TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der
Satellitenkommunikation. Genauer gesagt, schafft die Erfindung ein
fortschrittliches System mit aktiven Elementen und einer Anordnung von
Satellitenantennen mit Phasenbetrieb, das für extrem hohen
Gewinn sorgt, das aber auch das verfügbare Spektrum mit
großem Wirkungsgrad nutzt. Die gemäß der Erfindung gelieferte
Energie ermöglicht es Telefonbenutzern auf der Erde,
unmittelbar mit einer Konstellation von Raumfahrzeugen in einer
niedrigen Erdumlaufbahn unter Verwendung eines kompakten
Hand-Endgeräts zu kommunizieren, das zu keinen
Strahlungsgefahren führt.
HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK
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Vorhandene öffentliche Telefonsysteme stützen sich
hauptsächlich auf an Land verlegte Leitungen und auf Mikrowellen-
Relaisstationen zum Handhaben des Rufverkehrs. Jüngere
Erweiterungen von Kleinzonen-Netzwerken haben die
Telefondienste dadurch verbessert, dass für Kunden, die in ihren
Fahrzeugen Mobiltelefone verwenden oder die tragbare
Handeinheiten verwenden, Zugriff auf das landgestützte System
besteht. Die dem Teilnehmer gebotenen erhöhten Fähigkeiten
sind relativ klein im Vergleich zur Anzahl von Teilnehmern
unter Verwendung herkömmlicher fester Telefone, da die
Kleinzonendienste auflediglich diejenigen geographischen
Bereiche beschränkt sind, die dicht besiedelt sind.
Kleinzonenkommunikation ist häufig durch schlechtes
Funktionsvermögen beeinträchtigt, wenn Kunden von einer Zelle in eine
andere reisen oder wenn sie Funkschatten durchqueren, wie
sie durch das Gelände oder Gebäude geworfen werden.
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Ein bisheriges Funkkommunikationssystem für ein städtisches
Gebiet ist im Artikel "IEEE Transactions on Communications,
Vol 39, No. 1, Januar 1991, S. 141 bis 151, Acampora et
al." offenbart. Das System umfasst eine zentral liegende
Basisstation, die den umgebenden Dienstbereich durch eine
Anzahl abrasternder stiftförmiger Strahlen bedeckt, die mit
einer Zugriffszuordnung im Zeitmultiplex arbeiten.
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Das Dokument 8298 BBC Research Department Report (1989), No.
12, Tadworth Surrey, GB offenbart eine
Strahlerzeugungsvorrichtung für eine flache, ebene Antenne mit einer
Zeitverzögerungs-aktiven
Linse, die dazu dient, die Strahllenkung zu
steuern.
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Ein bisheriger Versuch, die Grenzen herkömmlicher
Kommunikationsnetzwerke zu umgehen, benutzt ein transportables
Telefon, das eine Satellitenschüssel mit mehreren Fuß
Durchmesser verwendet, um unmittelbar mit Satelliten in
geostationären Umlaufbahnen von 22.300 Meilen zu kommunizieren. Die
Sendeempfänger an Bord dieser Satelliten verbinden dann den
Anrufer unmittelbar mit dem landgestützten System, das
seinen Anruf über Vermittlungsstellen am Boden leitet. Diese
Vorrichtungen sind schwer, schwierig zu transportieren, und
sie sind so teuer, dass ihr Gebrauch dadurch praktisch
verhindert wird.
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Derzeit bieten Firmen für öffentliche Telefondienste
Teilnehmern, die ein mobiles oder tragbares Telefon verwenden,
keinen kontinuierlichen, weltweiten Dienst ohne die
Verwendung teurer und großer Antennensysteme an. Herkömmliche
Raumfahrzeuge und Sendeempfänger, wie sie sich derzeit auf
Umlaufbahnen befinden, verfügen im allgemeinen nicht über
das Leistungsvermögen, unmittelbar mit Endgeräten zu
kommunizieren, die nicht mit einer Antennenschüssel verbunden
sind, die nicht mindestens einen Durchmesser von einigen
wenigen Fuß aufweist. Die verfügbaren Dienste sind extrem
beschränkt und zur Nutzung außer für einige wenige zu teuer.
