СИСТЕМА СВЯЗИ, ОСНОВАННАЯ НА ГРУППИРОВКЕ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ И ПОЗВОЛЯЮЩАЯ МНОГОКРАТНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ
COMMUNICATION SYSTEM BASED ON A GROUPING OF LOW-EARTH ORBIT SATELLITES AND ENABLING REUSE OF THE FREQUENCY SPECTRUM OF GEOSTATIONARY SATELLITES

Предпосылки создания изобретения
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к области спутниковой связи, а конкретнее - к системам, способам и устройствам, позволяющим реализовывать систему спутниковой связи с использованием низкоорбитальных спутников, которая обеспечивает многократное использование частот находящегося на геостационарной орбите спутника связи.
2. Краткое описание уровня техники
Значительная часть СВЧ - спектра, пригодного для связи между земными станциями и спутниками, распределена различными национальными и международными регулятивными органами для осуществления услуг связи с использованием спутников, находящихся на геостационарной орбите. В сложившейся в настоящее время ситуации остается нераспределенной только очень незначительная часть СВЧ - спектра, которую можно выделить для новых услуг связи, в которых используются системы связи, основанные на использовании спутников, в том виде, как они были задуманы, построены и эксплуатируются. Кроме того, большая часть существующего спектра, выделенного для услуг связи с использованием геостационарных спутников, уже занята существующими в настоящее время приложениями, в первую очередь, при распределении телевещания, существующей телефонной трансляции и пересылке правительственных данных. В любом случае маловероятно, что операторы существующих систем связи использующих геостационарные спутники, смогут либо перераспределить любой из выделенных для них спектров для новых приложений так быстро, как эти приложения будут возникать.
Быстро возникают новые отрасли промышленности, требующие больших объемов и высоких скоростей передачи данных, и многие приложения внутри этих отраслей промышленности требуют глобальной пропускной способности для передачи с высокой скоростью больших объемов данных и охвата связью территории за пределами зон обслуживания находящимися на земле сетями. Некоторые примеры включают дистанционное зондирование, дистанционное управление беспилотными летательными аппаратами, видео- и телевизионная связь (в отличие от аудио связи), видео- и телевизионная межмашинная связь, и управление, передача сверхсекретных данных между двумя наземными станциями без прохождения их через наземную сеть. Эти приложения могут успешно выполняться специальными спутниковыми коммуникационными системами. Однако, развертывание новых основанных на использовании спутников систем связи в значительной степени ограничено отсутствием доступного для распределения спектра.
В настоящее время системы спутниковой связи хорошо известны и благодаря им возможно предоставление многих современных удобств, включая распространение прямого телевизионного вещания по всем частям света. Хотя в настоящее время имеется незначительное количество низкоорбитальных спутников и спутников на околоземной орбите средней высоты и группировок спутников, предназначенных для связи, большая часть спутников и систем связи относится к геостационарному типу.
Международный союз электросвязи, а также другие управляющие и регулятивные органы одобрили и выделили широкие полосы высокочастотного спектра для использования геостационарными спутниками для осуществления дуплексной связи между Землей и спутником с самыми различными целями. Наличие в настоящее время большого количества работающих геостационарных спутников привело к ситуации, при которой осталось доступной для новых каналов спутниковой связи очень незначительная часть спектра. Большая часть мобильной связи между земными станциями и спутниками практически может быть осуществлена только путем использования сверхвысоких частот с тем, чтобы используемую в земных станциях антенну можно было сделать маленькой и/или портативной, и с тем, чтобы скорость передачи данных, которые можно передавать и принимать с использованием известных способов передачи данных, могла быть высокой. На практике это определяет нижнюю границу частот, которые можно использовать для связи между земными станциями и спутниками, не зависящую от проблем регулирования или распределения частот. Проблемы, связанные с поглощением в атмосфере и замиранием вследствие дождя, на практике также вызывают возникновение верхней границы частот, которые можно использовать для связи между земными станциями и спутниками, не зависящей от проблем регулирования или распределения частот. Между этими двумя границами остается очень узкая неиспользуемая часть спектра, доступная для распределения новым каналам, поскольку большая его часть уже выделена для связи между землей и космосом с помощью систем, использующих геостационарные спутники, для предоставляемых услуг спутниковой связи.
Большая часть спектра в так называемых диапазонах Ка и Кu для услуг спутниковой связи, которые выполняются с использованием геостационарного спутника космического комплекса и которые, вследствие того, что геостационарные спутники воспринимаются земной станцией как находящиеся в неподвижной точке на небе, обязательно должны быть направленными, а не всенаправленными. Например, самое распространенное использование спектра, связанного с геостационарными спутниками, - это прямое телевизионное вещание, которое принимается расположенными на земле станциями с помощью небольших сферических зеркальных антенн с фиксированным наведением, которые обычно устанавливаются на домах пользователей или зданиях. Ширина диаграммы направленности популярных антенн потребительского качества для приема спутникового вещания на уровне затухания 3dB составляет порядка 2-3 градусов, и они являются высоконаправленными.
Краткое изложения сущности изобретения
В этом изобретении раскрывается система для многократного использования спектра частот связи, выделенного для геостационарных спутников, в системе связи, основанной на использовании группировки низкоорбитальных спутников таким образом, что сигналы, излучаемые низкоорбитальными спутниками, не будут появляться в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности направленных на геостационарный спутник антенн, расположенных на Земле станций, но несмотря на это, группировка низкоорбитальных спутников сможет обеспечить 100%-ный охват земных станций, расположенных в любом месте на поверхности Земли в любое время без какой-либо координации частот с геостационарными спутниками или с земными станциями, наведенными на геостационарный спутник. Кроме того, в этом изобретении раскрыты детали земных станций, связанных с раскрытой группировкой низкоорбитальных спутников связи, которые улучшают разделение системы связи с использованием геостационарных спутников и систем связи с использованием низкоорбитальных спутников, когда они обе пользуются одним и тем же спектром, благодаря принятию мер, препятствующих случайному захвату геостационарным спутником земных станций, предназначенных для связи с раскрытой группировкой низкоорбитальных спутников.
В вариантах выполнения изобретения предлагается способ построения и управления спутниковой системой связи со спутниками, находящимися на низкой околоземной орбите, которая может многократно использовать любой существующий спектр, выделенный для спутниковой связи, основанной на использовании геостационарных спутников, не оказывая мешающего воздействия на систему связи с помощью геостационарного спутника. Среди других параметров, которые в алгоритме считаются свободными переменными, в настоящем изобретении к ним относят параметр, находящийся в пределах любого реального диапазона и предназначенный для определения запрещенного для использования интервала углов вокруг каждой земной станции, включенной в систему связи с помощью геостационарного спутника. Изобретение позволяет одновременно осуществлять связь с помощью низкоорбитальных спутников земной станции (предназначенной для связи с помощью низкоорбитальных спутников), расположенной в непосредственной близости от земной станции, работающей с геостационарным спутником и в то же самое время и в том же спектре без какой-либо необходимости для системы, использующей низкоорбитальные спутники, согласовывать свои действия каким-либо образом с любым геостационарным спутником или любой земной станцией, работающей с геостационарным спутником. Система, способ и устройство имеют конфигурацию, позволяющую одновременно обеспечить 100%-ный глобальный охват любой земной станции, расположенной где угодно, без пропусков или потери контакта в любое время с любой земной станцией, что раскрывается в приведенных в качестве примера вариантах выполнения группировки низкоорбитальных спутников, которые показаны и описаны в этом документе.
