DE3750877T2

DE3750877T2 - Satelliten-kommunikationssystem für mobile benützer.

Info

Publication number: DE3750877T2
Application number: DE3750877T
Authority: DE
Inventors: Harold Rosen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2007-10-20
Also published as: EP0290509A1; US4872015A; JPH01501512A; AU8170687A; DE3750877D1; AU597126B2; WO1988004495A1; EP0290509B1; CA1276238C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Satellitenkommunikationssystem für mobile Benutzer und bezieht sich genauer auf ein Satellitenkommunikationssystem, das Dienste für mobile Stationen zu Land, in der Luft oder zu Wasser anbietet, mit einer Vielzahl von mobilen Anschlußstellen, die innerhalb eines geographischen Gebietes angeordnet sind; einem in Sicht des geographischen Gebietes angeordneten Satelliten, um Signale von der Vielzahl von mobilen Anschlußstellen zu empfangen und Signale zu der Vielzahl von mobilen Anschlußstellen zu senden, wobei der Satellit Mittel umfaßt, um in der Frequenz adressierbare Abwärtssignale zu den mobilen Anschlußstellen zu liefern; einer Basisstation, um Signale zu dem Satelliten zu senden und Signale von dem Satelliten zu empfangen; einer Vielzahl von festen Anschlußstellen, die an die Basisstation gekoppelt sind, wobei die Basisstation die festen Anschlußstellen über den Satelliten mit den geeigneten mobilen Anschlußstellen verbindet; wobei der Satellit Mittel enthält, um in der Frequenz adressierbare Aufwärtssignale in dem Übertragungspfad von den mobilen Anschlußstellen zu dem Satelliten bereitzustellen; und mit wenigstens einem strahlformenden Netzwerk mit einer Vielzahl von Leitungen.
Geostationäre Satelliten werden gegenwärtig umfangreich eingesetzt, um Sprach- und Datenkommunikationsdienste für mobile maritime Stationen bereitzustellen. Es wird gegenwärtig erwogen, Satellitensysteme auch dafür zu verwenden, um für Kommunikation zu beweglichen Benutzern zu Lande oder in der Luft zu sorgen.
Gegenwärtige Systeme verwenden primär die Erde bedeckende Strahlen, um für die Kommunikation zwischen einer mobilen Station und einer festen Station zu sorgen. Bei Systemen mit einem die Erde überdeckenden Strahl werden dementsprechend der Ozean oder große Wassergebiete durch einen Strahl von einer Antenne des Satelliten bedeckt, was es ermöglicht, daß jede der mobilen Stationen, z.B. Boote, eine bestimmte Frequenz aufnehmen und mit festen Benutzern kommunizieren. Für mobile Stationen zu Lande oder in der Luft wird jedoch ein Satellitenkommunikationssystem benötigt, das gerichtete Strahlen haben soll, um sowohl für höheren Gewinn als auch eine Wiederverwendbarkeit der Frequenz zu sorgen.
Bei Satellitenkommunikationssystemen, die große Zahlen von Anschlußstellen mit geringem Gewinn miteinander verbinden, sind die wichtigsten Parameter, die die Systemkapazität beeinflussen, die effektiv isotrop abgestrahlte Leistung (EIRP) des Satelliten und die verfügbare Bandbreite. Die EIRP bezieht sich auf ein Maß der Sendeleistung des Satelliten, das den Gewinn der Antenne mit einbezieht. Die EIRP ist die Leistung eines Senders und einer isotropen Antenne, die dasselbe Ergebnis erzielen würden wie der Sender und die Antenne, die tatsächlich verwendet werden.
In der Vergangenheit sind hoher Antennengewinn und mehrfache Frequenzwiederverwendung erreicht worden, indem eine Vielzahl von Aufwärts- und Abwärtsstrahlen verwendet wurden, die die zu bedienenden Regionen des Landes oder andere Gebiete der Erde bedeckten. Es sind sowohl Frequenz- als auch Zeitmultiplexsysteme verwendet oder vorgeschlagen worden, um große Mengen an Signalen von vielen geographisch getrennten Erdstationen miteinander zu verbinden. Zeitmultiplexsysteme ermöglichen es, daß die Sender des Satelliten wirksam arbeiten. Dieser Vorteil wird erreicht, weil nur ein Zeitmultiplexsignal zur Zeit in einem Sender verstärkt wird, so daß er bei oder dicht bei Einzelkanalsättigung betrieben werden kann, was der wirksamste Betriebspunkt ist.
Zeitmultiplexsysteme erfordern jedoch Bodensender mit hoher Energie und teure Signalverarbeitung und sind daher mit preiswerten Erdstationen nicht vereinbar. Frequenzmultiplexsysteme sind besser für preiswerte Erdstationen geeignet, weisen jedoch einen geringeren Wirkungsgrad des Satellitensenders auf, weil jeder Sender mehrere Träger handhabt. Da Verstärker für mehrere Träger unerwünschte Intermodulationsprodukte erzeugen, die in der Leistung zunehmen, wenn der Wirkungsgrad des Senders erhöht wird, führt der optimale Kompromiß zwischen Wirkungsgrad des Senders und Erzeugung von Intermodulationen zu einem relativ geringen Senderwirkungsgrad.
