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QUERVERWEIS
ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Anmeldung
Nr. 60/115,285, angemeldet am 7. Januar 1999 von Arthur W. Wang
mit dem Titel „A
SATELLITE SYSTEM FOR BROADBAND COMMUNICATIONS", und US Provisional Anmeldung Nr. 60/115,287,
eingereicht am 7. Januar 1999 von Arthur W. Wang mit dem Titel „A GLOBAL
BROADBAND SATELLITE SYSTEM".
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Entwerfen,
Betreiben und Aufrechterhalten von Satellitenkommunikationssystemen
und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Lindern von Kommunikationsinterferenz
zwischen Satellitenkommunikationssystemen in unterschiedlichen Umlaufbahnen.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Der
Bedarf nach weltweiter Kommunikation wächst schnell. Dieses Wachstum
wird angetrieben durch das Zusammenwachsen der Telekommunikationsindustrie
und der Computerindustrie, der schnellen Expansion drahtloser Technologien
und der sich ständig
erweiternden Nutzung des Internets, das zu einem signifikanten Eingriff
in das tägliche
Leben geführt
hat. Das Wachstum der kleinen Büros
bzw. „small
offices" und der Heimbüros bzw. „home offices", das Drängen nach
mobiler Arbeitskraft und die Entwicklung von Multimediaanwendungen
haben zu diesem schnellen Wachstum der datenbezogenen Kommunikation
beigetragen.
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Der
wachsende Markt nach Internet/Intranet/Extranet-Verbindungen erfordert
ein Satellitensystem, das in der Lage ist, Kommunikation mit kurzer
Verzögerung,
mit globaler Abdeckung und mit hohen Bandbreiten bereitzustellen.
Die schnell wachsende Nachfrage nach Internetverbindungen, die Breitband-Datenkommunikation
erfordern, ist als Zugriffsdienstleistung (AS) bekannt.
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Internetdienstleistungsprovider
(ISPs) und zugehörige
Telekommunikationsprovider arbeiten momentan an der Verbesserung
existierender Technologien und daran, neu Infrastrukturen aufzubauen,
um Internetdienstleistungen zu unterstützen. Web-Zugriff, elektronischer Handel und Fernzugriff
werden bald Dienstleistungen sein, die jedem zur Verfügung stehen.
Online-Datenanwendungen
gehen schnell über
die übliche Email-
und File-Übertragungsfunktionalität hinaus,
und umfassen Dienstleistungen, wie beispielsweise Videokonferenz,
interaktive Multimediazusammenarbeit und Multicasting.
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Da
Internet und Multimediaanwendungen zunehmend das schnelle Wachstum
von Internetarbeitsdienstleistungsmärkten antreibt, fordern Endbenutzer
dieser Dienstleistungen, dass Dienstleistungsprovider mehr Daten
schneller übertragen
und verarbeiten.
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Das
Wachstum der Onlinebenutzer steigt sprunghaft an, da Benutzern das
World Wide Web als eine überlegene
Technologieplattform zum Erhalt von Nachrichten, Information, Korrespondenz
und Unterhaltung entdecken. Bis zum Jahr 2000 wird erwartet, dass
die Anzahl der Internetbenutzer nahe an 300 Millionen weltweit mit
mehr als vier Millionen Geschäftsseiten
erreicht, die im Internet vorhanden sind. Über 580 Millionen Computer
werden bis zum Jahr 2000 in Benutzung sein, und die gesamten globalen
IP Dienstleistungsumsätze
werden mit bis zu 16 Milliarden bis zum Jahr 2002 vorhergesagt.
Ferner wird vorausgesagt, dass die Gesamtzahl der US-Haushalte,
die online sind, die 35 Millionen bis zum Jahr 2000 erreichen wird.
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Die
Nachfrage nach mehr Bandbreite wird auch durch den e-Commerce angetrieben,
der mit beachtlichen Raten wächst.
Zunehmend erkennen Firmen, dass der Aufbau einer Geschäftspräsenz im
Internet ihnen ermöglicht,
mehr Menschen ökonomisch
zu erreichen. Konsumenten haben e-Commerce aufgrund seiner Annehmlichkeiten
und zeitsparenden Natur angenommen. Im Ergebnis wird hinsichtlich
des e-Commerce erwartet, dass er auf 400 Milliarden Dollar bis zum
Jahr 2002 anwächst,
wobei nahezu 8% der weltweiten Einzelhandelsverkäufe Rechnung getragen ist.
Diese Millionen von Onlinetransaktionen verlangen nach schnellen Verbindungslösungen,
insbesondere in Gebieten der Welt, wo kaum oder keine Internetinfrastruktur
verfügbar ist
und wo eine umfassende terrestrische Infrastruktur zum Aufbau zu
teuer und zeitraubend sein wird. Darüber hinaus werden intelligente
Agenten bzw. Vermittler die Bandbreitenbedürfnisse weiter anwachsen lassen,
die Benutzeraufgaben (wie beispielsweise ein Preisvergleich) erleichtern.
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Eine
weitere Entwicklung, die die Nachfrage nach Bandbreite antreibt
ist die Internet-Telefonie-Dienstleistung, ein entstehender Markt,
der ein dramatisches Wachstum erwarten lässt. Es wurde vorhergesagt,
dass bis 1999 die Internet-Telefondienstleistung
weltweit von virtuell null auf 560 Millionen Dollar an Geschäft anwachsen
wird, und bis 2001 werden Paketvermittlungsnetzwerke für etwa 1%
des globalen Fernverkehrs Rechnung tragen – etwa 12,5 Milliarden Minuten.
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Aus
dem Vorhergesagten wird ersichtlich, dass es ein Bedarf nach einem
System gibt, das Datenkommunikationsdienstleistungen mit hoher Bandbreite
bereitstellt. Dieser Bedarf kann mit herkömmlichen terrestrischen Datenkommunikationssystemen
erfüllt
werden; allerdings sind solche Systeme schwierig und teuer in der
Umsetzung. Der Bedarf kann auch mit Satellitensystemen in geosynchronen
oder geostationären
(GSO) Umlaufbahnen erfüllt
werden, aber die Anzahl der Umlaufbahnschlitze bzw. -slots ist begrenzt,
und es ist schwierig, Bodenstationen mit vernünftigen Energiepegeln und Komplexität bereitzustellen,
die mit solchen Satelliten kommunizieren können.
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Es
gibt deshalb ein Bedarf nach einem nicht-geostationären System
NGSO, das eine Kommunikation mit hoher Bandbreite bereitstellt.
Gleichzeitig darf die Kommunikation mit dem NGSO-System nicht mit existierenden oder
zukünftigen
GSO-Systemen interferieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen
Bedarf durch eine Systemkonstellation, die einen signifikanten Teil
der enormen Nachfrage nach Bandbreite für eine globale Netzwerkverbindung
erfüllt.
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NGSO-Systeme
sind beispielsweise aus EP-A-0 748 062 oder
US 5,679,174 bekannt. Ein Kommunikationssystem,
das unterschiedliche Konstellationen von Satelliten verwendet, ist
beispielsweise aus
US 5,894,590 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die zuvor beschriebenen Anforderungen zu erfüllen offenbart die vorliegende
Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, eine Satellitenkommunikationssystemarchitektur,
die einer Vielzahl von weit verteilten Kunden Dienstleistungen mit
hoher Bandbreite bereitstellt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem Satellitensystem
beschrieben, das in einer LEO, MEO oder einer kombinierten LEO/MEO
Konstellation verwendet wird, indem schmale Kommunikationsantennenstrahlbreiten
und intelligente Übergaben
verwendet werden, um Interferenz mit anderen Satelliten zu lindern,
die im Weltraum eingesetzt werden. Das Satellitensystem liefert
eine breite Vielzahl von Zweiwege-Breitbanddienstleistungen sowohl
für Geschäfts- als
auch für
Heimkunden.
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Das
Satellitensystem umfasst eine Vielzahl von Satelliten, beispielsweise
eine Konstellation von 70 Satelliten und vorzugsweise umfasst es
Funkkommunikationsverbindungen, Inter-Satellitenverbindungen, und Telemetrie,
Verfolgungs- und Befehls (TT&C)
Verbindungen. Durch Verwendung eines Punktstrahls und dualen Polarisationstechnologien
kann jeder Satellit das Kommunikationsspektrum bis zu 30 mal wiederverwenden.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt ebenfalls ein Teilen des Spektrums,
um schlimmere Interferenzen mit älteren
Fahrzeugen in geostationären
oder geosynchronen (allgemein als GSO nachfolgend bezeichnet) Umlaufbahnen
zu vermeiden. Das Satellitensystem liefert Breitbandkommunikationsdienstleistungen
einem breiten Bereich von Benutzern sowohl in den Vereinigten Staaten
als auch in der gesamten Welt und kann wirksam das KU-Band einsetzen
und die Fähigkeiten
existierender GSO-Satellitensysteme verbessern. Das Satellitensystem
erfüllt
die Bedürfnisse
des wachsenden Markts von Internet/Inteanet/Extranet-Verbindung, indem
es eine Kommunikation mit kurzer Verzögerung, weltweiter Abdeckung
und hoher Bandbreite mit Hilfe eines Systementwurfs, der spektrumteilend
ausgerichtet ist, eine einfache Nutzlastarchitektur und kleinere
Benutzerterminals bereitstellt.
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Das
Satellitensystem erfüllt
einen weiten Bereich von Kommunikationsbedürfnissen über Dienstleistungen mit verschiedenen
Datenraten, einschließlich
Datenraten, die von 512 KBPS bis zu 10 MBPS reichen. Das Satellitensystem
stellt ferner schnelle Netzwerkverbindungen für interaktive Breitbanddienstleistungen
einem breiten Bereich von Kunden zur Verfügung, insbesondere Privatnutzern
oder Nutzern von „small-office-home office" (SOHO), d.h. Benutzern
mit kleinem Heimbüro.
Das Satellitensystem implementiert einen Internetzugangsdienst,
um der schnell wachsenden Nachfrage nach Internetverbindungen zu
dienen. Ein Intranetzugangsdienst stellt ebenfalls Breitbandverbindungen
für entfernte
Geschäftsorte
zur Verfügung,
für das Zentrum
eines „wide
are network" (WAN)
eines Unternehmens. Schließlich
stellt die vorliegende Erfindung ebenfalls einen Extranet-Zugangsdienst
zur Verfügung,
um die Intranetverbindung auf entfernte Orte für multinationale Konzerne auszudehnen,
insbesondere für
jene Firmensitze in entfernten/ländlichen
Gebieten und in Entwicklungsländern.
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Der
Entwurf einer Satellitensystem-Konstellation stellt eine globale
Abdeckung bereit, während GSO-Satellitensysteme
gegenüber
unerwünschten
Interferenzen vollständig
geschützt
werden. Der Systementwurf ermöglicht
es, dass Ressourcen auf Gebiete mit hoher Nachfrage fokussiert werden,
wie beispielsweise die kontinentalen Vereinigten Staaten (CONUS)
und Europa, während
signifikante Dienste in Gebieten mit geringer Nachfrage bereitgestellt
werden. Mit der globalen Abdeckung von unterentwickelten Teilen
der Erde ermöglicht
das vorliegende System, Menschen irgendwo auf der Welt Zugang zu
den Vorteilen des e-Commerce zu geben. Die geringe Verzögerungszeit
von Satellitensystemen wird den Zugang zu interaktiven Internetprotokoll
(IP) Kommunikations- und Sprachdiensten erleichtern.
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Das
Satelliten-Kommunikationssystem kann Kommunikationsmöglichkeiten
bereitstellen, die die nationale Informationsinfrastruktur (NI)
und die globale Informationsinfrastruktur (GII) weiterbringen, indem
die Menge und die Vielzahl von interaktiven Breitband-Diensten mit
hoher Datenrate in der Welt erhöht wird;
Multiraten, multifunktionale Telekommunikationsdienstleistungen
im Allgemeinen und Hochgeschwindigkeitsdatenzugänge zum Internet im Besonderem.
Der Entwurf des Systems gewährleistet,
dass diese Fähigkeit
mit niedrigen Kosten bei einer kurzen Entwicklungszeit bereitgestellt
werden kann.
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Dies
ist insbesondere wichtig aufgrund des großen Anwachsens des Datenverkehrs,
der durch Internetbenutzung verursacht wird, was den Bedarf nach
der Entwicklung alternativer Wege für den Datenverkehr unterstrichen
hat. Die vorliegende Erfindung liefert eine Dateninfrastruktur,
die existierende Netzwerke ergänzt und
mit ihnen zusammenwirkt, um einen breiten Bereich von Kommunikationsdiensten
zu unterstützen.
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Mit
ihrer Fähigkeit
der Telekommunikation mit hohen Datenraten unterstützt die
vorliegende Erfindung kommerzielle Kommunikation einschließlich der
Hochgeschwindigkeitsinformationsübertragung
und dem interaktiven Multimedia-Austausch zwischen Unternehmen und
Kunden, um damit neu Effizienzen und Produktivität für Unternehmen zu erzeugen,
die mit internationalen Netzwerken verbunden werden sollen. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ebenfalls Entwicklungsländern,
die Fähigkeit
der Kommunikationssatellitensysteme zu verwenden, um ihre eigenen
nationalen Telekommunikationsinfrastrukturen zu verbessern, ohne
die hohen Kosten zu verursachen und an der Verzögerung durch den Aufbau von
Türmen,
Verlegen von Kabeln und dem Aufbau terrestrischer Netzwerkeinrichtungen
in allen Gebieten zu leiden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
Benutzern ebenfalls, Anwendungen leicht zu aktualisieren und aufzufinden,
sichere IP-Multicast-Sessions aufzubauen und Hochgeschwindigkeits-File-Übertragungen auszuführen; Media-Streaming
zu unterstützen;
beim interaktiven Lernen aus der Ferne teilzunehmen; und Datenbankaktualisierungen
und Replikationen von und zu Personal Computern (PCs) auszuführen. Das
Satellitenkommunikationssystem stellt einen Internetzugang für private
Benutzer und Small/Heim-Bürobenutzer (SOHO)
bereit und Intranet/Extranetzugang für alle Unternehmen. Es ermöglicht ebenfalls
zugehörige
Dienste, wie beispielsweise IP-Telefonie und e-Commerce.
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Der
Satellitensystementwurf unterstützt
das effiziente kosteneffektive Vorsehen von Diensten. Dies wird
teilweise durch Verwendung einer Punktestrahltechnologie erreicht,
die die Effizienz erhöht,
mit der das Spektrum wiederverwendet wird. Dies ermöglicht,
dass die vorliegende Erfindung mehr Kapazität für bevölkerungsreiche Gebiete der
Erde bereitstellen kann. Diese Eigenschaften des Systems sind ideal,
um hochinteraktive Breitbanddienste zu unterstützen. Das vorliegende System
wird auch helfen, eine Infrastruktur für Breitbandzugang aufzubauen,
um all diese Anforderungen für
den leichten Zugang zu mehr Bandbreite zu erfüllen.
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Das
Satellitenkommunikationssystem ist ausgelegt, um dem globalen Breitbandmarkt
zu dienen, indem interaktive Dienste für den Massenmarkt und für Anwendungen
bereitgestellt werden, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsinternetzugang,
IP-Telefonie und e-Commerce.
