FR2783376A1 - Systeme de communications par satellite ameliore utilisant une commande de puissance hf de stations terrestres multiples dans un seul faisceau de liaison descendante - Google Patents

Abstract

Un système de communications par satellite comprend une pluralité d'engins spatiaux en orbite géosynchrone, où chaque engin spatial fournit une pluralité de faisceaux à la surface de la Terre, et une pluralité de stations terrestres, dont des stations individuelles sont localisées dans l'un des faisceaux afin d'émettre des signaux de liaison montante vers l'un des engins spatiaux. Chaque engin spatial transpose des signaux de liaison montante vers des signaux de liaison descendante dans les mêmes faisceaux. Chaque émetteur comprend un module de combinaison destiné à combiner ensemble une pluralité de signaux à fréquence transposée et un amplificateur de puissance, tel qu'un amplificateur TWTA afin d'amplifier la pluralité combinée des signaux transposés en fréquence.

Description

SYSTEME DE COMMUNICATIONS PAR SATELLITE AMELIORE

UTILISANT UNE COMMANDE DE PUISSANCE HF DE STATIONS

TERRESTRES MULTIPLES DANS UN SEUL FAISCEAU DE LIAISON

DESCENDANTE

Cette invention se rapporte d'une façon générale à des systèmes de communications utilisant des engins spatiaux et, en particulier, à des systèmes de communications utilisant des engins spatiaux qui comportent au moins un engin spatial qui reçoit des signaux d'une liaison montante depuis un certain nombre d'émetteurs de stations terrestres situés à l'intérieur d'un faisceau particulier, et qui décale en fréquence et retransmet les signaux de liaison montante reçus vers des récepteurs situés à l'intérieur du même faisceau particulier. L'utilisation d'un satellite en orbite géosynchrone pour diffuser des signaux de télévision vers des

récepteurs terrestres est bien connue dans la technique.

Par exemple, on peut faire référence aux deux publications suivantes: "Flight Hardware Test Results Obtained on High Power Equipment and on the Repeater Subsystem of 12 GHz DBS", de W. Liebisch et al., 86-0646 AIAA, pages 266 à 274, 1986, et "The Thermal Control System of the German Direct Transmitting Communication Satellite TV-SAT", de Kreeb et al., AIAA 8ième conférence des systèmes de satellite de communications, 20 au 24

avril, 1980.

Un certain nombre de problèmes se présentent lors de la conception d'un système de communications par satellite à hautes performances qui fournit, par exemple, un service de télévision à des récepteurs terrestres dispersés sur une grande zone géographique. Dans un tel système, un certain nombre de stations terrestres différentes, associée chacune à un marché local et démographique différent, peuvent chacune émettre un

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signal de liaison montante qui est destiné à être reçu par un engin spatial, tel qu'un satellite en orbite géosynchrone, et ensuite transmis, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs canaux de répéteurs, depuis l'engin spatial vers les récepteurs de télévision à l'intérieur de la localité desservie par la station terrestre. Par exemple, une première station terrestre peut desservir la zone de New York City, une autre peut desservir la zone de St. Louis, alors qu'une autre dessert la zone de Salt Lake City. Chaque station terrestre peut fournir un ou plusieurs canaux de télévision, et est considérée comme étant située à l'intérieur d'un faisceau particulier de l'engin spatial. Un faisceau particulier peut desservir

plus d'une station terrestre.

Comme on peut s'en rendre compte, dans un tel système, la taille et donc les exigences en puissance de la liaison descendante de chaque zone de service peuvent différer de façon significative. C'est-à- dire que pour une valeur prédéterminée de puissance HF au niveau du sol, davantage de puissance de l'émetteur de l'engin spatial est nécessaire pour un grand faisceau que pour un petit faisceau. En outre, et pour pouvoir maximiser le nombre total des stations terrestres qui peuvent être desservies, l'engin spatial nécessitera un nombre significatif de récepteurs de liaison montante, de même qu'un nombre significatif d'amplificateurs de puissance de liaison descendante, réalisés de façon caractéristique sous forme d'amplificateurs à tube à onde progressive (TWTA). En outre, il est important de prévoir une certaine possibilité de commande de la puissance d'émission de façon à compenser les gênes localisées pour les signaux, habituellement l'atténuation due à la pluie, qui peut être rencontrée à tout instant donné dans une

localité mais non pas dans d'autres.

Il est connu de prévoir une commande de gain et de puissance HF des canaux de répéteurs sur un faisceau de

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liaison descendante avec une station terrestre, mais non pas une commande de gain et de puissance HF des différents canaux de répéteurs avec des stations terrestres multiples dans un faisceau de liaison descendante. Conformément à la technique antérieure, et en se référant à la figure 1A, un système de communications à engin spatial peut comporter un engin spatial 1 qui utilise des amplificateurs séparés TWTA 2 qui reçoivent chacun un signal séparé des stations terrestres (GS) situées à l'intérieur du même faisceau ou de faisceaux différents. Par exemple, un premier faisceau (faisceau n l) peut comprendre quatre stations terrestres (GS1 à GS4) alors qu'un second faisceau (faisceau n 2) peut comprendre six stations terrestres différentes (GS1 à GS6). Chaque signal de station terrestre est transmis par l'intermédiaire d'un canal de répéteur d'engin spatial séparé qui comprend un circuit d'amplificateur de canal, représenté d'une façon générale par l'amplificateur 4, et un amplificateur TWTA 2. Chaque circuit d'amplificateur de canal 4 peut être commandé séparément en gain et/ou en puissance HF par la station terrestre associée. Les sorties des amplificateurs TWTA 2 pour chaque faisceau sont combinées dans un multiplexeur de sortie (OMUX) 3 avant la transmission sur la liaison descendante vers les récepteurs terrestres dans chaque faisceau régional ou ponctuel. On peut se rendre compte que cette approche classique peut gaspiller de l'énergie et des amplificateurs TWTA, dans la mesure o chaque canal de répéteur présentera de façon caractéristique des exigences en puissance HF différentes. Si l'on souhaitait utiliser uniquement un type d'amplificateur TWTA (par exemple, un amplificateur TWTA de 60 W) ou uniquement deux types (par exemple de 60 W et de 120 W), alors un canal de répéteur qui ne nécessite que 10 W de puissance

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HF utilisera son amplificateur TWTA beaucoup moins efficacement qu'un autre canal de répéteur qui nécessite

W de puissance HF.