Das Problem, ein konkurrenzfähiges Netzwerk für Tonsignale,
Daten und Video zu schaffen, das von Teilnehmern in der
ganzen Welt genutzt werden kann, stellt eine Hauptherausforde
rung für das Kommunikationsgeschäft dar. Die Entwicklung
eines Satellitensystems mit hoher Leistung, das Funksignale
an tragbare, mobile und feste Endgeräte an Land, auf See und
in der Luft ohne Zwischenschritte von Wegführungsverkehr
über landgestützte Ausrüstung senden und empfangen kann,
würde einen wesentlichen technischen Fortschritt bilden und
würde ein seit langem bestehendes Bedürfnis innerhalb der
Elektronik- und Telefonindustrie erfüllen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung ist folgendes geschaffen: eine
Vorrichtung zum Bereitstellen von ausgestrahlten Strahlen, welche
in Richtung der Oberfläche der Erde gerichtet sind und in
der Lage sind, direkt mit einer Mehrzahl von tragbaren,
mobilen und festen Anschlusseinheiten, überleiteinrichtungen
und Satelliten zu kommunizieren, umfassend eine Mehrzahl von
Antennenflächen, die in einem im großen und ganzen
zusammenhängenden Muster gekoppelt und angeordnet sind, wobei jede
Antennenfläche in der Lage ist, eine Mehrzahl von
ausgestrahlten Strahlen zu erzeugen, die elektronisch zu
Ausleuchtgebieten auf der Oberfläche der Erde gelenkt werden,
wobei jede Antennenfläche eine Mehrzahl von abstrahlenden
Elementen aufweist und eine Zeitverzögerungs-aktive Linse
umfasst, die eine Mehrzahl von Zeitverzögerungsnetzwerken,
welche eine Verbindung zu entsprechenden abstrahlenden
Elementen haben, und eine Zeitverzögerungskontrolle umfasst,
um den Radius des abgestrahlten Strahls zu ändern, wobei die
Anordnung in der Lage ist, einen Strahl mit zirkularer oder
elliptischer Form zu erzeugen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine
fortschrittliche Antenne mit aktiven Elementen und einer Anordnung mit
Phasenbetrieb, und sie verwendet elektronische
Strahllenkung, um Signale mit extrem hohem Gewinn zu erzeugen. Durch
Einbauen dieser neuartigen Antennensysteme in eine
Konstellation von Raumfahrzeugen in niedrigen Erdumlaufbahnen
werden Telefonkunden auf der gesamten Weltkugel dazu in die
Lage versetzt, über ein Kommunikationssystem zu kommunizieren,
dessen Vermittlungsintelligenz in den Umlaufbahnen liegt.
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Diese einzigartige Konfiguration umgeht herkömmliche
landgestützte
Netzwerke und bietet eine revolutionäre Erweiterung
des Kommunikationspotentials. Die Erfindung ist ein
wesentliches Element eines neuartigen
Satellitenkommunikationssystems, auf das oben Bezug genommen wurde.
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Das innovative Design einer der bevorzugten
Ausführungsformen verwendet eine Halbkugelkonfiguration hexagonaler
Antennenflächen, die aus ultraleichten Honigwabenmaterialien und
fortschrittlichen Verbundstoffen hergestellt wurden.
Integrierte Millimeterwellen-Schaltungen (MMIC = millimeter wave
integrated circuits) aus Galliumarsenid (GaAs), die mit
jeder Antennenplatte verbunden sind, handhaben den Rufverkehr.
Jede Antenne erzeugt gleichzeitig 256 Strahlen, die
elektronisch zu 4.096 Abschnitten auf der Erdoberfläche gelenkt
werden. Jeder einzelne Strahl beleuchtet einen Bereich auf
der Erde, der grob 20 km auf 20 km misst.
