DE69920856T2 - Umkonfigurierbarer Satellit mit veränderbarer Antennenbedeckung und Kommunikations-Überlagerungsfähigkeiten - Google Patents

Umkonfigurierbarer Satellit mit veränderbarer Antennenbedeckung und Kommunikations-Überlagerungsfähigkeiten Download PDF

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Description

  • Diese Anmeldung ist verbunden mit dem europäischen Patent EP 1 014 483 B1 , das den Titel „A Rotatable Scannable Reconfigurable Shaped Reflector With a Movable Feed System" trägt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Weltraum- und Kommunikationssatelliten und insbesondere eine rekonfigurierbare Nutzlast für einen Satelliten, so dass sie viele Nutzlasten simulieren könnte, um Sicherungsdienste für viele verschiedene Satelliten vorzusehen oder um als flexibler, selbstständiger Satellit verwendet zu werden.
  • Betreiber von Satelittenflotten hängen von einem kontinuierlichen Dienst eines Satelliten ab, um einen kontinuierlichen Dienst für Satellitenbenutzer aufrechtzuerhalten. Für den Fall eines Satellitenausfalls bzw. einer Satellitenstörung ist ein Sicherungsdienst erforderlich, um für die Benutzer eine länger andauernde Unannehmlichkeit zu vermeiden oder um dem Risiko aus dem Weg zu gehen, Benutzer an einen Wettbewerber zu verlieren, bevor ein Sicherungssatellit bestellt, gebaut und gestartet werden kann.
  • Bei vielen Anwendungen ist ein Frequenzplan und eine Überdeckung eines Satelliten einzigartig. In einigen Fällen hat der Satellitenkäufer vorab keine Kenntnis über seine Kunden. Deshalb ermöglicht ein rekonfigurierbarer Satellit eine Flexibilität innerhalb einer Umlaufbahn. Falls sich eine Kundenbasis ändert, während der Satellit sich in einer Umlaufbahn befindet, kann er rekonfiguriert werden, um einen Dienst vorzusehen. In der Situation eines Bereitstellens von Sicherungsdiensten würde ein einziger Ersatzsatellit für jeden Satelliten in einer Satellitenflotte erforderlich sein.
  • Ein Sicherungssatellit mit der Fähigkeit, rekonfiguriert zu werden, würde die teure Option eines einzigen Ersatzes umgehen. Ein Satellit mit einer Kommunikationsnutzlast, die im Weltraum derart rekonfiguriert werden kann, dass sie verschiedene Nutzlasten mit verschiedenen Frequenzplänen und Antennenüberdeckungen simuliert, würde es einem einzigen Satelliten ermöglichen, Sicherungsdienste für viele verschiedene Satelliten bereitzustellen. Zusätzlich würde es eine rekonfigurierbare Nutzlast einem Satellitenflottenbetreiber ermöglichen, relativ schnell einen Austauschsatelliten für den Fall eines Satellitenversagens bereitzustellen.
  • Ein Satellit mit einer Kommunikationsnutzlast, die im Weltraum derart rekonfiguriert werden kann, dass sie verschiedene Nutzlasten mit verschiedenen Frequenzplänen und Antennenüberdeckungen simuliert, würde es einem einzigen Satelliten ermöglichen, vielen verschiedenen Kunden über die Lebenszeit des Satelliten Dienste bereitzustellen. Eine rekonfigurierbare Last würde es einem Satellitenflottenbetreiber ermöglichen, flexibel zu sein, während sich ein Satellit in einer Umlaufbahn befindet. Dies ermöglicht es dem Betreiber, sich einen rekonfigurierbaren Satelliten zu beschaffen und zu bauen, obwohl er Satelliten an verschiedene Kunden vertreibt. Das Ergebnis ist ein Satellit, der schneller für den Weltraum fertig ist und eher zum Bereitstellen von Diensten fertig ist.
  • Die EP 0 845 833 mit dem Titel „On-orbit reconfigurability of a shaped reflector with feed/reflector defocussing and reflector gimballing" offenbart ein System und ein Verfahren zum Ändern der Strahlungscharakteristik einer Antennenanordnung eines Satelliten in einer Umlaufbahn. Die Antennenanordnung umfasst eine Reflektorantenne, die durch eine Einspeiseanordnung gespeist wird. Die Reflektorantenne überträgt und empfängt Signale innerhalb einer Strahlungscharakteristik. Die Reflektorantenne und die Einspeiseanordnung sind derart an einem Gleitmechanismus beweglich befestigt, dass sie in Bezug aufeinander verschoben werden können. Die Verschiebung bewirkt eine Defokussierung, da die Reflektorantenne aus dem Brennpunkt verschoben wird. Die Defokussierung bewirkt, dass die Strahlungscharakteristik kompakter und breiter wird. Somit könnte die Strahlungscharakteristik des mit einer einzigen Reflektorantenne und einem einzigen Einspeiselement versehenen Satelliten geändert werden, während bzw. obwohl sich der Satellit in einer Umlaufbahn befindet.
  • Die EP 0 854 590 mit dem Titel „Analog processor for digital satellites" offenbart einen Analogprozessor zur Verwendung bei digitalen Satelliten. Dieser analoge Vorprozessor umfasst einen digitalen regenerativen Wiederholer, einschließlich zumindest einer Antenne mit einer Vielzahl von Empfangselementen, einen Strahlformer zum Modifizieren der Eigenschaften der Sig nale der Empfangselemente auf eine beliebige Weise, Empfänger und eine Abwärtswandlungsstufe, die mit einer NxM-Schaltmatrix kompatibel ist. In der NxM-Schaltmatrix kann jeder Eingang an irgendeinen von M Ausgängen geleitet werden. Die Schaltmatrix ist konfiguriert, und kann rekonfiguriert werden, um die eingehenden Strahlen in Abhängigkeit von der Anzahl von Trägern (d.h. der Bandbreite) des eingehenden Aufwärtssignals, das zu verarbeiten ist, an die erforderliche Anzahl von Subband-Verarbeitungsketten zu leiten.
