CN1066161A - 卫星通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信系统。地面站(70)接收地 球范围内的播叫系统的播叫信号，上行线路射频发射 机(76)将播叫信号和卫星控制器(74)的控制信号经 由天线(80)发送给地球轨道上运行的卫星。装在卫 星上的上行线路接收机(78)经由第一天线(72)接收 播叫和控制信号。下行线路发射机(86)与天线(88) 相偶合，根据控制系统(94)的控制，天线波束可按预 定顺序指向地面上许多位置，将播叫信号发送到地 球。

Description

本发明涉及具有大面积信号覆盖的卫星通信系统。本发明具体地，但不是专门地涉及例如可在卫星播叫系统中应用的卫星通信系统。

目前正使用的卫星播叫系统包含一个装在同步轨道卫星上的固定方位的天线。通常在这样的系统中，天线及其波束方向图皆是固定的，以使信号波束的斑点或者“足迹”只覆盖着卫星可见到的地球的那一部分;其面积约为地球表面的三分之一。

天线所发送的信号在地平面的强度在所覆盖的区域是相当均匀的;但是，信号强度很微弱。这就产生一个问题，甚至对于最大功率的同步卫星，由于地平面信号强度太微弱，以致不能考虑室内的播叫覆盖。例如，对于辐射功率为400瓦的同步卫星，采用POCSAG规程，以每秒512比特的比特速率工作的现有的、有选择能力的调用播叫接收机只有2dB的信号裕度;这就是说，在地面上，平均信号强度只是在使呼叫装置工作的最小电平之上2dB。一种解决办法就是应用60波特或者更小的低比特速率的信号，以减小播叫接收机的带宽。然而，这就导致播叫系统由于其可服务的用户较少而相当昂贵和不实用。也就是说，低比特速率仅能支持小容量的播叫业务。

因此，本发明的目的在于提供一种改进了的、克服了以上缺点或者至少减轻了以上不足的卫星通信系统。

据本发明，所提供的卫星信号系统包括：一个地面站，用于接收来自地面播叫终端的播叫信号;一台上行线路发射机和天线用于将播叫信号和控制信号发送到卫星上去;绕地球轨道的卫星;用于接收播叫信号和控制信号而安装在卫星上的行线路接收机;与可控波束的天线相偶合的下行线路射频发射机，卫星装有控制下行线路天线波束方位的系统，当将播叫信号发送到地球时，天线波束按预定顺序指向地球上的许多地点。

还应知道，由于天线设置得能按预定顺序运动，因此信号波束就能顺序地指向特定的地理区域，从而使得天线能对很大的范围进行扫描，这就提供了对大陆或者全球的覆盖。

在本发明的其它方面，该系统中的播叫接收机含有电池节约器电路，该电路可使接收机通-断转换操作与下行线路波束的运动实现同步，这样，接收机只有当波束正向播叫器的所在区域发送信号时才“通”或者处于完全运行状态。

现借助实施例并参看附图，来描述本发明的卫星通信系统。

图1是已有技术卫星播叫系统的简图。

图2是根据本发明的卫星播叫系统的简图。

图3是说明本发明的卫星播叫系统工作原现的简图。

图4是说明卫星波束工作过程的流程图。

图5A-5C是说明由本发明的卫星播叫系统发送的各基群信号的简图。

图6是适于和本发明的卫星播叫系统一起使用的典型播叫接收机的方框图。

图7A-7B是说明图6所示播叫接收机中电池节约器电路工作过程的定时图。

图8A-8B是说明图6中播叫器工作过程的流程图。

首先参看图1，已有技术的卫星播叫系统又包含一台装在绕地球8同步轨道运行的卫星6上的固定天线4，该天线4的工作受卫星6控制。

天线4的安装要使得由该天线4所发送的信号波束10（它的周边线用虚线9和11表示）有一个波束区域，该区域覆盖着卫星4见到的地面表面的那一部分。该波束通常是聚光灯式波束。如上所述，由于在地球表面上的信号强度十分微弱，除将数据速率降低到大约60波特或更低之外，该卫星播叫系统不能提供室内的呼叫覆盖。

来自地面终端31的播叫信号，经天线33被发送到卫星6上的接收天线30。它由射频（RF）上行线路32表示。

现在再来参看图2，为了克服上述问题，按照本发明的最佳实施例的卫星播叫系统20包含一台可动或可控的天线22，该天线装在绕地球26的同步轨道运行的卫星24上。可动天线的运动或动作受卫星24控制。

