CN117999745A - 用于电子可操纵天线初始定位的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有用户终端的卫星通信***，所述用户终端带有相对于天顶方向成偏移角的电子可操纵卫星天线。

Description

用于电子可操纵天线初始定位的***和方法

背景技术

卫星通信***传统上利用对地同步地球轨道(GEO)中的卫星以便于地球上的用户终端与GEO卫星之间的通信。GEO卫星具有等于地球的自转周期的轨道周期。因此，GEO卫星可以为对地静止或准对地静止，使得GEO卫星在相对于用户终端的天空中通常表现为静止或通过非常有限的范围的运动来循环。

然而，GEO卫星绕地球运行的高度相对较高，约为42,164km。由于地球表面与GEO卫星之间的距离，地球上的用户终端与GEO卫星之间传送的信号由于地球与GEO卫星之间传送的信号的传输时间而经受高延迟。此类延迟是不利的，尤其是在某些时间敏感数据上下文中。此外，由于对地静止轨道中的GEO卫星位于赤道上方，因此对地静止轨道中可用的“时隙”或空间可用性的数量有限。因此，为了继续扩展卫星通信***的可用性，需要另选的轨道配置。鉴于前述考虑，通信***可以附加地或另选地使用低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)卫星来促进与用户终端的通信。LEO和MEO卫星和/或轨道在本文中可被单独地称为或统称为非对地同步(非GEO)。

因为非GEO卫星具有不等于地球的自转周期的轨道周期，所以非GEO卫星在相对于用户终端的天空中不表现为静止。用于与非GEO卫星进行通信的用户终端通常采用某种形式的跟踪，该种形式的跟踪允许用户终端处的卫星天线在非GEO卫星运行通过相对于用户终端的天空时瞄准非GEO卫星。此类跟踪可以包括卫星天线和/或卫星天线的波束的移动。虽然跟踪能力增加了用户站的复杂性，但是使用非GEO卫星以与用户终端进行通信的能力提供了抵消用户终端的附加复杂性的益处。然而，仍然期望对非GEO卫星***进行改进，以提高给定非GEO卫星星座的卫星可用性和使用率。

发明内容

本公开涉及用于在用户站处定向可操纵卫星天线以便于改进卫星***的性能的具体技术。具体地，本公开设想了卫星通信***的潜在用途，其中一个或多个GEO卫星可以与一个或多个非GEO卫星结合使用以与用户终端进行通信。就这一点而言，已经发现，基于用户终端在地球上的位置并且相对于GEO卫星倾斜用户终端处的卫星天线可以促进GEO卫星和非GEO卫星两者的卫星可用性的优点。

因此，本公开涉及卫星通信***的用户终端和相关方法。用户终端包括具有可操纵波束的电子可操纵卫星天线。可操纵波束是通过相对于电子可操纵卫星天线的视轴方向的扫描角度电子可操纵的。用户终端还包括物理天线安装架，该物理天线安装架用于将电子可操纵卫星天线以相对于地球的静态物理取向进行固定。电子可操纵卫星天线的静态物理取向将电子可操纵卫星天线的视轴方向以相对于用户终端处的天顶方向的偏移角进行定位。偏移角至少部分地基于用户终端在地球上的位置以及卫星通信***的多个非对地同步地球轨道(非GEO)通信卫星的一个或多个轨道参数，电子可操纵卫星天线被配置用于与该多个非GEO通信卫星通信。此外，偏移角沿朝向至少一个对地同步地球轨道(GEO)通信卫星的方向。

提供此发明内容是为了以简化的形式介绍下文的具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

本文中也描述和叙述了其他具体实施。

附图说明

图1示出了卫星通信***的示例。

图2示出了根据本公开的与局部坐标系相关的电子可操纵卫星天线的示例。

图3示出了具有不同扫描角度能力和倾斜取向的电子可操纵卫星天线的几个实例。

图4示出了示例性用户终端，其中可操纵卫星天线被配置为无倾斜。

图5示出了示例性用户终端，其中可操纵卫星天线倾斜以便于以相对有限的扫描角度能力改进卫星可用性。

图6示出了GEO卫星对于无倾斜定向的示例性用户终端的可用性。

图7示出了GEO卫星对于倾斜定向的示例性用户终端的可用性。

图8示出了示例性用户终端，其中相应可操纵天线倾斜以便于改进卫星可用性并且提供分布式卫星通信以协助向用户终端分配带宽。

图9示出了示例性用户终端的示意图。

图10示出了用户终端的示例性操作。

具体实施方式

虽然本发明易于做出各种修改和替代形式，但是其具体实施例已在附图中通过举例的方式示出并且在本文中进行详细描述。然而，应当理解，不旨在将本发明限于所公开的特定形式，而是本发明涵盖落入由权利要求所限定的本发明范围内的所有修改、等同物和替代方案。

本公开涉及用于改进可以包括至少一个非GEO卫星的卫星***的方法。具体地，本公开认识到了当非GEO卫星在相对于用户终端的天空中运行时利用电子可操纵卫星天线来跟踪一个或多个非GEO卫星的益处。例如，使用电子可操纵卫星天线可避免使用提供复杂、昂贵并且容易发生故障的机械跟踪机制来物理地移动卫星天线或减少对其的依赖。相反，可操纵卫星天线可以设定物理取向安装，并且电子可操纵卫星天线可被控制以对用于信号的接收和/或传输的波束进行定向。因此，电子可操纵卫星天线可提供用于信号的传输和/或接收的经定向的波束。这样，使用电子可操纵卫星天线可允许用户终端与非GEO卫星通信，使得可以向用户终端提供此类通信的益处(例如，更高的卫星可用性、低延迟通信等)。

虽然本文中提到可操纵的天线的波束或辐射方向图，但是此类使用旨在通常针对以下来涉及天线的波束：通过相对于天线的视轴方向的给定扫描角度来对信号的传输进行定向或对针对天线处的信号接收的灵敏度进行定向。即，对经操纵或经定向的波束或辐射方向图的描述不旨在限于来自天线的信号的传输，而是也可指控制用于信号接收的天线的灵敏度方向。

