DE69229678T2

DE69229678T2 - Satellitenkommunikationssystem

Info

Publication number: DE69229678T2
Application number: DE69229678T
Authority: DE
Inventors: Donald Ashford; Alison Brown; Vilnis Grencions; Asu Jha; Moshe Liron; Douglas Lockie; David Patterson; James Stuart; Mark Sturza; Edward Tuck; H. Wackernagel
Original assignee: TELEDESIC KIRKLAND LLC
Current assignee: TELEDESIC KIRKLAND LLC
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2012-10-28
Also published as: WO1993009613A1; EP0611500B1; EP0935349A3; EP0611500A1; CA2121587A1; DE69229678D1; AU3054992A; EP0935349A2; ATE182729T1

Description

TECHNISCHES GEBIET

SATELLITENKOMMUNIKATIONSSYSTEM

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Satellitenkommunikation. Diese Erfindung weist insbesondere eine dynamische geodätische Konstellation von 840 autonomen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn auf. Jeder Satellit in dieser verteilten nicht-hierarchischen Konstellation ist ein gleich wichtiger Knoten in einem Netz, besitzt eine unabhängige Schaltintelligenz (Vermittlungsintelligenz) und kann direkt mit einer breiten Vielfalt von Teilnehmern, die tragbare, mobile und feste Endgeräte verwenden, kommunizieren. Das System wird einen ununterbrochenen weltweiten Dienst für Sprach-, Daten- und Video-Signale vorsehen. Dieses neue Satellitennetz kann traditionelle landbasierte Netze umgehen und wird eine revolutionäre Erweiterung des globalen Kommunikationspotentials anbieten.

HINTERGRUNDTECHNIK

Öffentliche Telefonsysteme verwenden seit über 100 Jahren allgemein die gleiche Systemarchitektur. Herkömmliche Systeme verwenden stark zentralisierte und hierarchische Schalteinrichtungen (Vermittlungseinrichtungen) als Knoten, die ein komplexes Gewebe von zusammenhängenden Verbindungen miteinander verbinden. Während ein sehr kleiner Teil der Teilnehmer derselben direkte Verbindungen zu geostationären Satelliten verwenden, weist die große Mehrheit der Verbindungen, die das herkömmliche Telefonnetz koppeln, eine verwirrende und verschiedene Zusammenstellung von Kabeln, Drähten, Fasern und Mikrowellenzwischenverstärkern (Mikrowellen-Repeatern) auf. Wie alle hierarchischen Systeme sind herkömmliche Telefonnetze extrem anfällig, wenn die Leistung eines beliebigen hochrangingen Knotens in der Hierarchie beeinträchtigt ist. Beispielsweise hat ein Feuer in einem Schaltzentrum in Hinsdale, Illinois, den Ferndienst in dem Bereich von Chicago für mehrere Tage abgelehnt. Relativ kleine Softwarefehler können den Dienst in großen dicht bevölkerten Stadtbereichen unterbrechen oder sogar einstellen. Diese Anfälligkeit gegenüber einem lokalen Fehler wird durch die Grenzen verschlimmert, die eine zentralisierte Architektur auf das Ausdehnungspotential des Netzes auferlegt. Jedesmal wenn ein neuer Teilnehmer zu einem herkömmlichen landbasierten Kommunikationsnetz hinzugefügt wird, müssen im Durchschnitt aufwendige Ergänzungen der Schalthardware (Vermittlungshardware) und der Verbindungsdrähte eingebaut werden. Der Mindestaufwand für das Hinzufügen jedes neuen Teilnehmers ist sehr hoch, und der Aufwand des Beschaffens von Kapital ist eine Belastung der Telefonteilnehmer und der Wirtschaft im ganzem. Herkömmliche Telefonsysteme sind inhärent durch ihren hierarchischen Entwurf begrenzt, und diese Grenzen bestimmen nun bedenkliche Barrieren für die enorme Zunahme der Kapazität, die die vorhergehenden Netze liefern müssen, um den hervorsprießenden Weltbedarf für Kommunikationsdienste in den kommenden Jahrzehnten zu erfüllen.
Mehrere Versuche, diese inhärenten Grenzen zu umgehen, gelangten zu gemischten Resultaten. Große Verbraucher von Telefondiensten haben begonnen, ihre eigenen privaten Netze zu installieren, um große Volumina von Sprachnachrichten, Video- und Breitbanddatenanrufen zu tragen. Während einige dieser aufwendigen und ungeschickten Verbesserungen Teillösungen vorsehen, begrenzen die nicht-veränderbaren Zwänge, die durch eine zentralisierte Schalttopologie auferlegt sind, weiter das zukünftige Wachstum von existierenden Netzen.
Eine bestimmte Erweiterung der Jahrhunderte alten zentralisierten Telefonschaltinfrastruktur (Telefonvermittlungsinfrastruktur) wurde unter Verwendung von geostationären Sa telliten erreicht. Diese Raumfahrzeuge bieten jedoch zusätzliche Kommunikationsfähigkeiten, die ziemlich begrenzt sind. Da diese Satelliten in äquatorialen Umlaufbahnen arbeiten, sind dieselben für Kunden nicht zugänglich, die in höheren geographischen Breiten leben. Da dieselben ihre Umlaufbahn mit vielen anderen Diensten teilen müssen, ist ihre Zahl auf eine relativ kleine Besetzung beschränkt. Da alle diese Raumfahrzeuge eine einzige kreisförmige Umlaufbahn einnehmen, können dieselben nicht zusammen in ein geodätisches Netz verschaltet werden. Ein geodätisches Netz, das eine wesentlich größere Kapazität vorsehen könnte, muß allgemein kugelförmig sein. Geostationäre Satelliten leiden ferner an einem sehr bedenklichen Nachteil -- die große Höhe ihrer Umlaufbahnen. Diese Satelliten sind so weit von der Erde entfernt, daß das Signal etwa eine viertel Sekunde braucht, um die nahezu 50.000 Meilen (80.000 km) entlang der Schleife von dem Boden nach oben zu dem Satelliten und zurück zu dem Boden zurückzulegen. Die Verzögerungen, die durch das Ohr des Telefonbenutzers erfaßt werden, die durch diese lange Schleife eingeführt werden, sind nicht nur ärgerlich, sondern können ferner einige Unterhaltungen, die zwischen mehr als einem geostationären Satelliten weitergeleitet werden, praktisch unverständlich machen. Radiosignale, die zwischen einer Bodenstation und einem geosynchronen Satelliten ausgetauscht werden, können ferner durch diese große Schleifenstrecke beeinträchtigt werden. Ein Telefonkunde am Boden, der ein tragbares Telefon verwendet und der direkt mit einem Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn kommunizieren will, benötigt ein Telefon, das ein Ausgangssignal erzeugen kann, das mehrere hundert Watt aufweist. Das erzeugen dieser Leistungsabgabe ist für Benutzer von tragbaren Telefonen nicht nur vollständig unpraktisch, sondern kann ferner ein Strahlungsrisiko für das Individuum erzeugen, das das Telefon handhabt.
Geostationäre Satelliten liefern keine adäquate Lösung für die gewaltigen Erweiterungsbedürfnisse von herkömmlichen Telefonnetzen. Obwohl der Zellulardienst sehr rasch über das vergangene Jahrzehnt gewachsen ist, liefert selbst ein stark erweiterter Zellulardienst keine adäquate Lösung. Zellularsysteme werden durch eine schwache Leistung geplagt und sind schließlich durch die gleichen strukturellen Grenzen beschränkt, die die Zukunft von landbasierten Systemen umschreiben. Zellularkunden sind immer noch auf geographische Regionen begrenzt, die durch Funktürme bedient werden, die "Zellorte" genannt werden. Selbst in den Vereinigten Staaten sind diese Zellorte nicht allgemein weit verbreitet, da Marktkräfte den Zellulardienst auf lediglich die am dichtesten bevölkerten Stadtabschnitte des Landes beschränken. Der Zellulardienst ist lediglich einer kleinen Minderheit von privilegierten Benutzern in wohlhabenden Ländern verfügbar und ist in weniger entwickelten Teilen der Welt praktisch nicht existent.
Kein System, das derzeit der allgemeinen Öffentlichkeit zur Verfügung steht, kann einen Vorteil aus der enormen Bereicherung der Kommunikationskapazität ziehen, die erreicht werden könnte, wenn ursprüngliche zentralisierte Gitter von irdischen (terrestrischen) Schaltern und deren Verbindungskabel, Drähte, Fasern und Mikrowellenzwischenverstärker vollständig umgangen werden könnten. Öffentliche Telefongesellschaften können derzeit keinen ununterbrochenen globalen Dienst an Kunden verkaufen, die Telefone verwenden möchten, die nicht mit dem landbasierten Netz gekoppelt sind. Das Problem des Vorsehens eines ökonomisch machbaren Netzes für Sprache, Daten und Video, das durch Teilnehmer auf der gesamten Welt verwendet werden kann, stellt eine Hauptherausforderung für das Kommunikationsgewerbe dar. Die Entwicklung eines Kommunikationssystems, das eine Lösung für die unveränderlichen Hindernisse des Wachstum bietet, die herkömmliche Telefonnetze binden, würde einen wesentlichen technologischen Fortschritt bilden und ein lang gehegtes Bedürfnis in der Telefonindustrie befriedigen.
Die EP-A-0365885 offenbart ein Satellitenzellulartelefon und ein Datenkommunikationssystem, bei dem eine Mehrzahl von Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn Anrufe in der Form von Datenpaketen zwischen erdbasierten Benutzern, die mobile Endgeräte und Netzübergänge (Gateways) umfassen, weiterleiten. 48 Satelliten sind in stark geneigten Umlaufbahnebenen positioniert, und dieselben verhalten sich jeweils als ein verteilter lokaler Prozessor, der bestimmt, wie das Schalten der Anrufe auftreten soll.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Modell des Netzes zeigt, das durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist.
Fig. 2 stellt ein einziges Element der Satellitenkonstellation durch die Darstellung einer einzigen geneigten Umlaufbahnebene, die durch einen Satelliten eingenommen wird, dar.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Netzkonzepte zeigt, die durch die vorliegende Erfindung ausgeführt werden.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Netzübergangs.
Fig. 5 ist ein "Ping-Pong"-Diagramm, das die Folge von Ereignissen darstellt, die auftreten, wenn ein Anruf eingeleitet wird.
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Grundarchitektur der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Handtelefons. Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine halbkugelförmige Mikrowellenantenne weg von dem Körper des Telefons auf einem faltbaren Mast.
Fig. 8 und 9 liefern eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines allgemein trapezförmigen, halbkegelförmigen Ausführungsbeispiels der Antennen.
Fig. 10 und 11 zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines halbkugelförmigen Ausführungsbeispiels einer Antenne.
Fig. 12 ist ein perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Antenne, die die Form eines geraden kreisförmigen Zylinders einnimmt.
Fig. 13 und 14 liefern vergrößerte Darstellungen von einem der kreisförmigen Antennenelemente. Fig. 13 ist eine Draufsicht und Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht.
Fig. 15 bis 19 sind schematische Darstellungen eines Fünf- Bit-Zeitverzögerungsphasenschiebers.
Fig. 20 bis 22 zeigen eine Seitenansicht, eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, das Doppelfrequenzantennenelemente enthält.
Fig. 23 und 14 zeigen eine vergrößerte Seitenansicht und eine Draufsicht von einem der alternativen Ausführungsbeispiele der Doppelfrequenzantennen.
Fig. 25 und 26 stellen eine vergrößerte Draufsicht und eine vergrößerte Querschnittsansicht von einem der Doppelfrequenzantennenelemente dar.
Fig. 27 und 28 zeigen schematische Blockdiagramme der Empfangs- und Sendeschaltungen, die bei einem der mehreren Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden.
Fig. 29 und 30 stellen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der miniaturisierten Antenne dar.
Fig. 31 bis 34 sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht von Doppelfrequenzantennen.
Fig. 35 und 36 zeigen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer Antenne mit einem hexagonalen Gitter.
Fig. 37 ist ein Flußdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels des schnellen Paketschalters.
Fig. 38 stellt ein Blockdiagramm eines Satellitenschaltknotens dar.
Fig. 39 ist ein Blockdiagramm eines 32-mal-1-Paketprioritätsmultiplexers.
Fig. 40 zeigt ein Blockdiagramm eines schnellen Paketschalters.
Fig. 41 zeigt ein 1-mal-32-Selbstleitschaltmodul.
Fig. 42 stellt ein Blockdiagramm einer Mobil/Fest-Satellitenverbindung dar.
Fig. 43 bis 45 offenbaren das erdfeste Zellverfahren.
Fig. 46 zeigt eine Überzelle, die 16 Zellen enthält.
Fig. 47 zeigt Satellitenausleuchtzonen, Überlappungen und Zwischenräume am Äquator.
Fig. 48 ist ein Flußdiagramm des Verarbeitens von ankommenden Paketen, das verwendet werden kann, um das erdfeste Zellverfahren zu implementieren.
Fig. 49 ist eine perspektivische Ansicht eines Satelliten, der ein halbkugelförmiges Array von Antennenflächen und vollständig ausgedehnten rechteckigen Solarpaneelen umfaßt.
Fig. 50 stellt ein schematisches Diagramm des Satelliten dar, der ähnlich zu demselben ist, der in Fig. 49 dargestellt ist. Fig. 50 zeigt ferner drei Sätzen von elektronisch gelenkten Strahlen, die durch die hexagonalen Antennen erzeugt werden, und die kreisförmigen und elliptischen Ausleuchtzonen, die die Strahlen auf der Oberfläche der Erde beleuchten.
Fig. 51 stellt eine schematische Darstellung der Struktur von mehreren Strahlen dar, die durch den Satelliten, der in den Fig. 49 und 50 gezeigt ist, erzeugt werden.
Fig. 52 und 53 sind graphische Darstellungen, die die geometrische Beziehung von mehreren Raumfahrzeugen zeigen, die sich auf einer der vielen Umlaufbahnebenen in der Satellitenkonstellation bewegen. Die Wege zwischen benachbarten Satelliten, die nicht durch den Rand der Erde versperrt werden, sehen Kommunikationsverbindungen zwischen den Raumfahrzeugen in der gleichen Umlaufbahn vor.
Fig. 54 zeigt ein schematisches Diagramm eines GaAs-MMIC- Zeitverzögerungsnetzes.
Fig. 55 zeigt ein Schema der aktiven Linse, die eine große Anzahl der Zeitverzögerungsnetze, die in Fig. 54 gezeigt sind, umfaßt.
Fig. 56 ist eine schematische Darstellung einer aktiven Linse, die ein zeitverzögerungsgelenktes Antennenarray enthält.
Fig. 57 ist eine Seitenansicht des zur Erde gerichteten Antennenarrays und von in den Raum gerichteten Segmenten eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das "Domesat" genannt wird.
Fig. 58 zeigt die in den Raum gerichteten Segmente in einer geöffneten Konfiguration, die die Entfaltung von Solarpaneelen ermöglicht, die innerhalb des Raumfahrzeuginneren während des Flugs zu der niedrigen Erdumlaufbahn aufgenommen sind.
Fig. 59 zeigt den kreisförmigen Bogen, der die Bewegung der aufgerollten Solarpaneele darstellt, sowie dieselben, nachdem die Umlaufbahn erreicht ist, entfaltet werden.
Fig. 60 stellt eine Anzahl von Satelliten dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden und die in einer Trägerrakete aufgenommen sind.
Fig. 61 bis 63 stellen die sequentielle Entfaltung der Solarpaneele dar.
Fig. 64 liefert eine detaillierte Seitenansicht der rohrförmigen und kugelförmigen Elemente, die verwendet werden, um die einzelnen Paneele des Antennenarrays zu verbinden.
Fig. 65 bis 67 stellen drei Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, das "Gearsat" genannt wird.
Fig. 68 bis 71 sind schematische Diagramme von eingebauten inneren Systemen, die den Satelliten steuern und den Verkehr zwischen anderen Satelliten und End geräten auf dem Boden handhaben.
Fig. 72 bis 78 stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel von Raumfahrzeugentwürfen dar, auf das als "Batsat" Bezug genommen wird.
Fig. 79 ist eine schematische Darstellung eines Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn, der Übertragungen von Kommunikationspaketen von einer Bodenstation verwendet, um die Umlaufbahnposition desselben zu berechnen.
Fig. 80 stellt den autonomen Umlaufbahnbestimmungsalgorithmus dar.
Fig. 81 ist ein Blockdiagramm einer Positionsbestimmungsschaltungsanordnung.
Fig. 82 stellt das autonome Lagenbestimmungsverfahren dar.
Fig. 83 ist ein schematisches Diagramm einer Knotenhardwarearchitektur.
Fig. 84 ist ein schematisches Diagramm einer Verbindungssteuerung.
Fig. 85 ist ein schematisches Diagramm eines Leitverfahrens.
Fig. 86 ist ein Flußdiagramm eines dynamischen Paketleitens.
Fig. 87 bis 89 sind Schemata, die Leitinformationsdiffusionsraten zeigen.
Fig. 90 ist ein schematisches Diagramm eines Ausgabemoduls.
Fig. 91 ist ein schematisches Diagramm einer Paketleitvorrichtung.
Fig. 92 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltarchitektur.
Fig. 93 ist ein weiteres schematisches Diagramm einer Paketstruktur.
Fig. 94 ist ein schematisches Diagramm, das den Signalfluß darstellt.
Fig. 95 ist ein schematisches Diagramm, das die Systemarchitektur offenbart.
Fig. 96 ist ein schematisches Diagramm eines Paketschalters und von Eingangs-Ausgangs-Prozessoren in einem Token-Ring.
Fig. 97 ist ein weiteres schematisches Diagramm eines Eingangspaketprozessors.
Fig. 98 ist ein schematisches Diagramm, das die IPP-Zentralsteuerung zeigt.
Fig. 99 ist ein schematisches Diagramm einer IPP-4-Stufen-Pipeline.
Fig. 100 ist ein schematisches Diagramm einer IPP-Optimalleitwegsteuerung.
Fig. 101 ist ein schematisches Diagramm, das eine Nachrichtenkommunikation darstellt.
Fig. 102 ist ein weiteres schematisches Diagramm eines 128 · 128-Schalters.
Fig. 103 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltzelle.
Fig. 104 ist eine abstrakte Ansicht der Satellitenkonstellation, die um die Erde umläuft.

BESTE WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Satellitenkommunikationssystem, das in dieser Patentanmeldung offenbart und beansprucht ist, überwindet die Grenzen, die die Leistung und das Potential von existierenden Telefonsystemen umschreiben. Die vorliegende Erfindung kann Kunden einen nicht-unterbrochenen Sprach-, Daten- und Videodienst über den ganzen Globus auf dem Land, auf See oder in der Luft anbieten. Statt lediglich existierende landbasierte Systeme zu verbessern oder auszudehnen, umgeht die vorliegende Erfindung zentralisierte irdische Schalthardware, indem die gesamte Intelligenz des Netzes in einer Umlaufbahn plaziert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen hierarchischen Systemen, die miteinander durch ein komplexes Gewebe von Drähten, Kabeln, Glasfasern und Mikrowellenzwischenverstärkern verbunden sind, die sehr aufwendig aufzubauen und aufrecht zu erhalten sind, setzt die vorliegende Erfindung das wahre Kommunikationspotential von existierenden landbasierten Netzen frei, indem Signale durch Raumfahrzeuge in einer niedrigen Erdumlaufbahn weitergeleitet werden.
Das wesentliche Merkmal des Systems, das in dieser Anmeldung offenbart ist, ist eine dynamische Konstellation von Satelliten. Jeder Satellit funktioniert als ein Kommunikationsknoten von gleichem Rang und Wichtigkeit, der mit dem nächsten Nachbarn desselben verbunden ist. Die Topologie der Konstellation ähnelt einer geodätischen Halle bzw. einem geodätischen Dom, was mehrere Vorteile gegenüber der Topologie von herkömmlichen Netzen bietet. Bei vorhergehenden Systemen wird ein bestimmter Anrufverkehr durch entfernte Knoten umgeleitet, wenn die direktesten Leitwege zwischen dem Ursprung und dem Ziel eines Anrufs vollständig mit Verkehr gesättigt sind. Diese langen Umleitungen beeinträchtigen stark die Qualität der Verbindung, indem Zeitverzögerungen, Echos und zusätzliches Rauschen eingeführt werden. Bei dem geodätischen Netz der vorliegenden Erfindung wird eine derartige niederqualitative Umleitung unnötig, da ein paralleler Leitweg gefunden werden kann, der die Verzögerungen lediglich durch eine relativ kleine Menge erhöht.
Die neue Konstellation von Satelliten bietet nicht nur eine elegante Antwort auf die Überlastungen durch Minimieren von nachteiligen Verkehrsumleitungen, sondern eliminiert ferner die verheerenden Folgen des Fehlers eines Knotens. Bei aktuellen Systemen wird, wenn ein Knoten versagt, der Dienst für die gesamten Abschnitte des Netzes unterbrochen. Im dramatischen Gegensatz dazu kann das Versagen eines Knotens in einem geodätischen System durch einfaches Entfernen des nicht-betriebsfähigen Satellitens aus dem Netz kompensiert werden. Benachbarte Raumfahrzeuge in dem Gewebe teilen dann solange die Arbeitslast ihres deaktivierten Nachbars, bis derselbe repariert oder ersetzt ist.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Satellitensystem in einer niedrigen Erdumlaufbahn auf, das 40 Raumfahrzeuge umfaßt, die sich in jeder der 21 Umlaufbahnebenen in einer Höhe von 700 km (435 Meilen) bewegen. Diese relativ große Anzahl von Satelliten in der Konstellation wurde ausgewählt, um eine ununterbrochene Abdeckung der Oberfläche der Erde bei hohen Strahlungswinkeln bezüglich der Oberfläche der Erde vorzusehen, wodurch Laub und Gelände vermieden und die Durchgangslänge des Signals durch Regen minimiert wird. Jedes der einzelnen 840 Raumfahrzeuge funktioniert als ein souveräner Schalter, der die Position der Nachbarn desselben kennt und unabhängig den Verkehr ohne eine Bodensteuerung handhabt. Die Satelliten können Anrufe zu Millionen von Kunden, die tragbare, mobile und feste Wohnsitz- und Geschäftsendgeräte verwenden, und zu Netzübergän gen zu öffentlichen Telefonnetzen übertragen. Die Konstellation verwendet die 20- und 30-GHz-Frequenzbänder für Kommunikationen zwischen der Erde und der Konstellation, und das 60-GHz-Band für eine Kommunikation zwischen den Satelliten. Die Verwendung dieser extrem hohen Frequenzen ermöglicht die Verwendung von relativ leistungsarmen miniaturisierten Antennenkomponenten, sowohl auf dem Boden als auch an Bord der Satelliten. Die gesamte Konstellation ist entworfen, um über 20 Millionen Teilnehmer und 60.000 Vollzeit-DS-0-Schaltungen (64 kbps) zu bedienen. Diese Satelliten werden mit ursprünglichen öffentlichen und privaten Telefonsystemen auf dem Boden durch Netzübergänge gekoppelt sein, die jeweils relativ große Antennen verwenden und große Volumina von Anrufverkehr handhaben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert diese Schnittstelle zwischen dem Netzübergang (Gateway) der irdischen Systeme und dem irdischen Netz auf den aktuellen Standard-ISDN-Schnittstellen, um eine Kompatibilität beizubehalten.
Im Gegensatz zu derzeit verfügbaren Zellularsystemen, die Anrufe zu Teilnehmern von lokalen Funktürmen weiterleiten, bietet die vorliegende Erfindung eine direkte Kommunikation zwischen den Satelliten der Konstellation und Individuen, die leichte tragbare, mobile und feste Telefone verwenden. Diese direkte Verbindung wird durch innovative Miniaturantennen ermöglicht, die mit Handtelefonen gekoppelt sind. Die Antennen können einstückig als Teil des Gehäuses von tragbaren Telefonen gebildet sein, oder können als getrennte Komponenten verwendet werden, die an der Außenseite eines Fahrzeugs angebracht sind. Dieselben sind entworfen, um mit Satelliten zu kommunizieren, die mehr als 40 Grad über dem Horizont des Benutzers liegen, so daß eine Störung und ein Schattieren, die durch das Gelände und nahe Gebäude bewirkt werden, im wesentlichen eliminiert werden. Die Handantennen weisen mehrelementige, elektronisch lenkbare phasengesteuerte Arrays auf, die lediglich ein paar Zoll im Durchmesser groß sind und weniger als 2 Zoll (5,1 cm) hoch sind. Obwohl die Signale von diesen Antennen ausreichend stark sind, um einen zuverlässigen Dienst praktisch überall auf dem Land, der See oder in der Luft zu liefern, ist die abgestrahlte Leistung ausreichend niedrig, um sicherzustellen, daß das Telefon keine wesentlichen Strahlenrisiken darstellt.
Eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung umfaßt ein facettiertes stark verstärkendes Antennenarray an jedem Satelliten. Dieses elektronisch gelenkte Array ist aus einer Anzahl von flachen Antennenpaneelen gebildet, die aus ultraleichten Bienenwabenmaterialien und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen gefertigt sind. Das Innere des domförmigen Antennenarrays enthält eine elektronische Ausrüstung und Batterien, und wird verwendet, um Solarzellenpaneele aufzunehmen, die sich entfalten, wenn das Raumfahrzeug die Endumlaufbahn desselben erreicht. Jedes Paneel enthält eine große Anzahl von monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC; MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit) aus Galliumarsenid (GaAs), die Antennenarrayelemente, Leistungsverstärker und rauscharme Empfängervorverstärker aufweisen. Die becherähnliche Form des Satelliten ermöglicht es, daß mehrere Satelliten in einer kompakten Anordnung ineinander gestellt werden, die in die Nutzlastbucht einer Trägerrakete paßt. Jedes Antennenarray erzeugt gleichzeitig 256 Strahlen, die zu 4.096 Positionen auf der Oberfläche der Erde gelenkt werden. Jeder einzelne Strahl beleuchtet eine Region auf dem Boden, die eine "Zelle" genannt wird, die grob 400 (20 · 20) Quadratkilometer mißt. Da die Zellen klein sind, und sich der Satellit sehr schnell über die Oberfläche der Erde bewegt, wird ein System, bei dem die Zellen relativ zu dem Satelliten fest sind, bewirken das ein Endgerät von Zelle zu Zelle alle paar Sekunden "übergeben" wird. Um dies zu vermeiden, wird ein innovatives logisches/physisches Zellabbildungsschema verwendet, um "erdfeste Zellen" zu erzeugen, was die Effizienz des Systems verbessert und das Klickgeräusch während Telefonanrufen, das aus einer konstanten Serie von Übergaben zwischen Satelliten resultiert, eliminiert.
Die vorliegende Erfindung enthält ferner eine neue Software, die auf einem Prozessor läuft, der in jedem Satelliten in dem Netz eingebaut ist. Autonome Umlaufbahnbestimmungs- (AOD-; AOD = Autonomous Orbit Determination) Algorithmen liefern jedem Raumfahrzeug Positionsinformationen über die eigene Position desselben und die Position von jedem anderen Satelliten in dem Netz. Diese Positionsinformationen werden verwendet, um den optimalen Weg zum Leiten von Anrufverkehr zwischen den Satelliten in der Konstellation zu bestimmen. Diese Daten werden ferner verwendet, um jedes Raumfahrzeug in der ordnungsgemäßen Umlaufbahnposition desselben zu halten, um Antennen zu lenken, die Signale von benachbarten Satelliten empfangen und senden, und können verwendet werden, um einen Funkbestimmungssatellitendienst (RDSS; RDSS Radio Determination Satellite Service) anzubieten, der gegenüber Diensten überlegen ist, die derzeit für den Globalpositionssystem- (GPS-) Dienst verfügbar sind. Ein Ausführungsbeispiel der AOD-Software verwendet einen Vermessungsalgorithmus, der Abstände zwischen Raumfahrzeugen oder zwischen Raumfahrzeugen und Bodenstationen berechnet, indem Zeitverzögerungen gemessen werden, die den Funkübertragungen inhärent sind, die durch das Netz befördert werden. Ein zweites Ausführungsbeispiel der AOD-Software enthält einen Algorithmus, der die Raumfahrzeugposition festlegt, indem die Dopplerverschiebungen von Satelliten- oder Bodenstationsübertragungen gemessen werden. Die AOD-Software bestimmt ferner die Lage des Raumfahrzeugs unter Verwendung von Daten aus der Antennenlenkfunktion. Ein drittes Ausführungsbeispiel verwendet Signale von bekannten Bodenendgeräten mit fester Position, um sowohl die Satellitenposition als auch die Lage mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.
Die AOD-Software erzeugt Positionsinformationen, die durch ein zweites Computerprogramm verwendet werden, das einen neuen anpassungsfähigen Leitalgorithmus (ARA; ARA = Adaptive Routing Algorithm) verwendet. Wie die AOD-Software läuft der ARA ununterbrochen in einem Prozessor an Bord jedes Satelliten. Die Ausgabe, die durch das AOD-Programm erzeugt wird, ermöglicht es, daß die ARA-Software die sich dauernd ändernde Topologie der Konstellation überwacht. Der ARA ist ferner für das Spurverfolgen des Anrufverkehrflusses durch die Knoten und Verbindungen der Konstellation verantwortlich, und dafür verantwortlich, einen Verkehrsstau und Knotenfehler zu kompensieren.
Jeder Satellit trägt eine Schaltungsanordnung eines schnellen Paketschalters, um Anrufe zwischen anderen Satelliten und zu Kunden auf der Erde, die tragbare, mobile und feste Endgeräte verwenden, zu richten. Die Sprach-, Daten- und Videoinformationen innerhalb der Telefonanrufe sind in einem digitalen Format angeordnet, das ein "Paket" genannt wird. Ein einziger Anruf kann Tausende, Millionen oder Milliarden von Paketen umfassen. Diese Pakete weisen eine Folge von mehreren hundert Einsen und Nullen auf und sind in zwei allgemeine Gruppen oder Zeichenfolgen von Bits aufgeteilt: die erste wird ein "Anfangsblock" genannt, auf die zweite wird als eine "Nutzlast" Bezug genommen. Der Anfangsblock umfaßt die Adresse des Ziels des Pakets, während die Nutzlast die digitalisierte Substanz des Anrufs selbst enthält. Die vorliegende Erfindung verwendet einen "Datagramm"-Lösungsansatz, der jedes Paket, das durch das System befördert wird, unabhängig bei jedem Knoten in dem Netz leitet. Die Pakete werden entlang eines optimierten Wegs durch das Netz durch einen schnellen Paketschalter gerichtet, der Verkehr basierend auf Anweisungen von dem Prozessor, der ununterbrochen den anpassungsfähigen Leitalgorithmus laufen läßt, richtet. Die neuen Schaltverfahren (Vermittlungsverfahren), die durch den schnellen Paketschalter verwendet werden, der in jedem Satelliten vorhanden ist, optimieren die Verwendung der Netzeinrichtungen und minimieren die Übertragungsverzögerungen.
Die vorliegende Erfindung wird nicht nur eine enorme Erweiterung der Telefonkapazität liefern, sondern dieselbe wird ferner einen breiten Bereich von Diensten bieten, die die steigende Weltnachfrage im nächsten Jahrhundert erfüllen.
Durch Befreien von herkömmlichen landbasierten Systemen von der Tyrannei hierarchischer und zentralisierter Schalteinrichtungen auf dem Boden, wird das Satellitenkommunikationssystem die Telekommunikationsindustrie revolutionieren.

