多高度卫星中继系统和方法

专利名称：多高度卫星中继系统和方法
有关申请的交叉参考本申请是1995年10月3日提交的申请号为08/694466，名称为“多高度卫星中继系统和方法”的共同未决专利申请的部分继续，这个申请的主题以其整体援引于此，以资参考。
本发明一般地涉及卫星通信。更具体地，涉及一种卫星的方法和系统，该方法和系统能够提供两个或多个不同高度的卫星之间连续不间断的链路，这些不同高度的卫星包括一个或多个低地球轨道、中地球轨道、和同步轨道或它们之间任何高度的卫星。
通信和数据卫星中继用于实现两个或多个位置之间的信息传输。这些位置可能是卫星或地球站。这些“用户”由于下列原因的任一原因可能需要中继方法(1)地球位于该用户与该用户希望通信的位置之间；(2)用户不能对准其所期望的位置的方向，但能够对准一个中继站；(3)用户不具有直接与所需的远端位置通信的功率或设备。
对于卫星中继的主要考虑因素有以下几点(1)成本；(2)效率(例如，数据速率、覆盖、用户数量等)；(3)复杂性；(4)在利用卫星中继进行通信要求用户提供的功率和专用设备对用户的负担；(5)从旧的中继系统过渡到新的中继系统；(6)灵活性。
同步卫星可以被用作中继站，因为同步卫星静止在地球的上空和因此地球站可以使用固定取向的天线，对准卫星。其优点是地面用户看见的从用户到同步卫星中继的视距(LOS)随时间的变化相对较小。另外，由于要求拦截飞行器较大的能量和长的告警时间，敌方破坏同步卫星是非常困难的。
但是，同步卫星在中继通信的应用上不是没有缺点的。它们要求大的助推器，以便发送信号到高于赤道22300英尺(35900km)的高同步高度；并且由于很高的高度，它们要求很大的天线发送和接收射频(RF)信号。同样，也要求用户配置较大的天线发送和接收信号，与同步高度上的卫星通信。
利用同步卫星中继的其它的缺点是同步轨道是相对拥挤的，这是由于它围绕赤道延伸和至少将要需求3个同步卫星覆盖全球分布的不同地球站。另外，备用设备是昂贵的。和将需要倾斜轨道，以便对高纬度的地区提供服务。具有倾斜轨道的同步卫星的使用事实上可能消除了固定取向用户天线的优点和将要求更多的卫星提供对所有纬度的覆盖。
一般来说，具有任何卫星链路类型的同步卫星都要遇到这些缺点。在本发明的领域中，卫星链路需要经射频、或激光、或其它适合的信号传送技术在卫星和其它实体之间信息的单向或双向传输。其它实体可以是其它卫星、地球站、或诸如飞机或空间站之类的某些能够通过空间发送或接收信号的其它实体。
在较低高度的卫星中继也是可能被考虑的，诸如低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)、或高椭圆轨道(HEO)。然而，较低高度卫星中继要求更多的卫星覆盖地球，提供连续的服务。当使用多于一个卫星的中继联合覆盖地球时，多卫星中继被总称为“星阵”。
较低高度的卫星中继还是最易受到攻击的和具有较高的LOS角率和更多频度的“通/断”链路要求。HEO卫星大多数时间工作在同步高度，具有许多同步卫星的优点和缺点。HEO链路必须被接通和断开，虽然少于在LEO或MEO高度的频度。最后，为了与地球站链接，较低高度的卫星中继可能需要与在其星阵中其它卫星中继或要求更多的围绕地球的地球站。在与星阵中的其它卫星中继中的交叉链接会导致复杂的路由串联和通信链路的接通与断开。
这些系统通过使用交叉链路在许多卫星之间路由信号，其中交叉链路指的是每个卫星上的置载交换机和路由器。这种在空间的“智能交换机/路由器”是一个主要缺点，因为这些卫星系统必须对准其它卫星和具有确定哪个卫星将是消息的接收卫星的复杂性。如果所选择的接收卫星对于其它数据传送已经过载，甚至情况变得更为复杂化。这种情况迫使发送卫星把消息路由到另一卫星。
因此，本发明的一个目的是提供一种不太复杂、更灵活、在处理潜在问题情况更智能化、和降低用户执行中继功能的负担的卫星中继系统。
本发明的另一个目的是提供一种通信链路不中断的卫星中继系统，和因此避免需要第一卫星断开它与第二卫星的通信链路和与相对第一卫星移到地球后面的第二卫星相同的第三卫星建立新的链路。
本发明的再一个目的是提供一种利用较小的、较小功率的卫星作中继器的卫星中继系统。
本发明还一个目的是提供一种不需要使用同步轨道卫星的具有不间断通信链路的卫星中继系统。
本发明再一个目的是通过一个包括两个或多个不同轨道高度的卫星的系统，提供一种能提供不间断通信链路的卫星中继系统。
