WO2000035115A2 - Satellitenkonstellation sowie system und verfahren zur überwachung von flugzeugen - Google Patents

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WO2000035115A2
WO2000035115A2 PCT/DE1999/003885 DE9903885W WO0035115A2 WO 2000035115 A2 WO2000035115 A2 WO 2000035115A2 DE 9903885 W DE9903885 W DE 9903885W WO 0035115 A2 WO0035115 A2 WO 0035115A2
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satellites
satellite constellation
operating
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Eveline Gottzein
Eberhard GRÖGOR
Helmut Wolf
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Daimlerchrysler Ag
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    • H04B7/18578—Satellite systems for providing broadband data service to individual earth stations

Definitions

  • the invention relates to a satellite constellation with a large number of satellites for the bidirectional transmission of data between aircraft and operating centers, and to a system and a method for monitoring aircraft.
  • the constantly growing air traffic is controlled locally or regionally today, whereby mostly individual control stations have control over a certain airspace.
  • the pilot follows the instructions of the airport tower, which he receives via radio communications.
  • the system conditions on board the aircraft are monitored and the system data are stored in a black box in order to obtain information about the cause of the accident after an accident.
  • a display or warning is given in the cockpit, to which the crew must react in order to remedy the error or, if necessary, to go to the nearest airport despite the error.
  • the pilot usually receives support from the radio with the ground. Even in other emergency situations on board, such as medical emergencies or hijackings, the crew is usually connected to the ground via radio.
  • the object of the present invention to increase the safety of air traffic through improved communication.
  • the transmission of high data rates between a large number of aircraft and one or more central operating centers on the ground should be made possible, the transmission being possible at any time and from any location at low cost.
  • the satellite constellation according to the invention has a large number of satellites for the bidirectional transmission of data, the orbits of the satellites and their
  • Distribution are designed so that transmission channels between a large number of airborne aircraft and the operational centers on the ground are preferably provided seamlessly and globally, and wherein the satellites are a system for transmitting high Have data rates (broadband services).
  • the satellites are a system for transmitting high Have data rates (broadband services).
  • a plurality of transmission channels are preferably provided, at least one
  • Transmission channel for the transmission of high data rates and a transmission channel in a lower frequency range is available.
  • This allows e.g. in Ka-band, image or multimedia data are transmitted and at the same time, e.g. in the C or X band, safety-relevant operating data are made available, especially during take-off and landing.
  • safety-relevant operating data are made available, especially during take-off and landing.
  • the known satellite transmission systems cannot meet these requirements.
  • the data may include information about the operational or cabin condition of the aircraft, as well as audio, video, and internet services.
  • This can e.g. the aircraft cabin can be monitored in real time and the system status of a large number of aircraft can be monitored in real time from the ground.
  • the satellites advantageously have a payload for communication in at least two frequency ranges.
  • the operating centers advantageously comprise central data processing centers through which the air traffic can be controlled or monitored nationwide or worldwide. This can e.g. Air traffic is managed centrally and independently of the airways.
  • the transmission channels are preferably broadband communication channels, in particular Ka-band channels, for multimedia and image transmissions and C-band or X-band channels for operating data.
  • a system for the monitoring and control of aircraft comprises such a satellite constellation.
  • the monitoring system has, for example, at least one Operating center that has a device for reading in and processing operating and / or cabin data of airborne aircraft.
  • one or more multimedia centers can be provided in order to supply the aircraft with audio and / or video data, for example by means of video-on-demand, or to connect the aircraft to the Internet.
  • the system advantageously has a warning device for recognizing errors that occur on board and / or an auxiliary system for troubleshooting from the ground.
  • phase-controlled antennas or antenna fields can be located on board the aircraft. It is preferable to use antennas with lower bundling for the lower frequency range and antennas with higher bundling for the higher frequency range, which are mounted on board the aircraft in such a way that a complete illumination of the upper hemisphere is achieved.
  • the antennas with more focused radiation lobes can be made to be controllable in accordance with the changes in angle by flight maneuvers or changes in position.
  • Automatic guidance systems for guiding the aircraft independently of the airway can be located on the ground, e.g. can be realized by powerful computing units.
  • a large number of aircraft in the air are connected to operating centers on the ground via a satellite constellation.
  • Audio data, video data, Internet data and / or operating status data are transmitted between the aircraft and the operating centers.
  • the respective position and speed of the aircraft can be determined nationally or worldwide.
  • the method is preferably carried out with the monitoring system according to the invention or with the satellite constellation according to the invention.
  • a satellite constellation is used to monitor aircraft.
  • the satellite constellation, the system and the method are described below using an example, wherein
  • Figure 1 schematically represents a satellite constellation according to the invention for aviation as a preferred embodiment.
  • Figure 1 shows a satellite constellation, for the global complete detection of air traffic.
  • Several satellites 1, 2, 3, 4 move around the earth on several satellite orbits 10, 20, 30 (100).
  • the satellites 1, 2, 3, 4 are connected to the aircraft via the transmission links 5a, 5b, 5c, 5d and by one or more
  • Transmission channels 6a to 6g connected to operating centers 7 and / or gate ways 12a to 12g.
