 22, eine beliebige Anzahl von Teilnehmerein­ heiten 30 und mindestens eine Basisstation 40. Die Satelliten 20 und 22, die Teilnehmereinheiten 30 und die Basisstation 40 des Telekommunikationssystems 10 können allgemein als ein Netz von Knoten betrachtet werden. Über Telekommunikationsverbindun­ gen tauschen oder können alle Knoten des Telekommunikationssy­ stems 10 Daten mit anderen Knoten des Telekommunikationssystems 10 austauschen. Außerdem tauschen oder können alle Knoten des Telekommunikationssystems 10 über öffentliche Telefonnetze (PSTNs) und/oder herkömmliche irdische Kommunikationsvorrich­ tungen, die mit einer PSTN über herkömmliche irdische Basissta­ tionen gekoppelt sind, Daten mit anderen über die Erde verteil­ ten Telefongeräten austauschen.
Als "Satellit" wird in dieser Beschreibung ein von Men­ schen hergestelltes Objekt oder Fahrzeug bezeichnet, das für den Umlauf um die Erde vorgesehen ist. Als "Anordnung" wird ei­ ne Anzahl von Satelliten bezeichnet, die in Umlaufbahnen ange­ ordnet sind, damit sich eine bestimmte Abdeckung (etwa mit Funkverständigung, Fernabtastung, etc.) eines Teils, von Teilen oder der gesamten Erde ergibt. Eine Anordnung enthält normaler­ weise mehrere Ringe (oder Ebenen) von Satelliten, und sie kann in jeder Ebene gleich viele Satelliten haben, obwohl dies nicht entscheidend ist.
Die vorliegende Erfindung ist auf im Weltraum stationierte Telekommunikationssysteme 10 anwendbar, die bestimmten Regionen auf der Erde bestimmte Zellen auf der Erde zuweisen, und vor­ zugsweise auf System 10, das Zellen über die Erdoberfläche be­ wegt. Die Satelliten 20 können ein einzelner Satellit oder eine Satellitenanordnung von vielen Satelliten 20 im Umlauf um die Erde sein. Die vorliegende Erfindung ist auch auf Weltraum­ gestützte Telekommunikationssysteme 10 mit Satelliten 20 an­ wendbar, die die Erde mit beliebigem Neigungswinkel umkreisen einschließlich polarer, äquatorial geneigter oder anderer Um­ laufmuster. Die vorliegende Erfindung ist auf Systeme 10 an­ wendbar, bei denen eine vollkommene Abdeckung der Erde nicht erreicht wird (d. h. bei denen es "Löcher" in der Abdeckung mit der von der Anordnung gelieferten Telekommunikation gibt), und auf Systeme 10, bei denen Teile der Erde mehrfach abgedeckt werden (d. h. mehr als ein Satellit ist von einem bestimmten Punkt der Erdoberfläche aus sichtbar):
In der bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Sa­ telliten 20 in einer niedrigen Erdumlaufbahn, während der Sa­ tellit 22 ein geostationärer Satellit ist. In einer alternati­ ven Ausführungsform können sich die Satelliten 20 in einer mittleren Erdumlaufbahn befinden, während der Satellit 22 ein geostationärer Satellit ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsfarm können die Satelliten in einer niedrigen Um­ laufbahn um die Erde sein, während der Satellit 22 in einer mittleren Umlaufbahn um die Erde ist. Es gibt mehr als einen Satelliten 22, der sich in einer mittleren Erdumlaufbahn befin­ det. Es kann mehr als einen Satelliten 22 geben, der die Satel­ liten 20 bedient, und diese Satelliten 22 können in der Lage sein, sich miteinander zu verständigen. Satelliten in niedriger Umlaufbahn um die Erde befinden sich üblicherweise in einem Hö­ henbereich zwischen 700 km bis 1400 km (400 bis 800 Meilen) Hö­ he, während Satelliten in mittlerer Umlaufbahn um die Erde in einer Höhe von etwa 10 000 km (6200 Meilen) sind, und geosta­ tionäre Satelliten befinden sich in einer Höhe von etwa 36 000 km (23 000 Meilen).
