CN1579056A - 使用多个同步数据率的卫星通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用操作在多个数据率的多个同步信道传输数据到移动平台的通信系统和方法。每个移动接收机能够在多个数据率接收多个传输信道。飞行器向确定哪个通信信道能够被操作而没有数据的实质损失的基于地面的控制器报告它们的位置。去往每个飞行器的数据分组最好被路由到到能够被那个飞行器接收而没有数据的实质损失的最高的数据率信道。这最大化了总体的系统效率和通信量。高优先级的和任务关键数据可以使用低数据率信道被传输到飞行器以便提高链路可用性。

Description

使用多个同步数据率的卫星通信系统和方法

技术领域

本发明涉及采用卫星链路的通信系统和方法，特别涉及一种采用使用多个同步数据率以最优化数据通信量和对多个地理上分布的用户的覆盖率的卫星链路的通信系统。

背景技术

在卫星和移动平台(即，飞机、船舶、列车、卡车等)之间的通信链路的性能受到许多因素的影响。除了用来与卫星形成链路的接收天线的斜距(slant range)、雨损(rain loss)、和噪声温度上的增益(Gain over noisetemperature，G/T)之外，最显著的是卫星天线的有效全向辐射功率(effectiveisotropic radiated power，EIRP)。卫星转发器(transponder)的EIRP，以及斜距和雨损，在跨越覆盖区域内的各处都不同。此外，诸如平面相控阵列天线(planar phased array antennas)的一些天线表现出随着扫描角的增大而发生较大的G/T降低。天线扫描角，进而到接收G/T，随着一栋平台的位置和姿态(俯仰、滚动和偏航)的变化可以显著变化。结果就是，从卫星到移动平台的通信链路的性能会根据移动平台是否在有利的或不利的位置，以及在覆盖区域内的姿态(相对于卫星)而在很大范围内变化。实际上，在覆盖区域上的这种性能变化可以达到10x(10dB)大。当移动接收机使用不同尺寸的孔径天线时，性能变化能够变得更大。更大的天线提供更好的链路性能。链路性能可以以各种方式来定义。就此而论，如在下面段落中进一步描述的，链路性能被定义为在给定比特误码率(BER)的情况下，通信链路能够操作的最大数据率。

本讨论将处于较不利位置并使用较小孔径天线操作的移动平台称为“不利的”移动平台，而将处于有利位置并使用较大孔径天线操作的移动平台称为“有利的”移动平台。参考图1说明了确定在卫星覆盖区域内特定位置的性能或有利程度的一个因素。在图1中示出了典型的Ku带对地同步卫星转发器(例如在西经63°的Telstar)的EIRP变化。注意，在跨越美国大陆(CONUS)的覆盖区域有大约2dB的变化。如前面所述，其它因素导致在跨越覆盖区域的性能的很大变化。下面的表1示出了跨越CONUS的斜距和天线扫描角的损失的影响。由波音公司(The Boeing Company)制造的平面相控阵列天线的扫描角损失大约等于cos^1.2(θ)，其中θ是对垂直于平面孔径的延长轴测量的对目标卫星的仰角扫描角。

位置	自由空间损失(dB)	天线扫描损失(db)
			西雅图(Seattle)，WA	205.8	3.5
布朗斯维尔(Brownsville)，TX	205.3	0.7
			增量(Delta)(dB)	0.5	2.8

可以进行分析以确定在给定的比特误码率(BER)的情况下通信链路能够操作的最高数据(BER)率。更进一步的讨论，当通信链路到达小于一些阈值BER时，通信链路被认为是“接通的”或“可用的”。就此而言，阈值BER假设为1E-9，或者每十亿个接收的比特有一个比特出错。超过“接通”链路所需的任何额外的接收功率被称作“界限余量”(margin)。在本讨论中将使用术语“数据率”，然而“数据率”的更精确的术语是“信息率”，其是在去除了前向纠错(FEC)和其它开销信息之后的可用数据率。因此，在下面的讨论中将可全程互换使用术语“数据率”和“信息率”，虽然严格来讲“信息率”是一个用来描述通信链路的可用数据率更精确的术语。处于在覆盖区域中的有利位置的用户可以在更高的数据率接通他的通信链路。或者，遭遇难题(challenged)的用户，或处于在覆盖区域中的较不利位置的用户将只能使用较低的数据率来实现通信链路的接通。

参考图2，此图表示可以使用在Telstar 6上的Ku带转发器，并使用具有17英尺(43.18厘米)×24英尺(60.96厘米)的有效孔径测量和具有平直地安装在飞行在水平位置的飞行器的顶部上的1500个元件的波音平面相控阵列天线，来“接通”链路的最高的数据率的等高线。为产生这个所使用的分析是非常精密复杂的，并且包括了相邻卫星干扰的影响。相邻卫星的干扰是由小孔径移动天线的使用和随着扫描角的增大而发生的相控阵列天线射束的延长所导致的。相邻卫星的干扰进一步导致了跨越覆盖区域的链路性能的变化。该等高线是由在等距的空间地理网格点上执行链路分析和构建性能等高线来产生的。在每个网格点飞行器在移动方向上旋转360°以找出最差情况的移动方向。在图2中示出了在最差情况移动方向上能够接通链路的最大数据率。在区域A中，可以接通链路的最大信道数据率是12 Mbps。在区域B中可以使用10 Mbps的最大信道数据率。在区域C中最大可以使用8 Mbps，在区域D中最大可以使用6 Mbps，在区域E中最大可以使用4 Mbps，在区域F中最大可以使用2 Mbps。

