本发明一般涉及卫星通信。更具体地说，本发明涉及一种卫星系统 和方法，它能在位于不同高度的卫星之间例如在中地轨道(Medium Earth Orbit)中的卫星和在地球同步轨道中的卫星之间提供连续的不间 断的链路。

通信和数据卫星中继站被用于帮助两个地点之间的信息交换。所述 地点可以是卫星或地面站。由于以下的理由，这些“用户”可能需要使 用中继方法：(1)地球处于用户和与用户进行通信的地点之间；(2) 用户不能指向其想要的地点的方向，但能够指向中继站；(3)用户没 有用来直接和其想要的远方地点进行通信的电源或设备。

对于卫星中继站所要考虑的主要因素如下：(1)造价；(2)效 果(例如数据速率、覆盖范围、用户数等)；(3)复杂性；(4)考 虑到由和卫星中继通信的用户所需的专用设备和功率而给用户带来的负 担；(5)从旧的中继系统向新的中继系统的过渡；(6)灵活性。

对地静止卫星可以用作中继站，因为它在地球上方是静止的，这样， 地面站就可以使用固定天线。其优点是地面用户从用户向对地静止卫星 中继站看到相当低的视距改变。此外，对地静止卫星较难被对手破坏， 这是由于拦截飞行器需要较大的能量和长的报警时间。

不过，对地静止卫星在通信中继站应用中不是没有缺点的。它们需 要大的助推器用来把其发射到赤道上方的22，300英里(35， 900km)的高的对地静止的高度；并且由于高的高度，它们需要大的天 线来发射和接收射频(RF)信号。同样，要求用户也具有大的天线用以 和在对地静止的高度上的卫星发送和接收信号。

对地静止卫星中继站的其它缺点在于对地静止轨道是相当挤的，因 为它围绕赤道延伸，并且至少需要3个对地静止卫星才能覆盖大部分地 面站。此外，投资大，而且倾斜轨道需要在高的高度上对地面提供服务。 具有倾斜轨道的地球同步卫星的使用实际上消除了静止的固定的用户天 线的优点，并需要较多的卫星以覆盖所有的高度。

一般地说，具有任何类型的卫星链路的对地静止卫星都具有这些缺 点。在本发明的领域中，一种卫星链路需要通过射频、激光或其它合适 的信号信道技术在卫星和另一个实体之间进行信息的单向或双向传输。 其它实体可以是另一个卫星、地面站或某些其它能够通过空间发送和接 收信号的实体，例如飞机或空间站。

也考虑过在较低高度上的卫星中继站，例如低地轨道(LED)、中 地轨道(MEO)或高椭圆轨道(HEO)。然而，低高度的卫星中继站 需要更多的卫星来覆盖地球以提供连续的服务。当使用一个以上的卫星 配合工作以覆盖地球时，多个卫星中继站被称作“星座”。

较低高度的卫星中继站更易于受到攻击，并具有相当高的LOS角速 率和更频繁的继续要求。HEO卫星大部分时间运行在地球同步高度附 近，和地球同步卫星具有许多相同的优点和缺点。HEO链路必须被通 断，尽管比LEO或MEO高度发生的频率少。最后，为和地面站链接， 较低高度的卫星中继站通常需要和在其星座中的其它卫星中继站建立通 信链路。在星座中的其它卫星中继站当中的这一交叉链接引起通信链路 的复杂的路由和通断序列。

这些系统通过使用交叉链路为信号在许多卫星当中选择路由，交叉 链路是在每个卫星的控制板上的智能开关和路由器。在空间中的这种“智 能开关/路由器”是一个主要的缺点，因为这些卫星系统必须指向其它卫 星，而确定哪个卫星应当是信息的接收卫星是复杂的。如果被选择的接 收卫星由于其它数据传输而已过载，则情况就更加复杂。这种情况就使 况得必须使发送卫星改换路由而把信息传给另一个卫星。