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Entsprechend
dem Vorhergesagten ist ein Verfahren zum Ausbilden des Kommunikationssatellitensystems
angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte: Identifizieren einer
Vielzahl von Kommunikationsinterferenz-Szenarien; Kategorisieren
einer Interferenzanforderung, die eine maximale Interferenzsignalstärkenstatistik
an jedem der zweiten Satelliten spezifiziert entsprechend der Häufigkeit
des Auftretens; Identifizieren von zumindest einer Interferenz-Linderungsstrategie
für jedes
Szenario und jede Interferenzkategorie-Anforderung; Bestimmen der
Wirksamkeit jeder identifizierten Interferenzlinderungsstrategie
beim Lindern von Interferenz für
jedes der Szenarien und jede Interferenzanforderungskategorie; und
Auswählen
von zumindest einem der identifizierten Linderungsmittel für das erste
Satellitenkommunikationssystem entsprechend der bestimmten Wirksamkeit
der Interferenzlinderungsstrategie.
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Die
Erfindung entsprechend Anspruch 1 ist beschrieben durch ein Verfahren
zum Lindern von Kommunikationsinterferenz zwischen einem ersten
Satelliten, der mit einer ersten Bodenstation und einem zweiten Satelliten
kommuniziert, wobei der zweite Satellit einer von einer Vielzahl
von Satelliten in einer zweiten Satellitenkonstellation ist. Das
Verfahren umfasst die Schritte des Bewertens bzw. Evaluierens eines
geometrischen Verhältnisses
zwischen einer zweiten Bodenstation und den Satelliten in der zweiten
Satellitenkonstellation, und Richten der Kommunikation zwischen
der zweiten Bodenstation und dem zweiten Satelliten entsprechend dem
evaluierten geometrischen Verhältnis.
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Die
Erfindung erreicht eine Gesamtoptimierung innerhalb der Technologiegrenzen,
der Ausführungsbeschränkungen
und des Marktsegments, um Breitbandinternetzugang sowohl für Heimbenutzer
als auch kommerzielle Benutzer bereitzustellen.
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Die
Erfindung verbessert die Fähigkeit,
das Spektrum zwischen dem geostationären Umlaufbahn-Satellitensystem
(GSO) und dem nicht-geostationären
Umlaufbahn(NGSO)-Satellitensystem zu teilen, während der Schutz existierender
KU-Band-Satellitendienste bereitgestellt wird. Gebiete, die ein
Teilen des Spektrums erleichtern werden, umfassen die Konstellationsarchitektur
und Weltraumfahrzeugantennen, Benutzerterminals, Nutzlastarchitektur
und den Verbindungsbudgetentwurf.
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Ein
Konstellationsentwurf wird angegeben, der eine nichtgleichmäßige Abdeckung
bereitstellt, die mit dem vorhergesagten Markt und der global verteilten
Population korreliert, während
das Systeminvest (einschließlich
der Benutzung weniger Satelliten) minimiert wird, während gewährleistet
bzw. gesichert wird, dass Interferenz mit existierenden GSO-Anlagen
minimiert wird.
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Der
Verbindungsbudgetentwurf wird unter den Beschränkungen optimiert, kleinere
bis mittlere Benutzerterminals und eine Datenkommunikation mit mittlerer
Rate bzw. Geschwindigkeit zu unterstützen. Die offenbarten Benutzerterminals
sind kleiner als einen Meter und die Datengeschwindigkeit liegt
zwischen 512 KBPS und 10 MBPS.
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Die
Erfindung lässt
sich direkt auf abstrahlende Gruppenantennen anwenden, um eine Seitenkeulendämpfungssteuerung
zu erreichen, während
die maximale wirksame Leistungsflussdichte (EPFD)Anforderung erfüllt wird,
die von GSO-Satellitenbetreibern vorgeschlagen wird, um nachteilige
Interferenz mit GSO-Verbindungen zu vermeiden.
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Ein
Resourcenmanagement liefert maximale Kapazität mit minimalen Resourcen.
Eine dynamische Resourcenmanagement-Maschine ist am Netzwerk Control
Center (NOC) platziert, um den Nutzlastleistungspegel, die Weltraumfahrzeugverkehrsnachfrage,
die regionale Spektrumverfügbarkeit
und die Netzwerkstatistiken zu überwachen.
Es liefert nicht nur eine 100%-ige Kommunikationsverbindung, sondern
stellt auch Systemressourcen (beispielsweise Leistung und Spektrumverwendung)
ein, basierend auf einer optimierten Ressourcenzuweisung. Im Ergebnis
wird die Interferenz auf im Betrieb befindliche Weltraumfahrzeuganlagen
minimiert, indem die übermäßige effektiv
isotopische abgestrahlte Leistung reduziert und die Spektrumeffizienz maximiert
wird.
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Die
Erfindung stellt eine phasengesteuerte Dienstleistungsanwendung
bereit. Die Auswahl der Konstellation erlaubt es, nur wenige 4 Satelliten
zu starten, um eine nahezu globale Dienstleistung bereitzustellen. Die
vorliegende Erfindung offenbart ebenfalls die Vergrößerung der
Satellitensysteme durch Hinzufügen
von MEO-Satelliten, um eine vollständige globale Verbindung mit
erhöhter
Kapazität
bereitzustellen, basierend auf der Ausgereiftheit der Technologie
und der Dienstleistungsnachfrage.
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Die
Systemarchitektur der vorliegenden Erfindung stellt eine Siebenstrahlgruppe
mit Frequenzwiederverwendung bereit, die es dem Benutzer ermöglicht,
mit verschiedenen Netzwerken verbunden zu werden, einschließlich Internet,
Intranet und Extranet, über
lokale Gateway Stationen (GS). Jede GS dient benachbarten Gebieten
innerhalb der Siebenstrahlgruppe und routet den Verkehr zu den passenden
terrestrischen Netzwerken oder einem anderen GS zur Kommunikation
mit den anderen System benutzern über
doppelte Hops. Dies ermöglicht
es Teilnehmern, irgendwo rund um die Welt verbunden zu werden.
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Weitere
Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der Zeichnung und der hier enthaltenen Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in denen ähnliche
Bezugszeichen durchweg entsprechende Teile bezeichnen.
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1 ist
ein Diagramm einer beispielhaften Ausführungsform des LEO SYSTEMS;
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2 ist
ein Diagramm, das einen erläuternden
Frequenzplan für
das LEO SYSTEM darstellt;
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3 ist
ein Diagramm, das eine Ausführungsform
der LEO SYSTEM Satelliten darstellt;
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4 ist
eine Kurve, die die Antennenabdeckung bzw. -ausleuchtung für einen
repräsentativen
Punktstrahl von vier Grad zeigt;
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5 ist ein Diagramm, das das Sende- und
Empfangs-Empfindlichkeitsmuster
für die
phasengesteuerten Gruppenantennen zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, das die Sende-/Empfangsantennenkonturen für die phasengesteuerten
Gruppenantennen zeigt;
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7 ist
ein erläuterndes
Blockdiagramm, das ein Datennutzlasthandhabungssystem zeigt;
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8 ist
eine Kurve, die das Sichtfeld darstellt, das mit dem Satellitensystem
mit 70 Satelliten erhalten wird;
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9 ist
eine Kurve, die die Elevationswinkelkonturen für einen Satelliten zeigt, der über den
Vereinigten Staaten verwendet wird;
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10 ist
ein Diagramm, das die Statistiken bezüglich der Anzahl der sichtbaren
Satelliten der Systemkonstellation als Funktion der geografischen
Breite zeigt;
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11 ist
ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte erläutert, die
zum Entwurf des Satellitenkommunikationssystems verwendet werden;
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12 zeigt,
wie die Systemsatelliten eine Hauptstrahlzu-Hauptstrahl-Interferenz
mit GSO-Satelliten vermeiden, indem eine Satelliten-Diversity und
ein ausreichender Trennungswinkel zwischen Antennensichtlinien verwendet
wird;
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13 zeigt
ein Beispiel, das die Einhaltung der Trennungswinkel zwischen GSO-
und NGSO-Sichtlinien zeigt;
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14A–14C sind Diagramme, die zusätzliche
Szenarien darstellen, in denen die Systemsatelliten mit der Kommunikation
mit vorhandenen GSO-Satelliten interferieren;
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15 ist
Flussdiagramm, das beispielhafte Verfahrensschritte zeigt, die bei
einer Ausführungsform der
Linderungs-Strategie
eingesetzt werden;
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16 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhafte Verfahrensschritte zeigt, die
in einer Ausführungsform der
Linderungs-Strategie verwendet werden, in der die Elevationswinkel
der NGSO-Satelliten als ein Unterscheidungskriterium verwendet werden,
um die Übergabebedingungen
zu bestimmen;
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17 ist
ein Diagramm, das die geometrischen Verhältnisse darstellt, die mit
Bezug auf 16 beschrieben sind;
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18 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhafte Verfahrensschritte darstellt,
die bei einer Ausführungsform
der Linderungs-Strategie verwendet werden, bei der die Satellitenübergabe
geschieht, wenn der Elevationswinkel des Satelliten, der momentan
mit der NGSO-Bodenstation in Kommunikation steht, unter einen Minimum-Elevationswinkel
fällt;
und
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19 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhafte Prozessschritte darstellt,
die in einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bei dem der Trennungs- bzw. Separationswinkel, der
durch die NGSO-Bodenstation, den NGSO-Satelliten und den GSO-Satelliten
definiert wird, eingesetzt wird, um die Übergabe der Bedingungen festzulegen;
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20A–20D sind Diagramme, die das vorhergesagte EPFD
des LEO SYSTEMS zeigen;
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21 ist
ein Diagramm des MEO SYSTEMS;
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22 ist
ein Diagramm, das einen Frequenzplan für eine Ausführungsform des MEO SYSTEMS 2100 zeigt;
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23 ist
ein Diagramm einer Ausführungsform
eines MEO SYSTEM Satelliten;
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24 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform
der Kommunikationsnutzlast für
den MEO SYSTEM Satelliten zeigt;
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25 ist
ein Diagramm, das die Anzahl sichtbarer und nicht-GSO-interferierender
Satelliten in der MEO SYSTEM Konstellation als Funktion der geografischen
Breite zeigt; und
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26A–26D sind Diagramme, die die vorhergesagte EPFD
für das
MEO SYSTEM 2100 zeigen, das eine GSO 10 Grad Schutzzone
und zusätzliche
Nachführungsverfahren
verwendet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden
Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen rein illustrativ
mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass
andere Ausführungsformen
verwendet werden können
und strukturelle Änderungen
ausgeführt
werden können,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung wird durch ein Kommunikationssystem beschrieben,
das eine Vielzahl von Satelliten in nichtgeostationären (nicht-GSO
= NGSO) Umlaufbahnen besitzt. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Satellitenkonstellation eine Vielzahl von Satelliten in einer
niederen Erdumlaufbahn (LEO). Dieses System wird nachfolgend als „LEO SYSTEM" bezeichnet. In einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das LEO SYSTEM vergrößert oder
verdrängt
durch eine Konstellation mit einer Vielzahl von Satelliten, die
in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) angeordnet sind. Dieses System
wird hier als MEO SYSTEM 2100 bezeichnet.
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Sowohl
das LEO SYSTEM- als auch das MEO SYSTEM-Satellitennetzwerk umfasst
ein Vielzahl von Satelliten, deren jeder zumindest eine Kommunikationsantenne
zur Erzeugung von zumindest einem Strahlcluster bzw. einer Strahlgruppe
besitzt. Die Strahlgruppe umfasst eine Vielzahl (typischerweise
sieben) nebeneinander angeordnete lenkbare Kommunikationsstrahlen.
Jeder dieser Satelliten umfasst ebenfalls einen flexiblen Kanalisierer
zur dynamischen Ausrichtung der Kommunikationsstrahlen entsprechend
den Diensteanforderungen der Benutzerterminals. Somit können viele überlappende
Strahlen auf Gebiete gerichtet werden mit vielen Benutzerterminals
oder Terminals, die Dienstleistungen mit hoher Bandbreite erfordern,
während weniger
Strahlen auf Gebiete gerichtet werden können, wo es weniger Benutzer
oder Benutzer gibt, die geringere Bandbreiten-Anforderungen haben.
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Benutzer
kommunizieren mit globalen Kommunikationsdiensten, wie bspw. Internet,
Intranet oder dem öffentlichen
Telefonnetz (PSTN) über
eine Vielzahl von Gateway-Knoten. Jeder Gateway-Knoten ist mit den Benutzerterminals
verknüpft,
die von einer Strahlgruppe bedient werden. In dem typischen Fall
liefert folglich jede Gruppe von sieben (7) Strahlen Dienste an
alle Benutzerterminals innerhalb der Strahlausleuchtung der sieben
(7) Strahlen, und jeder dieser Benutzer ist mit einem Gateway-Knoten
verknüpft.
Das Benutzerterminal überträgt Anforderungen
für Kommunikationsdienste
an den Satelliten, der diese Anforderung an das Gateway weiterleitet.
Das Gateway richtet dann diese Anforderung an den Kommunikationsdienst.
In gleicher Weise werden Nachrichten von dem Kommunikationsdienst
durch das Gateway empfangen, zu einem der Satelliten in dem Netzwerk übertragen
und an das Benutzerterminal weitergeleitet. Die Gateway-Knoten leiten
somit Nachrichten zu und von dem Kommunikationsdienst zu und von
den Benutzern über
die Satelliten in dem Satellitensystem.
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DAS LEO SYSTEM (100)
SATELLITEN SYSTEM
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Das
LEO SYSTEM 100 stellt Breitband-Kommunikationsdienste für Kunden
innerhalb der Vereinigten Staaten und über die ganze Welt mit Datenraten
von 512 KBPS bis zu 10 MBPS bereit. Die Punktstrahlüberstreichung
von einem LEO SYSTEM Satelliten kann in der Umlaufbahn neu konfiguriert
werden. Die Benutzung von Punktstrahlen und die duale Polarisation
ermöglicht
es, das Ku-Bandspektrum 30 mal durch jeden LEO SYSTEM Satelliten
wie derverwenden zu können.
Das System wurde entworfen, um ein Frequenzteilen mit anderen Systemen
zu erleichtern, sowohl von NGSO als auch GSO.
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1 ist
ein Diagramm des LEO SYSTEMS 100. Das LEO SYSTEM 100 umfasst
ein Weltraumsegment bzw. einen Weltraumteil mit einer Vielzahl von
Satelliten 102 in einer Satellitenkonstellation. In einer
Ausführungsform
umfasst das LEO SYSTEM 100 eine Gesamtzahl von 70 Satelliten
in einer kreisförmigen
Umlaufbahn in einer Höhen
von etwa 1490 km in zehn Kreisebenen. Eine Kommunikation zwischen
einem Satelliten (102A beispielsweise) und einem anderen
Satelliten in der LEO Konstellation (102B beispielsweise)
wird über
eine optische Zwischen-Satelliten-Verbindung
(ISL) 104 vorgenommen.