使用单一前向链路数据率的通信系统不得不在与在覆盖区域中的最不利的移动平台相当的数据率上操作。“前向链路”是指信号从卫星传向移动平台。典型的，系统设计者选择可以接通对在给定覆盖区域中的最不利的移动平台的通信链路的最高数据率。例如，假设一个人希望选择用于跨越CONUS的通信的单一数据率。图2示出6 Mbps的等高线覆盖了几乎整个CONUS，除了在北达科他(North Dakota)北部的一小片地区。因此，5-6Mbps将是CONUS操作的很好的选择。然而，在CONUS中存在可以两倍于这个数据率(即，12Mbps)接通链路的区域。因此，用单一数据率的操作是效率很差的，因为一般有很多可以在更高数据率上操作的有利的移动平台。换句话说，当使用单一、较低数据率的信道为在给定覆盖区域内操作的所有移动平台服务时，有利的移动平台在它们的前向链路中所具有的巨大的额外界限余量就被浪费了。

这里还有一个“覆盖对容量”的平衡，与单一前向链路数据率的选择有关。低数据率(即，低容量)允许链路在更宽的覆盖区域上被接通。相反，高数据率只在很小的覆盖区域内可用。图3示出了2Mbps和8Mbps在覆盖区域上的区别。2Mbps区域比8Mbps区域的面积的3倍还要大。如果采用多个数据率，则可以既实现宽的覆盖又可以实现高容量。当用单一数据传输率操作时，这是不可能的。

另一个必须考虑的问题是大多数不利的移动平台典型地操作在具有很少或没有界限余量的情况下，这意味着该通信链路并不是很有鲁棒性。例如，假设不利的移动平台(例如，飞行器)必须操作在一个选择的前向链路数据率上，而使得与卫星的该通信链路刚好能够接通。现在假设飞行器在飞行期间倾斜转弯离开卫星。如果该飞行器使用齐平地安装在该飞行器的顶部的平面相控阵列天线，则对卫星的扫描角将增大，并且G/T将减小。这会导致通信链路的丢失。相似的，该飞行器也会由于偏出指定的覆盖区域而失去它的通信链路。

总之，现有“单一数据率”方案的问题包括容量低效率和缺乏鲁棒性(即，缺乏界限余量)。如果操作环境受到负面的影响，诸如坏天气，缺乏鲁棒性就会导致通信链路的丢失。像在飞行器接收天线屏蔽罩或孔径上的固定的水和/或冰的雨损也表现了这样的情形，即单一数据率方案的鲁棒性的缺乏能够危机移动平台实现和维持链路接通的能力。如果在移动平台上的天线没有精准地指向目标卫星，界限余量的缺乏还会使得初始获得目标卫星更加困难。

一个解决上述在给定覆盖区域内管理与多个能够在变动的数据率上操作的不同的移动平台的通信链路的问题的方法，可以涉及使用连续地在不同的数据率之间切换的单一载波。与发送到不利的移动平台的数据分组相比，可以用更高的数据率将数据分组发送到有利的移动平台。进行这样的“忙碌的”数据率变换需要相当的时间来使移动平台RF接收机同步于在不同的数据率接收的每个突发数据，这导致效率上的损失。而且，突发模式的接收机更加的复杂、昂贵，并且与在发明中使用的连续模式的接收机相比，提供减弱了的性能。

另一个用于解决上述在寻址(addressing)多个能够在不同的数据率通信的移动平台中的问题的方案是著名的“衰减缓和”(fade mitigation)方法。这个方法被美国航空航天局(NASA)操作的先进通信技术卫星(“ACTS”)所采用。这个方法涉及在雨衰减期间降低信息传输率。更具体地说，它通过在衰减情况期间加入前向纠错(FEC)编码，并在晴朗天气条件期间将其去除。由于比特率是恒定的，FEC附加代码的开销在衰减事件期间降低了信息率，并在晴朗天气中增大信息率。除了这个方案具有不足的动态范围的事实，这样的方法可以用来有效地服务有利的和不利的移动平台。如前面所述，在覆盖区域内的有利和不利移动终端之间的动态范围一般大于10dB。FEC将提供最多大约5dB的动态范围。因此，这个方法不适于在与操作在诸如CONUS的相对较大的覆盖区域内的移动平台的连接中。