SYSTEMÜBERBLICK UND SYSTEMARCHITEKTUR

Fig. 1 ist ein abstraktes Blockdiagramm, das die Grundarchitektur von einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umreißt. Das Ende-zu-Ende-Netzmodell 10, das in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich von einem ersten verallgemeinerten Benutzerendgerät 12 und umfaßt eine erste Netzschnittstelle 14, das "anrufende Netz" 16, eine zweite Netzschnittstelle 18 und ein zweites verallgemeinertes Benutzerendgerät 20. Dieses System 10 weist ein Schnellpaketnetz mit lediglich einer einzigen Schnittstelle zu und von dem Netz auf, das zwei allgemeine Arten von Nachrichten transportiert. Diese zwei Typen von Nachrichten sind der Betriebsverkehr 22 und der Benutzerverkehr 24. Diese architektonische Konfiguration steht im Gegensatz zu früheren herkömmlichen Netzen, die getrennte Schnittstellen und Netze zum Signalisieren und zur Anrufhandhabung enthalten. Die Benutzerendgeräte 12 und 20, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind verallgemeinerte Endgeräte, die einen speziellen Kommunikationsweg durch das System 10 definieren. Das gesamte Kommunikationssystem 10 ist entworfen, um viele Millionen oder Milliarden von Endgeräten zu bedienen.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines einzigen Satelliten (S) der Konstellation, der in einem der 21 Umlaufbahnen 28 arbeitet, die die Erde (E) umkreisen. Eine abstrakte Ansicht einer dichter besetzten Konstellation (C) ist gezeigt, die die Erde in Fig. 104 umläuft.
Fig. 3 stellt Funktionsblöcke dar, die jeweils ein spezialisiertes Signalverarbeiten vorsehen. Die Komponenten, die in Fig. 3 dargestellt sind, können sich in einem persönlichen Handtelefon (P), einem mobilen Telefon bzw. Mobiltelefon (M), einem festen Telefon bzw. Festtelefon (F) befinden oder können bei einem Netzübergang (G; G = Gateway) positioniert sein. Jeder dieser Blöcke nimmt eine spezielle Position entlang eines Kommunikationswegs ein, der sich bis zu einem oder mehreren Satelliten 5 über eine Antenne und dann zurück nach unten durch die Antenne zu dem Endgerät 30 erstreckt. Obwohl dieses Netz 28 praktisch jede beliebige Form von Informationen befördern kann, einschließlich Audio-, Video- oder Datensignalen, hebt Fig. 3 einen Telefonanruf hervor, bei dem Stimmen von jedem Ende des Anrufs durch das Netz übertragen werden. Der Benutzer gewinnt einen Zugang zu dem Netz, indem derselbe das Tastaturfeld und die Anzeige 31 in dem Endgerät 30 verwendet. Töne und Text, die auf der Anzeige 31 erscheinen und die dazu beitragen, den Benutzer durch die Zugangsprozedur zu führen, werden durch die Schaltungsanordnung in der Stufe 33 erzeugt. Sobald der Anruf eingerichtet ist, wird die Stimme des Benutzers, die in der Zeichnung als ein analoges Sprachsignal 32 dargestellt ist, durch einen Analog-zu-Digital-Wandler ("A/D"-Wandler) 34 verarbeitet. Das digitalisierte Ausgangssignal 36, das durch den Wandler 34 erzeugt wird, ist ein Strom von Einsen und Nullen, die mit einer Rate von 64.000 Bit pro Sekunde (KBIT/s) erzeugt werden. Das digitale Signal 36 wird dann durch einen Sprachcodierer 38 verarbeitet, der eine digital codierte Sprache 40 liefert. Um Telefonanrufe vor Lauschern zu schützen, wird das Signal zu einer Verschlüsselungsausrüstung 42 weitergeleitet, die einen Verschlüsselungsschlüssel 44 aus einem Signalisierungs- und Steuerprozessor 46 verwendet. Das verschlüsselte Ausgangssignal 48 wird dann mit Folgezahlen 50, Zieladressen 52 und Signalpaketen 54, die durch den Prozessor 46 erzeugt werden, kombiniert. Alle diese Signale werden miteinander durch eine Paketanordnungsvorrichtung 56 gemischt, die die Pakete 58 zusammensetzt. Ein Fehlercodierer 60 fügt Informationen zu den Paketen 58 hinzu, die es ermöglichen, daß die Pakete 58 nach übertragungshervorgerufenen Fehlern weiter stromabwärts überprüft werden. Die Pakete 58, die bereit sind, um transportiert zu werden, warten in einem Sendepuffer 62. In der letzten Verarbeitungsstufe, die dem Aufwärtsabschnitt (Up-Link) der Strecke zugeordnet ist, werden Pakete 58 zu dem Sender 64 weitergeleitet, der mit einer Leistungssteuerschaltungsanordnung 66 und einer Rahmen- und Bit-Zeitsteuerungsschaltungsanordnung 68 gekoppelt ist. Schließlich werden Funksignale 72 von einer Antenne 70 emittiert, die durch lenkende logische Schaltungen 74 gesteuert werden kann.
Signale 76, die von einem Satelliten 5 abgesetzt werden, können durch die gleiche Antenne 70 erfaßt werden und dieselben werden durch einen Empfänger 78 und einen Adreßdecodierer 80 verarbeitet, der Endgerätebezeichnerinformationen 82 von dem Signalisierungs- und Steuerprozessor 46 empfängt. Nachdem beliebige Fehler durch einen Fehlerdetektor 84 entdeckt wurden, wird der Anfangsblockabschnitt des Pakets durch eine Anfangsblockdecodierstufe 86 gelesen. Sobald die Anfangsblöcke decodiert sind, werden Signalpakete 88 zu dem Signalisierungs- und Steuerprozessor 46 gesendet, und Sprachpakete 90, die die Sprach-"Ladung" tragen, werden zu einem Packetempfangspuffer 92 weitergeleitet. Diese Pakete 90 werden bei einer Stufe 94 resequentialisiert und unter Verwendung des Schlüssels 96 bei einer Stufe 98 entschlüsselt. Bei diesem Punkt wird das digitale Signal einer Sprachdecodierung 100, einer Echounterdrückung 102 unterzogen, und als ein analoges Signal bei dem Wandler 104 wiederhergestellt, das durch den Benutzer bei dem Endgerät 30 wahrgenommen werden kann.
Fig. 4 stellt ein Blockdiagramm einer Erdstation oder eines Netzübergangs G dar. Der Netzübergang G weist Antennen 106 auf, die Signale zu lokalen und fernen Empfängern 108 und 110 befördern. Diese Antennen 106 können direkt mit den Satelliten 5 in dem Netz kommunizieren. Eine Gruppe von lokalen und fernen Empfängern 108 und 110 ist direkt mit einem schnellen Paketschalter 118 gekoppelt, während eine weitere Gruppe 112 und 114 mit dem schnellen Paketschalter 118 durch die Empfängerauswahllogik 116 gekoppelt ist. Der schnelle Paketschalter 118 umfaßt die Ankommend-Steuerschaltung 120, die Abgehend-Steuerschaltung 122 und eine Paketanordnungs- und Zerlegungs-Schnittstelle 124. Eine Serie von Paketanordnungs- und Zerlegungs- (PAD-) Stufen 126 verbindet den schnellen Paketschalter 118 mit einer Zugangsschaltvorrichtung 130 über DS-1-Verbindungen 128. Die Zugangsschaltvorrichtung 130 weist eine Testzugangsschaltungsanordnung 132 auf, die eine Verbindung für einen Raumfahrzeugszugang 136, eine Steuerschaltungsanordnung 134 und einen Taktgeber 146 umfaßt. Sowohl der geschaltete als auch der nichtgeschaltete Verkehr 138 und 140 werden über DS-0-Verbindungen ausgetragen, die ihrerseits durch größere DS-1-Verbindungen befördert werden. Die lokale Steuerung der Zugangsschaltvorrichtung 130 in dem Übergang G wird über die Verbindung 142 beibehalten. Ein zweckgebundener Zugang zu einer der PADs 126 wird über die Verbindung 144 geliefert. Äußere Telefonträger 154 sind mit der Zugangsschaltvorrichtung 130 durch Betriebssysteme 148, DS-1-Schnittstellen 150 und kundenspezifische oder Standardschnittstellen 152 gekoppelt.
Fig. 5 stellt ein "Ping-Pong"-Diagramm 156 dar, das die Folge von Ereignissen darstellt, die auftritt, wenn ein Anruf zwischen einem Endgerät und einer Landleitung plaziert wird. Unterschiedliche Abschnitte des Diagramms zeigen Schritte, die bei dem Endgerät und in den verschiedenen Satelliten und Übergängen (Gateways) auftreten. Das Diagramm zeigt eine Folge von Ereignissen, bei denen ein Endgerät zunächst anfragt und dann ein Kommunikationskanal zugewiesen wird. Nachdem die Teilnehmerinformationen beglaubigt sind, wird ein Anruf konfiguriert oder "eingerichtet" und schließlich beendet oder "freigegeben".
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Grundarchitektur der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Abschnitt des Netzes 158 umfaßt Satellitenknoten 160, die über Zwischensatellitenverbindungen 162 kommunizieren. Signale werden zwischen den umlaufenden Knoten 160 und den Netzübergangsschnittstellen 166 über Netzübergangs-Satelliten-Verbindun gen (GSLs; GSL = Gateway-Satellite Link) 164 weitergeleitet. Die Netzübergangsschnittstellen 166 sind ihrerseits mit Betriebsunterstützungssystemen 168, Merkmalsprozessoren 170, Netzübergangsschaltern 172 und Datenbanksystemen 174 verbunden. Wie schematisch in Fig. 6 gezeigt, kommuniziert das Netz 158 ferner direkt mit Teilnehmern 178, die Handtelefone und Autotelefone 182 verwenden, über Mobilendgerät-Satelliten-Verbindungen (MTSLs; MTSL = Mobile Terminal Satellite Links) 176 und 180, die 16 Kilobit von Sprach- oder Datensignalen pro Sekunde (kbps) tragen können. Teilnehmer 186, die Festendgerät-Satelliten-Verbindungen (FTSLs; FTSL = Fixed Terminal Satellite Links) 184 verwenden, können mit einer Rate von 64 kbps kommunizieren. Die Vorrichtungen und die Verfahren, die in Fig. 3, 4, 5 und 6 dargestellt sind, sind detaillierter in den Abschnitten, die im folgenden mit dem Titel Systemkommunikationsverbindungen und und Anruftandhabung erscheinen, erklärt.

IRDISCHE ANTENNEN

Fig. 7 stellt ein tragbares Handtelefon dar, das eine irdische (terrestrische) Antenne für ein Satellitenkommunikationssystem umfaßt. Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird eine halbkugelförmige Millimeterwellenantenne 210 in Verbindung mit einem tragbaren Telefon T verarendet, das einen LCD-Anzeigebildschirm L, ein Tastaturfeld K und ein Batteriepaket B umfaßt. Bei dieser Version eines kompakten Handsenders T ist die Antenne 210 an einem faßbaren Mast M angebracht, der sowohl in ausgedehnter als auch verstauter Position EX und ST gezeigt ist.
Fig. 8 und 9 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht der Erfindung 210A, die ein allgemein trapezförmiges halbkegelförmiges Gehäuse umfaßt. Eine geneigte äußere Oberfläche 212 umfaßt einen oberen und einen unteren Abschnitt 212a und 212b. Dieser gekippte Ring 212 ist an sowohl einer oberen kreisförmigen Oberfläche 214 als auch einer unteren kreisförmigen Oberfläche 216 befestigt. Sowohl die Seitenoberflächen als auch die oberen Oberflächen 212 und 214 sehen einen Träger für eine Anzahl von allgemein kreisförmigen Antennenelementen 218 vor. Die Teilflächen 218 an der Seite 212 der Antenne 210A bilden ein Azimutharray, während dieselben, die auf dem oberen Ende 214 liegen, zu einem Höhenarray gehören. Diese Elemente 218 verwenden eine leitfähige Teilfläche 220, die einen Kreuzschlitz 222 trägt, der aus zwei einzelnen senkrechten Schlitzen 222a und 222b gebildet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel, das zur Verwendung in dem 20-GHz-Band entworfen ist, ist der Durchmesser der oberen Oberfläche 214 l,5 Zoll (3,8 cm). Die Seitenoberfläche 212 ist 1,0 Zoll (2,5 cm) hoch, und die untere Oberfläche 216 ist 2,5 Zoll (6,4 cm) breit. Die Nennverstärkung dieses Ausführungsbeispiels ist etwa 20 dB. Für das 30-GHz- Band schrumpft der Durchmesser der strahlenden Teilflächen auf etwa 70% der größeren 20-GHz-Antennenteilfläche. Für eine trapezförmige Geometrie, bei der das Verhältnis der unteren Fläche 216 zu der oberen Fläche 214 5/3 ist, können Strahlen, die von diesem Ausführungsbeispiel ausgehen, elektronisch über 360 Grad in der Azimuthebene plus oder minus 60 Grad in der Höhenebene gelenkt werden. Aktive und passive Mikrowellenkomponenten sind innerhalb des Gehäuses an einer Massenebene befestigt positioniert.
Fig. 10 und 11 stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung 210B dar, das Doppelfrequenzstrahlelemente verwendet, die auf einer halbkugelförmigen oder domförmigen Oberfläche positioniert sind. Eine halbkugelförmige Oberfläche 224, die an eine untere kreisförmige Oberfläche 226 angepaßt ist, ist durch ein Antennenelement 218 bedeckt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Konfiguration 210B verwendet einen Dom mit einem Durchmesser von etwa 2,5 Zoll (1 cm). Die Nennverstärkung der halbkugelförmigen Antenne ist etwa 20 dB über den gewünschten Bereich von Abtastwinkeln. Die Strahlelemente liefern zusammen mit dem integrierten Phasenschieber derselben ein Lenken des Strahls über 360 Grad in der Azimuthebene und plus oder minus 60 Grad in der Höhenebene. Eine Variation des Domausführungsbeispiels 210B ist durch eine abgeflachte oder gestutzte Oberfläche an dem oberen Ende des Doms gekennzeichnet.
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung 210C, das die Form eines geraden kreisförmigen Zylinders mit einer gekrümmten zylindrischen Oberfläche 228, einer oberen kreisförmigen Oberfläche 230 und einer unteren kreisförmigen Oberfläche 232 annimmt. Wie die Halbkugel 210B besitzt die zylinderförmige Antenne 210C eine Nennverstärkung von 20 dB und bietet ein Strahllenken über 360 Grad in der Azimuthebene und plus oder minus 70 Grad in der Höhenebene. Für den Betrieb bei 20 GHz ist die Antenne entworfen, um quer 3 Zoll (7,6 cm) zu messen und 1 Zoll (2,5 cm) hoch zu sein. Eine Reduktion von 30 bis 40% kann erreicht werden, wenn die 30-GHz-Frequenz verwendet wird.
Fig. 13 und 14 liefern detaillierte Wiedergaben von einem der kreisförmigen Antennenelemente 218. Fig. 13 ist eine Draufsicht, die eine leitfähige Teilflächenschicht 220 umfaßt, die gefräst, geformt oder geätzt wurde, so daß dieselbe zwei sich schneidende Schlitze 222a und 222b trägt. Der resultierende Kreuzschlitz 222 weist zwei senkrechte Schlitze auf, die ungleiche Längen besitzen. Die verschiedenen Längen stellen sicher, daß die Strahlung, die von der Antenne 210 emittiert wird, zirkular polarisiert ist. Fig. 14 stellt einen Querschnitt eines Elements 218 dar. Eine Kupferteilfläche 220, die den Kreuzschlitz 222 umfaßt, sitzt auf einer nicht-leitfähigen Substratschicht 234, die über einer Massenebenenschicht 236 liegt. Jede leitfähige Teilfläche 220 ist 233 Millizoll im Durchmesser und von 0,25 bis 1,0 Millizoll dick.
Fig. 15, 16, 17, 18 und 19 liefern schematische Diagramme eines Fünf-Bit-Zeitverzögerungsphasenschiebers 238. Jede Druckschaltungsverzögerungsleitung 240, 242, 244, 246 und 248 liefert abhängig von der Leitungslänge die notwendige Phasenverschiebung. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liefern diese Leitungen 240, 242, 244, 246 und 248 Phasenverschiebungen von 11,25, 22,50, 25,00, 90,00 bzw. 180,00 Grad. Die vorliegende Erfindung verwendet diese leitfähigen Wege, um die geeignete Verzögerung zum Lenken der Antennenstrahlen auszuwählen. Jedes Antennenelement 218 ist mit dem eigenen Phasenschieber 238 desselben gekoppelt. Die Serienresonanzdruckschaltungsteilflächenarrays sind durch Verbinden der Reihen von Teilflächen durch Hochimpedanzmikrostreifenleitungen gebildet. Diese strahlenden Teilflächenelemente werden durch verlustarme Mikrostreifenleitungen erregt, die senkrecht zu den Resonanzarrays angeordnet sind. Jede Speiseleitung wird alle Resonanzarrays erregen, wodurch ein Schmalbündel in der Breitseitenrichtung gebildet wird. Die Richtung des Strahls wird durch die verlustarmen Phasenschiebeelemente mit Festkörperschaltern gelenkt, die in der Speiseleitung positioniert sind. Die vorliegende Erfindung kombiniert den phasengesteuerten Arrayabschnitt und einen Strahlformer (eine Strahlbündelvorrichtung) mit einer gewöhnlichen Öffnung in eine kompakte, verlustarme Antennenstruktur mit kleinem Profil.
Fig. 20, 21 und 22 zeigen eine Seitenansicht, eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung 250, das eine halbkugelförmige Struktur 252 enthält, die durch Doppelfrequenzantennenelemente 254 bedeckt ist. Fig. 23 und 24 zeigen eine vergrößerte Seitenansicht und eine vergrößerte Draufsicht von einem der alternativen Ausführungsbeispiele der Doppelfrequenzantennen. Die Kante der unteren kreisförmigen Oberfläche 253 ist in Fig. 23 sichtbar. Fig. 25 und 26 zeigen eine vergrößerte Draufsicht und eine vergrößerte Querschnittsansicht von einem der Doppelfrequenzantennenelemente 254, das eine obere leitfähige Schicht 256, eine untere leitfähige Schicht 258 und zwei leitfähige Durchgänge 259 und 260 umfaßt. Die Querschnittsansicht in Fig. 26 stellt ferner eine Schaumschicht 262, eine dielektrische Schicht 264 und eine Massenebenenschicht 266 dar. Die Strahlelemente sind auf ein Hochleistungssubstrat gedruckt. Die Speisenetze und die Verteilungsschaltungen sind auf die untere Seite des Substrats gedruckt. Die aktiven Mikrowellenkomponenten sind unterhalb des dielektrischen Substrats positioniert. Die gesamte Antennenstruktur ist an der Massenplatte 266 befestigt.
Fig. 27 und 28 zeigen schematische Blockdiagramme der Empfangs- und der Sendeschaltung 268 und 297, die in einem der mehreren Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden. Die Empfangsschaltung 268 weist ein 20-GHz-Druckschaltungs-Vierelementteilarray 270 auf, das Speisungen 272 umfaßt. Die Speisungen 272 befördern Signale zu einem ersten Hochfrequenz- (HF-) Verstärker 274, einem ersten Bandpaßfilter (BPF) 276, einem zweiten HF-Verstärker 278 und einem Mischer 280. Der Mischer 280 kombiniert das Ausgangssignal des zweiten HF-Verstärkers 278 und einer Quelle 28 : 2, die ihrerseits das Ausgangssignal eines Synthesizers 284 empfängt. Das Ausgangssignal des Mischers 280 wird zu einem dritten HF-Verstärker 286 und zu einem Zwischenfrequenz- (IF-) Bandpaßfilter (BPF) 290, einem Analog-zu-Digital- (A/D-) Wandler 292, einem digitalen Bandpaßfilter (DEIP) 294 und einem Schwellendetektor 296 gespeist. Ein Decodierer 288 ist mit der Ausgangsanschlußleitung des HF-Verstärkers 286 verbunden. Die Sendeschaltung 297, die in Fig. 28 gezeigt ist, enthält ein 30-GHz-Druckschaltungs-Vierelementteilarray 298, das Speisungen 300 aufweist, die mit einem Verstärker 302, einem Codierer 304, einer HF-Quelle 306 und einem Synthesizer 308 gekoppelt sind.
Fig. 29 und 30 stellen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels 310 einer miniaturisierten Antenne dar, die durch ein oberes Element 312, Strahlungselemente 314, ein weiches Substrat 315, eine Massenebene 316 und ein Pseudoelement 317 (Dummy-Element) gekennzeichnet ist. Die Strahlungselemente 314 sind in einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet und sind um etwa 0,075 Zoll (0,19 cm) getrennt.
Fig. 31, 32, 33 und 34 sind Draufsichten und Querschnittsansichten von Doppelfrequenzantennen. Fig. 31 zeigt eine Draufsicht 318 eines 30-GHz-Druckschaltungs-Teilflächenelements 320 über einem 20-GHz-Teilflächenelement 322. Fig. 32 zeigt die gleiche Hardware in einer Querschnittsseitenansicht 326, die die Substratschicht 324, die die 20-GHz- und die 30-GHz-Elemente 320 und 322 trennt, sowie eine Schicht aus Schaum 328 und eine Masseebene 330 zeigt. Fig. 33 zeigt eine Serie von 20- und 30-GHz-Teilflächen, die sich zusammen auf einem Abschnitt einer Antenne befinden. Fig. 33 und 34 stellen eine alternative Anordnung dar, bei der die aktiven Teilflächen 320 und 322 sich im Gegensatz dazu, daß das Element 322 innerhalb des Substrats 324, wie in Fig. 32 gezeigt ist, eingebettet ist, auf beiden Seiten des Substrats 324 befinden.
Fig. 35 und 36 zeigen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer Antenne mit einem hexagonalen Gitter. Fig. 35 weist eine Querschnittsansicht 332 auf, die ein Radom 334, das ein Pseudoelement 335 bedeckt, Doppelfrequenzdruckschaltungselemente 336 und 337, ein Mikrowellensubstrat 338, Speisenetze und Verteilungsschaltungen 340, aktive Mikrowellenkomponenten 342 und eine Massenebenen- und Trägerstruktur 344 umfaßt. Die Draufsicht, die in Fig. 36 gezeigt ist, zeigt ein Array von 20- und 30-GHz-Teilflächen 336 und 337, die in ein hexagonales Gitter mit dem Pseudoelement 335 in der Mitte desselben entfaltet sind.
Die irdischen Antennen, die oben offenbart sind, können für Sprach- oder Datenkommunikationen verwendet werden. Die tragbare Sende/Empfangs-Gerät-Einheit T, die die vorliegende Erfindung 210 enthält, wird eine direkte Boden-zu-Satelliten-Verbindung (GSL) zu einer Konstellation von 840 Raumfahrzeugen in einer niedrigen Erdumlaufbahn liefern. Die kompakten Antennen 210 sind entworfen, um Signale zu Satelliten zu senden und von denselben zu empfangen, die innerhalb eines Kegels liegen, der eine vertikale Achse aufweist, die hin zu dem Zenit zeigt, der quer 80 Grad mißt. Der Winkel von dem Endgerät zu dem Satelliten, der der "Maskenwinkel" genannt wird, ist ausreichend weit, um sicherzustellen, daß es mindestens immer zwei Satelliten in der Konstellation gibt, die oben fliegen, um tragbare Einheiten zu bedienen, derselbe ist jedoch ferner ausreichend hoch über dem Horizont, um praktisch eine Versperrung durch Gelände, Gebäude oder Bäume zu eliminieren. Der 40-Grad-Maskenwinkel begrenzt außerdem die Weglänge des Signals, schützt die Verbindungsränder und reduziert folglich die Leistungserfordernisse.
Für eine optimale Leistung sollte die vertikale Achse der Antenne 210 zu dem Zenit zeigen, die Strahllenkfähigkeiten der Antenne 210 können jedoch die Effekte überwinden, die beim Verwenden des Sende/Empfangs-Geräts T in unterschiedlichen Winkeln auftreten, solange das Signal von dem tragbaren Telefon irgendwo in den Maskenwinkel zeigend verbleibt. Wenn die Ausrichtung der Antenne 210 ein Problem für den Teilnehmer darstellt, kann die Handeinheit mit einer äußeren Antenne verbunden werden, die in einem festen Winkel angebracht ist, oder die empfindlicher ist. Der leistungsarme Entwurf der vorliegenden Erfindung eliminiert im wesentlichen jedes Strahlenrisiko.
Die Anzahl der Elemente 218, die auf den Antennen 210 entfaltet werden, ist direkt proportional zu der Gesamtverstärkung, die durch das Array erreicht wird. Die Zahl N für ein hexagonales Gitter ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
N = ((1,5 · ))²
D ist die Öffnung und λ ist die Wellenlänge bei der höchsten Frequenz. Dieser Ausdruck zeigt, daß etwa 61 Elemente, die eine Öffnung von 2 Zoll (5,1 cm) aufweisen, für eine Frequenz von 30 GHz verwendet werden sollten. Die geeignete Phasenverschiebung φ, die elektronisch ausgewählt wird, um die Strahlen unter Verwendung der verschiedenen Mikrostreifenphasenverzögerungsleitungen zu lenken, ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
φ = 2πλ/d sinΘ
Q ist der Abtastwinkel.
Die Entwurfswahlen für die Auswahl der Materialien sind größtenteils durch die Leistungserfordernisse bestinunt, die bei der Verwendung der 20-GHz- und der 30-GHz-Frequenzbänder angetroffen werden. Drei kommerziell erhältliche Materialien sind für die Substrate der vorliegenden Erfindung geeignet. Diese umfassen starres Rohacell-Polystrolschaummaterial und Roger-RT/5870- und Roger-RT/5880-Materialien, die beide glasmikrofaserverstärkte PTFE-Verbundwerkstoffsubstrate sind. Obwohl eine Teflon-Glasfaser ein extrem starres Material ist, was eine wünschenswerte Eigenschaft für das Substrat ist, sind die Kosten für dieselbe nahezu doppelt so hoch wie die bei Polystrolschaum. Die dielektrische Konstante (Dielektrizitätskonstante) er für jedes dieser Substrate reicht von 1,35 bis 2,55. Obwohl Polystrolschaum das kostengünstigste Material ist, ist dasselbe wesentlich weniger starr als entweder RT/5870 oder RT/5880. Eine viertel Unze Kupfer wird für die Druckschaltungsantennenelemente verwendet. Die Gehäusehülle kann aus einer leichten Aluminiumlegierung gefertigt werden.

