DE69519523T2

DE69519523T2 - Übertragungsanordnung mit satelliten niedriger höhe und optimaler erdbeleuchtung für ein telekommunikationsnetz mit speicherung und durchschaltung

Info

Publication number: DE69519523T2
Application number: DE69519523T
Authority: DE
Inventors: A. Bayer; J. Goldman; K. Peters; W. Smith; R. Stuart; A. Sturza; Jose Manuel Villalvazo
Original assignee: Leo One IP LLC
Current assignee: Leo One IP LLC
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2015-10-11
Also published as: DE69519523D1; AU4128196A; EP0787387B1; WO1996012356A3; MX9702655A; CA2201470A1; WO1996012356A2; EP0787387A2; ATE197861T1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Telekommunikationen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein nicht-geostationäres Speicher- und Weitergabe-Satelliten-Kommunikationssystem.

STAND DER TECHNIK

Zunehmender Bedarf an Telekommunikations-Diensten

Über die letzten paar Jahrzehnte hat der Bedarf an Zugriff zu Informationen dramatisch zugenommen. Obwohl konventionelle Draht- und Glasfaser-Überlandleitungen, zellulare Netzwerke und geostationäre Satellitensysteme sich weiter ausgedehnt haben, um diesen nicht nachlassenden Anstieg in dem Bedarf zu erfüllen, ist die bestehende Kapazität noch nicht ausreichend, diesen steigenden Bedarf an Telekommunikations-Diensten zu decken.
Durch Technologiefortschritte und Änderungen in den behördlichen Vorschriften wurden mobile Kommunikations-Dienste auf einer kommerziellen Basis angeboten und haben zunehmend städtische, regionale, nationale und selbst internationale Bedarfsanforderungen durch Verbindungen zu öffentlichen Netzwerken erfüllt. Als Teil dieser Entwicklung wurden Normen für drahtlose Netzwerke, sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Basis entwickelt, wenngleich es noch keine wirklich nahtlosen, internationalen, drahtlosen Netzwerke gibt.
Die Kostenverringerung von mobilen Diensten ist eine der wichtigsten Bemühungen in den Anstrengungen, dass mobile Kommunikationen weitgestreute Märkte erreichen und eine schnelle Zunahme an Teilnehmern oder Abonnenten zeigen. Die Bemühungen für die Entwicklung von terrestrischen drahtlosen Kommunikationen enthalten Fortschritte in der Technologie, der Kostenverringerung und der digitalen Technologie.
Die sich ergebenden Verringerungen in den Kosten der Dienste und der Anlagen, die zu den oben beschriebenen Faktoren beitragen, haben es ermöglicht, dass mobile Kommunikationen in Geschäfts- und Verbrauchermärkte Eingang gefunden haben. Das Endziel von drahtlosen Diensten besteht darin, allseitige, leistungsfähige und fehlerfreie Zweiwege-Kommunikations-Dienste zu schaffen. Bei der Einführung von mobilen Satelliten-Diensten war es nur sehr selten der Fall, dass dieses möglich gemacht wurde. Tatsächlich sind mobile Satelliten- Dienste der letzte Schritt in der Entwicklung eines drahtlosen Kommunikations- Dienstes und sind die einzigen Dienste, die dieses Endziel einer allgegenwärtigen drahtlosen Kommunikation erreichen können.

Kommunikations-Dienste auf terrestrischer Basis

Derzeit gibt es fünf Haupttypen von öffentlichen mobilen Kommunikations- Diensten, die weltweit angewendet werden:
1. Zellular, was in erster Linie einen Zweiwege-Sprachdienst mit mobilen, transportierbaren und tragbaren Telefonen und eine Grundlage für eine Datenübertragung bietet,
2. Seitenübertragung oder sogenanntes Paging, das in erster Linie eine Einweg-Datenübertragung von numerischen und alphanumerischen Nachrichten bietet,
3. Privater Rundfunk/SMR, der in erster Linie einen Zweiwege-Sprachdienst zu abgeschlossenen Benutzergruppen bildet, jedoch auch miteinander verbundene mobile Datendienste liefern kann. SMR ist ein Untersatz vom Privaten Rundfunk, wo der Dienst auf einer kommerziellen Basis zu Geschäften durch Träger gebildet wird und nicht die Geschäfte ihre eigenen Systeme verwenden,
4. Mobile Daten, die Netzwerke für die ausschließliche Übertragung von mobilen Daten liefern, und
5. Persönliche Kommunikations-Dienste (sogenannte PCS = personal communicatons services), die mit der Mikrozellen-Technologie arbeiten, enthalten einen weiten Bereich von Sprach- und Datendiensten, zum Beispiel abgehende Einweg-PCS-Dienste, mit CT-2 bezeichnet, die in bestimmten Ländern wie dem Vereinigten Königreich, Taiwan und den Niederlanden lizenziert werden.
Die Zunahme und die Entwicklung von mobilen Diensten zeigen, dass Teilnehmer oder Abonnenten von basisbegrenzten Diensten mit der Zeit zu weiterentwickelten Diensten übergehen. Die Zunahme von mobilen Diensten auf terrestrischer Basis wird das Bewusstsein und die Nachfrage nach fortgeschrittenen mobilen Satelliten-Diensten anwachsen lassen. Darüber hinaus werden mobile Satelliten-Dienste in der Lage sein, einen Dienst in Gebieten zu liefern, die mit terrestrischen Netzwerken nicht wirtschaftlich bedient werden können.

Drahtlose Kommunikationen

Als ein Ergebnis der Fortschritte in der Technologie, der Privatisierung und der Kostenverringerung auf einer weltweiten Basis unterlagen drahtlose Kommunikationen in den letzten paar Jahren einem schnellem Anstieg in der Abonnentenzunahme. Das Ergebnis ist, dass neue, weiterentwickelte drahtlose Dienste schneller eine Marktakzeptanz erlangen, als es frühere drahtlose Technologien vermochten. Diese Erscheinung ist zurückzuführen auf die zunehmende Funktionalität, den Wert relativ zu den Kosten und das Bewusstsein in der Bevölkerung für jede fortschrittliche Technologie. Das sogenannte Paging wurde ausschließlich mit sprachlosen Einweg-Kommunikationen bei relativ hohen Kosten eingeführt. Das genannte SMR lieferte Zweiwege-Kommunikationen, jedoch nur innerhalb einer abgeschlossenen Benutzergruppe. Schließlich bot das zellulare System eine Zweiwege-Sprachkommunikation mit einem zunehmend weiten Deckungsbereich. Das Ergebnis des schnellen Anstiegs in drahtlosen Diensten weltweit bildet ein Bewusstsein und einen künftigen Bedarf für die Vorteile von fortgeschrittenen drahtlosen Kommunikationen.

Mobile Satelliten-Dienste

Mobile Satelliten-Dienste werden einzig eingesetzt, um die Entwicklung von drahtlosen Diensten zu vervollständigen. Diese Dienste bieten eine allgegenwärtige Abdeckung, Verbindungen mit anderen Netzwerken und eine Vielfalt an Diensten.
Mobile Satelliten werden in der Lage sein, sowohl Sprach- als auch Datenstationen zu erhalten, abhängig von dem jeweiligen Bedarf des Benutzers. Im allgemeinen wird jedoch ein Sprachdienst relativ zu den Daten kostspielig sein, und zwar aufgrund der größeren Infrastruktur, die für Sprachkommunikationen notwendig ist, und der im allgemeinen größeren Effizienz von Daten-Kommunikationen.
Einige frühere Bemühungen zur Förderung der Fähigkeiten von weltweiten Kommunikationen werden im folgenden kurz beschrieben. Robert R. Newton zeigt ein Multipurpose Satellite System in seinem US-Patent 3 497 807. Newton beschreibt ein System, in dem "jeder Punkt auf der Erde immer im Sichtbereich eines Satelliten liegt und jeder Satellit immer im Sichtbereich eines angrenzenden Satelliten in derselben Umlaufbahnebene liegt." Siehe Newton, Spalte 2, Zeilen 4-7.
Das US-Patent 4 135 156 von Sanders et al. mit der Bezeichnung "Satellite Communications System Incorporating Ground Relay Station Through Which Messages Between Terminal Stations Are Routed" enthält eine Beschreibung eines "Satelliten-Relais-Kommunikationssystems", das "eine derart angeordnete Modem-Relaisstation enthält, dass jede Nachricht von einem Abonnenten zu einem anderen durch den Satelliten zu der Bodenstation weitergegeben, durch die Bodenstation verarbeitet und dann über den Weg einer Satellitenverbindung zu dem zweiten Abonnenten übertragen wird." Siehe Sanders et al., Abstract, Zeilen 1-6.
Paul S. Visher beschreibt in seinem US-Patent 4 375 697 ein "Satellite Arangement Providing Effective Use of Wie Geostationary Orbit". Sein Patent erwähnt eine "Satelliten-Schwadron oder Gruppen-Formätion", die "in einer vorbestimmten Lage in... der geostationären Umlaufbahn...angeordnet ist". Siehe Visher, Abstract, Zeilen 1-2.
In ihrem US-Patent 5 119 225 erklären Michael Grant et al. ihr Multiple Access Communication System. Die Erfinder beschreiben ein System, das einen "Weltraumfahrzeug-Knoten" (node spacecraft) in einer geostationären Umlaufbahn enthält, die in Kombination mit einem "Weltraumfahrzeug für mehrere Benutzer" (several user spacecraft) in der unteren Erdumlaufbahn arbeitet. Siehe Grant et al., Abstract, Zeilen 1-3.
In dem US-Patent 4 809 935 beschreibt Draim ein Satellitensystem mit einer minimalen Anzahl an Satelliten mit einem Aufbau mit drei Satelliten in einer elliptischen Umlaufbahn, das die gesamte nördliche oder südliche Halbkugel abdeckt, und einen Aufbau mit vier Satelliten für eine kontinuierliche Gesamtabdeckung.
In dem US-Patent 3 340 531 beschreiben Kefalas et al. ein Satelliten-Kommunikationssystem, in dem mehrere transportable, auf der Erdoberfläche angeordnete Bodenstationen durch mehrere Satelliten in einer Umlaufbahn um die Erde positioniert sind. Das System verwendet ein Netzwerk mit einer phasenlinearen Reihe von Empfangs- und Sendeantennen zur Bildung von Empfangs- und Sendemustern, die über die vollständige Erdhalbkugel abgetastet und angepasst werden können.
Ward und Price beschreiben in ihrem Artikel aus dem Jahre 1987 mit der Bezeichnung "The UoSAT 2 Digital Communications Experiment" den Betrieb eines Speicher- und Weitergabe-Kommunikationsdienstes von einem Satelliten in einer unteren Erdumlaufbahn.
In der Druckschrift aus dem Jahre 1987 mit dem Titel "Multiple Satellite Networks: Performance Evaluation via Simulation" von Clare et al. beschreiben die Autoren eine Simulation von Netzwerken mit Satelliten und Erdstationen als Interkommunikations-Knoten.
Ein globales Nachrichten-Kommunikations-Netzwerk für einen Verkehr mit geringer Dichte mit Anwendung von Satelliten bei geringen Höhen wird in der Schrift aus dem Jahre 1992 mit dem Titel "A Global Message Network Employing Low Earth-Orbiting Satellites" von Kaniyil et al. untersucht.
Die Europäische Patentanmeldung 0 317 974 zeigt ein geschäftliches Satelliten- Kommunikationssystem, das in der Lage ist, mehrere Stationen über ein Netzwerk mit einer öffentlichen Kommunikation zu überwachen.
Ein Anforderungs-Zuordnungs-Kommunikationssystem ist beschrieben in dem US-Patent 4 870 642 von Nohara et al.
In dem US-Patent 4 361 886 zeigt Gutleber ein Satelliten-Kommunikationssystem, das eine Doppler-Löschschleife (cancelling loop) anwendet.
Keines der oben beschriebenen Systeme ist in der Lage, ein weltweites Kommunikations-Netzwerk mit sehr geringen Kosten zu schaffen, das keine Anordnung mit kostenintensiven und komplexen terrestrischen oder geostationären Satelliten benötigt.
Die oben beschriebenen Druckschriften zeigen Telekommunikationssysteme mit Satelliten, die im Polargebiet, im Äquatorgebiet oder in geneigten unteren Erdumlaufbahnen angeordnet sind. Die Systeme bewirken die Übertragung einer Nachricht zwischen zwei festen oder mobilen Stationen mit geringer Leistung auf dem Erdboden über ein Speicher- und Weitergabe-Netzwerk. Das Verfahren mit der Speicher- und Weitergabe-Station zieht einen Vorteil aus der Geometrie eines Systems, bei dem die Satelliten häufig über verschiedene Teile der Erdkugel fliegen können.
Diese Systeme mit einer niedrigen Erdumlaufbahn bieten derzeit keinen Zugriff zu einem Satelliten während einhundert Prozent der Zeit. In den am meisten bevölkerten Gebieten der Erdkugel muss ein Benutzer einige Minuten warten, bis ein Satellit in seinen Sichtbereich fliegt.
Es wäre ein beachtlicher wirtschaftlicher Vorteil für ein System mit einer minimalen Anzahl an kostengünstigen Satelliten, einem Benutzer, der in stark bevölkerten höheren geographischen Breiten wohnt, virtuell einen sofortigen Zugriff zu einem Satelliten anzubieten. Es wäre in manchen Fällen auch ein wirtschaftlicher Vorteil, eine nahezu sofortige Kommunikation einer Nachricht des Benutzers zu bestimmten Bestimmungsorten anzubieten. Die Entwicklung eines derartigen Systems würde einen beträchtlichen technologischen Fortschritt darstellen und einen fange vorhandenen Bedarf in der Satelliten- und Telekommunikatons-Industrie erfüllen.
Die EP-A-0 562 374 zeigt mehrere Relaisstationen, mehrere Benutzerstationen, eine Anordnung von in unteren Erdumlaufbahnen arbeitenden Kommunikations- Satelliten, wobei die mehreren Benutzerstationen über die Erde verteilt sind. Jeder der mehreren Satelliten ist dabei in der Lage, mit wenigstens einer der mehreren Relaisstationen und mit wenigstens einer der mehreren Benutzerstationen zu kommunizieren, und jeder Satellit enthält eine Kommunikations-Nutzlast.
Das "Journal of the Astronautical Sciences", Band 34, Nr. 1, Januar-März 1986, Seiten 31-64, L. Rider: "Analytic Design of Satellite Constellations for Zonal Earth Coverage using Inclined Circular Orbits" zeigt Satelliten-Anordnungen für verschiedene Zwecke, einschließlich einer Kommunikation mit einer Anordnung von gleichbeabstandeten Satelliten, die auf mehreren unteren Erdumlaufbahnen arbeiten. Jedes der Paare von unteren Erdumlaufbahnebenen enthält eine geneigte Umlaufbahnebene und eine konjugiert geneigte Umlaufbahnebene.
Dabei haben die geneigte Umlaufbahnebene und die konjugiert geneigte Ebene einen aufsteigenden Knoten und einen absteigenden Knoten, und der aufsteigende Knoten der geneigten Umlaufbahnebene ist um ungefähr 180º nach rechts ansteigend von dem ansteigenden Knoten der konjugiert geneigten Umlaufbahnebene versetzt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Satellitensystem mit achtundvierzig Satelliten, die gleichermaßen in vier Paaren von unteren Erdumlaufbahnen angeordnet sind. Die Umlaufbahnen sind um 50º zum Äquator geneigt. Der aufsteigende Knoten einer Umlaufbahn eines Paares von Umlaufbahnen ist gegenüber dem aufsteigenden Knoten seiner konjugierten Umlaufbahn um 180º rechts ansteigend versetzt. Der aufsteigende Knoten einer Umlaufbahn erfolgt daher bei demselben Winkel des Rechtsanstiegs wie der absteigende Knoten der konjugierten Umlaufbahn. Aufsteigende Knoten von aneinanderliegenden Umlaufbahnebenen sind bei 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315º rechts ansteigend angeordnet. Der interplanetare Phasenwinkel jeweils zwischen zwei aneinanderliegenden Umlaufbahnen beträgt 0º. Der interplanetare Phasenwinkel ist der Winkel zwischen zwei Satelliten in benachbart liegenden Ebenen, wenn eine davon der Äquator ist. Es sind auch andere Umlaufbahn- Parameter möglich, wobei weiterhin konjugierte Paare von Umlaufbahnen komplementäre aufsteigende Knoten aufweisen. Diese Anordnung ist kein Teil der Klasse von Anordnungen mit acht gleichbeabstandeten Ebenen. Derartige Anordnungen haben aufsteigende Knoten bei 0 oder 180, 22,5 oder 202,5, 45 oder 225, 67,5 oder 247,5, 90 oder 270, 112,5 oder 292,5, 135 oder 315 und 157,5 oder 337,5 Grad rechts aufsteigend. In keinem Fall ist der aufsteigende Knoten einer Ebene derselbe wie der absteigende Knoten einer anderen Ebene.
Eine Benutzerstation, die zwischen 34º und 54º geographischer Breite liegt, dem am meisten bevölkerten Teil der Erdkugel, hat einen virtuell kontinuierlichen Zugriff zu einem Satelliten in dieser Anordnung.
Eine bevorzugte Ausführungsform bildet ein System zur Übertragung einer Nachricht zwischen zwei Stationen auf dem Erdboden über ein Speicher- und- Weitergabe-Netzwerk. Für bestimmte Benutzerstationen, die in den oberen geographischen Breiten liegen, kann die Kommunikation virtuell unverzüglich erfolgen.
Die Satelliten sind so ausgebildet, dass sie in einer runden unteren Erdumlaufbahn bei einer Höhe von 950 km oder höher arbeiten. Sie sind außerdem in der Lage, Nachrichten über die Erdkugel zu verbreiten, indem sie entweder in Kombination mit Relaisstationen auf dem Erdboden arbeiten oder die Nutzdaten der Nachricht durch Relaisstationen über verschiedene Umlaufbahnen übertragen werden.
Die im folgenden beschriebenen Systeme sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, einen leistungsfähigen weltweiten Dienst zu bilden, woraus sich ein Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen, auf terrestrischen oder bisherigen, auf Satelliten basierenden Anbietern für Dienste ergibt. Die Dienste werden im folgenden beschrieben und sind in der Tabelle 1 zusammengestellt.
Die vorliegende Erfindung ist dafür ausgebildet, einen leistungsfähigen, sprachlosen, nicht-geostationären mobilen Satellitendienst (NVNG MSS = Non- Voice, Non-Geostationary Mobile Satellite Service) in verschiedenen Markten zu liefern:
TracSatTM: Spurhaltung (tracking) und Überwachung für die Transportindustrie
SecurSatTM: Ortsfeste Überwachung von Industrie/Gebrauch- Niederlassungen.
Überwachung und Spurhaltung für verlegte oder gestohlene Waren.
MailSatTM: Übertragung einer E-Mail.
PageSat: Alphanumerische Zweiwege-Seitenübertragung (Paging).
EmerSatTM: Notdienste.
Andere Dienste: Rundfunkbaken, interaktive Fernsehantwort, Büro- Kommunikation. Tabelle 1 Teile von Diensten und Anforderungen
Eine Würdigung von anderen Zielen und Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten und alternativen Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung von achtundvierzig Satelliten in vier Paaren von geneigten Umlaufbahnen. Aus Gründen der Klarheit sind nur zwei Paare von Umlaufbahnen dargestellt;
Fig. 2 ist ein Diagramm und zeigt typische Satellitenbahnen auf einer Merkator-Projektion der Erdoberfläche für acht Umlaufbahnebenen, sechs Satelliten je Ebene bei einer Neigung von 50º;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform von Satelliten zur Durchführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine typische Relaisstation mit dem bei der Erfindung benötigten Elevationswinkel von fünfzehn Grad;
Fig. 5 ist ein Diagramm eines Paares von Umlaufbahnebenen, die um fünfzig Grad zum Äquator geneigt sind, und zeigt eine übliche Umlaufbahnhöhe von 950 km, wobei ein Satellit den aufsteigenden Knoten einer Umlaufbahnebene verlässt und ein Satellit den absteigenden Knoten der konjugierten Umlaufbahnebene verlässt;
Fig. 6 ist eine Kennlinie für die Abhängigkeit der Sichtbarkeit des Satelliten (Prozentsatz der Zeit) von der geographischen Breite bei einem Elevationswinkel von 15º für drei Kombinationen von Satelliten und Umlaufbahnebenen einschließlich der Kombination von acht Umlaufbahnebenen und sechs Satelliten je Ebene (8 · 6), wie sie in einer Ausführungsform der Erfindung angewendet wird;
Fig. 7 zeigt eine Kennlinie der mittleren Abwärtskapazität (kBit/Sekunde) in Abhängigkeit von der geographischen Breite bei einem Elevationswinkel von 15º für drei Kombinationen von Satelliten und Umlaufbahnebenen einschließlich der Kombination von acht Umlaufbahnebenen und sechs Satelliten je Ebene (8 · 6), wie sie in einer Ausführungsform der Erfindung angewendet wird;
Fig. 8 zeigt eine Kennlinie einer "Auszeit" (nicht verfügbare Zeit) in Abhängigkeit von der geographischen Breite bei einem Elevationswinkel von 15º für drei Kombinationen von Satelliten und Umlaufbahnebenen einschließlich der Kombination von acht Umlaufbahnebenen und sechs Satelliten je Ebene (8 · 6), wie sie in einer Ausführungsform der Erfindung angewendet wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm eines Satelliten, der mit Relaisstationen und Benutzerstationen durch eine Aufwärtsverbindung und eine Abwärtsverbindung kommuniziert;
Fig. 10 ist ein Diagramm und zeigt verschiedene Verfahren zur Weitergabe von Nachrichten und Daten zwischen Relaisstationen;
Fig. 11 zeigt die Frequenzen und die Bandbreite, die in Aufwärts- und Abwärts-Verbindungen zwischen einem Satelliten, einer Relaisstation und einer Benutzerstation angewendet werden;
Fig. 12 ist ein Diagramm des Aufbaus eines Datenpakets;
Fig. 13 ist ein funktionales Blockschaltbild des Satelliten-Untersystems und seiner Verbindungen;
Fig. 14 zeigt ein funktionales Blockschaltbild der Nachricht- oder "Kommunikations-Nutzlast";
Fig. 15 zeigt das Verstärkungsmuster der Satellitenantenne;
Fig. 16 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform für die Umsetzung von den Hochfrequenz (HF) in die Zwischenfrequenz (ZF), die in dem Empfänger für digitale Bandabtastung angewendet wird, um schnell unbelegte Frequenzen zu finden, die für die Kommunikationen des Satelliten, der Relaisstation und der Benutzerstation angewendet werden können;
Fig. 17 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Umsetzung von HF in ZF, die in dem Empfänger mit digitaler Bandabtastung benutzt wird;
Fig. 18 ist ein Diagramm und zeigt mögliche Kombinationen des Modem- Moduls mit anderen Modulen in einer Benutzerstation;
Fig. 19 ist ein Blockschaltbild des Modem-Moduls;
Fig. 20 ist ein Diagramm des Verstärkungsmusters einer üblichen Antenne für eine Benutzerstation;
Fig. 21 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Relaisstation;
Fig. 22 zeigt schematisch ein System mit einer Rundfunkbake zur Überwachung der Seeumgebung und der Spurdaten mit stationierten Bojen, die Daten über die Verbindungen der Satellitenanordnung gemäß dieser Erfindung zum Erdboden übertragen;
Fig. 23 ist eine schematische Darstellung eines interaktiven Fernsehsystems, das eine Rückverbindung von einem Betrachter zu einem Fernseh-Sender durch die Satellitenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung anwendet;
Fig. 24 zeigt die Rückverbindung von einem Betrachter einer Satelliten- Fernsehsendung über die Verbindungen von der Satellitenanordnung zu Erdstationen gemäß dieser Erfindung sowie Datennetzwerke auf terrestrischer Basis;
Fig. 25 ist ein schematisches Diagramm und zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zu bewegbaren Geräten oder Geräten mit geringer Datenrate innerhalb eines Gebäudes, das das Hochfrequenzsignal des Benutzers von dem Satelliten abschirmt.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Satellitenanordnung

