用于全球覆盖的双LEO卫星系统和方法与流程

本发明涉及卫星系统，并且更特别地，涉及提供用于通信应用的、具有全球覆盖的卫星系统和方法。

背景技术：

在各个层面上，人们对于全球无线通信有着巨大需求。对智能电话、平板电脑等的商业和个人需求，以及军事和航空应用的数量和种类都在持续增长。同样，对于日益增长的带宽的需求也在增加，因为顾客期望无论他们在哪里，无论他们是否在移动当中，都能够获取高带宽服务，例如视频会议、视频点播、广播和多媒体网络服务。

对于访问和带宽的需求不限于人口稠密区域。对于在农村和人口稀少区域提供与城市区域所享有的相同的通信服务访问，很多政府和通信部门已经表达了兴趣。即便没有这样的监管压力，通信系统提供商也意识到了目前世界上的很多未提供服务的地区的巨大市场，以及巨大市场展现给他们的商机。卫星通信系统能够为遥远区域提供宽带服务，但是它们具有高成本。因此，人们对高效且成本有益的卫星系统存在浓厚的兴趣。

卫星系统可以基于它们使用的轨道大致分为四组：对地静止轨道(geo)、高椭圆轨道(heo)、中地球轨道(meo)和近地轨道(leo)。

geo卫星看上去在空中是不动的，向卫星提供对地球表面上的给定区域的持续观测。不幸的是，只能通过使卫星处于地球赤道(0°纬度)的正上方来获得这样的轨道，周期与地球自转周期相等，并且这需要35,789km的海拔高度。尽管这样的轨道在很多应用中是有用的，但是它们在覆盖高纬度方面是非常糟糕的，对于可靠的移动通信来说，70°纬度以上就不那么有用了。由于卫星的仰角(仰角是指地面上的用户与卫星之间的从地平线测量的视线角)随纬度增加而下降，geo通信卫星链路变得不可靠或者失效。同样，geo卫星具有潜伏期问题，即，随着信号在基于地面的设备和轨道中的卫星之间来回传送，它们引起数据传输中相当大的时延。由于距离地球更远，它们还需要与其他卫星系统相比更高功率的通信部件和更大的天线。更高的功率要求和更大的天线导致卫星成本和卫星质量的增加，并且更高的轨道高度增加了将卫星发射到该轨道的成本。

heo卫星能够提供比geo卫星更好的高纬度覆盖，但是它们有其他缺点。在heo轨道中，轨道的焦点之一是地球的中心，卫星的速度是与该焦点的距离的减函数。就是说，heo卫星在其轨道的一部分中(近地点)靠近地球行进，这将会使其在那时非常快地行进，而在轨道的另一端(远地点)，其将非常慢地行进。因而，轨道被设计为，卫星在感兴趣的区域的上方相对慢速移动，而在不感兴趣的区域的上方快速移动。然而，一些heo轨道经过范艾伦带(vanallenbelts)，这将使它们暴露于高水平的辐射，缩短卫星的寿命。而且，heo卫星的远地点距地球的距离与geo卫星大致相同，从而会引起类似的潜伏期问题。

meo卫星遵循leo和geo星座之间的圆形轨道。尽管有多种定义，但是通常认为meo轨道是位于3,000千米至35,000千米之间的海拔高度。尽管meo星座能够在较高纬度提供比geo卫星更好的覆盖并且具有更短的信号潜伏期，但是可能需要大量的meo卫星来提供全世界范围的覆盖。因为它们比leo卫星更高的海拔高度，meo卫星必须具有比leo卫星更高功率的通信系统和更大的天线，以克服更长的信号路径长度。o3b网络有限公司拥有在8,000千米海拔高度、围绕赤道的meo轨道中的12颗互联网卫星的星座。但是，因为这些卫星部署在赤道轨道上，它们在高于北纬45度或南纬45度地区的通信方面是低效的。全球定位系统(gps)是使用大约20,200千米海拔高度的44颗卫星的meo系统，方便地产生12小时的轨道周期。gps星座倾斜55度，因此其在极点附近有着比o3b系统更好的覆盖，但其性能确实随着一颗卫星接近极点而变差。

leo卫星位于小于2,000千米的低海拔高度处的圆形轨道上。leo卫星的星座能够提供连续的全世界范围的覆盖，但是这需要很多的卫星，因为每颗卫星在相对短的时间内处于一给定地区的上方。因为它们较低的对地距离，所以由信号必须传送的距离所引起的潜伏期、时延小于所有其他轨道。leo的潜伏期大约是40毫秒，而geo的潜伏期是250毫秒。潜伏期在宽带互联网通信方面是日益重要的因素。

不存在可操作的宽带leo卫星系统，尽管已经提出了一些，例如，美国专利us9391702(wyler)和美国专利公开us2017/0005719(krebs)中描述的卫星系统。由于这些系统的设计方式，它们是非常昂贵的。例如，krebs的系统需要841至1218颗卫星(见us2017/0005719的第0040段)，而wyler的系统需要1250颗卫星(见us9391702的第5栏第24行)。而且，如果有人想增加krebs和wyler系统上可用的信道数量，则必然带来非常大且昂贵的增量，一次增加几百颗新的卫星(即，从根本上说，需要将平面的数量翻倍，或者增加与初始星座相同数量的一组卫星)。

因此，针对于提高全球覆盖，特别是宽带通信应用，需要一种改进的卫星系统和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改进的卫星系统和方法，以提供全球性的通信覆盖，其缓解了上述问题。

已经发现了提供全球宽带连接性的有利的方法，其使用两个不同的leo星座，每个星座中的卫星之间有星际链路，两个leo星座之间也有星际链路。第一星座部署为极地leo星座，具有优选为99.5度的倾斜度以及优选为1000km的海拔高度。第二星座部署为倾斜的leo星座，具有优选为37.4度的倾斜度以及优选为1250km的海拔高度。在该星座中，卫星分布在赤道和中纬度地区的上方，并且能以最小10度的仰角提供北纬50度至南纬50度之间的覆盖。

