DE60126627T2

DE60126627T2 - Spreizspektrum-kommunikationssystem mit einem satelliten auf einer quasi-geostationären laufbahn

Info

Publication number: DE60126627T2
Application number: DE60126627T
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bethscheider; Guy Harles
Original assignee: SES Astra SA
Current assignee: SES Astra SA
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: ATE354214T1; US20030181161A1; HK1054280B; CN1220342C; EA004692B1; US7539456B2; BRPI0114174B1; CN1455992A; WO2002027974A2; AU2002214994B2; CA2422601A1; WO2002027974A3; PT1320949E; CA2422601C; WO2002027976A8; ES2283444T3; HK1054280A1; AU1499402A; JP2004510393A; DE60126627D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Satellitenkommunikationssystem. Genauer betrifft die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausleuchten eines Bereiches von Interesse auf der Erde mit einem Abwärtsstreckensignal (Downlink-Signal), das durch ein mobiles Benutzerendgerät zu empfangen ist.
Kommunikationssatelliten, besonders auf einer geostationären Erdumlaufbahn (GEO), stellen eine effektive Plattform bereit, um Funksignale von einer Erdstation zu einer Vielzahl von Satellitenschüsseln direkt nach Hause (DTH, direct-to-home) zu übermitteln. Eine kommerzielles Satellitenkommunikationssystem besteht aus einem Raumsegment und einem Erdsegment. Im Prinzip enthält das Raumsystem eines GEO-Systems den Satelliten, der auf einer Umlaufbahn arbeitet, und eine Einrichtung für Verfolgung, Telemetrie und Befehl (TT&C), die die Operation steuert und managt.
Für den tatsächlichen Empfang von Diensten der meisten existierenden geostationären Satellitensysteme benötigt der Benutzer eine Schüssel von 50 cm für einen praktisch fehlerfreien Empfang. Wenn diese Art einer Antenne für ein mobiles Benutzerendgerät verwendet wird, ist eine automatische Verfolgung notwendig. Automatische Verfolgung kann jedoch nur durch Verfolgung im geschlossenen Kreis eines Funkleitstrahlsenders erreicht werden, das an einem Satelliten montiert ist. Offensichtlich ist eine derartige Verfolgung im geschlossenen Kreis sehr aufwändig und kann sogar die Verwendung einer trägheitsgesteuerten Plattform für die mobile Antenne erfordern. Eine andere Möglichkeit zum Erreichen von mobilen Kommunikationen mit einem geostationären Satelliten ist die Verwendung von elektronisch gesteuerten Antennen. Im Vergleich mit einer mechanischen Verfolgung vereinfacht diese Lösung die Montage der Antenne, benötigt aber dennoch ein aufwändiges Verfolgungssystem im geschlossenen Kreis. Schließlich kann in dem Fall eines hohen Erhebungswinkels des Satelliten die Verwendung von fixierten auf den Zenit zeigenden Antennen betrachtet werden, die eine ausreichend große Strahlbreite von 3 dB aufweisen. Dies trifft jedoch nur auf einige wenige Gebiete von Interesse auf der Erde zu.
US 5,379,320 offenbart ein Satellitenkommunikationssystem zwischen einem Hub-Endgerät und entfernten Endgeräten über zwei oder mehr geostationäre Kommunikationssatelliten. Ein Spezialfall eines entfernten Endgerätes könnte ein mobiles Endgerät sein, für das eine Antenne mit hohem Richtfaktor betrachtet wird. Eine rasche Signalerlangung für das Mobilendgerät wird durch die Einbeziehung eines Empfängers eines globalen Positionierungssystems zum Herstellen von Anfangsfrequenz und Zeitbezügen erreicht. Für diesen Zweck wird Zeitverteilung hoher Auflösung durch Verwendung von spreizspektrumkodierten Signalen vorgesehen. Um Gesamtverlust von Kommunikation wegen seriellen Sonnentransitausfällen zu vermeiden, werden zwei redundante Satelliten in unterschiedlichen orbitalen Positionen vorgesehen. Das Hub-Endgerät bezieht zwei Antennen mit hohem Richtfaktor ein, die jede einen getrennten geostationären Satellitentransponder mit einem spreizspektrumkodierten Signal anstrahlen. Die entfernten Endgeräte setzen eine Antenne von ausreichend kleiner Apertur ein, um gleichzeitigen Empfang von beiden Spreizspektrum-Transpondersignalen zu ermöglichen.
Aus US 6,563,656 ist bekannt, eine Kombination von Videobandbreitenkomprimierung, Spreizspektrum-Wellenformverarbeitung und einer elektronisch gesteuerten phasengesteuerten Gruppenantenne zirkularer Apertur zu verwenden, um Videokommunikationen vollständiger Rundfunkqualität mit einem Flugzeug über eine Satellitenkommunikationsverknüpfung vorzusehen. Für diesen Zweck wird ein konventioneller geostationärer Satellit im Ku-Band oder C-Band angenommen.
Aus US 6 075 969 A ist bekannt, die Größe von Empfangsantennen des C-Bandes oder des Ku-Bandes mit existierenden Satellitenkonfigurationen zu verringern. Um unerwünschte Interferenz mit anderen Satelliten zu vermeiden, ist die Empfangsantenne mit Nullen in orbitalen Standorten gestaltet, wo sich potenziell störende Satelliten befinden. Des weiteren reduziert Spreizen der Bandbreite die Leistungsdichte unter der FCC-Begrenzung.
Aus US 3 836 969 A ist bekannt, einen Kommunikationssatelliten in einer quasi-stationären Umlaufbahn mit einer gewählten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde zu betreiben. Die Neigung und die Ausrichtung des Satelliten sind derart, dass seine Neigung durch den Anfangswert während der Lebensdauer des Satelliten gebunden bleibt, sodass die Notwendigkeit eines Nord-Süd-Stationshaltungsmittels umgangen wird. Des weiteren werden zusätzliche Satelliten in geneigten Umlaufbahnen betrieben, wobei jede der Satellitenumlaufbahnen in Bezug auf beliebige der anderen Umlaufbahnen progressiv geneigt sind, und wobei ein Umschaltmittel Umschalten von einem Satelliten zu einem anderen in gewählten Zeiten des Jahres durchführt. Diese Offenbarung betrachtet die Operation eines Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn in Verbindung mit den begrenzten Treibmitteln eines Satelliten, aber nicht in Verbindung mit mobilen Kommunikationen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Satellitenkommunikationssystem vorzusehen, das Kommunikation mit einem mobilen Benut zerendgerät über konventionelle Kommunikationssatelliten in einem beliebigen Gebiet von Interesse auf der Erde ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-10 und ein Benutzerendgerät nach den Ansprüchen 11-14 erreicht.
Das Verfahren zum Senden eines Abwärtsstreckensignals zu einer mobilen Antenne mit einem geringen Richtfaktor innerhalb eines Gebietes von Interesse auf der Erde umfasst die Schritte zum Betreiben eines quasi-stationären Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn und Senden eines gespreizten Abwärtsstreckensignals s'(t) von dem quasi-stationären Satelliten mit einer Frequenz von über 2690 MHz, vorzugsweise von über 10 GHz zu dem Gebiet von Interesse auf der Erde.
Ein mobiles Benutzerendgerät gemäß der Erfindung umfasst eine mobile Antenne mit einem geringen Richtfaktor, die angepasst ist, ein gespreiztes Abwärtsstreckensignal s'(t) mit einer Frequenz zu empfangen, die höher als das L-Band ist, 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise von über 10 GHz, das durch einen quasi-stationären Satelliten emittiert wird, der in einer geneigten Umlaufbahn betrieben wird, und eine Verarbeitungseinheit zum Demodulieren des gespreizten Abwärtsstreckensignals s'(t) durch Spreizspektrumdemodulation.
Gemäß der Erfindung hat das Signal, das von dem Satelliten zu der mobilen Benutzerstation übertragen wird, eine Frequenz, die höher als das L-Band ist, 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise von über 10 GHz. Gewöhnlich basieren die meisten bekannten Anwendungen für mobile Kommunikationen auf dem L-Frequenzband von 1,5/1,6 GHz. In der Tat wurde gemäß dem Stand der Technik eine Vielfalt von Frequenzbändern innerhalb von 1525 MHz und 2690 MHz für Zwecke mobiler Kommunikation über Satellit durch die International Telecommunication Union (ITU) zugewiesen.
