DE3640556A1

DE3640556A1 - Vollstaendig miteinander verbundenes punktstrahl-satellitenverbindungssystem

Info

Publication number: DE3640556A1
Application number: DE19863640556
Authority: DE
Inventors: Clay Whitehead
Original assignee: NAT EXCHANGE Inc
Current assignee: NAT EXCHANGE Inc
Priority date: 1985-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1987-06-11
Also published as: GB8628266D0; JPS62188526A; US4813036A; GB2184921A; GB2184921B; FR2590751A1

Description

In einem Einzelrichtstrahl-Satellitensystem arbeiten alle Antwortsender über den gleichen Antennen-Richtstrahl, so daß eine Erdstation, die sich irgendwo im Erfassungsbereich des Richtstrahls befindet, mit jeder anderen irgendwo im Erfassungsbereich liegenden Erdstation in Verbindung treten kann. Dies schließt Satelliten ein, bei welchen ein Einzelrichtstrahl aufgebaut wird, indem die Richtstrahlen getrennter geographischer Erfassungsbereiche in einem funktionellen Einzelrichtstrahl kombiniert werden, der über alle oder eine Gruppe der Antwortsender im Satelliten arbeitet. In einem Punktstrahl-Satellitensystem arbeitet entweder ein Antwortsender oder eine Gruppe von Antwortsendern in Verbindung mit Empfangs- und Sende-Antennenrichtstrahlen, die einen Erfassungsbereich haben, der sich geographisch von den Erfassungsbereichen von anderen Empfangs- und Sende-Antennenrichtstrahlen unterscheiden, die mit anderen Antwortsendern oder Gruppen von Antwortsendern arbeiten.

Die Verwendung von Mehrfach-Punktstrahlen zur Herstellung von Verbindungen über einen großen geographischen Bereich an Stelle der Verwendung eines großen Einzelrichtstrahls hat gewisse wohlbekannte Vorteile. Jedoch ist es im allgemeinen erforderlich, eine vollständige Zwischenverbindbarkeit von einem beliebigen Teil des gesamten Erfassungsbereichs zu irgendeinem anderen Teil zu schaffen, beispielsweise von einem jeden Punktstrahl-Erfassungsbereich zu einem anderen Punkt. Diese Zwischenverbindbarkeit kann erreicht werden, indem eine ausreichend große Anzahl Antwortsender am Satelliten vorgesehen wird. In einem Punktstrahlsystem mit zwei Punktstrahlen sind beispielsweise vier übliche Antwortsender erforderlich, um eine vollständige Zweiweg-Zwischenverbindbarkeit zwischen den Richtstrahlen zu erzielen. Jeder Weg von Richtstrahl zu Richtstrahl benötigt gemäß Fig. 3 einen getrennten Antwortsender, wie nachstehend dargestellt ist:

Für einen Erfassungsbereich mit nur zwei Punktstrahlen ist das Erfordernis für zwei getrennte Antwortsender für jeden möglichen Weg von Richtstrahl zu Richtstrahl nicht zu beschwerlich zu realisieren. Jedoch steigt bei einer größeren Anzahl Punktstrahlen die Anzahl der für eine volle Zwischenverbindbarkeit benötigten Antwortsender drastisch an, wie nachfolgend aufgeführt ist:

Die zunehmend große Anzahl von Antwortsendern überschreitet rasch die Möglichkeiten eines einzelnen Satelliten. Zwar könnten mehrere Satelliten zusammen angeordnet werden, um eine derart große Anzahl Antwortsender unterzubringen, jedoch würde keine vollständige Zwischenverbindung der Richtstrahlen vorhanden sein, bevor alle Satelliten betriebsfähig sind, und die Kontinuität würde im Falle eines Satellitenversagens verlorengehen. Die Verwendung getrennter Antwortsender für jeden Weg zwischen den Punktstrahlen ist daher keine sehr praktische Lösung. Jedoch würden Satellitensysteme, die viele kleine Punktstrahlen verwenden, wirtschaftlich und hinsichtlich des Betriebs interessant sein, falls die durch eine große Anzahl von Antwortsendern erzeugten Schwierigkeiten vermieden werden könnten. Die üblicherweise akzeptierte Schlußfolgerung geht dahin, daß diese Schwierigkeit nur durch eine Demodulation, Umschaltung und erneute Modulation von Signalen an Bord des Satelliten gelöst werden kann. Jedoch ist eine derartige Technik schwer, teuer und für die meisten kommerziellen Anwendungen noch nicht technologisch erprobt.

Bei einer an Bord erfolgenden Umschaltung werden Signale einer jeden Hinverbindung empfangen, demoduliert und anschließend zum geeigneten Rückverbindungs-Richtstrahl umgeschaltet zwecks Modulation und Übertragung zum richtigen Punktstrahl-Erfassungsbereich. Dies verringert die Anzahl der für ″N benötigten Punktstrahlen von N ², wie sie ohne Umschaltung benötigt wird, auf N. Jedoch wäre es im Hinblick auf das Gewicht, die Kosten und den komplexen Aufbau dieser aktiven Umschaltvorrichtung zweckmäßig, ein praktisches System zu ersinnen, bei dem die Umschaltung ohne der an Bord erfolgenden Demodulation erfolgt, so daß der Satellit passiv an Stelle einer aktiven Schaltvorrichtung ist.