极地leo星座和倾斜的leo星座作为混合星座在一起工作，以获得真正的全球覆盖，具有大约20度的最小仰角，比位于相似海拔高度的单个leo星座需要更少的卫星。例如，仅使用如上所述的极地leo星座，将需要168颗卫星来以最小20度的仰角提供全球覆盖。相比，本发明的混合星座仅需要117颗卫星。大约20度的最小仰角是优选的，因为这允许在用户终端处使用电子扫描阵列天线。其提高了链路的质量和效率，因为用户和卫星之间的距离较小(具有较高的仰角)，并且信号遭受较少的大气衰减——较高频率(例如，ka带)时的重要因素。附加的卫星可逐渐添加，可以随着要求增加，带来与链路健壮性的增加相对应的更好的视角。

法规要求规定，ngso(非对地静止卫星轨道)卫星不能引起对geo卫星的干扰，也不能要求来自geo卫星的保护。这里描述的极地leo星座和倾斜的leo星座在一起工作，以避免对geo卫星的干扰。通过仅在超过leo卫星与一给定geo卫星之间的最小辨别角(在geo用户终端处测量)时连接至用户终端，本发明的极地leo星座和倾斜的leo星座避免与geo卫星的干扰。基于itu所确定的不可接受的干扰水平来计算辨别角。在赤道地区和中纬度的上方，leo卫星更需要避免与geo卫星发生干扰。用于避免干扰的缓解技术是将leo用户终端切换到备选leo卫星，该leo卫星与geo卫星之间具有大于所述辨别角的角距。凭借极地轨道和倾斜轨道的组合，存在合适的备选leo卫星的可能性更大。

本发明的极地leo星座中的通信卫星在较高纬度将具有过剩的容量，因为它们的轨道平面更加靠近并且用户流量需求较低。极地leo星座在较高纬度地区过剩的容量用于将用户流量从leo星座经由isl(星际链路)转移到位于北方的网关，以连接至现有的陆地网络。需要非常少量的北方网关站点(通常是两个)，因为网关站点能够连接至一个以上的平面中的卫星(见图1)。

用户在正常情况下通过卫星上的高容量、窄的可操纵(steerable)波束之一连接至卫星系统。通过使用窄的可操纵波束，卫星的功率和带宽方面的资源可以集中在市场所在地区。人们已经了解，大陆仅占地球表面的大约30％，而且，多数人口仅居住在表面地区的6％。因此，在全部时间内提供对地球表面100％范围的宽带覆盖，正如很多现有技术系统尝试获得的，这不是对资源的有效利用。为了确保所有用户在位于没有较窄的、高容量可操纵波束服务的任何区域都能够监测并且获得对卫星网络的访问，每颗卫星将使用广域覆盖波束来对卫星的整个视场服务。广域覆盖波束(具有比窄的可操纵波束更低的容量)允许更健壮的网络管理和用户对高容量波束覆盖的按需需求。也就是说，在窄的高容量波束当前没有服务的区域中的用户终端能够经由广域覆盖波束与卫星联系，并经由较高带宽的、窄的可操纵波束来请求对卫星的访问。连续覆盖整个地球的广域覆盖波束还允许广播类型的服务，例如，向用户终端推送ip内容，以及软件分布。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于全球通信的卫星系统，包括：极地leo(低地球轨道)星座中的第一组卫星；倾斜的leo星座中的第二组卫星；用于向所述第一组卫星和所述第二组卫星发送信号并且从所述第一组卫星和所述第二组卫星接收信号的用户终端；以及用于向所述第一组卫星和所述第二组卫星发送信号并且从所述第一组卫星和所述第二组卫星接收信号的网关；所述第一组卫星和所述第二组卫星中的每颗卫星均具有相对于同一星座中的卫星以及另一星座中的卫星的isl(星际链路)功能。

在本发明的另一实施例中，提供了一种卫星通信系统，包括：leo(低地球轨道)星座中的一组卫星；用于向该组卫星发送信号并且从该组卫星接收信号的用户终端；用于向该组卫星发送信号并且从该组卫星接收信号的网关；该组卫星中的每颗卫星能够操作为：经由广域覆盖波束发送和接收信号；从所述用户终端接收对高容量波束覆盖的请求；以及通过将所述用户终端切换到指向发出请求的用户终端下方的、较高带宽的、窄的可操纵波束，对从所述用户终端接收对高容量波束覆盖的请求作出响应。

在本发明的又一实施例中，提供了一种用于全球通信卫星系统的操作方法，包括：发射极地leo(低地球轨道)星座中的第一组卫星；发射倾斜的leo星座中的第二组卫星；使用用户终端，向所述第一组卫星或所述第二组卫星中的第一卫星发送通信数据；使用isl(星际链路)，将所述通信数据从所述第一卫星传送到所述第一组卫星或所述第二组卫星中的第二卫星；以及将所述通信数据从所述第二卫星发送到极地网关。

在本发明其他实施例中，提供了一种用于卫星通信系统的操作方法，包括：发射leo(低地球轨道)星座中的一组卫星；使用用户终端，向该组卫星发送信号并且从该组卫星接收信号；使用网关，向该组卫星发送信号并且从该组卫星接收信号；该组卫星中的至少一颗卫星：经由广域覆盖波束发送和接收信号；从所述用户终端接收对高容量波束覆盖的请求；以及通过将所述用户终端切换到指向发出请求的用户终端下方的、较高带宽的、窄的可操纵波束，对从所述用户终端接收对高容量波束覆盖的请求作出响应。

通过阅读以下的具体描述同时参照附图，本发明的其他方面和特征对于本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

