DE9218851U1 - Satellitenbasiertes zellulares Telekommunikationssystem für mittlere Erdumlaufbahnen - Google Patents

Satellitenbasiertes zellulares Telekommunikationssystem für mittlere Erdumlaufbahnen

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DE9218851U1
DE9218851U1 DE9218851U DE9218851U DE9218851U1 DE 9218851 U1 DE9218851 U1 DE 9218851U1 DE 9218851 U DE9218851 U DE 9218851U DE 9218851 U DE9218851 U DE 9218851U DE 9218851 U1 DE9218851 U1 DE 9218851U1
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Description

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SATELLTTENBASISRTES ZET1I1ULARES TELEKOMMUNIKATIONSSYSTEM FUTR MITTLERE ERDUMLAUFBAHNEN HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf zellulare Telekommunikationssysteme und besonders auf satellitenbasierte zellulare Telekommunikationssysteme.
Die Verwendung.mobiler zellularer Telefone hat sich in den vielen Großstädten, in denen zellulare Telekommunikationssysteme installiert wurden, stark vermehrt. Zellulare Telekommunikationssysteme stellen sowohl Sprachkommunikation zwischen einem Benutzer eines mobilen Telefons und Benutzern fester Telefone oder anderen Benutzern mobiler Telefone als auch Datenkommunikation für mobile Faxgeräte und mit einem Modem ausgestattete Computer bereit. Ein typisches zellulares Telekommünikationssystem enthält ein Gitter von Versorgungsbereichen oder Zellen, wobei jede Zelle eine Basisstation besitzt, die sich nahe ihres Zentrums befindet. Ein in einer bestimmten Zelle befindlicher Benutzer eines mobilen Telefons wird durch die Übertragung von Radiofrequenz (rf) mit niedriger Leistung mit der Basisstation der Zelle verbunden. Jede Basisstation ist über Telefonleitungen mit einer Gatewaystation verbunden, die über Telefonleitungen mit einem Nah- und Fern-Telefonnetz verbunden ist.
Die heute verwendeten zellularen Telekommunikationssysteme sind im allgemeinen landgestützte Systeme, die in Großstädten installiert wurden. Kleine Städte und ländliche 0 Bereiche können die Installation und den Betrieb eines dieser verhältnismäßig teuren Systeme wirtschaftlich nicht rechtfertigen. Um für diese Gebiete eine zellulare Telefonversorgung bereitzustellen, wurden satellitenbasierte zellulare Telekommunikationssysteme vorgeschlagen, die eine 5 weltweite zellularen Telefonversorgung bieten wurden. Diese vorgeschlagenen zellularen Telefonsysteme enthalten typischerweise eine große Konstellation aus Telekommunikations-
Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn mit einer Höhe von annähernd 400 und 1.000 nautischen Meilen, die sich gerade unterhalb des Van Allen Strahlungsgürtels befindet. In diesen geringen Höhen sind etwa 5 0 bis 8 0 Satelliten erforderlich, um eine hinreichende Abdeckung der gesamten Erde bereitzustellen. Dies führt zu einem extrem teuren und komplexen System mit einer großen Anzahl von sich rasch ändernden Kreuzverbindungen und einer großen Anzahl von Übergaben von Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit. Folglich bestand der Bedarf für ein weniger teures und komplexes satellitenbasiertes zellulares Telekommunikationssystem. Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf eindeutig.
