оптимизация системы с использованием формирования диаграммы направленности антенны

Формула изобретения

1. Способ повышения пропускной способности системы в спутниковой системе связи, содержащей множество спутников связи, в которой спутник содержит антенную решетку и формирователь диаграммы направленности антенны для создания множества лучей, заключающийся в том, что

(a) определяют местоположение упомянутого спутника с использованием широты, представляющей собой угловое расстояние, измеренное в градусах относительно экватора,

(b) формируют множество лучей на основании упомянутого местоположения,

(b1) идентифицируют первый луч в упомянутом множестве лучей,

(b2) определяют, требуется ли изменение первого луча по направлению, на основании местоположения упомянутого спутника,

(b2а) определяют, требуется ли изменение размера сотовой ячейки для упомянутого первого луча, и

(b2b) изменяют диаметр сотовой ячейки для осуществления упомянутого изменения размера сотовой ячейки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно (c) определяют местоположение спутника с использованием долготы, представляющей собой угловое расстояние, определенное в градусах на экваторе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b2) дополнительно (b2a) определяют, требуется ли изменение угла наведения луча для упомянутого первого луча,

(b2b) изменяют расстояние между центрами сотовых ячеек для осуществления упомянутого изменения угла наведения луча.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b2) дополнительно

(b2a) определяют, требуется ли изменение размера сотовой ячейки для упомянутого первого луча, и

(b2b) изменяют малую ось сотовой ячейки для осуществления упомянутого изменения размера сотовой ячейки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b2) дополнительно

(b2a) определяют, требуется ли изменение угла наведения луча для упомянутого первого луча, и

(b2b) изменяют расстояние между фокальными точками сотовых ячеек для осуществления упомянутого изменения угла наведения луча.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b3) идентифицируют второй луч в упомянутом множестве лучей и

(b4) определяют, требуется ли изменение второго луча на основании местоположения упомянутого спутника.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b3) идентифицируют второй луч в упомянутом множестве лучей,

(b4) идентифицируют местоположение второй сотовой ячейки, связанной со вторым лучом, и

(b5) определяют, требуется ли изменение второго луча на основании местоположения спутника и местоположения второй сотовой ячейки.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b2) дополнительно

(b2a) идентифицируют местоположение первой сотовой ячейки, связанной с упомянутым первым лучом, и

(b2b) определяют, требуется ли изменение первого луча на основании местоположения спутника и местоположения первой сотовой ячейки.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b2) дополнительно

(b2а) идентифицируют местоположение первой сотовой ячейки, связанной с упомянутым первым лучом, и

(b2b) определяют, требуется ли изменение первого луча на основании местоположения спутника и времени суток в данном местоположении спутника.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b1) идентифицируют первую группу лучей в упомянутом множестве лучей и

(b2) определяют, требуется ли изменение первой группы лучей на основании местоположения упомянутого спутника.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b1) идентифицируют первую группу лучей в упомянутом множестве лучей,

(b2) идентифицируют местоположение первой группы сотовых ячеек, связанных с первой группой лучей, и

(b3) определяют, требуется ли изменение первой группы лучей на основании местоположения спутника и местоположения первой группы сотовых ячеек.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b4) идентифицируют вторую группу лучей в упомянутом множестве лучей,

(b5) идентифицируют местоположение второй группы сотовых ячеек, связанных с упомянутой второй группой лучей, и

(b6) определяют, требуется ли изменение второй группы лучей на основании местоположения спутника и местоположения второй группы сотовых ячеек.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что первую группу лучей и вторую группу лучей идентифицируют, используя таблицу, хранимую на спутнике, причем указанная таблица обеспечивает информацию, по меньшей мере, о размерах сотовых ячеек и углах наведения луча.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что первую группу лучей и вторую группу лучей идентифицируют, используя кольцеобразные группы сотовых ячеек.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что первую группу лучей и вторую группу лучей идентифицируют, используя ряды сотовых ячеек.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что на этапе (b3) дополнительно

(b3а) определяют, требуются ли изменения размеров сотовых ячеек для упомянутой первой группы сотовых ячеек,

(b3b) изменяют диаметры сотовых ячеек для осуществления упомянутых изменений размеров сотовых ячеек,

(b3с) определяют, требуются ли изменения углов наведения луча для упомянутой первой группы лучей, и

(b3d) изменяют расстояния между центрами сотовых ячеек для осуществления упомянутых изменений углов наведения луча.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что на этапе (b3) дополнительно

(b3а) определяют, требуются ли изменения размеров сотовых ячеек для упомянутой первой группы сотовых ячеек,

(b3b) изменяют малые оси сотовых ячеек для осуществления упомянутых изменений размеров сотовых ячеек,

(b3с) определяют, требуются ли изменения углов наведения луча для упомянутой первой группы лучей, и

(b3d) изменяют расстояния между фокальными точками сотовых ячеек для осуществления упомянутых изменений углов наведения луча.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что на этапе (b) дополнительно

(b4) идентифицируют вторую группу лучей в упомянутом множестве лучей,

(b5) идентифицируют местоположение второй группы сотовых ячеек, связанных со второй группой лучей, и

(b6) определяют, требуются ли изменения второй группы лучей на основании местоположения спутника и рабочего состояния первой группы лучей.