参照附图，本发明的这些和其他特征将通过下文的描述变得更加显而易见，其中：

图1示出了6个平面中的12颗卫星的极地leo星座的简化示意。

图2示出了5个平面中的9颗卫星的倾斜leo星座的简化示意。

图3示出了系统模拟的结果，显示了对于组合的leo轨道，时间百分比(最小仰角为20度)在0至90度的纬度(北纬和南纬)之间均得到满足。

图4示出了针对墨西哥的一个用户终端的示例性的示意图，该用户终端经由本发明的混合leo系统连接至地面网络。

图5示出了示例性的示意图，表明如何避免对geo卫星的干扰。

图6示出了用于执行本发明的示意性网络架构。

图7示出了发射载体的示例性有效载荷管理。

图8示出了实施本发明的示例性方法的流程。

图9示出了本发明实施例中的示例性网关的框图。

图10示出了本发明实施例中的示例性卫星的框图。

相似的附图标记在不同的图中用于表示相似的部件。

具体实施方式

本发明的leo混合星座由两个相互支持的星座组成：极地leo星座和倾斜的leo星座。具有大约20度的最小仰角的、完整的全球宽带通信覆盖由总共117颗卫星提供：72颗在所述极地leo星座中，45颗在所述倾斜的leo星座中。与提出的其他leo系统不同，对地球上任意点的初始服务能够以少得多的卫星数量开始，72颗卫星的极地星座的完成，以大约12度的最小仰角提供全球覆盖。接着发射45颗卫星的倾斜星座，这将最小仰角增加到大约20度。

在优选实施例中，极地leo星座(见图1)以下列参数部署：

·72颗卫星的星座，加上备用卫星

·6个平面中的每个平面中有12颗卫星，这些平面的间隔相等(即，相邻的平面之间是30度)

·平面倾斜99.5度

·轨道的海拔高度是1000km

通过向每个平面添加个体的卫星或者添加附加的平面，并且接着调整卫星在星座中的位置，实现72颗卫星的星座的增长，以再次达到针对覆盖的优化分布。

在优选实施例中，倾斜的leo星座(见图2)以下列参数部署：

·45颗卫星的星座，加上备用卫星

·5个平面中的每个平面中有9颗卫星，这些平面的间隔相等(即，相邻的平面之间是36度)

·平面倾斜37.4度

·轨道的海拔高度是1250km

通过向每个平面添加个体的卫星或者添加附加的平面，并且接着调整卫星在星座中的位置，实现45颗卫星的星座的增长，以再次达到针对覆盖的优化分布。因为市场集中于倾斜的leo星座的覆盖区域内，人们与其向极地leo星座添加卫星，不如通过向倾斜的leo星座添加卫星(向每个平面添加个体的卫星，或者添加附加的平面)来更加有效地增加容量以满足增长的市场。

通过向每个平面添加一备用卫星，每颗卫星上的冗余度可以减小，成本降低的益处和所需的系统可用性被保持。这个附加的卫星是可操作的，并且一个平面内的所有卫星的间隔相等，增加了整体系统容量。如果有卫星失效，则通过将平面内其余卫星重定相位(rephase)以使它们间隔相等，使得正常情况下由失效卫星所提供的覆盖上的损失被快速替换。已经计算出重定相位的时间大约是一天，需要3％的附加的太空站维持燃料。

为了满足增长的市场需求，可以针对极地leo星座或者倾斜的leo星座，向每个平面添加卫星或者添加附加的平面。例如，通过将每个平面内的卫星数量增加1(总共11颗附加的卫星)，系统容量将增加大约9％。在另一示例中，通过在倾斜leo星座的5个初始平面之间添加5个平面(总共45颗附加的卫星)，倾斜星座的容量翻倍，且达到了更大的冗余。相似地，通过将72颗附加的卫星发射到初始极地星座的6个平面之间的6个平面中，极地星座的容量翻倍。通过利用这种新技术将卫星放在所添加的平面中，平面的数量翻倍也提供了无缝过渡到下一代的机会。对尚未与新技术兼容的用户终端的服务不会受到影响，因为这些用户终端将继续连接至初始平面中的卫星。与现有技术系统的大增量相比，以45颗卫星的增量增加网络的容量是明显成本有效的。

除了标准的太空站维持元件和功率元件，两个星座中的卫星还具有执行信号再生和ip流量路由的机载处理器。卫星还使用星际链路(isl)连接至一星座内的相邻卫星，还连接至另一星座中的卫星。这提供了连接性方面的最大灵活性，因为每颗卫星都成为路由器，与视线内的其他卫星完全互连。因此，链路性能比现有的系统有所提高，并且容量也有所增加。卫星还可以具有“存储和转发”功能，当与目标卫星的通信或网关无法实现时，允许卫星存储数据。接着，当可以通信时，存储的数据可被传递。卫星还可以装载有效载荷(例如，天气监测设备)，但是通信是系统的主要关注点。

通过位于北方的两个现有的网关站点(在加拿大的伊努维克，以及挪威的斯瓦尔巴)，本发明的混合leo网络可以连接至陆地网络。根据流量需求或者为了满足国家性法规要求，可以添加世界上其他地方的其他网关站点。如上所述并且如图1所示，极地leo星座的平面在极地处聚集，带来高程度的可用性和过剩的带宽，使得混合星座能够高效地连接至陆地网络。本发明的系统还通过以下内容来缓解卫星的低效能：

·使卫星通信和其他服务对北方的飞行路线有效；

·调整卫星相位，以使卫星聚集的程度最小化；即，调整平面的相对相位，使得来自每个平面的卫星不会在同一时间到达最北方的点；以及

·在极地地区使用停机时间作为电池充电时间，降低swap(卫星的尺寸、重量和功率要求)。

用户通过卫星的可操纵波束(每个具有大约170km的直径，优选地由设定相位的阵列天线产生)之一连接到混合leo网络。以此方式可以服务广阔市场，包括航空移动通信、大的固定企业和社区宽带。