  • the satellites 1, 2, 3, only one transmission channel 6e, 6f, 6g each for a gate way 12e, 12f, 12g is shown as an example, but it is also possible for these satellites to have a plurality of transmission channels for corresponding gate ways analogous to the satellite 4 be provided.
  • the satellites 1, 2, 3, 4 can be connected to one another by satellite transit links (transmission channels 1 1a, 1 1 b, 1 1c).
  • satellites can move on each of the satellite orbits 10, 20, 30 e.g. 3 or 4 satellites on a geosynchronous orbit, 1 or 2 on an elliptical orbit (Molniya orbits) but also 8 satellites each on 6 inclined orbits (total of 48 satellites).
  • the aim is to achieve almost complete coverage of the entire earth, so that every aircraft 21, 22, 23, 24 in the air is connected to at least one of the satellites 1, 2, 3, 4 at all times.
  • the control station 7 located on the ground can be, for example, a flight operations center in which the data of the airplanes in the air are monitored. Monitoring can be carried out by trained personnel, such as system engineers and technicians, and by expert systems with the help of a mainframe computer. Flight data such as position and speed, as well as system, operating or cabin data are monitored. Data or control commands for a specific aircraft 21, 22, 23, 24 (in the example aircraft 23) are sent via the data links 6a to 6g.
  • the flight operations center is connected to a navigation control station 8, in which the navigation and control of air traffic is carried out. Another connection exists to a multimedia center 9, which supplies the aircraft 21 to 24 with current entertainment programs. In addition, the Internet connections for the passengers are provided from here.
  • a satellite operations center 10 is connected to the flight operations center 7. From there, the satellites are controlled and the satellite systems monitored.
  • the satellites 1, 2, 3, 4 orbit the earth on geostationary orbits, inclined elliptical (Molniya) orbits or several inclined lower / middle orbits of different right ascension.
  • the respective transmitter and receiver unit on board consists of a system for bidirectional transmission of high data rates for broadband services in a high frequency range e.g. Ka-band and for narrowband services in a lower frequency range e.g. C or X band.
  • the data is transmitted bidirectionally in at least two frequency ranges.
  • the aircraft 21, 22, 23, 24 are equipped with phase-controlled antennas or antenna fields. For the lower frequency range, lower-focusing antennas are used and for the higher frequency range, more focused antennas.
  • the antennas are mounted on the aircraft 21, 22, 23, 23 in such a way that the upper hemisphere is illuminated as completely as possible.
  • the antennas with more focused radiation lobes can be readjusted in accordance with the changes in angle by aircraft maneuvers or changes in position.
  • a data connection management system determines which satellite is currently in the vicinity of the respective aircraft so that the antennas of the aircraft can be aimed at this satellite.
  • the planes 21, 22 are in the vicinity of the satellite 3, so that they are directly connected to it. If, owing to the change in position of the aircraft and the satellites in question, another satellite is closer to the aircraft or is in a position more favorable for transmission, the connection is transferred to the next satellite.
  • the integration of the satellites into the ground infrastructure is also adapted. So there is everyone Point of the airspace of the earth 100 a connection between the aircraft and operating stations via one or more satellites 1, 2, 3, 4.
  • Airplane 24 is, for example, a wide-body aircraft with approximately 1000 passengers that is on a transatlantic flight. From takeoff to landing there is a connection between the aircraft 24 and the control station 7 via the satellite constellation according to the invention. All system data of the aircraft, such as turbine data, fuel consumption, temperatures in various systems, pressure, circuits, etc., are sent from the aircraft 24 to the satellite 2 and from there directly, optionally also via the transmission channels 1 1b and 1 1c and the other satellites 3 and 4 sent to operations centers and gate ways on the ground. In the flight operations center 7, the data of the aircraft 24 are monitored by means of a large computing unit in addition to the data of all other airplanes in the air.
  • the cabin of the aircraft 24 is monitored by a video system and the video data is also sent to the operations center. Signs of an emergency situation in the cabin can therefore also be recognized early and by a team from Specialists are tracked and analyzed in real time on the ground. In the event of a medical emergency, a doctor on the ground follows the situation and gives appropriate instructions via the video connection to the aircraft 24.
  • the aircraft 24 is supplied with entertainment programs via the multimedia center 9.
  • the latest news is transmitted to passengers in video and sound. Passengers are also able to communicate over the Internet during the flight.
  • the GNSS control station 8 acquires the position data of the aircraft 24 and the other aircraft in the air and thus enables the control of the aircraft in airspace worldwide. From here, the planes are led to their destination without being tied to airways.
  • the satellite operating center 10 takes over the control of the satellites 1, 2, 3, 4 of the satellite constellation and the monitoring of the satellite operating procedures and also the handover procedures. Depending on the position of the aircraft 24 in relation to the current satellite constellation, the connection is made via different satellites.
  • Broadband and narrowband services are used to monitor all safety and operational data of the aircraft in at least two frequency ranges and to register and process them in user centers on the ground. Assistance systems on the ground optimize the operating data and, via trend and emergency detection, early identification of possible errors and the measures to remedy them. There is an optimal routing from gate to gate with changed tasks of the tower, which are adapted to the requirements of modern aviation.
