CN1455992A - 使用准同步卫星的扩频通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有移动用户终端的卫星通信系统。为了提供通过常规通信卫星就能在地球上所感兴趣的任意区域与移动用户终端通信的卫星通信系统，一个准同步卫星工作在倾斜轨道上，并将扩频下行链路信号s’(t)发送给地球上所感兴趣的所述区域，从而由移动用户终端接收和解扩。

Description

使用准同步卫星的扩频通信系统

本发明涉及一种卫星通信系统。更具体地说，本发明涉及以由移动用户终端接收的下行链路信号照射地球上感兴趣的区域的方法。

尤其是在同步地球轨道(GEO)的通信卫星提供将无线电信号从地球站中继到多个直接入户(DTH)的抛物面天线的有效平台。商用的卫星通信系统包括空间部分和地面部分。原则上，GEO系统的空间系统通常包括操作轨道的卫星，和控制与管理所述操作的跟踪、遥测和命令(TT&C)设备。

对于大多数现存的同步卫星系统的实际业务接收来说，用户需要用于准无差错接收的50厘米抛物面天线。当移动用户终端使用这种天线时，需要进行自动跟踪。然而，自动跟踪仅可以通过闭环跟踪卫星上安装的信标来实现。很明显，这样的闭环跟踪非常昂贵，甚至可能需要使用移动天线的惯性控制平台。通过同步卫星实现移动通信的另一种可能性是使用电子控制的天线。与机械跟踪相比，这种解决方法简化了天线的安装，但是仍然需要昂贵的闭环跟踪系统。最后，在卫星高仰角的情况下，可以考虑使用具有足够大的3dB波束带宽的固定的天顶定向天线。然而，这仅仅适用于地球上少量的感兴趣的区域。

公知的便于在卫星通信系统内使用移动接收机有下述几种解决方案。

从US 5 463 656 A得知，使用视频带宽压缩、扩频波形处理和电子控制，圆孔相控阵天线的组合以通过卫星通信链路向飞行器提供高广播质量的视频通信。认为Ku频段或C频段的常规同步卫星用于此目的。

从US 6 075 969 A得知，缩小现有卫星构造中C频段和Ku频段的接收天线的尺寸。为了避免所不希望的与其它卫星的干扰，在潜在的干扰卫星所处的轨道位置上不设计接收天线。而且，扩展该带宽将功率密度降低到FCC限制之下。

从US 3 836 969 A得知，操作相对于地球赤道平面具有选定的倾斜角的准同步轨道上的通信卫星。卫星的倾斜角和方向如此设置，在卫星的使用寿命期限内其倾斜角始终由初始值限定，所以不需要星载(on board)南北站(north-south station)保持装置。而且。其它卫星工作在倾斜轨道上，其中每个卫星轨道相对于其它任意一个轨道逐渐倾斜，并且其中有切换装置在一年的选定时间执行从一个卫星到另一个卫星的切换。这一公开内容考虑了倾斜轨道上卫星的操作以及卫星有限的推进剂，但是并不涉及移动通信。

本发明的一个目的是提供一种卫星通信系统，它能够通过常规通信卫星与地球上任意位置上的移动用户终端进行通信。

以根据权利要求1-8的方法和根据权利要求9-11的用户终端实现这一目的。

以下行链路信号照射地球上感兴趣的区域的方法包括步骤：操作倾斜轨道上的准同步卫星，并从所述准同步卫星向地球上所述感兴趣的区域发送扩频下行链路信号s’(t)。

本发明中的术语“准同步卫星”是指相对于地球特定经度基本上保持同步位置但由于相对于地球赤道面的选定倾斜受到扰动的每个卫星。

图2表示由于非零倾斜角即在倾斜轨道上操作从地球站看到的卫星运动。特别是这种运动导致每天卫星的南北振荡。因为小程度的倾斜，这种运动不被常规宽带传输所接受。

首先，在倾斜轨道上操作对于同步卫星来说是不可取的，因为非零倾斜角导致卫星每天8字形的运动，这将降低接收特性。然而，组合在倾斜轨道上操作与扩频通信产生的优点在于明显的每日运动能够使用分集的概念。即使卫星相对于地球上所感兴趣的区域处于不合适的位置期间，由于通过扩频调制能够实现的更高信噪比依然能够进行通信。由于更高信噪比所产生的另一个优点是移动用户终端的接收天线相对于下行链路天线的方向更能够容忍可能由于相应车辆运动所导致的不对准。