En outre, conformément à la technique antérieure, un faisceau ponctuel d'une seule taille peut être prévu, lequel est contigu sur tous les Etats-Unis continentaux (CONUS). En variante, et comme cela est présenté en exemple par le brevet des Etats-Unis n 4 819 227, "Satellite Communications System Employing Frequency Reuse" de H. A. Rosen, un système de communications bilatérales par satellite peut utiliser des faisceaux ponctuels dans des zones contiguës. En général, la technique antérieure nécessite soit davantage de satellites, soit un espacement de faisceau ponctuel plus grand, en utilisant une seule taille de faisceaux ponctuels, afin d'obtenir les performances requises. La technique antérieure peut également utiliser davantage d'antennes entrelacées sur la zone CONUS, avec des espacements de sources primaires plus grands, et

nécessiter donc davantage de surface sur le satellite.

Il est également connu d'après la technique antérieure de prévoir autant de récepteurs que le nombre total de canaux de répéteurs, ou autant que le nombre des sources primaires/faisceaux, et de faire en sorte que chaque récepteur traduise son canal de répéteur associé ou source primaire/faisceau vers les fréquences de canaux de liaison descendante appropriées. En se référant à la figure 1C, la technique antérieure enseigne un système qui utilise soit un simple récepteur 7 pour un répéteur ou un seul récepteur 7 pour une source primaire ou un faisceau. Comme cela était également le cas pour la figure 1A, chaque signal de station GS peut avoir pour origine une zone géographique séparée (par exemple, depuis des stations terrestres situées dans des zones

urbaines différentes).

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Comme on s'en rendra compte, et comme cela était également le cas pour la figure 1A, les approches de la technique antérieure ne sont pas efficaces en ce qui concerne la consommation d'énergie de l'engin spatial, le poids et/ou l'utilisation de la charge utile. C'est un premier but et avantage de cette invention de réaliser un système de communications par satellite amélioré dans lequel une pluralité de canaux de répéteurs de satellite sont combinés et amplifiés par un seul amplificateur de forte puissance, tel qu'un amplificateur

TWTA ou de multiples amplificateurs TWTA en parallèle.

C'est un autre but et avantage de cette invention de réaliser un système de communications par satellite amélioré dans lequel chaque station terrestre dans un faisceau ponctuel ou régional comporte une commande de puissance HF individuelle pour son canal ou ses canaux de répéteurs associés, en permettant un réglage de la puissance de la liaison descendante en raison de l'atténuation due à la pluie à l'intérieur du faisceau

ponctuel ou régional.

Certains des problèmes qui précèdent et d'autres sont surmontés, et les buts et avantages sont atteints grâce à des procédés et dispositifs conformes à des modes

de réalisation de cette invention.

Conformément à cette invention, il est réalisé un système de commande de puissance HF de communications par satellite afin de délivrer des données numériques, telles que des données de télévision numériques, à partir de stations terrestres multiples vers un faisceau ponctuel ou régional unique. Chaque station terrestre dans le faisceau ponctuel et régional comporte une commande séparée et individuelle de la puissance HF pour son canal ou ses canaux de répéteurs. La commande de la puissance pour chaque station terrestre individuelle permet l'ajustement de la puissance de la liaison descendante en raison de l'atténuation due à la pluie à l'intérieur du faisceau ponctuel ou régional. C'est-à-dire que les ajustements de la puissance sont exécutés dans un canal de répéteur particulier avant une combinaison avec d'autres canaux de répéteurs et une amplification par un seul amplificateur TWTA commun ou de multiples

amplificateurs TWTA en parallèle.

L'utilisation de cette invention permet que de multiples stations terrestres présentant des canaux de répéteurs affectés comportent une commande de puissance et de gain HF dans un faisceau ponctuel ou régional affecté, avec des effets minimum sur le signal ou les signaux des stations terrestres voisines. Dans le système de communications par satellite innovant, il existe un partage de la proportion de commande de gain et de

puissance entre la station terrestre et l'engin spatial.

Pour un faisceau ponctuel ou régional donné, on détermine un certain nombre de stations terrestres qui peuvent partager un amplificateur TWTA commun, sans dépasser la possibilité de l'amplificateur TWTA dans les conditions du pire cas, et ensuite une affectation est faite des amplificateurs des canaux séparés pour chaque station terrestre. Une addition des sorties des amplificateurs des canaux est appliquée à un module de linéarisation commun qui attaque un amplificateur TWTA commun ou de multiples amplificateurs TWTA en parallèle. Cette technique permet qu'un seul type et une seule taille d'amplificateur TWTA soient utilisés sur un engin spatial donné, en abaissant ainsi le coût et la complexité, de

même que la consommation d'énergie.

