Brevet FR2783378A1 — publié le 20000317

SYSTEME DE COMMUNICATIONS PAR SATELLITE AMELIORE UTILISANT UN PARTAGE DE LA PUISSANCE HF POUR DES SOURCES PRIMAIRES OU DES FAISCEAUX MULTIPLES DANS DES LIAISONS DESCENDANTES Cette invention se rapporte d'une façon générale à des systèmes de communications utilisant des engins spatiaux et, en particulier, à des systèmes de communications utilisant des engins spatiaux qui comportent au moins un engin spatial qui reçoit des signaux de liaison montante depuis un certain nombre d'émetteurs de stations terrestres situés à l'intérieur de faisceaux, et qui décale en fréquence et retransmet les signaux de liaison montante reçus vers des récepteurs situés à l'intérieur des mêmes faisceaux. L'utilisation d'un satellite en orbite géosynchrone pour diffuser des signaux de télévision vers des récepteurs terrestres est bien connue dans la technique. Par exemple, on peut faire référence aux deux publications suivantes: "Flight Hardware Test Results Obtained on High Power Equipment and on the Repeater Subsystem of 12 GHz DBS", de W. Liebisch et al., 86-0646 AIAA, pages 266 à 274, 1986, et "The Thermal Control System of the German Direct Transmitting Communication Satellite TV-SAT", de Kreeb et al., AIAA 8ème conférence sur les systèmes de satellite de communications, 20 au 24 avril, 1980. Un certain nombre de problèmes se présentent lors de la conception d'un système de communications par satellite à hautes performances qui fournit, par exemple, un service de télévision à des récepteurs terrestres dispersés sur une grande zone géographique. Dans un tel système, un certain nombre de stations terrestres différentes, chacune étant associée à un lieu et un marché démographique différents, peuvent émettre chacune un signal de liaison montante qui est destiné à être reçu par un engin spatial, tel qu'un satellite en orbite géosynchrone, et ensuite transmis, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs canaux de répéteurs, depuis l'engin spatial vers les récepteurs de télévision à l'intérieur du lieu desservi par la station terrestre. Par exemple, une première station terrestre peut desservir la zone de New York City, une autre peut desservir la zone de St. Louis, alors qu'une autre dessert la zone de Salt Lake City. Chaque station terrestre peut fournir un ou plusieurs canaux de télévision, et est considérée comme étant située à l'intérieur d'un faisceau particulier de l'engin spatial. Plus d'une station terrestre peut être desservie par un faisceau particulier. Comme on peut s'en rendre compte, dans un tel système, la taille et donc les exigences en puissance de la liaison descendante de chaque zone de service peuvent différer de façon significative. C'est-à-dire que pour une valeur prédéterminée de puissance HF au niveau du sol, davantage de puissance de l'émetteur de l'engin spatial est nécessaire pour un grand faisceau que pour un petit faisceau. En outre, et pour pouvoir maximiser le nombre total des stations terrestres qui peuvent être desservies, l'engin spatial nécessitera un nombre significatif de récepteurs de liaison montante, de même qu'un nombre significatif d'amplificateurs de puissance de liaison descendante, réalisés de façon caractéristique sous forme d'amplificateurs à tube à onde progressive (TWTA). En outre, il est important de prévoir une certaine possibilité de commande de la puissance d'émission de façon à compenser les gênes localisées pour les signaux, typiquement l'atténuation due à la pluie, qui peuvent être rencontrées à tout instant donné en un lieu mais pas dans d'autres. On sait prévoir une commande de gain et de puissance HF des canaux de répéteurs sur un faisceau de liaison descendante avec une station terrestre, mais pas avec une 3 2783378 commande de gain et de puissance HF des différents canaux de répéteurs avec des stations terrestres multiples dans un faisceau de liaison descendante. Conformément à la technique antérieure, et en se référant à la figure 1A, un système de communications à engin spatial peut comporter un engin spatial 1 qui utilise des amplificateurs TWTA 2 séparés qui reçoivent chacun un signal séparé des stations terrestres (GS) situées à l'intérieur du même faisceau ou de faisceaux différents. Par exemple, un premier faisceau (faisceau n l) peut comprendre quatre stations terrestres (GS1 à GS4) alors qu'un second faisceau (faisceau n 2) peut comprendre six stations terrestres différentes (GS1 à GS6). Chaque signal de station terrestre est transmis par l'intermédiaire d'un canal de répéteur d'engin spatial séparé qui comprend un circuit d'amplificateur de canal, représenté d'une façon générale par l'amplificateur 4, et un amplificateur TWTA 2. Chaque circuit d'amplificateur de canal 4 peut être commandé séparément en gain et/ou en puissance HF par la station terrestre associée. Les sorties des amplificateurs TWTA 2 pour chaque faisceau sont combinées dans un multiplexeur de sortie (OMUX) 3 avant la transmission sur la liaison descendante vers les récepteurs terrestres dans chaque faisceau régional ou ponctuel. On peut se rendre compte que cette approche classique peut gaspiller de l'énergie et des amplificateurs TWTA, dans la mesure o chaque canal de répéteur présentera de façon caractéristique des exigences en puissance HF différentes. Si l'on souhaite utiliser un seul type d'amplificateur TWTA (par exemple, un amplificateur TWTA de 60 W) ou seulement deux types (par exemple de 60 W et de 120 W), alors un canal de répéteur qui ne nécessite que 10 W de puissance HF utilisera son amplificateur TWTA beaucoup moins 4 2783378 efficacement qu'un autre canal de répéteur qui exige 50 W de puissance HF. En outre, conformément à la technique antérieure, un faisceau ponctuel d'une seule taille peut être prévu, lequel est contigu sur tous les Etats-Unis continentaux (CONUS). En variante, et comme cela est présenté en exemple par le brevet des Etats-Unis n 4 819 227, "Satellite Communications System Employing Frequency Reuse" de H. A. Rosen, un système de communications bilatérales par satellite peut utiliser des faisceaux ponctuels dans des zones contiguës. En général, la technique antérieure nécessite soit davantage de satellites, soit un espacement de faisceaux ponctuels plus grand, en utilisant une seule taille de faisceaux ponctuels, afin d'obtenir les performances requises. La technique antérieure peut également utiliser davantage d'antennes entrelacées sur la zone