專利名稱：多高度衛(wèi)星中繼系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及衛(wèi)星通信。更具體地說，本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星系統(tǒng)和方法，它能在位于不同高度的衛(wèi)星之間例如在中地軌道(MediumEarth Orbit)中的衛(wèi)星和在地球同步軌道中的衛(wèi)星之間提供連續(xù)的不間斷的鏈路。
通信和數(shù)據(jù)衛(wèi)星中繼站被用于幫助兩個地點之間的信息交換。所述地點可以是衛(wèi)星或地面站。由于以下的理由，這些“用戶”可能需要使用中繼方法(1)地球處于用戶和與用戶進行通信的地點之間；(2)用戶不能指向其想要的地點的方向，但能夠指向中繼站；(3)用戶沒有用來直接和其想要的遠方地點進行通信的電源或設備。
對于衛(wèi)星中繼站所要考慮的主要因素如下(1)造價；(2)效果(例如數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、用戶數(shù)等)；(3)復雜性；(4)考慮到由和衛(wèi)星中繼通信的用戶所需的專用設備和功率而給用戶帶來的負擔；(5)從舊的中繼系統(tǒng)向新的中繼系統(tǒng)的過渡；(6)靈活性。
對地靜止衛(wèi)星可以用作中繼站，因為它在地球上方是靜止的，這樣，地面站就可以使用固定天線。其優(yōu)點是地面用戶從用戶向?qū)Φ仂o止衛(wèi)星中繼站看到相當?shù)偷囊暰喔淖?。此外，對地靜止衛(wèi)星較難被對手破壞，這是由于攔截飛行器需要較大的能量和長的報警時間。
不過，對地靜止衛(wèi)星在通信中繼站應用中不是沒有缺點的。它們需要大的助推器用來把其發(fā)射到赤道上方的22，300英里(35，900km)的高的對地靜止的高度；并且由于高的高度，它們需要大的天線來發(fā)射和接收射頻(RF)信號。同樣，要求用戶也具有大的天線用以和在對地靜止的高度上的衛(wèi)星發(fā)送和接收信號。
對地靜止衛(wèi)星中繼站的其它缺點在于對地靜止軌道是相當擠的，因為它圍繞赤道延伸，并且至少需要3個對地靜止衛(wèi)星才能覆蓋大部分地面站。此外，投資大，而且傾斜軌道需要在高的高度上對地面提供服務。具有傾斜軌道的地球同步衛(wèi)星的使用實際上消除了靜止的固定的用戶天線的優(yōu)點，并需要較多的衛(wèi)星以覆蓋所有的高度。
一般地說，具有任何類型的衛(wèi)星鏈路的對地靜止衛(wèi)星都具有這些缺點。在本發(fā)明的領域中，一種衛(wèi)星鏈路需要通過射頻、激光或其它合適的信號信道技術(shù)在衛(wèi)星和另一個實體之間進行信息的單向或雙向傳輸。其它實體可以是另一個衛(wèi)星、地面站或某些其它能夠通過空間發(fā)送和接收信號的實體，例如飛機或空間站。
也考慮過在較低高度上的衛(wèi)星中繼站，例如低地軌道(LED)、中地軌道(MEO)或高橢圓軌道(HEO)。然而，低高度的衛(wèi)星中繼站需要更多的衛(wèi)星來覆蓋地球以提供連續(xù)的服務。當使用一個以上的衛(wèi)星配合工作以覆蓋地球時，多個衛(wèi)星中繼站被稱作“星座”。
較低高度的衛(wèi)星中繼站更易于受到攻擊，并具有相當高的LOS角速率和更頻繁的繼續(xù)要求。HEO衛(wèi)星大部分時間運行在地球同步高度附近，和地球同步衛(wèi)星具有許多相同的優(yōu)點和缺點。HEO鏈路必須被通斷，盡管比LEO或MEO高度發(fā)生的頻率少。最后，為和地面站鏈接，較低高度的衛(wèi)星中繼站通常需要和在其星座中的其它衛(wèi)星中繼站建立通信鏈路。在星座中的其它衛(wèi)星中繼站當中的這一交叉鏈接引起通信鏈路的復雜的路由和通斷序列。
這些系統(tǒng)通過使用交叉鏈路為信號在許多衛(wèi)星當中選擇路由，交叉鏈路是在每個衛(wèi)星的控制板上的智能開關和路由器。在空間中的這種“智能開關/路由器”是一個主要的缺點，因為這些衛(wèi)星系統(tǒng)必須指向其它衛(wèi)星，而確定哪個衛(wèi)星應當是信息的接收衛(wèi)星是復雜的。如果被選擇的接收衛(wèi)星由于其它數(shù)據(jù)傳輸而已過載，則情況就更加復雜。這種情況就使況得必須使發(fā)送衛(wèi)星改換路由而把信息傳給另一個衛(wèi)星。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種衛(wèi)星中繼系統(tǒng)，它不太復雜，更加靈活，對潛在的有問題的環(huán)境更加堅固并減輕用戶為實現(xiàn)中繼功能的負擔。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種衛(wèi)星中繼系統(tǒng)，其中交叉鏈路不被遮斷，因而當?shù)诙l(wèi)星相對第一衛(wèi)星運動到地球后面時，不需要第一個衛(wèi)星斷開其和第二衛(wèi)星的通信鏈路而和第三衛(wèi)星建立新的鏈路。