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Das
LEO SYSTEM 100 umfasst ferner einen Bodenteil, der Benutzerterminals
(UTs) 114, System-Zugangsknoten 130, und Netzwerkoperationssteuerungscenter
(NOCs) 124, und Satellitenoperationscenter (SOCs) 128 aufweist.
Die Satelliten 102 kommunizieren mit bodengestützten Benutzerterminals
(UTs) 114, Gateways 106 und anderen Satelliten
in der Konstellation.
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In
einer Ausführungsform
benutzt das LEO SYSTEM 100 ein GHz der Bandbreite in dem
Ku-Spektrum innerhalb von 10,7 – 12,7
GHz (Region 2) und 10,70 – 12,75
GHz (Regionen 1 und 3) für
Weltraum-Erde-Übertragungen
und ein GHz des Spektrums innerhalb 12,75 – 13,25 GHz und 13,75 – 14,5 GHz
für Erd-Weltraum-Übertragungen. Werden die Interferenz-Linderungstechniken
benutzt, die hier beschrieben werden, einschließlich der Mitbenutzung der
Punktstrahltechnologie, der dualen Polarisation, der GSO Sperrzonen
und speziellen Übergabeverfolgungsverfahren, kann
jeder Satellit das Spektrum bis zu 30 mal wiederverwenden. So konfiguriert
stellt das LEO SYSTEM 100 einen Internetzugang mit hoher
Datengeschwindigkeit von 512 KBPS bis zu 10 MBPS bereit, wobei das
Ku-Bandspektrum benutzt wird. Jedes der bodengestützten Benutzerterminals 114 umfasst
zumindest eine Antenne, die einen Durchmesser von 0,6 m (24 Inch)
bis 0,9 m (36 Inch) haben kann, kann allerdings auch größer oder
kleiner sein. Teilnehmer machen Datenanforderungen über Satellit
und empfangen Downloads auf Anfrage durch das System-Gateway 106 oder
durch direkte Satellitenübertragung
zu dem UT 114.
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Bei
einer Ausführungsform
verbindet jedes Gateway 106 die Strahlgruppe 122,
die eine Vielzahl von (typischerweise sieben) benachbarten oder
nebeneinander angeordneten Strahlen (gezeigt als Überstreichungsgebiet 134)
besitzt, und sind miteinander entweder über terrestrische Kommunikationsverbindung 112 verbunden, über Zwischengateway-Verbindungen 108 oder
Zwischensatellitenverbindungen 104. Dieser Dienst mit hoher
Datengeschwindigkeit zu kleinen UTs 114 ist möglich, da
das Systemdesign stark gerichtete Weltraumfahrzeug-Antennenstrahlen
verwendet, wie dies durch Strahlüberstreichungsflächen 134 gezeigt
ist. Diese stark gerichteten Strahlen dienen ebenfalls dazu, Interferenz
zu reduzieren. Der hohe Grad an Spektrumwiederverwendbarkeit und
die große
Anzahl von weltweiten Gateways 106 verbessert darüber hinaus
die Gesamtsystemkapazität.
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Die
Systemnetzwerkverbindung 120 wird sowohl durch die Boden-Gateways 106 also
auch einen Schalter an Bord des Satelliten 120 ausgeführt. Das
Gateway 106 stellt Routing-Information während der
Setup-Periode bereit (wenn einen Datenkommunikation initialisiert
wird), und der bordgestützte
Schalter führt Ver bindungen
zwischen Benutzerterminal 114 und dessen Gateway 106 aus,
unter Gateways 106, und zwischen einer Zwischensatellitenverbindung
(ISL) und einem Gateway 106.
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Das
LEO SYSTEM 100 stellt Benutzern eine transparente Verbindung
zu einem breiten Gebiet von terrestrischen Netzwerken bereit, einschließlich dem
Internet, Unternehmensintranets, WANs, lokalen Netzwerken (LANs)
und autonomen Übertragungsmodus
(ATM) Netzwerken.
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Das
LEO SYSTEM 100 unterstützt
sowohl paketvermittelten als auch leitungsvermittelten Betrieb.
Die Entscheidung, entweder Paketvermittlung oder Leitungsvermittlung
zu verwenden wird von dem Gateway 106 getroffen. Informationen
bezüglich
dieser Festlegung wird dann zu dem Satelliten 102 von dem
Gateway 106 oder NOC 124 aufwärtsgeladen, um den Rest der
Verbindungsoperationen zu beenden und die paketvermittelten und
leitungsvermittelten Daten an die richtigen Ziele zu senden.
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Das
NOC 124 arbeitet mit den bordeigenen Satellitenprozessoren
in den Satelliten 102, um Benutzerzugangsanforderungen
zu steuern. Zusätzlich überwacht
das NOC 124 und steuert die Dienstverfügbarkeit und -kapazität, das Strahlmanagement
und die Übergabe
im gesamten LEO SYSTEM 100.
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Frequenzplan
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2 ist
ein Diagramm, das eine erläuternde
bzw. beispielhafte Frequenzzuweisung zu dem LEO SYSTEM 100 darstellt.
Die Gesamtbandbreite in jedem Gebiet (Erde-Weltraum und Weltraum-Erde)
kann nach entsprechenden Systemanforderungen ausge wählt werden.
In einer Ausführungsform
wird insgesamt 1 GHz in jedem Gebiet verwendet. Dieses 1 GHz Spektrum
wird in zwei 500 MHz Segmente für
Kommunikationsverbindungen zwischen (zwischen den Benutzerterminals 114 und
den Satelliten 102) bzw. 500 MHz Segmente für die Einspeiseverbindungen 110 (zwischen
den Gateways 106 und den Satelliten 102) aufgeteilt.
Das Kommunikationsverbindungssegment wird dann in sieben 70 MHz
Untersegmente 202 unterteilt und wird in jeweils zwei Polarisationen 204, 206 wiederverwendet
(rechte und linke Kreis- bzw. Zirkularpolarisation).
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Jeder
der Satelliten 102 umfasst zumindest eine Satellitenantenne
für Kommunikationszwecke.
Das Design der Satellitenantenne maximiert die räumliche Isolation unter den
Strahlen mit der gleichen Frequenz und Polarisation. Dies ermöglicht eine
dichte Ausleuchtung für
Gebiete mit hoher Nachfrage, da mehrere 70 MHz Bandsegmente verwendet
werden können,
um Dienstkapazität
in dem gleichen geografischen Gebiet zu maximieren, das von den
zugeordneten Strahl-Grundflächen 134 definiert
wird, von einem Satelliten durch dynamische Ressourcenverwaltung.
Eines von mehreren unterschiedlichen Strahlmustern kann in einem
Dienste-Gebiet gewählt
werden, abhängig
von Dienste-Anforderungen, einschließlich mehreren überlappenden Strahlen,
wo notwendig.
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In
einer Ausführungsform
benutzt das LEO SYSTEM 100 eine Kombination von Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff
(FDMA) und Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA), um flexible Datengeschwindigkeiten
bereitzustellen. Jeder FDMA-Träger
beträgt
70 MHz, der insgesamt 200 MBPS in zwei Polarisationen bei 100 MBPS
pro Polarisation unterstützt.
Bei dieser Ausführungsform
ist die maximale Datengeschwindigkeit für ein Benutzerterminal UT 114 mit
einer 60 cm Antenne etwa 10 MBPS, und das System kann gleichzeitig
2000 oder mehr Benutzer mit Datengeschwindigkeiten von 10 MBPS unterstützten. Geringere
Datengeschwindigkeiten können
durch Kombination von engeren FDMA-Trägern (< 70 MHz) oder TDMA-Schlitzen unterstützt werden. Beispielsweise
können
die Benutzer mit geringster Datengeschwindigkeit (etwa 512 KBPS)
durch Teilen eines 70 MHz-Trägers
in 200 Zeit-Schlitze
unterstützt
werden. Mit kleineren Strahlbreiten-Grundflächen 134 und einer
dualen Polarisation kann das Spektrum bis zu 30 mal pro Satellit
wiederverwendet werden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
benutzt das LEO SYSTEM 100 eine Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA)
Modulationstechnik, indem pseudonormale (PN) Codes verwendet werden.
Diese Ausführungsform hat
die gleiche Frequenzteilungsfähigkeit,
wie das zuvor beschriebene FDMA/TDMA Ausführungsbeispiel.
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Satelliteneigenschaften
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3 ist
ein Diagramm, das eine physische Darstellung einer Ausführungsform
der Satelliten 102 zeigt. Tabelle 1 liefert eine Liste
der betreffenden Satelliteneigenschaften.
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Tabelle
I: LEO SYSTEM Satelliten 102 Eigenschaften
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Nutzlastarchitektur
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Das
LEO SYSTEM 100 stellt Breitbanddatenkommunikationen mit
Geschwindigkeiten bis zu 10 MBPS bereit. Die Schaltungen können symmetrisch
oder unsymmetrisch sein und im Simplex- oder Duplexverfahren funktionieren.
Nutzlastverwaltung und Rekonfiguration wird über ein LEO SYSTEM („LS") 100 TT&C Untersystem
ausgeführt,
das in Verbindung mit dem Bodenoperations- und Steuerungsteil des
Systems arbeitet. Tabelle II stellte ausgewählte Kommunikationsparameter
dar.
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Tabelle
II: Beispielhafte Kommunikationsparameter
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Bezugnehmend
auf 3 umfasst jeder Satellit 102 ein Antennenuntersystem
mit direktabstrahlenden Gruppenantennen, einschließlich einer
oder mehrerer Sendegruppenantennen 304 und einer oder mehreren
Empfangsgruppenantennen 306. Die Antennen 304, 306 benutzen
eine duale Polarisation mit einem Minimum von 20 dB an Querpolarisationsisolation
bzw. Trennung, und sind in der Lage, 867 Punktstrahlpositionen zu
bedienen. Etwa 210 Punktstrahlen werden pro Satellit 102 aktiviert,
wobei jeder 140 MHz des zweifach bzw. dual polarisierten Sende-
und Empfangsfrequenzspektrums benutzt. Der Satellit 102 umfasst
einen Prozessor 738, der ebenfalls mehrere Unterbänder auf
einen einzelnen Strahl schalten kann, falls die Nachfrage in einem
speziellen Strahl hoch ist. Wenn jeder Satellit 102 ein
Dienstgebiet passiert, kann er seine Strahlen auf spezifische Orte
richten.
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4 ist
eine Kurve, die die Antennenabdeckung bzw.- überstreichung
für einen
repräsentativen Punktstrahl
von 4 Grad darstellt. Wie in 4 gezeigt
werden zu jedem Zeitpunkt bis zu 210 Punktstrahlen von 867 Strahlen
pro Satellit 102 mit 4 Grad gestrahlt. Übergabeprozeduren von Strahl
zu Strahl und von Satellit zu Satellit werden ausgeführt, wie
weiter unten beschrieben.
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5 ist ein Diagramm, das das Sende- und
Empfangs-Empfindlichkeitsmuster
für die
phasengesteuerte Gruppenantenne zeigt.
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6 ist
ein Diagramm, das die Sende-/Empfangsantennenkonturen
für LEO
SYSTEM phasengesteuerte Gruppenantennen zeigt. Die dargestellte
Verstärkungskonturen
sind –2, –4, –6, –8, –10, –15 und –20 dB als äußerste Kontur.
Die maximale Verstärkung,
Gmax, wird um einen Abtastverlustfaktor, ΔGscan, reduziert, wobei der Abtast- bzw. Schwenkverlustfaktor
eine Funktion des Abtastwinkels bzw. Verschwenkwinkels der Antennensichtlinie
ist.
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Drei
Klassen von Kommunikationsverkehr werden mit dem LEO SYSTEM 100 verknüpft. Diese
Klassen umfassen (1) Kommunikati onsverbindungen 116, 118,
(2) Zwischen-Gateway-Verbindungen 108 und Einspeiseverbindungen 110 und
(3) Zwischen-Satellitenverbindungen 104.
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7 ist
ein erläuterndes
beispielhaftes Blockdiagramm, das das LEO SYSTEM Datennutzlasthandhabungssystem
zeigt. Signale von Kommunikationsverbindungen, die an jeder Empfangsgruppenantenne
ankommen, werden über
LNAs 702 verstärkt,
die an den Gruppenelementen 704 angebracht sind. Auf die
LNAs 702 folgend wird das Signal von jedem Gruppenelement 704 in
gleiche Teile aufgeteilt und an ein analoges Strahlschaltungsnetzwerk
(BSN) 706 gerichtet. Das BSN 706 kombiniert die
Gruppenelementsignale, stellt die Phasen geeignet ein, um die 30
aktiv definierten Gruppen 122 oder 210 Strahlen
richtig zu bilden. Phasen innerhalb jedes BSN 706 werden
eingestellt, um dessen Strahlen auszuwählen und sie auf deren Benutzer
ausgerichtet zu halten, bis eine andere Strahlübergabe/Satellitenübergabe
erfolgt.
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Auf
die BSNs 706 folgend werden die Signale von jedem Strahl
abwärts
gewandelt auf eine Zwischenfrequenz (IF) durch den Ku-/IF-Abwärtswandler 712.
Die IF 100 MBPS-Träger
passieren dann einen Mikrowellenschalter, wie bspw. den flexiblen
Kanalisierer 714.
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Der
flexible Kanalisierer 714 richtet jedes der Aufwärtssignale
zu seinen richtigen Zielen, dem Gateway 106 in der gleichen
Gruppe 122, ein anderes Gateway. Träger, die aus den optischen
Querverbindungen 104 erhalten werden, werden ebenfalls
durch einen optischen-/IF-Abwärtswandler 716 und
den flexiblen Kanalisierer 714 geleitet. Am Ausgang des
flexiblen Kanalisierers 714 werden diese Signale, die zu
einem anderen Satelliten 102B gesendet werden sollen, zu
dem Zwischensatellit-Verbindungsuntersystem über den IF-/optischen-Aufwärtswandler 718 geleitet.
Diese Signale, die für
einen Abwärtsverbindungs-Strahl
auf dem gleichen Satelliten gedacht sind, werden durch den flexiblen
Kanalisierer 714 mit den Ausgangssignalen des digitalen
Signalprozessors in einem Band rekombiniert, aufwärtsgewandelt
durch den IF-/Ku-Aufwärtswandler 720 und
dann zu dem Sendestrahlformungsnetzwerk 722 gesendet, über HF-Verstärker 724 und
Sendeantennen 304.
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Jegliche
Signale mit geringerer Datengeschwindigkeit wurden von den Eingangsmultiplexern 740 am Repeater-Eingang
zu einem digitalen Signalprozessor 738 getrennt, wo das
Signalband in individuelle digitale Datenpakete demoduliert wird.
Die Pakete werden zu dem richtigen Abwärtsverbindungsstrahl geleitet,
indem der Router 736 verwendet wird, der ebenfalls als
Eingangs- und Ausgangssignal Schnittstellen zu den optischen Querverbindungen 104 hat.
Die Pakete werden neu in einen kontinuierlichen Datenstrom zusammengesetzt,
und jene, die für
die Ku-Band-Punktabwärtsverbindungen
bestimmt sind, werden auf OQPSK Träger hoher Kapazität moduliert,
um mit den 100 MBPS Trägern
an dem Ausgangsmultixplexer 742 zu rekombinieren.