Um somit eine volle Zwischenverbindbarkeit der getrennten Punktstrahlen zu haben, wird die Anzahl der Antwortsender sehr groß, falls eine merkliche Anzahl von Punktstrahlen gegeben ist oder eine komplizierte an Bord erfolgende Demodulation und Umschaltung vorgenommen werden muß. Für die vorliegende Anmeldung werden folgende, nachstehend aufgeführte Ausdrücke verwendet:

"Richtstrahl" wird verwendet, um einen Punktstrahl zu bezeichnen, der einen Abschnitt des gesamten Satelliten-Erfassungsbereichs abdeckt, oder einen größeren Richtstrahl, der den gleichen Bereich wie eine Anzahl von Punktstrahlen abdeckt bis hin zum Einschluß des gesamten Erfassungsbereichs der Satelliten. Falls die Unterscheidung zwischen einem Punktstrahl und einem größeren Richtstrahl für die Erläuterung wichtig ist, so wird es aus dem Zusammenhang klar sein, was gemeint ist. Wo Richtstrahlen funktionell unabhängig voneinander sein sollen, so daß zwischen den Richtstrahlsignalen keine Interferenz auftritt, können mehrere Trennvorrichtungen verwendet werden einschließlich einer geographischen Trennung von Erfassungsbereichen, einer Verwendung getrennter Frequenz (disjoint frequency) und orthogonaler Wellenpolarisation. In der Erörterung und den Figuren dieser Anmeldung wird angenommen, daß Punktstrahlen mittels eines oder mehrerer Verfahren getrennt gehalten werden, falls keine andere Angabe erfolgt.

"Leitung" wird dazu benützt, um einen elektronischen Pfad durch einen Satelliten oder einen elektronischen Pfad von einer Erdstation zu einer anderen zu bezeichnen.

"Leiten" als Verb wird dazu verwendet, um eine solche Auswahl von Signalparametern, wie beispielsweise Frequenz, Polarisation und Timing, zu bezeichnen, daß ein Signal einer geeigneten Leitung über einen Satelliten oder von einer Erdstation zu einer anderen folgt.

"Umschaltung" wird dazu verwendet, die Auswahl von Signalparametern zu bezeichnen, um notwendige Befehle an Erdstationen zusammenzuführen, so daß eine Verbindungsleitung für eine Zeitspanne zwischen gewünschten Erdstationen hergestellt wird.

"Antwortsender (transponder)" wird dazu verwendet, um die Einrichtung zu bezeichnen, die üblicherweise einen einzelnen Pfad, der funktionell von allen anderen Pfaden getrennt ist, für elektronische Signale durch einen Satelliten zu bezeichnen.

Das System gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft ein Satellitenverbindungssystem, bei welchem eine Erdstation in irgendeinem Erfassungsbereich eines Punktstrahls mit einer Erdstation im Erfassungsbereich des gleichen oder irgendeines anderen Punktstrahls in Verbindung treten kann, ohne daß eine große Anzahl Antwortsender benötigt werden oder eine aktive Umschaltung im Satelliten erfolgt. Jedes von einem Satelliten aus einem Punktstrahl-Erfassungsbereich empfangene Hinverbindungs-Signal wird abhängig von der verwendeten Trägerfrequenz zu einem einzelnen bestimmten Rückverbindungs-Punktstrahl geleitet. Die Leitungstechnik kann als frequenzselektive Leitreihe (FSRA) im Satelliten bezeichnet werden. Das Signal wird geleitet, indem jeder Erdstation an jedem Ende einer Nachrichtenverbindung eine geeignete Hinverbindungsfrequenz (F_N) zugeteilt wird, die eine ordnungsgemäße Leitung ermöglicht. Ein Netzwerk-Steuerungszentrum (NCC), das sich auf der Erde in einem der Punktstrahl-Erfassungsbereiche befindet, empfängt signalisierende Anforderungen und Teilfrequenzen, so daß die gewünschte Leitung errichtet wird. Die Verwendung eines Netzwerk-Steuerungszentrums auf der Erde und einer frequenzselektiven Leitreihe (FSRA) im Satelliten wird als Frequenzzuordnungsumschaltung (FAS) bezeichnet.

Die Verwendung von Punktstrahlen gestattet ferner die Wiederverwendung von Frequenzen, wodurch die gesamte potentielle Kapazität einer einzelnen Satellitenbahnposition vergrößert wird. Wird ein Frequenzspektrum im Bereich A verwendet, und liegt der Bereich A geographisch vom Bereich B entfernt, so kann das gleiche Frequenzspektrum auch im Bereich B verwendet werden. Dies erhöht selbstverständlich die gesamte Bandbreite für die Signalübertragung gegenüber jener, die in einem Einzelrichtstrahlsystem möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbindungssystem zu schaffen.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Punktstrahl-Satellitenverbindungssystem zu schaffen, das völlig miteinander verbunden ist, ohne daß eine aktive Umschaltung im Satelliten erfolgt und ohne, daß ein Erfordernis für N ² Antwortsender vorliegt, wobei N die Anzahl der Punktstrahl-Erfassungsbereiche ist.

Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet, ein Satellitenverbindungssystem zu schaffen, in welchem eine höhere effektive, isotrop abgestrahlte Leistung über einen großen geographischen Erfassungsbereich erhalten wird, indem Mehrfach-Richtstrahlen und Verstärker niedriger Leistung verwendet werden, so daß die Gesamtsatellitenleistung nicht erhöht ist und eine Zwischenverbindbarkeit unter allen Punkten des Erfassungsbereiches aufrechterhalten wird.

Schließlich ist die Erfindung darauf abgestellt, ein Satellitenverbindungssystem zu schaffen, bei welchem kleine Erdstationen in der Lage sind, Signale bei geringeren Leistungspegeln und/oder bei einer höheren Datenrate in einem Satelliten zu senden oder von diesem zu empfangen.

Ferner soll durch die Erfindung ein Satellitenverbindungssystem zur Verfügung gestellt werden, das die Wiederverwendung von Frequenzen gestattet und dadurch den Gesamtwirkungsgrad einer wertvollen öffentlichen Einrichtung erhöht.

