DE69807883T2

DE69807883T2 - Telekommunikationsanordnung

Info

Publication number: DE69807883T2
Application number: DE69807883T
Authority: DE
Inventors: Didier Casasoprana; Frederic Croq; Florence Dolmeta; Philippe Voisin
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: CA2294626A1; EP0992128B1; AU8344198A; ES2182343T3; FR2765421B1; EP0992128A1; US6374104B1; JP2002506588A; FR2765421A1; WO1999000916A1; DE69807883D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fernmeldesystem, das hohe Informationsraten und minimierte Übertragungszeiten ermöglicht.
Für die Kommunikation mit hoher Rate zwischen bodengestützten Stationen oder Mobilgeräten, die sich in einer festgelegten geographischen Zone mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Kilometern befinden, wird vorgeschlagen, ein System mit einem Netz von Satelliten in niedriger Umlaufbahn zu verwenden, deren Höhe zum Beispiel zwischen 1.000 und 1.500 km liegt. In diesem System umfasst jeder Satellit Gruppen von Empfangs- und Sendeantennen, wobei jede Gruppe einer gegebenen Zone zugeteilt ist. In jeder Gruppe empfangen die Empfangsantennen von einer Station in der Zone ankommende Signale, und die Sendeantennen senden die empfangenen Signale zu einer anderen Station in der gleichen Zone weiter. Während der Bewegung des Satelliten bleiben die Antennen einer Gruppe ständig auf die Zone orientiert, so lange diese im Blickfeld des Satelliten bleibt. So ist für einen Satelliten eine Region der Erde in n Zonen unterteilt, und wenn er sich über einer Region bewegt, wird jeder Zone eine Gruppe von Sende- und Empfangsantennen zugeteilt, die ständig auf diese Zone orientiert bleiben.
Dokumente des Standes der Technik lehren eine für ein Satelliten-Fernmeldesystem angepasste Antenne, wie im obigen Abschnitt beschrieben. Als Beispiele seien die zwei Dokumente D1 = EP-A 0 624 008 und D2 = E. A. Ohm, "Multifixed Beam Satellite Antenna with full Area Coverage and a Rain Tolerant Polarization Distribution" in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band 29, Nr. 6, November 1981, Seiten 937 bis 941, genannt.
Wenn auf diese Weise während der Bewegung - von zum Beispiel 20 Minuten Dauer - des Satelliten über einer Region eine einzige Gruppe von Sende- und Empfangsantennen der Zone zugeteilt ist, werden Umschaltungen von einer Antenne zur anderen Vermieden, die für die Schnelligkeit oder Qualität der Kommunikation abträglich sein könnten.
Außerdem minimiert die geringe Höhe der Satelliten die Ausbreitungszeit, was für interaktive Kommunikation, insbesondere für sogenannte Multimedia-Anwendungen, günstig ist.
Die Erfindung zielt darauf, die Realisierung von Einrichtungen an Bord der Satelliten sowie in den diversen Zonen zu optimieren.
Um die Realisierung des Fernmeldesystems zu optimieren, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Ressourcenzuteilung für ein Fernmeldesystem nach Anspruch 1 vor, welches vorsieht, die Zonen in wenigstens zwei Kategorien zu unterteilen. Die erste Kategorie besteht aus Zonen, wo der Kommunikationsbedarf oder Verkehr unter einer Schwelle liegt, und die zweite Kategorie besteht aus Zonen, wo der Bedarf gleich der Schwelle oder höher ist. In den Zonen der ersten Kategorie (geringer Verkehr) werden der Polarisationszustand und die Trägerfrequenzen der empfangenen und gesendeten Signale in jeder Zone so gewählt, dass zwei benachbarten Zonen Signale mit unterschiedlichen Polarisationszuständen oder Trägerfrequenzen zugeteilt werden. In den Zonen der zweiten Kategorie (starker Verkehr) werden jeder Zone Signale zugeteilt, die alle verfügbaren Trägerfrequenzen und alle Polarisationszustände haben.
So werden den Zonen der ersten Kategorie begrenzte Ressourcen zugeteilt, und den Zonen der zweiten Kategorie werden alle Ressourcen zugeteilt.
Die Polarisation ist zirkular oder linear.
Das Verfahren ermöglicht die Realisierung von bedarfsgerechten Einrichtungen. Insbesondere können die Einrichtungen für die Zonen mit geringem Verkehr einfach ausgeführt sein. Die Anforderungen an die Sende- und Empfangsantennen an Bord eines Satelliten oder eines Raumfahrzeuges, die Zonen mit geringem Verkehr zugeteilt sind, sind weniger streng als die Anforderungen an die für die Zonen mit starkem Verkehr vorgesehenen Antennen.
Man hat festgestellt, dass die Zonen mit starkem Verkehr in jeder Region nur etwa 25% der Gesamtzahl der Zonen darstellen, dass sie aber 40 bis 50% des Gesamtverkehrs beitragen.