19. Спутник для выполнения процедур формирования диаграммы направленности антенны на основании местоположения в системе связи, имеющей множество абонентских аппаратов (АА) и множество спутников связи, содержащий главную бортовую антенну (ГБА) для создания множества лучей, обеспечивающих линии связи, по меньшей мере, с одним из упомянутого множества АА, антенную подсистему, подключенную к ГБА, приемопередатчик наземных линий связи для обеспечения линии связи с наземным средством связи, приемопередатчик перекрестных линий связи для обеспечения перекрестных линий связи с другими спутниками, управляющее устройство, подключенное к антенной подсистеме, приемопередатчику наземных линий связи и приемопередатчику перекрестных линий связи, предназначенное для определения местоположения спутника по широте, обработки множества лучей, определения размеров сотовых ячеек и углов наведения лучей с помощью упомянутого местоположения по широте, при этом управляющее устройство обеспечивает управление одним или более из указанных ГБА, антенной подсистемы, приемопередатчика наземных линий связи и приемопередатчика перекрестных линий связи для изменения диаметра сотовой ячейки и для изменения угла наведения луча.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к спутниковым системам связи, в частности к способу и устройству для повышения пропускной способности системы с помощью формирования диаграммы направленности антенны в спутниковых системах связи.

Описание предшествующего уровня техники

Система связи имеет связанную с нею зону обслуживания. В спутниковых системах связи зону обслуживания обеспечивают несколько спутников. Зоны обслуживания отдельных спутников должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить полный охват системой с минимальными областями перекрытия и без разрывов охвата. Важно оптимизировать данную проблему таким образом, чтобы полный охват обеспечивался наиболее экономичным образом.

Таким образом, все еще существует потребность в усовершенствовании методов управления диаграммами направленности спутниковых антенн в спутниковой системе связи. В частности, существует потребность в способе и устройстве для создания диаграмм направленности антенны с более высоким кпд по мощности и более высокой эффективностью многократного использования каналов для спутников в спутниковой системе связи.

Краткое описание чертежей

Более полное представление об изобретении можно получить из последующего полного описания и формулы изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах и на которых показано следующее:

фиг.1 - весьма упрощенная структурная схема спутниковой системы связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - упрощенный вид сверху нескольких наземных траекторий и проекций диаграмм направленности антенн спутников в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

фиг.3 - упрощенная структурная схема спутника связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

фиг.4 - алгоритм выполнения способа оптимизации рабочих характеристик системы в спутниковой системе связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

фиг.5 - вид сверху примерной диаграммы направленности антенны, связанной со спутником в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Предложенные способ и устройство позволяют повысить кпд по мощности и эффективность многократного использования каналов спутников в спутниковой системе связи. Кроме того, предложенные способ и устройство позволяют повысить кпд по мощности и эффективность многократного использования каналов за счет установления диаграмм направленности антенны для спутника на основании местоположения спутника.

В данном контексте не предусмотрено ограничение понятий "сотовая ячейка", "луч" и "проекция (на земную поверхность) диаграммы направленности" каким-либо конкретным вариантом их создания, и эти понятия охватывают сотовые ячейки, лучи и проекции диаграммы направленности, создаваемые наземными или спутниковыми сотовыми системами связи и/или их комбинациями. Настоящее изобретение применимо для наземных и спутниковых систем связи. Эти системы могут содержать искусственные спутники Земли, обращающиеся по низким, средним и геосинхронным орбитам.

На фиг.1 представлена сильно упрощенная схема спутниковой системы связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Спутниковая система связи 100 содержит по меньшей мере один первый спутник 110 связи, по меньшей мере один второй спутник 120 связи, по меньшей мере один абонентский аппарат (АА) 130 и по меньшей мере одну наземную станцию 140.

Для ясности на фиг.1 показаны первый спутник 110 связи, второй 120 спутник связи, один АА 130 и одна наземная станция 140. Это сделано в целях облегчения пояснения изобретения. Можно использовать другие количества спутников связи, наземных станций и АА. Хотя настоящее изобретение преимущественно реализуется с применением большого количества спутников, его также можно осуществить всего с одним спутником.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый спутник 110 связи и второй спутник 120 связи являются спутниками одного типа. В альтернативных вариантах первый и второй спутники 110 и 120 связи могут быть различными. Например, первый спутник 110 связи может быть спутником на низкой околоземной орбите, а второй спутник 120 связи может быть спутником на орбите средней высоты. Кроме того, спутники связи могут быть как негеостационарными, так и геостационарными спутниками.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения спутники 110 и 120 связи осуществляют связь с другими спутниками 110 и 120 с помощью перекрестных линий 115 связи. Желательно использовать некоторое количество спутников связи и перекрестных линий связи и чтобы каждый спутник поддерживал множество перекрестных линий связи с другими спутниками. В альтернативных вариантах можно использовать различное количество спутников связи и перекрестных линий связи.

Спутники 110 и 120 связи осуществляют связь с наземными станциями 140 с помощью линий 145 связи. Спутники 110 и 120 связи осуществляют связь с АА 130 с помощью линий 135 связи. В альтернативных вариантах спутники 110 и 120 связи могут осуществлять связь с другими спутниками 110 и 120 через каналы прямой ретрансляции и наземные станции 140.

В предпочтительном варианте по меньшей мере одна наземная станция 140 используется в качестве центра управления системой или соединена с одним или несколькими центрами управления. Кроме того, наземная станция 140 может также представлять собой станцию сопряжения (шлюз) или соединяться с одной или несколькими станциями сопряжения, которые обеспечивают доступ, по меньшей мере, к одной из наземных сетей связи, такой как телефонная сеть общего пользования (ТСОП), или к другим средствам связи (не показано на фиг.1). В альтернативных вариантах наземные станции 140 могут быть мобильными или стационарными средствами связи, которые передают данные к спутникам 110 и 120 и принимают данные от этих спутников.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первый спутник 110 связи содержит, по меньшей мере, одну антенную решетку (не показана). Желательно, чтобы каждая антенная решетка на первом спутнике 110 связи могла создавать множество отдельных лучей, как показано ссылочной позицией 112. Лучи 112 проецируются под множеством разных углов от спутника 110. Лучи 112 используются для создания на поверхности Земли сотовых ячеек 114. Конфигурация сотовых ячеек, которые первый спутник 110 связи проецирует на поверхность Земли, показана на фиг.1 как первая проекция 116 диаграммы направленности.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй спутник 120 связи содержит, по меньшей мере, одну антенную решетку (не показана). Желательно, чтобы каждая антенная решетка на втором спутнике 120 связи могла создавать множество отдельных лучей, как показано ссылочной позицией 122. Лучи 122 проецируются под множеством разных углов от спутника 120. Лучи 122 используются для создания сотовых ячеек 124 на поверхности Земли. Конфигурация сотовых ячеек, которые второй спутник 120 проецирует на поверхность Земли, показана на фиг.1 как вторая проекция 126 диаграммы направленности.