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Optische
Zwischensatellit-Verbindungs(ISL)-Terminals 308 können verwendet
werden für
eine Zwischenoperation mit anderen Satelliten 102. Signale
von diesen ISL-Terminals 308 werden mit den Aufwärtsverbindungssignalen
zu dem Satellit 102 zusammengeführt und zur Übertragung
zum Boden vorbereitet oder auf einen anderen Satelliten 102 durch
eine Zwischensatellitenverbindung 104 weitergegeben.
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Das
Satellitendatenkommunikationssystem kann eine Datendurchsatzgeschwindigkeit
von 200 MBPS für
jeden der 210 Strahlen pro Satellit bereitstellen, was insgesamt
zu einem Datendurchsatz von 42 GBPS pro Satellit führt.
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Antennen
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Die
Antennen des LEO SYSTEMS 100 sind in Verbindung mit der
Kommunikation und dem Weltraumfahrzeugbussystemen entworfen, um
eine maximale Ausleuchtungs- bzw. Abdeckungsleistung innerhalb eines
effizienten Systempakets bereitzustellen. Dieses System umfasst
die folgenden Komponenten: (1) zwei direkt abstrahlende Sendegruppen 304 oder
Speisegruppenantennen, deren jede 867 Strahlpositionen mit zwei
Polarisationen bereitstellt; (2) zwei direkt strahlende Empfangsgruppen 306 oder
Speisegruppenantennen, deren jede 867 Strahlpositionen mit zwei
Polarisationen bereitstellt; (3) zumindest 4 ISL-Terminals 308 stellen
Verbindungen für
zwei benachbarte Satelliten in der gleichen Umlaufbahnebene bereit
und zwei Satelliten in den benachbarten Ebenen; und (4) ein Telemetrie-
und Befehlsantennensystem, das aus zwei Hornantennen besteht, die
TT&C-Dienste
liefern.
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Die
Telemetriesignale dienen auch als Nachführ- bzw. Verfolgungstestsignale
bzw. Beacons für
die Bodenkommunikationsantennen. Die Vorwärtsantenne ist eine ±22,50-Grad
Hornantenne, die für
normalen Betrieb in der Umlaufbahn verwendet wird. Die Rückantenne
ist eine ±70-Grad
Hornantenne, die für
Notfalloperationen verwendet wird. Die Punktstrahlabdeckung wird
durch vier Antennenanordnungen geliefert, einschließlich der
Sendegruppenantennen 304 und der Empfangsgruppenantennen 306.
Alle vier Antennen 304, 306, sowie die optischen
ISL-Einheiten 308 sind auf der der Erde zugewandten Seite
des Satellitenkörpers 102 befestigt.
Gruppen 304, 306 sind in festen Positionen angebracht
und erfordern keine Entfaltung. Zwei Antennen 304 von etwa
0,75 m Aperturdurchmesser werden zur Übertragungsoperation verwendet
und zwei Antennen 306 von etwa 0,65 m Aperturdurchmesser
werden für
Empfangsoperationen verwendet. Jeder Punktstrahl, der durch diese
Antennen erzeugt wird, besitzt eine Bandbreite von etwa 4,0 Grad.
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8 ist
eine Kurve, die eine 10° Kontur
darstellt, die das Sichtfeld (FOV) des LEO SYSTEMS 100 mit
70 Satelliten 102 zeigt. Wie gezeigt liefert das LEO SYSTEM 100 eine
komplette Abdeckung bzw. Ausleuchtung aller 50 Staaten, Puerto Ricos
und der US Virgin Islands, sowie eine vollständige virtuelle weltweite Ausleuchtung
mit einem hohen Prozentsatz einer Sichtbarkeit von zwei Satelliten.
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9 ist
eine Kurve, die die Elevationswinkelkonturen für einen LEO SYSTEM Satelliten 102 zeigt, wenn
er die Vereinigten Staaten abdeckt. Konturen sind in Inkrementen
von 10° gezeigt
startend mit 80° als die
innerste Kontur und 10° als
die äußerste Kontur.
Wie 9 angibt, überdeckt
ein LEO SYSTEM Satellit 102 das gesamte CONUS, wenn deren
Untersatellitenpunkt nahe dem Mittelpunkt von CONUS ist.
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TDMA Schalter
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Das
satellitengeschaltete TDMA wird verwendet, um Aufwärtsverbindungs-Benutzer
auf Abwärtsverbindungs-Benutzer
für die
100 MBPS Träger
zu lenken. Der TDMA Schalter lenkt jeden TDM Kanal zu einer bestimmten
Zeit in einem bestimmten Auf wärtsverbindungsstrahl
auf dessen zugeordneten Abwärtsverbindungsstrahl.
Der TDMA Schalter bringt den Aufwärtsverbindungsverkehr zeitlich
auf die geeignete Abwärtsverbindung.
Die Synchronisationsinformation wird zu allen Benutzerbodenterminals 114 gesendet,
um deren Übertragungs-,
Empfangs- und Demodulations-Equipment auf den Satelliten TDMA Schalter
zu synchronisieren.
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Digitaler
Signalprozessor
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Das
digitale Signalprozessor(DSP)-Teilsystem 738 liefert die
erforderliche Zwischenverbindung für den paketvermittelten Bereich
der Kommunikationsnutzlast. Das Aufwärtsverbindungsfrequenzbandsegment für jeden
Strahl, der die in Pakete gepackten Daten mit 10 MBPS und darunter
enthält,
wird auf den Demodulatorbereich des DSP gesendet, wo die Signale
demoduliert werden und die Fehlerkorrekturcodes entfernt werden.
Die individuellen Datenpakete werden dann zu einem Router gesendet,
der sie auf den richtigen Abwärtsverbindungsdatenstrom
richtet basierend auf der Adressinformation, die in dem Paket-Header
enthalten ist. Die resultierenden Datenströme für jeden Abwärtsverbindungsstrahl werden
dann gepuffert und entweder remoduliert auf Hochgeschwindigkeits-100
MBPS TDM OQPSK-Träger
zur Übertragung
durch die Ku-Hand-Punktstrahlabwärtsverbindungen
oder direkt zu den optischen Zwischensatellitenverbindungen gesendet.
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Optische Zwischensatellitenverbindungen
(ISLs)
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ISLs 104 werden
verwendet, um Satelliten miteinander zu verbinden, um globale Zwischenverbindungsdienste
durch Verbindung mit anderen Satelliten bereitzustellen. Die ausgewählten Ausgänge des
bordeigenen digitalen Signalprozessors 738 werden auf die
Laser-Zwischensatellitennutzlast geroutet, wo die Daten verarbeitet
werden, um eine 3,5 GBPS Maximumzwischensatellit-Verbindungsfähigkeit bereitzustellen. Eine
1,55 μm
Wellenlänge
wird ausgewählt,
um kommerzielles Equipment nutzen zu können, das für die Weltraumumgebung geeignet
modifiziert ist.
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Weltraumteil-Busuntersysteme
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Jeder
der Satelliten 102 in der Konstellation arbeitet in geneigten
Umlaufbahnen in einer Höhe
von 1490 km. Antennen, die die Sendegruppenantennen 304 und
die Empfangsgruppenantennen 306 enthalten, sind auf den
Nadir gerichtet, und die Solarzellengruppen sind in Richtung der
Sonne gerichtet. Diese Orientierung bzw. Ausrichtung (auch als Sonnen-Nadir-Lenkung)
maximiert die Leistungssammlung und Wärmeabfuhr.
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Die
Satelliten 102 Struktur stellt eine stabile Plattform über deren
Betriebsdauer bereit. Die Struktur ist optimiert, um effizient Startlasten
zu verteilen, und ist kompatibel mit vielen Startfahrzeugen.
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Nachführ-, Telemetrie- und Steuerungsuntersysteme
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Der
Satellit 102 umfasst auch ein Nachführ-, Telemetrie- und Steuerungsuntersystem
(TT&C), das Antennen,
Empfänger,
Sender und digitales Equipment umfasst, um eine Weltraumfahrzeug-Befehlsausübung, Überwachung
und Entfernungsmessung während
aller Phasen der Mission und des Betriebs zu unterstützen. Das
Untersystem empfängt
und demoduliert einen Aufwärtsverbindungs-Befehl
und leitet die Befehlsdaten an eine zentrale Tele metrie- und Befehlseinheit
(CTCU) zur Verarbeitung weiter. Das TT&C Untersystem moduliert die Telemetrieunterträger von
der CTCU auf den RIF-Abwärtsverbindungsträger. Das
Untersystem demoduliert auch Entfernungsmesstöne von dem Aufwärtsverbindungsträger und
remoduliert die Töne
auf den Abwärtsverbindungsträger, um
eine genaue Bodenbestimmung des Weltraumfahrzeugs zu ermöglichen.
Das Nachführen
bzw. Verfolgen in der Umlaufbahn, Telemetrie und Steuerungsuntersystem
wird im Ku-Band betrieben. Telemetriesignale werden die gleiche
Kreispolarisation wie die Kommunikationsabwärtsverbindungssignale haben,
und die Befehlssignale werden die gleiche Kreispolarisation wie
die Kommunikationsaufwärtssignale
haben.
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Lagekontrolle
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Der
Satellit 102 umfasst auch ein Lagesteuerungsuntersystem
mit Lagegeschwindigkeits- und Positionssensoren, Lagesteuerungsaktuatoren
und den zugehörigen
elektronischen Verarbeitungen. Der Weltraumfahrzeugsteuerungsprozessor
(SCP) verarbeitet Sensoreingangssignale und steuert die Lageaktuatoren
und verarbeitet Umlaufbahndaten während der verschiedenen Missionsphasen.
Das Lagesteuerungsuntersystem (ACS) ist ein Null-Momenten-Vorspannungssystem
mit einer Sonnen-Nadir-Lenkung, um Leistung und thermische Leistung
zu optimieren. Die Systemaktuatoren umfassen vier Reaktionsräder zum
Steuern des Drehmoments um alle drei Achsen, wobei vier von drei
Redundanten 9 Triebwerken für
Erkundungs- und Lagehaltemanöver,
und Solarflügel
werden eingesetzt, um die Solarflügel auszurichten.
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Treibstoff
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Der
Satellit 100 umfasst ebenfalls ein Flüssigtreibstoffuntersystem,
das Satellitengeschwindigkeits- und Lagesteuerungsmanöver in Antwort
auf bordeigene und bodengestützte
Befehle ausführt.
Das Treibstoffuntersystem umfasst zwei vollkommen redundante Untersysteme
mit 12 Triebwerken (sechs pro Untersystem), die verwendet werden,
um Spin und/oder Lagesteuerung während
des Einbringens einer Fehlerkorrekturumlaufbahnaufrechterhaltung
und Manöver
bereitzustellen, einschließlich
der Stationslageerhaltung, einem aus der Umlaufbahn bringen am Ende
der Lebensdauer und Operationen in der Umlaufbahn.
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Elektrische
Leistung
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Der
Satellit 102 umfasst ebenfalls ein elektrisches Leistungs-Untersystem,
das elektrische Leistung bzw. elektrische Energie für alle Untersysteme
auf dem Weltraumfahrzeug liefert. Der Satellit verwendet einen einzelnen
50-Volt regulierten Bus und sammelt dessen Energie über zwei
Solarflügel,
die in der Lage sind, etwa 10 kW an Leistung am Ende der Lebensdauer
zu erzeugen. Eine Batterie, die durch die Solargruppe aufgeladen
wird, liefert volle Energie an das Weltraumfahrzeug während der
Sonnenfinsternis. Das elektrische Energieuntersystem umfasst Leistungselektroniken
mit integrierten Leistungssteuerungen (IPC) und einen Batteriezellenspannungsüberwacher.
Eine zentralisierte Leistungsverschmelzung, Schalten und eine Busstromtelemetrie
werden von den Busleistungsverteilereinheiten und den Nutzlastleistungsverteilungseinheiten geliefert.
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Thermische
Steuerung
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Der
Satellit 102 umfasst ebenfalls ein thermisches Steuerungsuntersystem,
das eine gesteuerte thermische Umgebung für die gesamte Mission bereitstellt.
Das thermische Steuerungsuntersystem umfasst eine Vielzahl von Radiatortafeln,
die intern abgestrahlte Wärme
in den Weltraum zurückführt und
die „isothermalisiert" sind mit eingebetteten
Heat-Pipes. Erwärmer
werden eingesetzt, um die unteren Temperaturextreme der Satellitenausrüstung zu
begrenzen.
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Satellitenkonstellation
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Der
Weltraumteil des LEO SYSTEMS 100 umfasst 70 technisch identische
Satelliten 102 und eine passende Anzahl von Ersatz in der
Umlaufbahn und am Boden, die vorgesehen sind, um die Systemzuverlässigkeit
zu verbessern. Die Satelliten 102 umlaufen die Erde in
einer Entfernung von 1490 km in zehn Kreisebenen von sieben Satelliten,
wobei jeder um 54,5 Grad geneigt ist. Die Umlaufbahnhöhe von 1490
km entspricht einer Umlaufbahnperiode von 1,93 Stunden. Die Konstellation
des LEO SYSTEM Satelliten 102 stellt eine vollständige Ausleuchtung
bis zu 70 Grad Breite bereit, die gesamte USA (einschließlich Alaska
und Hawaii) umfasst. Eine Teilausleuchtung ist in Breiten zwischen
70 Grad und 80 Grad verfügbar.
Dies ist in hohem Maße
kompatibel mit einem minimalen Elevationswinkel von 90 Grad. Die
Ausleuchtung der LEO SYSTEM Konstellation 100 ist gleichmäßig mit
Bezug auf die Länge
und symmetrisch um den Äquator.
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10 ist
ein Diagramm, das die Anzahl sichtbarer Satelliten der LEO SYSTEM 100 Konstellation
als Funktion der geogra fischen Breite zeigt. Wie in 10 gezeigt
erfolgt eine kontinuierliche einzelne LEO SYSTEM Satelliten 102-Verbindung
für alle
geografischen Breiten bis zu 70 Grad. Doppelte Satellitenverbindungen sind
für geografische
Breiten zwischen 0 Grad und 68 Grad für etwa 90 % der Zeit verfügbar. Dreifache
Verbindungen sind für
geografische Breiten zwischen 20 Grad und 60 Grad für über 90 %
der Zeit vorhanden. Diese Konstellation optimiert das Auftreten
einer Drei-Satelliten-Verbindungs-Diversity innerhalb der nördlichen und
südlichen
Breitengrenzen von 20 Grad bis 60 Grad, die Gebiete mit der größten globalen
Populationsdichte.
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Bodensegment
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Zwei
vollständig
redundante Zentren steuern und verwalten die LEO SYSTEM 100 Konstellation;
ein Satellitenoperationscenter (SOC) 128 und ein Netzwerkoperationscenter
(NOC) 124. Das SOC 128 verwaltet alle Satelliten
und deren Umlaufbahnen. Das SOC 128 besitzt auch die Hauptverantwortlichkeit
für die
Echtzeit und Direktkommunikation mit Satelliten, um Funktionen zu
erreichen, wie bspw. Verbindungsmanagement, Zugangskontrolle, Übergabe,
Leistungssteuerung und Polarisations- und Spektrums-Verwendungssteuerung.