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung 10 von achtundvierzig Satelliten 12, die in vier konjugierten Paaren von Umlaufbahnen 22 arbeiten, die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Aus Gründen der Klarheit sind in Fig. 1 nur zwei konjugierte Paare von Umlaufbahnen 22 dargestellt. In dem folgenden Text bezieht sich der Ausdruck "Anordnung" auf die gesamte Gruppe von Satelliten 12. Eine vollständige Ausführung der Erfindung, die sowohl die Anordnung 10 als auch die Anlage wie Relaisstationen oder Benutzerstation auf oder in der Nähe der Erdoberfläche beinhaltet, wird durch die Ausdrücke "System" oder "Netzwerk" beschrieben.
Die in Fig. 1 dargestellten Satelliten 12 arbeiten in einer runden Umlaufbahn 14, 15 um die Erde E, die zum Erdäquator 16 um 50º geneigt ist. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform sind die Satelliten 12 in Umlaufbahnen 14, 15 bei einer Höhe von 950 km gleichbeabstandet, was den besten Kompromiss zwischen der Systemabdeckung für die Benutzer und den Kosten darstellt. Die Paare von Umlaufbahnen 22 sind so positioniert, dass der aufsteigende Knoten einer Umlaufbahn 14 um etwa 180º rechts ansteigend (geographische Länge) von dem aufsteigenden Knoten der konjugierten Umlaufbahn 15 versetzt ist. Der aufsteigende Knoten ist der Punkt in einer Umlaufbahn, wo ein Satellit die Ebene des Erdäquators EQ nordwärts gehend schneidet. Der absteigende Knoten ist der Punkt in einer Umlaufbahn, wo ein Satellit die Ebene des Erdäquators EQ südwärts gehend schneidet. Aufsteigende Knoten von aneinanderliegenden Umlaufbahnebenen liegen bei ungefähr 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315º rechts ansteigend. Der interplanetare Phasenwinkel zwischen jeweils zwei aneinanderliegenden Umlaufbahnebenen in der am meisten bevorzugten Ausführungsform beträgt null Grad.
Der interplanetare Phasenwinkel ist der Winkel zwischen zwei Satelliten 12 in aneinanderliegenden Ebenen, wenn sich ein Satellit 12 beim Äquator 16 befindet. Der interplanetare Phasenwinkel zwischen Satelliten 12 in aneinanderliegenden Umlaufbahnen kann zwischen 0º und 360º liegen, vorzugsweise zwischen 0º und 45º, wobei die am meisten bevorzugte Ausführungsform bei 7,5º liegt. Der Phasenwinkel kann zwischen aneinanderliegenden Umlaufbahnebenen unterschiedlich sein.
Die oben angegebenen Parameter gelten für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Es sind jedoch auch andere Parameter für die Umlaufbahn möglich, wobei konjugierte Paare von Umlaufbahnen 22 mit komplementären aufsteigende Knoten beibehalten werden. Die Höhe der Satelliten 12 kann zum Beispiel auch von 950 km abweichen und zwischen 100 km und 12.000 km liegen. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 100 km und 1.200 km, was nennenswert geringer ist als die geostationäre Höhe. Die Höhe der Satelliten 12 in den verschiedenen Umlaufbahnen kann unterschiedlich sein. Die Umlaufbahnebenen 14, 15 können zum Erdäquator EQ zwischen 0º und 180º geneigt sein. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 40º und 80º. in der am meisten bevorzugten Ausführungsform sind die Umlaufbahnebenen um 50º geneigt, was eine ideale Systemabdeckung für die am dichtesten bevölkerten Bereiche der Erde bildet. Die Neigung einer Ebene kann von der der anderen Ebenen abweichen. Außerdem kann die Anzahl an Satelliten je Umlaufbahnebene 14, 15 eine positive ganze Zahl sein, und die Gesamtzahl an Satelliten 12 ist vorgegeben durch die Anzahl an Umlaufbahnebenen 14, 15, multipliziert mit der Anzahl an Satelliten je Ebene. Es können bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform mit sechs Satelliten je Umlaufbahn 14, 15 zwischen zwei und zwölf Satelliten 12 je Umlaufbahn 14, 15 bestehen, vorzugsweise zwischen fünf und acht. Die letztgenannte Anzahl an Satelliten 12 liefert den besten Kompromiss zwischen der Systemeffizienz und den Kosten.
Es kann eine Anordnung 10 geschaffen werden, in der die Anzahl an Umlaufbahnebenen (N) eine gerade, positive ganze Zahl ist und die aufsteigenden Knoten der Ebenen bei rechten Aufstiegswinkeln von 0,180, 360/N, 360/N+180...k*360/N, k*36D/N+180...(N/2-1)*360/N, (N/2-1)*3601N+180 Grad liegen. Es kann zwischen zwei und zwölf Umlaufbahnebenen 14, 15 geben. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen vier und zehn. Die am meisten bevorzugte Ausführungsform enthält acht Umlaufbahnebenen 14, 15, was die beste Sichtbarkeit des Satelliten von nördlichen geographischen Breiten der Erde ergibt. Außerdem können die Umlaufbahnen anders als rund sein, zum Beispiel elliptisch oder elliptisch mit sich ändernden Brennpunkten.
Während eine Vielfalt von Anzahlen an Umlaufbahnen 14, 15 und Satelliten 12 zur Ausführung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, sollte der Leser verstehen, dass die Erfindung jeden Aufbau umfasst, der nicht ein geostationäres Raumfahrzeug benutzt, das in Umlaufbahnen bei einer Höhe von ungefähr 23.000 Meilen liegt, ausgenommen die Anwendung eines geostationären Raumfahrzeugs als eine Kommunikationsverbindung.
Die einen Teil der Erfindung bildende Anordnung 1 D ist kein Mitglied der Klasse von Anordnungen mit acht gleichbeabstandeten Ebenen. Die Anordnungen enthalten aufsteigende Knoten mit Aufstieg nach rechts von 0 oder 180, 22,5 oder 202,5, 45 oder 225, 67,5 oder 247,5, 90 oder 270, 112,5 oder 292,5, 135 oder 315 und 157,5 oder 337,5 Grad. In keinem dieser Fälle ist der aufsteigende Knoten einer Ebene der gleiche wie der aufsteigende Knoten einer anderen Ebene. Tatsächlich ist die Kombination von aufsteigenden und absteigenden Knoten um den Äquator 16 gleich beabstandet.
Fig. 1 enthält Relaisstationen 18, die auf dem Erdboden angeordnet und international in einem Muster von Lagen auf der Erde verteilt sind, die die Abdeckung oder das Sendegebiet maximieren und die Zeit zum Weitergeben von Nachrichten und Daten zwischen jeweils zwei Benutzerstationen minimieren. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ungefähr zehn bis einhundert "verteilte" Relaisstationen 18.
Die Relaisstationen 18 sind in der Lage, mit den Satelliten 12 in der Umlaufbahn über Aufwärtsverbindungen und Abwärtsverbindungen zu kommunizieren. Die Relaisstationen 18 können mit Netzwerken auf terrestrischer Basis wie öffentlichen Telefonnetzen verbunden sein.
Benutzerstationen 20 sind zufallsmäßig über die Erdoberfläche verteilt und sind auch in der Lage, mit den Satelliten 12 zu kommunizieren. Die Benutzerstationen 20 können fest, mobil oder tragbar sein. Sie können an Land, auf See oder in der Luft angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm für typische Satellitenbahnen auf einer Merkator- Projektion der Erdoberfläche für acht Umlaufbahnebenen, sechs Satelliten je Ebene bei einer Neigung von 50º. Die Bodenbahnen zeigen an, dass die Satelliten häufig über den größten Teil des Festlands der Erdkugel laufen. Eine Benutzerstation zwischen 34º und 54º geographische Breite, dem am meisten bevölkerten Teil der Erdkugel, hat einen virtuell oder annähernd kontinuierlichen Zugriff zu einem Satelliten in dieser Anordnung 10. Dieses Merkmal wird später näher beschrieben. Eine bevorzugte Ausführungsform liefert ein System zum Übertragen einer Nachricht zwischen zwei Stationen auf dem Erdboden über ein Speicher- und Weitergabe-Netzwerk. Für bestimmte Benutzerstationen in den oberen geographischen Breiten kann die Kommunikation annähernd unverzüalich erfolgen.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Satelliten 12, der in einer der Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann. Der Satellit 12 enthält einen Körper 24, Sonnenzellen-Flächen oder Solarplatten 28 und ein Paar von Wendelantennen 26.
Fig. 4 zeigt den Elevationswinkel 30 von ungefähr 15º, der für den zuverlässigen Betrieb der vorliegenden Erfindung notwendig ist. Der Elevationswinkel 30 ist der Winkel gemessen von dem örtlichen Horizont bei einer terrestrischen Station wie zum Beispiel einer Relaisstation 18 bis zu dem Bereich des Himmels, wo die Relaisstation 18 in der Lage sein wird, mit einem der Satelliten 12 in der Anordnung 10 zu kommunizieren.
Fig. 5 ist ein Diagramm eines Paares von Umlaufbahnebenen 22, die um 50º zum Äquator geneigt sind. Sie zeigt einen Satelliten 12a, der den aufsteigenden Knoten 40a einer Umlaufbahnebene 14 verlässt, und einen Satelliten 12b, der den absteigenden Knoten 40b der konjugierten Umlaufbahnebene 15 verlässt. In dieser Ausführungsform liegen sechs gleichbeabstandete Satelliten 12 in jeder runden Umlaufbahnebene 14, 15 bei einer Höhe von 950 km. In dieser Ausführungsform gibt es keine Überlappung der Grundflächen des Hochfrequenzstrahls des Satelliten 12 zwischen Satelliten 12 in den um 50º geneigten Umlaufbahnen. Bei der Anwendung in Verbindung mit Satelliten 12 in einer äquatorialen Umlaufbahn wird eine Steuerung der Frequenzzuordnungen am Boden Interferenzen zwischen Satelliten in diesen Umlaufbahnen und Satelliten in der äquatorialen Umlaufbahn verhindern.
Fig. 6 zeigt Kennlinien für die Sichtbarkeit des Satelliten (Prozentsatz der Zeit) in Abhängigkeit von der geographischen Breite bei einem Elevationsverdeckungswinkel von 15º für drei Kombinationen von Satelliten 12 und Umlaufbahnebenen 14, 15. Die Kombination von vier Paaren von acht Umlaufbahnebenen 22 und sechs Satelliten 12 je Ebene (8 · 6) wird in einer Ausführungsform der Erfindung angewendet. Die anderen dargestellten Kombinationen gelten für Umlaufbahnebenen mit sechs Satelliten 12 in jeder Ebene (4 · 6) und vier Umlaufbahnebenen mit je zwölf Satelliten (4 · 12). Die Kombination von vier Paaren von acht Umlaufbahnebenen 22 und sechs Satelliten 12 je Ebene (8 · 6), die in einer Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, zeigt 99% an Sichtbarkeit für eine Station 18, 20 bei geographischen Breiten zwischen 34º und 540 In anderen Worten: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere Satelliten oberhalb eines Elevationswinkels von 15º in diesen geographischen Breiten sichtbar werden, ist größer als 99%. Die 8 · 6 Anordnung 10 liefert eine bessere Sichtbarkeit oberhalb von 27º geographischer Breite als die anderen Kombinationen. Das ist von besonderer Bedeutung auf der nördlichen Halbkugel, da diese geographischen Breiten den gesamten Kontinent Europa, Hawai, Japan, die kontinentalen Vereinigten Staaten, China und das Europäische Russland umfassen.
Fig. 7 zeigt die mittlere Abwärtsverbindungs-Kapazität in kBit je Sekunde (KBPS = kilobits per second) in Abhängigkeit von der geographischen Breite bei einem Elevationsverdeckungswinkel von 15º für die drei Kombinationen von Satelliten 12 und Umlaufbahnebenen 14, 15, wie in Fig. 6 gezeigt. Die in einer Ausführungsform der Erfindung angewendete 8 · 6 Anordnung 10 und die 4 · 12 Anordnung haben eine Spitzen-mittlere-Abwärtsverbindungs-Kapazität von ungefähr 32º bei einer geographischen Breite von 50º. Die höchste mittlere Abwärtsverbindungs-Kapazität beträgt nahezu das Zweifache derjenigen einer 4 · 6 Anordnung.
Fig. 8 ist eine Kurvendarstellung der 90%-igen "Auszeit" in Abhängigkeit von der geographischen Breite bei einem Elevationsverdeckungswinkel von 15º für die drei Kombinationen von Satelliten 12 und Umlaufbahnebenen 14, 15, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine 8 · 6 Anordnung 10, bietet einem Benutzer beträchtlich kürzere "Auszeiten" bei geographischen Breiten zwischen 27º und 58º. Die sogenannte "Auszeit" stellt die Zeit dar, während der ein Benutzer warten muss, bis ein Satellit 12 in Sichtweite kommt. Zwischen 34º und 54º hat der Benutzer einen nahezu sofortigen Zugriff zu einem oder mehreren Satelliten 12. Die maximale "Auszeit" ist für einen Benutzer, der sich zwischen der geographischen Breite von 34º und der geographischen Breite von 54º befindet, kleiner als eine Minute. Die Tatsache, dass ein Benutzer so kurze Zeit für einen Zugriff zu einem Satelliten 12 warten muss, ist ein beachtlicher wirtschaftlicher Vorteil. Die Erfindung kann einigen Benutzern eine nahezu sofortige Kommunikation zu bestimmten Bestimmungsorten bei nennenswert geringeren Kosten bieten als zum Beispiel ein geostationäres Satellitensystem.