В предпочтительном варианте первая проекция 116 и вторая проекция 126 диаграммы направленности на поверхности Земли содержат равное количество сотовых ячеек в первый период времени и содержат другое количество сотовых ячеек во второй период времени. Для удобства сотовые ячейки 114 и 124 на фиг.1 показаны в виде отдельных ячеек практически круглой формы. Однако специалистам будет понятно, что сотовые ячейки, создаваемые лучами, спроецированными с антенн спутников, могут иметь форму, отличную от круглой.

На фиг.1 показано несколько зон перекрытия 160. В предпочтительном варианте управление и оптимизация зон перекрытия 160 осуществляются на сотовом уровне. В альтернативных вариантах можно осуществлять управление и оптимизацию зон перекрытия 160 на уровне проекции диаграммы направленности антенны. В альтернативных вариантах зона перекрытия может быть образована с использованием одной или более антенн на одном спутнике. Желательно, чтобы во время переключения канала связи (передачи обслуживания) АА 130 находился в зоне перекрытия. Кроме того, зоны перекрытия могут включать в себя части двух или более сотовых ячеек.

На фиг.1 единичные зоны обслуживания представляют собой зоны, находящиеся в пределах проекций диаграммы направленности, в которых АА может видеть только один луч. Желательно оптимизировать кпд по мощности и эффективность многократного использования каналов как в единичных зонах обслуживания, так и в зонах перекрытия.

Изобретение можно применить к спутникам 110 и 120 связи, которые используют один или несколько лучей, ориентированных на Землю, и предпочтительно к спутникам, которые перемещают сотовые ячейки по поверхности Земли по детерминированной наземной траектории. В предпочтительном варианте наземная траектория устанавливается по орбитальным параметрам, связанным с данным спутником. Изобретение также применимо к системам, которые не обеспечивают полный охват Земли.

В предпочтительном варианте изобретения спутники 110 и 120 осуществляют связь с АА 130, находящимися в пределах одного из лучей, по линиям связи, показанным линиями 135. Абонентские линии 135 связи можно установить между спутником и АА, которые находятся в пределах диапазона связи друг с другом.

Как показано на фиг.1, АА 130 предпочтительно являются устройствами связи, которые принимают данные от спутников 110 связи и передают данные к спутникам 110 связи. Например, АА 130 могут быть сотовыми радиотелефонами или двухсторонними устройствами персонального вызова, выполненными с возможностью осуществления связи со спутниками 110 и 120. АА 130 могут находиться в любом месте на поверхности Земли или в атмосфере над Землей. Настоящее изобретение применимо как к АА, изменяющим свое местоположение, так и к стационарным АА.

В предпочтительном варианте изобретения трассы связи, например, показанные линиями 115, 135 и 145 связи, охватывают ограниченную часть электромагнитного спектра, который разделен на каналы. Линии 115, 135 и 145 связи могут использовать любую подходящую схему доступа к каналам, такую как многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), и/или многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР), и/или многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), или их комбинации.

В предпочтительном варианте изобретения спутники 110 и 120 ведут записи данных для лучей 112, 122, сотовых ячеек 114, 124 и проекций 116 и 126 диаграмм направленности. Например, записи данных могут включать данные местоположения, данные размера и данные выделения каналов. Данные местоположения могут включать в себя данные центрирования луча и данные угла прихода. Данные размера могут включать в себя данные измерений и данные формы. Данные выделения каналов могут включать в себя доступные каналы и выделенные каналы. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, одна наземная станция 140 также ведет записи данных для лучей 112, 122, сотовых ячеек 114, 124 и проекций 116 и 126 диаграмм направленности.

На фиг.2 показан упрощенный вид нескольких наземных траекторий и проекций диаграмм направленности, сформированных спутниками в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. На Земле 210 показаны экватор 290 и линии широты 260. Экватор 290 делит Землю 210 на две практически равные и симметричные части.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения линии широты 260 используются для определения углового расстояния от экватора. Желательно, чтобы положение спутника в конкретный момент времени имело составляющую широты, которая определяется по точке на поверхности Земли, пересекаемой воображаемой линий, проведенной от центра Земли к спутнику. Воображаемую линию, проводимую по поверхности Земли через такую точку по мере того, как спутник осуществляет один оборот, можно использовать в качестве наземной траектории данного спутника. В альтернативных вариантах можно использовать другие системы координат, которые не основаны на широте и долготе.

На фиг.2 также показаны Северный полюс 270 и Южный полюс 280. Экватор 290 используется для установления нулевой линии широты. Северный полюс 270 представляет 90 градусов широты. Южный полюс представляет минус 90 градусов широты. Линии долготы, известные специалистам, не иллюстрируются.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения спутниковая система связи 100 (фиг.1) содержит спутники на низкой околоземной орбите. В одном из предпочтительных вариантов используется 66 спутников, хотя можно использовать большее или меньшее количество спутников. Например, можно разместить 66 спутников в шести орбитальных плоскостях, равномерно распределенных вокруг Земли 210 по экватору.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения спутники находятся на полярных орбитах, хотя это не является обязательным. Например, полярная орбитальная плоскость может иметь наклонение девяносто градусов плюс или минус пять градусов. В альтернативных вариантах наклонения орбитальных плоскостей спутников могут колебаться от девяноста градусов минус семьдесят градусов до девяноста градусов плюс семьдесят градусов.

