-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf Satelliten-Kommunikationen
und genauer auf geosynchrone Satelliten und darauf basierende Kommunikationen
bzw. Kommunikationssysteme.
-
Beschreibung
des Standes der Technik
-
1 illustriert
ein Kommunikationssystem, welches drei Verstärker- bzw. Wiederholerstationen verwendet,
welche, wenn um 120 Grad voneinander entfernt in dem korrekten Orbit
bzw. der korrekten Umlaufbahn beabstandet, eine Fernseh- und Mikrowellen-Überdeckung
des gesamten Planenten ergeben könnten.
Eine Verwendung eines derartigen Systems erlaubt einem Benutzer,
ein Signal (beispielsweise Video, Sprachdaten, etc.) von einer Bodenstation
A zu einem "Repeater"-Satelliten B zu einer anderen Bodenstation
C innerhalb des Gesichtsfelds des Repeater- bzw. Wiederholersatelfiten
zu übertragen.
Für Kommunikationen
außerhalb
eines Gesichts- bzw. Übertragungsfelds
eines bestimmten Satelliten überträgt die Bodenstation
A an den Satelliten B, welcher das Signal an die Bodenstation C
weiterleitet. Die Bodenstation C befindet sich im Gesichtsfeld sowohl
eines Satelliten B als auch eines anderen Satelliten D. Die Bodenstation
C überträgt das Signal an
den Satelliten D, welcher es an eine Bodenstation E innerhalb seines
Gesichtsfelds überträgt. Jede "Aufwärtsverbindung
bzw. -kopplung", beinhaltend Verstärker, Antennen und Modulatoren
an der Bo denstation und Empfänger
an Bord des Satelliten arbeitet typischerweise innerhalb eines Frequenzbands,
während
das Herunterverbinden bzw. die Kopplung nach unten innerhalb eines
anderen arbeitet. Transponder bzw. Sender an Bord der Satelliten bandpaßfiltern üblicherweise
ein einlangendes Signal von einer empfangenden Antenne und verstärken das
resultierende Signal unter Verwendung eines Verstärkers mit
geringem Rauschen. Das verstärkte Signal
wird dann durch den Transponder nach unten konvertiert bzw. umgewandelt,
so daß das
Signal ein unterschiedliches Frequenzband einnimmt. Diese Trennung
in übertragene
und empfangene Signalbänder
verhindert, daß übertragene
Signale mit empfangenen Signalen interferieren bzw. einander beeinflussen.
Nach einer Abwärts-Konversion
bzw. -Umwandlung bandpaßfiltert
der Transponder die herunterkonvertierten Signale und verstärkt das
resultierende Signal unter Verwendung eines Leistungsverstärkers, wie
beispielsweise eines Wanderwellen-Rohrverstärkers.
-
Obwohl die "ground-hopping"-Technik
der 1 den Anreiz einer
Einfachheit hat, ist sie nicht ohne Probleme. Das Volumen an Kommunikationsverkehr
hat beträchtlich
zugenommen, seitdem der erste, in Betrieb befindliche, synchrone
Satellit, Syncom II, am 26. Juli 1963 gestartet wurde und Kommunikationen
zwischen einer U. S. Army Crew bzw. Mannschaft in Lakehurst, New
Jersey und einer U. S. Navy Crew an Bord der Kingsport im Hafen
von Lagos, Nigeria, übertragen
hat. Nicht nur. hat das Volumen an Verkehr für bestehende Anwendungen, wie beispielsweise
Gesprächsverkehr,
zugenommen, sondern es haben sich auch neue Anwendungen entwickelt,
die eine hohe, Anforderung an die Satelliten-Kanalkapazität stellen.
"Superstationen", welche ihren Ursprung in Atlanta und Chicago haben,
erreichen Wohnungen bzw. Heime weltweit, wie dies Filmübertragungen
tun, welche direkt von Satelliten an Häuser übertragen werden. Das Volumen
von Datenkommunikation bzw. -kommunikationen über Satellitenverbindungen
hat sich auch rasch während der
letzten zwanzig Jahre ausgeweitet.
-
Ein erhöhtes Verkehrsvolumen führte zu
Revisionen des Basismodells, welches in 1 gezeigt ist. Beispielsweise überträgt jeder
Satellit in 1 über mehr als 120 Grad der Erdoberfläche innerhalb seines
Gesichtsfelds. Jede terrestrische bzw. irdische Station empfängt die
selben Signalen bei der selben Frequenz. Wie groß auch immer das Frequenzspektrum
erscheinen mag, ist es jedoch begrenzt, und wenn jemand beispielsweise
ein Signal zu einer Bodenstation unter Verwendung eines gegebenen
Frequenzkanals übertragen
will, würde
ein unterschiedliches Signal gezwungen, einen unterschiedlichen
Kanal zu benutzen. Die Anzahl von übertragenen Botschaften würde daher
in einer Analyse erster Ordnung auf die Anzahl von Kanälen beschränkt bzw.
begrenzt sein, welche innerhalb der Frequenzbänder zur Verfügung stehen,
welche dem Satellitensystem zugeteilt bzw. zugeordnet sind. Ein Verfahren
zum Expandieren bzw. Erhöhen
der Anzahl von Botschaften, welche gesandt werden können, ist
es, schmale Richtantennen zu verwenden, um Botschaften auf kleinere,
geographische Bereich zu richten. Mit diesem Zugang können Frequenzkanäle in unterschiedlichen
geographischen Stellen innerhalb des Gesichtsfelds von jedem Sateliiten
neuerlich verwendet werden. Dieser Zugang wurde verwendet, um die
Kommunikationskapazität
von Satellitensystemen zu erhöhen
bzw. zu erweitern.