参考图1，根据本公开描绘了卫星通信***100的示例。***100包括卫星天线120，该卫星天线由安装支架122支撑以将卫星天线120以相对于地球的设定物理取向进行设置。提到设定物理取向，意味着安装支架122被设计成将天线120以静态物理取向进行设置，该静态物理取向在天线可能暴露于其的正常操作条件(包括例如天气事件、地质下沉、地震、与天线120的偶然物理接触等)下的确改变。如下文更详细地描述的，安装支架122可以方位角、仰角和旋转角来建立天线120的设定物理取向。可相对于针对天线120的局部坐标系或全局坐标系来测量方位角、仰角和旋转角。此外，可理解，天线120的取向可根据需要容易地在局部坐标系与全局坐标系之间转变。

在示例中，相对于天线120的视轴方向来测量天线120的取向。例如，天线120可包括电子可操纵卫星天线。就这一点而言，天线120可包括天线120的增益沿其为最大的视轴方向。对于平面相控阵天线，视轴方向可以为垂直于平面相控阵表面的矢量。虽然电子可操纵卫星天线120可用于相对于视轴方向(通过相对于视轴方向的扫描角度)来操纵波束(通过控制传输方向和/或接收灵敏度)，但可使用视轴方向作为针对天线120的固定参考基准来测量天线120的设定物理取向。

天线120可与围绕地球的轨道中的卫星110进行双向通信。卫星110也可与地球上的网关终端130进行双向通信。网关终端130可与网络140进行通信。网关终端130有时被称为集线器或地面站。网关终端130包括天线，以将前向上行链路信号132传输到卫星110以及从卫星110接收返回下行链路信号134。网关终端130也可调度到天线120的业务量。替代性地，调度可在卫星通信***100的其他部分(例如，核心节点、卫星接入节点或其他部件，未示出)中执行。在网关终端130与卫星110之间传送的通信信号132、134可使用与在卫星110与天线120之间传送的通信信号136、138相同、重叠或不同的频率。

网络140与网关终端130接口。网络140可以为任何类型的网络，并且可包括例如互联网、IP网络、企业内部网、广域网(WAN)、局域网(LAN)、虚拟专用网络(VPN)、虚拟LAN(VLAN)、光纤网络、电缆网络、公共交换电话网络(PSTN)、公共交换数据网络(PSDN)、公共陆地移动网络和/或如本文中描述的支持设备之间的通信的任何其他类型的网络。网络140可包括有线和无线连接以及光学链路两者。网络140可连接可与卫星110和/或与其他卫星进行通信的多个网关终端130。

可将网关终端130设置为网络140与卫星110之间的接口。网关终端130可被配置为从经由网络140可访问的源接收被引导到天线120的数据和信息。网关终端130可将数据和信息格式化，并且将前向上行链路信号132传输到卫星110以递送到天线120。类似地，网关终端130可被配置为从卫星110接收返回下行链路信号134(例如，包含源自天线120的数据和信息)，该返回下行链路信号被引导到经由网络140可访问的目的地。网关终端130也可将接收到的返回下行链路信号134格式化以在网络140上传输。

卫星110可从网关终端130接收前向上行链路信号132，并且向天线120传输对应的前向下行链路信号136。类似地，卫星110可从天线120接收返回上行链路信号138，并且向网关终端130传输对应的返回下行链路信号134。卫星110可以多点波束模式操作，从而传输和接收被引导到地球上的不同区域的多个窄波束。另选地，卫星110可以广域覆盖波束模式操作，从而传输一个或多个广域覆盖波束。

卫星110可被配置为“弯管”卫星，其在将信号重传到信号的目的地之前对接收到的信号执行频率和偏振转换。又如，卫星110可被配置为再生卫星，其在重传之前解调和重新调制接收到的信号。

虽然图1描绘了与网关130和天线120通信的单个卫星110，但是可以理解，卫星***100可以包括多个卫星110。例如，多个卫星可以同时对网关130或天线120可见。卫星通信***100的卫星110可以包括但不限于一个或多个GEO卫星和/或一个或多个非GEO卫星(例如，LEO卫星和/或MEO卫星)。如下文将更详细地讨论的，基于天线120在地球表面上的位置的天线120的倾斜可以促进与卫星可用性和/或用途相关的多个优点。

进一步参考图2，更详细地示出了天线200的示例。天线200可包括电子可操纵卫星天线，诸如相控阵天线等。在其他示例中，可无限制地提供除相控阵天线之外的其他电子可操纵卫星天线。例如，电子可操纵卫星天线可包括具有基于液晶聚合物的孔径的天线、具有耦合开槽板的反向旋转孔径的天线、利用钛酸锶钡或其他类似的电压依赖性介电材料的天线、或基于超材料的天线。在一个示例中，天线200可包括多个天线元件224。该多个天线元件224可包括可被共同控制以提供可操纵波束的天线阵列和波束形成电路(例如，移相器、放大器等)。可操纵波束可无限制地允许沿经操纵波束的方向的经定向的信号接收和/或经定向的信号传输。

虽然图2中描绘了矩形天线元件224的矩形阵列，但是可理解，可无限制地提供天线元件224的任何配置、形状和/或阵列(例如，无限制地包括不同形状的天线元件224，诸如三角形、六边形、八边形或处于任何适当的阵列布局的其他多边形形状)。继而，卫星天线120可以生成具有变化的扩展和/或功率特性的各种类型的波束。因此，虽然本文的讨论可以指代或描绘可以通过其控制波束的锥形场，但是本公开不限于此类实例。例如，扫描角度可以关于视轴方向是不对称的，以提供可以通过其控制波束的矩形或其他多边形形状的场。

天线220可由安装支架222支撑。继而，安装支架222可固定到基座226。基座226可以为相对于地球的永久性或静态结构。例如，基座226可包括安装垫、建筑物或任何其他静态结构。安装支架222可为天线220提供一个或多个自由度，以设定天线220的物理取向。在一个示例中，安装支架222可提供至少三个自由度，其中可调节天线220的方位角、仰角和旋转角。不管安装支架222的可调节性如何，安装支架222都可被固定来以设定物理取向对天线220进行定位。如上所述，设定物理取向可以为静态，使得天线220暴露于其的操作条件不能移动天线220。