На фиг.2 также показаны наземные траектории 220, 230 и 240. Наземные траектории предпочтительно иллюстрируют движение спутника относительно некоторой точки на поверхности небесного тела, вокруг которого обращается спутник. В предпочтительном варианте спутники фазированы на своих орбитах таким образом, что они распределены на изменяющихся точках вдоль наземных траекторий 220, 230 и 240. Например, спутники можно фазировать одинаково на их орбитах. Это означает, что спутники разнесены по фазам относительно друг друга в орбитальной плоскости на величину 360 градусов, деленную на количество спутников в данной плоскости.

На фиг.2 показаны диаграммы 222, 231, 233 и 242 направленности антенн, имеющие практически круговую форму. В предпочтительном варианте изобретения диаграмма 222 направленности антенны связана с первым спутником, диаграмма 231 направленности связана со вторым спутником, диаграмма 233 направленности связана с третьим спутником, а диаграмма 242 направленности связана с четвертым спутником. В альтернативном варианте множество спутников может быть связано с одной диаграммой направленности, как показано на фиг.2, и один спутник может быть связан с несколькими диаграммами направленности, как показано на фиг.2.

На фиг.2 также показано несколько областей перекрытия диаграмм 222, 231, 233 и 242 направленности антенн. В предпочтительном варианте области перекрытия оптимизированы с использованием предложенных способа и устройства. Области перекрытия предпочтительно делают достаточно большими, чтобы АА могли их использовать для выполнения переключения с одного луча на другой и с диаграммы направленности антенны одного спутника на диаграмму направленности антенны другого спутника.

На фиг.2 проиллюстрированы диаграммы 222 и 242 направленности антенн с центрами, расположенными на экваторе. Однако это не является необходимым для изобретения. Центр диаграммы 222 направленности может быть сдвинут относительно центра диаграммы 242 направленности. Кроме того, размер диаграммы направленности антенн может отличаться от изображенного на чертеже. Также проиллюстрированы диаграммы 231 и 233 направленности антенн с центрами, расположенными на одной и той же траектории. Это тоже не является необходимым для изобретения. Можно создавать перекрывающиеся диаграммы направленности антенн, используя спутники в различных орбитальных плоскостях и имеющие различные наземные траектории.

На фиг.2 показаны диаграммы 224, 234 и 244 направленности антенн, имеющие по существу эллиптическую форму. В предпочтительном варианте диаграмма 224 направленности связана с пятым спутником, диаграмма 234 направленности связана с шестым спутником, и диаграмма 244 направленности связана с седьмым спутником. Для диаграмм 224, 234 и 244 направленности антенн показано несколько областей перекрытия.

В предпочтительном варианте изобретения сотовая ячейка описывается с помощью размеров по горизонтали и по вертикали. На фиг.2 показаны примеры сотовых ячеек 235 и 245. Для круговых сотовых ячеек, показанных позицией 245, размер 246 по горизонтали и размер 247 по вертикали по существу равны, когда сотовые ячейки находятся вблизи экватора 290. Для эллиптических сотовых ячеек, показанных позицией 235, размер 236 по горизонтали и размер 237 по вертикали не равны. По существу круговые сотовые ячейки и по существу эллиптические сотовые ячейки проецируются спутниками в разные точки на поверхности Земли.

Как показано на фиг.2, диаграмма 234 направленности антенны центрирована на конкретной широте, показанной линией 260 широты. Расстояние 265 иллюстрирует разность между положением диаграммы 234 направленности антенны и экватором 290. В предпочтительном варианте расстояние 265 является мерой разности в градусном выражении между диаграммой направленности антенны и экватором. Желательно, чтобы эта разность идентифицировалась в градусах широты (). Местоположения сотовых ячеек, например, показанных позициями 235 и 245, также определяются относительно линии 260 широты.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения размеры 236 и 246 по горизонтали являются функцией широты по меньшей мере в первой группе широт. В тех случаях, когда спутник не может поддерживать необходимые изменения сотовых ячеек из-за вычислений широты, желательно изменять отсчеты сотовых ячеек, их местоположения, размеры и формы.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения размер по горизонтали и размер по вертикали могут быть функциями широты. В других вариантах размер по горизонтали и/или размер по вертикали могут быть функциями долготы. Например, в системах, спутники которых обращаются по наклонным орбитам, размер по горизонтали и размер по вертикали могут быть функциями как широты, так и долготы.

На фиг.3 показана упрощенная структурная схема спутника связи согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Предпочтительно многие или все спутники 110 и 120 (фиг.1) системы 100 (фиг.1) имеют аппаратуру, показанную на упрощенной схеме фиг.3. Спутники 110 и 120 содержат главную бортовую антенну (ГБА) 310, антенную подсистему 320, приемопередатчик 330 наземных линий связи, приемопередатчик 340 перекрестных линий связи и управляющее устройство 350.

ГБА 310 и антенная подсистема 320 создают лучи, проецируемые спутником. Кроме того, ГБА 310 и антенная подсистема 320 поддерживают линии связи с наземными абонентскими аппаратами, такими как АА 130 (фиг.1). В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый спутник содержит, по меньшей мере, одну ГБА и многоканальные приемопередатчики, которые поддерживают множество лучей для осуществления связи с множеством АА.

