使干扰减少的通信卫星系统
阅读：825发布：2020-05-21
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1.一种用于在围绕地球的近赤道轨道上的第一通信卫星与较低轨道中的第二通信卫星之间共享无线电频谱的方法，其中较低轨道与近赤道轨道的平面相交于一上升节点和一下降节点，所述方法包括：
(i)由第二卫星发射按照对准地球表面的一个或多个发射波束的几何图案的一个或多个无线电信号；
(ii)随着第二卫星沿着较低轨道移动，逐渐倾斜发射波束的方向；
其中倾斜的程度基于所述第二卫星在所述较低轨道中的位置；
其中倾斜的程度也是基于来自第一卫星的第一无线电信号的第一到达方向，如在一地球表面上的位置处观察到的；
其中倾斜的程度也是基于来自第二卫星的第二无线电信号的第二到达方向，如在所述地球表面上的位置处观察到的；
其中倾斜的程度使得第一到达方向与第二到达方向之间的角间距达到或超过预定的最小要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过倾斜整个第二卫星来实现所述倾斜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述倾斜是通过使包括一个或多个无线电天线的第二卫星的一部分倾斜来实现，其中所述一个或多个无线电天线是用于发射传输波束中的一个或多个。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当倾斜的程度改变时，一个或多个无线电天线位置相对于彼此不改变。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述倾斜是以电子控制方式完成的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述地球表面上的位置位于由所述第二卫星覆盖的覆盖区域内。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述倾斜使所述覆盖区域相对于子卫星点在地球表面上移动，比所述子卫星点移动更快。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
(iii)基于作为一个传输波束的一部分的第三无线电信号的第三到达方向来关闭该一个传输波束，
其中第三个到达方向是如在所述地球表面上的位置观察到的；和
其中，该传输波束关闭的时间是基于所述第三到达方向与所述第一到达方向之间的角间距。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述第二卫星到达上升节点或下降节点时，所有传输波束已被关闭。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
相对于如果该传输波束未被关闭而所需的满足最小要求的倾斜的程度，减小倾斜的程度。
11.一种通信卫星系统，包括：
多个第一通信卫星，在对应所有第一卫星相同的第一轨道中绕地球轨道运行；
其中所述第一轨道与第二通信卫星的第二轨道的平面相交于一上升节点和一下降节点；
其中所述第二轨道是近赤道轨道并且高于第一轨道；其中每个第一卫星包括一个或多个无线电天线，用于以瞄准地球表面的一个或多个传输波束的几何图形传输一个或多个无线电信号；
其中每个第一卫星包括倾斜装置，用于当所述每个第一卫星沿着第一轨道移动时逐渐倾斜传输波束的方向；
其中每个第一卫星操作所述倾斜装置以基于所述第一轨道中的每个第一卫星的位置产生倾斜；
其中所述倾斜也是基于来自每个第一卫星的第一无线电信号的第一到达方向，如在一地球表面上的位置处观察到的；
其中，所述倾斜也是基于来自所述第二卫星的第二无线电信号的第二到达方向，如在所述地球表面上的位置处观察到的；并且其中所述倾斜使得所述第一到达方向与所述第二到达方向之间的角间距满足或超过预定的最小要求。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述倾斜装置使每个第一卫星整个倾斜。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述倾斜装置包括反作用轮。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述倾斜装置使每个第一卫星的一部分倾斜，其中所述部分包括一个或多个无线电天线，其中所述一个或多个无线电天线是用于发射所述传输波束中的一个或多个。
15.一种通信卫星系统，包括：
多个第一通信卫星，在对应所有第一卫星相同的第一轨道中绕地球轨道运行；
