NO177029B - Kommunikasjonssystem med bevegelige objekter og med bruk av satellitter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et kommunikasjonssystem med bevegelige objekter og bruk av satellitter. Søkeren har betegnet dette system med akronymet "SYCOMORES" som står for "kommunikasjonssystem med bevegelige objekter, formidlet av satellitter" .

Begrepet bevegelig objekt skal forstås å bety personbiler, lastebiler, skip, fly, tog og utvidet enhver bruker utstyrt med bærbare terminaler som er midlertidig stasjonære.

I romalderens tidligste år dukket det opp kommunikasjons-satellitter med en periode på 12 timer og med sterkt elliptiske baner (perigeum ca. 1000 km og apogeum 39 000 km). Disse systemer ble hovedsakelig utviklet av Sovjetunionen med satellitter av MOLNYA-typen.

Imidlertid lider disse av følgende ulemper:

en ikke uten videre neglisjerbar atmosfærisk oppbremsing på grunn av den begrensede perigeumavstand,

betydelig forstyrrelse fra jordens potensial som er omvendt proporsjonalt med størrelsen på banens store halvakse,

to gangers passasje gjennom Van Allen-områdene,

behov for å benytte minst tre satellitter for en 24-timers dekning,

en langstrakt linseform på dekningssonen i samsvar med en øst-vest akse som ikke er godt egnet for Vest Europa,

betydelig variasjon i distansen satellitt-jord som fører til en stor doppler effekt og en "zoom"-effekt som forårsaker problemer med radiodekning og stillingskontroll.

Et annet system som benytter minst 6 satellitter i ikke-synkron bane er kjent fra EP-A-0 059454. Omløpstiden for hver satellitt avhenger av antall satellitter og er eksempelvis med 6 satellitter 16 h.

Forekomsten av geostasjonære satellitter gjorde det mulig å løse visse av disse problemer. Slike satellitter med sine ekvatoriale sirkelbaner og en periode på 24 timer synes å være ubevegelig over et punkt på jordoverflaten, slik at de kan utgjøre fordelaktige relestasjoner for telekommunikasjons-nettverk.

Imidlertid lider denne løsning fortsatt av ulemper. Således varierer høydevinkelen til en geostasjonær satellitt sett fra et bevegelig objekt på bakken, med bredden til det bevegelige objekt, noe som innebærer at antennene må rettes mot satellitten. Den følgende tabell gir verdier for høyden som funksjon av et steds bredde for et visst antall byer på det nordlige halvkule i et område mellom det arabisktalende Nord-Afrika (Maghreb) og Skandinavia.

Selv om denne høydevinkelen varierer, er den relativt liten for høye bredder, noe som forårsaker transmisjonsproblemer. For en høydevinkel på f.eks. 38° ville således et 8 m høy hindring 10 m fra et bevegelig objekt forhindre kommunikasjon.

Slike hindringer påtreffes imidlertid hyppig i byer og forsteder.

I tillegg varierer asimut for retningen fra det bevegelige objekt til satellitten kontinuerlig med hensyn på det bevegelige objekt, når det siste forandrer sin bevegelsesretning. Det er derfor nødvendig å skaffe en anordning for permanent å rette det bevegelige objekts antenne mot satellitten. Endelig, hva angår gjenutsendelsesanordningene ombord i satellitten, er deres effekt proporsjonal med l/sin E (hvor E er høyde-vinkelen), den varierer med bredden til operasjonsområdet eller i det minste er den fiksert til en høy verdi bestemt av laveste høydevinkel.

For å unngå disse ulemper, er der foreslått systemer av satellitter med koordinerte baner, slik at det sikres permanent dekning på bakken. I GPS/NAVSTAR-systemet er det f.eks. 21 satellitter med sirkulære baner med 12 timers periode slik at 4 slike satellitter alltid kan sees direkte fra et punkt på jordoverflaten. Europeisk patentsøknad nr.213 355 beskriver et system av den art, men hvor bare 4 satellitter har elliptiske baner. Disse satellittene har samme periode og forskjellige fotspor på bakken. To satellitter har sitt perigeum over den nordlige halvkule og to andre over den sydlige halvkule. Følgelig kan ethvert punkt på jorden hele tiden "se" en av disse satellittene. Imidlertid lider et slikt system fortsatt av ulemper i den forstand at satellittens høydevinkel sett fra det bevegelige objekt varierer betydelig.mellom de enkelte områder på jorden.