-
Die zugrunde liegenden Betriebs-
bzw. Betätigungssysteme
eines konventionellen Kommunikations-Satelliten, beinhal tend Querverbindungen
bzw. Vernetzungen, sind in dem Blockdiagramm von 2A illustriert. Kommunikations-Satelliten
und ihre Interfaces sind im Stand der Technik bekannt; eine detailliertere
Beschreibung des Filterns, Multiplexens, einer Modulation, eines
Schaltens, etc. kann beispielsweise in James Martin, Telecommunications and
the Computer; Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1976,
Seiten 280– 301
gefunden werden. In dem Diagramm von 2A stellt
ein Boden-Verbindungsinterface 13 eine Aufwärtsverbindung,
eine Abwärtsverbindung
oder beides zwischen dem Satelliten und einer Bodenstation, wie
beispielsweise einer Bodenstation A zur Verfügung, welche in 1 illustriert ist. in ähnlicher
Weise stellen Querverbindungs- bzw. Vernetzungs-Interfaces 15 und 17 Kommunikationen
zwischen benachbarten Satelliten zur Verfügung. Der Schaltblock 19 regelt
bzw. steuert den Fluß an
Kommunikation von einem Interface zu einem anderen.
-
2B illustriert
ein Interface in größerem Detail.
Dieses Interface könnte
ein Querverbindungs-Interface, wie beispielsweise 15 oder 17 der 2A, oder ein Abwärtsverbindungs-Interface,
wie beispielsweise 13 sein. Das illustrierte Interface wird in Satelliten
verwendet,. welche im wesentlichen "Biegerohr"-Relais sind, d. h.
die Satelliten. führen keine
Bearbeitung bzw. Verarbeitung an empfangenen Signalen durch und
leiten diese lediglich zu einem anderen Satelliten oder einer Bodenstation
weiter. Eine empfangende bzw. Empfangsantenne 21 empfängt Signale,
welche in ein bestimmtes Frequenzband multiplext sind, und überträgt die Signale an
einen Empfänger 23.
Von dem Empfänger
werden die Signale zu einer Filterbank 25 gesandt, welche die
verschiedenen Signale und ihre Träger bzw. Trägersignale trennt. Diese werden
an den Schaltblock 19 für
ein Routen bzw. Umleiten zu einem anderen Interface gesandt. Signale,
welche von dem Schaltblock 19 stammen, werden an einen
Transmitter bzw. Sender 27 verbunden, welcher die Signale
an eine übertragende
bzw. Übertragungsantenne 29 sendet.
-
Ein Interface, welches in bearbeitenden
Satelliten verwendet wird, d. h. solchen, welche empfangene Signal
demodulieren und eine Signalbearbeitung, Kompression oder Wiederherstellung,
etc. durchführen,
ist in 2C gezeigt. Eine
empfangende Antenne 31 erhält bzw. empfängt Übertragungen von
einem anderen Satelliten oder einer Bodenstation und leitet das
Signal an einen Empfänger 33 weiter.
Der Empfänger
leitet dann das Signal an eine Filterbank 35 weiter, welche
die empfangene Übertragung
in einzelne Frequenzbänder
unterteilt. Demodulatoren 37 demodulieren die Signale und
leiten diese an bearbeitendes bzw. verarbeitendes Subsystem 39 weiter,
welches eine Signalbe- bzw. -verarbeitung, -wiederherstellung, etc.
an den erhaltenen bzw. wiedergewonnenen Signalen durchführen kann.
Von dem bearbeitenden Subsystem 39 werden die Signale an
einen Schaltblock, wie beispielsweise einen Block 19, welcher
in 2A gezeigt ist, weitergeleitet,
welcher die Signale routet bzw. weiterleitet, wie dies in bezug
auf Fig. beschrieben ist. An der übertragenden Seite werden Signale,
welche von einem Schaltblock für
eine Übertragung
erhalten werden, zu einem Modulator 41 geroutet bzw. umgeleitet,
wo sie mit Trägerfrequenzen
für eine Übertragung
kombiniert werden. Die modulierten Signale werden an einem Multiplexer 43 geleitet,
welcher die modulierten Signale kombiniert und das resultierende
Signal an einen Transmitter bzw. Sender 45 weiterleitet,
welcher eine Antenne 47 verwendet, um die Signale an eine
Bodenstation oder an einen anderen Satelliten zu übertragen.
Ein Satellit kann mehrere schmale, ge richtete Antennen bzw. Richtantennen
aufweisen, welche zu unterschiedlichen Stellen bzw. Orten an der
Erdoberfläche
gerichtet sind (mit zugehörigen Transmittern
bzw. Sendern, Modulatoren und Multiplexern, falls erforderlich).