Radio Regulation WARC-92 (Malaga-Torremolinos, Januar-März 1992) hat die Abschnitte 1980-2010 MHz und 2170-2200 MHz auf einer weltweiten Basis für eine Verwendung durch die Satellitenkomponente von 3G-Systemen als verfügbar identifiziert. 3G, d.h. dritte Generation, verweist auf die Generation mobiler Kommunikationssysteme unter der Regelung International Mobile Telecommunications-2000, IMT-2000. Außerdem hat Radio Regulation WRC-2000 (Istanbul, 8. Mai bis 2. Juni 2000) verschiedene Abschnitte zwischen 1525 und 2690 MHz für IMT-2000 identifiziert. Der Vorteil jener Frequenzen ist hauptsächlich die Tatsache akzeptabler Übertragungseigenschaften und das Eignungsvermögen für Satellitenübertragung. Innerhalb dieses Frequenzbandes ist es jedoch nicht empfehlenswert, irgendeine Spreizspektrumtechnik einzuführen, da die resultierende Bandbreite für heutige Kommunikationszwecke bei weitem zu gering ist.
Die Erfindung überwindet jedoch das Vorurteil, dass Frequenzen, die höher als das L-Band von 1,5/1,6 GHz sind, und insbesondere von über 10 GHz, für mobile Kommunikationen wegen ihren schlechten Ausbreitungseigenschaften durch Verwenden einer Spreizspektrumtechnik ungeeignet sind.
Der Begriff eines quasi-stationären Satelliten in dem Kontext der vorliegenden Erfindung bedeutet jeden Satelliten, der im mittleren seine geostationäre Position hinsichtlich eines spezifischen Grades der Länge auf der Erde beibehält, der aber Gegenstand von Störungen wegen einer gewählten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde ist.
2 zeigt die Bewegung des Satelliten, wie von Erdstationen gesehen, wegen einer Neigung von Nicht-Null, d.h. eine Operation in einer geneigten Umlaufbahn. Die Bewegung führt insbesondere zu einer Nord-Süd-Schwingung des Satelliten pro Tag. Mit Neigungen von einigen Graden ist diese Bewegung für konventionelle Übertragung mit hoher Bandbreite nicht akzeptabel.
In einer ersten Sicht ist die Operation in einer geneigten Umlaufbahn für geostationäre Satelliten nicht empfehlenswert, da die Neigung von Nicht-Null eine Achtknoten-Tagesbewegung des Satelliten verursacht, die die Empfangseigenschaften verschlechtert. Eine Kombination der Operation in einer geneigten Umlaufbahn mit Spreizspektrumkommunikation führt jedoch zu dem Vorteil, dass die offensichtliche tägliche Bewegung ermöglicht, Diversifizierungskonzepte einzusetzen. Sogar während der ungünstigen Positionen des Satelliten hinsichtlich des Gebietes von Interesse auf der Erde ist eine Kommunikation wegen dem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis dennoch möglich, das durch Spreizspektrummodulation erreicht werden kann. Ein anderer Vorteil wegen dem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis ist die Tatsache, dass die Ausrichtung der Empfangsantenne des mobilen Benutzerendgerätes hinsichtlich der Abwärtsstreckenantenne gegenüber Fehlausrichtungen toleranter ist, die durch eine Bewegung des entsprechenden Fahrzeugs verursacht werden können.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass die begrenzten Umlaufbahnnischen für geostationäre Satelliten effizienter genutzt werden können.
Spreizspektrummodulation und Demodulation ist eine Kommunikationstechnik, wobei die übertragene Modulation in der Bandbreite vor einer Übertragung über den Kanal gespreizt (erhöht) und dann in der Bandbreite um den gleichen Betrag in dem Empfänger entspreizt (verringert wird). Die bei weitem verbreitetsten Spreiztechniken sind Direktsequenz-(DS)Modulation und Frequenzsprung-(FH)Modulation.
Eine Direktsequenzmodulation wird durch lineares Modulieren der Ausgabesequenz eines Pseudozufallszahlengenerators auf eine Kette von Impulsen, jeder mit einer Dauer, die die Driftzeit genannt wird, gebildet. Dieser Typ von Modulation wird gewöhnlich gemeinsam mit binären Phasenumtastungs-(BPSK)Informationssignalen verwendet. Als solches wird das modulierte Signal durch zuerst Multiplizieren (modulo-2) des reinen Informationsbitstroms mit der Pseudorauschsequenz und dann Modulation der Phase eines reinen Träger mit dem resultierenden Signal gebildet.
In dem Empfänger ist entweder die Pseudorauschwellenform bereits verfügbar oder der Empfänger muss zuerst die Pseudorauschwellenform erlangen. D.h. der lokale Pseudorauschzufallsgenerator, der die Pseudorauschwellenform in dem Empfänger generiert, der für Entspreizung verwendet wird, muss mit einem Chip der Pseudorauschwellenform des empfangenen Signals ausgerichtet (synchronisiert) werden. Dies wird durch Einsetzen einer Art eines Suchalgorithmus bewerkstelligt, der typischerweise die lokale Pseudorauschwellenform zeitlich sequenziell einen Anteil eines Chips (z.B. eine Hälfte eines Chips) durchschreitet und in jeder Position nach einem hohen Grad von Korrelation zwischen den empfangenen und lokalen Pseudorauschbezugswellenformen sucht. Die Suche terminiert, wenn die Korrelation eine gegebene Schwelle überschreitet, was eine Anzeige ist, dass die Ausrichtung erreicht wurde. Nach Bringen der zwei Pseudorauschwellenformen in eine Verlaufsausrichtung wird ein Verfolgungsalgorithmus eingesetzt, um Feinausrichtung aufrechtzuerhalten. Die populärste Form von Verfolgungsschleifen sind die kontinuierliche zeitverzögerungsverriegelte Schleife und ihre Zeitmultiplexversion, die tao-Schwankungsschleife (tao-dither loop).
Eine Frequenzsprungmodulation wird durch nicht-lineares Modulieren einer Kette von Impulsen mit einer Sequenz von pseudo- zufällig generierten Frequenzverschiebungen gebildet. Dieses Modulationssignal wird mit einem komplexen Multi-Frequenzumtastungs-(MFSK)Informationssignal multipliziert. In dem Empfänger wird die Summe des übertragenen Signals und der Kanalinterferenz mit der identischen Frequenzsprungmodulation komplex multipliziert, was das übertragene Signal zu seiner ursprünglichen MFSK-Form zurückführt. Analog zu dem Fall von Direktsequenz muss der Empfänger das Frequenzsprungsignal erlangen und verfolgen, sodass die De-Sprungwellenform der Sprungwellenform so nahe wie möglich ist.
Eine wichtige Qualität von Spreizspektrumkommunikation ist die Verarbeitungsverstärkung des Systems, die durch das Verhältnis der Spreizspektrumbandbreite und der Bandbreite des Signals definiert ist. Die Verarbeitungsverstärkung ist ein Maß zum Vermindern des Einflusses von Interferenz in dem Empfängerleistungsverhalten. Selbst wenn der Satellit eine Bewegung durchführt, die von Erdstationen gemäß 2 gesehen wird, und somit die Anforderungen für einen Empfang durch Satellitenschüsseln direkt Zuhause unter Verwendung konventioneller Modulationstechniken nicht erfüllt, ist dadurch nun ein Empfang unter Verwendung von Spreizspektrumtechniken möglich.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des empfangenen und entspreizten Nutzlastsignals p'(t) kann durch entsprechendes Abstimmen der Spreizeinteilung oder der Spreizspektrummodulation erreicht werden. Dies kann unter der Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes geschehen, sodass für typischerweise verwendete Antennen die Fehlerwahrscheinlichkeit ausreichend gering sein wird.
Gewöhnlich umfasst die Spreizspektrummodulation die Schritte zum Generieren eines Pseudo-Rauschsignals PN(t) und Modulieren eines Nutzlastsignals p(t) mit dem Pseudo-Rauschsignal PN(t), um das Spreizaufwärtsstreckensignal s(t) zu generieren. Entsprechend umfasst die Spreizspektrumdemodulation den Schritt zum Korrelieren des Spreizabwärtsstreckensignals s'(t) mit dem Pseudo-Rauschsignal PN(t), um das entspreizte Nutzlastsignal p'(t) zu generieren.