  • the transmission channels are routed and switched alternatively via inter-satellite link or inter-satellite transit connections from satellite to satellite and / or via terrestrial "gate way" stations back to the satellites (also additional geostationary) and / or in the terrestrial communication network, so that there is an at least simple redundant connection between aircraft and control stations at all times.
  • the cabin can now also be monitored with imaging sensors, which also enables early detection of irregularities and the possibility of intervention in emergencies, for example in the event of medical emergencies or terrorist attacks.
  • current entertainment programs are sent to the aircraft via the satellite constellation or the satellite network, for example by retrieving them from the archives of a central news and multimedia center.
  • the satellite constellation is adapted to the profile of projected air traffic for complete global coverage, i.e.
  • the track height, number of satellites and track data are designed in accordance with these requirements.
  • the redundancy of the transmission path can be increased by satellite transit connections between the satellites.
  • the necessary high data rates are achieved through Ka-band connections between the satellites and the aircraft, the transmission of safety-relevant data or operating data is also carried out via transmission channels in lower frequency ranges, e.g. C or X band.
  • Phase-controlled antennas in the aircraft with digital control of the radiation enable optimization of the radiation angle and antenna performance, as well as the secure connection between the aircraft and the nearest satellite.
  • the present invention noticeably increases the safety of air traffic with its constantly increasing number of passengers.

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Abstract

Beschrieben wird eine Satellitenkonstellation mit einer Vielzahl von Satelliten (1, 2, 3, 4) zur bidirektionalen Übertragung von Daten, wobei die Bahnen (10, 20, 30) der Satelliten (1, 2, 3, 4) und ihre Verteilung so ausgelegt sind, daß bidirektionale Übertragungskanäle (5a bis 5d, 6a bis 6g) zwischen einer Vielzahl von in der Luft befindlichen Flugzeugen (21, 22, 23, 24) und einer oder mehreren Betriebszentren (7) und oder terrestrischen Gate-Way Stationen am Boden bereitgestellt werden und wobei die Satelliten (1, 2, 3, 4) ein System zur Übertragung hoher Datenraten (Breitbandservices) und/oder niedriger Datenraten (Schmalbandservices) aufweisen.

Description

Satellitenkonstellation sowie System und Verfahren zur Überwachung von
Flugzeugen
Die Erfindung betrifft eine Satellitenkonstellation mit einer Vielzahl von Satelliten zur bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen Flugzeugen und Betriebszentren, sowie ein System und ein Verfahren zur Überwachung von Flugzeugen.
Der ständig wachsende Flugverkehr wird heutzutage lokal oder regional kontrolliert, wobei zumeist einzelne Kontrollstationen die Kontrolle über einen bestimmten Luftraum haben. Insbesondere beim Start und bei der Landung befolgt der Pilot die Anweisungen des Towers eines Flughafens, die er über Sprechfunkverbindungen empfängt. Während des Fluges werden die Systemzustände an Bord des Flugzeugs überwacht und die Systemdaten werden in einer Blackbox gespeichert, um nach einem Unfall Aufschluß über die Unfallursache zu erhalten. Beim Auftreten von Fehlern in einzelnen Systemen oder Subsystemen des Flugzeugs erfolgt eine Anzeige oder eine Warnung im Cockpit, worauf die Crew reagieren muß um den Fehler zu beheben, oder gegebenenfalls trotz des Fehlers den nächsten Flughafen anzusteuern. Dabei bekommt der Pilot zumeist Unterstützung durch Sprechfunk mit dem Boden. Auch bei anderen Notzuständen an Bord, wie beispielsweise medizinischen Notfällen oder Flugzeugentführungen, ist die Crew zumeist über Sprechfunk mit dem Boden verbunden.
Bei der Vielzahl von Systemen und Subsystemen in einem Verkehrsflugzeug besteht jedoch das Problem, daß Fehler unter Umständen nicht rechtzeitig erkannt oder falsch eingeschätzt werden. Die hohe Belastung der Crew in Notsituationen kann dazu führen, daß Fehler nicht richtig abgearbeitet werden. Oftmals ist Hilfe vom Boden erforderlich, die mittels Sprachkommunikation erfolgt. Dabei geht jedoch wertvolle Zeit verloren. Darüber hinaus hat der Boden keine direkte Eingriffsmöglichkeit zur Steuerung der an Bord befindlichen Systeme.
Auch bei Notfällen in der Kabine kann die Bodenstation nur durch Sprachkommunikation über den jeweiligen Zustand an Bord informiert werden. Dabei gehen wertvolle Informationen verloren und es besteht kaum eine Möglichkeit, der jeweiligen Situation entsprechend einzugreifen. Ein weiteres Problem ist die mangelnde Sicherheit bei der Luftraumüberwachung. Gerade bei dem stets wachsenden Luftverkehr besteht die Gefahr, daß durch mangelhafte Kommunikation und Koordination zwischen den einzelnen Bodenstationen und den Flugzeugen ein erhöhtes Unfallrisiko entsteht.
