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Dokumentenidentifikation DE60034163T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001022867
Titel Anordnung mit Satelliten auf geneigter, exzentrischer geosynchroner Umlaufbahn
Anmelder Hughes Electronics Corp., El Segundo, Calif., US
Erfinder Cellier, Alfred, Rancho Palos Verdes, California 90275, US
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60034163
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.01.2000
EP-Aktenzeichen 001010289
EP-Offenlegungsdatum 26.07.2000
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H04B 7/195(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H04B 7/19(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Satellitensystem für geneigte, geosynchrone Umlaufbahnen über einer Landmasse mit: einem Versorgungsbereich bzw. Dienstgebiet auf der Erdoberfläche, das einen vorbestimmten minimalen Elevationswinkel zum Horizont aufweist; einem ersten Satelliten und einem zweiten Satelliten, die jeweils eine exzentrische, im Wesentlichen 24-Stunden-periodische, geosynchrone Umlaufbahn im Bezug auf die Erde aufweisen und die eine koinzidente Himmelsbahn aufweisen, wenn sie von dem Dienstgebiet aus betrachtet werden, wobei die Umlaufbahnen relativ zu einer Äquatorialebene der Erde geneigt sind; und einem koinzidenten Betriebsbogen, der durch eine Untermenge von Punkten auf der Himmelsbahn über dem Dienstgebiet definiert ist, wobei der erste Satellit und der zweite Satellit auf dem koinzidenten Betriebsbogen arbeiten.

Ein solches System ist aus der US 4,943,808 (Dulk et al.) bekannt.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Überkopfsystem mit geneigten, exzentrischen, geosynchronen Orbitsatelliten-Umlaufbahnen und insbesondere ein Satellitensystem, dessen Betrieb überkopf konzentriert ist, wenn man es aus einem Dienstgebiet betrachtet.

Satelliten in geostationären Umlaufbahnen (GSO) wurden für mehrere Jahrzehnte aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile, die durch solche Umlaufbahnen geboten werden, weitestgehend bevorzugt. In einer geostationären Umlaufbahn erscheint ein Satellit, der über den Äquator der Erde in derselben Richtung, in die sich die Erde dreht, und der mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wandert, stationär relativ zu einem Punkt auf der Erde. Diese Satelliten sind an allen Orten innerhalb ihrer Dienstgebiete immer "in Sicht", so dass ihre Nutzungseffizienz effektiv 100% beträgt. Antennen bei Boden-Erd-Stationen müssen lediglich einmal auf einen GSO-Satelliten ausgerichtet werden; ein Verfolgungssystem ist nicht erforderlich.

Ein Koordinierung zwischen GSO und mit terrestrischen Diensten wird durch eine staatliche Zuweisung von bestimmten "Schlitzen" ("slots") vereinfacht, die hinsichtlich eines Winkels gemäß einem Diensttyp beabstandet sind. Vorausgesetzt, man wünscht sich, geostationäre Satellitenumlaufbahnen vorzusehen, und angesichts der Tatsache, dass es lediglich eine endliche Anzahl von zur Verfügung stehenden "Schlitzen" in dem geostationären "Gürtel" gibt, war die Kapazität des Letzteren im Wesentlichen mit Satelliten gesättigt, die in gewünschten Frequenzbändern bis zum Ku-Band (bis zu 18 GHz) betrieben wurden. Folglich hat die Regierung die zunehmend weniger werdenden Restschlitze versteigert.

Dies hat zur Entwicklung von komplexen und teuren neuen Systemen ermutigt, einschließlich solchen, die niedrigere Erdumlaufbahnen (LEO), mittlere Erdumlaufbahnen (MEO) und/oder höhere Frequenzen, z.B. das Ka-Band (bis zu ungefähr 40 GHz), verwenden. Ein Wachstum zu höheren Frequenzen hin wird durch Technologieprobleme und Probleme bei der Ausbreitung beschränkt, und eine Erweiterung bei Satellitenanwendungen erfordert eine Ausnutzung der räumlichen Dimension (d.h. oberhalb und unterhalb des GSO-Gürtels). Eine Unmenge von vorgeschlagenen LEO- und MEO-Systemen sind beispielhaft für diese Richtung. Ein Nachteil für Nutzer von LEO- und MEO-Systemen ist die relative Unsicherheit hinsichtlich einer Satellitenposition und einer schnellen Bewegung, was typischerweise zur Verwendung von omnidirektionalen Antennen mit geringer Verstärkung führt, die eine Datenrate beschränken.