Die verfügbare Bandbreite eines Satellitensystemes wird dadurch bestimmt, wie oft das zugeordnete Frequenzspektrum wiederverwendet werden kann. Polarisation und räumliche Isolation von Strahlen sind verwendet worden, um eine Wiederverwendung des Frequenzspektrums zu ermöglichen. Wenn die Zahl der isolierten Strahlen erhöht wird, wird jedoch das Problem, alle Benutzer miteinander zu verbinden, sehr verkompliziert und zu einem der Faktoren, die die Anzahl der Wiederverwendungen des Frequenzspektrums begrenzen.
Für die verschiedenen Benutzer von Satellitenkommunikationssystemen gibt es verschiedene Frequenzbereiche, die dafür verwendet werden. Das Frequenzspektrum, das der Satellitenkommunikation zu und von mobilen Benutzern zugeordnet wurde, liegt dementsprechend typischerweise bei einer ungefähr dem L-Band-Frequenzbereich entsprechenden Frequenz (1,6 GHz), wobei die Aufwärts- und Abwärtsverbindungsbänder durch ungefähr 100 MHz voneinander getrennt sind.
Die Verbindungen vom Satelliten zur Basisstation waren im C-Band (bei ungefähr 6/4 GHz) für mobile maritime Dienste, während die Verwendung der Ku-Band-Zuordnungen (ungefähr 14/12 GHz) für mobile Dienste zu Land vorgeschlagen wurden, wobei die Verbindungen für mobile Systeme für die Luftfahrt vermutlich in dem einen oder dem anderen dieser Bänder sein werden. Das typische Satellitensystem hätte eine Anzahl von mobilen Benutzern in einer bestimmten Zone, die mit festen Parteien kommunizieren könnten.
Die schwierige Verbindung in einem wie oben beschriebenen System ist die zwischen dem Satelliten und dem mobilen Benutzer, da die mobile Antenne in der Größe und im Gewinn gegenüber Antennen für feste Dienste eingeschränkt ist. Die meisten der Betriebsmittel des Satelliten, wie z.B. Nutzlastleistung, -volumen und -gewicht, sind daher dieser Verbindung gewidmet.
Ein in der Frequenz wiederverwendbares und in der Frequenz adressierbares Satellitenkommunikationssystem zur Verwendung in dem Frequenzbereich des Ku-Bandes ist in der US-Patentanmeldung Nr. 896,983, nun US-Patent Nr. 4,819,227 beschrieben, das "Satellite Communication System Employing Frequency Reuse" betitelt ist und im Namen von Harold A. Rosen eingereicht sowie auf den Inhaber dieser Anmeldung übertragen wurde. Die oben erwähnte Patentanmeldung beschreibt ein Satellitenkommunikationssystem, um große Mengen von Erdanschlußstellen mit maximierter Satelliten-EIRP sowie mit der verfügbaren Bandbreite miteinander zu verbinden.
Das System verwendet hochdirektionale Strahlen in der Abwärtsverbindung, was die EIRP merklich erhöht und eine mehrfache Wiederverwendung des zugeordneten Frequenzspektrums ermöglicht. Im Ergebnis ist die Zahl der Kommunikationskanäle, die für Punkt-zu-Punkt-Dienste bereitgestellt werden kann, maximiert. Ein hoher Wirkungsgrad für Sender mit mehreren Trägern wird bei Verwendung dieses Systemes als Ergebnis der Dispersion der Intermodulationsprodukte erreicht, wobei die schädlichen Auswirkungen von Regen auf den Abwärtskanal leicht überwunden werden, indem gepoolte Sendeleistung verwendet wird. Die Verbindung zwischen vielen Benutzern wird durch eine Kombination einer Filterverbindungsmatrix innerhalb des Satelliten und einem hochadressierbaren Abwärtsstrahl erreicht.
Obwohl dieses System in Verbindung mit dem beschriebenen Ku-Band-Kommunikationssystem sehr wirksam arbeitet, weist es einige Nachteile auf, wenn es für Kommunikationssysteme verwendet wird, die bewegliche mobile Anschlußstellen umfassen. Durch Bereitstellen der Filterverbindungsmatrix innerhalb des Satelliten gibt es zunächst in diesem eine erhöhte Komplexität, die zu den Kosten und dem Gewicht des Satelliten beiträgt. Obwohl die Abwärtsstrahlen des oben beschriebenen Systemes in der Frequenz adressierbar sind, sind die Aufwärtsstrahlen darüber hinaus von der Frequenz unabhängig. Dies ist für das oben erwähnte System erforderlich, weil es wichtig ist, für die direkteste Route von einem Ort über den Satelliten zu einem anderen Ort zu sorgen.
Die Frequenzunabhängigkeit der Aufwärts strahlen erzeugt jedoch Überlappungszonen innerhalb verschiedener geographischer Regionen, was die Kapazität des Kommunikationssystemes reduziert. Obwohl dieses System für Kommunikationssysteme sehr nützlich ist, die für direkte Kommunikation zwischen festen Anschluß stellen sorgen, ist es demnach nicht so wirksam, wenn mobile Anschlußstellen in dem Kommunikationssystem vorhanden sind.