Effektiv wird eine derartige Korrelation des Spreizabwärtsstreckensignals s'(t) und des Pseudo-Rauschsignals PN(t) durch Verzögern des ersten Pseudo-Rauschsignals PN(t) und Multiplizieren des verzögerten ersten Pseudo-Rauschsignals PN(t) mit dem Spreizabwärtsstreckensignal s'(t) erreicht. Das Pseudo-Rauschsignal PN(t) könnte eine binäre Pseudo-Rauschsequenz sein, die mittels eines Rückkopplungsschieberegisters oder einer Speichereinrichtung generiert wird, worin eine Sequenz von Werten eines Pseudo-Rauschsignals gespeichert ist.
Die Spreizspektrummodulation kann in der Erdstation vor einer Übertragung des Aufwärtsstreckensignals oder durch On-Board-Verarbeitung in dem Satelliten ausgeführt werden.
Der erste Fall umfasst die Schritte zum Modulieren eines Aufwärtsstreckensignals p(t) durch Spreizspektrummodulation mit einem gewissen Spreizverhältnis, um ein Spreizaufwärtsstreckensignal s(t) zu generieren, Übertragen des Spreizaufwärtsstreckensignals s(t) zu dem quasi-geostationären Satelliten und Wandeln des Spreizaufwärtsstreckensignals s(t) in das Spreizabwärtsstreckensignal s'(t).
Der zweite Fall umfasst die Schritte zum Übertragen eines Aufwärtsstreckensignals zu dem quasi-geostationären Satelliten, On-Board-Verarbeitung in dem quasi-geostationären Satelliten des Aufwärtsstreckensignals durch Spreizspektrummodulation mit einem gewissen Spreizverhältnis, um das Spreizabwärtsstreckensignal s'(t) zu generieren.
Digitale On-Board-Verarbeitung unterstützt flexible On-Boardverkehrsleitung und Nachfrage basierend auf Kapazitätszuordnung. Signale werden zu dem Satelliten übertragen und werden durch ein oder mehr Satellitenmodule empfangen und verarbeitet. Die digitalen On-Board-Prozessoren enthalten Demodulatoren, Demultiplexer, Switches, Multiplexer, Modulatoren und Verkehrsmanagersoftware, um die Daten, wie sie von den unterschiedlichen Standorten empfangen werden, neu zu generieren, zu vermitteln und zu multiplexen. Derartige On-Board-Prozessoren werden "regenerative On-Board-Prozessoren" oder in Verbindung mit Mehrfachstrahl-Empfangs-/Übertragungsantennen "regenerative Mehrfachstrahl-On-Board-Prozessoren" genannt und sehen Interstrahlenleitungsfunktionalität und schnelle Paketvermittlung (wie ATM, IP ...) vor, um Einzelsprung-Interkonnektivität zu unterstützen. Es können die folgenden Funktionalitäten unterstützt werden:

– Kombinieren von Signalen von unterschiedlichen Aufwärtsstreckenstationen/Standorten, die über Mehrfachstrahl- oder Einzelstrahlantennen von einem oder mehr Satellitenmodulen des Satelliten-Clusters empfangen werden.
– Datenregeneration, Vermittlung und Multiplexen.
– Auf Anforderung basierte Kapazitätszuordnung. Auch kann die Empfangsabdeckung dynamisch gemanagt werden. Der On-Board-Prozessor unterstützt vollständige vermaschte Konnektivität, was erlaubt, Kanäle/Verkehr von "einem beliebigen Standort zu einem beliebigen Standort" zu vermitteln (Interstrahlenleitung). Vermittlung von Kanälen und Strahlen geschieht deshalb auf einer individuellen Basis (flexibles Routing).
– On-Board-Management und Sammlung von Abrechnungsrohdaten.
– On-Board-Prozessor unterstützt Häufung und Anwendungen konstanter Bitrate.
– Datenformatierung kompatibel mit akzeptierten Abwärtsstreckenstandards (MPEG, DVB, ...).
– Unterstützt Paketvermittlung, Leitungsvermittlung und Rahmenvermittlung.

Eine andere Familie von On-Board-Prozessoren sind DVB-On-Board-Prozessoren, die unterschiedliche Aufwärtsstreckenkanäle in einen oder mehr DVB-Abwärtsstreckentransportströme neu multiplexen. Aufwärtsstreckensignale werden empfangen und zu dem On-Board-Prozessor für erneutes Multiplexen weitergeleitet, und die Transportströme werden zu einem oder mehr Cluster-Satelliten für ihre anschließende Abwärtsstrecke weitergeleitet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Station, die Steuerung des Satelliten unterhält, auf Längendriftkorrekturen und Exzentrizitätskorrekturen eingeschränkt. Dieses Merkmal ermöglicht, einen Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn mit einem wesentlich reduzierten Verbrauch der begrenzten Treibmittel zu betreiben. Obwohl die Kommunikationsausrüstung in dem Satelliten eine wesentliche Investition darstellt, ist eine Satellitenbetrieblebensdauer typischerweise nur in der Größenordnung von 12 Jahren und wird hauptsächlich durch die Verfügbarkeit seiner Treibmittel begrenzt.
Für eine effektive Verwendung von Satelliten sind Treibmittel für eine Stationsunterhaltung und Stabilisierung notwendig. Idealerweise sollte ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn in einer fixierten Position bleiben, da die Gravitations- und Zentrifugalkräfte in ihm gleich sind. Unglücklicherweise sind jedoch die Gravitationskräfte in einem geostationären Satelliten nicht konstant. Die Gravitationskräfte in der Sonne und dem Mond in einem geostationären Satelliten bewirken eine Änderung in dem Neigungswinkel des Satelliten. Umlaufbahnkalkulationen nehmen auch an, dass die Masse der Erde in einer perfekten Kugel gleichförmig verteilt ist. Tatsächlich ist die Erde etwas wie ein Ei geformt. Dieser Fehler bewirkt eine Änderung in der Länge von geostationären Satelliten.
Das Stationsunterhaltungsteilsystem in einem Satelliten sieht kleine Schubraketen vor, die periodisch verwendet werden, um den Satelliten zurück zu einem Neigungswinkel von null Grad zu bewegen. Des weiteren wird das Stationsunterhaltungssystem auch verwendet, um geostationäre Satelliten in ihren zugewiesenen Längen zu halten. Die Schubraketen, die für Stationsunterhaltung verwendet werden, verwenden Gas, das in Tanks in den Satelliten gelagert ist. Häufig wird Hydrazingas für die Schubraketen in Satelliten verwendet. Die Menge von Gas, die in den Tanks für die Schubraketen gelagert wird, ist eine der hauptsächlichen Grenzen für die effektive Lebensdauer eines geostationären Satelliten. Andererseits erfordern geostationäre Satelliten, die mit Engstrahlantennen ausgerüstet sind, die zu spezifischen Seiten auf der Erde zeigen, mehr und genauere Stationsunterhaltung, da die Strahlen eng werden. Diese Präzision gestattet auch die Verwendung von Erdstationsantennen mit fixierter Richtung. Des weiteren gestattet die Annahme einer strikten Stationsunterhaltungstoleranz für Satelliten bessere Nutzung der Umlaufbahn von geostationären Satelliten und des Funkfrequenzspektrums. Deshalb wird für Satelliten, die Satellitentransponder mit hohem Leistungsverhalten tragen, darauf abgezielt, eine äußerst genaue Stationsunterhaltung zu haben.
