ITRM990561A1 - Perfezionato sistema di comunicazione satellitare con antenna a fascio zonale. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

A corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "PERFEZIONATO SISTEMA DI COMUNICAZIONE SATELLITARE CON ANTENNA A FASCIO ZONALE"

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai sistemi per comunicazioni basati su veicoli spaziali e, in particolare, ai sistemi per comunicazioni basati su veicoli spaziali che presentano almeno un veicolo spaziale che riceve i segnali di allacciamento in salita (uplink) da un numero di trasmettitori ubicati in stazioni di terra collocate entro un fascio particolare e che effettuano scorrimenti di frequenza e ritrasmettono i segnali dì allacciamento in salita ricevuti ai ricevitori collocati nello stesso fascio particolare. PRECEDENTI DELL'INVENZIONE

L'impiego di un satellite in orbita geosincrona per trasmettere segnali televisivi ai ricevitori terrestri è ben noto nella tecnica. Per esempio, si può fare riferimento alle seguenti due pubblicazioni: "Flight Hardware Test Results Obtained on High Power Equipment and on thè Repeater Subsystem of 12 GHz DBS", W. Liebisch et al., 86-0646 AIAA, pagg. 266-274, 1986; e "The Thermal Control System of the German Direct Trasmitting Communication Satellite TV-SAT", Kreeb et al., AIAA 8th Communications Satellite Systems Conference, 20-24 Aprile 1980.

Numerosi problemi sono presentati nella progettazione di un sistema per comunicazioni satellitari ad alte prestazioni il quale fornisca, per esempio, un servizio televisivo a ricevitori terrestri distribuiti su una estesa area geografica. In un tale sistema, un numero di diverse stazioni di terra, ciascuna associata ad un diverso mercato locale e demografico, possono trasmettere ciascuno un segnale di allacciamento in salita che è destinato ad essere ricevuto da un veicolo spaziale, per esempio un satellite in orbita geosincrona, e quindi trasmesso, attraverso uno o più dei canali risponditori, dal veicolo spaziale ai ricevitori televisivi contenuti nella stazione locale servita dalla stazione di terra. Per esempio, una stazione di terra può servire l'area della città di New York, un'altra può servire l'area St. Louis, mentre un'altra serve l'area di Salt Lake City. Ciascuna stazione di terra può fornire uno o più canali televisivi ed è considerata come collocata entro il fascio di un particolare veicolo spaziale. Più di una stazione di terra possono essere servite da un particolare fascio.

Come può essere apprezzato, in un tale sistema, la dimensione e quindi le esigenze di potenza per l'allacciamento in discesa (downlink) di ciascuna area di servizio possono differire significativamente. In altre parole, per un predeterminato valore della potenza a radiofrequenza (RF) a terra, una maggiore potenza del trasmettitore del veicolo spaziale è richiesta per un grande fascio in confronto con quella richiesta per un piccolo fascio. Inoltre, ed allo scopo di massimizzare il numero totale delle stazioni di terra che possono essere servite, il veicolo spaziale richiederà un significativo numero di ricevitori di allacciamento in salita, come anche un significativo numero di amplificatori di potenza di allacciamento in discesa, tipicamente implementati come amplificatori a tubi ad onda progressiva (TWTA). In aggiunta, è importante fornire una certa capacità di controllo della potenza di trasmissione, in modo da compensare le alterazioni dei segnali localizzati, tipicamente la attenuazione dovuta alla pioggia, che possono essere sperimentate in qualsiasi dato momento in una regione locale ma non in altre.

E' noto fornire un controllo di guadagno e di potenza RF dei canali dei risponditori su un fascio di allacciamento in discesa, con una stazione di terra, ma non il controllo di guadagno e di potenza RF di diversi canali risponditori con una molteplicità di stazioni di terra in un fascio di allacciamento in discesa.

In accordo con la tecnica precedente e con riferimento alla figura 1A, un sistema per comunicazioni basato su veicoli spaziali può comprendere un veicolo spaziale 1 che utilizza separati amplificatori TWTA 2 che ricevono ciascuno un segnale separato proveniente da stazioni di terra (GS) collocate nello stesso fascio oppure in fasci diversi. Per esempio, un primo fasci (fascio #1) può comprendere quattro stazioni di terra (GS1-GS4), mentre un secondo fascio (fascio #2) può comprendere sei diverse stazioni di terra (GS1-GS6). Il segnale di ciascuna stazione di terra viene fatto passare attraverso il canale risponditore di un diverso veicolo spaziale, il quale comprende un circuito amplificatore di canale, rappresentato generalmente come un amplificatore 4, ed un amplificatore TWTA 2.

Ciascun circuito amplificatore di canale 4 può essere separatamente controllato in guadagno e/o potenza a radiofrequenza dalla associata stazione di terra. Le uscite degli amplificatori TWTA 2 per ciascun fascio sono combinate in un circuito multiplatore o multiplexer di uscita (OMUX) 3 prima della trasmissione attraverso l'allacciamento in discesa ai ricevitori terrestri che si trovano in ciascun fascio regionale o locale.

Si può constatare che questa soluzione convenzionale può essere dispendiosa di potenza e di amplificatori TWTA, dato che ciascun canale risponditore tipicamente avrà diverse esigenze di potenza a radiofrequenza. Se si desiderasse impiegare soltanto un tipo di amplificatore TWTA (per esempio un amplificatore TWTA da 60 W) oppure soltanto due tipi (per esempio da 60 W e da 120 W), allora un tipico canale risponditore che richiede soltanto una potenza a radiofrequenza di 10 W utilizzerà il suo amplificatore TWTA in maniera molto meno efficiente che non un altro canale risponditore che richieda una potenza a radiofrequenza di 50 W.