An Bord der Satelliten sind die Sende- und Empfangsantennen, die den Zonen mit geringem Verkehr zugeteilt sind, zum Beispiel aktive Antennen, das heißt Antennen, deren Richtdiagramm ausschließlich durch eine elektronische Steuerung geformt und orientiert ist. Die Form dieses Diagramms wird ebenfalls durch eine elektronische Steuerung verändert. Zu beachten ist, dass diese Veränderung der Form des Diagramms, die für das Gebiet der Fernmeldetechnik spezifisch ist, dadurch erforderlich wird, dass die Form der zum Boden ausgesendeten Strahlung mit der relativen Position des Satelliten in Bezug auf die Zone variiert. Wenn zum Beispiel die am Boden abzudeckende Zone kreisförmig ist, sieht der Satellit im Nadir dieser Zone eine kreisförmige Zone. Wenn sich jedoch der Satellit von dieser Position entfernt, sieht er die Zone in elliptischer Form.
Für Zonen mit starkem Verkehr werden zum Beispiel mechanisch orientierbare Antennen verwendet, die Einrichtungen, vorzugsweise elektronischen Einrichtungen, zum Verändern des Strahlungsdiagramms in Abhängigkeit von der Orientierung, das heißt zum Anpassen des Richtdiagramms an die Form, unter der die Antenne die Zone sieht, zugeordnet sind.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bestimmter Ausgestaltungen, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema, das ein Fernmeldesystem zwischen bodengestützten Stationen oder mobilen Geräten unter Verwendung eines Satellitensystems zeigt;
Fig. 2 ein Schema, das eine Verteilung von Verkehr im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems darstellt;
Fig. 3 ein Schema, das eine Steuerschaltung einer Antenne für ein erfindungsgemäßes System zeigt;
Fig. 4 ein Schema einer durch die Schaltung der Fig. 3 gesteuerten Antennen;
Fig. 5 ein Schema einer an Bord eines Satelliten des Systems montierten Sende- und Empfangsantenne gemäß der Erfindung, die für eine Zone mit starkem Verkehr vorgesehen ist;
Fig. 5a ein Schema einer strahlenden Platte;
Fig. 6 ein Schema, das die Steuerung einer Sendeantenne aus Fig. 5 zeigt;
Fig. 7 ein Schema, das die Steuerung einer Empfangsantenne aus Fig. 5 zeigt; und
Fig. 8 ein Schema, das die Gesamtheit der an Bord eines Satelliten des Systems gemäß der Erfindung montierten Antennen zeigt.
Das Beispiel, das nun beschrieben wird, betrifft ein Fernmeldesystem, das eine Konstellation von Satelliten in niedriger Umlaufbahn von ca. 1.300 km oberhalb der Erdoberfläche 10 (Fig. 1) verwendet.
Das System soll Kommunikationen zwischen Teilnehmern 12, 14, 16 über eine oder mehrere Verbindungsstationen 20 herstellen. Es stellt auch Kommunikationen zwischen Teilnehmern und Dienstanbietern (nicht dargestellt) her, die an eine Verbindungsstation angeschlossen sind. Diese Kommunikationen werden über einen Satelliten 22 realisiert.
Bei den Kommunikationen zwischen einerseits den Teilnehmern 12, 14, 15 und der Verbindungsstation 20 und andererseits dem Satelliten 22 gibt es vier Typen von Signalen, nämlich: TXF- Signale vom Satelliten 22 zu den Teilnehmern, RXR-Signale von den Teilnehmern 12, 14, 16 zum Satelliten 22, TXR-Signale vom Satelliten 22 zur Verbindungsstation 20 und RXF-Signale von der Verbindungsstation zum Satelliten 22. Dabei steht das Suffix F für "Forward" oder die Hin-Richtung (von der Verbindungsstation zum Teilnehmer) und R für "Return" oder die Rück-Richtung (vom Teilnehmer zur Verbindungsstation). Außerdem steht herkömmlicherweise TX für "Senden" und RX für "Empfang". Senden und Empfang ist hier im Bezug auf den Satelliten definiert.
In dem System sieht der Satellit 22 zu jedem Zeitpunkt eine Region 24 der Erde (Fig. 2), und diese Region ist in Zonen 26&sub1;, 26&sub2;, ..., 26n unterteilt. Zum Beispiel umfasst jede Region 24 36 Zonen (n = 36).
Jede Zone 261 hat die Form eines Kreises mit einem Durchmesser von ca. 700 km. Jede Region 24 ist durch einen Kegel 70 begrenzt, der auf den Satelliten zentriert ist und einen durch die Höhe des Satelliten festgelegten Scheitelwinkel hat. Eine Region ist somit der vom Satelliten aus sichtbare Teil der Erde. Wenn die Höhe des Satelliten 1.300 km beträgt, ist der Scheitelwinkel ca. 104º.
Der Satellit umfasst Gruppen von Sende- und Empfangsantennen, die jeder Zone 26 zugeteilt sind. Jede Gruppe ist so beschaffen, dass, wenn der Satellit sich bewegt, die Gruppe auf die gleiche Zone ausgerichtet bleibt. Mit anderen Worten bleibt das Richtdiagramm jeder Antenne ständig auf eine gleiche Zone 261 der Erde ausgerichtet, im Prinzip so lange der Satellit diese Zone sieht.
Ber Bedarf an Antennen beträgt maximal 4n : vier Typen von Signalen pro Zone. Erfindungsgemäß ist allerdings, wie man später sehen wird, eine deutlich kleinere Gesamtzahl von Antennen als 4n vorgesehen.