另一個目的在于提供不間斷的交叉鏈路，它總是在地平線之上，即總在視距之上，或其延伸不會碰到地球。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種衛(wèi)星中繼系統(tǒng)，它借助于要求較少的衛(wèi)星作為RF或激光信號的衛(wèi)星中繼站而消耗較小的功率。
本發(fā)明提供一個或幾個或一個或幾個中地軌道(MEO)衛(wèi)星中繼站同步的對地靜止的或地球同步(GEOS)衛(wèi)星中繼系統(tǒng)，從而在這兩組中繼站之間產(chǎn)生連續(xù)的鏈路。衛(wèi)星的這種同步的布置具有用戶負擔較小的優(yōu)點，因為基于地球的用戶不必發(fā)送到GEOS高度。這種類型的混合系統(tǒng)(即一個或幾個MEO衛(wèi)星，它們和一個或幾個GEOS衛(wèi)星同步)接受把信號發(fā)送到GEOS高度又返回地面的負擔。此外，這種混合系統(tǒng)需要較小的發(fā)射飛行器并更加堅固，因為一個MEO中繼通信鏈路的中斷對系統(tǒng)的影響小于在單純的基于GEOS的衛(wèi)星中繼系統(tǒng)中的中斷對系統(tǒng)的影響。
此外，混合系統(tǒng)使用較少的GEOS衛(wèi)星中繼站(少到可以用一個)，但仍能提供和地面的連續(xù)的鏈路，這是因為在GEOS和MEO衛(wèi)星中繼站之間獨特的同步作用。因而，在MEO衛(wèi)星中繼站之間不再需要交叉鏈路，雖然在合適的應用中可以提供這種交叉鏈路。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還可以提供在地平線之上(ATH)的連續(xù)的通信鏈路。ATH通信鏈路具有下列附加優(yōu)點(1)避免來自地球上的光源或射頻源或來自GEOS輻射干擾的在每個方向上對陸地通信的干擾；以及(2)減少因陸地位置而引起的信號中斷的可能性。
本發(fā)明可以用于幾種不同類型的通信應用中。例如，在軍事通信的情況下，分散的用戶組(例如在戰(zhàn)場上的軍隊或軍事衛(wèi)星)需要來自一個或幾個地面站的信息，或是來自現(xiàn)場的用戶的信息需要被發(fā)送給這些地面站。本發(fā)明也可用于商業(yè)目的，例如，當分散的用戶需要和在GEOS或MEO-GEOS-MEO衛(wèi)星中繼站內(nèi)的一個或幾個指定的地面站進行通信時。通過MEO-GEOS衛(wèi)星中繼鏈把來自地面站的信息傳回地面站可以實現(xiàn)地面上的用戶之間的更遠的通信。通信數(shù)據(jù)可以是任何形式的通信數(shù)據(jù)，其中包括視頻信號和其它高的數(shù)據(jù)速率的信號，但不限于這些信號。通信信號可以是RF信號，基于光的信號(例如激光)或任何其它適合于LOS傳輸?shù)男盘枴?br> 多高度衛(wèi)星系統(tǒng)的另一個預計的用戶是一組處于MEO位置中的衛(wèi)星，它和GEOS衛(wèi)星同步從而可以直接地連續(xù)地和GEOS衛(wèi)星形成鏈路。然后GEOS衛(wèi)星把來自MEO衛(wèi)星的信息直接傳送到地面。其優(yōu)點在于這是一個單跳通信中繼站。此外，在中斷之后不需像在大部分GEOS衛(wèi)星中繼站中那樣重新連接鏈路，因為用戶本身現(xiàn)在和GEOS衛(wèi)星同步。
本發(fā)明的另一種應用涉及一種互相交叉鏈結(jié)的并和一個或幾個GEOS衛(wèi)星同步的非地球同步軌道衛(wèi)星星座(例如MEO衛(wèi)星星座)。MEO交叉鏈路可被用于低數(shù)據(jù)速率信息傳送，例如在手持話音設備中，其中使用相當小的天線或激光光學系統(tǒng)并且低的數(shù)據(jù)速率要求低的功率，這是它的優(yōu)點。這時衛(wèi)星星座和GEOS衛(wèi)星的同步鏈路可被用于高的數(shù)據(jù)速度信息傳遞，其中連續(xù)的鏈路是重要的。