Система, устройства и способ обеспечивают определенное расположение низкоорбитальных спутников, имеющих конфигурацию, позволяющую осуществлять связь между устройствами связи и не допускать появления излученной низкоорбитальным спутником мощности в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности антенны земной станции (т.е. земной станции связанной с геостационарным спутником), наведенный на конкретный геостационарный спутник. Система, устройства и способ предпочтительно реализуют связь, основанную на использовании низкоорбитальных спутников, но они также осуществляют связь с земной станцией, включенной в службу связи с помощью низкоорбитальных спутников, которая расположена в непосредственной близости от антенны земной станции (например, земной станции, связанной с геостационарным спутником), наведенной на конкретный геостационарный спутник.
Согласно предпочтительным вариантам выполнения, изобретение может быть реализовано с использованием спутников, и предпочтительно - низкоорбитальных спутников, которые имеют конфигурацию, позволяющую управлять связью, ориентируя свои предназначенные для связи главные лепестки диаграммы направленности таким образом, чтобы не оказывать мешающего воздействия на отдельно работающие геостационарные спутники при пролете над наведенными на геостационарные спутники земными станциями, и/или выключая передачу сигнала, когда главный лепесток диаграммы направленности спутника (низкоорбитального спутника) может совпасть с главным лепестком антенны станции, работающей с геостационарным спутником (например, с направлением основного максимума диаграммы направленности антенны земной станции, работающей с геостационарным спутником). В вариантах выполнения предлагаются спутники, в конфигурацию которых включены механизмы управления, ориентирующие антенну (или антенны) спутника для управления зоной охвата главного лепестка с целью обеспечить связь с расположенными на земле устройствами такими, как земная станция и/или телекоммуникационная сеть, которая может быть соединена с одной или несколькими земными станциями. Спутники имеют конфигурацию, позволяющую перенаправлять связь, например, связь между двумя земными станциями или между земной станцией и расположенной на земле сетью. Спутники могут иметь конфигурацию с антеннами, которые направляют излучение сигнала так, чтобы создать главный лепесток или лепестки с управляемой зоной покрытия территории, которые включают запаздывающую, или заднюю часть и опережающую часть (относительно направления орбиты). Шириной главного лепестка диаграммы направленности антенны спутника предпочтительно можно управлять при движении спутника по орбите. Согласно некоторым вариантам выполнения, антенной спутника можно управлять таким образом, чтобы главный лепесток был отрегулирован на обеспечение максимальной зоны покрытия, не оказывая мешающего воздействия на антенны работающих с геостационарным спутником земных станций.
Согласно некоторым вариантам выполнения, систему можно реализовать при помощи группировки низкоорбитальных спутников, состоящей из множества низкоорбитальных спутников, в конфигурацию которых включена одна или более чем одна управляющая антенна, которая используется для управления ориентированием главного лепестка диаграмм направленности таким образом, чтобы не допустить наложения или взаимного влияния с антеннами геостационарного спутника и, в частности, чтобы обойти направление оси главного максимума диаграммы направленности антенн геостационарного спутника. Низкоорбитальные спутники в группировке предпочтительно передают друг другу функцию связи (например, от одного находящегося на орбите спутника к соседнему спутнику) таким образом, что когда, например, главный лепесток одного низкоорбитального спутника отключается (с тем, чтобы уклониться от антенны геостационарного спутника и не допустить создания помех), другой низкоорбитальный спутник перехватывает выполнение этой функции связи. Согласно некоторым вариантам выполнения, соседним спутником может быть спутник, двигающийся в той же орбитальной плоскости и находящийся ближе всего к передающему свои функции спутнику, однако, согласно некоторым другим вариантам выполнения, спутником, принимающим на себя выполнение функции связи может быть спутник, находящийся ближе всего к передающему свои функции спутнику, но двигающийся в другой орбитальной плоскости (например, в том случае, когда первый спутник двигается в орбитальной плоскости, отличной от других спутников).
Настоящее изобретение дает выгоду и преимущества, краткое описание которых, без ограничения для других, не упомянутых преимуществ, может включать одно или более, чем одно из следующих. Группировка низкоорбитальных спутников может иметь конфигурацию, позволяющую многократно использовать любой спектр частот, выделенный для связи с помощью геостационарных спутников, не оказывая мешающего воздействия на оказание стационарных или мобильных услуг связи с помощью геостационарного спутника в нормальных условиях. Группировка низкоорбитальных спутников может быть спроектирована таким образом, чтобы допустить в качестве независимой переменной любое реальное значение для запрещенного интервала углов вокруг направленного к геостационарному спутнику вектора от земных станций (земных станций, работающих с геостационарными спутниками) с направленными антеннами, наведенными на геостационарный спутник. Направление главного лепестка, излучаемого низкоорбитальным спутником в направлении любой земной станции, предпочтительно всегда должно быть противоположным тому направлению, в котором геостационарный спутник осуществлял бы передачу на ту же земную станцию по отношению к надиру для этой станции. Согласно некоторым вариантам выполнения, систему можно реализовать в том случае, когда простая направленная антенна, соединенная с земной станцией, входящей в систему, использующую низкоорбитальные спутники, которой необходимо только сохранять направленность либо к Северному, либо к Южному полюсу (в зависимости от квадранта расположения земной станции), сможет обеспечить дополнительный запас по разделению канала связи с низкоорбитальным спутником и канала связи с геостационарным спутником, когда оба работают с земными станциями, расположенными в одном месте и работающими одновременно. Более того, система может обеспечить связь при помощи низкоорбитальных спутников, которая происходит на тех же частотах, на которых ведет вещание геостационарный спутник, но которой можно управлять таким образом, чтобы не допускать или минимизировать взаимное влияние. Настоящая система и спутники, работающие совместно с этой системой, могут пространственно повторно использовать частоты вещания геостационарного спутника для услуг связи, представляемых с помощью низкоорбитальных спутников.
Отличительные признаки, описанные для этой системы, способа и спутников используемых для реализации этого способа, или варианты их осуществления могут использовать вместе или в сочетании, при этом один или более, чем один отличительный признак, может сочетаться с одним или более, чем одним другим признаком.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена терминология, которая используется на протяжении всего этого описания.
Фиг. 2 - схема Земли, иллюстрирующая спутники и орбиту во всех четырех квадрантах.
Фиг. 3 - схема, на которой представлена Земля и показан угол наведения направленной антенны, определяемый действительной высотой геостационарного спутника над горизонтом.
Фиг. 4 - схема, на которой представлена Земля и показано геометрическое положение двух спутников в плоскости низкой околоземной орбиты.
Фиг. 5 - схема, на которой представлена Земля и показаны две наложенные друг на друга группы геометрических положений и показаны векторы, направленные к месту нахождения низкоорбитального спутника во время движения группировки низкоорбитальных спутников по орбите.
Фиг. 6А - схема, на которой представлена Земля и показан предельный случай расположения земной станции вблизи максимальной широты, на которой еще можно реально ожидать появления какой-либо земной станции, поддерживающей связь с геостационарным спутником.