  • Jede Subband-Verarbeitungskette besteht aus einem Abwärtswandler oder einer Mischeinrichtung, einem variablen lokalen Oszillator (VLO) und einem Bandpassfilter (BPF). Die Mischeinrichtung nimmt einen der Aufwärtsstrahlen des NxM-Schalters und ein auswählbares Frequenzumsetzungssignal eines variablen, lokalen Oszillators als Eingänge. Das Frequenzumsetzungssignal des VLO wird vorzugsweise mittels des analogen Vorprozessors erzeugt, könnte jedoch auch von einer externen Quelle stammen, oder könnte aus einem Satz fester, lokaler Oszillatoren ausgewählt sein, die dem analogen Vorprozessor entweder intern oder extern zugeführt werden.
  • Die Subband-Verarbeitungsketten extrahieren oder teilen einen Teil des eingehenden RF-Aufwärtsspektrums. Um dieses funktionelle Ergebnis zu erhalten, muss das Frequenzumsetzungssignal über die Bandbreite der eingehenden RF-Signale des VLO auswählbar oder programmierbar sein. Die Frequenz des VLO wird ausgewählt, um die gewünschten Träger (Subband) in das Durchlassband der nachfolgenden Bandpassfilter zu bringen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Kommunikationsnutzlast dar, die im Weltraum derart rekonfiguriert werden kann, dass sie viele Nutzlasten mit verschiedenen Frequenzplänen und Antennenüberdeckungen simuliert. Die Kombination eines flexiblen Antennensystems mit einem agilen Wiederholer, der verschiedene Aufwärts- und Abwärtsfrequenzpläne handhaben kann, ermöglicht eine rekonfigurierbare Nutzlast.
  • Drei Technologien werden kombiniert, um eine rekonfigurierbare Nutzlast für einen Satelliten zu bilden; ein flexibles Überdeckungsmuster, eine variable Abwärtswandlertechnologie und ausreichend über die Abwärtsbandbreite gefilterte Signale. Von jeder dieser drei Technologien gibt es mehrere Abwandlungen, wobei jede mit der anderen kombinierbar ist.
  • Ein flexibles Überdeckungsmuster kann mittels jeder der folgenden Verfahren bereitgestellt werden: eine Doppelspiegelantennen-Konfiguration, die lenkbar, drehbar und/oder defokussierbar als selbständige Antenne oder als Teil einer Antennenfarm verwendet wird, eine einzelne Reflektorantennenkonfiguration, die lenkbar, drehbar und/oder defokussierbar als selbständige Antenne oder in einer Antennenfarm verwendet wird, oder eine rekonfigurierbare, phasengesteuerte Antennenanordnung, die entweder direkt strahlt oder reflektiert, und zwar entweder ein duales oder ein einzelnes Antennensystem.
  • Die variable Abwärtswandlertechnologie kann durch jegliche Mittel vorgesehen werden. Es ist möglich, Abwärtswandler zu verwenden, die entweder lokale oder externe Oszillatoren aufweisen. Die Frequenz wird entweder durch einen Frequenzsynthesizer oder durch Schalten zwischen mehreren festen Oszillatoren verschiedener Frequenzen erzeugt. Eine weitere Frequenzauswahlalternative stellen Gruppen schaltbarer Abwärtswandler dar, die feste Oszillatoren verwenden.
  • Über der Abwärtsbandbreite können Kanäle ausreichend unter Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Eingangsmultiplex(IMUX-)Filtern gefiltert werden, um jeden Kanal des potentiellen Empfangsspektrums zu kanalisieren. Zusätzlich wird auch eine ausreichende Anzahl von Ausgangsmultiplex-(OMUX-)Filtern verwendet, um jeden Kanal des potentiellen Übertragungsspektrums zu kanalisieren. Eine ausreichende Anzahl von Schaltern wird verwendet, um mit einem Verfahren eines Leitens von Kanälen zwischen IMUX-Filtern, OMUX-Filtern, Schaltern und Hochleistungsverstärkern auf IMUX- und OMUX-Filter zuzugreifen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Sicherungsvermögen von Satellitensystemen zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Satellitennutzlast zu schaffen, die rekonfiguriert werden kann, um die Nutzlast von vielen verschiedenen Satelliten zu simulieren, wodurch Sicherungsfähigkeiten verbessert werden, ohne die aus Kostengründen untersagte Option individueller Sicherungssatelliten.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Antennenkonfiguration, einen wählbaren Aufwärts- und Abwärtsfrequenzplan und ein kanalisiertes Filtersystem zu schaffen, um rekonfigurierbare Nutzlastfähigkeiten für einen Satelliten zur Verfügung zu haben.
  • Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klar werden, wenn sie im Lichte der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüchen betrachtet werden.