Das zur Lösung der voranstehend aufgeführten Aufgabenstellung vorgeschlagene Verbindungssystem ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (routing array means) mit einer Anzahl elektronischer Pfade, wobei jeder elektronische Pfad sich gegenüber jeden anderem elektronischen Pfad unterscheidet und die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung elektronische Signale aufnehmen und weiterleiten kann, und eine Netzwerk-Steuervorrichtung, die räumlich getrennt von der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung angeordnet ist und mit den Verbindungspunkten in Verbindung treten kann und ferner Trägerfrequenzen zur Verbindung zwischen den Verbindungspunkten und über die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung auswählen kann.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Satellitenverbindungssystem, bei welchem ein Satellit einen Richtstrahl aussendet, der den Gesamtbereich der 48 zusammenhängenden Vereinigten Staaten erfaßt,

Fig. 2 ein Funktionsschaltbild für den in Fig. 1 dargestellten Einzelstrahl-Satelliten,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen Satellitensystems mit zwei funktionell getrennten Punktstrahlen,

Fig. 4A ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Satelliten, der das erfindungsgemäße System verwendet,

Fig. 4B ein System für eine störungsarme Empfangsantenne und

Fig. 4C ein vereinfachtes Blockschaltbild, welches die Vorteile gemäß den Fig. 4A und 4B verbindet,

Fig. 5 eine Frequenzumsetzungsdarstellung, die der Fig. 4A zugeordnet ist,

Fig. 6 ein Satellitenverbindungssystem mit einem auf der Erde befindlichen Netzwerk-Steuerungszentrum,

Fig. 7A die Erfassung eines Bereichs durch einen einzelnen Richtstrahl und

Fig. 7B eine Punktstrahlerfassung des gleichen Bereichs mit Frequenzwiederverwendung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild für ein Einzelsatellitensystem ohne Frequenzwiederverwendung,

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Zwei-Satellitensystems mit Frequenzwiederverwendung,

Fig. 10A ein Blockschaltbild eines Satellitensystems mit acht Punktstrahlen, wobei das verfügbare Frequenzspektrum viermal verwendet wird, wobei

Fig. 10B und 10C darstellen, wie das Frequenzspektrum in jeden Bereich unterteilt sein könnte,

Fig. 11 ein System, in welchem mehrere Erdstationen in jeden Punktstrahl-Erfassungsbereich vorhanden sind, und

Fig. 12 eine Darstellung, die eine vermehrte Frequenzwiederverwendung angibt, die durch Verwendung einer Wellenpolarisierungstrennung für benachbarte Bereiche erzielt wird.

Es wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben. Ein typisches Einzelstrahl-Satellitensystem, welches eine Gesamtfläche, wie beispielsweise die Vereinigten Staaten erfaßt, ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Einzelstrahl-Satellit 20 empfängt ein Signal von einer Erdstation 24 und überträgt es an andere Erdstationen, wie beispielsweise die Erdstationen 26, 27 und 28. Die Erfassung des großen Bereichs 22 durch den Einzelstrahl-Satelliten 20 erfordert eine größere Leistung für die Übertragungen vom Satelliten 20 als sie für das erfindungsgemäße Punktstrahlsystem erforderlich ist, das den gleichen Bereich erfaßt. Fig. 2 stellt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Einzelstrahl-Satelliten 20 dar. Eine Eingangsantennenreihe 30 sammelt ein Hinverbindungssignal, das von einem Empfänger und Frequenzumsetzer 32 empfangen und frequenzumgesetzt wird, das in Ausgangsverstärkern und Kanalfiltern 34 verarbeitet und der Ausgangsantennenreihe 36 zum Aussenden an andere Erdstationen zugeführt wird.

Ein bekanntes Satellitensystem mit zwei funktionell getrennten Punktstrahlen ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Hinverbindungssignal, das von der Punktstrahlfläche A zur Hinverbindungsantenne 40 gesendet wird, kann zum Punktstrahlbereich A zurückgesandt werden und zwar über den Empfänger und Frequenzumsetzer 41, Leistungsverstärker und Filter 42 und die Rückverbindungs-Antenne 43, oder das Signal kann in ähnlicher Weise an den Punktstrahlbereich B gesendet werden und zwar über Empfänger und Frequenzumsetzer 44, Leistungsverstärker und Filter 48 und Rückverbindungsantenne 49. Zur Erzielung einer vollständigen Zwischenverbindbarkeit sind vier Antwortsender für ein Zweipunktstrahlsystem erforderlich. Für größere Systeme mit dem gleichen Aufbau, beispielsweise für ein Achtpunktstrahlsystem, wären 64 Antwortsender nötig, um eine volle Zwischenverbindbarkeit zu erreichen.

Der einfachste Fall einer Frequenzzuordnungsumschaltung (FAS) gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen einzelnen Satelliten ohne Frequenzwiederverwendung und mit N Punktstrahlen und N Antwortsendern. Eine frequenzselektive Leitreihe (FSRA) ist in Fig. 4A dargestellt, wobei beispielsweise N gleich 4 ist. Dies stellt ein Einzelsatellitensystem mit einer frequenzselektiven Leitreihe 53 dar, das die doppelte Anzahl von Punktstrahlen für die gleiche Anzahl Antwortsender wie das bekannte Satellitensystem nach Fig. 3 aufweist. Zur Erläuterung sind die Hinverbindungsfrequenzen in vier Bereiche F ₁ bis F ₄ aufgeteilt, und die entsprechenden umgesetzten Rückverbindungsfrequenzen sind in vier Bereiche G ₁ bis G ₄ unterteilt. Diese Beziehung ist üblich für Antwortsender-Frequenzzuteilungen in Satelliten. Die Hinverbindungsstrahlen A bis D und die Rückverbindungsstrahlen A bis D erfassen angenommenerweise im wesentlichen den gleichen geographischen Bereich, obgleich dieses Erfassungsmuster geändert werden kann, um den Erfordernissen eines jeweiligen Systems zu entsprechen. Wird ein Signal vom Punktstrahlbereich B auf einer Trägerfrequenz im F ₁-Bereich gesendet, so wird es durch die Hinverbindungsantenne 50 und den Empfänger und Frequenzumsetzer 52 in FSRA 53 aufgenommen. Das Signal wird in eine Frequenz im G ₁-Bereich umgesetzt und wird dann an die Filter G ₁ bis G ₄ übertragen. Die Filter G ₂ bis G ₄ sperren das Signal, während es durch das Filter G ₁ durchgelassen wird. Anschließend wird es durch den Verstärker 56 verstärkt und durch die Rückverbindungsantenne 59 zum Punktstrahl-Erfassungsbereich A gesendet. In ähnlicher Weise wird das Signal, falls es vom Punktstrahlbereich C zur Hinverbindungsantenne 51 und den Empfänger und Frequenzumsetzer 52 im Frequenzbereich F ₄ gesendet wird, in den Frequenzbereich G ₄ umgesetzt und zu den Filtern G ₁ bis G ₄ geleitet. In diesem Falle sperren die Filter G ₁ bis G ₃ das Signal und das Filter G ₄ läßt das Signal zum Verstärker 57 und zur Rückverbindungsantenne 58 hindurchtreten. Das Signal wird anschließend über die Rückverbindungsantenne 58 zum Punktstrahlbereich D gesendet.