发明内容

本发明指向一种用于通过使用在不同的数据传输率操作的多个同步通信信道来提供在基站和多个移动平台之间的卫星通信链路，以增大所述链路的通信量、覆盖范围和可靠性的系统和方法。本发明的方法和装置利用经由多个载波从卫星向许多地理上分布的移动平台传输的数据，其中每个载波形成一个单一的、独立的通信信道，而每个所述移动平台具有同步接收多个信道的能力。该信道操作在多个选择的传输率下以最优化通信链路的通信量、地理覆盖范围和可靠性。

在一个优选实施例中，本发明采用基于地面的通信系统可操作的在所选择的多个信道之一上传输信息，因此以多个不同的信息传输率中所选择的一个传输率进行传输。采用基于空间的转发器系统用于经由多个通信信道中所选择的一个，从基于地面的通信系统将信息转发到结合了多个无线电频率(RF)接收机的移动平台。在覆盖区域内任意一个给定时间，所选择的信息率/信道部分地由移动平台的地理位置确定。基于地面的通信系统部分地基于在任何给定的时间在覆盖区域内移动平台位置，选择能够被每个移动平台利用的最大信息传输率。这是在移动平台经过覆盖区域时实时地执行的。基于地面的通信系统将去往特定移动平台的数据路由到能够接通到该移动平台的链路中操作在最大数据率的通信信道。

在该优选实施例中，每个移动平台结合了多个接收机，每个接收机都被调到不同的卫星转发器信道，而每个卫星转发器信道都在多于一个的数据率上操作。当移动平台经过覆盖区域时，它能够在至少一个不同的通信信道上接通通信链路。因此，在任何时候在每个移动平台上的多个操作的接收机的至少一个将成功地接收数据。通过实时的知道在覆盖区域内的平台位置(如在图2中所示)，基于地面的系统知道哪个通信信道是可行的(哪个能够实现链路的接通)。当在一个数据信道上没接通链路时，很高比率的接收的数据分组含有错误，并且接收机丢弃该数据。所以只能使用接通的通信信道将数据从基于地面的系统发送到移动平台，否则数据将会丢失。基于地面的系统决定从移动平台接收的多个通信信道的哪一个来发送去往该移动平台的数据。基于地面的系统典型地选择实现链路接通的最大数据率通信信道。以这种方式，能够用一种最大化总体信息传输率的方式在移动平台在给定覆盖区域的各个子区域之间移动时，为每个特定的移动平台定制信息传输率，以致不使任何特定的移动平台丢失数据而增加总体通信效率。

本发明的方法和装置因此允许与多个移动平台使用多个信息传输率，而不会导致任何给定的飞行器丢失数据，并且也不会导致低于任何给定飞行器的链路容量来使用这些链路。

从此后提供的具体描述，本发明适用性的其它领域将变得清楚。当说明本发明的优选实施例的时候，应当理解具体的描述和特定的例子只是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。

附图说明

通过具体描述和附图，本发明将被更加完全地理解。

图1是表示在西经93°的典型的Ku带对地同步卫星转发器(即Telstar6)的EIRP变化的美国大陆(CONUS)的地图以及用dBW表示跨越这个覆盖区域的变化的图例；

图2说明美国大陆的各个子区域，以及当Telstar 6卫星用作基于空间的组件以在每个子区域内操作的移动平台与地面站链接时，可以在每个子区域中使用的最大信息传输率(以兆比特每秒为单位)；

图3a和3b是在选择全向链路信息传输率中的覆盖对容量平衡的例子，较低的数据给定较大的覆盖区域，反之亦然；

图4是可以用来实现本发明的系统和方法的示例的通信系统的简化的表示；

图5是在图4中所示的每个飞行器上使用的移动终端的详细方框图；

图6是说明由本发明所使用的用于以不同的信息传输率向一对移动终端通信信息的多个通信信道的方框图；

图7是说明当飞行器在西雅图(Seattle)和迈阿密(Miami)之间飞行期间，在2Mbps的覆盖区域和8Mbps的覆盖区域之间的传输切换(handoff)点的美国大陆(CONUS)的图例；

图8是说明非任务(non-mission)关键数据分组向最高数据率信道发送的方框图；

图9说明当在给定的覆盖区域内考虑信道信息传输率的选择时，负载平衡的使用。

具体实施方式

优选实施例的下面的描述实质上只是范例，而不是为了限制本发明、其应用或使用。

参考图4，这里依照本发明的优选实施例示出了系统10，用于在一个或多个不同的(distinct)覆盖区域14a和14b中向多个移动平台12a-12f和从多个移动平台12a-12f提供数据内容。该系统10一般包括：地面段16、形成空间段17的多个卫星18a-18f、和安置在每个移动平台12上的移动系统20。该移动平台12可以包括：飞行器、巡洋舰或任何其他移动的交通工具。因此，这里在附图中当作移动平台12的飞行器的图例，以及始终在下面的描述中作为移动平台的飞行器不应当被解释为系统10只能应用于飞行器。