Kommunikationsverbindungen und Protokolle

Die vorliegende Erfindung enthält ein Satellitensystem, das eine Speicher- und Weitergabe-Abdeckung von nahezu allen Stellen der Erdoberfläche bildet. Die folgende Beschreibung basiert auf einer bevorzugten Ausführungsform (wie in Fig. 1 gezeigt), in der die Anordnung 48 Satelliten 12 in vier konjugierten Paaren von Umlaufbahnebenen 22 enthält. Die Paare sind entlang des Äquators gleichbeabstandet und um 50º geneigt. In dieser bevorzugten Ausführungsform enthält jede Umlaufbahnebene 14, 15 sechs gleichbeabstandete Satelliten 12 in einer runden Umlaufbahn bei einer Höhe von 950 km. Benutzerstationen 20 sind zufallsmäßig verteilt, in erster Linie in bewohnten Teilen der Erde E. Während detaillierte Informationen bezüglich der Leistungsanforderungen, der Oberflächen-Grundfläche jedes Hochfrequenzstrahls eines Satelliten und dergleichen für diese Ausführungsform spezifisch sind, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die beschriebenen Verfahren und Geräte ebenso auf andere Ausführungsformen mit anderen Anordnungen oder Umlaufbahnebenen anwendbar sind.
In Fig. 9 ist ein primäres Verfahren für eine Kommunikation zwischen Teilnehmern oder Abonnenten, die mit Benutzerstationen 20 arbeiten, dargestellt. Ein Abonnent kommuniziert mit einem Satelliten 12 über eine Stations-Satelliten- Aufwärtsverbindung (TSU = terminal-satellite uplink) 50a. Der Satellit speichert die Nachricht und gibt sie zu einem späteren Zeitpunkt über eine Benutzerstation- Satelliten-Abwärtsverbindung (TSD = terminal-satellite downlink) 50b weiter. Um die Zeit für die Weitergabe zu verringern, ist der Satellit in der Lage, die Nachricht über eine Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD) 48b zu einer Relaisstation 18 zu senden. Die Relaisstation 18 sendet die Nachricht zu einem zweiten Satelliten 12 in einer Umlaufbahn 14, 15 zurück der schneller an die Adresse gelangt. Die Rückübertragung erfolgt über eine Relaisstation- Satelliten-Aufwärtsverbindung (RSU) 48a. Der zweite Satellit 12 sendet zu einem späteren Zeitpunkt die Nachricht über eine Benutzerstation-Abwärtsverbindung (TSD) 50b zu der Adresse.
In Fig. 9 ist die Relaisstation 18 eine Station zur Weitergabe der Nachricht, wenn sie eine Nachricht von einem Teilnehmer bekommt, die durch eine Übertragung mittels einer Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung 48b erhalten wird. Die Relaisstation 18 kann diese Nachricht halten, bis ein anderer Satellit 12 in der Anordnung 10 in den Bereich gelangt, oder, abhängig von dem Bestimmungsort, kann sie die Nachricht durch eine der im folgenden beschriebenen Relaismittel weitergeben.
Fig. 10 ist ein Diagramm und zeigt einen Satelliten 12, der mit einer Relaisstation 18 über Relais-Satelliten-Abwärtsverbindungen (RSD) 48b kommuniziert, die daraufhin Nachrichten zu ihren Bestimmungsorten über terrestrische Verbindungen 51 oder Verbindungen 53 mit einer Station mit einem sehr geringen Öffnungswinkel (VSAT) 53 zu den geostationären Satelliten 52 weitergeben.
Fig. 10 zeigt einen Satelliten 12 in einer geneigten Umlaufbahn 14, 15 unter Anwendung einer Kombination von Boden-Relaisstationen 18, terrestrischen Verbindungen 51 und eines geostationären Satelliten 52 für Relaisdaten. Es kann jede Kombination dieser Teile angewendet werden, um eine Nachricht über eine besondere Umlaufbahnebene 14, 15 zu beschleunigen. Diese neue Anwendung von Relaisstationen 18 und anderen Verbindungen 51, 53 setzt das System in die Lage, die Übertragung eines Nachrichten-Nutzsignals zu seinem Bestimmungsort zu beschleunigen, statt darauf zu warten, dass die Satelliten 12 in der Umlaufbahnebene 14, 15 um die Erde E bis zu ihrem Übertragungspunkt gelangen.
In Fig. 10 sind drei Linien einer geographischen Breite, bezeichnet mit den Bezugsziffern 54, 56 und 58, auf der Erdoberfläche dargestellt. Diese Linien stellen die geographische Breite bei 60º Nord, 30º Nord bzw. 30º Süd dar. Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Bereich der Erdoberfläche, der durch die Linien 54 und 56 geographischer Breite begrenzt ist, in Dienstbereichen des Satelliten 12 in geneigten Umlaufbahnen 14, 15, und der Bereich der Erdoberfläche, der durch die Linien 56 und 58 der geographischen Breite begrenzt ist, liegt innerhalb der Dienstbereiche der Satelliten 12 in einer äquatorialen Umlaufbahn.
Um die Übertragungszeit einer Verkehrsnachricht noch weiter zu verringern, können dis verteilten Relaisstationen 18 in verschiedenen in Fig. 10 dargestellten Möglichkeiten miteinander verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform sind die Relaisstationen 18 unter Anwendung von Stationen mit sehr geringem Öffnungswinkel (VSATs = very small aperture terminals) über einen geostationären Kommunikationssatelliten 52 miteinander verbunden. Bei einer Abwandlung dieser Ausführungsform können große Kommunikationssatelliten in einer unteren Erdumlaufbahn anstelle der geostationären Satelliten 52 in einer größeren Höhe für diese Verbindungen eingesetzt werden.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Relaisstationen 18 über öffentliche, geschaltete Telefonnetze 51 miteinander verbunden, die im größten Teil der fortschrittlichen Welt verfügbar sind. Wenn zum Beispiel eine bei einer Relaisstation in New York gehaltene Nachricht an eine Adresse in Kalifornien geschickt wird, kann die Nachricht durch das öffentliche, geschaltete Telefonnetz 51 weitergegeben werden. Um eine große Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, können bestimmte Relaisstationen 18 als eine Station zur Weitergabe einer Nachricht oder als Steuercenter für den Netzwerkbetrieb (NOCC = network operation control center) fungieren.
Die Fähigkeit einer Relaisstation 18, zwischen alternativen Netzwerken zu wählen, bedeutet, dass Nachrichten weitergegeben werden und die Bildung eines "Auktionsprotokolls" für Benutzer gebildet wird. Bei seiner anfänglichen Kommunikation mit einem Benutzer kündigt der Satellit 12 den Verkehrsumfang an, den er derzeit empfängt. Der Verkehrsumfang ändert sich zum Beispiel vom Wert eins, was der schnellste und kostspieligste Modus für die Übertragung ist, bis zu dem nächst schnelleren und weniger kostspieligen Modus der Übertragung, usw. bis der langsamste und am wenigsten kostspielige Wert erreicht ist. Ein Benutzer kann sich daher entscheiden, eine Nachricht mit dem höchsten Dienstwert oder Servicewert zu senden oder auf einen kostengünstigeren Wert für den Dienst oder Service zu warten.
Das Satellitensystem wird durch den Bereich der angebotenen Dienste, die niedrigen Kosten seiner Serviceoptionen relativ zu denen, die durch ähnliche, vorgeschlagene Anbieter angeboten werden, und ihre hohe Spektraleffizienz unterschieden. Die Typen von durch die vorliegende Erfindung gebildeten Diensten enthalten Verfolgung und Überwachung für die Transportindustrie, Überwachung von entfernten Waren oder Nebenstandorten, wie Fahrzeugen, Booten und Ferienhäusern oder entfernten Versorgungsgeräten, E-Mail, sogenanntes Paging, Notdienste und andere Dienste.

Kombinierte Anordnungen

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung kombiniert Satelliten 12 in äquatorialen, polaren und geneigten Umlaufbahnen. Die vorliegende Erfindung kann von sechs bis zu vierzehn Satelliten 12 in einer äquatorialen Umlaufbahn verwenden. Die äquatorialen Relaisstationen 18 dienen zur Speicherung und Weitergabe von Nachrichtenverkehr, die von Satelliten gesendet werden, die in entgegengesetzte Richtungen in um 50º bis 60º geneigten Umlaufbahnen 14, 15 laufen. Dieses Verfahren ist ähnlich zu dem Verfahren, das durch die polaren Relaisstationen dafür benutzt wird, den Verkehr von Satelliten in steiler geneigten oder polaren Umlaufbahnen zu speichern und weiterzugeben. Eine derartige Anordnung bietet eine weite Abdeckung oder ein breites Sendegebiet und eine schnelle Übertragung von Nachrichten überall auf der Erde E.

Kommunikations-Parameter

Fig. 11 zeigt die Frequenzen und die Bandbreite, bei denen das Satellitensystem Nachrichten verbreitet. Die TSUs und die RSUs arbeiten im Band 148- 149,9 MHz, und der TSD und RSD arbeiten im Band 137,175-137,825 MHz. Alle Verbindungen tragen sogenannte "paketierte" digitale Daten. Die Pakete des Netzwerks werden für die Nachfrage nach Hilfsquellen und die Zuordnung sowie andere Netzwefk-Steuerfunktionen verwendet. Überwachungs-Pakete dienen zur Überwachung der Anwendungen. Text-Pakete dienen für Nachrichten- Anwendungen. Die Länge der Text-Pakete wird so gewählt, dass sie mit der Fußnote US323 zu der Frequency Allocation Table, 47 C.F.R. §2.106 übereinstimmt.
Die Fußnote US323 fordert, dass in dem Band 148-149,9 MHz einzelne Übertragungen von getrennten Erdstationen eine Dauer von 450 ms nicht übersteigen (4160 Bit/9,6 KBPS = 433,3 ms).
Die Frequenzzuordnungen für die Satelliten-Abwärtsverbindungen 48b, 50b erfolgt in vier Teilen. Für alle Satelliten 12 in einer gegebenen Umlaufbahnebene 14, 15 sind die Frequenzen dieselben. Wegen der fehlenden Überlappung in den Grundflächen des Hochfrequenzstrahls der sechs Satelliten 12, die in jeder um 50º geneigten Umlaufbahn 14, 15 laufen, gibt es keine Störung zwischen diesen Satelliten 12. Eine Bodensteuerung der Frequenzzuordnungen vermeidet eine Störung zwischen Satelliten 12 in diesen Umlaufbahnen und Satelliten 12 in der äquatorialen Umlaufbahn 14.
In dieser Anordnung ist es, wenn die Satelliten 12 in Sektoren der Umlaufbahnen auf derselben Seite der Erde E auf denselben Frequenzen ohne Störung von anderen Satelliten 12 senden, möglich, die Bandbreite des Spektrums des TSD- Abwärtsverbindung-Signals auf ein Viertel von der zu verringern, die in einigen anderen Ausführungsformen angewendet wird.
Jeder Satellit 12 in dieser Ausführungsform enthält sechs Empfangskanäle. Andere Ausführungsformen können bis zu fünfzehn Empfangskanäle erfordern. Das Verfahren der Kanalzuordnung zu den Sendern der Benutzerstationen wird später in dem Abschnitt mit der Bezeichnung "Dynamic or Adaptive Channel Assignement" beschrieben.