SCHNELLER PAKETSCHALTER

Der schnelle Paketschalter, der sich an Bord jedes Satelliten in der Konstellation befindet, sieht ein neues schnelles Paketschalten (Paketvermitteln) für ein Netz mit einer sich schnell ändernden Topologie vor. Jedes Paket, das durch das Netz bewegt wird, wird unabhängig bei jedem Netzknoten entlang eines optimalen Leitwegs, der durch einen neuen anpassungsfähigen Leitalgorithmus bestimmt wird, geleitet.
Die Schaltverfahren, die in dieser Patentanmeldung offenbart und beansprucht sind, überwinden die Begrenzungen, die bei dem herkömmlichen Paketschalten (Paketvermitteln) unter Verwendung von virtuellen Schaltungen angetroffen werden. Der schnelle Paketschalter verwendet einen "Datagramm"-Lösungsansatz, der jedes Paket, das durch das System befördert wird, unabhängig bei jedem Knoten in dem Netz leitet. Die Pakete werden entlang eines optimierten Wegs durch das Netz durch einen schnellen Paketschalter geleitet, der den Verkehr basierend auf Befehlen von einem Mikroprozessor richtet, der ununterbrochen einen anpassungsfähigen Leitalgorithmus laufen läßt. Dieser Mikroprozessor verwendet Umlaufbahnpositionsinformationen, die an Bord jedes Raumfahrzeugs erzeugt werden, um die sich schnell ändernde Topologie der Konstellation und die Verteilung des Verkehrs zwischen den Knoten und den Verbindungen derselben zu überwachen.
Der selbstleitende schnelle Paketschalter arbeitet in Kombination mit einem Eingangspaketprozessor, einem Leitcachespeicher und einem anpassungsfähigen Leitprozessor. Der Eingangspaketprozessor funktioniert wie ein Pförtner oder eine Führer, der die Zielknotenadresse aus jedem Paket extrahiert und dieselbe verwendet, um auf die Leitinformationen, die in dem Leitcachespeicher gespeichert sind, zuzugreifen. Der anpassungsfähige Leitprozessor aktualisiert ständig den Leitcachespeicher, so daß jeder Satellit eine genaue "Kenntnis" des Aufenthaltsorts von allen Nachbarn desselben und von der erwarteten Paketverzögerung von benachbarten Knoten zu allen möglichen Zielknoten besitzt. Basierend auf dieser Position und den Informationen über die erwartete Verzögerung wählt der anpassungsfähige Leitprozessor den besten Weg von einem speziellen Satelliten zu einem einzelnen benachbarten Satelliten aus, und das Paket wird dann durch die innere Schaltungsanordnung des Schalters, die sich an Bord des Satelli ten befindet, auf dem Weg desselben zu einem anderen Raumfahrzeug und auf der Reise desselben zu einem Endziel auf der Erde bewegt. Die Schaltverfahren der vorliegenden Erfindung optimieren die Verwendung der Netzeinrichtungen und minimieren Übertragungsverzögerungen und Varianzen der Übertragungsverzögerungen. Durch schrittweises Vorberechnen des optimalen Leitwegs für jedes Paket in jedem Satelliten wird die Zeitmenge, die erforderlich ist, um die einzelnen Pakete zu verarbeiten, stark reduziert.
Fig. 37 ist ein Flußdiagramm 410, das das Schaltverfahren (Vermittlungsverfahren) erklärt, so wie dasselbe in jedem Satelliten S in der Konstellation C auftritt. Die Umlaufbahnpositionsinformationen 412 sind eine Eingabe in den anpassungsfähigen Leitprozessor 414, der einen anpassungsfähigen Leitalgorithmus (ARA) 416 laufen läßt. Der ARA 416 überwacht ständig das Ändern der Positionen von allen Raumfahrzeugen S in dem Netz und verfolgt ferner Kommunikationsverkehrsstauungen zwischen den Verbindungen und den Knoten des Systems. Der anpassungsfähige Leitprozessor 414 erzeugt ein Ausgangssignal, das "Nächster-Knoten-auf-dem-Weg-zu-dem- Ziel" 418 genannt wird. Wie der Name sagt, enthält dieses Ausgangssignal 418 Informationen und liefert Befehle zum knotenweisen Bewegen von Kommunikationsdaten durch das Netz.
Pakete 422, die durch eine Paketierschaltung (nicht gezeigt) erzeugt werden, kommen bei einem der Satelliten S von einem tragbaren P, mobilen M oder festen F Endgerät oder Netzübergang G oder von einem anderen Satelliten S an. Die Paketierschaltungen können Analog-zu-Digital-Wandler umfassen, die in der Elektronik gut bekannt sind, die Audiosignale in Ströme von digitalen Bits übersetzen. Jedes Paket 422 weist eine Zeichenfolge von Einsen und Nullen auf und ist in zwei allgemeine Abschnitte aufgeteilt, die ein Anfangsblock 424 und eine Nutzlast 426 genannt werden. Der Anfangsblock 424 umfaßt die Adresse des Ziels des Pakets und Informationen, die ein Zielknoten 432 genannt werden, die sich insbesondere auf die Position in dem Netz beziehen, zu der das Paket ge liefert werden muß. Ein Eingangspaketprozessor 428 empfängt eine asynchrone Folge von Paketen in einem seriellen Übertragungsformat. Jedes Paket 422 enthält Informationen in dem Anfangsblockabschnitt 424 desselben, die es einer Schaltungsanordnung an Bord des Satelliten S ermöglichen, die Pakete 422 zu leiten. Der Eingangspaketprozessor 428 extrahiert die Zielknoteninformationen aus jedem Paket 422 und leitet den Zielknoten 432 als ein Eingangssignal in einen Leitcachespeicher 420 weiter. Dieser Speicher 420 ist ferner der Empfänger des Nächster-Knoten-auf dem-Weg-zu-dem-Ziel- Ausgangssignals 418, das durch den anpassungsfähigen Leitprozessor 414 erzeugt wird. Da der Leitcachespeicher 420 durch mehr als einen Eingangspaketprozessor 428 verwendet wird, können eine Zeitablaufsteuerung oder mehrere Cachespeicher verwendet werden, um Streitprobleme zu eliminieren, die auftreten, wenn mehr als ein Eingangspaketprozessor 428 die Dienste des Cache 420 erbittet.
Der Eingangspaketprozessor 428 empfängt ein Nächster-Knoten-Leit-Etikett 430 von dem Leitcachespeicher 420, stellt das Etikett 430 dem verarbeiteten Paket 434 voran, und leitet das Paket 434 zu einem schnellen Paketschalter 438 weiter. Der Schalter 438 empfängt das verarbeitete Paket 434 durch eines der vielen Eingangstore 436 desselben, und befördert dasselbe zu einem der vielen Mehrstufenselbstleitschaltabschnitte (MSSRSS; MSSRSS = Multi-Stage Self-Routing Switch Sections) innerhalb desselben. Das Etikett 430 wird durch einen MSSRSS gelesen, und der MSSRSS leitet dasselbe zu einem asynchronen Paketmultiplexabschnitt (APMS; APMS = Asynchronous Package Multiplexing Section) automatisch weiter. Der Multiplexabschnitt multiplexiert die Pakete 434, die parallel von verschiedenen Eingangstoren 436 empfangen werden, in einen seriellen Ausgangsstrom bei einem der Ausgangstore 440 desselben.
Fig. 38 stellt ein Blockdiagramm eines Satellitenschaltknotens 442 dar. Ein schneller Paketschalter 438 ist in dem oberen Abschnitt des Diagramms gezeigt und empfängt Signale von einer Serie von Schaltungsmodulen 444 und 452. Das Modul 444 umfaßt einen Empfänger 446, der mit Empfangsantennen (nicht in Fig. 38 gezeigt), einem Demodulator 448 und einem Bitpaket-Synchronisierer 450 gekoppelt ist. Das Modul 452 liefert eine Eingangspaketsteuerung und weist Schaltungen zur Fehlererfassung 454, zur Paketetikettierung 456, für einen lokalen Cachezugriff 458 und für einen Netzcachezugriff 460 auf. Die Serie von Eingangspaketsteuermodulen 452 ist ferner mit einem Steuerkomplex 462 durch einen lokalen Leitcache 476 und einen lokalen Leit- und Übergabe-Prozessor 474 verbunden. Eine weitere Verbindung zu den Eingangspaketsteuermodulen 452 ist mit dem Steuerkomplex 462 durch einen Netzleitcache 480 und einen Netzverwaltungs- und Leitprozessor 478 gekoppelt. Der Steuerkomplex 462 ist ein Array von Schaltungsstufen, das einen Signalisierungs- und Rufsteuer-Prozessor 464, einen Test- und Wartungs-Prozessor 466, einen Systemsteuerungs- und Neulade-Prozessor 468, einen Fakturierungs- und Verkehrs-Prozessor 470 und einen Satelliten-Ephemeriden-Prozessor 472 umfaßt. Der Steuerkomplex 462 ist mit einem Kommunikationsprozessor 482, einem Ersatzprozessor 484 und einem Strahllenkprozessor 486 gekoppelt, der mit Ausgangspaketsteuermodulen 490 und 496 verbunden ist. Module 490 weisen Schaltungen auf, die die Weggeschichte 492 verfolgen und die für das Fehlercodieren 494 verantwortlich sind. Die Module 496 umfassen Paketrahmungsschaltungen 498, Modulatoren 500 und Sender 502, die mit Sendeantennen (nicht in Fig. 38 gezeigt) verbunden sind.
Fig. 39 liefert eine schematische Darstellung eines 32-mal- 1-Paketprioritätsmultiplexers 504. Serielle Eingangssignale 506 werden zu dem Multiplexer 504 mit einer Rate von 150 Megabit pro Sekunde (MBIT/S) durch eine Serie von Seriellzu-Parallel- (S/P-) Wandlern 508 gespeist. Die S/P-Wandler 508 sind mit Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus- (FIFO-) Pufferschaltungen 510 gekoppelt, die außerdem mit Status- und Steuer- (S & C-) Schaltungen 512 verbunden sind. Alle S & C- Schaltungen 512 sind mit einer FIFO-Abtast- und Steuerlogikschaltungsanordnung 514 und einer Ausgangsschlangenstatus stufe 516 verbunden. Ein Acht-Bit-Parallelbus 517 empfängt die Ausgangssignale der FIFO-Schaltungen 510, und dieselben werden zu einer Prioritätsleitvorrichtung 518 durch 8-mal- 16-K-Nieder- und 16-K-Hoch-Prioritäts-FIFO-Schaltungen 520 und 522 und durch einen Parallel-zu-Seriell- (P/S-) Wandler 524 befördert, um ein serielles 150 MBIT/S Ausgangssignal 526 zu liefern.
Fig. 40 ist ein Blockdiagramm 528, das die Details eines schnellen Paketschalters 438 zeigt. Die seriellen Eingangssignale 530 werden in den Schalter 438 über eine Serie von 1 · 32-Selbstleitschaltermodulen 532 transportiert, die ihrerseits einer Serie von 32 · 1-Asynchronpaketmultiplexern 534 zugeordnet sind. Fig. 41 ist ein schematisches Diagramm 536, das die Details des 1 · 32-Selbstleitschaltmoduls 532 zeigt, das in Fig. 40 dargestellt ist. Pakete 422, die Anfangsblöcke 424 und Nutzlasten 426 aufweisen, werden in das Modul 532 mit einer Rate von 150 MBIT/S gespeist. Das Paket 422 weist eine Zeichenfolge von Einsen und Nullen auf, und dasselbe umfaßt eine Prioritätsflag, ein Leitetikett und eine Fehlerflag. Eine Serie von Selbstleitzellen 538 lesen die Bits in dem Anfangsblock 424 und richten geleitete Pakete 542 mit deren Nutzlasten von Daten 426 zu der Ausgangsseite 540 des Moduls 532.
Fig. 42 ist eine Darstellung, die ein Blockdiagramm einer Mobil/Fest-Satellitenverbindung 544 zeigt. Ein Strahlungsarray 546, das sowohl Signale durch Speisungen 548 empfängt als auch sendet, wird durch einen Strahllenkcomputer 550 gesteuert. Ankommende Signale laufen durch einen Diplexer 552 auf ihrem Weg zu einem Empfangsstrahlformungsnetz 554 und einer Bank von Empfängern 556, die gesamt mit einem Steuerungs-Mux/Demux/Modem 558 verbunden sind, das ein Eingangssignal zu dem schnellen Paketschalter 438 liefert. Ein Synthesizer 560 erzeugt Signale, die zu einer Frequenzsteuerung 562 gespeist werden, die ein Eingangssignal zu einem zweiten Steuerungs-Mux/Demux/Modem 564 liefert, das Signale zur Übertragung von dem schnellen Paketschalter 438 verar beitet. Eine Bank von Sendern 566 liefert Signale zu einem Sendestrahlformungsnetz 568, die dann durch den Diplexer 552 geleitet werden, bevor dieselben von dem Satelliten durch das Strahlungsarray 546 emittiert werden.

STRAHLKOMPENSATION

Die Strahlkompensation betrifft die Zuweisung von einzelnen Funkstrahlen von der Konstellation von Satelliten zu beschriebenen Bereichen auf dem Boden mit festen Grenzen, die "Zellen" genannt werden. Dieses Strahlverwaltungssystem bietet eine verbesserte Frequenzkoordination und Kommunikationszuverlässigkeit. Die Strahlkompensation eliminiert im wesentlichen das Problem der sehr schnellen "Übergaben" eines Kommunikationskanals zwischen mehreren Strahlen eines Satelliten oder zwischen Satelliten, sowie sich ein Satellit aus dem Bereich von Teilnehmern innerhalb der Zelle bewegt und ein anderer den Lieferdienst zu der Zelle übernimmt.
Das System ordnet die Funkstrahlen zu, die durch die Satelliten erzeugt werden. Diese Strahlen werden genau derart gesteuert, daß dieselben "erdfeste Zellen" im Gegensatz zu "satellitenfesten Zellen" beleuchten. Bei vorhergehenden Satellitenkommunikationsschemata fliegen Raumfahrzeuge, die nicht über einer bestimmten Position auf der Erde in geosynchronen Umlaufbahnen feststehend gehalten werden, sehr schnell über große Regionen der Erde. Die Funkstrahlen, die durch diese sich sehr schnell bewegenden Raumfahrzeuge erzeugt werden, streichen mit der gleichen Geschwindigkeitsrate über sehr große Regionen der Oberfläche der Erde. Wenn diese Strahlen für das menschliche Auge sichtbar wären, würden dieselben helle kreisförmige und elliptische Teilflächen von Licht auf dem Boden unterhalb des Satellits, der dieselben emittiert hat, malen. Bei einem System, das satellitenfeste Zellen verwendet, definiert die "Ausleuchtzone" der Funkstrahlen, die durch das Raumfahrzeug ausgebreitet werden, die Zone auf dem Boden, die eine "Zelle" genannt wird, die durch das Raumfahrzeug beleuchtet wird. Diese satellitenfeste Zelle bewegt sich konstant, sowie sich das Raumfahrzeug um den Globus bewegt. Im scharfen Gegensatz dazu ist eine "erdfeste Zelle" eine feststehende Region, die auf die Oberfläche der Erde abgebildet ist, die permanent feste Grenzen aufweist, genauso wie eine Stadt oder ein Staat. Obwohl die sich sehr schnell bewegenden Satelliten dennoch ihre Funkstrahlen über den Boden in sich sehr schnell bewegenden Ausleuchtzonen leuchten, bestimmen die Positionen der Ausleuchtzonen zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt nicht die Position der sich nicht verändernden erdfesten Zellen. Der große Vorteil, der unter Verwendung von Zellen, die Grenzen aufweisen, die an der Erde befestigt sind, vorgesehen wird, wird realisiert, wenn ein Teilnehmer, der durch einen Satelliten bedient wird, zu einem anderen Strahl in dem gleichen Satelliten oder zu einem zweiten Satelliten wechseln muß, da sich der erste außer Reichweite unter den lokalen Horizont bewegt. Mit satellitenfesten Zellen betrifft diese "Übergabe" die Zuweisung eines neuen Kommunikationskanals innerhalb des neuen Strahls oder des neuen Satellits zu dem Endgerät. Dieses Zuweisungsverfahren erfordert sowohl bei dem Endgerät als auch dem Satelliten Zeit und verbraucht Verarbeitungskapazität. Dasselbe ist ferner einer Blockierung, einer Anrufunterbrechung und einem Anrufabwerfen ausgesetzt, wenn es keinen leerlaufenden Kommunikationskanal in dem nächsten bedienenden Strahl oder Satelliten gibt. Das Verfahren erdfester Zellen vermeidet: diese Probleme, indem Kommunikationskanäle (Frequenz, Code und/oder Zeitschlitz) auf Basis erdfester Zellen und nicht auf Basis satellitenfester Zellen zugeordnet werden. Ungeachtet welcher Satellit/Strahl derzeit eine spezielle Zelle bedient, hält das Endgerät die gleiche Kanalzuweisung aufrecht, was folglich das "Übergabe"-Problem eliminiert.
Die Strahlkompensation wird in Verbindung mit neuen Raumfahrzeugantennen durchgeführt, die in dem unten gezeigten Text beschrieben sind. Diese Antennen weisen fortschrittliche phasengesteuerte Arrays mit aktiven Elementen auf, die ein elektronisches Strahllenken verwenden, um Strahlen mit extrem hoher Verstärkung zu liefern. Eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Raumfahrzeugantennen verwendet eine halbkugelförmige Konfiguration von hexagonalen Antennenflächen, die aus ultraleichten Bienenwabenmaterialien und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen gefertigt sind. Integrierte Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aus Galliumarsenid (GaAs), die mit jedem Antennenpaneel gekoppelt sind, handhaben den Anrufverkehr. Jede Antenne erzeugt gleichzeitig 256 Strahlen, die elektronisch über 4.000 Positionen auf der Oberfläche der Erde gelenkt werden. Zu jedem Zeitpunkt beleuchtet jeder einzelne Strahl eine Region auf dem Boden, die eine "erdfeste Zelle" genannt wird. Ein Strahl beleuchtet jede der Zellen in der Überzelle in einer vorbestimmten Folge und mit einem vorbestimmten Zeitplan. Eine 4-mal-4- Matrix von Zellen bildet eine "erdfeste Überzelle". Die gesamte Oberfläche der Erde wird in 80.000 erdfeste Überzellen (80 km · 80 km) abgebildet.
Fig. 43, 44 und 45 zeigen schematische Darstellungen, die die Beziehungen zwischen der kugelförmigen Oberfläche der Erde E, einer Satellitenausleuchtzone 602, einer erdfesten Überzelle 604, einer erdfesten Zelle 606 und Funkstrahlen B zeigen, die von einem Satelliten S emittiert werden, der einen Dienst für Benutzer innerhalb der erdfesten Zellen 606 liefert. Fig. 43 zeigt die geometrischen und numerischen Beziehungen, die eingerichtet wurden, um eine Strahlkompensation zu implementieren. Die Strahlen B, die von einer Konstellation C von Satelliten S ausgehen, beleuchten allgemein kreisförmige Ausleuchtzonen 602 auf der Oberfläche der Erde E. Diese Ausleuchtzonen 602, die einen Radius von etwa 700 km aufweisen, sind einem Gitter von etwa 80.000 erdfesten Überzellen 604 zugeordnet, die den gesamten Globus umspannen. Jede Ausleuchtzone 602 wird durch 256 Überzellen 604 bedient. Jede Überzelle 604 wird in eine 4-mal-4-Matrix aufgeteilt, die vier erdfeste Zellen 606 auf einer Seite aufweist. Jede erdfeste Zelle 606 ist 20 km breit und 20 km hoch. Es gibt etwa 1,28 Millionen erdfeste Zellen 606, die die Oberfläche der Welt bedecken. Die oberen und unteren Grenzen jeder erdfesten Überzelle 604 sind parallel zu Linien der geographischen Breite. Die erdfesten Überzellen 604 umkreisen die Erde in Bändern, wobei das größte Band am Äquator liegt. Die Anzahl der erdfesten Überzellen 604 in einem erdumkreisenden Band verringert sich hin zu den Polen. Erdfeste Überzellen 604 in benachbarten Bändern sind nicht notwendigerweise ausgerichtet. In dem folgenden Text werden die Ausdrücke "Überzellen" 604 und "Zellen" 606 als ein Kurzbezug auf die technisch korrekteren Ausdrücke "erdfeste Überzellen" 604 und "erdfeste Zellen" 606 verwendet. Die Zellen 606 und die Überzellen 604, die durch die vorliegende Erfindung definiert und verwendet werden, unterscheiden sich bezüglich der Topographie von vorhergehenden Kommunikationssystemen, da dieselben buchstäblich an der Erde wie ein permanentes Gitter von Linien der geographischen Länge und der geographischen Breite befestigt sind. Bei früheren Systemen hat der Umkreis der Strahlausleuchtzone die momentane Position einer Zelle bestimmt.
Fig. 46 zeigt eine Struktur 608, die zeigt, wie eine erdfeste Überzelle 604 in 16 erdfeste Zellen 606 abgebildet wird, und wie die kreisförmigen Ausleuchtzonen 602 von den Satelliten S die quadratischen Zellregionen bedecken. Die Zellen 606 in diesem Diagramm sind ebenfalls von 1 bis 16 numeriert. Diese Ziffern zeigen die Zeitzuweisungen an, die den Zeitplan von folgenden Satellitenübertragungen darstellen, die jede Zelle bedienen. Diese Zellstruktur 608 stellt sicher, daß drei inaktive Zellen immer zwischen jeweils zwei aktiven Zellen während des normalen Betriebs vorhanden sind. Bei dem Fall eines Zeitversatzes zwischen Satelliten, die benachbarte Überzellen 604 bedienen, sieht diese Struktur dennoch ein Minimum von zwei inaktiven Zellen 606 zwischen aktiven Zellen 606 vor. Diese Trennung ist ausreichend, um eine Signalstörung zwischen zwei Zellen 606 zu eliminieren, die zur gleichen Zeit beleuchtet werden.
Fig. 47 ist ein Diagramm 610, das Satellitenausleuchtzonen überlappungen 615 und Zwischenräume 617 an dem Äquator für drei unterschiedliche Umlaufbahnbesetzungen zeigt. Jede Ausleuchtzone weist einen Radius von 700 km auf, und die Umlaufbahnebenen sind um 9 Grad beabstandet, was zu einer 1.000-km-Beabstandung am Äquator führt. Fig. 47 stellt sechs Spalten von überlappenden Kreisen dar. Drei Paare von benachbarten Spalten 612, 614 und 616 zeigen die Bedeckungszwischenräume, die aus unterschiedlichen Umlaufbahnbesetzungen resultieren. Wenn jede Umlaufbahn in der Konstellation C 40 Satelliten aufweist, werden praktisch keine Zwischenräume 617 angetroffen, wie es durch das Spaltenpaar 612 gezeigt ist. Bei diesem ersten Fall sind die Ausleuchtzonen 602 eng gepackt, wobei dieselben lediglich 1.000 km von Mitte zu Mitte verteilt sind. Das zweite Paar bzw. das Mittelpaar von angrenzenden Spalten 614 stellt die Ausleuchtzonen 602 dar, die erzeugt werden, wenn jede Umlaufbahn lediglich 35 Satelliten aufweist. Die Ausleuchtzonen 602, die in dem Mittelpaar der Spalten dargestellt sind, liegen 1.142 km auseinander, wenn von Mitte zu Mitte entlang des Wegs der Umlaufbahn gemessen wird. Die Ausleuchtzonen, die in dem Spaltenpaar 614 gezeigt sind, sind durch kleine Zwischenräume 617 getrennt. Das letzte Paar von Spalten 616 zeigt, was passiert, wenn jede Umlaufbahn 30 Satelliten aufweist. Die Beabstandung zwischen den Ausleuchtzonen 602, gemessen entlang des Umlaufbahnwegs, ist nun 1.333 km. Folglich trennen große Zwischenräume 617 einige der Ausleuchtzonen 602, die in dem rechten Paar der Spalten 616 gezeigt sind.
Fig. 48 ist ein Flußdiagramm 618, das eine Implementation eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Strahlkompensation zeigt. Ein Paket 422 ist gezeigt, sowie dasselbe durch die Abbildungs- und Schalthardware (Vermittlungshardware) fortschreitet, die das Paket 422 zu dem Strahl richtet, der derzeit die erdfeste Überzelle 604 und die Zelle 606 bedient, in der das Zielendgerät 619 liegt. Das ankommende Paket 422 besitzt Bits für einen "Knoten" 620 und Bits für eine "Anrufidentifikation (ID)" 622, die eine Erdpositionsidentifikation von dem Endgerät aufweist, von dem der Anruf ausgeht. Der Gegenstand des Telefonanrufs, wie z. B. Sprach- oder Videoinformationen, wurde digitalisiert und wird als der Nutzlastabschnitt 426 des Pakets 422 getragen. Der Knoten 620 identifiziert den Satelliten S. der derzeit das Zielendgerät 619 bedient. Der Anruf-ID 622 wird als ein Eingangssignal zu einer ID-Tabelle 624 verwendet, die als eine Übersetzungsvorrichtung für einen schnellen Paketschalter 438 verwendet wird, der tatsächlich den Strahl B auswählt, der verwendet wird, um die Nutzlast 426 zu liefern. Die Anruf-ID-Tabelle 624 identifiziert die Überzelle 604, die Zelle 606 und den Kanal 626, der dem Zielendgerät 619 innerhalb dieses Knotens 620 zugewiesen wird, wie es durch den Anruf-ID 622 in dem ankommenden Paket 422 identifiziert wird. In dem vorliegenden Zusammenhang ist ein Kanal 626 ein Abschnitt des Strahls B, der mehreren Frequenzen zugeordnet wurde. Ausgangsstrahlen werden in einer Positions/Ausgangs-Strahltabelle 630 aufgezeichnet. Der Satellitenstrahl B, der derzeit zugewiesen ist, um eine spezielle Überzelle 604 zu bedienen, ist ferner eine Funktion für die momentane Position des Satelliten S. der Strahlen B erzeugt, um einen gegebenen Anruf handzuhaben. Diese Positionsinformationen werden durch eine autonome Umlaufbahnpositionsbestimmungssoftware 628 erzeugt. Sobald der Kanal 6a6, die Zelle 606 und die Strahlzuweisungen abgeleitet wurden, werden diese Zuweisungen an die Nutzlast 426 des Pakets 422 angehängt, was den Anruf-ID 622 ersetzt. Nach dem Tabellieren wird dann das modifizierte Paket 632 zu dem schnellen Paketschalter 438 übertragen, der diese Informationen verwendet, um das Paket 422 zu dem geeigneten Pufferschlitz in dem Strahl B zu richten, der derzeit diese Überzelle 604 bedient. Das Übertragungssystem bestimmt die Frequenz, die für die Übertragung des Pakets 422 basierend auf dem ausgewählten Kanal verwendet wird, und wählt den Zeitschlitz für die Übertragung basierend auf der ausgewählten Zelle 606 aus.
Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Strahlkompensationserfindung ist die Dauer des Zeitschlitzes 1,444 Millisekunden und der Frequenzbereichsmodulations- (FDM-) Zyklus für die Strahlen ist 23,111 Millisekunden lang. Die Zeit, die für eine Kommunikation erforderlich ist, ist 1,156 Millisekunden, und es ist eine Sperrzeit von 0,289 Millisekunden vorgesehen. Die Empfangsstrahlen eilen den Sendestrahlen mit der doppelten Zeit nach, die durch die Laufzeitverzögerung zwischen dem Benutzer und dem Satelliten angetroffen wird. Diese Nacheilzeit variiert von 6,8 Millisekunden für Überzellen an der Kante der Ausleuchtzone bis zu 4,7 Millisekunden für Überzellen, die sich direkt unter dem Satelliten befinden. Die Variation über eine Überzelle 604 reicht von 0,04 Millisekunden für die Zellen 606, die direkt unter dem Satelliten liegen, bis zu 0,7 Millisekunden für Zellen 606 an der Kante der Ausleuchtzone.
Die Strahlen B, die durch Antennenflächen bzw. Antennenfacetten (nicht in Fig. 48 gezeigt, jedoch unterhalb in Fig. 49 und 50 gezeigt) an den Satelliten S erzeugt werden, umfassen 256 Sende- und 256 Empfangs-Abtaststrahlen. Die Satelliten bewegen sich in einer Umlaufbahnhöhe von 700 km und bedienen Zellen innerhalb einer 40-Grad-Endgerätehöhenmaskenwinkelausleuchtzone. Die Satellitenausleuchtzone 602 mißt etwa 1,6 Millionen Quadratkilometer. Die Satellitenantennenstrahlen B, die Zellen 606 direkt unterhalb des Satelliten S bedienen, weisen eine Verstärkung von 37,7 dB und eine Halbwärtsbreite von 2,6 Grad auf. Die Strahlen B, die die Zellen 606 an der Kante der Satellitenausleuchtzone 602 bedienen, weisen eine Verstärkung von 40 dB und eine Halbwärtsbreite von 1,8 Grad auf. Die Strahlen beleuchten kreisförmige Flecken auf der Oberfläche der Erde von etwa 800 Quadratkilometern. Das Quadrat, das innerhalb dieses kreisförmigen Flecks einbeschrieben ist, weist einen Bereich von 512 Quadratkilometern (22,6 km Seitenlänge) auf. Diese Geometrie sieht eine 1,84-km- (13%-) Überlappung an den Zellecken vor. Die Überlappung 615 mildert die Effekte der Satellitenpositionsfehler und der Strahlrichtfehler. Die tolerierbaren Fehlergrenzen sind maximal 300 m für einen Satellitenpositionsbestimmungsfehler und maximal 1,5 km (0,17 Grad) für Strahlrichtfehler. Die Bewegung der Strahl ausleuchtzone 602 auf der Oberfläche der Erde aufgrund der Bewegung des Satelliten 5 ist kleiner als 12 m während der 1,444 Millisekunden langen Verweilzeit und weniger als 200 m während des 23,111 Millisekunden langen Überzellenzeitzyklusses. Anstelle des Berechnens der erforderlichen Richtwinkel für jeden Fleckstrahl alle 1,444 Millisekunden können die Richtwinkel für die Mitte der Überzelle alle 23,111 Millisekunden berechnet werden, und der Strahl B wird dann relativ zu dieser Mitte für jede Zelle positioniert. Die Drehung der Erde trägt zu einem Fehler dieser Berechnung bei, ist jedoch kleiner als 6% des Effekts der Satellitenbewegung, und das gleiche Verfahren kann verwendet werden, um diese Bewegung zu kompensieren. Das gleiche Verfahren kann ferner verwendet werden, um die Satellitenlagebewegung (Rollen, Neigen und Gieren) zu kompensieren. Wenn eine Überzelle 604 innerhalb der Ausleuchtzonen 602 von zwei oder mehreren Satelliten enthalten ist, dann verhandeln die Satelliten S untereinander, wer diese Überzelle 604 bedienen wird. Einem Satellit kann die volle Verantwortung zugewiesen werden, oder die Frequenzzuordnung kann zwischen mehreren Satelliten aufgeteilt werden. Jede Zelle 606 ist entworfen, um einen Dienst für bis zu 720 16-Kilobit-pro-Sekunde-Teilnehmer, die tragbare Endgeräte verwenden, und 360 Endgeräte, die mit 64 Kilobit pro Sekunde arbeiten, zu liefern.
Die Strahlkompensationserfindung, die oben beschrieben ist, bietet mehrere Vorteile gegenüber vorhergehenden Strahlzuordnungssystemen. Endgeräte werden durch die Ausleuchtzone 602 des Satelliten bedient, der über denselben zu dem gleichen Zeitpunkt läuft, zu dem ein spezieller Anruf durch ein gegebenes Endgerät fließt. Durch Zuordnen der Strahlen zu erdfesten Zellen im Gegensatz zu satellitenfesten Zellen wird das Problem des Durchführens von häufigen "Übergaben" von Satellit zu Satellit im wesentlichen eliminiert, da ein Endgerät die gleiche Frequenz (Kanal) und den gleichen Zeitschlitz (Zelle) für die Dauer des Anrufs hält, selbst wenn dasselbe über unterschiedliche Strahlen und Satelliten während des Anrufs kommuniziert. Ein ähnliches System, das satellitenfeste Zellen verwendet, wobei jede Satellitenausleuchtzone in etwa 4.000 Zellen aufgeteilt ist, erfordert etwa alle fünf Sekunden eine Zellenübergabe. Die Verwendung der Strahlkompensationserfindung, die oben beschrieben ist, erfordert diese unerwünschten Übergaben lediglich, wenn ein Teilnehmer unter Verwendung eines tragbaren P oder eines mobilen M Endgeräts tatsächlich eine Zellgrenze überschreitet. Das erdfeste Zellenverfahren vermeidet ferner die Gefahr eines versehentlichen Beendens eines Anrufs, wenn alle Kanäle in der Zelle, zu der die Strahlen geschaltet werden, bereits besetzt sind. Das Zuordnungsverfahren der vorliegenden Erfindung, das einen Anruf von den Strahlen eines Satelliten zu einem anderen schaltet, ist gegenüber dem Kunden vollständig transparent. Das erdfeste Zellenverfahren bietet ferner eine enorme spektrale Effizienz, da 100% der Frequenzen zwischen den Zellen und zwischen den Satelliten ständig neu verwendet werden. Ähnliche Systeme, die satellitenfeste Zellen verwenden, teilen oftmals die zugewiesenen Frequenzen in Bänder, die Satelliten zugewiesen sind, um Frequenzkonflikte zu vermeiden, diese Prozedur ist jedoch eine ineffiziente Verwendung des kostbaren Frequenzspektrums.