本发明的另一个目的是提供一种能提供不间断通信链路的卫星中继系统，即使是在系统卫星出故障和系统卫星的周期性维护期间。
在一个实施例中，本发明提供与一个或多个中地球轨道(MEO)卫星中继器相同步的一个或多个静止或同步(GEOS)卫星中继器，以在这两组中继器之间形成连续的链路。这样的卫星的同步安排具有较少的用户负担要求的优点，因为地基用户不需要发送到GEOS高度。这种混合系统类型(即，与一个或多个GEOS卫星同步的一个或多个MEO卫星)承担传输信号达到GEOS高度和返回到地面的负担。另外，混合系统是更耐用，因为各中继通信链路之一的中断将对系统的影响小于纯以GEOS为基础的卫星中继系统的中断。再有，混合系统使用少量的GEOS卫星中继器(少到一个)，但仍然可以提供与地面的连续链路，因为唯一在GEOS和MEO卫星中继器之间的同步。因此，在各个MEO卫星之间不要求交叉链路，虽然这种交叉链路可以应用到本申请中。
本发明还可以被组态为提供地平面上(ATH)连续视距通信链路。ATH连续视距通信链路或这种链路的延伸从不与地球相交。ATH通信链路具有额外的优点(1)在任一方向避免来自地球上的光或射频源，或来自GEOS的辐射对地球通信的干扰；和(2)减少潜在的地球站对信号的拦截。
本发明可以应用于若干不同类型的通信应用。例如，在军事通信的情况下，分散的用户组(诸如在战场上的各个部队或各个军事卫星)需要来自一个或多个地球站的信息，或来自战场上的一个用户的信息将被发送到这些地球站。本发明还可能用于一般的商业目的，如果各个分散的用户需要与一个或多个在GEOS卫星中继视距内的指定地球站通信。另外，到和从在地面上的各个用户的通信可能通过从地球站中继信息返回到MEO-GEOS卫星中继链实现。通信数据可能是任何形式的通信数据，包括不受限制的视频和其它高数据速率信号。通信信号可能是射频信号、以光为基础(诸如激光)的信号或任何适合LOS可发送的信号。
另外的多高度卫星系统所包括的用户可能是一组位于MEO位置的与GEOS卫星同步的卫星，以便直接和连续与GEOS卫星相链接。GEOS卫星然后可能中继来自MEO卫星的信息直接到地面。其优点将是单跳通信中继。另外，消除了正如在大多数GEOS卫星中继那样链路被中断后重新连接链路的必要，因为各个用户自身现在是与GEOS卫星同步的。
本发明的另外的应用包括彼此是交叉链接的和与一个或多个GEOS卫星同步的非同步轨道卫星星阵(诸如MEO卫星星阵)。MEO交叉链接可能用于低数据速率传输，诸如手持机话音用途，在这种情况下，由低数据速率所要求的相对小的天线或激光规模和低的功率将是一个优点。卫星星阵的与GEOS卫星同步的链路可能被用于高数据速率的传输，在这种情况下连续的链路是重要的。
本发明的另外一个实施例提供一个或多个高轨道非同步的、与轨道位置在低轨道和高轨道卫星的高度之间的高度上的一个或多个低轨道卫星中继器或中间轨道卫星中继器相同步的非同步卫星中继器，产生这两组中继器之间的连续链路。这种同步的卫星安排具有要求较少的用户负担的优点，因为以地球为基础的固定和/或移动终端不需要直接与高轨道卫星直接通信。中间轨道卫星转移以地球为基础的固定和/或移动用户终端之间的通信信号，因此缓解了以地球为基础的用户终端与高轨道卫星通信的负担。这个可代替的实施例要求较小的运载火箭和是更为耐用的，因为中继通信链路之一的中断对系统的影响将小于纯以同步为基础的卫星中继系统的中断。
而本发明的再一个实施例提供一种提供连续不中断的链路的卫星中继系统，该系统不限于高轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星。而连续的数据链路可以通过安排在不同高度的多个卫星的星阵建立。
本发明的再另一个应用包括一个观察MEO卫星的GEOS卫星，以便检测MEO卫星的任何问题情况。该GEOS卫星是与MEO卫星同步的，由于存在于两个卫星之间的连续的视距，按照本发明允许单向观察MEO卫星。因此，将理解为本发明适合于其功能不包括通信或数据中继的各个卫星。虽然“中继”术语被反复地用在本说明书中，应当理解为本发明不限于其主要功能是中继信息的卫星。
例如，一个GEOS卫星和一个或多个MEO和/或LEO卫星的系统可以提供取样太阳辐射的功能。为了比较GEOS卫星取样的太阳辐射数据和MEO或LEO卫星取样的太阳辐射数据的目的，MEO或LEO卫星发送其取样的太阳辐射数据到GEOS卫星。GEOS卫星然后处理所有的取样辐射数据和发送其结果到地面。在这例子中，本发明的特点就不仅被使用于中继数据。