In GLOBECOM '85, IEEE Global Telecommunications Conference, New Orleans, Lousiana, 2. - 5. Dezember 1985, Band 3, IEEE (New York, US), offenbart der Artikel "Advanced regional mobile satellite system for the nineties" von W. Kriedtke et al. (Seiten 38.1.1 - 38.1.6) ein zeitgemultiplextes System zur Kommunikation mit mobilen Benutzern, indem eine Frequenzwiederverwendung für die Vorwärtsverbindung, d.h. für die Kommunikation von der Bodenstation über den Satelliten zu der mobilen Anschlußstelle bereitgestellt wird.
Ein Artikel, der von NTC '83, IEEE 1983, National Telesystems Conference, San Francisco, California, gehalten von der IEEE vom 14. - 16. November 1983, stammt und den Titel "Mobile communications by satellite" (Autor: J.D. Kiesling) trägt, Seiten 315 - 320, schlägt bestimmte Frequenzbänder für die Kommunikation zwischen Satelliten und beweglichen Anschlußstellen vor.
Eine Mehrstrahlantenne als solche ist bereits bekannt aus dem Artikel "The Maxson Multi-beam Antenna: Theory and Design for Non-interacting Beams" von E. Shaw, veröffentlicht in "The Radio and Electronic Engineer", Band 37, Nr. 2, Februar 1969, Seiten 117 - 129.
Was folglich benötigt wird, ist ein Satellitenkommunikationssystem für mobile Benutzer, das für eine effektive Kommunikationsverbindung zwischen einem mobilen Benutzer und einem festen Benutzer sorgt. Das System sollte darüber hinaus die Frequenzbandbreite auf die am meisten wirksame Weise benutzen, um so die maximale Anzahl an Übertragungen zu ermöglichen. Das System sollte schließlich die Betriebsmittel des Satelliten, wie Nutzlastleistung, -volumen und -gewicht wirksam nutzen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, d.h. dadurch, daß wenigstens eine aus der Vielzahl von Leitungen eine alternierende Reihe von Kopplern und Zeitverzögerungsschaltungen umfaßt, und daß jede der Zeitverzögerungschaltungen ein Allpaßfilter umfaßt, das Resonatormittel aufweist, wobei jede der Zeitverzögerungsschaltungen das Signal verzögert, um es zu ermöglichen, daß der Strahlabtastwinkel geeignet der Signalfrequenz zugeordnet wird.
Hierin offenbart ist ein Satellitenkommunikationssystem zwischen mobilen Anschlußstellen und festen Anschlußstellen. Das Kommunikationssystem umfaßt eine Vielzahl von mobilen Benutzern, einen Satelliten im geosynchronen Orbit, um Signale von den mobilen Benutzern zu empfangen und Signale zu diesem zu übertragen, einer Basisstation, um Signale von dem Satelliten zu empfangen und zu diesem auszusenden, sowie eine Vielzahl von festen Benutzern, die an die Basisstation angeschlossen sind. In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung werden die Aufwärtssendungen von den mobilen Benutzern zu dem Satelliten durch denselben Antennenreflektor und dasselbe Subsystem empfangen, das bei den Abwärtssendungen verwendet wird.
In der Frequenz adressierbare Strahlen werden sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsverbindung zu den mobilen Benutzern verwendet. Bei dieser Implementierung sind diese Strahlen Fächerstrahlen, deren Ost-West-Richtungen durch die Frequenz der verwendeten Signale bestimmt werden. Dies ermöglicht es den einen hohen Gewinn aufweisenden Strahlen, große Gebiete zu bedecken. Die zu bedeckenden Gebiete sind in Zonen aufgeteilt, in denen das zugeordnete Frequenzspektrum wiederverwendet wird, was für ein mehr an verwendbarem Spektrum und folglich an Kanalkapazität sorgt.
Diese Anordnung schafft folglich ein Satellitenkommunikationssystem, das bei mobilen Benutzern verwendet werden kann. Dieses verbesserte System liefert außerdem die Vorteile der Wiederverwendbarkeit der Frequenz und der Adressierbarkeit der Frequenz in den Aufwärts- und Abwärtsübertragungen der mobilen Benutzer.
In der Zeichnung:
Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung des mobilen Satellitensystemes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Darstellung einer abbildenden Reflektoranordnung für die Formung eines adressierbaren Strahles, wobei ein kleines Array auf einem Satelliten verwendet wird;
Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung eines Satelliten, an dem die abbildende Reflektoranordnung aus Fig. 2 installiert ist;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Kommunikationssubsystemes;
Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung der Aufteilung der von dem mobilen Satellitensystem zu bedienenden geographischen Regionen für ein atlantisch-maritimes mobiles System;
Fig. 6 ist ein bildliches Diagramm der Aufteilung der durch ein mobiles Satellitensystem zu bedienenden geographischen Region für ein mobiles Landsystem, das die Vereinigten Staaten und Kanada bedient;