-
Die Verwendung von schmalen Richtantennen
in Kombination mit einem "ground hopping" bzw. "Übertragen über den Boden" hat die Käpazität von Satellitensystemen
erweitert und stellt das Standardmodell für Satelliten-Kommunikationssysteme
dar. Es verbleiben jedoch Kapazitäts-bezogene Probleme. Die am
meisten gewünschten
Frequenzbändern sind
ein 500 MHz-Band, welches bei 6 GHz für Satelliten-Aufwärtsverbindungen
zentriert ist, und ein 500 MHz-Band, welches bei 4 GHz für Abwärtsverbindungen
zentriert ist. In diesen Bändern
ist die Ausrüstung
relativ billig bzw. kostengünstig,
kosmisches Rauschen ist gering, und Verluste aufgrund einer ionosphärischen
Szintillation und aufgrund von Regen sind relativ unbedeutend. Terrestrische
Mikrowellenverbindungen sind jedoch bereits zugeteilt, um in diesen
Bändern
zu arbeiten. um einen wachsenden Kommunikationsverkehr aufzunehmen,
wurden zusätzliche,
weniger wünschenswerte
Bänder
zugeteilt; Kommunikationen in dem H-Band verwenden 14 GHz bei der
Aufwärtsverbindung
und 12 GHz bei der Abwärtsverbindung,
und eine direkte Heim-Fernsehübertragung
verwendet eine 17 GHz Aufwärtsverbindung
und eine 12 GHz Abwärtsverbindung.
-
Selbst mit dieser Kapazitätserweiterung
treffen Satellitensysteme wiederum auf Kapazitätsbeschränkungen. Die Abwärtsverb
ndungen, welche verwendet werden, um Signale. von Satelliten an
Bodenstationen zu übertragen,
erzeugen oft Fla- schenhälse
bzw. Engstellen, teilweise, da diese Verbindungen ihr Frequenzband
mit terrestrischen Mikrowellen- Übertragungssystemen
teilen müssen,
welche eine Interferenz bewirken können, und teilweise, da Kommunikationsverkehr
von vielen Teilen der Welt im wesentlichen durch die Abwärtsverbindungen bzw.
-kopplungen "konzentriert" bzw. "trichterförmig gesammelt" werden, selbst
wenn die Bodenstation am empfangenden Ende der Abwärtsverbindung nicht
das letzte Ziel der Kommunikation sein sollte. Darüber hinaus
bringt jedes "Hüpfen"
bzw. jede "Verbindung" einen Weg von etwa 70.000 km mit einer damit
im Zusammenhang stehenden Signalverzögerung von etwa 240 ms mit
sich. Obwohl diese Verzögerung
in einigen Signalanwendungen nicht signifikant sein muß, können interaktive
Anwendungen, wie beispielsweise Sprache, praktisch nicht mehr als einige
wenige derartige Verzögerungen
aufnehmen. Atmosphärische
Verzerrungen verschlechtern Signale, wenn bzw. da sie von einem
Satelliten zum Boden und weiter zu einem anderen Satelliten hüpfen bzw. geleitet
werden. Jede Einschaltung eines bzw. Durchgang durch einen Satelliten
bringt eine weitere Signalverschlechterung in der Form von Phasenrauschen,
Verzerrungen und Intermodulationsprodukten mit sich, welche durch
die Transponder des Satelliten erzeugt werden. In Abhängigkeit
von der Anwendung und der ursprünglichen
Signalqualität
kann ein Erfordernis für
eine Signalwiederherstellung bestehen. Satelliten, welche diese
Wiederherstellung durchführen,
werden manchmal als "bearbeitende" Satelliten bezeichnet. Die zusätzliche
Funktionalität
von bearbeiteten Satelliten bedingt einen Preis bzw. ist nachteilig
und es ist allgemein wünschenswert,
die Anzahl von bearbeitenden-Satelliten
innerhalb eines Satellitensystems zu beschränken.
-
US Patent Nr. 4,375,697 (Visher)
offenbart eine Satelliten-Staffel-
oder -Clusterausbildung, welche an einem bestimm ten Ort in dem geostationären Orbit
bzw. der geostationären
Umlaufbahn angeordnet ist, beinhaltend eine Vielzahl von Steuer-
bzw. regelbar manövrierbaren
Kommunikationssatelliten und einen zentral angeordneten Schalt-
und Steuer- bzw. Regelsatelliten. Die Satelliten umfassen eine simulierte,
geostationäre
Kommunikationsplattform, welche aus diskreten bzw. einzelnen Modulen
hergestellt ist, welche nicht physikalisch miteinander bzw. aneinander
festgelegt sind. Die Satelliten sind gemeinsam in zugeordneten Positionen
in einer relativ nahen Formation gruppiert und sind mit Querverbindungs-
bzw. Quervernetzungs-Intersatelliten-Radiokommunikationen versehen.
Der Schalt- und Steuersatellit detektiert die relative Position
der Kommunikationssatelliten und sendet Regel- bzw. Steuersignale,
um sie in ihren zugeordneten Positionen in der Formation bzw. Anordnung
beizubehalten. Kommunikationssignale werden von einem Platz auf
der Erde zu einem anderen über
die Satelliten-Clusterforma- tion unter Verwendung des Steuersatelliten als
einen schaltenden bzw. Schaltsatelliten übertragen. Jeder Satellit hat
eine Kommunikations-Abwärtsverbindung,
welche Kommunikationen mit ausgewählten Erdstationen in einem
vorbestimmten Frequenzband zur Verfügung stellt. Wenn ein Signal durch
einen der Satelliten empfangen wird, wandelt er das Signal auf das
Querverbindungs-Frequenzband um und überträgt es an den Steuersatelliten, welcher
das Signal neuerlich an einen unterschiedlichen Satelliten überträgt, wo es
zu dem Abwärtsverbindungs-Frequenzband
des Satelliten umgewandelt wird und neuerlich zur Erde übertragen
wird. Auf diese Wise kann ein Signal, welches in einem Kontinent entsteht
bzw. seinen Ursprung hat, beispielsweise zu dem Satelliten-Cluster bei einem
Frequenzband reisen bzw. sich bewegen, und zu einem anderen Kontinent
bei einem anderen Frequenzband übertragen werden.