本发明的另一个优点是能够更有效地使用同步卫星有限的轨道缝隙。

扩频调制和解调是一种通信技术，其中传输调制是在信道上传输之前进行带宽扩展(增加)，然后在接收机上以相同量解扩(减少)带宽。迄今为止，最流行的扩频技术是直接序列(DS)调制和跳频(FH)调制。

直接序列调制是通过将伪随机数生成器的输出序列线性调制为脉冲串形成的，每个脉冲串具有称作漂移时间的持续时间。这种调制通常和二进制相移键控(BPSK)信息信号一起使用。因为这样的调制信号是首先将纯信息比特流与伪噪声序列相乘(模2)，然后使用得到的信号调制单纯载波的相位形成的。

在接收机上，或者伪噪声波形已经可用，或者接收机必需首先获取伪噪声载波。即，在用于解扩的接收机上生成伪噪声波形的本地伪噪声随机生成器必需在所接收信号伪噪声波形的一个码片内对准(同步)。这是使用某种搜索算法实现的，所述搜索算法通常在码片的部分(例如半个码片)的时间内顺序地阶跃(step)本地伪噪声波形，并在每个位置上搜索接收的和本地的伪噪声参考波形之间的高度相关性。当相关性超过给定阈值时，这表示已经实现对准，则终止搜索。在使两个伪噪声波形进行方向对准时，使用跟踪算法来维持精确对准。最常普及类型的跟踪环是连续时间延迟锁定环及其时间复用形式即tao-dither环。

跳频调制是以伪随机生成的频移序列非线性地调制脉冲串形成的。这个调制信号是与复数多频移键控(MFSK)信息信号相乘。在接收机，发送的信号和信道干扰之和以相同的跳频调制进行复数相乘，这使发送的信号恢复成其原始的MFSK形式。类似于直接序列的情况，接收机必需获取并跟踪跳频信号，以便解跳频的波形尽可能地接近跳频波形。

扩频通信的一个重要质量是用以扩频带宽和信号带宽之比定义的系统处理增益。处理增益是降低干扰对接收机性能影响的度量。因此，即使卫星执行根据图2从地球站所看到的移动，并且因而不能使用常规的调制技术以直接入户的盘状卫星天线来满足接收要求，但是现在使用扩频技术可以实现接收。

通过相应地调整扩频比或扩频调制能够得到接收和解扩负载信号p’(t)的差错率。这可以在假定所述用户终端天线的给定天线增益的情况下进行，因此对于通常所用的天线，差错率足够低。

通常，扩频调制包括生成伪噪声信号PN(t)和以所述伪噪声信号PN(t)调制负载信号p(t)生成所述扩频上行链路信号s(t)的步骤。因此，扩频解调包括相关所述扩频下行链路信号s’(t)与所述伪噪声信号PN(t)以生成所述解扩负载信号p’(t)的步骤。

有效地，所述扩频下行链路信号s’(t)与所述伪噪声信号PN(t)的这种相关是通过延迟所述第一伪噪声信号PN(t)并将所延迟的第一伪噪声信号PN(t)与所述扩频下行链路信号s’(t)相乘实现的。伪噪声信号PN(t)可以是利用反馈移位寄存器或者存储伪噪声信号的数值序列的存储设备生成的二进制伪噪声序列。

在发送上行链路信号之前或者在卫星上通过星载处理可以在地球站执行扩频调制。

第一种情况包括步骤：以确定的扩频比扩频调制来调制一个上行链路信号p(t)生成扩频上行链路信号s(t)，将所述扩频上行链路信号s(t)发送给所述准同步卫星，并将所述扩频上行链路信号s(t)转换成所述扩频下行链路信号s’(t)。

第二种情况包括步骤：将上行链路信号发送给所述准同步卫星，在所述准同步卫星中以确定扩频比的扩频调制来星载处理该上行链路信号以生成所述扩频下行链路信号s’(t)。

数字星载处理支持灵活的星载话务路由并按需要的容量分配。信号被发送给卫星并由一个或多个卫星模块接收和处理。数字星载处理器包括解调器、解复用器、交换器、多路复用器、调制器和话务管理软件，以便重新生成、交换和多路复用从不同位置接收的数据。这种星载处理器称作“再生星载处理器”或与多波束接收/发射天线相结合称作“再生多波束星载处理器”，并提供波束间路由功能和快速分组交换(例如ATM、IP、……)以支持单跳互连性。可以支持下述功能：

