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Die
vorliegende Patentanmeldung ist eine Teilfortsetzung der am 24.
Oktober 1997 eingereichten Patentanmeldung Nr. 08/957643.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bodenstationen zum Kommunizieren
mit und Steuern von Satelliten und insbesondere eine gemeinsam genutzte
Bodenstation zum gleichzeitigen Kommunizieren mit und Steuern von
mehreren unabhängig
ins All gebrachten und betriebenen Satelliten.
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Seit
dem Start von Sputnik im Jahr 1957 und dem seitdem immer weiter
anwachsenden wissenschaftlichen und technischen Erkenntnisstand,
haben Satelliten und die Satellitentechnologie eine wesentliche
Rolle in der Entwicklung der Raumfahrt- und Kommunikationstechnologie
gespielt. Alle Arten von Kommunikationssignalen, wie beispielsweise
Telefon-, Mikrowellen, Fernseh- und andere Signale, können über Satellitenkommunikationsstrecken übertragen
werden. Außerdem
kann ein weiter Bereich wissenschaftlicher und technischer Daten
von spezifisch konstruierten Satelliteneinrichtungen abgerufen werden,
um das Wetter und andere physikalische Erscheinungen oder Parameter
zu überwachen.
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Es
werden zwei primäre
Umlaufbahnen für
Kommunikationssatelliten verwendet. Die erste ist eine geostationäre (GEO)
Umlaufbahn. Ein in einer geostationären Umlaufbahn angeordneter
Satellit umläuft
die Erde in exakt der gleichen Zeit, die die Erde benötigt, um
eine Umdrehung um ihre Achse abzu schließen. Obwohl sich der Satellit
schnell um die Erde bewegt, erscheint der Satellit für Beobachter
auf dem Boden als über
der Erde fixiert. Ein Satellit auf einer GEO-Umlaufbahn befindet sich etwa 35900
km (22300 Meilen) über
der Erde. Auch bei Lichtgeschwindigkeit beträgt die zum Übertragen und Empfangen eines
Funksignals über
diese Strecke erforderliche Zeitdauer (die als "Latenz" bezeichnet wird) etwa 0,24 s und ist
damit für
jegliche Echzeitübertragung
inakzeptabel lang. Außerdem
sind für
die relativ langen Strecken Hochleistungssender und größere Antennen
erforderlich, was zu einem erhöhten
Gewicht und höheren
Kosten für
die Herstellung und den Transport eines Satelliten in eine GEO-Umlaufbahn
führt.
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Eine
GEO-Umlaufbahn bietet jedoch andere Vorteile. Von einem relaiv großen Abstand
von der Erde liegt ein wesentlich größerer Bereich der Erdoberfläche innerhalb
der Reichweite des Satellitenverstärkers. Daher kann eine kleine
Anzahl von Satelliten in einer GEO-Umlaufbahn verwendet werden,
um die gesamte Erdoberfläche
abzudecken. Umgekehrt ist in einer niedrigen Erdumlaufbahn eine
große
Anzahl von Satelliten erforderlich, um eine ähnliche Abdeckung zu erreichen,
d.h. der Satellitensender deckt einen wesentlich kleineren Bereich
der Erdoberfläche
ab.
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Um
das Latenzproblem zu lösen,
das zum Erzielen eines kommerziell erfolgreichen Kommunikationssystems
kritisch ist, können
Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) angeordnet werden,
die typischerweise 800–2400
km (500–1500
Meilen) von der Erde entfernt ist. Bei diesem wesentlichen kürzeren Abstand
beträgt
die Umlaufzeit der Satelliten um die Erde etwa 90 Minuten. Beim
LEO-Abstand liegt die Latenz in der Größenordnung von Hundertstelsekunden.
Wenn die Stelliten etwa eine Größenordnung
näher zur
Erde angeordnet sind, kann der Sender wesentlich kleinformatiger und
leistungsärmer
konstruiert sein. Der durch den Sender eines Satelliten in einer
LEO-Umlaufbahn abgedeckte Bereich der Erdoberfläche ist jedoch wesentlich kleiner
als bei einem Satelliten in einer Geo-Umlaufbahn. Daher müssen mehr
Satelliten in eine LEO-Umlaufbahn gebracht werden, um eine ausreichende
Oberflächenabdeckung
zu erhalten, obgleich die Kosten, die erforderlich sind, um einen
Satelliten in eine LEO-Umlaufbahn zu bringen, normalerweise niedriger sind.
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Als
Satelliten erstmals verwendet wurden, wurden fast alle Satelliten
durch Nationalstaaten hergestellt und ins All gebracht. Zu dieser
Zeit waren die Kosten für
kommerzielle Unternehmen wesentlich zu hoch, insbesondere hinsichtlich
der geringen Vorteile und der hohen Risiken. Zu Beginn war noch
keine Infrastruktur vorhanden, die die Vorteile der Kommunikationsfähigkeiten
von Satelliten nutzen konnte. Fernsehen befand sich im Anfangsstadium
und der gegenwärtige
enorme Bedarf für
Telekommunikation hatte noch nicht einmal begonnen, sich zu entwickeln.
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Mit
der Weiterentwicklung der integrierten Schaltungstechnologie wurden
Mikroprozessoren immer leistungsfähiger und Speicherpreise sanken
rapide, so dass die Kosten für
die Herstellung von Mobiltelefonen, Mikrowellensendern und anderen
Kommunikationsgeräten
radikal sanken. Diese Preissenkungen führten zu einem enormen Zuwachs
auf dem Telekommunikationsmarkt. Alle Telefonbereichcodes, die unter
einem früheren
Regelsatz zugewiesen wurden, sind zugeordnet worden, so dass ein
neues Bereichcodezuweisungsschema implementiert werden musste, um
das rasche Wachstum und die Zunahme von Telefonnummern zu handhaben,
die aufgrund der zunehmenden Verwendung von Modems, Faxgeräten, Pagern
und natürlich
Telefonen erforderlich waren.
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Heute,
da der Telekommunikationsmarkt eine ausreichende Größe hat,
können
kommerzielle Unternehmen Satellitensysteme profitabel betreiben.
Zahlreiche kommerzielle Unternehmen haben ihre eigenen Satellitenkommunikationsprogramme
implementiert. Wie vorstehend diskutiert wurde, wäre es für LEO-Umlaufbahnen, für die wesentlich
kleinere und kostengünstigere
Satelliten erforderlich sind, erforderlich, hunderte kommerzieller
privater Satelliten ins All zu bringen.
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In
Verbindung mit einem Satellitenkommunikationsnetzwerk treten vier
Hauptkostenfaktoren auf: i) Kosten für die Fertigung des Satelliten,
ii) Kosten, um den Satelliten ins All zu bringen, iii) Kosten für Einrichtungen
und die laufenden Betriebskosten für die Kommunikation mit dem
Satelliten und iv) allgemeine Verwaltungskosten.
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Anfangs
wurden die Anforderungen an Kommunikationseinrichtungen durch Unternehmensgebäude und
Aufrechterhalten ihrer eigenen bodenbasierten Kommunikationsstationen
erfüllt.
Ein LEO-Satellit wird während
jeder Erdumdrehung in Abhängigkeit
vom Typ der Umlaufbahn und der Höhe
des Satelliten mit einer einzigen festen Bodenstation nur für wenige
Minuten kommunizieren können.
Beispielsweise hat für
einen typischen LEO-Satelliten, der die Erde in einer polaren Umlaufbahn
umkreist, eine am Äquator
angeordnete Bodenstation nur für
etwa 4 Minuten pro Tag Zugriff auf den Satelliten. Wenn für eine längere Zeitdauer
mit dem Satelliten kommuniziert werden muss, müsste das Unternehmen entweder
mehr Satelliten in einer Umlaufbahn platzieren oder mehr Bodenstationen
errichten, um Kommunikationen für
eine längere
Zeitdauer zu ermöglichen.
Hierfür
könnten
bis zu 6–8
Bodenstationen für
Kosten von über
$2,5 Millionen pro Bodenstation erforderlich sein. Diese Kosten
stellen einen Hauptkostenfaktor für die Einrichtung eines satellitenbasierten Kommunikationssystems
und damit ein Haupthindernis für
den Einstieg kleinerer Unternehmen in den Satellitenkommunikationsmarkt
dar.
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Es
ist bekannt, Daten unter Verwendung einer gemeinsamen Bodenstation
von mehreren Satelliten zu empfangen. Beispielsweise ist im US-Patent
Nr. 5603077 ein Satellitensystem und ein Verfahren zum Fernsteuern
eines Satellitensignalempfängers
beschrieben. Das darin beschriebene System und Verfahren arbeiten
jedoch mit geostationären
Satelliten unter der Steuerung des gleichen Operateurs. Außerdem wird
durch dieses System und Verfahren nicht die Fähigkeit für eine Datenübertragung
zu einem beliebigen Satelliten bereitgestellt.