Фиг. 6В - увеличенное изображение части схемы, представленной на Фиг. 6А, показывающее ее верхнюю часть.
Фиг. 7А - схема, на которой представлена Земля и показан предельный случай расположения земной станции на экваторе, где еще можно реально ожидать появления какой-либо земной станции, поддерживающей связь с геостационарным спутником.
Фиг. 7В - увеличенное изображение части схемы, представленной на Фиг. 7А, показывающее ее верхнюю часть.
Фиг. 8 - схема, иллюстрирующая изображение, на которой представлена Земля и показана часть одной плоскости, а также показана группировка низкоорбитальных спутников, предназначенная для связи с земными станциями в любой точке в мире.
Фиг. 9 - схема, на которой представлена Земля и показаны предназначенные для связи главные лепестки диаграммы направленности, которые относятся к двум спутникам, которые изображены проходящими по небу через экватор с Севера на Юг, что соответствует изобретению.
Фиг. 10А - схема, на которой представлена Земля и показана широта σ спутника в любой конкретной точке его орбиты.
Фиг. 10В - увеличенное изображение схемы на Фиг. 10А.
Фиг. 11 - иллюстрация, на которой представлена Земля и показана группировка спутников (не в масштабе), согласно изображению, которая согласована со спецификацией в Таблице 1 (Фиг. 14).
Фиг. 12 - схема на которой изображена на плоскости диаграмма направленности простой рамочной антенны.
Фиг. 13 - иллюстрация, на которой представлена Земля и показано возможное расположение спутников, составляющих часть группировки спутников, согласно изобретению, и на которой показаны антенны, установленные на поверхности Земли, с указанием максимального коэффициента усиления антенны направленного действия.
Фиг. 14 - таблица, обозначенная как Таблица 1, на которой показаны в виде таблицы различные параметры для следующих входных данных: α=5°, β=5° и h=1800 км.
Фиг. 15 - таблица, обозначенная как Таблица 2, которая аналогична Таблице 1 за исключением того, что в ней рассмотрен предельный случай, когда β=0, угол запаздывания никогда не становится отрицательным, а ширина λ запаздывающей части главного лепестка диаграммы направленности на экваторе равно 0.
Фиг. 16 - таблица, обозначенная как Таблица 3, которая аналогична Таблице 1 за исключением значений входных параметров: α=10°, β=10° и h=800 км.
Фиг. 17 - таблица, обозначенная как Таблица 4, на которой показаны потери на трассе распространения радиоволн в свободном пространстве на плоскости, рассчитанные для различных углов от низкоорбитального спутника в группировке, совершающего движение по орбите на определенной высоте над земной станцией, в сравнении с потерями на трассе распространения радиоволн в свободном пространстве для геостационарного спутника на одной и той же частоте связи.
Подробное описание изобретения
На Фиг. 1 представлена система условных обозначений, которая будет использована на протяжении всего этого описания, а также в фигурах и уравнениях. Кроме того, для того, чтобы более успешно проиллюстрировать и объяснить изобретение, схемы и уравнения, представленные здесь, даны для двухмерного представления системы, при этом схемы изображены на Фиг. 2-13, а уравнения (1-19) приводятся в тексте описания и в виде таблицы в конце этого раздела. Один отличительный признак изобретения заключается в том, что используемые для связи низкоорбитальные спутники в группировке двигаются по полярным орбитам. Поскольку плоскость, в которой находятся геосинхронные спутники, частоты которых предполагается повторно использовать, находятся на орбите, ортогональной любой плоскости, в которой по полярным орбитам двигаются низкоорбитальные спутники связи из описанной здесь группировки, двумерная конфигурация, раскрытая в схемах и уравнениях, является простой проекцией любой плоскости орбиты низкоорбитального спутника в трехмерной конфигурации. Следовательно, трехмерные схемы и уравнения представляют собой расширенные проекции двухмерных изображений, которые хорошо понимаемы и легко воспроизводимы специалистами в области орбитальной механики и анализа.
Более того, уравнения более сложные, чем представленные здесь, которые учитывают незначительную эллипсоидность Земли и другие факторы более высокого порядка, хорошо известны специалистам в области орбитальной механики. Допущение полной сферичности Земли используется во всем этом описании для иллюстрации используемых принципов и механики изобретения, но оно не предполагает создавать ограничения для любой раскрытой здесь проблемы. Раскрытые здесь принципы изобретения можно расширить, чтобы учесть несферичность Земли и элементы орбиты более высокого порядка, не выходя за пределы объема изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует ситуацию и закладывает фундамент под последующие фигуры. На Фиг. 2 представлена одна из плоскостей из множества орбитальных плоскостей низкоорбитальных спутников из группировки низкоорбитальных спутников, находящихся на полярной орбите, при этом показаны два спутника из многих, находящихся в плоскости ОР орбиты, которые обозначены как LEO1 и LEO2. Типичным для группировки низкоорбитальных спутников связи является то, что они, как правило, создают перекрывающие друг друга главные лепестки диаграммы направленности для покрытия территории, как в случае передачи сигнала, так и при приеме сигнала от земных станций, и эти лепестки обозначены на фигуре как LEO1 BEAM и LEO2 BEAM. Внутри каждого покрывающего территорию главного лепестка одного низкоорбитального спутника может существовать множество боковых лепестков, позволяющих повторно использовать частоты и поляризацию внутри главного лепестка с целью осуществления связи с земными станциями. Более того, как совершенно понятно специалистам, направлением главных лепестков и/или боковых лепестков можно управлять в масштабе реального времени для того, чтобы учесть различные элементы орбиты и реальные параметры земной станции. Благодаря полному заполнению плоскости орбиты и благодаря расположению орбитальных плоскостей через одинаковые угловые шаги по долготе, вся Земля в каждый момент времени может быть покрыта главным лепестком по крайней мере одного спутника из группировки низкоорбитальных спутников связи. Примером такой группировки является группировка Iridium спутников связи, которой владеет и управляет компания Iridium Satellite LLC. Однако система Iridium так же, как и другие системы, использует спектр, отличный от спектра, который используют системы связи, работающие с геостационарными спутниками, но больше не осталось доступной части этого спектра. Примеры спутников и их работы раскрыты в патентах США 5410728 и 5604920, полное содержание которых включено в данное описание путем ссылки.
1NE
8NE
Обратимся еще раз к Фиг. 2. Точки на поверхности Земли в Северном полушарии обозначены как P на 70° северной широты до P, которая находится на экваторе. От каждой точки Р проведен вектор, показывающий направление оси максимума диаграммы направленности направленной антенны, которая в случае нахождения в этой точке была бы направлена на геостационарный спутник. Кроме того, показано, что движение низкоорбитального спутника по орбите ОР происходит в направлении по часовой стрелке, однако, это является всего лишь соглашением, принятым для фигур и системы условных обозначений в этом описании, и не ограничивает общности этого описания. Согласно принятому здесь соглашению, для любой точки Р в квадранте 1 или 2 низкоорбитальный спутник, двигающийся по полярной орбите, поднимается с севера и снижается к югу (в указанном направлении перемещения).