  • 1A stellt ein Beispiel eines Überdeckungsmusters für vier Ku-Band-Antennen auf einem rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung dar;
  • 1B stellt ein Beispiel eines anderen Überdeckungsmusters für vier Ku-Band-Antennen auf dem rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung dar;
  • 1C stellt ein Beispiel eines anderen Überdeckungsmusters für vier Ku-Band-Antennen auf dem rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung dar;
  • 2 stellt ein Blockdiagramm einer einzelnen Wandlermischeinrichtung mit einem festen Oszillator dar;
  • 3 stellt ein Blockdiagramm von Mehrfachabwärtswandlern für auswählbare Abwärtswandelungsfrequenzen dar;
  • 4 stellt ein Blockdiagramm für eine auswählbare Abwärtswandlungsfrequenz unter Verwendung von mehrerer, geschalteter Oszillatoren dar;
  • 5 stellt ein Blockdiagramm von mehreren festen Oszillatoren in einer Doppelwandlungskonfiguration dar;
  • 6 stellt ein Blockdiagramm von Mehrfachoszillatoren dar, um variable Aufwärts- und Abwärtswandlungsfrequenzen mit einer gemeinsamen IF zu handhaben;
  • 7 stellt ein Blockdiagramm einer Doppelwandlungs-Synthesizertopologie mit einer gemeinsamen IF dar; und
  • 8 stellt ein Blockdiagramm einer rekonfigurierbaren Nutzlast dar.
  • Drei separate Technologien werden in einem Raumflugkörper verwendet, um es einer Kommunikationsnutzlast eines Satelliten zu ermöglichen, im Weltraum derart rekonfiguriert zu werden, dass sie viele Nutzlasten mit verschiedenen Frequenzplänen und Antennenüberdeckungen simulieren kann, um Sicherungsdienste für ausgefallene Satelliten vorzusehen. Eine flexible Antennenüberdeckung, eine variable Abwärtswandlertechnologie und Kanäle, die ausreichend über die Abwärtsbandbreite gefiltert sind, sind gemeinsam in Kombination notwendig, um eine Rekonfiguration des Satelliten im Weltraum zu erreichen.
  • Ein typischer, nicht-rekonfigurierbarer Raumflugkörper weist eine „geformte" („shaped") Antennenüberdeckung auf. Um am Boden das stärkste empfangene Signal zu erzeugen, überträgt ein geformtes Überdeckungsmuster die maximale Menge der zur Verfügung stehenden Energie an das gewünschte Überdeckungsgebiet und die minimale Energiemenge an unerwünschte Gebiete. Beispielsweise könnte ein englischsprachiges Direkt-nach-Hause-Satellitensystem ("direct-to-home satellite system") an die Vereinigten Staaten und Kanada senden, während es nicht an angrenzende Meeresregionen und Mexiko überträgt.
  • Die Form des gewünschten Überdeckungsmusters variiert von Satellit zu Satellit. Ein Strahl, der die Vereinigten Staaten überdeckt, weicht signifikant von einem Strahl ab, der Japan oder Europa überdeckt. Selbst zwei Satelliten, die die gleichen Gebiete überdecken, könnten verschieden geformte Strahlen erfordern, falls sie sich an zwei verschiedenen orbitalen Orten befinden.
  • Damit ein rekonfigurierbarer Satellit flexibel sein kann und eine Vielfalt von Satelliten simulieren kann, muss der Satellit seine Überdeckungsmuster im Orbit ändern können. Bei einer rekonfigurierbaren Raumflugkörperkonstruktion ist eine Breitband-flexible Antennenüberdeckung erforderlich. Die Breitbandnatur der Antenne ist erforderlich, so dass die gleichen Antennen jede der gewünschten Aufwärts- und Abwärtsfrequenzen empfangen oder übertragen könnten. Bis zu dem Grad, bei dem die Antennen nicht ausreichend breitbandig sind, werden zusätzliche Antennen erforderlich sein, (d.h. separate Übertragungs- und Empfangsantennen). Jedoch sind mit zusätzlichen Antennen eine signifikante Gewichtserhöhung und, deshalb, Kosten verbunden.
  • Es gibt verschiedene, käuflich erhältliche Technologien, um dieses Ziel zu erreichen. Zum Beispiel können ausrichtbare, drehbare und defokussierbare Antennen, die an der Nadir-, oder zur Erde gerichteten, Seite des Raumflugkörpers befestigt sind, gedreht, ausgerichtet und defokussiert werden, um eine Überdeckung für jedes gewünschte Gebiet vorzusehen.
  • 1A bis 1C stellen Beispiele von drei solchen Überdeckungsmustern für vier Ku-Band-Antennen dar. Es gilt festzustellen, dass, während eine Ku-Band-Antennenüberdeckung gezeigt ist, diese lediglich zum Zwecke eines Beispiels dient und die vorliegende Erfindung genauso gut bei einem C-Band- und einem Ka-Band-Betrieb angewendet werden kann. 1A stellt die Region des atlantische Ozeans (AOR) einschließlich der Vereinigten Staaten, Mexiko, nördliches Südamerika, südliches Südamerika und Europa dar. 1B stellt die Region des indischen Ozeans (IOR) einschließlich Europa und dem Mittleren Osten, Indien, Asien und Südafrika dar. 1C stellt die Region des pazifischen Ozeans (POR) einschließlich Nordostasien, Südostasien, Australien und den Vereinigten Staaten dar. Dies sind Beispiele der verschieden geformten Antennenmuster in einer Satellitenflotte.
  • Andere Technologien könnten verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Zum Beispiel sind rekonfigurierbare phasengesteuerte Antennenanordnungen oder lenkbare Punktstrahler oder eine Kombination allgemein bekannte Antennentechnologien, die ihre Überdeckungsmuster im Orbit ändern können. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt es sechs (6) Antennen in dem System. Zwei arbeiten mit dem C-Band und vier arbeiten mit dem Ku-Band. Alle Antennen sind Gregorianische Doppelspiegelantennen mit einem drehbaren Hauptreflektor. Die vier Ku-Band-Antennen verwenden ebenfalls eine Einspeisungsdefokussierung, die eine Strahlformänderung im Orbit vereinfacht. Es ist die Funktion des Antennensystems, Strahlen zu erzeugen, die die vielen verschiedenen Gebiete überdecken, die von existierenden Satelliten in einer Satellitenflotte überdeckt werden, wie z.B. die drei ozeanischen Regionen, die in 1A bis 1C gezeigt sind.