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Im
US-Patent Nr. 5579367 wird ein System beschrieben, in dem der Empfang
von Signalen von mehreren Satelliten durch einen Netzwerkcontroller
gesteuert wird. Auch durch dieses System kann keine Zweiwegekommunikation
mit beliebigen LEO- und GEO-Satelliten bereitgestellt werden.
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Zusammengefasst
ist die ledigliche Bereitstellung eines Kommunikationsempfangs nicht
ausreichend, um es einem Satelliteneigentümer zu ermöglichen, den Satelliten zu
managen und zu steuern. Jeder Satellit erfordert seine eigene spezifische.
Einstellung oder Konfiguration in einer Bodenstation sowohl für die Sende- als
auch für
die Empfangsfunktion. Außerdem
muss jeder Satellit unabhängig
von anderen Satelliten verfolgt werden, und jeder Satellit muss
möglicherweise
mehrmals pro Tag (oder mindestens pro Monat) gesteuert werden. Außerdem kommunizieren
die Operateure jedes Satelliten nicht notwendigerweise miteinander,
um Konflikte zu lösen
und Kommunikationsstandards einzurichten, die für die Nutzung vorhandener Bodenstationen erforderlich
sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bodenstationssystems
bereitzustellen, das dazu geeignet ist, mit beliebigen Satelliten
zu kommunizieren, die von mehreren Benutzern gemeinsam genutzt werden
können,
z.B. von LEO- und GEO-Satelliten, um die hohen Kosten für Gebäude zu eliminie ren
und ein privates Satellitenkommunikationssystem zu unterhalten.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine grafische
Benutzerschnittstelle für
jeden Benutzer bereitzustellen, um es jedem Benutzer zu ermöglichen,
direkt mit einem Scheduling-Computer zu kommunizieren und Benutzerdaten
an den Scheduling-Computer zu übertragen,
wobei der Scheduling-Computer Benutzerdaten von mehreren Benutzern
koordiniert, Konflikte löst
und an die Bodenstationen übertragene
Daten an geeignete Satelliten in einer Erdumlaufbahn uploadet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kommunikationsnetzwerk
bereitzustellen, durch das ein Eigentümer des Satelliten mit dem
Scheduling-Computer des Dienstanbieters fernkommunizieren kann,
um an den Satelliten zu übertragende
Befehle zu übertragen
und vom Satellit zurückgesendete
Datenströme
zu empfangen, wobei die Daten entweder im Scheduling-Computer gespeichert
und dem Benutzer zu einem späteren
Zeitpunkt zugesendet, oder in Echtzeit an den Benutzer weitergeleitet
werden können.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Durch
die vorliegende Erfindung werden die vorstehenden und andere Aufgaben
durch Bereitstellen einer ferngesteurten Bodenstation gelöst, die
von einem Zentralcontroller betrieben und gesteuert werden kann.
Außerdem
kann erfindungsgemäß jeder
Benutzer eine Bodenstationkonfigurationsdatei erzeugen und am Zentralcontroller
speichern, wobei die Datei die zum Konfigurieren der ferngesteuerten
Bodenstation erforderlichen Daten für eine Kommunikation mit dem
Satelliten des Benutzers enthält.
Daher plant, wenn der Benutzer mit dem Satelliten des Benutzers
kommunizieren möchte,
der Benutzer eine Kommunikationssitzung mit dem Zentralcontroller,
der die Konfigurationsdatei zur geeigneten Bodenstation downloadet.
Die geeignete Bodenstation wird basierend auf den aktuellen Erdumlaufkenngrößen des
betreffenden Satelliten bestimmt. Ein Server an der Bodenstation
verwendet dann die Daten in der Konfigurationsdatei, um die Einrichtungen
an der Bodenstation zu konfigurieren und mit dem gewünschten
Satelliten zu kommunizieren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum gemeinsamen
Nutzen eines einzigen Systems von Boodenstationen durch eine beliebige
Anzahl von Satelliteneigentümern,
um es den Eigentümern
zu ermöglichen, über ein
standardisiertes globales Kommunikationssystem Befehlsinformation
an ihre Satelliten zu übertragen
und vom Satelliten zurückgesendete
Datenströme
zu empfangen.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine grafische Benutzerschnittstelle
bereitgestellt, die es einem Benutzer ermöglicht, an seinem normalen
Geschäftsstandort
an einen Satelliten zu übertragende
Daten bereitzustellen. Normalerweise beinhalten die Daten einen
an einen bestimmten Satelliten zu übertragenden Befehlssatz, der
eine gewünschte
und erwartete Antwort oder Reaktion des Satelliten verursachen wird.
Die Daten werden dann an einen Zentralcontroller übertragen.
Die Daten können
im Voraus bereitgestellt und auf einmal an den Zentralcontroller übertragen
werden, oder der Benutzer kann mit dem Zentralcomputer direkt online kommunizieren
und dem Zentralcontroller die Daten direkt zuführen. Außerdem kann der Benutzer über einen Internetbrowser
mit dem Zentralcontroller kommunizieren, wobei der Internetbrowser
mit einer Webseite auf einem dem Zentralcontroller zugeordneten
Webserver kommuniziert. Durch eines der vorstehend beschriebenen
Verfahren oder auf eine andere Weise, gemäß der Daten geeignet zum Zentralcontroller übertragen
werden können,
wird nun ein Datensatz, der Information enthält, wie beispielsweise den
Ziel-Satelliten, Information darüber,
von welcher Bodenstation die Daten übertragen werden sollen, welcher
Durchgang des Satelliten verwendet werden soll und ob erwartet wird,
dass während
dieses Durchgangs Daten vom Satelliten empfangen werden, am Zentralcontroller
gespeichert.
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Der
Zentralcontroller überträgt dann
diese Daten an eine der mehreren ferngesteuerten Bodenstationen,
die für
eine Kommunikation mit dem bestimmten Satelliten zu der spezifizierten
Zeit am besten geeignet ist.
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Eine
exemplarische Realisierung der grafischen Benutzerschnittstelle
weist einen Computer, z.B. einen Desktop-Computer, und zugeordnete Software auf.
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Eine
exemplarische Ausführungsform
des Zentralcontrollers weist einen Computer, z.B. eine Engineering-Workstation, und
zugeordnete Software auf.
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Eine
exemplarische Ausführungsform
einer ferngesteuerten Bodenstation weist einen HF-Sender, einen
HF-Empfänger
und einen Sendecontroller auf.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Kommunizieren
mit mehreren Benutzern bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte
zum Abrufen von Daten von den mehreren Benutzern und Übertragen
der Daten an einen Zentralcontroller aufweist, der die Daten speichert.
Das Verfahren weist außerdem
die Schritte zum Identifizieren und Auflösen von Übertragungs-, Einrichtungskommunikationsverbindungs-
und anderen Scheduling-Konflikten und zum anschließenden Übertragen
der zu übertragenden
Daten an die geeignete Bodenstation nach Erfordernis auf. Die Bodenstation überträgt die vom
Benutzer abgerufenen Daten an den geeigneten Satelliten, der basierend
auf dem durch den Zentralcontroller errichteten Zeitplan ausgewählt wird.
Wenn während
des gleichen Durchgangs des Satelliten vom Satelli ten Daten downgeloaded
werden, werden die Daten durch die Bodenstation zwischengespeichert
und dann an den Zentralcontroller übertragen, um sie an den bestimmten
Benutzer weiterzuleiten.
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Eine
exemplarische Ausführungsform
einer Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Zentralcontroller
und den ferngesteuerten Bodenstationen erfolgt unter Verwendung
eines Webbrowsers, der über eine
Internetverbindung mit einem Webserver kommuniziert, der programmiert
ist, um Information über
die Satelliten zu speichern und darzustellen. Dieses Verfahren zum
Implementieren einer Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem
Zentralcontroller ist aufgrund des universellen Zugriffs auf das
Internet sehr effektiv. Es stehen eine große Anzahl unabhängiger Internetdienstanbieter
zur Verfügung,
die den Zugriff auf das Internet von jedem beliebigen Ort auf der
Erde sehr einfach machen.
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Es
ist wichtig, die Verwendung des Internets als physikalische Kommunikationseinrichtung
und die Verwendung eines Webbrowsers zu unterscheiden, der HTML-(Hyper
Text Markup Language)Dateien interpretiert und implementiert. Obwohl
die Verwendung eines Webbrowsers gegenwärtig die beliebteste Weise
für eine
Kommunikation über
das Internet ist, wird die für
eine Kommunikation über
das Internet verwendete Software sicher wesentlich weiterentwickelt
und geändert.
Irgendwann werden die Leute keinen Webbrowser und die damit in Beziehung
stehenden HTML-Dateien verwenden, sondern unter Verwendung eines
vollständig
anderen Softwareprotokolls kommunizieren. Daher betrifft ein Aspekt
der vorliegenden Erfindung eine Kommunikation über ein globales Netzwerk,
das einen Servercomputer verwendet, der ein in einer speziellen
Kommunikationssprache geschriebenes Programm speichert und ausführt. Der
Endnutzer betreibt eine Client-Version der gleichen Software, um
es dem Endnutzer zu ermöglichen,
mit dem Client-Computer zu wechselwirken, der Dateien der speziellen
Kommunikationssprache empfängt.