图2示出了示例性坐标系230，其中可描述天线220的设定物理取向。坐标系230可包括限定相对于天线220的局部三维坐标系的x轴、y轴和z轴。天线220的视轴方向240可在坐标系230中被定位。如上所述，天线220的视轴方向240描述针对天线220的最大增益轴线。在电子可操纵卫星天线的情况下，然而波束可以为可操纵，而没有天线220通过相对于视轴方向240的扫描角度进行的物理移动。

视轴方向240可在坐标系230中通过方位角234、仰角232和旋转角236来描述，如图2所示。由于坐标系230在相对于地球的参考系中可以为静态，所以方位角234、仰角232和旋转角236可完全描述天线220相对于地球的设定物理取向。即，方位角234、仰角232和旋转角236可在相对于地球的局部坐标系(例如，坐标系230)和全局坐标系之间转变。

图3示出了标示为300a、300b和300c的电子可操纵卫星天线的三个实例。第一实例300a包括电子可操纵卫星天线310a，其中视轴方向312a被定向为垂直于局部水平基准302。即，视轴方向312a指向天线310a所在位置的天顶方向。因此，卫星天线310a可以被表征为天顶定向配置。水平基准302可以包括在天线310a的位置处与地球表面相切的平面。

天线310a包括扫描角度314a，通过该扫描角度可以控制天线310的波束。在该实例300a中，扫描角度314a包括相对于视轴方向312a的65度角。可以理解，这提供了135度的总波束扫描角度。因此，针对天线310a建立相对于水平基准302成35度的最小仰角316a。

实例300a可以被认为是建立用于比较图3中所示的天线310的配置的性能的最小仰角316a的基线实例。在其他实例中，可以提供其他最小仰角，诸如但不限于约5度、约10度、约15度、约20度、约30度、或甚至约35度或更大的最小仰角。

转向实例300b，提供了电子可操纵卫星天线310b。与实例300a类似，在实例300b中，天线310b被定向为使得视轴方向312b被定向为垂直于局部水平基准302。即，视轴方向312b指向天线310b所在位置的天顶方向。因此，卫星天线310b可以被表征为天顶定向配置。

然而，与实例300a不同，实例300b的天线310b可以具有更有限的扫描角度314b。天线310的扫描角度314b可能由于任意多种原因而受到限制。然而，一个重要因素是天线310的经济可行性。对于像图3的实例中所示的那些那样的电子可操纵天线，生产天线的成本随着可用扫描角度314呈指数增长。即，第一天线的扫描角度是第二天线的两倍，其成本通常是第二天线的两倍以上。因此，期望并且可能需要实现提供具有有限扫描角度314的天线310的经济可行性。例如，天线310b包括45度的扫描角度314b，比起天线310a，这可以提供显著的经济优势。然而，在其他实例中，卫星天线可以具有其他可用扫描角度，包括例如约15度、约20度、约25度、约30度、约35度、约40度、约45度、约50度、约55度、约60度或大于约60度的扫描角度。然而，由于实例300b中的扫描角度314b比扫描角度314a更有限，所以实例300b中的所得最小仰角316b大于实例300a中的最小仰角316b。因此，当卫星朝向天线310b处的局部地平线移动时，天线310b将具有更有限的与卫星通信的能力。继而，包括如实例300b中配置的天线310b的卫星通信***可能需要更多卫星在卫星星座中的轨道上，以维持与如实例300b中所示和所述定向的天线310b的连续通信。可以理解，在星座中使用附加的卫星可能会显着增加卫星***的成本和复杂性。

然而，进一步参考图3的实例300c，带有更有限的扫描角度314b的电子可操纵卫星天线310c可以相对于天顶方向320倾斜。例如，天线310c可以倾斜，使得卫星天线310c的视轴方向312c相对于天顶方向320成偏移角318。在所描绘的实例中，偏移角318相对于天顶方向320可以成20度。这样，天线310c的视轴方向312c可以相对于天线310c的位置的天顶方向偏移。继而，即使具有与扫描角度314a相比更有限的扫描角度314b，也可以用具有更有限的扫描角度314b的更具成本效益的天线310c在实例300c中实现在实例300a中实现的最小仰角316a。虽然可以通过天线310a的有限方位角范围来实现改进的最小仰角316a，但是图4和图5的讨论示出了至少部分地基于天线在地球上的位置来配置天线倾斜角可以如何减轻相对于天线的方位角的整个范围上的最小仰角的任何限制。

转向图4，呈现了实例400的图，以说明当可操纵天线被配置为根据图3的实例300a和300b的天顶定向配置时，对具有相对有限的扫描角度的可操纵天线的限制。表示400示出了与处于天顶定向配置的给定位置402处的电子可操纵卫星天线的相应实例相对应的变化的视程范围404/406，其中卫星天线的视轴方向直接指向相对于位置402的天顶。在所描绘的表示400中，卫星天线位于美国大陆的华盛顿州西雅图市。第一视程范围406表示具有第一扫描角度(例如，如图3的实例300a中所示的65度扫描角度)的卫星天线的可见范围的投影。即，在第一视程范围404内的地面轨迹上的卫星对于在位置402处具有第一扫描角度的卫星天线来说是可见的。相反，第二视程范围404表示具有小于第一扫描角度的第二扫描角度(例如，如图3的实例300b中所示的45度扫描角度)的卫星天线的可见范围的投影。即，在第二视程范围406内的地面轨迹上的卫星对于在位置402处具有第二扫描角度的卫星天线来说是可见的。可以理解，由于每个示例性卫星天线被配置为以天顶定向配置提供，因此第一视程范围406和第二视程范围404包括同心布置的形状，其中第二视程范围404小于第一视程范围406。