组合通过多波束或单波束天线从卫星组的一个或多个卫星模块接收的来自不同上行链路站/站址的信号。

数据再生、交换和多路复用。

基于请求的容量分配。而且能够动态管理接收覆盖区。星载处理器支持全网格的互连性，允许从“任一站到任一站”交换信道/话务(波束间路由)。因此在单个的基础上执行信道和波束的交换(灵活路由)。

星载话务管理和费用原始数据的收集。

星载处理器支持突发和恒定比特率应用。

与可接受的下行链路标准相兼容的数据格式(MPEG、DVB、......)。

支持分组交换、电路交换和帧交换。

另一系列的星载处理器是DVB星载处理器，它将不同的上行链路信道重新多路复用为一个或多个DVB下行链路传输流。接收上行链路信号并发送到星载处理器以便重新多路复用，并且发送传输流到一个或多个卫星组用于它们随后的下行链路。

根据本发明的另一方面，所述卫星的位置保持控制限制为经度漂移校正和偏心率校正。这一特征使倾斜轨道上的卫星能够以非常小的有限推进剂消耗工作。尽管卫星上的通信设备是主要投资，但是卫星的工作寿命通常仅为大约12年并且主要受其推进剂可用性的限制。

为了有效地使用卫星，推进剂是位置保持和稳定所必需的。理想地，同步轨道卫星应当保持在固定位置上，因为它所承受的吸引力和离心力是相等的。但是，不幸地，对同步卫星的吸引力不是恒定的。太阳和月球对同步卫星上的吸引力导致卫星倾斜角度的改变。轨道计算还假设地球质量是以完美的球形均匀分布的。实际上，地球呈轻微的鸡蛋形状。这误差导致同步卫星经度的变化。

卫星中的位置保持子系统提供小的推进火箭，它们是周期地用来将卫星移回到零度的倾斜角。而且，位置保持子系统还用于将同步卫星保持在它们指定的经度。用于位置保持的推进火箭使用在卫星容器内存储的气体。联氨气体通常用于卫星上的推进器火箭。容器内存储的用于推进火箭的气体量是同步卫星有效使用寿命的主要限制之一。

另一方面，由于波束变窄，安装指向地球特定侧的窄波束天线的同步卫星要求越来越精确的位置保持。这个精度还允许使用固定指向的地面站天线。而且，为卫星采用严格的位置保持容限允许更好地使用同步卫星轨道和射频频谱。因此，对于承载高性能卫星转发器的卫星，它的目的是拥有最准确的位置保持。

图1表示同步卫星用的普通尺寸的位置保持窗口。因为实际上它不能维持卫星相对于地球绝对不移动，卫星相对于其原始中心位置的相对移动可以允许的量典型的规定为经度和纬度±0.05°，偏心率偏差4×10^-4。为了将同步卫星保持在位置保持窗口内，在轨道的一点上向卫星施加加速度增量Δv。这些加速度增量是在与轨道周期相比足够短的周期内在卫星重心上以特定方向作用的力的结果，所以可以将这些增量视为脉冲。可以看出，方向上的脉冲修改倾斜角，r方向上的脉冲修改经度和偏心率，而λ方向的脉冲修改偏移和偏心率。因此，在卫星上安装传动器，并能够产生垂直于轨道控制倾斜角的力和切向力。不需要在r方向上生成推力，因为由λ脉冲产生的漂移获得经度的修改，所述λ脉冲还允许控制偏心率。因此传动器允许独立地控制轨道平面向外的运动，所谓的南北位置保持，和轨道平面内的运动，所谓的东西位置保持。

根据图1由在λ方向正切该轨道作用的推力提供东西位置保持。可以看出东西位置保持对于通信卫星的操作来说是绝对必需的，因为否则卫星的自然漂移将导致偏心率变化，以至于卫星不再保持与相对于赤道上规定位置的同步。

由垂直于轨道平面作用的推力实现南北位置保持，从而修改其倾斜角。可以看出仅需要校正倾斜角矢量的长期漂移，因为周期扰动的幅度在纬度上保持小于0.1°。长期漂移的结果是每年大约0.8°-1°的倾斜角偏移。

在考虑根据图1的位置保持窗口的情况下，南北控制和东西控制的位置保持的总成本的量级为：

南北控制(倾斜角校正)每年43-48m/s和

东西控制(经度漂移和偏心率校正)每年1-5m/s。

当推进剂耗尽时，不再提供位置保持，卫星在各种扰动的作用下漂移。具体而言，它采用在固定平衡点附近经度上的振荡运动，这导致它扫描接近其它同步卫星轨道的空间部分。因此，采用特别的过程，旨在卫星的寿命结束时将其从同步轨道上移走。使用为此目的保留的少量推进剂，将卫星放置在比同步卫星更高纬度的轨道上。因此，在这一操作之后，卫星不能再用于通信目的，所以通信设备的所有投资在卫星的有限寿命内必须是有利可图的。