还有，应当理解为，在本发明中地基用户不是必要的。事实上终端用户可以是另外的卫星、空间站或另外的移动用户。


图1是描述按照本发明的具有两个中地球轨道卫星中继和一个GEOS卫星中继的两跳多高度卫星中继实施例的三维图。
图2是说明按照本发明的利用多高度卫星中继系统的同步关系的三维图。
图3是表示使用在8小时MEO周期实施例的从MEO卫星中继平面的初始GEOS卫星中继赤道角相对有效GEOS卫星中继范围的75公里以上最小正切高度的图。
图4是表示使用在12小时MEO周期实施例的从MEO卫星中继平面的初始GEOS卫星中继赤道角相对有效GEOS卫星中继范围的约75公里最小正切高度的图。
图5是表示10个MEO卫星在地球上中继实施轨迹路径的笛卡儿世界地图。
图6是表示从MEO卫星的角度看10个MEO卫星中继器实施例和一个GEOS卫星中继器之间的视距极坐标图。
图7是表示从GEOS卫星角度看10个MEO卫星中继器实施例和一个GEOS卫星中继器之间的视距极坐标图。
图8是表示可以利用本发明的在规定的经纬度位置的10个MEO卫星中继器实施例实现的地球表面覆盖。
图9是表示按照本发明的水平线以上的实施例的对于8小时MEO周期的有效GEOS卫星中继范围从MEO卫星中继平面的初始GEOS卫星中继的赤道角相对于75公里以上的最小正切高度的图。
图10是表示按照本发明的水平线以上的实施例的对于20小时MEO周期的有效GEOS卫星中继范围从MEO卫星中继平面的初始GEOS卫星中继的赤道角相对于75公里以上的最小正切高度的图。
图11是表示按照本发明的具有一个较低轨道和一个较高轨道卫星其中较高轨道卫星不需要在GEOS高度的一跳多高度卫星中继实施例的三维图。
图12是表示按照本发明的具有两个低轨道卫星、一个中轨道卫星、和一个高轨道卫星的三跳多高度卫星中继实施例的三维图。
参照图1，表示出按照本发明的多高度卫星系统的第一实施例。更具体地，图1表示一个GEOS卫星中继器(geos1 106)和两个MEO卫星中继器(meo1 108和meo2 110)。geos1 106在视距连续地与meo1 108和meo2 110通信。
不能直接与远端地球站122通信的用户120可以与meo1 108通信，而meo1 108又与geos1 106卫星中继器连续链接。因为geos1 106是连续地与地球站122通信，geos1 106可以转移来自meo1 108的通信到地球站122。
虽然MEO卫星中继器必须通过大部分天空对准它的天线以与GEOS卫星中继器链接，其链路是不中断的，使得它不需要花费时间捕获另外的中继器。另外，跟踪路径重复，因此降低了跟踪算法的复杂性。
MEO和GEOS卫星中继器的一个同步参数是它们的周期比。对于代表24个整数因子的若干个比率，MEO卫星中继器和GEOS卫星中继器之间的连续视距是可实现的。对于极地低轨道，该周期比可以是一个精确的整数，但是，对于各倾斜轨道有缓慢的运动。由于进动和其它扰动效应的原因，周期比略微地偏离精确整数以提供适当的相位调整。
在该优选实施例中，GEOS卫星中继器的周期和MEO卫星中继器的周期之间的周期比是24∶8或等效于3∶1。当GEOS卫星中继器的周期是三倍的MEO卫星中继器的周期时，实现3∶1的周期比。因此，24小时的GEOS卫星中继器周期和8小时的MEO卫星中继器周期将参数3∶1的周期比。
必须注意，在本发明中的GEOS卫星中继器一般称为静止卫星和不仅称为同步卫星。两者之间的区别是静止地球轨道是一个具有零倾斜角的同步轨道，即，仅赤道轨道。因此静止地球轨道是一个特殊的同步轨道。另外，极地轨道被用作MEO卫星的例子，和赤道GEOS轨道被用作GEOS卫星的例子。无论MEO卫星还是GEOS卫星都不被限制于这些倾斜角。
实际上，GEOS和MEO卫星中继器的许多组合是可能的，包括改变GEOS和MEO卫星中继器的数量，GEOS和MEO卫星中继器的轨道平面的数量，MEO卫星中继器的轨道间和轨道内的相位调整，和GEOS卫星中继器的轨道间和轨道内的相位调整。例如，应当理解为，GEOS卫星中继器可能是一个极地轨道，或对地球其轨道高度是非同步的。本发明可以利用是圆形或椭圆形MEO或GEOS卫星中继器轨道来实现。另外，在本发明下的许多MEO卫星中继器组态中，适当地放置GEOS卫星中继器将允许每个GEOS卫星中继器连续地看到所有的MEO卫星中继器。具有三个被120度分开的GEOS卫星中继器的3、6、9、或12的MEO卫星中继器的MEO卫星中继器阵是本发明在这方面的例子。在这样的组态中，每个GEOS卫星中继器可以提供其它GEOS卫星中继器的完全后备。而图1表示利用meo1和meo2卫星的两个轨道，应当理解为该两个卫星可能是在一个单一轨道上的。同样，应当注意到，本发明不取决于MEO轨道的数量，因为轨道的数量是可以修改的(诸如1、2、3、4、和等等)。