Inoltre, in accordo con la tecnica precedente, può essere fornito un fascio localizzato o zonale di una singola grandezza il quale sia contiguo attraverso gli Stati Uniti continentali (CONUS). Alternativamente e come esemplificato dal Brevetto Statunitense N. 4.819.227, concernente un "Sistema per Comunicazioni Satellitari Basato sulla Riutilizzazione delle Frequenze" di H.A. Rosen, un sistema per comunicazioni satellitari a due vie può utilizzare dei fasci zonali o localizzati in zone contigue. In generale, la tecnica precedente richiede un maggior numero di satelliti oppure un maggiore distanziamento dei fasci zonali, utilizzando fasci localizzati di una singola grandezza per ottenere le prestazioni richieste. La tecnica precedente può anche utilizzare un maggior numero di antenne interallacciate attraverso l'area CONUS, con maggiori distanziamenti di alimentazione e perciò con una richiesta di maggiore area sul satellite.

E' anche noto dalla tecnica precedente fornire tanti ricevitori quanti sono il numero totale dei canali risponditori oppure quanti sono i fasci/alimentatori ed avere ciascun ricevitore che trasli il suo associato canale risponditore o alimentatore/fascio alle appropriate frequenze dei canali di allacciamento in discesa. Con riferimento alla figura 1C, la tecnica precedente espone un sistema che utilizza un singolo ricevitore 7 per un risponditore oppure un singolo ricevitore 7 per un alimentatore oppure per un fascio. Come si verificava anche nel caso della figura 1A, il segnale di ciascuna stazione di terra può avere origine da una separata area geografica (per esempio da stazioni di terra collocate in diverse regioni urbane).

Come si può apprezzare e come si verificava anche nel caso della figura 1A, le soluzioni della tecnica precedente non sono efficienti per quanto riguarda il consumo di potenza del veicolo spaziale, il peso e/o la utilizzazione del carico pagante.

SCOPI E VANTAGGI DELL' INVENZIONE

Un primo scopo e vantaggio della presente invenzione consiste nel fornire un perfezionato sistema per comunicazioni satellitari in cui una pluralità di fasci localizzati o zonali presentano diverse dimensioni e diverse forme, incluse le forme circolari ed ellittiche.

Un altro scopo e vantaggio della presente invenzione consiste nel fornire un perfezionato sistema per comunicazioni satellitari in cui il carico pagante di un satellite per comunicazioni comprende una pluralità di antenne che forniscono fasci regionali o localizzati di varie dimensioni.

Un ulteriore scopo e vantaggio della presente invenzione consiste nel fornire un perfezionato sistema per comunicazioni satellitari in cui una pluralità di satelliti per comunicazioni comprendono ciascuno un carico pagante per satellite di comunicazioni avente una pluralità di antenne riflettenti che forniscono fasci localizzati di varie dimensioni e di varie forme per servire selettivamente una pluralità di regioni terrestri.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Alcuni dei precedenti ed altri problemi vengono superati e gli scopi ed i vantaggi vengono realizzati con i procedimenti e gli apparecchi realizzati in accordo con le forme di realizzazione della presente invenzione .

In accordo con la presente invenzione, viene fornito un sistema di controllo della potenza a radiofrequenza (RF) per comunicazioni satellitari per erogare dati digitali, per esempio dati di televisione digitale, da una molteplicità di stazioni di terra ad un singolo fascio localizzato o regionale .

In accordo con gli insegnamenti della presente invenzione, viene fornita la capacità di utilizzare il sistema per comunicazioni basato su veicoli spaziali per erogare dati digitali da una stazione di terra entro un fascio localizzato allo stesso fascio localizzato, ad una via, attraverso varie configurazioni dei fasci localizzati di antenna. Le configurazioni utilizzano una variante di diversi fasci localizzati di diverse grandezze, ciascuno avente una forma non-circolare oppure una forma circolare, oppure una combinazione di ambedue le forme, per coprire una intera area geografica che deve essere servita. Questo tipo di servizio può perciò adattarsi alle differenze dei mercati, dei parametri demografici, delle lingue, ecc.

Una combinazione di fasci localizzati di forma circolare e non-circolare (per esempio ellittica) di diverse dimensioni viene usata per formare una configurazione non-contigua, oppure delle zone noncontigue, fornendo così un migliore isolamento fra un fascio e l'altro. Un esempio della utilità della presente invenzione è costituito dalla capacità di fornire una copertura per tutte le CONUS Nielsen DMA con due veicoli spaziali in una singola oppure una molteplicità di orbite geosincrone. Questa tecnica migliora la capacità di riutilizzazione delle frequenze di una data larghezza di banda, con una minima serie di antenne e di veicoli spaziali, in confronto con la convenzionale soluzione contigua per le collocazioni dei fasci localizzati.

Nella preferita forma di realizzazione, vi sono due veicoli spaziali in una collocazione su singola orbita geosincrona, per esempio entro circa 0,2°, i quali vengono utilizzati per coprire tutte le DMA utilizzando delle alternative collocazioni dei fasci localizzati fra i due veicoli spaziali. Ciascun veicolo spaziale effettua l'allacciamento in salita in una singola polarità, ma opposta rispetto all'altro veicolo spaziale. La polarità dell'allacciamento in discesa di ciascun veicolo spaziale è opposta alla polarità dell'allacciamento in salita.

La progettazione del sistema con due veicoli spaziali può utilizzare tutti fasci localizzati noncircolari di diverse dimensioni, tutti fasci localizzati circolari di diverse dimensioni oppure una combinazione di fasci localizzati di forma noncircolare e circolare, di diversa dimensione, per coprire tutte le DMA.