Derart sind alle Satelliten- Erdstationen
bei ihren verschiedenen Frequenzbändern wechselweise kompatibel.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung ist auf ein geosynchrones Kommunikations-Satellitensystem
bzw. Kommunikationssystem mit geosynchronen Satelliten gerichtet, welches
die Signalqualität
verbessert, Kosten reduziert und eine Kapazitätsausnutzung an Endverbraucher
erhöht.
Das System ist in Anspruch 1 defi– niert.
-
Die Erfindung umfaßt eine
Vielzahl von "Hub"-Satelliten, welche wenigstens drei Querverbindungs-Interfaces
und ein Schaltsystem beinhalten. Im Betrieb ist jedes Querverbindungs-Interface
zu einem anderen Satelliten gerichtet und das Schaltsystem leitet
Signale von einem Interface zu einem anderen. Ein Satelliten-Kommunikationssystem
kann einen oder mehrere Hub-Satelliten verwenden, um Signale unter
den Satelliten innerhalb des Systems zu leiten. Ein System, welches
eine vorgegebene Anzahl von Satelliten (mit mindestens vier) aufweist, kann
mehrere Hubs beinhalten und kann in einer Weise konfiguriert sein,
welche erlaubt, daß jeder bzw.
jeglicher Satellit innerhalb des Systems direkt mit einem Hub kommuniziert.
Alternativ kann das System erlauben, daß jeder Satellit innerhalb
des Systems mit einem Hub kommuniziert, nachdem er über nicht
mehr als einen zwischenliegenden, konventionellen Satelliten gegangen
ist. Satelliten, welche weniger Hubs beinhalten, können eine
Kommunikation mit mehr als einem zwischenliegenden Satelliten erfordern,
bevor ein Hub erreicht wird.
-
Das neue geosynchrone Satelliten-Kommunikationssystem
beinhaltet wenigstens zwei Bodenstationen, welche Interfaces aufweisen,
welche auf zwei unterschiedliche Satelliten gerichtet sind. In einer
minimalen Ausführungsform
mit zwei Bodenstationen beinhaltet eine der Bodenstationen ein Aufwärtsverbindungs-Interface
zu einem der Satelliten und die andere Bodenstation beinhaltet eine
Abwärtsverbindung
von einem anderen Satelliten.
-
Diese und andere Merkmale, Aspekte
und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten aus der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, welche gemeinsam
mit den beigeschlossenen Zeichnungen genommen wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
Diagramm eines Satelliten-Kommunikationssystems gemäß dem Stand
der Technik, welches "ground-hopping"-Techniken verwendet.
-
2A ist
ein Blockdiagramm, welches verschiedene miteinander zusammenwirkende
bzw. Interface-Komponenten illustriert, welche in einem konventionellen
Kommunikations-Satelliten gefunden werden können.
-
2B ist
ein Blockdiagramm eines konventionellen, "nicht-bearbeitenden" Satelliten-Interface.
-
2C illustriert
ein konventionelles, "bearbeitendes" Satelliten-Interface.
-
3 ist.
ein Diagramm einer "Offen-Hub"-Ausführungsform von zwölf Satelliten
des neuen Satelliten-Kommunikationssystems.
-
4 ist
ein Diagramm der "Geschlossen-Hub"-Ausführungsform mit zwölf Satelliten
des neuen Satelliten-Kommunikationssystems
-
5 ist
ein Diagramm eines Kommunikationssystems mit zwölf Satelliten und zwei Hubs.
-
6 ist
ein Diagramm eines "Maschen"-Systems mit zwölf Satelliten, in welchem jeder
Satellit ein Hub-Satellit ist.
-
7A ist
ein Blockdiagramm, welches die Basiskomponenten eines Hub-Satelliten
zeigt.
-
7B ist
ein Blockdiagramm, welches eine detailliertere Ansicht des Schaltsystems
der 6A zur Verfügung stellt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Das geosynchrone Kommunikationssystem mit
zwölf Satelliten
der 3 illustriert eine
bevorzugte Ausführungsform
eines neuartigen Satelliten-Kommunikationssystems, welches den neuen Hub-Satelliten
verwendet. Obwohl zwölf,
gleich- mäßig voneinander
beabstandete Satelliten illustriert sind, sind die Vorteile bzw.
Vorzüge
der Erfindung auch auf irgendein anderes System anwendbar, welches
in den Rahmen bzw. Bereich von Anspruch 1 fällt. Die am meisten erwünschte Verteilung
ist eine, wo die Satelliten alle geostationär sind, d. h. sie sind alle
geosynchron innerhalb der Ebene des Äquators. Der Einfachheit halber
werden die Satelliten durch ihre "Uhr-Position" bezeichnet. D. h.
der 3 (Uhr) Satellit nimmt die 0 Grad Position im Zentrum rechts
des Orbits bzw. der Umlaufbahn ein, der 12 (Uhr) Satellit nimmt
die 90 Grad Position an der Oberseite des Orbits ein, etc. Die Erde
ist im Zentrum von 3 angeordnet
und der Abstand entlang des direktesten Wegs von der Erdoberfläche zu einem
Satelliten beträgt
etwa 35.800 km. Die Sichtliniendistanz zwischen irgendwelchen zwei
nächsten
Nachbarsatelliten beträgt
etwa 21.800 km.