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Das
NOC 124 verwaltet den Benutzerzugang zu dem System und
die Nutzlastoperationen. Dies wird erreicht durch eine Zwischenoperation
mit SOC 128 Operationen. Die Nutzlast wird verwaltet, um
die Strahl-zu-Strahl- und Satelliten-zu-Satelliten-Übergaben, Energiepegel und
Polarisations- und Spektrumsverwendung zu steuern. Die Strahl-zu-Strahl-Übergaben
können
auftreten, wenn die Ausleuchtung eines Satellitenstrahls sich von einer
Bodenstation wegbewegt, da das Strahlmuster relativ zu dem Satelliten 102 fest
ist. Satelliten-zu-Satelliten-Übergaben
können
auftreten, um eine ausreichende Satellitensichtbarkeit aufrecht
zu erhalten, selbst wenn ein Satellit 102 sich außer Sicht
bewegt. Wie hier beschrieben tritt es ebenfalls auf, um unerwünschte interferenze
Situationen zu vermeiden. Einzelne Strahlleistungspegel können variiert
werden, falls notwendig, um eine konstante Leistungsflussdichte
auf der Erde unter variierenden Ausbreitungsbedingungen aufrecht
zu erhalten, und um den Variationen auf Grund von Interferenzmilderungstechniken
und anderen Faktoren Rechnung zu tragen. Die Strahlpolarisation
und Spektrumsverwendung kann variiert werden, um Interferenz zu
vermeiden und gebietsspezifischen Regelungseinschränkungen
zu genügen.
Das NOC wird auch hauptsächlich
für Funktionen
verantwortlich sein, wie bspw. Ressourcenverwaltung, Fehlerwaltung,
Berechnung und Rechnungsstellung.
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Um
Verfügbarkeiten
von 99,5 % bis 99,7 % zu erreichen, werden mehrere Klassen von Terminals
eingesetzt, abhängig
von dem Bodenstationsort, der Dienstkategorie und anderer Systemparameter.
Bei einer Ausführungsform
umfassen die Bodenterminals ein UT 114 und ein Gateway-Terminal 106.
Das UT 114 stellt eine Datengeschwindigkeit von bis zu
etwa 100 MBPS bereit, und das Gateway-Terminal 106 liefert
eine Datengeschwindigkeit von bis zu 700 MBPS bereit. Tabellen III
und IV unten fassen diese beispielhaften Terminaleigenschaften zusammen.
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Tabelle
III: Beispielhafte Benutzerterminaleigenschaften
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Tabelle
IV: Beispielhafte Gateway Terminal Eigenschaften
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Interferenz mit Nicht-LEO
SYSTEM Satelliten
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Interferenz
kann auftreten, wenn das gewünschte
Träger-zu-Interferenzverhältnis (C/I)
unter einen erforderlichen Schutzschwellenwert fällt. Um den Pegel der Interferenz
zu und von anderen Satellitensystemen zu minimieren, benutzt das
LEO SYSTEM 100 Spektrum-Teilungstechniken, die Satelliten-Diversity
umfassen (Verfügbarkeit
und Benutzung mehrerer Satelliten durch Übergabeschaltung und andere
Vergrößerungen)
und Antennen mit schmaler Strahlbreite. Zusätzlich werden die Konstellationsparameter
des LEO SYSTEM Satelliten 102 ausgewählt und entworfen, um mögliche Interferenz
zu GSO Diensten zu minimieren.
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Die
extrem schmale Strahlbreite der optischen Sender/Empfänger 308 des
LEO SYSTEMS für
die ISLs 104 gewährleistet,
dass die Satellitenempfänger
außerhalb
des direkten Pfads dieser Laserstrahlen schädliche Interferenz vermeiden.
Die schmalen Strahlbreiten verhindern als praktische Tatsache, dass
andere Satelliten die Sichtlinien der Sender/Empfänger blockieren.
Aus diesen Gründen
und da Umlaufbahnen und andere Parameter sich zwischen Systemen
unterscheiden werden, ist die Möglichkeit
der schädlichen
Interferenz, die zwischen Satellitenverbindungen unterschiedlicher
Systeme auftritt, vernachlässigbar.
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11 ist
ein Flussdiagramm, das Verfahrensschritte darstellt, die verwendet
werden, um ein Satellitenkommunikationssystem mit einem Systempegellösungsweg
zu entwerfen, um Kommunikationsinterferenzanforderungen mit anderen
Satelliten zu erfüllen.
Typischerweise ist die Interferenzanforderung als maximale Äquivalente
Leistungsflussdichte (EPFD) oder durchschnittliche Leistungsflussdichte
(APFD) ausgedrückt, üblicherweise
in der Einheit dBW/Meter2/4 KHz an der Antenne(n)
der anderen Satelliten (mit denen die Interferenz besteht). Eine
Vielzahl von Interferenzszenarien wird identifiziert, wie in Block 1102 gezeigt.
Dann wird die Interferenzanforderung (wie die EPFD zuvor) kategorisiert
entsprechend einer Erscheinungshäufigkeit bzw.
Auftrittshäufigkeit,
wie in Block 1104 gezeigt. Zumindest eine Interferenzlinderungsstrategie
wird für
jedes Szenario und jede Interferenzanforderungskategorie identifiziert,
wie in Block 1106 gezeigt. Falls gewünscht kann eine bestimmte Interferenzstrategie
für mehr
als ein Szenario und eine Erscheinungshäufigkeit eingesetzt werden.
Die Wirksamkeit jeder identifizierten Interferenzlinderungsstrategie
wird dann für
jedes der Szenarien und Kategorien der Interferenzanforderungen
bestimmt. Dies wird in Block 1108 dargestellt. Falls gewünscht kann
dieser Schritt nur für
jene Szenarien und Strategien ausgeführt werden, die (sind Hauptfaktoren bei)
den Entwurf des Satellitenkommunikationssystems antreiben. Zumindest
eine der Interferenzlinderungsstrategien wird dann gewählt 1110 entsprechend
den Ergebnissen, die in Block 1108 erhalten wurden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Verfahren ausgeführt, indem eine Interferenzanforderung
für einen
kurzen Zeitraum und eine Interferenzanforderung für einen
langen Zeitraum definiert wird von einer Interferenzanforderung,
die eine maximale Kommunikationsinterferenz zwischen einem Satellitensystem
in einer untergeostationären
Umlaufbahn und einem Satelliten in einem Satellitensystem in einer
geostationären
Umlaufbahn bildet. Die Quelle einer solchen Interferenz ist die
Empfindlichkeitseigenschaft bezüglich
eines Achsenversatzes der Sende- und der Empfangsantennen, die von
den Satellitenkommunikationssystemen verwendet werden, um mit ihren
jeweiligen Bodenstationen zu kommunizieren. Bei einer Ausführungsform
wird die Kurzzeitinterferenzanforderung klar durch Interferenz,
die auftritt und für
eine kurze Zeitperiode bleibt, aber mit potentiell hoher Intensität, und die
Langzeitinterferenzanforderung wird klar durch Interferenz, die
häufiger
auftritt, aber die eine geringe Intensität besitzt. Als nächstes wird
die achsversetzte Empfindlichkeitseigenschaft der Antenne, die in
dem ersten Satellitensystem verwendet wird, ausgewählt, so dass
die sich daraus ergebende Sorte von Interferenz die kurzzeitige
Interferenzanforderung erfüllt.
Dann beschreibt eine Antennennachführungsstrategieregel, wann
jeder der ersten Satelliten in dem ersten Satellitensystem mit seiner
zugehörigen
Bodenstation kommunizieren kann.
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Ein
Beispiel der Anwendung der vorgenannten Verfahrensschritte ist nachfolgend
beschrieben. Zwölf unterschiedliche
Szenarien können
definiert werden, in denen sich die Möglichkeit der Interferenz zwischen einer
GSO-Verbindung (eine existierende Satellitenfähigkeit) und einer NGSO-Verbindung
ergibt. Wenn sie startend mit der wichtigsten geordnet werden (im
Hinblick auf die Unerwünschtheit)
sind sie wie folgt: (1) GSO Bodenstationshauptstrahlinterferenz
mit NGSO-Satellitenhauptstrahl; (2) NGSO-Satellitenhauptstrahlinterferenz
mit GSO-Bodenstationshauptstrahl;
(3) GSO-Satellitenhauptstrahlinterferenz mit NGSO-Bodenstationshauptstrahl;
(4) NGSO-Bodenstationshauptstrahl interferiert mit GSO-Satellitenhauptstrahl;
(5) GSO-Bodenstationshauptstrahl interferiert mit NGSO-Satellitenseitenkeule;
(6) NGSO-Satellitenseitenkeule interferiert mit GSO-Bodenstationshauptstrahl;
(7) GSO-Satellitenseitenkeule interferiert mit NGSO-Bodenstationshauptstrahl;
(8) NGSO-Bodenstationshauptstrahl interferiert mit GSO-Satellitenseitenkeule;
(9) GSO-Bodenstationsseitenkeule interferiert mit NGSO-Satellitenhauptstrahl;
(10) GSO-Satellitenhauptstrahl interferiert mit NGSO-Bodenstationsseitenkeule;
(11) NGSO-Satellitenhauptstrahl
interferiert mit GSO-Bodenstationsseitenkeule; und (12) NGSO-Bodenstationsseitenkeule
interferiert mit GSO-Satellitenhauptstrahl.
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Die
Hauptstrahl-zu-Hauptstrahl-Interferenz im Falle (1) bis (4) und
(8) kann vermieden werden, indem eine Satelliten 102-Diversity verwendet
wird.
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12 zeigt,
wie die LEO SYSTEM Satelliten 102 eine Hauptstrahl-zu-Hauptstrahl-Interferenz
mit GSO-Satelliten 102 vermeiden, indem Satelliten-Diversity
und ein ausreichender Trennungswinkel zwischen den zwei Antennensichtlinien
verwendet wird. Diese Strategie ist beim Verhindern von Hauptstrahl-zu-Hauptstrahl-Interferenzfällen geeignet,
wie sie in Szenarien (1) bis (4) und (8) beschrieben sind. Diese
Nicht-Bedienungs-Zonenstrategie
vermeidet die Übertragung
eines Signals, während
irgendein Punkt innerhalb des Strahls weniger als 10° getrennt
ist von einem Vektor von der NGSO-Bodenstation 1204 (bspw.
das UT 114 oder Gateway 106) zu dem NGSO-Satelliten 1206 (bspw.
Satellit 102). Dies schlägt eine Nicht-Bedienungs-Zone
für das
NGSO-Satellitensystem entlang eines GSO-Bogens vor und wird üblicherweise
als GSO-Bogen Schutzzone bezeichnet. 12 zeigt,
dass, falls ein GSO-Bogen Schutzwinkel (θ1)
bis zu 10° gewählt wird,
dann der minimale Achsenversatzwinkel von dem Nicht-GSO (θ2) in den GSO-Hauptstrahl mehr als 10 % beträgt.
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13 zeigt
ein Beispiel, das die Umsetzung des Trennwinkels zwischen der GSO-
und der NGSO-Antennensichtlinie zeigt. 13 zeigt
Antennennachführungen
für den
am nächsten
liegenden Betriebssatelliten des LEO SYSTEMS von einem Benutzerterminal,
das in Los Angeles platziert ist. Das Benutzerterminal 114 schaltet
zu einem anderen sichtbaren Satelliten um, wann immer der nachführende LEO
SYSTEM Satellit 102 (der ursprünglich in Kommunikation mit
UT 114 war) einen GSO-Freihaltebogen
erreicht, der bei etwa 110 Grad definiert ist. Diese Nicht-Bedienungs-Zone
bzw. Nicht-Service-Zone wird angewendet, um die GSO-Satelliten gegenüber Kommunikationsinterferenz
von den LEO SYSTEM Satelliten 102 zu schützen, die in
der Mitte der Nicht-Bedienungs-Zone gezeigt sind. Die Position von
aktiven NSO-Satelliten ist in Form von Kreisen dargestellt, die
den gesamten Himmel mit Ausnahme der GSO-Schutzzone bevölkern. Das
NGSO-Bodenterminal schaltet auf einen anderen Satelliten (Übergabe),
wann immer der aktive Satellit nicht länger sichtbar ist im höchsten Elevationswinkel
oder wenn er in die GSO-Schutzzone
fliegt.
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Die
Interferenz in Fällen
(5) bis (12) kann ausreichend gelindert werden, indem Satelliten-Diversity,
adäquate
Antennensichtlinientrennwinkel und ausreichende Antennendiskriminierung
verwendet werden. Für das
LEO SYSTEM System 100, werden die Bodenantennen gewöhnlich größer als
Weltraumfahrzeugantennen. Im Ergebnis, das die achsenversetzte Strahlung
nach sich zieht, wird mehr durch die Bodenantennen diskriminiert.
Im Ergebnis sind die Interferenzsituationen in Fällen (5) bis (8) schlechter
als die Interferenzsituationen in Fällen (9) bis (12), insbesondere
auf Grund relativ guter Diskriminierung der achsversetzten Strahlung durch
die Gruppenantenne. In Fällen
(5), (8), (9) und (12) verursachen die GSO-Aufwärtsverbindungen mehr Interferenz
mit NGSO-Aufwärtsverbindungen
als die Fälle
mit umgekehrten Fällen
auf Grund kürzerer
Ausbreitungsentfernung zwischen der Erde und den NGSO-Satelliten 1206.
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Um
damit das Teilen des Spektrums zu erleichtern wird das LEO SYSTEM
System 100 so ausgelegt, dass es (1) eine ausreichende
Bodenantennendiskriminierung bereitstellt (2) ausreichende Weltraumfahrzeugantennendiskriminierung
und Antennensichtlinientrennungswinkel, und (3) ausreichende Satellitensichtbarkeitsstatistiken.
Sowohl der Trennungs- bzw. Separationswinkel zwischen GSO 1202 und
NGSO-Satelliten 1206, wie von einer GSO-Bodenstation 1208 gesehen,
und der Separationswinkel zwischen GSO 1208 und NGSO-Bodenstationen 1204,
wie von einem NGSO-Satelliten 1206 gesehen, müssen ausreichend
sein, um dem Schräglagenbereich
des NGSO-Satelliten 1206 und der Leistungs flussdichte,
die er ausstrahlt, Rechnung zu tragen. Die Auswahl des Winkels zwischen
GSO- und NGSO-Satelliten 1202, 1206 muss ebenfalls
einer vernünftigen
Abschätzung
der GSO-Bodenstationsantennen-Diskriminierungseigenschaften Rechnung
tragen, und der Winkel zwischen NGSO und GSO-Bodenstationen müssen auch
den NGSO-Satelliten 1206 Antennendiskriminierungseigenschaften
Rechnung tragen.
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14A, 14B und 14C sind Diagramme, die zusätzliche
Szenarien darstellen, in denen das LEO SYSTEM 100 möglicherweise
mit NGSO-Satelliten 1202 und deren Verbindungen interferieren
könnte. 14A zeigt Szenario (6), während 14B und 14C Szenarien
(11) bzw. (12) darstellen. Nimmt man an, dass die Szenarien (1),
(2), (3) und (4) durch Verwendung einer GSO-Nicht-Bedienungs-Zone entfernt werden,
tragen diese Szenarien wesentlich zu der Gesamtinterferenz bei.