因为在过去十年里卫星发射开始愈加重要，在以后的几年里由于它们的使用寿命即将到期，大量卫星转发器将不得不停止使用。然而，通信转发器依然可以再使用几年，所以这些卫星的使用寿命首先受到不断减少的推进剂可用性的限制。

另一方面，同步轨道中可用的轨道位置也是有限的，所以尽可能节省空间操作卫星也越来越重要。

而且，一个非常重要的认识是南北控制的位置保持预算远高于东西控制的位置保持预算的事实。因此，建议不再通过南北控制提供任何进一步的倾斜角校正，而是将卫星的位置保持控制限制为经度漂移和偏心率校正。由于位置控制中的这种限制，负方向上存在自然漂移，所以卫星的倾斜角每年降低大约0.8°。

在限制卫星的位置保持为经度漂移和偏心率校正之前，可以将卫星定位在所允许的最大倾斜角上，所以初始倾斜角矢量与自然漂移的主方向平行并相对。特别地，在完全耗尽推进剂容器之前其寿命结束时选择在所允许最大倾斜角上定位卫星的时刻。在不提供倾斜角校正的情况下，卫星的倾斜角随后每年降低大约0.8°，然后，在几年后最终达到确定卫星工作寿命结束的最大值。

然而，在正常工作期间，卫星保持在其图1所示的位置保持窗口内，可以与固定指向的地面站天线之间进行非常准确和大宽带的通信。在这阶段期间，可以优化通信信道的利用率，并在相对短的时间内分期偿还卫星设备的投资成本。

然而，在卫星使用寿命结束时，如上所述，在推进剂完全耗尽之前卫星可以定位在所允许的最大倾斜角上，所以初始倾斜角矢量与自然漂移的主方向平行并相对，并从此使用扩频通信。因此，在卫星使用寿命结束时，卫星可以有效地用于移动通信业务，这在用户终端需要小型的非定向天线。

根据本发明的另外一个方面，另外的卫星与所述准同步卫星共同放置工作，形成卫星组。因此，可能在倾斜轨道上提供两个或更多的卫星，它们随着时间漂移执行相同的外形运动。因此，通过多个卫星能够更有效地使用相同的轨道位置。

所述卫星组中的每个卫星发送扩频下行链路信号。如果在所有卫星中存在透明的转发器，则所有下行链路信号可以是完全一样的，但由于不同的倾斜轨道位置它可以照射地球上不同的感兴趣区域。如果在所有卫星中存在星载处理，则所述卫星组中的每个卫星可以发送独立的扩频下行链路信号s_i’(t)。每个扩频下行链路信号s_i’(t)可以对码分多址(CDMA)具有低的成对交叉相关的它自己的扩频序列扩频。当使用CDMA时，给该组中的每个信号提供其自身的扩频序列。因此，所有信号占用相同的带宽并同时发送，但通过它们所使用的专用扩频码在接收机上相互区分。有利地，使用同步CDMA和正交扩频序列。这意味着该组扩频序列具有在该组中的任意两个序列之间相对低的成对交叉相关。如果存在同步操作，可能允许将正交序列用作消除用户间干扰的扩频序列。因此，如果下行链路信号s_i’(t)在地球上的脚印相互重叠，则能够增加可用带宽。另外，如果不努力使序列同步，则系统异步工作，将引入信道间的多址干扰，因此最终的信道容量受到限制。然而，异步模式在系统设计中可以具有更灵活。

根据本发明的移动用户终端包括：具有低方向性的移动天线，适合于接收扩频下行链路信号s’(t)，该信号由倾斜轨道上工作的准同步卫星发射；和一个处理单元，通过扩频解调来解调所述扩频下行链路信号s’(t)。

根据本发明的另一方面，移动天线适合于接收10GHz频率以上的信号。通常，大多数已知的移动通信的应用是基于1.5/1.6GHz的L频段。这些频率的优点主要是可接受的发射特性和卫星传输稳定性的事实。然而，在这个频段内，不建议引入任何扩频技术，因为对于当今的通信目的而言该得到的带宽太窄。然而，本发明使用扩频技术克服了因为它们的传输特性差导致10GHz以上的频率不适合于移动通信的缺点。