RAUMFAHRZEUGANTENNEN

Die Antennen an Bord jedes Satelliten in der Konstellation sehen fortschrittliche, lenkbare, phasengesteuerte Arrayantennen mit aktivem Element vor, die eine sehr hohe Verstärkung liefern und die ferner das verfügbare Spektrum mit einer großen Effizienz nutzen.
Die Antennen verwenden ein elektronisches Strahllenken, um die Signale mit hoher Verstärkung zu liefern. Durch Aufnehmen dieser neuen Antennensysteme in eine Konstellation eines Raumfahrzeugs, können Telefonteilnehmer quer über den gesamten Globus mit einem Kommunikationssystem kommunizieren, dessen Schaltintelligenz in der Umlaufbahn liegt. Diese einzigartige Konfiguration umgeht übliche landbasierte Netze und bietet eine revolutionäre Erweiterung des Kommunikationspotentials.
Der neue Entwurf für eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele verwendet eine halbkugelförmige Konfiguration von hexagonalen Antennenflächen (Antennenfacetten), die aus ultraleichten Bienenwabenmaterialien und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen gefertigt sind. Integrierte Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aus Galliumarsenid (GaAs), die mit jedem Antennenpaneel gekoppelt sind, handhaben den Anrufverkehr. Jede Antenne erzeugt gleichzeitig 256 Strahlen, die zu 4.096 Positionen auf der Oberfläche der Erde elektronisch gelenkt werden. Jeder einzelne Strahl beleuchtet eine Region auf dem Boden, die grob 20 km mal 20 km mißt.
Fig. 49 stellt eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Antennen dar. Diese perspektivische schematische Ansicht zeigt einen Satelliten 5, der ein Array 700 von allgemein hexagonalen zur Erde gerichteten Antennenflächen 702 umfaßt, die aneinander entlang der sechsseitigen Grenzen derselben angepaßt sind, um eine leicht abgeflachte, halbkugelförmige Schale zu bilden. Ein Array von in den Raum gerichteten Flächen 706, die Paneele 708 umfassen, ist an das zur Erde gerichtete Array 700 angepaßt. Die Antennenschale ist mit zwei allgemein geradlinigen, entfalteten Solarpaneelen 704, die dem Körper des Raumfahrzeugs S nachlaufen, verbunden.
Fig. 50 stellt ein schematisches Diagramm eines ähnlichen Satellits S dar und zeigt ferner drei Sätze von elektronisch gelenkten Strahlen 709, die durch hexagonale Antennen 707 erzeugt werden, und die kreisförmigen und elliptischen Ausleuchtzonen 602, die die Strahlen 709 auf der Oberfläche der Erde beleuchten. Die Ausleuchtzonen 602 der Funkstrahlen 709 sind als Regionen der "Beleuchtung" in verschiedenen Abschnitten der Oberfläche der Erde E gezeigt. Der Satz von Strahlen, der als 709a markiert ist, läuft entlang der kürzesten möglichen Strecke von dem Raumfahrzeug 5 zu der Erde E, da diese Strahlen 709a sich entlang eines Wegs be wegen, der von dem Boden zu dem Zenit Z und zurück läuft. Der Bereich auf der Oberfläche, der durch diesen Satz von Strahlen 709a beleuchtet wird, führt zu einer allgemein kreisförmigen Ausleuchtzone 602a. Andere Sätze von Strahlen, wie dieselben, die mit 709b und 709c markiert sind, sind zu der Linie geneigter, die von der Mitte der Erde hin zu dem Zenit Z läuft, und die Bereiche 602b und 602c, die durch diese Strahlen 709b und 709c bestrahlt sind, werden fortschreitend elliptischer, sowie der Neigungswinkel größer wird.
Fig. 51 kombiniert viele Sätze von Strahlen und stellt einen vollständigen Satz von Sichtlinienfunkwellen 710 dar, die durch ein Raumfahrzeug erzeugt werden. Die Fig. 52 und 53 sind geometrische graphische Darstellungen 712 und 714, die Sichtlinienrichtungen zwischen benachbarten Satelliten, die entlang der gleichen Umlaufbahn laufen, umfassen. Diese Graphen 712 und 714 zeigen die geometrische Beziehung von mehreren Raumfahrzeugen 5, die sich in einer der vielen Umlaufbahnebenen in der Satellitenkonstellation C bewegen. Die Wege zwischen benachbarten Satelliten, die nicht durch den Rand der Erde versperrt sind, sehen Kommunikationsverbindungen zwischen den Raumfahrzeugen S in der gleichen Umlaufbahn vor.
Bei einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden die Satelliten, die in den Fig. 49 und 50 gezeigt sind, in einer Konstellation betrieben, die 29 Sätze von Raumfahrzeugen, die in 29 Umlaufbahnen laufen, umfaßt. Die gesamte Flotte bewegt sich in einer Höhe von 700 km (435 Meilen) um die Erde. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Antennen 702 entworfen, um Signale von irdischen Einheiten zu senden und zu empfangen, die innerhalb der Ausleuchtzonen 602 positioniert sind, die durch die elektronisch gelenkten Strahlen 709 erzeugt werden. Lediglich jene irdischen Einheiten, die innerhalb der kegelförmigen Sichtlinienregion liegen, die durch einen minimalen Höhenwinkel oder "Maskenwinkel" von 40 Grad definiert ist, können durch ein spezielles Raumfahrzeug bedient werden. Die hexagonalen Antennenflächen 702 und die auf dieselben bezogene Signalverarbeitungsschaltungsanordnung erzeugen eine hexagonale Bedeckungsstruktur. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist der Radius der Mitte jeder der sechs Seiten jeder Fläche (Facette) 702 6,2 Grad, während der Radius zu den sechs Ecken des Hexagons 7,16 Grad begrenzt. Eine Beabstandung von 12,41 Grad ermöglicht 29 hexagonale Bedeckungsstrukturen in jeder Umlaufbahnebene. Eine ähnliche Beabstandung entlang des Äquators führt zu 29 Umlaufbahnebenen. Diese Konfiguration von hexagonalen Flächen 702 bietet eine doppelte Bedeckung der äquatorialen Regionen und eine bis zu achtfache Bedeckung in höheren geographischen Breiten, in denen eine größere Anzahl von Teilnehmern positioniert ist. Durch Auswählen einer ungeraden Anzahl von Satelliten und Ebenen wird die Mitte der fallenden Strukturen auf die Nähte der steigenden Strukturen fallen. Diese Auswahl stellt sicher, daß praktisch jede Region auf der Oberfläche zwischen den geographischen Breiten von 70 Grad Nord und Süd durch die Konstellation bedient wird.
Allgemein und durch Zulassen der etwas ungenauen Annahme, daß die Erde kugelförmig ist, ist der Bedeckungswinkel jedes Satelliten durch den folgenden Ausdruck gegeben:
2a = 2arcsin(rcosΘ/r + h)
a ist der Halbwinkel des Kegels der Erdbedeckung in Radian;
Θ ist der Benutzerantennenmaskenwinkel in Radian;
r ist der Radius der Erde (6.378 km); und
d ist die Höhe der Umlaufbahn (700 km).
Umlaufbahnen von 700 km und ein Benutzerantennenmaskenwinkel von 40 Grad ergeben eine Bedeckung von 87,3 Grad. Der gekippte Bereich an der Kante des Erdbedeckungskegels ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
d = (r + h)² - r²)cos²Θ) - rsinΘ = 1.022 km
Der Erdbedeckungsbereich des Kegels ist:
A = π(d² + h² - 2dhcos(a)) = 1.568.000 km²
Diese Größe stellt den Erdbedeckungsbereich jedes Satelliten dar, wenn die gesamte kreisförmige Ausleuchtzone verwendet wird. Wie im vorhergehenden in dem Teilabschnitt, der die Strahlkompensation beschreibt, beschrieben, ist dieser Bereich in 256 Überzellen 604 eingeteilt, und jede Überzelle 604 ist ferner in 16 kleinere einzelne Zellen 606 eingeteilt. Die Gesamtanzahl von Zellen 606, die durch jedes Raumfahrzeug erzeugt wird, ist dann 256 · 16 oder 4.096. Jede dieser 4.096 Zellen weist einen Bereich von 383 km² auf. Wenn jede Zelle 606 quadratisch ist, ist dieselbe etwa an einer Seite 19,6 km lang. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung kreisförmige Ausleuchtzonen 602 verwendet, müssen die Ausleuchtzonen, die durch die Satelliten erzeugt werden, nicht kreisförmig sein. Jedes regelmäßige Polygon, das in den Kreis eingeschrieben ist, kann effektiv verwendet werden. Andere alternative Ausführungsbeispiele verwenden eingeschriebene Quadrate und eingeschriebene Hexagone. Der Bereich des Quadrats ist 63,7% des gesamten Bereichs, während der Bereich des Hexagons 82,7% des gesamten Bereichs ist. Wenn die Zellgröße konstant gehalten wird, ist die resultierende Zahl der Zellen 606 2.609 für das Quadrat und 3.387 für das Hexagon.
Die Weltraumantennen 702 können eine Verstärkung von 45 dB an der Peripherie jeder Ausleuchtzone und 42 dB an der Fußpunktposition liefern. Da die Strahlen, die durch die Weltraumantennen 702 erzeugt werden, derart leistungsstark sind, können erdbasierte Endgeräte Niederleistungsantennenentwürfe enthalten, die im wesentlichen jegliche Strahlenrisiken eliminieren, die sonst dem Benutzer schaden könnten. Jede Antenne verwendet eine Kombination des 20- und des 30-GHz-Fre quenzbands für Satellit-zu-Boden-Kommunikationen und breitet 256 gleichzeitige Strahlen aus, die auf 4.096 Positionen multiplexiert sind. Strahlen, die auf den Horizont gezielt sind, besitzen eine elliptische im Gegensatz zu einer kreisförmigen oder polygonen Form, um den niedrigen Glanzwinkel derart zu kompensieren, daß eine konstante Erdbedeckungsausleuchtzone beibehalten wird. Nicht korrigierte Strahlen besitzen eine elliptische Bodenstruktur, die die spektrale Wiederverwendungseffizienz verschlechtert. Das elektronische Strahllenken erlaubt ferner die unabhängige Steuerung der Richtverstärkung und der Leistungsverstärkung. Das Strahllenken sieht ein zweckmäßiges Verfahren zum Korrigieren der Leistungspegel während des Schwunds durch Regen vor. Die übertragene Leistungsverstärkung von dem Satelliten kann beim Senden erhöht werden, um den Abwärtsschwund (Downlink Fading) zu überwinden. Die Satellitenempfangsleistungsverstärkung kann während des Empfangs erhöht werden, um den Aufwärtsschwund (Uplink Fading) zu überwinden. Die Verwendung dieser zwei Verfahren überwindet möglicherweise eine schwache Kommunikationsleistung während regnerischer Wetterbedingungen.
Signalverarbeitungskomponenten, die sich in dem Raumfahrzeug befinden, umfassen GaAs-MMIC-Filter und sind für das elektronische Lenken von aktiven Antennenarrays an Bord jedes Satelliten verantwortlich. Fig. 54 zeigt ein schematisches Diagramm eines GaAs-MMIC-Zeitverzögerungsnetzes 716. Fig. 55 zeigt ein Schema der aktiven Linse 718, die eine große Anzahl der Zeitverzögerungsnetze 716 umfaßt, die mit Strahlungselementen 720 gekoppelt sind.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung Modellnr. TD101, die durch die Pacific Monolithics, Inc., in Kalifornien hergestellt wird, als das Zeitverzögerungsnetz verwendet. Andere herkömmlichere Zeitverzögerungsnetze können ebenfalls verwendet werden. Das elektronische Lenken wird unter Verwendung dieser Zeitverzögerungsnetze 716 durchgeführt, um eine aktive Linse 718 zu erzeugen. Der Brennpunkt der Linse 718 bezieht sich auf die Richtverstärkung der Antenne 702 und kann elektronisch gesteuert werden. Die Fähigkeit, die Richtverstärkung zu steuern, ist für Kommunikationssatelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn wichtig, da eine geringere Verstärkung notwendig ist, wenn eine Zelle 606 an dem Satellitenfußpunkt adressiert wird, als wenn eine Zelle an der Peripherie der Satellitenausleuchtzone 602 adressiert wird. Es ist ferner wünschenswert, die Richtverstärkung in der Höhenebene zu erhöhen, wenn eine Zelle an der Satellitenausleuchtzonenperipherie adressiert wird. Die aktive Linse 718, die in die Antennen 702 eingebaut ist, ermöglicht es, daß diese variablen Richtverstärkungen ohne die Reduktion der Effizienz implementiert werden können, die herkömmlichen Antennenarrays zugeordnet ist. Die aktive Linse 7I8, die in Fig. 55 dargestellt ist, ist das Mikrowellenanalogon einer optischen Linse. Durch Erhöhen der Zeitverzögerung für die Signalwege in der Mitte der Linse bezüglich der Kante der Linse, kann die Brennweite der Linse elektronisch geändert werden, was seinerseits die Richtverstärkung der Antenne 702 ändert.
Die Antennen 702 sehen ein elektronisches Lenken vor, das ausreichend genau ist, um eine praktische Verstärkungsvariation in dem Bereich von 42 dB bis 45 dB zu implementieren. Beispielsweise erfordert das Ändern des Radius einer Strahlungsstruktur um 200 m in einer Entfernung von 1.200 km eine Zeitverzögerungssteuerung von 4 Picosekunden für Ein Antennenarray mit 45 dE Verstärkung, die Abmessungen von 1,2 m an einer Seite aufweist. Die Steuerung der aktiven Linsen für den 42 bis 45-dB-Bereich (in einem 20/30-GHz-System) erfordert Zeitverzögerungen in der Größenordnung von 4 Picosekunden bis 35 Picosekunden.
Die aktive Linse 718 kann unter Verwendung von einem Verfahren aus zwei Verfahren aufgebaut werden. Das erste Verfahren, das in Fig. 55 dargestellt ist, verwendet eine herkömmliche Linse, die viele Paare von Empfangs- und Sendeantennen aufweist, die jeweils mit einem aktiven Zeitverzö gerungsnetz in Serie geschaltet sind. Das zweite Verfahren, das das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist, ist eine Zeitverzögerungsschaltung 722, die in Fig. 56 gezeigt ist. Diese Schaltung 722 umfaßt eine Speisung 724, die mit einem zeitverzögerungsgelenkten Array 725 gekoppelt ist, das eine Serie von Schaltern 726, Zeitverzögerungswegen 728, Übertragungsleitungen 729 und Verstärkern 730 aufweist. Das zeitverzögerungsgelenkte Array 725 ist mit der aktiven Zeitverzögerungslinse 718 und mit Strahlungselementen 720 verbunden.
Die geschalteten Zeitverzögerungsnetze 716 in der gemeinsamen Speisung führen Strahllenkfunktionen durch. Die Zeitverzögerungsnetze 716 können entweder für ein feines Verstärkungsstrahllenken (ein paar Grad) oder für ein Ändern der Richtverstärkung der Antenne (Brennweite der Linse) eingestellt werden.
Jeder Satellit S steuert die Zuweisung von Kanälen zu Endgeräten, die Dienste anfordern. Wenn ein Endgerät mehr als einen Satelliten sieht, überwachen die Satelliten die Signalqualität und wählen aus, welcher derselben am besten geeignet ist, um den Anruf zu dem Endgerät handzuhaben. Der Empfangsstrahl von dem Bodenendgerät eilt dem Sendestrahl nach, der von dem Satelliten in einem festen Intervall emittiert wird. Das Endgerät sendet die Daten desselben zu dem Satelliten mit einer Verzögerung, die durch den Satelliten bei der vorhergehenden Abtastung spezifiziert wird. Dieses Verfahren wird verwendet, um Verzögerungsunterschiede zu kompensieren, die durch Variationen der Weglänge bewirkt werden. Die Abtaststruktur zwischen Strahlen wird abgestimmt, um sicherzustellen, daß alle Zellen, die zu einem Zeitpunkt abgetastet werden, durch einen ausreichenden Abstand getrennt sind, um eine Störung zwischen vielen eng beabstandeten Kunden zu eliminieren. Ein elektronischer Schiebebesen trägt die Strahlen durch eine Strahlposition in der Richtung der Satellitenbewegung und führt dann einen Rücklauf durch. Jeder Strahl trägt einen Pilotton, der jeden Strahl für irdische Endgeräte identifiziert. Komponenten an Bord jedes Satelliten messen die Zeitverzögerung und die Dopplerverschiebung jedes Teilnehmersignals, um die Position des Teilnehmers innerhalb einer speziellen Strahlausleuchtzone zu bestimmen. Da die Satellitenantennen mit einer relativ hohen Verstärkung betrieben werden, sind die Ausleuchtzonen auf dem Boden relativ klein. Da die Zellen klein sind, und sich die Satellitenausleuchtzone sehr schnell über die Oberfläche der Erde bewegt, verbleibt jedes spezielle Endgerät lediglich für ein paar Sekunden in der gleichen Zelle. Um die schnelle Übergabe von Satellit zu Satellit alle paar Sekunden zu vermeiden, wird das neue logisch/physische Zellabbildungsschema, das oben als Strahlkompensation beschrieben ist, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet.
Mehrere Raumfahrzeuge in einer einzigen Umlaufbahnebene können miteinander kommunizieren, wenn dieselben über dem Horizont der Erde positioniert sind. Satelliten kommunizieren untereinander unter Verwendung eines 60-GHz-Zwischensatellitenfrequenzbandes. Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele liefert eine 1,5-Fuß-Antenne etwa 45 dB Verstärkung, die eine praktische Zwischensatellitenverbindung (ISL; ISL = Inter-Satellite Link) stützt. Vier feste und zwei elektronisch lenkbare Antennen werden an jedem Satelliten für ISL-Verbindungen verwendet. Optionale Verbindungen in der Umlaufbahnebene können die Anzahl der ISL-Antennen auf 10 erhöhen, wobei 8 derselben fest und 2 derselben lenkbar sind.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist Satelliten auf, die in 21 Umlaufbahnebenen mit 40 Satelliten in jeder Umlaufbahn kreisen. Dieses 21 · 40-Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung der gleichen Antennen 702 implementiert sein, die modifiziert sein können, um die erhöhte Besetzung der Konstellation zu berücksichtigen.

RAUMFAHRZEUGENTWURFE

Die Konstellation weist 840 ultraleichte Raumfahrzeuge mit extrem hoher Leistung auf, die in Sätzen von 40 gruppiert sind, die den Globus in 21 getrennten niedrigen Erdumlaufbahnen umkreisen. Die Satelliten werden in 700 km hohen (435 Meilen), kreisförmigen, sonnensynchronen Umlaufbahnen betrieben, die etwa 98,2 Grad zu dem Äquator geneigt sind.
Diese neuen Satelliten werden direkte Verbindungen zwischen Benutzern über die ganze Welt vorsehen, ohne herkömmliche landbasierte Netze zu verwenden. Eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, das "Domesat" genannt wird, umfaßt ein halbkugelförmiges, hochverstärkendes Antennenarray, das immer hin zu der Erde gerichtet ist. Dieses elektronisch gelenkte Array ist aus einer Anzahl von hexagonalen Antennenpaneelen gebildet, die aus ultraleichten Bienenwabenmaterialen und fortschrittlichen Verbundwerkstofffen gebildet sind. Die Paneele werden durch rohrförmige und kugelförmige Verbinder zusammengehalten. Das Innere des domförmigen Antennenarrays wird verwendet, um Solarzellenpaneele aufzunehmen, die aus amorphen Silizium hergestellt sind, die sich durch eine Öffnung in einem zu dem Raum gerichteten Array entfalten, wenn das Raumfahrzeug die Endumlaufbahn desselben erreicht. Jedes Paneel ist mit den eigenen integrierten Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aus Galliumarsenid (GaAs) gekoppelt, die die inneren Steuersysteme des Satelliten aufrecht erhalten und Kommumnikationen mit anderen Satelliten und Bodenendgeräten koordinieren. Die halbkugelförmige Kontur des Antennenarrays ermöglicht es, daß mehrere Satelliten in einer kompakten Anordnung ineinander gestellt werden, die in die Nutzlastbucht (Payload Bay) einer Trägerrakete paßt. Eines der alternativen Ausführungsbeispiele der Erfindung, "Gearsat", umfaßt einen aufblasbaren Torus. Wenn derselbe von der Seite entlang seines Umfangs betrachtet wird, sieht der Torus wie zwei abgeflachte Pyramiden aus, die eine gemeinsame Basis teilen. Phasengesteuerte Arrayantennenpaneele werden quer zu dem oberen Ende der Pyramide entfaltet, während Arrays von amorphen Siliziumsolarzellen die schrägen Oberflächen bedecken. Der Satellit dreht sich um seine Mitte, und einzelne Abschnitte der Antennenpaneele sind insbesondere zweckgebunden, um Signale zu vordefinierten Regionen auf dem Boden zu senden und von denselben zu empfangen. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, auf das allgemein als "Batsat" Beug genommen wird, weist einen zentralen zylindrischen Köroer und eine Mehrzahl von im wesentlichen kreisförmigen, faltbaren, verbundenen Paneelen auf, die Antennen und Solar/Thermo- Arrays tragen.

DOMESAT

Fig. 57, 58 und 59 stellen Seitenansichten des zur Erde gerichteten Antennenarrays und der in den Raum gerichteten Segmente der vorliegenden Erfindung, die "Domesat" 800 genannt wird, dar. Ein Satellit S. der ein teilweise hohles Inneres 715 aufweist, umfaßt ein konkaves, geodätisches Antennenarray 700, das immer in Richtung der Erde E gerichtet ist. Das Array 700 ist aus einzelnen Paneelen oder Flächen 702 gebildet, die jeweils mit einer aktiven Strahllenkschaltungsanordnung gekoppelt sind, die den Anrufverkehr handhabt und verwaltet. Ein in den Raum gerichtetes Array 706 umfaßt einzelne Polygonabschnitte 708, die von der Erde E weg blicken. Wie durch ein Endgerät auf dem Boden betrachtet, ist das in den Raum gerichtete Array 706 immer in der Richtung des lokalen Zenits Z ausgerichtet. Jeder in den Raum gerichtete Abschnitt 708 weist eine feste Kante auf, die mit dem zur Erde gerichteten Antennenarray 700 durch ein Drehgelenk 711 verbunden ist. Alle anderen Kanten jedes in den Raum gerichteten Abschnitts 708 können sich frei bewegen, so daß "das obere Ende" des Raumfahrzeugs S geöffnet werden kann, sobald dasselbe die Umlaufbahn erreicht. Wenn die Abschnitte 708 des in den Raum gerichteten Arrays 706 auseinander bewegt werden, werden Solarpaneele 704 aus dem Inneren 715 hinausgeschwungen und in ihre vollständig ausge dehnten Positionen in einer Richtung entfaltet, die entgegengesetzt zu der Richtung der Bewegung 802 des Raumfahrzeugs S ist. Die zur Sonne gerichteten Oberflächen der rechteckigen Solarpaneele 704 sind mit amorphen Dünnfilmsilizium bedeckt und können um ihre Längsachse 804 "gekippt" oder gedreht werden, um die maximale Menge Licht von der Sonne zu sammeln. Fig. 60 zeigt mehrere Satelliten 800, die koaxial in einer kompakten, ineinandergestellten Anordnung innerhalb der Nutzlastbucht einer Trägerrakete 801 aufgenommen sind. Bevor der Satellit geöffnet wird und die Solarpaneele 704 entfaltet werden, ähnelt das Raumfahrzeug einem Becher, der quer etwa 4 m mißt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Satelliten S in den Trägern, die 4,4 m breit sind, gestapelt werden.
Fig. 61, 62 und 63 zeigen eine Folge von Ansichten, die die Entfaltung der Solarpaneele 704 zeigen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Paneele 704 mit Nickel-Metallhydrid-Batterien gekoppelt, die über 300 AH Energie speichern können. Diese Konfiguration von Solarpaneelen 704 und Batterien arbeitet zusammen, um über 3 KW ständig verfügbarer Leistung zu liefern. Als eine Alternative kann das Domesat-Ausführungsbeispiel 800 Solarpaneele verwenden, die um den Umfang desselben entfaltet werden, oder nachlaufende Bänder (Streamer) verwenden, die mit Solarzellen anstelle der Paneele 704 bedeckt sind.
Fig. 64 zeigt kugelförmige und rohrförmige Verbinder 806 und 808, die die Antennenpaneele 702 an Ort und Stelle halten. Die Antennenpaneele 702 sind jeweils mit den Empfängern, den Sendern, der Strahllenk- und der Anrufschaltelektronik bzw. Anrufvermittlungselektronik (die in Fig. 68 gezeigt ist und ferner in dem obigen Abschnitt beschrieben ist, der die Satellitenantennen betrifft) derselben gekoppelt. Diese an Bord befindlichen Schaltungskomponenten sind in dem Inneren 715 positioniert und werden durch die kugelförmigen und rohrförmigen Verbinder 806 und 808 an Ort und Stelle gehalten.

GEARSAT

Fig. 65, 66 und 67 stellen drei Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, das "Gearsat" genannt wird. Ein Ausführungsbeispiel des Gearsat 810 ist schematisch in einer Seitenansicht in Fig. 65 gezeigt und weist einen aufblasbaren Torus mit einem Radius von etwa zehn (10) Metern auf. Der Maßstab des Torus 810 ist in einer anderen Seitenansicht durch Fig. 66 angedeutet, die eine schematische Darstellung einer Person 811 umfaßt, die 2 m groß ist. Sobald derselbe in der Umlaufbahn entfaltet ist, dreht sich der Gearsat 810 mit einer Rate von etwa 0,1 Umdrehungen pro Minute um seine Mitte, wobei sich derselbe wie ein rollender Stift, dessen längste Abmessung sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung desselben erstreckt, langsam dreht. Die Drehachse des Satelliten 810 ist immer senkrecht zu dem Umlaufbahnweg desselben. Eine äußerste Oberfläche 812, die allgemein einen Zylinder definiert, liegt an der Peripherie des Satelliten 810. Diese zylindrische Oberfläche 812 trägt ein Array von Antennen 814, die Funksignale zu und von anderen Satelliten in der Konstellation und zu und von persönlichen, mobilen und festen Endgeräten und Übergängen senden und empfangen. Das Antennenarray 814 umfaßt sechzig (60) benachbarte rechteckige Paneele, wobei jedes derselben etwa einen Quadratmeter mißt. Wie es am besten in der Teilseitenansicht sichtbar ist, die in Fig. 67 dargestellt ist, liegen zwei Reihen von Solarzellen 816 benachbart zu den Antennen 814. Die 60 Antennenpaneele weisen ein aktives elektronisch gelenktes phasengesteuertes Array auf.
Zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt sind drei der 60 Antennenpaneele 814 hin zu der Oberfläche der Erde gerichtet und senden und empfangen Signale. Wenn sich der Satellit 810 dreht, werden die Antennenpaneele 814 aktiv, sowie sich dieselben in eine zur Erde E gerichteten Position bewegen, und beenden ferner ihre Aktivität, sowie sich dieselben von der Erde weg drehen. Diese andauernde Übergabe des Kommunika tionsbetriebs von einem Satz von Antennenpaneelen 814 zu einem weiteren wird durch Erdsensoren gesteuert und stellt sicher, daß Funkstrahlen B von dem Satelliten 810 immer die Ausleuchtzonen 602 auf der Oberfläche beleuchten. Das Gearsat-Ausführungsbeispiel 810 leitet den Namen desselben aus der räumlichen Synchronisierung der Antennenpaneele 814 mit spezifischen Regionen des Bodens ab, die durch die Strahlen, die durch die Antennen erzeugt werden, beleuchtet werden. Wie die in Eingriff genommenen Zähne von zwei mechanischen Zahnrädern sind spezielle Antennenpaneele 814 in dem Array an spezielle Regionen auf dem Boden angepaßt, Funkstrahlen B, die von den 60 Paneelen 814 ausgehen, sind im wesentlichen mit spezifischen Ausleuchtzonen 602 oder Zellen unterhalb derselben auf der Oberfläche der Erde "verriegelt" oder denselben überlassen. Während der obige Text eine spezielle Satellitenkonfiguration spezifiziert, die diese Form einer räumlichen Synchronisierung zwischen Antennen 814 und Strahlausleuchtzonen 602 anbietet, wird es für den Leser offensichtlich sein, daß das Hauptziel des Vorsehens einer zweckgebundenen Beziehung zwischen vielen Antennen und Ausleuchtzonen unter Verwendung einer breiten Vielfalt von verschiedenen Implementationen ausgeführt werden kann, ahne von dem Schutzbereich der Erfindung, der im folgenden beansprucht ist, abzuweichen.
Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden die Satelliten, die in den Figuren gezeigt sind, in einer Konstellation von 840 Raumfahrzeugen betrieben, die 21 Sätze von 40 gleich beabstandeten Satelliten umfaßt, die in 21 Umlaufbahnen fliegen. Die gesamte Flotte bewegt sich in sonnensynchronen Umlaufbahnen 700 km (435 Meilen) über der Erde um die Erde. Die kreisförmigen Umlaufbahnen sind 98,2 Grad zu dem Äquator geneigt. Es gibt 21 Umlaufbahnebenen bei unterschiedlichen festen geographischen Längen von steigenden Knoten. Jede Ebene ist etwa 8,6 Grad (34,3 Minuten) von ihren Nachbarn getrennt. Jede Ebene wird durch 40 gleich beabstandete Satelliten eingenommen. Alle steigenden Knoten sind zwischen 6 AM und 6 PM zusammen gruppiert. Satelliten in benachbarten Umlaufbahnen bewegen sich in der gleichen Richtung, ausgenommen an den "Nähten" zwischen den nach Norden gehenden und den nach Süden gehenden Abschnitten der Umlaufbahnen. Das Satellitensystem ist 3-Achsen-stabilisiert und mit einem Impuls vorbelastet. Magnetische Drehmomenterzeuger, Reaktionsräder und ein passiver aerodynamischer Druck liefern die erforderlichen autonomen Steuerdrehmomente, die die Antennenpaneele 702 hin zu der Erde E gerichtet und den Satelliten 800 hin zu der Richtung der Bewegung 802 gerichtet halten, wie in Fig. 63 gezeigt.
Fig. 68, 69, 70 und 71 sind Blockdiagramme von an Bord befindlichen inneren Systemen, die den Satelliten steuern, und den Verkehr zwischen anderen Satelliten und Endgeräten auf dem Boden handhaben. Die Systeme, die in den Fig. 68, 69, 70 und 71 dargestellt sind, können allgemein in einem beliebigen der Ausführungsbeispiele Domesat 800, Gearsat 810 oder Batsat 894 eingebaut sein. Zum Zweck der Vereinfachung bezieht die folgende Beschreibung die Komponenten, die in den Fig. 68, 69, 70 und 71 gezeigt sind, auf das Ausführungsbeispiel Domesat 800.
Das Diagramm 818, das in Fig. 68 gezeigt ist, zeigt Teilsysteme, die elektrische Leistung 826, eine Lagen- und Umlaufbahn-Bestimmung und -Steuerung 828, einen Vortrieb 834 und eine Befehls- und Daten-Handhabung 824 liefern. Jedes dieser Teilsysteme ist mit einem Bus 820 verbunden, der ferner mit einem Kommunikationsnutzlastteilsystem 822 gekoppelt ist, das den schnellen Paketschalter 438 und die auf denselben bezogene Schaltungsanordnung umfaßt. Das elektrische Leistungsteilsystem 826 (EPS; EPS = Electrical Power Subsystem) leitet Energie aus den photovoltaischen Zellen ab, die die Paneele 704 (Solararrays S/A) bedecken, und Leistung wird in den Nickelmetallhydridbatterien gespeichert. Das Lagen- und Umlaufbahn-Bestimmungs- und Steuerteilsystem (AODC; AODC = Attitude and Orbit Determination and Control subsystem) 828 erhält die Ausrichtung des Raumfahrzeugs unter Verwendung von 3-Achsen-Stabilisierungsverfahren aufrecht.
Es werden Betätigungsvorrichtungen (ACTRS; ACTRS = ACTUATORS) 832 verwendet, um das Stabilisierungsverfahren durchzuführen. Sonnensensoren 830 werden als ein Anfangsbezug verwendet, sobald der Satellit die Umlaufbahn erreicht. Danach werden Trägheitsmeßeinheiten, Magnetometer und. Informationen, die aus dem Anrufverkehr gesammelt werden, verwendet, um das Fahrzeug auf Kurs und stabil in der gewünschten Position desselben zu halten. Jeder Satellit "kennt" die eigene Position desselben und die Positionen von allen anderen Satelliten in der Konstellation sowie alle Positionen von Endgeräten auf dem Boden. Ein Vortriebteilsystem 834 verwendet redundante Pulsplasmatriebwerke, die Manöver durchführen, die das Bringen in die Umlaufbahn, das Ausgleichen eines Schleppens, das Stationshalten und das Verlassen der Umlaufbahn am Ende der Lebensdauer des Satelliten umfassen. Ein Befehls- und Datenhandhabungsteilsystem (C & DH; C & DH = Command and Data Handling) 824 erfaßt, bereitet auf und formatiert alle Satellitendaten und decodiert, speichert und verteilt alle Satellitenbefehle. Das C & DH 824 weist einen Prozessor mit einem 4-Gb-RAM-Festspeicher (z. B. Halbleiterspeicher) auf, der mit einem Lokalbereichsnetz (LAN) gekoppelt ist. Ein Mikroprozessor analysiert, interpretiert und komprimiert die an Bord befindlichen Daten, und ein weiterer Mikroprozessor, der mit 20 Millionen Anweisungen pro Sekunde (MIPS; MIPS = Million Instructions Per Second) läuft, ist für das Verarbeiten des Verkehrs zweckgebunden. Ein Verkabelungsteilsystem 836 enthält alle Leiter, die die Leistungs- und Signalelektronik auf dem Schiff vereinen. Ein Strukturteilsystem 838 weist das geodätische, konkave, stapelbare Trägergerüst auf, das das Antennenarray 700 trägt. Ein Vorrichtungsteilsystem 840 umfaßt die Komponenten, die die Sonarpaneele 704 entfalten und ausrichten. Ein Thermosteuerteilsystem 842 umfaßt Schichten und Mäntel aus Farbe, die die thermischen Bedingungen des Satelliten S handhaben.
Fig. 69 liefert ein Blockdiagramm 844 der innerer. Schaltungsanordnung, die sich in dem Inneren 715 des Domesat- Ausführungsbeispiels 800 befindet. Ein Lokalbereichsnetz (LAN) 846 ist mit einem Leistungssteuerteilsystem 848 gekoppelt, das Leistung von Batterien 850 empfängt. Ein Leistungsverteilungsteilsystem 852 ist mit dem Leistungssteuerteilsystem 848 und mit den Solararrays 704 durch eine Arrayschaltverbindung 854 gekoppelt. Nebenschlußregler 856 und Strahler 858 sind vorgesehen, um die Energieverteilung an Bord jedes Raumfahrzeugs zu verwalten.
Fig. 70 zeigt ein weiteres Blockdiagramm 860, das ein Lokalbereichsnetz 862, einen Bus 864, der mit anderen Teilsystemen verbunden ist, eine Nutzlast 866, eine Telemetrie- und Befehlseinheit 868, einen "1750"-Mikroprozessor 870 für die Datensteuerung und einen zugeordneten Hauptoszillator 872, einen "EDAT"- (EDAT = Engineering Diagnostic and Trending = Entwurfsdiagnose und Trendbestimmung) Mikroprozessor 874, der durch die Martin Marietta Corporation entwickelt wurde, und einen "RISC"- (RISC = Reduced Instruction Set Computer = Computer mit reduziertem Befehlssatz) Mikroprozessor 876 aufweist. Der EDAT-Prozessor 874 ist eine leistungsautonome Betriebssteuerung, die die gesamte Telemetrie überwacht, um den aktuellen "Gesundheits"-Zustand jedes Raumfahrzeugs zu bestimmen. Derselbe führt detaillierte diagnostische Prozeduren durch und berichtet Bodensteuerungen über die Gesundheit jedes Raumfahrzeugs.
Fig. 71 stellt ein weiteres Blockdiagramm 878 dar, das ein LAN 880, Erfassungssonnensensoren 882, Trägheitsmeßeinheiten (IMUs; IMU = Inertia Measurement Unit) 884, Magnetometer 886, Reaktionsräder 890 und magnetische Drehmomenterzeuger 892 aufweist, die alle gemeinsam mit einer Lagensteuerelektronikeinheit (ACE; ACE = Attitude Control Electronics) 888 zusammenarbeiten.