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Szenarium
(6) umfasst eine Interferenz von einer achsversetzten Emission von
Energie von den NGSO-Satelliten 1206-Antennen (bspw. über die Antennenseitenkeulen),
wenn zu einer NGSO-Bodenstation 1204 übertragen wird, wie bspw. UT 114,
das sich eine gewisse Entfernung weg von der GSO-Bodenstation 1208 befindet.
Szenario (11) umfasst eine Interferenz zwischen einem NGSO-Satelliten 1206,
der zu einer NGSO-Bodenstation 1204 überträgt, die an oder neben einer
GSO-Bodenstation 1208 platziert ist. In diesem Fall können die Übertragungen
von dem GSO-Satelliten 1202 interferieren
durch den Empfang von Signalen von dem NGSO-Satelliten über die
Seitenkeulen oder andere Eigenschaften bezüglich achsversetzter Empfindlichkeit
der GSO-Bodenstationsantenne.
Szenario (12) umfasst eine Interferenz von einer NGSO-Bodenstation 1204,
die an oder nahe einer GSO- Bodenstation 1208 angeordnet
ist, die zu dem NGSO-Satelliten 1206 überträgt. In diesem Fall wird Energie,
die von der NGSO-Bodenstation 1204 über eine
Seitenkeulenquelle oder andere achsversetzte Quellen gesendet wird,
von dem GSO-Satelliten 1202 empfangen, und interferiert
mit Signalen, die von der GSO-Bodenstation 1208 zu
dem GSO-Satelliten 1202 übertragen werden.
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Unterschiedliche
Interferenzlinderungstechniken können
eingesetzt werden, um Interferenz in den zuvor beschriebenen Szenarien
zu reduzieren. Die Interferenzanforderung kann kategorisiert werden
in eine Eintritts-Häufigkeitsstatistik,
die beschreibt, wie häufig
das Interferenzszenario erwartet wird, einzutreten. Bspw. kann die
Eintritts-Häufigkeitsstatistik
beschrieben werden als Gesamtzahl von Sekunden, während der
die Bedingungen des Interferenzszenarios an einem einzelnen Tag
eintreten. In einem Beispiel werden diese Statistiken als Kurzzeit, Übergangs-
und Langzeit kategorisiert. Interferenzbedingungen in der Kurzzeitkategorie
neigen dazu, während
einem kleinen Prozentsatz der Zeit aufzutreten, führen jedoch
häufig
zu hohen Pegeln der Interferenz. Interferenzbedingungen in der Langzeitkategorie
neigen häufiger – etwa 1
% der Zeit – dazu
einzutreten, aber umfassen in der Regel geringere Interferenzpegel.
Interferenzbedingungen in der Übergangskategorie
fallen zwischen diese zwei Extreme. Jede dieser Interferenzkategorien
wird mit einer entsprechenden Linderungsstrategie in der Tabelle
V dargestellt, die folgt.
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Mit
Bezug auf das Szenario (6) ist das Vorsehen einer GSO Nicht-Service-Zone
von 10 Grand unzureichend, um die Kurzzeitinterferenzanforderung
zu erfüllen.
Folglich wird eine zusätzliche
Interferenzlinderungsstrategie verwendet, nämlich jene, mit der die NGSO-Satelliten 1206-Antennenseitenkeulenrichtfähigkeit reduziert
wird. In einer Ausführungsform
ist die Antennenseitenkeulen-Richtfähigkeit auf etwa 4 Grad ausgewählt, wie
in 5 gezeigt. Die Übergangs- und Langzeitinterferenzanforderungen
werden dominiert durch Betrachtungen, die in Szenario (11) vorhanden
sind.
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Mit
Bezug auf Szenario (11) kann eine Kurzzeitinterferenzanforderung
mit dem Einsatz der zuvor beschriebenen GSO Nicht- Service-Zone erfüllt werden.
Die Nicht-Service-Zone ist jedoch keine wirksame Interferenzlinderungsstrategie
für Interferenz,
die als Langzeit- oder Übergangskategorie
kategorisiert ist. Um diese Interferenzanforderungen in Szenario
(11) zu erfüllen,
wird eine zusätzliche
Interferenzlinderungsstrategie eingesetzt. Diese „Diversity" basierte Linderungsstrategie
umfasste eine Änderung
der Verfolgungsalgorithmen, die bestimmen, welche NGSO-Bodenstationen 1204 mit
welchen NGSO-Satelliten 1206 kommunizieren.
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Die
nachfolgende Tabelle VI stellt eine Zusammenfassung der möglichen
Linderungsstrategien dar.
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15 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhaft Verfahrensschritte zeigt, die
in einer Ausführungsform der
Linde rungsstrategie verwendet werden. Zunächst wird ein geometrisches
Verhältnis
zwischen einer Bodenstation (bspw. der NGSO-Bodenstation 1204 und den Satelliten
in der Konstellation der NGSO-Satelliten 1206) evaluiert,
wie in Block 1502 gezeigt. Dann wird die Kommunikation
zwischen der Bodenstation 1204 und den NGSO-Satelliten 1206 entsprechend
dem evaluierten geometrischen Verhältnis gerichtet, wie Block 1504 gezeigt
ist.
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16 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhaft Verfahrensschritte zeigt, die
in einer Ausführungsform der
Linderungsstrategie verwendet werden, bei der die Elevationswinkel
der NGSO-Satelliten 1206 als Unterscheidung verwendet werden,
um die Übergabebedingungen
festzulegen (wenn Kommunikation von einem NGSO-Satelliten 1206 zu
einem anderen übergeben
wird) und um den Übergabesatelliten
zu identifizieren (der Satellit, der bestimmt wird, die Kommunikation
zu übernehmen,
die zuvor von einem anderen Satelliten in der NGSO-Satellitenkonstellation
vorgenommen wurde). Diese Technik reduziert weiter die statistische
Wahrscheinlichkeit, dass ein NGSO-Satellit 1206 oder die
Bodenstation 1208 mit einem GSO-Satelliten 1202 oder der
Bodenstation 1208 interferiert.
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17 ist
ein Diagramm, das die geometrischen Verhältnisse darstellt, die in dem
Flussdiagramm beschrieben sind, das in 16 dargestellt
ist.
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Zurückkommend
auf 16 wird der Elevationswinkel für jeden der „sichtbaren" NGSO-Satelliten 1702 bestimmt,
wie in Block 1602 gezeigt. In diesem Kontext betrifft „sichtbar" Satelliten, die über dem Erd-Rand
liegen. Der Elevationswinkel jedes Satelliten von dem lokalen Horizont 1704 der
NGSO- Bodenstation 1204 wird
bestimmt. Dies kann bestimmt werden, indem Information verwendet
wird, die von dem SOC 128 oder NOC 124 oder an
der NGSO-Bodenstation 1204 erhalten wird. Falls der Elevationswinkel
des Satelliten, der momentan in Kommunikation mit der NGSO-Bodenstation 1204 ist,
(Satellit 1702A mit Elevationswinkel γ in 17) nicht
größer ist
als der Elevationswinkel für
jeden anderen sichtbaren NGSO-Satelliten 1702, wird der
Satellit mit dem höchsten
Elevationswinkel (NGSO-Satellit 1702A, der in einem Winkel β in 17 angeordnet
ist) als der Übergabesatellit
bestimmt. Dies ist in Blöcken 1604 und 1606 der 16 dargestellt.
Dann wird die Kommunikation zwischen der NGSO-Satellitenkonstellation
und der NGSO-Bodenstation 1204 von dem aktuellen Satelliten 1702A an
den Übergabesatelliten 1702D übergeben,
wie in Block 1608 gezeigt. In einer ähnlichen Ausführungsform
zu jener, die zuvor beschrieben wurde, wird der Übergabesatellit als ein beliebiger
Satellit mit einem höheren
Elevationswinkel identifiziert, als der Satellit, der momentan in Kommunikation
mit der Bodenstation ist, wie bspw. Satellit 1702C. 18 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhafte Verfahrensschritte zeigt, die
in einer Ausführungsform
der Linderungsstrategie verwendet werden, bei der Satellitenübergabe
auftritt, wenn der Elevationswinkel des Satelliten, der momentan
in Kommunikation mit der NGSO-Bodenstation 1204 ist, unter
einen minimalen Elevationswinkel fällt (wie bspw. Elevationswinkel γ in 17).
Block 1802 bestimmt den Elevationswinkel des NGSO-Satelliten,
der momentan mit der NGSO-Bodenstation 1204 in Kommunikation
ist (bspw. Satellit 1702A in 17). Block 1804 prüft, um zu
sehen, falls der Elevationswinkel des NGSO-Satelliten, der momentan
mit der NGSO-Bodenstation in Kommunikation ist, kleiner wird als
der minimale Elevationswinkel (Winkel γ in 17). Falls
dies geschieht, wird der Ele vationswinkel für jeden der sichtbaren Satelliten
in der NGSO-Konstellation
bestimmt, und die Kommunikation wird an den Satelliten übergeben,
der den größten Elevationswinkel
(1702D) besitzt. Dies ist in Blöcken 1806 bis 1810 dargestellt.
Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der minimale Elevationswinkel γ als etwa
9 Grad ausgewählt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung tritt eine Übergabe auch auf, nachdem der
Elevationswinkel des aktuellen Satelliten unter den minimalen Elevationswinkel γ fällt, der Übergabesatellit aber
zufällig
aus den sichtbaren Satelliten (1702B–1702D) festgelegt
wird, und nicht notwendigerweise als der Satellit mit dem größten Elevationswinkel.
Bei diesem Element sind die Operationen, die in den Blöcken 1806 und 1808 dargestellt
sind unnötig,
da der Übergabesatellit
zufällig
gewählt
wird.
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19 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhaft Verfahrensschritte zeigt, die
in einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bei der der Separationswinkel,
der durch die NGSO-Bodenstation 1204, den NGSO-Satelliten 1206 und
den GSO-Satelliten 1202 (in 12 als θ1 bezeichnet) definiert wird, verwendet wird,
um den Übergabesatelliten
zu identifizieren und zu bestimmen, wann die Kommunikation an den Übergabesatelliten übergeben
wird. Zunächst
wird ein Trennungs- bzw. Separationswinkel θ1 für jeden
der sichtbaren Satelliten in der NGSO-Satellitenkonstellation bestimmt,
wie in Block 1902 gezeigt. Dann, falls der Separationswinkel θ1 einer der Satelliten größer ist als der Separationswinkel θ1 des NGSO-Satelliten 1206, der
momentan in Kommunikation mit der NGSO-Bodenstation 1208 ist,
wird die Kommunikation an einen anderen Satelliten in der NGSO-Satellitenkonstellation übergeben.
Dies ist in Blöcken 1904 und 1906 dargestellt.
Der Übergabesatellit
kann beliebig aus den sichtbaren Satelliten in der NGSO-Satellitenkonstellation
ausgewählt
werden, als NGSO-Satellit
mit dem größten Trennungswinkel
oder der Satellit mit dem höchsten
Elevationswinkel.
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Zu
Erläuterungszwecken
wurden die vorherigen Interferenzlinderungstechniken beschrieben,
wie sie angewendet werden, um Interferenz zwischen NGSO- und GSO-Satellitensystemen
zu reduzieren. Die vorherigen Techniken können jedoch auch verwendet
werden, um Interferenz zwischen unterschiedlichen NGSO-Satellitenkonstellationen
zu reduzieren.
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20A–20D sind Diagramme, die die vorhergesagte statistische
EPFD für
das LEO SYSTEM 100 zeigen, das die Nachführungsverfahren
benutzt, die in Tabelle VI ausgeführt sind, und die GSO 10 Grad Schutzzone. 20A zeigt das vorhergesagte statistische EPFD
für das
LEO SYSTEM, das einen 0,6 m GSO-Bodenstationsterminal 1208-Antenne
benutzt. 20B zeigt das vorhergesagte
EPFD für
das LEO SYSTEM 100, das eine 1,2 m GSO-Terminal 1208-Antenne verwendet. 20C und 20D zeigen
das vorhergesagte EPFD für
das LEO SYSTEM 100, wobei eine 3-Meter- bzw. 10-Meter-Antenne verwendet wird. Diese
Ergebnisse kombinieren die Szenarien (6) und (11) und unter der
schwierigsten Fallgeometrie. Allgemein liefert das Satellitennachführungsverfahren
(4) den besten Schutz für
GSO-Systeme und reduziert die Langzeitinterferenz bis zu einem unschädlichen
Pegel, insbesondere für
die kleinen GSO-Antennen. Es sei auch bemerkt, dass das Szenario
den Kurzzeitinterferenzpegel dominiert, wenn die Antenne des GSO-Bodenstationsterminals 1208 groß ist, und
dass die Interferenz von dieser Quelle verbessert werden kann durch
eine Satellitenantennen-Seitenkeulendämpfung.
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Allgemein
benötigen
die Szenarien (6), (11) und (12) NGSO-Systeme, um eine ausreichende Anzahl von
sichtbaren Satelliten bereitzustellen, um Satelliten-Diversity für Linderungszwecke
zu verwenden. In Szenario (6) und (11) können die NGSO-Systeme bei ausreichend
großen
Bodenterminals angewendet werden, um den PFD-Pegel weiter zu reduzieren,
der für
Verbindungen in den Weltraum und nahe Verbindungen benötigt wird.
Szenario (6) erfordert eine ausreichende Seitenkeulendämpfung für das Weltraumfahrzeug
an dem geeigneten achsversetzten Winkel. Szenario (11) erfordert
ein Satellitennachführungsverfahren
mit weniger Interferenz, um ein Teilen des Spektrums (in Übergangszonen)
zu erleichtern, um insbesondere GSO-Bodenstationen mit kleineren
Antennenaperturen zu schützen.
Szenario (12) erfordert ebenfalls einen ausreichenden Winkel für eine GSO-Bogenvermeidung,
um die zusammengefasste Interferenz zu reduzieren, die von den NGSO-Aufwärtsverbindungen
erzeugt wird.
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DAS MEO-SYSTEM-SATELLITEN-SYSTEM
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21 ist
ein Diagramm des MEO-System-Satelliten-Kommunikationssystems 2100.
Das MEO-System 2100 kann alternativ zu dem LEO-System-Satelliten-Kommunikationssystem 100 eingesetzt
werden, oder kann in Verbindung mit dem LEO-System-Kommunikationssystem 100 verwendet
werden, um den weltweiten Dienst zu vergrößern.
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Das
MEO-System 2100 stellt Breitbandkommunikationsdienste für Kunden
innerhalb der Vereinigten Staaten und über die Welt bereit und bietet
Dienstleistungen mit Datenraten von 1,54 MBPS (T1) bis zu 155 MBPS
(OC-3). Das MEO-System 2100 umfasst einen Weltraumteil,
einen Bodenteil und einen Diensteteil. Der Weltraumteil umfasst
eine Vielzahl von MEO-System-Satelliten 2102 in einer MEO-Umlaufbahn,
die untereinander über
eine MEO-System-Zwischensatelliten-Verbindung
(ISL) 2104 kommunizieren.