本發(fā)明還有一種應用涉及一種GEOS衛(wèi)星，它觀察MEO衛(wèi)星以便檢測其有問題的狀態(tài)。按照本發(fā)明和MEO衛(wèi)星同步的GEOS衛(wèi)星可以進行不間斷地觀察MEO衛(wèi)星，這是由于在兩個衛(wèi)星之間存在連續(xù)的視距。因而，應當理解，本發(fā)明可應用于其功能可以不包括通信或數(shù)據(jù)傳遞的衛(wèi)星中。雖然在本說明中經(jīng)常使用“傳遞”(relay)一詞，但應當理解本發(fā)明不限于其主要功能在于傳遞信息的衛(wèi)星。例如，GEOS衛(wèi)星系統(tǒng)和一個或幾個MEO衛(wèi)星可以提供采集太陽輻射的功能。為了比較GEOS衛(wèi)星的采集的太陽輻射數(shù)據(jù)和MEO衛(wèi)星的采集的太陽輻射數(shù)據(jù)，MEO衛(wèi)星把其采集的太陽輻射數(shù)據(jù)發(fā)送給GEOS衛(wèi)星。然后GEOS衛(wèi)星處理所有的采集的輻射數(shù)據(jù)，并把結(jié)果發(fā)送回地面。在這一例子中，本發(fā)明的特點比傳遞數(shù)據(jù)用得更多。
此外，應當理解基于地面的用戶在本發(fā)明中是不需要的，實際上最終的用戶可以是另一個衛(wèi)星、空間站或其它的移動用戶。


圖1是說明按照本發(fā)明的具有兩個中地軌道衛(wèi)星中繼站和一個GEOS衛(wèi)星中繼站的兩跳多高度衛(wèi)星中繼站的實施例的三維圖。
圖2是說明按照本發(fā)明的多高度衛(wèi)星中繼系統(tǒng)使用的同步關系的三維圖。
圖3是對于使用8小時MEO周期的一個實施例的離開MEO衛(wèi)星中繼站平面的初始GEOS衛(wèi)星中繼站的赤道角對在有效的GEOS衛(wèi)星中繼范圍內(nèi)75km以上的最小的切線高度的曲線。
圖4是對于使用12小時MEO周期的一個實施例的離MEO衛(wèi)星中繼站平面的初始GEOS衛(wèi)星中繼站赤道角對在有效的GEOS衛(wèi)星中繼范圍內(nèi)75km以上的最小切線高度的曲線。
圖5是直角座標下的世界地圖，表示在地球上10個MEO衛(wèi)星的中繼站的實施例跟蹤的路徑。
圖6是表示在10個MEO衛(wèi)星的中繼站實施例和GEOS衛(wèi)星中繼站之間從10個MEO衛(wèi)星的中繼站看的視距的極座標圖。
圖7是表示從GEOS衛(wèi)星看的在10MEO衛(wèi)星中繼站實施例和GEOS衛(wèi)星中繼站之間的視距的極座標圖。
圖8是按照本發(fā)明的10MEO衛(wèi)星中繼站的實施例在給定高度和經(jīng)度上可以實現(xiàn)的覆蓋范圍圖。
圖9是離開MEO衛(wèi)星中繼站平面的初始GEOS衛(wèi)星中繼站赤道角對于按照本發(fā)明的地平線以上的實施例的8小時MEO周期的有效的GEOS衛(wèi)星中繼范圍內(nèi)75km以上的最小切線高度的曲線。
圖10是MEO衛(wèi)星中繼站平面的初始GEOS衛(wèi)星中繼站赤道角對于按照本發(fā)明的地平線以上的實施例的12小時MEO周期的有效的GEOS范圍內(nèi)的75km以上最小切線高度的曲線。
參見圖1，其中表示按照本發(fā)明的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)的第一實施例。更具體地說，圖1表示一個GEOS衛(wèi)星中繼站(geosl 106)和兩個MEO衛(wèi)星中繼站(meo1 108，meo2 110)的結(jié)構(gòu)。geosl 106在視距內(nèi)和meo1108、meo2 110連續(xù)地相接觸。
不能和遠方的基于地球的站122直接進行通信的用戶120可以和meo1 108通信，meo1 108又和geosl 106衛(wèi)星中繼站形成連續(xù)的鏈路。因為geosl 106和基于地球的站122連續(xù)地相接，所以geosl 106可以向基于地球的站122轉(zhuǎn)送meo1 108的通信。
雖然MEO衛(wèi)星中繼站必須使其天線指向天空的大的部分，以便和GEOS衛(wèi)星中繼站鏈結(jié)，但其鏈路是不被打斷的，因而不必花費時間去得到另一個中繼站。此外，跟蹤路徑重復，從而減少了跟蹤算法的復雜性。
MEO和MEOS衛(wèi)星中繼站的一個同步參數(shù)是它們的周期比。在MEO衛(wèi)星中繼站和GEOS衛(wèi)星中繼站之間的連續(xù)的視距對于代表24的整數(shù)系數(shù)的幾個比值是可以實現(xiàn)的。