还存在独立的广域覆盖能力，其覆盖卫星的整个视场，使得leo网络在100％的时间内提供全球覆盖。这些应用包括向用户终端推送互联网内容、软件更新的广播，以及物联网。

在所有卫星上提供星际链路(isl)功能。模拟显示，使用当前的isl技术，极地星座和倾斜星座中的卫星之间的isl跟踪是可行的。针对isl设备的仰角改变率小于0.05度每秒，方位角的改变率小于0.2度每秒。isl的使用将所需的网关数量减少到2个(位于伊努维克和斯瓦尔巴)，因为卫星最起码能够使用卫星到卫星的通信来访问陆地网络，以到达极地leo星座中的某一卫星，并且从那里到达北方网关。所有卫星上均具有isl，可选地允许点对任意点的通信，而无需数据经过网关或陆地网络，以用于有需求的用户(例如，军队)。

所有卫星上均具有isl还允许系统托管极地leo星座或倾斜leo星座中的客户端卫星。作为主机的卫星，例如，装备有可兼容的isl性能的地球观测卫星可以连接到isl网络，并且使其数据实时传送至选出的目的地。这避免了时延和拥塞，所述时延和拥塞由仅当卫星处于其中一个网关的视野中时才将数据向下链路而引起。极地leo星座对于电光和红外成像卫星来说是特别有用的。

系统设计允许用户终端的最小仰角是20度。这是为了允许在用户终端处的电子扫描天线，并且为了改进卫星视场的边缘的链路设计。电子扫描天线在物理上基本是平的固态天线，能够进行电子操纵。因此，用户终端能够跟踪leo卫星，不必在物理上移动并将天线瞄准，而这是传统的碟形天线所需要的。图3示出了模拟的结果，其表明本发明的混合leo星座提供了在几乎100％的时间内，在全球范围内对至少一颗卫星的最小20度仰角的访问。

卫星天线包括窄的可操纵波束，其将卫星的功率和带宽资源集中在所选的市场区域。附加的广域覆盖性能以20度仰角为整个视场服务。为此，卫星具有宽的固定波束，该波束具有大约108度的波束宽度，直接指向卫星下方(最低点指向)，能够将卫星视场覆盖到20度仰角，使得整个地球在100％的时间内被覆盖。当用户终端请求高容量连接并提供其位置(即，gps坐标)时，可以命令卫星来操纵用户终端方向上的高容量窄波束。这允许本发明的系统覆盖大的、人口稀少的区域，且并不消耗从未被使用的大量资源。可操纵波束还允许波束的“堆叠”，即，操纵一个以上的波束来覆盖一地区，提供附加的功率和带宽以满足特别大的需求量。还有卫星天线提供到达网关的链路，在这种情况下是v带。当然，任何合适的频带都可以使用。

本发明的系统和方法还可以很容易地适应军用ka带性能的添加；这将对卫星有效载荷具有最小的影响，因为频谱邻近商用ka带。对于高容量、有弹性的军事通信有着快速增长的需求。leo星座天然是有弹性的，因为其由大量卫星组成，使对手很难破坏网络。由于具备isl，而isl允许网络连接任意两点且不必使数据经过陆地网络，因此弹性进一步增加。相反，geo星座由少量卫星组成(大约3至5颗)，并且失去任何一颗卫星将引起世界大部分地区长期的服务中断。

本发明的系统的预期市场是需要无线宽带服务的任何实体。尽管系统提供了世界范围的覆盖，但特定用户可能只需要对特定地区的远程访问。市场可以包括，例如：

·大用户，其可能需要中继或vsat；

·海事通信；

·航空通信；

·宽带连接(社区聚集、wifi热点)；

·蜂窝回传；

·向用户终端推送互联网内容；和/或

·物联网。

星际链路(isl)

本发明的重要方面是在混合星座的所有卫星之间包括isl。因为其通过经由极地leo卫星向主要的北方网关(例如，伊努维克和斯瓦尔巴)传递流量而减少了所需的网关的最小数量，isl提高了系统的灵活性和容量。当然，当受到流量的支配或国家法规的要求时，可以使用或添加地区性网关。因此，系统：

·允许支持没有网关的地区的市场，例如由于距离遥远或监管要求；

·允许从一个起始国家通过单颗卫星网络而到任何其他国家的全球连接；并且

·允许提供多种类型的服务。

还有，在所有卫星之间具有完全的isl通信，这允许本发明的系统托管任何平面中的客户端卫星，只要卫星配备有可兼容的isl硬件和适宜的路由软件。

为使isl的益处最大化，需要与网关的大容量馈线链路。因此，具有较大的可用带宽的v带是优选的。

可以使用射频isl(rfisl)，但光学isl是优选的，因为其能够以更低的质量(mass)和功率要求来支持更高的数据率。关于指向、捕获与跟踪的问题是设计光学isl系统的考虑方面，但对于leo到leo的系统，这些已经解决。

有三个特别的isl情况，必须在本发明的系统中考虑：

·平面内的连接性(前和后)；

·同一星座内的平面间的连接性(左和右)；以及

·星座间的连接性(极地leo星座和倾斜的leo星座之间)。

平面内的连接性(前和后)很容易执行，因为卫星以同一速度在同一方向上移动。同一星座内的平面间的连接性(左和右)对于倾斜的轨道是很明了的，因为尽管卫星在不同平面上，但它们仍然以同一速度在同一方向上移动。跨过极地星座缝隙的平面间的连接性(左和右)是非常难的，并且仅凭一极地星座，必然会通过将数据跨过很多极地平面进行传递而避开缝隙，这增加了时延和流量负担。如下所述，可以通过将通信内容发送经过倾斜的星座而绕开极地星座的缝隙，而不是跨过极地星座的缝隙。最后，星座间的连接性的确需要卫星彼此定位和跟踪，但是处理该问题的技术是存在的。