Un sistema per comunicazioni satellitari comprende una pluralità di veicoli spaziali in orbita geosincrona, in cui ciascun veicolo spaziale fornisce una pluralità di fasci sulla superficie della terra, nonché una pluralità di stazioni di terra che sono singolarmente collocate in uno dei fasci per trasmettere segnali di allacciamento in salita ad uno dei veicoli spaziali. Ciascun veicolo spaziale presenta una pluralità di ricevitori per ricevere una pluralità dei segnali di allacciamento in salita dalle stazioni di terra, un traslatore o convertitore di frequenza per traslare i segnali di allacciamento in salita ricevuti ad una frequenza di trasmissione di una pluralità di segnali di allacciamento in discesa, nonché una pluralità di trasmettitori per trasmettere la pluralità dei segnali di allacciamento in discesa negli stessi fasci dei corrispondenti segnali di allacciamento in salita. Ciascuno della pluralità di ricevitori può essere controllato in guadagno tramite una corrispondente delle stazioni di terra. In accordo con l'invenzione, i fasci presentano almeno una di diverse dimensioni e forme, incluse le forme circolari e non-circolari, per esempio ellittica, e sono non-contigui e nonsovrapponenti su almeno una porzione della superficie della terra, per esempio la regione CONUS. Ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di diverse antenne riflettenti di diverse grandezze per trasmettere e ricevere i fasci.

I fasci di allacciamento in salita verso un primo dei satelliti. presentano una prima polarizzazione ed i fasci di allacciamento in discesa presentano una seconda polarizzazione opposta ed i fasci di allacciamento in salita verso un secondo dei satelliti presentano la seconda polarizzazione, mentre i fasci di allacciamento in discesa presentano la prima polarizzazione.

Nella preferita forma di realizzazione, i segnali di allacciamento in salita ed i segnali di allacciamento in discesa comprendono segnali che contengono dati digitali, per esempio segnali di televisione digitale. In questo caso, i singoli fasci localizzati si sovrappongono ad una predeterminata di una serie di aree designate nel mercato televisivo.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I precedenti ed altri scopi e caratteristiche dell'invenzione sono resi più evidenti dalla seguente descrizione dettagliata dell'invenzione, quando letta con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1A rappresenta uno schema a blocchi semplificato che mostra una porzione di un convenzionale carico pagante per comunicazioni basate su veicoli spaziali, specificamente l'impiego di singoli amplificatori TWTA per i singoli canali risponditori,

la figura 1B rappresenta uno schema a blocchi semplificato di una porzione di un carico pagante per comunicazioni basato su veicoli spaziali in accordo con un aspetto della presente invenzione, in cui una pluralità di canali risponditori sono combinati ed alimentati ad un singolo amplificatore TWTA,

la figura 1C rappresenta uno schema a blocchi semplificato che mostra un'altra porzione di un convenzionale carico pagante per comunicazioni basato su veicoli spaziali, specificamente l'impiego di singoli ricevitori per i singoli canali risponditori, la figura 1D rappresenta uno schema a blocchi semplificato di una porzione di un carico pagante per comunicazioni basato su veicoli spaziali in accordo con un ulteriore aspetto della presente invenzione, in cui una pluralità di canali risponditori sono invece combinati in un multiplatore di ingresso (IMUX) e sono alimentati ad un singolo ricevitore, la figura 1E illustra il multiplatore IMUX della figura 1D in maggiore dettaglio per la esemplare configurazione 4:1,

la figura 2A rappresenta una vista in verticale di un veicolo spaziale per comunicazioni che è idoneo alla realizzazione pratica della presente invenzione, la figura 2B rappresenta una porzione del veicolo spaziale della figura 2A e mostra in maggiore dettaglio tre riflettori di antenna per generare fasci localizzati di diverse dimensioni,

la figura 2C rappresenta un sistema per comunicazioni basato su due veicoli spaziali in accordo con un aspetto della presente invenzione, la figura 3A rappresenta uno schema che illustra un carico pagante di veicolo spaziale generalizzato per un esemplare caso di allacciamento in salita e di allacciamento in discesa a 37 fasci,

la figura 3B rappresenta uno schema circuitale a blocchi del carico pagante per veicolo spaziale per il caso esemplare di allacciamento in salita e di allacciamento in discesa a 37 fasci rappresentato nella figura 3A, e

le figure 4A e 4B illustrano varie esemplari forme e dimensioni dei fasci localizzati per un primo veicolo spaziale per comunicazioni (figura 4A) e per un secondo veicolo spaziale per comunicazioni (figura 4B) che cooperano, come nella figura 2C, per fornire una copertura televisiva diretta attraverso veicoli spaziali agli Stati Uniti continentali.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE Viene fatto riferimento alle figure 2A e 2B per illustrare un veicolo spaziale 10 o satellite in orbita geosincrona che.è idoneo alla realizzazione pratica della presente invenzione. Nella successiva descrizione, si supporrà che due di tali veicoli spaziali siano impiegati insieme per fornire una copertura televisiva diretta digitale per mezzo di veicoli spaziali a regioni localizzate degli Stati Uniti continentali (vedere anche le figure 4A e 4B), come anche alle isole Hawaii ed all'Alaska. Tuttavia, si dovrebbe constatare inizialmente che gli insegnamenti della presente invenzione non sono limitati a fornire soltanto segnali per televisione digitale, ma possono essere sfruttati per fornire un qualsiasi tipo di dati digitali, con inclusione ma senza limitazione alla voce espressa in forma digitalizzata, ai dati di facsimile, ai segnali di interrogazione ed ai dati delle reti di calcolatori, inclusi i pacchetti di dati della rete Internet. Gli insegnamenti della presente invenzione non sono neanche limitati alla utilizzazione di due veicoli spaziali, dato che se ne possono usare un numero maggiore o minore del numero su indicato, neanche gli insegnamenti sono limitati, per esempio, soltanto alle frequenze specifiche e/o ai numeri, alle dimensioni e/o alle forme dei fasci che verranno descritti nel seguito. Gli insegnamenti della presente invenzione inoltre non sono da considerare come limitati dai numeri specifici di risponditori o amplificatori di canale oppure dai tipi specifici di antenne, dalle polarizzazioni, dagli Amplificatori ad Alta Potenza (HPA), per esempio gli amplificatori TWTA, ecc.