ZUSAMMENFASSUNG DKR ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung besteht in einem satellitenbasierten zellularen Telekommunikationssystem/ das eine Konstellation aus Telekommunikationssatelliten in einer 0 Erdumlaufbahn in mittlerer Höhe verwendet, um mit einer minimalen Anzahl von Satelliten mehrstrahlige Radiofrequenz- (rf)-Kommunikationsverbindungen für eine weltweite zellulare Telefonversorgung bereitzustellen. Die Telekommunikationssatelliten werden in einer Vielzahl von geneigten Umlaufbahnen um die Erde in einer Höhe von zwischen annähernd 5.600 und 10.000 nautischen Meilen angeordnet. Die Eigenschaften der Umlaufbahnen wie die Anzahl der Umlaufbahnen, die Neigung jeder Umlaufbahn, die Anzahl von Satelliten in jeder Umlaufbahn und die Höhe der Satelliten 0 sind so angepaßt/ daß der von den Satelliten abgedeckte Bereich und deren zugehörige Sichtlinien-Elevationswinkel maximiert werden, während die Zeitverzögerungen bei der Ausbreitung, die Anzahl der Übergaben von Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit und die Gesamtanzahl der Satelliten minimiert werden.
Die vorliegende Erfindung enthält auch einige zusätzliche Eigenschaften, die im wesentlichen die Übergaben von
Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit beseitigen und somit die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen stark verringern. Eine dieser wichtigen Eigenschaften ist eine Zuordnung jedes Satelliten zu einer Reihe von festen Versorgungsbereichen (statt eines sich fortlaufend verändernden abgedeckten Bereichs) während des Umlaufs jedes Satelliten. Die Ausleuchtzone der Satellitenantennen bleibt während der gesamten Zeit, in welcher der Versorgungsbereich für den Satelliten sichtbar ist, auf einen gegebenen zugeordneten Versorgungsbereich zentriert. Dies führt zu einem im wesentlichen festen Strahlmuster und beseitigt somit praktisch die Übergaben von Strahl zu Strahl. Eine weitere dieser wichtigen Eigenschaften ist eine Vorkehrung zur Überlappung der Abdeckung jedes Versorgungsbereichs durch zwei aufeinanderfolgende Satelliten während des Übergangs der Versorgung von einem Satelliten auf einen anderen. Alle Anrufe, die während des ÜberläppungsintervalIs getätigt werden, werden dem ankommenden Satelliten zugewiesen. Deshalb erfahren nur Anrufe, die vor dem Überlappungsintervall getätigt wurden und sich über das Überlappungsintervall hinaus erstrecken, eine Übergabe von Satellit zu Satellit, wenn der sich entfernende Satellit auf seinen neuen Versorgungsbereich ausgerichtet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Konstellation aus neun Satelliten jederzeit eine vollständige weltweite Abdeckung der Erde durch wenigstens einen Satelliten mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° bereit. Die Konstellation enthält drei geneigte kreisförmige Umlaufebenen, die mit ansteigenden Knoten in 120° Intervallen um den Äquator in gleichmäßigem Abstand um die Erde herum angeordnet sind. In jeder Umlaufbahn befinden sich drei Satelliten, die in einer Höhe von 5.600 nautischen Meilen in Intervallen von 120° angeordnet sind. Jede Umlaufebene ist gegenüber der Äquatorialebene in einem Winkel von 55° geneigt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt eine Konstellation aus zwölf Satelliten jederzeit eine weltweite
Abdeckung der Erde durch wenigstens zwei Satelliten mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° bereit. Die Konstellation enthält drei geneigte kreisförmige Umlaufebenen mit denselben Eigenschaften wie die .Konstellation aus neun Satelliten, außer daß sich in jeder Umlaufbahn vier Satelliten befinden, die in Intervallen von 90° gleichmäßig angeordnet sind. Es werden zwei zusätzliche Ausführungsformen beschrieben, die elliptische Umlaufbahnen verwenden, um jederzeit die Abdeckung einer Erdhalbkugel mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° durch jeweils wenigstens einen und zwei Satelliten bereitzustellen.
Aus dem vorangehenden wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der satellitenbasierten zellularen Telekommunikationssysteme darstellt. Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, welche die Prinzipien der Erfindung durch Beispiele dar-. stellen, ersichtlich.