Andre konstellasjoner er beskrevet i artikkelen av J.E. Draim med tittelen "Three- and four- satellite continuous-coverage constellations" offentliggjort i "Journal of Guidance, Control and Dynamics", bind 8, No. 6, November/Desember 1985, ss.725-730.

Selv om de er av interesse i visse henseende, gjør ingen av disse konstellasjoner det mulig å løse alle iboende problemer ved kommunikasjon med bevegelige objekter og essensielt som følger: for det første er det svært ønskelig å unngå behovet for å orientere kjøretøyantennen mot satellitten;

det er foretrukket å være i stand til å benytte antenner med høy vinning (f.eks. over 10 dB) for å øke transmisjons-kapasiteten;

og endelig må systemet være godt beskyttet mot interferens fra omgivelsene.

Den foreliggende oppfinnelsen angår derfor et system som eliminerer ulempene ved kjente teknikk og imøtekommer alle disse krav.

For dette formål skaffer oppfinnelsen et kommunikasjonssystem som er kjennetegnet ved at det omfatter minst en sentralstasjon på bakken ved et sted nær sentrum for et dekningsområde med en hovedsakelig trekantet geografisk form, idet stasjonen er forbundet med et kommunikasjonsnettverk og har en antenne som kan orienteres i nærheten av vertikalen, minst to geosynkrone satellitter med elliptiske baner som har identiske karakteristikker og sammenfallende fotspor på bakken, men med oppstigende knuters lengder forskjøvet med 2 n/n hvor n er antallet satellitter, idet hver satellitt har sender-mottager-anordninger forbundet med antenner og anordninger for å rette disse antenner mot sentralstasjonen på bakken i hele det tidsrom når satellitten passerer over bakkedekningsområdet, samt mot bevegelige objekter utstyrt med en vertikalt rettet antenne med høy vinning.

Sammenlignet med de 12 timers konstellasjoner av Molnya-typen med elliptiske baner, fører den følgende oppfinnelse til fravær av atmosfæriske oppbremsing, ingen passasje gjennom Van Allen-områdene, reduksjon av interferens på grunn av jordens potensial, to satellitter (og ikke tre) er tilstrekkelig for en 24-timers dekning (selv om tre satellitter gjør det mulig å oppnå en viss redundans), tilpasning av formen på dekningssonen, (sfæriske trekant) til Europa, fravær av formørkelser på nordlige og sydlige bredder over 35° og en begrenset variasjon i avstanden mellom satellitten og jorden, noe som fører til en redusert dopplereffekt og til en konfigurasjon av satellitten som er svært nær den for en geostasjonær satellitt.

Systemet i henhold til oppfinnelsen kan operere med bare to satellitter hvis oppstigende knutelengder er forskjøvet med 180°. Dette er en konstellasjon med det minimale antall satellitter for 24 timers dekning. Imidlertid tillater en konstellasjon med tre satellitter, for hvilke lengdene på de oppstigende knuter er forskjøvet med 120° med hensyn til hver-andre, en 24-timers dekning selv i tilfeller av svikt av hvilken som helst av de tre satellittene i konstellasjonen. Det er på denne måte mulig å sikre vedvarende tjenestedyktighet for en gitt levetid av systemet.

Oppfinnelsen skal beskrives mer detaljert i det følgende i tilknytning til ikke-begrensende utførelser og den vedføyde tegning. Fig. 1 viser skjematisk systemet i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 viser den geografiske dekning som fås og satellittens fotspor.

Fig. 3 viser mer detaljert satellittenes høyder.

Fig. 4 viser operasjonen av en konstellasjon med 2 satellitter. Fig. 5 viser operasjonen av en konstellasjon med 3 satellitter. Fig. 6 viser et eksempel på en satellitt som kan benyttes for å realisere oppfinnelsen. Fig. 7 viser et diagram for oppskytingen og plasseringen i bane av satellitter.