安装可动天线22使所发送的信号波束27（用图2中的虚线21和23表示）有一相当小的波速区域，在本实施例中，该波束区域为斑区28，从而在地球表面上，提供足够的、考虑到室内的播叫覆盖的信号强度。由于地面信号强度近似地按在地球上的波束半径的二次方变化，将半径从8000哩减少到原来的十分之一，即800里，将提供大于100倍，或20dB的地面信号。例如，带有400瓦的有效辐射功率（ERP）和800哩的斑区波束直径的同步卫星，将产生高于512波特POCSAG信号门限22dB的地面信号强度。这对于提供好的室内的播叫覆盖是足够的。

可控天线22能在卫星24的控制下运动，使得斑区28可以指向地球表面上的特定的地理位置，因此，卫星24能对其可见的地球表面的整个部分进行扫描。可动或可控天线22按预先顺序和预定时间对每一地理位置扫描。实现电子可控天线22的技术，在天线技术领域是公知的，这里不重复。例如，可见美国专利No.4，489，325和No.4，595，926。

按照本明的卫星播叫系统，可以下述方式工作。

参见图3，将来自地面终端70的播叫信号和来自地面站卫星控制器74的控制信号送给上行线路发射机76。由播叫数据信号和控制卫星工作所要求的信号（该卫星又控制可动天线88动作）所组成的上行线路信号，由上行线路发射机76经发射天线80和接收天线72发送到上行线路接收机78。不难理解，上行线路数据可以采用远高于下行线路传输的数据速率进行发送。

将上行线路接收机78的输出送给卫星控制系统81和卫星播叫控制器82。播叫信号发生器84接收来自卫星播叫控制器82的信息和控制信号，并将前面所述型式的播叫信号经下行线路发射机86和可动天线88发送到带有播叫接收机92的机的方框图。

图7A-7B是说明图6所示播叫接收机中电池节约器电路工作过程的定时图。

图8A-8B是说明图6中播叫器工作过程的流程图。

首先参看图1，已有技术的卫星播叫系统又包含一台装在绕地球8同步轨道运行的卫星6上的固定天线4，该天线4的工作受卫星6控制。

天线4的安装要使得由该天线4所发送的信号波束10（它的周边线用虚线9和11表示）有一个波束区域，该区域覆盖着卫星4见到的地面表面的那一部分。该波束通常是聚光灯式波束。如上所述，由于在地球表面上的信号强度十分微弱，除将数据速率降低到大约60波特或更低之外，该卫星播叫系统不能提供室内的呼叫覆盖。

来自地面终端31的播叫信号，经天线33被发送到卫星6上的接收天线30。它由射频（RF）上行线路32表示。

现在再来参看图2，为了克服上述问题，按照本发明的最佳实施例的卫星播叫系统20包含一台可动或可控的天线22，该天线装在绕地球26的同步轨道运行的卫星24上。可动天线的运动或动作受卫星24控制。

安装可动天线22使所发送的信号波束27（用图2中的虚线21和23表示）有一相当小的波速区域，在本实施例中，该波束区域为斑区28，从而在地球表面上，提供足够的、考虑到室内的播叫覆盖的信号强度。由于地面信号强度近似地按在地球上的波束半径的二次方变化，将半径从8000哩减少到原来的十分之一，即800里，将提供大于100倍，或20dB的地面信号。例如，带有400瓦的有效辐射功率（ERP）和800哩的斑区波束直径的同步卫星，将产生高于512波特POCSAG信号门限22dB的地面信号强度。这对于提供好的室内的播叫覆盖是足够的。

可控天线22能在卫星24的控制下运动，使得斑区28可以指向地球表面上的特定的地理位置，因此，卫星24能对其可见的地球表面的整个部分进行扫描。可动或可控天线22按预先顺序和预定时间对每一地理位置扫描。实现电子可控天线22的技术，在天线技术领域是公知的，这里不重复。例如，可见美国专利No.4，489，325和No.4，595，926。

按照本明的卫星播叫系统，可以下述方式工作。

参见图3，将来自地面终端70的播叫信号和来自地面站卫星控制器74的控制信号送给上行线路发射机76。由播叫数据信号和控制卫星工作所要求的信号（该卫星又控制可动天线88动作）所组成的上行线路信号，由上行线路发射机76经发射天线80和接收天线72发送到上行线路接收机78。不难理解，上行线路数据可以采用远高于下行线路传输的数据速率进行发送。

将上行线路接收机78的输出送给卫星控制系统81和卫星播叫控制器82。播叫信号发生器84接收来自卫星播叫控制器82的信息和控制信号，并将前面所述型式的播叫信号经下行线路发射机86和可动天线88发送到带有播叫接收机92的播叫器用户90。

可动天线88受与卫星播叫控制器82相偶合的天线控制系统94操纵，按预定顺序和预定时间对地球表面上的特定地理位置扫描。当可动天线88的波束指向一具位置时，下行线路发射机86将借助播叫信号发生器84在分配给该位置的时隙期间发送与该特定位置相符合的并在下面说明的基群形式的播叫信号。