当(1)周期比是同步的；和(2)从地球的视距距离与GEOS卫星中继器的位置和MEO卫星中继器的倾斜角是同步的时，这些各种组态可以实现连续的视距。包括从地球的视距距离的同步的详细讨论在图2开始。
图2表示一个极地MEO轨道平面160和一个赤道GEOS轨道162。在这个例子中，MEO卫星中继器166的初始位置164被假设在赤道和向北上升开始。GEOS卫星中继器170的初始位置168被假设从极地MEO轨道平面160的角度“MO”172开始。当MEO卫星中继器166和GEOS卫星中继器170在它们各自的轨道上移动时，可以在它们之间划的一条线是视距(LOS174)。
LOS174是不被地球176所阻挡。LOS174高于地球176的高度称为正切高度178。如果正切高度178变为负，则LOS174将中断。如果MEO卫星中继器166在地球和GEOS卫星中继器170之间，则LOS174的延伸将交到地球，引起正切高度为负。但是，MEO卫星中继器166显然是可见的和在这种情况下LOS174不被中断。为LOS174确定高于一个GEOS卫星中继器轨道的最小正切高度，因为该数指示一个卫星中继系统接近失去LOS174的程度。从而，如果最小正切高度大，则在正切高度178被降低到零和失去LOS174之前，MEO卫星中继器和GEOS卫星中继器的相对位置可以被大大地改变。
图3表示从MEO平面(“MO”)的初始GEOS赤道角和8小时MEO圆形轨道的LOS的最小正切高度之间的关系。这些关系是对于一个MEO倾斜范围表示的。图2的轨道状态对应于标以“90”度倾斜度的小屋状曲线。在90度小屋状曲线下的任何点代表不中断LOS的初始GEOS/MEO卫星中继关系。因此，GEOS卫星中继器的初始角(Mo)可以在330-30、90-150、和210-270度的三个范围内，并仍然能保持连续的LOS。如果MEO卫星中继器轨道以70度倾斜，这些范围变得略微大些，和如果MEO卫星中继器倾斜50、40、或28度，这些范围变小。28度的最小倾斜是重要的，它在从小于28度到90度的倾斜上允许MEO卫星中继器轨道的宽的范围。大的可能组态范围表示对于某些类别的椭圆形轨道将可能获得类似连续的LOS结果。
图4表示对于12小时MEO卫星中继器轨道的类似的数据。对于所表示的MEO卫星中继器倾斜度，提供最大的最小LOS值的倾斜是在50和70度。这表示最大值位于该范围内。另外，与如在8小时MEO卫星中继器轨道的三个“小屋”不同，12小时MEO卫星中继器轨道具有四个“小屋”，每个大约在40度范围。因此，图3和图4可以使用来确定一个MEO卫星中继器位置和一个GEOS卫星中继器位置，该位置分别对于8小时和12小时的MEO卫星中继器轨道将产生连续的LOS。
参考8小时和12小时轨道不能表示该轨道的周期是精确的8或12小时。该参考周期是最接近提供逆行(retrace)轨道的8或12小时。因此地轨道(该轨道是直接对准下面卫星的轨道)精确地每24小时逆行在地球上的相同的路径，这一概念表示在图5中。正如下文所述，各个周期不限制在24、12、或8小时，和因此不限制于各个逆行轨道。
图5表示10个MEO卫星中继器分别在位置201到210的组态。
图5表示10个MEO卫星中继器的在24小时周期在地球表面的跟踪路径。在该图最的10个MEO卫星中继器具有下面的组态10个轨道平面；8小时周期；7501海里高度；252度轨道间相位；36度节点空间；和50度倾斜角。
图6利用相同的卫星中继组态表示在一个轨道时间点上从10个MEO卫星中继器的每个看GEOS卫星中继器的LOS路径320。反时针圆周值是LOS的偏航角220的值，偏航角是从围绕卫星垂直轴的卫星速度方向的LOS的旋转度。因此，对于每个MEO卫星中继器的偏航角值可以被视为围绕垂直线的LOS的枢轴。
该曲线的径向度量表示LOS指向相对于地球的中心的上或下的程度。例如，如果位于曲线222的外缘上的一个点，它将表示该MEO卫星中继器直接“看”GEOS卫星中继器和180远离地球的中心。如果该点在中心224，则该卫星直接向下看地球的中心。因此，该图的中心224代表一个卫星的最低点位置。