I den følgende beskrivelse vil det antas at området som dekkes av systemet er plassert på nordlige halvkule mellom omtrent breddene 35 og 60° og omtrent mellom lengdene -10 og +20°. Et slikt område dekker hovedsakelig Nord-Afrika, Vest-Europa og den sydlige del av den skandinaviske halvøy. Det er innlysende at oppfinnelsen ikke er begrenset til et slikt område, men lett kan tilpasses hvilket som helst annet område i verden på den ene eller den andre av de to halvkuler.

Fig. 1 viser et dekningsområde Z i form av et sfærisk trekant, en sentralstasjon SC plassert på bakken ved et punkt som er nær senteret for området og to geosynkrone satellitter S-A og S-B som har elliptiske baner med identiske parametere. Eksempelvis kan parameterne være apogeum A ved omtrent 50 543,4 km, perigeum P ved omtrent 21 028,6 km, store halvakse 42 164 km, inklinasjon på 63°4, perigeums lengde 270° og banens eksentrisitet 0,35.

På banen på fig. 1 er det markert punkter Egl og Eq2 plassert i ekvatorplanet såvel som punktene E og S ved bredde 35° og som respektive svarer til inntreden i og utreden fra satellittenes operasj onssone.

Hver satellitt har en eller to antenner 11 og 12 som hver peker mot sentralstasjonen SC under hele perioden når satellitten passerer over dekningsområdet. Sentralstasjonen kan omfatte en forbindelsesstasjon og en kontrollstasjon.

Fig.l viser også et bevegelig objekt M (som innlysende er plassert i området Z, men som er vist ovenfor den samme av hensyn til oversiktligheten). Hvert bevegelig objekt er utstyrt med en antenne 14, hvis akse peker permanent mot zenit (den er derfor ikke orienterbar). Som det vil bli vist i det følgende, er maksimumsvinkelen mellom vertikalaksen og linjen mellom det bevegelige objekt og satellitten 35°.

Det kan skilles mellom tre faser for å beskrive driften av dette system: i den første fase, over 35° nordlig bredde, er satellittens relesender i drift og kommunikasjon med de bevegelige objekter formidles av satellitten via bakkeforbindelsesstasjonen, og for en gitt satellitt varer denne fase 12 timer,

i den annen fase, mellom 35° nord og ekvator, er det en oppstigende del (fra syd til nord) og en nedstigende del (fra nord til syd), idet kontrollstasjonen under den første verifiserer satellittens tilstand og kontrollerer dens igangsetting straks før 35°, mens kontrollstasjonen under den siste kontrollerer opphør av senderdriften ombord i satellitten og sjekker satellittens tilstand før den blir usynlig for stasjonen, idet denne annen fase varer i seks timer,

og i den tredje fase er satellitten under ekvatorplanet slik at den er overlatt til seg selv, med mindre naturligvis en ekstra kontrollstasjon er plassert et.eller annet sted på den sydlige halvkule, og denne siste fase varer 6 timer.

Fig. 2 viser fotsporet på bakken for satellittene. Det bør fremheves at dette fotspor er det samme for to eller tre satellitter. Dette fotspor 20 kommer inn i området Z ved punktet E, går i sløyfer mot 60° nordlig bredde og går ut av området ved punkt S. Punktene E og S befinner seg ved en bredde på rundt 35°.