Fig. 5 zeigt eine der Fig. 4A zugeordnete Frequenzumsetzungsdarstellung. Jedes Signal von irgendeinem Punktstrahl-Erfassungsbereich, das auf einer Trägerfrequenz im Bereich F ₁ gesendet wird, wird allen Filtern G ₁ bis G _N zugeführt; jedoch wird, wie in Fig. 5 dargestellt ist, nur das Filter G ₁ das Signal im Frequenzbereich F ₁ hindurchtreten lassen, und infolgedessen wird nur der Punktstrahl-Erfassungsbereich entsprechend dem Frequenzbereich G ₁ das Signal empfangen. Für die Signale in den anderen Bereichen F ₂ bis F _N gilt das gleiche. Daher wird die Leitung der Signale durch den Satelliten und damit die Leitung der Schaltung von einem Punktstrahl zu einem anderen durch die Zuordnung der Hinverbindungs-Trägerfrequenz bestimmt.

Da der geographische Bereich, der von jedem Punktstrahl erfaßt wird, kleiner ist als der Gesamterfassungsbereich aller Punktstrahlen, wird die Verstärkerleistung konzentriert, womit eine höhere effektive isotrop abgestrahlte Leistung (E.I.R.P.) als bei einem üblichen Einzelstrahl-Satelliten mit der gleichen Verstärkerleistung erhalten wird. Ein derartiger Satellit hat eine hohe effektive Rückverbindungsleistung in jedem Punktstrahl-Erfassungsbereich und trägt dazu bei, das angestrebte Ziel einer kleinen kostengünstigen Erdstation zu realisieren.

Die in Fig. 4A dargestellte frequenzselektive Leitreihe (FSRA) erzielt den Vorteil einer Punktstrahlleistung in der Rückverbindung, jedoch ist die Größe des Gewinns und der Störungsarmut bei der Hinverbindungs-Empfangsantenne eher die gleiche wie bei dem Einzelstrahlsystem nach Fig. 2, da alle Hinverbindungsantennen parallelgeschaltet sind. Die Größe der Störungsarmut kann durch eine FSRA-Anordnung gemäß Fig. 4B verbessert werden. Durch Hinzugabe normierter Bandfilter 61 in der frequenzselektiven Leitreihe 60 nimmt jeder Ausgangsverstärker nicht mehr Rauschen je Hertz auf als in der in üblicher Weise zwischenverbundenen Punktstrahlanordnung nach Fig. 3. Zwischen den Satellitenanordnungen nach Fig. 4A und Fig. 4B ist ein Ausbildungsbereich vorhanden, der das gleiche Prinzip der Frequenzzuordnungsumschaltung verwendet, wie es im Beispiel nach Fig. 4C dargestellt ist.

Fig. 4C zeigt Hinverbindungs-Antennen 70 und 71, die parallel zu einem Empfänger und Frequenzumsetzer 72 liegen. Die Signale, die von den Punktstrahlbereichen A und B von den Hinverbindungs-Antennen 70 und 71 empfangen werden, werden vom Empfänger und Frequenzumsetzer 72 verarbeitet, dessen Ausgang parallel zu den normierten Filtern G _1a bis G _4a liegt. Die von den Punktstrahlbereichen C und D empfangenen Signale werden von Hinverbindungs-Antennen 73 und 74 aufgenommen, die parallel zu einem Empfänger und Frequenzumsetzer 75 liegen. Der Empfänger und Frequenzumsetzer 75 ist seinerseits parallel an einen Satz normierter Filter G _1b bis G _4b angeschlossen. Diese Anordnung verringert die Größe der im System nach Fig. 4A auftretenden Störungen, indem die Anzahl der parallel zueinander geschalteten Hinverbindungs-Antennen verringert wird. Jedoch erhöht diese Anordnung die Anzahl der verwendeten Frequenzumsetzer und normierten Filter.

Vorausgehend wurde nicht erörtert, in welcher Weise Mehrfachsignale durch jeden Antwortsender geschickt werden. Alle verschiedenen Zeit- und Frequenzmultiplexverfahren können verwendet werden entweder einzeln oder in Kombination miteinander. Hier sind zwei spezifische Verfahren dargestellt, die verwendet werden können, nämlich Einzelkanal je Träger/Anforderungs-zugeordneter Mehrfachzugang (SCPC/DAMA) und Zeitteilungs-Mehrfachzugang (TDMA). Das Umschaltverfahren ist in beiden Fällen im wesentlichen das gleiche. Das SCPC/DAMA-Umschaltverfahren wird zunächst erläutert und die Beschreibung betrifft einen Satelliten, der in Fig. 4A dargestellten Bauart, obgleich die gleiche Anordnung für die in Fig. 9 dargestellten Mehrfachsatelliten verwendbar ist.