播叫系统中的播叫器，利用如下面说明的适当信号的同步码，使播叫器的电池节约器与卫星发射信号中适当基群同步操作。一旦播叫器被同步和寻址，它将对播叫信号译码。

图4是说明卫星波束可控动作的流程图。在系统被弱始化后（102），选定下一个波束位置（104）。波束被移到所选定的位置（106）并且将卫星波束启动（112）。然后发送指向特定位置的播叫信号一段预定的时间（116）。当这段时间过后，切断卫星波束（118）并且如果该系统未被禁止运行（120），选定下一个波束位置（104）。

图5A表示由卫星天线88发送的信号的典型代表40。该信号40是时分多路复用二进制播叫信号，并由基群42-50的序列组成。基群42-50的每一基群对应于卫星覆盖的扫描区内的特定的地理位置。例如，基群42可对应于纽约，基群44对应当于波士顿，基群46对应于芝加哥，等等。每一基群按时序基准被送到对应的位置。举例来说，POCSAG规程被用作每一基群中信号的形式。

图5B说明每一基群（例如，42），由前置脉冲62和接在其后的N个帧64组成。

最后，图5C画出了图5B中各帧64中的一帧的典型代表61。帧61由同步码63和接在其后的独特地区识别码65组成，该识别码对应于由该基群发送所覆盖的地理位置。识别码65后接用作访问预定播叫器的寻址信号66。

上述帧61的格式可使得各播叫器中的电池节约器的工作由于利用同步码63而同步于可动天线24的扫描顺序。在特定的地理位置内工作的播叫器，只在一旦被同步后才被加电，以便如果卫星24向该地理位置发送信号时，对播叫信号译码。这就提供了较好的播叫电池寿命。

此外，帧61的识别码65识别现在工作的播叫器的位置。因此，如果播叫器是在它的正常工作区域之外，识别码65向播叫器提供位置信息，该信息可显示在显示器上或者可用来启动播叫器的不同工作模式，例如，“慢游”模式。

图6是在本发明的卫星播叫系统中所用的播叫接收机方框图。它是惯用的、有选择能力的调用播叫接收机，它包括一射频接收机122，该射频接收机经天线120接收信号。射频接收机122的输出加到微型计算机译码器124上，处理所接收到的信号中所含的信息。正如所见到的那样，微型计算机译码器120与输出衰减器126，代码插塞地址和选择存储器128，以及在播叫器上的用户控制装置，保持联系。图6所示型式的播叫接收机的工作过程是熟知的，在名称为“带有电源储备的通用的播叫装置”、1985，05，21出版的美国专利No.4，518，961中有说明。

为了在本发明的卫星播叫系统内完成其功能，要给微处理器译码器124编制程序，以附图5A，5B和5C中所示的信号规程进行译码。特别要给译码器编程以便搜索来自卫星的信号以及其后使其译码工作同步到波束运动的定时。为了同步到信号波形，译码器首先继续工作直到它译出下行线路的信号为止。它然后利用公知的同步技术，使它的译码工作与所接收的信号同步。做完这些之后，接收机接着利用包含在微型计算机译码器的ROM程序或者包含在代码插塞和选择存储器中的信息使它本身的电池节约电路的工作与卫星下行线路发送的预定时序同步。结果，接收机电池节约器只在卫星正在向播叫器所在地区发送信号的时间间隔内才启动播叫器。例如，图7A又一次画出在基群42中（图5A）的前置脉冲62，其后的同步码63以及同步码后的地区识别段65。地区识别段65和2号地址130构成组1。每一后续组含有第1和第2地址，如图7A所示。在第8组之后，重复同步码63。因此，如果接收机所编制的程序是根据组4各地址，在该接收机中的电池节约器电路只在接收机搜索前置脉冲62和同步码63的搜索工作132的期间内，在发送组4各地址的时间间隔134内以及其后又在每一同步码时间间隔136内启动播叫器。这示于图7B中。当然，对应于其它地理位置的基群44，46，48和50的期间内不启动播叫器。

图8A和8B是说明接收机工作过程的流程图。在初始化后，接收机被接通（140）并在预定搜索期间（144）搜索位同步码（142），此后，接收机被切断（145）。如果在此预定的搜索期间（146）终了前实现了位同步，接收机将开始它对同步码（148）的搜索。再有，假设同步码在预定的搜索期间（152）终了之前被检测到，位置码将被译码（154）并且电池节约定时电路被同步（156）。接收机接着将开始搜索地址信号（158）。若地址信号被检测到（160），将产生报警信号（162）。若址址信号未被检测到（160），接收机将继续搜索地址信号直到电池节约器定时电路指示这是电池节约的时间为止（164）。如果没有检测到基群的终端（166），定时器将被置于等待下一帧（168）。如果检测到基群的终端，定时器将被重新置于等待下一基群（170）。在两种情况下，接收机都将在适当的时间后被接通（174）。