Frequenzen und Sektrum der Telekommunikation

Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Vorhaben konzipiert, eine effiziente Ausnutzung des knappen verfügbaren Spektrums zu erreichen.
Die untenstehende Tabelle 2 stellt das in den USA für diesen Typ an Diensten verfügbare Gesamtspektrum zusammen, ausgehend von den Zuordnungen bei der WARC-92 und der Commission's Order Zuordnungsspektrum für das sogenannte NVNG Mobile Satellite System.

Tabelle 2 - MSS Frequenzzuordnungen unterhalb 1 GHz

Von der Erde zum Weltraum Vom Weltraum zur Erde

148.000 bis 150.050 MHz 137.000 bis 138.000 MHz
399.900 bis 400.050 MHz 400.150 bis 401.000 MHz
Die Tabelle zeigt insgesamt 2,2 MHz, die für die Verbindungen von der Erde zum Weltraum (Aufwärtsverbindung) verfügbar sind, und 1,85 MHz, die für die Verbindungen vom Weltraum zur Erde (Abwärtsverbindung) verfügbar sind. Jedoch sind Teile dieses verfügbaren Spektrums nur auf einer sekundären Basis dem MSS-Dienst zugeordnet, und selbst die primären MSS-Zuordnungen sind auf einer co-primären Basis andern Diensten zugeordnet, wie zum Beispiel festen Verbindungen, mobilen Verbindungen, meteorologischen Satelliten, Weltraumoperation, Weltraumuntersuchung und Hilfen bei der Meteorologie oder Wetterkunde. Die Fähigkeit des Systems, das Spektrum in diesem Typ der Umgebung effektiv und effizient aufzuteilen, ist daher ein Hauptvorteil.
TSD- und RSD-Senderfilter schützen den Dienst der Hochfrequenzastronomie in den Bändern 150,05-153 MHz und 406,1-410 MHz gegen eine schädliche Störung, indem Störstrahlungen in diesen Bändern begrenzt werden.

Datenübertragung

Fig. 12 ist ein Diagramm 60 für den Paketaufbau und zeigt die in bestimmten Feldern enthaltenen Informationen. Zum Beispiel kann das erste Feld die Adresse des Empfängers enthalten. Das zweite Feld kann die Sprung- oder sogenannte "hop"-Zählung enthalten oder die Zählung, wie viele Weitergaben in diesem Zeitpunkt erfolgt sind.
Das Textfeld kann die Folgezählung oder die Nummer des Rahmens enthalten. Das vierte Feld kann die Identifikation des Senders enthalten, usw. Untenstehende Tabelle 3 beschreibt die Paketaufbauten. Tabelle 3: Paket-Aufbauten
Die Bit-Fehlerrate der Verbindung von der Benutzerstation zum Satelliten beträgt 10&supmin;&sup6; und die Fehlerrate der Verbindung zwischen der Relaisstation und den Satelliten beträgt 10&supmin;&sup8;. Die Bit des Paket-Overheads ermöglichen die Synchronisierung, die Paritätsprüfung, die Folgesteuerung, den Status und die Adressierung und die Weitergabe, das sogenannte Routing. Die Kodierung der Vorwärts-Fehlerkorrektur wird in dem Speicher- und Weitergabe-System angewendet. Rohe oder unbearbeitete Datenbit werden in Symbolen in einer Weise abgebildet, die darin resultiert, dass jedes Symbol Informationen über mehrere Bit enthält. Verlorengegangene Datenbit können daher zurückgewonnen werden.
Jeder Satellit trägt sechs TSUs 50a bei einer Datenübertragungsrate von 9,6 kBit je Sekunde (KBPS), ein TSD 50b bei einer Datenrate von 24 KBPS, ein RSU 48a bei einer Datenrate von 50 KBPS und eine RSD 48b bei einer Datenrate von 50 KBPS. Auf diese Weise können die Benutzerstationen 20 bei 9,6 KBPS senden und bei 24 KBPS empfangen. Die TSU-Bandbreite beträgt 15 kHz, und die TSD- Bandbreite beträgt 28,8 kHz. Die Relaisstationen 18 senden und empfangen bei 50 KBPS und haben eine Bandbreite von 50 kHz.
Wenngleich die nominelle TSU-Übertragungsdatenrate 9,6 KBPS beträgt, sind Benutzerstationen 20 mit geringeren Kosten möglich, wenn niedrigere Datenraten angewendet werden. Daher sind Datenraten bis zu einem Minimalwert von 300 BPS verfügbar. Zum Beispiel könnte eine Benutzerstation 20 bei Datenraten von 9.600, 4.800, 2.400, 1.200, 600 und 300 BPS senden. Neben den niedrigen Kosten und der Verfügbarkeit von Anlagen, die für niedrigere Übertragungsraten geeignet sind, werden die Anforderungen an die Batterieleistung nennenswert verringert, was das Verfahren für handgehaltene oder periodisch berichtende Benutzerstationen 20 attraktiv macht. Zum Beispiel beträgt die sogenannte "Burst-Leistung" (burst power) für ein Signal mit 300 BPS nur etwa 200 Milliwatt, verglichen mit ungefähr 5 Watt für ein Signal mit 9,6 KBPS.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Kombination eines Zufallszugriffs und eines Frequenzmultiplex (FDM) für die TSUs 50a und ein Zeitmultiplex (TDM) für die anderen Verbindungen. FDM wird für die TUSs 50a bevorzugt, da es keine Übertragungen mit hoher Burst-Leistung von den Benutzerstationen 20 erfordert, die für einen einzigen Breitband-TDM-Kanal benötigt würden. TDM wird für die anderen Verbindungen bevorzugt, da es die Anwendung von effizient gesättigten Leistungsverstärkern in den Satelliten 12 und den Relaisstationen 18 ermöglicht. Ein sogenanntes "Back-off" wird für die Steuerung der Intermodulationswerte nicht benötigt, da in diesen Verbindungen nur ein einziger HF-Träger besteht.
Alle Verbindungen verwenden eine unterschiedlich kodierte sogenannte "offsetquadraphase shift keying" (OQPSK) Modulation, gefiltert für eine 50%-ige Bandbreitenüberschreitung in Kombination mit einer sogenannten Konvolutionalkodierung mit einer Rate 7/8 Einschränkungslänge (constraint length) 7. Dieses Format wurde gewählt, da es eine hohe Effizienz bezüglich Modulation/Kodierung von 1,17 Bit/Sekunde/Hz hat.
Jedoch wird auch eine sogenannte frequency shift keying (FSK)-Modulation auf einer sogenannten zeitverschachtelten oder time-shared Basis für die Unterhaltung von Benutzerstationen 212 mit niedrigen Kosten benutzt. Eine Benutzerstation 212 kann einen FSK-Demodulator anwenden, der nur sogenannte "trickle"-power (geringe Leistung), das heißt kleinen Strom verbraucht, während auf das Auftreten eines Satellitensignals gewartet wird. Ein FSK-Signal kann bei einer verringerten Datenrate gesendet werden, zum Beispiel KBPS, und zwar wegen des geringeren Teils des durch ein FSK-moduliertes Signal eingenommenen Spektrums. Eine Bodenstation hält nach einem ID-Code in dem FSK- Modus Ausschau. Sie kann dann, wenn gewünscht, den OQPSK-Tast-Demodulator einschalten und mit einer schnelleren Rate arbeiten.
Das Signal der Abwärtsverbindung 48b, 50b ist in Rahmen mit 50 ms aufgeteilt. Zunächst werden Signale FSK-moduliert.Spätere Signale in dem Rahmen mit 500 ms können FSK- oder OQPSK-moduliert sein, abhängig von der jeweiligen Anforderung. Das Steuercenter für die Netzwerkoperation (NOCC = network operation control center) ändert die Zeitaufteilung zwischen der FSK- und der OQPSK-Modulation abhängig von der Verkehrsbelastung.
Die Signale für die Aufwärtsverbindung (48a, 50a) sind OQPSK-moduliert, wenngleich die Anwendung einer FSK-Modulation und niedrigerer Datenrate einige Kostenverringerungen bietet.
Die erforderliche Kanalbandbreiten sind eine Funktion der Datenrate, der spektralen Effizienz der Modulation und der Kodierung, der Frequenzstabilität, der Benutzerstation oder Relaisstation oder des Satelliten, der unkompensierten Doppler-Verschiebung und der Kanalfilterung. Die benötigten Kanalbandbreiten sind in der Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4: Anforderungen an die Kanalbandbreite
Eine einzige Benutzerstation benötigt 15 kHz, daher benötigen sechs gleichzeitige Benutzer eine Bandbreite von 90 kHz.
Zur Durchführung eines "Auktions"-Protokolls zeigen die Satelliten 12 an, welchen Verkehrswert sie innerhalb des Rahmens mit 50 ms des ersten Datenburst oder Datenpakets empfangen. Benutzerstationen 20, die diesen Verkehrswert zu senden wünschen, werden das tun. Stationen mit einem niedrigeren Verkehrswert werden warten. Das Auktionsprotokoll verringert nacheinander den Verkehrswert, den es empfängt, bis alle Benutzer, die von dem höchsten bis zu dem niedrigsten Verkehrswert wünschen, angesprochen worden sind.

Verbesserte Dynamik oder adaptive Kanalzuordnung

Fig. 13 zeigt ein funktionales Blockschaltbild des Satelliten-Untersystems. Diese Untersysteme enthalten ein HF-Kommunikations-Untersystem, einen Computer 80 für die Spurfolge, Telemetrie und Steuerung, ein Untersystem 90 für die Bestimmung und Steuerung des Untersystems, ein thermales Steuer- Untersystem 100 und ein elektrisches Leistungs-Untersystem 110. Die Kommunikations-Nutzlast 120, die das HF-Kommunikations-Untersystem 70 enthält, ein Computer-Untersystem und eine Frequenzreferenz sind in dem Blockschaltbild in Fig. 14 dargestellt. Die Kommunikations-Nutzlast 120 enthält einen Empfänger mit digitaler Bandabtastung (DBSR) 121. Der DBSR 121 überwacht den Vorrat oder die Ansammlung an Frequenzen in dem Band der Aufwärtsverbindung mit 148,0 bis 149,9 MHz und ordnet Kanäle den Benutzerstationen 20, soweit verfügbar, zu. Der DBSR ersetzt einen früheren, langsameren Empfänger mit Bandabtastung, der das gesamte Band alle 0,5 Sekunden abtastete und die erwarteten klaren Frequenzen aufgrund der Geschichte mit 0,5 Sekunden durch einen Algorithmus projektierte. Die Wirkungsweise der Abtasteinzelheiten des DBSR wird im folgenden im Detail beschrieben.

Beschreibung der Kommunikations-Nutzlast

Ein funktionales Blockschaltbild der Kommunikations-Nutzfast 120 ist in Fig. 14 dargestellt. Das Antennen-Untersystem setzt die im freien Raum ausgebreiteten Signale in HF-Signale zur Verarbeitung durch den Empfänger für die Benutzerstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (TSU), den Empfänger für die Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSU) und den Empfänger 121 für die Bandabtastung um. Das Untersystem setzt außerdem die HF-Signale von dem Sender der Benutzerstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (TSD) und den Sender für die Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD) in im freien Raum ausgebreitete Signale um. Es werden zwei Sendeantennen verwendet, eine für die TSD-Verbindungen und die andere für die RSD-Verbindungen. Das beseitigt die Kombinierverluste, die auftreten würden, wenn die Signale TSD und RSD von derselben Antenne ausgestrahlt würden.
Die Raumfahrzeug-Antennen sind so ausgebildet, dass sie teilweise die Verluste für die Änderung der Ausbreitung im freien Raum aufgrund der Bereichsänderung, die zwischen der Zeit, in der der Satellit bei dem niedrigsten Elevationswinkel erscheint, und der Zeit, in der er direkt über dem betroffenen Ort steht, kompensiert werden. Die maximale Änderung in dem Übertragungsverlust entspricht etwa 7,5 dB im Ausbreitungsverlust. Als Ergebnis hat der vorläufige Aufbau der Raumfahrzeug-Antenne eine Verstärkung von -2 dBi in der Nadir- Richtung und +5, 5 dBi bei einem sogenanntem Glanzwinkel (grazing angle). Das Verstärkungsmuster 122 der Satelliten-Antenne ist in Fig. 15 dargestellt. Die Satelliten-Antennen sind linksgängig zirkularpolarisiert, wenngleich eine rechtsgängige Polarisation auch möglich ist.
Der TSU-Empfänger bewirkt eine Herabsetzung, Demodulation und Dekodierung der Signale der Aufwärtsverbindung 50a, die von den Empfängern empfangen werden. Der TSU-Empfänger liefert die demodulierten Pakete zu dem Computer- Untersystem bei 57,6 KBPS für die Verarbeitung. Der RSU-Empfänger bewirkt dieselben Funktionen für den RSU-Kanal.
Der TSD-Sender empfängt paketierte Daten von dem Computer-Untersystem bei 24 KBPS, kodiert und moduliert die Daten, setzt sie auf die Frequenz des Sendekanals um und liefert 20 Watt Sendeleistung unter Anwendung eines sogenannten Festkörper-Leistungsverstärkers (SSPA = solid-state power amplifier). Der RSD-Sender bewirkt dieselben Funktionen für die RSD-Daten mit 50 KBPS unter Verwendung eines SSPA für 2,5 W.
Das Frequenzreferenz-Untersystem liefert eine stabile Frequenz und Zeitsteuersignale für die anderen Funktionen. Das Computer-Untersystem verarbeitet alle empfangenen Pakete, speichert sie in einem Speicher und sendet sie in der geforderten Weise zurück. Er verwendet außerdem die Daten von dem Empfänger für die Bandabtastung, um Zuordnungen des TSU-Kanals durchzuführen.
Schlüsselparameter für die Kommunikations-Nutzlast 120 sind in Tabelle 5 dargestellt.