根据本发明的另一方面，用户终端包括一个小型和移动的天线。引入处理增益的另一个重要结果是接收机侧干扰降低的事实。因为在扩频发射信号之后引入了干扰，然而此后在接收机的解扩操作使期望的信号恢复到其原始带宽，同时它也以相同量值扩频带宽内不希望得到的信号(干扰)，因此降低了其功率谱密度。因此，根据本发明，提出了通信卫星在其使用寿命结束全新的应用。

特别地，用户侧的天线可以是非定向平板天线，它可以方便地内置在车辆中或者可以集成在计算机终端或膝上计算机。另一种可能是在用户侧上使用基于平面技术的自适应相阵天线。这样的天线能够自适应地形成波束，在车辆移动期间它甚至可以指向相应卫星转发器的主波束，所以能够抑制来自潜在干扰卫星的轨道位置的信号。这将显著地降低干扰信号量，所以能够降低处理增益，并能够提供更宽的信号带宽。另一种可能是使用直径小于10厘米的小型抛物面天线，它可以人工指向卫星，

根据本发明的另一方面，至少一个附加卫星与准同步卫星共同放置工作。本发明的另一个认识是这种星座图可用于为接收机提供GPS信息数据。由于改进的测距技术，能够以低于1米的精度确定卫星位置。因此，在地球站内以相同的精度获知这些卫星的坐标。为了给移动用户终端提供GPS信息数据，至少两个卫星中的每个卫星发送参考信号，其中每个参考信号都包括一个参考时间信息和与发送卫星有关的参考轨道信息。移动用户终端的处理单元包括一个位置处理器，根据参考信号确定移动用户终端的坐标。

根据本发明的另一方面，调整扩频比，使得在假定用户终端天线的给定天线增益下解扩负载信号p’(t)和负载信号p(t)之间的误差率低于要求要的误差率。要求的误差率的合理值在10^-8数量级。

为了最有效地达到要求的误差率，根据本发明的另一方面，扩频调制和解调与信道编码和解码相结合。通常的信道编码和解码方法是将已知比特或码元周期地插入发射的信号，该信号可以用于检测周期漂移的出现，然后克服得到的载波相位的不确定性。

前向错误控制(FEC)编码是取得好的功率和带宽效率的又一个工具。FEC编码技术的选择取决于编码为可识别组的比特数量。首先，考虑仅几十个比特编码为一个码字的情况。这种情况一般在多种环境下出现，包括包含信令信息或用户数据的短数据分组、和用于大于几个话音帧的附加延迟(由于编码)是无法接受的数字话音传输以及以FEC编码仅保护该帧内最敏感的比特。对于这些情况，可以使用所谓的BCH码。另一种可能是使用利用穿孔的卷积编码以实现所期望编码速率。通常，在卷积编码之前，刷新比特字段添加到数据比特字段的末尾，因此要解码的最后数据比特具有与其余数据比特类似程度的完整性。刷新比特字段可代表很短数据块传输的重要开销。因此，卷积对块编码是优选的，因为它更易于使用软判决。最终，在连续数据流(例如数字话音)传输的情况下，使用以卷积码作为内码和里得-索罗门(reed-solomon)码作为外码的所谓的链接编码或者Turbo编码。

一种适当的参数组合是BCH码，其中用户终端天线的天线增益是20dB，所要求的差错率是10^-8，码片速率在以QPSK调制和在KU频段的载波频率11GHz的33MHz的转发器上是55M码片/秒，处理增益是100，编码增益是3.5和信息比特速率是400kb/s。根据这些系统参数，数据和/或声音节目可以从地球站发送给用户终端。如果使用具有较高天线增益的天线(例如自适应相控阵列天线)，甚至可以实现用于发射电视节目的信息比特率。

应当理解上述本发明的所有方面不仅可以应用于所述的组合中而且可以应用于其它的组合或单独应用。

现在利用例子并参考附图描述本发明。

图1表示同步卫星的具有常规尺寸的位置保持窗口；

图2表示如从地球站看到的由于非零倾斜角引起的卫星运动；

图3表示根据本发明的宽带宽传输和扩频传输之间的选择；

图4表示在卫星使用寿命结束期间扩频传输的典型应用；

图5表示根据本发明的信道编码和扩频传输的组合；

图6表示取决于编码效率n/k由于引入信道编码所引起的总速率降低；

图7表示取决于每信息比特的信噪比由于引入BCH编码所引起的误码率的影响；和

图8表示在不同的倾斜角轨道上工作的多个卫星。

图1和图2上面已经描述了。

图3表示根据本发明在宽带宽传输和扩频传输之间的选择。根据图1只要卫星的星载上有足够的推进剂保持卫星在位置保持窗口内，就可以由卫星转发器执行宽带宽传输。典型地，可以提供38Mb/s的带宽，从而几个信道可以并行传送。几个信号源300的信号馈送给多路复用器302。典型地，一个信号源的信号可以通过如MPEG2的适当的压缩算法来压缩，对于MPEG2算法提供一个适当的编码器301。此后，在信号馈送给地球站的天线304之前执行信道编码和调制303。较高速率业务的最常用的调制技术的选择是正交相移键控(QPSK)。