Каждый приемопередатчик 330 наземных линий связи и связанная с ним антенна (не показана) поддерживают линии связи с наземными средствами связи, такими как наземная станция 140 (фиг.1). В предпочтительном варианте каждый спутник поддерживает, по меньшей мере, одну наземную линию связи для осуществления связи, по меньшей мере, с одной наземной станцией. Кроме того, наземные средства связи могут включать в себя станции сопряжения (шлюзы) и центры управления.

Приемопередатчик 340 перекрестных линий связи и соответствующая антенна (не показана) поддерживают перекрестные линии связи с другими спутниками 110 и 120 (фиг.1). В предпочтительном варианте каждый спутник поддерживает, по меньшей мере, одну перекрестную линию для связи, по меньшей мере, с одним другим спутником, находящимся в той же орбитальной плоскости или в смежной орбитальной плоскости.

Желательно, чтобы каждый спутник мог одновременно поддерживать несколько перекрестных линий связи, несколько наземных линий связи и множество абонентских линий связи.

Управляющее устройство 350 подключено к антенной подсистеме 320, приемопередатчику 330 наземных линий связи и приемопередатчику 340 перекрестных линий связи. Управляющее устройство 350 можно реализовать с использованием одного или нескольких процессоров. Управляющее устройство 350 управляет формированием перекрестных линий 115 связи (фиг.1). Кроме того, управляющее устройство 350 управляет формированием наземных линий 145 связи (фиг.1).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения управляющее устройство 350 управляет формированием лучей 112 и 122 (фиг.1) путем определения размера сотовой ячейки, положения сотовой ячейки, угла наведения луча, местоположения спутника, местоположения АА, размера проекции диаграммы направленности антенны, области перекрытия, положения перекрытия и состояния переключения канала связи (передачи обслуживания). Кроме того, управляющее устройство 350 используется для определения имеющихся ресурсов абонентской линии связи, для определения требуемых ресурсов абонентской линии связи и для определения, на какое время требуются ресурсы абонентской линии связи. Кроме того, управляющее устройство 350 посылает управляющую информацию приемопередатчику абонентских линий связи, чтобы их можно было переключать в соответствующее время. Управляющее устройство 350 также посылает управляющую информацию в антенную подсистему 320, чтобы можно было в соответствующее время выделять ресурсы абонентской линии и освобождать их.

Управляющее устройство 350 содержит средство памяти (не показано) для хранения данных, которые служат в качестве команд для управляющего устройства 350, так что при их исполнении управляющее устройство 350 обеспечивает выполнение спутником определенных аспектов предложенного способа, как более подробно пояснено ниже. Кроме того, управляющее устройство 350 может содержать переменные, таблицы, списки и базы данных, которыми оперируют во время работы спутника.

В альтернативном варианте осуществления изобретения спутники могут содержать приемник GPS (глобальной спутниковой системы местоопределения), который можно использовать для геолокации спутника. Например, приемник GPS может обеспечивать более точную информацию о местоположении. В альтернативных вариантах абонентские аппараты и наземные станции также могут содержать устройства GPS.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения управляющее устройство 350 используется для хранения данных, касающихся местоположения сотовых ячеек, проецируемых данным конкретным спутником, и местоположения сотовых ячеек, проецируемых соседними спутниками. Например, когда спутник принимает решение использовать сотовые ячейки конкретной конфигурации, эта информация сохраняется в данном спутнике и посылается в соседние спутники, где она также сохраняется. Следовательно, при отказе луча на конкретном спутнике эту информацию можно послать в соседние спутники, которые могут ее использовать для изменения своей диаграммы направленности, чтобы уменьшить эффект этого отказа.

Для наглядности на фиг.3 показана одна ГБД 310, одна антенная подсистема 320, один приемопередатчик 330 наземных линий связи, один приемопередатчик 340 перекрестных линий связи и одно управляющее устройство 350. В альтернативных вариантах могут использоваться несколько этих элементов.

Антенная подсистема 320 преобразует принятые сигналы в цифровые данные. Кроме того, антенная подсистема 320 преобразует цифровые данные, полученные от управляющего устройства 350, в передаваемые сигналы.

Управляющее устройство 350 контролирует и управляет абонентскими интерфейсами, приемом и передачей сообщений, установкой каналов, радионастройкой, выделением частотных и временных каналов, а также другими функциями связи и управления абонентских аппаратов. Желательно, чтобы управляющее устройство 350 выполняло процедуры, которые приведены в качестве примера ниже и описаны в дальнейшем.

В альтернативном варианте осуществления изобретения управляющее устройство наземной сети (не показано) осуществляет связь с множеством спутников для оптимизации конфигурации сотовых ячеек в системе. В данном варианте сетевое управляющее устройство модифицирует конфигурации сотовых ячеек на основании текущего состояния всех спутников. Например, если на конкретном спутнике произошел отказ аппаратуры или недостаточно мощности, то его зона обслуживания уменьшается, а зона обслуживания окружающих его спутников увеличивается.

На фиг.4 проиллюстрирован алгоритм выполнения способа оптимизации системы в спутниковой системе связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Процедура 400 начинается с этапа 402. На этапе 402 определяется текущее состояние и точность данных местоположения. Текущие точные данные местоположения очень важны в спутниковых системах связи для оптимизации и поддержания системы в рабочем состоянии.

На этапе 404 идентифицируется луч на конкретном спутнике и связанная с данным лучом счетная переменная (N). В предпочтительном варианте лучи обрабатываются индивидуально. В альтернативных вариантах можно анализировать группы лучей, счетные переменные можно устанавливать для групп и сотовых ячеек в группах. В других вариантах формирование лучей может быть основано на списках и таблицах, которые зависят от местоположения спутника.

На этапе 406 определяется местоположение спутника. В предпочтительном варианте спутник может определять свое местоположение с помощью данных собственной системы наведения или данных, полученных от системы связи. В альтернативных вариантах спутник может получать данные местоположении от бортового приемника GPS. Данные местоположения используются для определения местоположения спутника относительно экватора.