1 zeigt ein Stationsunterhaltungsfenster mit üblichen Abmessungen für einen geostationären Satelliten. Da es in der Praxis unmöglich ist, den Satelliten mit Bezug auf die Erde absolut unbeweglich zu halten, hat das Volumen, das für eine relative Verlagerung des Satelliten mit Bezug auf seine ursprüngliche zentrale Position verfügbar ist, typische Spezifikationen von ±0,05° in der Länge und Breite und eine Variation von 4·10^–4 der Exzentrizität erhalten. Um den geostatio nären Satelliten innerhalb des Stationsunterhaltungsfensters zu halten, werden Geschwindigkeitsinkremente Δv an den Satelliten in einem Punkt in der Umlaufbahn angelegt. Diese Geschwindigkeitsinkremente sind das Ergebnis von Kräften, die in bestimmten Richtungen in dem Zentrum der Masse des Satelliten für ausreichend kurze Perioden im Vergleich mit der Periode der Umlaufbahn wirken, sodass diese Inkremente als Impulse betrachtet werden können. Es kann gezeigt werden, dass ein Impuls in der ϕ-Richtung die Neigung modifiziert, ein Impuls in der r-Richtung die Länge und die Exzentrizität modifiziert und ein Impuls in der λ-Richtung die Drift und die Exzentrizität modifiziert. Es sind deshalb Aktuatoren in dem Satelliten montiert und sind zum Erzeugen von Kräften senkrecht zu der Umlaufbahn fähig, um die Neigung und tangentiale Kräfte zu steuern. Es gibt keine Notwendigkeit, Schübe in der r-Richtung zu generieren, da eine Modifikation der Länge aus einer Drift erhalten wird, die durch die λ-Impulse erhalten wird, was auch gestattet, dass die Exzentrizität gesteuert wird. Die Aktuatoren gestatten somit eine unabhängige Steuerung von Bewegungen aus der Ebene der Umlaufbahn heraus, sogenannte Nord-Süd-Stationsunterhaltung, und Bewegungen in der Ebene der Umlaufbahn, sogenannte Ost-West-Stationsunterhaltung.
Ost-West-Stationsunterhaltung wird durch Schübe vorgesehen, die tangential zu der Umlaufbahn in der λ-Richtung gemäß 1 agieren. Es kann gezeigt werden, dass Ost-West-Stationsunterhaltung für die Operation eines Kommunikationssatelliten absolut notwendig ist, da anderweitig natürliche Drift zu dem Satelliten zu einer Änderung in der Exzentrizität führt, sodass der Satellit hinsichtlich einer definierten Position in dem Äquator nicht länger geostationär bleibt.
Nord-Süd-Stationsunterhaltung wird durch Schübe erreicht, die senkrecht zu der Ebene der Umlaufbahn wirken, wobei dadurch ihre Neigung modifiziert wird. Es kann gezeigt werden, dass nur Langzeitdrift des Neigungsvektors korrigiert werden muss, da die Amplitude periodischer Störungen weniger als 0,1° in der Länge bleibt. Der Effekt der Langzeitdrift ist eine Neigungsdrift von ungefähr 0,8°-1° pro Jahr.
Die Gesamtkosten von Stationsunterhaltung für Nord-Süd-Steuerung und Ost-West-Steuerung unter Betrachtung des Stationsunterhaltungsfensters gemäß 1 ist in der Größenordnung von:

– 43-48 m/s pro Jahr für Nord-Süd-Steuerung (Neigungskorrektur) und
– 1-5 m/s pro Jahr für Ost-West-Steuerung (Längendrift und Exzentrizitätskorrekturen).

Wenn die Treibmittel verbraucht sind, wird Stationsunterhaltung nicht länger bereitgestellt und der Satellit driftet unter dem Effekt der verschiedenen Störungen. Insbesondere nimmt er eine schwingende Bewegung in der Länge um den Punkt des stabilen Beharrungszustands an, was bewirkt, ihn einen Abschnitt von Raum nahe zu der Umlaufbahn anderer geostationärer Satelliten mitzureißen. Deshalb wird eine spezielle Prozedur angenommen, die darauf abzielt, Satelliten aus der geostationären Umlaufbahn in dem Ende ihrer Lebensdauer zu entfernen. Unter Verwendung einer kleinen Menge von Treibmitteln, die für diesen Zweck reserviert sind, wird der Satellit in einer Umlaufbahn einer höheren Höhe als der von geostationären Satelliten platziert. Nach dieser Operation kann der Satellit deshalb nicht länger für Kommunikationszwecke verwendet werden, sodass alle Investitionen in der Kommunikationsausrüstung innerhalb der begrenzten Lebensdauer des Satelliten profitabel sein müssen.
Seit der Start von Satelliten begonnen hat, seit 10 Jahren zunehmend wichtig zu werden, werden innerhalb der nächsten Jahre eine Menge von Satellitentranspondern wegen dem näher kommenden Ende ihrer Lebensdauer aussortiert werden müssen. Die Kommunikationstransponder könnten jedoch dennoch für einige Jahre mehr verwendet werden, sodass die Lebensdauer dieser Satelliten zuerst durch ihre abnehmende Verfügbarkeit von Treibmitteln begrenzt wird.
Andererseits sind auch die verfügbaren Umlaufbahnnischen in der geostationären Umlaufbahn begrenzt, sodass es von zunehmender Wichtigkeit ist, die Satelliten so raumsparend wie möglich zu betreiben.
Des weiteren ist eine sehr wichtige Erkenntnis die Tatsache, dass das Stationsunterhaltungsbudget für Nord-Süd-Steuerung viel höher als das Budget für Ost-West-Steuerung ist. Deshalb wird vorgeschlagen, keinerlei weitere Neigungskorrektur durch Nord-Süd-Steuerung vorzusehen, sondern die Stationsunterhaltungssteuerung des Satelliten auf Längendrift und Exzentrizitätskorrekturen einzuschränken. Wegen dieser Einschränkung in der Positionssteuerung gibt es eine natürliche Drift in der negativen ϕ-Richtung, sodass sich die Neigung des Satelliten jedes Jahr um ungefähr 0,8° verringert.
Vor einer Einschränkung der Stationsunterhaltungssteuerung des Satelliten auf Längendrift und Exzentrizitätskorrekturen kann der Satellit in einer maximalen zulässigen Neigung derart positioniert werden, dass der Anfangsneigungsvektor parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung der natürlichen Drift ist. Insbesondere wird der Moment für eine Positionierung des Satelliten in der maximalen zulässigen Neigung in dem Ende seiner Lebensdauer vor einer vollständigen Erschöpfung der Treibmittelreservoirs gewählt. Ohne die Bereitstellung von Neigungskorrektur verringert sich dann die Nei gung des Satelliten ungefähr 0,8° pro Jahr und erreicht dann schließlich nach mehreren Jahren einen Maximalwert, der schließlich das Ende der Betriebslebensdauer des Satelliten bestimmt.
Da hingegen während der normalen Operation der Satellit in seinem Stationsunterhaltungsfenster gemäß 1 unterhalten wird, ist sehr genaue und Kommunikation hoher Bandbreite zu Erdstationsantennen mit fixierter Richtung möglich. Während dieser Phase kann die Nutzung des Kommunikationskanals optimiert werden, und die Investition in die Ausrüstung des Satelliten amortisiert sich in einer relativ kurzen Zeit.
In dem Ende der Lebensdauer des Satelliten kann jedoch, wie oben beschrieben, der Satellit in der maximalen zulässigen Neigung vor einer vollständigen Erschöpfung der Treibmittel derart positioniert werden, dass der Anfangsneigungsvektor parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung der natürlichen Drift ist, und von dort an wird Spreizspektrumkommunikation angewendet. Daher kann in dem Ende seiner Lebensdauer der Satellit für Mobilkommunikationsdienste effektiv verwendet werden, die kleine und nicht-gerichtete Antennen in dem Benutzerendgerät erfordern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden zusätzliche Satelliten in Co-Lokation mit dem quasi-stationären Satelliten betrieben, wobei ein Satelliten-Cluster gebildet wird. Daher ist es möglich, zwei oder mehr Satelliten in der geneigten Umlaufbahn vorzusehen, die die gleiche offensichtliche Bewegung mit einer Zeitverschiebung durchführen. Somit kann die gleiche Umlaufbahnnische durch eine Vielzahl von Satelliten effizienter genutzt werden.