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Eine Würdigung anderer Ziele und Aufgaben der Erfindung
sowie ein vollständigeres und umfassenderes Verständnis der
Erfindung können durch Studieren der folgenden Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen erlangt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Satelliten,
der eine Halbkugelanordnung sechseckiger Antennenflächen
sowie voll ausgefahrene rechteckige Solarzellenplatten
aufweist.
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Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Satelliten,
der ähnlich dem in Figur 1 dargestellten ist. Figur 2 zeigt
auch drei Sätze elektronisch gelenkter, von den sechseckigen
Antennen erzeugter Strahlen sowie die kreisförmigen und
elliptischen Ausleuchtgebiete, die die Strahlen auf der
Erdoberfläche aus leuchten.
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Figur 3 ist eine schematische Darstellung des Musters
mehrerer Strahlen, wie sie von dem in den Figuren 1 und 2
dargestellten Satelliten erzeugt werden.
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Figur 4 und 5 sind Kurven, die die geometrische Beziehung
mehrerer Raumfahrzeuge zeigen, die in einer von vielen
Umlaufbahnebenen in der Satellitenkonstellation laufen,
Diejenigen Pfade zwischen benachbarten Satelliten, die nicht
durch den Erdrand abgeschattet werden, sorgen für
Kommunikationsverbindungen zwischen Raumfahrzeugen in derselben
Umlaufbahn.
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Figur 6 ist ein schematisches Diagramm eines
GaAs-MMIC-Zeitverzögerungsnetzwerks.
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Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der aktiven
Linse, die eine große Anzahl der in Figur 6 dargestellten
Zeitverzögerungsnetzwerke enthält.
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Figur 8 ist eine schematische Darstellung einer aktiven
Linse, die eine Zeitverzägerungs-gesteuerte Antennenanordnung
beinhaltet.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Figur 1 zeigt eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der
Antennen. Diese perspektivische, schematische Ansicht zeigt
einen Satelliten 5, der eine Anordnung 10 im wesentlichen
sechseckiger, der Erde zugewandter Antennenflächen 12
enthält, die entlang ihren sechsseitigen Grenzen aneinander
angepasst sind, um eine leicht abgeplattete Halbkugelschale zu
bilden. Eine dem Raum zugewandte Anordnung 16, die Flächen
18 aufweist, ist an die der Erde zugewandte Anordnung 10
angepasst.
Die Antennenschale ist mit zwei im wesentlichen
geradlinigen, auseinandergefalteten Solarzellenplatten 14
verbunden, die dem Gehäuse des Raumfahrzeugs S nachlaufen.
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5 Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines ähnlichen
Satelliten 5, und es zeigt ebenfalls drei Sätze elektronisch
gelenkter Strahlen 19, die durch die sechseckigen Antennen
12 erzeugt werden, sowie die kreisförmigen und elliptischen
Ausleuchtgebiete 20, die die Strahlen 19 auf der
Erdoberfläche ausleuchten. Die Ausleuchtgebiete 20 der Funkstrahlen 19
sind als "Beleuchtungs"-Bereiche auf verschiedenen
Abschnitten der Erdoberfläche E dargestellt. Diese Strahlen sorgen
für Kommunikationsdienste für Teilnehmer, die tragbare (P),
mobile (M) und feste (F) Endgeräte verwenden, und für
Überleiteinrichtungen (G). Die mit 19a markierten Sätze von
Strahlen laufen den kürzest möglichen Weg vom Raumfahrzeug 5
zur Erde E, da diese Strahlen 19a entlang einem Pfad laufen,
der von der Erde zum Zenit Z und zurück läuft. Das durch
diesen Satz von Strahlen 19a beleuchtete Gebiet auf der
Oberfläche führt zu einem im wesentlichen kreisförmigen
Ausleuchtgebiet 20a. Andere Sätze von Strahlen, wie die mit 19b
und 19c markierten, sind stärker zur Linie geneigt, die vom
Erdmittelpunkt zum Zenit Z verläuft, und durch diese
Strahlen 19b und 19c beleuchteten Gebiete 20b und 20c werden,
solange sie nicht verbunden sind, zunehmend elliptischer, wenn
der Neigungswinkel größer wird.