在接收机侧提供直径50厘米的抛物面天线。因此，在信号馈送给解复用器307并划分为接收机309可以接收的若干接收信号之前执行信道解码和解调306。在压缩技术的情况下，提供一个解压缩器308。

只要卫星到了它使用寿命末期，根据本发明，卫星定位在允许的最大倾斜角上以使初始倾斜角矢量与自然漂移的主方向平行并相对，并省略进一步的南北控制。同时，传输切换到扩频调制310，这导致例如2Mb/s的较低带宽。由于处理增益，仅可以提供较小的带宽。然而，另一方面，对卫星转发器的位置保持和接收天线的天线增益的要求明显低于所引入的处理增益。因此，可以提供移动通信用的具有例如10平方厘米孔径的平板天线。在信号馈送给解复用器307之前执行相应的解扩312。

图4表示在卫星使用寿命末期期间扩频传输的典型应用。根据图3，这个传输对应于传输路径310、311、312。一个自适应相移阵列平板天线400可以用于提高接收侧的天线增益。另一方面，在发送侧可以使用类似MPEG4的高效压缩算法401。因此，在扩频、信道编码和调制402之前可以达到高达5Mb/s的信息比特率。编码信号以38Mb/s在卫星转发器403上发送并由自适应相移阵列天线400接收，所述天线例如可以安装在车辆404内。在接收侧进行扩频、信道解码和解调405，而且如果需要还可以根据压缩算法401压缩。

根据图1的应用，因此可能提供电视节目传输到可安装在车辆内的移动接收机。尽管带宽效率是不可接受的，但是因为仅仅在卫星使用寿命末期提供建议的传输方式，依然能够实现卫星设备投资成本的无亏损。

图5表示根据本发明的信道编码和扩频传输的组合。除了通过扩频技术增加处理增益之外，可以通过信道编码引入编码增益。在本文中，必须区分下述速率：最高可能的速率是必须与信道编码之后的编码比特率501区别的码片速率502。信源传递的信息比特速率简称为比特率500。

为了将编码增益加在处理增益，下面的情况是可能的：

首先以速率n/k的块码(或卷积码)编码信息，然后仅以PN序列扩频每个编码比特。这种解决方法可以视为扩频作为内码和块编码作为外码的简单级联。

另一种可能是首先以非常高速率的块码编码信息比特。然后编码的比特可以加(模2)到PN序列的码片。然而，在这种情况下，PN序列速率必须与编码的比特速率完全相同的速率。

根据图5，考虑级联信道编码和扩频的第一种情况。信号源510传递具有比特率500假定为b的信号。信道编码(例如BCH编码)传递从比特率b乘以编码效率n/k所得到的编码比特率501，其中n表示每个码字的编码比特数，k表示每个码字的信息比特数。然后对编码信号以处理增益Gp执行扩频512。在通过卫星转发器发送扩频信号时，扩频负载信号s(t)被噪声和干扰恶化，所以在用户终端收到接收信号s’(t)。接收信号s’(t)通常具有相当差的信噪比Ec/N0。然而，在解扩513之后，所期望的信号恢复到其原始带宽，而在同时不需要的信号在带宽内以相同量扩频，因此可获得增加的信噪比Ecb/N0。通过信道解码514可以进一步引入解码增益，以便由接收机515接收更好的信噪比Eb/N0。

图6表示取决于编码效率n/k由于引入信道编码引起的总的结果速率降低。必须看出，因为随着每码字的编码比特数n增加，而且在新引入的比特存在失真的概率增加，编码增益不能如人们希望的那样增加。因此，必须有一个最大可获得带宽或与信道带宽有关的最小总速率降低。图6表示对于BCH编码，对于组合n＝127和k＝92可以实现最小速率降低，而对于n＝31的情况，可获得的最低值大于n＝127的情况的两倍。而且，可以看出通过引入信道编码，能够获得几乎为2的附加编码增益。