-
In der illustrierten, bevorzugten
Ausführungsform
ist jeder Satellit mit allen anderen Satelliten durch eine Querverbindung
bzw. Vernetzung verbunden, d. h. einen Übertragungsbzw. Transmissionsweg
und Querverbindungs-Interfaces, wobei jedoch keine direkten Querverbindungen
zwischen den Satelliten 2 und 3, 5 und 6,
8 und 9 oder 11 und 12 vorliegen.
Diese "Öffnungen"
zwischen Satelliten führen
zu der Bezeichnung "offener Hub". Vier der illustrierten Satelliten 1, 4, 7 und 10 sind
neue "Hub"-Satelliten, von welchen jeder wenigstens drei Querverbindungen
beinhaltet (vier sind in dieser Ausführungsform erforderlich). Die
zusätzlichen
Querverbindungen erlauben es Hub-Satelliten, mit mehr als lediglich
den nächsten
Nachbarsatelliten zu kommunizieren., Hub-Satelliten werden in größerem Detail
unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Die Hub-Satelliten sind miteinander 1 zu 4, 4 zu 7,
7 zu 10 und 10 zu 1 über Querverbindungs-Transmissionswege
bzw. -pfade 20, 22, 24 und 26 verbünden. Zusätzlich ist
der Satellit 1 mit den Satelliten 2 und 12 durch
Wege 28 und 30, der Satellit 4 mit 5 und 3 durch
Wege 32 und 34, der Satellit 7 mit den
Satelliten 8 und 6 durch Wege 36 und 38,
und der Satellit 10 mit 11 und 9 durch
Wege 40 und 42 verbunden. Jeder der Querverbindungswege
bzw. -pfade 20 bis 42 kann ein Einweg- bzw. Einbahn-
oder Zweiweg-Pfad sein.
-
Allgemein sind unterschiedliche Frequenzbänder für ein Übertragen
und Empfangen an einem gegebenen Satelliten erforderlich. In dem
Ka-Band können
Querverbindungen den 300 MHz-Kanal zwischen 24,45 und 24,75 GHz
oder die 1 GHz-Kanäle verwenden,
welche bei 23,05 und 32,5 GHz zentriert sind. In dem V-Band können Querverbindungen
das 5 GHz-Band verwenden, welches bei 61 GHz zentriert ist. Darüber hinaus
wird erwartet, daß in
der Zukunft Lichtwellen-Kommunika tionen, welche Führungsmaterialien
geringer Absoxption und mit geringer Streuung, beispielsweise optische
Fasern, erfordern, wenn sie innerhalb der Atmosphäre betrieben werden,
noch größere Bandbreiten
für Kommunikationssysteme
zwischen Satelliten zur Verfügung
stellen werden, wo optische Systeme ohne Führungsmedien arbeiten können. Jede
Querverbindung in der Figur ist mit einem Pfeil markiert, welcher
durch f1 oder f2 bezeichnet ist, welcher ein Frequenzband und eine Richtung
eines Informationsflusses anzeigt. Beispielsweise erfolgen sämtliche
Querverbindungs-Kommunikationen
in den Satelliten 1 über
das Frequenzband f2 und alle Querverbindungs-Kommunikationen aus
dem Satelliten 1 über
das Frequenzband f1. Diese und andere Aspekte von Hub-Satelliten
werden in größerem Detail
unter Bezugnahme auf 6 diskutiert.
-
Beispielsweise wird angenommen, daß eine Übertragung
von einer Bodenstation F direkt unterhalb des Satelliten 3 zu
einer anderen Bodenstation G direkt unterhalb des Satelliten 9 und
an der gegenüberliegenden
Seite der Erde durchgeführt
werden muß.
Unter Verwendung des "ground-hopping"-Zugangs gemäß dem Stand
der Technik könnte
die Übertragung
von der Bodenstation F entang des Wegs 44 direkt oberhalb
zum Satelliten 3, von dem Satelliten 3 entlang
eines Wegs 46 zur Bodenstation H erfolgen, welche innerhalb
des Gesichtsfelds von beiden Satelliten 3 und 6 angeordnet
ist . Von der Bodenstation H bewegt sich
das Signal entlang des Wegs 48. zum Satelliten 6 und
vom Satelliten 6 entlang des Wegs bzw. Pfads 50 zu
einer Bodenstation I, welche innerhalb des Gesichtsfelds von beiden
Satelliten 6 und 9 angeordnet ist. Das Signal
wird von der Bodenstation I entlang eines Wegs 52 zum Satelliten 9 übertragen
und vom Satelli ten 9 entlang eines Wegs 54 zu
der endgültigen
Bestimmung, der Bodenstation G.
-
In der Praxis wird der Gesamtweg
mehr verwickelt bzw. verzweigt sein als der illustrierte, wobei er
eine größere Anzahl
von Satellitendurchgängen bzw.
-übertragungen
als drei erfordert. Beispielsweise könnte der Weg 48, welcher
die Verwendung des Satelliten 6 erlaubt, vollständig besetzt
sein, wobei dies eine Verwendung der Satelliten 5 und/oder 7 zusätzlich zu
den Satelliten 3, 6 und 9 erfordert.