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Figur 3 kombiniert viele Sätze von Strahlen und stellt einen
kompletten Satz von durch ein Raumfahrzeug erzeugten
Funkwellen 22 innerhalb des Sichtgebiets des Raumfahrzeugs dar.
Die Figuren 4 und 5 sind geometrische Kurven 24 und 26, die
Blicklinien zwischen benachbarten Satelliten enthalten, die
derselben Umlaufbahn entlanglaufen. Diese Kurven 24 und 26
zeigen die geometrische Beziehung mehrerer Raumfahrzeuge 5,
35 die auf einer von vielen Umlaufbahnebenen in der
Satellitenkonstellation
laufen. Die Pfade zwischen benachbarten
Satelliten, die durch den Erdrand nicht abgeschattet sind, bilden
Kommunikationsverbindungen zwischen Raumfahrzeugen 5 in
derselben Umlaufbahn.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
arbeiten die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Satelliten
in einer Konfiguration, die 29 Sätze von Raumfahrzeugen um
fasst, die in 29 Umlaufbahnen fliegen. Die gesamte Flotte
10 läuft in einer Höhe von 700 km (435 Meilen) um die Erde. Bei
diesem Ausführungsbeispiel sind die Antennenflächen oder
-oberflächen 12 so konzipiert, dass sie Signale an
Erdeinheiten senden und von diesen empfangen, die innerhalb der
durch die elektronisch gelenkten Strahlen 19 erzeugten
Ausleuchtgebieten 20 liegen. Von einem speziellen Raumfahrzeug
können nur diejenigen Erdeinheiten bedient werden, die
innerhalb des kegelförmigen Sichtlinienbereichs liegen, der
durch einen minimalen Höhenwinkel, oder "Maskierungswinkel",
von 40 Grad gebildet ist. Die sechseckigen Antennenflächen
12 und ihre zugehörige Signalverarbeitungsschaltung erzeugen
ein Muster mit sechseckiger Überdeckung. Bei einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Radius zum Zentrum jedes
der sechs Seiten jeder Fläche 12 den Wert 6,2 Grad, während
sich der Radius zu den sechs Ecken des Sechsecks über 7,16
Grad erstreckt. Ein Abstand von 12,41 Grad ermöglicht 29
Muster mit sechseckiger Überdeckung in jeder
Umlaufbahnebene. Ein ähnlicher Abstand entlang dem Äquator führt zu 29
Umlaufbahnebenen. Diese Konfiguration sechseckiger Flächen
12 sorgt in den Äquatorbereichen für doppelte Überdeckung
und in höheren Breiten, wo sich eine größere Anzahl von
Teilnehmern findet, für bis zu achtfache Überdeckung. Durch
Auswählen einer ungeradzahligen Anzahl von Satelliten und
Ebenen fällt das Zentrum der abfallenden Muster auf die
Ränder der ansteigenden Muster. Diese Auswahl gewährleistet,
dass praktisch jeder Bereich auf der Oberfläche zwischen den
Breiten von 70 Grad Nord und Süd durch die Konstellation
bedient wird.
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Im allgemeinen ist der Überdeckungswinkel für jeden Satelli
ten, wobei die etwas ungenaue Annahme zugelassen ist, dass
die Erde kugelförmig ist, durch den folgenden Ausdruck
gegeben:
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2a = 2arcsin(rcosΘ/(r+h)),
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wobei
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- a der Ralbwinkel des Erdüberdeckungskegels in Radian ist;
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- e der Maskierungswinkel der Benutzerantenne in Radian ist;
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- r der Erdradius (6378 km) ist; und
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- d die Höhe der Umlaufbahn (700 km) ist.