Diese Dateien werden dann durch die Client-Software unterpretiert,
um es dem Benutzer zu ermöglichen,
die erhaltene Darstellung von Text und Grafik zu betrachten und
zu lesen, Daten einzugeben und diese Daten über das Internet an den Server-Computer
zu übertragen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems;
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Logik von Ereignissen während eines
aktuellen Durchgangs eines Satelliten und einer Kommunikation und
von Ereignissen, die während
dieses Durchgangs stattfinden, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 zeigt
ein Funktionsdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
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4–6 zeigen
drei exemplarische Ausführungsformen
ferngesteuerter Bodenstationen, die im erfindungsgemäßen System
verwendet werden;
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7a–b zeigen
die Fernsteuerungstopologie, die in einer objektorientierten Steuerung
für die
ferngesteuerten Bodenstationen in einer exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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7 zeigt Webseiten und Links einer exemplarischen
grafischen Benutzerschnittstelle gemäß der vorliegenden Patentanmeldung;
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8–19 zeigen verschiedene exemparische Webseiten
der grafischen Benutzerschnittstelle gemäß der vorliegenden Patentanmeldung;
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20 zeigt eine Liste von durch einen Benutzer
spezifizierbaren Informationen, die erfindungsgemäß zum Konfi gurieren
einer ferngesteuerten Bodenstation verwendet werden; und
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21 zeigt
eine exemplarische Liste von Einrichtungen, die erfindungsgemäß in einer
ferngesteuerten Bodenstation verwendet werden.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine exemplarische Ausführungsform
zum Darstellen eines Aspekts der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Satellitenkommunikationsnetzwerks 100 mit
Vielfachzugriff. Satelliten 110 sind mehrere unabhängig ins
All gebrachte und betriebene Satelliten, die durch Kunden von Dienstanbietern
(Service Provider) betrieben werden, die Eigentümer des Satellitenkommunikationsnetzwerks 100 mit
Vielfachzugriff sind. Für
jeden dieser Satelliten 110 sind möglicherweise verschiedene Kommunikationsformate
und -protokolle erforderlich. Tatsächlich ist jeder der Satelliten 110 konstruiert,
ohne dass die erforderlichen Kommunikationsprotokolle und -formate
der anderen Satelliten 110 berücksichtigt werden, und ohne
dass die Eigentümer
der ferngesteuerten Bodenstation notwendigerweise konsultiert werden.
Darüber hinaus
ist jeder der Satelliten 110 weder über die Existenz der anderen
Satelliten 110 informiert, noch berücksichtigt er diese, d.h. die
Satelliten werden ohne jegliche Kooperation betrieben. Tatsächlich können sogar
verschiedene Regierungen oder Unternehmen anderer Länder Eigentümer der
Satelliten sein, die möglicherweise verschiedene
Prioritäten
haben und sich sogar wechselseitig stören oder beeinflussen können. Ein
gemeinsamer Wunsch der Betreiber all dieser Satelliten ist jedoch,
eine Kostensenkung zu erreichen. Daher nutzen alle diese Satelliten 110 ein
gemeinsames System von Bodenstationen 120.
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Infolgedessen
stehen die Satelliten 110 während bestimmter Zeitdauern
des Umlaufs der Satelliten mit ferngesteuerten Bodenstationen 120 in
Kommunikation. Obwohl in 1 nur eine einzige Station dargestellt ist,
können
nach bedarf mehrere Stationen bereitgestellt werden, um eine maximale
Kommunikationszeit mit den Satelliten 110 zu ermöglichen.
Idealerweise sind die ferngesteuerten Bodenstationen an strategischen
Positionen auf der gesamten Welt angeordnet, z.B. an polaren Breiten,
um längere
Sichtzeiten für
die Satelliten bereitzustellen, wenn sie die Erde in einer LEO-Umlaufbahn umlaufen.
Mögliche
Positionen dieser Bodenstationen sind in Alaska, Norwegen, Chile,
Südafrika,
Hawaii, Pennsylvania, Russland, usw.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf LEO-Satelliten beschränkt. Sie ist auf Satelliten
auf beliebigen Umlaufbahnen anwendbar, wie beispielsweise auf einer
geostationären
Umlaufbahn (GEO), mittleren Erdumlaufbahnen (MEO) und hochelliptischen
Umlaufbahnen (HEO). In diesen Fällen
können
in Äquatorbereichen
angeordnete Bodenstationen geeigneter sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere für LEO-Umlaufbahnen geeignet,
weil dadurch Satellitensysteme bereitgestellt werden, bei denen
Satelliten kostengünstig
ins All gebracht werden können
und kostengünstig
betreibbar sind. Durch Teilen der Kosten der Bodenstationen zwischen
vielen Benutzern, oder indem ein Benutzer nur für die Zeit mit Kosten belastet
wird, für
die er die Bodenstation tatsächlich
nutzt, kann der Benutzer seine Betriebskosten minimieren. Außerdem macht
die vorliegende Erfindung, indem Satellitenbetreiber auf einer Nutzungsbasis
mit Kosten belastet werden, den Besitz und Betrieb eines Netzwerkes
ferngesteuerter Bodenstationen profitabel. Beispielsweise ist auch
bei einer großen
Anzahl von Satelliten in einem einzi gen Satellitensystem ein zugeordnetes
System von Bodenstationen über
wesentliche Zeitperioden unterausgenutzt. Durch die vorliegende
Erfindung wird dagegen ein System von Bodenstationen ermöglicht,
das eine maximale Ausnutzung erreichen kann, wodurch ein zuvor unprofitables
Unternehmen in ein hochgradig profitables Unternehmen umgewandelt
wird.
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Gemäß 1 sind
die ferngesteuerten Bodenstationen 120 mit einem Datenübertragungsnetzwerk 130 verbunden.
Eine Netzwerkmanagementzentrale 140 ist ebenfalls mit dem
Datenübertragungsnetzwerk 130 verbunden.
Außerdem
sind Kundenstandorte 150 mit dem Datenübertragungsnetzwerk 130 verbunden. Obwohl
in 1 ein einziger Kundenstandort 150 dargestellt
ist, kann der Kundenstandort 150 aus mehreren Standorten
mehrerer unabhängiger
Satelliteneigentümer,
-nutzer und -betreiber bestehen. Weil die ferngesteuerte Bodenstation 120,
die Netzwerkmanagementzentrale 140 bzw. der Kundenstandort 150 jeweils
mit dem Datenübertragungsnetzwerk 130 verbunden
sind, kann jede dieser drei Komponenten mit jeder der anderen beiden
Komponenten kommunizieren. Daher sind die ferngesteuerten Bodenstationen 120,
die Netzwerkmanagementzentrale 140 und der Kundenstandort 150 miteinander "vernetzt".
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Im
Normalbetrieb kann ein Benutzer an einem Kundenstandort 150 mit
der Netzwerkmanagementzentrale 140 kommunizieren und eine
zu übertragende
Befehlsfolge zu einem vorgesehenen Zielsatelliten übertragen.
Diese Befehle sollen eine gewünschte
Aktivität
oder Antwort des entsprechenden Satelliten bewirken, nachdem die
Befehle zum Satelliten übertragen
worden sind. Eine derartige Aktivität könnten Anweisungen für Onboard-Kameras
sein, Daten von bestimmten Orten auf der Erde zu erfassen, Funksignale
bei bestimmten Frequenzen zu sammeln oder bestimmte Daten an die
Erde zurückzusenden,
die durch den Satelliten bereits gesammelt worden sind. Die Befehle
werden vom Kundenstandort 150 zur Netzwerkmanagementzentrale 140 übertragen
und darin gespeichert.
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Die
Netzwerkmanagementzentrale 140 wird alle Befehle von einer
beliebigen Anzahl von Kundenstandorten 150 speichern. Die
Netzwerkmanagementzentrale 140 hat Zugriff auf Umlauf-
und Ephemeris-Daten für
alle in Frage kommenden Satelliten und ist in der Lage, zu bestimmen,
welche Bodenstation 120 am besten geeignet ist, die Befehle
zu den Satelliten 110 zu übertragen. Alternativ kann
dem Benutzer diese Information zur Verfügung gestellt werden, und der
Benutzer kann gefragt werden, mit welcher Bodenstation er bevorzugt
kommunizieren möchte.
Obwohl mehr als eine ferngesteuerte Bodenstation 120 für eine bestimmte Sitzung
eine geeignete Sicht auf einen Satelliten haben kann, kann die erwartete
Empfangssignalstärke
an einer Bodenstation 120 höher sein als an einer anderen,
so dass eine Bodenstation für
eine geplante Kommunikationssitzung optimaler sein kann als eine
andere Bodenstation. Beispielsweise wird durch eine höhere Empfangssignalstärke eine
Kommunikationssitzung mit einer höheren Datenrate bei gleicher
Fehlerrate ermöglicht,
wodurch die Länge
der Kommunikationssitzung reduziert wird und mehr Kommunikationssitzungen pro
Zeiteinheit ermöglicht
werden.