其中所述第一轨道与第二通信卫星的第二轨道的平面相交于一上升节点和一下降节点；
其中所述第二轨道是近赤道轨道并且高于第一轨道；其中每个第一卫星包括一个或多个无线电天线，用于以瞄准地球表面的一个或多个传输波束的几何图形传输一个或多个无线电信号；
其中每个第一卫星包括倾斜装置，用于当所述每个第一卫星沿着第一轨道移动时逐渐倾斜传输波束的方向；
其中每个第一卫星操作倾斜装置以产生倾斜，使得由每个第一卫星服务的地球表面上的覆盖区域沿着第一轨道比卫星更快地前进；
其中由系统服务的覆盖区域的数量小于通信卫星的数量；和
其中覆盖区域的图案以大于卫星的角速度的角速度移动跨越地球的表面。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述倾斜装置使每个第一卫星整个倾斜。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，当每个第一卫星在靠近上升节点或下降节点时，所述每个第一卫星关闭其至少一个或多个传输波束。
18.根据权利要求17所述的系统，其中每个第一卫星在其到达所述上升节点或下降节点时，已经关闭了每个第一卫星的所有发射波束。
19.根据权利要求18所述的系统，其中每个第一卫星在其所有传输波束被关闭时反转该第一卫星的倾斜，使得当该第一卫星的一个或多个传输波束被重新开启时，由该第一卫星服务的覆盖区域在该卫星于第一轨道上行进时滞后于该卫星。
20.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述地球表面上的位置位于由所述第二卫星覆盖的覆盖区域内。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述倾斜使所述覆盖区域相对于子卫星点在地球表面上移动，比所述子卫星点移动更快。
22.根据权利要求1至7、20或21中任一项所述的方法，进一步包括：
(iii)基于作为一个传输波束的一部分的第三无线电信号的第三到达方向来关闭该一个传输波束，
其中第三个到达方向是如在所述地球表面上的位置观察到的；和
其中，该传输波束关闭的时间是基于所述第三到达方向与所述第一到达方向之间的角间距。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，当所述第二卫星到达上升节点或下降节点时，所有传输波束已被关闭。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
相对于如果该传输波束未被关闭而所需的满足最小要求的倾斜的程度，减小倾斜的程度。
25.根据权利要求15至16中任一项所述的系统，其中当每个第一卫星在靠近上升节点或下降节点时，该第一卫星关闭其至少一个或多个传输波束。
26.根据权利要求25所述的系统，其中每个第一卫星在其到达所述上升节点或下降节点时，已经关闭了该第一卫星的所有传输波束。
27.根据权利要求26所述的系统，其中每个第一卫星在其所有传输波束被关闭时反转该第一卫星的倾斜，使得当该第一卫星的一个或多个传输波束被重新开启时，由该第一卫星服务的覆盖区域在该卫星于第一轨道上行进时滞后于该卫星。
使干扰减少的通信卫星系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本案要求于2011年11月24日提交的美国临时申请SN62/083,412的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
背景技术
[0004] 从空间时代开始，通信卫星已经是空间技术的重要应用。第一颗通讯卫星是Telstar。当时，它是一个非凡的技术成就。它是由美国新泽西州霍尔姆德尔的Bell电话实验室设计、建造和运营。
[0005] 通信卫星从地球表面接收和发送无线电信号。对于Telstar来说，作为当时第一个也是唯一的通信卫星，在其无线电信号和与其他通信卫星相关的无线电信号之间不存在干扰问题。但随着卫星通信技术的进步和需求的爆发，这种情况发生了迅速的变化。
[0006] 目前，无线通信方式的需求已经达到新高，无线电频谱已成为非常有价值的商品。2015年1月，作为政府拍卖的一部分，50MHz的无线电频谱达到了前所未有的395亿美元。因此，能够建立不需要专用频谱的无线电通信系统将是显著的优点。
[0007] 在通信卫星方面，所谓的地球同步卫星是一种成熟的卫星类型，所述卫星已经在数十年内提供了多种有用的服务。地球同步卫星在与地球赤道(“赤道平面”)相交的平面内围绕地球运行。他们在距离地球一定距离的轨道运行，使得其轨道的周期恰好是一个恒星日。地球同步轨道是一个圆，因此，地球同步卫星以与地球围绕其轴线旋转的完全相同的速度绕地球运行。因此，每颗地球同步卫星出现在天空中的离地球的固定位置，就好像它是安装在一座非常高的塔楼上。