Как можно видеть на Фиг. 2, каждый раз, когда низкоорбитальный спутник, использующий для связи с земной станцией те же частоты, что и геостационарный спутник, пролетает над точкой Р, на его орбите имеется место, в котором низкоорбитальный спутник находится на одной прямой линии между геостационарным спутником и земной станцией. Следовательно, если бы в этой точке низкоорбитальный спутник передавал сигнал на той же частоте, на которую земная станция настроена, чтобы принимать сигнал от геостационарного спутника, то возникло бы взаимное влияние и на сигнал геостационарного спутника мог бы оказать мешающее воздействие сигнал низкоорбитального спутника, поскольку оба сигнала одной и той же частоты были бы одновременно приняты антенной земной станции и устройством предварительной обработки высокочастотного сигнала, даже если земная станция имеет высоконаправленную антенну, наведенную специально на геостационарный спутник.
Как показано на Фиг. 3, угол наведения, определяемый действительной высотой спутника над горизонтом, т.е. угол между направленной антенной в любой точке Р на поверхности Земли, наведенной на любой геостационарный спутник. Азимутальный угол не показан, и он не имеет отношения к иллюстрации принципов работы, поскольку любой азимутальный угол в трехмерном пространстве имел бы одну и ту же проекцию на ортогональную полярную плоскость, показанную на Фиг. 3. Определяющие уравнения 1 и 2 дают решения для вычисления γ для любой широты Ф. Уравнения 1 и 2 представлены в таблице уравнений и ниже (номер уравнения дан в скобках рядом с уравнением).
В качестве примера, не накладывающего ограничений, в таблице на Фиг. 3 даны расчеты приблизительного угла наведения для направленной антенны с шагом 10° по ширине, начиная от широты 80°, которая приблизительно является самой высокой широтой, на которой можно поддерживать связь в пределах видимости между геостационарными спутниками и земной станцией, и до 0° широты, т.е. до экватора.
Далее на Фиг. 4 представлена конфигурация с двумя спутниками в плоскости низкой околоземной орбиты. На этой Фиг. 4 показано как из уравнений 3 и 4 следует соотношение между расстоянием S между низкоорбитальными спутниками, находящимися в одной плоскости, и стягиваемым углом  с вершиной в геометрическом центре С Земли. На этой Фиг. 4 точка Р показана расположенной на экваторе. Уравнения 3 и 4 представленные ниже (номер уравнения дан в скобках рядом с уравнением).
При представлении через  получим уравнение 5, которое дает решение для определения угла .
1NE
8NE
Далее, на Фиг. 5 представлено наложение друг на друга двух групп конфигураций, при этом жирными линиями показаны векторы направления к местам нахождения низкоорбитальных спутников при движении по орбите группировки низкоорбитальных спутников, как их можно видеть из точек P и P. На схеме наложения на Фиг. 5 можно видеть, что при приближении низкоорбитального спутника к любой расположенной на Земле точке Р, с севера, направленная антенна в точке Р, наведенная на геостационарный спутник, будет ориентирована на юг.
Однако, когда любой конкретный низкоорбитальный спутник проходит над любой точкой Р, а затем продолжает движение, и если он продолжает передавать сигнал назад в направлении находящейся в точке Р земной станции, то в некоторой точке он будет передавать сигнал в направлении оси максимума диаграммы направленности любой антенны, наведенной на геостационарный спутник.
Для того, чтобы группировка низкоорбитальных спутников могла обеспечить непрерывную устойчивую связь в любом месте на Земле, по крайней мере один спутник должен постоянно находится в поле зрения любой точки Р на Земле, и линия визирования от этого спутника к точке Р не должна проходить вдоль вектора, совпадающего с линией визирования от точки Р к геостационарному спутнику. Следовательно, в течение периода времени, когда первый спутник, находящийся на низкой околоземной орбите, должен прекратить передачу сигнала на точку Р для того, чтобы избежать его наложения на сигнал геостационарного спутника, когда оба приходят в одно и то же место, в одно и то же время и на одной и той же частоте, необходимо иметь в поле зрения точки Р еще один, второй, спутник на низкой околоземной орбите для того, чтобы он мог продолжить связь, которая должна была происходить в этот момент времени между группировкой низкоорбитальных спутников связи и земной станцией в точке Р. Фигуры 6 и 7, включающие изображения этих схем более крупным планом, будут использоваться, чтобы показать ситуации в двух предельных случаях: первого - на Фиг. 6А и 6В на широте, близкой к максимальной на которой практически можно ожидать появление какой-либо земной станции связи с геостационарным спутником (приблизительно 70° широты), и второго на Фиг. 7А, 7В на экваторе.
1NE
На Фиг. 6А, 6В показаны вычисления для нахождения максимального расстояния между двумя спутниками на низкой полярной околоземной орбите, которые осуществляют или могли бы осуществлять связь с точкой P, находящейся на 70° широты, таким образом, чтобы соблюдались два условия: (а) эта земная станция никогда не теряла бы из зоны прямой видимости находящийся на низкой околоземной орбите спутник, когда он находится достаточно высоко над местным горизонтом, для того, чтобы с ним можно было установить надежную связь, и (b) в течение периода времени, когда какой-либо находящийся на низкой околоземной орбите спутник оказывается внутри запрещенной зоны вокруг вектора между земной станцией и геостационарным спутником, другой низкоорбитальный спутник находился бы в зоне прямой видимости (и достаточно высоко над местным горизонтом), чтобы принять на себя любую функцию связи с земной станцией от первого низкоорбитального спутника (поскольку первый низкоорбитальный спутник не может передавать сигнал на земную станцию, когда он находится внутри запрещенной зоны с тем, чтобы не создать помех для связи, геостационарного спутника с земной станцией).
1NE
1NE
1NE
а
а
Как следует из Фиг. 6А, 6В необходимо найти S (см. уравнение 3 и 4), которое используется для вычисления  (см. уравнение 5) и тем самым требуемого количества спутников в плоскости низкой околоземной орбиты при обязательном условии, что спутник, двигающийся по орбите на высоте h должен находится по крайней мере под углом α выше местного горизонта и не нарушать угол β, ширину запрещенной зоны вокруг вектора между земной станцией и геостационарным спутником, находящимся на угловой высоте γ. Используется формула косинусов, сперва в отношении треугольника C-P-D для вычисления d, затем в отношении треугольника C-P-A для вычисления  и, наконец, в отношении треугольника A-P-D для вычисления S, по ранее вычисленному d, ранее вычисленному  и известному углу ω1. (Хотя уравнение 8 может дать два решения, для расстояния d берется решение имеющее смысл). Соответствующие уравнения обозначены как Уравнения 5-8, 9-12 и 11-13, и представлены ниже (номер уравнения дан в скобках рядом с уравнением).
Как можно видеть при сравнивании Фиг. 6А,6В и Фиг. 7А, 7В, когда спутник из группировки низкоорбитальных спутников приближается к экватору и захватывает точку Р служащим для связи главным лепестком, расстояние между положением, когда спутник поднимается над горизонтом, и положением, когда он должен прекратить передачу сигнала в точку Р, а также когда Р приближается к экватору, сокращается. Однако, в отличие от ситуации, когда спутник и точка Р, находятся ближе к северу с точкой Р на экваторе также может установить связь низкоорбитальный спутник, который удаляется от экватора, или опускается в небе к югу.