Hochelliptische Umlaufbahnen (HEO), wie z.B. die von den Russen verwendete 12-stündige "Molniya" und die 8-stündige "Archimedes" der Europäischen Raumfahrtagentur, wurden verwendet. Nachteile von HEOs umfassen einen kürzeren Bruchteil von Dienst an ein gegebenes Gebiet (eine bruchteilartige geosynchrone Periode verursacht mehrere Knoten über der Erde) und erfordert eine spezielle 63°-Neigung (, um Treibstoffanforderungen aufgrund eines niedrigen Perigäums zu minimieren). LEO-, MEO- und HEO-Systeme brauchen mehr Satelliten zur Abdeckung bei einem bestimmten Elevationswinkel für ein einzelnes Dienstgebiet, als es die vorliegende Erfindung tut.

Ein weiterer ersichtlicher Nachteil bei der Verwendung von allen geneigten Umlaufbahnen ist eine relative Bewegung in Bezug auf den Boden. Für breite Bandbreiten würden Bodenstationen mit zweidimensionalen Verfolgungsantennen benötigt werden. Verfolgungsantennen sind relativ teuer und werden deshalb nicht für Verbraucheranwendungen in Betracht gezogen.

Es sind keine Anstrengungen bekannt, Überkopfsysteme mit geneigten, exzentrischen, geosynchronen Umlaufbahnen (IEGOs) auf eine systematische Art und Weise auszunutzen, obwohl der nicht verwendete Bereich von geneigten exzentrischen geosynchronen Umlaufbahnen ein großes Potenzial für das koordinierbare Wachstum an Satellitendienst bietet.

Während verschiedene bekannte Systeme relativ zufrieden stellend und effizient arbeiten, offenbart keines die Vorteile des Überkopfsystems mit geneigten exzentrischen geosynchronen Satellitenumlaufbahnen gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 959 573 A2 stellt Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3) EPÜ dar. Diese Anmeldung betrifft ein System zum effizienten Übertragen an mobile Empfänger über Satellit in Dienstgebieten in einer hohen geografischen Breite. Dementsprechend umfassen Satellitenaudioübertragungssysteme Orbitkonstellationen zum Vorsehen einer Abdeckung mit Audioübertragungssignalen bei hohem Elevationswinkel von den Satelliten der Konstellation an feste und mobile Empfänger innerhalb von Dienstgebieten, die sich bei geografischen Breiten befinden, die ausreichend vom Äquator entfernt sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System mit geneigten geosynchronen Satellitenumlaufbahnen vorzusehen.

Dies wird durch ein System der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei der erste Satellit eine erste Umlaufbahn mit einer ersten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde aufweist und wobei der zweite Satellit eine zweite Umlaufbahn aufweist, die eine zweite Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde aufweist, wobei die erste Neigung unterschiedlich zu der zweiten Neigung ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Satellitensystem, das einen Nutzen aus geneigten exzentrischen geosynchronen Umlaufbahnen zieht, um einen relativ günstigen Satellitendienst bereitzustellen, der insbesondere für Verbrauchermärkte geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch ein Satellitensystem mit einer kontinuierlichen Abdeckung des Dienstgebiets unter Verwendung eines synchronisierten Satzes aus zwei oder mehr Satelliten.

Bei einem Aspekt der Erfindung weist ein synchronisiertes System mit geneigten exzentrischen geosynchronen Satellitenumlaufbahnen (IEGO) ein Dienstgebiet auf, das auf der Oberfläche der Erde definiert ist. Das Dienstgebiet ist bei Elevationswinkeln definiert, die größer als ein vorbestimmtes Minimum gegenüber dem Horizont sind, und zwar von überall innerhalb des Dienstgebiets zu dem Satellitensystem. Ein IEGO-Satellit weist eine Umlaufbahn in Bezug auf die Erde auf, die eine Orbithimmelsbahn aufweist, die fest im Himmel ist, wenn man sie aus dem Dienstgebiet betrachtet. Natürlich weist die Himmelsbahn eine Bodenbahn auf, die ihr entspricht. Ein Betriebsbogen ("operating arc") ist durch eine Untermenge der Orbithimmelsbahn über dem Dienstgebiet definiert. Die Satelliten des Satzes arbeiten sukzessive auf dem Betriebsbogenabschnitt der Himmelsbahn.