在最佳實施例中，在GEOS衛(wèi)星中繼站的周期和MEO衛(wèi)星中繼站的周期之間的周期比是24∶8或相當于3∶1。當GEOS衛(wèi)星中繼站的周期是MEO衛(wèi)星中繼站的周期的3倍時得到3∶1的周期比。這樣，24小時的GEOS衛(wèi)星中繼站周期和8小時的MEO衛(wèi)星中繼站周期將產(chǎn)生3∶1的周期比。必須注意，在本發(fā)明中的GEOS衛(wèi)星中繼站指的是一般的地球同步衛(wèi)星，而不僅是對地靜止衛(wèi)星。兩者之間的區(qū)別在于，對地靜止地球軌道是一個具有零度傾斜角的地球同步軌道，即唯一的赤道軌道。因而，對地靜止地球軌道是一個特殊類型的地球同步軌道。此外，使用極軌道作為MEO衛(wèi)星的例子，使用赤道GEOS軌道作為GEOS衛(wèi)星的例子。不論MEO衛(wèi)星中繼站還是GEOS衛(wèi)星中繼站都不限于這些傾斜。
實際上可以有許多GEOS和MEO衛(wèi)星中繼站的組合，其中包括改變GEOS和MEO衛(wèi)星中繼站的數(shù)量，改變GEOS和MEO衛(wèi)星中繼站的軌道平面的數(shù)量，改變MEO衛(wèi)星中繼站的中間軌道和內(nèi)部軌道定相，改變GEOS衛(wèi)星中繼站的中間軌道和內(nèi)部軌道定相。例如，應當理解，GEOS衛(wèi)星中繼站可處于極軌道內(nèi)，或在一個和地球不同步的軌道高度。本發(fā)明可用具有圓形或橢圓形軌道的MEO或GEOS衛(wèi)星中繼站軌道實施。此外，在本發(fā)明下的許多MEO衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)中，多個GEOS衛(wèi)星中繼站的適當排列將使得每個GEOS衛(wèi)星中繼站可連續(xù)地看到所有MEO衛(wèi)星中繼站。具有3個互相分開120度的GEOS衛(wèi)星中繼站的3，6，9或12個的MEO衛(wèi)星中繼站的MEO衛(wèi)星中繼站星座便是本發(fā)明在這方面的一個例子。在這種結(jié)構(gòu)中，每個GEOS衛(wèi)星中繼站可以提供其它GEOS衛(wèi)星中繼站的完整的備用。雖然圖1表示meo1和meo2衛(wèi)星使用兩個軌道，應當理解這兩個衛(wèi)星可以在一個軌道內(nèi)。類似地，應當注意本發(fā)明不依賴于MEO軌道的數(shù)量，因為軌道的數(shù)量可以變化(例如1，2，3，4等)。
當(1)周期比是同步的；以及(2)與地球的視距的距離和GEOS衛(wèi)星中繼站的位置以及MEO衛(wèi)星中繼站的傾斜角同步時，這些不同的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)連續(xù)的視距。關于與地球的視距的距離同步的更詳細的討論由參見圖2開始。
圖2表示極MEO軌道平面160和赤道GEOS軌道162。在這個例子中，MEO衛(wèi)星中繼站166的初始位置假定在赤道上開始并向北方上升。假定GEOS衛(wèi)星中繼站170的初始位置168在和極MEO軌道平面160的角度“MO”172開始。當MEO衛(wèi)星中繼站166和GEOS衛(wèi)星中繼站170在其各自的軌道中運動時，在它們之間可以畫一直線這就是視距(LSO174)。
LOS174不會被地球176擋住。LOS174在地球176上方的高度被稱為切線高度178。如果切線高度178變負，則LOS174就被打斷。在一個GEOS衛(wèi)星中繼站軌道上的最小的切線高度由LOS174確定，因為這個數(shù)值將表示一個衛(wèi)星中繼系統(tǒng)是如何接近喪失其LOS174。因而如果最小的切線高度大，則在切線高度178被減少到零因而喪失LOS174之前可在大的范圍內(nèi)改變MEO衛(wèi)星中繼站和GEOS衛(wèi)星中繼站的相對位置。
圖3表示離開MEO平面的初始的GEOS赤道角(“MO”)和8小時MEO圓形軌道的LOS的最小切線高度之間的關系。這些關系是對MEO傾斜度的一個范圍示出的。圖2的軌道結(jié)構(gòu)相應于標有“90”度傾斜度的湯匙形曲線。在湯匙形90度曲線下的任何點表示引起不間斷的LOS的初始的GEOS/MEO衛(wèi)星中繼站關系。這樣，GEOS衛(wèi)星中繼站的初始角(MO)可以在330-30、90-150、和210-270度的三個范圍內(nèi)，并仍然保持連續(xù)的LOS，如果MEO衛(wèi)星中繼站軌道傾斜70度，這些范圍稍微變大一些，并在MEO衛(wèi)星中繼站傾斜度為50、40或28度時較小。最小的傾斜度28度的重要性在于，它提供了從小于28度到90度的MEO衛(wèi)星中繼站軌道的寬的傾斜度范圍。這一可能得到的大的范圍表示對于某一類橢圓軌道可以獲得相似的連續(xù)的LOS的結(jié)果。