CONUS, avec des espacements de sources primaires plus grands, et nécessiter donc davantage de surface sur le satellite. Il est également connu d'après la technique antérieure de prévoir autant de récepteurs que le nombre total de canaux de répéteurs, ou autant que le nombre des sources primaires/faisceaux, et de faire en sorte que chaque récepteur transpose son canal de répéteur associé ou source primaire/faisceau vers les fréquences de canaux de liaison descendante appropriées. En se référant à la figure 1C, la technique antérieure enseigne un système qui utilise soit un seul récepteur 7 pour un répéteur soit un seul récepteur 7 pour une source primaire ou un faisceau. Comme cela était également le cas pour la figure 1A, chaque signal de station terrestre GS peut avoir pour origine une zone géographique séparée (par exemple depuis des stations terrestres situées dans des zones urbaines différentes). Comme on s'en rendra compte, et comme cela était également le cas pour la figure 1A, les approches de la technique antérieure ne sont pas efficaces en ce qui concerne la consommation d'énergie de l'engin spatial, le poids, et/ou l'utilisation de la charge utile. C'est un premier but et avantage de cette invention de réaliser un système de communications par satellite amélioré dans lequel une pluralité de canaux de répéteurs de satellite sont sélectionnés de façon à être combinés et amplifiés par un seul amplificateur de haute puissance attaqué de façon linéaire, tel qu'un amplificateur TWTA ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. C'est un autre but et avantage de cette invention de procurer une technique pour additionner une pluralité de canaux de répéteurs de satellite de liaison montante dans un seul amplificateur TWTA attaqué de façon linéaire ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples, ou un certain autre type d'amplificateur HF à haute puissance, et de séparer ensuite les canaux de répéteurs amplifiés en une pluralité de sources primaires et/ou de faisceaux ponctuels ou régionaux de liaison descendante distincts. Certains des problèmes qui précèdent et d'autres sont surmontés, et les buts et avantages sont atteints grâce à des procédés et dispositifs conformes à des modes de réalisation de cette invention. Conformément à cette invention, il est réalisé un système de commande de puissance HF de communications par satellite pour délivrer des données numériques, telles que des données de télévision numériques, depuis des stations terrestres multiples vers des sources primaires et/ou des faisceaux ponctuels ou régionaux. Les enseignements de cette invention se rapportent à un système partageant la puissance HF de communications d'un satellite pour délivrer des données numériques à partir de faisceaux ponctuels ou régionaux multiples par l'intermédiaire d'une combinaison de modules de combinaison d'entrée et de séparateurs de sortie, et en amplifiant une pluralité des canaux de signaux/répéteurs 6 2783378 avec un amplificateur à haute puissance (HPA), tel qu'un ou plusieurs amplificateurs TWTA ou amplificateurs de puissance monolithiques. Pour des faisceaux ponctuels ou régionaux avec un faible trafic de données et une faible puissance de liaison descendante HF nécessaire, cet aspect de l'invention permet de combiner des sources primaires et/ou des faisceaux multiples vers un amplificateur HPA ou TWTA, et permet ensuite d'utiliser un multiplexeur de sortie inverse (OMUX) pour séparer la sortie de l'amplificateur HPA ou TWTA vers les sources primaires et/ou les faisceaux désignés. Dans le contexte de cette invention, une ou plusieurs sources primaires peuvent former un faisceau. Une solution connue précédente utiliserait de nombreux amplificateurs HPA ou TWTA avec des niveaux de puissance différents pour délivrer la puissance de liaison descendante pour chaque faisceau ponctuel ou régional. Cette approche classique nécessiterait donc un ensemble important d'amplificateurs HPA ou TWTA à basse puissance et à haute puissance sur le satellite, alors que les enseignements de cette invention permettent une réduction et/ou une élimination des amplificateurs HPA ou TWTA à basse puissance, qui présentent habituellement une efficacité inférieure. C'est-à-dire qu'en combinant une pluralité de canaux de répéteurs qui nécessiteraient de façon classique une pluralité d'amplificateurs TWTA à basse puissance (ou un certain autre type d'amplificateur de puissance HF) en un amplificateur TWTA de puissance supérieure, et en séparant ensuite les canaux de répéteurs amplifiés, un certain nombre des amplificateurs TWTA à basse puissance peut être complètement éliminé de l'engin spatial, en économisant ainsi du poids, du volume et de la consommation d'énergie de charge utile. Cet aspect de l'invention utilise une analyse du nombre des canaux de répéteurs qui peuvent être combinés et amplifiés en puissance dans un seul amplificateur HPA ou TWTA, ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples, et détermine quels sources primaires et/ou faisceaux présentent un faible trafic de données et une puissance de liaison descendante requise faible qui en font des candidats appropriés pour combiner leurs sources primaires et/ou faisceaux dans un amplificateur HPA ou TWTA attaqué de façon linéaire, ou des amplificateurs de puissance TWTA en parallèle multiples. Le multiplexeur OMUX inverse 46 est utilisé pour séparer les sources primaires et/ou les faisceaux combinés en des liaisons descendantes individuelles séparées après l'amplification de puissance de l'amplificateur HPA ou TWTA, ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Cette invention réalise ainsi un système de communications par satellite qui comprend au moins un engin spatial en orbite géosynchrone qui fournit une pluralité de faisceaux à la surface de la Terre, et une pluralité de stations terrestres dont des stations individuelles sont situées dans l'un des faisceaux afin d'émettre des signaux de liaison montante vers l'un des engins spatiaux. L'engin spatial comporte une pluralité de récepteurs destinés à recevoir une pluralité des signaux de liaison montante depuis les stations terrestres, un transposeur de fréquence destiné à transposer les signaux de liaison montante reçus à une fréquence d'émission d'une pluralité de signaux de liaison descendante, et une pluralité d'émetteurs destinés à émettre la pluralité de signaux de liaison descendante à l'intérieur des mêmes