确定数据经由具有isl的卫星在用户终端与网关(具有陆地ip网络连接)之间传送的最优路径，或者确定数据经由具有isl的卫星在两个用户终端之间传送(不经过网关)的最佳路径，可以通过每颗卫星的机载ip路由器实现。针对切换、容量/载荷管理、路由管理、载荷平衡等方面的ip路由器算法是公知的，并且将在卫星网络上运行，运行的方式与它们在ip路由器的任何其他通信网络上的运行方式相同。物理层是卫星网络，这并不影响ip数据通信(即，通信层)。ip数据将被送至一极地leo卫星，如果这是该数据到达连接至陆地ip网络的网关最有效的路径的话。

本发明的系统不存在类似铱星星座系统的“缝隙”问题，因为数据和通信流量可以在极地星座的卫星和倾斜星座的卫星之间进行路由送。在技术上，本发明的极地星座中存在缝隙，但是路由软件可以通过将流量经过倾斜的星座发送而越过缝隙。路由软件知晓所有可能的isl连接和路径。如果两颗卫星相对于彼此移动得太快(这是缝隙问题的根本)，则路由软件将不会让该连接可用并且会简单地选择另一路径。因此，凭借使用两个星座，以及两个星座的所有卫星之间的isl，不会有“缝隙”问题。

还有，已知的在现有网络上管理数据和通信流量的方法可以同样地应用于本发明的卫星网络。数据可以被划分优先级，使得使用更直接的连接满足来实时需求，通常具有向用户收取的较高的费用。相反，需求不那么紧急的用户的数据可能经过更慢的信道发送，费用较低。还可以使用其他的成本、权重、优先级、时间安排和载荷管理模型。

例如，如果墨西哥城的用户410希望访问互联网，他们与系统的无线连接通常连接到倾斜的leo星座中的卫星420，如图4所示。连接到倾斜leo星座中的卫星420的第一链路将会处于ka带。该卫星420接着经由isl连接到北方的极地leo卫星430，极地leo卫星430具有与网关440通信的能力。极地leo卫星430接着使用v带馈线链路连接到位于伊努维克的网关440。伊努维克网关440具有陆地光纤连接，为用户410提供宽带因特网接入。

避免与geo干扰

如上所述，ngso(非对地静止轨道)卫星不能引起对gso(对地静止轨道)卫星的干扰，也不能要求来自gso卫星的保护。itu第22条必须遵守，以确保与对地静止卫星轨道(gso)网络的共存，满足epfd(有效功率流密度)限值。

已经基于有效功率流密度(epfd)限值计算了辨别角。如图5所示的辨别角510定义为，在geo用户终端540处所测量的、geo卫星520与leo卫星530之间的夹角。当传输的信号落在geo用户天线的波束内时，leo卫星530将与geo用户终端540干扰。这在leo用户终端550与geo用户终端540在地理上靠近并且leo卫星530与geo卫星520之间是小角距时就会发生。辨别角510被计算为，一leo卫星与一geo卫星分开的角度大于辨别角的值，就不会引起对geo终端的不可接受的干扰。不可接受的干扰的水平由itu定义的有效功率流密度限值确定。本发明的卫星星座由与星座中的所有卫星持续通信的网络管理系统(未示出)集中管理。nms具有表格，所述表格包含所有geo卫星的位置和工作频率以及geo终端的位置，要么是已知的，要么是做了最坏情况的假设。凭借该geo数据再加上对leo星座的详细了解，nms能够提前几小时甚至几天预测对geo网络潜在的干扰情况。将用户终端切换至备选leo卫星(该备选leo卫星与geo卫星之间具有大于辨别角的角距)的这种干扰缓解技术能够提前计划并且有效地执行，并不中断对用户的服务。因为本发明使用极地leo轨道和倾斜leo轨道的组合，所以大概率会存在可用的合适的备选leo卫星。

对于广域覆盖波束(其没有被操纵)，与geo地面站的干扰可能性和干扰程度还可以通过以下技术中的一种或多种来降低：

·使用ka带中的在geo系统中不那么常用的部分频率；

·使用扩展频谱调制技术将信号在明显更大的带宽上展开，通过将功率流密度降至低于itu所设的限值，避免了干扰；

·随着星座扩展到满足市场增长，广域覆盖波束在赤道地区的冗余覆盖将意味着用户可以被切换到非干扰卫星；和/或

·可以操纵固定的广域覆盖卫星波束，以通过改变卫星的姿势(即，体操纵)来避免与geo网络的干扰。

因为这是可预测的、确定性的情形，所以可以执行严格的计算，并且这些缓解技术提前计划。

其他的示例性实施例：

上文已经描述了本发明的优选实施例，但是对本领域技术人员来说清楚的是，可以修改系统的参数且仍然提供几乎相同的结果。对于这种修改的考虑包括以下内容：

倾斜度：倾斜度是卫星的轨道平面与经过地球赤道的平面之间的角。极地leo卫星可以定义为这样一颗卫星，其倾斜度是可以获得全球覆盖的，要么是连续覆盖，就像本发明的实施例那样，要么是在一定时期内，例如单个平面中的单颗卫星，通常用于地球观测应用而不是通信。极地leo轨道的倾斜度范围大约是80度到100度。极地leo卫星的优选倾斜度是99.5度。倾斜的leo卫星的倾斜度由卫星星座将要服务的区域确定。对于本申请的优选实施例，已经选择了37.4度，因为具有该倾斜度的星座可以覆盖集中在北纬50度至南纬50度之间的市场。然而，在面对不同市场区域的一些实施例中，倾斜度可以在5度到75度之间的范围。