Dans ce mode de réalisation, une analyse des canaux des répéteurs multiples dans un système non linéaire est exécutée pour déterminer le nombre des répéteurs qui peuvent être utilisés pour chacune des stations terrestres multiples, comportant chacune leurs propres amplificateurs de canaux d'engin spatial, afin d'attaquer un amplificateur TWTA linéarisé ou des amplificateurs TWTA en parallèle dans un faisceau. Cette technique élimine ainsi en outre les pertes des multiplexeurs de sortie qui peuvent avoir une influence directe sur l'inefficacité énergétique et thermique de l'engin spatial. Un exemple de cette invention est un procédé de distribution de données numériques, telles que des données de télévision numériques, utilisant des faisceaux ponctuels multiples présentant des formes et des tailles différentes pour couvrir et desservir complètement des zones commerciales désignées (DMA) en utilisant des engins spatiaux multiples en orbite géosynchrone. Chaque faisceau ponctuel peut contenir des stations terrestres multiples. Chaque station terrestre peut se voir affecter des canaux de répéteurs multiples et a la possibilité

d'ajuster la puissance du canal du répéteur ou son gain.

En affectant un amplificateur de canal pour chaque station terrestre, des stations terrestres multiples peuvent partager un amplificateur TWTA ou des

amplificateurs TWTA en parallèle multiples.

Cette invention procure ainsi un système de communications par satellite qui comprend au moins un engin spatial mais de préférence une pluralité d'engins spatiaux en orbite géosynchrone, o chaque engin spatial fournit une pluralité de faisceaux à la surface de la terre, et une pluralité de stations terrestres, dont des stations individuelles sont localisées dans l'un des faisceaux pour émettre des signaux de liaison montante vers l'un des engins spatiaux. Chaque engin spatial comporte une pluralité de récepteurs destinés à recevoir une pluralité de signaux de liaison montante depuis les stations terrestres, un transposeur de fréquence destiné à transposer les signaux de liaison montante reçus vers une fréquence d'émission d'une pluralité de signaux de liaison descendante, et une pluralité d'émetteurs afin d'émettre la pluralité de signaux de liaison descendante

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à l'intérieur des mêmes faisceaux que les signaux de liaison montante correspondants. Chaque émetteur comprend un module de combinaison afin de combiner ensemble une pluralité de signaux à fréquence transposée et un amplificateur de puissance, tel qu'un amplificateur de type TWTA, afin d'amplifier la pluralité combinée des signaux à fréquence transposée. Chacun de la pluralité des récepteurs est commandé en gain par une station correspondante parmi les stations terrestres afin de communiquer une immunité vis-à-vis de l'atténuation due à la pluie. De préférence, les faisceaux présentent des tailles et des formes différentes et ne sont pas contigus sur au moins une partie de la surface de la terre. Il est également préféré que les faisceaux de liaison montante vers un premier des satellites présentent une première polarisation et que les faisceaux de liaison descendante présentent une seconde polarisation opposée, et que les faisceaux de liaison montante vers un second des satellites présentent la seconde polarisation et que les faisceaux de liaison descendante présentent la première polarisation. Les signaux de liaison montante et de liaison descendante peuvent être des signaux de télévision numériques, et dans ce cas des faisceaux individuels parmi les faisceaux ponctuels sont placés sur une zone prédéterminée d'une zone commerciale de

télévision désignée.

Les caractéristiques de l'invention présentées ci-

dessus et d'autres sont rendues plus évidentes dans la

description détaillée qui suit de l'invention, lue par

référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure lA est un schéma synoptique simplifié représentant une partie d'une charge utile de communications d'engin spatial classique, et plus particulièrement l'utilisation d'amplificateurs TWTA

individuels pour des canaux de répéteurs individuels.

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La figure lB est un schéma synoptique simplifié d'une partie d'une charge utile de communications d'engin spatial conforme à un aspect de cette invention, dans laquelle une pluralité de canaux de répéteurs sont combinés et appliqués à un seul amplificateur TWTA. La figure lC est un schéma synoptique simplifié représentant une autre partie d'une charge utile de communications d'engin spatial classique, plus particulièrement l'utilisation de récepteurs individuels

pour les canaux de répéteurs individuels.

La figure 1D est un schéma synoptique simplifié de la partie d'une charge utile de communications d'engin spatial conforme à un autre aspect de cette invention, dans laquelle une pluralité de canaux de répéteurs sont combinés à la place dans un multiplexeur d'entrée (IMUX) et sont appliqués à un seul récepteur, La figure lE illustre le multiplexeur IMUX de la figure 1D davantage en détail pour la configuration

d'exemple 4:1,

La figure 2A est une vue en élévation d'un engin spatial de communications qui convient pour mettre en pratique cette invention, La figure 2B décrit une partie de l'engin spatial de la figure 2A, et représente davantage en détail trois réflecteurs d'antenne destinés à générer des faisceaux ponctuels de taille différente, La figure 2C décrit un système de communications à deux engins spatiaux conforme à un aspect de cette invention, La figure 3A est un schéma illustrant une charge utile d'engin spatial généralisée pour un cas d'exemple de liaison montante et de liaison descendante à 37 faisceaux, La figure 3B est un schéma synoptique de circuit de la charge utile d'engin spatial pour le cas d'exemple de liaison montante et de liaison descendante à 37 faisceaux représenté sur la figure 3A, et Les figures 4A et 4B illustrent diverses tailles et formes de faisceaux ponctuels d'exemple pour un premier engin spatial de communications (figure 4A) et un second engin spatial de communications (figure 4B) qui coopèrent, comme sur la figure 2C, pour fournir une couverture de télévision directe d'engin spatial sur les

Etats-Unis continentaux.