Der Satellit dient zur Kommunikation zwischen Teilnehmern und zwischen Teilnehmern und der Verbindungsstation innerhalb jeder Zone 26i. Die Kommunikation zwischen Zonen hingegen wird durchgeführt mit Hilfe bodengestützter Mittel, zum Beispiel mit Hilfe von Verbindungskabeln, die zwischen den Verbindungsstationen der diversen Zonen angeordnet sind, die zu einer gleichen Region oder zu verschiedenen Regionen gehören.
Anzahl und Anordnung der Satelliten ist derart, dass zu jedem Zeitpunkt eine Zone 26i zwei oder drei Satelliten sieht. Auf diese Weise bleibt, wenn eine Zone 26i aus dem Blickfeld des Satelliten austritt, der den Kommunikationen in dieser Zone zugeteilt ist, ein Satellit, um zu übernehmen, und die Umschaltung von einem Satelliten zum anderen erfolgt instantan.
Eine solche Umschaltung findet allerdings selten statt, zum Beispiel ca. alle 20 Minuten, weil eine Antenne stets auf eine gleiche Zone ausgerichtet bleibt. In der Praxis findet die Umschaltung statt, wenn für die betreffende Zone 26i die Elevation des Satelliten unter 10º fällt.
Einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge sind in einer Region 24 wenigstens zwei Kategorien von Zonen vorgesehen, die unterschiedlichem Verkehrsbedarf entsprechen. Der Verkehrsbedarf wird zum Beispiel gemessen als mittlere Menge von pro Zeiteinheit und pro Oberflächeneinheit übertragenen Informationen.
In einem Bereich 28 der Region 24 (Fig. 2) ist der Verkehr schwach, wohingegen in einem anderen Bereich 30 der Verkehr stark ist. Ein starker Verkehr entspricht zum Beispiel städtischen Zonen eines entwickelten Landes, wohingegen ein geringer Verkehr ländlichen oder wenig entwickelten Zonen entspricht.
In dem Bereich 30 mit starkem Verkehr werden sämtliche Signalressourcen A, B, C, D zugeteilt.
Unter "Signalressourcen" wird eine Polarisations-Charakteristik und eine Trägerfrequenzband-Charakteristik verstanden.
In dem Beispiel ist die Polarisation entweder rechtszirkular (PD) oder linkszirkular (PG), und es sind zwei getrennte Trägerfrequenzbänder ΔF&sub1; und ΔF&sub2; vorgesehen.
Wie man in Fig. 2 sieht, bedeutet A ein Signal mit rechtszirkularer Polarisation PD und einem Frequenzband ΔF&sub1;; B bezeichnet rechtszirkulare Polarisation PD und ein Frequenzband ΔF&sub2;; C entspricht einer linkszirkularen Polarisation PG und einem Frequenzband ΔF&sub1; und D einer linkszirkularen Polarisation PG und einem Frequenzband ΔF&sub2;.
In dem Bereich 30 mit starkem Verkehr werden also jeder Zone Ressourcen A, B, C und D zugeteilt.
In dem Bereich 28 mit geringem Verkehr hingegen wird jeder Zone eine einzige Ressource A, B, C oder D zugeteilt. Außerdem ist die Verteilung der Signalressourcen derart, dass zwei benachbarte Zonen nicht identische Ressourcen enthalten. Die Zonen, denen die gleiche Ressource zugeteilt wird, sind durch wenigstens eine Zone getrennt, wo die Ressource eine andere ist. So ist die Zone 26&sub1;&sub0; mit Ressource A (Signal mit rechtszirkularer Polarisation PD und Band ΔF&sub1;) von der die gleiche Ressource aufweisenden Zone 26&sub1;&sub2; durch die Zone 26&sub1;&sub1; getrennt, der die Ressource B zugeteilt ist (rechtszirkulare Polarisation PD, aber Frequenzband ΔF&sub2;).
Zu beachten ist, dass die Trägerfrequenzbänder ΔF&sub1; und ΔF&sub2; gleiche oder unterschiedliche Ausdehnung haben können. Wenn zum Beispiel in dem Bereich 28 bestimmte Zonen einen stärkeren Verkehr als andere Zonen erfordern, ist das Trägerfrequenzband ΔF&sub2; größer als das Trägerfrequenzband ΔF&sub1;.
Diese Aufteilung der Region 24 in Zonen mit geringem Verkehr und Zonen mit starkem Verkehr ermöglicht, wie man später sehen wird, eine Optimierung der Einrichtungen an Bord des Satelliten 22.
In einer Zone wie der mit 26&sub1;&sub0; bezeichneten können die Antennen so realisiert sein, dass sie ausschließlich Signale mit rechtszirkularer Polarisation PD empfangen oder senden können. So können vereinfachte Einrichtungen verwendet werden. In den Zonen des Bereichs 30 hingegen müssen die Antennensysteme in der Lage sein, beide zirkularen Polarisationen (rechts und links) ohne Interferenz zwischen den Signalen zu erzeugen.