Ein Vorteil ist, dass das Überkopfsystem eine kontinuierliche Abdeckung bei hohen Elevationen ermöglichen kann, wobei eine Übergabe ("hand over") zu einem anderen Satelliten erfolgt, der sich in Phase in der gleichen Bahn befindet. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Verwendung einer aufwärts gerichteten Nutzerantenne mit konischem Muster anstatt einer Verfolgungsantenne möglich ist.

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung einfach ersichtlich, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüchen sieht.

Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und viele der begleitenden Vorteile und Merkmale derselben können auf einfache Weise durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung erhalten werden, wenn man sie mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet, in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in allen Ansichten zeigen, wobei:

1 eine perspektivische Ansicht einer geneigten elliptischen geosynchronen Umlaufbahn, einer geneigten geosynchronen Umlaufbahn und einer geostationären (IEGO) Umlaufbahn relativ zu der Erde darstellt. Die letzten beiden Umlaufbahnen dienen lediglich als Referenz.

2 stellt eine perspektivische Ansicht ähnlich zu der der 1 zeitlich 5 Stunden später dar.

3 stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wobei zwei IEGO-Umlaufebenen derart errichtet werden, dass ein in Phase befindliches Paar von Satelliten einander auf einer gemeinsamen Boden- bzw. Himmelsbahn folgen.

4 stellt eine gleichrechtwinklige Projektionskarte dar, die eine typische, mit der vorliegenden Erfindung verknüpfte Bodenbahn zeigt.

5 stellt einen Blick nach oben eines Betriebsbogens des IEGO-Systems der 4 dar.

6 stellt eine perspektivische Ansicht eines nach oben gerichteten Empfangskegels in Bezug auf eine Antenne bei einer Anwendung der Erfindung dar.

7 stellt eine zum Himmel gerichtete Darstellung eines Zwei-IEGO-Systems mit einer Exzentrizität von 0,463 bei fünf Orten in den kontinentalen USA dar.

8 stellt eine Abänderung der 7 mit einer Exzentrizität von 0,31 dar.

9 stellt einen zum Himmel gerichteten Darstellung eines Drei-IEGO-Systems mit einer Exzentrizität von 0,505 dar.

10 stellt eine zum Himmel gerichtete Darstellung eines Drei-IEGO-Systems mit einer Exzentrizität von 0,203 dar.

11 stellt eine zum Himmel gerichtete Darstellung eines Zwei-IEGO-Systems mit einer Exzentrizität von 0,24 dar.

12 stellt eine Darstellung eines Elevationswinkels in Grad gegenüber einer Exzentrizität dar, die ein IEGO-System mit einem Molniya-System vergleicht.

13 stellt einen Graphen dar, bei dem eine Richtwirkung gegenüber einer Exzentrizität aufgetragen ist, und wobei ein IEGO-System und ein Molniya-System verglichen werden.

14 stellt eine Darstellung eines Elevationswinkels in Grad gegenüber einer Exzentrizität dar, wobei ein IEGO-System und ein Molniya-System verglichen werden.

15 stellt eine Darstellung dar, bei dem eine Richtwirkung gegenüber einer Exzentrizität aufgetragen ist und wobei ein IEGO-System und ein Molniya-System verglichen werden.

Die vorliegende Erfindung ist hier in Form eines Satellitenumlaufbahnsystems unter Verwendung von verschiedenen Neigungswinkeln, Exzentrizitätswerten und anderen Werten veranschaulicht. Es versteht sich, dass spezifische numerische Werte als Beispiele und nicht als endgültige Konstruktionswerte eingeführt werden.