Il sera fait référence aux figures 2A et 2B pour illustrer un satellite ou engin spatial en orbite géosynchrone 10 qui convient pour mettre en pratique

cette invention. Dans la description qui suit, on

supposera que deux tels engins spatiaux sont utilisés ensemble afin de permettre une couverture directe de télévision numérique des engins spatiaux sur des régions localisées des Etats-Unis continentaux (se reporter également aux figures 4A et 4B), de même que pour Hawaii et l'Alaska. On se rendra compte cependant dès le début que les enseignements de cette invention ne sont pas limités à fournir uniquement des signaux de télévision numériques, mais peuvent être utilisés pour fournir tout type quelconque de données numériques, y compris, mais sans s'y limiter, de la voix numérisée, du fac-similé, de la recherche de personnes, et des données de réseau

informatique, y compris les paquets de données Internet.

L'enseignement de cette invention n'est également pas limité à l'utilisation de deux engins spatiaux, dans la mesure o un nombre inférieur ou supérieur à celui-ci peut être utilisé, l'enseignement n'étant pas non plus limité par exemple uniquement aux fréquences et/ou aux nombres, tailles et/ou formes de faisceaux particuliers qui seront décrits ci-dessous. Les enseignements de cette invention ne sont en outre pas destinés à être limités par des nombres particuliers de répéteurs ou d'amplificateurs de canaux ou bien par les types particuliers des antennes, des polarisations, des amplificateurs à haute puissance (HPA), tels que les

amplificateurs TWTA, etc...

Sur les figures 2A et 2B, l'engin spatial 10 comprend un bus 12 et des réseaux de cellules solaires 14. Une pluralité d'amplificateurs TWTA 16 à rayonnement direct sont montés sur le bus 12, par exemple des amplificateurs de bande Ka, ou de bande Ku ou de bande C. Pour le cas de la bande Ka, trois antennes sont utilisées par engin spatial pour engendrer les faisceaux ponctuels : une antenne de type Gregorian de 3 mètres 18, antenne d'émetteur/récepteur destinée à générer un faisceau ponctuel de 0,35 , une antenne d'émetteur/récepteur à source primaire décalée de 2,1 mètres 20 afin de générer un faisceau ponctuel de 0,5 , et une antenne d'émetteur/récepteur 22 à source primaire décalée de 1,5 mètres afin d'engendrer un faisceau ponctuel de 0,7 . Les mécanismes de pointage des antennes 24 sont prévus, de même qu'un sous- réflecteur orientable 18A qui permet le suivi automatique pour l'antenne de 3 mètres 18. D'autres antennes comprennent deux antennes de type Gregorian formées 26A et 26B en vue de la télévision à haute définition (HDTV), de même qu'une antenne de type Gregorian formée 26C pour permettre un accès conditionnel à un contrôleur au sol. Les antennes 26A à 26C ne sont pas particulières aux enseignements de cette invention, et ne sont pas davantage décrites avec un degré quelconque de spécificité. Chaque antenne est de préférence à suivi automatique pour permettre une erreur

de pointage très faible.

Bien qu'elles soient décrites dans le contexte d'antennes de type Gregorian, les antennes pourraient être réalisées également avec des antennes de type Cassegrain. En général, l'utilisation d'antennes de type Gregorian ou de type Cassegrain est préférée pour permettre de grandes possibilités de balayage avec un isolement de lobes latéraux élevé. Le rapport de la distance focale sur le diamètre (F/D) est de préférence dans la plage d'environ deux à environ trois. En outre, et bien qu'elles soient illustrées sous forme d'antennes circulaires, on se rendra compte qu'une ou plusieurs des antennes 18, 20 ou 22 pourraient avoir une forme non circulaire, par exemple une forme elliptique, afin de fournir des faisceaux de forme non circulaire à la

surface de la Terre.

L'antenne 18 de 0,35 de bande Ka de 3 mètres est

située sur la face est de l'engin spatial 10, et le sous-

réflecteur 18A est utilisé pour cette grande antenne car il est beaucoup plus léger et plus facile à orienter que le réflecteur principal. Le sous-réflecteur 18A donne des bénéfices supplémentaires. Par exemple, les faisceaux d'émission et de réception présentent la même collimation, alors qu'il existe un petit décalage lorsque des réflecteurs décalés simples sont utilisés. Ceci est

particulièrement important pour ce petit faisceau.

Onze faisceaux sont engendrés à partir de l'antenne 18 de 3 mètres de l'engin spatial à polarisation LHCP, alors que l'antenne de 3 mètres sur l'engin spatial à polarisation RHCP engendre douze faisceaux. L'antenne 18 est de préférence pointée dans la partie sud-est de la zone CONUS afin de minimiser les pertes de balayage dans les zones à forte pluie. L'espacement des faisceaux permet l'utilisation de sources primaires de 2X ou plus grandes. Ce diamètre de source primaire réduit la perte

de dispersion et les niveaux des lobes latéraux.

Les antennes 20 et 22 de bande Ka de 2,1 mètres, de 0,5 et de 1,5 mètres, de 0,7 sont situées côte à côte sur la face ouest de l'engin spatial 10. Ces antennes utilisent deux mécanismes articulés à la Cardan à deux axes pour leur déploiement. Les sous-réflecteurs 20A et

22A sont disposés comme décrit ci-dessus.