Hinsichtlich der Anforderungen an die Einrichtungen an Bord des Satelliten 22 ist zu verstehen, dass jede Antenne einer Zone folgt und eine Abtastung unter einem Winkel von zwischen 100º und 120º vom Eintritt der Zone in das Blickfeld des Satelliten bis zu ihrem Austritt durchführen muss. Außerdem muss die Form des Richtdiagramms im Lauf der Bewegung des Satelliten variieren, da für die Antenne eine Zone, die sich in vertikaler Richtung vom Satelliten befindet, ohne Deformation, das heißt wie ein Kreis, gesehen wird, wohingegen eine Zone, die sich am Rand der Region befindet, zum Beispiel die Zone 26&sub1; oder 26&sub2;, in Form einer langgestreckten Ellipse mit kleineren Abmessungen gesehen wird. Da alle Kommunikationsmöglichkeiten für jede Zone im Laufe der Bewegung des Satelliten in der Region bestehen bleiben müssen, ist es also notwendig, die Antennen so einzurichten, dass sie die notwendige Abtastung durchführen und die Richtdiagramme in Abhängigkeit von der angepeilten Richtung steuern.
Um dieses Ergebnis bei der beschriebenen Ausgestaltung zu erreichen, werden den Zonen mit geringem Verkehr aktive Antennen zugeteilt, das heißt Antennen, die auf elektronische Weise ausrichtbar und rekonfigurierbar sind, und den Zonen mit starkem Verkehr werden mechanisch orientierbare und elektronisch rekonfigurierbare Antennen zugeteilt.
Die aktiven Antennen ermöglichen einerseits hohe Ausrichtungsabweichungen und andererseits die Ausbildung mehrerer unabhängiger Strahlenbündel. Die Qualität der Isolation zwischen benachbarten Regionen ist jedoch bei starken Ausrichtungsabweichungen beeinträchtigt. Die aktiven Antennen sind daher schlecht geeignet für Zonen mit starkem Verkehr. Die ausgewählte Aufteilung der Ressourcen in Signale für Zonen mit geringem Verkehr ermöglicht es, die mittlere Qualität der Isolation hinzunehmen. Da außerdem eine Platte mit strahlenden Elementen es erlaubt, mehrere Strahlenbündel gleichzeitig zu adressieren, ist die Wahl der aktiven Antennen gut geeignet für Zonen mit geringem Verkehr, deren Anzahl hoch ist (zum Beispiel 24), was für die Verringerung der Nutzlast an jedem Satelliten günstig ist.
Die mechanisch orientierbaren und elektronisch rekonfigurierbaren Antennen, die den Zonen mit starkem Verkehr zugeteilt sind, ermöglichen die beste Isolierung zwischen benachbarten Zonen aufgrund der mechanischen Ausrichtung. Eine Antenne dieses Typs kann aber nur einer einzigen Zone zugeteilt sein. Deshalb müssen wenigstens so viele Antennen dieses Typs vorgesehen werden, wie Zonen mit starkem Verkehr existieren. Die Zonen mit hoher Dichte stellen aber nur ca. 25% der Gesamtzahl der Zonen dar, was die Zahl der notwendigen Antennen begrenzt.
Zum Beispiel sieht man pro Region 8 bis 12 Zonen mit starkem Verkehr und 16 bis 24 Zonen mit schwachem Verkehr vor.
Wie oben angegeben, ist eine gleiche Platte mit strahlenden Elementen 40 (Fig. 4) einer aktiven Antenne an Bord des Satelliten 22 verwendbar, um mehreren Zonen 26&sub1;&sub0;, 26&sub1;&sub1;, ... mit geringem Verkehr zugeteilte Signale zu senden (oder zu empfangen). Außerdem kann die gleiche Platte mit strahlenden Elementen mehreren Typen von Signalen zugeteilt sein.
So wird in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel eine gleiche Platte mit p strahlenden Elementen 52&sub1;, ... 52p zum Senden von Signalen zu N Zonen mit geringem Verkehr verwendet.
Die in Fig. 3 dargestellten Schaltungen 42 umfassen somit N Eingänge 44&sub1;, 44&sub2;, ..., 4N, von denen jeder ein einer Zone zugeteiltes TXF-(oder TXR-)-Signal empfängt.
Das an einen Eingang 44i, zum Beispiel den mit 44&sub1; bezeichneten, angelegte Signal wird an die Eingänge 46&sub1;, 46&sub2;, ..., 46p von Schaltungen 48&sub1;, 48&sub2;, ..., 48p zur Dämpfung der Amplitude a und Änderung der Phase _ angelegt. Jedes an eine solche Amplituden- und Phasensteuerschaltung 48i abgegebene Signal ist für ein strahlenden Element 52i bestimmt. Die Steuerschaltungen 48i ermöglichen die Übertragung der an den Eingang 44&sub1;, 44&sub2;, ... angelegten Signale zu der entsprechenden Zone.
Die einem gleichen strahlenden Element 52i zugeteilten N Signale werde an jeweils einen Eingang eines Addierers 50i angelegt, und der Ausgang jedes Addierers ist mit dem entsprechenden strahlenden Element 52i über einen Verstärker 54i und ein Tiefpassfilter 56i verbunden. Beim Senden sind die Verstärker 54 Festkörper-Leistungsverstärker (SSPA) und beim Empfang sind es rauscharme Verstärker (LNA).