  • Eine rekonfigurierbare Nutzlast könnte durch Kombinieren eines flexiblen Antennenüberdeckungs-Technologietyps mit variablen Aufwärts- und Abwärtsfrequenztechnologien und ausreichenden Filtertechnologien realisiert werden.
  • Eine variable Abwärtswandlertechnologie macht den nächsten Teil der vorliegenden Erfindung aus. Die Frequenz, bei der ein Signal an einen Satelliten übertragen wird, ist die sog. Aufwärtsfrequenz. Die Frequenz, bei der das Signal zurück nach unten zum Boden gesendet wird, wird als Abwärtsfrequenz bezeichnet. Die Aufwärtsfrequenz und die Abwärtsfrequenz müssen verschieden voneinander sein, um eine Interferenz miteinander zu verhindern. Der Vorgang einer Signaländerung von der Aufwärtsfrequenz zu der entsprechenden Abwärtsfrequenz ist als Abwärtswandlung bekannt. Dies ist so, da die Aufwärtsfrequenz im Allgemeinen höher als die Abwärtsfrequenz ist. Und aus offensichtlichen Gründen wird in Fällen, bei denen die Aufwärtsfrequenz niedriger als die Abwärtsfrequenz ist, der Vorgang Aufwärtswandlung genannt.
  • Aufwärtswandler und Abwärtswandler verwenden eine analoge Technologie, die als Mischeinrichtung bekannt ist. Eine Mischeinrichtung nimmt die Eingabe zweier Spannungssignale und gibt ihr Produkt aus. Um ein Signal abwärts (oder aufwärts) zu wandeln, wird die Mischeinrichtung durch das Aufwärtssignal und einen Oszillator gespeist, der bei einer Frequenz betrieblich ist, die gleich der Differenz zwischen der Aufwärtsfrequenz und der Abwärtsfrequenz ist. Die Mischeinrichtung gibt das Produkt der Frequenzen aus, das gleich zu der gewünschten Abwärtsfrequenz ist.
  • Ein Beispiel einer einzelnen Wandlungsmischeinrichtung mit einem festen Oszillator ist in 2 gezeigt. Das Aufwärtssignal weist eine Frequenz f1 auf. Das Abwärtssignal weist eine Frequenz f2 auf. Ein Oszillator ist bei einer Frequenz betrieblich, die, wenn sie mit dem Aufwärtssignal gemischt wird, ein Abwärtssignal f2 erzeugt. Satelliten verwenden einen breiten Bereich von Oszillatorfrequenzen, um eine Aufwärtswandlung und eine Abwärtswandlung durchzuführen. Deshalb muss ein Satellit, der versucht, den Betrieb von existierenden oder zukünftigen Satelliten zu simulieren, in der Lage sein, die Frequenzen der Oszillatoren zu simulieren, die sich an Bord irgendeines Satelliten von vielen Satelliten befinden.
  • Auf einem Satelliten befindet sich üblicherweise die Vorrichtung, die die Mischeinrichtung beinhaltet, innerhalb eines Behälters, der entweder als Abwärtswandler oder, falls sich auch ein rauscharmer Verstärker innerhalb des Behälters befindet, als Empfänger bekannt ist. In beiden Fällen könnte sich der Oszillator entweder innerhalb oder außerhalb des Behälters befinden. Wenn sich der Oszillator innerhalb des Behälters befindet, wird er als lokaler Oszillator bezeichnet. Lokale Oszillatoren werden üblicherweise erzeugt, indem Kristalle verwendet werden, die bei präzisen vorbestimmten Frequenzen betrieblich sind.
  • Verschiedene Technologien sind erhältlich, die eine Vielzahl von Frequenzen erzeugen. Ein Weg ist, zwischen einer Vielzahl von Aufwärts- und Abwärtswandlern zu schalten, und zwar jeder mit seinem eigenen lokalen Oszillator, oder einen Aufwärts- (oder Abwärts-)Wandler zu verwenden, der durch eine Vielfalt von schaltbaren Oszillatoren gespeist wird, von denen jeder bei einer anderen Frequenz betrieblich ist. Ein Beispiel dieser Anordnung ist in 3 gezeigt.
  • In 3 ist ein Aufwärtssignal mit einer Frequenz f1 gezeigt, ein Schalter S1, der zwischen einer ersten Mischeinrichtung M1 und einer zweiten Mischeinrichtung M2 wählt. Ein zweiter Schalter S2 wählt zwischen den Mischeinrichtungen M1 und M2 und gibt die gewünschte Abwärtsfrequenz aus. Jede der Mischeinrichtungen M1 und M2 ist mit einem unabhängigen Oszillator 10 und 12 verbunden, die feste Frequenzen aufweisen. Der erste Oszillator 10 ist mit der Mischeinrichtung M1 verbunden und ist bei einer Frequenz von f2-f1 betrieblich. Der zweite Oszillator 12 ist mit der zweiten Mischeinrichtung M2 verbunden und ist bei einer Frequenz f3-f1 betrieblich.
  • Abhängig davon, welcher Schaltweg gewählt ist, kann die Abwärtsfrequenz entweder als f2 oder f3 gewählt werden. Wenn der Schalter S1 gewählt ist, ist die Ausgabe der Mischeinrichtung die Abwärtsfrequenz f2, und wenn der Schalter S2 gewählt ist, ist die Ausgabe der Mischeinrichtung die Abwärtsfrequenz f3. Offensichtlich hängt die Komplexität des Schaltsystems von der Anzahl der Schalter, Mischeinrichtungen und Oszillatoren ab und kann ggf. modifiziert werden.