faisceaux que les signaux de liaison montante correspondants. Chaque émetteur comprend un module de combinaison destiné à combiner ensemble une pluralité de signaux transposés en fréquence et un amplificateur de puissance, tel qu'un amplificateur TWTA, destiné à amplifier la pluralité combinée des signaux transposés en fréquence. L'engin spatial comprend en outre un séparateur de sortie destiné à séparer la pluralité combinée amplifiée des signaux transposés en fréquence en une pluralité de signaux de liaison descendante dans une pluralité de sources primaires et/ou faisceaux. Dans un mode de réalisation de l'invention, ledit amplificateur de puissance est constitué d'un seul amplificateur TWTA attaqué de façon linéaire ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Chaque amplificateur de canal peut être commandé en gain par une station correspondante parmi les stations terrestres. Dans un mode de réalisation de la présente invention, les faisceaux présentent des tailles et des formes différentes, et sont non contigus sur au moins une partie de la surface de la Terre. De façon avantageuse, les faisceaux de liaison montante vers un premier des satellites présentent une première polarisation et des faisceaux de liaison descendante présentent une seconde polarisation opposée, et les faisceaux de liaison montante vers un second desdits satellites présentent ladite seconde polarisation et les faisceaux de liaison descendante présentent ladite première polarisation. Dans un aspect de la présente invention, les signaux de liaison montante et de liaison descendante peuvent être des signaux de données numériques, et en particulier des signaux de télévision numériques. Suivant cet aspect de la présente invention, lesdits faisceaux sont des faisceaux ponctuels présentant des tailles et des formes non uniformes, et des faisceaux individuels parmi lesdits faisceaux ponctuels recouvrent une zone prédéterminée d'une zone commerciale de télévision désignée. Des signaux individuels parmi la pluralité de signaux transposés en fréquence sont sélectionnés de telle sorte qu'une somme de la puissance HF de liaison descendante maximum ne dépassera pas la possibilité de puissance admissible et de linéarité d'un seul amplificateur TWTA ou d'amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Les caractéristiques de l'invention énoncées ci- dessus et d'autres sont rendues plus évidentes dans la description détaillée de l'invention qui suit, lue en conjonction avec les dessins annexés dans lesquels: La figure 1A est un schéma synoptique simplifié représentant une partie d'une charge utile de communications d'engin spatial classique, et plus particulièrement l'utilisation d'amplificateurs TWTA individuels pour des canaux de répéteurs individuels, La figure lB est un schéma synoptique simplifié d'une partie d'une charge utile de communications d'engin spatial conforme à un aspect de cette invention, dans laquelle une pluralité de canaux de répéteurs sont combinés et appliqués à un seul amplificateur TWTA, La figure lC est un schéma synoptique simplifié représentant une autre partie d'une charge utile de communications d'engin spatial classique, plus particulièrement l'utilisation de récepteurs individuels pour les canaux de répéteurs individuels, La figure lD est un schéma synoptique simplifié de la partie d'une charge utile de communications d'engin spatial conforme à un autre aspect de cette invention, dans laquelle une pluralité de canaux de répéteurs sont combinés à la place dans un multiplexeur d'entrée (IMUX) et sont appliqués à un seul récepteur, La figure lE illustre le multiplexeur IMUX de la figure lD davantage en détail pour la configuration d'exemple 4:1, La figure 2A est une vue en élévation d'un engin spatial de communications qui convient pour mettre en pratique cette invention, La figure 2B décrit une partie de l'engin spatial de la figure 2A, et représente davantage en détail trois réflecteurs d'antenne destinés à générer des faisceaux ponctuels de tailles différentes, La figure 2C décrit un système de communications à deux engins spatiaux conforme à un aspect de cette invention, La figure 3A est un schéma illustrant une charge utile d'engin spatial généralisée pour un cas d'exemple de liaison montante et de liaison descendante à 37 faisceaux, La figure 3B est un schéma synoptique de circuit de la charge utile d'engin spatial pour le cas d'exemple de liaison montante et de liaison descendante à 37 faisceaux représenté sur la figure 3A, La figure 3C est un schéma synoptique de circuit simplifié d'une partie d'un autre mode de réalisation d'une charge utile d'engin spatial conforme à cette invention, et Les figures 4A et 4B illustrent diverses tailles et formes de faisceaux ponctuels d'exemple pour un premier engin spatial de communications (figure 4A) et un second engin spatial de communications (figure 4B) qui coopèrent, comme sur la figure 2C, pour fournir une couverture de télévision par engin spatial directe aux Etats-Unis continentaux. Il sera fait référence aux figures 2A et 2B pour illustrer un satellite ou engin spatial en orbite géosynchrone 10 qui convient pour mettre en pratique cette invention. Dans la description qui suit, on supposera que deux tels engins spatiaux sont utilisés ensemble afin de permettre une couverture directe de télévision numérique par engins spatiaux sur des régions localisées des Etats-Unis continentaux (se reporter également aux figures 4A et 4B), de même que pour Hawai et l'Alaska. On devra se rendre compte cependant dès le début que les enseignements de cette invention ne sont pas limités à fournir uniquement des signaux de 11 2783378 télévision, mais peuvent être utilisés pour fournir tout type quelconque de données numériques, y compris, mais sans s'y limiter, des données de voix numérisée, de fac- similé, de recherche de personnes, et de réseau informatique, y compris les paquets de données Internet. L'enseignement de cette invention n'est également pas limité à l'utilisation de deux engins spatiaux, dans la mesure o un nombre inférieur ou supérieur à celui-ci peut être utilisé, l'enseignement n'étant pas non plus limité, par exemple, uniquement aux fréquences et/ou aux nombres, tailles ou formes de faisceaux particuliers qui seront décrits ci-dessous. Sur les figures 2A et 2B, l'engin spatial 10 comprend un bus 12 et des réseaux de cellules solaires 14. Une pluralité d'amplificateurs TWTA 16 à rayonnement