8NE
8SE
8NE
8NE
На Фиг. 8 показана одна часть одной плоскости, в соответствии с изобретением, которая включает группировку низкоорбитальный спутников, предназначенную для связи с земными станциями, расположенными на Земле в любом месте, способную работать одновременно в спектре частот, выделенных для осуществления связи между геостационарным спутником и земной станцией, включая связь с земной станцией в то же самое время и том же месте, и работающую, как будет описано ниже. На Фиг. 8 показаны 3 спутника (представленных кружками и обозначенных 1, 2 и 3), находящиеся в одной орбитальной плоскости в двух различных концептуальных моментах времени, обозначенных Т=1 и Т=2, работающих в близи экватора и обслуживающих земную станцию, расположенную на экваторе. Спутники 1, 2 и 3 в момент времени Т=1 изображены кружками сплошной линией, а в момент Т=2 изображены в виде кружков штриховой линией. Работа в близи экватора является предельным случаем для изобретения и поэтому будет описана подробно, и ей посвящена большая часть этого описания. На Фиг. 8 один из спутников, обозначенный "2", приближается к экватору в момент времени Т=1, а затем пересекает экватор, при этом точка P находится под ним. На этой фигуре вводится точка P, которая почти идентична точке P за исключением того, что она расположена чуть южнее экватора в то время, как P расположена чуть севернее экватора. Северный горизонт обозначен как NH, а южный горизонт как SH.
8NE
8NE
8NE
8NE
8
8NE
8NE
8NE
8NE
8NE
В описанном изобретении, когда спутник 3 поднимется над северным горизонтом NH на выбранную угловую высоту α относительно земной станции в точке P на экваторе, спутник 3 имеет возможность установить связь с P. В тот же момент времени Т=1, за исключением времени, необходимого для переключения, спутник 2, который до этого осуществлял связь с P, прекращает свою связь с P, поскольку он входит в зону, предназначенную для связи Pne с геостационарным спутником. В то время, когда спутник 3 продолжает подниматься в северной для P стороне неба, он продолжает обслуживать все потребности в связи станции P, которая может происходить на той же частоте, что и частота, которую использует любой геостационарный спутник, не создавая помех для связи любого вида, которая может происходить с участием указанного геостационарного спутника, до тех пор, пока он не достигнет положения, указанного для спутника 2 в момент времени Т=1. В это время спутник 4 (не показан) начнет подниматься над северным горизонтом относительно P, таким образом, что спутник 3 может отключить свой канал связи с P в то время, когда он проходит через запрещенную область, предназначенную для связи P с геостационарным спутником.
8NE
8SE
8NE
8SE
8SE
8sE
Тем временем, когда спутник 2 выйдет из запрещенной для связи с P область в момент времени Т=2, он сможет обслуживать P, которая, согласно предложению, расположена в том же месте на экваторе, что и P за исключением того, что она расположена к югу от экватора. Прежде, чем спутник 2 начнет обслуживать P, P обслуживал спутник 3, который спускается к югу относительно P. Аналогично этому, каждая точка на земном шаре будет находится в зоне действия какого-либо спутника из группировки.
На Фиг. 9 представлены главные лепестки диаграмм направленности, предназначенные для связи и принадлежащие двум спутникам в описываемом изобретении, когда они совершают пролет по небу над экватором с севера на юг. Как говорилось ранее, описываемые лепестки представляют собой диаграммы направленности антенн, которые создаются находящимися на низкоорбитальных спутниках антеннами с управляемыми в реальном масштабе времени диаграммами направленности, подобные тем, которые можно создать с помощью фазированных антенных решеток, которые хорошо известны и понятны специалистам в данной области. Также, как отмечалось ранее, внутри каждой из форм диаграмм направленности могут находится различные боковые лепестки, служащие для повторного использования конкретных частот, повторного использования поляризации или для учета других элементов орбиты или элементов земной станции, которые тем не менее находятся в пределах объема этого изобретения.
Снова, как показано на Фиг. 9, ширина опережающей части главного лепестка относительно спутника обозначена как угол ψ, а ширина запаздывающей части главного лепестка обозначена как угол λ.
Как показано на Фиг. 9, на снижающейся части полуокружности полярной орбиты низкоорбитального спутника связи, для той части, во время прохождения которой спутник находится в квадранте 1, у низкоорбитального спутника главный лепесток диаграммы направленности при осуществлении связи постоянно направлен вперед в направлении его движения с шириной ψ, которая может принимать любые значения, логичные или приемлемые для осуществления связи с земной станцией, до тех пор, пока широта спутника σ не достигнет так называемой предельной широты, при приближении его к экватору. Что касается направленной вперед части главного лепестка, по мере приближения спутника к экватору средства управления направленной антенной низкоорбитального спутника будут уменьшать ширину опережающей части направленного вперед главного лепестка, что показано на примере спутника, обозначенного как SAT2, при его движении к экватору от Т=1 до Т=6.
Также, на Фиг. 9 можно видеть, что у спутника, обозначенного как SAT1, при его движении от Т=1 к Т=6 его главный лепесток диаграммы направленности над экватором гасится, и ни одна земная станция не будет осуществлять связь с этим спутником во время его прохождения на экваторе через запрещенную область используемую для связи с геостационарным спутником. После пересечения экваториальной запрещенной области и перехода в квадрант 2 у SAT1, как показано, расширяется та часть служащего для связи главного лепестка, которая сейчас ориентирована назад, таким образом, что когда спутник удалится от экватора на угол предельной широты, ориентированный назад главный лепесток покроет максимальную область позади себя, которая будет зеркальным отражением области покрытой связью с помощью направленного вперед главного лепестка, который создается в квадрате 1.
a
a
В каждом спутнике также предусмотрено управление шириной λ так называемого направленного назад лепестка диаграммы направленности, как показано на Фиг. 10А, 10В. На Фиг. 10А, 10В также показана широта σ спутника для любой конкретной точки его орбиты. Параметры и обозначения α, β, γ, А, Р, С,  и d те же самые, которые использовались при рассмотрении Фиг. 6 и 7, а управления 5-15 также остаются в силе, как описывалось ранее при рассмотрении Фиг. 6 и 7 для вычисления соответствующих геометрических углов и отрезков в треугольниках. Как только будут найдены отрезки  и d, используются уравнения 17, 18 и 19 для вычисления ψ на предельной широте и λ как функции σ для данных β и γ. Уравнения 14-19 приводятся ниже (номер уравнения дан в скобках рядом с уравнением).
