CN1122959A - 用于多径卫星通信链路的天线 - Google Patents

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Abstract

天线(70)包括有以相对垂直于地面的轴线(法线)的第一角度定向的主平面的第一子结构(72)，及多个各具有以对于第一子结构的主平面的第二角度设置的第二子结构(74)。多个子结构各具有由以根据从一个相邻子结构向外指的法线的轴线的第三角度定向的局部主平面向外指的法线，多个子结构的各个的向外指的法线设置成背离轴线的方向。至少一个天线单元(76)由第一子结构和多个第二子结构的每一个所支承。

Description

用于多径卫星通信链路的天线
本发明一般涉及多径通信系统，特别涉及一种在多径卫星通信系统中使用的天线系统。
在现有技术中已经充分地阐述了卫星通信系统，例如，涉及Robert A.Wiedeman在1994年4月12日公开的美国专利5,303,286，其题目为“无绳电话/卫星漫游系统”。还涉及在美国专利5.303,286中记载的许多美国专利、外国专利和其它出版物。
使人特别感兴趣的发明是Stephen A.Ames于1993年8月3日公开的美国专利5,233,626，题目为“转发器分集扩展频谱通信系统”。该专利教导一种转发器分集扩展频谱通信系统，它在发射机(1)和接收机(7)之间基本上提供无衰落通信。发送信号是通过产生发送信号的复制信号的多个线性通信转发器(3-6)来转发的，该每个复制信号是通过独立衰落信号通路到达的。发射机和/或接收机可安装在移动平面上，而多个转发器可以在地面或者可以在近地球轨道或者同步地球轨道的卫星中设置。接收机处理接收的复制信号，以便它们在延迟、频率和相位方面相互均衡，然后组合多径接收的和均衡的复制信号，以产生具有大大地降低衰落深度的复合信号。
本发明的目的是提供一种用于多径卫星通信系统的天线系统，它给地面站或终端提供向近地球轨道(LEO)通信卫星的星座的多颗近地球轨道(LEO)卫星进行发送、和从LEO通信卫星星座的多颗近地球轨道(LEO)卫星进行接收的能力。
本发明的天线为包括LEO卫星信号的接收机和发射机的用户终端提供高增益。当考虑LEO卫星已采用极限功率时，由天线提供的辅助接收机增益能使卫星(转发器)发射机输出功率相应地减小，这是有益的结果。该卫星功率的减小可以在正向链路(网关到用户)和反向链路(用户到网关)实现。由天线提供的附加增益也能使用户终端发射机输出功率相应减小。
该天线包括具有主平面的第一子结构，主平面是以相对垂直地面的轴线(法线)的第一角度(例如90°)定向的。天线70也包括多个N(例如6个)第二子结构74，其中各单个子结构74具有以相对第一子结构的主平面的第二角度(例如45°)配置的局部主平面。多个子结构的每一个具有一个由局部主平面向外指的法线，该局部主平面是以根据相邻的一个子结构向外指的法线的该轴线的第三角度(例如60°)定向的。然而，N和第三角度可具有不同值，例如8和45°。多个子结构的每个向外指的法线设置成背离轴线的方向。
至少一个天线单元，例如一个喇叭或补片或者一个补片阵，可由第一子结构支承，也可由多个第二子结构的每个子结构支承。在低地球轨道卫星的仰角的宽范围内，第一子结构和至少部分的多个第二子结构的天线单元能在一个终端和至少一颗低地球轨道卫星之间实现扩展频谱通信。
供使用的特定子结构天线单元可根据卫星天文历数据按预测卫星仰角和方位角进行选择，或者通过依次扫描多个子结构的天线单元按测量接收信号强度进行选择。也可使用卫星天文历数据预测和测量信号强度的组合进行选择。
本发明还公开了一种用于操作一个终端以从多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星接收信息、或发送信息到多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星的方法。当给定的任一时刻在终端进行观察时，多颗卫星中的每一颗是以特殊仰角定向的。该方法包括步骤为：对于第一仰角范围，选择天线结构的第一部分接收和发送信息，该第一部分是以相对垂直地面的轴线的第一角度设置的。对于第二仰角范围，该方法选择天线结构的第二部分接收或发送信息，该第二部分以相对垂直地面的轴线的第二角度设置。对于可能的第三和随后接着发生的仰角范围，该方法选择天线结构的各另外部分接收或发送信息，各另外部分以相对垂直地面的轴线的第一角度设置。
该方法进一步包括：同时执行接收和跟踪来自多颗卫星中的至少另一卫星的同步信号的步骤。
在本发明优选实施例中，接收信息是扩展频谱的信息，并且，接收和跟踪步骤包括锁定到由至少另一卫星发送的导频信道上的步骤。
本发明的上面陈述和其它特征，在结合附图阅读本发明随后的详细说明时更为显而易见。其中：
图1是根据本发明天线系统的目前优选实施例结构和操作的卫星通信系统的方框图；
图2是图1的一个网关的方框图；
图3A是图1的一个卫星的通信有效负载的方框图；
图3B表示从图1的一个卫星发送的部分波束图；
图4是描绘卫星遥测和控制功能的地面装置支承的方框图；
图5是图2的CDMA子系统的方框图；
图6是本发明目前优选的固定天线结构的顶视图；
图7是图6的天线结构沿剖面线7-7的横截面图；
图8是本发明天线系统的方框图；
图9A是图8的高增益天线部分的方框图；
图9B是图9A的PIN二极管开关阵的示意图；
图10是本发明的固定天线系统的天顶角(度)与绝对增益(dBi)的关系曲线图；
图11表示用于解释图6的天线子结构74的定向的典型卫星跟踪；
图12是图6的天线结构又一实施例的顶视图；和
图13是本发明另一实施例的方框图，其中接收信号强度用于选择和转换天线。
图1表示可使用本发明天线系统的目前优选实施例的卫星通信系统10的优选实施例。在详细描述本发明之前，将首先进行通信系统10的说明，以便可更完整地了解本发明的天线系统。
通信系统10从概念上可再分成多个部分1、2、3和4。部分1这里称作空间部分，部分2为用户部分，部分3为地面部分和部分4为电话系统基地部分。本发明最明确地是针对着用户部分2，尤其对着图6和图7所示的固定天线结构70。天线结构70和相关的电子系统能使用户与形成近地球轨道(LEO)卫星12的星座的多颗单独的卫星同时通信。