KÜRZE BESCHREJBTTKTG DER ZEICHNUNGEN
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines satellitenbasierten zellularen Telekommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Konstellation aus Telekommunikationssatelliten, die eine weltweite einfache Abdeckung der Erde bereitstellt; Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Kon-0 stellation aus Telekommunikationssatelliten, die eine weltweite doppelte Abdeckung der Erde bereitstellt;
Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer Konstellation aus Telekommunxkationssatelliten, die eine einfache Abdeckung einer Erdhalbkugel bereitstellt; und Figur 5 ist eine schematische Darstellung einer Konstellation aus Telekommunxkationssatelliten, die eine doppelte Abdeckung einer Erdhalbkugel bereitstellt.
BESCHRETBTTWfl OV,*. BEVORZTTOTEN ATTS FTTHRTJNGS FORMEN
Wie in den Zeichnungen zum Zweck der Darstellung gezeigt ist, wird die vorliegende Erfindung von einem satellitenbasierten zellularen Telekommunikationssystem verkörpert, das eine Konstellation von Telekommunikationssatelliten in einer mittleren Erdumlaufbahn verwendet, um mit einer minimalen Anzahl von Satelliten mehrstrahlige Radiofrequenz-(rf)-Kommunikationsverbindungen für eine weltweite zellulare Telefonversorgung bereitzustellen. Die Telekommunikationssatelliten werden in einer Vielzahl von geneigten Umlaufbahnen um die Erde in einer Höhe von zwischen annähernd 5.600 und 10.000 nautischen Meilen angeordnet . Die Eigenschaften der Umlaufbahnen wie die Anzahl der Umlaufbahnen, die Neigung jeder Umlaufbahn, die Anzahl der Satelliten in jeder Umlaufbahn und die Höhe der Satelliten sind so angepaßt, daß der von den Satelliten abgedeckte Bereich und ihre zugehörigen Sichtlinien-Elevationswinkel maximiert werden, während die Zeitverzögerungen bei der Ausbreitung, die Anzahl der Übergaben von Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit und die gesamte Anzahl von Satelliten minimiert werden. Die vorliegende Erfindung enthält auch einige zusätzliche Eigenschaften, die im wesentlichen die Übergaben von Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit beseitigen und so die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen stark verringern.
Figur 1 zeigt ein satellitenbasiertes zellulares Telekommunikationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Das zellulare Telekommunikationssystem enthält eine Konstellation aus Telekommunikationssatelliten 10 in einer mittleren Erdumlaufbahn, eine Gatewaystation 12, die sich in jedem von den Satelliten versorgten Bereich befindet und eine Vielzahl von mobilen zellularen Telefonen 14, die sich im Versorgungsbereich des Satelliten 10 befinden. Die mobi-5 len zellularen Telefone 14 können auch mobile Faxgeräte und mit einem Modem ausgestattete Computer enthalten. Der Telekommunikationssatellit 10 stellt unter Verwendung von zwei
mehrstrahligen Antennen 16, 18 eine mehrstrahlige rf-Kommunikat ions verbindung mit den mobilen zellularen Telefonen und unter Verwendung von zwei Antennen 20, 22 eine rf-Kommunikationsverbindung mit der Gatewaystation 12 bereit. Die mehrstrahlige Antenne 16 empfängt rf-Signale von den mobilen zellularen Telefonen 14 im Frequenzband F1. Dann verstärkt, verschiebt und sendet der Satellit 10 unter Verwendung der Antenne 20 die rf-Signale im Frequenzband F2 hinunter zur Gatewaystation 12. Die Gatewaystation 12 ist über Telefonleitungen mit einem Nah- und Fern-Telefonnetz 24 verbunden, das Verbindungen zu einem festen Telefon 26 bereitstellt. Von der Gatewaystation 12 werden die rf-Signale im Frequenzband F3 zurück zum Telekommunikationssatelliten 10 gesendet und unter Verwendung der Antenne empfangen. Dann verstärkt, verschiebt und sendet der Satellit 10 unter Verwendung der mehrstrahligen Antenne 18 die rf-Signale im Frequenzband F4 zurück hinunter zu den mobilen Telefonen 14.