direct sont montés sur le bus 12, par exemple des amplificateurs TWTA de bande Ka, ou de bande Ku ou de bande C. Pour le cas de la bande Ka, trois antennes sont utilisées par engin spatial pour engendrer les faisceaux ponctuels: une antenne de type Gregorian de 3 mètres 18, antenne d'émetteur/récepteur destinée à engendrer un faisceau ponctuel de 0,35 , une antenne d'émetteur/récepteur à source primaire décalée de 2,1 mètres 20 afin d'engendrer un faisceau ponctuel de 0,5 , et une antenne d'émetteur/récepteur 22 à source primaire décalée de 1,5 mètres afin d'engendrer un faisceau ponctuel de 0,70. Des mécanismes de pointage des antennes 24 sont prévus, comme un sous-réflecteur orientable 18A qui permet le suivi automatique pour l'antenne de 3 mètres 18, de même que des sous-réflecteurs orientables A et 22A pour les antennes 20 et 22, respectivement. D'autres antennes comprennent deux antennes de type Gregorian formées 26A et 26B en vue de la télévision à haute définition (HDTV), de même qu'une antenne de type Gregorian formée 26C pour permettre un accès conditionnel à un contrôleur au sol. Les antennes 26A à 26C ne sont 12 2783378 pas particulières aux enseignements de cette invention, et ne sont pas davantage décrites avec un degré quelconque de spécificité. Chaque antenne est de préférence à suivi automatique pour permettre une erreur de pointage très faible. Bien qu'elles soient décrites dans le contexte d'antennes de type Gregorian, les antennes pourraient être réalisées également avec des antennes de type Cassegrain. En général, l'utilisation d'antennes de type Gregorian ou de type Cassegrain est préférée pour permettre de grandes possibilités de balayage avec un isolement de lobes latéraux élevé. Le rapport de la distance focale sur le diamètre (F/D) est de préférence dans la plage d'environ deux à environ trois. En outre, et bien qu'elles soient illustrées sous forme d'antennes circulaires, on se rendra compte qu'une ou plusieurs des antennes 18, 20 ou 22 pourraient avoir une forme non circulaire, par exemple une forme elliptique, afin de fournir des faisceaux de forme non circulaire à la surface de la Terre. L'antenne 18 de 0,35 de bande Ka de 3 mètres est située sur la face est de l'engin spatial 10, et le sous- réflecteur 18A est utilisé pour cette grande antenne car il est beaucoup plus léger et plus facile à orienter que le réflecteur principal. Le sous-réflecteur 18A donne des bénéfices supplémentaires. Par exemple, les faisceaux d'émission et de réception présentent la même collimation, alors qu'il existe un petit décalage lorsque des réflecteurs décalés simples sont utilisés. Ceci est particulièrement important pour ce petit faisceau. Onze faisceaux sont engendrés à partir de l'antenne 18 de 3 mètres de l'engin spatial à polarisation LHCP, alors que l'antenne de 3 mètres sur l'engin spatial à polarisation RHCP engendre douze faisceaux. L'antenne 18 est de préférence pointée dans la partie sud-est de la zone CONUS afin de minimiser les pertes de balayage dans 13 2783378 les zones à forte pluie. L'espacement des faisceaux permet l'utilisation de sources primaires de 2X ou plus grandes. Ce diamètre de source primaire réduit la perte de dispersion et les niveaux des lobes latéraux. Les antennes 20 et 22 de bande Ka de 2,1 mètres, de 0,5 et de 1,5 mètres, de 0,7 sont situées côte à côte sur la face ouest de l'engin spatial 10. Ces antennes utilisent des mécanismes articulés à la Cardan à deux axes pour leur déploiement. Les sous-réflecteurs 20A et 22A sont disposés comme décrit ci-dessus. L'engin spatial à polarisation LHCP comporte dix faisceaux de 0,5 et l'engin spatial à polarisation RHCP en comporte onze. L'antenne de 1,5 mètres, 0,7 de bande Ka engendre 9 faisceaux de type CONUS et le faisceau de Hawai sur l'engin spatial à polarisation LHCP. L'antenne de 0,7 de l'engin spatial à polarisation RHCP engendre 8 faisceaux de type CONUS. Le faisceau pour l'Alaska peut également être engendré à partir de cette antenne en utilisant deux sources primaires pour créer un motif elliptique. Dans un premier mode de réalisation, le système utilise une bande de fréquence de 700 MHz à la bande Ka avec une liaison montante de 29,3 à 30 GHz et une liaison descendante de 19,5 à 20,2 GHz. Le plan de fréquences prévoit 46 répéteurs à 26 MHz, 23 sur chaque polarisation. Le système de télévision HDTV utilise 12 répéteurs, alors que le système SDTV. en utilise 34. Les faisceaux ponctuels sont divisés entre les deux engins spatiaux par polarisation. L'engin spatial 1 traite 149 répéteurs dans 31 faisceaux à polarisation circulaire à gauche (LHCP), alors que l'engin spatial 2 traite 145 répéteurs dans 32 faisceaux à polarisation circulaire à droite (RHCP). En se référant aux figures 3A et 3B, le répéteur est d'une conception à conversion simple. Les liaisons montantes à 30 GHz (37 faisceaux de tailles différentes) 14 2783378 sont amplifiées par des amplificateurs à faible bruit (LNA) 30 et sont appliquées par l'intermédiaire de circuits hybrides d'entrée 32 à des récepteurs 34. Les liaisons montantes sont amplifiées et transposées en fréquence par un oscillateur local (LO) à 9,8 GHz dans la bande de liaison descendante à 20 GHz. Les signaux provenant de chaque faisceau sont alors séparés dans des multiplexeurs d'entrée 36 et sont appliqués à des amplificateurs de canaux 38, et ensuite à des circuits hybrides de sortie 40. Les répéteurs de chaque faisceau sont amplifiés sous forme d'un groupe dans un amplificateur TWTA 42 linéarisé à forte puissance fonctionnant à une tolérance de sortie de 2,5 dB à 3 dB. Dans certains cas o des faisceaux n'ont que quelques répéteurs et nécessitent également une faible puissance, les signaux provenant de deux faisceaux sont amplifiés dans le même amplificateur TWTA, puis séparés dans un multiplexeur de sortie 46. Des amplificateurs TWTA de W simples et en parallèle 42 et 46 sont prévus. Cette approche de conception minimise la masse de la charge utile et sa complexité. Les multiplexeurs d'entrée permettent que les liaisons montantes soient reçues en utilisant seulement 11 récepteurs actifs au lieu de 30 ou 31 si des récepteurs individuels étaient utilisés pour chaque faisceau. En traitant les signaux provenant de chaque faisceau sous forme d'un groupe, beaucoup moins de filtres et d'amplificateurs de canaux sont nécessaires. L'utilisation d'un amplificateur TWTA d'un seul calibre (par exemple 120 W) permet l'utilisation de circuits à grande redondance pour améliorer la fiabilité. L'amplificateur TWTA est d'une conception à collecteur à rayonnement direct (DRC) qui rayonne plus de la moitié de la dissipation thermique dans l'espace plutôt qu'à l'intérieur de la structure de l'engin spatial, ce qui simplifie largement la conception thermique de l'engin spatial. 