BATSAT

Fig. 72, 73, 74, 75, 76, 77 und 78 stellen ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, auf das allgemein als "Batsat" 894 Bezug genommen wird. Die Fig. 72 und 73 zeigen den Satelliten 894 in der gefalteten und der verstauten Konfiguration, in der die Arrays 898 und 900 einer plattenförmigen Antenne und die Solar- und Thermopaneele gegen einen Mittelkörper 896 zusammengefaltet sind. Fig. 74 zeigt eine Gruppe 897 von mehreren gefalteten Batsats 894, die für einen Abschuß zusammengestapelt sind. Fig. 75 und 76 liefern eine schematische Hinteransicht und eine schematische Vorderansicht des Batsat-Ausführungsbeispiels 894, nachdem dasselbe die Umlaufbahn erreicht hat und vollständig entfaltet und in der Betriebskonfiguration desselben verriegelt ist. Die Fig. 75 und 76 zeigen Antennen 901, 902, 903, 904, 905, 906, 907, 908 und 909 und Solar/Thermo-Oberflächen 910 und 911. Die Paneele werden durch Kabel 912 und Drehgelenke 914 zusammengehalten.
Fig. 77 stellt die potentiellen Antennenpaneelbedeckungsbereiche dar, die durch Funkstrahlen erzeugt werden, die durch den Batsat emittiert werden, während Fig. 78 die tatsächlichen Antennenpaneelbedeckungsbereiche darstellt. Fig. 77 stellt die Ausleuchtzonenbedeckungsfähigkeit für jedes Paneel dar, während Fig. 78 die Hauptbedeckungsbereiche ohne Überlappung darstellt.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Batsat 894 umfaßt einen zylindrischen Mittelkörper 896 und zwei Arme von Paneelen 898 und 900, die sich weg von dem Mittelkörper 896 im allgemeinen in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Die Arme weisen neun im wesentlichen kreisförmige, plattenförmige Antennenpaneele 901 bis 909 und ein Paar von Solar/Thermo-Paneelen 910 und 911 auf. Der zentrale Körper 896 weist eine im allgemeinen zylindrische Form auf und umfaßt zwei flache Flächen, die Antennenpaneele 904 und 906 aufnehmen, wenn sich der Satellit 894 in der gefalteten und verstauten Konfiguration desselben befindet. Wenn derselbe nach dem Erreichen der Umlaufbahn entfaltet wird, sind die zwei flachen Flächen des Körpers 896 senkrecht zu der Richtung des Fußpunkts positioniert. Wie es am besten in Fig. 76 sichtbar ist, sind vier Antennenpaneele 901, 902, 903 und 904 seriell geschaltet und erstrecken sich von einer Seite des zentralen Körpers 896, während die anderen fünf Antennenpaneele 905, 906, 907, 908 und 909 ähnlich seriell geschaltet sind und sich in der entgegengesetzten Richtung erstrecken. Die zwei Solar/Thermo-Paneele 910 und 911 sind seriell mit dem Antennenpaneel 901 verbunden. Jede Antenne oder jedes Solar/Thermo-Paneel ist mit dem Nachbar oder den Nachbarn desselben mit Leistungs-, Steuer- und Kommunikations-Kabeln 912 und federbelasteten selbstverriegelnden Drehgelenken 914 gekoppelt. Jedes Paneel weist zwei allgemein kreisförmige flache Flächen auf. Die Fläche jedes Antennenpaneels 901 bis 909, die hin zu der Oberfläche der Erde gerichtet ist, trägt einen Satz von hexagonalen Antennenoberflächen. Die Flächen der zwei Solar/Thermo-Paneele 910 und 911 tragen sowohl hexagonale Bereiche von Solarzellen als auch Thermostrahler. Wenn der Batsat 894 vollständig entfaltet ist, sind alle verbundenen Antennenpaneele 901-909 und Solar/Thermo-Paneele 910 und 911 so weit voneinander beabstandet, wie es die Drehgelenke 914 und Kabel 912 ermöglichen. Bei dieser Konfiguration ähnelt das Raumfahrzeug einer Fledermaus, deren Flügel vollständig in zwei entgegengesetzten Bögen ausgestreckt sind, und die Elemente des Satelliten liegen in ihren "maximal möglichen entfalteten Abständen" von dem Mittelkörper 896. Wenn die Batsat- Paneele wie ein Akkordeon zusammengefaltet sind, liegen die Elemente des Schiffs in ihren "minimal möglichen gefalteten Abständen" von dem Mittelkörper 896.
Der Batsat enthält hochverstärkende, elektronisch gelenkte, phasengesteuerte Arrayantennen, um Telekommunikationsverbindungen über einen angrenzenden Oberflächenbereich im. Sichtbereich des Satelliten vorzusehen. Das Problem, dem nahezu alle Satellitensysteme gegenüber stehen, betrifft die begrenzte Menge des Frequenzspektrums, das für Kommunikationsverbindungen zwischen einem Satellitenkommunikationssystem und Kommunikationsendgeräten auf der Erde zur Verfügung steht. Bekannte Systeme verwenden verschiedene Mehrzugriffsschemata, die die Ausleuchtzone, die durch die Beleuchtung des Satelliten erzeugt wird, in mehrere Flecken oder Zellen aufteilt. Diese Zellen sind in Strukturen organisiert, die es ermöglichen, daß die gleichen Frequenzen viele Male innerhalb einer speziellen Ausleuchtzone wiederverwendet werden. Wenn die Frequenzen physisch getrennt sind, wird das Wiederverwendungsverfahren "Raumaufteilung" genannt und wird durch das Akronym "SDMA" (SDMA = Space Division Multiple Access) oder Raumaufteilungsvielfachzugriff dargestellt. Wenn sich die Codes unterscheiden, wird das Verfahren "Codeaufteilung" genannt, und die Abkürzung "CDMA" (CDMA = Code Division Multiple Access) wird als ein Kurzausdruck für den "Codeaufteilungsvielfachzugriff" verwendet. Das Akronym "TDMA" (TDMA = Time Division Multiple Access) steht für den "Zeitaufteilungsvielfachzugriff" und zeigt, daß viele Strahlen, die die gleiche Frequenz aufweisen, zu unterschiedlichen Zeitpunkten emittiert werden. Jedes dieser Verfahren unterstützt das Eliminieren von Störungen zwischen Zellen, die die gleichen Frequenzen verwenden. Als eine allgemeine Regel gilt, daß je kleiner die Zellen, desto häufiger kann der Satz von Frequenzen innerhalb der Ausleuchtzone wiederverwendet werden. Die Wiederverwendung von Frequenzen führt zu einer spektralen Effizienz und zu dem Potential für eine höhere Kapazität für den Satelliten und das Netz als ganzes.
Um eine vollständige Ausleuchtzonenbedeckung zu erreichen, wird die Anzahl der Zellen in einer Satellitenausleuchtzone als umgekehrt proportional zu dem Bereich bzw. der Fläche der Zelle ausgewählt. Unter der Annahme, daß jede Satellitenantenne 901-909 einen Sende- oder Empfangsstrahl erzeugt, der über eine feste Anzahl von Zellen multiplexiert wird, nimmt dann die Anzahl der Antennen an dem Satelliten ebenfalls zu, sowie die Zellgröße abnimmt. Die Zellgröße ist hauptsächlich eine Funktion der Richtcharakteristik oder der Antennenverstärkung der Satellitenantenne -- je kleiner die Zellengröße desto höher ist die erforderliche Verstärkung.
Für eine gegebene Frequenz ist die Verstärkung einer Antenne proportional zu dem effektiven Bereich der Antenne in der Richtung der Quelle (Ziel) des empfangenen (gesendeten) Signals. Der effektive Bereich einer phasengesteuerter. Arrayantenne mit flacher Oberfläche ist entlang des Zenits am größten, der colinear zu der Linie ist, die senkrecht zu der Oberfläche der Antenne ist. Der effektive Bereich bzw. die effektive Fläche und folglich die Verstärkung nehmen proportional zu dem Cosinus des Winkels zwischen dem Zenit und einer Linie zu der/dem Kommunikations-Quelle/Ziel ab. Für die beste Antennenleistung muß der erforderliche Strahllenkwinkel klein gehalten werden, so daß der effektive Bereich der Antenne nahe zu dem tatsächlichen Bereich derselben liegt. Aus diesem Grund ist der Batsat entworfen, um eine hohe spektrale Effizienz und eine hohe Systemkapazität zu erreichen. Die vorliegende Erfindung umfaßt eine große Anzahl von stark verstärkenden Antennen und eine entsprechend große Menge an Antennenoberflächenbereich. Die Antennenoberflächen sind angeordnet, um die Strahllenkerfordernisse innerhalb von ein paar Grad zu halten.
Der Batsat bietet nicht nur eine hohe spektrale Effizienz und Systemkapazität, sondern dies ferner mit minimalen Abschußkosten. Da die vorliegende Erfindung in eine relativ kleine Trägerrakete 801 gefaltet, gestapelt und gepackt werden kann, sind die Kosten des Plazierens jedes Satellits in einer Umlaufbahn relativ niedrig.
Jedes Antennenpaneel 901-909 ist für einen Abschnitt der Satellitenausleuchtzone verantwortlich. In der vollständig entfalteten Konfiguration sind die Antennenpaneele 901-909 in Winkeln bezüglich der Erde angeordnet, die den Strahllenkwinkel jedes Antennenstrahls auf ein paar Grad begrenzen und dennoch eine volle Bedeckung des Ausleuchtzonenbereichs durch die Mehrzahl von Antennen ermöglichen. Zwei Paneele 910 und 911 an dem Ende jedes Arms sehen Solararrays an der Seite, die hin zu der Sonne gerichtet ist, und Thermo strahler auf der entgegengesetzten Seite vor. Diese Paneele werden mit einem Winkel entfaltet, der der optimale Winkel für sowohl die Solarenergiesammlung als auch das Thermostrahlen für die sonnensynchrone Umlaufbahn ist, in der der Satellit betrieben wird. Die Drehgelenke H sind federbelastete verriegelnde Drehgelenke. Sobald dieselben von ihren Zwängen gelöst sind, entfalten sich die Paneele 901-909, 910 und 911 automatisch. Die Federn drücken die Paneelen auseinander, und die Verriegelungsvorrichtung verriegelt dieselben in dem korrekten Entfaltungswinkel. Die Drehgelenke an jedem Paneel, die dieses Paneel mit dem vorhergehenden Paneel oder dem Satellitenkörper 896 und mit dem nächsten Paneel verbinden, sind voneinander versetzt. Die Kombination des Versatzwinkels und des Drehgelenkverriegelungswinkels bestimmt den Entfaltungswinkel jedes Paneels. Wenn beispielsweise der Versatzwinkel 180 Grad und der Verriegelungswinkel 90 Grad ist, erstrecken sich die entfalteten Flügel gerade entlang der Achse des zentralen Körpers in einer Serie von senkrechten Paneelen. Durch Ändern des Versatzwinkels der Drehgelenke können die Paneele in einem Bogen entfaltet werden, der sich von jedem Ende des zentralen Körpers derart erstreckt, daß jedes Paneel in einem unterschiedlichen Winkel (Azimuth und Höhe) bezüglich der Erde ausgerichtet ist. Die flexiblen Kabel 912 können optische Fasern oder Kupferdrähte umfassen, und dieselben können die Paneele miteinander und mit dem Mittelkörper zum Weiterleiten von Steuersignalen, Daten, Leistung etc. verbinden.
Da das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer sonnensynchronen Umlaufbahn entfaltet wird, gibt es einen optimalen Entfaltungswinkel für die Solararrays und die Thermostrahler. Beispielsweise wird in der Lichtgrenzumlaufbahn (6 AM - 6 PM) ein vertikal ausgerichtetes Array immer eine Fläche aufweisen, die hin zu der Sonne gerichtet ist, und eine Fläche aufweisen, die in den kalten Raum gerichtet ist. Ein Paneel mit einer Solarsammlung auf einer Seite und Thermostrahlern auf der anderen kann in einem Winkel entfaltet werden, der der optimale Winkel für beide Funktionen für das Leben des Satelliten ist. Bei diesem Entwurf sind die Solar/Thermo-Paneele die letzten Paneele (das letzte Paneel) an den Armen und sind entworfen, um um eine Achse parallel zu dem Richtungsvektor des Satelliten gedreht und in dem korrekten Winkel verriegelt zu werden. Das Solararray ist als ein Paneel des gleichen Durchmessers wie die anderen Paneele für eine Packeffizienz verstaut, dasselbe kann jedoch eine Entfaltungsvorrichtung umfassen, wenn der Oberflächenbereich, der erforderlich ist, denselben von ein oder zwei Paneelen überschreitet.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel als einen Mittelkörper, neun Antennenpaneele und zwei Solar/Thermo-Paneele aufweisend beschrieben ist, können zusätzliche kleine Paneele für Intersatellitenverbindungen verwendet werden. Die Antennenpaneele weisen mehrere Antennenflächen auf, wobei jede derselben einen einzigen Sende- oder Empfangsstrahl erzeugen kann. Jeder Strahl kann ± 15º von dem Zenit desselben in alle Richtungen gelenkt werden. Die Tabelle 1 liefert die Antennenentfaltungswinkel bezüglich des Satellitenfußpunktes. Ein Paneel ist in die Fußpunktrichtung gerichtet, während die anderen acht Antennenpaneele in Richtungen zeigen, die 30º in der Höhe von dem Fußpunkt verschoben sind und gleichmäßig bei 45º-Inkrementen bezüglich des Azimuths beabstandet sind. Tabelle 1
Die Werte, die unten der Spalte mit der Bezeichnung "Höhe" gezeigt sind, sind Winkel, die in Grad bezüglich der Richtung des Fußpunktes gemessen sind. Die Werte, die unter der Spalte mit der Bezeichnung "Azimuth" gezeigt sind, sind Winkel, die in Grad bezüglich der Richtung des Geschwindigkeitsvektors 802, wie in Fig. 77 und 78 gezeigt, gemessen sind.
Jedes der Ausführungsbeispiele der Erfindung Domesat, Gearsat und Batsat kann Teflontriebwerke für eine genaue Höhen-, Lagen- und Positions-Steuerung enthalten. Diese Triebwerke verwenden kleine Materialstücke, wie z. B. Teflon, als Treibstoff. Extrem kleine Mengen von Teflon werden aus den Miniaturdüsen ausgestoßen und die leichten Reaktionen des Raumfahrzeugs sehen eine hochgenaue Positionssteuerung vor.

SYSTEMKOMMUNIKATIONSVERBINDUNGEN

Im Gegensatz zu bekannten herkömmlichen Systemen verwendet die vorliegende Erfindung einen schnellen PaketschaLter als einen Eingang zu den Netzübergängen. Ein weiteres Merkmal des Satellitenkommunikationssystems, das dasselbe von früheren Systemen unterscheidet, besteht darin, daß die Steuerung der Anrufe von der Hardware getrennt ist, die die Anrufschaltfunktionen (Anrufvermittlungsfunktionen) durchführt.
Die Satellitenantennen 700 sind in vier Teilsysteme aufge teilt. Das erste unterstützt die Verbindungen zwischen dem Satelliten und den mobilen Endgeräten (MTSLs; MTSL = Mobile Terminal Satellite Link) und die Verbindungen zwischen den festen Endgeräten und den Satelliten (FSLs; FSL = Fixed Terminals Satellite Link). Der Ausdruck tragbare Endgeräte bezieht sich auf Endgeräte, die Handtelefone und Mobiltelefone umfassen, die in Fahrzeugen eingebaut sind, und der Ausdruck feste Endgeräte bzw. Festendgeräte F bezieht sich auf Endgeräte, die in festen Positionen, wie z. B. Bürogebäuden oder Wohnsitzen, eingebaut sind. Dieselben können von festen Endgeräten, die als ein einzelnes Telefon dienen, zu festen Endgeräten F reichen, die bis zu 30 Ferndienstgruppen von Telefonen innerhalb eines einzigen Gebäudes oder in einer Landstadt vorsehen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das FT-Antennensystem eine lenkbare Sendeantenne und eine lenkbare Empfangsantenne, die 30 dB Verstärkung bzw. 27 dB Verstärkung liefern. Diese Antennen verfolgen automatisch einen festen Frequenzpilotträgerton von dem Satelliten. Dieselben sind über einen 100-Vollwinkelkegel lenkbar. Antennen, die in MTs verwendet werden, besitzen eine 18 dB Sendeverstärkung und eine 15 dB Empfangsverstärkung.
MTSL-Daten werden mit einer Datenblockrate von 450 KBPS und einem Tastgrad von 6,25% übertragen. Die Aufwärtsverbindung verwendet das 29,5 bis 31-GHz-Band und die Abwärtsverbindung verwendet das 19,7 bis 21,2-GHz-Band. Ein Viertel der DS-0- Kapazität (16 KBPS) ist vorgesehen. Das Modulationsformat, das verwendet wird, ist 8 PSK mit einer 2/3-Ratencodierung. Unter der Annahme eines Bandbreiteneffizienzfaktors von 1,5 erfordert jedes MTSL 0,28 MHz. Eine Durchschnittsendgerätesendeleistung ist 16 mW (0,26 W Spitze) und eine Durchschnittssatellitensendeleistung ist 12 mW (0,19 W Spitze). Unter der Annahme eines 512-Bit-Pakets verweilen die Strahlen 1,138 Millisekunden in jeder Zelle (512 BPS/450 KBPS). Folglich kommen dieselben zu der gleichen Zelle alle 23,111 Millisekunden (16 · 1,444 Millisekunden) zurück. Wenn ein Sendestrahl zu einer Zelle wechselt, sendet derselbe auf ei ner festen Strahlidentifikationsfrequenz, die alle MTs überwachen, eine Nachricht, die effektiv besagt, "Strahl auf Zelle N". Der Satellit sendet ferner beliebige Pakete, die zu MTS in der Zelle N adressiert sind, auf der Frequenz, die zu diesem MT zugewiesen ist. Schließlich sendet der Satellit jegliche Funkrufanfragen (Paging Requests) auf einer festen Funkruffrequenz, die alle MTs überwachen. Alle diese Übertragungen treten gleichzeitig auf (FDMA).
Aktive MTs können sich in einer von drei Betriebsarten befinden: Warten auf einen Anruf, bereit zum Einleiten eines Anrufs oder Anruf im Gange. Ein MT, das auf Anrufe wartet, überwacht den Funkrufkanal und sendet periodisch eine Nachricht "Hier bin ich" ansprechend auf eine Nachricht "Strahl auf Zelle N" auf der festen Frequenz, die für diesen Zweck zugewiesen ist. Die Nachricht "Hier bin ich" ist relativ zu einem Paket kurz, und das MT wählt zufällig einen der zehn 100-Mikrosekunden-Schlitze aus den 0 bis 1 Millisekunden nach dem Empfang der Nachricht "Strahl auf Zelle N" aus, um die Nachricht "Hier bin ich" zu senden. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit einer Kollision. Die Nachricht "Hier bin ich" ermöglicht es dem System, eine Datenbank der aktuellen Position der PTs zu aktualisieren.
Ein MT, das bereit ist, einen Anruf einzuleiten, oder ein MT, zu dem ein Funkruf gesendet wurde, spricht auf die Nachricht "Strahl auf die Zelle N" an, indem dasselbe eine Nachricht "Anfrage auf eine Zuweisung" auf der festen Frequenz sendet, die dem Rufkanal zugeordnet ist. Die Nachricht "Anfrage auf Zuweisung" ist relativ zu einem Paket kurz, und das MT wählt zufällig einen der zehn 100-Mikrosekunden- Schlitze aus den 0 bis 1 Millisekunden nach dem Empfang der Nachricht "Strahl auf Zelle N" aus, um die "Anfrage auf Zuweisung" zu senden. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit einer Kollision. Nach dem Senden einer Nachricht "Anfrage auf Zuweisung" überwacht das MT den Zuweisungskanal mit fester Frequenz bezüglich einer Zuweisungsnachricht. Die Zuweisungsnachricht teilt dem MT mit, auf welchen Satelliten und welche Zelle anzusprechen ist und welche Frequenz zu verwenden ist. Wenn ein MT eine Zuweisung innerhalb von 40 ms des Sendens einer Anfrage empfängt, nimmt dasselbe an, daß die Anfrage blockiert wurde, und fragt neu an. Im Durchschnitt wird es bis zu 120 ms dauern, um eine Zuweisung zu erhalten.
Einem MT in der Anruf-im-Gange-Betriebsart ist bereits eine Zellennummer und ein Frequenzschlitz zugeordnet. Wenn dasselbe die Nachricht "Strahl auf Zelle N" für die Zelle desselben empfängt, überträgt dasselbe ein beliebiges Paket, das in dem zugewiesenen Frequenzschlitz wartet, und empfängt jedes beliebige Paket von dem Satelliten in dem zugewiesenen Empfangsfrequenzschlitz. Wenn das MT kein bereites Paket aufweist, sendet dasselbe ein leeres Paket. Immer wenn ein MT in der "Anruf-im-Gange"-Betreibsart ein Paket zu dem Satelliten sendet, umfaßt dasselbe in dem Anfangsblock Informationen, die verwendet werden können, um den Satelliten-ID und die Zellnummer, von der dasselbe die Nachrichten "Strahl auf Zelle N" empfangen hat, und den Kanal zu identifizieren, der als ein Resultat der Nachricht "Anfrage auf Zuweisung" zugewiesen wurde. Diese Informationen werden durch das Zielendgerät verwendet, um die Pakete desselben zu diesem Endgerät zu adressieren.
Eine weitere Option zum Empfangen von Anrufen besteht für die Satelliten darin, eine UKW-Funkrufnutzlast (UKW-Pager- Nutzlast) zu tragen. Die Satelliten werden dann das Endgerät, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Funkrufer (Pager) über Funk rufen. Der Endgerätbenutzer weiß dann, wie das Endgerät zu aktivieren ist, um seinen Anruf zu empfangen. Die Festendgerät/Satelliten-Verbindung ist im wesentlichen ähnlich zu der MT/Satelliten-Verbindung. Es werden ähnliche, jedoch leistungsfähigere Satellitenantennen verwendet. Die FSLs verwenden eine andere Frequenzzuordnung und verwenden getrennte Funkruf-, Ruf- und Zuweisungskanäle.
Das zweite Antennenteilsystem unterstützt die Verbindungen zwischen den Satelliten S und den Netzübergängen G (GSLs), und dasselbe umfaßt acht elektronisch lenkbare Arrays, die hin zu der Erde gerichtet sind. Das dritte Antennenteilsystem trägt die Verbindungen zwischen den Satelliten (ISLs) und umfaßt ein Band von elektronisch lenkbaren Antennen um den Umfang des Satelliten. Das vierte Antennensystem besteht aus einer Erdbedeckungsantenne für den Satelliten-GSL-, FTSL- und PTSL-Pilotton. Die Netzübergänge sind die Schnittstellen zwischen der vorliegenden Erfindung und öffentlichen Telefonnetzen. Dieselben sind zweckgebundene feste Orte, die aus zwei Antennenteilsystemen bestehen, die um 30 bis 50 km getrennt sind. Diese Orte sind durch Sichtlinienmikrowellen- oder Faseroptik-Verbindungen verbunden. Die Trennung sieht eine räumliche Streuung vor, die praktisch Regenausfälle eliminiert. Jedes Netzübergangsantennenteilsystem umfaßt eine lenkbare Empfangsantenne und eine lenkbare Sendeantenne. Die Empfangsantenne liefert eine Verstärkung von 41 dB und die Sendeantenne liefert eine Verstärkung von 41 dB. Diese Antennen sind über einen 100-Grad-Vollwinkelkegel lenkbar.
Fig. 4 zeigt den Grundentwurf eines Netzübergangsendgeräts. Die Netzübergangsendgeräte liefern Netzdienste, wie z. B. die Fakturierung, die Netzdatenbank, die Verwaltung, die Wartung und die Satellitenoperationen. Die GSL-Aufwärtsverbindung verwendet das 27,5 bis 29,5-GHz-Band und die Abwärtsverbindung verwendet das 17,7 bis 19,7-GHz-Band. Die GSLs sind zweckgebunden, und die Konstellation unterstützt alle autorisierten GSLs auf einer fortdauernden Basis. Die Netzübergangssendeantennen liefern eine Verstärkung von 45 dB und verfolgen automatisch das Satellitenpilotträgersignal. Die Netzübergangsempfangsantennen liefern eine Verstärkung von 42 dB und verfolgen ebenfalls automatisch das Pilotträgersignal. Die Satellitennetzübergangsantennen liefern eine Verstärkung von 41 dB. Die Nenn-Aufwärtsverbindungs- und Abwärtsverbindungs-Sendedauerleistungen sind 0,48 W bzw. 0,36 W. Die Datenrate ist 170 MBPS mit einer 32-KREUZ-Modulation und einer Raten-4/5-Codierung. Die GSL- Kanaldichte ist 1 GSL-Kanal/51 MHz. Jeder Satellit kann bis zu acht GSLs gleichzeitig unterstützen, und jede GSL kann bis zu 12 GSL-Kanäle tragen. Die erforderliche Frequenzzuordnung ist 612 MHz. Das räumliche Multiplexen ermöglicht es, daß alle Satelliten die gleiche Zuordnung (100% Wiederverwendung) gemeinsam verwenden. Die Satelliten weisen gemeinsam jeden Netzübergang einem der Satelliten zu. Ein Standard-ISL-Verbindungskommunikationspaketstrom wird für diesen Zweck und für Neuzuweisungen, sowie sich die Satellitengeometrie ändert, verwendet. Die GSL ist ausreichend robust, um den Betrieb in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit (95% RII, 35ºC) mit Regenwolken und Regen für 99,9 Prozent der subtropischen Naßtemperaturkontinentalbereichsregion D2 zu unterstützen. Eine räumliche Streuung wird verwendet, um Regenausfälle praktisch zu eliminieren.
Jeder Zwischensatellitenverbindungs- (ISL-; ISL = Inter Satellite Link) Kanal besitzt 170 MBPS mit einer 32-KREUZ- Modulation und einer Raten-4/5-Codierung. Die Kanaldichte ist 1 ISL-Kanal/51 MHz. Jeder Satellit kann bis zu 8 ISLs gleichzeitig unterstützen, und jede ISL kann bis zu 12 Duplex-ISL-Kanäle unterstützen. Folglich ist die erforderliche Frequenzzuordnung 1.224 MHz. Die räumliche Verschiedenheit ermöglicht es, daß alle Satelliten die gleiche Zuordnung (100% Wiederverwendung) teilen. Die ISL-Antennen liefern eine Verstärkung von 35 bis 50 dB und ein automatisches Verfolgen. Die Nennsendeleistung ist 0,5 W. Die ISLs verwenden das 59 bis 64-GHz-Band.
Alle Verbindungen verwenden eine elektronische Leistungssteuerung der HF-Sender, um sicherzustellen, daß lediglich eine minimale Menge an Leistung, die notwendig ist, um die gewünschte Kommunikation auszuführen, verwendet wird. Folglich wird eine minimale Sendeleistung für die nicht-behinderten Verbindungen und bei klarem Himmel verwendet. Die Sendeleistung wird erhöht, um ein Schattieren und Regen zu kompensieren.
Tabelle 1A: Frequenzzuordnung
Die HF-Bandbreitenerfordernisse sind gegeben durch:
Die GSL- und ISL-Bandbreite kann 100% von Satellit zu Satellit aufgrund der kleinen Antennenstrahlbreiten wiederverwendet werden. Die MTSL- und FTSL-Bandbreite kann 100% von einer erdfesten Zelle 606 zu einer erdfesten Zelle 606 aufgrund der TDMA-Abtaststruktur wiederverwendet werden.