圖4表示對于12小時MEO衛(wèi)星中繼站軌道的類似數(shù)據(jù)。對于所示的MEO衛(wèi)星中繼傾斜度，提供最大的最小LOS值的傾斜度為50度和70度。這表示最大值處于該范圍之內(nèi)。此外，代替如8小時MEO衛(wèi)星中繼站軌道圖中的3個“湯匙”，12小時MEO衛(wèi)星中繼站軌道有4個“湯匙”，每個的范圍大約為40度。這樣，圖3和圖4可用于確定分別對于8小時和12小時MEO衛(wèi)星中繼站軌道的可以產(chǎn)生連續(xù)的LOS的MEO衛(wèi)星中繼站位置和GEOS衛(wèi)星中繼站的位置。
所述的8小時或12小時軌道并不表示軌道的周期精確地等于8小時或12小時。這一周期是提供一個回掃軌道的最接近8或12小時的時間。這樣，在地球上每24小時地面軌跡(這是衛(wèi)星正下方的點的軌跡)，便精確地回掃同一路徑，這一概念在圖5中說明。
圖5示出了分別在位置201到210的10個MEO衛(wèi)星中繼站的結(jié)構(gòu)。圖5表示10個MEO衛(wèi)星中繼站，它們在24小時的時間內(nèi)跟蹤在地球表面上的一條路徑。圖中的10個衛(wèi)星中繼站具有如下的結(jié)構(gòu)10個軌道平面；8小時周期；7501海里的高度；252度中間軌道定相；36度節(jié)點距；以及50度的傾斜角。
圖6使用相同的衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)，用來表示在一個給定的時刻從10個MEO衛(wèi)星中繼站相對于GEOS衛(wèi)星中繼站的LOS路徑320。曲線本身是極座標圖。反時針的圓周值是LOS的偏航角220的值，偏航角是繞衛(wèi)星的縱軸轉(zhuǎn)動的角度。這樣，每個MEO衛(wèi)星中繼站的偏航角的值可以看作是LOS繞垂直線的旋轉(zhuǎn)(pivoting)。
圖的徑向量度表示LOS相對于地球中心朝上或朝下的程度。例如，如果一點位于圖的外邊222，則表示MEO衛(wèi)星中繼站正在沿“直線”看GEOS衛(wèi)星中繼站，并離開地球中心180度。如果該點位于中心224，則衛(wèi)星正在沿直線向下看地球中心。因而，圖的中心224代表衛(wèi)星的天底點(nadir)的位置。
圖6說明從每個MEO衛(wèi)星中繼站到GEOS衛(wèi)星中繼站的LOS在24小時周期內(nèi)的變化。圖上的時間標記是每間隔為12分鐘。位置301到310表示10個MEO衛(wèi)星中繼站每個的起始點。雖然10個衛(wèi)星中繼站在不同點開始，但在24小時周期內(nèi)它們沿同一路徑運動。10個MED衛(wèi)星中繼站每隔24小時重復LOS路徑320。
LOS路徑320的扭歪的“8字”形狀表明，對這種結(jié)構(gòu)，MEO衛(wèi)星中繼站不能沿直線向下看地球中心。相反，如果MEO衛(wèi)星中繼站沿直線向下看地球中心，它將必須穿過地球以便看到GEOS衛(wèi)星中繼站。這樣，LOS將被打斷，因而這種衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生連續(xù)的LOS。相反，離開天底點(nadir)的LOS角足夠大，以致“舉起”LOS使其高于地球表面，地球的分度弧(limb)處于大約18度的天底點角。
圖7同樣使用相同的衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)，表示在給定時刻從GEOS衛(wèi)星中繼站對于10個衛(wèi)星中繼站的每個的LOS路徑380。在這圖上，角度的變化范圍不夠大。同樣，圖上的時標為每間隔12分鐘。位置401到410表示10個MEO衛(wèi)星中繼站各自的起點。所示的LOS路徑380是針對24小時周期的，并每隔24小時重復一次。
圖8是對圖7所示的10個MEO衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)的地球覆蓋的示意性說明(圖7所示為10個軌道中平；8小時周期；7501海里的高度；252度中間軌道定相；36度節(jié)點(node)間距；以及50度的傾斜角)。圖上的每個線條表示對一特定緯度的某一位置24小時的覆蓋程度。因為所有的線條都是實線，所以對每個位置對MEO衛(wèi)星中繼站都存在連續(xù)的LOS。10個MEO衛(wèi)星中繼站可以連續(xù)地“看見”地球表面，在地球表面上方LOS的最小地面仰角為20度。雖然圖8是針對一個地球經(jīng)度的，但這一經(jīng)度在24小時內(nèi)掃描地球旋轉(zhuǎn)的360度，從而表明所示的覆蓋是全球的。雖然圖6和圖7的例子使用每個軌道平面一個衛(wèi)星，但應當理解，通過在一個或幾個這些軌道平面中放置一個以上的衛(wèi)星可以減少軌道平面的數(shù)量。