2783378 Chaque amplificateur de canal 38 fournit de préférence un gain nominal de 50 dB. Le niveau de sortie peut être commandé par pas de 0,5 dB sur, par exemple, une plage de 6 dB de sorte que l'attaque des amplificateurs TWTA 42, 44 peut être réglée avec précision. Les modules de linéarisation de sortie 41 sont de préférence optimisés pour des tolérances de sortie des amplificateurs TWTA d'environ 2 dB à 3 dB. Les amplificateurs TWTA utilisent un EPC pour deux TWTA. Ceci produit un excellent suivi de phase lorsque deux amplificateurs TWTA sont mis en oeuvre dans le mode à haute puissance combiné. On pourra faire référence à ce propos au brevet des Etats-Unis cédé en commun n 5 649 310 "Signal Translation and Amplification System Including a Thermal Radiation Panel Coupled Thereto", de Randall D. Tyner et al., dont la description est incorporée par référence ici dans sa totalité. En se référant à la figure 3C, un autre mode de réalisation de cette invention est représenté. Ce mode de réalisation se rapporte à un systèmede partage de puissance HF de communications de satellite destiné à délivrer des données numériques à partir de faisceaux ponctuels ou régionaux multiples par l'intermédiaire d'une combinaison de modules de combinaison d'entrée 40 et de séparateurs de sortie 46, et en amplifiant une pluralité de canaux de signaux/répéteurs avec un amplificateur à haute puissance (HPA), tel que des amplificateurs TWTA 42, 44 ou des amplificateurs de puissance monolithiques. Pour des faisceaux ponctuels ou régionaux présentant un faible trafic de données et une faible puissance de liaison descendante HF requise, cet aspect de l'invention peut combiner des sources primaires et/ou des faisceaux multiples sur un amplificateur HPA ou TWTA, et peut ensuite utiliser un multiplexeur OMUX inverse pour séparer la sortie de l'amplificateur HPA ou 16 2783378 TWTA vers les sources primaires et/ou les faisceaux désignés. La pluralité des signaux transposés en fréquence correspondant aux signaux de liaison montante reçus sont ainsi sélectionnés en vue d'une combinaison de sorte que la somme d'une puissance HF maximum pour les signaux de liaison descendante constitutifs ne dépasse pas la possibilité de puissance admissible et de linéarité de l'amplificateur TWTA unique ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Bien entendu, deux signaux de liaison montante présentant la même fréquence ne seraient pas sélectionnés pour une combinaison, une amplification et une séparation ultérieures. Sur la figure 3C, l'étage HF à quatre entrées/quatre sorties d'exemple traiterait le faisceau ponctuel n 2, le faisceau n 30, un faisceau régional (par exemple Hawaï), et un faisceau n 10. Ce mode de réalisation s'oppose aux modes de réalisation décrits antérieurement, o des signaux provenant de stations terrestres multiples à l'intérieur d'un seul faisceau sont combinés et amplifiés. Une solution connue précédemment à ce problème utiliserait de nombreux amplificateurs HPA ou TWTA avec des niveaux de puissance différents afin de délivrer une puissance de liaison descendante pour chaque faisceau ponctuel ou régional. Cette approche classique nécessiterait ainsi un ensemble important d'amplificateurs HPA ou TWTA à haute puissance et à basse puissance sur le satellite, alors que les enseignements de cette invention permettent une réduction et/ou une élimination des amplificateurs HPA ou TWTA à basse puissance, qui présentent de façon caractéristique une efficacité inférieure. C'est-à- dire qu'en combinant une pluralité de canaux de répéteurs qui nécessiteraient de façon classique une pluralité d'amplificateurs TWTA à basse puissance (ou un certain autre type d'amplificateur de puissance HF) en un seul amplificateur TWTA à 17 2783378 puissance plus élevée, puis en séparant les canaux de répéteurs amplifiés, un certain nombre des amplificateurs TWTA à basse puissance peut être complètement éliminé de l'engin spatial, en économisant ainsi du poids, du volume et de la consommation d'énergie de la charge utile. Cet aspect de l'invention repose sur une analyse du nombre des canaux de répéteurs qui peuvent être combinés et amplifiés en puissance dans un seul amplificateur HPA ou TWTA, ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples, et détermine quels sources primaires et/ou faisceaux présentent une faible trafic de données et une puissance de liaison descendante requise faible qui en font des candidats appropriés pour combiner leurs sources primaires et/ou faisceaux dans un amplificateur HPA ou TWTA attaqué de façon linéaire, ou des amplificateurs de puissance TWTA en parallèle multiples. Le multiplexeur OMUX inverse 46 est utilisé pour séparer les sources primaires et/ou les faisceaux combinés vers les liaisons descendantes individuelles séparées après l'amplification en puissance de l'amplificateur HPA ou TWTA, ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Dans le système de communications par satellite le plus concerné par les enseignements de cette invention, chaque faisceau régional présentera un trafic de données et une atténuation par la pluie différents, ce qui résulte en ce que des niveaux de puissance différents seront nécessaires pour les faisceaux ponctuels ou régionaux. L'approche de la technique antérieure nécessiterait une multitude d'amplificateurs HPA ou TWTA de tailles différentes pour prendre en compte des exigences différentes pour les faisceaux ponctuels ou régionaux. Cette invention tire avantage d'une analyse de l'amplification en puissance de canaux de répéteurs multiples dans un amplificateur HPA et/ou TWTA attaqué de façon linéaire donné, et utilise des filtres d'entrée (F1 à F4) et un module de combinaison hybride 40 (se reporter 18 2783378 également à la figure 1E) ainsi qu'un multiplexeur OMUX inverse 46 pour combiner les sources primaires et/ou les faisceaux à faible puissance dans un amplificateur HPA ou TWTA 42 attaqué de façon linéaire, ou des amplificateurs TWTA 44 en parallèle multiples. C'est-à-dire que cet aspect de l'invention utilise une pluralité de sources primaires et/ou de