  • Ein alternatives Verfahren ist, einen Abwärtswandler (oder Aufwärtswandler) zu verwenden, der durch eine Vielfalt von schaltbaren Oszillatoren gespeist wird, wobei jeder bei einer anderen Frequenz betrieblich ist. Ein Beispiel dieser Anordnung ist in 4 gezeigt. Das Aufwärtssignal ist bei einer Frequenz f1 betrieblich und wird in eine Mischeinrichtung M1 eingespeist, die das Abwärtssignal erzeugt. Ein Schalter S1 ermög licht es, aus vielen Oszillatoren gewünschte Frequenzen auszuwählen. In dem Beispiel der 4 sind zwei unabhängige Oszillatoren 12 und 14 gezeigt, wobei jeder bei einer anderen Frequenz betrieblich ist. Der Oszillator 12 ist bei einer Frequenz f2-f1 betrieblich, und der Oszillator 14 ist bei einer Frequenz f3-f1 betrieblich. Deshalb wird abhängig davon, welcher Oszillator durch den Schalter S1 gewählt ist und mit einer Aufwärtsfrequenz f1 in der Mischeinrichtung M1 gemischt wird, die Abwärtsfrequenz f2 oder f3 sein. Es ist verständlich, dass eine beliebige Anzahl von Oszillatoren eingesetzt werden könnte.
  • Bei der in 4 gezeigten Konfiguration können die unerwünschten Inbandsignale die Qualität des Kommunikationssignals degradieren. Ein unerwünschtes Signal, das auch als Spitze („spur") bezeichnet wird, ist ein unerwünschter Ton, der durch die nicht-linearen Eigenschaften erzeugt wird, die Mischeinrichtungen inherent sind. Die Härte einer Spitze ist eine Funktion des Signals und der lokalen Oszillatorfrequenzen. Es gibt ein alternatives Verfahren, um abwärts zu wandeln, ohne die Nachteile von Spitzen. Eine Doppelwandlungskonstruktion eliminiert Spitzen, indem das Signal zuerst zu einer Zwischenfrequenz (IF) abwärtsgewandelt wird und anschließend eine zweite Wandlung zu der gewünschten Abwärtsfrequenz durchgeführt wird.
  • Die Ausgabe der Mischeinrichtung stellt ein Produkt von Frequenzen dar, das auch ein Produkt von Oberwellen solcher Frequenzen umfasst. Diese Oberwellen, oder Spitzen, könnten frequenzmäßig nahe dem gewünschten Signal sein, was es schwierig macht, die unerwünschten Frequenzen herauszufiltern. Ein vorsichtiges Auswählen einer Zwischenfrequenz wird eine Interferenz von potentiellen Oberwellen der Summen und Differenzen der empfangenen und lokalen Oszillatorsignale verhindern, die dem gewünschten Abwärtssignal nahe sind.
  • 5 stellt ein Blockdiagramm eines Abwärtswandlers mit mehreren festen Oszillatoren in einer Doppelwandlungskonfiguration dar, um verschiedene Abwärtsfrequenzen von demselben Abwärtswandler ohne potentielle Spitzen zu wählen, indem eine Zwischenfrequenz (IF) verwendet wird. Die Anordnung ist ähnlich zu der, die in 4 gezeigt ist. Jedoch gibt es zusätzlich eine Mischeinrichtung M2 und einen Oszillator 16, der bei einer Frequenz arbeitet, die, wenn sie mit der Aufwärtsfrequenz f1 gemischt wird, eine vorbestimmte Zwischenfrequenz (IF) ausgeben wird. Die Zwischenfrequenz (IF) wird mit dem Signal entweder des Oszillators 12 mit einer Frequenz von f2-IF oder des Oszillators 14 mit einer Frequenz von f3-If gemischt, um entweder die Abwärtsfrequenz f2 oder f3 auszugeben.
  • Bei einigen Anwendungen ist es notwendig, verschiedene Aufwärts- und Abwärtsfrequenzen mit dem gleichen Abwärtswandler zu handhaben. Die Doppelwandlungsanordnung könnte derart modifiziert werden, dass die Oszillatoren, die mit dem Aufwärtssignal mischen, ebenfalls variieren können. 6 stellt ein Beispiel von mehreren Oszillatoren dar, um variable Aufwärts- und Abwärtswandlungsfrequenzen mit einer gemeinsamen Zwischenfrequenz zu handhaben. Das Aufwärtssignal weist eine variable Frequenz f1 oder f2 auf. Das Aufwärtssignal wird mittels einer Mischeinrichtung M1 mit einer Zwischenfrequenz (IF) gemischt, die von einen von zwei Oszillatoren 18 oder 20 und von einem Schalter S1, um zwischen den Oszillatoren 18 und 20 zu wählen, eingespeist wird. Das Aufwärtssignal wird anschließend zu der Zwischenfrequenz (IF) gewandelt. Eine weitere Mischeinrichtung M2 mischt die Zwischenfrequenz (IF) mit einem Signal aus einer Vielzahl von Oszillatoren 22 und 24, die mittels eines Schalters S2 wählbar sind. Hei dem in 6 gezeigten Beispiel sind die Oszillatoren 22 und 24 bei Frequenzen f3-IF bzw. f4-IF betrieblich. Das Ergebnis ist ein variables Abwärtssignal, das in dem gezeigten Beispiel entweder f3 oder f4 ist. Während lediglich vier Oszillatoren in dem vorliegenden Beispiel gezeigt sind, versteht sich, dass jegliche Anzahl von Oszillatoren möglich ist, was in einer beliebigen Anzahl von möglichen Ausgangsfrequenzen resultiert.