本發(fā)明的特點還在于具有其它優(yōu)點的另一種衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)。除去提供在GEOS衛(wèi)星中繼站和MEO衛(wèi)星中繼站之間的連續(xù)的LOS之外，一些結(jié)構(gòu)還提供了地平線之上(ATH)的視野(Viewing)，用于GEOS對MEO衛(wèi)星中繼站鏈路。
再重新參見圖7以說明ATH的方面。圖7表示GEOS衛(wèi)星中繼站在24小時周期內(nèi)“向下看”MEO衛(wèi)星中繼站的情況。地平線以上(ATH)的鏈路表示MEO衛(wèi)星中繼站在24小時的期間的任何時刻不會在地球500的前方碰到地球。此外，MEO衛(wèi)星中繼站相對于GEOS衛(wèi)星中繼站不會在地球的后面碰到地球。對于8小時MEO中繼站，某些結(jié)果可能是非ATH的。此時圖7的軌跡將在地球的前方碰到地球。
具有ATH特點的多高度衛(wèi)星中繼站系統(tǒng)對8小時MEO衛(wèi)星中繼站軌道的同步參數(shù)提出了更多的限制。圖9表示對于8小時ATH MEO衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)的有效的GEOS衛(wèi)星中繼站范圍。所示的ATH“湯匙”形說明選擇相對于MEO衛(wèi)星中繼站系統(tǒng)的GEOS衛(wèi)星中繼站的初始角受到更多的限制。對于MEO衛(wèi)星中繼站星座，較小的角度范圍將引起較少的MEO衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)的選擇，這就可能減少地面覆蓋。
不過，圖10說明在12小時ATH MEO衛(wèi)星中繼產(chǎn)結(jié)構(gòu)中并沒有這種附加的限制。這是因為任何12小時ATH MEO衛(wèi)星中繼站結(jié)構(gòu)能提供連續(xù)的LOS鏈路，也能提供連續(xù)的ATH鏈路。因此，GEOS衛(wèi)星中繼站周期對MEO衛(wèi)星中繼站周期之比為2∶1的結(jié)構(gòu)，如果它們落在圖10所示的“湯匙”之內(nèi)，則具有ATH特點。
Walker Delta Pattern是一個成功地利用上述結(jié)構(gòu)的傾斜的MEO衛(wèi)星的星座的具體例子。Walker Delta Pattern在星座中提供了均勻的衛(wèi)星分布(見參考文獻)。這種特定的Walker星座每個軌道平面具有一個衛(wèi)星，衛(wèi)星的總數(shù)在三個以上。在Walker星座中角度的測量單位是“圖形單位(pattern unit)”，它用來描述衛(wèi)星和軌道平面的相對位置。圖形單位被規(guī)定為360度除以衛(wèi)星數(shù)，例如，如果星座含4個衛(wèi)星，則圖形單位應該是90度。每個衛(wèi)星在其軌道中向西離開其相鄰平面中的衛(wèi)星一個圖形單位(在本例中為90度)。這些衛(wèi)星剛好以兩個或三個圖形單位設置，并仍能產(chǎn)生Walker軌道。在4個衛(wèi)星的例子中，如果對相鄰的在8小時回掃軌道中的衛(wèi)星使用一個圖形單位，則所有衛(wèi)星在地面上產(chǎn)生相同的軌跡，即在地球上的所有回掃圖形(圖5)是相同的。對于每個MEO衛(wèi)星的子衛(wèi)星點處于相同軌跡的不同點上。因為幾何關系，每個MEO衛(wèi)星好象是GEOS衛(wèi)星以便精確地跟隨同一路徑。
如果衛(wèi)星以圖形單位的正確的數(shù)目設置，則可以增加衛(wèi)星的數(shù)量并可以產(chǎn)生相同的重迭回掃圖形。在5衛(wèi)星星座中相鄰的衛(wèi)星必須以2個圖形單位放置，6個衛(wèi)星則需要3個圖形單位，等等。每個軌道平面具有一個衛(wèi)星的任何8小時回掃Walker星座，當圖形單位的數(shù)目比衛(wèi)星數(shù)少3個時，將產(chǎn)生重迭的地面軌跡。如果GEOS衛(wèi)星位于圖3的湯匙圖的邊界內(nèi)，則所有MEO衛(wèi)星都可提供連續(xù)的鏈路，并且從GEOS衛(wèi)星觀察到的MEO衛(wèi)星的路徑是相同的。