faisceaux de liaison descendante à basse puissance et les additionne, en utilisant des modules de combinaison hybrides qui présentent certaines caractéristiques de filtrage, jusque dans un amplificateur HPA ou TWTA linéarisé 42 ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. L'analyse initiale détermine combien de canaux de répéteurs peuvent exister dans un amplificateur HPA ou TWTA donné ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples, c'est-à-dire linéarisés avec le bloc 41 pour assurer des exigences d'isolement vis-à-vis des interférences des canaux voisins adéquates pour le système de communications par satellite. Après que l'amplification de puissance est achevée, le multiplexeur OMUX inverse 46 est utilisé pour séparer l'ensemble des canaux de répéteurs amplifiés en puissance vers les sources primaires et/ou les faisceaux séparés qui ont été à l'origine additionnés. La sortie du multiplexeur OMUX inverse 46 est alors émise vers les antennes appropriées parmi les antennes associées aux sources primaires et/ou aux faisceaux de liaison descendante. Conformément à un autre aspect de cette invention, et en se référant à la figure lB, il est réalisé un système de commande de puissance HF de communications par satellite destiné à délivrer des données numériques, telles que des données de télévision numériques, à partir de stations terrestres multiples vers un faisceau ponctuel ou régional unique. Chaque station terrestre dans le faisceau ponctuel ou régional comporte une commande séparée et individuelle de la puissance HF pour 19 2783378 son canal ou ses canaux de répéteurs. La commande de puissance HF pour chaque station terrestre individuelle permet le réglage de la puissance de liaison descendante en raison de l'atténuation due à la pluie à l'intérieur du faisceau ponctuel ou régional. C'est-à-dire que des réglages de la puissance sont exécutés dans un canal de répéteur particulier avant une combinaison avec d'autres canaux de répéteurs et une amplification par un seul amplificateur TWTA commun ou des amplificateurs TWTA mis en parallèle multiples. Des ordres de commande de la puissance peuvent être émis vers l'engin spatial sur un canal de commande particulier réservé dans ce but en utilisant, par exemple, l'antenne de type Gregorian formée 26C qui a été présentée à la figure 2A. Sur la figure lB, la configuration d'exemple de la technique antérieure de la figure 1A est modifiée pour insérer des modules de combinaison hybrides 5 afin de combiner les sorties des amplificateurs de canaux commandés en gain 4 pour le faisceau n l et des amplificateurs de canaux commandés en gain 4 pour le faisceau n 2. Les sorties combinées passent alors par un circuit tampon et sont linéarisées avec le module de linéarisation 6 avant d'être appliquées aux amplificateurs TWTA 2. Les stations terrestres affectées à chaque circuit hybride 5 et amplificateur TWTA 2 sont sélectionnées de façon que la puissance maximum du pire cas ne dépasse pas la puissance qui peut être prise en compte par le faisceau ponctuel à canaux. Pour ce qui n'est qu'un exemple, pour le faisceau n l, les stations terrestres 1 à 4 peuvent être à des fréquences de 30,3, ,2, 29,9 et 29,8 GHz, et les signaux transposés en fréquence appliqués à l'amplificateur TWTA 2 peuvent être à 20,3, 20,2, 19,9 et 19,8 GHz. La bande passante de l'amplificateur TWTA peut être d'au moins 500 MHz. Le module de linéarisation 6 peut être de conception classique, et est de préférence choisi pour maximiser le 2783378 rapport de puissances sur bruit (NPR) de l'amplificateur TWTA. A mesure que le rapport NPR augmente, la linéarité de l'amplificateur TWTA augmente, et les produits d'intermodulation indésirables diminuent. Chaque station terrestre peut surveiller le faisceau de liaison descendante résultant et compenser ainsi les gênes des signaux, telles que les évanouissements dus à la pluie. Du fait que la liaison montante est à une fréquence supérieure à celle de la liaison descendante, l'effet de la pluie sera plus marqué sur la liaison montante que sur la liaison descendante. Cependant, chaque station terrestre est en mesure de commander séparément le gain de son propre faisceau, avant la combinaison et l'amplification en puissance, de façon à ne pas influer sur la puissance dans les autres faisceaux qui sont également amplifiés par l'amplificateur TWTA 2. On peut remarquer également que les multiplexeurs OMUX 3 de la figure 1A peuvent être supprimés, en éliminant ainsi les pertes de puissance en courant continu dans ces composants habituellement inefficaces. L'utilisation de cet aspect de l'invention permet ainsi que des stations terrestres multiples avec des canaux de répéteurs affectés disposent d'une commande de puissance HF et de gain dans un faisceau ponctuel ou régional affecté, avec des effets minimum sur le signal ou les signaux des stations terrestres voisines. Dans le système de communications par satellite innovant, il existe un partage de la proportion de commande de gain et de puissance entre la station terrestre et l'engin spatial. Pour un faisceau ponctuel ou régional donné, on détermine un certain nombre de stations terrestres qui peuvent partager un amplificateur TWTA commun, sans dépasser les possibilités de l'amplificateur TWTA dans les conditions du pire cas, et ensuite une affectation est faite d'amplificateurs de canaux séparés pour chaque station terrestre. Une addition des sorties des 21 2783378 amplificateurs de canaux est appliquée à un module de linéarisation commun qui attaque un amplificateur TWTA commun ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Cette technique permet d'utiliser un seul type et une seule taille d'amplificateur TWTA sur un engin spatial donné, en abaissant ainsi le coût et la complexité, de même que la consommation d'énergie. Dans ce mode de réalisation, une analyse des canaux de répéteurs multiples dans un système non linéaire est exécutée pour déterminer le nombre des répéteurs qui peuvent être utilisés pour chacune des stations terrestres multiples, comportant chacune leur propre amplificateur de canal d'engin spatial, afin d'attaquer un amplificateur TWTA linéarisé ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples en un seul faisceau. Cette technique élimine ainsi en outre les pertes des multiplexeurs de sortie qui peuvent influer directement sur l'efficacité énergétique et thermique de l'engin spatial. Un exemple de cette invention