Nun unter der Annahme, daß der
illustrierte Weg 44–54
verwendet sein könnte,
beträgt
die gesamte Signalweglänge
etwa 224.000 km mit einer entsprechenden Verzögerung von 745 ms. Darüber hinaus
muß das Signal
sechsmal durch die Atmosphäre
hindύrchtreten,
wobei die resultierenden, atmosphärischen Signalverschlechterungen
bei jedem Weg verstärkt
werden. Zusätzlich
verschlechtert jeder Weg durch einen Satelliten das Signal und dieser
Weg erfordert, daß sich
das Signal durch drei Satelliten bewegt. Aus diesen Gründen könnte einer
der Satelliten ein kostspieligerer, bearbeitender Satellit sein
müssen,
um eine Signalqualität
an dem Endbestimmungsort der Bodenstation G sicherzustellen.
-
Unter Verwendung des neuartigen Hub-Satelliten-Systems
legt dasselbe Signal den Weg 56 von der Bodenstation F
zum Hub-Satelliten 4,
den Weg 22 vom Hub-Satelliten 4 zum Hub-Satelliten 7 und
den Weg 58 vom Hub-Satelliten 7 zur Bodenstation
G zurück.
In diesem Fall ist die gesamte zurückgelegte Distanz etwa 135.000
km, wobei dies eine Verzögerung
von 450 ms mit sich bringt, welche bedeutend geringer ist als diejenige,
welche durch den konventionellen "groundhopping"-Zugang mit sieh gebracht
wird. Darüber
hinaus ist die atmosphärische Signalverschlechterung
um nahezu zwei Drittel verringert und das Signal tritt durch weniger
Satelliten hindurch, wodurch eine Signalverschlechterung aufgrund
von Phasenrauschen, Intermodulationsprodukten und anderen, mit Satelliten
in Zusammenhang stehenden Signalverzerrungen reduziert wird.
-
Es soll festgehalten werden, daß unter
Verwendung dieser neuartigen Hub-Satelliten-Konstellation kein Satellit
mehr als eine Querverbindung von einem Hub-Satelliten entfernt ist.
D. h. jeder konventionelle Satellit hat einen Hub-Satelliten als
einen nächsten
Nachbar. Nicht nur können
die Hub-Satelliten die Anzahl von Aufwärtsverbindungen und Abwärtsverbindungen
reduzieren, welche erforderlich sind, um ein Signal um die Erde
zu transferieren, wie dies soeben illustriert wurde, sondern sie
reduzieren auch die Anzahl von Satelliten, welche in einer derartigen Übertragung
verwendet werden müssen.
Die Eliminierung von "hops" bzw. Übertragungen und eine Reduktion
in der Anzahl von Satelliten; welche durchlaufen werden, kann eine
Reduktion in der Anzahl oder eine vollständige Eliminierung von kostspieligen
bearbeitenden Satelliten für
ein gegebenes System erlauben.
-
Es soll. beispielsweise angenommen
werden, daß anstelle
einer Verwendung von konventionellen "ground-hopping"-Techniken
das Signal vollständig
durch konventionelle Satelliten über
Querverbindungen gesandt würde.
D. h., es wird angenommen, daß das
Signal unter Verwendung des Wegs 56 von der Bodenstation
F zum Satellit 4, vom Satellit 4 zum Satellit
S über
den Weg 32, vom Satellit 5 zum Satellit 6 (entlang
eines Querverbindungswegs, welcher in dieser Ausführungsform
nicht existiert), vom Satellit 6 zum Satellit 7 entlang
des Wegs 38 und vom Satellit 7 zur Bodenstation
G übertragen
wird. Die Gesamtdistanz für
diesen Weg ist geringfügig
länger als
diejenige für
das Hub-Beispiel und der atmosphärische
Einfluß ist
etwa derselbe, wobei jedoch dieser Zugang die doppelte Anzahl von
Satelliten und somit das Doppelte einer Signalverschlechterung aufgrund von
Satelliten-Signalverzerrungen bedingt bzw. mit sich bringt. Zusätzlich erfordert
dieser Zugang mehr Querverbindungskapazität als das Hub-System und verwendet
daher ineffizient das Querverbindungsspektrum.
-
In der Ausführungsform mit geschlossenem Hub
der 4 sind die Satelliten 2, 7 und 10 Hub-Satelliten.
Der Satellit 2 ist mit dem Satellit 7 über eine Querverbindung 60 verbunden,
der Satellit 7 ist mit dem Satellit 10 über eine
Querverbindung 62 verbunden und der Satellit 10 ist
mit dem Satellit 2 über
eine Querverbindung 64 verbunden. Zusätzlich zu den Querverbindungen,
welche unter Bezugnahme auf 3 diskutiert
wurden, beinhaltet diese Ausführungsform
Querverbindungen 66, 68, 70 und 72 zwischen
Satelliten 2 und 3, 5 und 6, 8 und 9 bzw. 11 und 12.
Diese Ausführungsform
versieht alle konventionellen Satelliten mit einem Zutritt zu einem
Hub-Satelliten, nachdem nicht mehr als ein nächster Nachbarsatellit dürchlaufen,
wurde. D. h., ein Signal vom konventionellen Satellit 5 kann
an den Hub-Satellit 10 unter Verwendung von lediglich zwei
zwischenliegenden Satelliten (6 und 7) anstelle
von vier (6, 7, 8 und 9) übertragen werden. Wie in der
Beschreibung von 3 erwähnt, reduziert
ein Reduzieren der Anzahl von Satelliten, welche in einer gegebenen
Signalübertragung
verwendet bzw. eingesetzt werden, proportional eine Signalverschlechterung.