图7表示取决于每信息比特的信噪比Eb/N0由于引入BCH编码所引起的对误码率的影响。对于低的Eb/N0值，改善不是非常明显，而对于大的Eb/N0值，信道编码和无信道编码之间的差别是明显的。在低于大约4dB的确定阈值，信道编码甚至比完全没有信道编码的效率更低。然而，这种情况应当通过选择足够的处理增益来避免。

图8表示在相同经度但不同倾斜角的轨道上工作的多个卫星。、r和λ是每个卫星内的固定坐标，其中是相应卫星的纬度、r是偏心率和λ是经度。卫星801是在倾斜角为零的正常轨道A上工作。卫星802和803是在倾斜角为正的倾斜轨道B和C上工作，而卫星804是在倾斜角为负的倾斜轨道D上工作。借助图8，将描述根据本发明的一些可能的卫星配置。

实施例1：在倾斜轨道上的一个卫星

首先，考虑倾斜轨道上仅有一个卫星的情况，例如轨道B上的卫星802。具有这一倾斜，如从地球所看到的，卫星执行如图2所示的运动。该运动特别导致卫星每天南北振荡。通常，卫星的这种8字形运动降低了移动用户终端的接收性能。然而，本发明使它能够通过提供扩频下行链路信号完全使用卫星802用于移动通信目的。

这个连接中的重要质量是由扩频带宽和信号带宽之比定义的系统处理增益。处理增益是减小干扰对接收机性能影响的测量。因此，即使卫星进行根据图2从地球站看到的运动，并因此不能满足使用常规调制技术通过直接入户抛物面天线接收的要求，现在也可以使用扩频技术接收。

通过相应地调整扩频比或扩频调制能够实现接收的和解扩的负载信号p’(t)的差错率。这可以在所述用户终端天线的给定天线增益的情况下进行，以便对于典型地使用的天线来说，差错率将足够低。

然而，即使使用高处理增益时，也不能确保执行完整的传输，因为假定接收机是移动用户终端。具体而言，必须考虑由于高层建筑、隧道和高山引起的衰落。除了由于在倾斜轨道上卫星的外形运动引起的分集效应之外，可以通过交织和缓冲来降低衰落影响。

一旦在用户监视器上开始实时数据流(例如视频)，就必须以恒定速率提供数据。然而，该系统可以控制第一块数据流何时传递给用户的监视器(等待时间)。缓冲数据越多，数据流启动等待时间越大，而且在服务器上服务请求块的时间越长。有利地，可以组合在倾斜轨道上卫星的外形运动所引起的分集效应与相同数据流的重复传输。

克服衰落效应的另一种可能性是提供交织扩频下行链路信号s’(t)，它在解调之前被解交织。交织分开突发错误并使它们看起来更加随机，所以提高了准确解码的概率。交织块编码信号的若干块长度或者卷积编码的信号的几个约束长度通常是足够的。块交织是最直接的前向方法，但延迟和存储器要求是卷积和螺线交织技术的一半。以伪随机交织避免周期地组合序列。交织原理和扩频调制的组合使得即使在很宽的带宽上也能够通过同步卫星执行移动通信。如果确定的时间延迟是可接受的并且如果应用前向存储，甚至可以广播视频节目。

通过下述实施例本发明的优点将变得完全清楚了，所述实施例表示与第一实施例的最佳组合。

实施例2：与实施例1组合的同步卫星

除了在轨道B上工作的卫星802之外，现在假设具有固定位置和固定天线指向的同步卫星801在轨道A上工作。显然卫星801可以以宽带宽的常规方式工作。根据本发明的优点在于，除了卫星801之外，如上面针对实施例1所描述的，还可以提供卫星802用于移动通信。

实施例3：用于GPS的倾斜轨道上的几个卫星

GPS(全球定位系统)已经由美国国防部协调，并向用户提供精确的定时和测距信息。该系统可能向普通用户提供较低的精确度。

对于特定应用，它对于获得可用的替代GPS系统，例如因为冗余原因是有用的。在倾斜轨道上设置几个卫星就可以容易地实现这样的系统。

确定接收机GPS坐标的基本技术是以如下所述的三边测量解决方法为基础。例如，放置三个卫星，其中每个卫星的位置是已知的。如果能够测量从每个卫星到接收机的距离d₁，d₂和d₃，则能够确定接收机的未知位置。假设d_i表示每个卫星相应测量的距离，并假设(x，y，z)和(x_i，y_i，z_i)分别表示接收机和每个卫星P_i的卡笛尔坐标。则下述关系成立： $d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}=f_i\left(\stackrel{\→}{q}\right),$ i＝1，2，3(1)其中 $\stackrel{\→}{q}={[x,y,z]}^T$ 是接收机的未知位置矢量。距离测量矢量表示为： $\stackrel{\→}{d}=\stackrel{\→}{f}\left(\stackrel{\→}{q}\right)----\left(2\right)$ 求解这个非线性等式中q的一般采用的方法是Gau β-Newton迭代法。