Bei einer Ausgestaltung beträgt die Zahl N, das heißt die Zahl der Zonen, für die die gleiche Sende- oder Empfangsantenne verwendet wird, zwischen 6 und 8.
Die Zuteilung einer Platte mit strahlenden Elementen 40 zu mehreren Zonen erlaubt es, die Versorgungsschaltungen zu optimieren. Zum Beispiel ist die Leistung jedes Verstärkers 54 nicht das N-fache der für jede Zone vorgesehenen maximalen Leistung, sondern sie kann kleiner sein, weil die Signale in der Praxis niemals gleichzeitig mit ihren maximalen Leistungen gesendet werden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des physikalischen Aufbaus einer Platte 40 mit strahlenden Elementen 52&sub1;, 52&sub2;, ... . Die Platte 40 hat die allgemeine Form einer Scheibe mit einer strahlenden Seite 60 und einer Rückseite 62. Letztere nimmt die Filter 56i auf, die Wellenleiter mit einer allgemein zylindrischen oder röhrenartigen Außenfort sind. Diese Filter sind zum Beispiel an ihren entgegengesetzten Enden an die Verstärker 54i angeschlossen.
Die Verstärker 54i sind einer Platte 64 zugeordnet, in deren Inneren ein Netz von Mikrowärmeleitern vorgesehen ist, die dazu bestimmt sind, die aus dem Betrieb dieser Verstärker 54i resultierende Wärme abzuführen. Der Rest der Schaltung 42 mit den Amplituden- und Phasensteuerelementen 48i und den Addierern 50i ist unter der Platte 64 gegenüber der Platte 40 vorgesehen.
Die Abmessungen der Platte 40 sind gewählt einerseits in Abhängigkeit von den Abmessungen jeder Zone und andererseits vom maximalen Ausrichtungsabweichungswinkel. Die Ausrichtungsabweichung ist die Neigung der Zentralrichtung des Richtdiagramms in Bezug auf die Normale der Platte 40, und der maximale Abweichungswinkel ist der Öffnungshalbwinkel des Kegels 70 (Fig. 1), unter dem der Satellit 22 die Erde 10 sieht. Da diese Ausrichtungsabweichung maximal in der Größenordnung von 50 bis 60º liegt, muss eine Fläche der Platte 40 gewählt werden, die ungefähr viermal so groß ist wie die Fläche, die notwendig ist, um zu einer unter der Platte liegenden Zone abzustrahlen, um die projizierte Oberfläche der Antenne in Ausrichtrichtung und die achsensymmetrische Charakteristik der Leistung der aktiven Antenne zu berücksichtigen.
Außerdem muss der Abstand zwischen den strahlenden. Elementen 52i mit einer Schrittweite gewählt werden, die klein genug ist, um in der Nutzzone am Boden als Gitterkeulen bezeichnete Störkeulen zu vermeiden. Im Fall eines hexagonalen Gitters muss der Abstand in einer Größenordnung von 0,55 bis 0,6 λ liegen, wobei λ die Wellenlänge des von der Antenne zusendenden Signals ist. Der Abstand ist abhängig von der maximalen Ausrichtungsabweichung.
Fig. 5 zeigt eine Antenne, die für Zonen mit starkem Verkehr bestimmt ist. Sie ermöglicht Senden und Empfang.
Diese Antenne umfasst eine Tafel 72, die zwei Platten mit strahlenden Elementen 74 bzw. 76 aufnimmt. Die Platte 74 ist zum Senden bestimmt, die Platte 76 zum Empfang.
Die Trägertafel 72, die in Fig. 5 in horizontaler Richtung dargestellt ist, ist um eine zur Ebene der Tafel 72 parallele horizontale Achse 78 mit Hilfe eines als Elevationsmotor bezeichneten Motors 80 schwenkbar, wobei die Schwenkung um die Achse 78 die Elevationsorientierung bewirkt.
Außerdem ist unter dem Motor 80 ein anderer Motor 82 mit vertikaler Achse 84 vorgesehen. Die Drehung um die Achse 84 ermöglicht die Azimutausrichtung.
Die Platte 74 mit strahlenden Elementen, die zum Senden bestimmt ist, hat eine allgemein elliptische Form mit langer Achse 86. Diese elliptische Form entspricht der Form, unter der die Antenne eine Zone nahe am Horizont sieht, wenn die Antenne auf diese Zone ausgerichtet ist, das heißt wenn die vertikale Achse 88 der Tafel 72 auf die Zone am Rande des Horizontes ausgerichtet ist.
Genauer gesagt ist die elliptische Form angepasst an die Form einer abzudeckenden Zone, die einem Ausrichtwinkel von ca. 50º entspricht, wohingegen der maximale Ausrichtwinkel 54º beträgt. Die Achse 86 ist senkrecht zur großen Achse der Ellipse, unter der eine Zone bei einer solchen Ausrichtung von 50º gesehen wird.
In der vorhergehenden Beschreibung versteht sich, dass vertikale und horizontale Richtungen nur erwähnt sind, um relative Richtungen der diversen Elemente zu verdeutlichen, nicht aber, um eine absolute Orientierung anzugeben.
Die zum Empfang bestimmte Platte 76 hat wie die Platte 74 die allgemeine Form einer Ellipse mit langer Achse 90, parallel zur langen Achse 86 der Platte 74.