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Umlaufbahnen von 700 km sowie ein Maskierungswinkel der
Benutzerantenne von 40 Grad liefern eine Überdeckung von 87,3
Grad. Der schräge Bereich am Rand des Erdüberdeckungskegels
ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
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d = ((r+h)²-r²)cos²Θ)- rsinΘ = 1022 km.
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Die Erdüberdeckungsfläche des Kegels ist die folgende:
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A = π(d²+h²-2dhcos(a)) = 1.568.000 km².
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Diese Größe repräsentiert die Erdüberdeckungsfläche jedes
Satelliten, wenn das gesamte kreisförmige Ausleuchtgebiet
verwendet wird. Wie es oben in der ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung beschrieben ist, die
"Strahlkompensationsverfahren" beschreibt, ist diese Fläche in 256 Superzellen
unterteilt, und jede Superzelle ist ferner in 16 kleinere,
individuelle Zellen unterteilt. Die Gesamtanzahl von durch
jedes Raumfahrzeug erzeugten Zellen beträgt dann 256 x 16 oder
4.096. Jede dieser 4.096 Zellen verfügt über eine Fläche von
383 km². Wenn jede Zelle quadratisch ist, messen sie
ungefähr 19,6 km auf einer Seite. Obwohl das bevorzugte
Ausführungsbeispiel der Erfindung kreisförmige Ausleuchtgebiete 20
verwendet, müssen die von den Satelliten erzeugten
Ausleuchtgebiete nicht kreisförmig sein. Es kann jedes
regelmäßige, in den Kreis eingeschriebene Vieleck wirkungsvoll
verwendet werden. Andere alternative Ausführungsbeispiele
verwenden eingeschriebene Quadrate und eingeschriebene
Sechsecke. Die Fläche des Quadrats beträgt 63,7 % der
Gesamtfläche, während die Fläche des Sechsecks 82,7 % der
Gesamtfläche beträgt. Wenn die Zellengröße konstant gehalten
wird, beträgt die sich ergebende Anzahl von Zellen 2.609 für
Quadrate sowie 3.387 für Sechsecke.
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Die Weltraum-gestützten Antennenflächen oder -oberflächen 12
können am Rand jedes Ausleuchtgebiets für einen Gewinn von
45 dB, und nahe der Fußpunktposition einen solchen von 42 dB
sorgen. Da die von den Weltraum-gestützten Antennenflächen
12 erzeugten Strahlen so leistungsfähig sind, können
erdgestützte Endgeräte Antennendesigns für niedrige Leistung
enthalten, die im wesentlichen alle Strahlungsgefahren
beseitigen, die andernfalls den Benutzer bedrohen könnten. Jede
Antenne verwendet eine Kombination aus den Frequenzbändern von
20 und 30 GHz für Satelliten-Boden-Kommunikationen, und sie
sendet 256 gleichzeitige Strahlen aus, die für 4.096
Positionen gemultiplext werden. Strahlen, die auf den Horizont
zielen, besitzen elliptische Form, im Gegensatz zu
kreisförmiger oder Polygonform, um den kleinen Winkel bei streifen
dem Einfall zu kompensieren, so dass ein konstantes
Erdüberdeckungs-Ausleuchtgebiet aufrechterhalten bleibt. Inkorrekte
Strahlen verfügen über ein elliptisches Bodenmuster, das den
Wirkungsgrad bei der spektralen Wiederverwendung
beeinträchtigt. Elektronische Strahllenkung erlaubt auch unabhängige
Steuerung des Richtwirkungs-Gewinns und des
Leistungsgewinns.
Die Strahllenkung sorgt für ein zweckdienliches
Verfahren zum Korrigieren von Leistungsniveaus bei Schwund
durch Regen. Der vom Satelliten übertragene Leistungsgewinn
kann beim Senden erhöht werden, um Schwund in der
Abwärtsverbindung zu überwinden. Der
Satellitenempfangs-Leistungsgewinn kann während des Empfangs erhöht werden, um Schwund
in der Aufwärtsverbindung zu überwinden. Die Verwendung
dieser zwei Techniken überwindet mögliche schlechte
Kommunikationsfunktion während Regenwetterzuständen.