Das Wesen der Erfindung ist die Errichtung von geneigten, vorzugsweise geosynchronen, Satellitenumlaufbahnen mit sich wiederholenden Bodenbahnen auf der Erde, deren Himmelsbahnen Betriebsbögen umfassen, die auf einen festen über dem Dienstgebiet beschränkt sind.

Bei der vorliegenden Erfindung ermöglichen (24-stündige) geneigte elliptische geosynchrone Umlaufbahnen(IEGO)-Satelliten einen Betrieb, um Dienste mit hohem Elevationswinkel für eine vorbestimmte Dienstregion auf einer Landmasse mit einer möglichen Spektrumswiederverwendung für kleine Dienstgebiete.

Bezug nehmend auf 1 ist die Erde 10 mit einer geneigten exzentrischen geosynchronen Umlaufbahn (IEGO) 12 gezeigt, die einen IEGO-Satelliten 14 aufweist. Eine IEGO-Umlaufbahn 12 ist im Gegensatz zu einer geneigten geosynchronen Umlaufbahn (IGO) 16 gezeigt. Eine IGO-Umlaufbahn 16 ist eine geneigte kreisförmige Umlaufbahn, die um die Erde 10 zentriert ist. Eine IGO-Umlaufbahn 16 weist einen IGO-Satelliten 18 in einer ersten Position auf, die als Referenz verwendet wird. Eine geostationäre (GSO)-Umlaufbahn 20 ist ebenfalls als Kontrast gezeigt und weist einen GSO-Satelliten 22 auf. Jeder der Satelliten 14, 18 und 22 folgt seiner jeweiligen Umlaufbahn 12, 16, 20, wenn er um die Erde 10 wandert.

1 und 2 veranschaulichen einige allgemeine Unterschiede zwischen einer GSO-, einer IGO- und einer IEGO-Umlaufbahn. Bei diesem Beispiel weist eine GSO-Umlaufbahn 20 einen Radius R auf. Eine GSO-Umlaufbahn 20 ist auf der Äquatorebene der Erde 10 definiert. Wenn sich die Erde 10 täglich dreht, bleibt ein GSO-Satellit 22 im Wesentlichen über einer konstanten Position der Erde. Wenn man ihn von einem Punkt auf der Erde betrachtet, ist der Elevationswinkel des Satelliten konstant.

Eine IGO-Umlaufbahn 16 weist ebenfalls einen Radius R auf, der der gleiche ist wie der einer GSO-Umlaufbahn 20. Eine IGO-Umlaufbahn 16 ist ebenfalls auf einer Ebene angeordnet, die einen Neigungswinkel 24 in Bezug auf die Äquatorebene mit einer GSO-Umlaufbahn 20 aufweist. Die durch die IGO-Umlaufbahn 16 und die GSO-Umlaufbahn 20 definierte Ebene schneidet sich bei einer Linie von Knoten 26, die sich durch die Mitte der Erde 10 erstreckt. Ein IGO-Satellit 18 und ein GSO-Satellit 22 brauchen einen siderischen Tag (23 Stunden, 56 Minuten), um einen Umlauf zu beenden. Der Elevationswinkel einer IGO-Umlaufbahn in Bezug auf einen Punkt auf der Erde hängt von der Position eines IGO-Satelliten 18 in seiner IGO-Umlaufbahn 16 ab.

Eine IEGO-Umlaufbahn 12 weist ein Apogäum 28, das beim nördlichsten Punkt der Umlaufbahn liegt, wenn man sie in Bezug auf die Erde betrachtet, und ein Perigäum 30 auf, das den südlichsten Punkt der Umlaufbahn darstellt, wenn man sie in Bezug auf die Erde betrachtet. Eine IEGO mit elliptischer Umlaufbahn 12 weist einen Brennpunkt auf, der gegenüber dem einer IGO-Umlaufbahn 16 derart verschoben ist, dass ein Apogäum 28 in Richtung der nördlichen Hemisphäre verschoben ist. Folglich wird ein Perigäum 30 in Richtung der südlichen Hemisphäre verschoben. Somit ist die Höhe des Apogäum 28 oberhalb der Oberfläche der Erde erhöht, während die Elevation des Perigäum 30 verringert ist. Der Hauptdurchmesser einer IEGO-Umlaufbahn 12 beträgt 2R, wie im Falle einer IGO-Umlaufbahn 16. Eine IEGO-Umlaufbahn 12 ist jedoch in Bezug auf die Mitte einer IGO-Umlaufbahn 16 um einen Exzentrizitätsfaktor e verschoben. Somit ist die Entfernung des Apogäum 28 von einer Linie aus Knoten 26 durch die Formel (1 + e)R gegeben. Die Entfernung des Perigäum 30 von der Linie aus Knoten 26 ist durch die Formel (1 – e)R gegeben.