图4还示出了卫星轨道地面轨迹的部分。具体地，示出了第一地面轨迹410、第二地面轨迹420和第三地面轨迹430。可以理解，第一地面轨迹410、第二地面轨迹420和第三地面轨迹430的表示被截断以仅示出这些地面轨迹与图4中的视程范围404/406相关的部分。第一地面轨迹410包括卫星412a、412b、412c、412d和412e。可以理解，第一地面轨迹410可以对应于卫星412a、412b、412c、412d和412e在其中绕地球运行的第一轨道。卫星412a、412b、412c、412d和412e可以具有共同的轨道参数，但是相对于卫星历元偏移，使得该多个卫星沿共同的地面路径间隔开(例如，均匀地间隔开)。第二地面轨迹420包括卫星422a、422b、422c和422d。可以理解，第二地面轨迹420可以对应于卫星422a、422b、422c和422d在其中绕地球运行的第二轨道。卫星422a、422b、422c和422d可以具有共同的轨道参数，但是相对于卫星历元偏移，使得该多个卫星沿共同的地面路径间隔开(例如，均匀地间隔开)。第三地面轨迹430包括卫星432a、432b和432c。可以理解，第三地面轨迹430可以对应于卫星432a、432b和432c在其中绕地球运行的第三轨道。卫星432a、432b和432c可以具有共同的轨道参数，但是相对于卫星历元偏移，使得该多个卫星沿共同的地面路径间隔开(例如，均匀地间隔开)。

可以理解，对于第一视程范围406，在图4所描绘的时间可见的可见卫星包括第一地面轨迹410中的卫星412b、412c、412d和412e；第二地面轨迹420中的卫星422a、422b和422c；以及第三地面轨迹上的卫星432b。相反，对于第二视程范围404，在图4所描绘的时间可见的可见卫星包括第一地面轨迹中的卫星412c和412d；第二地面轨迹420中的卫星422b和422c；而没有第三地面轨迹430中的卫星。因此，可以理解，虽然由第二视程范围404提供的有限视程范围可以提供更经济的卫星天线，但是可用卫星的数量相对于第一视程范围406显著减少。继而，卫星可用性可能会降低，从而危及向卫星星座中的至少一个卫星提供持续视程的能力。继而，星座中可能需要更多卫星以确保为星座中的至少一个卫星提供持续视程的能力，这可能会抵消卫星天线更有限的扫描角度所提供的任何经济优点，即使是汇聚具有更小扫描角度的许多卫星天线。

相反，图5示出了图4中所描绘的相同卫星轨道配置的表示500。图5还示出了与具有第一扫描角度的处于天顶定向配置的卫星天线相关联的第一视程范围406。还描绘了倾斜视程范围504，其示出了通常根据图3中的实例300c提供的卫星天线，其中带有更有限的扫描角度的卫星天线可以以偏移角倾斜，使得卫星天线的视轴方向相对于卫星天线的位置402处的天顶方向偏移。继而，在图5中，具有倾斜视程范围504的卫星天线的偏移角通常可以是向南的，使得倾斜视程范围504相对于位置402通常向南延伸得比向北延伸得更远。继而，倾斜视程范围504中可用的多个可见卫星包括第一地面轨迹410中的卫星412c和412d；第二地面轨迹中的卫星422b和422c；以及第三地面轨迹430中的卫星432b。即，在倾斜视程范围504中可见的可用卫星的数量大于图4中的第二视程范围404，即使倾斜视程范围504是用具有与第二视程范围404所表示的天线相同的扫描角度能力的卫星天线产生的。

鉴于倾斜视程范围504，可用卫星的增加至少部分地归因于卫星轨道倾斜角附近的卫星的汇集，使得通常在倾斜角附近存在更多的卫星可用。例如，在图4和图5中描绘了倾角上限510和倾角下限520。因此，倾角上限510与倾角下限520之间的区域可以被称为汇集区域512。提到汇集，意味着当卫星经过靠近轨道倾角的轨道部分时，卫星可以停留于在倾角上限510与倾角下限520之间延伸的汇集区域512中。倾角上限510可以由非GEO卫星星座的轨道倾斜角来定义。倾角上限510可以对应于倾斜角或者比倾斜角略大一些。倾角下限520可以相对于上升卫星轨道和下降卫星轨道的重叠地面轨迹来定义(例如，地面轨迹410的下降部分与地面轨迹430的上升部分之间的交点514)。倾角下限520可以穿过交点514或者设置在交点514下方略低一些。

在任何方面，卫星天线可以以偏移角定向，使得倾斜视程范围504通常可以延伸到倾角上限510与倾角下限520之间的汇集区域512。相反，如图4所示，第二视程范围404包括大的视程区域，当它延伸到超过倾角上限510的没有卫星经过的纬度时，没有卫星会经过该区域。因此，视程范围404在倾角上限510之外的部分被浪费，因为没有卫星将经过该部分。

在卫星天线也与GEO卫星通信的情况下，卫星天线倾斜以提供瞄准轨道倾角附近的轨道的一部分的倾斜视程范围，在该部分中卫星汇集在汇集区域512中，这也可以提供益处。例如，图6示出了位置602处具有给定扫描角度的卫星天线的视程范围604的表示600。视程范围604示出了处于天顶定向配置的卫星天线，其中卫星天线的视轴方向指向天顶。

在图6中，描绘了多个GEO卫星612a-612i。可以理解，天顶定向卫星天线的视程范围604限于GEO卫星612c-612g。相反，图7示出了在相同位置602处并且具有相同给定扫描角度的卫星天线的另一表示700，但是其中卫星天线被设置成沿朝向其中设置有GEO卫星的GEO弧的方向成偏移角。这样，提供了朝向GEO卫星在其中绕轨道运行的GEO弧倾斜的倾斜视程范围704。倾斜视程范围704的区域与可见范围604相同，但是由于卫星天线朝向GEO弧倾斜，所以包括GEO卫星612a-612h的更多GEO卫星可以在倾斜视程范围704内可见。

图5中所示的与由第一地面轨迹410、第二地面轨迹420和第三地面轨迹430表示的非GEO卫星轨道相关的倾斜视程范围504也可促进图7中所示的与GEO卫星相关的倾斜视程范围704。因此，可以理解，通过以朝向GEO弧的偏移角提供卫星天线的视轴方向，可以增加非GEO卫星和GEO卫星的视程的可用性。