Zwischen den verschiedenen Benutzern des zellularen Telekommunikationssystems der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Arten von Verbindungen möglich. Ein Benutzer eines mobilen Telefons kann mit einem anderen Benutzer eines mobilen Telefons im selben Versorgungsbereich des Satelliten 10 oder im Versorgungsbereich eines anderen Satelliten 10 oder mit einem Benutzer eines festen Telefons, der sich irgendwo auf der Welt befindet, kommunizieren. Falls mit einem anderen Benutzer eines mobilen Telefons im selben Versorgungsbereich kommuniziert wird, werden die rf-Signale vom mobilen zellularen Telefon 14 nach oben 0 zum Satelliten 10 gesendet und dann hinunter zur Gatewaystation 12, dann zurück hinauf zum Satelliten 10 und dann hinunter zum anderen mobilen zellularen Telefon 14 und umgekehrt. Diese Art der Kommunikation erfordert einen doppelten Sprung, der die Zeitverzögerung bei der Ausbreitung verdoppelt. Falls mit einem anderen Benutzer eines mobilen Telefons in einem unterschiedlichen Versorgungsbereich kommuniziert wird, werden die rf-Signale vom mobilen
zellularen Telefon 14 hinauf zum Satelliten 10 gesendet, dann hinunter zur Gatewaystation 12, dann, wie erforderlich, durch das Nah- und Fernnetz 24 zu der Gatewaystation 12, die für den anderen Versorgungsbereich zuständig ist, dann hinauf zum Satelliten 10, der für den anderen Versorgungsbereich zuständig ist und dann hinunter zum anderen mobilen zellularen Telefon 14 und umgekehrt. Diese Art der Kommunikation erfordert ebenfalls einen doppelten Sprung. Falls mit einem Benutzer eines festen Telefons kommuniziert wird, werden die rf-Signale vom mobilen zellularen Telefon 14 hinauf zum Satelliten 10 gesendet, dann hinunter zur Gatewaystation 12 und dann, wie erforderlich, durch das Nah- und Fernnetz 24 zum festen Telefon 26 und umgekehrt. Diese Art der Kommunikation erfordert nur einen einfachen Sprung.
In eine alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt der Satellit 10 die Funktion der Gatewaystation 12 zur Kommunikation zwischen Benutzern von mobilen Telefonen aus, die sich im selben Versorgungsberexch befinden, und es ist somit nur ein einfacher Sprung erforderlich. Bei dieser Art von Verbindung werden die rf-Signale vom mobilen zellularen Telefon 14 hinauf zum Satelliten 10 gesendet, der Satellit 10 führt dann eine Signalverarbeitung der rf-Signale durch, um eine nötige Umschaltung zwi-5 sehen mehreren Strahlen bereitzustellen und dann werden die rf-Signale zurück hinunter zum anderen mobilen zellularen Telefon 14 gesendet und umgekehrt.
Die Zeitverzögerung bei der Ausbreitung hängt von der Höhe des Telekommunikationssatelliten 10 und dem Ort der 0 mobilen zellularen Telefone 14 im Versorgungsbereich ab.
Bei einer Höhe zwischen 5.600 und 10.000 nautischen Meilen ist die Zeitverzögerung vom Satelliten 10 zum Boden und umgekehrt in der vorliegenden Erfindung auf 60 ms begrenzt. Deshalb ist die Zeitverzögerung bei einem einzelnen Sprung auf 120 ms beschränkt. Bei einer Höhe von 5.600 nautischen Meilen beträgt die Zeitverzögerung bei einem einfachen Sprung zwischen zwei mobilen zellularen Telefonen 14, die
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sich direkt unter dem Satelliten 10 befinden, 69 ms, während die Zeitverzögerung für einen einfachen Sprung zwischen zwei mobilen zellularen Telefonen 14, die unter dem minimalen Elevationswinkel von 10° voneinander entfernt sind, 96 ms beträgt.