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Zu Signalverarbeitungskomponenten im Raumfahrzeug gehören
GaAs-MMIC-Filter, die für das elektronische Steuern aktiver
Antennenanordnungen an Bord jedes Satelliten zuständig sind.
Figur 6 ist ein schematisches Diagramm eines
GaAs-MMIC-Zeitverzögerungsnetzwerks 28. Figur 7 zeigt schematisch die
aktive Linse 30, die eine große Anzahl von
Zeitverzögerungsnetzwerken 28 enthält, die mit strahlenden Elementen 32
verbunden sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist als Zeitverzögerungsnetzwerk die von Pacific
Monolithics, Inc. in Kalifornien hergestellte Schaltung Modell
Nr. TD 101 verwendet. Es können auch andere,
konventionellere Zeitverzögerungsnetzwerke verwendet werden. Die
elektronische Lenkung wird unter Verwendung dieser
Zeitverzögerungsnetzwerke 28 erzielt, um eine aktive Linse 30 zu
schaffen. Der Brennpunkt der Linse 30 steht in Zusammenhang mit
dem Richtwirkungsgewinn der Antennenfläche 12, und er kann
elektronisch eingestellt werden. Die Fähigkeit den
Richtwirkungsgewinn einzustellen, ist für Kommunikationssatelliten
in niedrigen Erdumlaufbahnen wichtig, da weniger Gewinn
erforderlich ist, wenn eine Zelle am Satelliten-Fußpunkt
angesprochen wird, als dann, wenn eine Zelle am Rand des
Satelliten-Ausleuchtgebiets 20 angesprochen wird. Es ist auch
wünschenswert, den Richtwirkungsgewinn in der Hochebene zu
erhöhen, wenn eine Zelle am Rand des
Satelliten-Ausleuchtgebiets angesprochen wird. Die in die Antennenfläche 12
eingebaute
aktive Linse 30 ermöglicht es, diese variablen
Richtwirkungsgewinne ohne Verringerung des Wirkungsgrads, wie in
Zusammenhang herkömmlicher Antennenanordnungen, zu
realisieren. Die in Figur 7 dargestellte aktive Linse 30 ist das
Mikrowellen-Analogon zu einer optischen Linse. Durch Erhöhen
der Zeitverzögerung für die signalpfade im Zentrum der Linse
in bezug auf den Rand der Linse kann die Brennweite der
Linse elektronisch geändert werden, was seinerseits den
Richtwirkungsgewinn der Antennenflächen 12 ändert.
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Die Antennenflächen 12 sorgen für eine elektronische
Lenkung, die ausreichend genau dafür ist, eine praxisgerechte
Gewinnvariation im Bereich von 42 dB bis 45 dB zu
realisieren. Z. B. erfordert ein Ändern des Radius eines Strahlungs
musters um 200 Meter in einem Bereich von 1200 Kilometer
eine Zeitverzögerungseinstellung von 4 Pikosekunden für eine
Antennenanordnung mit einem Gewinn von 45 dB mit Abmessungen
von 1,2 Meter auf einer Seite. Eine aktive Linseneinstellung
für den Bereich von 42 bis 45 dB (bei einem System von 20/30
GHz) erfordert Zeitverzögerungen in der Größenordnung von 4
bis 35 Pikosekunden.
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Die aktive Linse 30 kann unter Verwendung einer von zwei
Techniken aufgebaut werden. Die erste, die in Figur 7
dargestellt ist, verwendet eine herkömmliche Linse mit vielen
Paaren von Empfangs- und Sendeantennen, die jeweils mit
einem aktiven Zeitverzögerungsnetzwerk in Reihe geschaltet
sind. Die zweite Technik, die beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung vorhanden ist, ist eine
Zeitverzögerungsschaltung 34, wie sie in Figur 8 dargestellt ist. Diese
Schaltung 34 umfasst einen Einspeisepunkt 36, der mit einer
Zeitverzögerungs-gesteuerten Anordnung 37 verbunden ist, die
eine Reihe von Schaltern 38, Zeitverzögerungspfaden 40,
Übertragungsleitungen 42 und Verstärkern 44 umfasst. Die
Zeitverzögerungs-gesteuerte Anordnung 37 ist mit der
Zeitverzögerungs-aktiven Linse 30 und mit Strahlungselementen 32
verbunden.