Jeder Satellit in dem Satelliten-Cluster sendet ein Spreizspektrum-Abwärtsstreckensignal. Falls es einen transparenten Transponder in allen Satelliten gibt, könnten alle Abwärtsstreckensignale einfach die gleichen sein, die aber unterschiedliche Gebiete von Interesse auf der Erde wegen unterschiedlichen geneigten Umlaufbahnpositionen anstrahlen können. Falls es eine On-Board-Verarbeitung in allen Satelliten gibt, könnte jeder Satellit in dem Satelliten-Cluster ein getrenntes Spreizabwärtsstreckensignal s_i(t) senden. Jedes Spreizabwärtsstreckensignal s_i(t) könnte durch seine eigene Spreizsequenz mit geringer paarweiser Kreuzkorrelation für Vielfachzugriff im Codemultiplex (CDMA) getrennt werden. Wenn CDMA verwendet wird, wird jedem Signal in der Menge seine eigene Spreizsequenz gegeben. Deshalb belegen alle Signale die gleiche Bandbreite und werden in der Zeit simultan übertragen, in dem Empfänger aber durch den spezifischen Spreizcode unterschieden, den sie einsetzen. Vorteilhafter Weise wird synchroner CDMA gemeinsam mit orthogonalen Spreizsequenzen verwendet. Dies bedeutet, dass die Menge von Spreizsequenzen relativ geringe paarweise Kreuzkorrelation zwischen beliebigen zwei Sequenzen in der Menge hat. Falls es eine synchrone Operation gibt, ist es möglich zu erlauben, dass orthogonale Sequenzen als die Spreizsequenzen verwendet werden, was Interferenz von einem Benutzer zu einem anderen beseitigt. Falls sich die Abwärtsstreckensignale s_i'(t) in ihrem Fußabdruck auf der Erde überlappen, kann deshalb die verfügbare Bandbreite erhöht werden. Falls keine Anstrengung unternommen wird, um die Sequenzen auszurichten, arbeitet das System alternativ asynchron, was Vielfachzugriffsinterferenz zwischen den Kanälen einführt, sodass die endgültige Kanalkapazität begrenzt ist. Der asynchrone Modus kann jedoch mehr Flexibilität in der Systemgestaltung aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Benutzerendgerät eine kleine und mobile Antenne. Ein anderer wichtiger Effekt der eingeführten Verarbeitungsverstärkung ist die Tatsache, dass die Interferenzen auf der Empfängerseite vermindert wer den. Da die Interferenz eingeführt wird, nachdem das übertragene Signal gespreizt ist, wohingegen die Entspreizungsoperation in dem Empfänger das gewünschte Signal zurück zu seiner ursprünglichen Bandbreite schrumpft, spreizt sie zur gleichen Zeit das unerwünschte Signal (Interferenz) in der Bandbreite um den gleichen Betrag, wobei somit seine Leistungsspektraldichte reduziert wird.
Gemäß der Erfindung wird deshalb eine vollständig neue Anwendung eines Kommunikationssatelliten in dem Ende seiner Lebensdauer präsentiert.
Insbesondere könnte die Antenne auf der Benutzerseite eine nicht-gerichtete flache Antenne sein, die zweckdienlich in Fahrzeuge eingebaut sein könnte, oder in Computerendgeräte oder Laptops integriert sein könnte. Eine andere Möglichkeit ist, auf der Benutzerseite adaptive phasengesteuerte Gruppenantennen basierend auf einer planaren Technologie zu verwenden. Eine derartige Antenne ist zur adaptiven Strahlenformung fähig, sodass es sogar möglich ist, den Hauptstrahl des jeweiligen Satellitentransponders zu richten, während sich ein Fahrzeug in Bewegung befindet, sodass die Signale, die von Umlaufbahnpositionen von potenziell störenden Satelliten kommen, unterdrückt werden können. Dies würde den Umfang von störenden Signalen beträchtlich reduzieren, sodass die Verarbeitungsverstärkung verringert und eine höhere Bandbreite des Signals geboten werden können. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Antenne mit kleiner Schüssel mit einem Durchmesser unter 10 cm zu verwenden, die manuell zu dem Satelliten ausgerichtet werden kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird mindestens ein zusätzlicher Satellit in Co-Lokation mit dem quasi-geostationären Satelliten betrieben. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung ist die Tatsache, dass diese Konstellation zur Be reitstellung von GPS-Informationsdaten zu dem Empfänger verwendet werden kann. Wegen verbesserten Aufstellungstechniken kann die Position eines Satelliten heutzutage mit einer Genauigkeit von unter einem Meter bestimmt werden. Hier sind diese Koordinaten der Satelliten mit der gleichen Genauigkeit in der Erdstation bekannt. Um GPS-Informationsdaten für ein mobiles Benutzerendgerät bereitzustellen, sendet jeder der mindestens zwei Satelliten ein Bezugssignal, wobei jedes Bezugssignal eine Bezugszeitinformation und eine Bezugsumlaufbahninformation hinsichtlich des sendenden Satelliten umfasst. Die Verarbeitungseinheit des mobilen Benutzerendgerätes umfasst einen Standortprozessor zum Bestimmen der Koordinaten des mobilen Benutzerendgerätes auf der Basis der Bezugssignale.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird das Spreizverhältnis derart abgestimmt, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit zwischen dem entspreizten Nutzlastsignal p'(t) und dem Nutzlastsignal p(t) unter der erforderlichen Fehlerwahrscheinlichkeit unter der Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes ist. Ein vernünftiger Wert der erforderlichen Fehlerwahrscheinlichkeit ist in der Größenordnung von 10^–8.
Um die erforderliche Fehlerwahrscheinlichkeit am effizientesten zu erreichen, wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Spreizspektrummodulation und Demodulation mit einer Kanalkodierung und Dekodierung kombiniert. Ein gemeinsamer Ansatz von Kanalkodierung und Dekodierung besteht darin, ein bekanntes Bit oder Symbol in das übertragene Signal periodisch einzufügen, das verwendet werden kann, um das Auftreten von Zyklusfehlern zu erfassen und dann die resultierende Trägerphasenmehrdeutigkeit aufzulösen.
Vorwärtsfehlersteuerungs-(FEC)Kodierung ist ein weiteres Werkzeug zum Erreichen einer guten Leistungs- und Bandbreiteneffizienz. Die Wahl einer FEC-Kodierungstechnik hängt von der Zahl von Bits ab, die als eine identifizierbare Gruppe zu kodieren sind. Zuerst wird der Fall betrachtet, für den nur mehrere Dutzend von Bits in ein Codewort zu kodieren sind. Diese Situation entsteht natürlich in einer Zahl von Umständen, die kurze Datenpakete enthalten, die Signalisierungsinformation oder Benutzerdaten enthalten, und für digitale Sprachübertragung, für die zusätzliche Verzögerungen (wegen Kodierung) von größer als ein paar von Sprachrahmen nicht akzeptabel ist und nur die empfindlichsten Bits in dem Rahmen mit FEC-Kodierung geschützt werden. Für derartige Fälle kann ein so genannter BCH-Code verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Faltungskodierung mit Punktierung zu verwenden, um die gewünschte Coderate zu erreichen. Gewöhnlich wird vor Faltungskodierung ein Feld von bündigen Bits an das Ende des Feldes von Datenbits angefügt, sodass die letzten Datenbits, die zu dekodieren sind, einen ähnlichen Grad von Integrität wie der Rest der Datenbits haben. Das Feld von bündigen Bits kann einen beträchtlichen Overhead für die Übertragung von sehr kurzen Datenblöcken darstellen. Deshalb ist Faltung der Blockkodierung vorzuziehen, da sie für die Verwendung weicher Entscheidungen zugänglicher ist. Schließlich wird in dem Fall der Übertragung eines kontinuierlichen Datenstroms (z.B. digitale Sprache) so genannte verkettete Kodierung mit einem Faltungscode als den inneren Code und einem Read-Salomon-Code als den äußeren Code oder Turbokodierung verwendet.
Eine geeignete Kombination von Parametern könnte ein BCH-Code sein, wobei die Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes 20 dB ist, die erforderliche Fehlerwahrscheinlichkeit 10^–8 ist, die Chiprate 55 Mchip/s in einem 33-MHz-Transponder mit einer QPSK-Modulation und einer Trägerfre quenz von 11 Gigahertz im KU-Band ist, die Verarbeitungsverstärkung 100 ist, die Kodierungsverstärkung 3,5 ist und die Informationsbitrate 400 kbit/s ist. Gemäß diesen Systemparametern können Daten und/oder Klangprogramme von der Erdstation zu einem Benutzerendgerät übertragen werden. Falls eine Antenne mit einer höheren Antennenverstärkung (z.B. eine adaptive phasengesteuerte Gruppenantenne) verwendet wird, können Informationsbitraten sogar für eine Übertragung von Fernsehprogrammen erreicht werden.
Es wird verstanden, dass alle Aspekte der Erfindung, die oben beschrieben werden, nicht nur in der beschriebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder allein angewendet werden können.