在本发明的优选实施例中，例如在1410千米LEO中总共有48颗卫星。卫星12分布在8条轨道面中，每个面(Walker星座)具有6颗等间距卫星。轨道面相对赤道倾斜52度，并且每颗卫星每114分钟完成一次轨道运行。由于从在南纬70°和北纬70°之间的特定用户位置在任一给定时间的观察中使用至少两颗卫星，这种方法最优选地提供了大致的全球覆盖。照此，一个用户能够从地面的任一点，经过一个或多个网关18和一颗或多颗卫星12(也许，使用一部分电话基地(telephone infrastructure)部分4)与地面上另一点进行通信。
应注意一点：对系统10的上文和随后的说明仅表示在通信系统内可应用本发明天线结构和系统的通信系统的一个适当的实施例。也就是说，在本发明实施时具体详细的通信系统并不应被理解或认为是受到了限制。
现在继续说明系统10，在卫星12之间和在由每颗卫星(图3B)发送的16个点波束的单个点波束之间的软传送(切换)处理通过扩展频谱(SS)、码分多址(CDMA)技术提供了连续的通信。目前提出的SS-CDMA技术一般与TIA/EIA暂时标准、1993年7月TIA/EIA/IS-95的“用于双模宽带扩展频谱蜂窝系统的移动站-基站兼容性标准”相兼容。
近地球轨道允许小功率的固定或者移动用户终端13经卫星12进行通信，在本发明优选实施例中，每颗卫星的功能只作为“弯管”转发器从用户终端13或从网关18接收通信业务信号(如语音和/或数据)，把接收的通信业务信号变换到另一频段，然后再发送变换信号。也就是说，不存在产生接收通信业务信号的星载上的处理(on-board processing)，并且，卫星12并不知道接收或发送通信业务信号的任何信息要被传送。
此外，在卫星12之间不需要直接通信链路或某些链路。也就是说，每颗卫星12仅接收从位于用户部分2的发射机或从位于地面部分3的发射机发送的信号，并且把信号仅发送到位于用户部分2的接收机或位于地面部分3的接收机。
用户部分2可包括适合于与卫星12通信的多种类型的用户终端13。例如，该用户终端13包括多种不同类型的固定和移动的用户终端，而并不限于包括的无线电话14、移动无线电话15和寻呼/传乎型装置16。
这里使人特别感兴趣的是根据本发明结构和操作的具有天线结构70和相关的接收机电子设备68a的用户终端68。如将详细地进行描述的那样，天线结构70能同时实现从多颗卫星12接收信号和发送信号到多颗卫星12，其中单颗卫星在任一给定时间以相对于天线结构70的不同仰角最可能地定向。这便提供了发送最强的信号和跟踪上面通过的卫星的选择跟踪卫星1 2的能力。此外，还提供了对由每颗卫星12发送的非通信业务同步信号(例如导频信号)的接收和跟踪能力。这就能够从一颗卫星12到另一颗卫星12快速平滑地转移或切换，应理解为，每颗卫星可发送同一SS-CDMA通信链路的相同复制信息(例如话音信息)给用户终端68。这便提供了一种减轻衰落和其它信号质量下降效应的分集接收模式，从用户终端68到多颗卫星12的用户信息的传送也可以通过使用天线结构70来实现。
再参照.图3A，用户终端13可以以全双工模式操作和能经过例如L波段RF链路(上行线)和S波段RF链路(下行线)分别通过返回和正向的卫星转发器12a和12b进行通信。上行线L波段RF链路在1.61GHz到1.6265GHz频率范围、带宽16.5MHz内运作，并根据优选扩展频谱技术以话音信号和/或数字信号进行调制。下行线S波段RF链路可在2.4835GHz到2.5GHz频率范围、带宽16.5MHz内运作。下行线RF链路17也根据扩展频谱技术在网关18以话音信号和/或数字信号调制。
地面部分3包括多个网关18，它们经例如可在中心频率为5GHz范围内运作的全双工C波段RF链路19与卫星12进行通信。C波段RF链路双向地传送通信馈电链路，并且也传送卫星指令(正向链路)和接收遥测信息(返回链路)。
卫星馈电链路天线12g和12h都是地球覆盖天线，而L波段和S波段天线是多波束(优选为16波束)天线，它在相关的业务区域内提供地球覆盖。L波段和S波段天线12g和12h相互是一致的。例如，通过给定的一颗卫星12可产生总计约3000全双工通信。根据系统10的特征，二颗或更多的卫星12，其每颗都可以在给定用户终端13和网关18之一之间传送相同信息。如下面详细地描述的这个操作方式将在各自的接收机提供分集组合，从而导致增加抗衰落和便于软切换过程的实施。
已经指出：在这里描述的所有频率、带宽等只表示一个特定的系统。在不改变正在讨论的原理的情况下，可使用其它频率和波段。作为一个例子，在网关和卫星之间馈电链路可以使用除了C波段以外的波段(例如Ku和Ka波段)中的频率。
网关18的作用是把卫星12的通信有效负载(转发器12a、12b、L波段接收天线12c、S波段发射天线12d、C波段功率放大器12e、C波段低噪声放大器12f和C波段天线12g和12h)与电话基地部分4相耦合。
电话基地部分4由现有电话系统组成，并且包括蜂窝网关20、区域贝尔操作中心(RBOC)22或其它本地电话业务提供者、长途载波器24、国际载波器26、专用网络28和公用电话和电报系统30。该通信系统10的作用是在用户部分2和电话基地部分4的电话32之间提供通信，并且也能经网关18在用户部分2的用户装置的单个装置之间进行通信。
如图1中(和也在图4中)所示，一部分地面部分3是卫星操作控制中心(SOCC)36和地面操作控制中心(GOCC)38。通信通路39包括：为互连地面部分3的互连网关18和TCU18a、SOCC36、和GOCC38提供的全球星形(Globalstar)数据网络(GDN)58(见图2)。通信系统10的这部分提供整个卫星控制功能。全球星形是Loral Qualcomn卫星服务公司的商标。
图2更加详细地表述一个网关18。每个网关18包括多达4个双极性RFC波段子系统，每个子系统包括：一个碟形天线40、天线驱动器42、低噪声放大器44和高功率放大器46。所有这些部件都可装在天线罩结构内，以提供环境隔离。
网关18还包括下变换器48和上变换器50，用于分别处理接收和发送RF载波信号。下变换器48和上变换器50都连接到CDMA子系统52，再依次通过PSTN接口54接到公用交换电话网络(PSTN)。