Das System gemäß Fig. 6 zeigt eine Art, in welcher ein Netzwerk-Steuerungszentrum 93 (NCC) mittels Frequenzzuordnung eine frequenzselektive Leitreihe (FSRA) in einem Satelliten 91, der in Fig. 4A dargestellten Bauart steuern kann. Eine Erdstation 92 im Punktstrahlerfassungsbereich 90 injiziert eine Schaltungsanforderung, um mit der Erdstation 95 im Punktstrahl-Erfassungsbereich 96 in Verbindung zu treten. Diese Anforderung wird auf einem getrennten Signalisierungskanal oder in einem speziellen Code auf einem normalen Kanal an ein Netzwerk-Steuerungszentrum 93 gesendet, das sich beispielsweise in dem Punktstrahl-Erfassungsbereich 94 befindet. Das Netzwerk-Steuerungszentrum 93 wählt einen nicht benützten SCPC/DAMA-Kanal für Sendungen von der Erdstation 92 zur Erdstation 95 aus. Das Netzwerk-Steuerungszentrum 93 wählt beispielsweise eine Frequenz im F ₂-Bereich, Schlitz- Nummer 9, die als Frequenz F _2-9 bezeichnet werden kann. Die Wahl muß im F ₂-Bereich erfolgen, so daß sie durch die frequenzselektive Leitreihe (FSRA) in den G ₂-Bereich umgesetzt wird, der zum Punktstrahlbereich 96 gesendet wird. Das Netzwerk-Steuerungszentrum 93 signalisiert anschließend der Erdstation 92, daß sie auf der Frequenz F _2-9 senden sollte und es signalisiert der Erdstation 95, daß sie auf der Frequenz G _2-9 empfangen sollte. Diese Anforderungs- und Zuordnungssignale sind als gestrichelte Sendeweglinien 97 in Fig. 6 dargestellt. Die Erdstation 92 kann anschließend das Senden auf der Frequenz F _2-9 beginnen und das Signal wird in der Erdstation 95 auf der Frequenz G _2-9 empfangen, wie das durch die vollausgezogenen Sendelinien 98 und 99 in Fig. 6 dargestellt ist. Falls eine Zweiwegschaltung erforderlich wäre, würde das Netzwerk-Steuerungszentrum selbstverständlich eine nicht gebrauchte Frequenz, beispielsweise F _1-6, im F ₁-Bereich zur Verwendung durch die Erdstation 95 auswählen, die in eine Frequenz G _1-6 zum Empfang durch die Erdstation 92 umgesetzt würde. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Umschaltung in Echtzeit erfolgen kann oder daß bestimmte Frequenzen und Zeitschlitze den Erdstationen vorab zugeordnet oder von Zeit zu Zeit in einer Rückverbindung erteilt werden, so daß die Umschaltung das Netzwerk-Steuerungszentrum und einen Zweiweg durch die Leitungen 97 dargestellten Schaltungsvorgang nicht einschließen muß.

Das Netzwerk-Steuerungszentrum (NCC) verfolgt alle verwendeten Frequenzen und wählt nicht verwendete Frequenzen (oder Frequenzpaare für Zweiwegschaltungen) aus, um die gewünschten Nachrichtenverbindungen herzustellen. Die zentralisierte Umschaltung des Netzwerk-Steuerungszentrums ergibt beträchtliche Einsparungen bei einem Großbereichs-Netzwerk und führt zu einfachen und kostengünstigen Zusatzfunktionen, wie Rechnungsstellung, Katalogzugriff, Datenbankdienste, etc. .

Dies wird ermöglicht, da der "Umschalter" (d. h. das aktive oder intelligente Steuergerät) sich auf der Erde befindet, wo es leicht verändert oder erweitert werden kann, im Gegensatz zur Situation bei der Umschaltung an Bord eines Satelliten. Dieses Verfahren vermeidet ferner eine Zweiwegsignalisierung, wenn ein Zutritt zu einer im Netzwerk-Steuerungszentrum befindlichen Datenbank erfolgt.

Falls die einzelnen Frequenzen in jedem Bereich nicht für einen vollständigen Nachrichtenkanal verwendet werden, können sie durch TDMA sowohl bezüglich der Zeit als auch der Frequenz unterteilt werden. Diese Kombination einer Frequenz- und Zeitschlitzzuordnung kann als Multifrequenz-Zeitteilungs-Mehrfachzugang (MFTDMA) bezeichnet werden. Hat beispielsweise jeder Frequenzbereich eine Kapazität von 1,544 Megabit pro Sekunde (Mbps) und erfordert eine Nachrichtenschaltung lediglich 64 Kilobit pro Sekunde (Kbps), so würde das Netzwerk-Steuerungszentrum nicht nur die Frequenz F _2-9 zuordnen, sondern auch einen Teilzeitschlitz. Wäre ein dritter Zeitschlitz frei und dieser Schaltung zugeordnet, so wäre die MFTDMA-Sendezuordnung bezüglich Frequenz und Zeit für jede Erdstation 92 gleich F _2-9-3 und die Empfangszuordnung für jede Erdstation 95 würde G _2-9-3 sein. In diesem Falle würde das Netzwerk-Steuerungszentrum die Verfügbarkeit des Frequenz- und Zeitschlitzes bei der Zuordnung von Nachrichtenwegen verfolgen.

Eines der erwünschten Merkmale von Punktstrahlen liegt darin, daß die Frequenzen über den Satelliten-Erfassungsbereich wieder verwendet werden können, im Gegensatz zur Erfassung mittels eines Einzelstrahlsystems gemäß Fig. 1. Dies ist in den Fig. 7A und 7B dargestellt, woraus hervorgeht, daß jeder Frequenzbereich einmal verwendet werden kann, und zwar in zwei Punktstrahlbereichen, anstelle lediglich einmal, wie beim Einzelstrahlsystem. Fig. 7A zeigt, daß die Frequenzen G ₁ bis G ₈ einmal im Erfassungsbereich 100 mit einem üblichen Einzelstrahl-Satellitensystem verwendet werden können. Fig. 7B stellt den gleichen Erfassungsbereich 100 mit Punktstrahlen dar, die es gestatten, daß jede der Frequenzen G ₁ bis G ₈ zweimal verwendet wird. Dies ist möglich, da beispielsweise der G ₁ Frequenzbereich in zwei einander nicht überlappenden Punktstrahl-Erfassungsbereichen vorliegt, wobei eine Erdstation in einem dieser Erfassungsbereiche keine Störung von G ₁-Signal im anderen derartigen Erfassungsbereich erleiden würde.

