专利名称：利用卫星星座在各地球站之间通信方法
技术领域：
本发明涉及一种经卫星在地面上的各站和各用户之间的通信方法。
电信的比特速率的日益增加导致各种类型通信方式的发展，特别是通过卫星中继的通信的发展。已经规划了这种类型的若干个通信系统。一般，这样的系统利用“低轨”或“中轨”的卫星星座(constellation)。在这样的星座中多个卫星沿着相同轨道在例如，高于地球表面1000km到1500km高度范围运行，并且该星座包括多个轨道，通常以紧密分开轨道对的形式。轨道组或轨道对覆盖通信是有效的的大部分地球表面。
“因特网”型系统已经被建议用于利用卫星链路在两个相距遥远的用户之间进行发送的、实际上在地球的任何地方的各用户之间的卫星通信。在这种系统中，卫星的数目和它们的分布是能使每个用户在任何时间直接与卫星通信和借助于与它们直接通信的卫星使信息在两个用户之间进行传送。直接与各个用户通信的各个卫星通过星座的其它各卫星进行链接。中间各个卫星的选择，换言之信息的路由选择几乎是利用每个卫星的星载控制装置对于每个呼叫个别进行的。
上述类型的电信系统需要高的卫星密度。因此系统的成本高。每个卫星的星载控制路由选择进一步增加了系统成本。
还有另外一些卫星电信系统，在一个特定的地理区域内仅经由通过该区域的上空的卫星实现通信。当该卫星离开相关区域时，另一颗卫星接替它。在这样的系统中，在相同区域的用户经由单一卫星进行通信，而在不同区域的用户必须利用非卫星的装置进行通信。这种系统非常简单，但是其容量受到限制。
美国专利US 4912656说明了现有技术和描述了使得通信系统非常昂贵的星载处理技术。欧洲专利EP 0780998也说明了现有技术，但没有提供任何各卫星之间的链路的简单处理。
本发明的方法能使地面上的遥远距离的各个站或用户之间经一些卫星进行通信和利用相对低成本的通信系统。
本发明的方法的特征在于经一个卫星星座在地面上遥远的各个站或用户之间建立通信，直接与第一站(或用户)进行通信的卫星和直接与第二站(或用户)进行通信的卫星之间的链路经由至少一个预定的链路在所有的时间是有效的。
换言之，各个卫星之间信息的路由选择是预定的。因此不需要提供每个卫星的复杂的星载控制装置。
本发明的方法的另外的特征在于利用各个卫星之间的通信是光学的事实。最后，提供利用多于一个波长的措施，以获得高的信息比特速率。可以利用多个波长从另外一个卫星寻址了一个卫星。例如，由波长λn传送的消息可以被寻址到发射机卫星之前的第n个卫星。
术语“预定链路”意思是经一个或多个预定卫星正在直接与地球站进行通信的各卫星之间的通信。如果直接与地球站进行通信的各个卫星彼此处于足够短的距离，则通信可以不用中间卫星来实现。
各个卫星之间的链路例如是预编程的。这些链路可以由地球站来控制，这样小型化了星载的控制装置。
因为每个卫星的位置在所有时间都是已知的，所以各个卫星之间的链路可以被预先确定。因为各卫星的位置和它们之间的距离是已知的，所以哪些卫星可以互相通信在所有时间也是已知的。
在一次呼叫期间，地面上两个站或用户之间的链路可能进行修改。由于卫星的移动，每个站连续直接与一个卫星通信一个有限的时间。当另外的卫星代替直接通信时，另外的预定链路被建立起来。
在本发明的优选实施例中，两个卫星之间的每个链路与至少一个另外的预定链路相连接，使得第一个链路失效时，后者代替它，第一个链路具有优先权。第二链路有益地是一个补充链路，意思是第一和第二链路的组合形成沿地球的一个环。
本发明的其它特点和优点从下面参照各附图给出的本发明的某些实施例的描述中将变得更为清楚，其中
图1是表示地球和通信卫星星座的图；图2是表示如何在两个地球站之间建立本发明的链路的一个简化图；图3是表示各个卫星之间形成本发明的通信链路的投影图；图4是用于解释各卫星之间光学通信的一个方法；图5是表示一个地球站与一个卫星之间和卫星与两个另外的相邻卫星之间通信的图；和图6是属于本发明系统的一部分的一个卫星上的星载设备。