[0008] 这个虚拟塔的确是非常高的：约36000千米，或几乎是地球半径的六倍。地球同步(通常缩写为“GEO”)卫星与地球表面之间的巨大距离具有多个不良后果，包括需要更高的发射信号功率，难以产生小的传输覆盖面，以及令人烦恼的通信延迟等。对于某些应用，包括互联网服务，靠近地球表面运行的卫星可能更适合。
[0009] 图1示出了近地轨道(通常缩写为“LEO”)的卫星。虽然对于诸如“GEO”、“LEO”和“MEO”(代表“中轨道”)的轨道式指示词的确切含义没有国际标准，但它们在本技术中是常用的。LEO轨道通常被认为是卫星轨道在不超过地球表面约2000千米的轨道。如图1所示，LEO轨道由圆形虚线表示为LEO极地轨道150。因为轨道是圆形的，所以卫星以与地球表面大致恒定的距离围绕地球110运行。如图1所示，与地球的半径相比，所述距离是小的；在比例图中，它对应于大约900千米。
[0010] 如图1所示的LEO轨道的类型被称为“极地”轨道，因为它经过北极和南极。极地轨道的一个优点是卫星通过所有纬度。随着地球旋转(当轨道的平面保持大致不变时)，卫星将通过地球的不同区域。在有足够数量轨道后，适当地选择轨道周期，可以使卫星通过地球上的每个地方。为此，经常选择极地轨道(或近极地轨道)以用于地球测量卫星。
[0011] 图2示出了与图1所示的相同LEO卫星和的卫星轨道，以及对地球同步卫星的描述，以用于强调按比例绘制的不同轨道尺寸的目的。如图所示，GEO卫星230在地球赤道210的平面内绕地球110运行。平面是由虚线描绘为赤道平面220。如几何学所预测，LEO极地轨道150与赤道平面垂直相交。存在有两个交点。在本领域中，轨道和赤道平面220之间的两个交点被称为“节点”。北极是位于赤道平面220的一侧，南极是位于另一侧。卫星沿如图2所示的方向“101运动方向”的其轨道行进。在其中一个节点上，它穿过赤道平面220往北极行进。该节点通常被称为“上升”节点，而另一节点通常被称为“下降”节点。
[0012] 当卫星230不是地球同步卫星并且其轨道不在赤道平面时，也可以定义“上升”和“下降”节点的命名。例如，卫星230可以是在所谓的GEO稳定平面中绕地球轨道运行的地球同步卫星，所述稳定平面相对于赤道平面以约7.3°的角度倾斜。对于通过地球中心的任何平面，北极位于平面的一侧，南极位于另一侧。当卫星沿其轨道行进时，在其中一个节点处，它穿过该平面往北极所在的平面一侧前进。该节点被称为“上升”节点，而另一节点被称为“下降”节点。
[0013] 图3呈现了LEO卫星的更详细描述，以及LEO卫星与其下的地球表面的关系。特别地，它显示LEO卫星是通信卫星的情况。(在这个详细的附图和许多后续的附图中，地球表面的大陆轮廓已被省略，以避免杂乱)。LEO卫星140配备有一个或多个无线电天线。天线向地球110的表面发射一个或多个无线电信号。这种传输如图所示为无线电传输310。在被描绘为覆盖区域320的某个覆盖区域内，位于地球表面上的接收器可以接收无线电传输。在覆盖区域320之外，来自卫星的无线电信号预计将太弱而不能进行足够的接收；实际上，卫星上的无线电天线可以故意设计成使这种无线电45信号变弱，以用于限制由这些信号引起的对覆盖区域320之外的其他接收器干扰的目的。
[0014] 图4示出了当GEO卫星230是服务于与覆盖区域320重叠的地球部分(在该图中未明确示出)的通信卫星时发生的情况。与LEO卫星一样，GEO卫星也配备有一个或多个无线电天线，其将一个或多个无线电信号传输到地球表面。这种传输如图所示为无线电传410。无线电传输是针对于如图所示的地球的一部分的覆盖区域420。
[0015] 如图4所示的LEO卫星140非常接近覆盖区域420；因此，即使覆盖区域320未明确地示出，覆盖区域320还是明显地与覆盖区域420至少部分地重叠。如果无线电传输410和无线电传输310包括无线电频谱的相同部分中的无线电信号，则来自LEO卫星的传输和用于GEO卫星的传输之间存在干扰的可能性。
[0016] 根据国际电信联盟(ITU)规则，允许在某些条件下允许诸如LEO卫星140的非地球同步卫星(NGSO)使用与GEO卫星相同的频谱。特别地，NGSO卫星不得干扰使用相同频谱频率的GEO卫星。国际电信联盟规则制定了具体指导方针，其是关于可以产生多大的进入GEO卫星终端的无线电信号功率，而无需与GEO卫星运营商进行“协调”或谈话，并获得批准。