CDMA子系统52包括：一个信号加法器/开关单元52a、全球星形收发信机子系统(GTS)52b、GTS控制器52C、CDMA互连子系统(CIS)54d和交换基台(SBS)54c。该CDMA子系统52受基台管理器(BSM)52f控制，并且以与CDMA兼容(例如，IS-95兼容)基台相类似的方式起作用。CDMA子系统52也包括：所需的频率合成器52g和全球定位系统(GPS)接收机52h。
PSTN接口54包括：PSTN业务交换点(SSP)54a、业务控制点(SCP)54b、访问者位置寄存器(VLR)54c、和至原始位置寄存器(HLR)的接口54d。
网关18通过做成标准接口的SSP54a而连接到电信网络。网关18提供一个接口，并且经主速率接口(PRI)而连接到PSTN。网关18还能提供与移动交换中心(MSC)的直接连接。
网关18把SS-7 ISDN固定信号提供到SCP54b。在该接口的网关侧，SCP54b接口与基台控制器(BSC)相接口，而且连接到CDMA子系统52。SCP54b对可基于CDMA通信的IS-95暂时标准的改变型式的全球星形空中接口(GAI)提供协议变换功能。
方框54c和54b一般在网关18和外蜂窝电话网络之间提供一个例如与IS-41(北美标准，AMPS)或GSM(欧洲标准，MAP)蜂窝系统相兼容的接口，并特别对管理漫游者(即在其家用系统之外进行通话的用户)的方法加以说明。网关18支持对于全球星形/AMPS电话和对于全球星形/GSM电话的用户终端验证。在一个没有现有电信基地的服务范围中，HLR能被加到网关18上，并与SS-7信号接口相接。
如果得到授权的话，在用户正常服务范围以外进行通话的用户(漫游者)将被系统10接纳。在任何环境下都可以找到漫游者，用户可利用同一终端装置实现与世界各地的通话，并且，可由网关18明显地作必需的协议变换。当不需要时可越过协变换器54d。
由网关控制器56提供整个网关控制，网关控制器56包括：接到上述全球星形数据网络(GDN)58的接口56a和接到业务提供者控制中心(SPCC)60的接口56b。网关控制器56一般通过BSM52f和通过与每个天线40相关的RF控制器43互连到网关18。网关控制器56还接到数据库62，例如，用户数据库、卫星天文历数据等，还接到I/O单元64，能使业务人员得以对网关控制器56进行访问。GDN58也双向接口到遥测和指令(T&C)单元66，后者提供一个到TCU子系统18a(图1和4)的接口。
参照图4，GOCC38的作用是通过设计和控制网关18对卫星的利用，以及使这种利用与SOCC36相协调。一般GOCC38产生业务计划、分配卫星12和网关18资源，以及监测整个系统10的性能。SOCC36通过运行以便提供和监测轨道、监测包括卫星电池状态的每颗卫星12的整个性能、调节在卫星12内的RF信号通路的增益和保证对于地面的最佳卫星定向。
如上所述，每个网关18的作用是将给定用户连接到用于信令话音和/或数据通信的PSTN，并且经数据库62(图2)产生用于记帐用途的数据。所选择的网关18包括一个遥测和指令单元(TCU)18a，用于接收通过C波段返回链路由卫星12发送的遥测数据，和用于发送到达卫星12的指令。GDM58通过运行以便去互连网关18、GOCC38和SOCC36。
通常，LEO星座的每颗卫星12通过运行以便从网关18到用户(C波段上行线到S波段下行线)之间转发信息，以及从用户到网关18(L波段上行线到C波段下行线)之间转发信息。除了功率控制信号以外，这个信息包括SS-CDMA导频、同步和寻呼信道。卫星天文历更新数据经卫星12也下载(download)到每个用户终端13。卫星12也通过运行以便将信令信息从用户终端13转发到网关18，信令信息包括接入请求、功率变化请求和记录请求。卫星12也转发在用户和网关18之间的通信信号，并应用加密以减少未经授权的使用。
在运行中，卫星12发送包括卫星运行状态测量的航天器遥测数据。来自卫星的遥测流、来自(SOCC36)的指令和通信馈电链路全都共用C波段天线12g和12h。对于这些包括TCU18a的网关18而言，一般根据SOCC请求接收的卫星遥测数据可立即送到SOCC36，或遥测数据可先被存储起来然后再传送到SOCC36。不管是立即发送还是存储和随后传送的遥测数据，都是在GDN58上作为信息包发送的，每个信息包包括单个小型遥测帧。若卫星支持被提供给一个以上的SOCC36，则遥测数据被路由到所有SOCC。该SOCC36对GOCC38具有三个主接口功能。第一接口功能是轨道位置信息，其中SOCC36将轨道信息提供到GOCC38，以致于每个网关18能够精确地跟踪多达4颗由网关观察到的卫星。这个数据包括数据表，该数据表使用已知算法足以使网关18能传送它们本身的卫星联系清单(SatelliteContact List)。这些网关产生的联系清单也送回到SOCC36，以支持遥测信息的收集和指令的传输。
第二接口功能是从GOCC38到SOCC36的应用统计设置，该应用统计与每个卫星12的实际通信质量和应用(网关评价)有关。该信息与用以鉴别期望的和非正常的性能等的卫星遥测数据有关。
第三接口功能是从SOCC36到GOCC38所通报的卫星状态的设置。该卫星状态信息包括：卫星转发器可用性、电池状态和轨道信息，该卫星状态信息还引入那些可能排除卫星12的全部或者一部分用作通信用途的、与卫星有关的任何限制。
系统10的一个重要方面是使SS-CDMA与在网关接收机和在用户终端接收机处的分集组合结合起来使用。当信号在多径和不同通路长度上从多颗卫星到达用户终端13或网关18时，分集组合用于减轻衰落效应。瑞克(Rake)接收机用于从多个源接收和组合信号。例如，用户终端13或网关18为从三颗卫星12接收的和通过三颗卫星12发送的正向链路信号或返回链路信号同时提供分集组合。
关于这一点，在美国专利5,233,626中已经披露(该专利由Stephen A.Ames于1993年8月3日公开，题目为“转发器分集扩展频谱通信系统”)，在此全面地引入仅作为参考，同样地还引入了由Robert Wiedeman和Paul A.Monte于1994年5月9日提出申请的美国专利申请08/239,750中所披露的，其题目为：多径通信系统优化程度”的内容。