本发明的通信方法利用一个在围绕地球10的非地球同步轨道的卫星星座(图1)。
在该例子中，该星座包括在16个倾斜于极轴的轨道AA′、BB′、…、HH′(图3)上的96颗卫星。在每个轨道上有6颗卫星。各个轨道在高于地球表面约1500km的高度。
各个轨道形成个8轨道对。4个轨道对在相对于极轴的一个方向上倾斜和其它4个轨道对在对极轴相同角度上倾斜。因此，4对轨道的第一组围绕着通过地球中心的轴A0均匀分配并倾斜于极轴，和4对轨道的第二组围绕着相对于极轴与轴A0对称的轴A′0均匀分配。接近极点的的各个轨道的交叉点在中心位于轴A0和A′0的球形帽状物上。
图3表示在一个给定时间的星座的96颗卫星的位置。在每个轨道对的升交点被分开15°。
升交点是限定一个轨道的参数。当卫星从南向北移动时，轨道和赤道平面的交点经度。
在图3中的图横轴标出对应于格林维治子午线的0°(和360°)的升交点的经度线l，纵轴标出平均近点角a，即由从升交点的角度偏移(相对于地球的中心)表示的在其轨道上的卫星的位置。因此，具有0°(或360°)近点角的卫星处于赤道平面。具有+90°近点角的卫星是尽可能地接近北极。
在图3中，每个卫星由它的轨道名称A′、A、B′、B、…、H′、H和由对应它的在轨道内的排序号的指数来识别，排序号1指示0近点角或者最小正近点角。
各个卫星的星座建立遥远的各个地球站之间的链路。图2表示地球10和两个地球站16和18，这两个地球站之间的距离使得它们不能利用相同卫星进行通信。
在任何给定时间上，每个站与从该站在此刻可以看得见的一个特定卫星进行通信。在图2中，站16正在与卫星20进行通信而站18正在与卫星22进行通信。这里“正在通信”的含义是该站正在直接从对应的卫星接收消息和直接向该卫星发送消息。
按照本发明，站16和18，和卫星20和22经由该星座的其它各个卫星进行通信，即卫星24和26，这些卫星是如上所述的预定卫星。换言之，卫星20和22之间的通信并不基于由通信本身确定的规则，例如一个链路的拥挤程度，而是通过预编程预先确定的，或者通过来自地球站(未示出)对它的命令。
为了简单起见，在图2中卫星20、22、24、和26被表示在相同的平面。一般，它们是不在相同的轨道上的(见下面)。
卫星20和22之间经卫星24和26的预定链路一般被保持，只要地球站16和18的直接与卫星20和22通信。然后两个其它卫星利用经其它预定的各卫星的新的链路取代卫星20和22，正如下面参照图3所解释的那样。
尽管如此还应当注意，两个在同一卫星的视线的紧邻的用户经由该卫星可以互相通信。另外，如果两个卫星在足够短的距离上分开，它们可以直接通信。
在如图3所示的例子中，卫星B′1要与卫星F1通信。在这种情况下，B′1与F1之间的预定链路遵循B′1、B1、C′1、C1、D′1、D1、 E′1、E1、F′1和F1。还存在着围绕地球的一个补充的链路，即，B′1、A1、A′1、H1、H′1、G1、G′1、和F1。
各个卫星绕着其轨道运转(在图3中从下到上)，在某个时间后各个地球站经卫星B′1和F1进行通信看不见那些卫星了。然后通信是经由在它们的视野中的各个卫星，例如卫星B′6与F6(在这个例子中是在相同轨道中的跟着的各个卫星)。在这种情况下，接替的各个卫星之间的通信是经由类似于上面描述的B′1和F1的一个各卫星之间的链路进行的。
形成一个环的链路，比如说从B′1到F1和从F1到B′1，提供了当一个链路的一个卫星可能出故障时的冗余链路。
冗余链路可以按不是通过围绕地球一个环的方式获得，例如，通过链路B′1、B2、C′2、C2、D′2、D2、E′2、E2、F′2和F1。在任何情况下，预定冗余链路是重要的。
在一个不同的实施例中，冗余链路用于转移不同类型的呼叫，例如，不同带宽或不同信息比特速率的呼叫。
虽然上面已经描述了具有倾斜于极轴的轨道的卫星星座，但无须赘述，本发明并不仅限于这种状态。本发明还可以用于极地轨道的情况下。
在一个例子中，各卫星之间的链路是光链路。需要的信息多路复用是通过选择多个先载波波长实现的。