[0017] 图5示出了，LEO卫星对GEO卫星的信号如何造成不可接受的干扰的可能情况。在地球110的表面上，存在有试图从GEO卫星接收无线电信号520的GEO接收器510。然而，GEO接收器510是位于覆盖区域320内，其中来自LEO卫星140的无线电传输310包括可能使用落入GEO卫星使用的频谱范围内的频率的无线电信号。更糟糕的是，LEO卫星140位于沿GEO接收器510和GEO卫星之间的视线上。因此，GEO无线电信号520在其通往GEO接收器510的路径通过LEO卫星140附近，并且从GEO接收器510的角度来看，期望的无线电信号520和干扰无线电传输310都从同方向到达。在这些条件下，不采用进一步的缓解技术，并且根据干扰无线电传输310的功率谱密度，GEO接收器510可能难以实现无线电信号520的良好接收。
[0018] 图6示出了通常用于缓解先前图中所示的干扰情况类型的技术。如图6所示，LEO卫星140简单地减小其提供通信服务的覆盖区域620的大小。通过这样的减少，GEO接收器510现在位于覆盖区域620之外。仍然是事实的是，从GEO接收器510的角度来看，期望的无线电信号520从与减少的覆盖区域620的边界外的“溢出”的LEO卫星140的任何干扰无线电传输相同的方向到达。然而，如上所述，LEO卫星140上的无线电天线可被设计成使得溢出覆盖区域620外的无线电信号是弱的。天线可以被设计成使得这些信号弱至满足ITU限制。
[0019] 在减少的覆盖区域620内的接收器是怎样呢？图6示出了一个如GEO接收器515这样的接收器。它位于减小覆盖区域620的边界附近，并尝试从GEO卫星接收无线电信号525。从GEO接收器515的角度来看，期望的无线电信号525不是从与LEO卫星140的干扰无线电传输相同的方向到达。两个到达方向之间有一个非零角度。由于这个角度，GEO接收器515可以更好地区分无线电信号525和无线电传输140。换句话说，正是由于该角度，由GEO接收器515接收的无线电传输140的功率谱密度可以更容易地满足ITU限制。当然，角度越大，益处越大；因此，在减小的覆盖区域620内的GEO接收器的最差情况的位置是靠近减小的覆盖区域620的北部边界的如图6所示的GEO接收器515的位置，其中角度最小。这种最小的角度在图6中表示为角间距630。如图所示，由于无线电信号520是基本上与无线电信号525平行，所以可以相对于两个无线电信号中的任意一个来测量角间距630。
[0020] 角间距630的存在使得GEO接收器515即使在存在来自LEO卫星140的干扰无线电传输610的情况下，也可以实现对期望的无线电信号525的良好接收。这是事实，只要角间距630足够大。它需要多大，主要取决于用于接收无线电信号525的GEO接收器515使用的天线的特性。事实证明，GEO卫星信号的地面接收器通常必须使用所谓的高增益天线。这种天线表现出优异的角度选择性，其使得天线能够以小到几度的角间距来抑制干扰信号。
[0021] 而且，用于GEO接收器的天线的特性具有明确的标准。因此，LEO卫星可以进行仔细地选择角间距，并且有信心不会干扰GEO接收器。
[0022] 如果来自卫星的无线电传输是以不同方向瞄准的多个独立波束的形式，则可以容易地实现如图6所示的技术。在这种情况下，可以通过关闭一些波束来简单地减小覆盖区域。但是，存在有几个缺点。一个缺点是，通过减少覆盖面积，当然也减少卫星的有效性。它将服务更少的在地球表面上的通信终端，且卫星承载的通信量减少。而另一个重要的缺点是该技术的实用性有限。如图6所示的情况是适用于中高纬度地球的区域。如图6的描绘，北方是朝向上(与上述图相同)，地球表面的角度对应于纬度47°。地球上的大多数人生活在这个纬度或以下。然而，在图6的几何学情况下，很明显，如果要避免对GEO接收器的干扰，LEO卫星140所服务的覆盖区域必须严格限制。如下图所示，在较低的纬度地区情况变得更糟。
[0023] 图7显示了在较低纬度地区尝试如图6所示的干扰减轻技术时发生的情况。特别地，图7示出了LEO卫星140的轨道150靠近赤道的情况。该图也示出了GEO接收器710，其正在尝试从GEO卫星接收无线电信号720。很明显，在GEO接收器710处接收的无线电信号720的到达方向是与来自LEO卫星的干扰无线电传输712的到达方向相同。几何学使得即使在覆盖区域722的中间也是如此。覆盖区域722的尺寸的减小程度不会在无线电信号720和干扰无线电传输712之间达到合理的角间距。LEO卫星140满足国际电信联盟规则的唯一方法是停止所有传输，或潜在地以显著地较低的功率谱密度运行，从而负面地影响由卫星140提供的服务。
[0024] 由于有多个轨道卫星，所以在任何给定的时间，这个问题总是存在于其中一个或多个。当然，必须关掉一颗卫星是不合期望的，特别是如果坚持必须这样做，则总是发生在同一地点。该位置不会接收到通信服务。在这种情况下，在所有低纬度地区将始终发生该问题。图7示出了，如果这些LEO卫星必须与GEO卫星共享无线电频谱，那么利用LEO卫星在低纬度地区为地面区域提供通信服务是困难的。