连续分集接收模式的性能要优于通过一个卫星转发器接收一个信号的性能，此外，如果由于森林或其它障碍物对接收信号产生不利影响的干扰而失去了一个链路，但是却并不中断通信。
一个给定网关18的多个定向天线40通过不同的卫星12能够发送正向链路信号(网关到用户终端)，从而支持在用户终端13中的分集组合。用户终端13的全向天线13a发送到能从用户终端13“观看到”的所有卫星。
每个网关18支持发射机功率控制功能以便确定慢衰落，并且也支持块交错(block interleaving)以便确定中等至快衰落。功率控制是在正向和反向链路上实现的。功率控制功能的响应时间被调节到适应于平均30毫秒的卫星往返行程延迟。
块交错器(53d、53e、53f，图5)工作在与声码器53g分组帧有关的块长度上。最佳交错器长度是以增加总的端对端延迟为代价，折衷选择一个较长的长度，从而改进了纠错。优选的最大端对端延迟是150毫秒或更少。该延迟包括：由于分集组合器执行接收信号调整所造成的所有延迟、声码器53g处理延迟、块交错器53d-53f延迟、和形成一部分CDMA子系统52的维特比(Viterbi)译码器(未示出)的延迟。
图5是图2的CDMA子系统52的正向链路调制部分的方框图。加法器方框53a的输出送到频率捷变上变换器(frequencyagile up-converter)53b，然后再依次送到加法器和开关方框52a。遥测和控制(T&C)信息也送到方块52a。
未调制的直接序列SS导频信道以所需比特率产生出一个全零Walsh码。该数据流与短PN码组合，该短PN码用于分离来自不同网关18和不同卫星12的信号。该导频信道是按模2方式加到短码上，然后，按QPSK方式跨越CDMA带宽而扩展。下面提供不同的伪噪声(PN)码偏移：(a)一个使用户终端13能唯一识别网关18的PN码偏移；(b)一个使用户终端13能唯一识别卫星12的PN码偏移；和(c)一个使用户终端13能唯一识别从卫星12发送的给定的16波束之一的PN码偏移。来自卫星12中的不同卫星的导频PN码被分配以来自同一导频开端PN码(pilot seedPN Code)的不同时间/相位偏移。
由网关18发送的每个导频信道可以按比其他信号较高的功率电平发送。导频信道能使用户终端13获取正向CDMA信道的定时，提供一个用于相干调制的相位基准，以及提供一个机构以执行信号强度比较来确定何时启动切换。然而，导频信道的使用不是强制性的，对这种用途也可使用其它的技术。
同步信道产生一个数据流，该数据流包括如下信息：(a)时刻；(b)发送网关标识；(c)卫星天文历；和(d)分配寻呼信道。该同步数据加到卷积编程码53h，在那里，数据被卷积地编码，并且随后进行块交错以克服快衰落。所得的数据流以模2方式加到同步Walsh码上，并且以QPSK方式跨越CDMA带宽而扩展。
寻呼信道加到卷积编码器53i上，在那里被卷积地编码，然后被块交错。所得到的数据流与长码生成器53j的输出组合。该长PN码用于分开不同用户终端13波段。寻呼信道和长码都是以模2方式相加和提供到一个符号覆盖层，在那里，所得到的信号以模2方式加到Walsh码上。然后，其结果是以QPSK方式跨越CDMA频带而扩展。
通常寻呼信道传送下列消息类型：(a)一个系统参数消息；(b)一个接入参数消息；(c)一个邻域清单消息；和(d)一个CDMA信道清单消息。
系统参数消息包括：寻呼信道的配置、记录参数、和有助于导频捕获的参数。接入参数消息包括接入信道的配置和接入信道数据率。邻域清单消息包括邻域导频标识符和邻域PN偏移。CDMA信道清单消息传送相关的导频标识和Walsh码赋值。
声码器53K把话音编码成PCM正向业务数据流。该正向业务数据流送到卷积编码器531，在那里进行卷积编码，然后进行块交错(在块53f中)。所得到的数据流与用户长码块53k的输出进行组合。该用户长码用于分开不同用户信道。所得到的数据流在多路复用器(MUX)53m中进行功率控制，以模2方式加到Walsh码上，然后，以QPSK方式跨越CDMA通信信道带宽而扩展。
对于返回链路解调，网关18进行运行以便解调CDMA返回链路。对于返回链路存在着两种不同的码：(a)零偏移导频码；和(b)长码。它们被用于两种不同类型的返回链路CDMA信道，即接入信道和返回业务信道。
对于接入信道，网关18接收和解码在请求接入的接入信道上的脉冲串。该接入信道消息包括在其后跟随有相当少数据量的长前置部分中。该前置部分是用户终端的长PN码。每个用户终端具有由唯一时间偏移变成公用PN生成器多项式所生成的唯一长PN码。在接收接入请求以后，在网关18在正向链路寻呼信道(块53e、53i、53j)上发送一个消息，确认接收接入请求和指派一个Walsh码信道以建立一个业务信道，该网关18也指派一个信道单元，用户终端13和网关18这二者都转接到指派的信道单元，并开始双工通信。
通过对从局部数据源或用户终端声码器来的数字数据进行卷积编码，从而该返回业务信道在用户终端13中被产生。然后，该数据以预定间隔块交错，并送到128-阵列调制器和数据脉冲串随机函数发生器，以减少冲突。然后，该数据被加到零偏移PN码上，并通过一颗或多颗卫星12发送到网关18。
网关18使用例如快速Hadamard变换(FHT)处理返回链路，以解调128-阵列Walsh码，并把解调的信息提供到分集组合器。
上文已描述了通信系统10的目前优选实施例。现在进行描述天线结构10的目前优选实施例和用于接收和发送在用户终端68(图1)和一颗或更多的卫星12之间的通信信号的相关电子设备。
天线结构70的一个重要方面在于能与两颗或更多的卫星12同时通信。通过提供带有多指扩展频谱(multi-finger spreadspectrum)接收机68a的用户终端68，这就变得更为方便了。这种多指SS接收机在现有技术中称为Rake接收机。一种适当的接收机类型已在上述Ames的美国专利5,233,626的图2和图4中公开了。使用这种类型的接收机能同时接收来自两个或多个源的扩展频谱信号，并且这些信号以分集接收模式进行数字组合。接收机68a能够使对于因卫星运动引起在多普勒频移中的差别、传输延迟的差别、和相移的差别的各种输入信号进行均衡。在只接收单个信号时，这便提供改进的信号与噪声和干扰比。