Tabelle 5: Schlüsselparameter für die Satelliten-Kommunikations-Nutzlast

Antenne

Nadir-Verstärkung -2 dBi
Kante der Sendegebietsverstärkung 5,5 dBi
Kante der Sendegebietsbandbreite 111 Grad
Polarisation LHC

TSD-Sender

Frequenzband 137.175-137.825 MHz
Zahl der Kanäle 1
Sendeleistung 20 W
Kanalbandbreite bei 99% Leistung 2 0,5 kHz
Datenrate 24 KBPS

RSD-Sender

Frequenzband 137.175-137.825 MHz
Anzahl der Kanäle 1
Sendeleistung 2,5 W
Kanalbandbreite bei 99% Leistung 42,8 kHz
Datenrate 50 KBPS

TSU-Empfänger

Frequenzband 148-149,9 MHz
Anzahl der Kanäle 6
Kanalbandbreite 15 kHz
Datenrate je Kanal 9,6 KBP5 bis 300 BPS, veränderbar
Rauschzahl 4 dB

RSU-Empfänper

Frequenzband 148-149,9 MHz
Zahl der Kanäle 1
Kanalbandbreite 50 kHz
Datenrate je Kanal 50 KBPS
Rauschzahl 4 dB

Empfänger für die Bandabtastung

Frequenzband 148-149,9 MHz
Zahl der Kanäle 1
Kanalbandbreite 15 kHz
Rauschzahl 4 dB

Frequenzreferenz

Frequenzstabilität 0,1 PPM über Umgebung und Zeit

Computer

Speicher 16 MByte

Empfänger für digitale Bandabtastung

Der Empfänger 121 für die digitale Bandabtastung (DBSR), der in dem HF- Kommunikationsbereich 70, der Kommunikations-Nutzlast 120 des Satelliten 12 enthalten ist, ist ein digitaler Spektrum-Analysator. Zwei Ausführungsformen des Abtastvorgangs für das DBSR-Band sind in den Fig. 16 und 17 dargestellt. Das Eingangssignal 125 zu dem DBSR ist das Stations-Satelliten- Aufwärtsverbindungs-Signal 50a mit 148,905 bis 150,05 MHz von dem Satellitenantennen-Untersystem. Der Ausgangssignal-Vektor 140 von dem DBSR 121 wird aus 458 Schätzungen der mittleren Leistung entsprechend Segmenten mit 428,25 kHz des Eingangsbandes abgeleitet. Der DBSR erzeugt den Ausgangsvektor 140 einmal jede 0,5 Sekunden. Die Vektoren dienen zur Identifizierung von freien Kanälen, die den Benutzerstationen 20 zugeordnet werden können.
Fig. 16 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform 123 für die Basisband- Abtastung. In dieser Ausführungsform wird das Eingangssignal 125 durch ein Bandpassfilter 124 begrenzt, um eine Störung außerhalb des Bandes und in einem HF-Verstärker 126 verstärktes niedriges Rauschen zu verringern und den Rauschbereich des Systems festzulegen. Das verstärkte Signal wird außerdem in einer Teilerschaltung 128 aufgeteilt. Die beiden Ausgänge der Teilerschaltung 128 sind auf die Basisbandsignale I, Q heruntergesetzt. Ein Ausgang der Tellerschaltung 128 wird in einem Mischer 130 in einem phasensynchronisierten, örtlichen Hochfrequenzoszillator (HFO) 129, der auf 149,4775 MHz schwingt, auf das Basisbandsignal I umgesetzt. Der andere Ausgang der Tellerschaltung wird durch denselben, in einem Phasendreher 132 um 90º in der Phase verschobenen HFO in einem zweiten Mischer 130 umgesetzt, der ein zweites Basisbandsignal Q erzeugt. Jedes Basisbandsignal I, Q wird durch ein Tiefpassfilter 134 mit einer Bandbreite von 572,5 kHz gefiltert, um Aliasing zu verhindern. Jedes Basisbandsignal I, Q wird in einem Analog/Digital (A/D)- Konverter 136 bei einer Rate von 1.145 kilosamples (Kiloabtastwerte) je Sekunde (KSPS = kilosamples per second) abgetastet. Digitale Abtastwerte I(n) werden von einem A/D-Konverter 136 und digitale Signalabtastwerte Q(n) von einem zweiten A/D-Konverter 136 ausgegeben.
Die digitalen Signalabtastwerte I(n) und Q(n) werden durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) 138 verarbeitet, der den Ausgangssignalvektor 140 erzeugt.
Eine zweite Ausführungsform des DBSR-Bandabtastvorgangs ist in Fig. 17 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird das Eingangssignal 125 in einem Bandpassfilter 124 gefiltert und in einem HF-Verstärker 126 verstärkt, wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform 123. In dieser Ausführungsform wird das verstärkte Signal in einem Mischer 130 auf eine geeignete Zwischenfrequenz (ZF) heruntergesetzt, die durch einen HF-Oszillator 129 so gewählt ist, das Aliasing vermieden wird. Der HF-Oszillator 129 arbeitet in diesem Fall bei 148,905 MHz. Das ZF-Signal wird in einem zweiten Bandpassfilter 134 mit einer Bandbreite von 1.145 kHz bandpassgefiltert, um Aliasing zu verhindern. Das ZF- Signal wird dann in einen AID-Konverter 136 bei 2.290 KSPS abgetastet. Die Abtastwerte werden durch einen DSP 138 verarbeitet, der den Ausgangssignalvektor 140 erzeugt.
Es können wenigstens zwei Ausführungsformen des digitalen Signalprozessors (DSP) 138 angewendet werden. Die erste Ausführung ist eine digitale Filterbank mit 458 digitalen Filtern. Die digitalen Filter wählen 458 Bandsegmente, jedes mit einer Weite von 2,5 kHz. Die in dieser Ausführung benötigte Berechnung ist prohibitiv. Daher wird eine zweite Ausführung bevorzugt. Es wird eine sogenannte schnelle Fourier-Transformation (FFT = Fast Fourier Transform) benutzt, in der eine schnelle Fourier Transformation mit 458 Punkten erfolgt und die 1.250 Ausgangsvektoren jeweils über einen Zeitraum von 0,5 Sekunden gemittelt werden. Die Ausgangsvektoren 140 werden von dem Computer-Untersystem dafür verwendet, den Benutzerstationen 20 und den Relaisstationen 18 Frequenzen zuzuordnen.

Benutzerstationen

Die vorliegende Erfindung liefert eine Familie von kostengünstigen Benutzerstationen 20 oder sogenannten Transceivern (Sender-Empfänger), um eine Vielfalt von verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu schaffen.
Wie durch Fig. 18 gezeigt, ist das Herz dieser Transceiver das Modem-Modul 200. Das Modem 200 ist klein, weniger als zehn Kubikzoll, und für Batteriebetrieb geeignet. Es ist verfügbar in Ausbildungen als Taschenform, Tischgerät und in einem Fahrzeug montiertem Transceiver. Tabelle 6 liefert Beispiele dafür, wie diese Module für verschiedene Anwendungsfälle kombiniert werden können. Andere Kombinationen sind möglich.

Tabelle 6: Mögliche Modul-Kombinationen für verschiedene Anwendungsfälle

und
Anwendungsspezifische Transceiver-Aufbauten werden dadurch gebildet, dass das Modem-Modul 200 mit anderen Modulen in Fig. 18 kombiniert wird. Eine schematische Darstellung des Modem-Moduls 200 ist in Fig. 19 angegeben. Kosten für einen Basis-Transceiver werden unterhalb 500 US$ erwartet.

Technische Parameter der Benutzerstationen

Ein funktionales Blockschaltbild des Modem 200 ist in Fig. 19 dargestellt. Das Modem 200 bildet direkt eine Schnittstelle mit einer Antenne 214. In den meisten Anwendungsfällen ist die Standardantenne 214 eine Normalmodus- Wendelantenne, ähnlich zu denen, die bei üblichen, in der Hand gehaltenen VHF-Transceivern angewendet werden. Bei Anwendungen mit in einem Fahrzeug montierten Geräten werden übliche Fahrzeug-FM-Hochfrequenzantennen oder ein verbesserter Ersatz benutzt. Der TSD-Empfänger 220 bewirkt eine Herabsetzung, Demodulation und Dekodierung des Satelliten- Abwärtsverbindung-Kanals mit 24 KBPS. Der TSU-Sender 222 empfängt paketierte Daten von dem Computer-Untersystem 224 mit einer sich zwischen 9,6 KBPS und 300 BPS ändernden Rate, kodiert und moduliert die Daten, setzt sie auf die Sende-Kanalfrequenz hoch und liefert ungefähr 5 Watt Sendeleistung. Das Frequenzreferenz-Untersystem 226 liefert Signale mit stabiler Frequenz und Zeitsteuersignale für die anderen Funktionen. Das Computer-Untersystem 224 verarbeitet die empfangenen Pakete und macht die Daten über einen Anschluss RS-232 für die anderen Module oder direkt für den Abonnenten verfügbar. Der Computer empfängt zu paketierende und aufwärts zu übertragenden Daten von anderen Modulen oder direkt von dem Abonnenten über einen Anschluss RS- 232.
Die technischen Parameter für den Benutzeranschluß-Schlüssel sind in Tabelle 7 zusammengestellt. Benutzerstationen 20 sollten nicht in der Lage sein, in den Bändern 108-137 MHz zu strahlen.

Tabelle 7: Schlüssel für die Parameter der Benutzerstation

Antenne

Muster Nicht-gerichtet
Polarisation Vertikal

Sender

Frequenzband 148-149,9 MHz
Kanalbandbreite 15 kHz
Zahl der aktiven Kanäle 1
Doppler-Vorkompensation +2,2 kHz
Sendeleistung 5 W
Burstdauer 450 ms
Burstabstand 15 Sekunden
Tastverhältnis 9 Sekunden alle 15 Minuten
Bandbreite bei 99% Leistung 8,2 kHz
Modulation OQPSK
Koder Convolutional r = 7/8, K = 7
Datenrate 9,6 KBP5 bis 300 KBPS

Empfänger

Frequenzband 137,175-137,825 MHz
Kanalbandbreite 28,8 kHz
Zahl der aktiven Kanäle 1
Doppler-Einfangbereich ±2,0 kHz
Demodulation OQPSK & FSK
Dekoder Weiche Entscheidung Viterbi r = 7/8, K = 7
Datenrate 24 KBPS
Rauschzahl 4 dB
Implementierungsverluste 2 dB

Frequenzreferenz

Frequenzstabilität 1,0 PPM über Umgebung und Zeit

Antennen-Verstärkungsmuster für die Benutzerstation

Ein typisches Verstärkungsmuster für eine Antenne für eine Benutzerstation 20 ist in Fig. 20 dargestellt.

Technische Parameter und Betrieb der Relaisstation

Ein funktionales Blockschaltbild 230 für eine Relaisstation 18 ist in Fig. 21 dargestellt. Der RSD-Empfänger 234 bewirkt die Herabsetzung, Demodulation und Dekodierung des Kanals der Relaisstation-Abwärtsverbindung 48b mit 50 KBPS und liefert die demodulierten Pakete für eine weitere Verarbeitung zu dem Computer-Untersystem. Der RSU-Sender 232 empfängt paketierte Daten von dem Computer-Untersystem 236 bei 50 KBPS, kodiert und moduliert die Daten, setzt sie auf die Frequenz des Sendekanals hoch und liefert eine Sendeleistung von 1,8 W.
Das Frequenzreferenz-Untersystem 238 liefert Signale mit stabiler Frequenz und Zeitsteuersignale für die anderen Funktionen. Das Computer-Untersystem 236 bewirkt die sogenannten Paket- und Netzwerk-Overhead-Funktionen einschließlich der Paketweitergabe und der Rechnungsstellung. Es steuert die von der Relaisstations-Antenne ausgehende offene Schleife, um die Satelliten 12 zu erfassen und ihnen zu folgen. Zusätzlich verarbeitet sie Doppler-Frequenzmessungen der Satellitensignale, um ihre Umlaufbahn-Schätzungen zu verfeinern.
Das Telemetry Tracking & Control (TT&C)-Untersystem 240 dekodiert und verarbeitet die Pakete mit Telemetriedaten von den Satelliten 12 und erzeugt und kodiert Befehlspakete für die Übertragung zu den Satelliten. Alle Daten TT&C werden verschlüsselt, um eine nicht-autorisierte Steuerung der Satelliten zu verhindern.
Das Network Operation & Control Center (NOCC)-Untersystem 242 ermöglicht eine Steuerung der Anordnung. Die NOCC-Funktionen enthalten eine Lösung von Überlappungsproblemen, indem sie einen der überlappenden Satelliten anweisen, während der Überlappung den Betrieb einzustellen und die Anordnung der Verkehrswerte zu überwachen.
Die Relaisstationen 18 rufen die Satelliten 12 auf, die Datenübertragung zu beginnen. Die Relaisstationen 18 sagen voraus, wann jeder Satellit über dem minimalen Elevations-Verdeckungswinkel erscheint, und benutzt die von der Antenne der Relaisstation weisende offene Schleife, um den Satelliten 12 zu erfassen und ihm zu folgen. Die Relaisstationen 18 schätzen die Doppler-Verschiebung des Satellitensignals, um die Erfassungszeit zu minimieren. Die Relaisstationen 18 verwenden Dopplerfrequenz-Messungen der Satellitensignale, um ihre Schätzungen der Umlaufbahn zu verfeinern.
Die Signale der Relaisstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (RSU) und der Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD) sind in Rahmen mit 500 ms aufgeteilt. Jeder Rahmen ist in zwei Zeitschlitze aufgeteilt. Der erste Zeitschlitz ist für die Steuerung des Netzwerks (Netzwerk-Pakete) reserviert. Der verbleibende Zeitschlitz ermöglicht die Übertragung von Text-Paketen, Überwachung der Pakete oder einige Kombinationen. Alle Paket-Austauschvorgänge werden durch den die Netzwerk-Pakete benutzenden Empfänger erkannt. Die Relaisstation 18 und der Satellit 12 senden wenigstens ein Netzwerk-Paket in dem Zeitschlitz für die Netzwerksteuerung, bis die Relaisstation 18 sich abmeldet.
Eine öffentliche, geschaltete Telefonschnittstelle 244 verbindet die Relaisstation 18 mit anderen Netzwerken, Adressen von Bestimmungsorten oder anderen Relaisstationen 18.
Die technischen Parameter der Schlüssel-Relaisstation sind in Tabelle 8 zusammengestellt.

Tabelle 8: Technische Parameter der Schlüssel-Relaisstation

Antenne

Arbeitsfrequenz 137-138 MHz & 148-149,9 MHz
Polarisation LHC
Verstärkung 16 dBi
Strahlbreite bei halber Leistung 22,5 Grad

Empfänger

Frequenzband 137,175-137,825 MHz
Kanalbandbreite 50 kHz
Anzahl der Kanäle 1
Doppler-Verschiebung 2,1 kHz
Demodulation Differentielle OQPSK
Dekodierung Weiche Entscheidung Viterbi, r = 718,
K = 7
Datenrate 50 KBPS
Rauschzahl 4 dB
Implementierungsverluste 2 dB

Sender

Frequenzband 148-149,9 MHz
Kanalbandbreite 50 kHz
Signalbandbreite (99% Leistung) 71,3 kHz
Anzahl der Kanäle 1
Sendeleistung 1,8 Watt
Modulation Differentielle OQPSK und FSK
Kodierung Rate-718, Beschränkungslänge 7, konventional
Datenrate 50 KBPS

Frequenzreferenz

Frequenzgenauigkeit 0,1 PPM über Umgebung und Zeit

Andere Systemdienste

Neben den oben bezeichneten Diensten können andere Systemdienste durch die vorliegende Erfindung leicht geliefert werden. Einige von ihnen werden im folgenden beschrieben.

Seeweg-Rundfunk-Bakensystem

Fig. 22 zeigt schematisch ein Rundfunk-Bakensystem 250 zur Überwachung einer Seeumgebung und zur Weitergabe von Daten mit installierten Bojen 252, die Daten über die Verbindungen 50a, 48b, 51 zwischen der Satellitenanordnung und der Bodenstation übertragen, gemäß dieser Erfindung. Eine Boje 252 mit geringen Kosten ist mit einer Umgebungs- und Wetter-Messgeräteanordnung 256 und/oder einem Unterwasser-Horchgerät 254 wie einer Sonar- oder Unterwasserschauanlage ausgerüstet. Die Boje enthält außerdem eine Einheit zur Lagebestimmung wie zum Beispiel LORAN oder ein Global Positioning System (GPS). Eine Benutzerstation 20 an Bord sendet von der Boje gesammelte Daten über die Umgebung, die Spurfolge und die Lage über die TSU 50a zu dem Satelliten 12. Die Daten werden dann über eine Relaisstation 18 und terrestrische Kommunikationsverbindungen 51 zu einer empfangenen Gruppe verbreitet. Als ein Beispiel können Ölverschmutzungen dadurch verfolgt werden, indem eine Boje 252 von einem Flugzeug in die Öloberfläche abgelassen wird.