Dieses Merkmal, daß nicht
mehr als ein zwischenliegender Satellit zwischen jedem gegebenen
Satellit und einem Hub-Satellit vorliegt, kann in einfacher Weise
auf Systeme erweitert werden, welche mehr als drei Satelliten verwenden.
-
Die Konstellation der F g. 5 versieht
jeden Satelliten in dem System mit einem direkten Zutritt zu einem
der Hub-Satelliten 2 oder 6. Die Satelliten 1, 3, 10, 11 und 12 sind
mit dem Hub-Satelliten 2 über Querverbindungen 28, 66, 74, 76 bzw. 78 verbunden. Die
Satelliten 4, 5, 7, 8 und 9 sind
mit dem Satelliten 6 über
Querverbindungen 80, 68, 38, 82 bzw. 84 verbunden.
Zusätzlich
sind die Hub-Satelliten 2 und 6 über eine
Querverbindung 86 verbunden. Nicht nur weisen alle Satelliten
in dieser Ausführungsform
einen direkten Kontakt mit einem Hub-Satelliten auf, sondern nur
zwei Hub-Satelliten
sind für
dieses System mit zwölf
Satelliten erforderlich.
-
Das "Maschen"-System von 6 ist vollständig aus
Hub-Satelliten gebildet, d. h. jeder Satellit innerhalb der Konstellation
weist wenigstens drei Querverbindungs-Interfaces auf. Wie in der
Ausführungsform
von 4 ist jeder Satellit mit seinem nächsten Nachbarsatelliten 12 mit 1,
1 mit 2, etc. durch Querverbindungen 30, 28 etc.
verbunden. Zusätzlich
sind die Satelliten 2 und 6, 3 und 10, 4 und 12, 5 und 8,
6 und 2, 7 und 11 und 9 und 1 über Querverbindungen 75, 77, 79, 81, 83 bzw. 85 verbunden. Da
jeder Satellit innerhalb dieses Gitter- bzw. Maschen-Systems ein
Hub-Satellit ist, gibt es eine größere Flexibilität beim Routen
von Kommunikation und daher kann die Kommunikationslast bzw. -belastung
gleichmäßiger unter
den Satelliten verteilt werden.
-
Jeder Hub-Satellit beinhaltet die
funktionalen Subsysteme, welche in dem Blockdiagramm von 7A illustriert sind.
-
Querverbindungs-Interfaces 100, 102 und 104 sind über ein
schaltendes bzw. Schaltsystem 106 verbunden. Die Querverbindungs-Interfaces 100–104 können entweder
bearbeitende oder nicht-bearbeitende Interfaces sein, wie dies unter
Bezugnahme auf 2B bzw. 2C beschrieben wurde, und können genauso
wie in früheren
Systemen ausgebildet bzw. konstruiert sein. Ein optionales Bodenverbindungs-Interface 108 ist
auch illustriert, wobei jedoch ein Hub-Satellit 111 nicht
eine Bodenverbindung beinhalten muß. Während ein konventioneller Satellit
Querverbindungs-Interfaces für
Kommunikationen mit seinen nächsten
Nachbarn beinhalten kann, beinhaltet ein Hub-Satellit wenigstens
drei Querverbindungs-Interfaces, welche eine direkte Kommunikation
mit Satelliten verschieden von seinen nächsten Nachbarsatelliten erlauben.
Um diese Verbindungen mit nicht-nächsten Nachbarsatelliten beispielsweise
jede der Verbindungen 60, 62 oder 64 der 4 zu erleichtern, kann eines
der Querverbindungs-Interfaces eine größere Antenne oder einen stärkeren Verstärker beinhalten,
als dies für
Querverbindungen mit nächsten
Nachbarn, wie beispielsweise 28 oder 66, erforderlich
ist.
-
Satellitensysteme können eine
Vielzahl von Techniken verwenden, um einen Zutritt zu den Kommunikationskanälen zur
Verfügung
zu stellen, welche sie bereitstellen. Hub-Satelliten können einen
Zutritt durch Techniken, wie einen Frequenzunterteilungs-Mehrfachzutritt
(FDMA), einen Zeitunterteilungs-Mehrfachzutritt (TDMA), einen Codeunterteilungs-Mehrfachzutritt (CDMA)
oder einen Verteilungsspektrum-Mehrfachzutritt (SSMA) zur Verfügung stellen.
Zusätzlich
kann ein Modus einer festgelegten Zuteilung mit mehrfachem Zutritt
(FAMA) oder eines mehrfachen Zutritts bei Anforderungszuteilung in
Verbindung mit jeder der oben genannten Techniken verwendet werden.
Diese Techniken sind im Stand der Technik bekannt; eine detailliertere
Diskussion kann in Leon W. Couch II, Digital and Analog Communications
Systems, Macmillan Publishing Co., New York, 1983, Seiten 230-239 gefunden werden.
Obwohl diese Techniken an Satelliten-Boden-Verbindungen angewandt
wurden, stellen die neuartigen Hub-Satelliten einen Zutritt zu Intersatelliten-Kommunikationskanälen unter
Verwendung dieser Techniken zur Verfügung.
-
Ein Schaltsystem, wie beispielsweise
ein System 106 der 7A,
ist in größerem Detail
in 78 illustriert. Eine Regel- bzw.
Steuereinrichtung bzw. ein Controller 109 leitet die Zwischenverbindung bzw.