因此，本发明的目的在于提供一种卫星中继系统，它不太复杂，更 加灵活，对潜在的有问题的环境更加坚固并减轻用户为实现中继功能的 负担。

本发明的另一个目的在于提供一种卫星中继系统，其中交叉链路不 被遮断，因而当第二卫星相对第一卫星运动到地球后面时，不需要第一 个卫星断开其和第二卫星的通信链路而和第三卫星建立新的链路。

另一个目的在于提供不间断的交叉链路，它总是在地平线之上，即 总在视距之上，或其延伸不会碰到地球。

本发明的另一个目的在于提供一种卫星中继系统，它借助于要求较 少的卫星作为RF或激光信号的卫星中继站而消耗较小的功率。

本发明提供一个或几个或一个或几个中地轨道(MEO)卫星中继 站同步的对地静止的或地球同步(GEOS)卫星中继系统，从而在这两 组中继站之间产生连续的链路。卫星的这种同步的布置具有用户负担较 小的优点，因为基于地球的用户不必发送到GEOS高度。这种类型的混 合系统(即一个或几个MEO卫星，它们和一个或几个GEOS卫星同步) 接受把信号发送到GEOS高度又返回地面的负担。此外，这种混合系统 需要较小的发射飞行器并更加坚固，因为一个MEO中继通信链路的中断 对系统的影响小于在单纯的基于GEOS的卫星中继系统中的中断对系统 的影响。

此外，混合系统使用较少的GEOS卫星中继站(少到可以用一个)， 但仍能提供和地面的连续的链路，这是因为在GEOS和MEO卫星中继 站之间独特的同步作用。因而，在MEO卫星中继站之间不再需要交叉链 路，虽然在合适的应用中可以提供这种交叉链路。

本发明的结构还可以提供在地平线之上(ATH)的连续的通信链 路。ATH通信链路具有下列附加优点：(1)避免来自地球上的光源或 射频源或来自GEOS辐射干扰的在每个方向上对陆地通信的干扰；以及 (2)减少因陆地位置而引起的信号中断的可能性。

本发明可以用于几种不同类型的通信应用中。例如，在军事通信的 情况下，分散的用户组(例如在战场上的军队或军事卫星)需要来自一 个或几个地面站的信息，或是来自现场的用户的信息需要被发送给这些 地面站。本发明也可用于商业目的，例如，当分散的用户需要和在GEOS 或MEO-GEOS-MEO卫星中继站内的一个或几个指定的地面站进 行通信时。通过MEO-GEOS卫星中继链把来自地面站的信息传回地 面站可以实现地面上的用户之间的更远的通信。通信数据可以是任何形 式的通信数据，其中包括视频信号和其它高的数据速率的信号，但不限 于这些信号。通信信号可以是RF信号，基于光的信号(例如激光)或任 何其它适合于LOS传输的信号。

多高度卫星系统的另一个预计的用户是一组处于MEO位置中的卫 星，它和GEOS卫星同步从而可以直接地连续地和GEOS卫星形成链 路。然后GEOS卫星把来自MEO卫星的信息直接传送到地面。其优点 在于这是一个单跳通信中继站。此外，在中断之后不需像在大部分GEOS 卫星中继站中那样重新连接链路，因为用户本身现在和GEOS卫星同 步。

本发明的另一种应用涉及一种互相交叉链结的并和一个或几个 GEOS卫星同步的非地球同步轨道卫星星座(例如MEO卫星星座)。 MEO交叉链路可被用于低数据速率信息传送，例如在手持话音设备中， 其中使用相当小的天线或激光光学系统并且低的数据速率要求低的功 率，这是它的优点。这时卫星星座和GEOS卫星的同步链路可被用于高 的数据速度信息传递，其中连续的链路是重要的。