Fig. 8 stellt ein komplexeres System der vorliegenden Erfindung mit zwölf getrennten Punktstrahlbereichen dar. Die Erfassungsbereiche der Hinverbindungs-Antennen 110 A bis 110 L stellen zwölf geographisch getrennte Punktstrahlbereiche A bis L dar (die nicht dargestellt sind). Die von den Hinverbindungs-Antennen 110 A bis 110 L empfangenen Signale werden zwölf identischen Breitband-Vorverstärkern zugeführt. Die von diesen Vorverstärkern abgegebenen Signale werden durch eine Summierschaltung 112 summiert und dem Frequenzumsetzer 113, den Filtern 114, den Verstärkern 115 und den Rückverbindungs-Antennen 116 A bis 116 L zugeführt. Wünscht ein Benutzer des Systems im Erfassungsbereich A eine Verbindung mit einem Benutzer im Erfassungsbereich H, so sendet die Erdstation im Bereich A auf einer Trägerfrequenz im F ₈-Bereich, der in den G ₈-Frequenzbereich umgesetzt und nur vom Filter G ₈ hindurchgelassen wird. Der Ausgang des Filters G ₈ wird über dessen zugeordneten Verstärker 115 und die Rückverbindungs-Antenne 116 dem Erfassungsbereich H zugeleitet. Somit gestattet dieses System jeden der Erfassungsbereiche A bis L mit irgendeinem anderen Erfassungsbereich A bis L auf unabhängiger Basis in Verbindung zu treten.

Ein zweiter Satellit, der in Fig. 8 dargestellt ist, könnte zusammen mit dem ersten angeordnet sein, jedoch würde dies eine weniger wirksame Addition darstellen, da beide Satelliten alle Signale empfangen und wiederholen würden. Dies kann durch die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung vermieden werden, die für zwei Satelliten in Fig. 9 dargestellt ist. Durch Anordnung von zwei Summierschaltungen 124 und 131 in jeden der beiden Satelliten 120 und 121 wird die Frequenzverwendung verdoppelt. Im Satelliten 120 verwenden die Erfassungsbereiche A bis F Frequenzen F ₁ bis F ₆ und ihre zugeordneten Breitband-Vorverstärker 123. Die Signale aus diesen Breitband-Vorverstärkern werden durch die Summierschaltung 131 summiert und durch das Filter 132 gegenüber den übrigen Kanälen gefiltert und anschließend auf einer Eins-zu-Eins-Basis über den Umsetzer 133 zu den Rückverbindungs-Kanälen G ₁ bis G ₆ umgesetzt. Jeder Rückverbindungs-Kanal G ₁ bis G ₆ wird anschließend aus einem zusammengesetzten Signal am Ausgang des Umsetzers 133 durch die Filter 127 herausgefiltert und durch die zugeordneten Verstärker 128 verstärkt und den entsprechenden Rückverbindungs-Antennen 129 A bis 129 F zugeführt. Die verbleibenden Kanäle werden in einem identischen Vorgang behandelt, wobei ein Unterschied lediglich bezüglich der zugeordneten Erfassungsbereiche und der verwendeten Kanäle gemäß Fig. 9 vorhanden ist. Der Satellit 121 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, abgesehen davon, daß die Rückverbindungs-Frequenzen G ₇ bis G ₁₂ von den Umsetzern 135 und 136 anstelle der Frequenzen G ₁ bis G ₆ verwendet werden, und daß Hinverbindungs-Frequenzen F ₁ bis F ₆ die Hinverbindungs-Punktstrahlbereiche G bis L über Filter 120 versorgen, anstelle der Punktstrahlbereiche A bis F, wie beim Satelliten 120.

Es können nunmehr die Leitungen zwischen den Erdstationen beschrieben werden. Dabei sei angenommen, daß eine Erdstation im Punktstrahl-Erfassungsbereich A in Verbindung mit einer Erdstation im Punktstrahl-Erfassungsbereich B treten will. Die Bezugnahme auf Fig. 9 ergibt, daß der Bereich B durch den Rückverbindungs-Kanal G ₂ am Satelliten 120 und den Rückverbindungs-Kanal G ₈ am Satelliten 121 versorgt wird. Nimmt somit eine Erdstation im Erfassungsbereich A eine Anforderung vor, so könnte das Netzwerk-Steuerungszentrum eine Trägerfrequenz innerhalb des Hinverbindungs-Frequenzbereichs F ₂ zuteilen, der durch den Satelliten 120 in den Rückverbindungs-Frequenzbereich G ₂ umgesetzt würde. In ähnlicher Weise könnte eine Frequenz im Bereich F ₈ zugeordnet werden und würde durch den Satelliten 121 in den Frequenzbereich G ₈ umgesetzt, und die Erdstation im Erfassungsbereich B würde anschließend angewiesen, auf einer entsprechenden Frequenz im Bereich G ₈ zu empfangen. Falls der Erfassungsbereich A zum Erfassungsbereich B auf Frequenzen im Bereich F ₂ sendet, so kann der Erfassungsbereich H ebenfalls auf einer Frequenz im Bereich F ₈ zum Erfassungsbereich B senden, da der Frequenzbereich F ₂ im Satelliten 120 in den Rückverbindungs-Frequenzbereich G ₂ umgesetzt und der Frequenzbereich F ₈ im Satelliten 121 in den Rückverbindungs-Frequenzbereich G ₈ umgesetzt wird. Somit kann jede Frequenz zweimal verwendet werden und jede Erdstation kann jede andere Erdstation erreichen.

Bekanntlich muß eine einmalige Neudarstellung des ersten Satelliten auftreten, wenn der zweite Satellit hinzugefügt wird, um ihn aus der Darstellung nach Fig. 8 in jene der Fig. 9 zu ändern, oder um ihn in die ursprüngliche Darstellung zurückzuführen, falls einer der Satelliten nicht mehr zufriedenstellend arbeiten würde.