图6描述随24小时周期整个过程变化的从每个MEO卫星中继器到GEOS卫星中继器的LOS。标在曲线上的时间间隔是12分钟。位置301到310表示10个MEO卫星中继器的每个的相应的开始点。虽然10个MEO卫星中继器在不同的点上开始，但它们的LOS角在24小时周期遵循相同的路径。该10个MEO卫星中继器每24小时将重复的这个LOS路径320。
歪“数字8”形的LOS路径320表示，对于这种组态一个MEO卫星中继器不能直接向下地球的中心。相反，如果一个MEO卫星中继器能直接向下看到地球的中心，则它将必须透过地球才能看到GEOS卫星中继器。因此，该LOS将被中断，即该卫星中继组态不会产生连续的LOS链路。另外，从最低点的LOS角大得足以“提升”LOS高于地球的表面，地球的表面处于大约18度的最低点。
图7同样利用相同的卫星中继组态表示在规定时间点上从GEOS卫星中继器看10个MEO卫星中继器的每个。在这个图中，角度的偏差几乎不大。再有，图上的时间标志是以12分钟间隔。位置401到410表示10个MEO卫星中继器的每个的相应的开始点。表示的LOS路径380是对于24小时周期的和每24小时将重复。
图8以图的方式描述从相同的10个MEO卫星中继器组态的地球覆盖，与在图7中所描述的一样(即，10个轨道平面；8小时周期；7501海里高度；252度轨道间相位；36度节点空间；和50度倾斜角)。在图中的每个黑棒表示对于一个规定纬度位置的24小时覆盖范围。因为所有的黑棒是连续的，因此对于每个位置存在到MEO卫星中继器的连续LOS。10个MEO卫星中继器可以高于地球表面19度的LOS角的最小地面提升角连续“看”到地球表面。虽然在图6和图7中的例子中每轨道平面使用一个卫星，但应当理解为，在某些条件下，通过在一个或多个最小轨道平面上放置多于一个的卫星(等间隔)，可能减少轨道平面的数量。
本发明还有另外的具有附加优点的卫星中继组态的特征。某些组态，除了在GEOS卫星中继器和MEO卫星中继器中继提供连续的LOS外，还提供用于GEOS到MEO卫星中继器链路的地平面上(ATH)视距通信链路。
回到图7说明ATH方面。图7表示当MEO卫星中继器为24小时周期时，GEOS卫星中继器“向下看”的图。地平面上(ATH)链路表示MEO卫星中继器在24小时期间的任何时间不与前面的地球500相交叉。另外，MEO卫星中继器相对于GEOS卫星中继器不与后面的地球500相交叉。
对于8小时MEO卫星中继器轨道，AHT特征组态的多高度卫星中继系统会导致更严格的同步参数范围设置。图9表示对于8小时AHTMEO卫星中继器组态的有效GEOS卫星中继器范围。该AHT“小屋”形表示相对于MEO卫星中继器系统的初始GEOS卫星中继器的各个角度的选择受到更多限制。对于MEO卫星中继器星阵，角度的较小范围将产生在MEO卫星中继器组态选择上的某种降低。
但是，图10表示在12小时的AHT MEO卫星中继器组态将不存在附加的限制。因为任何12小时的AHT MEO卫星中继器组态提供连续的LOS链路还提供连续的AHT链路，所以不会产生附加限制。因此，如果它们落入如图10所示的“小屋”状范围，其GEOS卫星中继器周期对MEO卫星中继器周期的比为2∶1的组态将具有AHT特征。
正好以所述的结构工作的包括各个MEO卫星的星阵例子是沃克-德尔塔-模式(Walker-Delta-Pattern)的一种特殊情况。沃克-德尔塔-模式提供了在星阵(见参考文献)中的卫星的均匀(eren)分布。特殊的沃克(Walker)星阵每轨道平面具有一个卫星，具有卫星的总数大于3。在沃克星阵中的一个角度度量单位是被用于描述各个卫星和轨道平面的相对位置的“模式单位”。模式单位被定义为360度除以卫星数目，例如，如果该星阵含有4个卫星，则模式单位将是90度。每个卫星可以以一个模式单位(在这个例子中是90度中)的间隔，放在比相邻平面的卫星更向西的轨道上。各个卫星也可以以2个或3个模式单位间隔放置，并仍产生沃克(Walker)轨道。在4个卫星的例子中，如果一个模式单位被用于8小时逆行轨道的各个连续的卫星，所有卫星在地面上产生相同的轨迹，也就是说，在地球上所有轨迹模式(图5)是相同的。对于每个MEO卫星的各个子卫星点是在相同轨迹上的不同点上。因为几何关系，每个MEO卫星在GEOS卫星看来精确地沿着同一轨道。