Die Platte 74 ist gleichzeitig für TXF- und TXR-Signale vorgesehen. Genauso ist die Platte 76 für RXF- und RXR-Signale vorgesehen.
Fig. 6 ist ein Schema einer für die Sendeplatte 74 vorgesehenen Steuerschaltung. In diesem Beispiel sind drei Trägerfrequenz-Unterbänder vorgesehen, die für die TXF-Signale (Senden an die Teilnehmer) vorgesehen sind, und ein einziges Trägerfrequenzband für die TXR-Signale (zur Verbindungsstation). So sind drei Verstärker 92, 94 und 96 den TXF-Signalen zugeteilt, und ein Verstärker 98 ist für die TXR- Signale vorgesehen.
Selbstverständlich ist die Schaltung der Fig. 6 nicht auf diese Aufteilung auf drei Unterbänder für die TXF-Signale und ein Band für die TXR-Signale beschränkt. Andere Aufteilungen sind möglich, wie etwa zwei Bänder für die TXF-Signale und zwei Bänder für die TXR-Signale.
Die Ausgänge der Verstärker 92 bis 98 sind an die Eingänge eines Multiplexers 100 angelegt, der Signale an die strahlenden Elemente der Platte 74 über eine Strahlformungsschaltung oder ein Strahlformungsnetzwerk 102 liefert.
Einem Merkmal der Erfindung zufolge passt dieses Netzwerk 102 das Richtdiagramm an die Position des Satelliten in Bezug auf die Zone an, der die Antenne zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist jederzeit die Achse 88 auf die entsprechende Zone mit Hilfe des Azimutmotors 82 und des Elevationsmotors 80 (Fig. 5) ausgerichtet, und diese "mechanische" Ausrichtung entspricht einer elektronischen Steuerung 102 zum Anpassen des Strahlenbündels an die relative Position der Antenne und der Zone.
Das Strahlenbündel hat kreisrunden Querschnitt, wenn der Satellit sich im Nadir der Zone befindet, und es hat elliptischen Querschnitt, wenn die Zone sich am Rande des Horizontes befindet (Fig. 2). Zu diesem Zweck werden insbesondere beim Senden, wenn die Antenne im Nadir steht, nur die strahlenden Elemente versorgt, die auf einem Kreis angeordnet sind; wenn der Satellit den Nadir der Zone verlässt, nimmt die Steuerung der Amplituden der an die sendenden strahlenden Elemente gelieferten Signale im Laufe der Zeit andere strahlende Elemente in Betrieb, wobei die Anzahl der aktivierten strahlenden Elemente maximal ist, wenn die Antenne kurz davor ist, das Blickfeld der Zone zu verlassen.
Die Schaltung 102 umfasst in dem Beispiel q Leistungsteiler 104&sub1; bis 104q. Diese Teiler sind rekonfigurierbar; außerdem sind sie verlustarm, weil sie nahe an den Verstärkern 92 bis 98 angeordnet sind.
Die Leistungsteiler 104i beeinflussen die Amplitude der an die strahlenden Elemente der Platte 74 gelieferten Signale, nicht aber deren Phase. Die strahlenden Elemente werden nämlich nicht bei der Ausrichtung wirksam; daher ist es nicht notwendig, die Phase der an sie angelegten Signale zu variieren.
Außerdem hat man festgestellt, dass es nicht notwendig ist, die Amplitude jedes strahlenden Elementes einzeln zu steuern. Aus diesem Grund ist bei einer Ausgestaltung die Anzahl q der Leistungsteiler ein Teiler der Zahl von strahlenden Elementen. Zum Beispiel ist die Zahl der strahlenden Elemente 64 oder 80, während die Zahl q 16 beträgt.
Diese Vereinfachung ergibt sich aus der Beobachtung, dass das Strahlungsdiagramm in Bezug auf die mechanische Ausrichtrichtung der Platte achsensymmetrisch ist. Unter diesen Bedingungen werden die strahlenden Elemente, die sich in einem gleichen Abstand von der Mitte der Platte befinden, mit einem gleichen Amplitudenpegel erregt und können daher in gleicher Weise, das heißt über die gleichen Komponenten, erregt werden.
Fig. 5a zeigt ein Bespiel einer Platte mit strahlenden Elementen, die in einer länglichen Form angeordnet sind. Jedes strahlende Element ist dargestellt durch einen Kreis 140. In jedem strahlenden Element ist eine Zahl oder ein Index von 1 bis 16 eingetragen. Identische Nummern entsprechen einer Erregung mit gleichem Amplitudenpegel. So werden zum Beispiel die vier Elemente mit Index 1 in der Mitte alle mit gleicher Amplitude erregt. Außerdem beobachtet man in dieser Fig. 5a allgemein, dass die strahlenden Elemente auf vier Quadranten 152, 154, 156 und 158 verteilt und in gleicher Weise erregt sind.
Fig. 7 zeigt die Schaltung, die dazu bestimmt ist, die von der dem Empfang zugeteilten Platte mit strahlenden Elementen 76 empfangenen Signale auszuwerten.