Jeder Satellit 20 verständigt sich über Querverbindungen mit anderen Satelliten 20 in der Nähe. Diese Querverbindungen sind ein Rückrad des Weltraum-gestützten mobilen Telekommunika­ tionssystems 6. Ein Anruf oder ein Nachrichtenaustausch eines Anwenders d. h. unter anderem Sprache, FAX und Daten von einer Teilnehmereinheit 30, die sich an jedem Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche befinden kann, kann über den Satelliten 20 oder eine Anordnung von Satelliten im wesentlichen an jeden anderen Punkt auf der Erdoberfläche weitergeleitet werden. Ein Nach­ richtenaustausch kann von einem anderen Satelliten auf oder na­ he der Erdaberfläche zur Teilnehmereinheit 31 (die den Anruf empfängt) hinabgeleitet werden. Wie der Satellit 20 sich physi­ kalisch mit den Teilnehmereinheiten 30 und der Basisstation 40 verständigt (d. h. spread-Spectrum-Technik), ist in der Fachwelt allgemein bekannt.
Der Satellit 20 verständigt sich mit dem Satelliten 22 über eine Querverbindung, wenn sich der Satellit 20 im Sichtbe­ reich vom Satelliten 22 befindet. Der Satellit 20 befindet sich nicht immer in Sichtweite vom Satelliten 22, aber er befindet sich während seiner Umlaufbahn um die Erde für eine gewisse Zeit im Sichtbereich des Satelliten 22. In alternativen Ausfüh­ rungsfarmen gibt es mehrere Satelliten 22, bei denen jeder Sa­ tellit 20 sich mit einem der Satelliten 22 unabhängig davon, wo sie sich auf ihrer Umlaufbahn um die Erde befinden, verständi­ gen kann. Außerdem kann sich jeder Satellit 22 mit benachbarten Satelliten 22 verständigen.
Querverbindungen zwischen den Satelliten 20 und 22 über­ tragen Steuerinformationen: unter anderem Befehle für Satelli­ ten, Telemetrie, Verkehrsweiterleitvektoren, Verkehrsverbin­ dungseinrichtung, Freigabenachrichten, Zellkanalfrequenzen, Sa­ tellitensteuerbefehle, Zellabschaltzeitpläne. Die Steuerinfor­ mation für Satelliten kann außerdem Verwaltungsdaten für Tele­ fonfunkverbindungen wie etwa Zeitindex-Strahlschalttabellen, Strahl-bezogene Zeitindex-Funkkanaldaten, wie etwa die Bereit­ stellung und der Entzug von Funkbetriebsmitteln, und Strahl­ bezogene Zeitindex-Übertragungskanaldaten enthalten.
Der Satellit 22 empfängt von der Basisstation 40 Satelli­ tensteuerinfarmationen für einen oder mehrere Satelliten, und er übermittelt sie an geeignete Satelliten 20. Da der Satellit 22 die Satellitensteuerinfarmationen an die Satelliten 20 über­ trägt, übertragen die Querverbindungen zwischen den Satelliten 20 nur Anwenderinformationen (d. h. Sprache, Fax und Daten), um einen Anruf von einer Teilnehmereinheit 30 zu einer anderen Teilnehmereinheit 30 zu unterstützen.
Die Teilnehmereinheiten 30 können sich überall auf der Erdoberfläche oder in der Luft über der Erde befinden. Das mo­ bile Telekommunikationssystem 10 kann jede Anzahl von Teilneh­ mereinheiten 30 bedienen. Die Teilnehmereinheiten 30 sind vor­ zugsweise Kommunikationsgeräte, die von Satelliten 20 und/oder Basisstationen 40 Sprache und/oder Daten empfangen können. Bei­ spielsweise können die Teilnehmereinheiten 30 tragbare mobile Satellitenzellen-Telefone sein, die für das Senden an und den Empfang von Übermittlungen von Satelliten 20 und/oder Basissta­ tionen 40 ausgelegt sind. Außerdem können die Teilnehmereinhei­ ten 30 Computer sein, die E-Mail-Nachrichten, Videosignale oder Faksimile-Signale senden können, um nur einige wenige zu nen­ nen.