Eine Bodenbahn 32 auf der Oberfläche der Erde 10 könnte von einem IEGO-Satelliten 14 entwickelt werden. Bodenbahnen stellen imaginäre Linien dar, die die Orte von Subsatellitenpunkten repräsentieren, die wiederholt auf der Erdoberfläche durch Linien abgebildet werden, die sich von der Erdmitte zu umlaufenden Satelliten erstrecken. IEGO-Bodenbahnen befinden sich bei spezifizierten Längengraden und verfolgen sich jeden sidirischen Tag (23 Stunden, 56 Minuten) auf wiederholende Weise.

Die Positionen von Satelliten 14, 18, 22 sind in 2 um ungefähr fünf Stunden später als in 1 gezeigt. Die Erde hat sich somit in Bezug auf die Umlaufbahnen gedreht. Dementsprechend ändert sich auch ein Elevationswinkel in Bezug auf einen IGO-Satelliten 18 und einen IEGO-Satelliten 14.

Bezug nehmend auf 3 ist eine zweite IEGO-Umlaufbahn 12' mit einem IEGO-Satelliten 14' gezeigt.

Eine IEGO-Umlaufbahn 12' weist ebenfalls einen Neigungswinkel 24' auf. Der Neigungswinkel 24' und eine Phaseneinstellung werden derart gewählt, dass der in der IEGO-Umlaufbahn 12' befindliche Satellit im Wesentlichen der gleichen Bodenbahn 32 folgt, wie der Satellit in einer IEGO-Umlaufbahn 12. Die IEGO-Satelliten 14, 14' sind derart positioniert, dass, wenn ein Satellit ein Dienstgebiet verlässt, der andere Satellit in das Dienstgebiet eintritt. Auf diese Weise kann für ein bestimmtes Dienstgebiet eine kontinuierliche Abdeckung bereitgestellt werden.

Obwohl es nicht veranschaulicht ist, kann das obige Beispiel auf drei oder mehr Ebenen von IEGO-Umlaufbahnen erweitert werden, die derart synchronisiert sind, dass für ein Dienstgebiet innerhalb entsprechender ähnlicher Kegel eine kontinuierliche Abdeckung bereitgestellt werden kann. Mehr Satelliten könnten erforderlich sein, falls ein größeres Dienstgebiet oder ein höherer Elevationswinkel innerhalb des Dienstgebiets gewünscht ist. Durch Bereitstellen eines Dienstes bei hohen Elevationswinkeln können Anwendungen bei einem festen Satellitendienst, einem Übertragungssatellitendienst oder einem mobilen Satellitendienst effizienter realisiert werden. Somit ist ein synchronisiertes Überkopf-IEGO-System allgemein durch eine Bezugsziffer 34 gezeigt.