Das Verhältnis zwischen der Ausbreitungszeit von Station zu Station und der Satellitenhöhe für einen einfachen Sprung von einer Station auf dem Boden hinauf zum Satelliten und zurück hinunter zur Station bei maximaler Entfernung, die auftritt, wenn der Satellit sich bei der minimalen Elevation von 10° befindet, kann folgendermaßen gezeigt werden:
Satelliten- maximale Ausbrei maximale
höhe tungsentfernung Ausbreitungszeit
Station zu Satellit Station zu Station
fnant. mi.) (nani" . mi . ) fm . ,=!(=(7 . )
5500 7656 94
6000 8191 101
6500 8724 108
7000 9255 115
7500 9782 121
Die mobilen zellularen Telefone 14 und die Gatewaystation 12 sind jederzeit bei einem Elevationswinkel von wenigstens 10° in Sichtweite des Satelliten 10. Wenn sich der Satellit 10 aus der Sichtweite des mobilen zellularen 0 Telefons 14 in einem bestimmten Versorgungsbereich bewegt, kommt ein anderer Satellit 10 aus der Konstellation in Sicht. Jeder Satellit 10 besitzt eine verhältnismäßig schmale Antennenausleuchtzone, die bedeutend kleiner als der gesamte Sichtbereich des Satelliten ist. Dies gilt, da es verursacht durch Leistungs- und Komplexitätszwänge nicht praktikabel ist, den gesamten Sichtbereich zu versorgen.
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Der tatsächlich vom Satelliten 10 abgedeckte Versorgungsbereich wird durch die zusammengesetzte Abdeckung der mehrstrahligen Antennen 16, 18 mit 19 Strahlen für eine zusammengesetzte Ausleuchtzonenabdeckung von etwa 23° bestimmt. Zur mehrstrahligen Antenne kann ein weiterer Ring von Einspeisungen hinzugefügt werden, um 37 Strahlen für eine zusammengesetzte AusleuchtZonenabdeckung von etwa 35° bereitzustellen. Jeder Strahl besitzt ein Sichtfeld (FOV) von etwa 5° und kann mit einem 1/2 W mobilen zellularen Telefon 14 mit einer ungerichteten Antenne arbeiten.
Die vorliegende Erfindung enthält auch einige zusätzliche Eigenschaften, die im wesentlichen Übergaben von Strahl zu Strahl und von Satellit zu Satellit beseitigen und so die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen stark verringern. Eine dieser wichtigen Eigenschaften ist eine Zuordnung jedes Satelliten zu einer Reihe von festen Versorgungsbereichen während des Umlaufs jedes Satelliten. Die Ausleuchtzone der Antennen 16, 18 des Satelliten bleibt auf den zugewiesenen Versorgungsbereich zentriert, der für den Satelliten sichtbar ist, die Antennen 20, 22 sind kardanisch so aufgehängt, daß sie auf die richtige Gatewaystation weisen. Das resultierende beinahe feste Antennenstrahlmuster beseitigt praktisch Übergaben von Strahl zu Strahl. Die Antennenausleuchtzone bleibt entweder durch 5 Einstellen der Lage des Raumfahrzeugs 10 oder durch Rotieren der kardanisch aufgehängten Antennen auf den Versorgungsbereich zentriert.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist eine Vorkehrung für die Überlappung bei der Abdeckung jedes Versorgungsbereichs durch zwei aufeinanderfolgende Satelliten während des Übergangs der Versorgung von einem Satelliten auf einen anderen. Alle Anrufe, die während des Überlappungsintervalls getätigt werden, werden dem ankommenden Satelliten zugewiesen. Deshalb erfahren nur 5 Anrufe, die vor dem Überlappungsintervall getätigt wurden oder sich über das Überlappungsintervall hinaus erstrecken, Übergaben von Satellit zu Satellit, wenn der sich entfer-
ItHJO-r
nende Satellit auf seinen neuen Versorgungsbereich ausgerichtet wird.