就这一点而言，给定卫星天线以图3中的实例300c中所示的方式以偏移角318倾斜，其中卫星天线的偏移角318朝向GEO弧(例如，相对于卫星天线的位置朝向赤道的方向)可以能够瞄准非GEO卫星星座和/或一个或多个GEO卫星用于与其通信。这可以提供关于具有成偏移角的卫星天线的给定用户终端的通信能力的更高的灵活性。可以选择性地与用户终端可见的非GEO卫星或用户终端可见的GEO卫星中的给定卫星传送数据。例如，延迟敏感数据诸如语音通信、实况视频流等的通信可以选择性地瞄准用户终端可见的非GEO卫星，以提供相对较低延迟的通信。相反，对延迟不敏感的其他数据可以瞄准用户终端可见的GEO卫星。这可便于增加带宽、持续卫星可用性或GEO卫星通信的其他益处。由于卫星天线朝向GEO弧倾斜可便于增加GEO轨道中的卫星和非GEO轨道中的卫星的卫星视程，因此通过潜在地允许维护更少的非GEO卫星和/或GEO卫星同时仍然提供向用户终端提供持续视程的能力来进一步增强这种灵活性。

因此，可以理解，卫星天线的视轴方向相对于卫星天线位置处的局部天顶的偏移角的方向和/或量可以基于卫星天线在地球上的位置(例如，卫星位置的纬度)。更具体地，卫星天线的倾斜可以基于卫星天线相对于与卫星天线通信的非GEO卫星星座的倾斜角的位置。此外，如上所述，提供朝向GEO弧的倾斜可能是有利的。就这一点而言，非GEO卫星星座可以被设计成具有一定的倾斜角，使得卫星天线能够在目标地理区域(例如，美国大陆、欧洲大陆、东亚沿海地区等)朝向GEO弧倾斜，同时还为相对于非GEO卫星轨道定义的汇集区域提供良好的覆盖范围。即，非GEO卫星轨道的倾斜角可以相对于目标地理区域的纬度范围来确定，使得对于感兴趣地理区域内的一些、大多数或所有位置，朝向GEO弧倾斜还增加了非GEO轨道的汇集区域中的视程覆盖范围。

在其他实例中，给定卫星天线的倾斜角可以至少部分地基于预期用途。例如，与在给定位置处预期传送比第一卫星更多的延迟敏感数据的第二卫星天线相比，在给定位置处预期主要用于对延迟不敏感的数据通信使得卫星天线主要与GEO卫星通信的第一卫星天线可以朝向GEO弧倾斜成更大的角度。即，卫星天线的物理倾斜可以至少部分地基于数据通信的预期性质和/或GEO卫星与非GEO卫星之间的通信的预期平衡。

附加地或另选地，偏移角可以至少部分地基于相应链路相对于非GEO卫星和GEO卫星的链路性能。例如，可以确定相对于非GEO卫星的第一链路条件，并且可以确定相对于GEO卫星的第二链路条件。卫星天线的偏移角可以至少部分地基于第一链路条件和第二链路条件。例如，可以提供偏移角以有利于卫星天线朝向具有比另一链路更差的链路条件的卫星链路，以试图改善链路条件。在另选实例中，可以提供朝向具有更好链路条件的卫星链路的偏移角，以更有效地利用具有改进的链路条件的卫星天线。

此外，虽然上述倾斜通常设想卫星天线的倾斜具有仅带有纵向偏移分量的偏移角，但是提供具有纬度偏移分量的偏移角也可以提供优点。提到纵向偏移分量，意味着卫星天线的偏移角(相对于天线的位置)沿纵向方向(例如，向北或向南)设置。对应地，纬度偏移分量意味着卫星天线的偏移角(相对于天线的位置)沿纬度方向(例如，向东或向西)设置。具体地，使用纬度偏移分量的一个实例可以基于如下所述的负载平衡策略。

图8中示出了根据负载平衡策略提供纬度偏移分量的一个此类实例。在图8中描绘了两个卫星天线所在的位置402的表示800。非GEO卫星星座如上面关于图4和图5所提供的那样布置，通常包括第一地面轨迹410、第二地面轨迹420和第三地面轨迹430，相应卫星沿这些轨迹移动。

图8描绘了与第一卫星天线相关联的第一视程范围802以及与第二卫星天线相关联的第二视程范围804。第一视程范围802相对于位置402向东南延伸。就这一点而言，第一卫星天线的视轴方向的偏移角可以具有纵向偏移分量，以将视轴方向朝向GEO弧定向并且瞄准卫星星座的汇集区域512。此外，第一卫星天线的视轴方向的偏移角可以具有纬度分量，以使视程范围802大体上相对于位置402向东偏移。第二视程范围804相对于位置402向西南延伸。就这一点而言，第二卫星天线的视轴方向的偏移角可以具有纵向偏移分量，以将视轴方向朝向GEO弧定向并且像第一卫星天线那样瞄准卫星星座的汇集区域512。

在所描绘的实例中，第一视程范围802和第二视程范围804的偏移角的纵向偏移分量可以是相同的。即，第一卫星天线和第二卫星天线可以沿相对于位置402的南方方向具有相同量的偏移角。此外，第二卫星天线的视轴方向的偏移角可以具有纬度分量，以使视程范围804大体上相对于位置402向西偏移。

不同的纬度偏移分量可以允许第一卫星天线和第二卫星天线分别瞄准不同的卫星组。例如，第一视程范围804可以允许第一卫星天线查看第一地面轨迹410中的卫星412d和卫星412e；第二地面轨迹中的卫星422c和卫星422d；以及第三地面轨迹430中的卫星432c。第二视程范围804可以允许第二卫星天线查看第一地面轨迹410中的卫星412b和卫星412c；第二地面轨迹420中的卫星422a和422b；而没有第三地面轨迹430中的卫星。