Die Erfindung wird nun auf dem Weg eines Beispiels und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Stationsunterhaltungsfenster mit gewöhnlichen Abmessungen für einen geostationären Satelliten;
2 zeigt die Satellitenbewegung wegen einer Neigung von nicht Null, wie von Erdstationen gesehen;
3 zeigt die Wahl zwischen einer Übertragung hoher Bandbreite und einer Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung;
4 zeigt eine typische Anwendung der Spreizspektrumübertragung während des Endes der Lebensdauer eines Satelliten;
5 zeigt die Kombination von Kanalkodierung und Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung;
6 zeigt die Gesamtratenverringerung wegen der Einführung von Kanalkodierung abhängig von der Codeeffizienz n/k;
7 zeigt den Effekt in der Bitfehlerrate wegen der Einführung eines BCH-Codes abhängig von dem Signal-Rausch-Verhältnis pro Informationsbit; und
8 zeigt eine Vielzahl von Satelliten, die in Umlaufbahnen mit unterschiedlichen Neigungen betrieben werden.
1 und 2 wurden bereits oben beschrieben.
3 zeigt die Wahl zwischen einer Übertragung mit hoher Bandbreite und einer Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung. Solange wie es genügend Treibmittel an Bord des Satelliten gibt, um den Satelliten innerhalb des Stationsunterhaltungsfensters gemäß 1 zu halten, kann eine Übertragung mit hoher Bandbreite durch den Satellitentransponder durchgeführt werden. Typischerweise kann eine Bandbreite von 38 Mbit/s bereitgestellt werden, sodass mehrere Kanäle parallel übertragen werden können. Die Signale von mehreren Quellen 300 werden zu einem Multiplexer 302 eingespeist. Optional können die Signale einer Quelle durch einen geeigneten Komprimierungsalgorithmus, wie MPEG2, komprimiert werden, für den ein geeigneter Kodierer 301 vorgesehen ist. Danach werden Kanalkodierung und Modulation 303 durchgeführt, bevor das Signal zu der Antenne 304 der Erdstation eingespeist wird. Die populärste Wahl einer Modulationstechnik für Dienste mit höherer Rate war die Quadraturphasenumtastung (QPSK).
Auf der Empfängerseite ist eine Schüssel mit einem Durchmesser von 50 cm vorgesehen. Entsprechend werden Kanaldekodierung und Demodulation 306 durchgeführt, bevor das Signal zu einem Demultiplexer 307 eingespeist wird und in mehrere Empfangssignale gesplittet wird, die durch Empfänger 309 empfan gen werden können. In dem Fall von Komprimierungstechniken ist ein Dekomprimierer 308 vorgesehen.
Sobald der Satellit das Ende seiner Lebensdauer erreicht, wird gemäß der Erfindung der Satellit in einer maximalen zulässigen Neigung derart positioniert, dass der Anfangsneigungsvektor parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung der natürlichen Drift ist, und ferner wird Nord-Süd-Steuerung weggelassen. Zur gleichen Zeit wird Übertragung zu einer Spreizspektrummodulation 310 umgeschaltet, was zu einer geringeren Bandbreite von z.B. 2 Mbit/s führt. Wegen der Verarbeitungsverstärkung kann nur eine kleinere Bandbreite bereitgestellt werden. Andererseits sind jedoch die Anforderungen in Stationsunterhaltung des Satellitentransponders und Antennenverstärkung der Empfangsantenne in Proportion beträchtlich geringer als die eingeführte Verarbeitungsverstärkung. Folglich kann eine flache Antenne mit einer Apertur von z.B. 10 cm² 311 für mobile Kommunikationen bereitgestellt werden. Entsprechendes Entspreizen 312 findet statt, bevor das Signal zu dem Demultiplexer 307 eingespeist wird.
4 zeigt eine typische Anwendung der Spreizspektrumübertragung während des Endes der Lebensdauer eines Satelliten. Diese Übertragung entspricht dem Übertragungsweg 310, 311, 312 gemäß 3. Es kann eine adaptive phasengesteuerte flache Gruppenantenne 400 zum Erhöhen der Antennenverstärkung auf der Empfangsseite verwendet werden. Andererseits kann auf der sendenden Seite ein äußerst effizienter Komprimierungsalgorithmus, wie MPEG4, verwendet werden. Dadurch können Informationsbitraten von bis zu 5 Mbit/s vor Spreizung, Kanalkodierung und Modulation 402 erreicht werden. Das kodierte Signal wird mit 38 Mbit/s über den Satellitentransponder 403 übertragen, und wird durch die adaptive phasengesteuerte Gruppenantenne 400 empfangen, die z.B. in einem Fahrzeug 404 installiert sein könnte. Auf der Empfangsseite finden Sprei zung, Kanaldekodierung und Demodulation 405 statt, und falls notwendig die Komprimierung gemäß dem Komprimierungsalgorithmus 401.
Gemäß der Anwendung von 1 ist es somit möglich, eine Übertragung von Fernsehprogrammen zu einem mobilen Empfänger vorzusehen, der in einem Fahrzeug installiert sein könnte. Obwohl die Bandbreiteneffizienz nicht akzeptabel ist, kann der Ausgleich der Investitionskosten für die Satellitenausrüstung dennoch erreicht werden, da der vorgeschlagene Weg der Übertragung nur in dem Ende der Lebensdauer des Satelliten vorgesehen ist.
5 zeigt die Kombination von Kanalkodierung und Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung. Zusätzlich zum Hinzufügen von Verarbeitungsverstärkung durch Spreizspektrumtechnik gibt es die Möglichkeit, Kodierungsverstärkung durch Kanalkodierung einzuführen. In diesem Kontext müssen die folgenden Raten unterschieden werden: die höchste mögliche Rate ist die Chiprate 502, die von der kodierten Bitrate 501 nach Kanalkodierung unterschieden werden muss. Die Informationsbitrate, die durch die Quelle abgegeben wird, wird einfach Bitrate 500 genannt.
Zum Hinzufügen von Kodierungsverstärkung zu der Verarbeitungsverstärkung sind die folgenden Szenarien möglich:

– Zuerst wird die Information durch einen Block-(oder Faltungs-)Code mit der Rate n/k kodiert, und nur dann wird jedes kodierte Bit durch die PN-Sequenz gespreizt. Diese Lösung kann als eine einfache Verkettung von Spreizung als innerer Code und Blockkodierung als äußerer Code betrachtet werden.
– Eine andere Möglichkeit besteht darin, zuerst die Informationsbits durch einen Blockcode einer sehr großen Rate zu kodieren. Die kodierten Bits können dann zu den Chips der PN-Sequenz hinzugefügt werden (modulo2). In diesem Fall muss jedoch die PN-Sequenz von genau der gleichen Rate wie die kodierte Bitrate sein.

Gemäß 5 wird der erste Fall einer Verkettung von Kanalkodierung und Spreizspektrum betrachtet. Eine Quelle 510 gibt ein Signal mit einer Bitrate 500 ab, die als b angenommen wird. Kanalkodierung (z.B. ein BCH-Code) gibt eine kodierte Bitrate 501 ab, die aus der Bitrate b multipliziert mit der Kodierungseffizienz n/k resultiert, wobei n für die Zahl von kodierten Bits pro Codewort und k für die Zahl von Informationsbits pro Codewort stehen. In dem kodierten Signal findet dann Spreizung 512 durch die Verarbeitungsverstärkung Gp statt. Während einer Übertragung des Spreizsignals über den Satellitentransponder wird das gespreizte Nutzlastsignal s(t) durch Rauschen und Interferenz beschädigt, sodass das empfangene Signal s'(t) in dem Benutzerendgerät empfangen wird. Das empfangene Signal s'(t) zeigt natürlich ein ziemlich schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis Ec/N0. Nach Entspreizung 513 wird das gewünschte Signal zu seiner ursprünglichen Bandbreite geschrumpft, wohingegen zur gleichen Zeit unerwünschte Signale in der Bandbreite um den gleichen Betrag gespreizt werden, sodass ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis Ecb/N0 erreicht werden kann. Durch Kanaldekodierung 514 kann weitere Dekodierungsverstärkung eingeführt werden, sodass ein weiter verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis Eb/N0 durch den Empfänger 515 empfangen wird.