Interaktive Fernseh-Rückverbindung

Fig. 23 ist eine schematische Darstellung eines interaktiven Fernsehsystems 260, das eine Rückverbindung von einem Betrachter zu einer Fernsehsendeanstalt über die Satellitenanordnung 10 gemäß dieser Erfindung anwendet. Ein Fernsehsignal von einem Satelliten mit Direktsendung wie C-Band oder Ku- Band-Einheiten wird durch ein integriertes Antennensystem 265 empfangen, das zum Beispiel aus einer kleinen Schüsselantenne 264, die das Fernseh- Satellitensignal empfängt, und aus einer integrierten Peitschenantenne 262 zur Kommunikation mit einem Satelliten 12 besteht, der gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet. Der Benutzer sieht auf einem Fernsehschirm 272 das Fernsehprogramm, das von einem Fernsehsignal 261 in einem Fernsehkonverter 266 abgeleitet wird, übertragen durch ein Koaxialkabel 363. Der Konverter 266 ist mit einem Modem 200 integriert und mit einem Personal Computer oder einer anderen Dateneingabeeinheit 268 verbunden. Der Benutzer sendet seine interaktiven Antworten zu seiner Sendestation, indem er sie in den Computer 268 eingibt. Die Antworten werden durch das Modem 200 in ein TSU-Signal 50a umgesetzt und zu einem Satelliten 12 für die Weitergabe an die Sendeanstalt übertragen.
Fig. 24 zeigt die Rückverbindung von einem Betrachter einer Fernsehsendung 261 von einem direkt sendenden Satelliten 282 über die Station-Satelliten- Aufwärtsverbindung 50a, die Verbindungen von der Satellitenanordnung zum Boden gemäß dieser Erfindung und Datennetzwerke 51 auf terrestrischer Basis. Ebenso ist es für eine Sendeanstalt oder eine Zwischenstation möglich, den Empfang der Benutzerdaten zu bestätigen, indem er eine Nachricht über die Verbindungen von der Satellitenanordnung zur Bodenstation und die Stations- Satelliten-Abwärtsverbindung 50b zurückgibt.

Anschlussmöglichkeit von Büro- oder Fertigungsdaten zu anderen Systemen innerhalb eines Aufbaus

Fig. 25 ist ein Schaubild und zeigt ein Verfahren 290 zur Bildung einer Anschlussmöglichkeit an andere Systeme von bewegbaren Einheiten oder von Einheiten mit niedriger Datenrate innerhalb eines Gebäudes 292 oder eines anderen Aufbaus, der das Hochfrequenzsignal des Benutzers von dem Satelliten abschirmt. Die Dateneingabeeinheiten 291 können Rufanlagen, Computer, Faxgeräte, Kopiergeräte usw. sein. Ein nicht-lizenzierter persönlicher Kommunikationsdienst (PCS = personal communication service) 294 ist über eine Kopplungseinheit 296 mit einer Dateneingabeeinheit 291 verbunden. Die Kopplungseinheit 296 kann ein PCMCIA, RS232, RJ11 oder ein anderer Verbinder sein. Ein derartiges persönliches Kommunikationssystem ist auf geringe Leistung und Sender mit geringer Reichweite beschränkt. Die Daten werden durch den PCS zu einer in der Nähe befindlichen integrierten Station 298 übertragen, die einen PCS-Transceiver enthält, der mit einem LEO One USATM-Modem 200 verbunden ist. Eine Antenne 299 ist mit dem Modem 200 verbunden. Dieses System bietet einem Benutzer 295 eine Zweiwege-Datenkommunikation, selbst wenn er oder sie in einem fensterlosen Aufbau oder möglicherweise unterirdisch abgeschirmt ist. Das Modem 200 überträgt die Daten über die Antenne 299 als ein TSU- Signal 50a zu einem vorbeilaufenden Satelliten 12 in der erfindungsgemäßen Anordnung 10 zurück. Die Daten werden durch den Satelliten 12 und die Relaisstationen 18 weitergegeben, und Rücknachrichten werden von einem Satelliten 12 über die TSD 50b empfangen und über den nicht-lizenzierten PCS 294 weitergegeben. Die integrierte Station 298 kann durch eine Solarplatte oder Sonnenzellenfläche 297 mit Leistung versorgt werden. Derartige Systeme 290 sind besonders nützlich in sehr alten Aufbauten, in der dritten Welt und anderen Situationen, wo eine direkte Drahtverbindung von der Dateneingabeeinheit 291 zu dem Modem 200 schwierig oder kostspielig installierbar ist. Das System 290 findet auch Anwendung, wo die Dateneingabeeinheit 291 bewegbar oder tragbar ist.

Zeitsynchronisierung der Sendeanstalten

Viele Geräte, einschließlich Konsumerprodukte und industrielle Steuergeräte, benötigen oder verwenden eine Zeitsteuer-Information. Elektrische Uhren können abweichen oder durch Stromunterbrechungen nachgehen. Derzeit wird eine Zeitnorm weltweit durch das National Bureau of Standards über Kurzwellenstationen WWV geliefert. Die Empfangsperson muss einen Kurzwellenempfänger sowie eine Antenne für den zuverlässigen Empfang dieser Signale haben. Für eine automatische Synchronisierung muss das WWV-Signal dekodiert und einer hochentwickelten Elektronik zugeführt werden, die für den Durchschnittsverbraucher und den durchschnittlichen industriellen Anwender viel zu kostspielig wäre.
Die in der Anordnung 10 dieser Erfindung umlaufenden Satelliten 12 können kurze Datennachrichten zu regelmäßigen Zeiten übertragen, die dafür benutzt werden können, irgendwo in der Welt Uhren durch eine relativ kostengünstige Benutzerstation auf das National Bureau of Standards zu synchronisieren. Ein Satellit 12 sendet Universal Coordinated Time (UTC)-Signale, die durch einen Benutzer auf die Ortszeit umgesetzt werden, der die jeweilige Zeitzone in sein System eingibt.

Überwachung von entfernt angeordneten Einheiten oder Geräten auf Funktionsunfähigkeiten oder Reparaturbedarf

Nahezu alle Typen von Einheiten oder Geräten, die entfernt von dem Büro eines verantwortlichen Eigentümers angeordnet sind, können durch eine kostengünstige Benutzerstation 20 auf Funktionsunfähigkeit überwacht werden, die mit der zu überwachenden Einheit verbunden ist und die Daten über einen Satelliten 12 überträgt, der in der Anordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung umläuft. Diese Art der Überwachung verringert oder beseitigt die Notwendigkeit einer personellen Patrouille der Einheiten oder Geräte. Zum Beispiel können entfernte Straßenleuchten 310 mit einem Schalter ausgerüstet sein, der den Ausfall der Lampe anzeigt.
Ein Sender reagiert auf den Betrieb des Schalters, indem er ein Paket mit einem kurzen Code sendet, der die Lage der Straßenleuchte 310 identifiziert. Es sind auch andere ähnliche Anwendungen möglich: Überwachung eines Nacht- Kurierdienstes und eines Briefkastens 312 zur Aufnahme von Paketen für die Auffüllung von Vorräten, Überwachung von Warenautomaten 314 zur Vorratsauffüllung, Überwachung von Flugzeugwarnleuchten 316 auf großen Gebäuden und/oder Gefahrenpunkten wie Strommasten oder Fernsehtürmen, wo der Ausfall dieser Leuchten beträchtliche finanzielle Strafen für den Eigentümer nach sich ziehen könnte, usw.

Weitbereichs-Sendung von aktualisierten Informationen

Marktdaten können auf einer nahezu Echtzeitbasis auf einer globalen Basis durch in der Anordnung 10 dieser Erfindung umlaufende Satelliten 12 verbreitet werden. Vertreter können zum Beispiel aktualisierte Preisfestlegungen und, Geldwechselraten empfangen. Makler können aktualisierte Sicherheitsquoten von weltweiten Märkten, Angaben über das Interesse und Preise von Waren empfangen. Andere Benutzer können aktualisierte Informationen über Wetter, Sport usw. empfangen. Wenngleich die Übertragung dieser Daten hinreichend bekannt ist, stellt die Anwendung des Satellitensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ein neues, einzigartiges und effizientes Verfahren dar, um Benutzer auf einer regionalen, nationalen und internationalen Basis zu erreichen, was zu konkurrenzgünstigeren Geschäften führt.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

Das oben beschriebene Optimal Coverage Satellite System bildet einen neuen, sprachlosen, nicht-geostationären mobilen Satellitendienst zu Millionen von Teilnehmern über die Erdkugel. Die vorliegende Erfindung bietet einen weiten Bereich von lebenswichtigen Diensten, einschließlich Wegführung und Überwachung für die Transportindustrie, die Überwachung von industriel- len/Verbrauchs-Stellen, Überwachung und Verfolgung von verlegten oder gestohlenen Waren, Übertragung einer E-Mail, alphanumerisches Zweiwege- Paging und Notdienste.

SCHLUSSBEMERKUNG

Wenngleich die vorliegende Erfindung im Detail an einer besonderen, bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet, zu dem vorliegende Erfindung gehört, erkennen, dass verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den Grundgedanken und dem Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen. Die verschiedenen Umlaufparameter, Höhen und Häufigkeiten und Lagen der oben beschriebenen Benutzerstationen und Relaisstationen dienen zur Information des Lesers über bevorzugte Ausführungsformen und sollen nicht die Grenzen der Erfindung oder den Schutzumfang der Ansprüche einschränken. Die folgende "Liste der Bezugszeichen" soll den Leser mit geeigneten Mitteln versehen, Elemente der Erfindung in der Beschreibung und der Zeichnung zu erkennen. Diese Liste soll nicht den Schutzumfang der Ansprüche angeben oder einschränken.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

Fig. 1

10 Anordnung von Satelliten, die in Paaren von um 50º zueinandergeneigten Umlaufbahnebenen arbeiten
12 Satellit
14 geneigte Umlaufbahnebene
15 konjugiert geneigte Umlaufbahnebene
16 Äquator
18 Boden-Relaisstation
20 verteilte Benutzerstationen
22 konjugierte Paare von Umlaufbahnebenen
E Erde

Fig. 3

12 Satellit
24 Satellitenkörper
26 Wendelantennen
28 Sonnenzellen-Flächen oder Solarplatten

Fig. 4

18 Boden-Relaisstation
30 Elevations-Verdeckungswinkel
E Erde

Fig. 5

12 Satellit
12a Satellit, der einen aufsteigenden Knoten der Umlaufbahnebene verlässt
12b Satellit, der einen absteigenden Knoten einer konjugierten Umlaufbahnebene verlässt
14 geneigte Umlaufbahnebene
15 konjugierte Umlaufbahnebene
16 Äquator
22 Konjugierte Paare von Umlaufbahnebenen
40a Aufsteigender Knoten einer Umlaufbahnebene
40b Absteigender Knoten einer konjugierten Umlaufbahnebene
E Erde
NP Nordpol
SP Südpol

Fig. 9

12 Satellit
18 Boden-Relaisstation
20 Benutzerstationen
48a Relaisstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (RSU)
48b Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD)
50a Benutzerstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (TSU)
50b Benutzerstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (TSD)

Fig. 10

12 Satellit
14 geneigte Umlaufbahnebene
16 Äquator
18 Boden-Relaisstation
48b Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD)
51 terrestrische Verbindungen, zum Beispiel öffentliches Telefonnetz
52 geostationärer Satellit
53 Verbindungen zwischen einem Satelliten und einer Station mit sehr geringem Öffnungswinkel (VSAT)
54 60º nördlicher Breite
56 30º nördlicher Breite
58 30º südlicher Breite

Fig. 11

12 Satellit
48a Relaisstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (RSU)
48b Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD)
50a Benutzerstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (TSU)
50b Benutzerstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (TSD)

Fig. 12

60 Diagramm des Paketaufbaus

Fig. 13

70 HF-Kommunikations-Untersystem
80 Computer für Spurverfolgung, Telemetrie und Steuerung
90 Bestimmung der Fluglage und Steuer-Untersystem
100 thermisches Steuer-Untersystem
110 elektrisches Stromversorgungs-Untersystem

Fig. 14

120 Blockschaltbild für die Kommunikations-Nutzlast 121 Empfänger mit Bandabtastung

Fig. 15

122 Verstärkungsmuster für die Satellitenantenne

Fig. 16

123 Ausführungsform für die Basisband-Abtastung des Empfängers für die digitale Bandabtastung
124 Bandpassfilter
125 Eingangsbandsignal
126 HF-Verstärker
128 Teilerschaltung
129 Hochfrequenzoszillator
130 Mischer
132 90º-Phasendreher
134 Tiefpassfilter
136 Analog/Digital-Konverter
138 Digitaler Signalprozessor
140 Ausgangssignalvektor
I Basisbandsignal
Q phasenverschobenes Basisbandsignal
I(n) digitale Abtastwerte
Q(n) phasenverschobene, digitale Signalabtastwerte

Fig. 17

124 Bandpassfilter
125 Eingangssignal
126 HF-Verstärker
129 Hochfrequenzoszillator
130 Mischer
134 Tiefpassfilter
136 Analog/Digital-Konverter
138 digitaler Signalprozessor
140 Ausgangssignalvektor

Fig. 18

200 Modem-Modul
202 ausgedehnter Speicher
204 parallel Schnittstelle
206 Wechselspannungsadapter
208 Palmtop-Personal Computer
210 Global Positioning System (GPS)
212 Batterie-Pack
214 Peitschenantenne

Fig. 19

200 Modem-Modul
214 Antenne
220 Stations-zu-Satelliten-Abwärtsverbindung (TSD)-Empfänger
222 Stations-zu-Sateiliten-Aufwärtsverbindung (TSU)-Sender
224 Computer-Untersystem
226 Frequenzreferenz

Fig. 21

230 funktionales Blockschaltbild für eine Relaisstation
232 Sender für eine Relaisstation-zu-Satelliten-Aufwärtsverbindung (RSU)
234 Empfänger für eine Relaisstation-zu-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD)
236 Computer-Untersystem
238 Frequenzreferenz
240 Untersystem für Spurfolge, Telemetrie und Steuerung
242 Untersystem für Netzwerkbetrieb und Steuerzentrum (NOCC = Network operation and control center)
244 PSTN-Schnittstelle

Fig. 22

250 schematische Darstellung eines Benutzerdienstes mit Anwendung von stationierten Bojen zum Senden von entfernten Daten
12 Satellit
18 Boden-Relaisstation
20 Benutzerstation
48b Relaisstation-Satelliten-Abwärtsverbindung (RSD)
50a Benutzerstation-Satelliten-Aufwärtsverbindung (TSU)
51 terrestrische Verbindung, zum Beispiel öffentliches Telefonnetz
252 installierte Boje
254 Unterwasser-Horchgerät
256 Instrumentation für Umgebung und Wetter

Fig. 23

260 schematische Darstellung eines interaktiven Fernsehsystems unter Anwendung einer Rückverbindung von einem Betrachter zu einem Fernsehsender über die Satellitenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
200 LEO OneTM Modem
261 durch einen Sendesatelliten geliefertes Fernsehsignal
262 TSU-Peitschenantenne
263 Koaxialkabel von der Antenne zu einer Video- und Daten-Eingabeanordnung
264 Fernseh-Satellitenantenne
265 integriertes Antennensystem
266 Fernseh-Konverter/Tuner und Modem zur Kommunikation mit der in dieser Erfindung angewandten Satelliten-Anordnung
268 Dateneingabeeinheit, zum Beispiel Personal Computer
272 Fernsehempfänger

Fig. 24

280 Schematische Darstellung einer Rückverbindung von einem Betrachter einer Satelliten-Fernsehsendung über die Verbindungen zwischen der Satelliten-Anordnung und der Bodenstation gemäß der vorliegenden Erfindung und Datennetzwerke auf terrestrischer Basis
12 Satellit
18 Relaisstation
50a Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung
50b Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung
51 terrestrische Verbindung
261 durch einen Sendesatellit geliefertes Fernsehsignal
282 Fernsehsende-Satellit

Fig. 25

290 Darstellung eines Verfahrens zum Bilden einer Anschlussmöglichkeit an mobile Einheiten oder Einheiten mit niedriger Datenrate innerhalb eines Gebäudes, das die Hochfrequenzenergie des Benutzers von dem Satelliten abschirmt
12 Satellit
50a Station-Satelliten-Aufwärtsverbindung
50b Station-Satelliten-Abwärtsverbindung
200 LEO OneTM Modem
291 Dateneingabeeinheit, zum Beispiel ein Personal Computer, handbetriebenes Sprechgerät, Pager usw.
292 Gebäude, das den Benutzer von dem Satelliten abschirmt
294 Persönliche Kommunikationssysteme (PCS) innerhalb des Gebäudes
295 Benutzer
296 Kopplungseinheit, zum Beispiel PCMCIA, RS232 oder anderes Modem
297 Sonnenzellenfläche oder Solarplatte
298 integrierter PCS-Sender/Empfänger und TSU-Sender/TSD-Empfänger
299 TSUITSD-Antenne
310 Straßenbeleuchtung
312 Briefkasten
314 Warenautomat
316 großes Gebäude/Gefahren-Warnleuchten

Claims

1. Satelliten-Kommunikationssystem, enthaltend:

- mehrere Relaisstationen (18),

- mehrere Benutzerstationen (20),

- eine Anordnung (10) von in niedrigen Erdumlaufbahnen arbeitenden Satelliten (12), die gleichen Abstand voneinander haben sind und in mehreren Paaren arbeiten,

- wobei jeder der mehreren Satelliten (12) mit wenigstens einer der mehreren Relaisstationen (18) und mit wenigstens einer der mehreren Benutzerstationen (20) kommunizieren kann,

- wobei die mehreren Benutzerstationen (20) in erster Linie in bewohnten Teilen der Erde (E) zufallsverteilt sind,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Satelliten (12) mit gleichem Abstand voneinander in mehreren Paaren der niedrigen Erdumlaufbahnen (22) liegen und jedes der Paare von niedrigen Erdumlaufbahnen (22) eine geneigte Umlaufbahnebene (14) und eine konjugiert geneigte Umlaufbahnebene (15) enthält,

- die geneigte Umlaufbahnebene (14) und die konjugiert geneigte Umlaufbahnebene (15) jede einen ansteigenden Knoten (40a) und einen abfallenden Knoten (40b) aufweist und

- der ansteigende Knoten (40a) der geneigten Umlaufbahnebene (14) um ungefähr 180 Grad nach rechts oben von dem absteigenden Knoten (40a) der konjugiert geneigten Umlaufbahnebene (15) versetzt ist,

- und dass die mehreren Relaisstationen (18) auf Stellen der Erde (E) verteilt sind, die das Sendegebiet für die Kommunikation maximieren und die Zeit zum Austausch von Nachrichten und Daten zwischen zwei der mehreren Benutzerstationen (20) minimieren, dass die Relaisstationen (18) über eine Satellitenverbindung und ein öffentliches Telefonnetz miteinander kommunizieren und die Relaisstationen (18) zwischen den Verbindungen wählen können, um die Nachrichten und Daten zwischen den Benutzerstationen (20) austauschen zu können.

2. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Relaisstationen (18) außerdem zwischen alternativen Mitteln zur Weitergabe von Nachrichten und Daten entsprechend den Austauschmodi wählen können.

3. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine oder mehrere der Umlaufbahnebenen (14, 15) eine Höhe zwischen 100 km und 12.000 km, vorzugsweise zwischen 100 km und 1.200 km, aufweisen können, wobei die am meisten bevorzugte Anordnung eine Höhe von 950 km hat, die den besten Kompromiss zwischen dem Sendegebiet für die Benutzer und den Kosten darstellt.

4. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine oder mehrere der Umlaufbahnebenen (14, 15) um zwischen null Grad und 180 Grad, vorzugsweise zwischen 40 Grad und 80 Grad, zum Erdäquator geneigt sein können und die am meisten bevorzugte Anordnung um 50 Grad zum Erdäquator geneigt ist, was ein ideales Systemsendegebiet für die am dichtesten bevölkerten Bereiche der Erde darstellt.

5. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine oder mehrere aneinanderliegende Umlaufbahnebenen (14, 15) einen Phasenwinkel zwischen ihren Ebenen zwischen null Grad und 360 Grad, vorzugsweise zwischen null Grad und 45 Grad, aufweisen können und die am meisten bevorzugte Ausführung 7,5 Grad aufweist.

6. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen zwei und zwölf, vorzugsweise zwischen fünf und acht, Satelliten (12) in einer Umlaufbahnebene (14, 15) liegen können und die am meisten bevorzugte Ausführungsform sechs Satelliten (12) je Umlaufbahnebene (14, 15) aufweist, was den besten Kompromiss zwischen der Effizienz des Systems und den Kosten darstellt.

7. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen zwei und zwölf Umlaufbahnebenen (14, 15), vorzugsweise zwischen vier und zehn, vorgesehen sein können und die am meisten bevorzugte Ausführungsform acht Umlaufbahnebenen (14, 15) aufweist, was die beste Sichtbarkeit des Satelliten von dem nördlichen geographischen Breiten der Erde darstellt.

8. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

- die Anordnung (10) der Satelliten (12) achtundvierzig Satelliten (12) aufweist, die in einer Höhe von ungefähr 950 km arbeiten,

- die mehreren Paare von niedrigen Erdumlaufbahnen (22) acht der geneigten Umlaufbahnebenen (14, 15), sechs der in jeder der geneigten Umlaufbahnebenen (14, 15) arbeitenden Satelliten aufweist und

- der aufsteigende Knoten (40a) der geneigten Umlaufbahnebenen (14, 15) bei rechten Anstiegswinkeln von ungefähr 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 bzw. 315 Grad auftritt.

9. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Satellit (12) eine Kommunikations-Nutzlast (120) mit einem Computer-Untersystem mit einem Speicher aufweist, wobei das Computer-Untersystem empfangene Nachrichten und/oder Daten empfangen, in dem Speicher speichern und sie in der benötigten Form zu einer der mehreren Benutzerstationen (20) und zu einer der Relaisstationen (18) zu einer späteren Zeit weiter übertragen kann, wodurch das Satelliten-Kommunikationssystem ein Speichersystem und ein Weitergabesystem darstellt.

10. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 9, bei dem das Computer- Untersystem außerdem Kanalzuordnungen durchführt.

11. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem

- jede Kommunikations-Nutzlast (120) eine Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a) und eine Relais-Satelliten-Abwärtsverbindung (48b) darstellt und mit wenigstens einer der mehreren Relaisstationen (18) kommuniziert und zum Bilden einer Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) und einer Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b) und mit wenigstens einer der mehreren Benutzerstationen (20) kommuniziert,

- jede der mehreren Relaisstationen (18) einen Relais-Satelliten-Aufwärtssender (232), einen Relais-Satelliten-Abwärtsempfänger (234) und eine Stationsverbindung (53) mit einem sehr geringen Öffnungswinkel, im Folgenden mit VSAT bezeichnet, zur Kommunikation mit einem geostationären Kommunikationssatelliten (52) aufweist, und

- die Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a), die Relais-Satelliten- Abwärtsverbindung (48b), die Verbindungsstation (53) mit dem sehr geringen Öffnungswinkel und die terrestrische Verbindung (51) zur Kommunikation zwischen einer der Relaisstationen (18) und einer anderen Relaisstation (18) und mit jeder der mehreren Benutzerstationen (20) dient,

- jede der mehreren Benutzerstationen (20) ein Modem (200) für die Übertragung der Nachricht über die Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) zu einem der mehreren Kommunikationssatelliten (12) aufweist und

- die Nachricht an Bord des Satelliten (12) gespeichert und über die Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) zu dieser Bestimmung weitergegeben wird, und die Relais-Stations-Satellitenverbindungen (48a, 48b), die Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), die terrestrische Strecke (51) und/oder die VSAT-Verbindung (53) die für die Weitergabe der Nachricht benötigte Zeit minimieren.

12. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 11, bei dem die Stations- Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a), die Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (48b), die Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) und die Relais- Satelliten-Abwärtsverbindung (50b) bei Hochfrequenzen arbeiten, die sprachlosen, nicht-geostationären mobilen Satellitensystemen zugeordnet sind.

13. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Kommunikations-Nutzlast (120) Folgendes enthält:

- ein dynamisches, adaptives Kanalzuordnungssystem an Bord jedes der mehreren Satelliten (12) zum Überwachen eines auf der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) bei Hochfrequenz übertragenen Eingangsbandsignals (125) und zum Zuordnen nicht belegter Frequenzkanäle zu jeder der mehreren Benutzerstationen (20),

- wobei das adaptive Kanal-Zuordnungssystem einen Ausgang mit mehreren, schnell gewonnen Signal-Ausgangsvektoren (140) aufweist, die aus einer mittleren Leistungsabschätzung entsprechend Signalen auf Segmenten des Eingangsbandsignals (125), und die Signal-Ausgangsvektoren (140) Informationen über derzeit nicht belegte Frequenzkanäle enthalten.

14. Satelliten-Kommunikationssystem nach Anspruch 13, bei dem das dynamische, adaptive Kanal-Zuordnungssystem Folgendes enthält:

- einen Band-Abtast-Empfänger (121), der die Signal-Ausgangsvektoren (140) aus dem Eingangsbandsignal (125) für den Eingang zu einem Basisband-Abtastbereich (123) erzeugt, wobei der Basisband-Abtastbereich (123) folgende Komponenten enthält:

- ein HF-Bandpassfilter (124) zur Verringerung von außerhalb des Bandes liegenden Interferenzen,

- einen HF-Verstärker (126) zum Verstärken eines Ausgangssignals von dem Bandpassfilter (124),

- eine Teilerschaltung (128) zum gleichmäßigen Teilen eines Ausgangssignals von dem HF-Verstärker (126) in ein erstes und ein zweites Ausgangssignal,

- einen Hochfrequenzoszillator (129),

- einen 90º-Phasendreher (132),

- einen ersten Mischer (130) zum Umsetzen des ersten Ausgangssignals der Tellerschaltung (128) in ein erstes Basisbandsignal (1) mit einem Überlagerungssignal von dem Hochfrequenzoszillator (129),

- einen zweiten Mischer (130) zum Umsetzen des zweiten Ausgangssignals der Tellerschaltung (128) in ein zweites Basisbandsignal (Q) mit einem Signal von dem Hochfrequenzoszillator (129), das durch den 90º- Phasendreher (132) um 90º in der Phase verschoben ist,

- mehrere Tiefpassfilter (134) zur Vermeidung eines Aliasing des ersten Basisbandsignals (I) und des zweiten Basisbandsignals (Q),

- mehrere Analog/Digital-Konverter (129) zum Umsetzen des ersten Basisbandsignals (I) in einen ersten digitalen Signalabtastwert (I(n)) und zum Umsetzen des zweiten Basisbandsignals (Q) in einen zweiten digitalen Signalabtastwert (Q(n)) und

- einen digitalen Signalprozessor (138) zum Erzeugen der Ausgangssignal- Vektoren (140) aus den Eingängen der ersten digitalen Signalabtastwerte (I(n)) und der zweiten digitalen Signalabtastwerte (Q(n)),

- wobei die Komponenten (124, 126, 128, 129, 130, 132, 134, 136, 138) des Basisband-Abtastbereichs (123) zusammenarbeiten und eine mittlere Leistungsabschätzung für Teile des Bandes von Hochfrequenzen (125) und den Ausgangssignal-Vektor (140) erzeugen.

15. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Benutzerstation (20) zum Übertragen und zum Berichten der Lage eines sich bewegenden Objekts und der Umgebung dienen und das System außerdem Folgendes enthält:

- ein Modul (210) für ein globales Positioniersystem, im Folgenden mit GPS (global positioning system) bezeichnet, und

- eine Umgebungs-Messgeräteanordnung (256),

- wobei das GPS-Modul (210) und die Umgebungs-Messgeräteanordnung (256) mit dem Modem (200) verbunden sind und geographische Lageinformationen und Umgebungsdaten liefern, die dann als digitale Daten über diese Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), die Relais-Stations-Satellitenverbindungen (48a, 48b), die Stations- Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), die VSAT-Verbindung (53) und/oder die terrestrische Verbindung (51) als digitale Daten zu einer Empfangsgruppe übertragen werden, um die Zeit für die Weitergabe dieser digitalen Daten zu der Empfangsgruppe zu minimieren.

16. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Benutzerstation (20) zur Überwachung der Daten von den Systemen, von tragbaren Geräten und Geräten mit einer niedrigen Datenrate innerhalb eines Aufbaus (292) dienen, der das Hochfrequenzsignal eines Benutzers von dem Satelliten (12) abschirmt, ferner enthaltend:

- eine Daten-Eingabeeinheit (291) rum Liefern von digitalen Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen,

- einen persönlichen Kommunikationsservice, im Folgenden mit PCS (personal communication service) bezeichnet, in dem Aufbau (292),

- eine Kopplungseinheit (296),

- eine Dateneingabeeinheit (291), die über die Kopplungseinheit (296) mit einem Eingang des PCS-Systems (294) verbunden ist,

- wobei das PCS-System (294) mit einem Ausgang des Modems (200) der Benutzerstation (20) verbunden ist, und

- die Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen von der Dateneingabeeinheit (291) über das PCS-System zu dem Modem (200) übertragen werden, für eine Übertragung durch die Benutzerstation (20) zu einer Empfangsgruppe über diese Kombination der Stations-Satelliten- Aufwärtsverbindung (50a), die Relais-Stations-Satellitenverbindungen (48a, 48b), die Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), die VSAT- Verbindung (53) und/oder die terrestrische Verbindung (51), um die Zeit für die Weitergabe der digitalen Daten zu der Empfangsgruppe zu minimieren.

17. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15 für ein interaktives Fernsehsystem (260), das mit einer durch eine Sendestation gelieferten direkten Fernsehprogrammbildung arbeitet, ferner enthaltend:

- ein Antennensystem (265), enthaltend

- eine kleine Fernseh-Schüsselantenne (264) für den Empfang eines Fernseh-Satellitensignals (261) und eine Peitschenantenne (262) für die Kommunikation mit den Kommunikationssatelliten (12),

- einen mit dem Modem (200) verbundenen Fernsehkonverter (266),

- einen Fernsehempfänger (272) für die Wiedergabe des Fernseh- Satellitensignals für einen Benutzer,

- eine Dateneingabeeinheit (268),

- wobei der Benutzer interaktive Antworten über die Dateneingabeeinheit (268) in die Fernsehsendestation eingeben kann, und

- wobei die Antworten durch die Benutzerstation (20) zu einem der Kommunikationssatelliten (12) für die Weitergabe zu der Sendestation über die Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), der Relais-Stations-Satellitenverbindung (48a, 48b), der Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und/oder der terrestrischen Verbindung (51) übertragen werden, um die Zeit für die Weitergabe der digitalen Daten zu der Empfangsgruppe zu minimieren.

18. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Benutzerstation (20) für die Überwachung der Funkton einer Straßenbeleuchtung (310) vorgesehen ist.

19. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Benutzerstation (20) zur Überwachung der Funktion eines Warenautomaten (314) vorgesehen ist.

20. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Benutzerstation (20) für die Überwachung des Inhalts einer Kurier- Servicestation und/oder eines Briefkastens (312) vorgesehen ist.

21. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Benutzerstation (20) zur Überwachung der Funktion von Flugsicherungs-Warnleuchten auf großen Gebäuden und/oder Gefahraufbauten (316) einschließlich Strommasten, Rundfunk- oder Fernsehtürmen vorgesehen ist.

22. Satelliten-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jeder der Kommunikationssatelliten (12) in Umlaufbahnen arbeitet, die vorzugsweise elliptische Umlaufbahnen oder elliptische Umlaufbahnen mit verschiedenen Brennweiten und die am meisten bevorzugten runde Umlaufbahnen sind, die die geringsten Leistungsanforderungen für die Sender der Benutzerstation erfordern.