卫星的平面/数量：出于多种原因，在同一轨道平面中具有多颗卫星是优选的实施方式。除了简化轨道与地面站的协调，还允许从单个发射载体上发射多颗卫星，或者针对冗余度和/或提高的性能而增加同一平面中的卫星数量。平面的数量和平面内的卫星数量可以改变，并且仍然满足设计目的，例如，极地leo轨道的全球覆盖。该目的可以通过6个平面中的每个有11颗卫星，9个平面中的每个有8颗卫星，或者在优选的方式中，6个平面中的每个有12颗卫星来达到。该因素对于倾斜的leo轨道也类似，其中优选的实施方式是5个平面中有9颗卫星。一个变型的示例是6个平面中有8颗卫星。确定最优星座要考虑的因素有，例如，获得的最小仰角、冗余度水平，以及部署的相对容易程度，同时仍然满足覆盖目的。理想的是，在一颗卫星失效的情况下，将附加的冗余卫星发射到相同的平面中。在相同的平面中具有冗余卫星，这使得易于将它放在正确的位置并且在需要时启用它。这类冗余度随着平面的增加而更加难以获得。

在开发本发明的系统时，最初假设可以找到一个轨道策略(极地、倾斜的、巴拉德玫瑰花结(ballardrosette)等)，但情况不是这样。而且，甚至当确定极地星座和倾斜星座的组合是全球通信系统最好的方案时，对于倾斜度、平面数量和卫星数量的最优值(即，6个平面中的72颗卫星的极地leo星座，99.5度的倾斜度，1000km的海拔高度，以及5个平面中的45颗卫星的倾斜的leo星座，37.4度的倾斜度，1250km的海拔高度)也不是可预计的。也就是说，本发明的开发不是简单的一个星座克服另一个的缺点。而且，当这些值被处理，还发现这些处理的结果也是不可预计的。例如，发现了：

1.向极地星座添加另一平面不会显著提高最小仰角；

2.增加倾斜星座的倾斜角不会在不添加更多卫星的情况下提高最小仰角；

3.向现有的极地平面添加更多的卫星不会带来很大的益处。

离心率：离心率是轨道的椭圆路径的形状，其决定了远地点(最高的海拔高度)和近地点(最低的海拔高度)的高度。通过定义，所有leo轨道是圆形的，因此它们的离心率是0。

海拔高度：leo卫星的海拔高度被大气阻力限制在低端，这在高度小于800km时发生并且采用附加的太空站维持燃料来克服。最大海拔高度是大约1400km，因为在此之上，辐射水平增加，对卫星寿命有负面影响。另一因素是空间残骸，这对于leo轨道在800km至1000km之间有更高的集中度因此碰撞的可能性更大。如上所述，极地leo卫星部署在优选为1000km海拔高度处的轨道，而倾斜的leo卫星部署在优选为1250km海拔高度处的轨道。

近地点的幅角：近地点的幅角是椭圆轨道的另一参数，描述了椭圆轨道相对于地球的赤道平面的方位。因为所有leo轨道被定义为圆形的，所以该参数是不相关的。

升交点的经度：简单来说，升交点的经度描述了轨道平面在哪里经过地球的赤道。升交点的经度成为指定轨道的因素，例如，使相邻的平面中的卫星彼此偏移以优化星座的覆盖程度。如上所述，优选的是，本发明的轨道平面简单地均匀分布，以提供对地球的最优覆盖。但是，轨道平面可以以某些其他方式间隔开。

轨道周期：轨道周期由卫星的海拔高度确定，该周期在leo卫星的情况下是1.5小时至2小时的量级。当设计leo轨道时，周期由海拔高度确定，如上所述，该海拔高度可以在800km至1400km之间变化。

轨道控制：由于地球的扁率、太阳和月亮的引力，以及太阳辐射压，本发明的卫星星座的上述轨道参数随时间改变。这些可以由卫星的机载推进系统进行补偿。这在下文进行描述。

网关和用户终端：如图6所示，系统包括基于地面的通信网络620，该通信网络由用户终端、具有通信功能的leo卫星630以及至少一个网关610组成。网关610被要求从leo卫星630获得数据并实现遥测、跟踪与控制(ttc)。将会使用方向性天线，因为它们有更高的效率，要求网关610跟踪经过天空的leo卫星630。跟踪技术是本领域公知的。当卫星在空中移动时，从一个卫星到下一卫星的切换将不会要求针对用户的互动。可以使用已知技术来影响切换。类似地，用户终端620必须获取并跟踪某一卫星并且完成在卫星间的切换。

可以使用标准的卫星通信频带，包括：l带(1-3ghz)、x带(大约7-8ghz)、ku带(大约11-15ghz)和ka带(大约17-31ghz)。还使用了误差修正、编码和丢失/损坏包的重传。

如上所述，本发明的系统提供了相对于现有的卫星星座系统在以下方面的优点：解决了“缝隙”问题，在极地地区利用额外的通信资源，将功率和带宽分配到目标市场，以及容量可以随着添加相对少量的卫星而逐渐增加。本系统的其他优点至少包括以下内容：

·与其他方法相比，以较少数量的卫星提供了完整的世界范围的覆盖；

·不需要geo或meo卫星，因此，没有与潜伏期、功率要求、天线尺寸以及槽糕的极地覆盖(与geo和一些meo星座相关)相伴随的问题；

·牢固的、用户终端到用户终端的直接连接，而没有数据经过网关或经过中间的陆地网络(这在本发明的背景技术中提到的krebs系统中的情况)；以及

·不需要heo卫星，因此，没有与潜伏期相伴随的问题，就像一些heo星座暴露于范艾伦带。

关于第一子弹点，“leo:roarorwhimper；lowearthorbitbroadbandconstellations:technicalandeconomictruths”icg指出，极地星座中650颗卫星的卫星互联网络(teledesic)系统在任意一个时刻将有大约15颗卫星服务非洲(星座的2.3％)。相反，本发明的极地星座(尽管仅具有72颗卫星，但使用可操纵的波束)将在任意一个时刻提供平均12.1颗(星座的16.9％)，至少9颗卫星(星座的12.5％)服务非洲。当然，本发明的极地星座和倾斜的星座的组合将提供更好的覆盖。