Ein zusätzliches Problem stellt die mangelhafte Kommunikationsmöglichkeit der Reisenden dar. Darüber hinaus erfolgt die Unterhaltung der Passagiere derzeit durch Audio- und Videobänder, deren Auswahl an Bord äußerst beschränkt ist und häufig zur Unzufriedenheit der Passagiere führt, was einen Störungsfaktor im Flugbetrieb darstellt.
Ein besonders Problem bei der Kommunikation im Luftverkehr liegt darin, daß die
Übertragung hoher Datenraten mit einer umfassenden zeitlichen und örtlichen Abdeckung derzeit nicht möglich ist. Die Kommunikation über heutige Satellitensysteme, wie z.B. Immarsat, ist hinsichtlich der erforderlichen Datenraten stark eingeschränkt, es ist in der Regel keine Bildübertragung in Echtzeit möglich. Der Zugriff ist zeitlich und regional eingeschränkt und ist mit sehr hohen Kosten verbunden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sicherheit des Luftverkehrs durch verbesserte Kommunikation zu erhöhen. Insbesondere soll die Übertragung hoher Datenraten zwischen einer großen Anzahl von Flugzeugen und einer oder mehreren zentralen Betriebszentren am Boden ermöglicht werden, wobei die Übertragung zu jeder Zeit und von jedem Ort aus kostengünstig erfolgen kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Satellitenkonstellation gemäß Patentanspruch 1 , das Überwachungssystem gemäß Patentanspruch 8, das Verfahren gemäß Patentanspruch 15 und die Verwendung einer Satellitenkonstellation gemäß Patentanspruch 19. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Satellitenkonstellation hat eine Vielzahl von Satelliten zur bidirektionalen Übertragung von Daten, wobei die Bahnen der Satelliten und ihre
Verteilung so ausgelegt sind, daß Übertragungskanäle zwischen einer Vielzahl von in der Luft befindlichen Flugzeugen und den Betriebszentren am Boden bevorzugt lückenlos und global bereitgestellt werden, und wobei die Satelliten ein System zur Übertragung hoher Datenraten (Breitbandservices) aufweisen. Dadurch können eine Vielzahl von Daten der Flugzeuge vom Boden aus überwacht werden und es kann vom Boden aus in die Betriebsoder Systemzustände der Flugzeuge eingegriffen werden.
Bevorzugt werden mehrere Übertragungskanäle bereitgestellt, wobei mindestens ein
Übertragungskanal zur Übertragung hoher Datenraten und ein Übertragungskanal in einem niedrigeren Frequenzbereich vorhanden ist. Dadurch können, z.B. im Ka-Band, Bild- oder Multimediadaten übertragen werden und gleichzeitig, z.B. im C- oder X-Band, sicherheitsrelevante Betriebsdaten insbesondere während Start und Landung zur Verfügung gestellt werden. Auch kann durch z.B. immer drei unabhängige Datenwege über Satelliten-Transit (Intersatellite-) und/oder terrestrische Gate-Way-Links, sichere und verschlüsselte Datenprotokolle, etc. eine vollständig fehlertolerante Datenverbindung gewährleistet werden. Die bekannten Satellitenübertragungssysteme können diese Anforderungen nicht erfüllen.
Die Daten können Informationen über den Betriebs- oder Kabinenzustand der Flugzeuge enthalten, sowie Audio-, Video- und Internetservices. Dadurch kann z.B. die Flugzeugkabine in Echtzeit überwacht werden und die Systemzustände einer Vielzahl von Flugzeugen können in Echtzeit vom Boden aus überwacht werden. Vorteilhafterweise haben die Satelliten eine Nutzlast zur Kommunikation in mindestens zwei Frequenzbereichen. Zur bidirektionalen Übertragung hoher Datenraten für Breitbanddienste z.B., Ka-Band und für schmalbandige Dienste im niedrigeren Frequenzbereich z.B. C-Band. Die Betriebszentren umfaßen vorteilhafterweise zentrale Datenverarbeitungszentren, durch die der Flugverkehr überregional oder weltweit steuerbar bzw. überwachbar ist. Dadurch kann z.B. der Flugverkehr zentral und luftstraßenunabhängig geführt werden.
Die Übertragungskanäle sind bevorzugt Breitbandkommunikationskanäle, insbesondere Ka-Band-Kanäle, für Multimedia- und Bildübertragungen und C-Band- bzw. X-Band-Kanäle für Betriebsdaten.
Ein erfindungsgemäßes System zur Überwachung und Kontrolle von Flugzeugen umfaßt eine derartige Satellitenkonstellation. Das Überwachungssystem hat z.B. mindestens ein Betriebszentrum, daß eine Einrichtung zum Einlesen und Verarbeiten von Betriebsund/oder Kabinendaten von in der Luft befindlichen Flugzeugen aufweist. Insbesondere können ein oder mehrere Multimediazentren vorgesehen sein, um die Flugzeuge mit Audio- und/oder Videodaten zu versorgen, wie z.B. durch Video-on-Demand, bzw. um die Flugzeuge mit dem Internet zu verbinden.
Vorteilhafterweise hat das System eine Warneinrichtung zur Erkennung von Fehlern, die an Bord auftreten, und/oder ein Hilfssystem zur Fehlerbehebung vom Boden aus.