参照用于表示天线结构70的目前优选实施例的图6和图7。天线结构70包括：一个高增益天线71和一个基准天线73。该高增益天线71由用于垂直(V)定向天线子结构的称为72的7个单独天线子结构组成的，并且多个(6)天线子结构74以相对于垂直天线子结构72为预定角θ来设置。当安装天线结构70时，子结构74被定向成面向北(N)、东北(NE)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)和西北(NW)方向。每个天线子结构72和74由一个或多个天线单元76组成。该天线单元76可以是喇叭天线或任何适当形式的适中增益天线，例如一个补片或一个补片阵，如图6所示的。在所示的实施例中，每个天线子结构72和74包括互连的四个天线单元76。各单独单元之间的中心距的优选值是感兴趣的波长的若干倍数值，例如，该中心距约为0.5到0.8倍波长的范围。通常间距愈宽则增益就愈高。然而，增加间距也就增加栅瓣(gratinglobe)的大小。例如，天线子结构72的总宽度为0.5米，则天线单元之间的间距为10.6cm(0.8λ)，每个单元76具有的直径为5厘米。该高增益天线71优选地装在天线杆82上，以使天线子结构72的顶面垂直于地面的法线。基准天线73包括例如也垂直于地面法线而定向的单个天线单元80。
角θ优选地在约30°到60°范围内，其所选的角度是波束形状的函数。对于从约10°仰角到90°仰角(天顶角)定向的卫星，也用选择该角度来提供尽可能高的增益。已经发现，使用45°就可提供满意的结果，这正如下面参照图10将描述的那样。
应理解到，不需要使子结构74紧靠或邻接子结构72。例如，参照图12，只要保持上述在各种子结构之间的角度关系，一个或多个子结构74可以用任意距离D与子结构72的边缘隔离开。
由上述可见，本发明的一个方面是一种天线装置，它包括具有主平面的第一子结构72，主平面是以相对垂直地面的轴线(法线)的第一角度(例如90°)而定向的。天线70也包括多个N(例如6个)第二子结构74，其中各单个子结构74具有以相对于第一子结构的主平面的第二角度(例如45°)而配置的局部主平面。多个子结构74中的每一个具有一个由局部主平面向外指的法线，该局部主平面是以根据一个相邻的子结构74的向外指的法线的轴线的第三角度(例如60°)而定向的。并且，N和第三角度可分别具有不同值，例如8和45°。多个子结构74中的每一个向外指的法线被设置成背离轴的方向。
在本发明的目前优选实施例中，天线子结构72、74、和用于基准天线单元80的支承78都由镀铜玻璃纤维或聚四氟乙烯材料构成。
在所示的实施例中，天线子结构72呈六边形并且是垂直指向的。六个子结构74以60°分段的方位角围绕垂直子结构72的边缘排列，并且以角θ倾斜以便使它们的射束峰值设置成45°仰角。倾斜的子结构74的精确的个数是在增加覆盖范围和复杂性/成本之间折衷考虑的。一般，如图11所示的，已经发现，使用面向所示方向的6个子结构74，可给卫星12的轨道提供满意的结果。在图11中，卫星12的地面跟踪象6个举例的点波束(15°视野范围)的跟踪一样地进行了表示。
在本发明的一个实施例中，天线结构70采用通晓的卫星12的天文历数据来进行运行，这样就能进行相当简单的测定，以便在任何时间选择多个单元76和子结构72、74中的哪一些来实现对接收机68a提供最大的增益。在运行中，一个子结构72、74的单元76在任意给定时间都耦合到接收机68a，而垂直方向的基准天线单元总是接到接收机68a。
图10表示从例如一个从西南到东北经过的卫星12的天线结构的期望性能。卫星12首先遇到面朝西南的天线单元76和经历从在地平线(horizon)(-0°仰角)的约1dBi变化到在45°仰角的约11dBi的增益。然后，在大约70°仰角，该增益下降到约8dBi，在这一时候面朝西南的天线单元76的增益与垂直波束的V天线单元76的增益相匹配。当卫星12的仰角处在60°-80°范围时，对用户终端68(图1)的接收机68a的输入是从面朝西南的天线单元76切换到面朝V的天线单元。当卫星12通过V天线单元76的波束时，增益再增加到约11dBi，然后降回到约8dBi。此时，接收机68a从V天线单元切换到面朝东北(NE)天线单元76。当卫星1 2通过面朝东北(NE)天线单元76的波束时，增益再增加到约11dBi，然后，在卫星越过地平线之前在0°仰角处降回到1dBi。
在实际考虑中，例如，传输损耗能够使最小可用卫星仰角限制到约10°-20°的范围。在这种情况下，天线结构70提供约7.5dBi的最小增益。该增益为卫星通信系统提供一个最有利的信号强度，并且能实现卫星功率消耗的减小。
现在提供多径卫星通信特征。根据接收功能进行这方面的描述。然而，应理解为，将图8中低噪声放大器(LNA)82a和82b改变为功率放大器，并且也改变信号流的方向，使这个讨论可同样地用于发射功能。
基准天线73通过使用位于信号组合器84之前的单独LNA82b与高增益天线71相组合，以便避免一般在天线直接组合时产生的3dB增益损耗。例如，组合器84可具体为众所周知的Wilkinson混合组合器。因此，单独LNA82b的使用可保持基准天线73的灵敏度。参照图8，作为接收组合器84输出的接收机68a优选为多指接收机(multiple finger receiver)，它能同时接收、分离、和解调多重扩展频谱传送。一个适当的和目前的优选多指扩展频谱接收机在上述由Ames的美国专利5,232,626中公开了，在这里全面地引入仅作参考。然而，应理解为，利用特定的SS接收机并不受本发明的实施例的限制，并且，同样可使用具有不同结构的其他SS接收机。
基准天线73从卫星12接收一个或多个非通信信号。在全向的基准天线73中，根据垂直指向，一般这些接收的非通信信号具有要比载有当前通信(例如话音)信息的“使用中”信号低的信号强度。在本发明的目前优选实施例中，基准天线73接收从由天线结构70观察到的每一颗卫星12发送的上述导频信号。对于能够同时接收的导频信号数目的仅有的实际限制是：对于基准天线73来说是“可见的”卫星12的数目、以及接收机68a可用于跟踪被接收的导频信号的指数或信道数目，应记住：对于接收和解扩频(despead)当前的通信来说，需要至少一个指(finger)。