Bezug nehmend auf 4 zeigt eine equirektangulare Projektionskarte 36 von Nordamerika und einem wesentlichen Teil von Südamerika. Eine exemplarische Bodenbahn 32 ist gezeigt, die von einer IEGO-Umlaufbahn projiziert wird. Die Neigung der Bodenbahn beträgt 63,45° und weist einen Exzentrizitätswert e gleich 0,240 auf und ist symmetrisch auf dem 96. westlichen Längengrad zentriert (aufsteigend bei 69,0° West) und weist ein Perigäumsargument von 270° auf. Zwei ähnliche Satelliten A & B sind als sich eine Bodenbahn 32 teilend gezeigt und sind durch eine halbe Periode getrennt. Ein aktiver Satellit A ist gerade dabei, einen Betrieb zu beginnen, wenn er durch einen östlichen Übergabepunkt 38 (Breitengrad, Längengrad = 24,0N, 83,0W) aufgeht. Ein Satellit B geht gleichzeitig durch einen westlichen Übergabepunkt 40 (Breitengrad, Längengrad = 24,0N, 109,0W) unter. Wenn ein Satellit A dabei im Westen untergeht, werden Erdstationen 42 wiederum mit einem Satelliten B in Verbindung treten, der im Osten aufgeht. Der Abstand zwischen einem östlichen Übergabepunkt 38 und einem westlichen Übergabepunkt 40 ist als der Betriebsbogen 44 definiert. Der Betriebsbogen 44 ist der Teil der Bodenbahn oder ein Teil der Himmelsbahn (die überkopf in einem Kegelwinkel bleibt), wenn man sie von einem Punkt auf dem Boden betrachtet, über dem die Satelliten betrieben werden.

Bezug nehmend auf 5 ist eine himmelwärts gerichtete Darstellung des Umlaufwegs veranschaulicht, wie man ihn von der Mitte des Dienstgebiets sieht, wie es in 4 gezeigt ist. In dieser Darstellung repräsentiert 0° den Horizont, während 90° den Zenit über einem bestimmten Punkt auf der Landmasse repräsentieren. Übergabepunkte 38, 40 und ein Betriebsbogen 44 sind ebenfalls in dem himmelwärts gerichteten Diagramm 46 gezeigt. Ein Diagramm des geostationären Gürtels 48 ist veranschaulicht, um der geneigten exzentrischen geosynchronen Umlaufbahn gegenüberzustehen.

Bezug nehmend auf 6 ist eine bodenbasierte Nutzereinheit, wie z.B. eine mobile Satellitenempfangsantenne 50, auf einem Automobil 52 positioniert. Somit ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dies bedeutet, dass die vorliegende Erfindung für mobile Anwendungen geeignet ist, wie z.B. ein Auto, da eine allgemein flache Antenne 50 vorgesehen werden könnte, um Signale von einem IEGO-Satelliten 14 überkopf zu empfangen. Ein Kegel 54 ist in einer Aufwärtsrichtung in Richtung des Zenits ausgerichtet. Da der Elevationswinkel gesteuert werden könnte, könnte ein relativ enger Kegel 54 mit einem Kegelwinkel 55 durch eine Antenne 50 in einer Aufwärtsrichtung erzeugt werden. Diese Konfiguration ermöglicht eine höhere Verstärkung als eine omnidirektionale Antenne. Die hohen Elevationswinkel 51 vom Horizont 53 des Systems sind einem Stadtbetrieb zugänglicher und werden weniger durch Mehrfachwegeffekte und atmosphärische Verluste beeinflusst. Ein Lenken ist nicht erforderlich, falls eine Antenne, die einen Aufwärtskegel bereitstellt, bereitgestellt wird, die über dem gesamten Dienstgebiet Satellitensignale empfängt.

Bezug nehmend auf 7 ist ein himmelwärts gerichtetes Diagramm 58 mit einem Betriebsbogen bei ungefähr 45° oder mehr hinsichtlich eines Elevationswinkels oberhalb des Horizonts bei (0° Elevationswinkel) von jeder der fünf Städte innerhalb des kontinentalen US-Dienstgebiets gezeigt. Die Städte wurden gewählt, um eine repräsentative Ansicht der im Wesentlichen vier Ecken des US-Kontinents und der Mitte der Vereinigten Staaten bereitzustellen. Auch der geostationäre Gürtel ist dargestellt, wie man ihn von Miami und Seattle aus sieht. Orbitale Parameter wurden gewählt, um eine Maximierung eines minimalen Elevationswinkels für Diagramme 62a für all die Städte innerhalb des Dienstgebiets zu erweitern. Diagramme 62a der 7 verwenden zwei IEGO-Satelliten mit einer orbitalen Exzentrizität von 0,43 und einem Neigungswinkel von 63,45°, was in einem minimalen Elevationswinkel von 46,9 resultiert. Diese Diagramme stellen Untermengen von Punkten auf dem Betriebsbogenabschnitt 62 der Umlaufbahn innerhalb des Dienstgebiets dar. Darstellungen 62a sind im Gegensatz zu GSO-Gürteln 63 gezeigt, wie man sie von Miami und Seattle aus sieht.