的最佳估计迭代地近似为：其中 是雅克比矩阵： $\stackrel{\→}{F}=\frac{\∂\stackrel{\→}{f}}{\∂\stackrel{\→}{q}}\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂f}_1}{\∂x}& \frac{{\∂f}_1}{\∂y}& \frac{{\∂f}_1}{\∂z}\\ \frac{{\∂f}_2}{\∂x}& \frac{{\∂f}_2}{\∂y}& \frac{{\∂f}_2}{\∂z}\\ \frac{{\∂f}_3}{\∂x}& \frac{{\∂f}_3}{\∂y}& \frac{{\∂f}_3}{\∂z}\end{array}\right]----\left(4\right)$

然而，实际上不仅可以使用三边测量结构，也可以使用其它任意结构，例如双边或四边测量结构。

如果接收机的时钟偏移也是未知的，则需要四边测量结构。因此从接收机必须能够看到所有的四个卫星。在能够以某种方式消除时钟偏移的情况下，三边测量结构是足够的。如果已经可得到接收机的进一步的坐标，例如可以是海平线上的高度，甚至可以使用双边测量结构。

为了执行距离测量d_i，GPS配置中涉及的相应的卫星必须发送具有参考时间信息的参考信号。因此，可以计算出传播时间以及距离d_i。在原理上，存在提供参考信号的两种可能性，即通过透明的卫星转发器或通过星载处理。

如果GPS配置中涉及的所有卫星都具有透明的转发器，则由所有转发器同时中继包含该参考信号的相应的上行链路信号。例如如果转发器在下行链路上表现出不同的频移，则能够在接收机上实现分离。

如上所述的星载处理打开多个选择以便发送参考信号给接收机。因为难以实现在公用上行链路信号基础上的时间同步，还可能通过卫星内部通信实现GPS配置中所涉及的所有卫星之间的时间同步。一旦如此实现卫星之间的时间同步，则例如使用如上面详细描述的CDMA方案，可以由每个卫星单独地发送该参考信号。

Claims (11)

1.以下行链路信号照射地球上感兴趣区域的方法，包括步骤：

操作倾斜轨道上的一个准同步卫星；和

从所述准同步卫星向地球上感兴趣的所述区域发送扩频下行链路信号s’(t)。

2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：以确定扩频比的扩频调制来调制上行链路信号p(t)，生成扩频上行链路信号s(t)，将所述扩频上行链路信号s(t)发送给所述准同步卫星，并将所述扩频上行链路信号s(t)转换成所述扩频下行链路信号s’(t)。

3.根据权利要求1的方法，包括步骤：将上行链路信号发送给所述准同步卫星，在所述准同步卫星内星载处理以确定扩频比的扩频调制的上行链路信号，生成所述扩频下行链路信号s’(t)。

4.根据权利要求1至3之一的方法，其中所述卫星的位置保持被限制为经度漂移校正和偏心率教正。

5.根据权利要求1至4之一的方法，其中其它卫星与组成卫星组的所述准同步卫星共同放置工作。

6.根据权利要求5的方法，其中所述卫星组中的每个卫星发送单独的扩频下行链路信号s_i’(t)。

7.根据权利要求6的方法，其中给予每个扩频下行链路信号s’(t)具有低成对交叉相关性的、用于码分多址(CDMA)的它自己的扩频序列。

8.根据权利要求5至7之一的方法，其中所述卫星组的至少两个卫星发送参考信号，其中每个参考信号包括参考时间信息和与发送卫星有关的参考轨道信息。

9.移动用户终端，包括：

低方向性的移动天线，适合于接收扩频下行链路信号s’(t)，该信号由倾斜轨道上工作的准同步卫星发射；和

一个处理单元，以扩频解调来解调所述扩频下行链路信号s’(t)。

10.根据权利要求9的移动用户终端，其中该移动天线适合于接收10GHz频率以上的信号。

11.根据权利要求9和10之一的移动用户终端，其中该移动天线适合于接收从准同步卫星和与该准同步卫星共同放置工作的至少另一个卫星发送的参考信号，其中每个参考信号包括参考时间信息和与该发送卫星有关的参考轨道信息，并且其中该处理单元包括一个位置处理器，根据参考信号确定移动用户终端的坐标。

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