Nelle figure 2A e 2B, il veicolo spaziale 10 comprende un bus 12 ed i complessi 14 di celle solari. Sul bus 12 sono montati una pluralità di amplificatori TWTA ad irradiazione diretta 16, per esempio amplificatori TWTA in banda Ka oppure in banda Ku oppure in banda C. Per il caso della banda Ka, tre antenne sono usate per ogni veicolo spaziale per generare i fasci zonali o localizzati: una antenna trasmittente/ricevente 18 realizzata come antenna Gregorian da 3 metri per generare un fascio zonale di 0,35°, una antenna trasmittente/ricevente 20 con alimentazione sfalsata da 2,1 metri, per generare un fascio zonale di 0,5° ed una antenna trasmittente/ricevente 22 con alimentazione sfalsata da 1,5 metri per generare un fascio localizzato di 0,7°. Sono previsti meccanismi 24 di puntamento o orientamento delle antenne, come anche un subriflettore orientabile 18A che permette un autoagganciamento per l'antenna 18 da 3 metri. Altre antenne comprendono due antenne Gregorian sagomate 26A e 26B per televisione ad alta definizione (HDTV), come anche una antenna Gregorian sagomata 26C per fornire l'accesso condizionale ad un controllore di terra. Le antenne 26A-26C non sono relative agli insegnamenti della presente invenzione e non sono descritte ulteriormente con alcun grado di specificità. Ciascuna antenna preferibilmente è autoagganciata per fornire un errore di puntamento molto basso.

Anche se descritte nel contesto delle antenne Gregorian, le antenne potrebbero anche essere implementate come antenne Cassegrain. In generale, si preferisce l'impiego di antenne Gregorian o Cassegrain per fornire una grande capacità di scansione con un elevato isolamento dei lobi laterali. Il rapporto fra la distanza focale ed il diametro (F/D) è compreso preferibilmente nell'intervallo tra circa due e circa tre. Inoltre, e sebbene illustrate come antenne circolari, si può apprezzare che una o più delle antenne 18, 20 o 22 potrebbero avere una forma non-circolare, per esempio una forma ellittica, per fornire sulla superficie della terra fasci di forma non-circolare.

L'antenna 18 di 0,35° in banda Ka da 3 metri è collocata sulla faccia est del veicolo spaziale 10 ed il subriflettore 18A viene usato per questa grande antenna, poiché esso è molto più leggero e più facile da guidare che non il riflettore principale. Il subriflettore 18A fornisce ulteriori vantaggi. Per esempio, i fasci di trasmissione e di ricezione hanno lo stesso orientamento, mentre vi è un piccolo sfalsamento quando vengono usati semplici riflettori sfalsati. Ciò è particolarmente importante per questo piccolo fascio.

Undici fasci sono generati dall'antenna 18 di 3 metri per il veicolo spaziale LHCP, mentre l'antenna di 3 metri sul veicolo spaziale RHCP genera 12 fasci. L'antenna 18 è preferibilmente puntata nella porzione di sud-est della regione CONUS per minimizzare le perdite di scansione nelle zone a forte piovosità. Il distanziamento dei fasci permette 1'impiego di alimentazioni 2λ o alimentazioni maggiori. Questo diametro di alimentazione riduce la perdita di spillamento ed i livelli dei lobi laterali.

Le antenne 20 e 22 di 0,5°, da 2,1 metri in banda Ka e di 0,7°, da 1,5 metri, sono collocate una accanto all'altra sulla faccia ovest del veicolo spaziale 10. Queste antenne utilizzano meccanismi cardanici a due assi per il loro dispiegamento. I subriflettori 20A e 22A sono forniti come precedentemente descritto.

Nella forma di realizzazione illustrata, ma non limitativa, il veicolo spaziale LHCP presenta dieci fasci di 0,5° ed il veicolo spaziale RHCP presenta undici fasci. Le antenne di 0,7° da 1,5 metri generano nove fasci CONUS ed il fascio Hawaii sul veicolo spaziale LHCP. L'antenna di 0,7° del veicolo spaziale RHCP genera otto fasci di CONUS. Il fascio dell'Alaska può anche essere generato da questa antenna utilizzando due alimentazioni per creare una configurazione ellittica.