如果卫星以正确数量的模式单位被放置，卫星的数量可以增加和将产生相同重叠的逆程模式。在5个卫星的的星阵中的各连续的卫星必须以2个模式单位放置，6个卫星要求3个模式单位等等。当模式单位的数量比卫星数量小3时，每轨道平面具有一个卫星的任何8小时逆程Walker星阵将产生重叠的地面轨迹。如果GEOS卫星被放置在图3的小屋形图形边界内，则提供连续链路给所有的MEO卫星并且从MEO卫星看到的各个MEO卫星的路径是相同的。
当利用12小时逆程轨道，并模式单位的数量比卫星数少2时，产生相同的重叠地面轨迹，当从GEOS卫星看时，MEO卫星有相同的路径。
在每个轨道平面上的多个卫星可以与多个GEOS卫星相适配。利用一个GEOS卫星，每轨道上的多个MEO卫星仍然可以被利用，只要各个卫星在图3或4的小屋图形的范围内。
在图1-10的实施例中，高轨道卫星不需要在同步或静止轨道上。此外，高轨道卫星仅需要在高于邻近较低卫星轨道的轨道上。
图11表示按照本发明的多高度卫星系统的另外一个实施例。更具体地，图11表示一个高轨道卫星中继器(HOS1 606)和一个低轨道卫星中继器(LOS1 608)。HOS1 606不断地以视距方式与LOS1 608通信。
LOS1 608连续地与HOS1 606卫星中继器链接。按照各卫星相互通信的观点不存在等待周期。LOS1 608和HOS1 606可以与用户602和地球站622通信。
HOS1 606不需要为了建立与其它卫星通信的链路而在同步轨道。也不要求HOS1 606相对于地球是静止的。最好是，HOS1 606具有是LOS1 608的旋转周期的某个整数倍的旋转周期，具有略微的波动以补偿相位误差的进动。
以例子的方式，HOS1 606对LOS1 608轨道周期的比可以是2∶1和HOS1 606的周期可以是10.8小时那么低。在上述例子中，HOS1606和LOS1 608分别具有约18,270km和9,150km的轨道高度。作为另外的例子，HOS1 606和LOS1 608轨道周期的比可以是3∶1，HOS1 606轨道周期可以是8.8小时那么低，其中HOS1 606和LOS1608轨道高度分别可以为15,260km和4,020km。
按照上述实施例，当各个卫星被定位在高于上述示例性高度的高度时，其轨道不需要在赤道，但代之以可以对赤道倾斜一个倾斜角。例如，HOS1 606对LOS1 608轨道周期的比为12小时比6小时时，相应允许在各个卫星之间有30度那么小的最小轨道倾斜角。
当高轨道卫星和低轨道卫星之间的相对轨道角是90度时，高轨道卫星的高度可以设计得最低。高轨道卫星的高度可以按高轨道和低轨道中继之间的相对倾斜角的非线性关系改变。当该相对倾斜角落入低于或高于上述90度时，高轨道高度增加高于其最小值。基于预先考虑使用的系统，这种轨道高度和倾斜角的灵活性可以被用于最期望的星阵的设计。作为该系统的其它实施例，不要求各个低轨道卫星之间有交叉链路，虽然这种交叉链路可以提供在适当的应用中。
转到图12，表示本发明的具有提供连续不中断卫星通信链路和/或数据链路的卫星系统的另外的实施例。该卫星系统不限于高轨道卫星和低轨道卫星。而连续的链路可以通过一组安排在数个离散高度的卫星建立的。
更具体地，图12表示一个高轨道卫星中继器(HOS1 706)，一个中水平卫星中继器(IOS1 709)，和两个低轨道卫星中继器(LOS1710、LOS1 708)。HOS1 706连续地与IOS1 709视距通信，而IOS1709又连续地与LOS1 710和LOS1 708视距通信。
用户720与LOS1 710通信，LOS1 710可以直接与IOS1 709通信，IOS1 709可以与HOS1 706通信。用户720可以与HOS1 706通信前，从各个卫星相互进入视野来看没有等待时间。当HOS1 706到达地球站722的视野内时，HOS1 706可以从LOS1 710转移通信到地球站722。
在一个诸如图12所示的系统中，HOS1 706可以是在具有0度倾斜角的赤道轨道上的，而IOS1 709 1LOS1 710和LOS1 708是在具有90度倾斜角的极地轨道的。
在表1中给出对于具有24、12和6小时周期和在不同高度的各个卫星之间具有连续链路的卫星系统的一组轨道参数的例子。
表1半-主轴倾斜角节点 近地点相位角 平均近点角(Arg.of perigee)(km) (度) (度) (度) (度)42163.480. 315. 0.0.