Кроме того, местоположение спутника определяется относительно линий широты, если они используются для установления углового расстояния относительно экватора. Желательно, чтобы местоположение спутника было выражено в терминах широты, определенной с использованием точки на поверхности Земли, пересекаемой воображаемой линий, проведенной от центра Земли к спутнику. Желательно, чтобы местоположение спутника определялось положительными значениями градусов, когда спутник находится к северу или выше от экватора. Местоположение спутника определяется отрицательными значениями градусов, когда спутник находится к югу или ниже от экватора.

На этапе 408 делается запрос, чтобы определить, не требуется ли изменить данный конкретный луч на основании текущей широты спутника. В альтернативных вариантах изобретения можно также использовать текущую долготу спутника, текущую нагрузку спутника относительно соседних с ним спутников и текущее состояние и работоспособность спутника и соседних с ним спутников, чтобы определить, не нуждается ли какой-либо луч в изменении. Если данный конкретный луч необходимо изменить, процедура 400 переходит к этапу 410. Если же данный конкретный луч не нуждается в изменении, то процедура 400 переходит к этапу 430.

На этапе 410 делается запрос, чтобы определить, не нуждается ли в изменении данный размер сотовой ячейки. Если данный размер сотовой ячейки не требует изменения, то процедура 400 переходит к этапу 412. Если размер сотовой ячейки нуждается в изменении, то процедура 400 переходит к этапу 420.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения определяется угол наведения луча (УНЛ) в трехмерном пространстве, а также определяются углы азимута и наклонения. Первую линию проводят от спутника к центру Земли. Точка, в которой эта линия пересекает произвольную поверхность, является точкой на наземной траектории спутника. По мере того, как спутники обращаются вокруг Земли, эта точка пересечения движется вокруг Земли, создавая воображаемую линию, называемую наземной траекторией. Вторую линию проводят от спутника к центру анализируемой сотовой ячейки. Эти две линии используют для получения двухмерной плоскости. Точка пересечения этих двух линий находится на спутнике, и угол, образованный этими двумя линиями в двухмерной плоскости, называется углом наведения луча.

В альтернативных вариантах изобретения угол наведения луча можно вычислить в двух измерениях. В других вариантах для измерения угла наведения луча не используют центр сотовой ячейки. Для этого можно использовать, например, точку на окружности.

На этапе 412 изменяют угол наведения луча. В предпочтительном варианте угол наведения луча изменяют посредством изменения ряда электрических параметров, связанных с антенной решеткой и антенной подсистемой. В альтернативных вариантах можно изменять одно или несколько механических свойств, связанных с антенной. В других вариантах могут изменяться как электрические, так и механические свойства. Затем процедура 400 переходит к этапу 430.

На этапе 420 делается запрос, чтобы определить, не нуждается ли в изменении угол наведения луча. Если угол наведения луча не требует изменения, то процедура 400 переходит к этапу 422. Если угол наведения луча требует изменения, то процедура 400 переходит к этапу 424.

На этапе 422 изменяют размер сотовой ячейки. В предпочтительном варианте размер сотовой ячейки изменяют посредством изменения коэффициента усиления антенны. Затем процедура 400 продолжается на этапе 430.

На этапе 424 изменяют размер сотовой ячейки и угол наведения луча. В предпочтительном варианте размер сотовой ячейки изменяют посредством изменения коэффициента усиления антенны. Затем процедура 400 продолжается на этапе 430.

На этапе 430 счетчик лучей получает приращение (N=N+1).

На этапе 432 делается запрос, чтобы определить, не требуют ли обработки другие лучи. Если для других лучей также требуется обработка, процедура переходит к этапу 404 и цикл повторяется, как показано на фиг.4. Если другие лучи не требуют обработки, процедура 400 переходит к этапу 434 и заканчивается.

Специалистам должно быть понятно, что описанные выше этапы не требуют обязательного выполнения в описанной выше последовательности. Данная последовательность не имеет существенного значения для характера настоящего изобретения. Специалистам также должно быть понятно, что некоторые спутники выполняют разные задачи в разное время.

Кроме того, специалистам должно быть понятно, что для выполнения некоторых или всех описанных выше этапов можно использовать наземное управляющее устройство. Наземное управляющее устройство может передавать информацию на спутники и получать информацию со спутников. Например, управляющее устройство может получать рабочие параметры спутника со спутников и передавать информацию об угле наведения и размере сотовой ячейки на один или несколько спутников.

Для достижения максимальной пропускной способности и охвата орбитальной группировки спутников диаграмма направленности главной бортовой антенны (ГБА) изменяется в зависимости от широты. В альтернативных вариантах изобретения можно также использовать долготу, нагрузку системы, а также работоспособность и состояние данного спутника и соседних спутников для изменения диаграммы направленности антенны. Желательно, чтобы проекция диаграммы направленности антенны спутника на поверхности Земли устанавливалась таким образом, чтобы обеспечить полный охват на экваторе. На более высоких широтах проекция диаграммы направленности антенны спутника уменьшается для сохранения мощности. Уменьшение проекции диаграммы направленности антенны спутника также позволяет уменьшить размер лучей (сотовых ячеек) для данной апертуры ГБА, повышая тем самым коэффициент усиления луча, кпд по мощности и эффективность использования спектра. Системы, в которых проекция диаграммы направленности антенны спутника уменьшается посредством выключения лучей, не позволяют оптимизировать спектральную пропускную способность. В альтернативных вариантах изобретения проекция диаграммы направленности антенны спутника изменяется также для того, чтобы более равномерно распределить нагрузку графика среди спутников и увеличить тем самым общую пропускную способность системы. В альтернативных вариантах проекцию диаграммы направленности антенны спутника можно изменять для восстановления охвата зон обслуживания спутников, в которых произошел полный или частичный отказ, повышая тем самым отказоустойчивость и надежность системы.