由于对第一卫星天线和第二卫星天线可见的卫星组可能不同，因此可以理解，纬度分量可以用于辅助与非GEO卫星星座中的卫星的通信的负载平衡。即，通过改变给定位置处或指定区域内的卫星天线的纬度偏移分量，可以瞄准星座中的卫星中的不同卫星，从而提供可以与其建立通信的更多种类的卫星。继而，每个卫星天线可以具有不同的可用卫星组，从而增加两个卫星天线可用的总可用带宽，而不是使相同的卫星共享来自这两个卫星天线的带宽。在一些实例中，第一卫星天线和第二卫星天线分别可见的卫星组可以包括公共卫星。然而，每个卫星组还可以包括相对于另一组独有的卫星。

可以基于负载平衡策略来确定给定卫星天线的纬度偏移分量。可以确定与卫星天线的给定位置或区域中的其他用户终端相关的纬度偏移分量。例如，可以为每隔一个安装的卫星天线指派给定的纬度偏移分量。因此，安装的第一卫星天线可以向东偏移，安装的第二卫星天线可以向西偏移，安装的第三卫星天线可以向东偏移，等等。另选地，可以随机指派纬度偏移分量。

图9呈现了示例性天线***900的示意性表示。天线920示意性地示出为带有天线元件924并且由安装支架922支撑。就这一点而言，天线920可对应于对上述天线220的前述描述。

天线920可与天线控制器950进行通信。天线控制器950可与收发器910进行有效通信。收发器910可与天线控制器950协调，该天线控制器可包括用于控制天线920的操作以便于与卫星(图3中未示出)进行通信的控制电路或其他装置。例如，收发器910可引导天线控制器950控制天线元件924，以通过相对于天线920的方位角和仰角的扫描角度来操纵天线920的波束。对天线元件924的此类控制可允许天线的波束通过相对于天线的视轴方向的扫描角度范围来被引导。

收发器910可放大然后降频转换来自目标卫星的前向下行链路信号(如图1所示)，以生成用于递送到调制解调器940的中频(IF)接收信号。类似地，收发器910可增频转换然后放大从调制解调器940接收到的IF传输信号，以生成用于递送到目标卫星的返回上行链路信号(如图1所示)。在其中目标卫星以多点波束模式操作的一些实施例中，返回上行链路信号和前向下行链路信号的频率范围和/或偏振对于各种点波束可不同。因此，收发器910可处于一个或多个点波束的覆盖区域内，并且可配置为匹配特定点波束的偏振和频率范围。调制解调器940可例如位于天线920所附接到的结构的内部。又如，调制解调器940可位于天线920上，诸如被并入收发器910内。在任何方面，收发器910可经由天线920接收和发送信号以提供调制解调器940的通信能力(例如，以便于调制解调器940与网络之间的访问)。即，调制解调器940分别调制和解调IF接收和发送信号以利用路由器(未示出)传送数据。路由器可例如在一个或多个连接的设备942(诸如膝上型计算机、平板电脑、移动电话等)之间路由数据以提供双向数据通信，诸如双向互联网和/或电话服务。

***900还可以包括位置模块914或与位置模块通信。位置模块914可用于确定天线920的位置(例如，如通过纬度、经度和海拔所描述的)。继而，位置模块914可以将天线920的位置提供给偏移计算模块912，以用于根据与偏移角相关的任何前述考虑来确定天线920的偏移角。继而，偏移计算模块912可以提供输出，该输出允许将卫星天线920的安装支架922操纵到由偏移计算模块912确定的偏移角。此类操纵可以由用户手动进行或者可以自动控制安装支架922的定位***。

位置模块914可例如包括能够解析天线920在地球上的位置(例如，相对于通用坐标系，诸如使用纬度、经度和海拔)的全球定位***(GPS)接收器。位置模块914可无限制地使用任何其他适当的位置确定技术。

在一些实例中，天线控制器950、收发器910、调制解调器940、偏移计算模块912和/或位置模块914中的一者或多者可与天线820一体地设置，尽管为了清楚起见在图9中被示出为单独的模块。此外，上述模块中的一些模块可远离天线920和/或与天线相关联的用户终端定位，使得可通过联网通信(例如，包括使用与卫星的通信的通信)来便于模块的功能性。

图10示出了卫星***的示例性操作1000。操作1000可以包括定位操作1002，在该定位操作中确定卫星天线相对于地球的位置。定位操作1002可以由位置模块诸如GPS模块等来执行，如上所述。另选地，可以以任何其他方式确定卫星天线的位置，诸如获得天线的坐标、获得天线的地址、用天线***外部的位置模块来定位天线等。

在任何方面，确定操作1004用于确定卫星的偏移角。确定操作1004可以至少部分地基于在定位操作1002处确定的天线的位置。此外，如上所述，确定操作1004还可以至少部分地基于相对于天线的GEO弧的方向。此外，确定操作1004可以将上面讨论的可以影响偏移角的任何或所有前述参数作为考虑因素。具体地，确定操作1004可以至少部分地基于卫星天线的区域中的其他卫星天线，以辅助类似定位的天线之间的负载平衡，如上面结合图8所讨论的。

一旦在确定操作1004中确定了偏移角，定位操作1006就可以将天线以在确定操作1004中确定的偏移角物理地进行定位。确定操作1004和/或定位操作1006可以在用户终端处初始安装和设置天线时执行。此外，确定操作1004和/或定位操作1006可以在安装之后的某个时间执行(例如，在天线***服务时、在确定通信困难时等)。

操作1000可以包括电子地操纵卫星天线的波束以与非GEO卫星通信的操纵操作1008。操纵操作1008可以包括当非GEO卫星相对于卫星天线在天空中移动时跟踪非GEO卫星。操纵操作1008还可以包括在正与天线通信的当前非GEO卫星丢失信号(LOS)时或者在用移动到卫星天线的视程范围内的新的可见非GEO卫星捕获信号(AOS)时切换到另一非GEO卫星。此外，操纵操作1008可以包括干扰避免以避免与非目标卫星(例如，另一非GEO卫星或GEO卫星)的干扰。

操作1000还可以包括操纵操作1010，其中卫星天线的波束***纵以与卫星天线可见的GEO弧中的GEO卫星通信。操纵操作1008和1010各自可以在卫星天线没有从设定物理位置进行物理移动的情况下执行，在定位操作1006中卫星天线定位在该设定物理位置中。即，由于偏移角可以帮助促进与非GEO卫星和GEO卫星两者通信，因此可以各自完成操纵操作1008和1010以分别与非GEO卫星和GEO卫星建立通信，而无需物理移动卫星天线。