In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hat die Konstellation von Telekommunikationssatelliten 10 drei geneigte Umlaufebenen, die mit ihren ansteigenden Knoten in Intervallen von 12 0° um den Äquator gleichmäßig um die Erde herum angeordnet sind. Die Satelliten 10 werden in einer mittleren Erdumlaufbahn mit einer Höhe zwischen 5.600 und 10.000 nautischen Meilen angeordnet. Dieser Höhenbereich liegt über dem Van Allen Strahlungsgürtel, aber wesentlich unter der Höhe für die geosynchrone Umlaufbahn. Dies bietet gute Sichtbarkeit bei einer minimalen Anzahl von Satelliten ohne übermäßige Leistungsanforderungen. Um Schattenbildung zu vermeiden, ist von jedem mobilen zellularen Telefon 14 und der Gatewaystation 12 aus jederzeit wenigstens einer der Telekommunikationssatelliten 10 unter einem Elevationswinkel von wenigstens 10° sichtbar.
Figur 2 zeigt eine Konstellation von neun Satelliten, die jederzeit eine weltweite Abdeckung der Erde mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° durch wenigstens einen Satelliten 10 bereitstellt. Die neun Satelliten sind in drei kreisförmigen Umlaufebenen P1, P2, P3 angeordnet, wobei die drei Satelliten 30a-30c sich in der Umlaufebene &Rgr;&khgr; befinden, die drei Satelliten 32a-32c sich in der Umlaufebene P2 befinden und die drei Satelliten 34a-34c sich in der Umlaufebene P3 befinden. Die Satelliten sind in einer Höhe von 5.600 nautischen Meilen in jeder Umlaufebene in Intervallen von 12 0° gleichmäßig verteilt. Jede Umlaufebene ist gegenüber der Äquatorialebene um einen Winkel von 55° 0 geneigt. Der relative Phasenwinkel zwischen Satelliten in verschiedenen Umlaufebenen ist 80°. Deshalb kommt wenigstens ein zusätzlicher Satellit über einem Elevationswinkel von 10° in Sicht, bevor ein Satellit in der Konstellation aus der Sicht eines Benutzers verschwindet.
Figur 3 zeigt eine Konstellation aus zwölf Satelliten, die jederzeit eine weltweite Abdeckung der Erde mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° durch wenigstens zwei
Satelliten 10 bereitstellt. Die zwölf Satelliten sind in drei kreisförmigen Umlaufebenen P1, P2, P3 angeordnet, wobei die vier Satelliten 30a-30d sich in der Umlaufebene P1 befinden, die vier Satelliten 32a-32d sich in der Umlaufebene P2 befinden und die vier Satelliten 34a-34d sich in der Umlaufebene P3 befinden. Die Satelliten sind in einer Höhe von 5.600 nautischen Meilen in jeder Umlaufebene in Intervallen von 90° gleichmäßig verteilt. Jede Umlaufebene ist gegenüber der Äguatorialebene um einen Winkel von 55° geneigt. Der relative Phasenwinkel zwischen Satelliten in verschiedenen Umlaufebenen ist 90°. '
Zur Bereitstellung weltweiter Abdeckung ist eine Konstellation aus Telekommunikationssatelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen zu bevorzugen, für die Abdeckung begrenzter Bereiche wie einer Halbkugel ist jedoch eine Konstellation aus Telekommunikationssatelliten in elliptischen Umlaufbahnen zu bevorzugen. Figur 4 zeigt eine Konstellation aus sechs Satelliten, die jederzeit eine Abdeckung einer Erdhalbkugel mit einem minimalen Elevationswinkel von 10° durch wenigstens einen Satelliten bereitstellt. Die sechs Satelliten sind in drei elliptischen Umlaufebenen P4, P5, Pg angeordnet, wobei zwei Satelliten 30a-30b sich in der Umlaufebene P4 befinden, zwei Satelliten 32a-32b sich in der Umlaufebene P5 befinden und zwei Satelliten 34a-34b sich in der Umlaufebene P5 befinden. Jede Umlaufebene wird durch eine Apogäumshöhe von 6.3 00 nautischen Meilen, eine Perigäumshöhe von 600 nautischen Meilen, einen Inklinationswinkel von 63,4°, einen Abstand ansteigender Knoten von 120°, ein Argument des Perigäums von 270° und einen 0 relativen Phasenwinkel zwischen den Satelliten in unterschiedlichen Umlaufbahnen von 180° definiert. Durch Positionieren des Apogäums bei der nördlichsten vom Satelliten erreichten Breite, die auch gleich dem Inklinationswinkel ist, wird die Abdeckungsperiode für die nördliche Breite maximiert.