當使用12小時回掃軌道時，并且圖形單位數(shù)是衛(wèi)星數(shù)減2時，也產(chǎn)生相似的重達地面軌跡，當從GEOS衛(wèi)星觀察時，由MEO衛(wèi)星開創(chuàng)的路徑是相同的。
每個軌道平面的多個衛(wèi)星可被提供多個GEOS衛(wèi)星。利用一個GEOS衛(wèi)星，可以仍然使用每個軌道內(nèi)的多個MEO衛(wèi)星，只要這些衛(wèi)星位于圖3或圖4的湯匙的界限之內(nèi)。
本發(fā)明已用實施例為例進行了說明，但并不限于此。本領域的技術(shù)人員應當理解，不脫離本發(fā)明的構(gòu)思可以作出許多改進和改型，本發(fā)明的范圍應當只由所附權(quán)利要求來限制。
權(quán)利要求
1.一種能夠在位于不同高度的衛(wèi)星之間保持連續(xù)的不間斷的鏈路的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，包括運行在中地軌道高度上的第一衛(wèi)星；以及至少一個第二衛(wèi)星，運行在地球同步軌道高度上，所述地球同步軌道和所述第一衛(wèi)星的軌道同步，從而保持所述第一和第二衛(wèi)星之間的連續(xù)的視距。
2.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期為一個預定的比。
3.如權(quán)利要求2的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述的預定的比是3∶1。
4.如權(quán)利要求2的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述的預定的比是2∶1。
5.如權(quán)利要求4的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述的視距是連續(xù)地位于地球的地平線上方。
6.如權(quán)利要求2的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述視距是連續(xù)地位于地球的地平線上方。
7.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述視距是連續(xù)地位于地球的地平線上方。
8.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述的在地球上方的視距的距離取決于所述第二衛(wèi)星和所述第一衛(wèi)星的相對位置以及所述第一衛(wèi)星的軌道平面的傾角。
9.如權(quán)利要求8的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期為一預定的比。
10.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用來提供和所述第二衛(wèi)星的鏈路的裝置。
11.如權(quán)利要求10的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星和所述第二衛(wèi)星之間的所述鏈路是無線電鏈路。
12.如權(quán)利要求10的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星和所述第一衛(wèi)星之間的所述鏈路是基于激光的鏈路。
13.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用來提供和基于地球的用戶的鏈路的裝置。
14.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用來提供和基于地球的控制站的鏈路的裝置。
15.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用于中繼通信的裝置。
16.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星包括用于中繼通信的裝置。
17.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用于中繼數(shù)據(jù)的裝置。
18.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星包括用于中繼數(shù)據(jù)的裝置。