图11示出了适用于实现所公开的技术的方面的计算设备1100的示例性示意图，该计算设备包括对应于上述实例的天线控制器1150和/或偏移确定模块1152。计算设备1100包括一个或多个处理器单元1102、存储器1104、显示器1106和其他接口1108(例如，按钮)。存储器1104通常包括易失性存储器(例如，RAM)和非易失性存储器(例如，闪存存储器)两者。操作***1110(诸如Microsoft 操作***、Apple macOS操作***或Linux操作***)驻留在存储器1104中并且由处理器单元1102执行，但是应当理解，可采用其他操作***。

一个或多个应用程序1112被加载在存储器1104中并且由处理器单元1102在操作***1110上执行。应用程序1112可从各种输入本地设备接收输入，诸如麦克风1134、输入附件1135(例如，键盘、鼠标、触笔、触摸板、操纵杆、仪器安装输入件等)。此外，应用程序1112可通过使用多个通信收发器1130和天线1138通过有线或无线网络与一个或多个远程设备(诸如远程定位的智能设备)进行通信来接收来自此类设备的输入，以提供网络连接性(例如，移动电话网络、)。计算设备1100也可包括各种其他部件，诸如定位***(例如，全球定位卫星收发器)、一个或多个加速计、一个或多个相机、音频接口(例如，麦克风1134、音频放大器和扬声器和/或音频插孔)和存储设备1128。也可采用其他配置。

计算设备1100进一步包括电源1116，该电源由一个或多个电池或其他电源供电并且为计算设备1100的其他部件提供电力。电源1116也可连接到外部电源(未示出)，该外部电源对内置电池或其他电源进行超控或再充电。

在示例性具体实施中，计算设备1100包括由存储在存储器1104和/或存储设备1128中并且由处理器单元1102处理的指令体现的硬件和/或软件。存储器1104可以为主机设备或耦合到主机的附件的存储器。附加地或替代性地，计算装置1100可包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或能够提供本文描述的功能性的其他硬件/软件/固件。

计算设备1100可包括多种有形处理器可读存储介质和无形处理器可读通信信号。有形处理器可读存储装置可由可被计算设备1100访问的任何可用介质体现，并且包括易失性和非易失性存储介质、可移动和不可移动存储介质两者。有形处理器可读存储介质不包括无形通信信号并且包括以用于存储信息(诸如处理器可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动存储介质。有形处理器可读存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光学存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其他磁性存储设备、或可用于存储期望信息并且可被计算设备1100访问的任何其他有形介质。与有形处理器可读存储介质相比，无形处理器可读通信信号可体现处理器可读指令、数据结构、程序模块或驻留在调制数据信号中的其他数据，诸如载波或其他信号传输机制。术语“调制数据信号”意指无形通信信号，其具有其特性中以对信号中的信息进行编码的方式被设定或改变的一个或多个特性。通过举例的方式而非限制，无形通信信号包括通过有线介质(诸如有线网络或直接有线连接)和无线介质(诸如声介质、RF介质、红外介质和其他无线介质)传播的信号。

一些具体实施可包括制造品。制造品可包括用于存储逻辑的有形存储介质。存储介质的示例可包括能够存储电子数据的一种或多种类型的处理器可读存储介质，包括易失性存储器或非易失性存储器、可移动或不可移动存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写入或可再写入存储器等。逻辑的示例可包括各种软件元件，诸如软件部件、程序、应用、计算机程序、应用程序、***程序、机器程序、操作***软件、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、操作段、方法、过程、软件接口、应用程序接口(API)、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、值、符号或它们的任何组合。在一个具体实施中，例如，制造品可存储可执行计算机程序指令，该可执行计算机程序指令在由计算机执行时使得计算机执行根据所描述的具体实施的方法和/或操作。可执行计算机程序指令可包括任何合适类型的代码，诸如源代码、编译的代码、解译的代码、可执行代码、静态代码、动态代码等。可执行计算机程序指令可根据预先限定的计算机语言、方式或语法来实现，以指示计算机执行特定操作段。可使用任何合适的高级、低级、面向对象的、可视的、编译的和/或解译的编程语言来实现指令。

本文描述的具体实施被实现为一个或多个计算机***中的逻辑步骤。逻辑操作可被实现为(1)在一个或多个计算机***中执行的一系列处理器实现的步骤，以及(2)一个或多个计算机***内的互连机器或电路模块。具体实施是一个选择问题，取决于所利用的计算机***的性能要求。因此，构成本文描述的具体实施的逻辑操作以各种方式被称为操作、步骤、对象或模块。此外，应当理解，逻辑操作可以任何次序执行，除非另外明确地声明或者具体的次序是权利要求语言固有地必需的。

虽然已在附图和前述描述中详细地示出和描述了本发明，但是此类例示和描述在性质上应被认为是示例性而非限制性的。例如，上文描述的某些实施例可与其他所描述的实施例组合和/或以其他方式布置(例如，过程元素可以其他顺序执行)。因此，应当理解，已示出和描述了仅优选实施例及其变型，并且期望保护落入本发明实质内的所有改变和修改。

出于本公开的目的，除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的所有表示量、尺寸、维度、比例、形状、配方、参数、百分比、数量、特性和其他数值的数字应被理解为在所有情况下都被术语“约”修饰，即使术语“约”可能未明确地与值、量或范围一起出现。因此，除非有相反的指示，否则本文中阐述的数值参数不是并且不必是精确的，而是根据需要可以为近似和/或更大或更小，从而反映容限、转换因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素，这取决于当前公开的主题寻求获得的期望性质。例如，术语“约”当指代值时可意指涵盖以下的变型：指定量相比，在一些示例中+/-100％，在一些示例中+/-50％，在一些示例中+/-20％，在一些示例中+/-10％，在一些示例中+/-5％，在一些示例中+/-1％，在一些示例中+/-0.5％以及在一些示例中+/-0.1％(当此类变型适用于执行所公开的方法时)。