Verbindung untereinander von Signalwegen bzw. -pfaden durch einen
Schalter 110. In einer Rnalogschaltungs-Implementierung
ist der Schalter 110 im wesentlichen ein Kreuzschienenschalter,
welcher unter der Steuerung bzw. Regelung des Controllers 109 irgendeinen Übertragungsweg
TX1, TX2 oder TX3, welchem Querverbindungs-Interfaces 100, 102 bzw. 104 zugeordnet
sind, mit irgendeinem der Empfangswege RC1, RC2 oder RC3 verbindet,
welche jeweils Querverbindungs-Interfaces 100, 102 bzw. 104 zugeordnet
sind. Die Regel- bzw. Steuereinrichtung 109 kann auf Bodenbefehle.
oder beispielsweise auf Befehle von einem anderen Satelliten ansprechen. Eine
Digitalschaltungs-Implementierung kann dieselbe Basisschaltkreis-Schaltung,
welche soeben beschrieben wurde, verwenden oder sie kann andere Schalttechniken,
wie beispielsweise ein Paketschalten oder Botschaftsschalten unter
der Verwendung derselben Basisstruktur eines Schalters 110 unter der
Regelung bzw. Steuerung einer Regel- bzw. Steuereinrichtung 109 verwenden.
-
Ein Minimum von drei Querverbindungs-Interfaces
ist erforderlich, um Hub-Satellitensysteme wie diejenigen zu implementieren,
welche unter Bezugnahme auf 3 bis 6 diskutiert wurden. Beispielsweise
wurden Satelliten innerhalb eines geschlossenen Hub-Systems wie
demjenigen, welches in 4 illustriert
ist, drei Querverbindungs-Interfaces erfordern: eines für jeden
seiner nächsten Nachbarsatelliten
und eines für
eine Verbindung über den
Orbit bzw. die Um-laufbahn,
wie beispielsweise die Verbindung 60 zwischen den Hub-Satelliten 2 und 7.
Wie oben erwähnt,
stellt diese Anordnung ein Zutritt zu einem Hub-Satelliten durch
höchstens
einen zwischenliegenden Satelliten zur Verfügung. In ähnlicher Weise würde ein
Hub-Satellit innerhalb eines Offen-Hub-Systems, wie dies beispielsweise
in 3 illustriert ist,
vier Querverbindungen erfordern: eine für jeden seiner nächsten Nachbarn
und eine für
seine Verbindung über
den Orbit, wie beispielsweise die Verbindungen 20 und 26.
-
Wie bis zu diesem Punkt beschrieben,
stellen die Hub-Satelliten-Systeme verbesserte Signale aufgrund
der Eliminierung von mehrfachen atmosphärischen Durchtritten und einer
relativ geringen Anzahl von Satellitendurchgängen zur Verfügung. Darüber hinaus
kann der Abstand bzw. Weg, welchen ein Signal zurücklegen
muß, signifikant
reduziert werden im Vergleich zu dem Weg, welchen es unter Verwendung
von "ground-hopping"-Techniken zurücklegen müßte. Dies resultiert in einer
entsprechenden Reduktion in der Verzögerung, welche insbesondere
signifikant in interaktiven Signalbzw. Signalübertragungs-Anwendungen ist.
-
Zusätzlich zu diesen Vorteilen
können Hub-Satellitensysteme
die Flaschenhälse
bzw. Engstellen eliminieren, auf welche konventionell "ground-hopping"-Systeme
treffen. Hub-Systeme können
Engstellen durch ein Umleiten bzw. Routen um insbesondere beschäftigte Stellen
von Aufwärts/Abwärtskopplungen
bzw. -verbindungen umgehen. Darüber
hinaus wurden Querverbindungen Kanäle mit viel höherer Bandbreite
als bestehende Aufwärts/Abwärtsverbindungs-Kanäle zugeordnet und
mit dem Auftreten von "open-space"-Lichtwellenkommunikationen werden
Kommunikationskanäle zwischen
Satelliten weiter erweitert werden. Ein anderer Vorteil der neuartigen
Hub-Systeme ist, daß,
da Signale direkter, unter Eliminierung von Satel-litendurchtritten
als auch "ground-hops" bzw. Verbindungen zum Boden geroutet bzw.
geleitet werden können,
die Anzahl von kostspieligen bearbeitenden Satelliten, d. h. solchen,
welche Signale regenerieren bzw. wiederherstellen, signifikant reduziert
werden kann.
-
Die vorangehende Beschreibung von
bestimmten bzw. speziellen Ausführungsformen
der Erfindung wurde für
die Zwecke einer Illustration und Beschreibung gegeben. Es ist nicht
beabsichtigt, daß sie
erschöpfend
ist oder daß sie
die Erfindung auf die präzisen,
geoffenbarten Formen beschränkt,
und viele Modifikationen und Abwandlungen sind im Licht der obigen
Lehren möglich.
Beispielsweise können die
Querverbindungen Verbindungen bzw. Kopplungen höherer Frequenz, wie beispielsweise
Lichtwellen-Kopplungen verwenden. Die Gesamtanzahl von Satelliten
kann größer oder
kleiner als in den illustrierten Ausführungsformen sein und die Anzahl
von Hub-Satelliten kann auch größer oder
geringer als diejenige der Illustrierten sein. Die Ausführungsformen
wurden gewählt
und beschrieben, um am besten die Prinzipien der Erfindung und ihre
praktische Anwendung zu erläutern,
um dadurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, am besten die Erfindung
zu nutzen.