[0025] 在图3-7中，来自卫星的无线电传输简单地描绘为从该卫星发出的圆锥体。在典型的通信卫星中，这种传输包括多个独立的波束，每个独立波束承载一个或多个无线电信号。可以经由例如多个独立天线，或经由具有多个馈送的单个天线反射器，或经由天线阵列或经由其它装置来生成多个波束。图8和9示出了通过LEO通信卫星使用多个波束。
[0026] 图8示出了能够发送多个独立波束810的LEO通信卫星840。所述波束瞄准地球表面。每个波束向整个覆盖区域的一部分提供无线电覆盖。理想地，不同的波束不应该重叠，但是，当然地，一定量的重叠是不可避免的，并且实际上，避免波束之间的覆盖间隙是必要的。尽管如此，习惯上按就像波束不相交一样来描述覆盖区域。
[0027] 图9示出了波束覆盖区图案的示例。十九个六角形代表从卫星发射出的十九个波束的覆盖面。覆盖面是位于地球表面。所有六边形具有相同的尺寸，使得所有的波束都经受大致相等的通信负载。值得注意的是，靠近周边的六边形(六边形8至19)产生于以低仰角到达地面的波束，而靠近中心的六边形(如六边形1)则产生于近似垂直的方向到达地面的波束。必须调整从卫星发出的波束的实际图案和产生波束的天线，使得，与靠近中心的波束相比，靠近边缘的波束具有不同的形状，以致地面上的覆盖面实现所需的规则的图案。在本领域中众所周知的是，如何设计产生三维图案的波束的天线系统，使得，当波束到达地面时，它们以期望的覆盖图案形成覆盖面。
[0028] 圆形轨道上的LEO卫星以离地球表面基本恒定的距离围绕地球运行。该卫星配备有一个用于控制卫星方位的姿态控制系统。调整方位使得卫星天线总是指向地球的表面，并且使得当卫星沿其轨道行进时，天线相对于卫星下方的地球表面的几何形状不变。这样做是为了确保如图9所示的覆盖图案在卫星下保持不变，并随着卫星沿其轨道行进，覆盖图案与卫星一起行进。
[0029] 当在轨道上，通信卫星必须相对于地球将其天线保持在精确的方位。然后，天线可以以设计(devise)的几何图案发射瞄准地球表面的无线电信号，以向地球表面上的无线电终端提供良好的覆盖。对于LEO卫星，该图案通常包括多个独立的波束，每个波束覆盖整个覆盖区域的一部分。图8和9示出了这样的多波束覆盖区域。
[0030] 在现有技术中，LEO通信卫星沿圆周轨道并且相对于LEO通信卫星的运动方向保持固定的方位，其中波束图案向下朝向地球表面。这样，地球表面的覆盖区域图案与卫星一起移动，而不改变覆盖图案的形状。
[0031] 如果卫星可以使用专用频谱，则这种覆盖图案实现良好的性能。但是，如果卫星必须与一个或多个GEO卫星共享频谱，则如图6和图7所示的问题要求在很多轨道部分关闭多个波束，并且当卫星靠近赤道平面时，所有波束必须被关闭。
发明内容
[0032] 根据本发明的实施例的LEO卫星沿着圆形轨道，但是它不是相对于其运动方向保持固定的方位。相反，当它沿其轨道行进时，卫星逐渐倾斜(参见下文“定义”部分中的“倾斜”的定义)。特别地，当卫星沿其轨道行进时，逐渐倾斜使得卫星在地球表面上的覆盖区的变化和前进比卫星本身更快。
[0033] 作为倾斜的结果，当卫星接近赤道平面，与卫星远离赤道平面相比，其传输波束越来越朝向赤道平面瞄准。接近赤道平面的卫星的几何结构如图10-12所示。如图所示，通过这种技术，在所有卫星位置，卫星的无线电信号和GEO无线电信号之间保持良好的角间距。没有必要关闭部分LEO卫星传输。
[0034] 根据本发明的实施例的基于倾斜LEO卫星的卫星通信系统可以与一个或多个GEO卫星共享频谱，同时在地球表面上提供无间隙的良好覆盖，即使对于接近赤道的区域也是如此。在这种系统中，多个LEO卫星在相对于赤道平面倾斜的多个轨道上绕地球轨道行进。例如，这样的轨道可以是极地的或接近极地的圆形轨道。在每个轨道中，多个LEO卫星以相等的间隔行进；它们向轨道下方的地球表面的区域提供覆盖。注意，尽管这里为了示例性目的而使用极地圆形轨道，但是本文描述的技术不一定限于极地或任何其它类型的轨道。
[0035] 在每个极地轨道中，在该轨道上沿着轨道均匀间隔地行进的卫星向位于轨道下方的地球表面区域提供完全不间断的覆盖。即使在任何给定的时间，关闭这些卫星中的小部分并且不提供通信服务的情况下，仍可以提供完全不间断的覆盖。被关闭的卫星是最接近赤道平面的卫星。这部分卫星被关闭，以防止它们对来自GEO卫星的无线电信号造成干扰。
[0036] 系统的几何结构如图14所示。当卫星穿过赤道平面时，被关闭的卫星也会在关闭时改变它们的倾斜角度。这样，当它们再次开启并重新开始提供覆盖时，它们的无线电传输沿着它们的行进方向对准它们后面。然后，当再开启的卫星沿轨道行进时，它们可以恢复逐渐向前的倾斜，所述倾斜逐渐地将其覆盖区域提前于轨道。在沿轨道行进一半后，当它们再次到达赤道平面时，重复这个过程。图12示出了卫星通过赤道平面的过渡，图15示出了当卫星关闭时，其覆盖区域是如何被“移交”到正在被开启的另一个卫星，使得覆盖区域接收不间断的覆盖。