Diese Schaltung umfasst Filter 110, rauscharme Verstärker 112, variable Dämpfer 114 und variable Phasenschieber 115. Die Funktion der Dämpfer 114 und Phasenschieber 115 ist die gleiche wie die der Dämpfer 104 aus Fig. 6, nämlich, das Richtdiagramm an die relative Position des Satelliten in Bezug auf die Zone anzupassen. Die Verwendung der Phasenschieber beim Empfang ermöglicht die Optimierung der Strahlformung; sie beeinträchtigt nicht die Verbindungsbilanz; weil die Phasenschieber sich vor den rauscharmen Verstärkern 112 befinden.
Wie im Fall der Fig. 6 sind die Dämpfer 114 und Phasenschieber 115 in Abhängigkeit von der relativen Position des Satelliten in Bezug auf die Zone gesteuert.
Außerdem bildet ein passiver Kombinierer 116 die Summe der von den Dämpfern 114 und Phasenschiebern 115 gelieferten Signale.
Die Ausgangssignale des Kombinierers 116 werden an einen Multiplexer 120 geliefert, der die RXF- und RXR-Signale trennt. Bei diesem Beispiel sind drei RXF-Signalbänder und ein RXR- Signalband analog zum Beispiel der Fig. 6 vorgesehen. Selbstverständlich kann wie bei dem Beispiel der Fig. 6 die Verteilung der Bänder für die RXF- und RXR-Signale eine andere sein.
Zu beachten ist, dass wie in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt, die Kabel oder elektrischen Leiter durch eine Drehdurchführung 130, 132 verlaufen und dass die Kabel Drehungen entsprechend den Elevations- und Azimutregelungen ausgesetzt sind.
Die Rekonfiguration des Richtdiagramms in Abhängigkeit von der Elevation ist gewährleistet durch ein Strahlformungsnetz auf Grundlage von Ferrit oder eine MMIC (Integrierte Mikrowellenschaltung, englisch Monolithic Microwave Integrated Circuit). Für die Sendeantenne wird vorzugsweise eine Schaltung auf Ferritgrundlage verwendet, da eine solche Schaltung besser an die Formung Von Strahlenbündeln mit geringen Verlusten nach der Leistungsverstärkung angepasst ist. Diese Leistungsverstärkung wird realisiert mit Hilfe von SSPA- Verstärkern, die einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und daher eine beträchtliche Wärmemenge dissipieren. Es ist daher vorzuziehen, diese Schaltung von der Platte 72 fernzuhalten, die im Allgemeinen über wenig Mittel zur thermischen Dissipation verfügt; die Schaltung ist daher unter der sogenannten Erdplatte 134 (Fig. 5) installiert, die immer auf den Erdmittelpunkt ausgerichtet ist und über stärkere Mittel zur Wärmedissipation verfügt.
Für den Empfang ist das Strahlbildungsnetz in MMIC-Technologie ausgeführt. Die rauscharmen Verstärker sind in der Nähe der strahlenden Platte angeordnet, um ohmsche Verluste aufgrund der Verbindungen zu minimieren.
Die mechanische Ausrichtung der Tafel 72 ist im Vergleich zu einer elektronischen Ausrichtung besonders vorteilhaft, weil es nicht erforderlich ist, die Platten mit den strahlenden Elementen 74 und 76 überzudimensionieren.
Das Fehlen einer elektronischen Ausrichtung ermöglicht die beste Ausnutzung der Signalressourcen zum Bilden von Strahlenbündeln mit breitem Durchgangsband. Insbesondere führt das Fehlen einer elektronischen Ausrichtung zum Fehlen von Frequenzdispersion, die mit dem Fehlen eines Phasengefälles für die Ausrichtung zusammenhängt.
Der Abstand der strahlenden Elemente des Gitters kann in der Größenordnung von 0,9 λ betragen. So wird die Erzeugung von Gitterkeulen bequem vermieden. Außerdem erleichtert dieser Abstand zwischen benachbarten strahlenden Elementen den Einbau diverser Steuerelemente und begrenzt die Kopplung. Außerdem ist bei einer gegebenen Größe der Platten 74, 76 im Vergleich zu einer aktiven Antenne, bei der der Gitterabstand ca. 0,6 λ beträgt, die Zahl der strahlenden Elemente verringert, was die Steuerungen und Kosten begrenzt.
Die mechanische Ausrichtung der Platte auf die Nutzzone erlaubt es, die Nutzzone des Elementardiagramms, in die die Signale durch eine Platte von strahlenden Elementen abgestrahlt werden, auf ±12º zu begrenzen. Auf diese Weise kann man in einer Zone die Signale mit rechtszirkularer Polarisation korrekt von den Signalen mit linkszirkularer Polarisation isolieren und so eine Polarisationsisolation von über 20 dB erreichen.
Die Verwendung eines Ferrit-Strahlbildungsnetzwerkes beim Senden erlaubt es, die Nutzoberfläche der Antenne an das zu realisierende Richtdiagramm anzupassen.
Man erhält so ein stets gaussförmiges Diagramm, und die Nebenkeulen haben einen sehr niedrigen Pegel, unabhängig von der Form des Diagramms und dem Ausrichtwinkel. So ist die Isolation zwischen benachbarten Zonen optimal.