ANRUFHANDHABUNG

Fig. 5 liefert eine schematische Darstellung, auf die allgemein als "Ping-Pong"-Diagramm im Telefongewerbe Bezug genommen wird. Diese Figur stellt die Folge von Ereignissen dar, die auftreten, wenn ein Anruf durch die vorliegende Erfindung plaziert und gehandhabt wird. Sobald ein Endgerät einem Kommunikationskanal, wie im vorhergehenden beschrieben, zugewiesen wurde, sendet dasselbe eine Nachricht "Anrufanfrage" zu dem Satelliten 5A, der demselben einen Kanal zugewiesen hat. Dieser Satellit leitet diese Nachricht zu einem System eines Satzes von "Merkmalsprozessor"-Systemen F weiter, das auf dem Boden oder innerhalb eines anderen Satelliten positioniert sein kann. In der Nachricht Anrufanfrage ist die Identität des Endgeräts, das anfragt, den Anruf TA durchzuführen, und die Identität des angerufenen Endgeräts TB umfaßt. Der Merkmalsprozessor kommuniziert mit einem eines Satzes von "Datenbank"-Prozessoren (die auf dem Boden oder in einem Satellitenknoten positioniert sein können), um die aktuellen Positionsinformationen des Endgeräts zu aktualisieren, und um Informationen zu erhalten, die die Dienste, die das Endgerät verwenden kann, und den "Berechtigungs"-Schlüssel NA des Engeräts umfassen.
Der Merkmalsprozessor benutzt den Berechtigungsschlüssel NA des Endgeräts, um eine zufällige 128-Bit-Zahl N zu verschlüsseln, die aus zwei 64-Bit-Feldern, NK (der Verbindungsschlüssel) und NR (der Antwortschlüssel) zusammengesetzt ist. Eine Verschlüsselung mit einem privaten Schlüssel und ein Entschlüsselungsalgorithmus A können verwendet werden, wie z. B. der gut bekannte DES-Standard. Der Merkmalsprozessor sendet die verschlüsselte Zahl NE zu dem Endgerät. Das Endgerät entschlüsselt NE unter Verwendung des eigenen Berechtigungsschlüssels NAT und des Algorithmusses A, um die zwei 64-Bit-Zahlen NKT und NRT abzuleiten. Es verwendet den abgeleiteten Schlüssel NKT, um NRT (unter Verwendung des Algorithmusses A) zu verschlüsseln, und sendet dies zu dem Merkmalsprozessor. Der Merkmalsprozessor entschlüsselt NRT unter Verwendung des vorher abgeleiteten Schlüssels NK und des Algorithmusses A. Wenn das Resultat mit dem vorher abgeleiteten NR übereinstimmt, beweist dies, daß das Endgerät den korrekten Berechtigungsschlüssel besitzt, und es wird ermöglicht, daß das Endgerät die Systemdienste verwendet. Alle zukünftigen Pakete, die durch dieses Endgerät während dieses Anrufes übertragen werden, werden unter Verwendung des abgeleiteten Schlüssels NK (der gleich NKT ist) und des Algorithmusses A abgeleitet.
Ein ähnliches Verfahren wird verwendet, um andere Systemkommunikationsverbindungen zu prüfen (validieren) und zu verschlüsseln. Dieses Verfahren verhindert die betrügerische Verwendung der Systemdienste und das "Lauschen" an Endge rät-zu-Satelliten-Verbindungen, wobei dies beides ernste Probleme bei ähnlichen Systemen sind.
Folgend der Berechtigung des ursprünglichen Endgeräts TA fragt der Merkmalsprozessor einen Datenbankprozessor ab, um die letzte bekannte Position, den Berechtigungsschlüssel und die Dienstmerkmale des angerufenen Endgeräts TB (wenn. TB ein Teilnehmer dieses Netzes ist) oder die Identität des Netzübergangssystems zu bestimmen, das das Tg (wenn das TB ein Teilnehmer eines anderen Netzes ist) bedient. Der Merkmalsprozessor verwendet den autonomen Umlaufbahnbestimmungs- (AOD-; AOD = Autonomous Orbit Determination) Algorithmus, um die Identität des Satelliten Sg zu bestimmen, der derzeit die Position des Endgeräts TB oder des entsprechenden Netzübergangs bedient. Die Positionsinformationen (auf die in Fig. 5 als Leitbefehle Bezug genommen wird) werden zu dem TA zurückgegeben.
Das Endgerät TA sendet ein Anrufeinrichtungsanfragepaket zu dem Satelliten 5B. Dieses Paket identifiziert das angerufene Endgerät TB oder den zugeordneten Netzübergang G. Wenn TB durch einen Netzübergang bedient wird, sendet der Satellit 5B das Anrufeinrichtungspaket zu dem Netzübergang, der dann die Anrufeinrichtung zu dem Endgerät TB abschließt und das Verbindungspaket zu dem Endgerät TA zurückgibt, sobald das TB den Anruf beantwortet hat. Wenn Tg nicht durch einen Netzübergang bedient wird, sendet der Satellit 5B eine Funkrufnachricht, um TB zu alarmieren. Das Endgerät TB antwortet auf den Funkruf durch Senden einer Nachricht "Anfrage auf Zuweisung" zu dem Satelliten 5B, wie es vorher detailliert erörtert ist. Auf eine ähnliche Art und Weise zu derselben, die für das Endgerät TA beschrieben ist, weist der Satellit 5B TB einen Kommunikationskanal zu und leitet die Berechtigungs- und Verbindungsverschlüsselungs-Prozeduren unter Verwendung des Merkmalsprozessors F ein. Bei der erfolgreichen Beendigung dieser Prozeduren wird das Verbindungspaket zu dem TA zurückgegeben und die Verbindung wird eingerichtet.
Pakete, die zwischen TA und TB übertragen werden, enthalten ein Knoten- und Anrufidentifizierer-Feld, das verwendet wird, um das Paket durch die Schnellpaketschalterknoten zu ihrem Ziel zu leiten. Wenn der Knoten- oder Anrufidentifizierer, der einem Endgerät zugeordnet ist, sich während eines Anrufs ändert, werden die neuen Informationen zu dem anderen Endgerät in folgenden Paketen übertragen, um eine Unterbrechung des Anrufs zu verhindern.

SYSTEMDIENSTE

Zusätzlich zu dem Anbieten eines Grundsprachdienstes kann die Erfindung ferner Daten tragen. Das System ist entworfen, um Daten für Alarm- und Sicherheitsdienste, Telemetriedienste, Faksimile und Verschlüsselung weiterzuleiten. Wie landbasierte Netze besitzt die Satellitenkonstellation ferner die Fähigkeit, ein breites Spektrum von Geschäftsdiensten, einschließlich AIOD, FX, OPX, 800 und WATS zu liefern. Teilnehmer können ferner die vorliegende Erfindung als ein Centrex-Dienst verwenden, der aufeinander bezogene Benutzer in einem virtuellen privaten Austausch, ähnlich zu dem herkömmlichen PBX-Dienst, verbindet. Das Netz, das in dieser Anmeldung offenbart ist, wird ferner derzeit verfügbare Telefongesellschaftsprodukte, wie z. B. Münztelefone, gebührenfreie Notfalleitungen, wie z. B. der 911-Dienst, der in den Vereinigten Staaten angeboten wird, den Funkruf, die Anruferidentifikation, das Anrufweiterleiten, die Anrufweitergabe, die Anrufverfolgung, das Drei-Wege-Anrufen, der Konferenzanruf und die Anrufübernahme, unterstützen.

TECHNISCHE SPEZIFIKATIONEN EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Spezifische Details und Charakteristika eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden Tabellen bereitgestellt. Diese Spezifikationen sind als spezielle Beispiele dargestellt, die variiert werden können, wenn alternative Ausführungsbeispiele verwendet werden, um die Erfindung zu praktizieren. Fachleuten in der Elektronik und der Telekommunikationstechnik wird es offensichtlich sein, daß diese Daten nicht den Schutzbereich der Erfindung begrenzen sondern vielmehr eine umfassendere Offenbarung der Entwurfsdetails liefern sollen. Tabelle 1B: Zellen über Land Tabelle 1C: Verkehrsdichte Verteilung Tabelle 2: Berechnung der Anzahl von Zwischensatellitenverbindungen Tabelle 3 HF-Plan für die Mobilendgerät-Satelliten- Verbindung (MTSL) Tabelle 4: HF-Plan für Festendgerät-Satelliten- Verbindung (FTSL) Tabelle 5: HF-Plan für die Netzübergang-Satelliten- Verbindung (GSL) Tabelle 6: HF-Plan für die Zwischensatellittenverbindung (ISL) Tabelle 7: MTSL-Modulationsparameter Tabelle 8: FTSL-Modulationsparameter Tabelle 9: GSL-Modulationsparameter Tabelle 10: ISL-Modulationsparameter

RAUMFAHRZEUGPOSITIONS- UND LAGENBESTIMMUNG

Jedes Raumfahrzeug in der Konstellation erfordert eine Umlaufbahnpositionsinformationen über sich selbst und andere Satelliten in der Konstellation. Jeder Satellit trägt einen Navigationscomputer, wobei 1000 einen Satelliten S in einer niedrigen Erdumlaufbahn darstellt. Der Satellit kann Telefonanrufe, die Sprach-, Daten- und Videosignale zwischen Bodenstationen 1006 und 1008 und anderen Satelitten 1002 tragen, leiten. Die AOD-Software wird verwendet, um Positionsinformationen innerhalb von 10 km für eine Konstellation von 840 Satelliten S. die bei 700 km (435 Meilen) umlaufen, zu berechnen. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Umlaufbahnhöhe von 700 km verwendet, kann die Erfindung eine Höhe von etwa 500 km bis etwa 1.000 km verwenden. Die Besetzung der Konstellation kann 100 oder mehr Satelliten umfassen, die in mindestens acht Umlaufbahnebenen entfaltet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jede der Umlaufbahnebenen bezüglich des Äquators in einem Winkel von 98,2 Grad geneigt. Dieser Neigungswinkel kann jedoch von 65 bis 125 Grad variieren. Die Exzentrizität der Umlaufbahnen kann sich von 0,001 bis 0,005 erstrecken.
Die Pakete 422, die durch die Satelliten S gesendet und empfangen werden, umfassen Anfangsblöcke 424, die Adreßinformationen erhalten, die es einer Vermittlungs- (schaltenden) Schaltungsanordnung 438 an Bord jedes Raumfahrzeugs ermöglichen, das Paket zu dem ordnungsgemäßen Ziel desselben zu leiten. Der Anfangsblock 424 umfaßt Zeit- und Frequenzinformationen, die durch einen Mikroprozessor verwendet werden, der ein Umlaufbahnbestimmungsprozessor an Bord jedes Satelliten genannt wird, um ein Zwischensatellitenalmanachpaket zu erzeugen. Im Gegensatz zu Kommunikationspaketen 422, die ständig zwischen Raumfahrzeugen in dem System zu den Endzielen derselben auf dem Boden weitergeleitet werden, werden Zwischensatellitenalmanachpakete in der gesamten Konstellation mindesten einmal pro Tag gesendet. Diese Zwischensatelittenpakete enthalten eine Almanachnachricht, die Informationen enthält, die verwendet werden, um eine Umlaufbahnposition zu berechnen.
Bereiche zwischen Satelliten und Bodenstationen können unter Verwendung eines Pseudoentfernungsalgorithmusses berechnet werden, der Zeitunterschiede in Abstände umwandelt. Zwei Satelliten, A und B, senden jeweils Pakete, die ein Zeitetikett des Zeitpunkts der Übertragung umfassen. Die Mikroprozessoren an Bord jedes Raumfahrzeugs messen ferner die Ankunftszeiten der Pakete 422. Diese Messungen werden dann zwischen Satelliten ausgetauscht. Der Durchschnitt von zwei Messungen ist eine Messung der Entfernung zwischen den zwei Satelliten. Alternativ kann ein Satellit ein Paket zu den Nachbarn desselben senden, das zu demselben zurückadressiert wird. Durch Messen der Zeit, die notwendig ist, so daß das Wort zurückkehrt, wird die Entfernung des benachbarten Satelliten berechnet. Alternativ können Doppler-Verschiebungen 1010 anstelle der Zeitunterschiede gemessen werden. Diese Messung wird mit Signalen durchgeführt, die "Pilottöne" genannt werden, die durch die Satelliten gesendet werden, um die Antennenstrahlen zu lenken, die den Anrufverkehr zu Bodenstationen übertragen. Dieses alternative Meßverfahren ist unabhängig von den Satellitendatenverbindungen. Die Messungen der Satelliten-Doppler-Verschiebungen beobachten die Geschwindigkeit zwischen den Satelliten.
Fig. 80 ist ein Blockdiagramm 1012, das die Funktionsbeziehungen zwischen dem autonomen Umlaufbahnbestimmungsalgorithmus, Zeit- und Frequenzmessungen 1014, die als Eingangssignale verwendet werden, und der verwandten Hardware darstellt, die eine Funkbestimmungssatellitendienst- (RDSS-; RDDS = Radio Determination Satellite Service) Schaltungsanordnung 1020, Satellitenführungs- und Steuersysteme 818, eine Kommunikationsschaltungsanordnung 1022 und Antennensteuersysteme 1024 umfaßt.
Fig. 81 ist ein Blockdiagramm, das Details der Positions bestimmungsschaltungsanordnung 1026 zeigt. Eine Kommunikationsverbindung 1028 befördert Informationen zu einer Demodulationsstufe 1030, die Informationen zu dem Zeitpunkt der Wahrnehmung von Paketen 1040 zu einer Zeit- und Freguenz-Synchronisationsstufe 1042 weiterleitet. Ein Frequenzsynthesizer 1032 ist mit der Datendemodulationsstufe 1030 und mit einer Phasenregelschleifenstufe 1036 gekoppelt. Der Frequenzsynthesizer 1032 ist ferner mit einem Oszillator 1034 gekoppelt. Die Phasenregelschleifenstufe 1036 und eine Antennensteuerstufe 1024 empfangen Pilottöne 1038 als Eingangssignale. Die Phasenregelschleifenstufe 1036 mißt Doppler-Verschiebungen 1044, während die Antennensteuerstufe 1024 korrekte Antennenzeigerichtungen 1048 bestimmt. Die Doppler-Messungen 1044 dienen als Eingangssignale zu einem autonomen Umlaufbahnbestimmungsprozessor 1046. Die Zeigerichtungen 1048 werden für die Lagenbestimmung 1050 verwendet.
Fig. 82 ist ein schematisches Diagramm 1052, das einen Satelliten S in der Umlaufbahn zeigt, der mit einem Netzübergang G kommuniziert. Die Figur stellt die Berechnung der Lageninformationen dar, die durch das Raumfahrzeug berechnet werden. Die AOD-Verfahren liefern nicht nur Positionsinformationen, die verwendet werden, um optimale Wege zum Leiten des Kommunikationsverkehrs auszuwählen, sondern liefern ferner Ausgangssignale, die zur Raumfahrzeugführung und Steuerung und zum Zwischensatellitenantennenlenken verwendet werden, und erzeugt Pseudoentfernungspakete für einen hochgenauen Funkbestimmungssatellitendienst (RDSS).

VERKEHRSLEITEN

Vermittlungsschaltungen um jeden Satelliten in der Konstellation transportieren Pakete von Daten durch ein Satellitennetz in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Jeder Satellit sieht intelligente und autonome an Bord befindliche Schaltfähigkeiten vor und sieht synchrone, schaltungsvermittelte Kommu nikationsdienste mit gleichmäßigen Ende-zu-Ende-Übertragungsverzögerungen bzw. Übertragungsverzögerungen von einem Ende zum anderen vor. Die Leitverfahren, die in der Schalthardware (Vermittlungshardware) implementiert sind, verwalten die Satellitenkommunikationsverbindungen zwischen dem Ursprung und dem Ziel der Telefonanrufe, die Sprach-, Daten- oder Videoinformationen befördern. Die Weltraumschalter können die beste Serie von Verbindungen von einem irdischen Netzübergang oder einem Endgerät hinauf durch eine Satellitenkonstellation und zurück hinunter zur Erde auswählen. Der Weg, der für einen speziellen Anruf ausgewählt wird, muß sehr stark anpassungsfähig sein und sich sehr schnell ansprechend auf die sich andauernd ändernde Geometrie der Konstellation der niedrigen Erdumlaufbahn ändern. Basierend auf Eingangssignalen von dem Positionsbestimmungsalgorithmus, die die Länge jeder Verbindung in dem System bestimmen, bestimmen die Verfahren, die durch die vorliegende Erfindung implementiert sind, den optimalen Leitweg für jede Übertragung von jedem Satelliten und richten ferner die effizienteste Verteilungsstruktur des Verkehrs über das gesamte System ein.
Eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Verkehrsleiterfindung weist ein asynchrones schnellpaketgeschaltetes Netz auf, bei dem die Benutzerbits synchron gesammelt werden, jedoch in Paketen mit variablen Übertragungsverzögerungen transportiert werden. Das Netz verwendet ein Datagramm- Schalten im Gegensatz zu herkömmlichen virtuellen Durchschaltevermittlungsverfahren (circuit switching techniques). Pakete, die dem einzelnen Telefonanruf zugeordnet sind, bewegen sich nicht notwendigerweise entlang des gleichen Leitwegs, und dieselben kommen folglich bei ihren gemeinsamen Zielen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an. Jedes Neubestellen von Paketen, die aufgrund von Variationen der Durchgangsverzögerungen ankommen, werden durch die Schaltungsanordnung neu sequentialisiert, die sich innerhalb des Zielknotens befindet. Die Schaltknoten (Vermittlungsknoten) des Netzes sind an Bord der Satelliten positioniert, die sich ständig relativ zueinander bewegen. Diese ununterbrochene Bewegung bewirkt, daß Ausbreitungsverzögerungen entlang der Verbindungen fortdauernd variieren. Sowie sich Satelliten der Konstellation in ihren unterschiedlichen Umlaufbahnen bewegen, ändert sich der Satz von Satelliten, der von jedem beliebigen Netzelement sichtbar ist, wie z. B. ein Satellit, ein Netzübergang oder ein Benutzerendgerät, fortdauernd. Ein Satellit, der von einem Netzübergang zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbar ist, kann ein paar Minuten später nicht mehr sichtbar sein, und ein vorher unsichtbarer Satellit kann dann erscheinen. Die zugrundeliegende Netz-"Topologie", die als die Verbindungsgeometrie zwischen den Netzelementen definiert ist, erfährt eine fortdauernde Änderung. Hardware und Software, die gemeinsam die "Leitvorrichtung" (Router) genannt werden, müssen sich ständig an die sich ändernde Topologie anpassen. Die zeitvariierende Netztopologie ist im Gegensatz zu herkömmlichen regelmäßigen Netzen, die Ring-, Würfel- oder Stern-Topologien verwenden, unregelmäßig. Die vorliegende Erfindung verwendet eine willkürliche Maschenkonfiguration. Die Netztopologie ändert sich ferner, wenn neue Satelliten entfaltet werden, wenn die nutzbaren Lebensdauern von alten Satelliten enden, oder wenn Satelliten- und Verbindungsfehler auftreten. Die Verkehrsintensität oder die Verbindungs-"Last" in Verbindungen ändert sich aufgrund von normalen Verkehrsschwankungen zufällig. Diese Laständerungen führen zu variablen Verbindungswarteschlangenverzögerungen zusätzlich zu variablen Verbindungsausbreitungsverzögerungen. "Nachrichten" von Ereignissen in einem Abschnitt des Netzes erreichen nicht alle Knoten gleichzeitig, was es erforderlich macht, daß die Leitvorrichtung Entscheidungen mit unvollständigen Informationen fällt.
Die Verkehrsleitschalter überwinden die Begrenzungen, die beim herkömmlichen Paketschalten unter Verwendung von virtuellen Schaltungen angetroffen werden. Die vorliegende Erfindung verwendet einen "Datagramm"-Lösungsansatz, der jedes Paket, das durch das System befördert wird, unabhängig bei jedem Knoten in dem Netz leitet. Die Pakete werden entlang eines optimierten Weges durch das Netz durch einen schnellen Paketschalter gerichtet, der den Verkehr basierend auf Befehlen von einem Mikroprozessor, der ununterbrochen einen anpassungsfähigen Leitalgorithmus laufen läßt, richtet. Dieser Mikroprozessor benutzt Umlaufbahnpositionsinformationen, die an Bord jedes Raumfahrzeugs erzeugt werden, um die sich schnell ändernde Topologie der Konstellation und die Verteilung des Verkehrs zwischen den Knoten und den Verbindungen derselben zu überwachen.
Allgemein weist die Hardware, die für das Verkehrsleiten verantwortlich ist, einen selbstleitenden schnellen Paketschalter, einen Eingangspaketprozessor, einen Leitcachespeicher und einen anpassungsfähigen Leitprozessor auf. Der Eingangspaketprozessor funktioniert wie ein Pförtner oder ein Führer, der die Zielknotenadresse aus jedem Paket extrahiert und dieselbe verwendet, um auf Leitinformationen zuzugreifen, die in dem Leitcachespeicher gespeichert sind. Der anpassungsfähige Leitprozessor aktualisiert ununterbrochen den Leitcachespeicher, so daß jeder Satellit eine genaue "Kenntnis" des Aufenthaltsorts von allen Nachbarn desselben und von einer erwarteten Paketverzögerung von benachbarten Knoten zu allen möglichen Zielknoten besitzt. Basierend auf diesen Positionsinformationen und erwarteten Verzögerungsinformationen wählt der anpassungsfähige Leitprozessor den besten Weg von einem speziellen Satelliten zu einem einzelnen benachbarten Satelliten aus, und das Paket wird dann durch eine innere Schaltungsanordnung eines Schalters (switch circuitry) an Bord des Satelliten auf dem Weg desselben zu einem anderen Raumfahrzeug bei der Reise zu einem schließlichen Ziel auf der Erde bewegt. Die vorliegende Erfindung optimiert die Verwendung der Netzeinrichtungen und minimiert die Übertragungsverzögerungen und die Varianzen von Übertragungsverzögerungen. Durch schrittweises Vorberechnen des optimalen Leitwegs für jedes Paket bei jedem Satelliten, wird die Zeitmenge, die erforderlich ist, um einzelne Pakete zu verarbeiten, stark reduziert.

DIE VERKEHRSLEITUMGEBUNG

Obwohl eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele des Satellitenkommunikationssystems 21 Sätze von 40 Raumfahrzeugen aufweist, die sich in 21 getrennten Umlaufbahnebenen bewegen, nimmt die Erörterung des Verkehrsleitabschnitts der Erfindung eine Satellitenkonstellation an, die 336 Satelliten aufweist, die sich in 21 Umlaufbahnen mit 16 Satelliten in jeder Umlaufbahn bewegen. Die Satellitenhöhe ist auf 700 km (435 Meilen) festgelegt. Die relativ große Anzahl der Satelliten bei den verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Konstellation wurde ausgewählt, um eine ununterbrochene Bedeckung der Oberfläche der Erde bei hohen Strahlungswinkeln bezüglich der Erdoberfläche vorzusehen, wodurch Laub, Gelände vermieden wird und die Durchgangslänge des Signals durch Regen minimiert wird. Jedes der einzelnen 336 Raumfahrzeuge funktioniert als ein souveräner Schalter, der die Position der Nachbarn desselben kennt und unabhängig den Verkehr ohne eine Bodensteuerung handhabt. Die Satelliten können Anrufe zu Millionen von Teilnehmern, die tragbare, mobile und feste Wohnsitz- und Geschäftsendgeräte verwenden, und Netzübergängen zu öffentlichen Telefonnetzen transportieren. Die Konstellation verwendet das 20- und das 30-GHz- Frequenzband für Kommunikationen zwischen der Erde und der Konstellation, und das 60-GHz-Band zum Kommunizieren zwischen den Satelliten. Die Verwendung dieser extrem hohen Frequenzen ermöglicht die Verwendung einer relativ niedrigen Leistung und von miniaturisierten Antennenkomponenten sowohl auf dem Boden als auch an Bord der Satelliten. Die gesamte Konstellation ist entworfen, um über 20 Millionen Teilnehmer und 60.000 Vollzeit-DS-0- (64 KBPS) Schaltungen zu bedienen. Die Satelliten werden mit herkömmlichen öffentlichen und privaten Telefonsystemen auf dem Boden durch Netzübergänge gekoppelt, die jeweils relativ große Antennen verwenden und große Volumina von Anrufverkehr handhaben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert diese Schnittstelle zwischen den irdischen Systemnetzübergängen und dem irdischen Netz auf den aktuellen Standard-ISDN-Schnitt stellen, um eine Kompatibilität beizubehalten. Im Gegensatz zu derzeit verfügbaren zellularen Systemen, die Anrufe zu Teilnehmern von lokalen Funktürmen weiterleiten, bietet die vorliegende Erfindung eine direkte Kommunikation zwischen den Satelliten der Konstellation und Individuen, die leichte tragbare, mobile und feste Telefone verwenden.
Eines der wichtigen Eingangssignale der Schaltungsanordnung des schnellen Paketschalters ist ein ununterbrochener Strom von Umlaufbahnpositionsinformationen, die an Bord jedes Satelliten durch einen Navigationscomputer erzeugt werden, der autonome Umlaufbahnbestimmungsalgorithmen (AOD) laufen läßt. Die AODs berechnen für jeden Satelliten Ephemeridenparameter. Diese Parameter werden zu jedem Satelliten in der Konstellation gesendet, so daß alle Raumfahrzeuge ihre eigenen Positionen und die Position von jedem anderen Satelliten in dem Netz "kennen". Ein Ausführungsbeispiel der ACD-Algorithmen verwendet einen Zwischensatellitenentfernungsalgorithmus, der Abstände zwischen Raumfahrzeugen durch Messen von Zeitverzögerungen berechnet, die den Schnellpacketschaltübertragungen inhärent sind. Ein zweites Ausführungsbeispiel der AOD-Software enthält einen Algorithmus, der die Raumfahrzeugposition durch Berechnen von Unterschieden der Doppler-Verschiebungen von Satellitenübertragungen festlegt. Eine dritte Version verwendet feste Erdbezugsstationen bekannter Position, um die Position zu bestimmen. Sobald die Umlaufbahnpositionsinformationen erzeugt sind, werden dieselben als ein Eingangssignal zu einem anpassungsfähigen Leitprozessor verwendet, der einen anpassungsfähigen Leitalgorithmus (ARA) laufen läßt. Der ARA überwacht andauernd die sich ändernden Positionen von allen Raumfahrzeugen in dem Netz und verfolgt ferner die Kommunikationsverkehrstauung zwischen den Verbindungen und den Knoten des Systems. Der anpassungsfähige Leitprozessor erzeugt ein Ausgangssignal, das "Nächster-Knoten-auf dem-Weg-zu-dem-Ziel" genannt wird. Wie der Name impliziert, enthält diese Ausgabe Informationen und liefert Befehle zum knotenweisen Bewegen der Kommunikationsdaten durch das Netz.

DIE VERKEHRSLEITVORRICHTUNG

Das Satellitenkommunikationssystem (SCS) wird seinen Endbenutzern synchrone leitungsvermittelte Kommunikationsdienste liefern. Benutzer bei einem tragbaren P oder festen F Endgerät oder einem Netzübergang G werden folgende Lieferungen von Benutzer-"Bits" ungeachtet der Bedeutung derselben mit gleichmäßigen Ende-zu-Ende-Übertragungsverzögerungen empfangen. Das SCS-Netz ist ein asynchrones Schnellpaketschaltnetz, bei dem die Benutzerbits synchron gesammelt werden, jedoch in Paketen mit einer variablen Übertragungsverzögerung transportiert werden. Die Effizienz des Netzes wird durch Verwenden eines "Datagramm"-Schaltens im Gegensatz zu einem virtuellen Durchschaltevermitteln bzw. Schaltungsvermitteln erreicht. Da ein Telefonanruf viele einzelne geleitete Pakete aufweisen kann, die unterschiedliche Leitwege nehmen können, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen, muß das Netz Software- und Hardware-Systeme umfassen, die aus der Reihe fallende Ankünfte von Paketen und Variationen der Paketverzögerungen berücksichtigen. Fig. 83 zeigt ein Blockdiagramm, das die Knotenhardwarearchitektur 1100 darstellt, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Eine gewöhnliche Steuerstufe 1102 an Bord jedes Raumfahrzeugs kann Zwischenknotennachrichten 1104 und 1106 zu Empfängern 1108 und Sendern 1110 befördern, die mit anderen Satelliten 5 in der Konstellation kommunizieren. Die gewöhnliche Steuerstufe 1102 ist ferner mit einem schnellen Paketschalter bzw. Schnellpaketschalter 438 verbunden.
Das Verbindungssteuerverfahren 1112 ist in Fig. 84 zusammengefaßt, während das Leitverfahren 1114 in dem Flußdiagramm dargestellt ist, das in Fig. 85 gezeigt ist. Die Dienstanfrage 1116 von Teilnehmern 1118, die sich auf der ganzen Welt befinden, fordern den Leitalgorithmus 416 auf, optimale Wege für den Anrufverkehr unter Verwendung von Leittabellen 1120 und anderen lokalen Verfahren 1122 zu bestimmen. Fig. 86 zeigt das dynamische Paketleitverfahren 1124. Die Leitvorrichtung 1126 verwendet Einträge, die in den Leittabellen 1120 gespeichert sind, um Paketleitvorrichtungen 1128 zu befehlen, wie Pakete 422 zu einem Sortiernetz 1130 und zu zugeordneten Sendern 1132 zu verarbeiten sind. Drei ungleiche Diffusionsraten 1134, 1136 und 1138 zum Leiten von Informationen, die durch die Konstellation diffundieren, sind in Fig. 87, 88 und 89 dargestellt. Ein Blockdiagramm eines Ausgangsmoduls 1140 ist in Fig. 90 gezeigt, die Details der Paketleitvorrichtung 1128 sind in Fig. 91 gezeigt und Fig. 92 liefert eine verbesserte Ansicht der Vermittlungsarchitektur bzw. Schaltarchitektur 1142.
Fig. 93 zeigt die Struktur der Pakete 422, die durch das Netz befördert werden. Alle Pakete 422, die durch das Netz befördert werden, sind 512 Bit lang. Der erste Abschnitt des Pakets ist ein Anfangsblock 424, der 80 Bit aufweist. Der Anfangsblock 424 ist eine Sammlung von Steuerfeldern, die die Paketpriorität und den Pakettyp bestimmen und Leitinformationen enthalten. Ein Leitfeld innerhalb des Anfangsblocks 424 umfaßt ein Zielfeld, das einen Zielknoten und eine spezifische Anruf/Beförderungs-Identifikation innerhalb des Zielknotens umfaßt. Eine 416-Bit-Nutzlast und eine zyklische 16-Bit-Blocksicherung (CRC) begleiten den Anfangsblock. Die Nutzlast 426 trägt den Gegenstand der Nachricht, die das Paket transportiert, und die CRC wird verwendet, um Fehler zu erfassen. Die Struktur, die oben erwähnt ist, wird als eine Basis für die gesamte Erörterung und für Beispiele verwendet, die in diesem Dokument erscheinen. Für 150-Mbit-Verbindungen zwischen den Knoten des Netzes ist die Übertragungszeit für ein 512-Bit-Paket:
T&sub1; = 512/150.000.000 = 3,413 Mikrosekunden
Die folgenden Erörterungen und Beispiele sind ferner auf der Annahme begründet, daß alle Schaltungen, die verwendet werden, Typ-DSO-Schaltungen sind, die einen 64-Kb-Kanal und einen zugeordneten 8K-Datenkanal umfassen. Da jedes Paket jeweils 416 Bit entlädt und das DSO eine Gesamtmenge von 72 Kb pro Sekunde handhaben kann, erzeugt ein DSO
72.000/416 = 173,077 Pakete pro Sekunde
oder ein Paket alle 5,777 Millisekunden:
416/72.00 = 5,777 Millisekunden
Jede Satellitenkonstellation ist ein Vermittlungsknoten bzw. Schaltknoten, der genauso wie ein unabhängiges und souveränes Mitglied des Netzes behandelt wird. Da jeder Satellit sich andauernd relativ zu allen anderen Satelliten in dem Netz bewegt, variieren ferner die Sendeverbindungen und daher die Ausbreitungsverzögerungen der Pakete. Da sich die Satelliten in ihren Umlaufbahnen bewegen, ändert sich die Gruppe der Satelliten, die von jedem beliebigen anderen Satelliten, Netzübergang oder Endgerät zu einem beliebigen Zeitpunkt sichtbar ist, fortdauernd. Ein Satellit, der von einem Netzübergang G zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbar ist, kann ein paar Minuten später nicht mehr sichtbar sein, und ein vorher nicht sichtbarer Satellit kann innerhalb der gleichen paar Minuten auftauchen. Die zugrundeliegende Netztopologie, die die Verbindungsgeometrie zwischen den Netzelementen darstellt, ändert sich ununterbrochen und erfordert, daß die Leitvorrichtung sich ununterbrochen an die sich ändernde Topologie anpaßt. Die zeitvariierende Netztopologie ist im Gegensatz zu der regelmäßigen Topologie eines Rings, Würfels oder Sterns unregelmäßig, und stellt eine willkürliche Maschenkonfiguration dar. Die Netztopologie ändert sich ferner, wenn neue Satelliten entfaltet werden, wenn die nutzbare Lebensdauer von einigen Mitgliedern der ursprünglichen Konstellation zu einem Ende kommt, oder wenn ein Satelliten- oder Verbindungsfehler auftritt. Die Verkehrsbelastung oder die Verkehrsintensität in Verbindungen ändert sich aufgrund der normalen verkehrsstatistischen Schwankungen und der variierenden Anrufstrukturen zufällig. Diese Belastungsänderungen führen zu variablen Verbindungswarteschlangenverzögerungen zusätzlich zu variablen Verbindungsausbreitungsverzögerungen. Da "Nachrichten", die in einem Abschnitt des Netzes auftreten, nicht alle Knoten in dem Netz gleichzeitig erreichen, muß die Leitvorrichtung Entscheidungen basierend auf nicht-vollständigen Informationen fällen. Die Mängel der für die Leitvorrichtung verfügbaren Informationen werden durch sowohl einen Mangel an Korrektheit als auch durch eine Langsamkeit bewirkt.