In una forma di realizzazione, il sistema utilizza una banda di frequenze di 700 MHz sulla banda Ka con un allacciamento in salita di 29,3.30 GHz ed un allacciamento in discesa di 19,5-20,2 GHz. Il piano delle frequenze fornisce 46 risponditori da 26 MHz, 23 su ciascuna polarizzazione. Il sistema televisivo ad alta definizione utilizza 12 risponditori, mentre il sistema SDTV ne utilizza 34. I fasci regionali o localizzati sono divisi fra i due veicoli spaziali mediante polarizzazione. Il veicolo spaziale 1 elabora 149 risponditori nei 31 fasci di polarizzazione circolare sinistrorsa (LHCP), mentre il veicolo spaziale 2 elabora 145 risponditori nei 32 fasci di polarizzazione circolare destrorsa (RHCP). Con riferimento alle figure 3A e 3B, il ripetitore è di progettazione a singola conversione. Gli allacciamenti in salita di 30 GHz (37 fasci di diverse dimensioni) vengono amplificati per mezzo di amplificatori a basso rumore (LNA) 30 e vengono applicati attraverso circuiti ibridi di ingresso 32 ai ricevitori 34. Gli allacciamenti in salita vengono amplificati e convertiti in discesa per mezzo di un oscillatore locale (LO) da 9,8 GHz per ottenere la banda di allacciamento in discesa di 20 GHz. I segnali provenienti da ciascun fascio vengono quindi separati nei circuiti multiplatori di ingresso 36 e vengono applicati agli amplificatori di canale 18 e quindi ai complessi ibridi di uscita 40. I risponditori di ciascun fascio sono amplificati come un gruppo nell'amplificatore TWTA linearizzato 42 ad alta potenza, operante con un backoff di uscita da 2,5 dB a 3 dB. In alcuni casi nei quali i fasci presentano soltanto alcuni risponditori richiedono anche bassa potenza, i segnali derivanti dai due fasci vengono amplificati nello stesso amplificatore TWTA, quindi vengono separati nel circuito multiplatore di uscita 46. L'amplificatore TWTA 42 che è un singolo amplificatore da 120 W ed il doppio amplificatore TWTA 46 che è un doppio amplificatore (in parallelo) sono così forniti.

Questa soluzione progettuale minimizza la complessità e la massa del carico pagante. I circuiti multiplatori di ingresso permettono che gli allacciamenti in salita vengano ricevuti utilizzando soltanto 11 ricevitori attivi invece di 30 o 31, se singoli ricevitori fossero usati per ciascun fascio. Elaborando i segnali derivanti da ciascun fascio come un gruppo, si richiedono molto meno filtri ed amplificatori di canali. L'impiego di un amplificatore TWTA di una singola dimensione (per esempio 120 W) permette l'impiego di grandi anelli di ridondanza per migliorare la affidabilità. L'amplificatore TWTA è di progettazione con collettore di irradiazione diretta (DRC), che irradia più di una metà della dissipazione termica nello spazio invece che nel corpo del veicolo spaziale, semplificando cosi notevolmente la progettazione termica del veicolo spaziale.

Ciascun amplificatore di canale 38 preferibilmente fornisce un guadagno nominale di 50 dB. Il livello di uscita può essere comandato in passi di 0,5 dB per esempio attraverso un intervallo di 6 dB, in modo tale che il pilotaggio per gli amplificatori TWTA 42, 44 possa essere regolato con precisione .

I linearizzatori di uscita 41 sono preferibilmente ottimizzati per backoff di uscita degli amplificatori TWTA da circa 2 dB a circa 3 dB. Gli amplificatori TWTA utilizzano un EPC per due tubi ad onda progressiva. Ciò fornisce un eccellente inseguimento di fase quando due o più amplificatori TWTA sono fatti funzionare nel modo ad alta potenza in combinazione (in parallelo). A questo riguardo, si può fare riferimento al Brevetto Statunitense di comune cessionaria 5.649.310, concernente un "Sistema di Conversione ed Amplificazione di Segnali Comprendente un Pannello di Irradiazione Termica Collegato ad Esso", di Randall D. Tyner et al., la cui descrizione è citata per riferimento nella sua interezza .

In conformità ad un aspetto della presente invenzione e con riferimento alla figura 1B, viene fornito un sistema di . controllo di potenza radiofrequenza per comunicazioni satellitari, per fornire dati digitali, per esempio dati di televisione digitale, da una molteplicità di stazioni di terra ad un singolo fascio localizzato o regionale. Ciascuna stazione di terra nel fascio localizzato o regionale presenta un separato ed individuale controllo della potenza a radiofrequenza per il relativo canale risponditore. Il controllo di potenza a radiofrequenza per ciascuna singola stazione di terra permette la regolazione della potenza di allacciamento in discesa dovuta alla attenuazione provocata dalla pioggia nel fascio localizzato o regionale. In altre parole, regolazioni di potenza vengono eseguite in un particolare canale risponditore prima della combinazione con altri canali risponditori ed amplificazione tramite un singolo comune amplificatore TWTA oppure una molteplicità di amplificatori TWTA in parallelo. I comandi di controllo di potenza possono essere inviati al veicolo spaziale a seguito di canale di controllo specifico, riservato per quello scopo, utilizzando, per esempio, l'antenna Gregorian sagomata 26C che era stata rappresentata nella figura 2A.

Nella figura 1B, la configurazione esemplare della tecnica precedente illustrata nella figura 1A è stata modificata per inserire i combinatori ibridi 5 in modo da combinare le uscite dei circuiti amplificatori di canale 4 a guadagno controllato per il fascio #1 e dei circuiti amplificatori di canale a guadagno controllato 4 per il fascio #2. Le uscite combinate vengono quindi tamponate e linearizzate con il linearizzatore 6 prima di essere applicate agli amplificatori ad onda progressiva TWTA 2. Le stazioni di terra assegnate a ciascun complesso ibrido 5 ed all'amplificatore TWTA 2 sono selezionate in modo tale che la potenza massima del caso peggiore non supererà la potenza che può essere assorbita dal fascio localizzato canalizzato. Soltanto a titolo di esempi, per il fascio #1, le stazioni di terra GS 1-4 possono avere frequenze di 30,3, 30,2, 29,9 e 29,8 GHz e quindi i segnali ottenuti per conversione in discesa ed applicati all'amplificatore TWTA 2 possono essere di 20,3, 20,2, 19,9 e 19,8 GHz. La larghezza di banda dell'amplificatore TWTA può essere di almeno 500 MHz.