Wie die Teilnehmereinheiten 30 Sprache und/oder Daten zu und von den Satelliten 20 übertragen, ist in der Fachwelt all­ gemein bekannt. In der bevorzugten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung verständigt sich die Teilnehmereinheit 30 mit dem Satelliten 20 in einem begrenzten Teil des elektromagneti­ schen Spektrums, das in viele Kanäle unterteilt ist. Diese Ka­ näle sind vorzugsweise Frequenzkanäle im L-Band, K-Band, S-Band oder Kombinationen von ihnen, aber sie können eine Verständi­ gung mit Frequenz-multiplex (Frequency Division Multiple Acces = FDMA) und/oder Zeit-multiplex (Time division Multiple Access = TDMA) und/oder Kode-multiplex (Code Division Multiple Access = CDMA) oder jede Kombination davon einschließen. Andere Ver­ fahren, wie sie in der Fachwelt allgemein bekannt sind, können verwendet werden.
Die Basisstation 40 verständigt sich mit und steuert die Satelliten 20 über den Satelliten 22. Es kann verschiedene Ba­ sisstationen 40 in verschiedenen Gegenden der Erde geben. Zum Beispiel kann sich eine Basisstation in Honolulu, eine andere Basisstation in Los Angeles und wieder eine andere Basisstation in Washington, D.C., befinden. Die Basisstationen 40 können Sa­ tellitenaufrufbefehle für den Satelliten 22 abgeben, so das die Satelliten 22 und 20 die richtige Position in ihrer Umlaufbahn beibehalten, und sie können andere wesentliche Fernsteuerungs­ aufgaben ausführen. Die Basisstationen 40 können außerdem für den Empfang von Sprache und/oder Daten von den Satelliten 20 verantwortlich sein. Wie sich die Basisstation 40 physikalisch (d. h. Spread-Spectrum) mit den Satelliten 22 und 20 und/oder den Teilnehmereinheiten 30 verständigt, ist in der Fachwelt allgemein bekannt.
Fig. 2 zeigt als Beispiel eine stark vereinfachte Darstel­ lung eines Satelliten 20 oder 22. Der Satellit 20 umfaßt minde­ stens zwei Sendeempfänger 30, einen Prozessor 34 und einen Speicher 36. Einige Sendeempfänger 30 des Satelliten 20 können Satellitensteuerinformationen zu und vom Satelliten 22 senden und empfangen, während andere Sendeempfänger 30 Anwenderinfor­ mationen (d. h. Sprache, Fax, und Daten) zu und von anderen be­ nachbarten Satelliten 20, Teilnehmereinheiten 30 und Basissta­ tionen 40 senden und empfangen können. Einige Sendeempfänger 30 des Satelliten 22 können Satellitensteuerinformationen zu und von Satelliten 22 und der Basisstation 40 senden und empfangen. Der Prozessor 34 steuert den gesamten Betrieb des Satelliten 20, 22, und er kann für die Ausführung von Software- Anwendungsprogrammen verantwortlich sein. Der Speicher 36 spei­ chert die Software-Anwendungsprogramme, die vom Prozessor 34 ausgeführt werden. Obwohl in Fig. 2 nur ein Prozessor 34 und eine Speichereinheit 36 gezeigt wird, wird Fachleuten klar sein, daß in den Satelliten 20 und 22 mehr als ein Prozessor und Speicher verwendet werden kann. Die Zahl der Prozessoren und die Größe des Speichers sind für die vorliegende Erfindung nicht wichtig.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind, daß keine Querverbindungen zwischen Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn mehr gebraucht werden, um Steuerinformationen an andere Satel­ liten in niedriger Erdumlaufbahn bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, daß zur Übertragung von Satellitensteuerinforma­ tionen vom Satelliten 22 zum Satelliten 20 nur ein Sprung ge­ braucht wird. Die Satellitensteuerbefehle können daher viel schneller zum vorgesehenen Satelliten in niedriger Erdumlauf­ bahn gelangen. Ein weiterer Vorteil besteht schließlich darin, daß die bislang für Steuerinformationen verwendete Bandbreite vom Satelliten 22 frei wird, was mehr Bandbreite für den Ver­ kehr, der Einnahmen bringt, schafft.
Dementsprechend sollen mit den beigefügten Ansprüchen alle Änderungen der Erfindung abgedeckt werden, die vom wahren Geist und dem Umfang der Erfindung eingeschlossen sind. Zum Beispiel sind die folgenden Verbindungen möglich: ein geostationärer Sa­ tellit 22 verständigt sich mit Satelliten 20 in mittlerer oder niedriger Erdumlaufbahn, oder der Satellit 22 in mittlerer Erdumlaufbahn verständigt sich mit den Satelliten 20 in niedri­ ger Erdumlaufbahn.