VERTEILTES LEITEN

Pakete 422, die bei Verkehrsquellen erzeugt werden, werden durch das Netz in einer Speichern-und-Weiterleiten-Art geschaltet. Die Leitvorrichtung 1128 in jedem Funkfelci leitet das Paket zu dem nächsten Funkfeld weiter, was die Paket- Ende-zu-Ende-Verzögerung minimiert, die das Paket auf seiner Reise von der Quelle zu dem Ziel erfährt. Die Entscheidung, wie ein Paket 422 weiterzuleiten ist, wird durch jedes Funkfeld unabhängig mit keiner mutmaßlichen oder statischen Leitwegbestimmung bestimmt. Leitentscheidungen basieren auf den der Leitvorrichtung bei dem Vermittlungsfunkfeld bzw. Schaltfunkfeld (Switching Hop) verfügbaren Informationen, und spiegeln dynamische globale-Netzbetrachtungen sowie die lokalen Knotenbetrachtungen wider. Bei dem einen Ausführungsbeispiel der bevorzugten Ausführungsbeispiele besitzen sowohl die Satelliten S als auch die Netzübergänge G Leitfähigkeiten, so daß der Ausdruck "Knoten" verwendet wird, um sich sowohl auf Satelliten als auch Netzübergänge zu beziehen. Ein Netzübergang wird einfach als ein feststehender Satellit behandelt. Der Ausdruck "Leiten" umfaßt nicht nur das Verfahren des Richtens jedes Pakets bei jedem Knoten, sondern umfaßt ferner die verwandten Operationen des Steu erns des Verkehrsflusses, der Überlastungen und der Stauungen und des Optimierens der Verkehrsverteilung.
Die Leitvorrichtung betrachtet die Daten, die lokal von der Leitvorrichtung selbst sowie von anderen lokalen Quellen, wie z. B. dem Topologieverwalter, gesammelt werden. Leitdaten werden ferner von ebenbürtigen Leitvorrichtungen, die bei benachbarten Knoten positioniert sind, empfangen. Die Zwischenkontennachrichtenkommunikation wird durch das Knotennachrichtentransportsystem (MTS) erleichtert. Die Leitvorrichtung bildet aus diesen Informationen ihre lokale "Sicht der Welt" und teilt dieselbe mit lokalen Verfahren und Ebenbürtigen in benachbarten Knoten. Eines der Schlüsselcharakteristika der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Verfahren, das eine Leitvorrichtung in jedem Knoten verwendet, um Informationen mit den benachbarten Ebenbürtigen derselben auszutauschen. Dieser Austausch erlaubt es einem Knoten, den spezifischen Status der Nachbarn desselben und die Ansichten der Nachbarn des Rests des Netzes zu lernen. Jeder Knoten kann die Nachbarn desselben beeinflussen oder sogar zwingen, den Zustand des lokalen Knotens in ihre eigenen Handlungen einzubeziehen. Der Knoten kann dann eine lokale Leitstrategie herleiten und aufbauen, die mit dem Rest des Netzes übereinstimmt, und kann ferner beim Beeinflussen der gesamten verteilten Netzleitstrategie teilnehmen. Die verteilte Endstrategie resultiert aus der Zusammenarbeit von allen Knoten. Dieser "selbstorganisierende" Lösungsansatz wird abhängig von den folgenden Zielen durchgeführt:
1. Eine Wechselwirkung wird lediglich zwischen unmittelbaren Nachbarn erlaubt. Wenn jeder der N Netzknoten einen Durchschnitt von K Nachbarn besitzt, liegt die Gesamtanzahl der "paarweisen" Wechselwirkungen in der Größenordnung von K N anstelle der astronomischen N (N-1) Paare von Wechselwirkungen.
2. Die Leitstrategie, die unabhängig durch jeden Knoten hergeleitet wird, muß korrekt sein und über das ganze Netz übereinstimmen. Bei einem normalen Betrieb können keine Leitschleifen erzeugt werden. Hauptfehlerereignisse können jedoch zu vorübergehenden, jedoch erfaßbaren und wiederherstellbaren Leitschleifen führen.
3. Eine minimale Ende-zu-Ende-Paketlieferverzögerung muß sichergestellt sein. Die optimale Leistung des gesamten Netzes wird basierend auf sowohl lokalen als auch globalen Netzbetrachtungen beurteilt.
4. Das Netz ist konfiguriert, um eine vollständige Leitverbindbarkeit zu erlauben, so daß ein beliebiger Knoten n optimal mit einem beliebigen anderen Knoten x kommunizieren kann.
5. Alternative Leitwege werden immer dann erzeugt, wenn es möglich ist.
6. Das Netz muß an Änderungen der Netzlast und der Verkehrsstrukturen anpaßbar sein, und muß in einer willkürlichen Netztopologie funktionieren können.
7. Das Netz muß das höchste Niveau eines asynchronen und zeitunabhängigen Verhaltens beibehalten. Das Netz "versucht" zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit den Informationen und den Knoten, die derzeit verfügbar sind, immer die beste Arbeit zu leisten.
8. Das gesamte System ist selbsteinleitend und kann automatisch von vorher unbekannten Knoten erfahren.
Einige der wesentlichen Parameter von einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Tabellen 12 und 13 beschrieben.

Tabelle 12: Die Satellitenkonstellation

Satellitenhöhe 700 km
Umlaufbahnneigung 70 Grad
Höhe des Maskenwinkels 15 Grad
Innerumlaufbahnüberlappungsverhältnis 0,2238
Bandüberlappungsverhältnis 0,1249

Tabelle 13: Satellitenentfaltung

Umlaufbahnen 21
Satelitten pro Umlaufbahn 16
Gesamtzahl der Satelliten 336
Beide Tabellen 12 und 13 beziehen sich lediglich auf die Erörterung, die in dem Abschnitt der Beschreibung mit dem Titel "Verkehrsleiten" enthalten ist.

ABSCHÄTZEN VON PAKETVERZÖGERUNGEN

Die Leitvorrichtung in jedem Knoten n behält eine lokale Schätzung der Verzögerung zu jedem beliebigen anderen Knoten x für jede der Ausgangsverbindungen 1, 2, ..., L desselben bei. Die Verzögerung von n zu x über die Verbindung 1 ist wie folgt gegeben:
Algorithmus 1: D(n,x,1) = Tp(1) + Tq(1) + ND1(1*, x)
Tp(1) ist die aktuelle Ausbreitungsverzögerung der Verbindung 1, die den lokalen Knoten n mit dem Nachbarknoten verbindet, wobei 1 an der entfernten Kante desselben endet. Dieser Nachbar ist mit 1* bezeichnet (das Symbol * wird verwendet, um den "Nachfolger von" zu bezeichnen). Tp(1) vari iert mit der Zeit, sowie der Abstand zwischen n und 1* sich mit der Satellitenbewegung ändert. Der Knotenverbindungsverwalter aktualisiert periodisch den Wert von Tp(1) für jede Verbindung. Es ist die Knotenpositionierfähigkeit, die tatsächlich die physischen Messungen von Tp(1) durchführt. Tq(1) ist die aktuelle Verbindungswarteschlangenverzögerung, die aus zwei Komponenten Tb und Ts besteht. Tb stellt die Zeit dar, die durch ein Paket in dem Puffer beim Warten, daß alle Pakete vor demselben übertragen werden, verbraucht wird. Ts ist die tatsächliche Paketübertragungszeit, sobald dasselbe zu dem Warteschlangenkopf gelangt (die Dienstzeit genannt). Ts ist eine Funktion der Paketlänge und der Verbindungsübertragungsbandbreite. Klarerweise nehmen Tb und daher Tq zu, wenn die Verbindungslast zunimmt. Eine wichtige Tatsache, die jedoch zu realisieren ist, besteht darin, daß je höher die Verbindungsbandbreite ist, desto breiter der Bereich der halblinearen Abhängigkeit von Tq von der angebotenen Verkehrslast ist. Das funktionelle Verhalten von Tq ist durch den folgenden Ausdruck beschrieben:
Tq ~ k/(Verbindungs Bandbreite - Angewandte_Last)
Solbald die angewandte Last die Verbindungsbandbreite erreicht, ist Tq etwa konstant, aber über diesen Punkt hinaus ist Tq exponentiell. Dieses Verhalten ist eine direkte Folge des Gesetzes von großen Zahlen, das, wenn dasselbe in diesem Zusammenhang angewendet wird, vorschlägt, daß ein Hinaufskalieren bzw. eine maßstäbliche Vergrößerung von sowohl der Verbindungsbandbreite (der Dienstkapazität) als auch der Verkehrslast mit dem gleichen Faktor zu einer Abnahme von Tq um den gleichen Faktor führt. Aufgrund der sehr hohen Kapazität der 150 Mbit der Verbindungen, können die Verbindungen zwischen den Knoten in dem Netz sehr effizient und mit Lasten, die sich an 100% der Gesamtverbindungsbandbreite annähern, genutzt werden. Da sich der Wert von Tq sehr schnell ändern kann, wird der Wert desselben mit einer Hardware gemessen, die die Verbindungsübertragungspuffergröße verfolgt. Diese Überwachungsschaltungsanordnung liefert einen gemesse nen Momentanwert von Tq. Die Variable ND(1*, x) ist die Verzögerung, die durch den Nachbarn 1* zu n berichtet wird, was die kleinste Verzögerung von demselben (von dem Nachbarknoten 1*) zu dem Zielknoten x angibt. Die Leitvorrichtung in n hält eine Tabelle ND1(1*, x) für jede der Verbindungen derselben aufrecht und spiegelt die aktuellste Verzögerung wider, die durch den Nachbar 1* zu jedem Ziel x berichtet wird. Die Ausdrücke Tp und Tq werden durch den Knoten n aus lokalen Informationen abgeleitet, während der Ausdruck ND1(1*, x) den verteilten Ausdruck darstellt. Aus der Sicht der Leitvorrichtung ist, wenn Laststeuerprobleme ignoriert werden, die optimale Verbindung von n zu dem Zielknoten x die Verbindung 1, für die D(n,x,l) am niedrigsten ist. Die tatsächliche Verbindung, die durch n verwendet wird, um Pakete zu x weiterzuleiten, ist nicht immer die optimale Verbindung. Wenn Ziele, die die Verkehrslastverteilung betreffen, in die Entscheidung einbezogen werden, kann eine andere Verbindung ausgewählt werden.

DURCH EINEN KNOTEN ZU SEINEN NACHBARN GESENDETE INFORMATIONEN

Das Leitverfahren in jedem satellitenbasierten Knoten. n (jedoch nicht netzübergangbasierten Knoten) sendet periodisch Leitdaten zu jedem der Nachbarn, einschließlich den Netzübergangsnachbarknoten, desselben. Die Leitdaten werden etwa alle 50 Millisekunden aufgefrischt. Zusätzlich zu den regelmäßigen Aktualisierungen alle 50 ms, werden Leitdaten übertragen, wenn ein lokales Ereignis durch die lokale heitvorrichtung erfaßt wurde, das die eigenen Leittabellen derselben beeinflußt; beim Empfangen von Informationen von einem Nachbar, die die lokalen Leittabellen auf eine Art und Weise transformieren, die möglicherweise andere Knoten beeinflußt; und bei einer Anfrage durch ein weiteres lokales Verfahren, wie z. B. durch den Topologieverwalter, wenn bestimmte Ereignisse erfaßt werden, die die Leitvorrichtung beeinflussen. Die Leitnachricht wird durch das Nachrichtentransport system (MTS; MTS = Message Transport System) transportiert, und wird durch den lokalen Knoten n zu einem der Nachbarn desselben 1* (1 = 1, 2, ..., L) gesendet. Diese Nachricht wird der Verzögerungsvektor genannt. Derselbe listet jeden Knoten x, der zu n bekannt ist, und die aktuelle minimale Verzögerungsschätzung D(n, x) von n zu x auf:

Tabelle 14: Der Verzögerungsvektor

KNOTEN D (n, x)
1 D(n, 1)
2 D(n, 2)
· ·
· ·
x D(n, x)
· ·
· ·
N D(n, N)
Einige Einträge D(n, x) in dem Verzögerungsvektor sirLd nicht wirklich die wahre Verzögerung von n zu x. Eine Verbindung 1 kann einen der folgenden Zustände aufweisen:
S1: logisch getrennt;
S4: Trennen im Gange; oder
S5: normaler Informationsaustausch.
Diese Zustandsnamen sind aus dem X25-Protokoll geborgt und besitzen ähnliche Bedeutungen.

ERZEUGEN DES ÜBERTRAGUNGSVERZÖGERUNGSVEKTORS

Wenn eine Verbindung 1 sich weder in dem Zustand 54 noch 55 befindet, wird der Nachbar 1* ignoriert und kein Verzögerungsvektor wird zu demselben gesendet. Bei gegebenen n, x und 1 wird der Wert D(n, x) (ein Eintrag in dem Verzögerungsvektor, der durch n über die Verbindung 1 zu dem Nachbar 1* gesendet wird) durch die Leitvorrichtung des sendenden Knotens n unter Verwendung eines Übertragungsverzögerungsvektors eingestellt, was die folgenden Schritte aufweist:
1. Auswählen des nächsten Zielknotens x.
2. Wenn alle Werte von x verarbeitet sind, Springen zu dem Schritt 9.
3. Verwenden des obigen Algorithmusses 1 für jede Verbindung 1 von n, um die Verbindung zu finden, die derzeit das kleinste D(n, x, l) zu x ergibt. Anrufen der Verbindung Optimale Verbindung. Wenn n x über keine beliebige Verbindung erreichen kann, Einstellen von Optimale Verbindung auf NULL.
4. Wenn n gleich x ist, Einstellen von D(n, x) auf 0, um die Verzögerung von n zu sich selbst widerzuspiegeln.
5. Wenn sonst die Optimale Verbindung NULL ist, dann Einstellen von D(n, x) auf unendlich, um zu signalisieren, daß x nicht von n (unendliche Verzögerung) erreicht werden kann.
6. Wenn sonst die Optimale Verbindung gleich der Verbindung 1 ist, die Verbindung, über die der Verzögerungsvektor zu dem Nachbar 1* gesendet werden soll, dann Einstellen von D(n, x) auf unendlich. Dieser Schritt hilft Leitschleifen zu vermeiden. Die Leitvorrichtung signalisiert 1*, das derselbe vermeiden sollte, n zum Erreichen von x zu verwenden, da entweder x von n überhaupt nicht erreichbar ist (Schritt 3 oben) oder da n derzeit 1* zum Erreichen von x verwendet.
7. Sonst Einstellen von D(n, x) auf D(n, x, Optimale_ Verbindung).
8. Wiederholen des Schritts 1.
9. Senden des Verzögerungsvektors zu dem Nachbar 1*.
10. Wenn der Übertragungsverzögerungsvektor durch den periodischen Vektor ausgelöst wurde, dann Senden des Verfahrenszeitplans bei der nächsten Übertragung. (Dieser Schritt kann anders sein, wenn der Übertragungsverzögerungsvektor durch eine dringende Sendeanfrage, wie im folgenden beschrieben, ausgelöst wurde.)

VERARBEITEN DES EMPFANGENEN VERZÖGERUNGSVEKTORS

Obwohl jede Verbindung als eine Simplex-Verbindung behandelt wird, stellt der Topologieverwalter beim Organisieren der Netztopologie sicher, daß wenn eine Verbindung von einem Knoten x zu einem Knoten y (x sendend, y empfangend) existiert, ebenfalls eine Verbindung von y nach x eingerichtet wird. Mehrere Verbindungen können zwischen dem gleichen Knotenpaar existieren. Wenn folglich ein Verzögerungsvektor durch den Knoten n über die Simplexeingangsverbindung 1 (von dem Nachbarn 1*) empfangen wird, existiert ferner eine komplementäre Ausgangsverbindung von n zu 1*. Auf die Eingangsverbindung, über die der Knoten n (Satellit oder Netzübergang) einen Verzögerungsvektor empfängt, wird mit dem Symbol li Bezug genommen. Die Verbindung 10 ist die komplementäre Ausgangsverbindung desselben. Der Vektor enthält so viele Einträge wie Knoten in sich, die durch den berichtenden Knoten li* erreichbar sind. Jeder Eintrag ND(1*, x) in dem Vektor ist die Verzögerung von dem Nachbar 1* zu dem Knoten x. Beim Empfangen eines Verzögerungsvektors aktualisiert die lokale Leitvorrichtung die Tabelle NDlo(li*, x) und leitet beliebige inbegriffene Änderungen her. Die Verzögerungsvek toren, die anschließend durch die Leitvorrichtung zu den Nachbarn derselben gesendet werden, werden diese Änderungen widerspiegeln. Wenn ein Verzögerungsvektor über eine Eingangsverbindung empfangen wird, die keine zugeordnete komplementäre Ausgangsverbindung aufweist, wird die Nachricht ignoriert und verworfen. Diese Übergarigsbedingung kann während einer Verbindungstrennprozedur auftreten, die im folgenden erörtert ist. Ansonsten wird jeder Vektoreintrag als einen Verfahrensempfangsverzögerungsvektor aufweisend verarbeitet, was die folgenden Schritte aufweist:
1. Einstellen der Variable_Optimale_Verbindung Veränderungen 0.
2. Wenn alle Einträge verarbeitet sind, Springen zu dem Schritt 17.
3. Wenn x gleich 1* ist, dann Einstellen des Tabelleneintrags NDlo(li*, li*) = 0.
4. Wenn sonst x gleich n ist, dann Einstellen des Tabelleneintrags NDlo(li*, n) = 0.
5. Wenn sonst ND(li*, x) gleich demselben ist, das in dem vorhergehenden Vektor berichtet wird, d. h. NDlo (li*, x) = ND(li*, x), Zurückspringen zu dem Schritt 2.
6. Einstellen von NDlo(li*, x) - ND(li*, x).
7. Einstellen von Alte_Optimale_Verbindung(x) auf die optimale Verbindung, die sicher verwendet wird, um x von n bis zu erreichen.
8. Verwenden des Algorithmusses 1, um die Alte_ Verzögerung(x) zu berechnen, die die Verzögerungsabschätzung von n zu x mit den alten Parametern ist.
9. Verwenden des Algorithmusses 1 für jede Verbindung 1 von n, um die Neue_Optimale_Verbindung(x) zu berechnen: die neue optimale Verbindung zu x unter Berücksichtigung der neuen Parameter.
10. Verwenden des Algorithmusses 1, um die Neue_ Verzögerung(x) zu berechnen, die die Verzögerungsabschätzung von n zu x mit den neuen Parametern ist.
11. Wenn die Neue_Optimale_Verbindung(x) gleich der Alten Optimalen Verbindung(x) ist, dann Zurückspringen zu dem Schritt 2. Die Verzögerung zu x kann sich (nach oben oder unten) geändert haben, jedoch nicht ausreichend, so daß sich die optimale Verbindung zu x ändert.
12. Inkrementieren der Variable Optimale_Verbindung Änderungen.
13. Wenn die Alte_Optimale_Verbindung(x) NULL ist und die Neue_Optimale_Verbindung(x) nicht NULL ist, Entscheiden, daß der Knoten x ein neuer Knoten ist, der nun von n über die Verbindung lo erreicht werden kann. Eingeben des neuen x in die Leittabellen.
14. Wenn sonst die Alte_Optimale_Verbindung(x) nicht NULL ist und die Neue_Optimale_Verbindung(x) NULL ist, Entscheiden, daß x von dem Netz entfernt wurde und nicht mehr von n erreichbar ist. Entfernen von x aus den Leittabellen. Diese Schlußfolgerung kann bei dem Ereignis eines Hauptfehlers vorzeitig sein, in diesem Fall wird jedoch die obige Bedingung 13 so bald auftreten, wie das Netz die Anpassung durchführt.
15. Wenn sonst die Alte_Optimale_Verbindung(x) nicht NULL ist und die Neue_Optimale_Verbindung(x) nicht NULL ist, Entscheiden, daß wenn die Alte_Verzögerung (x) nun sehr hoch ist (mehr als die maximal zulässige Übertragungsechoverzögerung von 100 ms), daß das Schalten aufgetre ten ist, da x von n über die Alte_Optimale_ Verbindung(x) nicht länger erreichbar ist, die Neue_ Optimale_Verbindung(x) jedoch einen guten alternativen Leitweg liefert. Dieses Ereignis kann routinemäßig auftreten, wenn sich das Netz an lokale oder globale Änderungen in der Netztopologie anpaßt. In einigen Fällen tritt das Schalten auf, da die Neue_Optimale_ Verbindung(x) eine niedrigere_Verzögerung im Vergleich zu der Alten Optimalen Verbindung(x) vorsieht. In diesem Fall kann die Alte_Optimale_Verbindung(x) ein alternativer Leitweg zu x werden.
16. Rücksprung zu Schritt 2.
17. Wenn die Optimale_Verbindung Änderungen größer als Null sind, eiliges Senden des letzten Verzögerungsvektors zu jedem Nachbar, um die letzten Änderungen zuzuführen.

NETZANPASSUNG DURCH INFORMATIONSDIFFUSION

Phase 1: Topologieanpassung

Wenn der Algorithmus 1 innerhalb eines gegebenen Knotens zu laufen beginnt, besitzt der spezielle Knoten keine Informationen über beliebige andere Knoten in dem Netz. Der erste Verzögerungsvektor, der von einem der Nachbarn desselben empfangen wird, stellt n diesem Nachbar alleine vor, da der Nachbar selbst auch lediglich von sich selbst weiß. Nach einer kurzen Zeit erkennt jeder Knoten alle seine Nachbarn grob innerhalb einer Zeitmenge, die etwa gleich Tp der Verbindung ist, die die zwei Nachbarn verbindet. Bei der zweiten "Welle" von Informationen nimmt das Niveau der "Knotenkenntnis" zu, und jeder Nachbar g von n wird etwa über g Nachbarn berichten, die eines oder zwei Funkfelder von n weg sind. Da jedes Antreffen eines neuen Knotens x n auslöst, um eilig die Nachrichten (den Prozeßempfangsverzögerungsvektor, Schritt 17) zu den Nachbarn desselben zu senden, wird ein Diffusionsprozeß eingeleitet, bei dem jeder Knoten n in dem Netz schließlich über jeden beliebigen anderen Knoten x erfährt. Jeder Knoten erfährt, daß x existiert, erfährt den besten Weg, um den Knoten x zu erreichen, und erfährt eine Abschätzung erster Ordnung der Verzögerung von n nach x. Jede folgende topologische Änderung, die daraus resultiert, daß Knoten (Satelliten oder Netzübergänge) oder Verbindungen hinzugefügt oder entfernt werden, löst ebenfalls ein Diffusions- und Topologieanpassungsverfahren aus.

Phase 2: Minimalverzögerungsanpassung

Obwohl jeder Knoten bestimmte Informationen während der Topologieanpassungsphase erfahren hat, fährt das Anpassungsverfahren solange fort, bis jeder Knoten n den besten Weg kennt, Pakete zu jedem Ziel x zu leiten, d. h. wie Paket zu leiten sind, um absolut minimale Ende-zu-Ende-Verzögerungen zu erreichen. Die Minimalverzögerungsanpassungsphase ist beendet, wenn keine weiteren Optimalverbindungsschaltvorgänge irgendwo in dem Netz auftreten. Wenn optimale Verbindungen eingestellt sind und sich nicht ändern, haben sich alle Knoten gemeinsam auf eine übereinstimmende globale Lösung zum Leiten geeinigt. Diese verteilte Lösung ist optimal, und obwohl die Lösung nicht notwendigerweise einzigartig ist, garantiert dieselbe, daß keine bessere Lösung existiert.

LAUFENDE ANPASSUNG

Beim normalen Verlauf des Betriebs kann sich die Verbindungswarteschlangenverzögerung Tq als ein Resultat von Verkehrsbelastungsvariationen ändern. Die Verbindungsausbreitungsverzögerung Tp variiert ebenfalls, da die vielen Knoten sich bezüglich einander bewegen. Der Wert von Tp wird periodisch abgetastet, während der Wert von Tq durch die lokale Leitvorrichtung kurz vor der Übertragung eines neuen Verzögerungsvektors abgetastet wird. Der Paketschalter verwen det den Momentanwert von Tq, der durch die Hardware gemessen wird. Eine Änderung in Tq oder Tp der Verbindung 1 von dem Knoten n beeinflußt den Verzögerungswert D(n, x, l), wie er durch den Algorithmus 1 (die Verzögerung kann zu- oder abnehmen) berechnet wird. Wenn 1 eine optimale_Verbindung für einen bestimmten Zielknoten x ist, dann kann die Verzögerungsänderung ebenfalls zu einem lokalen Schaltern der optimalen Verbindung Optimale_Verbindung(x) führen. Alle Verzögerungsvektoren, die anschließend gesendet werden, werden diese Änderung widerspiegeln, was die Nachbarn über die lokalen Änderungen informiert. Selbst eine kleine Änderung in D(n, x, l), die noch nicht mal zu einem lokalen Optimalverbindungsschalten führen muß (lediglich zu einer Änderung des Verzögerungswerts), kann ein Schalten bei einigen Nachbarn auslösen, was seinerseits zu einem Schalten bei ihren eigenen Nachbarn führen kann. Als eine Folge kann eine kleine Änderung in einem Abschnitt des Netzes ein Diffusions- und ein Anpassungsverfahren auslösen, das das gesamte Netz überspannt. Die Änderungen der Nachbarn von n können ihrerseits zu n zurück reflektiert werden, um weitere Änderungen in n auszulösen. Diese Änderungen können das Optimalverbindungsschalten (Optimalverbindungsvermitteln) umfassen, dem wiederum Reflexionen zurück zu den Nachbarn folgen. In den meisten Fällen könnten, da Tp häufig abgetastet wird, und da Tq sehr schnell während starker Verkehrslastbedingungen variieren kann, die Effekte einer lokalen Änderung nicht die Gelegenheit erhalten haben, sich durch das gesamte Netz hindurch einzupendeln, bevor eine weitere lokale Änderung auftritt und ein neues Diffusions- und Anpassungsverfahren ausgelöst wird.

ANPASSUNGSRATE

Die Natur des Diffusionsverfahrens ist zufällig und sehr komplex. Jeder Knoten löst Diffusionswellen aus, die aus lokalen Schwingungen resultieren. Knoten werden ferner durch Wellen von Informationen beeinflußt, die von anderen Knoten ausgehen. Da die Knoten nicht gleichmäßig beabstandet sind, und die Antworten derselben auf neu angekommene Informationen zu unbestimmten Zeiten auftritt (die von den knoteninternen Verarbeitungsbedingungen, den Verfahrenszeitplanprioritäten etc. abhängen), breiten sich die Informationswellen nicht gleichmäßig um die Mitte der ursprünglichen Ursache aus. Die Ausbreitungsverzögerung eines/einer Ereignisses/Ursache, das in einem bestimmen Knoten n zu einem weiteren entfernten Knoten x ausgelöst wird, hängt hauptsächlich von zwei Faktoren ab: der Anzahl der Funkfelder zwischen beiden, da jedes dazwischenliegende Funkfeld die Informationen verarbeitet und dann die resultierende Verzögerungsvektoren desselben in alle Richtungen (einschließlich der relativen Rückwärtsrichtung) sendet; und den Nachrichtenübertragungszeiten, die selbst durch die Verbindungsausbreitungsverzögerungen und die Nachrichtensystemwarteschlangenverzögerungen bestimmt sind.
Das Diffusionsverfahren kann eine Lawine von Nachrichten erzeugen, die jeweils multipliziert werden, wenn dieselben durch einen Knoten empfangen werden. Um die Speichererfordernisse zu begrenzen, wird ein Fensterschema verwendet, bei dem Nachrichten, die zur Übertragung zur Verfügung stehen, einfach fallengelassen werden, wenn das Fenster voll ist. Zusätzlich zu dem Absenken der Menge des Nachrichtensystemspeichers, die erforderlich ist (um Nachrichten zu puffern), stellt diese Begrenzung bis zu dem größtmöglichen Ausmaß sicher, daß lediglich die letzten Nachrichten übertragen werden. Im schlimmsten Fall werden Nachrichten während des periodischen Vektorübertragungszyklusses übertragen. Es ist möglich, daß bei starken Nachrichtenkommunikationslasten ein Knoten x, der lediglich ein Funkfeld weg von n (einem Nachbar) ist, die Informationen desselben von n durch einen weiteren Knoten vor dem direkten Empfangen der Informationen von n empfangen wird.

DIFFUSIONSSIMULATIONSRESULTATE

Computersimulationen, die durch den Erfinder durchgeführt wurden, zeigen, daß unter Verwendung eines kleinen Fensters der Größe 1 und startend in einem Zustand, bei dem kein Knoten Kenntnis über einen anderen Knoten besitzt, die Phase 1 (Diffusion von allen Topologieinformationen) in etwa 138 Millisekunden beendet ist. Die Phase 2 (Bildung eines optimalen minimalen Verzögerungsnetzes) ist in etwa 292 ms beendet. Die Fenstergröße besitzt einen kleinen Effekt auf die Anpassungszeit. Das Erhöhen der Fenstergröße auf 4 verringert die Anpassungzeit um etwa 10%. Bei der Simulation wird Tp alle 50 ms abgetastet, und das periodische Verzögerungsvektorübertragungsverfahren wird alle 50 ms betrieben. Dies bewirkt, daß neue Leitinformationen erzeugt werden, bevor es eine Gelegenheit gibt, daß dieselben vollständig in das Netz diffundiert sind. Als ein Resultat jagt die verteilte Anpassung fortdauernd nach der optimalen Lösung und besitzt niemals eine Gelegenheit sich einzupendeln.

PAKETSCHALTEN

Fig. 94 ist ein Flußdiagramm, das den allgemeinen Fluß der Signale 144 durch den schnellen Paketschalter 438 zeigt. Fig. 95 zeigt die Gesamtarchitektur des Satellitenknotens 1146, wenn sich derselbe auf das Paketschaltverfahren (Paketvermittlungsverfahren) bezieht. Die Beziehungen zwischen dem schnellen Paketschalter 438 und den Eingangs-Ausgangs- Paketprozessor- (IOP-) Einheiten 1150 sind in Fig. 96 dargestellt. Fig. 97 und 98 zeigen die Details des Einganyspaketprozessors (IPP) 1152 und der IPP-Zentralsteuerung 1154, und eine IPP-Vierstufenpipeline 1158 ist in Fig. 99 gezeigt. Fig. 100 ist ein Flußdiagramm, das das allgemeine Verfahren erklärt, das durch eine IPP-Optimalleitwegsteuerung 1160 durchgeführt wird. Die Nachrichtenkommunikation 1162 innerhalb der Schalthardware (Vermittlungshardware) ist in Fig. 101 gezeigt. Nachrichten werden in einem faserverteilten Da tenschnittstellen-Token-Ring (FDDI-Token-Ring; FDDI Fiber Distributed Data Interface) 1127 befördert. In Fig. 102 sind die Wege innerhalb eines 128 · 128-Schalters 1164 gezeigt, während Fig. 103 ein schematisches Diagramm einer Schaltzelle (Vermittlungszelle) 1166 ist.
Pakete 422 werden von mobilen und festen Endgeräten, die unter der Satellitenausleuchtzone positioniert sind, über Mobilendgerät-Satelliten-Verbindungen (MTSLs) und Festendgerät-Satelliten-Verbindungen (FTSLs), von Netzübergängen, die zum Einbringen von Anrufen verwendet werden, die aus dem öffentlichen Netz hervorgehen oder dort enden, über Netzübergang-Satellitenverbindungen (GSLs) in den Verkehr, und von anderen Satelliten über die Zwischensatellitenverbindungen (ISLs) empfangen werden. Die Pakete 422 werden in zwei Kategorien gruppiert, jene die Benutzerdaten tragen, die Sprach-, Video-, Digitaldaten etc. aufweisen, und jene, die Steuernachrichten tragen, die bei Netzverwaltungs- und Steuerungsfunktionen verwendet werden. Der schnelle Paketschalter (FPS) ist für das Schalten (Vermitteln) jedes ankommenden Pakets zu dem geeigneten Ziel desselben verantwortlich. Pakete können zu Satelliten, Netzübergängen und Endgeräten geschaltet (vermittelt) werden. Dieselben, die für andere Satelliten bestimmt sind, werden über die ISL-Ausgangsverbindungen transportiert. Pakete, die durch die Satellitenknoten auf ihrem Weg zu ihren Endzielen laufen, können Benutzerdaten oder Steuernachrichten enthalten. Pakete, die zu einem Netzübergang unter Verwendung einer GSL-Ausgangsverbindung gerichtet sind, können ferner Benutzerdaten oder Steuernachrichten enthalten. Wenn der Pakettyp Benutzerdaten sind, geht der Anruf, der dem Paket zugeordnet ist, aus dem öffentlichen Netz hervor oder endet dort. Wenn das Paket eine Steuernachricht befördert, endet dasselbe bei der Netzübergangknotenzentralsteuerung. Mobile und feste Endgeräte können direkt mit Satelliten in der Umlaufbahn kommunizieren. Mobilendgeräte-zu-Satelliten-Verbindungen können Pakete mit 16 Kb pro Sekunde befördern. 2 Kb der 16-Kb-MTSL-Kapazität sind für einen 2-Kb-Datenkanal reserviert. Festendgerä te-zu-Satelliten-Verbindungen sind 64-Kb-Kanäle, von denen 8 Kb für Daten reserviert sind. Pakete, die sich zu mobilen und festen Endgeräten bewegen, umfassen Benutzerdatenpakete, die Sprachnachrichten tragen, und Steuernachrichtenpakete, die Anrufsteuerinformationen tragen. Pakete können ferner zu einem Knotennachrichtentransportsystem (MTS; MTS = Message Transport System) geliefert werden, wenn der Pakettyp eine Steuernachricht ist.

