专利名称：使用同步和非同步卫星的无线通信系统的制作方法
背景本发明一般涉及提供无线通信的方法和系统，具体涉及使用卫星提供无线通信这样的方法和系统。
过去，提供全球覆盖的卫星系统不外乎三种类型之一，可广泛地以轨道距离划分为同步(GEO)、低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)。同步卫星通信系统的例子是INMARSAT系统(国际海事卫星组织)。同步卫星的一个好处是它们保持在相对地球固定的位置上，而且只需要四个这样的卫星就可以覆盖整个地球。同步卫星的一个缺点是距离较远，需要很高的发射功率和较大的天线来提供通信容量而且带来大约1/4秒的往返信号传播延迟。
LEO系统的一个例子是Motorola建议的IRIDIUM系统。LEO系统的一个好处是卫星距地球较近，因此通信得到改善。由于卫星距地球较近，卫星和单个用户收发机需要的发射功率较小。一个缺点是需要大约70个卫星才能对地球上大多数点提供24小时的覆盖。而且，低地球轨道上的卫星相对地球移动较快，因此引起很高的多普勒偏移以及很频繁的从一个卫星到下一个的通信切换。
折衷的MEO系统的一个例子是TRW建议的ODYSSEY卫星系统。MEO卫星的轨道高度位于GEO和LEO轨道之间，比GEO系统提供更好的通信质量，相比LEO系统移动较少且多普勒偏移较少。而且，MEO系统使用8到18个卫星对全球大多数点提供了24小时左右的覆盖，这比大约70个卫星的LEO方案要廉价得多。
尽管MEO方案代表了互相冲突的需求之间的一个较好的折衷，但是它存在一个实际的缺陷，即在考虑吸引用户的足够覆盖(以可用时间的百分比计)之前几乎所有卫星都必须到位。这个教训是从GPS卫星导航系统中学来的，这也是一个MEO方案。因此，当实施MEO系统时，在得到足够的收入之前需要一笔支撑一个多年计划的可观投资。
因此，希望提供克服前述常规的LEO、MEO和GEO方案缺陷的无线通信系统和方法。
内容根据本发明的示范实施例，一种混合的GEO/MEO方案随着同步卫星的发射而开始，它提供对预计业务增长的主要地区的无线通信覆盖，但是容量有限只够支持最初数目的用户。跟着连续发射多个MEO卫星。MEO卫星最初可以代替同步卫星的覆盖。然后，一旦足够的MEO卫星都上了轨道，主要的业务负担可以转交给MEO卫星，而GEO卫星执行补充的作用。最后，如果需要，可以发射足够的MEO卫星提供全部的预计系统容量。
用这种方法，克服了MEO系统的主要缺陷，特别是最初发射和足够达到利润率容量之间的较长时间，因为根据本发明的系统通过首先发射一个同步卫星来提供暂时的容量。
附图的简单描述本发明前述的、以及其它的目的、特性以及优势通过结合附图阅读下面的详细描述会得到更容易的理解，其中
图1说明根据本发明的环绕地球的同步卫星；图2说明根据本发明另一个示范实施例的一个同步卫星和几个中地球轨道卫星；以及图3表示根据一个示范实施例的一个同步卫星和很多中地球轨道卫星。
详细描述根据本发明，图1表示将建立在同步轨道上的第一个卫星10以提供系统的最初容量。尽管它的容量有限，这个同步卫星10可以提供足够的容量为预定的地理覆盖或业务区20之内的有限数目的用户服务。因此，例如，如果一个终端单元30停留在地理覆盖区域20之内而且是被同步卫星10服务的有限数目的用户之一，那么终端单元30可以期望得到很好的服务，可能在高峰使用时间时除外。