6 zeigt die gesamte resultierende Ratenreduzierung wegen der Einführung von Kanalkodierung abhängig von der Kodierungseffizienz n/k. Es ist zu beobachten, dass die Kodierungsverstärkung nicht wie nach Wunsch erhöht werden kann, da mit einer steigenden Zahl von kodierten Bits pro Codewort n auch die Wahrscheinlichkeit ansteigt, dass es Verzerrungen in den neu eingeführten Bits gibt. Deshalb muss es eine maximale erreichbare Bandbreite oder minimale Gesamtratenreduzierung mit Bezug auf die Kanalbandbreite geben. 6 zeigt, dass für einen BCH-Code die minimale Ratenreduzierung für die Kombination n = 127 und k = 92 erreicht werden kann, wohingegen für den Fall von n = 31 das erreichbare Minimum mehr als das doppelte des Falls n = 127 ist. Ferner kann gesehen werden, dass durch die Einführung von Kanalkodierung eine zusätzliche Kodierungsverstärkung von nahezu 2 erreicht werden könnte.
7 zeigt den Effekt in der Bitfehlerrate wegen der Einführung eines BCH-Codes abhängig von dem Signal-Rausch-Verhältnis pro Informationsbit Eb/N0. Für geringe Werte von Eb/N0 ist die Steigerung nicht sehr beträchtlich, während für große Eb/N0 die Differenz zwischen Kanalkodierung und keiner Kanalkodierung beträchtlich ist. Unter einer gewissen Schwelle von ungefähr 4 dB ist Kanalkodierung sogar weniger effizient als überhaupt keine Kodierung. Dieser Fall sollte jedoch durch Wahl einer ausreichenden Verarbeitungsverstärkung vermieden werden.
8 zeigt eine Vielzahl von Satelliten, die in Umlaufbahnen mit der gleichen Länge, aber mit unterschiedlichen Neigungen betrieben werden. ϕ R, λ sind die stationären Koordinaten innerhalb jedes Satelliten, wobei ϕ die Breite ist, r die Exzentrizität ist und λ die Länge des entsprechenden Satelliten ist. Der Satellit 801 wird in einer normalen Umlaufbahn A mit einer Neigung von Null betrieben. Satelliten 802, 803 werden mit geneigten Umlaufbahnen B und C in positiver Neigung betrieben, wohingegen Satellit 804 mit einer geneigten Umlaufbahn D mit negativer Neigung betrieben wird. Mit Hilfe von 8 werden einige mögliche Satellitenkonfigurationen gemäß der Erfindung beschrieben.
Ausführungsform 1: ein Satellit in geneigter Umlaufbahn
Zuerst wird der Fall von nur einem Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn betrachtet, z.B. Satellit 802 in Umlaufbahn B. Mit dieser Neigung führt der Satellit, wie von der Erde gesehen, eine Bewegung durch, wie in 2 gezeigt. Die Bewegung führt insbesondere zu einer Nord-Süd-Schwingung des Satelliten pro Tag. Gewöhnlich verschlechtert diese Achtknoten-Tagesbewegung des Satelliten die Empfangseigenschaften eines mobilen Benutzerendgerätes. Die Erfindung macht es jedoch möglich, den Satelliten 802 für Zwecke mobiler Kommunikationen durch Bereitstellung eines gespreizten Abwärtsstreckensignals vollständig zu nutzen.
Eine wichtige Qualität in Verbindung damit ist die Verarbeitungsverstärkung des Systems, die durch das Verhältnis der Spreizspektrumbandbreite und der Bandbreite des Signals definiert ist. Die Verarbeitungsverstärkung ist ein Maß zum Vermindern des Einflusses von Interferenz auf das Empfängerleistungsverhalten. Selbst wenn der Satellit eine Bewegung durchführt, die von Erdstationen gemäß 2 gesehen wird, und somit die Anforderungen für einen Empfang von Satellitenschüsseln direkt nach Hause unter Verwendung konventioneller Modulationstechniken nicht erfüllt, ist nun ein Empfang unter Verwendung von Spreizspektrumtechniken möglich.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des empfangenen und entspreizten Nutzlastsignals p'(t) kann durch entsprechendes Abstimmen des Spreizverhältnisses oder der Spreizspektrummodulation erreicht werden. Dies kann unter der Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes geschehen, sodass für typischerweise verwendete Antennen die Fehlerwahrscheinlichkeit ausreichend gering sein wird.
Selbst wenn eine hohe Verarbeitungsverstärkung verwendet wird, kann jedoch niemals sichergestellt werden, dass vollständige Übertragung stattfindet, da der Empfänger angenommen wird, ein mobiles Benutzerendgerät zu sein. Insbesondere muss Schwund wegen hohen Gebäuden, Tunneln und hohen Bergen betrachtet werden. Außerdem ist es wegen dem Diversifizierungseffekt wegen der offensichtlichen Bewegung des Satelliten in der geneigten Umlaufbahn möglich, Schwundeffekte durch Verschränkung und Pufferung zu vermindern.
Sobald ein Echtzeit-Datenstrom (z.B. Video) auf dem Monitor eines Verbrauchers gestartet ist, müssen die Daten in einer konstanten Rate zugeführt werden. Das System kann jedoch steuern, wann der erste Block des Stroms zu dem Monitor des Verbrauchers abgegeben wird (Latenz). Pufferung kann effektiv verwendet werden, um die Latenz einer Abgabe in Anwendungen für Video auf Nachfrage zu steuern. Je mehr der Daten gepuffert sind, desto größer ist die Stromstartlatenz, und desto länger die Zeit, um einen Anforderungsblock in dem Server zu bedienen. Vorteilhafter Weise kann der Diversifizierungseffekt wegen der offensichtlichen Bewegung des Satelliten in der geneigten Umlaufbahn mit einer wiederholten Übertragung der gleichen Datenströme kombiniert werden.
Eine andere Möglichkeit, Schwundeffekte zu bewältigen, besteht darin, ein verschränktes gespreiztes Abwärtsstreckensignal s'(t) vorzusehen, das vor Demodulieren de-verschränkt wird. Das Verschränken trennt Häufungsfehler und veranlasst, dass sie seltener auftreten, sodass die Wahrscheinlichkeit genauer Dekodierung erhöht wird. Es ist allgemein ausreichend, mehrere Blocklängen eines Block-kodierten Signals oder mehrere Beschränkungslängen eines durch Faltung kodierten Signals zu verschränken. Blockverschränkung ist der direkteste Ansatz nach vorn, Verzögerung und Speicheranforderungen werden aber mit Faltungs- und spiralförmigen Verschränkungs techniken halbiert. Periodizität, auf die Weise, wie Sequenzen kombiniert werden, wird mit pseudo-zufälligem Verschränken vermieden. Das Prinzip von Verschränkung in Kombination mit Spreizspektrummodulation ermöglicht mobile Kommunikationen über geostationäre Satelliten sogar in einer sehr hohen Bandbreite. Es ist sogar möglich, Videoprogramme auszustrahlen, falls eine gewisse Zeitverzögerung akzeptabel ist und falls Vorwärtsspeicherung angewendet wird.
Die Vorteile der Erfindung werden nun durch die folgenden Ausführungsformen vollständig offensichtlich, die bevorzugte Kombinationen mit der ersten Ausführungsform zeigen.
Ausführungsform 2: Geostationärer Satellit in Kombination mit Ausführungsform 1
Zusätzlich zu dem Satelliten 802, der auf Umlaufbahn B betrieben wird, wird nun angenommen, dass der geostationäre Satellit 801 mit einer festen Position und fester Antennenrichtung in Umlaufbahn A betrieben wird. Es ist offensichtlich, dass Satellit 801 auf eine konventionelle Art und Weise mit Übertragungen hoher Bandbreite betrieben werden kann. Der Vorteil gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass zusätzlich zu dem Satelliten 801 der Satellit 802 für mobile Kommunikationen vorgesehen werden kann, wie oben unter Ausführungsform 1 beschrieben wird. Dies bedeutet, dass der begrenzte Umlaufbahnraum besser genutzt werden kann.
Ausführungsform 3: Mehrere Satelliten in geneigten Umlaufbahnen für GPS
Das GPS (globales Positionierungssystem) wurde durch das US Department of Defense koordiniert und versieht die Benutzer mit genauer Zeitsteuerungs- und Messinformation. Das System ist für zivile Benutzer mit verringerter Genauigkeit verfügbar.