Сведенные в таблицу различные параметры приводятся в таблице 1 (Фиг. 14) для выходных параметров α=5°, β=5° и h=1800 км. Для этих параметров с помощью показанных вычислений определяют основные элементы раскрытого изобретения, и реализацию механизма управления антенной спутника, который управляет излучением главного лепестка и/или боковых лепестков, которые показывают следующее: требуется 11 спутников в каждой плоскости полярной орбиты, требуется, чтобы максимальная ширина направленной вперед части главного лепестка составляла 50.96°, чтобы ширина направленной вперед части главного лепестка начала ограничиваться на широте спутника 34.04° (сохраняя наведение немного мимо экватора по мере его приближения к экватору), и чтобы угол λ, т.е. ширина направленной назад части головного лепестка диаграммы направленности, следовала бы значениям, указанным в колонках, озаглавленных λ и σ, σ слева от длинной черной линии рассматривается как зависимая переменная, зависящая от низкоорбитального спутника, осуществляющего связь с земной станцией Р, как указанно в первой колонке. Отметим, что когда спутник достигает экватора, ширина направленной назад части главного лепестка становится отрицательной, и это указывает на то, что направленную назад часть главного лепестка необходимо начинать ориентировать вперед относительно движения спутника, а не назад от него, что имеет место, когда спутник приближается к экватору, для того, чтобы избежать передачи сигнала по направлению оси максимума диаграммы направленности антенны, наведенной на геостационарный спутник. В предельном случае, когда β=0, угол запаздывания никогда не становится отрицательным и ширина λ направленной назад части головного лепестка на экваторе будет равна нулю (эта ситуация показана в Таблице 2, Фиг. 15). В столбцах σ и ψ справа от длинной черной линии в Таблице 1 (Фиг. 14) даны расчеты направленной вперед части главного лепестка в зависимости от широты спутника, и теперь широта спутника рассматривается как независимая переменная.
Для того, чтобы показать, как описываемое изобретение можно применить для других параметров, в Таблице 3 (Фиг. 16) приведены расчеты для следующих входных параметров: α=10°, β=10° и h=800 км. Для этих параметров расчеты показали следующее: для реализации этого способа требуется, чтобы в каждой плоскости полярной орбиты находился 21 спутник, требуется, чтобы максимальная ширина опережающей части главного лепестка диаграммы направленности составляла 61.04° и что необходимо начать ограничивать ширину опережающей части главного лепестка на широте спутника 18.96° (сохраняя наведение немного мимо экватора по мере его приближения к экватору). Например, как показано в Таблице 3 (Фигура 16), когда один из спутников в группировке приближается к экватору в квадрате 1 и когда широта относительно центра Земли составит 8.06°с.ш., направленная назад часть главного лепестка должна составлять не более -0.05°, следовательно, в действительности в этом случае направленная назад часть главного лепестка будет ориентирована вперед.
Как можно видеть на Фиг. 9 и 10, когда один из спутников в группировке приближается к экватору, общая ширина главного лепестка у него уменьшается до нуля, что следует из определяющих уравнений. Однако, когда ширина главного лепестка приближается к нулю, возникает практическое ограничение возможности реализовать антенны спутников. Это практическое ограничение можно изменить опираясь на способ реализации антенны и связанные с ней функции управления, и на этой границе главный лепесток может быть просто отключен (больше не передавать). Любое дополнительное ограничение, связанное с такой минимальной шириной главного лепестка, можно обойти, регулируя запрещенную область β.
В спутниках может быть предусмотрен механизм управления работой спутника. Например, механизм управления может определить положение спутника, включая его широту и может использовать широтное положение для управления излучаемым спутником главным лепестком диаграммы направленности. Согласно некоторым вариантам выполнения, механизм управления спутником предпочтительно включает элементы, которые выполняют расчеты и которые устанавливаются на борту спутника. Предпочтительно элементы, выполняющие расчеты, включают компьютер, в котором имеется программное обеспечение, включающее команды, предназначенные для мониторирования положения спутника при его движении по орбите и управления главными лепестками диаграмм направленности, излучаемыми антеннами спутников. Можно использовать любой подходящий механизм для наведения главного лепестка антенны, включая механические или электронные устройства управления, которые ограничивают, расширяют, ориентируют или сочетают эти способы управления шириной главного лепестка. Главный лепесток также можно сформировать из боковых лепестков. Спутник может быть оборудован одной или несколькими антеннами с управляемым в реальном времени положением диаграммы направленности, например, такой, как фазированная антенная решетка или другие антенны, хорошо известные специалистам в этой области. Антенны спутников могут образовывать формы диаграммы направленности, которые могут включать различные боковые лепестки, предназначенные для повторного использования конкретных частот и/или повторного использования поляризации. Согласно некоторым вариантам выполнения, боковые лепестки диаграммы направленности могут иметь конфигурацию, позволяющую учитывать другие элементы орбиты и/или элементы земной станции. В предпочтительных вариантах выполнения спутник имеет конфигурацию, позволяющую создавать один или несколько лепестков диаграммы направленности, и предпочтительно, чтобы в диаграмме направленности имелась одна или несколько направленных вперед частей, а также одна или несколько направленных назад частей (например, направленная вперед часть лепестка может включать первый лепесток, а направленная назад часть лепестка может включать второй лепесток). Часть лепестка можно создать управляемой (например, включая и выключая ее), чтобы ограничить поле или излучение в лепестке. Согласно некоторым вариантам выполнения, механизм управления спутником может быть запитан от источника питания на спутнике. Согласно некоторым вариантам выполнения, элементы системы могут быть запитаны от солнечных панелей, которые могут быть развернуты на спутнике для этой и других целей. Механизм управления диаграммой направленности спутника предпочтительно включает элементы вычислительной системы, имеющей конфигурацию, позволяющую ей обрабатывать информацию о местоположении спутника и определять ширину главного лепестка диаграммы направленности, которую должна обеспечить антенна, например, передающая антенна спутника. Механизм управления предпочтительно управляет шириной главного лепестка в соответствии с анализом информации о местоположении спутника и использует определение местоположения, как изложено в этом документе, в частности в соответствии с изложенными вариантами выполнения, представленными здесь уравнениями (см., например, уравнения 5-13). Спутники могут быть оборудованы антеннами, подходящими для связи с земными станциями. Например, могут быть установлены фазированные антенные решетки, спиральные антенны или другие подходящие антенны. Кроме того, спутники могут иметь конфигурацию, позволяющую им устанавливать связь с другими спутниками. Для осуществления межспутниковой связи могут быть установлены подходящие антенны, например, линзовые антенны. Например, соседние спутники могут поддерживать связь друг с другом. На спутниках также могут быть установлены устройства для маршрутизации сигналов таких, как связь и данные. Например, спутник может иметь конфигурацию с одним или более, чем одним переключающим устройством, которое обрабатывает информацию в соответствии с назначением этой информации и направляет информацию через соответствующий спутник. Согласно некоторым вариантам выполнения, спутники имеют конфигурацию, позволяющую им выбирать управление связи с земной станцией в пределах дальности действия главного лепестка диаграммы направленности спутника, а эта земная станция может быть включена в сеть, которая направляет сообщения в соответствии с указанным назначением. Аналогично этому передаваемая земной станцией информация может быть принята спутником, и спутник может выбирать направление связи в пункт назначения. Например, согласно некоторым вариантам выполнения, спутники и система спутников предпочтительно могут передавать дейтаграммы между любым спутником и расположенной на земле сетью. Каждая станция, которая может иметь конфигурацию станции-ретранслятора или быть с ней связанной, может принимать сигналы такие, как дейтаграммы, со спутника и передавать подобные сигналы на спутник. Это можно осуществить путем непосредственной передачи дейтаграммы на станцию-ретранслятор, находящуюся в поле зрения того же самого спутника (т.е. путем прямой ретрансляции), с которой данные передаются на спутник земной станции или станции-ретранслятора, а спутник пересылает их снова на землю. В некоторых вариантах выполнения сигнал или данные могут посылаться без преобразования, кроме обработки, необходимой для пересылки сигнала назад (которая может включать одну или несколько ступеней усиления сигнала, сдвига рабочей частоты каналов связи Земля-ЛА и ЛА-Земля для ретрансляции). Согласно другим вариантам выполнения, спутник может быть оборудован устройствами, которые можно использовать для обработки сигнала на борту спутника, например, такой, как демодуляция, декодирование, повторное кодирование и/или модуляция сигнала (например, посредством ретранслятора с регенерацией сигнала). Согласно некоторым предпочтительным вариантам выполнения, передача дейтаграмм между любым спутником и расположенной на Земле сетью может осуществляться через межспутниковый канал связи с одним или несколькими другими спутниками в группировке спутников, а затем от этих других спутников на станцию-ретранслятор. Например, назначенная станция-ретранслятор окажется вне зоны прямой видимости первого спутника в какое-то определенное время, но может быть в поле зрения одного из других спутников в группировке. Спутник, находящийся в области прямой видимости от станции-ретранслятора, может получить дейтаграмму, направленную от другого спутника (например, первого спутника). Спутники в группировках предпочтительно имеют конфигурацию, позволяющую им устанавливать межспутниковые каналы связи и выбирать направление связи по соответствующим межспутниковым каналам связи.