附图说明
[0037] 图1示出了在现有技术中的近地极地轨道中的LEO卫星；
[0038] 图2示出了在现有技术中的近地极地轨道中的LEO卫星和地球同步轨道上的GEO卫星；
[0039] 图3示出了在现有技术中的LEO卫星的覆盖区域；
[0040] 图4示出了在现有技术中的LEO卫星的覆盖区域；
[0041] 图5示出了在现有技术中的LEO卫星对来自GEO卫星的信号造成无线电干扰的场景；
[0042] 图6示出了现有技术中的干扰缓解技术；
[0043] 图7示出了现有技术中图6的干扰缓解技术的问题；
[0044] 图8示出了现有技术中能够传输多个独立波束的LEO通信卫星；
[0045] 图9示出了在现有技术中的多波束覆盖图案的示例；
[0046] 图10示出了根据本发明的说明性的实施例的用于减少由LEO卫星引起的干扰的方法；
[0047] 图11示出了根据本发明的说明性的实施例的不同纬度的渐进的卫星倾斜；
[0048] 图12示出了，根据本发明的说明性的实施例，LEO卫星通过赤道平面的过渡，并且示出了传输波束覆盖区域位置随卫星相对赤道平面位置的变化；
[0049] 图13示出了根据现有技术的LEO通信卫星的系统；
[0050] 图14示出了根据本发明的说明性的实施例的LEO通信卫星的系统；
[0051] 图15示出了根据本发明的说明性的实施例的在赤道附近的从一个LEO卫星到另一个LEO卫星的覆盖区域的切换；
[0052] 图16示出了本发明的替代实施例，其中通过与可选择的波束的开启/关闭相结合的卫星倾斜来减轻干扰。
具体实施方式
[0053] 图10示出了根据本发明的实施例的用于减少由LEO卫星引起的干扰的方法。在该图中，GEO接收器510试图从GEO卫星接收无线电信号520，并且在无线电信号520的到达方向与来自LEO卫星1040的任何无线电传输之间需要最小角间距1030。在本图中，根据本发明的LEO卫星1040具有相对于地球表面改变其方位(即，自身倾斜)的能力。因此，与图6中的LEO卫星140不同，该LEO卫星未减小其覆盖区域1020的大小。相反，整个卫星倾斜，使得其无线电传输指向远离GEO接收器510，并且保持期望的角间距1030。
[0054] 由于发射波束未被关闭，所以覆盖区域的大小未减小，并且卫星可以继续承载相同的通信量。倾斜的结果是覆盖区域1020不再位于卫星1040下的中心。这与现有技术相反，其中图6中的覆盖区域620仍然在围绕LEO卫星140下的地球表面上的子卫星点的中心。在图10中，覆盖区域1020不是以子卫星点为中心；相反，覆盖区域1020的位置移向赤道平面。
[0055] 图11示出了所需的倾斜度如何根据LEO卫星1040沿其轨道的位置而演变。该图示出了LEO卫星的四个可能位置，其标记为从1141-1至1141-4。对于每个可能的卫星位置，该图示出了通过该位置的GEO卫星的无线电信号的路径。四个GEO无线电信号被共同地标记为无线电信号1120。
[0056] 在位置1141-1处，子卫星点处于高纬度，并且几何形状使得为保持大的角间距仅需很少或不需要卫星倾斜。LEO卫星几乎完全直下地对准其传输波束，其覆盖区域1122-1几乎完全是以围绕子卫星点为中心。对于其它位置，情况逐渐变化：LEO卫星越接近赤道平面，所需要的倾斜度越大，以保持无线电信号之间所期望的角间距。在位置1141-4处，卫星非常接近赤道平面，并且根据本发明，与现有技术的卫星相比，为了保持所期望的角间距，它需要非常倾斜。相应地，覆盖区域1122-4基本上是偏离了子卫星点；实际上，图11示出了子卫星点在覆盖区域1122-4之外。
[0057] 在所有位置，覆盖区域的大小不需要减少，卫星可以继续承载相同的通信量。事实是，在位置1141-4处，倾斜度如此之大，使得地球表面上的传输波束的覆盖面将经历一定量的失真，但影响很小。与现有技术在1141-4位置卫星将完全无法传输相比，本发明的实施例实现几乎不变的卫星通信量，而与覆盖区域的位置无关。
[0058] 图11示出了LEO卫星的四个可能的位置，而没有指定位置的时间顺序。该图同样适用于沿其轨道以任一方向行进的卫星。在任一情况下，相对于子卫星点的覆盖区域位置沿与卫星的运动方向相同的方向前进。换句话说，当卫星在围绕地球的轨道上移动，覆盖区域也以与卫星相同的方向围绕地球移动，但是覆盖区域绕地球的角速度大于卫星的角速度。最终，覆盖区域超过(outrun)卫星。该图显示，当卫星到达赤道平面时，会发生这种情况。下图显示接着会发生什么情况。