Figur 5 zeigt eine Konstellation von neun Satelliten, die jederzeit eine Abdeckung einer Erdhalbkugel mit einem
minimalen Elevationswinkel von 10° durch wenigstens zwei Satelliten bereitstellt. Die neun Satelliten sind in drei elliptischen Umlaufebenen P4, P5, P6 angeordnet, wobei drei Satelliten 30a-30c sich in der Umlaufebene'P4 befinden, drei Satelliten 32a-32c sich in der Umlaufebene P5 befinden und drei Satelliten 34a-34c sich in der Umlaufebene P6 befinden. Jede Umlaufebene wird durch eine Apogäumshöhe von 6.300 nautischen Meilen, eine Perigäumshöhe von 600 nautischen Meilen, einen Inklinationswinkel von 63,4°, einen Abstand ansteigender Knoten von 120°, ein Argument des Perigäums von 2 70° und einen relativen Phasenwinkel zwischen den Satelliten in unterschiedlichen Umlaufbahnen von 180° definiert.
Abdeckung
weltweit dopppii t" Halbkugel donnei1~
pt nfarb 12 ei nfarh 9
Anzahl Satelliten 9 3 6 3
Anzahl 3 3
UmIaufebenen 4 3
Satelliten pro 3 2
Ebene 5600 6300
Apogäumshöhe (nm) 5600 5600 6300 600
Perigäumshöhe (nm) 5600 55° 600 63,4°
Inklxnationswinkel 55° 120° 63,4° 120°
Abstand anstei 12 0° 120°
gender Knoten 0° 270°
Argument des 0° 270°
Perigäums 90° 180°
relativer Phasen 80° 180°
winkel 10° 10°
minimaler 10° 10°
Elevationswinkel
Die Konstellationen, die einfache Abdeckung durch die Satelliten bereitstellen, können zuerst gebildet werden und die Abdeckung kann dann später durch Hinzufügen von nur
drei Satelliten erweitert werden, um doppelte Abdeckung bereitzustellen. Umgekehrt erlauben die Konstellationen, die doppelte Abdeckung bereitstellen, den Ausfall eines Satelliten in jeder Umlaufebene ohne Verlust der vollen Versorgung. Die Position der übrigen Satelliten in der Umlaufebene kann so eingestellt werden, daß sie einfache Abdeckung liefern, bis der Satellit repariert oder ersetzt wird.
Aus dem vorhergehenden wird klar, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der satellitenbasierten zellularen Telekommunikationssysteme darstellt. Obwohl einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird ersichtlich sein, daß andere Anpassungen und Modifikationen erfolgen können, ohne vom Geist und Bereich der Erfindung abzuweichen. Folglich soll die Erfindung außer durch die folgenden Patentansprüche nicht beschränkt werden.

