在倾斜轨道上的卫星蜂窝电话和数据通信系统

本发明涉及移动通信，特别涉及改进的卫星蜂窝电话和数据通信系 统。

在一些常规的卫星通信系统中，卫星或节点在极地轨道中绕地球运 行，即卫星在跨越北极和南极的轨道中绕地球运行。虽然在极地轨道中 的卫星提供整个地球的覆盖，但是存在两个问题。

第一，极地轨道卫星产生一个反向旋转缝(Counter-rotating seam)。反向旋转缝是由卫星在相反方向中运行产生的。例如，假定卫 星从南极向北极运行，一旦它们通过了北极，该卫星则向相反的方向运 行，亦即这时卫星从北极向南极(即轨道的另一半)运行。在通过南极 之后，该卫星又向上朝着北极方向运行，因此在一些在轨道的一半中运 行的卫星超越轨道的另一半中运行的其它卫星时产生反向旋转缝。反向 旋转缝产生了如何建立和保持在相反方向中运行的卫星之间的通信的问 题。

第二，虽然多个极地轨道卫星覆盖比单个卫星覆盖优化了对整个地 球的覆盖，但是双波束覆盖可能要求双倍的卫星数量或者要求这些卫星 本身增加更多的能力。然而，双倍的卫星数量和对卫星增加更多的能力 显著地增加系统的费用，而且每当增加能力时通常卫星总是要增加更多 的重量。

据此，本发明的目的是提供一种低地球轨道的多卫星蜂窝通信系 统，该系统消除了反向旋转缝并且提供覆盖大部分地球的连续双通信。

图1表示本发明可构成其一部分的基于卫星通信系统的高度简化 图；

图2是表示卫星交换单元与其相关的移动用户的互相连接和互连到 公共交换电话网的简化方框图；

图3表示由地面蜂窝卫星交换星座服务的区域上双波束覆盖范围；

图4表示星座的几何图形，用于确定相同轨道平面中的卫星之间和 不同轨道平面中的卫星之间的间隔；

图5～6表示根据本发明优选实施例的卫星星座的卫星点和时间序 列；

图7表示卫星蜂窝通信系统的数据库设置方框图。

参见图1，图中示出一种改进的卫星蜂窝电话通信系统的高度简化 的卫星配置。在这个配置中示出在一个低地球轨道中的多个卫星。多个 卫星放置在每个轨道平面中，该轨道以约60°倾斜角并对除了北极和南 极附近的少数地区外的地球的大部分地区提供连续的双卫星交换覆盖。 这些卫星直接在多个蜂窝电话和配备了数据传输的用户之间接口，还将 这些用户接口到公共交换电话网(PSTN)。

这个卫星蜂窝结构有点类似于目前的蜂窝移动电话系统。目前，基 于地面的蜂窝系统、蜂窝站址是固定的，而用户是移动的。当用户从一 个网孔站地移动到另一个网孔站址时，他的电话呼叫从一个蜂窝交换单 元越区切换到另一个交换单元。

在本发明中，在任何给定时间用户是相对固定的，而作为网孔的卫 星是连续地移动。对于手持的或移动安装的蜂窝电话机来说与图1所示 的卫星交换机之一的连接是直接从手持移动安装的或远端固定的电话机 到最接近的卫星交换机之一的连接。每个卫星绕地球运动。在开始起着 特定用户的交换单元作用的卫星离开该交换机的网孔时，该用户的呼叫 被“越区切换”到适当的相邻网孔。相邻网孔可能是在一个卫星范围内 的网孔或者位于一个特定轨道平面或相邻轨道平面中的其它卫星的网 孔。用户可“漫游”，但是与卫星交换机的移动距离相比这个漫游距离 相当小。

与蜂窝移动电话系统类似，卫星蜂窝通信系统提供频谱效率。这意 味着相同的频率可由不同的卫星交换机同时使用。频谱效率由卫星交换 机和用户之间的空间分集提供。

用户可位于纬度小于低地球轨道卫星高度的大片陆地、水中或空中 的任何地方。例如，在一大片陆地上的一个人可呼叫在另一片陆地上的 一个人、在船上的一个人或在飞机中的一个人。

低功率手持移动安装的或固定的无线电话机可用于这个系统中。利 用本技术功率要求小于10瓦。

在这个系统中，所示的每个卫星是一个交换单元。大多数常规卫星 通信系统主要起着中继站或“弯管”的作用，亦即，它们提供固定的点 对点通信或者通过卫星从地球上的一点到地球上的另一点的通信。常规 的卫星通信系统没有与相同轨道平面或另一轨道平面中的另一个卫星通 信的能力。在本发明中，每个轨道卫星都具备交换功能，以便卫星能够 与相同轨道平面的卫星和不同轨道平面中的卫星通信。