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Der
Bodenteil umfasst eine Vielzahl von MEO-System-Benutzer-Terminals 2106, die
hinsichtlich ihres Designs ähnlich
oder identisch sind zu den LEO-System-Benutzer-Terminals 114,
Systemzugangsknoten und Kontrollcenter, einschließlich einer
oder mehrerer NOCs 124, und einem oder mehreren SOCs 128,
die die TT&C-Kontrolle
erleichtern. Jedes NOC 124 arbeitet mit den bordeigenen
Satellitenprozessoren, um Benutzerzugangsanforderungen zu steuern,
und erleichtert damit die Internetverbindungen. Die NOCs 124 überwachen
ebenfalls die Diensteverfügbarkeit
und Kapazität,
das Strahlmanagement und die Übergaben
innerhalb des gesamten Systems. Bei einer Ausführungsform umfassen die MEO-System-Benutzer-Terminals 2106 eine Familie
von MEO-System-Benutzer-Terminals 2106 mit
Antennen, deren Größe von 1
m (40 Inch) bis 2 m (79 Inch) im Durchmesser reicht.
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Die
Punktstrahlausleuchtunq von jedem MEO-System-Satelliten 2102 kann
in der Umlaufbahn neu konfiguriert werden, um auf Marktanforderungen
zu reagieren. Wie bei dem LEO-System 100 erlaubt die Benutzung
der Punktstrahlen und der dualen Polarisation, dass das Ku-Band-Spektrum
25 mal wiederverwendet werden kann von jedem MEO-System-Satelliten 2102.
Das System wurde ausgelegt, um ein Frequenzteilen mit anderen Systemen
zu erleichtern, sowohl NGSO als auch GSO. Das MEO-System-Netzwerk 2100 stellt den
Benutzern eine transparente Verbindung zu einer breiten Vielzahl
von terrestrischen Netzwerken bereit, einschließlich Internet, Firmenintranet,
Wide area networks (WANs), Local area networks (LANs) und autonome Übertragungsmodus(ATM)-Netzwerke.
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Frequenzplan
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Das
MEO-System-Netzwerk 2100 unterstützt sowohl paketvermittelten
als auch leitungsvermittelten Betrieb über Switches bzw. Schalter,
die in den MEO-System-Satelliten 2102 vorgesehen sind.
Die bordeigene Schalter-Matrix liefert eine Verbindung von den Aufwärts- zu
den Abwärtsstrahlen
und zu den Zwischensatellit-Verbindungen 2104, die die
paketvermittelten und die leitungsvermittelten Daten zu den richtigen
Zielen lenkt.
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Das
NOC 124 arbeitet mit den bordeigenen Satellitenprozessoren,
um Benutzerzugangsanforderungen zu steuern. Zusätzlich überwacht es die Dienste Verfügbarkeit
und Kapazität,
das Strahlmanagement und die Übergaben über das
gesamte System.
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22 ist
ein Diagramm, das einen beispielhaften Frequenzplan für das MEO-System
darstellt. Das Spektrum ist in mehrere 250 MHz-Segmente für Aufwärts- und
Abwärtssignale
aufgeteilt abhängig
von dem verfügbaren
Spektrum in jedem Gebiet. Jedes Segment wird dann in zwei 125 MHz-Teilsegmente
aufgeteilt und wird in jede der zwei Polarisationen wiederverwendet
(rechte oder linke Zirkularpolarisation).
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Das
Design des Antennensystems des MEO-System-Satelliten 2102 maximiert
die räumliche
Isolation unter den Strahlen mit der gleichen Frequenz und Polarisation.
Das Design ermöglicht eine
dichte Ausleuchtung der Gebiete mit hoher Nachfrage, da mehrere
125 MHz-Bandsegmente verwendet werden können, um die Dienste-Kapazität in dem
gleichen geographischen Gebiet zu maximieren. Eine von mehreren
unterschiedlichen Strahlauftreffmustern kann in einem Dienstegebiet
ausgewählt
werden abhängig
von den Diensteanforderungen.
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Wie
das LEO-System 100 verwendet das MEO-System 2100 eine
Kombination von Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (FDMA) und Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff
(TDMA), um Dienste mit flexiblen Datenraten bereitzustellen. Eine
Trägerbandbreite
von 125 MHz wird einen 155 MBPS-Dienst für ein 1,5 m-Terminal unterstützen. Geringere
Datenraten können
durch Kombination von schmaleren FDMA-Trägern (< 125 MHz) oder TDMA-Schlitzen unterstützt werden.
Beispielsweise kann der 1,55 MBPS-Dienst durch Teilen eines 125 MHz-Trägers in
100 Zeitschlitze unterstützt
werden.
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Mit
kleinen Bandbreiten-Ausleuchtungsgebieten und einer dualen Polarisation
kann das Spektrum, das in dem MEO-System 2100 verwendet
wird, potenziell 25 Mal pro Satellit wiederverwendet werden. Etwa 250 Strahlpositionen
und etwa 50 aktive Strahlen sind pro Satellit 2102 verfügbar. Die
Kapazität
kann flexibel zugewiesen werden zu Dienstegebieten durch Kombination
wechselnder Strahlpositionen und der Länge der beleuchteten Perioden.
Kommunikation von den MEO-System-Benutzer-Terminals 2106 und
der MEO-System-Satelliten 2102 wird über Offset-Quadra-Phase-Shift-Modulation(OQPSK)-Basisband
erreicht werden mit Faltungs-Verkettungs-Codierung, Reed-Solomon-Codierung
und Fehlerkorrekturcodierung.
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Satelliteneigenschaften
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23 ist
ein Diagramm einer Ausführungsform
eines MEO-System-Satelliten 2102.
Die MEO-System-Satelliten 2102 sind HE-Hochleistungs-rumpfstabilisierte Satelliten
in einer mittleren Erdumlaufbahn. Die Satelliteneigenschaften sind
in Tabelle VII nachfolgend beschrieben:
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Das
MEO-System 2100 liefert Breitbanddatenkommunikation mit
Geschwindigkeiten von bis zu 155 MBPS. Schaltungen können symmetrisch
oder unsymmetrisch sein und Simplex- oder Duplexverfahren nutzen.
Nutzlastverwaltung und Rekonfiguration wird über das TT&C-Untersystem des MEO-Systems ausgeführt, das
mit dem Bodenbetrieb des Systems und dem Steuerungsteil zusammenarbeitet.
Die Kommunikationsparameter des MEO-System(2100)-Systems
sind in Tabelle VII nachfolgend dargestellt:
-
-
Das
Ku-Band-Untersystem wird ein GHz des Spektrums innerhalb 10,7–12,7 GHz
(Gebiet 2) verwenden und 10,7–12,75
GHz (Gebiete 1 und 3) für
die Weltraum-zu-Erde-Übertragungen
und ein GHz innerhalb 12,75–13,25
und 13,75–14,5
GHz für
die Erdezu-Weltraum-Übertragungen.
Die präzisen
Bänder,
die benutzt werden sollen, werden entsprechend der Spektrumsverfügbarkeit
in jedem Gebiet bestimmt, das das System bedient. Die 1000 MHz werden
in acht 125 MHz-Teilbänder
unterteilt. Jedes Teilband trägt
maximal OC3-Geschwindigkeitsdaten (155 MBPS), die dann in eine Vielzahl
(beispielsweise 100) T1 (1,54 MBPS)-Träger durch TWMA aufgebrochen
werden. Eine Vielzahl von Servicetypenkombinationen innerhalb der
1000 MHz sind möglich
und können
an die spezifischen Benutzerbedürfnisse
angepasst werden.
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Das
Antennen-Teilsystem umfasst eine Vielzahl von Einspeisereflektorantennen
(nicht gezeigt) oder direkt strahlenden Gruppen, wie beispielsweise
die MEO-System-Empfangsantennen 2306 und die MEO-System-Sende-Antennen 2304.
Jede Antenne benutzt eine duale Polarisation mit 20 dB an Querpolarisationsisolation,
und ist in der Lage, etwa 250 Punktstrahlpositionen bereitzustellen.
Fünfzig
(50) Punktstrahlen werden von dem MEO-System-Satelliten 2102 bereitgestellt,
wobei jeder Punktstrahl 125 MHz des Sende- und Empfangsfrequenzspektrums
benutzt. Ein MEO-System-Satellit-2102-Prozessor kann ebenfalls
mehrere Teilbänder
zu einem einzelnen Strahl schalten, falls der Bedarf in einem spezifischen
Strahl hoch ist. Da jeder Satellit ein Dienstegebiet überstreicht,
kann er seine Strahlen direkt (Gruppenversion) oder kann seine Strahlen
zu einem bestimmten Ort (Reflektorantennenversion) schalten.
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24 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform
der Kommunikationsnutzlast für
den MEO-System-Satelliten 2102 zeigt. Signale, die an jeder
der Empfangsantennen 2306 ankommen, werden von den MEO-System
LNAs 2402 verstärkt,
die an den Antenneneinspeiseelementen angebracht sind. Nachfolgend
dem MEO-System LNAs 2402 wird das Signal von jedem Einspeiseelement
abwärts
gewandelt von dem Ku-Band in das S-Band durch den MEO-System-Abwärtsumwandler 2404,
der an der Umschaltmatrix 2406 vorgesehen ist, und von
dem S-Band in das K-Band aufwärts
wandelt durch den MEO-System-Aufwärtswandler 2408. Dann
werden die Signale zu einem Kanalisierer 2410 gelenkt.
Der analoge MEO-System-Kanalisierer 2410 richtet
die Signale von dem Aufwärtswandler 2408 entsprechend
den Befehlen, die von dem Befehlsprozessor 2412 empfangen
werden.
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Folgend
dem MEO-System-Kanalisierer 2410 werden die Signale von
jedem Strahl auf das 11 GHz-Band von dem MEO-System-Abwärtswandler 2414 abwärts gewandelt
und dann von den MEO-System-Wanderwellenröhrenverstärkern (TWTAs) 2416 verstärkt, und
dann zu den Hochleistungsschaltmatrizen (SM) 2418 gesendet.
Die Ausgangsumschaltmatrix 2418 wählt die notwendigen Einspeiseelemente
in der Sendereflektorantenne aus, um den geforderten Abwärtsstrahl
zu generieren. Informationen, die aus den optischen Querverbindungen 2104 erhalten
werden, werden direkt über
die MEO-System-Umschaltmatrizen 2418 geleitet. Signale,
die am Ausgang der Schalter vorhanden sind, und die für den Abwärtsstrahl
auf dem gleichen Satelliten bestimmt sind, werden rekombiniert und über die
Sendeantennen 2304 gesendet.
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Der
Kanalisierer 2410 leitet Signale, die dazu gedacht sind,
zu anderen MEO-System-Satelliten 2102 geliefert zu wer den,
und werden zu dem Zwischensatellit-Verbindungsteilsystem 2420 geleitet.
Das Zwischensatellit-Verbindungsuntersystem 2420 umfasst
Empfängereinheiten 2422A und 2422B,
die mit dem Kanalisierer 2410 verbunden sind. Jede Sende-Empfängereinheit 2422 und 2422 akzeptiert
und verarbeitet Daten, die für
die Übertragung über die
Zwischensatelliten-Verbindung 2104 gedacht sind, und stellt
diese verarbeiteten Daten einem Teleskop zur Verfügung (2308A bzw. 2308B),
das die Daten zu einem anderen MEO-System-Satelliten 2102 optisch überträgt. In ähnlicher
Weise erfasst jedes Teleskop 2308A und 2308B optisch
empfangene Informationen von den Sende-Empfängereinheiten 2422A und 2422B und
liefert diese Information dem Kanalisierer 2410.
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Das
Zwischenverbindungs-Untersystem 2420 implementiert zwei
optische Zwischensatellit-Verbindungs(ISL)-Terminals, die für einen
Zwischenbetrieb mit anderen MEO-System-Satelliten 2102 vorgesehen
ist. Signale von diesen ISL-Terminals werden sowohl der TDMA OC-3
leitungsvermittelten Nutzlast als auch der paketvermittelten Prozessornutzlast,
wie zuvor beschrieben, zugeführt.
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Jegliche
Datensignale mit niederen Geschwindigkeiten, die zuvor durch die
Eingangsmultiplexer an den Repeatereingang getrennt wurden, werden
zu einem digitalen Umschaltprozessor gesendet, wo das Signalband
in einzelne digitale Datenpakete demoduliert wird. Die Pakete werden
zu dem geeigneten Abwärtsverbindungsstrahl
geleitet, indem ein MEO-System-Router verwendet wird, der ebenfalls
ein Signaleingangs- und ein Signalausgangsinterface zu den optischen
Querverbindungen hat. Die Pakete werden in kontinuierliche Datenströme neu geordnet
und jene, die für
die Ku-Band-Punktabwärtsverbindungen
bestimmt sind, werden moduliert auf OQPSK-Träger hoher Kapazität zur Rekombination
mit den OC-3-Trägern
am Ausgang des Multiplexers.
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Antennen
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Der
MEO-System-Satellit 2102 umfasst vier Sendeantennen 2304,
deren jede mehrere Eingangseinspeisungen hat. Die Sendeantenne 2306 liefert
insgesamt 50 Strahlen (25 in jeder Polarisation). Jede der vier Sendereflektorantennen 2304 hat
nominell eine Apertur von etwa 0,75 m und sind auf der Ost- und
der Westseite des MEO-System-Satelliten-2102-Körpers befestigt.
Die Sendeantennen 2304 erzeugen einen Punktstrahl, der
einen Durchmesser von 2,5 Grad besitzt. Die Gesamtheit der Punktstrahlen
bildet ein Strahlmuster, das relativ zu dem Weltraumfahrzeug fest
ist und zu einem Strahlmuster auf der Erdoberfläche führt, das sich mit der Bewegung
des Weltraumfahrzeugs bewegt.
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Der
MEO-System-Satellit 2102 umfasst ebenfalls vier Empfangsreflektorantennen 2306 mit
einer Apertur von etwa 0,64 m. Jede der Empfangsreflektorantennen 2306 mit
mehreren Einspeisungen liefert insgesamt 50 Strahlen (25 in jeder
Polarisation).
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Der
MEO-System-Satellit 2102 umfasst ebenfalls ein Telemetrie-
und Befehlsantennensystem, das aus zwei Hornantennen besteht, die
TT&C-Dienste
bereitstellen. Die Telemetriesignale dienen ebenfalls als Nachführungstestsignale
bzw. Beacons für
die Bodenkommunikationsantennen. Die Vorwärtsantenne ist ein ± 22,5°-Horn, das
für eine
normale Umlaufbahnoperation benutzt wird. Die hintere Antenne ist
ein ± 70°-Horn, das
für Notfalloperationen
verwendet wird.
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Der
MEO-System-Satellit 2102 umfasst auch zumindest zwei optische
ISL-Terminals, die Ost- und West-ISL-Strahlen für Satelliten in der Äquatorebene
liefern. Bis zu vier ISL-Anordnungen
liefern weitere Verbindungen mit Satelliten in geneigter Umlaufbahn.