在系统发展的第二阶段，可以将接续的卫星40发射到中地球轨道，如图2中所见。例如，这样的轨道可以是所谓谐同步轨道，卫星在一个恒星日环绕地球整数次，以便重复地面轨迹。例如，16756km的轨道半径(轨道高度10386km)为每个恒星日4个轨道。注意每个中地球轨道卫星40由于它们相对较近，标称容量比同步卫星10要大。当然，单个中地球轨道卫星40对地球上任何区域的覆盖不能超过一天的一小部分，例如，每天两个小时，但是这种覆盖可以选在每天的业务高峰期间、至少一个主要的业务地点内出现，因此而弥补了GEO卫星的有限容量，允许扩展用户的数目。
根据本发明的示范实施例的一个所期望的特性是，不管接入的是同步还是中地球轨道卫星，终端单元和卫星之间无线信号的双路交换所使用的调制和多址接入(例如，FDMA、TDMA、CDMA或它们的混合)的方法是一样的。另一个期望是，MEO卫星轨道周期为一天的约数，这样它可以在指定的高峰业务期间重复运行在选定的服务区域。
当发射了更多的MEO卫星40时，来自不断扩展的用户群的越来越多的全球业务被MEO卫星所接管。最终，如果发射了足够多的MEO卫星，就无需GEO卫星10了。但是，在100％地点提供100％时间的覆盖所要求的MEO卫星40的数目要比放松这些百分比大得多，特别是当添加了二级标准时，例如移动站一卫星的仰角大于20度，或者为了提供分集接收从每个移动话机看到两个卫星的可能性占总时间的至少90％。
当已经发射了较多数目的MEO卫星时，如图3所示，在覆盖中还将存在一些在特定地点上一定时间内不能满足二级标准的“洞”。根据本发明，一个或多个同步卫星在这个阶段中继续工作以便填补这些洞，这样以最终较少数目的MEO卫星40来满足二级标准。
可以看到，最初发射的同步卫星10在三个不同的规划阶段中起了不同的作用阶段1同步卫星单独对有限的最初用户群提供服务。
阶段2在高峰业务期间同步卫星的容量被一个或多个MEO卫星所补充。
阶段3同步卫星“添入”有限的MEO卫星星座所提供覆盖中的洞。
为了在所有三个作用中有效地工作，同步卫星10应该包括某些特性。特别是，为了完成阶段3的任务，同步卫星应该能够通过电控或机械控制的天线波束或可切换的波束，将其容量指向急需的地区(例如，洞)。定向这样的容量的一个示范技术方案是使用一个相控阵卫星转发器，如Paul W.Dent在1994年1月11日提交的题为“具有改进的频率重用的蜂窝通信系统”(“A CelluarSatellite Communication System with Improved Frequency Reuse”)，U.S专利申请系列号No.08/179,953中所揭示的，该全文在这里结合作为参考。但是，另一个装置是所谓距阵功率放大器驱动的多波束抛物天线系统，如目前INMARSAT-III卫星上使用的，而且在Welti的U.S专利3,917,998中描述，该揭示也在这里结合作为参考。矩阵功率放大器装置既允许每个发射放大器的功率驱动一个有关的波束，也可以带有很大灵活性地、以每个信号为基础，收集几个功率放大器级的功率组成一个单个波束，如果那里确实是目前最需要容量的地方。
尽管已经根据前述的示范实施例描述了本发明，但是这些实施例都是为了在所有方面上说明其作用的，而不是为了限制本发明。例如，尽管前述的示范实施例只有一个同步卫星和多个中地球轨道卫星，但是也可提供两个或多个同步卫星。而且，尽管希望首先发射同步卫星以提供暂时的容量，但是也可以在同步卫星之前发射一个或多个中地球轨道卫星。本领域的技术人员将会很容易地理解本发明所重视的很多修正和改编，它们的范围是被所附的包括所有其等价物的权利要求所限定的。
权利要求