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Die
Umlauf- und Ephemeris-Daten werden regelmäßig aktualisiert, um Änderungen
der voraussichtlichen Positionen der Satelliten zu berücksichtigen.
Diese Information ist von öffentlich
zugänglichen
Quellen erhältlich,
z.B. von der US-Regierung.
Satelliten in einer LEO-Umlaufbahn benötigen normalerweise etwa 90 Minuten
für einen
Erdumlauf, und während
dieser 90 Minuten sind die Satelliten nur für etwa 10–15 Minuten (von einem bestimmten
Ort auf der Erdoberfläche)
geeignet positioniert, um Daten zu übertragen oder zu empfangen.
Weil eine Antenne einer ferngesteuerten Bodenstation nur jeweils
mit einem Satelliten 110 kommunizieren kann, ist eine Planung
für die
effizienteste Nutzung der Übertragungszeit
kritisch. Die Netzwerkmanagementzentrale 140 ordnet außerdem alle
Anfragen und optimiert die Übertragungszeit
jedes Befehlssatzes und wählt
die optimale ferngesteuerte Bodenstation 120 aus, über die
der Befehlssatz übertragen
werden soll. Wenn die Befehle beinhalten, dass Daten zur Erde zurückgesendet
werden sollen, werden der Zeitpunkt, zu dem die Daten bereitgestellt
werden, und die Zeitdauer berücksichtigt,
die benötigt
wird, um die Daten abzurufen.
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Nachdem
das Scheduling berechnet worden ist, überträgt die Netzwerkmanagementzentrale 140 über das
Datenübertragungsnetzwerk 130 die
zum Managen oder Handhaben jeder Übertragung und jedes Empfangs
für jede
Kommunikationsanforderung erforderliche Information an die ferngesteuerte
Bodenstation 120. Diese Information wird verwendet, um
die Einrichtungen in der ferngesteuerten Bodenstation für die nächste Kommunikationssitzung
zu konfigurieren. Diese Information beinhaltet die Satellitenposition
am Himmel, den erwarteten Weg während
der Datenübertragung
bzw. des Datenempfangs, wobei die Antenne an der Bodenstation diesen
Weg verfolgen muss, das Kommunikationsformat und Protokolle, die
zum geeigneten Einrichten einer Kommunikationsstrecke mit dem Satelliten
erforderlich sind, z.B. eine erforderliche Verschlüsselung,
die Betriebsfrequenz, das Modulationsformat, die Bitrate, das Datenformat,
das Fehlerkorrekturschema, das Betriebsfenster, usw. Außerdem beinhaltet
diese Information beliebige andere für eine Kommunikation mit dem Satelliten
erforderliche Parameter, die für
einen bestimmten Satelliten spezifisch sein können, wie Fachleuten bekannt
ist. Die ferngesteuerte Bodenstation 120 nutzt diese Information
zum Steuern der Kommunikationseinrichtungen in der ferngesteuerten
Bodenstation 120, so dass der Benutzer die Kommunikati onssitzung vom
Benutzerstandort 150 aus effektiv steuern kann.
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Um
diese Fernsteuerung zu implementieren, verwendet die ferngesteuerte
Bodenstation einen mit dem Datenübertragungsnetzwerk
verbundenen Stationssteuerungscomputer, wobei der Stationssteuerungscomputer
Information von der Netzwerkmanagementzentrale 140 empfängt. Der
Stationssteuerungscomputer zergliedert dann die Information in Steuerungseinstellungen
für jede
Einrichtung in der ferngesteuerten Bodenstation, die konfiguriert
werden muss, um mit dem gewünschten
Satelliten geeignet zu kommunizieren. Der Stationssteuerungscomputer
ist mit jeder der Einrichtungen (z.B. über IEEE-RS-232-Steuerleitungen) in der ferngesteuerten
Bodenstation verbunden und setzt die Einstellungen jeder dieser
Einrichtungen gemäß Befehlen,
die in der von der Netzwerkmanagementzentrale zugeführten Information
enthalten sind.
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Nachstehend
werden unter Bezug auf 2 die Ereignisse diskutiert,
die an der ferngesteuerten Bodenstation unmittelbar vor und während eines
Durchgangs eines Satelliten über
einer Bodenstation stattfinden. In der Netzwerkmanagementzentrale 140 werden
eine Auto-Scheduler-Funktion 210, eine Kundenkommunikationsspezifikationsdatei 215,
eine Durchgangskonfigurationsfunktion 220, eine Umlaufbahnelementdatei 245,
eine Antennenausrichtungsdatei 250 und eine RGS-(ferngesteuerte
Bodenstation)Zeitplanaktualisierungsfunktion 211 bereitgestellt.
Die Auto-Scheduler-Funktion 210 steuert
die RGS-Zeitplanaktualisierung 211, die Durchgangskonfigurationsfunktion 220 und
erzeugt die Antennenausrichtungsdatei 250. Der Umlaufbahnelementdatei 245 werden
Daten von NORAD oder von einer Kundenquelle zugeführt, wobei
Ephemeris-Daten des entsprechenden Satelliten berücksichtigt
werden. Die gestrichelten Linien in 2 bezeichnen Steuerfunktionen.
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Von
der Netzwerkmanagementzentrale ausgegebene Daten sind Daten, die
von der Antennenausrichtungsdatei 250 und der RGS-Zeitplanaktualisierungsfunktion 211 in
automatische Durchgangsoperationen ausgegeben werden. Durch die
automatischen Durchgangsoperationen 290 werden Daten zu
einem optionalen Vorlaufkonfigurationstest 260 übertragen.
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Am
Kundenstandort 150 loggt sich der Kunde ein 235 und
richtet eine Kommunikation mit dem interaktiven Kundenmonitor- und
Befehlselement 280 in der ferngesteuerten Bodenstation 120 ein.
Das interaktive Kundenmonitor- und Steuerelement 280 richtet
dann die Uplink- und Downlink-Operationen 295 gemäß dem optionalen
Vorlaufkonfigurationstest 260 ein.
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Der
Auto-Scheduler 210 speichert die Zeitplaninformation und
ist Teil der Netzwerkmanagementzentrale 140. Zu einem beliebigen
Zeitpunkt vor einem erwarteten Durchgang eines Satelliten 110 überträgt der Automatscheduler 210 Befehle
an die ferngesteuerte Bodenstation 120, um mit der Vorbereitung
für eine
Kommunikation mit dem erwarteten Satelliten zu beginnen. Zum Konfigurieren
der ferngesteuerten Bodenstation 120 erforderliche Information
ist in der Kundenkommunikationsspezifikationsdatei 215 gespeichert.
Die in der Kundenkommunikationsspezifikationsdatei 215 gespeicherten
Daten werden zum Durchgangskonfigurationsmodul 220 übertragen.
Das Durchgangskonfigurationsmodul 220 verwendet die von
der Kundenkonfigurationsspezifikationsdatei 215 erhaltenen
Daten und überträgt die erforderlichen
Befehle an die Antennenausrichtungsdatei 250. Die Antennenausrichtungsdatei 250 empfängt Information
von der Umlaufbahnelementdatei 245, um die Antenne und
Funkfrequenzen für
eine Kommunikation mit dem bestimmten Satellit geeignet zu initialisieren
und zu konfigurieren, die dann Ephemeris-Daten bezüglich des
entspre chenden Satelliten von NORAD oder einer Kundenquelle 141 erhält.
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Nach
der Konfiguration übergibt
das System die Steuerung an das Vorlaufkonfigurationstestmodul 260,
das unmittelbar vor dem erwarteten Zeitpunkt, zu dem der Satellit
in den Kommunikationsbereich eintritt, eine Folge von Systemprüfungen ausführt. Nachdem
der Satellit 110 weit genug über den Horizont aufgestiegen
ist, wird eine Kommunikationsverbindung eingerichtet, und die Daten,
die durch den Benutzer am Kundenstandort 150 eingegeben
worden sind, werden an den Satelliten 110 übertragen.
Wenn die an den Satelliten 110 übertragenen Daten eine sofortige
Datensammlung erfordern, werden Daten über Downlink-Frequenzen zurückgesendet,
die beispielsweise im S- oder X-Band liegen können. Es sind auch andere Frequenzen
möglich,
wenn die ferngesteuerte Bodenstation relativ breitbandige Sender/Empfänger, Leistungsverstärker und Antennen
verwendet.
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Zur
gleichen Zeit, zu der der Auto-Scheduler 210 die Konfigurationen
aktiviert, fordert der Auto-Scheduler 210 auch den Kunden
auf, auf die ferngesteuerte Bodenstation zuzugreifen. Das Modul
kommuniziert über
das Datenübertragungsnetzwerk 130 mit
dem Kundenstandort 150 und informiert den Kundenstandort 150 über den
bevorstehenden Satellitendurchgang. Wenn der Kunde den Durchgang
in Echtzeit überwachen möchte, wird
dem Kunde dies über
die grafische Benutzerschnittstelle ermöglicht, wie nachstehend beschrieben
wird, andernfalls aktiviert eine Software am Kundenstandort 150 ein
Kunden-Login 235. Nachdem das Kunden-Login 235 aktiviert
ist, authentifiziert es den Kundenzugriff durch Prüfen zuvor
eingerichteter Verifizierungscodes, die durch das Kunden-Login-Modul 235 bereitgestellt
werden, woraufhin während
des Durchgangs gesammelte Daten zum Kunden zurückgesendet werden.