Bezug nehmend auf 8 sind Diagramme 62b ähnlich zu denen der 7 mit einer Exzentrizität von 0,31 gezeigt, wobei ein Neigungswinkel von 50° für das Zwei-IEGO-Satellitensystem in einem minimalen Elevationswinkel von 39,1° resultiert.

Bezug nehmend auf 9 sind Darstellungen 62c mit einer Exzentrizität von 0,505 und einem Neigungswinkel von 63,45° für ein Drei-IEGO-Satellitensystem veranschaulicht, was in einem minimalen Elevationswinkel von 46,9° resultiert.

Bezug nehmend auf 10 sind Diagramme 62d mit einer Exzentrizität von 0,203 und einem Neigungswinkel von 50° für ein Drei-IEGO-Satellitensystem veranschaulicht, was in einem minimalen Elevationswinkel von 59,2° resultiert.

Bezug nehmend auf 11 sind Diagramme 62e mit einem Neigungswinkel von 63,45° und einer Exzentrizität von 0,24 für ein Zwei-IEGO-System veranschaulicht, was in einem minimalen Elevationswinkel von 45,1° resultiert.

Somit kann beobachtet werden, dass durch Ändern der Exzentrizitätswerte und der Neigungswinkelwerte die Formen des Betriebsbogens wesentlich geändert werden können, um den Betriebsbogen zu zentrieren und den minimalen Elevationswinkel innerhalb des Dienstgebiets zu maximieren.

Eine kleinere Exzentrizität wird für die Vorteile einer kreisförmigeren Umlaufbahn bevorzugt, und zwar mit einer kleinen Beeinflussung des minimalen Elevationswinkels.

Bezug nehmend auf 12 ist ein Diagramm eines minimalen Elevationswinkels in Grad gegenüber einer Exzentrizität für eine Neigung von 63,45° gezeigt, was in einem minimalen Elevationswinkel von 63,45° resultiert. Somit tritt das Maximum der minimalen Elevationswinkel auf, wenn die Exzentrizität ungefähr 0,3 bis 0,5 für IEGOs bei dieser Neigung beträgt.

Bezug nehmend auf 13 ist das zugehörige Diagramm einer geometrischen Richtwirkung ("directivity") der empfangenden Antenne gegenüber einer Exzentrizität für ein Drei-IEGO-System und ein Zwei-IEGO-System dargestellt. Wie gezeigt, ist die Richtwirkung für eine Exzentrizität von ungefähr 0,3 bis 0,5 maximiert.

Bezug nehmend auf 14 ist eine Darstellung des minimalen Elevationswinkels gegenüber einer Exzentrizität für eine Neigung von 50° gezeigt. In diesem Fall tritt ein Nahmaximum des minimalen Elevationswinkels für eine Exzentrizität von ungefähr 0,2 auf.

Bezug nehmend auf 15 ist ein Diagramm entsprechend dem der 14 für eine Richtwirkung in Dezibel gegenüber einer Exzentrizität gezeigt. Die Richtwirkung ist für eine Exzentrizität von ungefähr 0,2 bis 0,3 für ein Zwei-IEOG- und ein Drei-IEOG-System maximal.

In 12 bis 15 ist die Kurve eines minimalen Elevationswinkels für IEGO-Umlaufbahnen mit einem Maximum bei einer niedrigen Exzentrizität breit. Im Gegensatz dazu steigen solche Kurven für HEOs einschließlich Molniyas mit einer Exzentrizität und einem Spitzenwert bei einer hohen Exzentrizität oberhalb von 0,6. Folglich wird die Kombination von Elevationswinkeln und Anzahl von Satelliten mehr für die mehrkreisförmige IEGO-Umlaufbahn dieser Erfindung favorisiert als für HEO-Systeme, die früher eingesetzt wurden.