Fig. 7 ist ein Diagramm des den Sendestrahl formenden Netzwerkes aus Fig. 4;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des den Empfangsstrahl formenden Netzwerkes aus Fig. 4;
Fig. 9 ist eine schematische Illustration eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Speisearraysystemes; und
Fig. 10 ist ein Schema, das die Frequenzadressierbarkeit der Strahlen zeigt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein neues Kommunikationssystem zwischen festen und mobilen Anschlußstellen. Die folgende Beschreibung soll es einem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu nutzen, und wird im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung und deren Erfordernissen gegeben. Die vorliegenden Erfindung soll nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt werden, sondern soll den weitesten Schutz haben, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmt.
Fig. 1 zeigt ein mobiles Satellitenkommunikationssystem. Wie gezeigt, sendet und empfängt eine Basisstation 10 Signale zu bzw. von einem Satelliten 13. Der Satellit 13 kann ebenfalls Signale zu und von dem Flugzeug 12 (in der Luft beweglich), dem Lastwagen 11 (zu Lande beweglich) und dem Schiff 14 (zu Wasser beweglich) senden bzw. empfangen. Die Basisstation 10 sendet und empfängt außerdem Signale über eine Landleitung 15 zu bzw. von festen Benutzern 16.
Das für Satellitenkommunikation zu und von den mobilen Benutzern zugeordnete Frequenzband liegt typischerweise im Bereich des L-Bandes, wobei das Abwärts- und das Aufwärtsband um ungefähr 100 MHz voneinander getrennt sind. Die Verbindungen vom Satelliten zur Basisstation liegen dementsprechend typischerweise in den Zuweisungen des Ku-Bandes oder des C-Bandes. Wie es vorstehend erwähnt wurde, ist die schwierige Verbindung in dem mobilen Satellitendienst die zu mobilen Benutzern, weil die mobile Antenne bezogen auf die Antenne eines festen Dienstes in der Größe und im Gewinn begrenzt ist.
Dementsprechend sind die meisten Betriebsmittel des Satelliten bei Nutzlastleistung, Volumen und Gewicht auf das Antennensubsystem und den L-Band-Sender konzentriert. Ein effektives Satellitenantennensystem 40 für den Satelliten ist in Fig. 2 gezeigt. Das Subsystem umfaßt eine Bildreflektoranordnung 40, die einen großen Reflektor 21, einen kleinen Reflektor 22 und ein Speisearray 43 umfaßt. Wie gezeigt, liefert das Speisearray 43 Signale an den kleinen Reflektor 22, die wiederum zu dem großen Reflektor 21 übertragen werden. Die Signale von dem Speisearray 43 werden dementsprechend von dem kleinen Reflektor 22 zu dem großen Reflektor 21 des Satelliten 13 (Fig. 1) und zu den verschiedenen Benutzern reflektiert.
Fig. 3 zeigt in bildlicher Darstellung einen typischen Satelliten 13 mit entsprechendem Speisearray 43 sowie großem und kleinem Reflektor 21 bzw. 22.
Durch Verwendung einer Hauptbasisstation 10 (Fig. 10) und verbesserten Merkmalen des Antennensubsystemes 40 des Satelliten 13 weist das Kommunikationssystem mehrere Vorteile gegenüber gleichen Systemen auf, die für den festen Dienst entworfen wurden. Bei dieser Kombination von Merkmalen werden die Aufwärts- -und Abwärtsstrahlen von den mobilen Benutzern von demselben Antennenreflektor und demselben Speisearraysystem 40 auf dem Satelliten 13 empfangen. Dementsprechend sind in diesem System alle Strahlen zu den mobilen Benutzern in den Aufwärts- sowie in den Abwärtsstrahlen in der Frequenz adressierbar.
Ein Blockdiagramm eines Kommunikationssubsystemes 50 in dem Satelliten 13 ist in Fig. 4 offenbart. Für die Zwecke der Darstellung wird angenommen, daß das von der Antenne 47 empfangene oder ausgesendete Signal sich im Ku-Frequenzband befindet, und daß der Frequenzbereich der von dem Antennenarray 43 empfangenen oder ausgesendeten Signale sich im Frequenzbereich des L-Bandes befindet.
Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt das Subsystem 50 einen Diplexer 46, der mit dem Empfangsabschnitt 41 und dem Sendeabschnitt 42 des Subsystems 50 verbunden ist. Die Empfangs- -und Sendeabschnitte 41 und 42 sind wiederum über Diplexer 430 an das L-Bandarray 43 gekoppelt.
Der Empfangsabschnitt 41 umfaßt weiter einen Empfänger 410, der wiederum Signale an Bandpaßfilter 411 - 413 liefert. Die Filter 411 - 413 sind jeweils mit Abwärtswandlern 414 - 416 verbunden. Jeder der Abwärtswandler 414 - 416 ist mit dem strahlformenden Netzwerk 417 verbunden. Das strahlformende Netzwerk 417 wiederum liefert Signale an Sender 419. Die Sender 419 wiederum liefern geeignete Signale an die Diplexer 410, die an das L-Bandarray 43 gekoppelt sind.