Obgleich dies vorausgehend nicht erläutert wurde, könnte das Satellitensystem nach Fig. 8 ein zusätzliches identisches Zwölf-Antwortsender-Subsystem an Bord des Satelliten aufweisen, das eine Erfassung genau der gleichen Bereiche vornehmen würde, jedoch mit orthogonaler Wellenpolarisierung. Ein derartiges Einzel-Satellitensystem kann eine vollständige Frequenzwiederverwendung liefern, indem sowohl die horizontale als auch die vertikale Wellenpolarisation verwendet wird, und das Zwei-Satellitensystem nach Fig. 9 kann diese Kapazität verdoppeln, indem eine geographische Frequenzwiederverwendung in getrennten Punktstrahlen bei beiden Wellenpolarisationen vorgesehen wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß viele andere Anordnungen von Hinverbindungs- und Rückverbindungs-Strahlkombinationen möglich sind, die eine größere Frequenzwiederverwendung gestatten. Bei einigen Ausbildungen könnte die Anordnung der Hinverbindungs-Strahlen und ihre Erfassungsbereiche den begrenzenden Faktor darstellen, während bei anderen Ausbildungen die Anordnung der Rückverbindungs-Strahlen der begrenzende Faktor wäre. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß bei stärkerer Frequenzwiederverwendung in einer Bahnposition eine größere Anzahl von Leitungen für eine einzelne Erdstation zur Verfügung stehen.

Obgleich die Anwendung der Leit- und Umschalttechnik dieses Systems unter Bezugnahme auf eine Satellitenverbindung erläutert wurde, würde es auch für andere Nachrichtensysteme verwendbar sein. Derartige Systeme umfassen beispielsweise CATV-Netzwerke und bestimmte örtliche Netzwerke (LANS), wobei ein "kopfseitiges Ende" (das den Satelliten-Antwortsendern analog ist) "Hinverbindungs"-Kanäle (die den Satelliten- Hinverbindungs-Kanälen analog sind) in "Rückverbindungs"-Kanäle (die den Satelliten-Rückverbindungs-Kanälen analog sind) umsetzen würde.

Durch Erweiterung der Unterteilung der Frequenzbänder und ihrer Kombinationen mit verschiedenen Punktstrahlanordnungen, können bis zu N Satelliten mit N Antwortsendern jeweils in jeder Bahnposition angeordnet werden. Dies gestattet die Möglichkeit einer extensiven Frequenzwiederverwendung und Frequenzkonservierung, und ermöglicht ferner jeder Erdstation den Zugang zu einer größeren Anzahl von Erdstationen.

Fig. 10A stellt ein Satellitensystem dar, das in vier Bereiche unterteilt ist, wobei sich in jeden Bereich zwei Punktstrahlen befinden. Die Anordnung gestattet die viermalige Verwendung eines Frequenzspektrums. Erstreckt sich das vom Satelliten verwendete Frequenzspektrum von 11,7 GHz bis 12,2 GHz, so ist eine Bandbreite von 500 MHz vorhanden. Jeder der Frequenzbereiche F ₁ bis F ₈ gemäß Fig. 10B könnte die gleiche Bandbreite von 62,5 MHz gemäß Fig. 10C aufweisen oder verschiedene Bereiche könnten unterschiedliche Bandbreiten haben. Frequenzbereiche F ₁ bis F ₈ ergeben eine Gesamtbandbreite von 500 MHz. Falls eine Erdstation im Punktstrahl A im Bereich 140 in Verbindung mit dem Punktstrahl B im Bereich 142 treten will, würde sie ihr Signal auf einer Trägerfrequenz im F ₆-Frequenzbereich aussenden, die ihrerseits das Signal selbsttätig zum Punktstrahl B im Bereich 142 der Rückverbindungs-Bereiche leiten würde. Der Hinverbindungs-Bereich 140 ist bei diesem Beispiel der gleiche wie der Rückverbindungs-Bereich 140 usw. Falls der Punktstrahl im Hinverbindungs-Bereich 140 mit dem Punktstrahl B im Rückverbindungs-Bereich 140 in Verbindung treten sollte, so würde er sein Signal auf einer Trägerfrequenz im F ₂-Frequenzbereich aussenden. Fig. 10B stellt die Frequenzbereiche F ₁ bis F ₈ dar. Diese Frequenzen werden im System nach Fig. 10A viermal verwendet. Die Bereiche 140, 141, 142 und 143 in Fig. 10A und die Punktstrahlen in jedem Bereich können durch eines oder durch mehrere der vorausgehend beschriebenen Verfahren getrennt werden. Beispielsweise könnten die Bereiche 140 und 142 eine vertikale Polarisierung verwenden und die Bereiche 141 und 143 könnten eine horizontale Polarisierung einsetzen, wobei die Punktstrahlen A und B in jedem Bereich verschiedene Frequenzen in den Rückverbindungen verwenden, während sich die Frequenzen in den Hinverbindungen teilen.

Fig. 12 stellt ein System dar, das eine vollständige vierfache Frequenzverwendung gestattet. Der Erfassungsbereich ist in vier Bereiche 170, 171, 172 und 173 unterteilt, wobei zwei Strahlen pro Bereich verwendet werden. Orthogonale Wellenpolarisierungen werden in einander angrenzenden Bereichen verwendet, so daß ein Gebrauch des vollständigen Frequenzspektrums sowohl für die Hinverbindungen als auch für die Rückverbindungen erfolgen kann. Bereiche die die gleichen Polarisierungen verwenden, sind voneinander durch schnelle Abroll-Antennenstrahlen und umrissene Erfassungsmuster getrennt. Die Hinverbindungs-Frequenzen im Bereich F ₁ bis F ₈ werden vom Strahl 1 und Strahl 2 im Bereich 170 benützt. Die Strahlen im Bereich 170 sind vertikal polarisiert, während die benachbarten Strahlen, die die gleichen Frequenzen im Bereich 171 verwenden, horizontal polarisiert sind. Die Rückverbindungs-Frequenzbereiche G ₁ bis G ₈ im Bereich 170 sind gleichermaßen zwischen dem Strahl 1 und dem Strahl 2 gemäß Fig. 12 aufgeteilt.

Fig. 11 ist eine charakteristische Darstellung eines Netzwerksystems, das einen Satelliten, wie beispielsweise jene nach Fig. 10A, verwendet. Die Umschaltanordnung ist funktionell ein Sternsystem, in dessen Zentrum ein Satellit 160 angeordnet ist. Obgleich das Netzwerk-Steuerungszentrum sich am Boden und nicht im Satelliten befindet, arbeitet das Netzwerk in jeder Hinsicht wie ein Stern-Netzwerk, außer daß signalisierende Anforderungen und Frequenzzuordnungen eine Doppelweg-Nachrichtenverbindung umfassen können.