Уравнения и таблицы можно преобразовать путем прямых математических операций, хорошо известных математикам, для того, чтобы сделать любой конкретный представленный параметр свободной переменной, и затем иметь возможность произвести расчет остальных элементов орбит группировки спутников и параметров наведения антенн спутников, что не будет выходить за пределы объема этого изобретения.
Из симметрии раскрытого изобретения легко понять, что спутники работают в каждом квадранте как зеркальное отражение друг друга. Т.е. геометрия, диаграммы направленности антенн и работа спутников в плоскости в квадранте 1 при отражении относительно экватора образуют квадрант 2, который затем отражается относительно оси Земли север - юг и образует квадрант 3, а затем отражается относительно экватора и образует квадрант 4. Детали пересечения спутником экватора были представлены во всех подробностях, поскольку в этом месте наиболее высока вероятность возникновения взаимных помех, и наиболее эффективный способ предотвращения помех при пересечении спутником экватора - это просто прекратить передачу сигнала на земную станцию со спутника, проходящего над экватором, когда этот спутник будет находится в пределах запрещенной области вокруг вектора, направленного на геостационарный спутник. Это также дает спутнику достаточно времени, чтобы переориентировать антенны на следующий квадрант. Когда спутник находится над полюсами, он также должен переориентировать свою систему наведения антенн, причем со стороны механики это может быть выполнено без каких-либо ограничений, любым подходящим способом, разработанным специалистами, поскольку на полюсах невозможна связь с помощью геостационарного спутника, т.к. никакой геостационарный спутник не будет попадать в область прямой видимости с полюсов.
Необходимо отметить, что чертежи на Фиг. 8, 9 и 10 подразумевают, что создаваемый для связи главный лепесток диаграммы направленности низкоорбитального спутника пересекается с поверхностью Земли точно на экваторе. При практической реализации главный лепесток будет выходить вперед за пределы экватора, когда спутник будет приближаться к экватору, на величину, необходимую для согласования различных погрешностей в орбите и диаграммах направленности антенн, а также для согласования времени, необходимого для переадресации с другого низкоорбитального спутника, когда он войдет в запрещенную область над экватором. Эти практические вопросы легко согласуются, для этого не требуется выходить за пределы объема изобретения.
Имеется следующая опция, которая усложняет антенну спутника и систему управления антенной, но остается в пределах объема изобретения. Форма диаграммы направленности, которая была описана выше, типично образована из множества боковых лепестков. Некоторые боковые лепестки можно отключить или переориентировать, когда спутник будет проходить над экватором или вблизи него, что создает возможность для дополнительной поддержки связи в областях, расположенных выше или ниже экватора, без требования, чтобы спутник полностью прекратил передавать сигнал на земные станции. Однако, эта опция требует тщательного управления боковыми лепестками диаграммы направленности антенны, что может увеличить затраты и может быть технически невозможным для определенных способов реализации антенны.
Поскольку орбита описываемой группировки спутников является полярной, азимутальную плоскость группировки низкоорбитальных спутников можно рассматривать независимо от меридиональной плоскости, которая была здесь подробна описана. По существу, количество плоскостей необходимое для полного глобального покрытия, можно принять независимой переменной относительно работы спутников и диаграмм направленности их антенн в плоскости. Например, систему связи с использованием низкоорбитальных спутников можно спроектировать таким образом, чтобы она покрывала 30° по долготе направо и налево от плоскости орбиты, при одновременной работе спутников в плоскости орбиты, как, например, предусмотрено в этом описании и показано выше в Таблице 1 (Фиг. 14).
На Фиг. 11 полностью показана группировка спутников (не в масштабе), которая соответствует параметрам в Таблице 1 (Фиг. 14) с 11 спутниками на плоскости и 6 плоскостями (только три из них изображены на фигуре), при требуемой высоте полярной орбиты 1800 км. Как показано на Фиг. 11, каждая плоскость может быть заполнена таким образом, что у спутника, находящегося в одной плоскости, время пересечения экватора будет слегка сдвинуто относительно спутника на соседней плоскости, что в зависимости от выбранного расстояния между плоскостями может оказать дополнительную поддержку при охвате земных станций, которые расположены у экватора и оказываются ближе к соседней орбитальной плоскости.
Способ односторонней связи между классом группировок низкоорбитальных спутников связи, раскрытый здесь, и дальнейшая передача сигнала на земной терминал или на земную станцию-ретранслятор является гибким и может осуществляться либо через находящуюся в области прямой видимости каждого спутника земную станцию-ретранслятор в архитектуре так называемой прямой ретрансляции или в архитектуре межспутниковых каналов связи такой, какую использует группировка спутников Iridium. Возможны оба варианта выполнения раскрытого изобретения, и можно использовать любой из них, чтобы закончить канал связи меду земной станцией, спутником, работающим в группировке спутников, как раскрыто в этом документе, и другой земной станции или другой расположенной на Земле сетью передачи данных или сетью связи.
Помимо разделения, создаваемого между геостационарными спутниками связи, земными станциями, участвующими в связи с геостационарными спутниками, и системой связи, основанной на использовании низкоорбитальных спутников и раскрытой в этом изобретении, которое обеспечивается геометрией режимов работы и системой антенн, у раскрытой системы имеются дополнительные отличия, связанные с земными станциями, которые устанавливают связь с низкоорбитальными спутниками и которые можно сейчас описать. Когда земная станция передает сигнал на низкоорбитальный спутник в раскрытой системе, передаваемый сигнал должен только преодолеть расстояние до низкоорбитального спутника, для чего требуется значительно меньшая мощность сигнала, чем мощность, необходимая для преодоления расстояния до геостационарного спутника на той же частоте. Эта ситуация показана в Таблице 4 на Фиг. 17, на которой показаны потери на трассе распространения радиоволн в свободном пространстве в плоскости, рассчитанные для различных углов от низкоорбитального спутника в группировке, совершающего движение по орбите на высоте 800 км от земной станции, по сравнению с потерями на трассе в свободном пространстве до геостационарного спутника, на той же частоте связи 12 ГГц (диапазон Кu). Расчеты показали минимальную разницу потерь на трассе 33 dB. Разница в потере на трассе обеспечивает значительный энергетический запас линии связи, который еще более уменьшит вероятность того, что сигнал, переданный земной станцией с всенаправленной антенной, которая предназначена только для передачи на низкоорбитальный спутник, будет тем не менее распознан геостационарным спутником, ведущим прием на той же частоте, и тем самым вызовет помехи в системе связи, использующей геостационарный спутник.