Der Sendeabschnitt 42 ist dadurch das Spiegelbild des Empfangsabschnittes 41, daß er auf eine zu dem Empfangsabschnitt 41 ähnliche Weise arbeitet, wobei der einzige Unterschied darin liegt, daß die Signale umgekehrt sind. Dementsprechend werden Signale von den mobilen Benutzern zu den L-Bandempfängern 428 geliefert, die wiederum Signale an ein strahlformendes Netzwerk 427 liefern. Das strahlformende Netzwerk 427 wiederum sendet Signale an Aufwärtswandler 424 - 426. Jeder der Aufwärtswandler 424 - 426 liefert Signale an jeweilige Bandpaßfilter 421 - 423. Die Signale von den Filtern 421 - 423 werden zu dem Ku-Band- Sender 420 gesendet und danach zu dem Diplexer 46 geliefert. Der Diplexer 46 liefert die Signale über die Antenne 47 zu der Basisstation 10 aus Fig. 1.
Das Subsystem 50 empfängt Signale von und liefert Signale zu der Basisstation 13 und sendet Signale zu und empfängt Signale von den mobilen Benutzern. In der Vorwärtsverbindung werden Signale typischerweise im Frequenzmultiplexverfahren von der Basisstation 10 durch das Subsystem 50 über den Diplexer 46 und die Antenne 47 empfangen.
Die empfangenen Signale werden dann in dem Empfänger 410 verstärkt. Die Signale werden dann durch die Bandpaßfilter 411 - 413 in eine Anzahl von Bändern aufgeteilt, die gleich der Zahl der Zonen ist, in die das zu bedienende Gebiet aufgeteilt wurde. Zum Zwecke der Illustration werden drei Bandpaßfilter und folglich drei Zonen beschrieben, aber der Fachmann wird erkennen, daß es eine größere oder geringere Anzahl von Filtern in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung geben kann.
Die Signale von den Bandpaßfiltern 411 - 413 werden dann Abwärtswandlern 414 - 416 angeboten, die diese Bandsignale von getrennten Ku-Band-Frequenzbändern in ein einzelnes L-Frequenzband umsetzen. Jedem der Abwärtswandler 414 - 146 wird eine jeweilige lokale Oszillatorfrequenz fa - fc zugeführt, wobei die Frequenzen so ausgewählt werden, daß sie für diese Umsetzung sorgen.
Danach werden diese Signale zu Eingängen des den Sendestrahl formenden Netzwerkes 417 gegeben. Jeder der Eingänge in das Netzwerk 417 entspricht einer der drei Zonen der zu bedienenden geographischen Region. Das strahlformende Netzwerk 417, wie es weiter unten noch genauer beschrieben werden wird, liefert Signale an die Sender 419. Die Sender 419 wiederum treiben die Arrayspalten 43 über Diplexer 430, um schmale Sendestrahlen in Richtung der gewünschten mobilen Benutzer zu bilden, wobei die Richtung durch die Frequenzen des Sendesignales bestimmt wird.
In der Rückwärtsverbindung werden die von mobilen Benutzern die Speisearrayspalten 43 erreichenden Aufwärtssignale über den Diplexer 430 zu den Empfängern 428 und dem den Empfangsstrahl formenden Netzwerk 417 gelenkt, das vom Betrieb her dem Sendenetzwerk 417 ähnlich ist. Das strahlformende Netzwerk 427 liefert den drei Zonen entsprechende Signale an Aufwärtswandler 424 - 426.
Ähnlich den Abwärtswandlern 417 - 416 des Empfangsabschnittes haben die Aufwärtswandler 424 - 426 auch jeweils ein unterschiedliches lokales Oszillatorsignal fd - ff, das ihnen so zugeführt wird, daß diese Bänder von Signalen, die dasselbe Frequenzspektrum im L-Band in den drei Zonen wiederverwenden, in drei in der Frequenz getrennten Bändern zu der Basisstation übertragen werden können. Die Bänder werden dann in dem Bandpaßfilter 421 - 423 aufweisenden Ausgangsmultiplexer kombiniert und in dem Ku-Bandsender zur Übertragung zu der Basisstation 10 verstärkt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Strahlbedeckung des mobilen Satellitensystemes für zwei verschiedene geographische Gebiete. Fig. 5 zeigt die von dem mobilen Satellitensystem zu bedienende geographische Region für ein atlantisches, maritimes mobiles System. Fig. 6 zeigt die Aufteilung der von einem an Land mobilen System zu bedienenden Vereinigten Staaten und Kanadas. In jedem Falle sind die Gebiete innerhalb der Zonen gezeigt, in die die Signale in dem unteren, dem mittleren und dem oberen Drittel des zugeordneten L-Band-Frequenzspektrums gerichtet werden, die mit fL, fM und fH bezeichnet sind. Diese Gebiete gelten sowohl für die Aufwärts- als auch für die Abwärtssendungen.
Die Basisstation 10 empfängt alle rücklaufenden Signale von den mobilen Benutzern über den Satelliten 13 und verbindet danach diese mobilen Benutzer durch Landleitungen 16 über ein Netzwerk von Fernsprechämtern mit festen Benutzern.