Zur Verbindung mit dem Satelliten können sich an Bord der Flugzeuge nachsteuerbare, insbesondere phasengesteuerte Antennen oder Antennenfelder befinden. Vorzugsweise werden geringer bündelnde Antennen für den niedrigeren Frequenzbereich und stärker bündelnde Antennen für den höheren Frequenzbereich eingesetzt, die derart an Bord der Flugzeuge montiert sind, daß eine lückenlose Ausleuchtung der oberen Hemisphäre erreicht wird. Die Antennen mit stärker bündelnden Strahlungskeulen können entsprechend den Winkeländerungen durch Flugmanöver oder Positionsänderungen nachsteuerbar ausgeführt werden. Am Boden können sich automatische Führungssysteme zur luftstraßenunabhängigen Führung der Flugzeuge befinden, die z.B. durch leistungsfähige Recheneinheiten realisiert sein können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung und Kontrolle von Flugzeugen sind eine Vielzahl von in der Luft befindlichen Flugzeugen über eine Satellitenkonstellation mit Betriebszentren am Boden verbunden. Dabei werden Audiodaten, Videodaten, Internetdaten und/oder Betriebszustandsdaten zwischen den Flugzeugen und den Betriebszentren übertragen. Insbesondere kann die jeweilige Position und Geschwindigkeit der Flugzeuge überregional oder auch weltweit bestimmt werden. Bevorzugt wird das Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem bzw. mit der erfindungsgemäßen Satellitenkonstellation durchgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Satellitenkonstellation zur Überwachung von Flugzeugen verwendet. Nachfolgend wird die Satellitenkonstellation, das System und das Verfahren anhand eines Beispiels beschrieben, wobei
Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Satellitenkonstellation für die Luftfahrt als bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Figur 1 zeigt eine Satellitenkonstellation, zur globalen lückenlosen Erfassung des Luftverkehrs. Mehrere Satelliten 1 , 2, 3, 4 bewegen sich auf mehreren Satellitenbahnen 10, 20, 30 um die Erde ( 100). Die Satelliten 1 , 2, 3, 4 sind mit den Flugzeugen über die Übertragungsstrecken 5a, 5b, 5c, 5d verbunden und durch eine oder mehrere
Übertragungskanäle 6a bis 6g mit Betriebszentren 7 und/oder Gate-Ways 12a bis 12g verbunden. Für die Satelliten 1 , 2, 3 ist exemplarisch nur je ein Übertragungskanal 6e, 6f, 6g zu je einem Gate-Way 12e, 12f, 12g dargestellt, es können aber auch für diese Satelliten mehrere Übertragungskanäle zu entsprechenden Gate-Ways analog zum Satelliten 4 vorgesehen werden. Die Satelliten 1 , 2, 3, 4 können untereinander durch Satellite-Transit-Links (Übertragungskanäle 1 1a, 1 1 b, 1 1c) verbunden sein.
Auf jeder der Satellitenbahnen 10, 20, 30 können sich mehrere Satelliten bewegen z.B. 3 oder 4 Satelliten auf einer geosynchronen Bahn, 1 oder 2 auf einer elliptischen Bahn (Molniya Bahnen) aber auch jeweils 8 Satelliten auf 6 inklinierten Bahnen (Gesamtzahl von 48 Satelliten). Ziel ist eine nahezu vollständige Abdeckung der gesamten Erde zu erreichen, so daß jedes in der Luft befindliche Flugzeug 21 , 22, 23, 24 mit mindestens einem der Satelliten 1, 2, 3, 4 zu jeder Zeit in Verbindung steht.
Die am Boden befindliche Kontrollstation 7 kann z.B. ein Flugbetriebszentrum sein, in dem die Daten der in der Luft befindlichen Flugzeuge überwacht werden. Die Überwachung kann durch geschultes Personal, wie z.B. Systemingenieure und Techniker, und durch Expertensysteme mit Hilfe eines Großrechners erfolgen. Dabei werden Flugdaten, wie Position und Geschwin-digkeit, sowie System-, Betriebs-, oder auch Kabinendaten überwacht. Über die Datenstrecken 6a bis 6g werden Daten oder Steuerbefehle zu einem bestimmten Flugzeug 21 , 22, 23, 24 (im Beispiel Flugzeug 23) gesendet. Das Flugbetriebszentrum ist mit einer Navigations-Kontrollstation 8 verbunden, in der die Navigation und Steuerung des Luftverkehrs durchgeführt wird. Eine weitere Verbindung besteht zu einem Multimediazentrum 9, das die Flugzeuge 21 bis 24 mit aktuellen Unterhaltungsprogrammen versorgt. Darüber hinaus werden von hier aus die Internetverbindungen für die Fluggäste bereitgestellt. Ein Satellitenbetriebszentrum 10 ist mit dem Flugbetriebszentrum 7 verbunden. Von dort aus werden die Satelliten gesteuert und die Satellitensysteme überwacht.