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Nachstehend
wird unter Bezug auf 3 das funktionelle Design der
ferngesteuerten Bodenstation 300 diskutiert. Der funktionelle
Kern der ferngesteuerten Bodenstation 300 ist der Server 305,
der typischerweise durch eine UNIX-, eine Windows-NT- oder eine ähnliche
Workstation implementiert wird. Die Workstation handhabt alle Berechnungen,
Hardwaresteuerungen und Sensor-Ein-/Ausgabesignale des Kunden, die zum
Betreiben der ferngesteuerten Bodenstation 300 erforderlich
sind.
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Der
Server 305 der ferngesteuerten Bodenstation ist durch eine
Kommunikation über
das öffentliche Fernsprechwählnetz (PSTN) 310 oder
durch eine Kommunikation über
ein Frame-Relay-Übertragungsnetzwerk 315 mit
anderen Komponenten des Systems verbunden. Wenn das öffentliche
Fernsprechwählnetz 310 mit
einer langsameren Rate arbeitet, wird das öffentliche Fernsprechwählnetz 310 verwendet,
um Meldungen mit niedriger Priorität und kleinere Meldungen zu übertragen,
und wird ferner für
Sicherungszwecke verwendet. Beispiele von über das PSTN 310 übertragenen
Meldungen sind Verwaltungsdateien, Durchgangsdaten und Daten, die
nicht in Echtzeit übertragen
werden müssen.
Das Frame-Relay-Übertragungsnetzwerk 315 wird
dagegen über
T1-Leitungen betrieben und ist dazu geeignet, wesentlich größere Datenpakete
in Echtzeit zu übertragen.
Diese Strecke ist für
solche Satellitenkommunikationssitzungen reserviert, in denen der
Benutzer eine Echtzeitsteuerung oder eine Echtzeittelemetrie angefordert
hat.
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Die
Gesamtsystemhandhabung wird durch den Systemmanager 320 gesteuert,
der eine Serversicherungssoftware, ein Frame-Relay- und PSTN-Management und eine
Low-Level-Systemsoftware aufweist.
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Die Überwachungs-
und Steuerungsfunktion 325 weist eine allgemeine Systemoverheaddiagnose
und eine RGS-(ferngesteu erten Bodenstation)Diagnose auf. Jede der
Diagnosen ist für
den Benutzer über
die grafische Benutzerschnittstelle und für Operateure an der Netzwerkmanagementzentrale
verfügbar.
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Das
Benutzer- und NMC-Datenzugriffsmodul 330 implementiert
die Wartung der grafischen Benutzerschnittstelle (GUI), die Steuerung
von Benutzer- und NMC-Zugriffsfunktionen, die S/C-Konfiguration,
die Aktualisierung von Satellitenumlaufbahndaten und die Wartung
der RGS-Datenbank.
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Dem
Scheduling-Modul 335 werden Umlaufbahninformation und der
Durchgangszeitplan von der NMC-Zentrale zugeführt, und das Scheduling-Modul 335 erzeugt
Antennennachsteuerungssequenzen, Stationskonfigurationspläne und Benutzerschnittstellenpläne für jeden
Durchgang, wobei alle Durchgangsereignisse durch das Scheduling-Modul
gesteuert und gemanagt werden. Die für das Scheduling-Modul 335 erforderliche
Information wird über
das öffentliche
Fernsprechwählnetz
(PSTN) 310 oder über
das Frame-Relay-Übertragungsnetzwerk 315 erhalten.
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Das
Telemetrie- und Befehlsmodul 340 handhabt die aktuelle
Echtzeitkommunikation mit dem Satelliten und alle anderen erforderlichen
Datenverarbeitungsoperationen, einschließlich der Uplink-Übertragung von
Befehlsdaten und der Downlink-Übertragung
von Telemetriedaten. Durchgangsdaten werden gemäß der durch den Benutzer konfigurierten
Durchgangskonfigurationsdatei gespeichert und weitergeleitet.
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Drei
Minuten vor jedem erwarteten Durchgang konfiguriert das Telemetrie-
und Befehlsmodul 340 alle erforderlichen Kommunikationseinrichtungen,
um die gewünschten
Satelliten- und die Durchgangsparameter anzupassen, woraufhin eine
Endprüfung
ausgeführt
wird, die Antenne auf die erforderliche Position geneigt wird und
die Datenerfassung beginnt. Es können
viele Echtzeitdaten unmittelbar zum Benutzer zurückgesendet werden, wenn der
Durchgang derart konfiguriert worden ist. Eine Kombination aus Telemetrie-
und untergeordneten Durchgangsdaten wird an der ferngesteuerten
Bodenstation 120 gespeichert, bis eine bestätigte Kopie
an den Kundenstandort 150 oder die Netzwerkmanagementzentrale 140 übertragen
worden ist.
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Der
Server 305 der ferngesteuerten Bodenstation weist eine
Serie von Hardware-I/O-Schnittstellenverbindungen 345 auf,
z.B. einen PCI-Bus, einen IEEE-Bus und einen RS232-Port. Diese Hardware-I/O-Schnittstellenverbindungen 345 ermöglichen
den Anschluss verschiedener externer Sensoren, Monitore, Empfänger und
Testeinrichtungen an den Server 305 der ferngesteuerten
Bodenstation.
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Eine
Gruppe derartiger Sensoren, die gemeinsam als IF/IR/Antennen/GPS/Sonden 350 bezeichnet werden,
erfassen verschiedenartige lokale Daten, z.B. alle Formen meteorologischer
Daten, interne Hardwarebetriebsparameter, Funkfrequenzdiagnoseergebnisse,
Leistungsverstärkerdaten,
usw.
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Eine
zweite Funktionsgruppe betrifft die Frame-Relay-Kommunikationsanforderungen. Der Level-0/CCSDS-Prozessor 355 handhabt
die Low-Level-Paketverarbeitung für die Überwachungs- und Steuerungsfunktion 325.
Diese Funktionen sind beispielsweise eine Rahmensynchronisierung
und eine Level-0-Verarbeitung,
durch die der Datenstrom in verschiedenartige zu übertragende
Daten geteilt wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hinsichtlich der Kommunikation mit Satelliten
in einer Erdumlaufbahn beschrieben worden ist, kann sie auch auf
die Kommunikation mit Raumschiffen, Raketen, Monden, Planeten, Asteroiden,
Satelliten in geostationären
Umlaufbahnen, Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen und anderen
natürlichen
und durch den Menschen gemachten Objekten angewendet werden, die
derart konfiguriert werden können,
dass sie erfindungsgemäß kommunizieren
können.
Daher sollten alle Verweise auf Satelliten oder Sa tellitten in einer
Erdumlaufbahn derart verstanden werden, dass sie die vorstehend
aufgelisteten Objekte beinhalten.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es kleineren Unternehmen, ihre eigenen Satelliten zu besitzen und
zu "betreiben", so dass sie von
den Einschränkungen
des Time Sharing eines Satelliten befreit werden, der nicht spezifisch
für ihre
Erfordernisse konstruiert ist. Beispielsweise können Universitäten nunmehr
aufgrund der verminderten Herstellungskosten für Satelliten eigene Satelliten
besitzen, indem das Erfordernis für eine Bodenstation von den
Gesamtkosten eliminiert wird.
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Außerdem werden
kostengünstigere
Satelliten normalerweise in LEO-Umlaufbahnen platziert, für die eine
große
Anzahl von Bodenstationen auf der gesamten Erde errichtet werden
muss, um eine kontinuierliche Kommunikation mit dem LEO-Satellit zu ermöglichen.
Daher sind gegenwärtig
nur Satellitensysteme und entsprechende Bodenstationssysteme möglich. Durch
die vorliegende Erfindung wird ermöglicht, dass für Satellitensysteme
kein entsprechendes System von Bodenstationen errichtet werden muss,
die auf der gesamten Erde verteilt sind, wofür Eigentum in mehreren fremden
Ländern
erworben/gepachtet werden muss, was ein zeitaufwendiger Vorgang
sein kann. Ein System erfindungsgemäß vernetzter und gesteuerter
Bodenstationen kann für
viele Satelliten, möglicherweise
für hunderte
von Satelliten, gemeinsam verwendet werden.
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Exemplarische Ausführungsform
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4 zeigt
eine exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das in 4 dargestellte
System besteht aus einem Satz ferngesteuerter Bodenstationen (RGS),
die an strategischen Standorten auf der Erdoberfläche platziert
sind. Alle ferngesteuerte Bodenstationen sind über Standard-Weitbereich-Netzwerkverbindungen
mit einem Überwachungscontroller
in einer Netzwerkmanagementzentrale (NMC) verbunden. Kunden verwenden
einen allgemeinen Netscape- oder Internet-Explorer-Browser, der
auf einem Personalcomputer (PC) läuft, für eine Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System,
so dass sie von einem beliebigen Standort auf der Erde mit ihren
Satelliten kommunizieren können.