空间段17可以包括在每个覆盖区域内14a和14b内为每个区域提供覆盖的任何数量的卫星18。卫星18a-18f最好是Ku带或Ka带卫星，但是可以是从10MHz到100GHz的任何频率。每个卫星18还位于对地静止轨道(GSO)或非对地静止轨道(NGSO)中。可以用于这个发明的可能的NGSO轨道的例子包括低地轨道(LEO)，中地轨道(MEO)和高椭圆轨道(HEO)。每个卫星18包括至少一个射频(RF)转发器，最好是多个RF转发器。例如卫星18a被说明为具有四个转发器18a₁-18a₆(其中四个可以在图4中看到)。希望最好每个说明的其它的卫星18都可以具有为了处理预期数目的在覆盖区域内操作的飞行器12所需的更多或更少的多个RF转发器。转发器提供在飞行器12和地面段16之间的“弯管”通信。这些通信链路使用的频带可以包括从大约10MHz到100GHz的任何频带。该转发器最好包括在由联邦通信委员会(FCC)和国际电信同盟(ITU)指定的用于固定卫星服务FSS或BSS卫星的频带中的Ku带转发器。

再参考图4，地面段16包括与内容中心24和网络操作中心(NOC)26双向通信的地面站22。如果该服务需要多于一个的不同的覆盖区域，则可以使用位于第二覆盖区域14b内的第二地面站22a。在这个例子中，地面站22a也经由陆地地面链路，或用于建立与NOC 26的通信链路的任何其它合适的装置，与NOC 26进行双向通信。地面站22a还与内容中心24a进行双向通信。为了讨论的目的，系统10将针对在覆盖区域14a中发生的操作进行描述。还应理解，虽然系统10被说明为具有两个不同的覆盖区域，但为了本发明的目的只需要单一的覆盖区域。但是应当理解，在覆盖区域14b内相对于卫星18d-18f也发生相同的操作。还应当理解，以刚刚描述的方式，本发明规模可以标定为任何数量的覆盖区域14。

地面站22包括用于传输数据内容到卫星18a和18b所需的天线和相关的天线控制电子仪器。地面站22的天线还可以用来接收来源于覆盖区域14a内的每个飞行器12的每个移动系统20，由转发器18a₁-18a₆转发的数据内容。地面站22可以位于覆盖区域14a内的任何地方。相似的，如果包含了地面站22a’，则地面站22a’可以位于覆盖区域14b的任何地方。

现在参考图5，安置在每个飞行器12上的移动系统20将被更加详细地描述。每个移动系统20包括：与通信子系统52通信的以路由器/服务器50(以下为“服务器”)形式的数据内容管理系统；控制单元和显示系统54；局域网(LAN)56形式的分布式系统。可选地，服务器50还可以被配置与国家空中电话系统(NATS)58、乘员信息服务系统(crew information servicessystem)60和/或飞行娱乐系统(IFE)62相连来进行操作。

通信子系统52包括发射机子系统64和包括多个接收机的接收机子系统66。虽然举例说明了六个接收机66a-66f，但是应当理解还可以采用更多或更少的多个接收机。发射机子系统64包括：编码器68、调制器70、和上变频器72。该上变频器72用于将来自服务器50的信息内容信号编码、调制和上变频到发射天线74。接收机子系统66包括：解码器76、解调器78和下变频器80。用于将由接收天线82接收的信号解码、解调和下变频到基带视频和音频信号，以及数据信号。

由接收机子系统66接收的信号随后被输入到路由器/服务器50。系统控制器84用来控制移动系统20的所有子系统。系统控制器84特别给天线控制器86提供信号，该天线控制器86用来电子地操纵接收天线82以保持接收天线指向卫星18的特定的一个，这个特定的卫星在下面称为“目标”卫星。发射天线74受控于接收天线82，这样它也能够跟踪目标卫星18。应当理解，一些类型的移动天线可以用同一孔径传输和接收。在这种情况下，发射天线74和接收天线82组合为一个单一的天线。

再参考图5，局域网56用来连接路由器/服务器50到与飞行器12a上的每个座位位置相关联的多个接入站88。每个接入站88能够用来直接连接服务器50到用户的笔记本计算机、个人数字助理(PDA)或用户的其它个人计算设备。每个接入站88还可以包括安装在座位后面的计算机/显示器。LAN56使得在用户计算设备和服务器50之间能够进行数据的双向通信，这样每个用户就能请求想要的电视节目的信道、访问想要的网站、访问他/她的电子邮件、或独立于飞行器12上的其他用户执行广泛的各种其它作业。

接收和发射天线82和74分别可以包括任何形式的可操纵天线。在一个优选的形式中，这些天线包括电子扫描的相控阵列天线。相控阵列天线特别适合重点考虑气动阻力的航空应用中。适用于本发明的电子扫描的相控阵列天线的一种特别形式在授予波音公司的美国专利No.5886671中公开，在这里引入作为参考。

再参考图4，在系统10的操作中，数据内容在由地面站22或从每个移动系统20的发射天线74传输之前，最好被格式化为分组。为了讨论的目的，来自地面站22的分组的形式的信息(即，数据)内容的传输将称为“前向链路”传输。并且最好是采用分组多路复用，这样数据内容可以使用单播来提供给在覆盖区域14a内的每个飞行器12，以便进行传输。