来自其他卫星12出现的同步信号使系统10能把接收机68a从“使用中”卫星12转换到其导频信号正在被接收的那一颗卫星。这是一个切换过程，是通过把高增益天线71从“使用中”卫星12转换到一颗优选地增加仰角的卫星完成的。上升的卫星的识别可用存储在用户终端68中或由用户终端68能得到的天文历数据来确定。
应理解为，不需要使用导频信号信道，并且在某些实施例中，可以使用传送同步信号的另一个信道。
图9A是天线结构70的方框图，它表示正被送到开关86的七个子结构72和74的每一个的单元76输出，该开关86可接收来自用户终端68控制器的开关控制信号。
如图9B所示，例如，开关86可包括：在现有技术中众所周知的多个PIN二极管开关86a。当仅从一颗卫星接收信号时，通过对在一条信号线87a上的一个PIN二极管86a加适当的偏压，用户终端开关控制器87选择来自一个子结构并将要被馈送到LNA82a(图8)的输入端的一组单元76。
从第二卫星12接收同步信道(例如导频信道)，并且，当从使用中的第一个卫星12接收通信信号时用户终端68的接收机68a已经被跟踪到并正在跟踪着这个同步信道，这样，就实现了能够平滑地、和使用户“看不可见地”从第一卫星转换到第二卫星。
在产生从第一到第二卫星的变换(切换)之后，基准天线73将最有可能接收来自第三卫星的导频信号。如前所述，当从第二卫星接收信息时，接收机68a将把一个指(a finger)分配给新近接收的同步信号，并最终将捕获和跟踪这个信号。在将来某个时间，上述过程将会重复，从而切换从第二卫星到第三卫星的通信。
一般地，由于“新”卫星在地平线上变成可见和“老”卫星消失在地平线之下，该过程可无限地继续下去。
除了上述明显的切换之外，该多重分集接收技术提供了许多优点。例如；第一个优点产生于当使用中的卫星经受因任何原因造成的信号阻塞或损失之时。在这种情况下，系统10能够快速地使高增益天线71切换成来自一个其导频信道已经捕获并目前正被跟踪的不同卫星的高质量信号。
第二个优点是，卫星系统的总通信能力是根据使用发射最强信号的卫星而增加的。也就是说，使用最强信号将降低来自发送这个信号的卫星的总功率要求，由此，使附加功率适用其它用户。
现在参照用于表示本发明的又一实施例的图13，它不要求卫星天文历数据或与卫星天文历数据一起使用。也就是说，在这个实施例中，在信号到达PIN二极管开关86之前通过取样每一段上的下行线的信号强度，从而接收天线系统检测在各种天线段中卫星的相对信号强度，并然后比较信号的相对强度。可以推测，在当前正被使用的天线中该信号将是最强的。然后可以看出，如果在另一个子结构(72、74)中的信号强度正在增强，以致于接近正被使用的子结构的强度，则将表明：该接收机立即就能转换到那个天线段。被接收信号的连续监测使得可以在“当前”天线和“新的候选”天线中信号大致相等时进行转换。本实施例使用一个与用于通信的接收机分开的接收机，但是，该单独的接收机只需要解码SS-CDMA信号，并给出一个与其时正被观察的天线段有关的输出指示电压。
从设置在各子结构(72、74)上的天线单元76接收到的信号，是通过使用多个耦合器89来实现取样的，通过这些耦合器89向PIN二极管86a和第二套PIN二极管(86a′)馈送信号。也就是说，所希望的是，通过使用定向耦合器89从主天线PIN二极管开关86a中去耦该天线选择系统。PIN二极管86a′会聚在第二混合组合器84′上，该组合器84′向天线取样和控制接收机91进行馈送。该PIN二极管86a′经天线控制二极管控制器87′优选地以例如“V-SW-NW-N-NE-SE-S”这样的重复图形而被扫描，接收信号强度在每个天线位置被记录并且与预定阈值(例如，一个被存储的值和/或从另一个子结构(72、74)的天线单元(76)测量到的值)相比较。其比较的结果用于选择另一个天线单元76或另一个子结构(72、74)，并且也用于确定使通信接收机转到另一子结构(72、74)的天线单元76的最佳时间。
除了预测使用中的卫星12的运动外，本发明的这个实施例也能检测进入天线结构70的观察视野的另一颗卫星。当所得的另一颗卫星的接收信号强度超过来自当前正用于通信的卫星的接收信号强度时，就将得到一个指示以表明：现在是进行转换卫星的时候了。前述的跟踪过程就转向新捕获的卫星而重复地执行。
此外，根据卫星天文历数据和上述的接收信号强度，卫星的跟踪和捕获就可通过使用预定的卫星仰角和方位角来实现。例如，卫星天文历数据可用于选择子结构74从而启动开始捕获卫星，而接收的信号强度则随后用于跟踪卫星当相对于天线结构70而言已进入其轨道时的位置。
根据上述描述可理解为，本发明提供了一种简单、低成本、高增益的天线系统，它能在宽仰角范围上将信息发送到卫星和从卫星接收信息。该天线系统不需要运动部件去跟踪运动卫星，而采用一个电子开关装置将天线单元选择性地耦合到接收机的输入端、或到发射机的输出端。此外，天线系统能从多颗卫星同时接收通信信号和以上述的分集接收的工作模式进行组合。当接收非通信同步信号(例如来自一颗或多颗其它卫星的导频信道)时，就能接收和跟踪来自一颗卫星的通信信号。
可以预料：上面描述的天线系统和结构可以按各种方式进行改进。例如，包括在子结构72和74内的单元76可以多于或少于四个。而且，例如，基准天线单元80可与图6所示的单元80′一样地设置在子结构72上，只要不对天线单元76产生干扰。
此外，上述给定的(SW)、(V)和(NE)跟踪的例子已经按照在垂直天线子结构72上方直接通过(在“头顶”或大仰角通过)的卫星的情况进行描述。然而，对于小仰角卫星的情况，只需要一个或多个子结构74(例如面朝(S)和(SE)子结构74)。对于别种卫星，可例如根据卫星仰角和方位角而选择与(SW)、(V)、(NW)和(N)子结构74相关的天线单元，或选择与(SW)、(NW)、(N)和(NE)子结构74相关的天线单元。
因此，虽然已经对本发明的优选实施例进行详细展示和说明，但本专业普通技术人员将理解为，在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变型和不同的部件。

Claims (35)

1.一种用于使终端与近地球轨道卫星星座的多颗卫星相耦合的天线系统，在由终端进行观察时的任何给定时间多颗卫星中的每一颗卫星以特定的仰角定向，其特征在于包括：