由以上可以得知，利用可控天线，所请求专利保护的发明能在相当大的地区内提供实用的室内的播叫覆盖。此外，波束的扫描工作能用于提供宽区域覆盖，当播叫器电池节约器被同步于波束的运动时，也能延长播叫器电池寿命。

更进一步可以得知，所请求专利保护的发明能被用于提供真正的全国性的或者全大陆的播叫覆盖。另外还有，它也能与现有的地面播叫系统一起使用，以便在播叫用户离开他通常的地点时，提供真正的全国性的覆盖。

Claims (9)

1、一种卫星通信系统，其特征在于包括：

绕地球轨道运行的卫星，

与所述卫星连接的用于提供信号波束的天线，所述信号波束有小的波束面积并包含具有许多信号基群的数据信号，安排所述卫星来控制所述天线的方位，

用于按预定顺序将所述信号波束指向地球上许多位置的装置，其中，所述信号基群按预定顺序排列，所述许多信号基群的每一基群对应于一个位置并含有识别码供用于识别所述许多位置中所对应的一个位置，和

设置在所述许多位置中一个位置内的轻便型的有选择能力的信号接收机，用于接收所述数据信号，启动所述轻便型的、有选择能力的信号接收机，以便接收所述许多基群中的一个基群，该基群对应于所述许多位置中所述的一个位置。

2、根据权利要求1所述的卫星通信系统，其特征在于所述小波束面积不大于800平方里。

3、根据权利要求1所述的卫星通信系统，其特征在于所述轻便型的、有选择能力的信号接收机还含有对所述数据信号译码的装置，所述译码装置根据所述数据信号确定接收机的位置。

4、根据权利要求1所述的卫星通信系统，其特征在于所述的轻便型的、有选择能力的信号接收机还有如下特征：

用于接收所述数据信号的接收机部分，和当所述卫星将所述信号波束提供给所述许多位置中所述轻便型的、有选择能力的信号接收机所在的一个位置时，用作启动所述接收机部分、以及当所述卫星将所述信号波束提供给所述许多位置中的其余位置而不是所述许多位置中的所述位置时用作切断所述接收机部分的电池节约器电路。

5、根据权利要求1所述的卫星通信系统，其特征在于用于将所述信号波束指向地球上许多位置的装置包括：

第一接收机，用于接收播叫信息和控制信息;

第一发射机，连接到所述天线的所述第一接收机，用于发送与所述播叫信息对应所述数据信号;

控制装置，连接到所述天线和所述第一接收机，用于控制所述天线，使其根据所述控制信息，将所述可控波束顺序地指向所述多个位置中的每一个。

6、根据权利要求3所述的卫星通信系统，其特征在于：所述许多信号基群中的每一基群含有用作识别所述许多位置中的每一位置的识别码，并且地所述数据信号进行译码的所述装置含有对所述识别码进行译码的装置。

7、根据权利要求5所述的卫星通信系统，其特征在于用于控制所述信号波束的所述装置还含有用于将所述播叫信息和控制信息发送给所述第一接收机的第二发射机。

8、用于接收由卫星将信号顺序地发送给许多预定区域中每一个区域的信息的、有选择能力的调用射频接收机，其特征在于包括：

用于接收所述信号的接收机部分，和当所述卫星正将信息发送给所述许多预定区域中所述射频接收机所在的一个区域时间于启动所述接收机部分，以及当所述卫星正向所述6许多预定区域中的其余区域而不是所述许多预定区域中的这一区域发送信号时，用于切断所述接波机部分的电池节约器电路。

9、一种从地面站系统终端向位于地球上许多位置的许多通信接收机的卫星通信的方法，其特征在于包含以下步骤：

（a）发送由控制信息和来自地面站系统终端的基群通信信息所组成的信号，

（b）由连接到绕地球轨道运行的卫星上的第一天线接收所述信号，

（c）将连接到卫星上的第二天线对准所述许多位置中的一个位置，根据所述控制信息确定所述许多位置中的所述一个位置，

（d）提供含有来自所述第二天线足迹的信号波束，根据所述控制信息确定所述足迹，

（e）开动所述许多通信接收机由处于所述许多位置中所述一个位置的一些接收机，

（f）将含有所述通信信息基群的通信信号从所述天线发送给所述许多位置中所述一个位置，

（g）由所述许多通信接收机中的所述一些接收机接收含有所述通信信息基群的所述通信信号，

（h）切断所述许多通信接收机中所述一些接收机，以及

（i）对于所述许多位置中的下一个位置重复步骤（a）至（h）。

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