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4 zeigt
eine Version einer Bodenstation, die nur eine Empfangsfunktion aufweist.
Eine Satellitenantenne 414 empfängt ein HF-Signal von einem
Satelliten in einer Erdumlaufbahn und überträgt das HF-Signal zu einem Empfänger 401.
Ein Niedrigleistungsverstärker
(nicht dargestellt) verstärkt
das Niedrigpegel-(Low-Level)HF-Signal auf Pegel, die ausreichend
sind, um den Empfänger 401 zu
erreichen. Die Parameter des Empfängers 401 werden durch
einen Hauptcomputer 406 (der ein Server sein könnte, wie
beispielsweise ein Server des Typs NT-Pro) über IEEE-RS-232-Leitungen gesteuert.
Der Hauptcomputer steuert außerdem
die Ausrichtung der Antenne 401. Ein Demodulator, ein Bitsynchronisator
und ein Rahmensynchronisator sind schematisch als Element 402 dargestellt
und werden ebenfalls durch den Hauptcomputer 406 gesteuert.
Das Ausgangssignal des Demodulators 402 wird einem CCSDS-Datenprozessor
und Datenspeicher 403 zugeführt (der ebenfalls durch den
Hauptcomputer 406 gesteuert wird). Der Datenprozessor gibt
Daten über
eine 10B-T-Ethernetleitung 412 an einen Router 407 aus.
Wenn die Daten für
den Benutzer in Echtzeit vorgesehen sind, werden die Daten über eine
Frame-Relay-T1-Leitung 408 an den Benutzer übertragen. Wenn
die Daten zu irgendeinem späteren
Zeitpunkt an den Benutzer weitergeleitet werden sollen, können die Daten über ein
Modem 411 und das POTS-Netz unter Verwendung eines PPP-Formats
langsam zur Netzwerkmanagementzentrale downgeloaded werden. Die
Zeit wird durch eine GPS-Zeit 409 bereitgestellt. Reser veleistung
wird durch eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (UPS) 410 bereitgestellt.
Ein Schalter zum Umschalten zwischen einer Hochfrequenz und einer
anderen Hochfrequenz ist ein zwischen Einrichtungen geschalteter
Cross-Point-Schalter.
Der Schalter 404 ermöglicht
es, dass Signalverarbeitungseinrichtungen in verschiedenen Anordnungen
oder Kombinationen verbindbar sind, um verschiedenartige Kommunikationsanforderungen
zu unterstützen,
beispielsweise um eine von zwei möglichen Antennen oder einen
von vier verschiedenen Empfängern
in eine Signalverarbeitungskonfiguration einzubinden. Das Element 405 stellt
eine Umgebungs- und Sicherheitsdiagnose bereit, deren Ergebnisse
an den Hauptcomputer 406 übermittelt werden und daher
der Netzwerkmanagementzentrale und dem Benutzer zur Verfügung stehen.
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5 zeigt
eine ferngesteuerte Bodenstation mit einer Sende- und einer Empfangsfähigkeit.
In diesem Fall werden sowohl ein linkszirkular polarisierter Empfänger 501 als
auch ein rechtszirkular polarisierter Empfänger 502 bereitgestellt,
die durch einen Diversity-Kombinierer 505 kombiniert sind,
wobei jede der Komponenten 501, 502 und 503 durch
den Hauptcomputer 512 gesteuert wird. Der Empfangsdatenweg
entspricht dem in 4 dargestellten Empfangsdatenweg.
In der vorliegenden Ausführungsform
stehen jedoch zwei Frequenzbänder
zur Verfügung,
eines für
das X-Band und eines für
das S-Band. Das S-Band wird durch die beiden Empfänger 501 und 502 verwendet.
Das X-Band wird durch den Empfänger 526 verwendet,
der über
einen Antennencomputer 525 mit der Antenne verbunden ist.
In dieser exemplarischen Ausführungsform
ist die Antenne 524 eine 5-Meter-Parabolantenne mit einer
S-Band- und einer X-Band-Sende-/Empfangsfähigkeit. Für das S-Band weist die Antenne
einen G/T-Wert von 14 dB/K und für
das X-Band einen G/T-Wert von 30 dB/K auf. Das Ausgangs signal des
Antennencomputers 525 wird dem Mastercomputer 512 zugeführt.
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An
der Sendeseite ist ein Fernsteuerungsmodul 509 mit einem
Unterträgermodulator 508 verbunden, der
mit einem Exciter 505 verbunden ist. Der Ausgang des Exciters
ist mit einem Hochleistungsverstärker 504 (z.B.
50 Watt) verbunden, der mit der Antenne 524 verbunden ist.
An der Bodenstation 120 werden Daten über die Frame-Relay-T1-Leitung 515 oder
das POTS-Modem 518 oder 519 empfangen. Daten von
der Frame-Relay-T1-Leitung
werden über
eine 10B-T-Ethernetverbindung dem Hauptcomputer 512 und/oder
dem Datenprozessor 507 zugeführt.
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Es
wird ein Sicherungscomputer 513 zum Bereitstellen einer
vollständigen
Redundanz für
die Gesamtsteuerung bereitgestellt. Ein Schalter 521 erfasst
eine Störung
im Hauptcomputer 512 und schaltet an dessen Stelle den
Sicherungscomputer 513.
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6 zeigt
eine dritte exemplarische Ausführungsform
einer ferngesteuerten Bodenstation. Der einzige Unterschied zwischen
der in 5 dargestellten Ausführungsform und der in 6 dargestellten
Ausführungsform
ist die Verwendung zweier Parabolantennen 601 und 602,
die durch eine Verbindung 626 miteinander verbunden sind.
Die Antenne 601 ist eine 5-Meter-Parabolantenne mit einem
G/T-Wert von 17 dB/K sowohl im S- als auch im X-Band. Die Antenne 626 ist
eine automatisch nachsteuerbare 3-Meter-Antenne mit einem G/T-Wert
von 12 dB/K, die nur im S-Band arbeitet.
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Die
ferngesteuerten Bodenstationen empfangen Überwachungsbefehle von der
Netzwerkmanagementzentrale, die Kommunikationen mit Satelliten steuern
und allgemeine RGS-Verwaltungsaufgaben
ausführen.
Die Einrichtungen an einer ferngesteuerten Bodenstation werden durch
den lokalen RGS-Steuerungscomputer
vor einem Satellitendurchgang konfigu riert, um die angeforderte
Satellitenkommunikation zu unterstützen.
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Jede
der Bodenstationen weist Einrichtungen zum Unterstützen von
Kommunikationen mit verschiedenartigen Satelliten auf. Um einen
spezifischen Satellitendurchgang zu unterstützen, werden die HF-Empfänger, die
Bitsynchronisatoren, die Telemetriedatenprozessoren, die Signalgeneratoren,
die HF-Antenne und andere Einrichtungen vor dem Satellitendurchgang
konfiguriert, um die durch den Benutzer angeforderten Kommunikationen
zu ermöglichen.
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Das
erfindungsgemäße System
ist so konstruiert, dass Kommunikationen mit einer großen Anzahl
von Satelliten in verschiedenen Erdumlaufbahnen, z.B. in LEO- und
GEO-Umlaufbahnen,
ermöglicht
werden. Satelliten in einer LEO-Umlaufbahn
umlaufen die Erde typischerweise einmal pro 100 Minuten. Die meisten LEO-Satelliten
haben polare Umlaufbahnen, um zu ermöglichen, dass sie regelmäßig eine
Sicht auf die gesamte Erdoberfläche
haben.
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Für einen
LEO-Satellit, der die Pole der Erde passiert, ist etwa viermal pro
Tag ein Kommunikationszugriff von einer in der Nähe eines der Pole angeordneten
Bodenstation möglich.
Bodenstationen in niedrigeren Breitengraden (die weiter von den
Polen entfernt sind) haben einen häufigen Zugriff auf polare LEO-Satelliten. Äquatoriale
Stationen haben nur viermal pro Tag Sichtkontakt zu einem polaren
LEO-Satelliten,
wobei jeder Sichtkontakt mit der Bodenstation typischerwiese etwa
10 Minuten dauert.
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Ein
Aspekt des erfindungsgemäßen Systems
ist, dass Benutzer ihre Satellitenkommunikationen über die
ferngesteuerten Bodenstationen planen können.
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Grafische
Benutzerschnittstelle
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Die
grafische Benutzerschnittstelle der vorliegenden Anmeldung beinhaltet
einen auf einem Computer, z.B. einem Personalcomputer oder einer
Workstation, lauffähigen
Webbrowser. Der Webbrowser greift auf eine bestimmte Webseite auf
einem mit dem Internet verbundenen Server zu. Beispielsweise gibt
der Benutzer die Adresse "http:/nmc1.spacelines.com" in die Adressenzeile
des Browsers ein. Der Server ist typischerweise an der Netzwerkmanagementzentrale
angeordnet.