Die Figuren 7 und 8 zeigen in größerem Detail die strahlformenden Netzwerke 417 und 427 des Subsystemes 40. Die strahlformenden Netzwerke 417 und 427 sind in Betrieb und Konstruktion ähnlich und arbeiten auf die gleiche Weise, mit der Ausnahme, daß das Netzwerk 417 im Sendemodus und das Netzwerk 427 im Empfangsmodus arbeitet. Das Netzwerk 417 wird nun beschrieben, und es ist zu verstehen, daß das Netzwerk 427 auf gleiche Weise arbeitet.
Das Netzwerk 417 umfaßt eine Vielzahl von Kopplern 510, die auf abwechselnde Weise mit Zeitverzögerungseinheiten 512 in einer Vielzahl von Zonen (1, 2 und 3) verbunden sind. Die Zeitverzögerungseinheiten 512 sind Allpaßfilter 512, die Resonatoren 513 in den Armen der Einheit 512 beinhalten. Diese Zeitverzögerungseinheiten 512 sorgen für die gewünschte Verzögerung in den Signalen ohne einen frequenzabhängigen Verlust einzufügen.
Additionsschaltungen oder Summierer 514 empfangen Signale von jeder der Zonen (1, 2 und 3) über Koppler 510 und sind so angeordnet, daß sie Ausgangssignale liefern, die gleiche Teile der drei Zonensignale sind. Die Ausgangssignale der Summierer 514 sind die Eingangssignale zu Sendern 419 (Fig. 4). Die Anzahl von Sendern 419 hängt von der Zahl von Spalten in dem L-Band- Array 43 ab.
Die strahlformenden Netzwerke 417 und 427 können vorteilhafterweise unter Verwendung der koaxialen Rechteckleitertechnologie erzeugt werden, wie sie in dem US-Patent Nr. 4,539,534 mit dem Titel "Square Conductor Coaxial Coupler" beschrieben wurde, das auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Durch die Verwendung dieser abwechselnden Koppler-Zeitverzögerungseinheiten in den strahlformenden Netzwerken (417 und 427) wird dementsprechend ein kompaktes, strahlformendes Netzwerk mit geringem Verlust bereitgestellt, das ideal für eine schmalbandige Anwendung geeignet ist. Diese Art von strahlformendem Netzwerk trägt zu dem geringen Gewicht und dem hohen Wirkungsgrad des Kommunikationssubsystemes 50 bei.
Fig. 9 zeigt im Wege einer Illustration schematisch ein Speisearray mit 12 Spalten von Speiseeinheiten, die durch einen Abstand d voneinander getrennt sind, was 12 Sender erfordern würde. Die strahlformenden Netzwerke 417 und 427 richten die Antennenstrahlen des Speisearrays 43 in eine Richtung, die durch das Signal frequenzbestimmt ist, wobei die inkrementale Phasenverschiebung der Zeitverzögerung zwischen Spalten sowie der Signalfrequenz zugeordnet ist.
Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung Spalten eines Arrays 43, wobei d gleich dem Abstand zwischen den Spalten des Arrays 43 ist. Der sich ergebende Antennenstrahl hat einen Winkelversatz von θ, wobei θ als der Strahlabtastwinkel definiert ist. Dies bedeutet, daß θ der Strahlabtastwinkel zu der Normalen des Sendearrays ist. Die inkrementale Phasenverschiebung, die durch die Zeitverzögerungseinheit 512 erzeugt wird, beträgt ΔT. Die Beziehung zwischen ΔT und θ ist gegeben durch:
Δφ = 2πΔfΔT = sin θ
wobei gilt:
λ = Signalwellenlänge θ = Strahlabtastwinkel d = Abstand zwischen Arrayelementen.
Die Beziehung dieser drei verschiedenen Faktoren sorgt für die Frequenzadressierbarkeit der Strahlen und ist gegeben durch:
sin θ = λ/d Δf ΔT,
wobei der Term Δf die Frequenz relativ zu der Frequenz ist, bei der der Abtastwinkel gleich Null ist. Die für die Abwärtsverbindung zu jeder mobilen Anschlußstelle verwendete Signalfrequenz wird so gewählt, daß der Strahl zu der Anschlußstelle gerichtet wird, wodurch sein Gewinn und die Arbeitsweise der Verbindung maximiert werden. Der Abtastwinkel des zu der mobilen Anschlußstelle abgestrahlten zweiten Strahles ist der oben definierte Winkel geteilt durch den Verstärkungsfaktor der konfokalen Reflektoren aus Fig. 2.
Die Aufwärtsverbindungssendung von den mobilen Benutzern zu dem Satelliten 13 wird von demselben Antennensubsystem 40 empfangen, wie es für die Abwärtsendungen mittels der Diplexer 430 verwendet wird. Die von jeder mobilen Anschlußstelle verwendete Aufwärtsfrequenz wird durch deren (geographische) Länge bestimmt, so daß von der Satellitenantenne der maximale Aufwärtsgewinn verfügbar ist. Diese empfangenen Signale werden dann nach unten zu der Basisstation übertragen, wie es vorgehend beschrieben wurde.
Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung ist zu sehen, daß das Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Satellitenkommunikationssystem für mobile Benutzer schafft. Die vorliegende Erfindung schafft Vorteile, die wie oben beschrieben den Wirkungsgrad des Satellitensystemes verbessern, indem für hohen Gewinn, adressierbare Strahlen und Frequenzwiederverwendung gesorgt wird.