此外，术语“约”当与一个或多个数字或数值范围结合使用时应被理解为是指所有此类数字，包括某一范围内的所有数字，并且通过扩展在所阐述的数值之上和之下的边界来修饰该范围。通过端点表述的数值范围包括所有数字，例如，包含在该范围内的整数，包括其分数(例如，表述1至5包括1、2、3、4和5，以及其分数，例如，1.5、2.25、3.75、4.1等)，以及该范围内的任何范围。

Claims (26)

1.一种卫星通信***的用户终端，其包括：

具有可操纵波束的电子可操纵卫星天线，其中所述可操纵波束是通过相对于所述电子可操纵卫星天线的视轴方向的扫描角度电子可操纵的；

物理天线安装架，所述物理天线安装架用于将所述电子可操纵卫星天线以相对于地球的静态物理取向进行固定，其中所述电子可操纵卫星天线的所述静态物理取向将所述电子可操纵卫星天线的所述视轴方向以相对于所述用户终端处的天顶方向的偏移角进行定位；并且

其中所述偏移角至少部分地基于所述用户终端在地球上的位置以及所述卫星通信***的多个非对地同步地球轨道(非GEO)通信卫星的一个或多个轨道参数，所述电子可操纵卫星天线被配置用于与所述多个非GEO通信卫星通信，并且其中所述偏移角沿朝向至少一个对地同步地球轨道(GEO)通信卫星的方向。

2.根据权利要求1所述的用户终端，其中所述偏移角包括纵向偏移分量，并且其中所述纵向偏移分量至少部分地基于所述多个非GEO通信卫星的轨道倾角。

3.根据权利要求2所述的用户终端，其中所述纵向偏移分量被确定为使所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星之间的通信覆盖范围最大化。

4.根据权利要求2所述的用户终端，其中所述纵向偏移分量作为所述用户终端在地球上的所述位置的纬度的函数进行确定。

5.根据权利要求2所述的用户终端，其中所述偏移角包括纬度偏移分量，并且其中基于相对于被配置用于与所述多个非GEO通信卫星通信的一个或多个其他用户终端的负载平衡策略来确定所述纬度偏移分量。

6.根据权利要求1所述的用户终端，其中所述偏移角被选择为提供所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星中的至少一个之间的连续通信以及与所述至少一个GEO通信卫星的连续通信。

7.根据权利要求6所述的用户终端，其中多个非GEO通信卫星的所述一个或多个轨道参数包括将所述多个非GEO通信卫星沿相对于所述用户终端朝向所述GEO通信卫星的方向汇集在汇集区域中的所述多个非GEO通信卫星的轨道倾角。

8.根据权利要求6所述的用户终端，其中所述偏移角至少部分地基于所述多个非GEO通信卫星的第一链路性能以及所述至少一个GEO通信卫星的第二链路性能。

9.根据权利要求6所述的用户终端，其中所述偏移角至少部分地基于要在所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星之间传送的第一数据量以及要在所述用户终端与所述至少一个GEO通信卫星之间传送的第二数据量。

10.根据权利要求1所述的用户终端，其中所述扫描角度不大于约45度。

11.根据权利要求10所述的用户终端，其中所述可操纵波束的最小仰角不小于约25度。

12.根据权利要求1所述的用户终端，其中所述扫描角度关于所述视轴方向是不对称的。

13.根据权利要求1所述的用户终端，其中所述多个非GEO通信卫星包括低地球轨道(LEO)卫星。

14.一种用于在用户终端处定位电子可操纵卫星天线的方法，其包括：

确定电子可操纵卫星天线在地球上的位置；

将所述电子可操纵卫星天线的视轴方向以相对于所述用户终端处的天顶方向的偏移角进行偏移，其中所述偏移角至少部分地基于所述用户终端在地球上的所述位置以及卫星通信***的多个非对地同步地球轨道(非GEO)通信卫星的一个或多个轨道参数，所述电子可操纵卫星天线被配置用于与所述多个非GEO通信卫星通信，并且其中所述偏移角沿朝向至少一个对地同步地球轨道(GEO)通信卫星的方向；

用物理天线安装架将所述电子可操纵卫星天线以所述偏移角以相对于地球的静态物理取向物理地进行固定；以及

通过相对于所述视轴方向的扫描角度电子地操纵所述电子可操纵卫星天线的可操纵波束，以建立与所述多个非GEO通信卫星中的至少一个和所述至少一个GEO通信卫星的通信。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述偏移角包括纵向偏移分量，并且所述方法进一步包括：

至少部分地基于所述多个非GEO通信卫星的轨道倾角来确定所述纵向偏移分量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述纵向偏移分量被确定为使所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星之间的通信覆盖范围最大化。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述纵向偏移分量作为所述用户终端在地球上的所述位置的纬度的函数进行确定。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述偏移角包括纬度偏移分量，并且所述方法进一步包括：

基于相对于被配置用于与所述多个非GEO通信卫星通信的一个或多个其他用户终端的负载平衡策略来确定所述纬度偏移分量。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述偏移角被选择为提供所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星中的至少一个之间的连续通信以及与所述至少一个GEO通信卫星的连续通信。

20.根据权利要求19所述的方法，其中多个非GEO通信卫星的所述一个或多个轨道参数包括将所述多个非GEO通信卫星中的非GEO通信卫星沿相对于所述用户终端朝向所述GEO通信卫星的方向汇集的所述多个非GEO通信卫星的轨道倾角。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述偏移角至少部分地基于所述多个非GEO通信卫星的第一链路性能以及所述至少一个GEO通信卫星的第二链路性能。

22.根据权利要求19所述的方法，其中所述偏移角至少部分地基于要在所述用户终端与所述多个非GEO通信卫星之间传送的第一数据量以及要在所述用户终端与所述至少一个GEO通信卫星之间传送的第二数据量。

23.根据权利要求14所述的方法，其中所述扫描角度不大于约45度。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述可操纵波束的最小仰角不小于约25度。

25.根据权利要求14所述的方法，其中所述扫描角度关于所述视轴方向是不对称的。

26.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个非GEO通信卫星包括低地球轨道(LEO)卫星。