为了简化每个卫星的星载处理，传送消息的光波长代表呼叫的最后地址(即，卫星的识别)。
用于本说明书中解释多路复用系统的例子涉及利用分配在4个卫星之间的16个不同光波长的传送。每个卫星n可以处理4个波长，和不用处理它们，就可以传送3个波长到卫星n+1，两个波长到卫星n+2，和一个波长到卫星n+3。另外，该卫星在4个波长上发射，分别寻址到卫星n+1、n+2、n+3和n+4，寻址到卫星n+4的波长对应于由卫星n处理的波长。
因此，通过4个连续卫星构成通信中继。
图4表示这个例子并表示16个波长λ1到λ16的分配。在图中，由方框代表卫星Sn、Sn+1、Sn+2、Sn+3、和Sn+4。在每个方框中的波长对应于寻址到该相关卫星的波长并且两个卫星之间指示的波长对应于用于在波长左边的卫星和下4个卫星之间通信的波长。
因此，卫星Sn从链中前面的4个卫星接收波长λ1、λ2、λ3和λ4，即卫星Sn-4到Sn-1(未示出)。卫星Sn对波长λ1、λ2、λ3和λ4进行处理。
不用处理它们，卫星Sn向前传送波长λ6、λ7、λ8、λ11、λ12、和λ16。波长λ6、λ7、λ8寻址到卫星Sn+1，λ11和λ12到卫星Sn+2和λ16到卫星Sn+3。
最后，卫星Sn传送寻址到下4个卫星的4个波长。波长λ6寻址到卫星Sn+1，λ9到Sn+2，λ13到Sn+3和λ1到Sn+4。
从而，在这个例子中，一个卫星可以发送消息到它前面(或它后面)的任何其它卫星。
在这个利用16个波长的例子中，如果卫星Sn是与卫星Sn+k进行通信，如果k是4的倍数，则卫星Sn发送到卫星Sn+k的消息一般被中继k/4次，或如果k不是4的倍数，则中继的次数等于k/4紧前面的整数。
为了确定是否由一个卫星接收到在一个特定的波长的消息必须被发送到地面或被进行中继，每个卫星携带有一个路由单元(见下面)，该单元按照其内容确定该消息的目的地。
图5表示卫星Sn和前面卫星Sn-1和后面卫星Sn+1之间的数据流，连同它和与它正在通信的地球站之间的数据流。这个图表示卫星Sn传送对它不处理的第一个数据流fa，换言之，来自卫星Sn-1的数据流fa不由卫星Sn处理地传送到卫星Sn+1。
卫星Sn还从卫星Sn-1接收数据流fb，和经由通信单元70将其传送到地球站72。
来自卫星Sn-1的数据流fc被交换装置70接收并被转发到卫星Sn+1。在这种情况下，卫星Sn是一个再生中继器。每个消息的内容确定是否在波长λ1、λ2、λ3和/或λ4的消息必须被传送到地球站或在波长λ5、λ9、λ3和λ1转发“顺流”到另外卫星消息。
卫星Sn还从地球站74(它可以与站72在共同的位置)接收信息。这个信息形成一个流fd，该流在单元70中进行处理后被传送到卫星Sn+1。
最后，卫星Sn建立发送站74与接收站72之间的通信。因比，流fe从站74被传送到卫星Sn，并在通过单元70以后被转发到接收站72。
现在参照图6描述用于执行参照图4和5所描述的功能的卫星Sn的星载装置的一个实施例。
来自卫星Sn-1的流fa、fb、fc被望远装置(telescope)80所接收。如上参照图4所解释的，数据流fa、fb、fc包括10个波长，即波长λ1到λ4、λ6到λ8、λ11、λ12和λ16。
然后数据通过光预放大器82和具有两个输出端的滤波器84，一个输出端841用于对应于透明中继的流fa的各个波长，即，λ6、λ7、λ8、λ11、λ12和λ16，和一个输出端842用于在波长λ1、λ2、λ3和λ4的流fb和fc。
输出端842被连接到接收波长λ1到λ4和变换它们为数字数据流的接收器86，这个流由路由单元88进行处理和选择路由。路由单元经无线链路RF转移流fb到站72。路由单元还转移流fc到光输出端再到卫星Sn+1。
路由单元88还包括一个从站74接收流fd，fe输入端。路由单元88的4个数字输出端在与流fc的同时转移流fd。数字流fc和fd被4信道编码器90进行编码，信道的数目等于路由单元88的数字输出端的数目。