Claims

1. Satellitenkommunikationssystem für mobile Benutzer, mit

- einer Vielzahl von mobilen Anschlußstellen, die innerhalb eines geographischen Gebietes angeordnet sind,

- einem in Sicht des geographischen Gebietes angeordneten Satelliten (13), um Signale von der Vielzahl von mobilen Anschlußstellen zu empfangen und Signale zu der Vielzahl von mobilen Anschlußstellen zu senden, wobei der Satellit (13) Mittel umfaßt, um in der Frequenz addressierbare Abwärtssignale zu den mobilen Anschlußstellen zu liefern,

- einer Basisstation (10), um Signale zu dem Satelliten (13) zu senden und Signale von dem Satelliten (13) zu empfangen,

- einer Vielzahl von festen Anschlußstellen, die an die Basisstation (10) gekoppelt sind, wobei die Basisstation (10) die festen Anschlußstellen über den Satelliten (13) mit den geeigneten mobilen Anschlußstellen verbindet, wobei

- der Satellit (13) Mittel enthält, um in der Frequenz adressierbare Aufwärtssignale in dem Übertragungspfad von den mobilen Anschlußstellen zu dem Satelliten (13) bereitzustellen,

- wenigstens einem strahlformendem Netzwerk (417; 427) mit einer Vielzahl von Leitungen,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine aus der Vielzahl von Leitungen eine alternierende Reihe von Kopplern (510) und Zeitverzögerungsschaltungen (512) umfaßt, und daß jede der Zeitverzögerungsschaltungen (510) ein Allpaßfilter umfaßt, das Resonatormittel (513) aufweist, wobei jede der Zeitverzögerungsschaltungen (512) das Signal verzögert, um es zu ermöglichen, daß der Strahlabtastwinkel geeignet der Signalfrequenz zugeordnet ist.

2. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Netzwerk (417) ein strahlformendes Netzwerk in einer Vorwärtsverbindung ist, mit:

(2.1) einer Vielzahl von Leitungen, wobei jede dieser Leitungen mit einem entsprechenden Ausgang von der Vielzahl von Wandlermitteln (414, 415, 416) verbunden ist,

(2.2) wobei jede aus der Vielzahl von Leitungen ein Signal enthält, das dazu vorgesehen ist, zu einer aus einer Vielzahl von Zonen innerhalb des geographischen Gebietes gesendet zu werden,

(2.3) einer Vielzahl von Additionsschaltungen (514), wobei jede der Additionsschaltungen (514) an wenigstens zwei Leitungen gekoppelt ist, um von diesen Signale zu empfangen und ein Ausgangssignal zu liefern, das eine Wiedergabe dieser Signale ist.

3. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Netzwerk (427) ein strahlformendes Netzwerk in einer Rückwärtsverbindung ist, mit:

(3.1) einer Vielzahl von Mitteln, um die Signale in Zonenstellen aufzuspalten, wobei jedes aus der Vielzahl von signaleaufspaltenden Mitteln Signale von jedem der Empfangsmittel (428) empfängt,

(3.2) wobei jedes der signaleaufspaltenden Mittel repräsentative Teile des Signales an den Koppler (512) an den entsprechenden Zonenstellen des Netzwerkes liefert.

4. Satellitenkommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Satellit (13) Mittel zum Wandeln zwischen einem ersten Bereich von Frequenzen und einem zweiten Bereich von Frequenzen umfaßt,

- die Basisstation (10) in dem ersten Bereich von Frequenzen Signale zu dem Satelliten (13) sendet und von diesem empfängt,

- die Vielzahl von mobilen Anschlußstellen in dem zweiten Bereich von Frequenzen Signale von dem Satelliten (13) empfängt und zu diesem aussendet.

5. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich von Frequenzen einen höheren Wert aufweist als der zweite Bereich von Frequenzen.

6. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich von Frequenzen in dem Frequenzbereich des Ku-Bandes liegt.

7. Satellitenkommunikationssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich von Frequenzen innerhalb des Frequenzbereiches des C-Bandes liegt.

8. Satellitenkommunikationssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich von Frequenzen innerhalb des Frequenzbereich des L-Bandes liegt.

9. Satellitenkommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von mobilen Anschlußstellen Mittel umfaßt, um in der Frequenz adressierbare Strahlungskeulen an den Satelliten (13) zu liefern.

10. Satellitenkommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- eine Vorwärtsverbindung und eine Rückwärtsverbindung, wobei die Vorwärtsverbindung Signale von der Basisstation (10) mit den mobilen Anschlußstellen verbindet und die Rückwärtsverbindung Signale von den mobilen Anschlußstellen mit der Basisstation (10) verbindet,

(10.1) wobei die Vorwärtsverbindung in dem Satellitenkommunikationssystem umfaßt:

(10.1.1) eine erste Antenne (47), um Signale in einem ersten Frequenzbereich zu empfangen und auszusenden,

(10.1.2) erste Diplexermittel (46), die an die erste Antenne (47) gekoppelt sind, um dessen Sende- und Empfangspfad zu trennen,

(10.1.3) einen Empfangsabschnitt (41), der an den Empfangspfad gekoppelt ist, wobei der Empfangsabschnitt aufweist:

(10.1.3.1) erste Filtermittel (411, 412, 413), um die von der ersten Antenne (47) empfangenen Signale zu filtern,

(10.1.3.2) ersteWandlermittel (414, 415, 416), die an die ersten Filtermittel (411, 412, 413) gekoppelt sind, um die von diesen empfangenen Signale in einen zweiten Bereich von Frequenzen zu wandeln,

(10.1.3.3) ein erstes strahlformendes Netzwerk (417), das an die Signale von den ersten Wandlermitteln (414, 415, 416) gekoppelt ist,

(10.1.3.4) erste Sendemittel (419), die an das erste strahlformende Netzwerk (417) gekoppelt sind, um die Signale von dem ersten strahlformenden Netzwerk (417) auszusenden,

(10.1.4) zweite Diplexermittel (430), die an die Vielzahl von Sendemitteln (419) gekoppelt sind,

(10.1.5) eine Arrayantenne, die über die zweiten Diplexermittel (430) an die Sendemittel (419) gekoppelt ist, um die Signale in dem zweiten Bereich von Frequenzen auszusenden,

(10.2) wobei die Rückwärtsverbindung in dem Satellitenkommunikationssystem umfaßt:

(10.2.1) eine Vielzahl von Empfängern (428), die an die zweiten Diplexermittel (430) des Antennenarrays gekoppelt sind, um in dem zweiten Bereich von Frequenzen Signale von den mobilen Benutzern zu empfangen,

(10.2.2) ein zweites strahlformendes Netzwerk (427), das auf Signale von der Vielzahl von Empfängern (428) anspricht, um Signale in dem zweiten Bereich von Frequenzen zu liefern,

(10.2.3) zweite Wandlermittel (424, 425, 426), die an das zweite strahlformende Netzwerk (427) gekoppelt sind, um die davon empfangenen Signale in den ersten Bereich von Frequenzen zu wandeln,

(10.2.4) zweite Filtermittel (421, 422, 423) , um die Signale von den zweiten Wandlermitteln (424, 425, 426) zu empfangen, und

(10.2.5) Mittel, die an die zweiten Filtermittel (421, 422, 423) gekoppelt sind, um über die ersten Diplexermittel (46) in dem ersten Bereich von Frequenzen Signale zu der ersten Antenne (47) zu liefern.

11. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wandlermittel (414, 415, 416) weiter Mittel umfassen, um den ersten Bereich von Frequenzen, der mehrere Unterbänder enthält, durch Verwendung von mehreren lokalen Oszillatorfrequenzen in einen einzigen L-Band-Bereich zu wandeln.

12. Satellitenkommunikationssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Wandlermittel (424, 425, 426) Mittel umfassen, um den einzigen L-Band-Bereich in mehrere erste Bereiche zu wandeln, indem mehrere lokale Oszillatorfrequenzen verwendet werden.

13. Satellitenkom+munikationssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (411, 412, 413) und/oder zweiten (421, 422, 423) Filtermittel Vielzahlen von Bandpaßfiltern sind.

14. Satellitenkommunikationssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wandlermittel (414, 415, 416) eine Vielzahl von Abwärtswandlern umfassen und die zweiten Wandlermittel (424, 425, 426) eine Vielzahl von Aufwärtswandlern umfassen.