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Die
erste Seite, die für
den Benutzer dargestellt wird, ist die Login-Seite (8).
Durch Anklicken des Feldes 801 "Login to the Space Network System" öffnet die Anwendung die in 9 dargestellte
Dialogbox, die Felder für
die Eingabe eines Benutzernamens 901 und eines Passwortes 902 darstellt.
Nach Eingabe des Benutzernamens und des Passwortes klickt der Benutzer
das Feld 903 "Akzeptieren" an.
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Nach
erfolgreichem Login öffnet
sich eine in 10 dargestellte "Willkommen"-Seite. An diesem Punkt
stehen fünf
Auswahlmöglichkeiten
zu Verfügung: "Stelle Space-Network-Systemstatus dar" 1001, "Ansicht und Aktualisieren
Ihrer Zeitpläne" 1002, "Zeige Durchgangsverarbeitung
für Ihren
Satelliten an" 1003, "Rufe archivierte
Daten ab" 1004 und "Stelle Satellitenumlaufbahn
dar" 1005,
wobei diese Menüpunkte
jeweils durch Anklicken des entsprechenden Feldes ausgewählt werden
können,
weil sie Hot-Links sind.
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Durch
Auswahl des Menüpunktes 1001 "Stelle Space-Network-Systemstatus
dar" öffnet sich
das in 11a dargestellte Bildschirmfenster.
Die in 11a dargestellte Webseite stellt
die prozentuale Auslastung jeder Ressource im System (1103–1107)
dar, aktuelle Logins 1101, die Übertragungsraten (mittlere
und aktuelle) und den Prozentanteil der genutzten Kapazität 1102.
Eine alternative Realisierung hiervon ist in 11b dargestellt. 11b zeigt ein Systemübersichtbildschirmfenster.
In der exemplarischen Realisierung von 11b zeigt
das Bildschirmfenster drei ferngesteuerte Bodenstationen 1105, 1106 und 1107 (eine
in Alaska, eine in Hawaii und eine in Pennsylvania). In diesem Fall
existieren zwei miteinander vernetzte Netzwerkmanagementzentralen 1103 und 1104.
Das Bildschirmfenster zeigt die Datenrate (mittlere und aktuelle)
für jede verwendete
Verbindung, die aktuellen Logins 1101 und den Prozentanteil
der genutzten Kapazität 1102 (CPU, Parabolantenne,
Netzwerk) für
jede der drei Bodenstationen.
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Durch
Auswahl des Menüpunkts 1002 "Ansicht und Aktualisieren
Ihrer Zeitpläne" öffnet sich das in 12 dargestellte
Bildschirmfenster. Der Benutzer kann die Startzeit 1201 (Monat-Tag-Jahr-Stunde-Minute-Sekunde),
die Stoppzeit 1202 (im gleichen Format wie die Startzeit)
und die ferngesteuerte Bodenstation 1203 spezifizieren.
Durch Anklicken des Feldes 1204 "Diesen Zeitplan abrufen" kann der Benutzer
einen eigenen Zeitplan (Zeitpläne)
abrufen und aktualisieren (vergl. z.B. 19).
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Durch
Auswahl des Menüpunkts 1003 "Zeige Durchgangsverarbeitung
für Ihren
Satelliten an" öffnet sich
das in 13 dargestellte Bildschirmfenster,
der die Kommunikationsdurchgänge
für den
Satelliten, die Bodenstation(en) und die Zeitdauer von Interesse
darstellt. Jede der horizontalen Balken 1301–1303 in
der unteren rechten Ecke des Displays stellt die Zeitlinie für eine der
Bodenstationen dar. Die kleinen vertikalen Balken 1304 innerhalb
jedes horizontalen Balkens zeigen einen Durchgang des Satelliten über der
Bodenstation an. Diese haben vorzugsweise eine andere Farbe als
die horizontalen Balken, z.B. Grün
auf Grau. Durch Anklicken des einen Durchgang darstellenden vertikalen
Balkens kann mehr Information über
einen Durchgang dargestellt werden.
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Durch
Anklicken des Menüpunktes "Neuer Duchgang" wird durch einen
spezifischen vertikalen Durchgangsbalken dieser Durchgang für den Benutzer
gekennzeichnet (z.B. wird ein weiterer vertikaler Balken 1305 auf
einem anderen vertikalen Balken angeordnet). Durch Anklicken des
Feldes 1307 "Zeitplan
aktualisieren" wird
dem System bestätigt,
dass die für
den Benutzer gekennzeichneten Durchgänge für den Benutzer reserviert werden
sollen.
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In
der Satellitendurchganganforderungsseite (11c)
kann der Benutzer die Mission 1131, den Satelliten 1132,
die Uplink-Größe 1133,
die Downlink-Größe 1134,
die Priorität
der Sitzung 1135 und den Preis der Sitzung 1166 spezifizieren.
Nachdem diese Felder ausgewählt
wurden, klickt der Benutzer auf eine "Senden"-Taste 1137, wodurch dann die
aktuell verfügbaren
Durchgangzeitfenster in der unteren Bildschirmhälfte dargestellt werden. Es
werden die Bodenstation, über
die ein Sichtkontakt und eine Kommunikation möglich ist, die Zeitdauer und
die Anfangszeit der möglichen
Kommunikation für
jeden ausgewählten
Satelliten angezeigt.
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Durch
Auswählen
des Menüpunktes 1004 "Rufe archivierte
Daten ab" öffnet sich
das in 14 dargestellte Bildschirmfenster.
Die Datenarchivseiten ermöglichen
einen Zugriff auf Systemdaten, die während früherer Kommunikationen mit dem
Satelliten des Benutzers archiviert wurden. Eine Liste 1401 zeigt
dem Benutzer alle verfügbaren
archivierten Dateien an. Durch Auswählen einer Datei und Anklicken
eines Menüpunktes 1402 "Akzeptieren; Rufe
archivierte Daten ab" öffnet sich
das in 15 dargestellte Bildschirmfenster.
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15 zeigt ein Beispiel einer Liste von
Dateien im Benutzer-Archivverzeichnis der Netzwerkmanagementzentrale.
Durch Anklicken eines Menüpunktes 1501 in
der Liste wird diese Datei vom Verzeichnis der Netzwerkmanagementzentrale
abgerufen und werden die Dateiinhalte im Browser-Fenster 1502 des
Benutzers dargestellt.
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Durch
Auswahl des Menüpunktes 1005 "Stelle Satellitenumlaufbahn
dar" öffnet sich
das in 16 dargestellte Bildschirmfenster,
durch das Echzeitinformation über
die Position eines Satelliten auf seiner Umlaufbahn dargestellt
wird. Die aktuelle Position wird beispielsweise durch eine Breite 1601,
eine Länge 1602 und eine
Höhe 1603 dargestellt.
Ein Graph der Umlaufbahn wird einem flachen Bild der Erde 1604 überlagert.
Der Satellitenname und die Ortszeit und die GMT-Zeit werden in einem
Kasten 1605 angezeigt.
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17 zeigt ein durch an den ferngesteuerten
Bodenstationen angeordnete ferngesteuerte Kameras bereitgestelltes
Video-Bildschirmfenster zum Darstellen von Umgebungsbedingungen
und der Antennenbewegung am Standort der ferngesteuerten Bodenstation.
Der Standort von Interesse wird aus einem Drop-down-Menü 1702 unter
dem Video-Bildschirmfenster 1701 ausgewählt.
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Die 18a–b
zeigen ein Bildschirmfenster für
eine Echtzeitsignalüberwachung.
Während
einer durch einen Benutzer reservierten Kommunikationssitzung für einen
Durchgang eines Satelliten über
einer Bodenstation werden die Einrichtungen an der Bodenstation
vor dem Durchgang des Satelliten automatisch eingestellt, um die
Satellitenkommunikationen zu handhaben. Durch das System wird eine
Fernüberwachung
dieser Einrichtungen über
die Browser-Schnittstelle bereitgestellt. 18a zeigt
ein Beispiel eines Bitsynchronisators. 18b zeigt
ein Beispiel eines Signalprozessors.
-
TCP/IP-Fernsteuerung einer
Bodenstation
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fernsteuerung von Bodenstationen
bereitgestellt. Diese bein haltet die Fähigkeit zum Steuern, Konfigurieren
und Empfangen von Statusinformation von allen Bodenstationseinrichtungen über das
Datennetzwerk. Das Datennetzwerk kann ein lokales Netzwerk (LAN),
ein Weitbereichsnetz (WAN) oder ein offenes Internet sein. Um eine
derartige Fernsteuerung zu ermöglichen,
wird durch die vorliegende Erfindung eine Einzelpunktzugriffs-,
Einrichtungsfernsteuerungs-, Status- und Einrichtungs-Scheduling-Schnittstelle
zu allen Bodenstationseinrichtungen bereitgestellt. Außerdem kann auf
jede Einrichtung über
ein TCP/IP-Netzwerk zugegriffen werden. Um die gewünschte Fernsteuerungsfähigkleit
zu erhalten, wird gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein objektorientiertes Design
verwendet.