Innenfor det trekantede geografiske område Z og uansett stedet hvor det bevegelige objekt befinner seg, er det mulig fra dette sted å se minst en satellitt i 12 sammenhengende timer. Dessuten er høydevinkelen til satellitten Z for et bevegelig objekt i området Z alltid mellom 55 og 90°. Følgelig sees alltid "satellitten inne i en kjegle med vertikal akse og hvis halve kjeglevinkel er mindre enn 35°. Fig. 2 viser også et område Z<f> som er noe mer omfattende enn område Z. I dette område er satellittens synlighetsvinkel mellom 50 og 90°. Fig. 3 viser satellittens høyde med hensyn på bakken. På de to aksene til horisontalplanet er lengden og bredden avmerket og på vertikalaksen høyden. Bare partiet som er plassert over 35° nord benyttes. Denne grafen gjør det mulig å bedømme satellittenes lille høydevariasjon med de fordeler som derav følger og som ble fremhevet foran (kvasi-geostasjonær posisjon). Fig. 4 og 5 viser bruken av systemet i de to konstellasjons-typer (med to eller tre satellitter). Fig. 4 viser konstellasjonen med bare to satellitter S-A og S-B, og med oppstigende knutelengder forskjøvet med 180°. Fra tidspunkt 0 som betraktes som origo og markert O h som svarer til inntreden av satellitten S-A i dekningsområdet, til 12 h svarende til uttreden av området, er ethvert punkt i området synlig fra satellitten S-A, slik at kommunikasjon formidles av S-A. Fra 12 til 24 timer er satellitten S-B direkte synlig og kommunikasjon formidles av S-B. I dette opplegg er breddesveipet av den orienterbare antenne som er bygget inn i satellitten ± 15° og lengdesveipet ± 2°.

På fig. 5 har konstellasjonen tre satellitter S-A, S-B og S-C med oppstigende knutelengder forskjøvet med 120°.

I normal drift er det en viss redundans i valget av Tele-satellitt . Fra 0 til 12 timer kan relestasjonen være satellitt S-A, fra 8 til 20 timer satellitt S-B og fra 16 til 24 timer satellitt S-C. I dette nominelle opplegg er antennens breddesveip fremdeles ± 15° og lengdesveip ± 2°.

Hvis en av de tre satellittene svikter, er det fortsatt mulig å oppnå 24 timers kontinuerlig tjeneste ved å modifisere breddesveipet noe, idet dette blir ± 25°, mens lengdesveipet blir ± 25°. For eksempel om satellitten S-B svikter, vil satellitten S-A benyttes fra 0-12 timer i normalmoden og deretter fra 12 til 12+2=14 timer i den forringede mode (med større lengde og bredde) og deretter fra 16-2=14 timer til 16 timer med satellitten S-C i den forringede mode og 16 til 24 timer med satellitten S-C i den normale mode. Varigheten av den forringede driftsperiode overstiger således ikke 4 av 24 timer.

Fig. 6 viser en av satellitt-typene som kan benyttes for å realisere systemet i henhold til oppfinnelsen. Det er en MATRA-EUROSTAR-satellitt. Denne satellitten stabiliseres på treaksi måte og er-utstyrt med et svinghjul som holder en akse i nord-syd retningen. Stjernesensorer benyttes for å søke og opprett-holde denne orientering.

Som vist, omfatter satellitten en hoveddel 3 0 hvortil er festet to solpaneler 31, 32 og antenner, spesielt to parabolantenner 34, 36. Ved kinetisk momentoverføring mellom svinghjulet og satellittlegemet er det mulig å få et lengdesveip på noen få grader i antennens siktelinje.

Breddesveipet fås som et resultat av en frihetsgrad gitt antennesupporten, f.eks. med en orienterbar arm, henholdsvis 38-40. Det er således mulig å få det nødvendige sveip på tilnærmet ± 15°. Kombinasjonen av disse to sveipene tillater antennene stadig å peke mot kontrollstasjonen plassert i

sentrum av dekningsområdet.

Andre satellitter kan benyttes, f.eks. SPACEBUS 100 B-satellitten til AEROSPATIALE med en antenneorienteringsmekanisme av typen "M.P.A. AEROSPATIALE".

En rekke strategier er mulig hva angår å bringe satellittene i bane. Bare en av disse vil bli beskrevet på en forklarende måte i samband med fig. 7. Den benytter ARIANE IV-raketten og krever tre trinn. Under oppskyting ledsages satellitten av en vanlig geostasjonær satellitt. De to satellittene plasseres i den standard overføringsbane for ARIANE IV-raketten, nemlig en bane plassert i et kvasi-ekvatorialt plant (inklinasjon 7°) med et perigeum på 200 km, et apogeum på 35 975 km og en perigeum-lengde på 178° (banen markert OST på fig. 7).