传输质量将不取决于中继卫星的数量，纠错编码的可靠性取决于在目标卫星前面的卫星数量。换言之，纠错编码的可靠性与中继卫星的数量成比例。
编码器90的4个信道的每个上的数字信号调制4个激光器92，在4个对应于各个目标卫星的波长上进行发射，即，λ5对应Sn+1、λ9对应Sn+2、λ13对应Sn+3和λ1对应Sn+4。
流fc和fd的光信号由具有4个输入信道和连接到光耦合器96的第一输入端961的输出端941的光多路复用器94进行多路复用。
滤波器84的以波长λ6、λ7、λ8、λ11、λ12和λ16发送流fa的输出端841被连接到光放大器98的输入端，光放大器98的输出端被连接到耦合器96的另一输出端962。
光耦合器96的输出端经光放大器100连接到望远装置102的输入端。
望远装置102发射到卫星Sn+1。
注意，耦合器96的输入端通过光纤连接到它们的输入侧的各个单元，换言之，到多路复用器94和放大器98。同样，滤波器84通过光纤连接到放大器98，耦合器96和放大器100以及放大器100和望远接收器102也一样。
权利要求
1.一种经绕地球运行和形成飞越至少地球的大部分的星座的卫星在各地球站之间进行通信的方法，每个地球站在特定时间期间与星座中的指定卫星进行通信，地球站(16、18)经相应的与所述各个站分别通信的指定卫星(20、22)相互通信，其特征在于所述两个卫星(20、22)之间的通信是通过预定通信链路的中间卫星(24、26)实现的；其中各卫星之间的各个链路是光学型的；其中通信是在多个光载波波长上实现，一个光载波波长是与一个指定卫星相关的，使得在相同光载波波长上消息由所述卫星发射到另一个卫星。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于在预定链路中的每个卫星利用指定数量K的光载波波长发射消息到下一个卫星，第一波长被用于传送消息到该链路中的下一个卫星和该系列中的第i个波长被用于传送消息到该链路中的该正在发射的卫星后的第i个卫星。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于为在给定的两个卫星(20、22)之间通信设置至少一个第二预定链路。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于该预定的两个链路形成围绕地球延伸的一个链路。
5.按照权利要求3或4的方法，其特征在于在经第一预定链路的指定两个卫星之间的通信具有优先权。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于如果第一预定链路失败，该规定的两个卫星(20、22)经第二预定链路通信。
7.按照各个在先的权利要求的任何一个的方法，其特征在于每个卫星还可以用于在其视线范围内的两个地球站之间的通信。
8.按照各个在先的权利要求的任何一个的方法，其特征在于各地球站与各卫星之间的各链路是无线链路(RF)。
9.按照各个在先的权利要求的任何一个的方法，其特征在于在规定两个卫星之间的消息由纠错码进行保护并且纠错编码的可靠性与在预定链路中的卫星数成比例。
全文摘要
本发明涉及一种经绕地球运行和形成飞越地球的至少大部分的星座的一部分的各卫星在各地球站之间的通信方法,每个地球站在特定时间期间与该星座的一个规定卫星进行通信。两个地球站(16、18)经相应的分别与各站通信的规定卫星(20、22)进行通信。为了减少每个卫星的星载控制装置,两个卫星(20、22)经预定通信链路(24、26)进行通信。一般,上述类型的链路包括一个或多个预定的卫星。
文档编号H04Q3/58GK1242676SQ9910753
公开日2000年1月26日 申请日期1999年4月15日 优先权日1999年4月15日
发明者莱吉司·雷诺蒙德, 克劳德·阿克戈南, 吉恩·布因, 杰拉尔德·克里特因, 卢卡·德拉蒙特, 劳闰特·路莱特, 菲利蒲·沃里森 申请人:阿尔卡塔尔公司