Im Betrieb muss ein Dienstgebiet für eine bestimmte Landmasse auf der Oberfläche der Erde definiert sein. Ein Dienstgebiet wird als eine Region (wie z.B. die kontinentalen USA oder kleiner, wie z.B. eine Stadt) definiert, in die der Satellit strahlt, und zwar mit einem vorbestimmten minimalen Elevationswinkel oberhalb des Horizonts eines beliebigen Punkts in dem Dienstgebiet. Ein Satellitenpaar oder eine Vielzahl von Satelliten, die sich die gleiche Bodenbahn teilen, werden oberhalb der Oberfläche der Erde in eine geneigte exzentrische geosynchrone Umlaufbahn abgeschossen. Die Betriebsregion jedes der Satelliten innerhalb der Umlaufbahn stellt den Betriebsbogen dar, der sich überkopf dieses Dienstgebiets auf der Erde befindet. Somit wird, da die Satelliten ihre Umlaufbahnen durchqueren, eine Vielzahl von Punkten auf der Umlaufbahn definiert, die das Dienstgebiet und den Betriebsbogen oberhalb des Dienstgebiets definieren. Es ist bevorzugt, dass, wenn ein Satellit das Dienstgebiet verlässt, ein zweiter Satellit in das Dienstgebiet eintritt. Übergabepunkte werden als die Punkte definiert, wo ein Betrieb von einem Satelliten zu einem anderen Satelliten wechselt. Somit kann durch Definieren des Dienstgebiets als Region mit einem relativ hohen Elevationswinkel eine bessere Dienstabdeckung durch eine günstigere Antenne bereitgestellt werden, die keine Einstellungen durch den Nutzer erfordert.

Umlaufbahnparameter werden gewählt, um gewisse Bodenbahnformen zu realisieren. Spezifische Beschränkungen hinsichtlich der Dienstregion, einer Dienstgebietsabdeckung und einer Abdeckungszeit sind in Betracht zu ziehen.

Während die Erfindung detailliert beschrieben wurde, wird ein Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis erkennen, die durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
System (34) mit geneigten geosynchronen Satellitenumlaufbahnen (12; 12, 12') über einer Landmasse, das aufweist:

ein Dienstgebiet auf der Oberfläche der Erde (10) mit einem vorbestimmten minimalen Elevationswinkel (51) gegenüber dem Horizont (53);

erste und zweite Satelliten (14, 14'), die jeweils eine exzentrische geosynchrone Umlaufbahn (12, 12') mit einer im Wesentlichen 24-stündigen Periode in Bezug auf die Erde (10) aufweisen und eine sich deckende Himmelsbahn haben, wenn man sie aus dem Dienstgebiet betrachtet, wobei die Umlaufbahnen (12, 12') relativ zu einer Äquatorebene der Erde geneigt sind; und

einen sich deckenden Betriebsbogen (44; 62), der durch eine Untermenge von Punkten der Himmelsbahn (46; 58) über dem Dienstgebiet definiert wird, wobei der erste Satellit (14) und der zweite Satellit (14') auf dem sich deckenden Betriebsbogen (44) betrieben werden;

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Satellit (14) eine erste Umlaufbahn (12) mit einer ersten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde aufweist und der zweite Satellit (14') eine zweite Umlaufbahn (14') mit einer zweiten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde aufweist, wobei die erste Neigung verschieden zu der zweiten Neigung ist, wobei der sich deckende Betriebsbogen (44; 62) einen jeweiligen ersten Übergabepunkt (38) und einen zweiten Übergabepunkt (40) zum Umschalten eines Bodenstationsbetriebs zwischen dem ersten Satelliten (14; A) und dem zweiten Satelliten (14; 14', B) aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufbahnen (12, 12') einen Exzentrizitätsfaktor (e) zwischen ungefähr 0,1 und 0,5 aufweisen. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufbahnen (12, 12') ein Apogäum (28) und ein Perigäum (30) aufweisen, wobei sich das Apogäum (28) über dem Dienstgebiet befindet. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch:

eine Bodenstation (42), die sich innerhalb des Dienstgebiets befindet.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Satellit (14; A) und der zweite Satellit (14; 14'; B) derart synchronisiert sind, dass sie zeitlich gleich beabstandet sind.






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