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Dans le mode de réalisation illustré mais non limitatif, l'engin spatial à polarisation LHCP comporte dix faisceaux de 0,5 et l'engin spatial à polarisation RHCP comporte onze faisceaux. L'antenne de 1,5 mètres, 0, 7 engendre 9 faisceaux de type CONUS et le faisceau de Hawaii sur l'engin spatial à polarisation LHCP. L'antenne de 0,7 de l'engin spatial à polarisation RHCP engendre 8 faisceaux de type CONUS. Le faisceau pour l'Alaska peut également être engendré à partir de cette antenne en utilisant deux sources primaires pour créer un motif elliptique. Dans un premier mode de réalisation, le système utilise une bande de fréquence de 700 MHz à la bande Ka avec une liaison montante de 29,3 à 30 GHz et une liaison descendante de 19,5 à 20,2 GHz. Le plan de fréquences prévoit 46 répéteurs à 26 MHz, 23 sur chaque polarisation. Le système de télévision HDTV utilise 12 répéteurs, alors que le système SDTV en utilise 34. Les faisceaux ponctuels sont divisés entre les deux engins spatiaux par polarisation. L'engin spatial 1 traite 149 répéteurs dans 31 faisceaux à polarisation circulaire à gauche (LHCP), alors que l'engin spatial 2 traite 145 répéteurs dans 32 faisceaux à polarisation circulaire à

droite (RHCP).

En se référant aux figures 3A et 3B, le répéteur est d'une conception à conversion simple. Les liaisons montantes à 30 GHz (37 faisceaux de tailles différentes) sont amplifiées par des amplificateurs à faible bruit (LNA) 30 et sont appliquées par l'intermédiaire de circuits hybrides d'entrée 32 à des récepteurs 34. Les liaisons montantes sont amplifiées et transposées en fréquence par un oscillateur local (LO) à 9, 8 GHz dans la bande de liaison descendante à 20 GHz. Les signaux provenant de chaque faisceau sont alors séparés dans des multiplexeurs d'entrée 36 et sont appliqués à des amplificateurs de canaux 38, et ensuite à des circuits

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hybrides de sortie 40. Chacun des répéteurs de faisceau est amplifié sous forme d'un groupe dans un amplificateur TWTA 42 linéarisé à forte puissance fonctionnant à une tolérance de sortie de 2,5 dB à 3 dB. Dans certains cas o des faisceaux n'ont que quelques répéteurs et nécessitent également une faible puissance, les signaux provenant de deux faisceaux sont amplifiés dans le même amplificateur TWTA, puis séparés dans un multiplexeur de sortie 46. Des amplificateurs TWTA simples de 120 W et

doubles (en parallèle) de 120 W 42 et 46 sont prévus.

Cette approche de conception minimise la masse de la charge utile et sa complexité. Les multiplexeurs d'entrée permettent aux liaisons montantes d'être reçues en utilisant uniquement 11 récepteurs actifs à la place de 30 ou 31 si des récepteurs individuels étaient utilisés pour chaque faisceau. En traitant les signaux provenant de chaque faisceau sous forme d'un groupe, beaucoup moins de filtres et d'amplificateurs de canaux sont nécessaires. L'utilisation d'un amplificateur TWTA d'un seul calibre (par exemple 120 W) permet l'utilisation de grands circuits de redondance pour améliorer la fiabilité. L'amplificateur TWTA est une conception à collecteur à rayonnement direct (DRC) qui rayonne plus de la moitié de la dissipation thermique dans l'espace au lieu d'à l'intérieur de la structure de l'engin spatial, ce qui simplifie largement la conception thermique de

l'engin spatial.

Chaque amplificateur de canal 38 fournit de préférence un gain nominal de 50 dB. Le niveau de sortie peut être commandé par pas de 0,5 dB sur par exemple une plage de 6 dB de sorte que l'attaque des amplificateurs

TWTA 42, 44 peut être réglée avec précision.

Les modules de linéarisation de sortie 41 sont de préférence optimisés pour des tolérances de sortie des amplificateurs TWTA d'environ 2 dB à environ 3 dB. Les

amplificateurs TWTA utilisent un EPC pour deux tubes TWT.

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Ceci produit un excellent suivi de phase lorsque deux ou plusieurs amplificateurs TWTA sont mis en oeuvre dans le mode à haute puissance combiné (en parallèle). On pourra faire référence à ce propos au brevet des Etats-Unis cédé en commun n 5 649 310 "Signal Translation and Amplification System Including a Thermal Radiation Panel Coupled Thereto", par Randall D. Tyner et al., dont la

description est incorporée par référence ici dans sa

totalité. Conformément à un aspect de cette invention, et en se référant à la figure lB, il est réalisé un système de commande de puissance HF de communications par satellite destiné à délivrer des données numériques, telles que des données de télévision numériques, à partir de stations terrestres multiples vers un faisceau ponctuel ou régional unique. Chaque station terrestre dans le faisceau ponctuel ou régional comporte une commande séparée et individuelle de la puissance HF pour son canal ou ses canaux de répéteurs. La commande de puissance HF pour chaque station terrestre individuelle permet le réglage de la puissance de liaison descendante en raison de l'atténuation due à la pluie à l'intérieur du faisceau ponctuel ou régional. C'est-à-dire que des réglages de lapuissance sont exécutés dans un canal de répéteur particulier avant une combinaison avec d'autres canaux de répéteurs et une amplification par un seul amplificateur TWTA commun ou des amplificateurs TWTA mis en parallèle multiples. Les commandes de régulation de puissance peuvent être émises vers l'engin spatial sur un canal de commande particulier réservé dans ce but en utilisant, par exemple, l'antenne de type Gregorian formée 26C qui a

été présentée à la figure 2A.