本发明还有一种应用涉及一种GEOS卫星，它观察MEO卫星以便 检测其有问题的状态。按照本发明和MEO卫星同步的GEOS卫星可以 进行不间断地观察MEO卫星，这是由于在两个卫星之间存在连续的视 距。因而，应当理解，本发明可应用于其功能可以不包括通信或数据传 递的卫星中。虽然在本说明中经常使用“传递”(relay)一词，但应当 理解本发明不限于其主要功能在于传递信息的卫星。例如，GEOS卫星 系统和一个或几个MEO卫星可以提供采集太阳辐射的功能。为了比较 GEOS卫星的采集的太阳辐射数据和MEO卫星的采集的太阳辐射数 据，MEO卫星把其采集的太阳辐射数据发送给GEOS卫星。然后GEOS 卫星处理所有的采集的辐射数据，并把结果发送回地面。在这一例子中， 本发明的特点比传递数据用得更多。

此外，应当理解基于地面的用户在本发明中是不需要的，实际上最 终的用户可以是另一个卫星、空间站或其它的移动用户。

图1是说明按照本发明的具有两个中地轨道卫星中继站和一个 GEOS卫星中继站的两跳多高度卫星中继站的实施例的三维图。

图2是说明按照本发明的多高度卫星中继系统使用的同步关系的三 维图。

图3是对于使用8小时MEO周期的一个实施例的离开MEO卫星 中继站平面的初始GEOS卫星中继站的赤道角对在有效的GEOS卫星中 继范围内75km以上的最小的切线高度的曲线。

图4是对于使用12小时MEO周期的一个实施例的离MEO卫星中 继站平面的初始GEOS卫星中继站赤道角对在有效的GEOS卫星中继范 围内75km以上的最小切线高度的曲线。

图5是直角座标下的世界地图，表示在地球上10个MEO卫星的中 继站的实施例跟踪的路径。

图6是表示在10个MEO卫星的中继站实施例和GEOS卫星中继 站之间从10个MEO卫星的中继站看的视距的极座标图。

图7是表示从GEOS卫星看的在10MEO卫星中继站实施例和 GEOS卫星中继站之间的视距的极座标图。

图8是按照本发明的10MEO卫星中继站的实施例在给定高度和经 度上可以实现的覆盖范围图。

图9是离开MEO卫星中继站平面的初始GEOS卫星中继站赤道角 对于按照本发明的地平线以上的实施例的8小时MEO周期的有效的 GEOS卫星中继范围内75km以上的最小切线高度的曲线。

图10是MEO卫星中继站平面的初始GEOS卫星中继站赤道角对 于按照本发明的地平线以上的实施例的12小时MEO周期的有效的 GEOS范围内的75km以上最小切线高度的曲线。

参见图1，其中表示按照本发明的多高度卫星系统的第一实施例。 更具体地说，图1表示一个GEOS卫星中继站(geosl 106)和两个MEO 卫星中继站(meo1 108，meo2 110)的结构。geosl 106在视距内和meo1 108、meo2 110连续地相接触。

不能和远方的基于地球的站122直接进行通信的用户120可以和 meo1 108通信，meo1 108又和geosl 106卫星中继站形成连续的链路。 因为geosl 106和基于地球的站122连续地相接，所以geosl 106可以向 基于地球的站122转送meo1 108的通信。

虽然MEO卫星中继站必须使其天线指向天空的大的部分，以便和 GEOS卫星中继站链结，但其链路是不被打断的，因而不必花费时间去 得到另一个中继站。此外，跟踪路径重复，从而减少了跟踪算法的复杂 性。

MEO和MEOS卫星中继站的一个同步参数是它们的周期比。在 MEO卫星中继站和GEOS卫星中继站之间的连续的视距对于代表24的 整数系数的几个比值是可以实现的。

在最佳实施例中，在GEOS卫星中继站的周期和MEO卫星中继站 的周期之间的周期比是24∶8或相当于3∶1。当GEOS卫星中继站的周期 是MEO卫星中继站的周期的3倍时得到3∶1的周期比。这样，24小时 的GEOS卫星中继站周期和8小时的MEO卫星中继站周期将产生3∶1 的周期比。必须注意，在本发明中的GEOS卫星中继站指的是一般的地 球同步卫星，而不仅是对地静止卫星。两者之间的区别在于，对地静止 地球轨道是一个具有零度倾斜角的地球同步轨道，即唯一的赤道轨道。 因而，对地静止地球轨道是一个特殊类型的地球同步轨道。此外，使用 极轨道作为MEO卫星的例子，使用赤道GEOS轨道作为GEOS卫星的 例子。不论MEO卫星中继站还是GEOS卫星中继站都不限于这些倾斜。