如前所述，在优选的实施例中，每个卫星轨道平面以60°角倾斜。 以较高和较低的倾斜的轨道运行卫星平面是可工作的。通过减少或增加 相对于倾斜角的轨道平面高度，可保证对地球大部分地区的连续双卫星 覆盖。以优选的60°倾斜角绕地球运行的卫星在地球的大部分地区提供 连续的双卫星覆盖。在北极和南极地区覆盖是时有时无或者是不存在 的，或在纬度80-85°以上是不保证的。

在优选的实施例中已经证明连续双卫星覆盖可以用81个低地球轨 道运行卫星实现。这些卫星可安排在九个60°倾斜的轨道平面中，每个 平面安排几个卫星。其它的配置也可使用，如八乘八或七乘七配置。但 是，卫星的高度必须调整以计算出比优选的九乘九卫星星座具有少些或 多些卫星的星座的不同网孔尺寸。

每个卫星包含一个卫星交换单元、合适的天线11(例如，上行/下 行链路的螺旋天线和交叉链路的透镜)和解折叠展开的太阳能电池阵列 12以及连接到为该交换单元提供电源的太阳能电池的蓄电池组(未示 出)。卫星运载舱或运载工具本身是诸如商业化的低地球轨道运行卫星。 这些卫星由发射运载工具送入轨道。在轨道中时，太阳能电池阵列开启， 因而交换单元工作。然后经过标准遥测、跟踪和控制信道(TT&C)， 将这些卫星单个地联机在线以形成网络。

如图1所示，携带手持电话机的用户A摘机，由特定的卫星1接收 该信道请求。频率信道分配给该用户，然后通过该系统发送呼叫者所希 望的号码。每个卫星是一个分布式本地处理器并确定该呼叫的交换如何 出发生。卫星1把呼叫转接到其自身网孔组(cell complement)内的适 当网孔或适当的卫星网孔组。路径由每个卫星交换单元确定直到由卫星2 收到呼叫为止。然后卫星2发送这个呼叫到图1中所示的特定手持用户 B。

虽然示出两个手持用户，但用户可以在水上、在移动车辆中、飞机 上或是PSTN的一部分，在该PSTN中链路是通过一个网关器的。每个 卫星是一个本地处理器。该系统确定呼叫被转接到那个合适的卫星或网 孔。每个卫星确定从其本身到下一个合适卫星的优选路径。这些确定的 根据是被叫用户电话号码的局代码部分。

典型地，每个卫星投射到地球上至少4个或更多个波瓣并包括用于 转换的至少4个或更多个相应网孔。这些覆盖波瓣通过具有与波瓣数相 当的固定波束宽度的天线(典型地为螺旋形)取得。重叠网孔将使用目 前的蜂窝技术区别。每个卫星确定从它到下一个卫星的最佳路径，通过 该路径发送特定呼叫或数据传输。这些卫星交换机对数据分组进行操 作，因此可发送数字话音或数据。在FDM基础上接收下行链路和上行链 路数据/数字话音，进行解调，然后分组用于卫星对卫星通信。

图2示出卫星的一个平面的一部分的互连，还示出了卫星到该卫星 相应移动用户和到公共交换电话网的连接。图2示出三个卫星：卫星40、 卫星50和卫星60。卫星40由链路i接到卫星50。卫星50由链路i＋1 接到卫星60。卫星60经链路i＋2接到该平面的下一个后续的卫星(未 示出)。卫星40经过链路i－1接到下一个在先卫星(未示出)。卫星 的每个平面形成围绕地球的连接卫星的环。

如前所述，图2图示一个卫星平面。另外，每个卫星经过无线电或 光通信与其它轨道平面中的一个或多个卫星联络。即，每个卫星与其运 行轨道平面中的前一个和后一个卫星以及在其它运行轨道平面中的一个 或多个卫星联络。

卫星间的链路链路i－1、链路i等可通过在微波束上或激光束的数 据传输来实现。现有技术目前提供这种数据传输。

例如，卫星与其移动用户之间的联络是利用波束j－1和j＋1实 现的。这些波束相应于图3所示的波瓣和上述的交换单元。这些波束通 过卫星上行/下行链路天线获得，通过用户全向天线向用户提供通信。一 个特定卫星在一个时间可处理的用户数的限制取决于分配的带宽加上在 卫星上可得到的功率。典型地这个数目可以是每个卫星50000用户。