由每个转发器18a₁-18a₄接收的数据内容分组然后由操作在覆盖区域14a内的每个飞行器12进行转发。虽然多个卫星18被表示在覆盖区域14a内，但应当理解现在一个单一的卫星(Telstar 6)就能够为包含整个美国大陆(CONUS)的区域提供覆盖。因此，根据覆盖区域的地理尺寸和在该区域内移动平台的预计的通信量，可能只需要一个单一的卫星来为整个区域提供覆盖。除CONUS以外，其它不同的覆盖区域包括：欧洲、南/中美洲、东亚、中东、北大西洋等。可以预计，在大于CONUS的服务区域中，可能需要每个都包括了一个或多个转发器的多个卫星18来提供整个区域的覆盖。

接收天线82和发射天线74每个都最好安置在相关飞行器12的机身的顶部。每个飞行器的接收天线74从至少转发器18a₁-18a₄之一接收代表数据内容分组的编码的RF信号的整个RF传输。接收天线82接收输入到接收机66a-66f的水平极化(HP)和垂直极化(VP)的信号。每个接收机66a-66f解码、解调和下变频编码的RF信号以产生输入到路由器/服务器50的视频和音频信号，以及数据信号。具有未修正的错误的数据分组被接收机66a-66f丢弃而不传到路由器/服务器50。路由器/服务器50滤出并丢弃任何不是为飞行器12上的用户使用的数据内容，然后将剩下的数据内容经由LAN 56转发到适当的接入站88。以这种方式，每个用户只接收先前由该用户请求的那部分节目或其它信息。

参考图6，地面段16可视为包括路由器100和多个与路由器100的输出100a-100f连接在一起的发射机102a-102f。路由器100和RF发射机102a-102f形成优选的作为地面站22的部分而提供的路由器子系统103。但是，应当理解它还可以作为独立子系统，或者连同地面系统16的其它部件来提供，或还可能甚至与基于空间的部件17(即，在卫星18之一)相结合来提供。

最好，至少一个发射机102(102a)操作在最低数据率(在这个例子中是2Mbps)，而一个发射机102操作在“中间”数据率(例如6 Mbps)，一个发射机102f操作在最高传输率(即，12Mbps)。在图6的例子中，发射机102a可以操作在2Mbps，发射机102b在4Mbps，发射机102c在6Mbps，发射机102d在8Mbps，发射机102e在10Mbps和发射机102f在12Mbps。然而，应当理解也可以结合更多或更少的数量的发射机以适应比由本发明的优选实施例提供的10db更大或更小的动态范围。此外，发射机102所选择的的操作数据率依赖于特定的通信系统参数。

再参考图6，为了解释的目的，卫星18a提供有六个转发器18a₁-18a₆。再一次，应当理解可以包括更多或更少的数量的转发器，以实现由所给定的覆盖区域的地理尺寸所指示的需要(即，动态范围，系统容量等)。转发器18a₁独立地与发射机102a相关联，转发器18a₂独立地与发射机102b相关联，并依此类推。每个发射机102a-102f与相应的转发器18a₁-18a₆相连接，因此形成不同的、独立的通信信道，经由所述信道以预定信息传输率提供信息。

再参考图6，两个移动平台12a和12b以高度简化的形式来表示。每个移动平台12包括多个接收机66，而在这个例子中为六个接收机66a-66f，与在图5中所说明的同样。再一次，应当理解在每个移动平台12上可以结合更多或更少的多个接收机。然而，接收机数量越多，移动终端20不需要重新调节就能够接收的不同的通信信道的数量就越多，并因此移动终端20接收以不同信息传输率传输的信息的灵活性就越大。来自接收机66a-66f的数据流被连接到移动路由器50的输入。数据流可以包含给其它飞行器12的数据分组，所以路由器50只滤出给目的地飞行器12的那部分分组并丢弃剩余的分组。

每个转发器18a₁-18a₆可以在分开的RF载波上运载一个或多个传输信道，但是在优选实施例中每个转发器处理一个扩频信道。地面路由器100将数据分组指引到合适的输出100a-100f，以便使数据分组经由想要的通信信道传输。地面路由器100可以将数据分组指引到可用于特定飞行器12的信道100a-100f的无论哪一个，地面段26用该信道尝试传输信息。再一次，不利的飞行器12可能只在最低信息传输率的信道上具有可用的链路(即，在这个例子中的2Mbps)，而有利的飞行器可以在所有的信道上具有可用的链路。本发明的优选实施例还使用地面路由器100将所有的关键数据(即，所有与飞行器操作和飞行条件有关的数据)指引到最低数据率的信道，在这个例子中是2Mbps。这个通信链路由在图6中的虚线来表示。这个低数据率的链路具有最高的界限余量来对抗衰减。信道衰减的许多种可能的原因中有：扫描角损失(例如，由于飞行器倾斜转弯等)，下雨，在天线屏蔽器上的固定的水/冰等。在这个链路上发送关键数据还增加了系统的可靠性。

再参考图6，本发明的优选实施例10还将所有的非关键数据分组传送到可用于飞行器12的最高数据率的信道。这使得最大化了系统10的容量和效率。对于改发到操作在不同数据率的通信链路的数据分组必然产生数据信道之间的切换(handoff)。