Claims (8)

Schutzansprüche 1 bis 8
1. Zellulares Telekommunikationssystem mit:
wenigstens einer handgehaltenen mobilen zellularen Telefonstation (14) mit einer omnidirektionalen Antenne zum Senden/Empfangen von Funksignalen;
wenigstens einer zusätzlichen Telefonstation (12); wobei die mobile zellulare Telefonstation (14) und die zusätzliche Telefonstation (12) in einer vorbestimmten Region der Erde voneinander beabstandet sind;
wobei eine Satellitenanordnung (P^, P2, P3; 30a-30c, 32a-32c, 34a-34c) im Weltraum über der Erde angeordnet ist um eine Funksignalfrequenzumsetzungskommunikationsverbindung (16, 18) zwischen der mobilen zellularen Telefonstation (14) und der zusatzliehen Telefonstation (12) bereitzustellen; wobei die Satellitenanordnung folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Telekommunikationssatelliten (3 0a-3 0c, 32a-32c, 34a-34c),
wobei jeder der Satelliten Funksignal-Sende/Empfangseinrichtungen mit mehrfachen Funksxgnalausgangsstrahlen (16, 18) umfaßt, wodurch ein Kommunikationspfad zwischen der mobilen zellularen Telefonstation (14) und der zusätzlichen Telefonstation (12) herstellbar ist,
wobei die Satelliten voneinander beabstandet sind und sich in einer Vielzahl von Orbitalbahnen (Pi, P2, P3) , die unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Äquatorialebene der Erde in einer Höhe von zwischen annähernd 10.360 km (5.600 nmi) und 18.500 km (10.000 nmi) geneigt ist;
wobei die Eigenschaften dieser Orbitalbahnen (Pi, P2, P3) , z.B. die Anzahl der Orbitalbahnen, die Inklination jeder Orbitalbahn, die Anzahl von Satelliten (30a-30c, 32a-32c, 34a-34c) in jeder Orbitalbahn und die Höhe der Satelliten so zugeschnitten sind, daß das Überdeckungsgebiet der Satelliten und ihre zugehörigen Sichtlinien maximiert sind, während die Übertragungs-Zeitverzögerungen, die Anzahl der Strahl-auf-Strahl- und Satelliten-auf-Satelliten-Überleitungen, sowie die gesamte Anzahl der Satelliten minimiert ist, und wobei ein Bereich der Überdeckungsregion eines sich entfernenden Satelliten einen Ab-
deckungsregion eines sich entfernenden Satelliten einen Abschnitt einer Überdeckung eines ankommenden Satelliten überlappt und wobei Anrufe von oder für einen Benutzer der sich innerhalb der Überdeckungs-Überlappungsregion befindet, dem ankommenden Satelliten zugewiesen werden.
10
2. Das zellulare Kommunikationssystern nach Anspruch 1, in dem die Ausrichtung der Satelliten (30a-30c, 32a-32c, 34a-34c) eingestellt ist, um die Antennenausrichtung auf die Serviceregion
zentriert zu halten.
3. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, bei
dem die Antenne (16, 18) schwenkbar gelagert ist und die Antenne geschwenkt wird um die Antennenausrichtung auf die Serviceregion zentriert zu halten.
4. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, in dem die Orbitalbahnen (Pi, P2, P3) annähernd kreisförmig sind.
5. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, in dem die Orbitalbahnen annähernd eliptisch sind.
6. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, das
des weiteren eine Weiterleitungsstation (12) in jeder Serviceregion aufweist um Funksignalkommunikationsverbindungen mit den Satelliten (30a-30c, 32a-32c, 34a-34c) einzurichten.
7. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, in dem die Erhebungswinkel stets wenigstens 10° betragen.
8. Das zellulare Kommunikationssystem nach Anspruch 1, in dem die Sende-/Empfangseinrichtungen mehrfache Funksignalausgangsstrahlen für eine zusammengesetzte Bodenüberdeckung von etwa
35° haben.
3057
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