Die Satelliten 1 , 2, 3, 4 umkreisen die Erde auf geostationären Bahnen, inklinierten elliptischen (Molniya) Bahnen oder mehreren inklinierten niedrigeren/mittleren Bahnen unterschiedlicher Rektaszension. Die jeweilige Sende- und Empfangseinheit an Bord besteht aus einem System zur bidirektionalen Übertragung hoher Datenraten für Breitbanddienste in einem hohen Frequenzbereich z.B. Ka-Band und für schmalbandigen Dienste in einem niedrigeren Frequenzbereich z.B. C- oder X-Band. Dabei werden die Daten bidirektional in mindestens zwei Frequenzbereiche übertragen. Die Flugzeuge 21 , 22, 23, 24 sind mit phasengesteuerten Antennen oder Antennenfeldern ausgerüstet. Für den niedrigeren Frequenzbereich werden geringer bündelnde Antennen eingesetzt und für den höheren Frequenzbereich stärker bündelnde. Die Antennen sind derart an den Flugzeugen 21 , 22, 23, 23 montiert, daß die obere Hemisphäre möglichst lückenlos ausgeleuchtet wird. Die Antennen mit stärker bündelnden Strahlungskeulen können entsprechend den Winkeländerungen durch Flugzeugmanöver oder Positionsänderungen nachgesteuert werden. Ein Datenverbindungs-Managementsystem stellt fest, welcher Satellit gerade in der Nähe des jeweiligen Flugzeugs ist, so daß die Antennen des Flugzeugs auf diesen Satelliten ausgerichtet werden können. In der Abbildung sind beispielsweise gerade die Flugzeuge 21, 22 in der Nähe des Satelliten 3, so daß sie mit diesem direkt in Verbindung stehen. Wenn aufgrund der Positionsänderung des betreffenden Flugzeugs und der Satelliten ein anderer Satellit näher am Flugzeug ist bzw. in einer für die Übertragung günstigeren Position ist, so wird die Verbindung an den nächsten Satelliten übergeben.
Im Fall nicht geostationärer Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen wird auch die Einbindung der Satelliten in die Bodeninfrastruktur angepaßt. Somit besteht von jedem Punkt des Luftraums der Erde 100 eine Verbindung zwischen Flugzeug und Betriebsstationen über einen oder mehrere Satelliten 1 , 2, 3, 4.
Im folgenden wird ein Szenario beschrieben, bei dem Flugzeuge mit der erfindungsgemäßen Satellitenkonstellation bzw. dem oben beschriebenen System überwacht werden.
Das Flugzeug 24 ist beispielsweise ein Großraumflugzeug mit ca. 1000 Passagieren, daß sich auf einem Transatlantikflug befindet. Vom Start bis zur Landung besteht eine Verbindung zwischen dem Flugzeug 24 und der Kontrollstation 7 über die erfindungsgemäße Satellitenkonstellation. Dabei werden sämtliche Systemdaten des Flugzeugs, wie beispielsweise Turbinendaten, Treibstoffverbrauch, Temperaturen in verschiedenen Systemen, Druck, Stromkreise etc. vom Flugzeug 24 an den Satelliten 2 gesendet und von diesem direkt, wahlweise auch über die Übertragungskanäle 1 1b und 1 1c und die weiteren Satelliten 3 und 4 zu Betriebszentren und Gate-Ways am Boden gesendet. Im Flugbetriebszentrum 7 werden die Daten des Flugzeugs 24 mittels einer Großrecheneinheit neben den Daten aller anderen in der Luft befindlichen Flugzeuge überwacht. Bei einer Unregelmäßigkeit bzw. beim Überschreiten eines Grenzwertes eines Parameters erfolgt im Flugbetriebszentrum 7 eine Warnung. Für jedes Subsystem des Flugzeugs 24 sind Simulationsmodelle vorhanden und Spezialisten zuständig, die am Monitor den Zustand ihres Systems verfolgen und bei Bedarf eingreifen können. Nach einer sofortigen Fehleranalyse werden entsprechende Maßnahmen zur Fehlerbehebung festgelegt und als Empfehlung/Anweisung an die Besatzung weitergeleitet (Piloten Assistenz Systeme). Dabei kann es sich z.B. um Steuerungskommandos an das betroffene Subsystem des Flugzeugs 24 oder andere Systeme handeln. Im Extremfall wird die Crew im Cockpit weitgehend von der Fehleranalyse und Behebung freigehalten. Auch nach einem Unfall kann eine genaue Fehleranalyse erfolgen, da sämtliche Flug- und Systemdaten am Boden vorhanden sind. Crew Assistenz-Systeme unterstützen das Personal im Cockpit und in der Kabine.
Die Kabine des Flugzeugs 24 wird durch ein Videosystem überwacht und die Videodaten werden ebenfalls zum Betriebszentrum gesendet. Anzeichen für eine Notsituation in der Kabine können daher ebenfalls frühzeitig erkannt werden und durch ein Team von Spezialisten in Echtzeit am Boden verfolgt und analysiert werden. Bei einem medizinischen Notfall verfolgt ein Arzt am Boden die Situation und gibt über die Videoverbindung zum Flugzeug 24 entsprechende Anweisungen.