Für spezifische Anwendungen kann es nützlich sein, ein alternatives GPS-System verfügbar zu haben, z.B. aus Gründen von Redundanz. Ein derartiges System kann durch Vorhandensein von mehreren Satelliten in geneigten Umlaufbahnen einfach realisiert werden.
Die Basistechnik zum Bestimmen der GPS-Koordinaten eines Empfängers basiert auf einer dreiseitigen (Trilateration) Lösung, wie nachstehend beschrieben wird. Es sind z.B. drei Satelliten angeordnet, wobei die Positionen von jedem Satelliten bekannt sind. Falls die Abstände d1, d2 und d3 von jedem Satelliten zu dem Empfänger gemessen werden können, dann kann die unbekannte Position des Empfängers bestimmt werden. d_i soll den Abstand der entsprechenden Messung von jedem Satelliten bezeichnen, und (x, y, z) und (x_i, y_i, z_i) die Kartesischen Koordinaten des Empfängers bzw. jedes Satelliten Pi. Dann trifft die folgende Relation zu:
wobei q → = [x, y, z]^T der unbekannte Positionsvektor des Empfängers ist. Der Vektor der Abstandsmessungen wird als: d → = f →(q →) (2)ausgedrückt.
Ein üblich eingesetztes Verfahren zum Lösen von q in dieser nicht-linearen Gleichung ist das iterative Verfahren nach Gauss-Newton. Die beste Schätzung von q → wird als:
angenähert, wobei F → die Jacob'sche Matrix ist:
In der Praxis kann jedoch nicht nur eine Trilaterationskonfiguration verwendet werden, sondern eine beliebige andere Konfiguration, wie z.B. eine Bilaterations- oder Quadrilaterationskonfiguration.
Falls die Taktvorspannung des Empfängers auch unbekannt ist, wird eine Quadrilaterationskonfiguration benötigt. Folglich müssen alle vier Satelliten von dem Empfänger sichtbar sein. In dem Fall, dass die Taktvorspannung irgendwie beseitigt werden kann, ist eine Trilaterationskonfiguration ausreichend. Es kann sogar eine Bilaterationskonfiguration angewendet werden, falls eine weitere Koordinate des Empfängers bereits verfügbar ist, was z.B. die Höhe über dem Meeresspiegel sein kann.
Um die Abstandsmessungen d_i durchzuführen, müssen die entsprechenden Satelliten, die in die GPS-Konfiguration einbezogen sind, ein Bezugssignal mit einer Bezugszeitinformation senden. Daraufhin können die Ausbreitungszeit und somit die Abstände d_i kalkuliert werden. Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten, um das Bezugssignal bereitzustellen, nämlich entweder durch einen transparenten Satellitentransponder oder durch On-Board-Verarbeitung.
Mit einem transparenten Transponder in allen Satelliten, die in die GPS-Konfiguration einbezogen sind, wird ein entsprechendes Aufwärtsstreckensignal, das die Bezugssignale enthält, gleichzeitig durch alle Transponder übermittelt. Eine Trennung in dem Empfänger kann z.B. erreicht werden, falls die Transponder eine unterschiedliche Frequenzverschiebung in der Abwärtsstrecke zeigen.
On-Board-Verarbeitung, wie oben beschrieben, lässt eine Vielzahl von Optionen zum Senden der Bezugssignale zu dem Empfänger offen. Da eine Zeitsynchronisation auf der Basis des gemeinsamen Aufwärtsstreckensignals schwierig zu realisieren ist, ist es auch möglich, eine Zeitsynchronisation unter allen Satelliten, die in die GPS-Konfiguration einbezogen sind, durch eine Intersatellitenkommunikation zu erreichen. Sobald eine Zeitsynchronisation unter den Satelliten so erreicht ist, können die Bezugssignale durch jeden Satelliten getrennt gesendet werden, indem z.B. von einem wie oben detailliert beschriebenen CDMA-Schema Gebrauch gemacht wird.

Claims

Verfahren zum Senden eines Downlink-Signals zu einer mobilen Antenne, die eine geringe Richtfähigkeit aufweist und die sich innerhalb eines bestimmten Bereichs auf der Erde befindet, umfassend folgende Schritte: Betreiben eines quasi-geostationären Satelliten (802) in einem geneigten Orbit (B) und Senden eines Spreizspektrum-Downlink-Signals s'(t) von dem quasi-geostationären Satelliten (802) zu dem bestimmten Bereich auf der Erde mit einer Frequenz größer als die des L-Bands 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise größer als 10 GHz.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die Schritte: Modulieren eines Uplink-Signals p(t) mittels Spreizspektrummodulation mit einem bestimmten Spreizverhältnis, um ein gespreiztes Uplink-Signal s(t) zu erzeugen, Übertragen des gespreizten Uplink-Signals s(t) zu dem quasi-geostationären Satelliten (802) und Konvertieren des gespreizten Uplink-Signals s(t) zu dem gespreizten Downlink-Signal s'(t).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die Schritte: Übertragen eines Uplink-Signals zu dem 35 quasi-geostationären Satelliten (802), On-Board-Verarbeitung des Uplink-Signals in dem quasi-geostationären Satelliten (802) mittels Spreizspektrummodulation mit einem bestimmten Spreizverhältnis, um das gespreizte Downlink-Signal s'(t) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Positionskontrolle des Satelliten auf Korrekturen der Längengradverschiebung (λ) und der Exzentrizität (r) beschränkt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei zusätzliche Satelliten (801, 803, 804) in Nachbarschaft zu dem quasi-geostationären Satelliten (802) betrieben werden, wodurch ein Satellitenverband gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeder Satellit (801, 802, 803, 804) in dem Satellitenverband ein eigenes gespreiztes Downlink-Signal s_i'(t) sendet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jedes gespreizte Downlink-Signal s_i'(t) seine eigene Spreizsequenz mit einer geringen paarweisen Kreuzkorrelation zum Mehrfachzugriff durch Code-Teilung (CDMA) besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, wobei mindestens zwei Satelliten des Satellitenverbands ein Referenzsignal senden, wobei jedes Referenzsignal eine Referenzzeitinformation und eine Referenzumlaufbahninformation in Bezug auf den Sendesatelliten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das gespreizte Downlink-Signal s'(t) ein Spreizverhältnis 35 besitzt, das in Kombination mit einer Kanalkodierung derart angepasst wird, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit des zurückgewonnenen und dekodierten Downlink-Signals unter Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung der adaptiven phasengesteuerten Antenne (400) ausreichend gering sein wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zu erreichende Fehlerwahrscheinlichkeit in der Größenordnung 10 liegt.
Mobile Benutzerstation, umfassend: eine mobile Antenne (400) mit einer geringen Richtfähigkeit, geeignet ein Spreizspektrum-Downlink-Signal s'(t) mit einer Frequenz größer als die des L-Bands 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise größer als 10 GHz zu empfangen, das von einem quasi-geostationären Satelliten (802) ausgestrahlt wird, der in einer geneigten Umlaufbahn (B) betrieben wird und eine Verarbeitungseinheit (405) zum Demodulieren des Spreizspektrum-Downlink-Signals s'(t) mittels Spreizspektrumdemodulation.
Mobile Benutzerstation nach Anspruch 11, wobei die mobile Antenne mit geringer Richtfähigkeit eine ungerichtete Flachantenne ist.
Mobile Benutzerstation nach Anspruch 11, wobei die mobile Antenne mit geringer Richtfähigkeit eine adaptive phasengesteuerte Antenne ist, basierend auf Planartechnologie und geeignet zur adaptiven Strahlformung.
Mobile Benutzerstation nach einem der Ansprüche 11-13, wobei die mobile Antenne (400) geeignet ist, Referenzsignale zu empfangen, die von dem quasi-geostationären Satelliten (802) und mindestens einem weiteren Satelliten (801, 803, 804), der in Nachbarschaft zu dem quasi-geostationären Satelliten (802) betrieben wird, gesendet werden, wobei jedes Referenzsignal eine Referenzzeitinformation und eine Referenzumlaufbahninformation in Bezug auf den Sendesatelliten umfasst, und wobei die Verarbeitungseinheit (405) einen Positionsprozessor zum Bestimmen der Koordinaten der mobilen Benutzerstation auf der Basis der Referenzsignale umfasst.