26561.3390. 270. 0.0.
16732.5990. 225. 90. 90.
16732.5990. 315. 90. 270.
在表2中给出某些可能的轨道组合。
表2轨道周期的组合高度数量高高度轨道 中高度轨道 低高度轨道2 24小时 12小时2 24小时 8小时2 -- 12小时 62 -- 12小时 42 -- 10.7小时5.352 -- 8.8小时 2.933 24 12小时 63 24 12小时 4不同高度的更多组合也是可能的，包括那些通过改变卫星中继器的数量、卫星中继器的轨道平面的数量和卫星中继器的轨道间和轨道内相位调整获得的各种组合。例如，应当理解为，卫星中继器可能在极地轨道，或在与地球的非同步的轨道高度上。本发明可以利用具有圆形或椭圆形的卫星中继器轨道实现。
本发明已经以一种例子和实施例的方式进行了描述，但本发明并不仅限于此。本专业的技术人员将认识到，在不脱离本发明的基本精神和范围情况下可以做出各种增加的修改和改进。本发明的范围将仅由后附的权利要求书予以限定。
权利要求
1.一种多高度卫星系统，该系统能够保持分布在不同高度的各个卫星之间连续不中断的链路，包括在一个低或中间地球轨道高度上运行的第一卫星；和在高轨道高度上运行的至少一个第二卫星，所述高轨道是与所述第一卫星的轨道相同步的，以保持所述第一和第二卫星之间的连续视距。
2.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星的轨道周期处于一个预定的比。
3.权利要求2的多高度卫星系统，其中所述预定的比是3∶1。
4.权利要求2的多高度卫星系统，其中所述预定的比是2∶1。
5.权利要求4的多高度卫星系统，其中所述视距连续地高于地球水平面上。
6.权利要求2的多高度卫星系统，其中所述视距连续地高于地球水平面上。
7.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述视距连续地高于地球水平面上。
8.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述视距高于地球水平面上的距离是基于所述第二卫星相对于所述第一卫星的位置和基于所述第一卫星的轨道平面的倾斜角。
9.权利要求8的多高度卫星系统，其中所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星的轨道周期是一个预定比。
10.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括用于提供与所述第二卫星之间的链路的装置。
11.权利要求10的多高度卫星系统，其中所述第一卫星与所述第二卫星之间的链路是无线链路。
12.权利要求10的多高度卫星系统，其中所述第一卫星与所述第二卫星之间的链路是激光链路。
13.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括提供与以地球为基础的用户之间的链路的装置。
14.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括提供与以地球为基础的控制站之间的链路的装置。
15.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括用于中继通信的装置。
16.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第二卫星包括用于中继通信的装置。
17.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括用于中继数据的装置。
18.权利要求1的多高度卫星系统，其中所述第二卫星包括用于中继数据的装置。
19.一种提供高轨道卫星系统的方法，该系统能够保持分布在不同高度上的各个卫星之间连续不中断的的链路，包括以下步骤设置处于低或中地球轨道高度的第一卫星和处于中或高地球轨道高度的第二卫星；和使所述第一卫星的轨道与所述第二卫星的轨道相同步，以保持所述第一和第二卫星之间的连续视距。
20.权利要求19的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星轨道周期为一个预定的比。
21.权利要求20的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星轨道周期为3∶1的比率。
22.权利要求20的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星轨道周期为2∶1的比率。
23.权利要求22的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述视距将连续在地球的水平面以上。
24.权利要求20的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述视距将连续在地球的水平面以上。
25.权利要求19的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述视距将连续在地球的水平面以上。
26.权利要求19的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述视距高于地球以上的距离基于相对于所述第一卫星的位置的所述第二卫星的位置和基于所述第一卫星的轨道平面的倾斜角。
27.权利要求26的方法还包括以下步骤组态所述第一卫星，使得所述第二卫星的轨道周期相对于所述第一卫星的轨道周期处于一个预定的比。