Beim Senden wird eine apodisierte Regel verwendet, die es erlaubt, die Sekundärkeulen zu beseitigen, und die Probleme differentieller Übertragungsfunktionen der Verstärker werden vermieden, wenn letztere unter ihrem Nennbetriebspunkt arbeiten.
In Fig. 8 ist die Gesamtheit der im Satelliten 22 vorgesehenen Antennen dargestellt, nämlich 12 Antennen mit einer Tafel 72, die mechanisch orientierbar und elektronisch rekonfigurierbar sind, und 12 aktive Antennenplatten mit strahlenden Elementen, wobei jede aktive Antennenplatte mit strahlenden Elementen sechs Zonen zugeteilt ist.
In diesem Beispiel sind vier Platten 40&sub1;, 40&sub2;, 40&sub3;, 40&sub4; für die TXF-Signale vorgesehen und die Platten 40&sub5; bis 40&sub8; sind für die TXR-Signale vorgesehen, wohingegen die vier übrigen Platten 409 bis 40&sub1;&sub2; für die RXR- und RXF-Signale vorgesehen sind. Die TX- Verbindungen sind von den RX-Verbindungen getrennt, um eine Filterung zu ermöglichen, die die Störung der RX-Signale durch die TX-Signale vermeidet. Die TXF-Signale werden nicht von den gleichen Platten wie die TXR-Signale gesendet, weil ihre Pegel deutlich unterschiedlich sind: an die Teilnehmer müssen nämlich Signale mit höherem Pegel gesendet werden, weil die Antennen weniger empfindlich sind als die der Verbindungsstationen 20.
Andererseits können die gleichen Empfangsplatten für von den Verbindungsstationen und von den Teilnehmern kommende Signale verwendet werden, weil zwischen den rauscharmen Verstärkern keine Intermodulation besteht.

Claims

1. Verfahren zur Ressourcenzuteilung für ein Fernmeldesystem, bei dem die Erde in Zonen (26) unterteilt ist, in denen die Kommunikationen über ein Sende- und Empfangsmittel stattfinden, das sich in einem Raumfahrzeug (22) wie etwa einem Satelliten befindet, der für die Kommunikation für eine Mehrzahl von Zonen eingeteilt ist, mit den folgenden Schritten:

in Zonen (26&sub1;&sub0;, 26&sub1;&sub1;, 26&sub1;&sub2;) einer ersten Kategorie (28) werden Signale mit einem solchen Polarisationszustand und solchen Trägerfrequenzen zugeteilt, dass zwei benachbarten Zonen dieser ersten Kategorie Signale mit verschiedenen Polarisationszuständen oder Trägerfrequenzen zugeteilt werden, und

in jeder Zone einer zweiten Kategorie (30) werden Signale mit allen Polarisationszuständen und allen verfügbaren Trägerfrequenzen zugeteilt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation der Signale zirkular ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei verschiedene Trägerfrequenzbänder für die Signale vorgesehen werden, wobei die Ausdehnungen dieser verschiedenen Bänder gleiche oder ungleiche Werte haben.

4. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen der ersten Kategorie (28) niedrigen Kommunikationsdichten zugewiesen werden, und dass die Zonen der zweiten Kategorie höheren Kommunikationsdichten zugewiesen werden.

5. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zone die Signale von Benutzern (12, 14, 16) und von wenigstens einer Verbindungsstation (20) empfangen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen verschiedenen Zonen mit Hilfe wandgestützter Verbindung zwischen Verbindungsstationen (20) stattfindet.

7, Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zone der ersten Kategorie Sende- und/oder Empfangseinrichtungen vorgesehen werden, die dazu bestimmt sind, nur die Signale mit der Polarisation und/oder den Frequenzen, die für diese Zone vorgesehen ist/sind, zu empfangen.

8. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfahrzeug ein Satellit (22) in niedriger Umlaufbahn ist, in dem eine Sende- und Empfangsvorrichtung für jede Zone vorgesehen ist, wobei diese Vorrichtung auf die ihm zugeordnete Zone ausgerichtet bleibt, so lange der Satellit im Sichtbereich dieser Zone bleibt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zonen der ersten Kategorie die Sende- und Empfangsvorrichtung Sende- und/oder Empfangsantennen vom aktiven Typ mit elektronischer Ausrichtung und Rekonfiguration aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zonen der zweiten Kategorie die Sende- und Empfangsvorrichtung wenigstens eine Sende- und/oder Empfangsantenne aufweist, die mechanische Mittel zum Ausrichten der Antenne auf die Zone umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsdiagramm in Abhängigkeit von der relativen Position des Raumfahrzeugs (22) und der entsprechenden Zone angepasst wird, um dieses Diagramm an die Form anzupassen, unter der die Antenne die Zone sieht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsdiagramm beim Senden durch eine aktive Antenne mit strahlenden Elementen verändert wird, wobei die Veränderung des Diagramms erhalten wird durch Veränderung der Amplituden der an die strahlenden Elemente gelieferten Signale.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsdiagramm beim Empfang durch eine aktive Antenne mit strahlenden Elementen verändert wird, wobei die Veränderung des Diagramms erhalten wird durch Veränderung der Amplituden und der Phasen der an die strahlenden Elemente gelieferten Signale.