est un procédé de distribution de données numériques, telles que des données de télévision numériques, utilisant des faisceaux ponctuels multiples présentant des formes et des tailles différentes pour couvrir et desservir complètement des zones commerciales désignées (DMA) en utilisant des engins spatiaux multiples en orbite géosynchrone. Chaque faisceau ponctuel peut contenir de multiples stations terrestres. Chaque station terrestre peut se voir affecter des canaux de répéteurs multiples et a la possibilité de régler la puissance du canal de répéteur ou le gain. En affectant un amplificateur de canal pour chaque station terrestre, des stations terrestres multiples peuvent partager un amplificateur TWTA ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples. Dans un autre aspect, cette invention enseigne une conception de charge utile de communications d'engin spatial destinée à réduire le nombre des récepteurs et la consommation d'énergie en courant continu du système de la charge utile. Ceci est réalisé en utilisant des multiplexeurs d'entrée pour additionner les signaux arrivant depuis des faisceaux ponctuels ou régionaux multiples, tout en étant sélectif lors de cette addition pour éviter l'utilisation des mêmes canaux de répéteurs dans le même multiplexeur d'entrée. La sortie additionnée est alors prélevée vers un seul récepteur. En se référant à la figure lD, le mode de réalisation de la figure 3B peut être modifié de façon à prévoir un seul récepteur 7 qui dessert des liaisons montantes multiples, un multiplexeur d'entrée (IMUX) 8 étant utilisé pour combiner tout d'abord les signaux de liaison montante. La figure lE illustre le multiplexeur IMUX 8 de la figure ID davantage en détail. On peut voir que chaque multiplexeur IMUX 8 est constitué d'une pluralité de n filtres résonants, représentés sous forme de quatre filtres passe-bande 8A à 8D, dont les noeuds de sortie sont reliés à un module de combinaison hybride n:l. L'effet consiste à additionner n sources primaires de fréquences différentes à bande passante plus étroite en un seul signal de sortie à bande passante plus large. Les caractéristiques des filtres passe-bande 8A à 8D sont sélectionnées de façon à obtenir une réjection de bande des canaux adjacents, et le module hybride 8E est sélectionné de façon à présenter une bande passante suffisante pour prendre en compte la bande passante des sources primaires d'entrée. Pour ce qui n'est qu'un exemple, dans le cas de la bande Ka, le spectre total de 500 MHz est séparé en canaux de 27 MHz, chaque filtre passe-bande du multiplexeur IMUX 8 est optimisé pour fonctionner avec l'un des canaux de 27 MHz, et le récepteur/transposeur 7 présente une bande passante de 500 MHz. 23 2783378 Cet aspect de l'invention permet ainsi l'utilisation des multiplexeurs d'entrée 8 qui sont considérablement plus petits et moins coûteux que les récepteurs individuels de la figure 1C. Un seul des multiplexeurs d'entrée 8 additionne des faisceaux et/ou des sources primaires multiples dans le seul récepteur 7, et réduit donc significativement le nombre des récepteurs nécessaires pour une architecture donnée de la charge utile. Le récepteur unique 7 est de préférence conçu pour fonctionner dans la région linéaire afin de minimiser l'interférence de canaux adjacents et les produits d'intermodulation du troisième ordre. Le récepteur unique 7 est supposé, dans les buts de cette invention, comprendre un amplificateur à faible bruit (LNA) qui alimente un circuit de mélangeur de transposition de fréquence fonctionnant avec un signal d'oscillateur local généré. Le récepteur 7 est en outre supposé présenter une bande passante suffisante pour prendre en compte les exigences en bande passante des entrées combinées multiples. Un exemple de l'utilisation de cette invention est un procédé unique de distribution de données numériques utilisant des faisceaux ponctuels multiples présentant des formes et des tailles différentes pour couvrir et desservir complètement les zones commerciales désignées (DMA) Nielsen des Etats-Unis en utilisant des engins spatiaux multiples en orbite géosynchrone. Chaque faisceau ponctuel comporte un ensemble affecté de répéteurs, et des répéteurs alloués d'un ou plusieurs faisceaux ponctuels peuvent alors être multiplexés et additionnés dans le même récepteur unique 7. Cette conception de système de charge utile de communications réduit significativement le nombre des récepteurs 7 requis par comparaison aux systèmes de charge utile conçus conformément à la technique antérieure. En se référant maintenant aux figures 4A et 4B, un autre aspect de cette invention est la capacité d'utiliser le système de communications par engin spatial pour délivrer des données numériques provenant d'une station terrestre à l'intérieur d'un faisceau ponctuel vers le même faisceau ponctuel, dans un sens, par l'intermédiaire de diverses configurations de faisceaux ponctuels d'antennes. Les configurations utilisent une variation de faisceaux ponctuels de tailles différentes présentant chacun soit une forme non circulaire, telle qu'une forme elliptique, soit une forme circulaire, soit une combinaison des deux formes pour couvrir une zone géographique entière qui doit être desservie. Ce type de service peut ainsi prendre en compte des différences de marchés, démographiques, de langues, etc... Une combinaison de faisceaux ponctuels non circulaires et circulaires de tailles différentes est utilisée pour former une configuration non contiguë ou des zones non contiguës, en permettant ainsi un isolement inter-faisceaux amélioré. Un exemple de l'utilité de cette invention est sa capacité à permettre une couverture de toutes les zones DMA Nielsen CONUS avec deux engins spatiaux sur une seule ou de multiples orbites géosynchrones, comme indiqué sur la figure 2C. Cette technique améliore la réutilisation des fréquences d'une bande passante donnée, avec un ensemble minimum d'antennes et d'engins spatiaux, par rapport à une approche contiguë classique pour les emplacements des faisceaux ponctuels. Dans le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 2C, il existe deux engins spatiaux en un seul emplacement d'orbite géosynchrone, par exemple à moins d'environ 0,2 , qui sont utilisés pour couvrir toutes les zones DMA en utilisant des emplacements de faisceaux ponctuels alternés entre les deux engins spatiaux. Chaque 2783378 engin spatial réalise la liaison montante avec une