一个具有主平面的第一子结构，该主平面是以相对垂直于地面的轴线的第一角度定向的；
多个N第二子结构，其中各单个子结构具有以相对所述的第一子结构的所述的主平面的第二角度配置的局部主平面，所述多个N子结构的每一个具有由所述局部主平面向外指的法线，所述的局部主平面是以根据相邻的一个子结构的向外指的法线的该轴线的第三角度定向的，所述的多个N子结构的每一个的向外指的法线设置成背离轴线的方向；和
至少一个天线单元，它由所述的第一子结构和由所述的多个N第二子结构中的每一个来支承，其中，在所述的近地球轨道卫星的仰角范围上，所述的第一子结构和至少所述多个N第二子结构中一些的天线单元能在所述的终端和至少一颗近地球卫星之间实现扩展频谱通信。
2.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中所述的第一角度大约是90°，和第二角度大约是在30°到60°范围内。
3.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中所述的第三角度大约是60°，和其中N等于6。
4.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中所述的第三角度大约是45°，和其中N等于8。
5.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中多个所述的天线单元是由每个所述的子结构支承的，并且其中所述的多个天线单元中的各单个天线单元是以一个等于感兴趣的波长的函数的距离隔开的。
6.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中多个所述的天线单元是由每个所述的子结构支承的，和其中所述的多个天线单元中的各单个天线单元是以约为0.5λ到0.8λ范围内的距离隔开，其中λ是感兴趣的波长。
7.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，还包括至少一个基准天线单元，它是以相对垂直于地面的所述轴线的第一角度定向的。
8.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中所述的第一子结构一般具有一个多边形的平面，并且其中所述的第二子结构的各单个子结构各具有一个与所述的第一子结构的一个边缘邻接的边缘。
9.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，还包括用于选择性地输出一个从至少一个天线单元接收的信号的装置，该至少一个天线单元设置在所述第一子结构和所述的多个N第二子结构之一上。
10.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，还包括用于使信号选择性地输入到至少一个天线单元的装置，该至少天线单元设置在所述第一子结构和所述的多个N第二子结构之一上。
11.根据权利要求1所述的一种天线系统，其特征在于，其中所述的第一角度大约是90°，并且其中所述的多个N第二子结构的各单个子结构被定向成一般面朝北(N)、东北(NE)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)和西北(NW)，或这些方位角定向的子集。
12.一种通信系统，包括：
一个近地球轨道卫星的星座，其中单个近地球轨道卫星的每一个包括用于从至少一个地面站接收多个通信馈电链路的装置，和用于把接收通信馈电链路发送到多个地面位置终端的装置；和
至少一个地面站，该地面站包括用于把所述的多个通信馈电链路发送到至少一颗所述的卫星的装置，还包括用于使所述的多个馈电链路与地面位置通信系统耦合的装置；其中：
多颗卫星中的每一颗是在由一个所述的终端进行观察的任何给定时间以特定仰角定向的；
其特征在于：所述的终端包括：
一个天线，它包括：具有主平面的第一子结构，主平面是以相对垂直于地面的轴线的第一角度定位的；多个N第二子结构，其中备单个子结构具有以相对所述的第一子结构的所述的主平面的第二角度配置的局部主平面，所述的多个N子结构中的每一个具有由所述的局部主平面向外指的法线，所述的局部主平面是以根据相邻的一个子结构向外指的法线的该轴线的第三角度定向的，所述的多个N子结构的每个的向外指的法线设置成背离所述轴线的方向；和至少一个天线单元，它由所述的第一子结构和由所述的多个N第二子结构的每一个所支承，其中，在所述的近地球轨道卫星的仰角范围上，所述的第一子结构和至少所述多个N第二子结构中一些的天线单元能在所述的终端和至少一颗近地球轨道卫星之间实现扩展频谱通信。
13.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，其中所述的天线还包括至少一个基准天线单元，它是以相对垂直于地面的所述轴线的所述第一角度定向的，并且其中所述的终端还包括一个具有耦合到所述的多个天线单元和耦合到所述的至少一个基准天线单元的输入端的多指扩展频谱接收机，所述的接收机包括：用于分配一个所述的指(finger)以便从所述的至少一个近地球轨道卫星接收所述的扩展频谱通信、和用于分配所述指中的至少另一指以便接收通过所述的至少一个基准天线单元从至少一颗其它的所述的近地球轨道卫星接收到的同步信号的装置。
14.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，还包括：用于选择与所述的第一和第二子结构之一有关的天线单元的输出以作为所述的天线的输出的装置，所述的选择装置响应于所述至少一颗卫星的一个预测位置和在所述的第一和第二子结构测量到的接收信号强度。
15.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，还包括用于选择与所述的第一和第二子结构之一相关的天线单元输出以作为所述天线的输出的装置，所述的选择装置至少响应于跟踪方向和所述的至少一颗卫星的仰角。
16.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，还包括用于选择与所述的第一和第二子结构之一相关的天线单元输出以作为所述天线的输出、从而把接收的所述扩展频谱信息从所述的至少一颗近地球轨道卫星转换到所述的至少一颗其它的所述近地球轨道卫星的装置。