Die vier Empfangsreflektorantennen 2306 und die ISL-Terminals
werden an der erdzugewandten Seite befestigt.
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TDMA-Schalter
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Der
analoge Kanalisierer 2410 implementiert eine Satellitenschaltung,
um Aufwärtsverbindungsbenutzer
auf Abwärtsverbindungsbenutzer
für die
OC-3-Träger
zu routen. Der TDMA-Switch bzw. -Schalter routet jeden TDMA-Kanal
zu einer bestimmten Zeit in einem bestimmten Aufwärtsverbindungsstrahl
auf den zugeordneten Abwärtsverbindungsstrahl.
Der TDMA-Switch steuert den Aufwärtsverbindungsverkehr
zeitlich mit der richtigen Abwärtsverbindung.
Synchronisationsinformation wird an alle Benutzer-Bodenterminals gesendet,
um deren Übertragung,
Empfang und Demodulationsgeräte
mit dem Satelliten TDMA-Switch zu synchronisieren.
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Digitaler
Signalprozessor
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Ein
digitaler Signalprozessor(DSP)-Teilsystem stellt eine Verbindung
zwischen den paketvermittelten Abschnitten der Kommunikationsnutzlast
her. Das Aufwärts-Frequenzbandsegment
für jeden
Strahl, das die in Paketen vorliegenden Daten mit 10 MBPS und darunter
enthält,
wird zu dem Demodulatorbereich des DSP übermittelt, wo die Signale
alle demoduliert werden und die Fehlerkorrekturkodierung entfernt
wird. Die einzelnen Datenpa kete werden dann zu dem Router gesendet,
der sie zu dem geeigneten Downlink bzw. Abwärtsdatenstrom führt basierend
auf der Adressinformation, die in dem Paket Header enthalten ist.
Die sich daraus ergebenden Datenströme für jeden Abwärtsstrahl werden dann zwischengespeichert
und entweder remoduliert auf Hochgeschwindigkeitsträger mit
155 MBP5 TDM OQPSK zur Übertragung
durch die Ku-Band-Punktstrahlabwärtsverbindungen
oder direkt zu den optischen Zwischensatellit-Verbindungen gesendet.
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Optische Zwischensatellit-Verbindungen
(ISLs)
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ISLs 2104 werden
verwendet, um Information zwischen Satelliten zu kommunizieren,
um globale Zwischenverbindungsdienste bereitzustellen über Verbindungen
mit anderen HE-Satelliten. Ausgewählte Ausgangssignale des bordeigenen
MEO-System 2102 Prozessors werden zu der Laser-Zwischensatellit-Nutzlast geroutet,
wo die Daten verarbeitet werden, um eine 3,5 GBPS Maximum-Zwischensatellit-Verbindungsfähigkeit
bereitzustellen. Die 1,55 μm-Wellenlänge wird
gewählt,
um kommerzielle Geräte
zu verwenden, die passend für
die Weltraumumgebung modifiziert sind.
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Weltraumteil-Bus-Untersysteme
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Die
MEO-System-Satelliten 2102 arbeiten sowohl in der Äquatorialebene
und in den geneigten Umlaufbahnen in MEO. Antennen werden nach Nadir
ausgerichtet und die Solarzellengruppen werden in Richtung der Sonne
ausgerichtet. Die Satellitenlagereferenz wird bezogen auf die Sonne-Nadir-Richtung.
Eine Sonnen-Nadir-Richtung maximiert die Leistungsaufnahme und die
Hitzeabgabe für
Satelliten in geneigten Umlaufbahnen.
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Die
Satellitenstruktur liefert eine stabile Plattform über die
gesamte Mission hinweg. Sie wurde optimiert, so dass sie effizient
Startlasten verteilt und mit Startfahrzeugen kompatibel ist, die
4 m oder größere Nutzlasträume tragen.
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Nachverfolgung, Telemetrie
und Steuerungsuntersvstem
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Die
Verfolgungs- bzw. Nachführungs-,
Telemetrie und Steuerungsuntersysteme (TT&C) stellen Antennen, Empfänger, Sender
und digitale Geräte
bereit, um das Steuern des Weltraumfahrzeugs, das Überwachen und
das Entfernungsmessen während
aller Phasen der Mission und des Betriebs zu unterstützen. Das
Teilsystem empfängt
und demoduliert die Befehls-Aufwärtsverbindung
und leitet die Befehlsdaten zu der zentralen Telemetrie und Befehlseinheit
(CTCU) zur Verarbeitung weiter. Sie moduliert die Telemetrie-Teilträger von
der CTCU auf den HF-Abwärtsverbindungsträger. Das
Teilsystem moduliert ebenfalls Entfernungstöne von dem Aufwärtsverbindungsträger und
remoduliert die Töne
auf den Abwärtsverbindungsträger, um
eine genaue Bodenbestimmung des Weltraumfahrzeugs zu ermöglichen.
Das Verfolgungs-, Telemetrie- und Steuerungs-Teilsystem in der Umlaufbahn
wird im Ku-Band betrieben. Telemetriesignale werden die gleiche
Zirkularpolarisation wie die Kommunikationsabwärtsverbindungssignale haben,
und die Befehlssignale werden die gleiche Zirkularpolarisation wie
die Kommunikationsaufwärtssignale
haben.
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Lagesteuerung
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Das
Weltraumfahrzeugladesteuerungsteilsystem umfasst die Lagesensoren,
die Lagesteuerungsaktuatoren und die zugehörige Elektronikverarbeitung.
Der Weltraumfahrzeugsteuerungsprozessor (SCP) verarbeitet Sensoreingangssignale
und steuert die Lageaktuatoren und verarbeitet Umlaufbahndaten während den verschiedenen
Missionsphasen. Das Lagesteuerungsuntersystem (ACS) ist ein Typ
mit Null-Momentenvorspannung mit einer Sonnen-Nadir-Ausrichtung, um die
Energie und die thermische Steuerungsleistung zu optimieren. Die
Aktuatoren umfassen vier Impulsräder
zur Steuerung des Drehmoments, Triebwerke für Manöver zur Lagefindung und zur
Lagehaltung, und Solarflügelansteuerungen
zur Ausrichtung der Solarflügel.
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Treibstoff
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Das
Flüssigtreibstoff-Teilsystem
führt Satellitengeschwindigkeits-
und Lagesteuerungsmanöver
in Antwort auf bordeigene Befehle und Bodenbefehle aus. Dieses System
umfasst zwei vollständig
redundante Teilsysteme. Triebwerke werden eingesetzt, um Spin und/oder
Lagesteuerung bereitzustellen während
der Einspritzfehlerkorrektur, der Umlaufbahnerhaltung und Manövers einschließlich Lagehaltung,
Phasing und Operationen, um den Satelliten aus der Umlaufbahn zu
bringen, und Umlaufbahnoperationen am Ende der Betriebszeit.
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Elektrische
Leistung
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Das
elektrische Leistungs- bzw. Energie-Teilsystem liefert elektrische
Energie für
alle Teilsysteme des Weltraumfahrzeugs. Das Weltraumfahrzeug benutzt
einen regulierten Bus und sammelt die Energie über zwei Solarflügel. Eine
Batterie, die durch die Solargruppe geladen wird, liefert die vollständige Energie
für das
Weltraumfahrzeug während
jeder Sonnenfinsternis. Die Energieelektronik umfasst einen integrierten
Energie- bzw. Leis tungscontroller (IPC). Eine zentrale Leistungssicherung,
Schaltung und Busstromtelemetrie werden durch die Busleistungsverteilungseinheiten
und die Nutzlast-Leistungsverteilungseinheiten bereitgestellt.
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Thermische
Steuerung
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Das
thermische Steuerungsteilsystem liefert eine gesteuerte thermische
Umgebung während
der gesamten Mission. Die Radiatortafeln strahlen intern abgegebene
Wärme in
den Weltraum und werden mit eingebetteten Heat Pipes gleichmäßig erwärmt. Erhitzer
werden verwendet, um die geringeren Temperaturextreme der Satellitengeräte zu beschränken.
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Satellitenkonstellation
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Der
Weltraumteil besteht aus insgesamt 22 im Wesentlichen identischen
MEO-System-Satelliten 2102, von denen acht in einer äquatorialen
Ebene und 14 in geneigten Umlaufbahnen angeordnet sind. Alle MEO-System-Satelliten 2102 arbeiten
in einer Höhe
von 15.000 km, die einer Umlaufbahnperiode von 8,6 Stunden entspricht.
Eine geeignete Anzahl an Ersatz in einer Umlaufbahn und am Boden
wird zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit vorgehalten.
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Bei
der äquatorialen
Umlaufbahn arbeiten die Satelliten 2102 in einer nicht
geneigten Kreisebene. Um das Spektrum mit GSO-Satelliten zu teilen,
werden die äquatorialen
Satelliten das Äquatorgebiet
nicht abdecken. Die geneigten Umlaufbahnteile bestehen aus 14 MEO-Satelliten 2102,
die in zwei Kreisebenen von je sieben Satelliten angeordnet sind,
wobei jede Ebene um etwa 45 Grad geneigt ist. Die MEO-Konstellation
ist gleichförmig
mit Bezug auf die geographische Länge und die Symmetrie um den Äquator.
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25 ist
ein Diagramm, das die Anzahl der sichtbaren und nicht-GSO-interferierenden
Satelliten in der MEO-Systemkonstellation als Funktion der geographischen
Breite darstellt. Diese Ergebnisse, die aus einem minimalen Elevationswinkel
von 10 Grad und einer minimalen GSO-Bogentrennung erhalten wurden, werden
mit einem Histogramm der Weltbevölkerung über der
geographischen Breite verglichen. Zusätzliche Nicht-Servicezonen
hängen
von den NGSO/GSO-Bandbreiten-Teilungsbedingungen ab. Zusammen liefern die
MEO-System-Satelliten 2102 eine vollständige Ausleuchtung bis zu 90° geographischer
Breite mit zumindest zwei sichtbaren Satelliten, bei denen Satelliten-Diversity
angewendet werden kann, um das Teilen des Spektrums zu vereinfachen.
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Bodenteil
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Das
MEO-System 2100 verwendet das NOC 124 und das
SOC 128 zur Verwaltung von Benutzerzugriffen auf das System
und die Nutzlastoperationen.
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Benutzergerät
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Um
eine Verfügbarkeit
von 99,5 % bis 99,7 % zu erreichen, werden mehrere Klassen von Terminals verwendet,
abhängig
von dem Ort der Bodenstation, der Dienstekategorie und anderen Systemparametern. Bei
einer Ausführungsform
umfassen die Bodenterminals 2106 Bodenstationsklassen:
MEO-System-Kleinterminals und MEO-System-Großterminals. Die kleinen MEO-System-Terminals
liefern eine maximale Datengeschwindigkeit von 45 MBPS, und die
großen
MEO-System-Terminals liefern eine maximale Datengeschwindigkeit
von 155 MBPS. Tabelle IX nachfolgend zeigt eine Zusammenfassung
der Eigenschaften der dargestellten kleinen Terminals und Tabelle
X zeigt eine Zusammenfassung der Eigenschaften der großen Terminals.
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Interferenz mit Nicht-MEO-Svstem-Satelliten
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Interferenz
kann auftreten, wenn das gewünschte
C/I-Verhältnis
unter einen benötigten
Schutzschwellenwert fällt.
Um Interferenz gegenüber
anderen Satellitensystemen zu minimieren, benutzt das MEO-System 2100, ähnlich wie
das LEO-System, Spektrumteilungstechniken, die eine Satelliten-Diversity
umfassen (die Verfügbarkeit
und Benutzung mehrerer Satelliten durch Übergabeumschaltung und andere
Verbesserung) und Antennen mit schmaler Strahlbreite. Zusätzlich werden
die MEO-System-Satelliten 2102 Konstellationsparameter
ausgewählt
und bezeichnet, um mögliche
Interferenz mit GSO-Diensten zu minimieren.
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26A–26B sind Diagramme, die das vorhergesagte EPFD
für die
MEO-System 2100 Nachführungsverfahren
zeigt, die in Tabelle VI angegeben sind, und die GSO-10-Grad-Schutzzone. 26A zeigt das vorhergesagte statistische EPFD
für das
MEO-System 2100,
wobei eine GSO-Bodenstationsterminal-1208-Antenne mit 0,6
m verwendet wird. 26B zeigt das vorhergesagte
EPFD für
das MEO-System 2100, das eine 1,2-Meter-GSO-Terminal-1208-Antenne verwendet. 26C–26D zeigen das vorhergesagte EPFD für das MEO-System 2100,
das eine 3-Meter- bzw. eine 10-Meter-Antenne benutzt.
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Zusammenfassend
beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Linderung von Kommunikationsinterferenz zwischen Satellitenkommunikationssystemen
in unterschiedlichen Umlaufbahnen.
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Ein
Gesichtspunkt der Erfindung ist in einem Verfahren zum Definieren
des Kommunikationssatellitensystems eingebettet. Das Verfahren umfasst
die Schritte: Identifizieren einer Vielzahl von Kommunikationsinterferenzszenarien;
Kategorisieren einer Interferenzanforderung, indem eine maximale
Interferenzsignalstärkenstatistik
in jedem der zweiten Satelliten entsprechend einer Auftrittshäufigkeit
spezifiziert wird; Identifizieren von zumindest einer Interferenzlinderungsstrategie
für jedes
Szenario und für
jede Kategorie von Interferenzanforderung; Bestimmen der Wirksamkeit
jeder identifizierten Interferenzlinderungsstrategie zur Linderung der
Interferenz für
jedes der Szenarien und Kategorien von Interferenzanforderung; und
Auswählen
von zumindest einem der identifizierten Linderungsmittel für das erste
Satellitenkommunikationssystem entsprechend der festgelegten Wirksamkeit
der Interferenzlinderungsstrategie.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist in einem Verfahren zur Linderung
der Kommunikationsinterferenz zwischen einem ersten Satelliten verkörpert, der
mit einer ersten Bodenstation kommuniziert, und einem zweiten Satelliten,
wobei der zweite Satellit einer Vielzahl von Satelliten in einer
zweiten Satellitenkonstellation ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Evaluieren eines geometrischen Verhältnisses zwischen einer zweiten
Bodenstation und den Satelliten in der zweiten Satellitenkonstellation,
und Richten der Kommunikation zwischen der zweiten Bodenstation
und dem zweiten Satelliten entsprechend dem evaluierten geometrischen
Verhältnis.
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Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde
zum Zwecke der Erläuterung
und Beschreibung dargestellt. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie
erschöpfend
oder die Erfindung beschränkend
auf die präzise
offenbarte Form verstanden werden soll. Viele Modifikationen und
Veränderungen
sind im Lichte der vorherigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt,
dass der Umfang der Erfindung nicht durch diese detaillierte Beschreibung
beschränkt
werden soll, sondern vielmehr durch die angehängten Ansprüche. Die vorherige Beschreibung,
die Beispiele und Daten liefern eine vollständige Beschreibung der Herstellung
und der Verwendung der Zusammenstellung der Erfindung. Da viele
Ausführungsformen
der Erfindung möglich
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wird
die Erfindung in den Ansprüchen,
die folgen, angegeben.