seule polarité, mais opposée à celle de l'autre engin spatial. Plus particulièrement, l'engin spatial n l réalise la liaison montante soit avec une polarisation RHCP soit avec une polarisation LHCP et l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante soit avec une polarisation LHCP soit avec une polarisation RHCP (avec une polarité opposée), ou bien l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire verticale et l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire horizontale, ou vice versa. La liaison descendante pour chaque engin spatial est de polarité opposée à sa polarité de liaison montante. Par exemple, l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation RHCP et la liaison descendante avec une polarisation LHCP, alors que l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante avec une polarisation LHCP et la liaison descendante avec une polarisation RHCP, ou bien l'engin spatial n l réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire verticale et la liaison descendante avec une polarisation linéaire horizontale, alors que l'engin spatial n 2 réalise la liaison montante avec une polarisation linéaire horizontale et la liaison descendante avec une polarisation linéaire verticale. La conception du système à deux engins spatiaux peut soit utiliser des faisceaux ponctuels non circulaires tous de tailles différentes, des faisceaux ponctuels circulaires tous de tailles différentes, soit une combinaison de faisceaux ponctuels non circulaires et circulaires de tailles différentes pour couvrir la totalité des zones DMA. Les techniques générales pour élaborer des faisceaux ponctuels de tailles différentes avec des antennes à réflecteur du type décrit ci-dessus, de même que pour élaborer des faisceaux ponctuels soit circulaires soit non circulaires, sont connues de l'homme 26 2783378 de l'art, mais pas la combinaison de faisceaux ponctuels de tailles et de formes différentes pour couvrir diverses régions terrestres, en permettant une réutilisation des fréquences améliorée et une réduction de l'interférence inter-faisceaux, comme décrit ici. Pour ce qui n'est qu'un exemple, l'antenne circulaire de 3 mètres 18 pourrait être au lieu de cela une antenne elliptique présentant des dimensions de 3,2 mètres sur 2,5 mètres afin d'élaborer des faisceaux elliptiques au lieu de circulaires. On devra se rendre compte également que l'enseignement de cette invention n'est pas limité à une utilisation avec deux engins spatiaux fonctionnant avec des polarisations différentes. Par exemple, il pourrait y avoir trois engins spatiaux ou davantage fonctionnant chacun avec une polarisation double. Ainsi, bien que l'invention ait été présentée et décrite de façon particulière en fonction de modes de réalisation préférés de celle-ci, l'homme de l'art comprendra que des modifications de forme et de détails peuvent être apportées à celle-ci sans s'écarter de la portée et de l'esprit de l'invention. 27 2783378 REVENDICATIONS 1. Système de communications, comprenant: au moins un engin spatial en orbite géosynchrone, ledit engin spatial fournissant une pluralité de faisceaux à la surface de la Terre, et une pluralité de stations terrestres dont des stations individuelles sont localisées dans l'un desdits faisceaux afin d'émettre des signaux de liaison montante vers ledit engin spatial, dans lequel ledit engin spatial est constitué d'une pluralité de récepteurs destinés à recevoir une pluralité des signaux de liaison montante depuis les stations terrestres, d'un transposeur de fréquence destiné à transposer les signaux de liaison montante reçus à une fréquence d'émission d'une pluralité de signaux de liaison descendante, d'une pluralité d'amplificateurs de canaux et d'une pluralité d'émetteurs destinés à émettre la pluralité de signaux de liaison descendante à l'intérieur des mêmes faisceaux que les signaux de liaison montante correspondants, et dans lequel chaque dit émetteur est constitué d'un module de combinaison destiné à combiner ensemble une pluralité sélectionnée de signaux transposés en fréquence et d'un amplificateur de puissance destiné à amplifier la pluralité combinée des signaux transposés en fréquence, et comprenant en outre un séparateur de sortie destiné à séparer la pluralité combinée amplifiée des signaux transposés en fréquence en une pluralité de signaux de liaison descendante dans une pluralité desdits faisceaux. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit amplificateur de puissance est constitué d'un amplificateur TWTA attaqué de façon linéaire ou d'amplificateurs TWTA en parallèle multiples. 28 2783378 3. Système selon la revendication 1, dans lequel chacun de ladite pluralité des amplificateurs de canaux est commandé en gain par une station correspondante parmi lesdites stations terrestres. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits faisceaux présentent des tailles et des formes différentes, et sont non contigus sur au moins une partie de la surface de la Terre. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel des faisceaux de liaison montante vers un premier desdits satellites présentent une première polarisation et des faisceaux de liaison descendante présentent une seconde polarisation opposée, et dans lequel des faisceaux de liaison montante vers un second desdits satellites présentent ladite seconde polarisation et des faisceaux de liaison descendante présentent ladite première polarisation. 6. Système selon la revendication 1, dans lequel les signaux de liaison montante et de liaison descendante comprennent des signaux de données numériques. 7. Système selon la revendication 1, dans lequel les signaux de liaison montante et de liaison descendante comprennent des signaux de télévision numériques. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel lesdits faisceaux sont des faisceaux ponctuels présentant des tailles et des formes non uniformes, et dans lequel des faisceaux individuels parmi lesdits faisceaux ponctuels recouvrent une zone prédéterminée d'une zone commerciale de télévision désignée. 29 2783378 9. Système selon la revendication 2, dans lequel des signaux individuels parmi la pluralité de signaux transposés en fréquence sont sélectionnés de telle sorte qu'une somme de puissance HF de liaison descendante maximum ne dépasse pas la possibilité de puissance admissible et de linéarité dudit amplificateur TWTA unique ou des amplificateurs TWTA en parallèle multiples.