Еще раз рассмотрим Таблицу 4, показанную на Фиг. 17. Одинаковые данные о потерях на трассе являются основанием того, что земная станция, связанная с группировкой низкоорбитальных спутников связи и имеющая всенаправленную антенну, имеет возможность избежать мешающего воздействия сигнала от геостационарного спутника. Поскольку низкоорбитальный спутник отделен геометрически от приемных станций, связанных с геостационарным спутником, низкоорбитальный спутник может передавать сигнал какой-то мощности, таким образом что мощность сигнала, принимаемого на поверхности Земли земными станциями, работающими с системой низкоорбитальных спутников, будет намного выше, чем сигнал такой же мощности, принимаемый всенаправленной антенной на такой же частоте от системы геостационарного спутника, что создает возможность для земной станции, связанной с низкоорбитальным спутником, отбрасывать значительно более слабый сигнал, принятый от геостационарного спутника, способами, широко известными специалистам по конструированию приемных устройств.
Несмотря на изложенное в предыдущем абзаце, может понадобиться дополнительный энергетический запас канала связи для того, чтобы удовлетворить более широкому охвату режимов работы при заданной конфигурации системы. Таким образом, раскрытую систему низкоорбитальных спутников можно объединить с земными станциями, которые имеют конструкцию, позволяющую им поддерживать связь только с низкоорбитальными спутниками, даже если они осуществляют связь на той же частоте, что и расположенная рядом с ней земная станция, осуществляющая связь с геостационарным спутником. Одним дополнительным необязательным элементом в описанной системе связи с использованием низкоорбитальных спутников будет дополнение земной станции направленной антенной. Но антенна, направленная как по азимуту, так и по углу возвышения с незначительной шириной главного лепестка диаграммы направленности, не является обязательной, и размещению такой антенны в некоторых случаях использования часто препятствуют ее стоимость, размер, вес или мощность. Однако, при описанной выше работе низкоорбитального спутника, он создает направление связи, которое всегда ориентировано на север в северном полушарии и ориентировано на юг в южном полушарии. Этот факт позволяет использовать в земной станции значительно более простую направленную антенну. Диаграмма направленности в плоскости простой рамочной антенны, которая ориентирована перпендикулярно поверхности земли, показана на Фиг. 12. Даже такая простая антенна обеспечивает до 12 dB дополнительного энергетического запаса линии связи в точке Р на экваторе, и еще больше для более высоких широт. Единственное требование к земной станции состоит в том, что направление наибольшего усиления антенны должно быть ориентировано на юг в общем случае, если земная станция находится в южном полушарии, и в общем случае - на север для земной станции в северном полушарии.
На Фиг. 13 показано, что ориентируя наибольшее усиление антенны в направлении на низкоорбитальный спутник, но в сторону от направления на геостационарный спутник, можно получить дополнительный энергетический запас, который будет способствовать снижению вероятности того, что передаваемые сигналы работающей с низкоорбитальными спутниками земной станции будут с достаточной для распознавания мощностью приняты системой геостационарного спутника. Требование о направлении в общем случае на север или на юг, зависящее только от того, в каком полушарии расположена земная станция, является значительно более легким требованием к направленной антенне земной станции, чем требование полной направленности по азимуту и углу возвышения, что делает описанную систему с использованием низкоорбитальных спутников более экономичной при массовом развертывании. Можно создать, не выходя за пределы объема этого описания другие требования диаграммы направленности, используя антенну других, хорошо известных специалистам в области направленных антенн, типов, которые смогут обеспечить такой же или больший энергетический запас при экономичной реализации.
В описании рассматривается земная станция, которая принимает сигналы от низкоорбитального спутника и передает на него. Земная станция может включать антенны, которые расположены на Земле и предназначены для приема сигналов для низкоорбитальных спутников и/или передачи сигналов на эти спутники. Антенны земной станции могут быть любыми антеннами, пригодными для приема и/или передачи нужных частот, в особенности радиочастот, на низкоорбитальные спутники и от них. Каждый низкоорбитальный спутник может иметь конфигурацию с одной, а предпочтительно - с несколькими антеннами. Например, низкоорбитальный спутник может иметь первую антенну, которая излучает в сторону опережения направленный вперед лепесток диаграммы направленности, и вторую антенну, которая излучает в сторону запаздывания направленный назад лепесток (например, относительно направления движения спутника по орбите), при этом эти антенны могут иметь независимое управление и могут сужать или расширять соответствующие лепестки диаграмм направленности или отключать их. Антенны спутников могут включать одну или несколько фазированных антенных решеток. Например, фазированная антенная решетка может иметь конфигурацию со множеством отдельных излучающих элементов, которыми можно управлять и тем самым управлять областью покрытия главным лепестком, и в частности - конфигурацией и шириной главного лепестка. Размещенный на спутнике компьютер, который, согласно некоторым вариантам выполнения, может включать специализированный компьютер, запрограммированный командами управления главным лепестком диаграммы направленности (которые, например, могут включать программное обеспечение, хранящееся на микросхеме или другом элементе схемы, содержащем команды), может использоваться для управления антенной решеткой с тем, чтобы было можно увеличивать или уменьшать излучение главного лепестка в соответствии с орбитой спутника и тем самым максимально увеличивать зону покрытия для этой антенны. Предпочтительно компьютер имеет конфигурацию с программным обеспечением, содержащим команды управления работой антенны, позволяющие выключить передачу сигнала, которая в противном случае будет создавать помехи связи с помощью геостационарного спутника (включая те случаи, когда низкоорбитальный спутник и геостационарный спутник передают сигнал в одном частотном спектре). Это можно осуществить управляя шириной главных лепестков диаграмм направленности антенн, а также отключая антенны при необходимости (например, при вхождении в запрещенную область антенны земной станции, работающей с геостационарным спутником). Согласно некоторым предпочтительным вариантам выполнения, компьютер может иметь конфигурацию, позволяющую управлять излучением главного лепестка в соответствии с представленными здесь вычислениями. Диаграммами направленности спутника можно управлять механически, электронным способом или обоими способами с тем, чтобы создать требуемую зону покрытия и избежать передачи сигнала в пределах запрещенной области антенны геостационарного спутника (например, земной станции, работающей с геостационарным спутником).
Эти и другие преимущества могут быть реализованы благодаря данному изобретению. Хотя изобретение было описано на примере конкретных вариантов выполнения, это описание является иллюстративным и не может рассматриваться как ограничение объема изобретения. Специалисты в данной области могут придумать различные модификации и изменения, которые не будут выходить за пределы сущности и объема изобретения описанных здесь и сформулированных в прилагаемых пунктах патентных притязаний.
Представленные в виде таблицы уравнения