在图7中示出了当系统10从一个信道将通信切换到另一个信道的例子。Telstar 6通信卫星(在这个例子中是卫星18a)结合波音(Boeing)相控阵列接收天线，产生在图7中示出的数据率等高线。等高线106相应于8Mbps信息传输率信道，而等高线108相应于2Mbps传输率信道。在2Mbps等高线108中，飞行在海拔10000英尺以上的水平姿态的飞行器12在以2Mbps通信中达到大于99.9％的链路可用度和少于1E-9的BER。同样的，在8Mbps的等高线106中，当以8Mbps通信时具有99.9％的可用度和少于1E-9的BER。

从西雅图飞向迈阿密的飞行器12将从由等高线108定义的只能用2Mbps的区域开始，然后过渡到由等高线106定义的能用8Mbps信道的区域中。在有等高线106定义的区域中，8Mbps数据信道和2Mbps信道都可以用。但是为了达到系统10的最大效率，系统10将选择最高数据率的信道。这其中的例外就是任务关键数据，所述数据为了最大的可靠性总是优选使用最低数据率信道(即，2Mbps)。

当飞行器12跨进8Mbps区域时，地面路由器100将所有非关键数据分组从较低的数据率信道(即，2Mbps信道)转换(即，切换)到较高的8Mbps数据率信道。本发明10的原理优点在于当发生切换时，不需要在飞行器12上进行重新调节或与卫星18a进行重新配置。在发明的优选实施例中，当飞行器12进入服务区域(即，美国大陆)时，飞行器接收机66a-66f被调节到特定转发器频率(或信道)，并在飞行器在该服务区域中行进时保持调节到这些信道。当该链路可用时，数据分组将由在飞行器12上的所有接收机66a-66f接收。当链路不能用时，没有分组在接收机66a-66f中被接收到。在优选实施例中，接收机66a-66f在将严重出错的分组发送到移动路由器66之前便将他们丢弃。因此，在图7中说明的例子中，当相关飞行器12在等高线106以外时，调节到8Mbps信道的接收机66将产生出错的数据分组。在等高线106以外不认为8Mbps链路是可用的，所以当飞行器12在这个区域中时，地面路由器100不会使用8Mbps数据传输率将数据分组转换到飞行器12。而是当飞行器在等高线106以外并在等高线108以内的时候，地面路由器100将数据分组转换到2Mbps信道。路由器50接受来自所有接收机66a-66f的分组，并滤出去往飞行器12那些分组。因此，接收机66a-66f中接收特殊数据的特定的一个接收机与路由器50的操作无关。

为了使数据分组能够从一个通信信道切换到另一个通信信道，基于地面的路由器100采用更新的路由表来实现所需的切换。这个路由表的更新可用多于一种方法来完成。一种优选的更新方法涉及使用从每个飞行器12报告的位置和姿态信息，并使用这个信息来计算是否可以在飞行器12现在实际接收的每个信道上接通通信链路，这个操作可以通过使用诸如在图2和7中显示的数据率等高线地图来由表格驱动的。当飞行器12到达一个更高数据率的区域时，更新路由表以便将非任务(non-mission)关键分组传送到更高数据率信道，并将任务关键分组传送到更低数据率信道。

此外，当在考虑到飞行器的水平飞行而产生在图2和7中说明的等高线地图时，应当理解可以采用一种更精明的方案，即在确定哪些通信信道是可用时考虑到飞行器的姿态。因为连续的监视飞行器的位置和姿态，这个附加的考虑可以很容易地由本发明10来实现。

另外一种更新路由表的方法涉及使用来自基于地面的控制器105的“查验”(ping)来连续地检查到飞行器12的通信信道的可用性，如在图1中所示。飞行器12被要求通过在它的返回链路上进行回复来响应在前向链路信道上接收的“查验”。这个方法允许基于地面的控制器105确定在每个飞行器12上哪个前向链路通信信道可用。这个方法的缺点是与连续地“查验”在给定覆盖区域内操作的几十、几百或甚至几千的飞行器12有关的额外开销和复杂度。虽然控制器105被表示为与地面站22相关，但是应当理解该控制器105可以位于地面段16的任何地方。

发明的另一个实施例，在飞行器12行进在覆盖区域时，使用重新调节到不同的数据率信道的一个接收机66。飞行器12可以具有定义了重新调节到哪里的表格，或具有将通过循环地通过接收信道周期地搜索以找出具有最高可用数据率的信道的接收机66。飞行器12然后通知基于地面的控制器105信道的改变。这要求飞行器12的移动终端20在切换程序中与基于地面的控制器105协调一致。为了这个或其它原因，预计使用多个接收机同步接收经由多个信道传输的信息比单一接收机操作更优越。