23. Verfahren zur Durchführung von Kommunikationen mit einem Satelliten- Kommunikationssystem, enthaltend folgende Schritte:

- Installation einer Anordnung (10) mit mehreren Kommunikationssatelliten (12) in mehreren Erdumlaufbahnebenen:

- Verteilung mehrerer Benutzerstationen (20) über die Erde (E),

- Verteilung mehrerer Relaisstationen (18) an Stellen auf der Erde (E) zur Erleichterung der Weitergabe einer Nachricht zwischen einer der mehreren Benutzerstationen (20) und/oder der Anordnung von Kommunikationssatelliten (12) und einem Bestimmungsort,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Satelliten bei einer Höhe zwischen 100 km und 1.200 km stationiert werden,

die Umlaufbahnebenen vier Paare von geneigten Umlaufbahnebenen enthalten,

- jedes Paar eine geneigte Umlaufbahnebene (14) und eine konjugiert geneigte Umlaufbahnebene (15) enthält,

- die geneigte Umlaufbahnebene (14) und die konjugiert geneigte Ebene (15) jede einen aufsteigenden Knoten (40a) und einen absteigenden Knoten (40b) enthalten, und

- der aufsteigende Knoten (40a) der geneigten Umlaufbahnebene (14) um ungefähr 180 Grad nach rechts von dem aufsteigenden Knoten (40a) der konjugiert geneigten Ebene (15) versetzt ist, wodurch die aufsteigenden Modi der acht geneigten Umlaufbahnebenen bei nach rechts ansteigenden Winkeln von ungefähr 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 bzw. 315 Grad auftreten,

- und dass eine terrestrische Verbindung (51) vorgesehen wird und wenigstens zwei der mehreren Relaisstationen (18) mit der terrestrischen Verbindung (51) verbunden werden, und die Relaisstationen (18) über eine Satellitenverbindung miteinander kommunizieren und die Relaisstationen (18) zwischen den terrestrischen und Satelliten-Verbindungen wählen können, um die Nachricht zwischen den Benutzerstationen (20) weiterzugeben.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Schritt des Bildens einer terrestrischen Verbindung (51) folgenden Schritt enthält: Verbinden von wenigstens zwei der mehreren Relaisstationen (18) mit einem öffentlichen Telefonnetz, im Folgenden mit PSTN (publicity switched telephone network) bezeichnet.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem der Schritt der Stationierung einer Anordnung (10) von Kommunikationssatelliten (12) folgende Schritte enthält:

- jeder der mehreren Satelliten (12) erhält eine Kommunikations-Nutzlast (120) zur Bildung einer Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a) und einer Relais-Satelliten-Abwärtsverbindung (48b) zur Kommunikation mit wenigsten einer der mehreren Relaisstationen (18),

- Ausbildung jeder der mehreren Satelliten (12) mit einer Kommunikations- Nutzlast (120) zur Bildung einer Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b) und einer Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) zur Kommunikation mit wenigstens einer der mehreren Benutzerstationen (20),

- Ausbildung jeder der mehreren Relaisstationen (18) mit einem Relais- Satelliten-Aufwärtssender (232), einem Relais-Satelliten-Abwärtsempfänger (234), einer Verbindungsstation (53) mit einem sehr kleinen Öffnungswinkel (VSAT) zur Kommunikation mit einem geostationären Kommunikationssatelliten (52) und einer Schnittstelle für eine terrestrische Verbindung (51) und

- Anwendung der Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a), der Relay- Satelliten-Abwärtsverbindung (48b), der Stationsverbindung (53) mit sehr geringem Öffnungswinkel und der terrestrischen Verbindung (51) für die Kommunikation zwischen einer der Relaisstationen (18) und/oder einer anderen der Relaisstationen (18) und mit den Benutzerstationen (20).

26. Verfahren nach Anspruch 25, enthaltend folgende Schritte:

- Kommunizieren der Nachricht von einer der mehreren Benutzerstationen (20) mit einem Modem (200) über die Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) mit einem der mehreren Satelliten (12),

- Speichern der Nachricht an Bord des Satelliten (12) und

- Weitergabe der Nachricht zu dem Bestimmungsort über eine derartige Kombination der Relais-Stations-Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der terrestrischen Verbindung (51) und der VSAT-Verbindung (53), um die für die Weitergabe einer Nachricht benötigte Zeit zu minimieren.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, enthaltend folgende Schritte:

- Überwachung der Eingangsbandsignale (125), die über die Stations- Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a) bei Hochfrequenz übertragen werden,

- Ableitung eines Ausgangssignals von mehreren schnell erhaltenen Signal-Ausgangsvektoren (140) von einer Schätzung der mittleren Leistung entsprechend Eingangsbandsignalen (125), die mit einem dynamischen, adaptiven Kanalzuordnungssystem überwacht werden, an Bord jedes der mehreren Satelliten (12), wobei die Signal-Ausgangsvektoren (140) Informationen über derzeit unbelegte Frequenzkanäle enthalten, und

- Zuordnung unbelegter Frequenzkanäle zu jeder der mehreren Benutzerstationen (20) mit dem adaptiven Kanal-Zuordnungssystem.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem der Schritt für die Verteilung mehrerer Benutzerstationen (20) folgende Schritte enthält:

- Stationierung einer Boje (252) in einem maritimen Bereich,

- wobei die Boje (252) eine Umgebungs- und Wetter-Messgerätanordnung (256) zum Sammeln von Umgebungsdaten enthält, und/oder

- ein Unterwasser-Horchgerät (254) zur Aufnahme von Schiffsbewegungsdaten und/oder

- eine Lagebestimmungs-Einheit (LORAN, GPS) zur Aufnahme von Lagedaten und

- eine der mehreren Benutzerstationen (20) zum Übertragen der Umgebungs-Anpass- und/oder Positionierungsdaten über eine derartige Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), der Relais- Station-Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Stations-Satelliten- Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und der terrestrischen Verbindung (51) zur Minimierung der für die Weitergabe der Daten benötigten Zeit enthält.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27 bei dem der Schritt der Verteilung der mehreren Benutzerstationen (20) folgende Schritte enthält:

- Bereitstellung eines Antennensystems (256) auf der Seite eines Fernsehzuschauers,

- wobei das Antennensystem (256) eine erste Empfangsantenne (264) zum Empfang von Rundfunk-Fernsehsignalen (261) aufweist, die von einer Sendestation von einem Satelliten (282) mit Direktsendung geliefert werden, und mit einer zweiten Antenne (262) zur Kommunikation mit einem Satelliten (12) der Anordnung (10),

- Bereitstellung eines Fernseh-Konverter/Tuners (266) mit einem Modem (200), wobei der Fernseh-Konverter/Tuner (266) mit dem Antennensystem (265) verbunden ist,

- Anschluss einer Eingabeeinheit (268) zur Eingabe von Daten und eines Fernsehempfängers (272) für die Wiedergabe der Fernsehsignale (261) an den Fernseh-Konverter/Tuner (266), und

- wobei der Fernsehzuschauer Antworten zu dem auf dem Fernsehempfänger (272) wiedergegebenen Rundfunk-Fernsehsignalen (261) durch Eingabe dieser Antworten auf der Daten-Eingabeeinheit (268) und Übertragung der Antworten über eine derartige Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), der Relais-Stations- Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und der terrestrischen Verbindung (51) zu der Sendestation sendet, um die für die Weitergabe der Daten benötigte Zeit zu minimieren.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem der Schritt der Verteilung mehrerer Benutzerstationen (20) folgende Schritte enthält:

- Bildung von Kommunikationen zu einer oder mehreren der Satelliten (12) in der Anordnung von Kommunikationssatelliten (10) von tragbaren Einheiten (291), die von über Satelliten (12) gesendeten und empfangenen Hochfrequenzsignalen (50a, 50b) durch einen künstlichen oder natürlichen Aufbau (292) abgeschirmt sind, indem Daten von den tragbaren Einheiten (291) über ein persönliches Kommunikationssystem (294) zu einer in der Nähe gelegenen Benutzerstation (298) übertragen werden, die mit wenigstens einem der mehreren Satelliten (12) kommuniziert.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem der Schritt der zufallsmäßigen Verteilung mehrerer Benutzerstationen (20) folgende Schritte enthält:

- Anschluss einer der mehreren Benutzerstationen (20) an einen Takt in einem örtlichen Taktsystem, wobei das örtliche Taktsystem den Universal Coordinated Time (UTC)-Signalen entspricht,

- Gewinnung der Universal Coordinated Time, im Folgenden mit UTC- Signale bezeichnet, die durch das National Bureau of Standards über eine Kommunikationsverbindung (50a, 51) geliefert werden,

- Senden der Universal Coordinated Time (UTC)-Signale über die Satelliten (12) in der Anordnung (10),

- Empfangen der Universal Coordinated Time (UTC)-Signale bei einer der mehreren Benutzerstationen (20),

- Weiterleiten der Universal Coordinated Time (UTC)-Signale zu dem örtlichen Taktsystem und

- Synchronisierung des Taktes in dem örtlichen Taktsystem auf die Universal Coordinated Time (UTC)-Signale.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem der Schritt der Verteilung mehrerer Benutzerstationen (20) folgende Schritte enthält:

- Anschluss einer Benutzerstation (20) an eine mit einem entfernt angeordneten System verbundene Überwachungseinheit,

- wobei die Überwachungseinheit ein Signal, das die einwandfreie Funktion des entfernt angeordneten Systems anzeigt, zu einer der mehreren Benutzerstationen (20) liefert,

- Überwachung der einwandfreien Funktion des entfernt angeordneten Systems mit der Überwachungseinheit und

- Übertragung des Signals über diese Kombination der Stations-Satelliten- Aufwärtsverbindung (50a), der Relais-Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und/oder der terrestrischen Verbindung (51) zur Minimierung der für die Weitergabe der Daten benötigten Zeit.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, enthaltend folgende Schritte:

- Bildung von Geschäftsmarkt-Informationen in Echtzeit über eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen (50a, 51),

- Senden der Geschäftsmarkt-Informationen über die Satelliten (12) in der Anordnung (10) und

- Empfang der Geschäftsmarkt-Informationen bei einer oder mehreren der Benutzerstationen (20) für die Anwendung in geschäftlichen Transaktionen.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, enthaltend folgende Schritte:

- Betreiben der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), der Stations- Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der Relais-Satelliten-Aufwärtsverbindung (48a) und der Relais-Satelliten-Abwärtsverbindung (48b) bei Hochfrequenzen, die sprachlosen, nicht-geostationären, mobilen Satellitensystemen zugeordnet sind.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27 für die Übermittlung und Berichtung der Lage und der Umgebung eines sich bewegenden Objekts, enthaltend folgende Schritte:

- Einsatz eines Moduls (210) für ein globales Positionierungssystem (GPS = global positioning system),

- Einsatz einer Messgeräteanordnung (256) für die Umgebung,

- Anschluss des GPS-Moduls (210) und der Messgeräteanordnung (256) für die Umgebung an das Modem (200) und Liefern von geographischen Lageinformationen und Umgebungsdaten an die Benutzerstation (20) über das Modem (200) und

- Übertragen der Informationen als digitale Daten zu einer Empfangsgruppe über diese Kombination der Relais-Stations-Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und der terrestrischen Verbindung (51) zur Minimierung der für die Weitergabe der Daten benötigten Zeit.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27 zur Überwachung von Daten von den Systemen, tragbaren Einheiten und/oder Einheiten mit einer niedrigen Datenrate in einem Aufbau (292), der das Hochfrequenzsignal eines Benutzers von den Satelliten (12) abschirmt, enthaltend die folgenden Schritte:

- Liefern von Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen mit einer Daten-Eingabeeinheit (291),

- Bildung eines Systems (294) für einen persönlichen Kommunikationsdienst, im Folgenden mit PCS (personal communication service) bezeichnet, das in dem Aufbau (292) enthalten ist,

- Anschluss der Dateneingabeeinheit an einen Eingang des PCS-Service mit einer Anschlusseinheit (296),

- Anschluss des PCS-Systems (294) an einen Ausgang des Modem (200) der Benutzerstation (20) und

- Übertragung der Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen von der Dateneingabeeinheit (291) über das PCS-System zu dem Modem (200) und

- Übertragung der Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen mit der Benutzerstation (20) zu einer Empfangsgruppe über eine derartige Kombination der Stations-Satelliten-Aufwärtsverbindung (50a), der Relais-Stations-Satelliten-Verbindung (48a, 48b), der Stations-Satelliten- Abwärtsverbindung (50b), der VSAT-Verbindung (53) und/oder der terrestrischen Verbindung (51) zur Minimierung der für die Weitergabe der Daten benötigten Zeit.

37. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem der Schritt der Bereitstellung der Geschäfts- und/oder Fertigungsinformationen mit einer Dateneingabeeinheit (291) das Überwachen der Daten von einer entfernt angeordneten Vorrichtung für einen Ausfall und/oder eine notwendige Reparatur einschließt.

38. Verfahren nach Anspruch 32 oder 37, bei dem der Schritt der Überwachung der Daten von einer entfernt angeordneten Vorrichtung für einen Ausfall und/oder eine notwendige Reparatur eine Überwachung der Funktion einer Straßenbeleuchtung (310) einschließt.

39. Verfahren nach Anspruch 32 oder 37, bei dem der Schritt der Überwachung der Daten von der entfernt angeordneten Vorrichtung für einen Ausfall und/oder eine notwendige Reparatur die Überwachung der Funktion eines Warenautomaten (314) einschließt.

40. Verfahren nach Anspruch 32 oder 37, bei dem der Schritt der Überwachung der Daten von einer entfernt angeordneten Vorrichtung für den Ausfall und/oder eine notwendige Reparatur die Überwachung des Inhalts einer Kurier-Servicestelle und/oder eines Briefkastens (312) einschließt.

41. Verfahren nach Anspruch 32 oder 37, bei dem der Schritt der Überwachung der Daten von der entfernt angeordneten Vorrichtung für den Ausfall und/oder eine notwendige Reparatur die Überwachung der Funktion von Flugsicherungs-Warnleuchten auf großen Gebäuden und/oder gefährlichen Aufbauten (316), einschließlich Strommasten, Rundfunk- oder Fernsehtürme einschließt.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27 für ein interaktives Fernsehsystem (260), das mit einem durch einen Sender gelieferten direktem Fernsehprogramm arbeitet, enthaltend folgende Schritte:

- Einsatz eines Antennensystems (265), enthaltend

- eine kleine Fernseh-Schüsselantenne (264) zum Empfang eines Fernseh-Satellitensignals (261) und eine Peitschenantenne (262) zur Kommunikation mit den Telekommunikationssystem-Satelliten (12),

- Anschluss eines Fernsehkonverters (266) an das Modem (200),

- Wiedergabe des Fernseh-Satellitensignals für einen Benutzer auf einem Fernsehempfänger (272),

- Anschluss einer Dateneingabeeinheit (268) an das Modem (200),

- Eingabe von interaktiven Antworten eines Benutzers auf der Fernsehwiedergabeeinheit in die Dateneingabeeinheit (268), die darin die Antworten in digitale Daten umsetzt und diese digitalen Daten in das Modem (200) eingibt, und

- Übertragung der Antworten in das Modem (200) von der Benutzerstation (20) zu einem der Satelliten (12) mit optimalem Sendegebiet zum Liefern des Senders über eine derartige Kombination der Anschluss-Satelliten- Aufwärtsverbindung (50a), der Relais-Stations-Satelliten-Verbindungen (48a, 48b), der Anschluss-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b), der VSAT- Verbindung (53) und der terrestrischen Verbindung (51) zur Minimierung der für die Weitergabe der Daten benötigten Zeit.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27 für die Synchronisierung von weltweiten Takten, enthaltend folgende Schritte:

- Überwachung von Coordinated Universal Time (UTC)-Signalen und anderen Zeitstandard-Daten von dem National Bureau of Standards, die über Kurzwellensendestationen VVWV gesendet werden, die durch eine der mehreren Satelliten (12) in der Anordnung (10) empfangen werden, und über die Stations-Satelliten-Abwärtsverbindung (50b) zu der Benutzerstation (20) übertragen werden,

- Dekodierung der Signale an dem Modem (200) in der Benutzerstation (20),

- Lieferung der dekodierten Signale zu einem mit dem Modem (200) verbundenen Takt und Synchronisierung des Taktes mit dem UTC.

44. Verfahren nach Anspruch 23, wobei jeder Satellit mit einer Kommunikations- Nutzlast (120) versehen ist, die ein Computer-Untersystem mit einem Speicher aufweist, wobei das Computer-Untersystem empfangene Nachrichten und/oder Daten verarbeitet, diese in dem Speicher speichert und sie in der erforderlichen Weise zu einer der mehreren Benutzerstationen (20) und zu einer späteren Zeit zu einer der Relaisstationen (18) weiter übertragen kann, wodurch das Satelliten-Kommunikationssystem ein Speicher- und ein Weitergabesystem darstellt.

45. Verfahren nach Anspruch 44, wobei das Computer-Untersystem auch Kanalzuordnungen durchführt.

46. Verfahren nach Anspruch 44 oder 45, bei dem der Schritt der Stationierung einer Anordnung (10) von Kommunikationssatelliten (12) folgende Schritte enthält:

- Stationierung von achtundvierzig Satelliten (12) in den mehreren Paaren von geneigten Umlaufbahnebenen (22), enthaltend acht runde Umlaufbahnebenen (14, 15), sechs Satelliten (12), die in jeder der acht runden Umlaufbahnebenen (14, 15) bei einer Höhe von ungefähr 950 km arbeiten.