I nærheten av perigeum for denne standard overføringsbane tennes satellittraketten for den første brennperiode som er i stand til å øke apogeum til 98 800 km, idet banen forblir i samme plan (bane 01). Denne brennperiode kan deles opp i to eller tre brennperioder.

I nærheten av apogeum til bane 01, benyttes en ny brennperiode for å forandre baneplanet. Inklinasjonen til denne bane er nær den for den endelige bane, (nemlig 63°,4). Dette utgjør den lengste brennperiode og kan deles i to eller tre enkelte brennperioder slik at banen blir 02.

Endelig kan det på et passende punkt i denne bane gis en tredje impuls til satellitten slik at den får sin endelige bane.

/

Hva angår kommunikasjonsanordningene mellom bakkestasjonen, satellittene og de bevegelige objekter, er det mulig å benytte enhver anordning kjent innen området romtelekommunikasjon.

Rent forklarende skal det påpekes at forbindelsen mellom forbindelsesstasjonen og satellitten kan skje i C-båndet mellom 6425 og 6525 MHz i retningen bakke-satellitt og mellom 3600 og

3700 MHz i retningen satellitt-bakke,

forbindelsen mellom kontrollstasjonen og satellitten kan skje i S-båndet mellom 2029 og 2033,6 MHz i retningen bakke-satellitt og mellom 2203,5 og 2208 MHz i retningen satellitt-bakke, forbindelsen mellom satellitten og de forskjellige bevegelige objekter (eventuelt faste stasjoner) kan skje i L-båndet mellom 1646,5 og 1660,5 MHz i retningen bakke-satellitt og mellom 1545 og 1559 MHz i retningen satellitt-bakke.

Bakkekontrollstasjonen kan operere med en 1000 W sender i S båndet og med en antenne med diameter 6m og vinning 41 dB. Forbindelsesstasjonen kan operere med en 10 W sender i bånd C og med en antenne med 2,5 m diameter og 42 dB vinning.

Ombord i hver satellitt er det tre relesendere, henholdsvis 5 W i S-båndet, 400 W i L-båndet og 10 W i C-båndet. C-bånd-antennen har en vinning på 30 dB og en diameter på 2,5 m og S-bånd-antennen har en vinning på 32 dB og en diameter på 0,75 m.

Naturligvis er disse verdiene bare gitt som eksempel og skal ikke på noen måte begrense oppfinnelsens omfang.

Claims (4)

1. Kommunikasjonssystem med bevegelige objekter og bruk av satellitter, karakterisert ved at det omfatter minst en sentralstasjon (SC) på bakken ved et sted nær sentrum for et dekningsområde (Z) med hovedsakelig trekantet geografisk form, idet stasjonen er forbundet med et kommunikasjonsnettverk og har en antenne (10) som kan orienteres i nærheten av vertikalen, minst to geosynkrone satellitter (S-A, S-B) med elliptiske baner som har identiske karakteristikker og sammenfallende fotspor på bakken, men med oppstigende knuters lengder forskjøvet med 2rt/n hvor n er antallet satellitter, idet hver satellitt har sender-mottager-anordningen (4) forbundet med antenner (11,12) og anordninger for å rette disse antenner mot sentralstasjonen (SC) på bakken i hele det tidsrom når satellitten passerer over bakkedekningsområdet, samt mot bevegelige objekter (M) utstyrt med en vertikalt rettet antenne (14) med høy vinning.

2. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det omfatter to satellitter hvis baner har oppstigende knutelengder forskjøvet med 180°.

3. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at hver satellitt er av den treaksige stabiliserte type, med en akse orientert i nord-syd-retningen og med et svinghjul, og at anordningen for å rette inn antennene virker ved hjelp av kinetisk momentoverføring for å gi antennene et lengdesveip og er forsynt med en ledd-mekanisme for å gi antenne et breddesveip.

4. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at sentralstasjonen på bakken har en anordning for å starte sender-mottager-anordningen i satellittene når en av disse kommer inn i dekningsområdet, og for å koble ut denne anordning når satellittene