В предпочтительном варианте изобретения формирование диаграммы направленности используется для оптимизации работы системы, позволяющей значительно снизить мощность, повысить эффективность использования спектра, увеличить пропускную способность и отказоустойчивость.

По мере того, как спутник движется от экватора к более высоким широтам, площадь, необходимая для обеспечения полного охвата Земли, уменьшается. В предпочтительном варианте изобретения используется алгоритм для уменьшения этой площади путем увеличения коэффициента усиления внутренних лучей, имеющих уменьшенный коэффициент усиления. Такое увеличение коэффициента усиления антенны приводит к уменьшению площади, охватываемой антенной. В то же время при движении спутника по направлению к экватору на более низких широтах площадь, необходимая для обеспечения полного охвата Земли, возрастает.

На фиг.5 показана примерная диаграмма направленности антенны, связанная со спутником в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. В данном примере диаграмма 500 направленности антенны проиллюстрирована как комбинация сотовых ячеек 505, которые можно сгруппировать в виде колец, показанных позициями 510, 520, 530 и 540.

Диаграмма направленности луча, связанная с ГБА спутника, инициализируется на стадии создания системы и оптимизируется на рабочей стадии. В предпочтительном варианте изобретения диаграмма излучения оптимизируется на основании широтного местоположения спутника. Проекция диаграммы направленности антенны спутника уменьшается, чтобы сохранить мощность и увеличить эффективность использования спектра. В альтернативных вариантах диаграмма направленности оптимизируется на основании местоположения по долготе, нагрузки системы и однородности нагрузки, а также работоспособности и состояния данного спутника и соседних с ним спутников.

Спутники орбитальной группировки расположены относительно друг друга так, что в течение определенного количества времени охватывается определенная площадь поверхности Земли. В некоторых случаях всегда обеспечивается полный охват земного шара. В других случаях обеспечивается частичный охват.

В предпочтительном варианте изобретения устанавливается N орбитальных плоскостей и в каждой орбитальной плоскости размещается М спутников. Деление окружности Земли на 2·N частей определяет оптимальный диаметр для каждой круговой проекции диаграммы направленности антенны. Обычно этот диаметр используется для определения максимального количества сотовых ячеек, необходимого для полного охвата на экваторе. Если используются круговые сотовые ячейки без перекрытия на экваторе, центры сотовых ячеек могут быть разнесены на расстояние, равное диаметру сотовой ячейки. Если используются круговые сотовые ячейки с перекрытием, то центры сотовых ячеек должны быть разнесены на расстояние меньшее, чем диаметр сотовой ячейки.

Рассмотрим, например, случай, показанный на фиг.5, где диаграмма 500 направленности антенны несколько меньше, чем ширина восьми сотовых ячеек на экваторе. Если использовать шесть орбитальных плоскостей и принять окружность Земли за 2·П·6378 километров (км), то диаметр каждой сотовой ячейки будет приблизительно 2·П·6378/(12·8)=517 км.

Если сотовые ячейки в диаграмме направленности антенны имеют практически одинаковый размер, то внешние лучи (сотовые ячейки) в комбинации сотовых ячеек от данной конкретной антенны имеют максимальный связанный с ними коэффициент усиления. Желательно, чтобы коэффициент усиления внутренних лучей был меньше для обеспечения практически одинаковой площади (размера) охвата для каждой сотовой ячейки. При таком подходе максимально повышаются рабочие характеристики с точки зрения кпд по мощности и эффективности использования спектра на экваторе для заданного числа лучей (сотовых ячеек).

Если диаграмма направленности антенны выглядит как четыре кольца сотовых ячеек, как на фиг.5, то изменения размеров сотовых ячеек и угла наведения антенны осуществляются с использованием колец в качестве подгрупп сотовых ячеек.

Например, если повышается коэффициент усиления лучей внутреннего кольца 510, то уменьшаются размеры их сотовых ячеек и соответствующие области охвата. Кроме того, изменяются углы наведения лучей, связанные с сотовыми ячейками в кольце 510. Желательно, чтобы сотовые ячейки внутреннего кольца 510 имели одинаковый размер, хотя это не является необходимым для данного изобретения.

При изменении сотовых ячеек внутреннего кольца корректируют размер и/или положение сотовых ячеек следующего кольца 520, чтобы компенсировать изменения зоны обслуживания. Положения сотовых ячеек изменяют посредством внесения изменений в соответствующие углы наведения луча. Обычно решения об изменении размера сотовой ячейки и углов наведения луча принимаются на основании текущего местоположения спутника, как было описано в процедуре 400. Если зона обслуживания, связанная с сотовыми ячейками внутреннего кольца, уменьшается, то уменьшают углы наведения луча, связанные с сотовыми ячейками в кольце 520, чтобы сдвинуть сотовые ячейки этого кольца ближе к центру, и уменьшают размеры сотовых ячеек в кольце 520.

Кроме того, если вносятся изменения в сотовые ячейки кольца 510 и кольца 520, то корректируют размер и/или положение сотовых ячеек кольца 530, чтобы компенсировать изменения зон обслуживания. Если уменьшается зона обслуживания, связанная с сотовыми ячейками внутренних колец, то изменяют углы наведения луча, связанные с сотовыми ячейками кольца 530, чтобы сдвинуть сотовые ячейки данного кольца ближе к центру, и уменьшают размеры сотовых ячеек в кольце 530.