Über das Multimediazentrum 9 wird das Flugzeug 24 mit Unterhaltungsprogrammen versorgt. Aktuelle Nachrichten werden in Bild und Ton an die Passagiere übermittelt. Die Passagiere sind ebenfalls in der Lage, während des Fluges über das Internet zu kommunizieren.
Die GNSS-Kontrollstation 8 erfaßt die Positionsdaten des Flugzeugs 24 und der anderen in der Luft befindlichen Flugzeuge und ermöglicht so die Steuerung der Flugzeuge im Luftraum weltweit. Von hier aus werden die Flugzeuge zu ihrem Ziel geführt, ohne an Luftstraßen gebunden zu sein. Das Satellitenbetriebszentrum 10 übernimmt die Steuerung der Satelliten 1, 2, 3, 4 der Satellitenkonstellation und die Überwachung der Satellitenbetriebsprozeduren und auch der Handoverprozeduren. Je nach Position des Flugzeugs 24 in Bezug auf die momentane Satelliten-konstellation erfolgt die Verbindung über unterschiedliche Satelliten.
Allgemein werden über die Breitbanddienste und schmalbandigen Dienste in mindestens zwei Frequenzbereichen alle sicherheits- und betriebsrelevanten Daten des Flugzeugs überwacht und in User-Zentren am Boden registriert und aufbereitet. Durch Assistenzsysteme am Boden werden die Betriebsdaten optimiert und über eine Trend- und Notfallerkennung erfolgt eine frühzeitige Identifizierung möglicher Fehler, sowie der Maßnahmen zu ihrer Behebung. Es erfolgt ein optimales Routing von Gate zu Gate mit veränderten Aufgaben des Towers, die an die Anforderungen der modernen Luftfahrt angepaßt sind.
Um eine mindestens einfach redundante Verbindung herzustellen erfolgt das routing und switching der Übertragungskanäle alternativ über Inter-Satellite-Link bzw. Inter-Satellit- Transit Verbindungen von Satellit zu Satellit und/oder über terrestrische "Gate Way" Stationen zurück zu den Satelliten (auch zusätzliche geostationäre) und/oder in das terrestrische Kommunikationsnetz, so daß zu jeder Zeit zwischen Flugzeugen und Kontrollstationen eine mindestens einfache redundante Verbindung besteht. Die Überwachung der Kabine kann jetzt zusätzlich auch mit bildgebenden Sensoren erfolgen, wodurch ebenfalls eine frühzeitige Erkennung von Unregelmäßigkeiten möglich ist und eine Eingriffsmöglichkeit bei Notfällen, z.B. bei medizinischen Notfällen oder terroristischen Anschlägen, besteht. Anstelle von an Bord mitgeführten Video- und Audiokasetten werden über die Satellitenkonstellation bzw. das Satellitennetz aktuelle Unterhaltungsprogramme an die Flugzeuge gesendet, z.B. durch Abrufen aus Archiven eines zentralen News- und Multimediazentrums.
Die Satellitenkonstellation ist zur lückenlosen globalen Erfassung an das Profil des projezierten Luftverkehrs angepaßt, d.h. Bahnhöhe, Anzahl der Satelliten und Bahndaten sind entsprechend diesen Anforderungen ausgelegt. Durch Satelliten-Transit-Verbindungen zwischen den Satelliten kann die Redundanz der Übertragungsstrecke erhöht werden. Die notwendigen hohen Datenraten werden durch Ka-Band-Verbindungen zwischen den Satelliten und den Flugzeugen erreicht, die Übertragung sicherheitsrelevanter Daten bzw. Betriebsdaten erfolgt zusätzlich über Übertragungskanäle in niedrigeren Frequenzbereichen, z.B. C-oder X-Band. Phasengesteuerte Antennen in den Flugzeugen mit digitaler Steuerung der Abstrahlung (Digital-Beam-Steering) ermöglichen eine Optimierung von Abstrahlwinkel und Antennenleistung, sowie die sichere Verbindung zwischen Flugzeug und nächstgelegenem Satelliten.
Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung die Sicherheit des Luftverkehrs mit seiner ständig steigenden Zahl von Fluggästen merkbar erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Satellitenkonstellation mit einer Vielzahl von Satelliten ( 1 , 2, 3, 4,) zur bidirektionalen Übertragung von Daten, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen (10, 20, 30) der Satelliten ( 1 , 2, 3, 4) und ihre Verteilung so ausgelegt sind, daß bidirektionale Übertragungskanäle (5a bis 5d, 6a bis 6g) zwischen einer Vielzahl von in der Luft befindlichen Flugzeugen (21 , 22, 23, 24) und einer oder mehreren Betriebszentren (7) und/oder terristrischen Gate-Way Stationen am Boden bereitgestellt werden, wobei die Satelliten ( 1, 2, 3, 4) ein System zur Übertragung hoher Datenraten (Breitbandservices) und/oder niedriger Datenraten (Schmalbandservices) aufweisen.
2. Satellitenkonstellation nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Daten Informationen über den Sicherheits- und/oder den Betriebs- und/oder Kabinenzustand der Flugzeuge und/oder für Unterhaltungs- und Informationssysteme für Passagiere enthalten.