轨道控制

由于地球的扁率、太阳和月亮的引力，以及太阳辐射压，本发明的卫星星座的上述轨道参数随时间改变。这些可以通过使用卫星的机载推进系统执行周期性的轨道修正操控(manoeuvre)(即，“太空站维持”操控)来补偿。

每次轨道修正的程度将由“delta-v”(“delta-v”仅仅是针对速度改变的航空航天术语)操控的推力和持续时间决定。因为较长的操控不那么有效，所以优选的是执行频繁的、短时的操控，而不是低频次的、长时的操控。对于装配了化学(二元推进剂)推进系统的卫星，可获得的推力将大到在操控之间足以容许几天甚至几周的时间。对于使用高效、低推力的离子推动器的卫星，操控可以在每次轨道公转过程中执行。

计算机软件系统可用于管理其他卫星飞行系统，并且可以简单地修改计算机软件系统来适应这里描述的轨道。

图7展示了针对发射载体(未示出)的示例性有效载荷900的截面图，该发射载体包含三颗卫星630。更多的卫星也是可以的，这取决于卫星的质量和发射载体的性能。对于本发明的系统，每个发射载体25颗卫星是实际的数量。发射载体将包括足够数量的具有足够容量的推进级，以将卫星630运载到所需轨道中，或者运载到卫星630可以到达它们操作轨道的位置中(即，两个推进级、三个推进级，等等)。发射载体可以将多颗卫星630运载到低空停泊轨道。低空停泊轨道关于操作轨道围绕地球旋转，称为微分节点回归，并且在一最优点，卫星630可以将其自身推进到操作轨道。可替换地，发射载体可以将卫星630直接发射到它们的操作轨道。

正如将要参照图10所描述的，每颗卫星630将包括通信系统、控制系统和推进系统。无论使用什么配置的发射载体，这些系统允许卫星630与网关610通信，并将它们自身定位到它们最终的操作轨道中，且定位到它们在星座中的正确位置。

卫星启用和服役：

参照图8，一旦卫星星座已经通过发射载体发射1010，则卫星630可以被启用，并且执行基本系统的服役/测试过程1020。所述服役/测试过程可以包括：部署天线并使卫星630旋转(使得卫星朝向合适的方向)、部署太阳能板、对处理器和电子系统供能、启动软件系统，以及验证所有基本系统和子系统的操作。将故障排除和/或累积测量的执行作为所述过程的一部分也是必须的。

一旦基本系统和子系统已经被启用并且它们的操作已经被验证，则卫星630可以转到它们的最终轨道位置中1030。如上所述，这可以包括卫星630简单地将其自身推进到正确的节点间隔，如果它们被发射到了同一操作轨道的话。可替换地，如果卫星630被发射到了停泊轨道，则可以要求它们消耗明显更大量的燃料，以将其自身推进到它们的操作轨道中并具有节点间隔。

凭借卫星630现在已处于其最终轨道位置，有效载荷可以被启用、服役和测试1040。这将以与上述的卫星的基本系统的启用、测试和服役非常相同的方式完成，即，部署任何必须的天线或传感器、对处理器和电子系统供能、启动软件系统，以及验证所有有效载荷系统和子系统的操作。当然，还可以执行故障排除和/或累积测量，作为所述过程的一部分。

卫星630现在处于操作模式。有效载荷的操作将完全由有效载荷的本质决定。

在所有的卫星系统和有效载荷是可操作的情况下，仅需要关心将卫星630的位置维持在感兴趣的轨道1050。这可以按照前文“轨道控制”标题下所描述的方式发生。卫星位置信息可以由卫星630、网关610或一些其他控制中心确定。通常，卫星位置信息可以从全球定位系统(gps)数据和/或其他卫星遥测来计算。

可选地，某些系统和子系统可以在卫星在轨道上运行的过程中停用，以便例如节省功率或保护仪器。例如，通信有效载荷只有在对用户所在的地球部分进行服务时是启用的。在其他时间，理想的是将有效载荷系统停用，当其再次进入感兴趣的地区时重新启用。理想的是一直保持基本卫星子系统是可操作的，使其可以持续接收和发送与其健康、状态和控制相关的数据。同样理想的是在这些沉寂时期对卫星的电池再充电。

网关设计：

图9示出了用于与卫星630通信的示例性网关系统1100的简化框图。通信信号可以包括操作/控制信号以及与有效载荷相关的信号。在科学有效载荷的情况下，与有效载荷相关的信号可以包括发送给仪器的控制信号，以及接收自该仪器的观测/监测数据。网关系统1100可以修改为接收和展示其他类型的信息，并且可以与一个或多个计算机、服务器、网络和其他相关设备一起使用。

如图9所示，网关1100可以包括天线1110、收发器1120、处理单元或系统1130，以及网络通信系统1140。

天线1110被设计为以所需的通信频率接收和发送信号。通常，在给定卫星的高海拔高度和涉及的低信号水平的情况下，天线1110将是高精度定向的跟踪天线，为了保持有效的宽带通信水平。