28.权利要求19的方法还包括以下步骤在所述第一卫星和所述第二卫星之间提供链路。
29.权利要求28的方法，其中所述第一卫星和所述第二卫星之间的链路是无线链路。
30.权利要求28的方法，其中所述第一卫星和所述第二卫星之间的链路是激光链路。
31.权利要求19的方法还包括以下步骤在所述第一卫星和以地球为基础的用户之间提供链路。
32.权利要求19的方法还包括以下步骤在所述第二卫星和以地球为基础的控制站之间提供链路。
33.权利要求19的方法还包括以下步骤在所述第一和第二卫星之间中继通信。
34.权利要求19的方法还包括以下步骤在所述第一和第二卫星之间中继数据。
35.一种能够保持分布在不同高度的各个卫星之间连续不中断的链路的多高度卫星系统，包括其轨道在中轨道高度或低轨道轨道之一上的第一低地球轨道/中地球轨道卫星；和至少一个其轨道高于所述中或低地球轨道的高轨道高度卫星，所述高地球轨道卫星是与所述低地球轨道/中地球轨道卫星相同步的，以保持所述低地球轨道/中地球轨道卫星和高地球轨道卫星之间的连续视距。
36.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述低地球轨道/中地球轨道卫星的轨道周期相对于所述高地球轨道卫星的轨道周期是一个预定的比。
37.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述预定比是2∶1。
38.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述预定比是3∶1。
39.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述视距连续高于地球的水平面。
40.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述各卫星包括用于提供它们之间的链路的装置。
41.权利要求40的多高度卫星系统，其中所述所述第一卫星和所述第二卫星之间的所述链路是无线链路。
42.权利要求40的多高度卫星系统，其中所述所述第一卫星和所述第二卫星之间的所述链路是激光链路。
43.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述第一卫星和所述第二卫星的至少一个包括用于提供与以地球为基础的用户的链路的装置。
44.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述第一卫星和所述第二卫星的至少一个包括用于提供与以地球为基础的控制站的链路的装置。
45.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述第一卫星包括用于中继通信的装置。
46.权利要求35的多高度卫星系统，其中所述第二卫星包括用于中继通信的装置。
47.一种能够保持分布在不同高度的各个卫星之间连续不中断的链路的多高度卫星系统，包括其轨道在高地球轨道高度上的第一卫星；其轨道在中地球轨道高度上的第二卫星；和其轨道在低、中、或高地球轨道高度之一上的第三卫星，所述第一、第二、和第三卫星在轨道上是彼此同步的，以保持它们之间的连续视距。
48.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第一、第二、和第三卫星的轨道周期彼此是一个预定的比。
49.权利要求48的多高度卫星系统，其中所述预定比是4∶2∶1。
50.权利要求48的多高度卫星系统，其中所述预定比是6∶3∶1。
51.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述视距连续高于地球的水平面。
52.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第一、第二、和第三卫星包括用于提供它们之间的链路的装置。
53.权利要求52的多高度卫星系统，其中所述第一卫星和所述第二卫星之间的所述链路是无线链路。
54.权利要求52的多高度卫星系统，其中所述第一卫星和所述第二卫星之间的所述链路是激光链路。
55.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第一、第二、和第三卫星之一包括用于提供与以地球为基础的用户的链路的装置。
56.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第一、第二、和第三卫星之一包括用于提供与以地球为基础的控制站的链路的装置。
57.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第一、第二、和第三卫星之一包括用于提供用于中继通信的装置。
58.权利要求47的多高度卫星系统，其中所述第二卫星包括用于提供用于中继通信的装置。
全文摘要
一种多高度卫星中继系统,在该系统中中地球轨道卫星连续地链接至少一个同步卫星,以提供不中断的消息和数据的中继。中地球轨道卫星是与各同步卫星相同步的,以产生连续的链路。实现同步的参数包括中地球轨道卫星中继器相对于同步卫星中继器的位置。实现同步的另外的参数包括同步卫星中继器的轨道周期相对于中地球轨道卫星中继器的轨道周期之间的比。这些参数可以进一步调整,以提供高于地球水平面的连续链路。
文档编号H04B7/15GK1193854SQ97114350
公开日1998年9月23日 申请日期1997年11月27日 优先权日1996年11月27日
发明者布莱恩·R·威廉, 皮特·H·克莱斯 申请人:Trw公司