实际上可以有许多GEOS和MEO卫星中继站的组合，其中包括改 变GEOS和MEO卫星中继站的数量，改变GEOS和MEO卫星中继站 的轨道平面的数量，改变MEO卫星中继站的中间轨道和内部轨道定相， 改变GEOS卫星中继站的中间轨道和内部轨道定相。例如，应当理解， GEOS卫星中继站可处于极轨道内，或在一个和地球不同步的轨道高 度。本发明可用具有圆形或椭圆形轨道的MEO或GEOS卫星中继站轨 道实施。此外，在本发明下的许多MEO卫星中继站结构中，多个GEOS 卫星中继站的适当排列将使得每个GEOS卫星中继站可连续地看到所有 MEO卫星中继站。具有3个互相分开120度的GEOS卫星中继站的3， 6，9或12个的MEO卫星中继站的MEO卫星中继站星座便是本发明 在这方面的一个例子。在这种结构中，每个GEOS卫星中继站可以提供 其它GEOS卫星中继站的完整的备用。虽然图1表示meo1和meo2卫星 使用两个轨道，应当理解这两个卫星可以在一个轨道内。类似地，应当 注意本发明不依赖于MEO轨道的数量，因为轨道的数量可以变化(例如 1，2，3，4等)。

当(1)周期比是同步的；以及(2)与地球的视距的距离和GEOS 卫星中继站的位置以及MEO卫星中继站的倾斜角同步时，这些不同的结 构可以实现连续的视距。关于与地球的视距的距离同步的更详细的讨论 由参见图2开始。

图2表示极MEO轨道平面160和赤道GEOS轨道162。在这个例 子中，MEO卫星中继站166的初始位置假定在赤道上开始并向北方上 升。假定GEOS卫星中继站170的初始位置168在和极MEO轨道平面 160的角度“MO”172开始。当MEO卫星中继站166和GEOS卫星 中继站170在其各自的轨道中运动时，在它们之间可以画一直线这就是 视距(LSO174)。

LOS174不会被地球176挡住。LOS174在地球176上方的高度被 称为切线高度178。如果切线高度178变负，则LOS174就被打断。在 一个GEOS卫星中继站轨道上的最小的切线高度由LOS174确定，因为 这个数值将表示一个卫星中继系统是如何接近丧失其LOS174。因而如 果最小的切线高度大，则在切线高度178被减少到零因而丧失LOS174 之前可在大的范围内改变MEO卫星中继站和GEOS卫星中继站的相对 位置。

图3表示离开MEO平面的初始的GEOS赤道角(“MO”)和8 小时MEO圆形轨道的LOS的最小切线高度之间的关系。这些关系是对 MEO倾斜度的一个范围示出的。图2的轨道结构相应于标有“90”度 倾斜度的汤匙形曲线。在汤匙形90度曲线下的任何点表示引起不间断的 LOS的初始的GEOS/MEO卫星中继站关系。这样，GEOS卫星中继站 的初始角(MO)可以在330-30、90-150、和210-270度的三 个范围内，并仍然保持连续的LOS，如果MEO卫星中继站轨道倾斜70 度，这些范围稍微变大一些，并在MEO卫星中继站倾斜度为50、40 或28度时较小。最小的倾斜度28度的重要性在于，它提供了从小于28 度到90度的MEO卫星中继站轨道的宽的倾斜度范围。这一可能得到的 大的范围表示对于某一类椭圆轨道可以获得相似的连续的LOS的结果。