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Die geschalteten Zeitverzögerungsnetzwerke 28 am
gemeinschaftlichen Einspeisepunkt erzielen Strahllenkfunktionen.
Die Zeitverzögerungsnetzwerke 28 können entweder für
Strahllenkung mit feiner Gewinnänderung (einige wenige Grad) oder
zum Ändern des Richtwirkungsgewinns der Antenne (Brennweite
der Linse) eingestellt werden.
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Jeder Satellit S steuert die Zuordnung von Kanälen zu
Dienste anfordernden Endgeräten. Wenn ein Endgerät Blick auf mehr
als einen Satelliten hat, überwachen die Satelliten die
Signalqualität und wählen denjenigen aus, der zum Handhaben
des Anrufs für das Endgerät am besten geeignet ist. Der
Empfangsstrahl vom erdgebundenen Endgerät eilt dem vom
Satelliten emittierten Sendestrahl um ein festes Intervall nach.
Das Endgerät überträgt seine Daten mit einer Verzögerung an
den Satelliten, die vom Satelliten bei dessen vorangehendem
Abtastvorgang spezifiziert wurde. Dieses Verfahren wird dazu
verwendet, Verzögerungsdifferenzen zu kompensieren, wie sie
durch Variationen der Pfadlängen verursacht werden. Das
Abtastmuster zwischen Strahlen wird koordiniert, um zu
gewährleisten, dass alle Zellen, die zu einem Zeitpunkt abgetastet
werden, mit einem ausreichenden Abstand getrennt sind, um
Wechselwirkung zwischen vielen dicht beabstandeten Kunden zu
beseitigen. Ein elektronischer "Verstellbesen" (Pushbroom)
führt die Strahlen über eine Strahlposition in der Richtung
des Laufs des Satelliten, und dann führt er einen Rücklauf
aus. Jeder Strahl transportiert einen Kontrollton, der jeden
Strahl für erdgebundene Endgeräte identifiziert. Komponenten
an Bord jedes Satelliten messen die Zeitverzögerung und die
Dopplerverschiebung jedes Teilnehmersignals, um den Ort des
Teilnehmers innerhalb eines speziellen
Strahl-Ausleuchtgebiets zu bestimmen. Da die Satellitenantennen mit relativ
hohem Gewinn arbeiten, sind die Ausleuchtgebiete am Boden
relativ klein. Da die Zellen klein sind und sich die
Satelliten-Ausleuchtgebiete schnell über die Erdoberfläche
bewegen, verbleibt jedes spezielle Endgerät nur für einige
wenige Sekunden in derselben Zelle. Um schnelle Übergabe von
einem Satelliten zum nächsten alle wenige Sekunden zu
vermeiden, wird in Verbindung mit der Erfindung das innovative,
logische/physikalische Zellenkartierungssystem verwendet,
das in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung zur
"Strahlkompensation" verwendet wird.
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Es können einige Raumfahrzeuge in einer einzelnen
Umlaufbahnebene miteinander kommunizieren, wenn sie über dem
Erdhorizont liegen. Satelliten kommunizieren unter Verwendung
eines Frequenzbands von 60 GHz zwischen Satelliten
untereinander. Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele sorgt
eine Antenne von 1,5 Fuß für ungefähr 45 dB Gewinn, was eine
praxisgerechte Verbindung zwischen Satelliten (ISL =
intersatellite link) unterstützt. An jedem Satelliten werden für
ISL-Verbindungen vier feste und zwei elektronisch lenkbare
Antennen verwendet. Wahlweise Verbindungen in der
Umlaufebene können die Anzahl von ISL-Antennen auf zehn erhöhen, von
denen acht fest wären und zwei lenkbar wären.