19.一種提供能夠在位于不同高度的衛(wèi)星之間保持連續(xù)的不間斷的鏈路的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)的方法，包括下列步驟向中地軌道高度發(fā)射第一衛(wèi)星；以及使所述第一衛(wèi)星的軌道和至少一個其軌道處于地球同步軌道的通信衛(wèi)星的軌道同步，從而在所述第一和第二衛(wèi)星之間保持連續(xù)的視距、
20.如權(quán)利要求19的方法，還包括下列步驟如此配置所述第一衛(wèi)星，使得所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期為一預定的比。
21.如權(quán)利要求20的方法，還包括下列步驟如此配置所述第一衛(wèi)星，使得所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期的比為3∶1。
22.如權(quán)利要求20的方法，還包括下列步驟如此配置所述每一衛(wèi)星，使得所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期的比為2∶1。
23.如權(quán)利要求22的方法，還包括下列步驟配置所述第一衛(wèi)星，使所述視距連續(xù)地位于地球的地平線上方。
24.如權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟配置所述第一衛(wèi)星，使所述視距連續(xù)地位于地球的地平線上方。
25.如權(quán)利要求19的方法，還包括下列步驟配置所述第一衛(wèi)星，使所述視距連續(xù)地位于地球的地平線上方。
26.如權(quán)利要求19的方法，還包括下列步驟配置所述第一衛(wèi)星，借以使地球上方的所述視距的距離取決于所述第二衛(wèi)星和所述第一衛(wèi)星的相對位置和所述第一衛(wèi)星的軌道平面的傾角。
27.如權(quán)利要求26的方法，還包括下述步驟配置所述第一衛(wèi)星，使得所述第二衛(wèi)星的軌道周期相對于所述第一衛(wèi)星的軌道周期為一預定的比。
28.如權(quán)利要求19的方法，還包括以下步驟在所述第一衛(wèi)星和所述第二衛(wèi)星之間提供一鏈路。
29.如權(quán)利要求28的方法，其中在所述第一衛(wèi)星和所述第二衛(wèi)星之間的所述鏈路是無線電鏈路。
30.如權(quán)利要求28的方法，其中所述在所述第一衛(wèi)星和所述第二衛(wèi)星之間的鏈路是基于激光的鏈路。
31.如權(quán)利要求19的方法，還包括以下步驟在所述第一衛(wèi)星和基于地球的用戶之間提供一鏈路。
32.如權(quán)利要求19的方法，還包括以下步驟在所述第二衛(wèi)星和基于地球的控制站之間提供鏈路。
33.如權(quán)利要求19的方法，還包括以下步驟在所述第一第二衛(wèi)星之間進行中繼通信。
34.如權(quán)利要求19的方法，還包括以下步驟在所述第一和第二衛(wèi)星之間中繼數(shù)據(jù)。
35.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星包括用于發(fā)生數(shù)據(jù)的裝置。
36.如權(quán)利要求1的多高度衛(wèi)星系統(tǒng)，其中所述第二衛(wèi)星包括用于發(fā)生數(shù)據(jù)的裝置。
全文摘要
披露了一種多高度衛(wèi)星中繼系統(tǒng)，其中中地軌道衛(wèi)星和至少一個地球同步衛(wèi)星形成鏈路，以便提供不間斷的信息和數(shù)據(jù)的中繼通信。中地軌道衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星同步，從而產(chǎn)生連續(xù)的鏈路。實現(xiàn)所述同步的參數(shù)涉及中地軌道衛(wèi)星中繼站和地球同步衛(wèi)星中繼站的相對位置。實現(xiàn)同步的另一個參數(shù)涉及地球同步衛(wèi)星中繼站的軌道周期和中地軌道衛(wèi)星中繼站的軌道周期的比。這些參數(shù)可以被進一步調(diào)整，從而在地球的地平線上方提供連續(xù)的鏈路。
文檔編號B64G1/24GK1156357SQ96113079
公開日1997年8月6日 申請日期1996年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月3日
發(fā)明者布列恩·R·威廉姆斯, 彼特·H·克萊思 申請人:Trw公司