Il linearizzatore 6 può essere di struttura convenzionale e preferibilmente è scelto in modo da massimizzare l'indice di rapporto fra rumore e potenza (NPR). Quando il rapporto fra rumore e potenza aumenta, la linearità dell'amplificatore TWTA aumenta e diminuiscono i prodotti indesiderabili di intermodulazione .

Ciascuna stazione di terra può monitorare il risultante fascio di allacciamento in discesa e così compensare le alterazioni dei segnali, per esempio le attenuazioni dovute alla pioggia. Dato che l'allacciamento in salita ha luogo ad una frequenza superiore a quella dell'allacciamento in discesa, l'effetto della pioggia sarà molto più grave nell'allacciamento in salita di quanto non sia nell'allacciamento in discesa. Tuttavia, ciascuna stazione di terra viene messa in condizioni di controllare separatamente il guadagno del suo proprio fascio, prima della combinazione e della amplificazione di potenza, in modo da pregiudicare la potenza negli altri fasci che viene anche amplificata dall'amplificatore TWTA 2.

Si può notare anche che il circuito multiplatore di uscita OMUX 3 della figura 1A può essere rimosso, eliminando così le perdite di energia in corrente continua in questi componenti che sono intrinsecamente inefficienti.

L'impiego di questo aspetto dell'invenzione così permette ad una molteplicità di stazioni di terra con canali risponditori assegnati di avere un controllo di potenza RF e di guadagno in un fascio regionale o localizzato assegnato, con effetti minimi sui segnali delle stazioni di terra adiacenti. Nel sistema per comunicazioni satellitari secondo l'invenzione, vi è una condivisione dell'ammontare del guadagno e del controllo di potenza fra la stazione di terra ed il veicolo spaziale. Per un dato fascio localizzato o regionale vi è un numero determinato di stazioni di terra che possono condividere un comune segnale TWTA, senza superare la capacità dell'amplificatore TWTA nelle condizioni del caso peggiore e quindi viene effettuata una assegnazione di separati amplificatori di canale per ciascuna stazione di terra. Una somma delle uscite degli amplificatori di canale viene applicata ad un linearizzatore comune che pilota un amplificatore TWTA comune oppure una molteplicità di amplificatori TWTA in parallelo. Questa tecnica permette che su un dato veicolo spaziale vengano usati amplificatori TWTA di un singolo tipo e di una singola dimensione, abbassando cosi il costo e la complessità, oltre che il consumo di energia.

In questa forma di realizzazione, una analisi di una molteplicità di canali risponditori in un sistema non lineare viene eseguita per determinare il numero dei risponditori che possono essere usati per ciascuna della molteplicità di stazioni di terra, ciascuna avente i suoi propri amplificatori di canale del veicolo spaziale, per pilotare un amplificatore TWTA linearizzato oppure una molteplicità di amplificatori TWTA in parallelo in un solo fascio. Questa tecnica così elimina ulteriormente le perdite dei circuiti multiplatori di uscita che possono avere un impatto diretto sulla potenza e sulla efficienza termica del veicolo spaziale.

Un esempio della presente invenzione è costituito da un procedimento per distribuire dati digitali, per esempio dati di televisione digitale, utilizzando una molteplicità di fasci zonali o localizzati con diverse forme e dimensioni in modo da coprire completamente e servire designate aree di mercato (DMA) utilizzando una molteplicità di veicoli spaziali in orbita geosincrona. Ciascun fascio regionale può contenere una molteplicità di stazioni di terra. Ciascuna stazione di terra può avere la assegnazione di una molteplicità di canali risponditori ed ha la capacità di regolare il guadagno o la potenza dei canali risponditori. Assegnando un amplificatore di canale per ciascuna stazione di terra, una molteplicità di stazioni di terra possono condividere un amplificatore a tubo ad onda progressiva TWTA oppure una molteplicità di amplificatori TWTA in parallelo.

Sotto un ulteriore aspetto, la presente invenzione insegna una progettazione di carico pagante per comunicazioni basato su veicoli spaziali per ridurre il numero dei ricevitori ed il consumo di energia in corrente continua del sistema del carico pagante. Ciò viene effettuato utilizzando circuiti multiplatori di ingresso per sommare i segnali che arrivano dai molteplici fasci localizzati o regionali, pure essendo il sistema selettivo in questa somma per evitare l'uso degli stessi canali risponditori nello stesso circuito multiplatore di ingresso. L'uscita sommata viene quindi portata ad un singolo ricevitore.

Con riferimento alla figura 1D, la forma di realizzazione della figura 3B può essere modificata in modo da fornire un singolo ricevitore 7 che serve per una molteplicità di allacciamenti in salita, un circuito multiplatore di ingresso (IMUX) 8 essendo usato per combinare in primo luogo i segnali di allacciamento in salita. La figura 1E illustra il multiplatore di ingresso IMUX 8 della figura 1D in maggiore dettaglio. Si può vedere che ciascun circuito multiplatore di ingresso IMUX 8 è costituito da una pluralità di n filtri risonanti, rappresentati come quattro filtri passabanda 8A-8D, i cui nodi di uscita sono collegati ad un combinatore ibrido n:l. L'effetto è quello di sommare n alimentazioni di diversa frequenza con più stretta larghezza di banda in un singolo segnale di uscita con larghezza di banda più ampia. Le caratteristiche dei filtri passabanda 8A-8D sono selezionate in modo da realizzare una reiezione di banda dei canali adiacenti ed il complesso ibrido 8E viene scelto in modo da avere una larghezza di banda sufficiente per adattarsi alla larghezza di banda delle alimentazioni di ingresso.