Sur la figure lB, la configuration d'exemple de la technique antérieure de la figure lA est modifiée pour insérer des modules de combinaison hybrides 5 afin de combiner les sorties des circuits d'amplificateurs de

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canaux commandés en gain 4 pour le faisceau n l et les circuits d'amplificateurs de canaux commandés en gain 4 pour le faisceau n 2. Les sorties combinées passent alors par un circuit tampon et sont linéarisées avec le module de linéarisation 6 avant d'être appliquées aux amplificateurs TWTA 2. Les stations terrestres affectées à chaque circuit hybride 5 et amplificateur TWTA 2 sont sélectionnées de telle sorte que la puissance maximum du pire cas ne dépassera pas la puissance qui peut être prise en compte par le faisceau ponctuel du canal. Pour ce qui n'est qu'un exemple, pour le faisceau n l, les stations terrestres 1 à 4 peuvent être à des fréquences de 30,3, 30,2, 29,9 et 29,8 GHz, et les signaux transposés en fréquence appliqués à l'amplificateur TWTA 2 peuvent être à 20,3, 20,2, 19,9 et 19,8 GHz. La bande passante de l'amplificateur TWTA peut être d'au moins

500 MHz.

Le module de linéarisation 6 peut être de conception classique, et est de préférence choisi pour maximiser le rapport de puissances de bruit (NPR) de l'amplificateur TWTA. A mesure que le rapport NPR augmente, la linéarité de l'amplificateur TWTA augmente, et les produits

d'intermodulation indésirables diminuent.

Chaque station terrestre peut surveiller le faisceau de liaison descendante résultant et compenser ainsi les gênes des signaux, telles que les évanouissements dus à la pluie. Du fait que la liaison montante est à une fréquence supérieure à celle de la liaison descendante, l'effet de la pluie sera plus marqué sur la liaison montante que sur la liaison descendante. Cependant, chaque station terrestre est prévue pour commander séparément le gain de son propre faisceau avant la combinaison et l'amplification de puissance, de façon à ne pas influer sur la puissance des autres faisceaux qui

sont également amplifiés par l'amplificateur TWTA 2.

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Il peut être remarqué également que les multiplexeurs OMUX 3 de la figure 1A peuvent être supprimés, en éliminant ainsi les pertes de puissance en courant continu dans ces composants habituellement inefficaces. L'utilisation de cet aspect de l'invention permet ainsi que des stations terrestres multiples avec des canaux de répéteurs affectés présentent une commande de puissance HF et de gain dans un faisceau ponctuel ou régional affecté, avec des effets minimum sur le signal ou les signaux des stations terrestres voisines. Dans le système de communications par satellite innovant, il existe un partage de la proportion de commande de gain et de puissance entre la station terrestre et l'engin spatial. Pour un faisceau ponctuel ou régional donné, on détermine un certain nombre de stations terrestres qui peuvent partager un amplificateur TWTA commun, sans dépasser les possibilités de l'amplificateur TWTA dans les conditions du pire cas, et ensuite une affectation est faite d'amplificateurs de canaux séparés pour chaque station terrestre. Une addition des sorties des amplificateurs de canaux est appliquée à un module de linéarisation commun qui attaque un amplificateur TWTA

commun ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples.

Cette technique permet d'utiliser un seul type et une seule taille d'amplificateur TWTA sur un engin spatial donné, en abaissant ainsi le coût et la complexité, de

même que la consommation d'énergie.

Dans ce mode de réalisation, une analyse des canaux de répéteurs multiples dans un système non linéaire est exécutée pour déterminer le nombre des répéteurs qui peuvent être utilisés pour chacune des stations terrestres multiples, comportant chacune leurs propres amplificateurs de canaux d'engin spatial, afin d'attaquer un amplificateur TWTA linéarisé ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples dans un faisceau. Cette

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technique élimine ainsi en outre les pertes des multiplexeurs de sortie qui peuvent influer directement sur l'efficacité énergétique et thermique de l'engin spatial. Un exemple de cette invention est un procédé de distribution de données numériques, telles que des données de télévision numériques, utilisant des faisceaux ponctuels multiples présentant des formes et des tailles différentes pour couvrir et desservir complètement des zones commerciales désignées (DMA) en utilisant un engin spatial multiple en orbite géosynchrone. Chaque faisceau

ponctuel peut contenir de multiples stations terrestres.

Chaque station terrestre peut se voir affecter des canaux de répéteurs multiples et la possibilité d'ajuster la puissance du canal de répéteur ou le gain. En affectant un amplificateur de canal pour chaque station terrestre, des stations terrestres multiples peuvent partager un amplificateur TWTA ou des amplificateurs TWTA en

parallèle multiples.

Dans un autre aspect, cette invention enseigne une conception de charge utile de communications d'engin spatial pour réduire le nombre des récepteurs et la consommation de la puissance en courant continu du système de la charge utile. Ceci est réalisé en utilisant des multiplexeurs d'entrée pour additionner les signaux arrivant depuis des faisceaux ponctuels ou régionaux multiples, tout en étant sélectif lors de cette addition pour éviter l'utilisation des mêmes canaux de répéteurs dans le même multiplexeur d'entrée. La sortie additionnée

est alors prélevée vers un seul récepteur.

En se référant à la figure 1D, le mode de réalisation de la figure 3B peut être modifié de façon à prévoir un seul récepteur 7 qui dessert des liaisons montantes multiples, un multiplexeur d'entrée (IMUX) 8 étant utilisé pour combiner tout d'abord les signaux de liaison montante. La figure lE illustre le multiplexeur

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IMUX 8 de la figure 1D davantage en détail. On peut voir que chaque multiplexeur IMUX 8 est constitué d'une pluralité de n filtres résonants, représentés sous forme de quatre filtres passe-bande 8A à 8D, dont les noeuds de sortie sont reliés à un module de combinaison hybride n:l. L'effet consiste à additionner n sources primaires de fréquence différente à bande passante plus étroite en un seul signal de sortie à bande passante plus large. Les caractéristiques des filtres passe-bande 8A à 8D sont sélectionnées de façon à obtenir une réjection de bande des canaux adjacents, et le module hybride 8E est sélectionné de façon à présenter une bande passante suffisante pour prendre en compte la bande passante des

sources primaires d'entrée.