卫星40被表示为经过波束i－1连接到中继站或网关器10。任何 卫星，如卫星40，都能够发送和接收来自网关器(如网关器10)的数 据。这个网关器链路可使用分组数据实现，类似于卫星到卫星链路。

网关器10包括互连到公共电话交换网(PSTN)20的单元。所有 公共交换电话网用户30都连接到公共交换电话网20。由于卫星40通过 网关器10连接到PSTN20，故经过波束直接到一个卫星的卫星蜂窝系统 的移动用户可通过卫星结构(经过相应链路从卫星到卫星)通过网关器 10、通过公共交换电话网20向选定的PSTN30的用户发送话音或数据， 反之亦然。

每个卫星提供几个数据传输波束。对于根据优选实施例的九乘九轨 道星座，这些数据传输波束投射图3中所示的覆盖波瓣。这些卫星以60 °倾斜在1118km的高度上具有10°仰角在轨道上运行。

如图2所示的，卫星可使用其一个或几个波束提供到网关器的接 口。建立每个网关器和卫星之间链路至少需要一个波束。典型地一个卫 星只链接一个网关器。一个网关器提供足够的中继，以互连多个移动用 户到公共交换电话网20。

每个卫星在其波束或网孔之间执行内部交换。这类似于常规电信系 统的局内交换。例如，卫星和其移动用户或网关器之间的上行/下行链接 装置通过波束可在约2.1至3.9GHz的范围中发送和接收数据。本技术和 频段可用性使它为一个优选的数据传输范围。但是，本发明的范围不限 于仅在这个范围内的数据传输。

如前所述，数据(数字话音或数据)以分组形式发送，因此通过卫 星系统可实现高速数据传输以及话音数据传输。给定目前可用的带宽的 数据传输速率至少1200波特。但是，利用扩展的带宽和利用这个系统实 际上可获得较高的数据速率。

图3表示根据本发明的优选实施例，在九乘九卫星星座地面上的双 卫星覆盖。根据优选的实施例，卫星倾斜60°且在1118km的高度。其 它的倾斜角也可使用，除了取得双卫星覆盖之外，卫星的高度也必须改 变。卫星还具有最小10°仰角的脚印。

如图3所示，卫星图型示出没有反向旋转缝。没有反向旋转缝意味 着建立和维持在相反方向移动的卫星之间的无线电或光通信的问题最 小。此外，如图所示的，存在着更多的卫星摆动。

卫星星座建立在三角几何关系上，例如可以是一个等边三角形。四 个卫星彼此以平行四边形几何关系相关。这个配置允许卫星以提供必要 覆盖的方法分组。在由三角形几何表示的三个卫星的交点满足最小仰角 (在优选实施例中为10°)。

图4表示根据本发明的优选实施例，在倾斜角30°至90°(同方 向运行)或90°至150°(逆运行)之间的卫星，在相同平面中的卫星 和在另一个轨道平面中的卫星之间的间隔的星座几何图形。卫星A1和 A2在相同轨道平面中，而卫星B1和B2在相同轨道平面中。在相同轨道 平面中卫星之间的间隔由下式得出：

        Ss＝360/Ns    (1) 式中Ns＝在平面中卫星的数量

Ss＝卫星间隔(度)

在不同轨道平面中的卫星之间的间膈由下式得出： $R=\sqrt{3}\left(S_s\right)÷2\sin i---$$\left(2\right)$ $S_p=S_s[0.5-(\sqrt{3}÷{2t}_{\mathrm{an}}i)]---\left(3\right)$ $L=\sqrt{3}\left(S_s\right)$$÷2\sin (i+30)---\left(4\right)$ 式中i＝卫星倾斜角(度)

R＝RAAN间隔(度)

Sp＝卫星定相(phasing)(度)

L＝纬度间隔(度)

利用式(1)～(4)，星座中的卫星彼此具有三角的几何关 系。如图4所示，卫星A1、A2和B1彼此具有三角的关系。类似 地，卫星A2、B1和B2具有三角几何关系。

双覆盖也由三角形的几何状确定。对于任何卫星星座，围绕三 角几何形状是优化的设计。双卫星覆盖可通过多个卫星加密星座 (次优化)或在较高的高度上飞越星座可保证低于纬度60°。

共同旋转卫星都保持相同的关系，因此交叉链路不受影响。如 果交叉链路网络是基于三角的几何形状，则交叉链路与卫星倾斜无 关。换句话说，只要保持几何关系，动态特性是相同的。

代之以东-西交叉链路出现跨越不同的轨道平面和具有极地 轨道的卫星那样跨越缝，东-西交叉链路基本上停留在相同轨道平 面。这是由于卫星以60°倾斜角(或以一些其它的角度)绕地球 运行。而且，交叉链路缝动态特性最小化或消除跨越缝的通信。