Soltanto a titolo di esempio, per il caso della banda Ka, uno spettro totale di 500 MHz è suddiviso in canali di 27 MHz, ciascun filtro passabanda del multiplatore di ingresso IMUX 8 è ottimizzato in modo da operare con uno dei canali di 27 MHz ed il ricevitore/convertitore in discesa 7 presenta una larghezza di banda di 500 MHz.

Questo aspetto della presente invenzione permette così l'impiego dei circuiti multiplatori di ingresso 8 che sono considerevolmente più piccoli e meno costosi dei singoli ricevitori della figura 1C. Uno singolo dei multiplatori di ingresso 8 somma la molteplicità dei fasci e/o delle alimentazioni nel singolo ricevitore 7, e così riduce significativamente il numero dei ricevitori richiesti per una data architettura del carico pagante. Il singolo ricevitore 7 è progettato preferibilmente per operare nella regione lineare in modo da ridurre al minimo le interferenze fra un canale e l'altro ed i prodotti di intermodulazione del terzo ordine. Si suppone per gli scopi della presente invenzione che il singolo ricevitore 7 includa un amplificatore di basso rumore (LNA) che alimenta un circuito miscelatore di conversione in discesa operante con un segnale generato nell'oscillatore locale. Si suppone inoltre che il ricevitore 7 abbia una larghezza di banda sufficiente per far fronte alle esigenze di larghezza di banda della molteplicità degli ingressi combinati .

Un esempio dell'uso della presente invenzione è costituito da uno speciale procedimento per distribuire dati digitali utilizzando una molteplicità di fasci localizzati con diverse forme e diverse dimensioni per coprire completamente e servire le aree di mercato designate secondo Nielsen (DMA) negli Stati Uniti utilizzando una molteplicità di veicoli spaziali in orbita geosincrona. Ciascun fascio localizzato presenta una serie assegnata di risponditori ed i risponditori assegnati di uno o più fasci localizzati sono quindi combinati in multiplazione e sommati nello stesso singolo ricevitore 7. Questa progettazione del sistema del carico pagante per comunicazioni riduce significativamente il numero dei ricevitori 7 che sono richiesti, in confronto con i sistemi di carico pagante progettati in accordo con la tecnica precedente .

Con riferimento ora alle figure 4A e 4B, un ulteriore aspetto della presente invenzione consiste nella capacità di utilizzare il sistema delle comunicazioni basato su veicoli spaziali per erogare dati digitali da una stazione di terra entro un fascio localizzato verso lo stesso fascio localizzato, ad una via, attraverso varie configurazioni di fasci localizzati di antenna. Le configurazioni utilizzano una variazione dei fasci localizzati o zonali di diverse dimensioni, ciascuno avente una forma non-circolare, per esempio una forma ellittica oppure una forma circolare oppure una combinazione di ambedue le forme, per coprire una intera area geografica che deve essere servita. Questo tipo di servizio può cosi adattarsi alle differenze dei mercati, delle strutture demografiche, delle lingue, ecc.

Una combinazione di fasci localizzati circolari e non-circolari, di diverse dimensioni, viene usata nella preferita forma di realizzazione della presente invenzione per formare una configurazione non contigua di zone non contigue, fornendo così un migliore isolamento fra un fascio e l'altro. Un esempio della utilità della presente invenzione è costituito dalla capacità di fornire una copertura di tutte le DMA Nielsen della zona CONUS con due veicoli spaziali in singola o multipla orbita geosincrona, come rappresentato nella figura 2C. Questa tecnica migliora la riutilizzazione delle frequenze di una data larghezza di banda, con una minima serie di antenne e di veicoli spaziali, in confronto con una convenzionale soluzione contigua per le collocazioni dei fasci localizzati.

Nella preferita ma non limitativa forma di realizzazione rappresentata nella figura 2C, vi sono due veicoli spaziali in collocazione su una singola orbita geosincrona, per esempio entro circa 0,2°, i quali vengono usati per coprire tutte le DMA utilizzando delle collocazioni di fasci localizzati alternative fra i due veicoli spaziali. Ciascun veicolo spaziale realizza l'allacciamento in salita con una singola polarità, ma opposta rispetto all'altro veicolo spaziale.

Più specificamente, il veicolo spaziale #1 realizza l'allacciamento in salita RHCP oppure LHCP ed il veicolo spaziale #2 realizza l'allacciamento in salita per LHCP o RHCP (in polarità opposta) oppure il veicolo spaziale #1 realizza l'allacciamento in salita in polarizzazione lineare verticale ed il veicolo spaziale #2 realizza l'allacciamento in salita in polarizzazione lineare orizzontale o viceversa .

L'allacciamento in discesa per ciascun veicolo spaziale è opposto per quanto riguarda la polarità del suo allacciamento in salita. Per esempio, il veicolo spaziale #1 realizza l'allacciamento in salita in RHCP e l'allacciamento in discesa in LHCP, mentre il veicolo spaziale #2 realizza l'allacciamento in salita in LHCP e l'allacciamento in discesa in RHCP oppure il veicolo spaziale #1 realizza l'allacciamento in salita in polarizzazione lineare verticale e l'allacciamento in discesa in polarizzazione lineare orizzontale, mentre il veicolo spaziale #2 realizza l'allacciamento in salita in polarizzazione lineare orizzontale e l'allacciamento in discesa in polarizzazione lineare verticale.