[0059] 图12示出了根据本发明的实施例的LEO卫星通过赤道平面的放大视图。示出了共计八个可能的卫星位置。如前所述，该图同样适用于沿其轨道以任一方向行进的卫星；然而，为了清楚且容易地解释，在本讨论中假设卫星向下行进。
[0060] 在从位置1241-1到位置1241-3中，LEO卫星正在接近赤道平面，如已经讨论的那样，其倾斜度逐渐地增加，使得它的覆盖区域越来越超前于卫星而行进。在位置1214-3处，观察到覆盖区域1220-3几乎完全是以赤道为中心。在这个位置之后不久，卫星关闭了所有的传输波束。
[0061] 在传输波束关闭的情况下，不存在对地球表面的GEO接收器造成干扰的风险。当卫星行进通过位置1242-1至1242-3时，卫星保持传输波束关闭，并开始反向倾斜。目标是在卫星再次开启其传输波束时完全反转倾斜角。
[0062] 在位置1243-3处，卫星刚刚开启了其传输波束。其方位、覆盖区域和波束几何可以被观察成相对于赤道平面的位置1241-3的镜像。现在覆盖区域1222-3滞后于卫星。当卫星从赤道平面离开行进到位置1243-2时，倾斜逐渐减小，使得如前所述的覆盖区域以比卫星更大的角速度在与卫星相同的方向上在地球表面上移动。它将逐渐赶上卫星，当卫星在地球另一边再次穿过赤道平面时，覆盖区域将再次超前于卫星，并重复该过程。
[0063] 当卫星的传输波束关闭时，卫星不承载通信量。如果要维护不间断的服务，则当时由卫星服务的地球终端需要移交给不同的卫星。即使在现有技术的卫星通信系统中，当一颗卫星的覆盖区域从地球的一部分移动到另一部分时，也需要切换。
[0064] 图13示出了根据现有技术的LEO通信卫星的系统。该系统包括在多个轨道平面中的多个LEO轨道，其中一个为如图所示的LEO极地轨道150。轨道上存在有多个LEO卫星。如该图所示，有被描绘为黑点的二十四个LEO卫星1340。每个卫星向以其子卫星点的为中心的覆盖区域提供通信服务。因此，在图13，有二十四个覆盖区域1320。在如图13所示的系统中，卫星没有倾斜，因此，随着卫星在轨道上绕地球行进，二十四个覆盖区域的图案跟随着卫星。在没有一些显著的缓解系统时，该系统不能与GEO卫星共享频谱，这通常会增加成本和/或降低性能。
[0065] 相反，图14示出了根据本发明的说明性的实施例的LEO通信卫星的系统。该系统包括在多个轨道平面中的多个LEO轨道，其中一个为图中所示的LEO极地轨道150。该轨道上存在有多个LEO卫星。如该图所示，有被描绘为黑点的二十四个LEO卫星1440，但仅存在二十二个覆盖面积1420。在任何给定的瞬间，二十四颗卫星中的两颗没有传输；该图示出了两个非传输卫星之一：卫星1441。
[0066] 两颗卫星没有传输的原因是因为当它们在穿过赤道平面时已经关闭了传输波束，如图12所示。位于轨道150下方的地球的部分仍然接收不间断的覆盖，这是因为二十二个覆盖区域1420是连续的。通信量是由未关闭它们的发射波束的二十二颗卫星承载。
[0067] 如已经讨论的，这个系统的特点是二十二个覆盖区域的图案比轨道卫星更快地绕地球运动。当覆盖区域达到赤道且负责服务该赤道区域的卫星关闭其传输波束时，另一个卫星必须同时开启其传输波束以向该覆盖区域提供服务，使得系统用户体验不间断的覆盖。在下一个图中详细说明了将覆盖区域从一个卫星切换到另一个卫星的过程。
[0068] 图15示出了根据本发明的说明性的实施例的在赤道附近的从一个卫星到另一个卫星的覆盖区域是如何发生切换的。初一看，此图表面上与图12相似。但是，在这种情况下，该图示出了在特定时刻的LEO轨道150中的多个卫星的快照。这一瞬间被选为当一颗卫星1540-4正通过赤道平面时的时间。当然，如图12所示，该卫星1540-4在此时刻之前已经很好地关闭了其传输波束，并且正在旋转以反转倾斜并准备好在稍后的时间再次开启其传输波束。
[0069] 在这个特定的说明性的实施例中，当它们在赤道平面上过渡时，有四颗卫星在任何给定的时间不进行传输。也就是说，在行星的每一边，有一颗卫星正在接近赤道，而一颗已准备好在经过赤道后重新开启。如图15所示，除卫星1540-4之外，卫星1540-5在此时也已将其传输波束关闭，但已经完成了反转倾斜的动作，并准备再次开启传输波束。在同一时刻，卫星1540-3已经达到了必须关闭其传输波束的点。它的覆盖区域1520-3跨越赤道。随着卫星1540-3关闭其传输波束，卫星1540-5开启其传输波束，并开始向覆盖区域1520-3提供服务，因此覆盖区域1520-3不会出现服务中断。
[0070] 迄今为止，在所介绍的本发明的所有实施例中，卫星同时开启或关闭其所有传输波束。然而，卫星也可以在不同的时间选择性地开启或关闭波束。在本发明的实施例中可以有利地利用该能力。