参考图8，这配置与在图6中所示的发明的配置基本相同，除了四个发射机102a-102d与地面段26一起使用，四个转发器18a₁-18a₄与空间段17一起使用，并且四个接收机66a-66d与飞行器12的移动终端20一起使用。这个图说明了在一个优选实施例中本发明怎样实现在信道之间的非任务关键数据的切换。在这个例子中，飞行器12过渡到更高的数据率区域，所以图8示出在地面路由器中指引到飞行器12的分组从较低数据率的发射机102c向较高数据率的发射机102d的转换，如箭头110所示。这时通过改变地面路由器的路由表来实现的。如前面所述，路由表是由地面控制器基于来自飞行器的位置报告，以及与图2类似的表示每个数据率信道的操作区域的地理地图来自动更新的。高优先级的或任务关键数据最好通过最低数据率信道传送，如在图8中的数据路径112所示。

如前面所述，系统10一般可用于传输单播内容。在单播数据传输和多播传输之间的不同是：单播数据分组是指引到单个的移动平台12，而多播传输是指引到在覆盖区域内的多个飞行器12。由于多播数据是传输到一个区域，该传输必须使用对在那个区域中的所有飞行器12都可用的信道传输率。因而，在该区域内的最有利的飞行器12将决定多播传输可以发生的最大数据率。例如，如果使用本发明在CONUS内进行多播/广播，则图2说明的最大的多播/单播数据率是6Mbps。如果选择了更高的数据率，则不是所有的飞行器12都能够接收到数据。但是如果选择了更低的数据率，则会在一些飞行器12上浪费容量。因此，使用多数据率不会为多播/广播内容提供好处。然而，可以使用本发明来传输多播内容，但是很可能系统设计者会选择只使用单一数据率。在图6中说明的实施例中，任何数量的信道都可以用来运送多播/广播内容。

关于信道传输率，特定信道传输率的选择最好基于可实现的链路接通数据率(如前所述)和用户的地理分布。例如，如果想要在数据率需求很高的CONUS内提供服务，并且还在总数据率需求明显较低的南加拿大、墨西哥和加勒比海地区提供服务，则系统10可以只用两种数据率信道来实现。基于在图2中所示的等高线，传输率的一个良好选择是8Mbps用于CONUS内的高需求的区域，而2Mbps用于在加拿大、墨西哥和加勒比海地区的低需求区域。这些区域在图9中说明。8Mbps的区域由附图标记114表示，2Mbps由有附图标记116表示。在8Mbps区域114内可以以任一数据率来接收分组。但是在由附图标记118所定义的2Mbps区域116内、8Mbps区域114外的区域中，分组只能以2Mbps被移动平台12接收。因此，为了适当的负载平衡，在地理区域118内的总负载不应超过2Mbps。

本发明的系统10的优选实施例基于来自移动平台接收机66的接收信号强度指示(RSSI)的目标卫星(即，卫星18a)的闭环空间跟踪(closed loopspatial tracking)。优选实施例使用用于闭环空间跟踪的来自最低数据率信道的RSSI。因此，在图8中，最低数据接收机66a将产生结合到跟踪系统的接收信号强度指示，所述跟踪系统用来使接收和发射天线射束在飞行器12移动时保持指向卫星18a。这提供了最大的界限余量来应对信号衰减并允许不利的飞行器12获得并跟踪目标卫星。

本发明的系统10因此提供一种装置，在移动平台行进通过给定覆盖区域时，使传输到操作在该覆盖区域内的一个或多个移动平台信息的效率最大化，而不会导致在地面站传输信息到一个或多个移动平台之间的通信链路的损失。最有利的是，无需在移动平台上的操作员干预就能在不同的信息传输率接收信息。而且，当在通信信道之间进行切换期间，不需要在移动平台上进行配置(自动或手动)。当移动平台在给定覆盖区域的多个子区域中行进时，从一个通信信道到另一个通信信道的切换是无缝隙地(seamlessly)实现的。根据在覆盖区域内的移动平台的位置和姿态选择的信息传输率允许使用最大的传输率将信息传输到任何给定的移动平台，而不会因传输率太高而导致通信链路的损失。

本领域的技术人员现在应当从前述中理解，本发明的主旨(broad teaching)东西可以在多种形式中实现。因此，虽然本发明结合其特定例子进行了描述，但是发明的真实范围不应局限于此，因为一旦学习了附图、说明书和后面的权利要求书，其它的修改将对有经验的从业者来讲变得清楚明了。

Claims (21)

1.一种使用多个数据率信道从基于空间的卫星传输数据到至少一个移动平台的通信系统，包括：

基于空间的卫星，其具有多个操作在多个数据率的发射机；

所述移动平台，每个都具有多个同时操作在多个数据率上的接收机，以便从所述发射机接收传输的数据；

所述系统，可操作地在多个数据率信道中的多于一个上传输数据到所述移动平台，并至少基于所述移动平台的地理位置操作以选择一个特定的所述数据率信道，用于传输数据到所述移动平台；并且

其中所述系统以最大化总体通信量的方式选择所述数据率信道中的特定的一个，用于传输所述数据到所述移动平台。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述移动平台周期性地将关于它的位置的位置报告传输到所述基于空间的卫星。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述位置报告是用来估计所述通信信道能够操作而没有传输数据的实质损失的最大数据率。