PAKETSCHALTEN UND VERZÖGERUNGSVARIANZ

Paketleiten und Verbindungslastverteilung

Der schnelle Paketschalter verwendet die Leitvorrichtung, um die derzeit optimale Ausgangsverbindung von einem lokalen Knoten zu einem Zielknoten x auszuwählen. Die Ausgangsverbindung wird jeweils neu für jedes empfangene Paket basierend auf Entscheidungsfaktoren ausgewählt, die durch die Empfehlung der Leitvorrichtung, wie es durch D(n, x, l) berechnet wird, und durch Momentanverbindungslastfaktoren angeboten werden. Anstelle des Begrenzens der Auswahl lediglich die absolut optimale Verbindung zu verwenden, nämlich jene 1, für die D(n, x, l) am niedrigsten ist, kann der FPS Verbindungen verwenden, die Verzögerungen aufweisen, die ziemlich nahe an der optimalen Verzögerung liegen, die jedoch Lasten Tq aufweisen, die niedriger als dieselben der optimalen Verbindung sind. Der Parameter Delta definiert den Ausdruck "ziemlich nahe". Bei der Simulation eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung ist Delta 50 Mikrosekunden. Der Maximalwert von Delta muß wesentlich niedriger als die Zwischenpaketerzeugungszeit sein, oder das Sequentialisieren von Paketen kann beeinträchtigt werden.
Dieses Verfahren des Auswählens der Ausgangsverbindung liefert eine automatische Verbindungslastverteilung sowie einen bestimmten Grad einer Verbindungsüberlaststeuerung. Das Ver fahren der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
1. Finden der Verbindung 1, deren Verzögerung D(n, x, l) am niedrigsten ist. Aurufen dieser Verzögerung Dmin(n, x).
2. Markieren aller Kandidatenverbindungen 1 mit einer Verzögerung D(n, x, l) ≤ Dmin(n, x) + Delta. Eine Verbindung in diesem Satz ergibt eine Verzögerung von maximal Dmin(n, x) + Delta.
3. Auswählen der Verbindung aus den Kandidatenverbindungen, die derzeit das niedrigste Tq aufweist.
a. Das Einstellen von Delta auf 0 zwingt die Leitvorrichtung, lediglich die optimale Verbindung und andere Verbindungen zu betrachten, die die exakt gleiche Verzögerung aufweisen.
b. Das Erhöhen von Delta erhöht den Grad der Lastverteilung, jedoch lediglich auf Kosten des Erhöhens der Varianz der Paketübertragungsverzögerung. Die Verwendung von suboptimalen Verbindungen kann bewirken, daß Pakete entlang von Wegen geleitet werden, die keine absolut minimale Verzögerung vorsehen, mit denen jedoch Lastverteilungsziele erfüllt werden können.
c. Die (kurze) Paketverzögerung eines schlimmsten Falls (Worst Case) tritt auf, wenn das Paket über die schlimmere suboptimale Verbindung bei jedem Funkfeld entlang des Leitwegs geschaltet wird, und jede derartige suboptimale Verbindung erhöht die Verzögerung um ein volles Delta über das Optimale. Wenn Delta auf 50 Mikrosekunden eingestellt ist, wird die Lastverteilung maximal 0,5 ms bei der Verzögerungsvarianz zu einer sehr langen 10-Funkfeld-Schaltung beitragen, was immer noch ziemlich niedrig ist.
d. Der beste Fall tritt auf, wenn das Paket über die optimale Verbindung bei jedem Funkfeld geleitet wird.
e. Das Lastverteilungsverfahren ist lediglich eine einzelne Komponente, die zu der Gesamtvarianz beiträgt, und die ferner durch normale statistische Verkehrsstrukturen und Intensitätsschwankungen, ununterbrochene Änderungen von Tp aufgrund der Satellitenbewegung, und topologische Änderungen, die aus Verbindungstrennungen, die aus dem Verlust der Sichtbarkeit des Nachbarn resultieren, und neuen Verbindungen resultieren, die getrennte Verbindungen ersetzen, beeinflußt wird. Diese topologischen Änderungen können bewirken, daß die Verzögerung abrupt bis zu maximal mehrere Millisekunden zu- oder abnimmt. Je größer die Anzahl der Satelliten in der Konstellation ist, desto geringer ist die Veränderung der Verzögerungen.
Um die Paketausgangsverbindung auszuwählen, wird D(n, x, l) unter Verwendung von Leittabellen ND1(1*, x) berechnet, und die aktuellen Werte von Tp und Tq jeder Verbindung werden berechnet. Der Wert von Tq ist eine lineare Funktion der Anzahl der Bits oder Pakete, die auf eine Übertragung in dem Ausgangsverbindungsübertragungspuffer warten. Dieser Puffer arbeitet auf einer Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus-Basis (FIFO). Tp ist der zuletzt abgetastete Wert und wird periodisch gemessen. Sobald die Ausgangsverbindung ausgewählt wurde, wird die binäre Identifikationsnummer derselben in ein N-Bit-Etikett vor dem Paket eingefügt, das durch den FPS (Fast Packet Switch = schneller Paketschalter) beim Navigieren des Pakets durch die inneren Schaltstufen (Vermittlungsstufen) desselben zu der ausgewählten Ausgangsverbindung verwendet wird. Wenn der FPS eine Gesamtzahl von L Ausgangsverbinduncjen aufweist, dann ist der Wert von N gleich der oberen Grenze von log2L. Das Ttag-Bit (TEtikett-Bit) i steuert die Schaltstufe (Vermittlungsstufe) i.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen. Die verschiedenen Umlaufbahnparameter und Satellitenbesetzungs- und Konfigurationsstatistiken, die oben offenbart sind, sollen lediglich den Leser über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unterrichten und sollen nicht die Grenzen der Erfindung oder den Schutzbereich der Ansprüche beschränken. Die Bezugszeichenliste, die folgt, soll dem Leser lediglich ein bequemes Mittel zum Identifizieren von Elementen der Erfindung in der Beschreibung und den Zeichnungen liefern. Diese Liste soll nicht den Schutzbereich der Ansprüche beschreiben oder verengen.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Das Satellitenkommunikationssystem, das oben beschrieben ist, überwindet die Grenzen, die die Leistung und das Potential von existierenden Telefonsystemen umschreiben. Die vorliegende Erfindung kann einen ununterbrochenen Sprach-, Daten- und Videodienst für Kunden quer über dem Globus auf dem Land, der See oder in der Luft bieten. Anstatt daß lediglich existierende landbasierte Systeme verbessert oder erweitert werden, umgeht die vorliegende Erfindung eine zentralisierte irdische Schalthardware, indem die gesamte Intelligenz des Netzes in Umlaufbahnen plaziert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen hierarchischen Systemen, die miteinander durch ein komplexes Gewebe von Drähten, Kabeln, Glasfasern und Mikrowellenzwischenverstärkern verbunden sind, die sehr aufwendig aufzubauen und aufrecht zu erhalten sind, setzt die Erfindung das wahre Kommunikationspotential von existierenden landbasierten Netzen frei, indem Signale durch Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen geleitet werden. Die vor liegende Erfindung wird die Telekommunikationsindustrie revolutionieren und ein breites Spektrum von Diensten und industriellen Möglichkeiten auf der ganzen Welt anbieten.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

10 Ende-zu-Ende-Netzmodell
12 Erstes Benutzerendgerät
14 Erste Netzschnittstelle
16 Anrufendes Netz
18 Zweite Netzschnittstelle
20 Zweites Benutzerendgerät
22 Betriebsverkehr
24 Benutzerverkehr
26 Einzelner Satellit
28 Umlaufbahnebene
30 Endgerät
31 Tastenfeld und Anzeige
32 Analoges Sprachsignal
33 Anruf-Fortschrittstöne und Anzeigeschaltungen
34 A/D-Wandler
36 Digitalisiertes Sprachausgangssignal
38 Sprachcodierer
40 Digital codierte Sprache
42 Verschlüsselungsausrüstung
44 Verschlüsselungsschlüssel
46 Signalisierungs- und Steuerprozessor
48 Verschlüsseltes Ausgangssignal
50 Folgezahlen
52 Zieladressen
54 Signalpakete
56 Paketanordnungsvorrichtung
58 Pakete
60 Fehlercodierer
62 Sendepuffer
64 Sender
66 Leistungssteuerschaltungsanordnung
68 Rahmen- und Bitzeitabstimmungs-Schaltungsanordnung
70 Antenne
72 Aufwärtsverbindungsfunksignale
74 Lenklogikschaltungen
76 Abwärtsverbindungsfunksignale
78 Empfänger
80 Adreßdecodierer
82 Endgeräteidentifiziererinformationen
84 Fehlerdetektor
86 Anfangsblockdecodierer
88 Signalpakete
90 Sprachpakete
92 Paketempfangspuffer
94 Zeitabstimmungs- und Paketneusequentialisierungs- Stufe
96 Verschlüsselungsschlüssel
98 Sicherheitsverschlüsselungsschaltung
100 Sprachdecodierer
102 Echounterdrücker
104 Digital-Analog-Wandler
106 Netzübergangsantennen
108 Lokale Empfänger
110 Ferne Empfänger
112 Lokale Empfänger
114 Ferne Empfänger
116 Empfängerauswahllogik
118 Schneller Paketschalter
120 Ankommend-Steuerschaltungsanordnung
122 Abgehend-Steuerschaltungsanordnung
124 Paketanordnungs- und Zerlegungsschnittstelle (PAD)
126 Serie von Paketanordnungs- und Zerlegungsstufen
128 DS-1-Verbindungen
130 Zugriffsschaltvorrichtung
132 Testzugriffsschaltanordnung Testzugriffsvermittlungsanordnung
134 Steuerschaltungsanordnung
136 Verbindung für Raumfahrzeugzugriff
138 Geschalteter Verkehr (Vermittelter Verkehr)
140 Nicht-geschalteter (nicht-vermittelter) Verkehr
142 Verbindung
144 Verbindung
146 Takt
148 Betriebssystem
150 DS-1-Schnittstelle
152 Kundenspezifische Schnittstelle oder Standard- Schnittstelle
154 Außentelefonträger
156 "Ping-Pong"-Diagramm
158 Netz
160 Satellitenknoten
162 Zwischensatellitenverbindung
164 Netzübergang-Satelliten-Verbindung (GSL)
166 Netzübergangsschnittstelle
168 Betriebsunterstützungssystem
170 Merkmalsprozessor
172 Netzübergangsschalter
174 Datenbanksysteme
176 Mobilendgerät-Satelliten-Verbindung (MTSL)
178 Kunde
180 Mobilendgerät-Satelliten-Verbindung (MTSL)
182 Hand- und Autotelefone
184 Festendgerät-Satelliten-Verbindung (FTSL)
186 Teilnehmer
210 Irdische Antennen
210a Trapezförmiges/halbkegelförmiges Ausführungsbeispiel der Antenne
210b Halbkugelförmiges Ausführungsbeispiel der Antenne
210c Zylindrisches Ausführungsbeispiel der Antenne
212 Trapezförmige/halbkegelförmige Oberfläche
212a Oberer Abschnitt der trapezförmigen/halbkegelförmigen Oberfläche
212b Unterer Abschnitt der trapezförmigen/halbkegelförmigen Oberfläche
214 Obere kreisförmige Oberfläche
216 Untere kreisförmige Oberfläche
218 Kreisförmiges Antennenelement
220 Leitfähige Teilfläche
222 Kreuzschlitze
222a Erster Schlitz
222b Zweiter Schlitz
224 Halbkugelförmige Oberfläche
226 Untere kreisförmige Oberfläche
228 Gerade kreiszylindrische Oberfläche
230 Obere kreisförmige Oberfläche
232 Untere kreisförmige Oberfläche
234 Nicht-leitfähige Substratschicht
236 Massenebenenschicht
238 Fünf-Bit-Zeitverzögerungsphasenschieber
240 11,25-Grad-Verzögerungsleitung
242 22,5-Grad-Verzögerungsleitung
244 45-Grad-Verzögerungsleitung
246 90,00-Grad-Verzögerungsleitung
248 180,00-Grad-Verzögerungsleitung
250 Halbkugelförmige Konfiguration mit Doppelfrequenzantennenelementen
252 Obere halbkugelförmige Oberfläche
253 Untere kreisförmige Oberfläche
254 Doppelfrequenzantennenelement
256 Obere leitfähige Schicht
258 Untere leitfähige Schicht
259 Leitfähiges Durchgangsloch
260 Leitfähiges Durchgangsloch
262 Schaumschicht
264 Dielektrische Schicht
266 Massenebenenschicht
268 Empfangsschaltung
270 Druckschaltungsvierelementteilarray
272 Speisungen
274 Erster Hochfrequenzverstärker
276 Erstes Bandpaßfilter
278 Zweiter Hochfrequenzverstärker
280 Mischer
282 Quelle
284 Ausgang des Synthesizers
286 Dritter Hochfrequenzverstärker
288 Decodierer
290 Zwischenfrequenzbandpaßfilter
292 Analog-zu-Digital-Wandler
294 Digitales Bandpaßfilter
296 Schwellendetektor
297 Sendeschaltung
298 Druckschaltungsvierelementteilarray
300 Speisungen
302 Verstärker
304 Codierer
306 Hochfrequenzquelle
308 Synthesizer
310 Alternatives Ausführungsbeispiel einer miniaturisierten Antenne
312 Oberes Element
314 Strahlungselement
315 Weiches Substrat
316 Massenebene
317 Pseudoelement
318 Draufsicht
320 30-GHz-Druckschaltungsteilflächenelement
322 20-GHz-Teilflächenelement
324 Substratschicht
326 Querschnittsseitenansicht
328 Schaumschicht
330 Massenebene
332 Querschnittsansicht
334 Radom
335 Pseudoelement
336 Gedrucktes Doppelfrequenzdruckschaltungselelement
337 Gedruckte Doppelfrequenzdruckschaltungselemente
338 Mikrowellensubstrat
340 Speisenetze und Verteilungsschaltungen
342 Aktive Mikrowellenkomponenten
344 Massenebene und Trägerstruktur
410 Flußdiagramm des Schaltverfahrens
412 Umlaufbahnpositionsinformationen
414 Anpassungsfähiger Leitprozessor
416 Anpassungsfähiger Leitalgorithmus
418 "Nächster-Knoten-in-dem-Weg-zu-dem-Ziel"-Ausgangssignal
420 Leitcachespeicher
422 Pakete
424 Anfangsblock
426 Nutzlast
428 Eingangspaketprozessor
430 Nächster-Knoten-Leitetikett
432 Zielknoten
434 Verarbeitetes Paket
436 Eingangstore
438 Schneller Paketschalter
440 Ausgangstor
442 Satellitenschaltknoten
444 Schaltungsmodule
446 Empfänger
448 Demodulator
450 Bit/Paket-Synchronisierer
452 Eingangspaketsteuermodule
454 Fehlererfassungsschaltungen
456 Paketetikettierungsschaltungen
458 Lokalcachezugriff
460 Netzcachezugriff
462 Steuerkomplex
464 Anrufsteuerprozessor
466 Wartungsprozessor
468 Neuladeprozessor
470 Faktorierungs- und Verkehrsprozessor
472 Satellitenephemeridenprozessor
474 Lokalleit- und Übergabeprozessor
476 Lokalleitcache
478 Leitprozessor
480 Netzleitcache
482 Kommunikationsprozessor
484 Ersatzprozessor
486 Lenkprozessor
490 Ausgangspaketsteuermodule
492 Weggeschichtsschaltungen
494 Fehlercodierungsschaltungen
496 Ausgangspaketsteuermodule
498 Paketrahmenschaltungen
500 Modulator
502 Sender
504 32 · 1-Paketprioritätsmultiplexer
506 Serielle Eingangssignale
508 Seriell-zu-Parallel-Wandler
510 Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus-Pufferschaltungen
512 Status- und Steuerschaltungen
514 Logische Schaltungsanordnung
516 Ausgangswarteschlangenstatusstufe
517 Acht-Bit-Parallelbus
518 Prioritätsleitvorrichtung
520 8 · 16-K-Niederprioritäts-Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus-Schaltung
522 8 · 16-K-Hochprioritäts-Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus- Schaltung
524 Parallel-zu-Seriell-Wandler
526 Serielles 150-MBIT/s-Ausgangssignal
528 Blockdiagramm des schnellen Paketschalters
530 Serielle Eingangssignale
532 1 · 32-Selbstleitschaltmodule
534 32 · 1-Asynchronpaketmultiplexer
536 Schematisches Diagramm eines 1 · 32-Selbstleitschaltmoduls
538 Selbstleitzelle
540 Ausgangsseite
542 geleitete Pakete
544 Mobil/Fest-Satellitenverbindung
546 Strahlungsarray
548 Speisungen
550 Strahllenkcomputer
552 Diplexer
554 Empfangsstrahlformungsschaltung
556 Empfängerbank
558 Erstes Steuerungs-Mux/Demux/Modem
560 Synthesizer
562 Frequenzsteuerung
564 Zweites Steuerungs-Mux/Demux/Modem
566 Senderbank
568 Sendestrahlformungsschaltung
602 Ausleuchtzone
602a Ausleuchtzone
602b Ausleuchtzone
602c Ausleuchtzone
604 Erdfeste Überzelle
606 Erdfeste Zelle
608 Zellstruktur
610 Satellitenausleuchtzonendiagramm
612 Spaltenpaar
614 Zweites und zentrales Spaltenpaar
615 Satellitenausleuchtzonenüberlappungen
616 Rechtes Spaltenpaar
617 Satellitenausleuchtzonenzwischenräume
618 Flußdiagramm
619 Zielendgerät
620 "Knoten"-Bits
622 "Anrufidentifikations"-Bits
624 Zell-ID-Tabelle
626 Kanal
628 Autonome Umlaufbahnpositionsbestimmungssoftware
630 Positions/Ausgangs-Strahltabelle
632 modifiziertes Paket
700 Erdgerichtetes Antennenarray
702 Hexagonale Antennenflächen
704 Solarpaneel
706 Raumgerichtetes Array
708 Raumgerichtete Flächen
709 Elektronisch gelenkte Strahlen
709a Satz von Strahlen
709b Satz von Strahlen
709c Satz von Strahlen
710 Sichtlinienfunkwellen
712 Geometrische Graphen
714 Geometrische Graphen
715 Inneres des Antennenarrays
716 Schematisches Diagramm eines GaAs-MMIC-Zeitverzögerungsnetzes
718 Aktive Linse
720 Strahlungselemente
722 Zeitverzögerungsschaltung
724 Speisung
725 Zeitverzögerungsgelenktes Array
726 Schalter
728 Zeitverzögerungsweg
730 Übertragungsleitungen
732 Verstärker
800 Satellit
801 Trägerrakete
802 Raumfahrzeugsbewegungsrichtung
804 Längsachse der Solarpaneele
806 Kugelförmige Verbinder
808 Rohrförmige Verbinder
810 Gearsat
811 Schematische Darstellung einer Person von 2 Meter Höhe
812 Zylindrische Oberfläche an der Peripherie des Gearsat
814 Rechteckige Antennenpaneele an der zylindrischen Oberfläche
816 Solarpaneele
818 Blockdiagramm von Satellitenteilsystemen
820 Bus
822 Kommunikationsnutzlast
824 Befehls- und Datenhandhabungsteilsystem
826 Elektroleistungsteilsystem
828 Lagen- und Umlaufbahnbestimmungs- und Steuerteilsystem
830 Sonnensensoren
832 Betätigungsvorrichtungen
834 Vortriebteilsystem
836 Kabelteilsystem
838 Strukturteilsystem
840 Vorrichtungsteilsystem
842 Thermosteuerteilsystem
844 Blockdiagramm des Satellitensystems
846 Lokalbereichsnetz
848 Leistungssteuerungsteilsystem
850 Battierien
852 Leistungsverteilungsteilsystem
854 Arrayschaltverbindung (Arrayvermittlungseinrichtung)
856 Nebenschlußregler
858 Nebenschlußstrahler
860 Blockdiagramm der Satellitenteilsysteme
862 Lokalbereichsnetz
864 Bus
866 Nutzlast
868 Telemetrie- und Befehlseinheit
870 1750-Mikroprozessor
872 Hauptoszillator
874 EDAT-Mikroprozessor
876 RISC-Mikroprozessor
878 Blockdiagramm des Satellitenteilsystems
880 Lokalbereichsnetz
882 Erfassungssonnensensoren
884 Trägheitsmeßeinheiten
886 Magnetometer
888 Lagesteuerelektronikeinheit
890 Reaktionsräder
892 Magnetdrehmomenterzeuger
894 Batsat
896 Zentraler Körper des Batsat
898 Antenne und Solar/Thermo-Paneelarray
900 Antennenarray
901 Antennenpaneel
902 Antennenpaneel
903 Antennenpaneel
904 Antennenpaneel
905 Antennenpaneel
906 Antennenpaneel
907 Antennenpaneel
908 Antennenpaneel
909 Antennenpaneel
910 Solar/Thermo-Paneel
911 Solar/Thermo-Paneel
912 Kabel
914 Drehgelenke
1000 Schematisches Diagramm, das die Umlaufbahnpositionsbestimmung zeigt
1002 Anderer Satellit
1004 Zeitsynchronisierungssignale
1006 Bodenstationsempfänger
1008 Bodenstationssender
1010 Doppler-Beobachtung
1012 Blockdiagramm, das den AOD zeigt
1014 Zeit- und Frequenzmessungen
1016 SV POS
1018 SV LOS
1020 RDSS-PR-Paket
1022 Kommunikationsnetz
1024 Antennensteuerung
1026 Positionsbestimmungsschaltungsanordnung
1028 Kommunikationsverbindung
1030 Datendemodulationsstufe
1032 Frequenzsynthesizer
1034 Oszillator
1036 Phasenregelschleife
1038 Pilotton
1040 Zeit der Wahrnehmung des PR-Pakets
1042 Zeit- und Frequenzsynchronisierung
1044 Doppler-Signale
1046 AOD-Prozessor
1048 Zeigerichtungssignale
1050 Lagenbestimmungsprozessor
1052 Schematisches Diagramm, das die Lagenbestimmung zeigt
1100 Knotenhardwarearchitektur
1102 Gemeinsame Steuerstufe
1104 Zwischenknotennachrichten
1106 Zwischenknotennachrichten
1108 Empfänger
1110 Sender
1112 Verbindungssteuerverfahren
1114 Leitverfahren
1116 Dienstanforderung
1118 Teilnehmer
1120 Leittabellen
1122 lokale Verfahren
1124 Dynamisches Paketleitverfahren
1126 Leitvorrichtung
1128 Paketleitvorrichtungen
1130 Sortiernetz
1132 Sender
1134 Diffusionsrate
1136 Diffusionsrate
1138 Diffusionsrate
1140 Ausgangsmodul
1142 Schaltarchitektur (Vermittlungsarchitektur)
1144 Signalfluß
1146 Systemarchitektur
1148 Eingangs-Ausgangs-Paket- (IOP-) Prozessor und schneller Paketschalter
1150 IOP
1152 Eingangspaketprozessor
1154 IPP-Zentralsteuerung
1156 Pipeverzögerung
1158 IPP-Vierstufenpipeline
1160 IPP-Optimalleitwegsteuerung
1162 Nachrichtenkommunikation
1164 128 · 128-Schalter
1166 Schaltzelle
B Satellitenstrahl
BP Batteriepaket für Handtelefone
C Konstellation von Satelliten
E Erde
EX Einziehbarer Antennenmast in der vollständig ausgedehnten Position
F Festendgerät
G Netzübergang
H Federbelastetes selbstverriegelndes Drehgelenk
K Tastenfeld
L LCD-Anzeigebildschirm
M Mobilendgerät
P Tragbares Endgerät
S Satellit
ST Einziehbarer Antennenmast in verstauter Position
T Tragbares Handtelefon
T Telefon
Z Zenit

Claims

1. Ein Kommunikationssystem zum Befördern von Kommunikationssignalen von mehreren Sendeendgeräten (10, P, M, F, G) an geographisch verschiedenen Sendepositionen auf der Erde zu mehreren Empfangsendgeräten (12, P, M, F, G) an geographisch verschiedenen Empfangspositionen auf der Erde, wobei dasselbe eine Vielzahl von Satelliten (S) jeweils in einer niedrigen Umlaufbahn derart aufweist, daß die Satelliten (S) sich in einer konstanten Bewegung über der Erdoberfläche befinden, wobei die Satelliten (S) eine Einrichtung (700, 702) zum Empfangen von Kommunikationssignalen von den erdbasierten Sendeendgeräten (10, P, M, F, G) und eine Einrichtung (700, 702) zum Senden von empfangenen Kommunikationssignalen zu erdbasierten Empfangsendgeräten (12, P, M, F, G) aufweisen, und wobei die Satelliten (S) ferner eine Schalt- und Zwischensatellitenkommunikationseinrichtung (438) zum Leiten von Kommunikationssignalen von einem Satelliten (S), der ein Kommunikationssignal von einem erdbasierten Sendeendgerät (10, P, M, F, G) empfängt, mittels eines oder mehrerer anderer Satelliten (S) zu einem Sendesatelliten (S) zum Senden des Kommunikationssignals zu einem erdbasierten Empfangsendgerät (12, P, M, F, G) aufweisen, wodurch eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Sendeendgerät und dem Empfangsendgerät eingerichtet wird, wobei die Empfangs/Sende-Einrichtung Antennen (700, 702), die mit den Satelliten (5) relativ zu der Erde umlaufen, und eine Einrichtung zum Abgeben der Verantwortung für ein Erd-zu-Satelliten-Segment der Kommunikationsverbindung von einem Satelliten zu einem weiteren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (700, 702) zum Empfangen/Senden von Kommunikationssignalstrahlen (709) in unterschiedliche Richtungen elektronisch lenkbar sind,

und durch eine Einrichtung (716, 718), die das Lenken der Antennen steuert, um die Kommunikationsverbindungen zwischen den erdbasierten Sendeendgeräten und den erdbasierten Empfangsendgeräten durch elektronisches Lenken der Strahlen in dem Erd-zu-Satelliten-Verbindungssegment beizubehalten, sowie die Satelliten über die Erdoberfläche umlaufen.

2. Das System gemäß Anspruch 1, das ferner durch die Lenk-Steuerungseinrichtung (716, 718) gekennzeichnet ist, die die Richtung der Strahlen (709) einstellt, um das Umlaufen der Satelliten (5) durch Lenken der Strahlen in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Satellitenumlaufrichtung ist, zu berücksichtigen.

3. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Lenk-Steuerungseinrichtung (716, 718) gekennzeichnet ist, die die Richtung der Strahlen (709) einstellt, um das Umlaufen jedes Satelliten (S) durch Lenken des zugeordneten Strahls, um auf einer festen Position auf der Erde während eines Abschnitts der Umlaufbahn des Satelliten zu verweilen, zu berücksichtigen.

4. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Einrichtung zum Abgeben der Verantwortung für ein Erd-zu-Satelliten-Segment der Kommunikationsverbindung von einem Satelliten (S) zu einem weiteren gekennzeichnet ist, die betrieben wird, ohne den Kommunikationskanal des erdbasierten Endgeräts (10, 12, P, M, F, G) zu ändern.

5. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Einrichtung zum Abgeben der Verantwortung für ein Erd-zu-Satelliten-Segment der Kommunikationsverbindung von einem Satelliten (5) zu einem weiteren gekennzeichnet ist, die betrieben wird, ohne die Kommunikationsfrequenz des erdbasierten Endgeräts (10, 12, P, M, F, G) zu ändern.

6. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Schalt- und Zwischensatellitenkommunikationseinrichtung (438) der Satelliten (S) gekennzeichnet ist, die ein verbindungsloses Protokoll im Gegensatz zum Verwenden von virtuellen Kanälen verwendet.

7. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kommunikationssignale (709) paketbasiert sind, und bei dem die Schalt- und Zwischensatellitenkommunikationseinrichtung (438) die Kommunikationssignale auf einer Paket-für-Paket-Basis leitet, wodurch unterschiedliche Pakete unterschiedlichen Leitwegen zwischen den gleichen Empfangs- und Sende-Satelliten (S) basierend auf einem Systemstau oder anderen Faktoren folgen können.

8. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Schalt- und Zwischensatellitenkommunikationseinrichtung (438) jedes der Satelliten (S) gekennzeichnet ist, die die Umlaufbahnpositionsinformationen autonom bestimmen kann, und clie ihre eigene Position relativ zu der Erde und die Positionen von mindestens mehreren benachbarten Satelliten definiert.

9. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner durch die Lenk-Steuerungseinrichtung (716, 718) gekennzeichnet ist, die die Richtung der elektronisch lenkbaren Antennen (700, 702) in einem sequentiellen Muster von Bereichen auf der Erde einstellt.

10. Das System gemäß Anspruch 9, bei dem die Bereiche des Musters feste geographische Bereiche sind.

11. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder der Satelliten (S) mehrere Empfangs/Sende-Einrichtungen (700, 702) zum Empfangen/Senden von Strahlen (702) in Erd-zu-Satelliten-Segmenten der Verbindungen aufweist, wobei die mehreren Empfangs/Sende-Einrichtungen (700, 702) mehrere elektronisch lenkbare Antennen (700, 702) und eine Einrichtung (716, 7113) aufweisen, die das Lenken der mehreren Antennen jedes Satelliten (S) steuert, um Kommunikationsverbindungen zwischen den erdbasierten Sendeendgeräten (10, P, M, F, G) und/oder erdbasierten Empfangsendgeräten (12, P, M, F, G) beizubehalten.

12. Das System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Satelliten (S) in einer Konstellation (C) für eine Gesamterdabdeckung angeordnet sind, wodurch Kommunikationsverbindungen zwischen beliebigen Positionen auf der Erdoberfläche eingerichtet und beibehalten werden können.