Claims (10)

1. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10), gekennzeich­ net durch:
einen ersten Satelliten (22), der die Erde in einer ersten Hö­ he umkreist, und
einen zweiten Satelliten (20), der mit dem ersten Satelliten (22) über eine Telekommunikationsverbindung gekoppelt ist und die Erde in einer zweiten Höhe, die sich von der ersten Höhe unter­ scheidet, umkreist,
wobei der erste Satellit (22) und der zweite Satellit (20) Sa­ tellitensteuerinformationen miteinander austauschen.
2. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, bei dem sich der erste Satellit (22) in einer geostatio­ nären Umlaufbahn um die Erde befindet.
3. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 2, bei dem sich der zweite Satellit (20) in einer mittleren Erdumlaufbahn befindet.
4. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 2, bei dem sich der zweite Satellit (20) in einer niedrigen Erdumlaufbahn befindet.
5. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, bei dem die Telekommunikationsverbindung eine Funkfre­ quenzverbindung ist.
6. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, bei dem die Telekommunikationsverbindung eine optische Verbindung ist.
7. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, außerdem gekennzeichnet durch:
eine Basisstation (40), die erste Funkfrequenzsignale senden und empfangen kann, und
mindestens eine Teilnehmereinheit (30), die zweite Funkfre­ quenzsignale senden und empfangen kann, und
wobei der erste Satellit (22) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die ersten Funkfrequenzsigna­ le zu und von der Basisstation (40) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der dritte Funkfrequenzsignale zu und vom zweiten Satelliten (20) senden und empfangen kann, und
wobei der zweite Satellit (20) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die dritten Funkfrequenzsi­ gnale zu und vom ersten Satelliten (22) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der die zweiten Funkfrequenzsi­ gnale zu und von der Teilnehmereinheit (30) senden und empfangen kann.
8. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, außerdem gekennzeichnet durch:
eine Basisstation (40), die erste Funkfrequenzsignale senden und empfangen kann, und
mindestens eine Teilnehmereinheit (30), die zweite Funkfre­ quenzsignale senden und empfangen kann, und
wobei der erste Satellit (22) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die ersten Funkfrequenzsigna­ le zu und von der Basisstation (40) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der optische Signale zu und vom zweiten Satelliten (20) senden und empfangen kann, und
wobei der zweite Satellit (20) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die optischen Signale zu und vom ersten Satelliten (22) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der die zweiten Funkfrequenzsi­ gnale zu und von der Teilnehmereinheit (30) senden und empfangen kann.
9. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, außerdem gekennzeichnet durch:
eine Basisstation (40), die optische Signale senden und emp­ fangen kann, und
mindestens eine Teilnehmereinheit (30), die erste Funkfre­ quenzsignale senden und empfangen kann, und
wobei der erste Satellit enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der optische Signale zu und von der Basisstation (40) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der zweite Funkfrequenzsignale zu und vom zweiten Satelliten (20) senden und empfangen kann, und
wobei der zweite Satellit (20) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die zweiten Funkfrequenzsi­ gnale zu und vom ersten Satelliten (22) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der die ersten Funkfrequenzsi­ gnale zu und von der Teilnehmereinheit (30) senden und empfangen kann.
10. Weltraum-gestütztes Kommunikationssystem (10) gemäß An­ spruch 1, das außerdem gekennzeichnet ist durch:
eine Basisstation (40), die erste optische Signale senden und empfangen kann, und
mindestens eine Teilnehmereinheit (30), die Funkfrequenzsigna­ le senden und empfangen kann, und
wobei der erste Satellit (22) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die ersten optischen Signale zu und von der Basisstation (40) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der die zweiten optischen Signa­ le zu und vom zweiten Satelliten (20) senden und empfangen kann, und
wobei der zweite Satellit (20) enthält:
einen ersten Sendeempfänger, der die zweiten optischen Signale zu und vom ersten Satelliten (22) senden und empfangen kann, und
einen zweiten Sendeempfänger, der die Funkfrequenzsignale zu und von der Teilnehmereinheit (30) senden und empfangen kann.
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