Das vorausgehend beschriebene Verfahren gestattet es, eine Sternarchitektur mit flexibler Bitraten (oder (Bandbreiten)-Zuordnung für eine große Anzahl kleiner Erdstationen in einem weiten Bereich vorzusehen. Kein anderes terrestrisches Netzwerk oder Satelliten-Netzwerk bietet solche Möglichkeiten.

Während vorausgehend eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Systems beschrieben worden sind, sind Abänderungen für den Fachmann offensichtlich und diese werden im Rahmen der anliegenden Ansprüche von der Erfindung mit umfaßt.

Claims

1. Verbindungssystem zur Bildung von Verbindungsleitungen bzw. -bahnen zwischen einer Anzahl von Verbindungspunkten, gekennzeichnet durch
eine frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (routing array means; 53; Fig. 4A) mit einer Anzahl elektronischer Pfade, wobei jeder elektronische Pfad sich gegenüber jeden anderen elektronischen Pfad unterscheidet und die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung elektronische Signale aufnehmen und weiterleiten kann, und
eine Netzwerk-Steuervorrichtung (93; Fig. 6), die räumlich getrennt von der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung angeordnet ist und mit den Verbindungspunkten in Verbindung treten kann und ferner Trägerfrequenzen zur Verbindung zwischen den Verbindungspunkten und über die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung auswählen kann.

2. Verbindungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (53; Fig. 4A) zur Anordnung innerhalb eines umlaufenden Satelliten geeignet ist und die Netzwerk-Steuervorrichtung (93; Fig. 6) sich am Boden befindet.

3. Verbindungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Satellit (91; Fig. 6) zur Verwendung von Punktstrahlen geeignet ist und daß die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (53, Fig. 4A; 60, Fig. 4B) geeignet ist unter Verwendung von Punktstrahlen die Verbindung mit den Verbindungspunkten herzustellen und daß die Netzwerk-Steuervorrichtung (93, Fig. 6) geeignet ist unter Verwendung von Punktstrahlen die Verbindung mit der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung aufzunehmen.

4. Verbindungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Pfad der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung (53, Fig. 4A; 60, Fig. 4B) einer verschiedenen Trägerfrequenz entspricht und die Netzwerk-Steuervorrichtung (93, Fig. 6) geeignet ist, eine jeweilige von jeden Verbindungspunkt zu verwendende Trägerfrequenz für die Verbindungen zwischen den Verbindungspunkten über die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung auszuwählen.

5. Punktstrahl-Satellitenverbindungssystem zur Herstellung von Verbindungsleitungen bzw. -Bahnen zwischen einer Anzahl von Erdstationen, gekennzeichnet durch
eine frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (53, Fig. 4A; 60, Fig. 4B) mit einer Anzahl elektronischer Pfade, wobei jeder elektronischer Pfad sich gegenüber jedem anderen elektronischen Pfad unterscheidet und die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung dazu geeignet ist, elektronische Signale zu empfangen und weiterzuleiten und innerhalb eines umlaufenden, für den Einsatz von Punktstrahlen geeigneten Satelliten angebracht zu werden,
eine Netzwerk-Steuervorrichtung (93, Fig. 6), die räumlich getrennt von der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung angeordnet ist und sich am Boden befindet, und die sich zur Herstellung einer Verbindung mit den Bodenstationen eignet und zur Auswahl von Trägerfrequenzen für Verbindungen zwischen den Bodenstationen und über die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung, und
eine Punktstrahl-Antennenanordnung (43, 49; Fig. 3), die sich am Satelliten befindet und geeignet ist, elektronische Signale als Punktstrahlen weiterzuleiten und elektronische Signale von den Bodenstationen zu empfangen.

6. Punktstrahl-Satellitenverbindungssystem zur Herstellung von Verbindungsleitungen bzw. -Bahnen zwischen einer Anzahl von Bodenstationen, gekennzeichnet durch
eine Satellitenanordnung, die für eine Umlaufbahn geeignet ist,
eine frequenzselektive Leit-Reihenanordnung (53, Fig. 4A; 60, Fig. 4B) mit einer Anzahl elektronischer Pfade, wobei jeder elektronische Pfad sich gegenüber jedem anderen elektronischen Pfad unterscheidet, und die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung geeignet ist, elektronische Signale zu empfangen und weiterzuleiten um innerhalb des Satelliten angeordnet zu werden,
Bodenstationen zur Weiterleitung von Signalen an die Satellitenanordnung und zur Aufnahme von Signalen von dieser,
eine Netzwerk-Steuervorrichtung (93, Fig. 6), die räumlich getrennt von der frequenzselektiven Leit-Reihenanordnung angeordnet ist und sich am Boden befindet, und dazu geeignet ist, die Verbindung mit den Bodenstationen herzustellen und Trägerfrequenzen für die Verbindungen zwischen den Bodenstationen und über die frequenzselektive Leit-Reihenanordnung auszuwählen, und
eine Punktstrahl-Antennenanordnung (40, 43, 49), die sich am Satelliten befindet und dazu geeignet ist, elektronische Signale als Punktstrahlen weiterzuleiten und elektronische Signale von den Bodenstationen zu empfangen.

7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch normierte Filteranordnungen (61, Fig. 4B, G _1a-G _4a, G _1b-G _4b, Fig. 4C) in jedem elektronischen Pfad angeordnet sind.

8. Verfahren zur Herstellung von Verbindungsleitungen bzw. -Bahnen zwischen einer Anzahl von Verbindungspunkten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anordnung einer Anzahl elektronischer Pfade, wobei jeder elektronische Pfad einen bestimmten Frequenzbereich durchläßt, der sich gegenüber den anderen Pfaden unterscheidet,
Empfang elektronischer Signale,
Auswahl von Trägerfrequenzen für die elektronischen Signale fernab der elektronischen Pfade und
Korrelierung der Trägerfrequenzen mit den elektronischen Pfaden zwecks Verbindung zwischen den Verbindungspunkten und über die elektronischen Pfade.