1.一个卫星通信系统包括至少一个同步卫星和至少一个中地球轨道卫星以提供到多个远端用户终端的无线通信，其中至少一个同步卫星在远端用户终端不能接入上述至少一个中地球轨道卫星中的一个的期间内提供到上述远端用户终端的无线通信。
2.一个卫星通信系统包括一个同步卫星，对多个远端用户终端提供无线通信服务，直到第一个中轨道卫星工作为止，其中上述第一个中轨道卫星在第一个中轨道卫星能工作之后补充上述同步卫星的无线通信服务。
3.根据权利要求2的系统，其中所述的第一个中轨道卫星被放置在每天的高峰时间覆盖至少一个高峰业务区域的位置上。
4.根据权利要求2的系统还包括多个附加的中轨道地球卫星，在所述第一个中轨道卫星开始工作之后开始工作，其中所述的同步卫星定向其容量，为根据中地球轨道卫星的业务和服务容量所确定的区域服务。
5.根据权利要求1的系统，其中所述的同步卫星后面连续跟随数目递增的中地球轨道卫星，上述同步卫星提供下述服务之一用户提供独立的服务，对用户的服务在高峰时间由至少一个中地球轨道卫星补充，以及对所述中地球轨道卫星提供的覆盖中的缺口提供服务。
6.根据权利要求5的系统，其中所述同步卫星提供的服务根据轨道上的中地球轨道卫星的数目来确定。
7.向多个终端单元提供无线通信的方法包括以下步骤发射一个卫星到同步轨道；在发射另外的卫星之前只使用上述同步卫星对上述多个终端单元提供无线通信服务；发射多个卫星到中地球轨道；并且使用上述同步卫星和上述多个中地球轨道卫星中至少一个提供无线通信服务。
8.权利要求7的方法中，其中所述第二个提供步骤还包括步骤使用所述多个中地球轨道卫星中至少一个提供无线通信服务，以补充所述同步卫星的所述服务直到预定数目的所述的中地球轨道卫星被发射，此后使用上述同步卫星提供无线通信服务，以补充上述中地球轨道卫星的服务。
9.一个带有不同的活动级别、对多个处于地面的终端服务的卫星通信系统包括被放置在从服务区域每天24小时都能看到的位置上的一个同步卫星；至少一个处于轨道上的亚同步卫星，其重复的地面轨迹被定时为在上述处于地面的终端的预期高峰活动时间内覆盖所述的服务区域。
10.权利要求9的通信系统还包括一个中心地面站，与可见的所述同步卫星和所述亚同步卫星通信，在公共交换电话和所述终端之间通过至少一个所述卫星中继信号。
11.权利要求10的通信系统还包括控制装置，将所述同步卫星的天线点波束导向暂时不能充分地被所述至少一个亚同步卫星服务的位置。
12.权利要求11的通信系统，其中所述控制装置是一个波束成形计算机。
13.权利要求12的通信系统，其中所述波束成形计算机处于所述中心站。
14.一个在便携无线终端和公共交换电话系统之间通过轨道卫星提供电话通信的通信系统包括至少一个包括一个电控天线的同步中继卫星；至少一个亚同步中继卫星；一个跟踪网络，跟踪所述卫星的瞬时位置并将信息反馈到通信网关站；至少一个通信网关站，连接到PSTN并与至少一个同步中继卫星通信，所述网关站包括控制装置，控制所述可控天线的波束所覆盖的区域；路由选择装置，在所述便携终端和PSTN之间、基于来自所述跟踪网络的信息、通过卫星和天线波束对信号路由选择。
全文摘要
揭示使用一个同步(GEO)和多个中地球轨道(MEO)卫星的组合的无线通信系统和方法。首先，发射一个同步卫星提供最初的系统容量。然后，连续将MEO卫星发射到位，使之在高峰业务时间替代GEO卫星的覆盖。最后，当足够数目的MEO卫星到位之后，GEO卫星可以提供补充的容量。
文档编号H04B7/195GK1155358SQ95194587
公开日1997年7月23日 申请日期1995年6月21日 优先权日1994年6月22日
发明者P·W·登特 申请人:艾利森公司