图4表示对于12小时MEO卫星中继站轨道的类似数据。对于所示 的MEO卫星中继倾斜度，提供最大的最小LOS值的倾斜度为50度和 70度。这表示最大值处于该范围之内。此外，代替如8小时MEO卫星 中继站轨道图中的3个“汤匙”，12小时MEO卫星中继站轨道有4个 “汤匙”，每个的范围大约为40度。这样，图3和图4可用于确定分别 对于8小时和12小时MEO卫星中继站轨道的可以产生连续的LOS的 MEO卫星中继站位置和GEOS卫星中继站的位置。

所述的8小时或12小时轨道并不表示轨道的周期精确地等于8小时 或12小时。这一周期是提供一个回扫轨道的最接近8或12小时的时间。 这样，在地球上每24小时地面轨迹(这是卫星正下方的点的轨迹)，便 精确地回扫同一路径，这一概念在图5中说明。

图5示出了分别在位置201到210的10个MEO卫星中继站的结 构。图5表示10个MEO卫星中继站，它们在24小时的时间内跟踪在地 球表面上的一条路径。图中的10个卫星中继站具有如下的结构：10个 轨道平面；8小时周期；7501海里的高度；252度中间轨道定相；36 度节点距；以及50度的倾斜角。

图6使用相同的卫星中继站结构，用来表示在一个给定的时刻从10 个MEO卫星中继站相对于GEOS卫星中继站的LOS路径320。曲线本 身是极座标图。反时针的圆周值是LOS的偏航角220的值，偏航角是绕 卫星的纵轴转动的角度。这样，每个MEO卫星中继站的偏航角的值可以 看作是LOS绕垂直线的旋转(pivoting)。

图的径向量度表示LOS相对于地球中心朝上或朝下的程度。例如， 如果一点位于图的外边222，则表示MEO卫星中继站正在沿“直线” 看GEOS卫星中继站，并离开地球中心180度。如果该点位于中心224， 则卫星正在沿直线向下看地球中心。因而，图的中心224代表卫星的天 底点(nadir)的位置。

图6说明从每个MEO卫星中继站到GEOS卫星中继站的LOS在 24小时周期内的变化。图上的时间标记是每间隔为12分钟。位置301 到310表示10个MEO卫星中继站每个的起始点。虽然10个卫星中继 站在不同点开始，但在24小时周期内它们沿同一路径运动。10个MED 卫星中继站每隔24小时重复LOS路径320。

LOS路径320的扭歪的“8字”形状表明，对这种结构，MEO卫 星中继站不能沿直线向下看地球中心。相反，如果MEO卫星中继站沿直 线向下看地球中心，它将必须穿过地球以便看到GEOS卫星中继站。这 样，LOS将被打断，因而这种卫星中继站结构不会产生连续的LOS。 相反，离开天底点(nadir)的LOS角足够大，以致“举起”LOS使其 高于地球表面，地球的分度弧(limb)处于大约18度的天底点角。

图7同样使用相同的卫星中继站结构，表示在给定时刻从GEOS卫 星中继站对于10个卫星中继站的每个的LOS路径380。在这图上，角 度的变化范围不够大。同样，图上的时标为每间隔12分钟。位置401到 410表示10个MEO卫星中继站各自的起点。所示的LOS路径380是针 对24小时周期的，并每隔24小时重复一次。

图8是对图7所示的10个MEO卫星中继站结构的地球覆盖的示意 性说明(图7所示为10个轨道中平；8小时周期；7501海里的高度； 252度中间轨道定相；36度节点(node)间距；以及50度的倾斜角)。 图上的每个线条表示对一特定纬度的某一位置24小时的覆盖程度。因为 所有的线条都是实线，所以对每个位置对MEO卫星中继站都存在连续的 LOS。10个MEO卫星中继站可以连续地“看见”地球表面，在地球表 面上方LOS的最小地面仰角为20度。虽然图8是针对一个地球经度的， 但这一经度在24小时内扫描地球旋转的360度，从而表明所示的覆盖是 全球的。虽然图6和图7的例子使用每个轨道平面一个卫星，但应当理 解，通过在一个或几个这些轨道平面中放置一个以上的卫星可以减少轨 道平面的数量。