4.如权利要求3所述的系统，其中去往所述特定移动平台的所述数据被切换到能够操作而没有被所述移动平台体验到所述数据的实质损失的所述数据率信道中的最高的一个。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述数据的切换是在位于所述基于空间的卫星和基于地面的实体中的一个的路由器中实现的。

6.一种空间链接通信系统，包括：

基础通信系统，以多个不同的信息传输率中所选择的一个，可操作地在多个信道中所选择的一个上传输信息；

基于空间的转发器系统，用于转发经由所述多个通信信道中的所述选择的一个接收的所述信息；

移动通信系统，适用于运载在移动平台上，并且可操作地经由多个通信信道与所述转发器系统通信；

其中所述选择的信息率是部分由在覆盖区域内的所述移动平台的地理位置决定的；并且

其中所述选择的信息传输率是在所述移动平台行进在所述覆盖区域时，实时地改变到所述传输率中不同的一个，因此提高了在所述基于地面的和移动通信系统之间的通信链路的效率和通信量。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述基于地面的通信系统控制所述信息传输率的选择。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述移动通信系统包括多个接收机，每个所述接收机被调节到与所述多个通信信道中的一个相关。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述基于地面的段包括：

多个发射机，每个所述发射机适用于以预先选择的信息传输率经由所述信道中的相关的一个传输所述信息；和

路由器，用于将所述信息从内容源指引到所述发射机中所选择的一个。

10.如权利要求9所述的系统，还包括运载在所述移动平台上的路由器，用于将由所述接收机接收的所述信息接收到装载在所述移动平台上的信息处理部件。

11.一种用于提供具有可变的信息传输率的通信链路的空间链接通信系统，所述系统包括：

基于地面的系统，其具有多个发射机，每个所述发射机适用于经由多个信道中的相应的一个以预定的信息传输率传输信息；

基于卫星的转发器系统，其用于在预定的地理覆盖区域上转发从所述基于地面的系统接收的信息；

移动通信系统，其适用于运载在移动平台上，并具有包括多个接收机的接收机系统，所述每个接收机调节到所述传输信道中相关的一个，用于接收由所述基于卫星的转发器系统转发的所述信息；

其中，用于所述信息的初始信息传输率是至少基于在所述地理覆盖区域内的所述移动平台的位置，由所述基于地面的系统确定的；并且

其中，当所述移动平台在所述覆盖区域行进时，所述信息传输率由所述基于地面的系统至少部分基于所述移动平台的位置来改变，以便让所述信息传输率保持在使在所述移动通信系统和所述基于地面的系统之间的通信链路的效率最大化的值，而不会导致所述通信链路被中断。

12.如权利要求6所述的系统，其中所述基于地面的系统选择所述信息传输率以便保持所述信息的最小的预定比特误码率。

13.如权利要求6所述的系统，其中所述基于地面的系统包括路由器，其用于把将要被传输到所述移动平台的所述信息的分组只路由到其所述发射机中执行的一个，从而给所述移动系统提供所述分组的单播传输。

14.如权利要求6所述的系统，其中所述发射机的每个所述信息传输率都与所述地理覆盖区域的预定部分相关联。

15.一种用于与在地理覆盖区域内行进的多个移动平台通信信息的空间链接通信系统，所述系统包括：

基于地面的系统，用于经由多个通信信道传输信息，每个所述通信信道具有预定的信息传输率；

移动通信系统，安置在每个所述的移动平台上，每个所述移动通信系统可操作地在多个独立信道上接收信息；

其中所述基于地面的系统，其操作以监视每个所述移动平台的位置，并基于每个移动平台的位置，选择哪个所述通信信道将要用于每个所述移动平台，以便最大化所述信息的传输，同时保持最小的信号质量水平。

16.如权力要求15所述的系统，其中所述基于地面的系统包括路由器，用于经由所述通信信道中特定的一个把将要传输的信息路由到所述移动平台中特定的一个。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述基于地面的系统包括多个发射机，用于经由所述通信信道传输所述信息。

18.如权利要求15所述的系统，其中所述基于地面的系统控制经由所述通信信道的所述信息的传输，这样对于传输到所述移动平台的任何信息都不超过预定的比特误码率。

19.一种管理在基于地面的通信系统和移动平台之间的通信的方法，包括步骤：

使移动平台将指示在覆盖区域内的所述移动平台的位置的信息传输到地面系统；

使用地面系统基于在所述覆盖区域内的所述移动平台的位置，确定多个信息传输率中的哪个被用来传输信息到所述移动平台，并且选择能保证在所述信息的传输期间不超过所述信息的预定传输误码率的信息传输率；

使用所述基于地面的系统经由基于卫星的转发器，以所述选择的信息传输率将信息传输到所述移动平台；以及

使用在所述移动平台上的接收机在与所述选择的信息传输率相关的多个通信信道中的一个上接收所述信息。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述预定传输误码率包括对于所述传输信息的预定比特误码率。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述移动平台使用多个独立的接收机中的一个接收所述传输信息。

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