17.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，其中所述的第一角度大约是90°，和其中所述的多个N第二子结构中的各单个子结构被定向成一般面朝北(N)、东北(NE)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)和西北(NW)，或这些方位角定向的子集。
18.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，还包括一个通信系统控制装置，它通过一个数据链路与所述的至少一个地面站双向耦合。
19.根据权利要求12所述的一种通信系统，其特征在于，其中所述的至少一个地面站还包括：
一种装置，用于确定所述的扩展频谱通信是否在终端以分集接收模式运行，如果是，则用于经过多颗所述近地球轨道卫星发送所述的扩展频谱通信。
20.一种用于操作一个终端以便从多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星接收信息的方法，其中多颗卫星的每一颗在由终端进行观察的任何给定时间是以特定仰角和以特定方位角定向的，该方法包括的步骤为：
对于第一仰角和方位角的范围，选择天线结构的第一部分接收信息，该第一部分是以相对垂直于地面的轴线的第一角度设置的；
对于第二仰角和方位角范围，选择天线结构的第二部分接收信息，第二部分是以相对垂直地面的轴线的第二角度设置的。
21.根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于，还包括的步骤为：对于第三仰角和方位角范围，选择天线结构的第三部分接收信息，该第三部分是以相对垂直于地面的轴线的第一角度设置的。
22.根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于，其中第一角度是在大约30°～60°范围内，并且其中第二角度或者是在大约30°～60°范围内，或者是约为90°。
23.根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于，还包括同时执行接收和跟踪来自多颗卫星中的至少一颗其它卫星的同步信号的步骤。
24.根据权利要求23所述的一种方法，其特征在于，其中接收的信息是扩展频谱信息，和其中接收和跟踪步骤包括跟踪由至少另一颗卫星发送的同步信道的步骤。
25.根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于，其中每一个选择步骤使用卫星天文历数据去预测至少一颗卫星的位置。
26.根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于，每一个选择步骤使用从至少一颗卫星接收的信号幅度。
27.一种用于操作一个终端以便发送信息到多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星的方法，其中多颗卫星中的每一颗在由终端进行观察时的任何给定的时间以特定的仰角和以特定方位角定向，该方法包括以下步骤：
对于第一仰角和方位角范围，选择天线结构的第一部分发送信息，该第一部分是以相对垂直于地面的轴线的第一角度设置的；和
对于第二仰角和方位角范围，选择天线结构的第二部分发送信息，该第二部分是以相对垂直于地面的轴线的第二角度设置的。
28.根据权利要求27所述的一种方法，其特征在于，还包括以下步骤：对于第三仰角范围，选择天线结构的第三部分发送信息，该第三部分是以相对垂直于地面的轴线的第一角度设置的。
29.根据权利要求27所述的一种方法，其特征在于，其中第一角度是在大约30°～60°范围内，和其中第二角度或者是在大约30°～60°范围内，或者是大约为90°。
30.根据权利要求27所述的一种方法，其特征在于，其中每一个选择步骤使用卫星天文历数据以预测至少一颗卫星位置。
31.根据权利要求27所述的一种方法，其特征在于，其中每一个选择步骤使用从至少一颗卫星接收的信号幅度。
32.一种用于操作一个终端以便从多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星接收信息的方法，该多颗卫星中的每一颗卫星在由终端进行观察时的任何给定时间是以特定仰角和特定方位角定向的，该方法包括以下步骤：
对于至少一颗卫星的仰角和方位角的第一预测范围，选择天线结构的第一部分以接收信息，该第一部分是以相对垂直于地面的轴线的第一角度设置的；和
对于至少一颗卫星的仰角和方位角的第二预测范围，选择天线结构的第二部分以接收信息，该第二部分是以相对垂直于地面的轴线的第二角度设置的。
33.根据权利要求32所述的一种方法，其特征在于，其中第一角度是大约在30°～60°范围内，和其中第二角度或者是在大约30°～60°范围内，或者是大约为90°。
34.一种用于操作一个终端以便从多颗近地球轨道卫星中的至少一颗卫星接收信息的方法，其中，多颗卫星中的每颗卫星在由终端进行观察时的任何给定时间是以特定仰角和以特定方位角定向的，该方法包括以下步骤：
测量从具有多个天线中的至少一个天线的至少一颗卫星接收到的信号的信号强度，其中所述多个天线中的各单个天线被定向接收来自设在一定的仰角和方位角范围中的卫星的卫星发送信号，其中，某些所述的卫星的仰角和方位角范围是相互重叠的。
对于其中测量到的信号强度超过预定阈值的至少一颗卫星的仰角和方位角的第一范围，选择第一天线以接收信息，该第一天线是以相对垂直于地面的轴线的第一角度定向的；和
对于其中测量到的信号强度超过预定阈值的至少一颗卫星的仰角和方位角的第二范围，选择第二天线以接收信息，该第二天线是以相对垂直于地面的轴线的第二角度定向的。
35.根据权利要求34的一种方法，其特征在于，其中第一角度是在大约30°～60°范围内，和其中第二角度或者是在大约30°～60°范围内，或者是大约为90°。
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