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Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfasst
Satelliten, die in 21 Umlaufbahnebenen mit jeweils 40 Satelliten 5
in jeder Umlaufbahn kreisförmig umlaufen. Dieses
21x40-Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung derselben
Antennenflächen 12 realisiert werden, die modifiziert werden können,
um die erhöhte Besetzung in der Konstellation zu
berücksichtigen.
SCHLUSSFOLGERUNG
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf speziell
bevorzugte
Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben wurde,
erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung
gehört, dass verschiedene Modifizierungen und Verbesserungen
vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und
Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen. Die
verschiedenen Umlaufbahnparameter sowie Statistiken zur
Satellitenpopulation und -konfiguration, wie sie vorstehend
offenbart wurden, sollen den Leser über ein bevorzugtes
Aufführungsbeispiel unterrichten, jedoch sollen sie die Grenzen
der Erfindung oder den Schutzumfang der Ansprüche nicht
beschränken. Die folgende Liste von Bezugszeichen soll den
Leser mit einer zweckdienlichen Maßnahme zum Erkennen von
Elementen der Erfindung in der Beschreibung und den
Zeichnungen versehen. Diese Liste soll den Schutzumfang der
Ansprüche weder begrenzen noch einengen.
INDUSTREILLE ANWENDBARKEIT
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Satellitenantennen und Strahlsteuerungsmethoden für
"Satelliten-Kommunikationssystem", wie oben beschrieben, wird dazu
beitragen, die Grenzen zu überwinden, die das
Funktionsvermögen und die Fähigkeiten vorhandener Telefonsysteme
beschränken Die Erfindung kann kontinuierliche Tonsignal-,
Daten- und Videodienste für Kunden auf dem gesamten Erdball,
an Land, auf See oder in der Luft liefern. Anstatt dass
lediglich vorhandene landgestützte Systeme verbessert oder
erweitert werden, umgeht die Erfindung die zentralisierte,
erdgebundene Vermittlungshardware dadurch, dass sie die
gesamte Intelligenz des Netzwerks in Umlaufbahnen verlegt.
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Abweichend von herkömmlichen hierarchischen Systemen, die
über ein komplexes Netz von Leitungen, Kabeln, Glasfasern
und Mikrowellenumsetzern, die sehr teuer im Aufbau und der
Wartung sind, miteinander verbunden sind, setzt die
Erfindung das wahre Kommunikationspotential vorhandener landge
stützter Netzwerke dadurch frei, dass Signale über
Raumfahrzeuge
in niedrigen Erdumlaufbahnen geleitet werden. Die
Erfindung wird die Telekommunikationsindustrie revolutionieren
und ein breites Spektrum von Diensten und industriellen
Gelegenheiten um die ganze Welt bieten.
LISTE VON BEZUGSZEICHEN
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10 der Erde zugewandte Antennenanordnung
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12 sechseckige Antennenflächen
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14 Solarzellenpiatten
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16 dem Weltraum zugewandte Anordnung
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18 dem Weltraum zugewandte Flächen
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19 elektronisch gelenkte Strahlen
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20 Ausleuchtgebiete
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22 Funkwellen entlang der Sichtlinie
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24&26 geometrische Kurven
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28 GaAs-MMIC-Zeitverzögerungsnetzwerk
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30 Zeitverzögerungs-aktive Linse
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32 Strahlungselemente
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20 34 Zeitverzögerungsschaltung
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36 Einspeisepunkt
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37 Zeitverzögerungs-gesteuerte Anordnung
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38 Schalter
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40 Zeitverzögerungspfade
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42 Übertragungsleitungen
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44 Verstärker
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E Erde
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F festes Endgerät
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G Überleiteinrichtung
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M mobiles Endgerät
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P tragbares Endgerät
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S Raumfahrzeug
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Z Zenit