3. Satellitenkonstellation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten folgendes enthalten: a) Sicherheits- und Betriebsdaten vom Flugzeug: - Zustandsdaten von Systemen für Betrieb und Sicherheit des Flugzeugs zur Weiterleitung an das Betriebsnetz der Fluggesellschaften.
- Videoübertragung aus sicherheitsrelevanten Zonen des Flugzeugs, insbesondere Cockpit und/oder Frachtraum, und zur Assistenz bei Notfällen, insbesonder zur medizinische Notversorgung und/oder bei terroristischer Gefährdung und/oder b) Sicherheits- und Betriebsdaten zum Flugzeug für:
- Assistenzsysteme für Piloten und Besatzung
- Videoübertragung zur Unterstützung bei Notfällen. und/oder c) Daten zur Unterhaltung und Information für Passagiere:
- Echtzeit Nachrichten- und Bildprogramme aus Multimedia-Centern zum Flugzeug
- Internetzugang für Passagiere von und zum Flugzeug
4. Satellitenkonstellation nach einem der vorhergenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Satelliten (1 , 2, 3, 4) eine Nutzlast zur Kommunikation in möglichst zwei Frequenzbereichen aufweisen und die Übertragungskanäle (5a bis 5d, 6a bis 6g) in einem hohen Frequenzbereich (z.B. Ka-Band) für Breitbanddienste und in einem niedrigeren Frequenzbereich (z.B. C-Band) für schmalbandige Dienste liegen.
5. Satellitenkonstellation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Satelliten ( 1, 2, 3, 4) den Luftraum möglichst global mit mehreren Strahlungskeulen abdecken, wobei die Übertragungskanäle (5a bis 5d) die Flugzeuge mit den Satelliten (1 , 2, 3, 4) und die Übertragungskanäle (6a bis 6g) mit der Bodeninfrastruktur redundant verbinden.
6. Satellitenkonstellation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestriebszentren (7) Daten an zentrale
Datenverarbeitungszentren weiterleiten können, durch die der Flugverkehr überregional oder weltweit gesteuert und überwacht werden kann.
7. Satellitenkonstellation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskanäle Breitband-kommunikationskanäle, insbesondere Ka-Band-Kanäle für hohe Datenraten und/oder C -Band-Kanäle und/oder X- Band-Kanäle für vorwiegend niedrigere Datenraten sind.
8. Satellitenkonstellation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position und Geschwindigkeit der Satelliten und die Position und Geschwindigkeit der Flugzeuge bekannt sind und mittels dieser Information für jedes Flugzeug die entsprechenden Übertragungskanäle auf die jeweils günstigste Strahlungskeule des jeweils günstigsten Satelliten geschaltet werden können.
9. System zur Überwachung und Kontrolle von Flugzeugen, gekennzeichnet durch eine Satellitenkonstellation nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens ein Betriebszentrum, das eine Einrichtung zum Einlesen und Verarbeiten von Betriebsdaten und/oder Kabinendaten von in der Luft befindlichen Flugzeugen aufweist.
1 1. System nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein
Multimediazentrum (9) am Boden, zur Versorgung der Flugzeuge mit Audio-/Video-daten und/oder zur Verbindung der Flugzeuge mit dem Internet.
12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1, gekennzeichnet durch eine Frühwarneinrichtung zur Erkennung von Fehlern an Bord und/oder ein Hilfssystem zur
Fehlerbehebung vom Boden aus.
13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch geringer bündelnde Antennen für den niedrigeren Frequenzbereich und stärker bündelnde Antennen für den höheren Frequenzbereich, die derart an Bord der Flugzeuge (21 , 22, 23, 24) montiert sind, daß eine lückenlose Ausleuchtung der oberen Hemisphäre möglich ist.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen mit stärker bündelnden Strahlungskeulen entsprechend den Winkeländerungen durch Flugmanöver oder Positionsänderungen nachsteuerbar sind.
15. System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch ein Führungssystem zur luftstraßenunabhängigen Führung der Flugzeuge (21, 22, 23, 24).
16. Verfahren zur Überwachung und Kontrolle von Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von in der Luft befindlichen Flugzeugen (21, 22, 23, 24) über eine Satellitenkonstellation mit mindestens einem Betriebszentrum (7) am Boden verbunden ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Audiodaten,
Videodaten und/oder Betriebszustandsdaten zwischen den Flugzeugen (21 , 22, 23, 24) und den Betriebszentren (7) übertragen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Position und Geschwindigkeit der Flugzeuge (21, 22, 23, 24) überregional oder weltweit bestimmt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Satelliten Übertragungsstrecken (1 1a, 1 1b, 1 1c) für Breitbanddienste und/oder schmalbandige Dienste wirken.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß daß mittels der Übertragungsstrecken (1 1a, 1 1b, 1 1c) und/oder terrestrischer Gate-Way-
Verbindungen (12a bis 12g) eine fehlertolerante Datenverbindung zu den Betriebszentren (7) gewährleistet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem System nach einem der Ansprüche 9 bis 15 durchgeführt wird.
22. Verwendung einer Satellitenkonstellation, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 15, zur Überwachung von Flugzeugen.
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