La progettazione del sistema con due veicoli spaziali può utilizzare tutti i fasci localizzati non-circolari di diverse dimensioni, tutti i fasci localizzati circolari di diverse dimensioni oppure una combinazione di fasci localizzati circolari e non-circolari di diverse dimensioni per coprire tutte le DMA. Le tecniche generali per formare fasci localizzati di diverse dimensioni con antenne riflettenti del tipo precedentemente descritto, come anche per formare fasci localizzati circolari o noncircolari, sono note a coloro che sono esperti nel ramo, ma non la combinazione di fasci localizzati di diverse dimensioni e di diverse forme per coprire varie regioni terrestri, permettendo una migliore riutilizzazione delle frequenze ed una riduzione dell'interferenza fra fascio e fascio, come descritto nella presente invenzione.

Soltanto a titolo di esempio, l'antenna circolare 18 da 3 metri potrebbe essere invece una antenna ellittica avente dimensioni di 3,2 metri per 2,5 metri per formare fasci ellittici in distinzione dai fasci circolari.

Si dovrebbe inoltre constatare che gli insegnamenti della presente invenzione non sono limitati all'impiego con due veicoli spaziali operanti con diverse polarizzazioni. Per esempio, vi potrebbero essere tre o più veicoli spaziali, ciascuno operante con doppia polarizzazione.

Pertanto, mentre l'invenzione è stata particolarmente rappresentata e descritta con riferimento alle sue preferite forme di realizzazione, sarà compreso da coloro che sono esperti nel ramo che varianti nella forma e nei dettagli possono essere apportate senza con ciò allontanarsi dallo spirito e dall'ambito dell'invenzione .

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per comunicazioni, comprendente: una pluralità di veicoli spaziali in orbita geosincrona, ciascun veicolo spaziale cooperando per fornire una pluralità di fasci sulla superficie della terra; e una pluralità di stazioni di terra ciascuna singola delle quali è collocata in uno di detti fasci per trasmettere segnali di allacciamento in salita (uplink) ad uno di detti veicoli spaziali; in cui ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di ricevitori per ricevere una pluralità dei segnali di allacciamento in salita dalle stazioni di terra, un traslatore di frequenza per traslare i segnali di allacciamento in salita ricevuti ad una frequenza di trasmissione di una pluralità di segnali di allacciamento in discesa (downlink), una pluralità di amplificatori di canale ed una pluralità di trasmettitori per trasmettere la pluralità dei segnali di allacciamento in discesa nell'ambito degli stessi fasci dei corrispondenti segnali di allacciamento in salita; ed in cui detti fasci presentano almeno una di diverse dimensioni e di diverse forme ed almeno alcuni di detti fasci sono non-contigui su una porzione della superficie della terra.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno di detta pluralità di amplificatori di canale viene sottoposto a controllo di guadagno per mezzo di una corrispondente di dette stazioni di terra.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione della superficie della terra è CONUS.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui i fasci di allacciamento in salita verso un primo di detti satelliti presentano una prima polarizzazione ed i fasci di allacciamento in discesa presentano una seconda polarizzazione opposta ed in cui i fasci di allacciamento in salita verso un secondo di detti satelliti presentano detta seconda polarizzazione ed i fasci di allacciamento in discesa presentano detta prima polarizzazione.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui i segnali di allacciamento in salita ed i segnali di allacciamento in discesa comprendono segnali che rappresentano dati digitali.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui i segnali di allacciamento in salita ed i segnali di allacciamento in discesa comprendono segnali di televisione digitale.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui i singoli suddetti fasci localizzati si sovrappongono ad una predeterminata di un'area di mercato televisivo designata.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di antenne riflettenti diversamente dimensionate per trasmettere e per ricevere detti fasci .
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di antenne riflettenti per trasmettere e ricevere detti fasci, in cui almeno due di dette antenne riflettenti presentano diverse forme.
10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di antenne riflettenti per trasmettere e ricevere detti fasci, in cui detta pluralità di antenne riflettenti sono costituite ciascuna da una antenna Gregorian.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun veicolo spaziale è costituito da una pluralità di antenne riflettenti per trasmettere e ricevere detti fasci, in cui detta pluralità di antenne riflettenti sono costituite ciascuna da una antenna Cassegrain.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui i fasci di allacciamento in salita verso un primo di detti satelliti presentano una polarizzazione circolare destrorsa (RHCP) ed i fasci di allacciamento in discesa presentano una polarizzazione circolare sinistrorsa {LHCP) ed in cui i fasci di allacciamento in salita verso un secondo di detti satelliti presentano la polarizzazione LHCP ed i fasci di allacciamento in discesa presentano la polarizzazione RHCP.
13. 13. Satellite per comunicazioni per fornire una pluralità di fasci sulla superficie della terra e per ricevere segnali di allacciamento in salita provenienti da una pluralità di stazioni di terra le quali singolarmente sono collocate in uno di detti fasci, detto satellite comprendendo una pluralità di ricevitori per ricevere una pluralità dei segnali di allacciamento in salita provenienti dalle stazioni di terra, un traslatore di frequenza per traslare i segnali di allacciamento in salita ricevuti ad una frequenza di trasmissione di una pluralità di segnali di allacciamento in discesa, nonché una pluralità di amplificatori TWTA linearizzati per trasmettere la pluralità dei segnali di allacciamento in discesa nell'ambito degli stessi fasci dei corrispondenti segnali di allacciamento in salita; in cui detti fasci presentano diverse dimensioni ed una o ambedue le forme scelte fra una forma circolare ed una forma non-circolare, in cui almeno alcuni di detta pluralità fasci sono non-contigui e non-dovrapponenti su almeno una porzione della superficie della terra.