网关收发器1120由接收器部分和发送器部分组成，接收器部分用于从卫星接收数据并为cpu1130准备数据，发送器部分用于处理来自cpu1130的数据并准备将其经由天线1110发送至卫星630。收发器1120的发送部分可以例如对数据进行多路复用、编码和压缩，以被发送至卫星630，接着将数据调制到所需发送频率并且将其放大以便发送。可以使用多个信道、误差修正编码，等等。在补充方式中，收发器1120的接收器部分将接收到的信号解调，并且对来自天线的信号执行任何必须的多路分配、解码、解压缩、误差修正和格式化，以便cpu1130使用。天线和/或接收器还可以包括任何其他所需的开关、滤波器、低噪声放大器、向下变换器(例如，变换到中频)以及其他部件。

图11还示出了本地用户界面1150。网关610的地理位置可以选择为使得所需的网关数量最少。因此，网关610可不在对卫星操作者和/或操作方(接收有效载荷数据)而言便利的地理位置。由此，网关610通常将设有网络通信设备1140，使得远程计算机1160可用于通过因特网或类似的网络1170来访问系统。

卫星设计：

图10示出了可用于本发明的示例性实施例的卫星630的简化框图。如图所示，卫星630可以包括位置维持系统1210、推进系统1220、动力系统1230、通信系统、计算机处理系统1240和有效载荷1250。通信系统通常将由收发器1260和一组天线1270组成。当然，可以使用其他部件和安排来实现本发明，包括例如，冗余和备份部件。

位置维持子系统1210负责保持卫星的轨道。相应地，位置维持子系统1210可以计算和/或接收高度和/或轨道调节信息，并且可以使推进系统致动，以调节卫星的高度和/或轨道。保持轨道还可以包括保持卫星自身与卫星星座中其他卫星的节点间隔。推进系统1220可包括例如燃料源(例如，燃料和氧化剂容器)和液态燃料火箭，或离子推进器系统。

动力子系统1230向所有卫星系统和子系统提供电力。动力系统1230例如可以包括一个或多个太阳能板及一支撑结构，以及一个或多个电池。

卫星天线组1270将设计为适应通信频率和系统，以提供isl、上述用于服务用户的窄的可操纵波束(例如，每颗卫星16个可电子操纵的波束)和广域覆盖波束，以及连接至网关的天线。鉴于卫星的物理尺寸和重量约束，这些天线将比网关610的天线1110小得多。天线组1270的波束的方向通过机械地操纵天线或者电子地操纵天线波束来控制。可替换地，可以控制卫星的高度来操纵天线1270。

类似地，卫星收发器1260被设计为与网关610和用户终端620的收发器互补，由接收器部分和发送器部分组成，接收器部分用于从网关610/用户终端620接收数据并为cpu1240准备数据，发送器部分用于处理来自cpu1240的数据并准备将其经由天线组1270发送至网关610/用户终端620。同样，卫星收发器1260被设计为与其他卫星的收发器互补，使得可以实现isl。

收发器1260的发送部分可以例如对数据进行多路复用、编码和压缩以被发送，接着将数据调制到所需发送频率并且将其放大以便发送。可使用多个信道、误差修正编码，等等。收发器1260的接收器部分将接收到的信号解调，并对来自天线组1270的信号执行任何必须的多路分配、解码、解压缩、误差修正和格式化，以便卫星cpu1240使用。天线组和/或接收器还可包括任何其他所需的开关、滤波器、低噪声放大器、向下变换器(例如，变换到中频和/或基带)以及其他部件。

卫星630的计算机系统1240通常接收用于操作海拔高度和轨道控制系统的信号。其还接收用于操作有效载荷1250的信号，并且处理有效载荷数据以便发送至网关610。随着卫星630进入和离开感兴趣的地理地区，其还可以管理多个子系统的启用和禁用。如果要将卫星630操作为ip路由器，则其功能可以要么是cpu系统1240的一部分，要么是有效载荷1250的一部分。

选项和可替代方式

本发明的系统至少可用于以下应用：

1.通信应用，例如机器到机器，一些通信协议(包括下一代蜂窝网络4g和5g)需要低潜伏期，而这不能从geo的卫星得到恰当的服务；

2.海事和空中交通必须在处于高纬度(超过对地静止轨道中的卫星的影响范围)时从对地静止通信切换到不可靠且低带宽的hf(高频)无线电通信。本发明的系统可以支持宽带通信、导航和监控，其中航空器和船舶位于这些区域。当前，每月有700架航空器使用极地路径，并且要求在北极地区上方的连续覆盖，以提高该区域的空中交通的安全性和效率，以及对乘客的宽带连接。

3.地球观测：例如，这些有效载荷可以在所描述的轨道中很好地执行并提供对天气、温室气体和海洋色辐射测量的全球监测；

4.空间情境意识：这些有效载荷探测空间灾害，例如，残骸、小行星，以及可看作灾害的其他卫星；以及

5.空间天气：本发明的轨道可以支持空间天气有效载荷，其测量例如太阳辐射以及地球的电离层等因素。

结论

已经通过示例描述了一个或多个当前优选的实施例。对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不背离权利要求所限定的本发明的范围的情况下进行一些变形和修改。例如，对倾斜度、海拔高度和卫星数量的选择取决于需要服务的区域、航天器上的燃料的量，以及有效载荷的发射质量之间的权衡。在不背离本发明的概念的情况下，可以优化这些参数来适应不同的优先级。

本发明的方法步骤可以以可执行的机器代码集来实施，所述机器代码以多种格式(例如，目标代码或源代码)存储。为了简化，这样的代码可以一般地描述为程序代码、软件，或计算机程序。本发明的实施例可以由计算机处理器或由按照方法步骤的方式进行编程的相似设备执行，或者可以由设有用于执行这些步骤的装置的电子系统来执行。相似地，电子存储器介质，例如计算机磁盘、硬驱动、拇指驱动、cd-rom、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)，或本领域已知的类似的计算机软件存储介质，可以被编程为执行这样的方法步骤。

所有的引文通过引用合并于此。