根据优选的实施例，图5和6表示在九乘九卫星星座中81个 卫星的每个卫星相对运动的子卫星点和六个一分钟步长向时间序 列。卫星的每个轨道在1118km的高度上以60°角倾斜并具有10 °的仰角脚印。

图7表示经过波束102直接接到移动用户120的一个卫星交换 单元100。卫星100经过波束104与数据库计算机110联络。卫星 100还经过波束106与数据库计算机130联络。这个联络可如图7 所示的经过波束106直接到或者通过其它的卫星间接与数据库计 算机130联络。

移动用户可在归属区中“漫游”或移动。归属区可以是一个市 如纽约、洛杉机等。数据库计算机110含有与其每个移动用户相关 的所有信息。只要特定的移动用户在他们归属区操作，与该用户相 关的所有可用信息在本地归属区数据库计算机都是可用的。

例如，如果在洛杉机市的一个归属区用户旅行到纽约市并且试 图使用他的卫星蜂窝电话进行通信，则在纽约市用户的新区中的数 据库计算机不知道该用户存在。如果数据库计算机110是在移动用 户的归属区洛杉机，则数据库计算机110具有该特定移动用户的所 有信息。为此，移动用户不被允许发出呼叫，因为他不被他的归属 区的数据库计算机识别。

为了克服这个问题，由该系统周期地询问每个移动用户以确定 其位置，以便在他摘机时其业务呼叫可被识别和发送。但是，由于 特定用户的数据库经过卫星系统存储在他的归属区数据库计算机 中，故卫星系统首先询问归属区，以确定他不再在那里，并获得该 用户的交换信息。当作出决定时，新的归属区的数据库计算机可被 更新，以便包括这个“漫游”用户。结果，就允许这个用户在他的 新区中始发和接收呼叫。因为卫星系统询问用户的归属数据库计算 机来确定他的位置，故可在整个卫星系统中寻找该用户。因此，本 系统提供寻找“漫游”用户并与他们建立通信的能力。

为了便于跟踪每个移动用户，每个移动电话机提供被周期地监 视的控制信号，以便在用户始发呼叫时，最接近的卫星可跟踪他并 通过卫星网络询问他的归属数据库计算机以确定他的适当的用户 信息。移动电话机可自动地向卫星网络显示一个新位置用以更新数 据库计算机。这个控制信号允许“漫游”用户的来话呼叫通过链接 到归属区的数据库计算机的卫星对卫星进行确认。

卫星蜂窝通信系统中的每个卫星是自导航的。即，它使用全球 定位卫星系统(GPS)或时间及天体位置推算数据，由该数据计 算它的位置信息。另外，从全球定位系统或其它运载工具的固定位 置，每个卫星可确定其位置和因此修改其过程而停留在其合适的轨 道内，同时提供交换业务。

每个卫星可在卫星内(特定交换单元或网孔内)交换呼叫或者 可通过微波或激光链路(链路i、i＋1等)把该呼叫连接到在其 平面内或平面外(相邻)的另一个卫星。每个卫星可区别特定的电 话号码并确定该号码是在其本身呼叫区内还是在另一个卫星的区 域内。如果是在另一个卫星的区域内，则呼叫交叉链接到下一个合 适的卫星或进行相同确定的网孔，直到到达服务该电话号码的卫 星。到特定移动用户的卫星下行链路试图被呼叫。由于这个结构而 使卫星网络提供分布节点交换能力。每个卫星是特定区域的本地交 换机，但是该区是不断地变化的。为此，当卫星移出特定电话机用 户的范围时，呼叫被越区切换。

各种多路复用技术(即FDMA、TDM、CDMA等)可用于 增强图2所示链路上的各个卫星之间的传输能力。

由于这个系统的交换单元是绕地球运行和相当保密而不致窜 改，故这个系统利用本领域公知的数据加密和解密技术提供支持安 全话音和数据传输的能力。由于交换单元享受在地球上空几百公里 的安全，故该系统还适用于军事通信应用。

如上所述，以60°角倾斜的卫星星座提供优于极地轨道的多 种好处和优点。改进的卫星星座消除反向旋转缝以及与跨缝通信有 关的问题。改进的卫星星座确保双卫星至少覆盖地球的85％面 积。因双卫星覆盖，故减少了网关器水平(horizon)干扰。卫星 星座增加通信的可靠性，同时改善功率管理和具体性能。而且，对 于建立与卫星星座大多数网孔中的用户单元的通信来说存在较少 的延迟时间。另一个优点是改善了地理位置。还有一个优点是改善 了负荷平衡和资源分配。