  • Mehrere Oszillatoren sind ein Weg, um mehrere Abwärtswandlungsfrequenzen zu erzeugen. Eine Alternative zu mehreren Oszillatoren ist die Verwendung von Synthesizern. Synthesizer erzeugen eine beliebige Frequenz innerhalb eines spezifizierten Frequenzbereichs und eine fixierte Schrittgröße. Deshalb kann ein Signalsynthesizer einen einzelnen oder mehrere Oszillatoren ersetzen. 7 stellt ein Blockdiagramm dieser Anordnung dar.
  • Das System weist ein Aufwärtssignal mit einer Frequenz u1, u2, u3, etc. auf. Ein Synthesizer 26 erzeugt ein Signal u1-IF, u2-IF, u3-IF, etc. und wird mit dem Aufwärtssignal mittels einer Mischeinrichtung M1 gemischt. Das Aufwärtssignal wird nun zu der Zwischenfrequenz IF gewandelt. Die Zwischenfrequenz IF wird in einer Mischeinrichtung M2 mit einem Signal von einem anderen Synthesizer 28 gemischt, der ein Signal d1-IF, d2-IF, d3-IF, etc. erzeugen kann. Die Ausgabe der Mischeinrichtung M2 ist das Abwärtssignal d1, d2, d3, etc. Bei den 4 bis 7 wurde zu Veranschaulichungszwecken angenommen, dass die Zwischenfrequenz niedriger als die Empfangsfrequenz ist. Praktisch könnte die Zwischenfrequenz (IF) höher oder niedriger als die Empfangsfrequenz sein, solange die resultierende Zwischenfrequenz (IF) einen spitzenfreien Bereich ausgibt, um zu der endgültig erwünschten Ausgangsfrequenz umzusetzen. Jeder Ansatz könnte verwendet werden.
  • Der letzte Teil der vorliegenden Erfindung ist in geeigneten Filtertechnologien zu sehen. Um eine Operation in einem breiten Teil des einem Raumflugkörper zugewiesenen Übertragungsspektrums zu ermöglichen, sind für jeden möglichen Sendekanal Eingangs- und Ausgangskanalfilter erforderlich. Es ist auch möglich, Filter zu wählen, die die gesamte Bandbreite zusammenhängend abdecken. Dies ermöglicht das Szenario mit der größten Effizienz. 8 stellt ein Blockdiagramm eines Wiederholers für einen rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung dar und kann verwendet werden, um die Filtertechnologie zu erläutern.
  • Die Eingangskanalfilter 40, oder IMUX, trennen das Breitbandaufwärtssignal in mehrere Kanäle. Die Signale sind niederenergetisch, und Verluste stellen das Hauptinteresse bei Pegeln niedriger Energie dar. Deshalb können diese Filter einfach ausgewählt werden. Im Betrieb durchlaufen die Signale jeden Kanal, wobei ein Durchlaufbereich des Filters das geeignete Signal auswählt und weiterleitet. Alle anderen Signale werden zurück in einen Zirkulator reflektiert und zu dem nächsten Kanalfilter geleitet.
  • Die Ausgangskanalfilter 48, oder OMUX, kombinieren verstärkte Signale und leiten das Signal an die Antenne. Die Ausgangskanalfilter sind hochenergetisch. Die Kanalanzahl sollte aus praktischen Gründen auf ungefähr (20) angrenzende Kanäle begrenzt sein. Theoretisch gibt es keine Grenze für die Anzahl angrenzender OMUX-Filter, aber aus praktischen Konstruktionsüberlegungen sollte die Anzahl begrenzt werden, bis der aktuelle Stand der Technik weit genug fortgeschritten ist, um mehrere Kanäle kosteneffektiv zu gestalten. OMUX-Filter arbeiten mit Signalen, die Pegel sehr hoher Energie aufweisen. Eine hohe Energie resultiert in der Erzeugung von Wärme und die Wärme muss abgeführt werden. Außerdem bedeutet ein Arbeiten bei hohen Energien, dass Verluste kritischer werden.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist es notwendig, um mehrere Kanäle unter Verwendung einer existierenden Technologie und gleichzeitiger Vermeidung exzessiver Wärme und Verluste während einem Aufrechterhalten von realistischen Kosten, kontinuierliche Mehrkanal-OMUX-Filter mit gediplexten Gruppen kontinuierlicher OMUX-Filter zu kombinieren. Für minimale Einfügungsdämpfungen müssen Lücken in dem gediplexten Frequenzbereich vorhanden sein. Es ist auch möglich, abstimmbare Filter oder Hoch-/Tiefpassfilter als Alternative zu Diplexern einzuschließen. In der Zukunft könnte es eine Technologie geben, die angrenzende Filter mit mehr Kanälen ermöglicht, was die vorliegende Erfindung vereinfachen wird.
  • Es könnte nicht immer wünschenswert sein, dass die Satelliten nahezu mit der vollen Anzahl möglicher Kanäle bei einer gegebenen Konfiguration arbeiten. In solchen Fällen wird es mehr Filter als aktive Kanäle geben. Eine reduzierte Anzahl von aktiven Kanälen ermöglicht es, weniger Hochleistungsverstärker in der Nutzlast zu implementieren. Ein Schaltsystem 42 und 46, das es ermöglicht, verschiedene Filtern abhängig von der gewünschten Satellitenkonfiguration mit verschiedenen Verstärkern zu verschalten und von diesen zu trennen, ist eingebaut. Hochleistungs-Mikrowellenschalter ermöglichen es, den gleichen Hochleistungsverstärker mit mehreren Filtern zu verwenden. Das Leiten von Schaltern hin zu Verstärkern und Filtern wird entweder mit Koaxialkabeln oder einem Wellenleiter erzielt.