[0071] 图16示出了如何在本发明的实施例中使用选择性地将传输波束开启或关闭的能力，以减少所需的卫星倾斜量。如图所示，LEO卫星1640需要在信号之间提供足够的角间距，以为了地球表面上的GEO接收器510和其它GEO接收器的利益。如图10所示，LEO卫星1640倾斜着离开GEO接收器510，以实现角间距，但是在该说明性示例中，卫星也选择性地关闭传输波束1610，所述传输波束1610被指向在GEO接收器510附近。这种技术使LEO卫星1640能够实现增大的角间距1630，而不会产生过度的倾斜。
[0072] 当然，由于关闭一些波束的影响，覆盖区域的尺寸将会减小。如图16所示，其中覆盖区域1620具有减小的尺寸。然而，这不一定是个问题，本发明的实施例的覆盖区域的大小可以根据LEO卫星在其轨道中的位置而改变。也可以设想本发明的实施例，其中，代替在赤道的覆盖范围的切换，覆盖区域的尺寸在接近赤道的时候逐渐减小(dwindle)到无。
[0073] 虽然本发明已经针对LEO卫星的极地轨道和GEO卫星的赤道轨道进行了说明，但是在阅读本公开的内容之后，本领域技术人员将清楚如何制作和使用本发明的实施例，其中卫星是处于其他类型的轨道。例如，但不限于本发明可有利于减少对处于非对地静止轨道的卫星的干扰；例如，这样的卫星可以在轨道平面相对于赤道平面倾斜的轨道中。这种倾斜平面的一个显著的例子是称为相对于赤道平面倾斜7.3°的GEO稳定平面。此外，根据本发明的系统中的卫星可以在非极地轨道中，非极地轨道的平面相对于赤道平面倾斜，或相对于干扰被减轻的卫星的平面倾斜一个小于90°的角度。
[0075] 定义
[0076] 天线-为了本说明书的目的，“天线”被定义为用于将电射频信号转换为无线电信号，或反之亦然，或两者兼有的装置。通常，天线是由一个或多个适当尺寸的形状和布置的金属制成。除了金属之外，天线也可以包括介电材料。有时使用金属以外的导电材料。
[0077] 基于为了本说明书的目的，与“独立于”相反，短语“基于”被定义为“依赖于”。作为“基于”，其包括功能与关系。
[0078] 近赤道轨道-在撰写本说明书时，维基百科将近赤道轨道定义为“靠近赤道平面的轨道”。所需的接近度取决于周围的情况。为了本公开的目的，如果近赤道轨道相对于赤道平面的倾斜角度足够小以允许本发明的实施例能够实现本说明书中阐述的结果，则近赤道轨道应被认为是足够接近的。对于本领域的技术人员而言，很清楚何时近赤道轨道被认为足够接近。
[0079] 赤道轨道-这是本领域常用的一种说法，其是指轨道平面为赤道平面的卫星轨道。在本领域众所周知的是，由于太阳、月亮和其他原因造成的扰动，真正的卫星的实际轨道是不能维持在赤道平面上。拟在赤道轨道上的卫星需要进行周期性轨道调整，以纠正这种扰动并将卫星的轨道带回赤道平面附近。
[0080] 这种调整的频率和程度取决于卫星的要求。特别地，根据卫星任务的目标，将存在着最大容限的与完美的赤道轨道的偏离。根据需要进行调整，以将轨道平面保持在该容限内。这样的卫星的轨道仍然通常被称为赤道轨道，因为标称轨道平面是赤道平面，尽管在任何给定时刻的实际轨道平面可能相对于赤道平面成在容限内的一角度。
[0081] 轨道-这是本领域通常使用的术语，是指在地球重力井内的无动力卫星的轨迹。特别地，轨道通常被理解为指一个焦点位于地球中心的椭圆。在本领域中可以理解，这样的椭圆只是近似的。在实际中，地球的扁率及太阳和月亮的存在导致对轨道的扰动，使得实际卫星的轨迹与椭圆不同。然而，术语“轨道”仍然通常是用于指椭圆，因为椭圆是卫星轨迹的极好近似。
[0082] 即使当这种近似不足时，实际轨迹从完美椭圆的偏离的特征是关于椭圆的参数如何随时间而变化。在任何给定的时刻，卫星被视为以椭圆轨道行进，这被称为“密切(osculating)”轨道。
[0083] 椭圆是平面几何曲线。因此，在任何给定的时刻，卫星被称为在一个明确界定的轨道平面上移动；即在密切轨道的平面上移动。当密切轨道的参数随时间发生变化，轨道的平面一般也会发生变化。
[0084] 当卫星触发其推进器时，响应于卫星变化的速度，密切轨道突然变化。
[0085] 展示-为了本说明书的目的，英语动词不定式的“展示”及其变形形式(例如“展示中”，“展示”等)被定义为“显示或说明”。
[0086] 生成-为了本说明书的目的，英语不定式的“生成”及其变形形式(例如“生成中”，“生成”等)应该被赋予一般和惯用的含义，对于本领域普通技术人员来说，在阅读本发明时，这些术语将具有所述的一般和惯用的含义。
[0088] 何时-为了本说明书的目的，“何时”一词被定义为“在…的情形”。
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