Pour ce qui n'est qu'un exemple, dans le cas de la bande Ka, le spectre total de 500 MHz est séparé en canaux de 27 MHz, chaque filtre passe-bande du multiplexeur IMUX 8 est optimisé pour fonctionner avec l'un des canaux de 27 MHz, et le récepteur/transposeur 7

présente une bande passante de 500 MHz.

Cet aspect de l'invention permet ainsi l'utilisation des multiplexeurs d'entrée 8 qui sont considérablement plus petits et moins coûteux que les récepteurs individuels de la figure 1C. Un seul des multiplexeurs d'entrée 8 additionne des faisceaux et/ou des sources primaires multiples dans le seul récepteur 7, et réduit donc significativement le nombre des récepteurs nécessaire pour une architecture donnée de la charge utile. Le seul récepteur 7 est de préférence conçu pour fonctionner dans la région linéaire afin de minimiser l'interférence de canaux adjacents et les produits d'intermodulation du troisième ordre. Le récepteur unique 7 est supposé, dans les buts de cette invention, comprendre un amplificateur à faible bruit (LNA) qui alimente un circuit de mélangeur de transposition de fréquence fonctionnant avec un signal d'oscillateur local

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généré. Le récepteur 7 est en outre supposé présenter une bande passante suffisante pour prendre en compte les exigences en bande passante des entrées combinées multiples. Un exemple de l'utilisation de cette invention est un procédé unique de distribution de données numériques utilisant des faisceaux ponctuels multiples présentant des formes et des tailles différentes pour couvrir et desservir complètement les zones commerciales désignées Nielsen des Etats-Unis (DMA) en utilisant des engins spatiaux multiples en orbite géosynchrone. Chaque faisceau ponctuel comporte un ensemble affecté de répéteurs, et des répéteurs alloués d'un ou plusieurs faisceaux ponctuels peuvent alors être multiplexés et additionnés dans le même récepteur unique 7. Cette conception du système de communications de la charge utile réduit significativement le nombre des récepteurs requis 7 par comparaison aux systèmes de charge utile

conçus conformément à la technique antérieure.

En se référant maintenant aux figures 4A et 4B, un autre aspect de cette invention est la capacité d'utiliser le système de communications de l'engin spatial pour délivrer des données numériques à partir d'une station terrestre à l'intérieur d'un faisceau ponctuel vers le même faisceau ponctuel, dans un sens, par l'intermédiaire de diverses configurations d'antennes de faisceaux ponctuels. Les configurations utilisent une variante des faisceaux ponctuels de taille différente présentant chacun soit une forme non circulaire, telle qu'une forme elliptique, soit une forme circulaire, soit une combinaison des deux formes pour couvrir une zone géographique entière qui doit être desservie. Ce type de service peut ainsi prendre en compte des différences

commerciales, démographiques, de langues, etc...

Une combinaison des faisceaux ponctuels non circulaires et circulaires de tailles différentes est

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utilisée dans le mode de réalisation préféré de cette invention pour former une configuration non contiguë de zones non contiguës, en permettant ainsi un isolement inter-faisceau amélioré. Un exemple de l'utilité de cette invention est sa capacité à permettre une couverture de toutes les zones DMA Nielsen CONUS avec deux engins spatiaux sur une orbite ou des orbites multiples géosynchrones, comme indiqué sur la figure 2C. Cette technique améliore la réutilisation des fréquences d'une bande passante donnée, avec un ensemble minimum d'antennes et d'engins spatiaux, par rapport à une approche contiguë classique pour les emplacements des

faisceaux ponctuels.

Dans le mode de réalisation préféré, mais non limitatif, représenté sur la figure 2C, il existe deux engins spatiaux sur un seul emplacement d'orbite géosynchrone, par exemple à moins de 0,2 , qui sont utilisés pour couvrir toutes les zones DMA en utilisant des emplacements de faisceaux ponctuels différents entre les deux engins spatiaux. Chaque engin spatial réalise la liaison montante avec une seule polarité, mais opposée de

celle de l'autre engin spatial.

Plus particulièrement, l'engin spatial n l réalise la liaison montante soit avec une polarisation RHCP soit avec une polarisation LHCP et l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante soit avec une polarisation LHCP soit avec une polarisation RHCP (avec une polarité opposée), ou bien l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire verticale et l'engin spatial n02 réalise la liaison montante avec une

polarisation linéaire horizontale, ou vice versa.

La liaison descendante pour chaque engin spatial est

de polarité opposée à sa polarité de liaison montante.

Par exemple, l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation RHCP et la liaison descendante avec une polarisation LHCP, alors que l'engin

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spatial n 2 réalise la liaison montante avec une polarisation LHCP et une liaison descendante avec une polarisation RHCP, ou bien l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire verticale et la liaison descendante avec une polarisation linéaire horizontale, alors que l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire horizontale et la liaison descendante avec une

polarisation linéaire verticale.

La conception du système à deux engins spatiaux peut soit utiliser tous les faisceaux ponctuels non circulaires de taille différente, tous les faisceaux ponctuels circulaires de taille différente, soit une combinaison des faisceaux ponctuels non circulaires et circulaires de taille différente pour couvrir la totalité des zones DMA. Les techniques générales pour élaborer des faisceaux ponctuels de taille différente avec des antennes à réflecteur du type décrit ci-dessus, de même que pour élaborer des faisceaux ponctuels soit circulaires ou non circulaires, sont connues de l'homme de l'art, mais pas la combinaison des faisceaux ponctuels de taille et de forme différentes pour couvrir diverses régions terrestres, en permettant une réutilisation des fréquences améliorée et une réduction de l'interférence

inter-faisceau, comme décrit ici.