  • Bezug nehmend auf 8 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Wiederholers für den rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt. Das Beispieldiagramm in 8 kann jeden von sechs Satelliten in einer Satellitenflotte simulieren. Es ist festzustellen, dass während dieses Beispiel eine Sicherung eines von sechs Satelliten zeigt, die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, um jede Anzahl von Satelliten zu simulieren, oder als selbständiger Satellit mit einer Flexibilität im Orbit verwendet werden kann.
  • Abschnitt I der 8 bildet die Wiederholerrauschzahl, wandelt Signale aus dem Empfangsband zu dem Übertragungsband und ermöglicht einen wesentlichen Teil der Wiederholerverstärkung. Bei dem vorliegendem Beispiel akzeptiert der Abschnitt 2 Eingangssignale bei acht Antennenports 30. Die Signale werden durch den rauscharmen Verstärker 32 zu einem Netzwerk 34 geleitet, dass die empfangenen Strahlen in beliebiger Kombination für die oben erläuterte flexible Antennenüberdeckung kombiniert. Abwärtswandler 36 handhaben verschiedene Frequenzen und können jede Wandlung von sechs Wandlungen durchführen, die von einer Satellitenflotte aus sechs Satelliten benötigt wird, und ermöglichen die oben erläuterte variable Abwärtswandlung.
  • Ein Abschnitt II akzeptiert die Signalsätze des Abschnitts I und teilt sie in kanalisierte Teile unter Verwendung von Eingangsmultiplexfiltern. Dies wird mittels eines Satzes von Schaltern 38 getan, die die verschiedenen Abschnitt-I-Ausgänge an die geeigneten Eingangsfilter 40 leiten. Nach einem Filtern werden die kanalisierten Signale, die bis zu sechsunddreißig (36) Kanäle betragen können, durch einen Wanderwellen(„traveling wave tube", TWT-)Eingangsredundanzring geleitet. Jeder Kasten repräsentiert sechs (6) Eingangsfilter 40 in dem Blockdiagramm. Insgesamt werden sechsundneunzig (96) Eingangsfilter verwendet, um die benötigte Frequenzplanflexibilität bereitzustellen. Die kanalisierten Ausgangssignale werden durch einen weiteren Satz von Schaltern 42 an einen Abschnitt III geleitet.
  • Abschnitt III ermöglicht die kanalisierte Verstärkungssteuerung, eine TWT-Linearisierung und eine Verstärkung bis zu den TWT-Ausgangspegeln von 140 Watt. Ein Entzerrungsnetzwerk (nicht gezeigt) könnte ebenfalls von jeder TWT umfasst sein, um ihre Frequenzantwort über die Übertragungsbandbreite zu entzerren. Dies erlaubt eine Breitbandlinearisierung der TWTs. Jeder Kasten in dem Abschnitt III repräsentiert einen Satz von sechs aktiven TWTs mit Linearisiereinrichtungen oder Hochleistungsverstärkern 44, die auch als OMUX-Filter bekannt sind.
  • Ein Abschnitt IV akzeptiert die verstärkten Ausgangssignale der TWTs und leitet sie durch den Ausgangsteil des Redundanzrings an die Ausgangsmultiplexer-Abschnittsschalter 46. Diese Schalter 46 werden verwendet, um den Wiederholer zu konfigurieren, jeden der sechs Satelliten in der Flotte zu emulieren. Die Schalter greifen auf bis zu vier Multiplexer für jede Polarisierung zu. Jeder Ausgangsmultiplexer repräsentiert sechs (6) Ausgangsfilter 48. Insgesamt werden einhundertsechsundfünfzig (156) Ausgangsfilter 48 in den Ausgangsmultiplexern verwendet, um die Vielseitigkeit in dem Frequenzspektrum zu erzielen. Die Ausgänge des Abschnitts IV sind mit Übertragungsantennen 50 verbunden.
  • Die Kombination des flexiblen Antennensystems, des variablen Abwärtswandlungssystems und einer Wahlfiltertechnologie ermöglicht es einem einzelnen Satelliten, konfiguriert zu werden, um irgendeinen anderen Satelliten in einer Satellitenflotte zu simulieren. Dies ermöglicht es einem einzelnen Satelliten, eine Sicherung für irgendeinen Satelliten vorzusehen, der in einer Flotte versagen könnte. Der rekonfigurierbare Satellit der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Sicherungsüberdeckung, ohne dass ein Dienst unterbrochen werden muss und Benutzer dazu gezwungen sind, alternative Satellitenbetreiber zu benutzen, um ihren Dienst fortzusetzen. Die Sicherungsüberdeckung, die mittels des rekonfigurierbaren Satelliten der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird, wird mit einer minimalen Unterbrechung des Diensts und ohne den unpraktischen Aufwand erreicht, einen einzigartigen Ersatzsatelliten für jeden Satelliten einer Flotte zu haben.
  • Während besonderer Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden einem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und alternative Ausführungsformen auffallen. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich im Sinne der angehängte Ansprüche begrenzt ist.