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Bei
Verwendung eines objektorientierten Designs wird jeder Teil des
kommerziellen Bodennetzwerks (Commercial Ground Network; CGN) als
ein Objekt behandelt (vergl. 7a–b). Jedes
CGN-Objekt ist für
die Steuerung und das Management der Objekte der NMC-(Netzwerkmanagementzentrale)Objekte
verantwortlich. Auf der nächst
tieferen Ebene ist ein NMC-Objekt für die Steuerung und das Management
der RGS-Objekte
verantwortlich. Auf der untersten Ebene ist ein RGS-Objekt für die Steuerung
und das Management aller Einrichtungsobjekte verantwortlich (vergl. 6).
Durch ein Einrichtungsobjekt wird die Steuerungs- und Managementschnittstelle
zu einem spezifischen Abschnitt einer Einrichtung bereitgestellt.
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Ein
Einzelpunktzugriff bezeichnet die Fähigkeit des Zugriffs auf alle
RGS-Einrichtungen über
eine einzelne Schnittstelle. Die Steuerung und das Management aller
Aspekte einer RGS-Station erfordert eine Abbildung aller Bodenstationseinrichtungen
auf einen einzelnen Zugriffs- oder Zugangspunkt. Die RGS-Einrichtungen
sind physikalisch mit ei nem einzigen Computer verbunden, der einen
physikalischen Einzelpunktzugriff bereitstellt (vergl. 4–6).
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Die
logische Schnittstelle wird unter Verwendung eines als RGS-Objekt
bezeichneten Steuerungs- und Managementobjekts implementiert. Das
RGS-Objekt speichert eine Einrichtungstabelle, in der jede Eintragung
einen Namen, eine numerierte Einrichtungtypidentifizierung, eine
Einheitnummer, einen Einrichtungszustand (d.h. verfügbar, zugewiesen,
usw.), und einen Zeiger zu einem Einrichtungsobjekt enthält. Ein
Einrichtungsobjekt ist ein Steuerungs- und Managementobjekt, durch
das ein Befehlssatz bereitgestellt wird und das alle spezifischen
Kommunikationsprotokolle handhabt, die für eine Kommunikation mit dem
physikalischen Abschnitt der Einrichtung erforderlich sind. Ein
Einrichtungsobjekt könnte
als logischer Abschnitt der Einrichtung betrachtet werden. Für jeden
in der RGS-Konfigurationsdatei definierten Abschnitt der Einrichtung
wird ein Einrichtungsobjekt erzeugt. Die nachstehende Tabelle zeigt
ein Beispiel einer RGS-Konfigurationsdatei.
-
-
Die
RGS-Konfigurationsdatei ist eine Tabelle, die eine Korrelation zwischen
der physikalischen und der logischen Einrichtung definiert. Sie
enthält
Eintragungen im folgenden Format, die einen Namen, einen Einheitnummerkommunikationsport
(z.B. RS-232-Port, Socket, usw.) und Kommunikationsparameter definiert. Der
Name und die Einheitnummer definieren eine eindeutige Identifizierung
für den
Abschnitt der Einrichtung.
-
Das
RGS-Objekt definiert mehrere High-Level-Funktionen. Diese Funktionen
sind "Zuweisen", "Konfigurieren", "Start", "Stopp", "Datenübertragung", "Freigabe", "Status abrufen" und "Ausführen". Jede Funktion wird
in eine Einrichtungsobjektfunktion übersetzt, die die spezifische
Einrichtungsoperation ausführt.
Die "Zuweisen"-Funktion verwendet
eine eindeutige Durchgangsidentifizierung zum Zuweisen des Abschnitts
der Einrichtung zu einem Satellitendurchgang. Die "Konfigurieren"-Funktion verwendet
eine Satellitenidentifizierung zum Bestimmen der erforderlichen
Konfigurationsparameter für
die spezifische Einrichtungsoperation. Die "Freigabe"-Funktion entfernt die Durchgangsidentifizierung
von der Einrichtungstabelle und kennzeichnet den Einrichtungszustand
als verfügbar.
Die "Status abrufen"-Funktion setzt den
Status für
alle für
eine spezifizierte Durchgangsidentifizierung zugewiesenen Einrichtungen
zurück.
-
Einrichtungsobjekte
haben eine ähnliche
Einzelpunktschnittstelle wie das RGS-Objekt. Alle Funktionen eines
Einrichtungsobjekts haben nummerierte Funktionsidentifizierungen.
Diese Identifizierungen werden durch die Einrichtungsobjektfunktion "Ausführen" verwendet. Diese
Funktion (Ausführen) übersetzt
die Funktionsidentifizierungen in tatsächliche einrichtungsspezifische
Funktionsaufrufe.
-
Die
RGS-Objektfunktion "Ausführen" verwendet eine Einrichtungsidentifizierung,
eine Einheitnummer und eine Funktionsidentifizierung für einen
Zugriff auf eine spezifische Einrichtungsobjektfunktion. Unter Verwendung
der RGS-Objektfunktion "Ausführen" können grafische
Benutzerschnittstellen (GUIs) für
jeden spezifischen Einrichtungstyp erzeugt werden. Die GUI-Schnittstelle
ermöglicht
die Modifizierung von Einrichtungsparametern in Echtzeit. 18b zeigt ein Beispiel einer GUI-Schnittstelle
für eine
der Einrichtungen in der ferngesteuerten Bodenstation, die in die ser
Ausführungsform
ein Signalprozessor ist. Eine GUI-Schnittstelle wird für jede der Einrichtungen in
der ferngesteuerten Bodenstation bereitgestellt, so dass der Benutzer
die Bodenstation für
eine Kommunikation mit seinem Satelliten konfigurieren kann.
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Alternativ
kann der Benutzer Information bezüglich seinen Kommunikationsanforderungen
in ein Frageformular eingeben, wie in 20 dargestellt
ist. Die grafische Benutzerschnittstelle überträgt dann diese Information an
die Netzwerkmanagementzentrale, die die geeigneten Einstellungen
basierend auf der in den Antworten des Frageformulars enthaltenen
Information bestimmt. 21 zeigt eine exemplarische
Liste von in der ferngesteuerten Bodenstation angeordneten Einrichtungen,
die als Ergebnis der vorliegenden Erfindung ferngesteuert werden
können.
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Der
RGS-Einrichtungsstatus wird unter Verwendung der RGS-Objektfunktion "Status abrufen" erhalten. Diese
Funktion "Status
abrufen" ermöglicht einen
durch eine Durchgangsidentifizierung eingeschränkten Zugriff auf den Einrichtungsstatus.
Die Schnittstelle sendet einen Array von Strukturen zurück, die
den Einrichtungsstatus und einen RGS-Gesamtstatus spezifizieren.
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Die
Einrichtungs-Scheduling-Schnittstelle ist eine Aufgaben-Scheduler-Identifizierung,
die der Steuerung und dem Management der RGS-Einrichtungen zugeordnet
ist. Der Aufgaben-Scheduler führt
einen von der NMC empfangenen Durchgangsablauf aus. Die Durchgangsablaufdatei
enthält
mehrere einfache Befehle für
eine Zuweisung, Konfiguration, usw. der Bodenstationseinrichtungen.
Diese Befehle werden direkt in die RGS-Objekt-High-Level-Funktionen "Zuweisen", "Konfigurieren", "Start", "Stopp" und "Freigeben" übersetzt. Nachdem eine Ablaufdatei
empfangen worden ist, kann eine RGS-Station einen Ablauf für einen
erwarteten Satellitendurchgang ohne NMC-Intervention ausführen.
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Das
RGS-Serverprogramm erzeugt den Aufgaben-Scheduler und RGS-Objekte.
Das Serverprogramm stellt einen Fernzugriff über ein TCP/IP-Netzwerk bereit.
Die NMC-Zentrale kommuniziert mit dem Serverprogramm unter Verwendung
von Meldungen. Es wird ein TCP/IP-Socket zum Handhaben jedes eindeutigen
Meldungstyps erzeugt. Jede Meldung enthält eine eindeutige Typidentifizierung.
Diese Identifizierung ermöglicht
es, die Meldung zu einem geeigneten Abschnitt des Serverprogramms
für eine
Verarbeitung weiterzuleiten. Die Meldungstypen sind direkt den folgenden
Objekten zugeordnet; der Einrichtungs-Scheduling-Schnittstelle, der Einrichtungsfernsteuerung
und dem Einrichtungsstatus.
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Die
vorstehende Beschreibung zeigt nur die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Für
Fachleute ist ersichtlich, dass innerhalb des Schutzumfangs der
vorliegenden Erfindung verschiedenartige Modifikationen vorgenommen
werden können.
Daher sollen die dargestellten Ausführungsformen lediglich als
erläuternd
und nicht im einschränkenden
Sinne verstanden werden.