Pour ce qui n'est qu'un exemple, l'antenne circulaire de 3 mètres 18 pourrait être au lieu de cela une antenne elliptique présentant des dimensions de 3,2 mètres sur 2,5 mètres afin d'élaborer des faisceaux

elliptiques au lieu de circulaires.

On se rendra compte également que l'enseignement de cette invention n'est pas limité à une utilisation avec deux engins spatiaux fonctionnant avec des polarisations différentes. Par exemple, il pourrait y avoir trois engins spatiaux ou plus fonctionnant chacun avec une

polarisation double.

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Ainsi, bien que l'invention ait été particulièrement présentée et décrite en fonction des modes de réalisation

préférés de celle-ci, l'homme de l'art comprendra que des variantes de forme et de détails peuvent être apportées à5 celle-ci sans s'écarter de la portée et de l'esprit de l'invention.

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Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Système de communications comprenant: une pluralité d'engins spatiaux (10) en orbite géosynchrone, chaque engin spatial (10) coopérant pour fournir une pluralité de faisceaux à la surface de la Terre, et une pluralité de stations terrestres dont les stations individuelles sont localisées dans l'un desdits faisceaux afin d'émettre des signaux de liaison montante vers l'un desdits engins spatiaux (10), dans lequel chaque engin spatial (10) est constitué d'une pluralité de récepteurs (34) destinés à recevoir une pluralité des signaux mis en liaison montante à partir des stations terrestres, un transposeur de fréquence destiné à transposer les signaux reçus de liaison montante à une fréquence d'émission d'une pluralité de signaux de liaison descendante, une pluralité d'amplificateurs de canaux (38) et une pluralité d'émetteurs destinés à émettre la pluralité de signaux de liaison descendante à l'intérieur des mêmes faisceaux que les signaux de liaison montante correspondants, et dans lequel chaque dit émetteur est constitué d'un module de combinaison destiné à combiner ensemble une pluralité de signaux à fréquence transposée et un amplificateur de puissance destiné à amplifier la pluralité combinée des

signaux à fréquence transposée.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit amplificateur de puissance comprend un seul amplificateur TWTA ou des amplificateurs TWTA en

parallèle multiples.

3. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque amplificateur de ladite pluralité d'amplificateurs

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de canaux est commandé en gain par une station

correspondante parmi lesdites stations terrestres.

4. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits faisceaux présentent des tailles et des formes différentes, et sont non-contigus sur au moins une partie

de la surface de la Terre.

5. Système selon la revendication 1, dans lequel les faisceaux de liaison montante vers un premier desdits satellites présentent une première polarisation et les faisceaux de liaison descendante présentent une seconde polarisation opposée, et dans lequel des faisceaux de liaison montante vers un second desdits satellites présentent ladite seconde polarisation et des faisceaux de liaison descendante présentent ladite première polarisation.

6. Système selon la revendication 1, dans lequel les signaux de liaison montante et de liaison descendante

comprennent des signaux de données numériques.

7. Système selon la revendication 1, dans lequel les signaux de liaison montante et de liaison descendante

comprennent des signaux de télévision numériques.

8. Système selon la revendication 7, dans lequel lesdits faisceaux sont des faisceaux ponctuels présentant des tailles et des formes nonuniformes, et dans lequel des faisceaux individuels parmi lesdits faisceaux ponctuels recouvrent une zone prédéterminée d'une zone

commerciale de télévision désignée.

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9. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque engin spatial comprend une pluralité d'antennes à réflecteur de dimension différente destinée à émettre et

recevoir à la fois lesdits faisceaux.

10. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque engin spatial comprend une pluralité d'antennes à réflecteur pour émettre et recevoir à la fois lesdits faisceaux, dans lequel au moins deux desdites antennes à

réflecteur présentent des formes différentes.

11. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque engin spatial comprend une pluralité d'antennes à réflecteur pour émettre et recevoir à la fois lesdits faisceaux, dans lequel des antennes de ladite pluralité d'antennes à réflecteur sont chacune constituées d'une

antenne de type Gregorian.

12. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque engin spatial comprend une pluralité d'antennes à réflecteur afin d'émettre et de recevoir à la fois lesdits faisceaux, dans lequel des antennes de ladite pluralité d'antennes à réflecteur sont chacune

constituées d'une antenne de type Cassegrain.

13. Système selon la revendication 1, dans lequel des faisceaux de liaison montante vers un premier desdits satellites présentent une polarisation circulaire à droite (RHCP) et des faisceaux de liaison descendante présentent une polarisation circulaire à gauche (LHCP), et dans lequel des faisceaux de liaison montante vers un second desdits satellites présentent une polarisation LHCP et des faisceaux de liaison descendante présentent

une polarisation RHCP.

14. Satellite de communications destiné à fournir une pluralité de faisceaux à la surface de la Terre et à

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recevoir des signaux de liaison montante émis depuis une pluralité de stations terrestres, dont des stations individuelles sont localisées dans l'un desdits faisceaux, ledit satellite comprenant une pluralité de récepteurs destinés à recevoir une pluralité de signaux mis en liaison montante à partir des stations terrestres, un transposeur de fréquence destiné à transposer les signaux de liaison montante reçus à une fréquence d'émission d'une pluralité de signaux de liaison descendante, et une pluralité d'émetteurs destinés à émettre la pluralité de signaux de liaison descendante à l'intérieur des mêmes faisceaux que les signaux de liaison montante correspondants, dans lequel chaque dit émetteur comprend un module de combinaison destiné à combiner ensemble une pluralité de signaux à fréquence transposée correspondant à une pluralité de stations terrestres localisées à l'intérieur du même faisceau, et au moins un amplificateur de type TWTA linéarisé destiné à amplifier la pluralité combinée des signaux à fréquence

transposée.