Claims (9)

  1. Rekonfigurierbarer Satellit zum Modifizieren vorgegebener Eigenschaften einer Nutzlast, wobei der rekonfigurierbare Satellit aufweist: ein Antennensystem (50) mit einem flexiblen Überdeckungsmuster; ein variables Signalumwandlungssystem (36) zum Umwandeln einer ersten vorgegebenen Frequenz (f1; f2; u1; u2; u3) zu einer zweiten vorgegebenen Frequenz (f2; f3; f4; d1; d2; d3); und Filtermittel (3848) zum Isolieren ausgewählter Eingangs- und Ausgangskanäle; wobei die vorgegebenen Eigenschaften der Nutzlast modifiziert werden können, indem das flexible Überdeckungsmuster geändert wird, die erste und die zweite vorgegebene Frequenz geändert werden und die Eingangs- und Ausgangskanäle gefiltert werden, während sich der Satellit in einer Umlaufbahn befindet, wobei die modifizierten vorgegebenen Eigenschaften der Nutzlast vorgegebene Eigenschaften eines ausgefallenen Satelliten simulieren, so dass der rekonfigurierbare Satellit ein Sicherungsmittel für den ausgefallenen Satelliten mit einer minimalen Unterbrechung eines Satellitendienstes bereitstellt.
  2. Satellit nach Anspruch 1, wobei das Antennensystem (50) des weiteren eine Doppelspiegelantenne aufweist, die lenkbar, drehbar und/oder die defokussierbar ist.
  3. Satellit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das variable Signalumwandlungssystem (36) des weiteren aufweist: eine Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24), wobei jeder bei einer anderen vorgegebenen Frequenz betrieblich ist, die gleich der Differenz zwischen einer ersten vorgegebenen Frequenz und einer zweiten vorgegebenen Frequenz ist; eine erste Mischeinrichtung (M1; M2), die mit jedem Oszillator der Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24) zum Mischen der ersten vorgegebenen Frequenz mit einer der anderen vorgegebenen Frequenzen der Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24) verbunden ist; einen Schalter (S1; S2), der zwischen der ersten Mischeinrichtung (M1; M2) und jedem Oszillator der Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24) verbunden ist, wobei der Schalter (S1; S2) zum Auswählen eines Oszillators der Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24) dient; durch welche die Mischeinrichtung (M1; M2) eine Ausgabe erzeugt, die gleich der zweiten vorgegebenen Frequenz ist.
  4. Satellit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das variable Signalumwandlungssystem (36) des weiteren aufweist: wobei die erste vorgegebene Frequenz eine Frequenz aus einer Vielzahl von Frequenzen (u1, u2, u3) ist; einen ersten Synthesizer (26) zum Erzeugen einer Ausgabe, die mit der Vielzahl des ersten vorgegebenen Frequenzen (u1, u2, u3) gemischt werden soll; eine erste Mischeinrichtung (M1), die zwischen der Vielzahl der ersten vorgegebenen Frequenzen (u1, u2, u3) und dem ersten Synthesizer (26) zum Mischen der Vielzahl der ersten vorgegebenen Frequenzen (u1, u2, u3) mit der Ausgabe des ersten Synthesizers (26) verbunden ist, um eine Zwischenfrequenz (IF) zu erzeugen; einen zweiten Synthesizer (28) zum Erzeugen einer Ausgabe, die mit der Zwischenfrequenz (IF) gemischt werden soll; eine zweite Mischeinrichtung (M2) zum Mischen der Zwischenfrequenz (IF) und der Ausgabe des zweiten Synthesizers (28), um eine Vielzahl zweiter vorgegebener Frequenzen (d1, d2, d3) zu erzeugen.
  5. Satellit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Filtermittel (3848) des weiteren aufweisen: ein Netzwerk (38) von Schaltern zum Leiten eines Signals durch die Eingangskanäle hindurch; eine Vielzahl von Eingangsmultiplexerfiltern (40), die durch das Netzwerk (38) von Schaltern zum Kanalisieren der Eingangskanäle ausgewählt sind; ein Netzwerk (42) von Schaltern zum Leiten des Signals von den Eingangsmultiplexerfiltern (40) zu einer Vielzahl von Ausgangsmultiplexerfiltern (44); ein Netzwerk (46) von Schaltern, das ein Ausgangssignal der Vielzahl von Ausgangsmultiplexerfiltern (44) akzeptiert und die Nutzlast rekonfiguriert.
  6. Satellit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Doppelspiegelantenne eine selbständige Antenne ist.
  7. Satellit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Doppelspiegelantenne in eine Antennenfarm verwendet wird.
  8. Satellit nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das variable Signalumwandlungssystem (36) des weiteren aufweist: einen Oszillator (16; 18, 20), der bei einer anderen vorgegebenen Frequenz (IF-f1; IF-f1, IF-f2) betrieblich ist, die mit der ersten vorgegebenen Frequenz (f1; f1, f2) gemischt werden soll; eine zweite Mischeinrichtung (M2; M1), die mit dem Oszillator (16; 18, 20) zum Mischen der ersten vorgegebenen Frequenz (f1; f1, f2) und der anderen vorgegebenen Frequenz (IF-fl; IF-f1, IF-f2) verbunden ist und eine Zwischenfrequenz (IF) ausgibt; wodurch die Zwischenfrequenz (IF) mit einer der Frequenzen der Vielzahl von Oszillatoren (12, 14; 22, 24) gemischt wird, um die zweite vorgegebene Frequenz (f2, f3; f3, f4) zu erzeugen.
  9. Satellit nach Anspruch 8, wobei das variable Signalumwandlungssystem (36) des weiteren aufweist: eine Vielzahl von Oszillatoren (18, 20), wobei jeder bei einer anderen vorgegebenen Frequenz (IF-f1, IF-f2) betrieblich ist, die bei der zweiten Mischeinrichtung (M1) mit der ersten vorgegebenen Frequenz (f1, f2) gemischt werden soll; einen Schalter (S1), der mit jedem der Vielzahl von Oszillatoren (18, 20) und der zweiten Mischeinrichtung (M1) zum Auswählen eines Oszillators der Vielzahl von Oszillatoren (18, 20) verbunden ist; wodurch die zweite Mischeinrichtung (M1) eine Ausgabe erzeugt, die gleich der Zwischenfrequenz (IF) ist.
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