本发明的特点还在于具有其它优点的另一种卫星中继站结构。除去 提供在GEOS卫星中继站和MEO卫星中继站之间的连续的LOS之外， 一些结构还提供了地平线之上(ATH)的视野(Viewing)，用于GEOS 对MEO卫星中继站链路。

再重新参见图7以说明ATH的方面。图7表示GEOS卫星中继站 在24小时周期内“向下看”MEO卫星中继站的情况。地平线以上 (ATH)的链路表示MEO卫星中继站在24小时的期间的任何时刻不 会在地球500的前方碰到地球。此外，MEO卫星中继站相对于GEOS 卫星中继站不会在地球的后面碰到地球。对于8小时MEO中继站，某些 结果可能是非ATH的。此时图7的轨迹将在地球的前方碰到地球。

具有ATH特点的多高度卫星中继站系统对8小时MEO卫星中继站 轨道的同步参数提出了更多的限制。图9表示对于8小时ATH MEO卫 星中继站结构的有效的GEOS卫星中继站范围。所示的ATH“汤匙” 形说明选择相对于MEO卫星中继站系统的GEOS卫星中继站的初始角 受到更多的限制。对于MEO卫星中继站星座，较小的角度范围将引起较 少的MEO卫星中继站结构的选择，这就可能减少地面覆盖。

不过，图10说明在12小时ATH MEO卫星中继产结构中并没有这 种附加的限制。这是因为任何12小时ATH MEO卫星中继站结构能提供 连续的LOS链路，也能提供连续的ATH链路。因此，GEOS卫星中继 站周期对MEO卫星中继站周期之比为2∶1的结构，如果它们落在图10 所示的“汤匙”之内，则具有ATH特点。

Walker Delta Pattern是一个成功地利用上述结构的倾斜的MEO 卫星的星座的具体例子。Walker Delta Pattern在星座中提供了均匀的 卫星分布(见参考文献)。这种特定的Walker星座每个轨道平面具有一 个卫星，卫星的总数在三个以上。在Walker星座中角度的测量单位是“图 形单位(pattern unit)”，它用来描述卫星和轨道平面的相对位置。图 形单位被规定为360度除以卫星数，例如，如果星座含4个卫星，则图 形单位应该是90度。每个卫星在其轨道中向西离开其相邻平面中的卫星 一个图形单位(在本例中为90度)。这些卫星刚好以两个或三个图形单 位设置，并仍能产生Walker轨道。在4个卫星的例子中，如果对相邻的 在8小时回扫轨道中的卫星使用一个图形单位，则所有卫星在地面上产 生相同的轨迹，即在地球上的所有回扫图形(图5)是相同的。对于每 个MEO卫星的子卫星点处于相同轨迹的不同点上。因为几何关系，每个 MEO卫星好象是GEOS卫星以便精确地跟随同一路径。

如果卫星以图形单位的正确的数目设置，则可以增加卫星的数量并 可以产生相同的重迭回扫图形。在5卫星星座中相邻的卫星必须以2个 图形单位放置，6个卫星则需要3个图形单位，等等。每个轨道平面具 有一个卫星的任何8小时回扫Walker星座，当图形单位的数目比卫星数 少3个时，将产生重迭的地面轨迹。如果GEOS卫星位于图3的汤匙图 的边界内，则所有MEO卫星都可提供连续的链路，并且从GEOS卫星 观察到的MEO卫星的路径是相同的。

当使用12小时回扫轨道时，并且图形单位数是卫星数减2时，也产 生相似的重达地面轨迹，当从GEOS卫星观察时，由MEO卫星开创的 路径是相同的。

每个轨道平面的多个卫星可被提供多个GEOS卫星。利用一个 GEOS卫星，可以仍然使用每个轨道内的多个MEO卫星，只要这些卫 星位于图3或图4的汤匙的界限之内。

本发明已用实施例为例进行了说明，但并不限于此。本领域的技术 人员应当理解，不脱离本发明的构思可以作出许多改进和改型，本发明 的范围应当只由所附权利要求来限制。