И наконец, если изменения вносятся в сотовые ячейки кольца 510, кольца 520 и кольца 530, то корректируют размер и/или положение сотовых ячеек в кольце 540, чтобы компенсировать изменения зон обслуживания. Если уменьшается зона обслуживания, связанная с сотовыми ячейками внутреннего кольца, то изменяют углы наведения лучей, связанные с сотовыми ячейками в кольце 540, чтобы сдвинуть сотовые ячейки этого кольца ближе к центру, и уменьшают размеры сотовых ячеек в кольце 540.

В других вариантах осуществления изобретения диаграмму направленности антенны можно рассматривать как множество рядов сотовых ячеек. В этих вариантах изменения размеров сотовых ячеек и углов наведения луча осуществляют, используя ряды в качестве подгрупп сотовых ячеек. Желательно, чтобы сотовые ячейки первого ряда изменялись первыми, так как эти сотовые ячейки находятся на переднем крае диаграммы направленности антенны.

В альтернативных вариантах изобретения можно предварительно вычислить и сохранить в таблицах данные размеров сотовых ячеек и углов наведения луча. Например, заранее вычисленные таблицы можно оценивать как функцию широты спутника. Обычно вычисления для формирования диаграммы направленности антенны очень сложные и требуют больших вычислительных ресурсов. Система с табличным управлением может уменьшить вычислительную нагрузку на спутнике. Это может привести к уменьшению размера, веса и мощности.

В других вариантах размер сотовой ячейки и угол наведения луча могут зависеть как от широты, так и от долготы. Например, можно определять положение спутника на основании широты и долготы, можно определять положение сотовых ячеек по широте и долготе, можно определять размер сотовых ячеек по широте и долготе и можно определять углы наведения лучей на основании широты и долготы.

В других вариантах осуществления изобретения таблицы можно использовать для хранения неодинаковых размеров сотовых ячеек, которые основаны на широте и плотности абонентов. Например, в городских местностях плотность абонентов выше и поэтому для обслуживания городских местностей можно использовать сотовые ячейки меньшего размера.

В других вариантах изобретения размер сотовой ячейки и угол наведения луча могут зависеть от работоспособности и состояния данного спутника и соседних с ним спутников. Например, если на спутнике произошел частичный отказ, его зону обслуживания можно уменьшить, а зону обслуживания соседних с ним спутников, на которых не произошел отказ, можно увеличить, чтобы сохранить полный охват системы.

В предпочтительном варианте изобретения спутники обращаются вокруг Земли по полярным орбитам. Для спутников на полярных орбитах контуры диаграммы направленности антенны можно приблизительно описать эллипсами. Способ определения площади эллипса хорошо известен (например, площадь А=П·а·b, где а - большая ось, а b - малая ось).

На экваторе большая и малая оси равны и проекция диаграммы направленности антенны приобретает круговую форму. В предпочтительном варианте изобретения малая ось эллипса уменьшается с увеличением широты спутника. Малую ось определяют как

b=a·cos(), при =< ₀,

b=b₀, при > ₀,

где - широта, b₀ определяется как наименьшая ширина луча, которую может поддерживать апертура антенны и которая предположительно намного меньше, чем окружность Земли. При > ₀ достигается максимальный реализуемый коэффициент усиления (т.е. b₀=a·cos( ₀)). Тогда площадь проекции диаграммы направленности антенны с использованием этих допущений будет

A()=П·а·а·cos(), при =< ₀;

А()=П·а·b ₀, при > ₀

Если допустить, что площади всех лучей одинаковые и равномерно уменьшаются по всей проекции диаграммы направленности антенны спутника с увеличением широты (до = ₀), то повышение кпд по мощности будет определяться как

P _eff()=А ₀/А()=1/cos(), при =< ₀;

P _eff()=a/b ₀, при > ₀

Если орбита спутника наклонена так, что размер проекции диаграммы направленности антенны равномерно уменьшается с увеличение широты, то и большая и малая оси будут функциями широты. В данном варианте размер каждого луча уменьшается равномерно в пределах, допускаемых апертурой ГБА. Это обеспечивает повышение кпд по мощности и увеличение эффективности использования спектра с увеличением широты. В данном случае общая площадь проекции диаграммы направленности антенны определяется как

А()=П·а·cos()·a·cos(), при =< ₀;

А()=П·b ₀·b₀/ при > ₀.

Повышение кпд по мощности с увеличением широты определяется как

P _eff()=А ₀/А()=1/[cos()·cos()], при =< ₀;

P _eff()=(a/b ₀·a/b₀), при > ₀.

Если и большая и малая оси эллипса являются функциями широты, увеличение кпд по мощности равно квадрату кпд по мощности, достигаемой, когда только малая ось является функцией широты. Например, малая ось является функцией широты, когда спутники находятся на полярных орбитах, и малая и большая оси являются функциями широты, когда спутники находятся на неполярных (наклонных) орбитах.

Если и большая и малая оси эллипса являются функциями широты, то можно равномерно уменьшать размер проекции диаграммы направленности антенны и обеспечивать соответствующее повышение эффективности использования спектра. Эффективность использования спектра определяется как количество лучей на единицу площади. При таком подходе количество лучей остается постоянным, а площадь проекции диаграммы направленности уменьшается. Поэтому увеличение эффективности использования спектра также определяется как

Seff()=А ₀/А()=1/[cos()·cos()], при =< ₀;

Seff()=(a/b ₀·a/b₀), при > ₀.

Таким образом обеспечивается соответствующее повышение пропускной способности для систем с ограниченной мощностью и/или с ограниченным спектром.

Предложенные способ и устройство обеспечивают средство для оптимизации формы диаграммы направленности антенны относительно широты в спутниковой системе связи. Это позволяет решить проблемы, связанные с выключением лучей для уменьшения зон обслуживания в системе связи. Несмотря на то, что принципы изобретения были описаны в связи с конкретным устройством, понятно, что данное описание является только примером и не ограничивает объем изобретения.