DE69834747T2

DE69834747T2 - Satelliten-laserkommunikationssystem

Info

Publication number: DE69834747T2
Application number: DE69834747T
Authority: DE
Inventors: McAlpin Joseph Leesburg BOZZAY; C. Richard Ashburn THUSS; Howard James McLean LEVEQUE; A. Thomas Arlington RUSSELL
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: EP1097530B1; WO1999033279A2; AU3448399A; AU755222B2; ATE328408T1; DE69834747D1; EP1097530A4; EP1097530A2; US6043918A; WO1999033279A3

Description

HINTERGRUND UND KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1A und 1B erläutern schematisch die Kernprobleme bei bodengebunden Lasernachrichtenverbindungen mit Satelliten und Stationen in großer Höhe. Wolken und Feuchtigkeit in der Atmosphäre streuen die Laserstrahlenergie, was zu verlorenen Verbindungen führt. Windgetragene Turbulenz bricht, verzerrt und verdirbt den Strahl und macht es schwer für Lasernachrichtenverbindungen. Es gibt vorhandene Technik, die Senden und Empfang von Lasersignalen erlaubt. Ansätze zur Nachrichtenverbindung zwischen der Bodenquelle und Raum oder Satellit und Stationen in großer Höhe, die vorgeschlagen wurden, erfordern anpassungsfähige Optiken und besondere Signalkompensation um Nachrichtenverbindungen zuzulassen. Dent et al., US-Patent Nr. 5 652 750 zeigt ein Satellitennachrichtenverbindungssystem, das eine laseroptische Verbindung verwendet, in der das Problem der Schwächung des Signals durch Wolkendecken behandelt wird, indem man mehrere räumlich voneinander beabstandete Bodenplätze bereitstellt, die ausreichen, daß mindestens einige klare Sicht des umlaufenden Satelliten geschaffen wird.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lasernachrichtenverbindungssystem zur Nachrichtenverbindung zwischen der Erde und erdumlaufenden Satelliten oder Stationen in großer Höhe zu schaffen, das nicht von anpassungsfähigen Optiken oder besonderem Signalausgleich abhängt, um Lasernachrichtenverbindungen zwischen dem Boden und dem Empfänger im Raum zu ermöglichen.
Die Erfindungen gründet auf der Erkenntnis, daß Szintillations-„Fenster", die ungefähr 50% der Zeit für bis hinauf zu 10 Millisekunden auftreten, benutzt werden können, um Laserverbindungen mit einem Satelliten zu schaffen. Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, einen erdgebundenen Laser-Nachrichtensender zu veranlassen, fortlaufend große Datenblocksignale, die auf einen erdumlaufenden Satelliten oder Stationen in großer Höhe gezielt sind, zu wiederholen und einen Lasernachrichtenverbindungsempfänger und einen Bestätigungssender auf den erdumlaufenden Satelliten oder der Station/Plattform bereitzustellen. Während der Szintillationsfenster werden Paketabschnitte der großen Datenblocksignale durch das Fenster empfangen und auf den Empfang der Pakete am Satelliten oder der Station in großer Höhe sendet ein Bestätigungssender, der an dem erdumlaufenden Satelliten oder der Plattform angebracht ist, ein Bestätigungssignal, das den End-Lasernachrichtensender am Boden veranlaßt, wiederum fortlaufend wiederholend die nächsten folgenden großen Datenblocksignale zu senden und diesen Vorgang zu wiederholen, bis alle die Daten durch den erdumlaufenden Satelliten oder die Station in großer Höhe empfangen worden sind. Somit wird eine Nachrichtenverbindung mit hoher Datenrate zwischen dem Raum oder Stationen in großer Höhe erzielt und Bodenendstellen, unter Verwendung von Lasernachrichtenverbindungen durch die Szintillationsfenster in der Atmosphäre.
Somit werden die Beschränkungen der Nachrichtenverbindungen mit hoher Datenrate zwischen dem Raum in großer Höhe und den Bodenendstellen, nämlich (1) die atmosphärischen Beschränkungen der kohärenten Bandbreite und (2) die Frequenznutzung auf Grund von internationalen Verträgen und Vorschriften der US-Regierung, vermieden. Diese Beschränkungen begrenzen die gegenwärtige Benutzerbandbreite auf einige wenige Gigabits im Funkfrequenzspektrum.
Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten bei dem Gebrauch von Lasernachrichtenverbindungen haben das Potenzial, einige hundert Gigabits an Nachrichtenverbindungen zu unterstützen, aber sie sind grundsätzlich durch atmosphärische Turbulenzen, Wolken, Regen beschränkt und erlegen äußerste Stabilitätserfordernisse sowohl den Satelliten- als auch den Bodenendstellen auf. Normale atmosphärische Bedingungen erzeugen Signalschwächung mit sehr hohem Verlust, so daß sie große Signalverluste erzeugen derart, daß eine Nachrichtenverbindung mit langer Dauer ohne wesentlichen Ausgleich nicht machbar ist. Jedoch bricht die vorliegende Erfindung den Datenstrom in kurze Pakete auf, die völlig in die Lücken zwischen tiefen Szintillationsschwächungen passen. Diese Pakete werden mehrfach wiedergesendet, bis eine hohe Wahrscheinlichkeit des Hindurchgehens durch die Lücken, die durch die Szintillationsfenster bestimmt werden, besteht. Wie oben festgestellt, erzeugt Szintillation Verstärkungen in empfangener Signalstärke ungefähr 50 Prozent der Zeit und Schwächungen ungefähr 50 Prozent der Zeit. Die empfangene Signalstärke schwankt zufällig nach oben und nach unten mit einer durchschnittlichen Periode von einigen Millisekunden. Die Paketlänge wird etwas geringer sein in der Größenordnung von Zehnteln von Millisekunden. Die sehr hohe Datenrate, die mit Lasernachrichtenverbindung möglich ist, wird brauchbare Datenraten liefern selbst nach der Verringerung aufgrund des erforderlichen Wiedersendens. Da diese Erfindung nicht mehrere Öffnungen oder Kompensation erfordert, um die Szintillation zu mindern, ist es eine vertretbare Lösung, die immer noch den Lasernachrichtenverbindungen innewohnende Vorteile liefert. Diese Vorteile enthalten kleine Endstellen, geringe Wahrscheinlichkeit der Störung und eine geringe Wahrscheinlichkeit des Abfangens.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindungen werden ersichtlicher werden, wenn sie mit der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
1A und 1B schematische Abbildungen oder Erläuterungen der Kernprobleme bei Lasernachrichtenverbindungen von der Erde in den Raum oder zu Stationen großer Höhe und umgekehrt sind,
2 eine schematische Erläuterung einer Bodenendstelle, die fortlaufend wiederholend große Datenblöcke, die kodiert und verschlüsselt sind, durch die Atmosphäre und Szintillationsfenster an einen erdumlaufenden Satelliten oder eine atmosphärische Station in großer Höhe sendet, ist,
3 eine schematische Erläuterung des erdumlaufenden Satelliten, der eine Bestätigung des empfangenen Signals zur Bodenendstelle sendet, ist, und
4 eine schematische Abbildung der Wiederholung des Vorganges für den nächsten Datenblock ist.
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie erläutert und dargestellt in 1A, können Wolken und Feuchtigkeit und andere atmosphärische Bedingungen Laserstrahlenergie 10 aus einem Lasersender 11 streuen. Bei einem etwas anderen Phänomen wird der Laserstrahl 10 vom Lasernachrichtensender 11 gebrochen und verzerrt durch windgetragene Turbulenz um den Strahl zu verderben, was es schwierig macht für Nachrichtenverbindungen, die Lasertechnik verwenden. Somit sind Nachrichtenverbindungen mit hoher Datenrate zwischen dem Raum und/oder Stationen in großer Höhe und Bodenendstelle durch diese atmosphärischen Beschränkungen beschränkt.
Diese Beschränkungen grenzen die gegenwärtig nutzbare Bandbreite auf einige wenige Gigabits ein und das Funkfrequenzspektrum. Es ist wohlbekannt, daß, wenn Lasernachrichtenverbindungen zwischen der Erde und erdumlaufenden Satelliten und/oder Stationen in großer Höhe möglich sind, dann die Laser die Möglichkeit haben, mehrere hundert Gigabits an Nachrichtenverbindungen zu unterstützen. Einige wenige der oben erörterten Beschränkungen, normale atmosphärische Bedingungen erzeugen Signalschwund mit sehr hohem Verlust, so daß sie große Signalverluste verursachen derart, daß eine langdauernde Nachrichtenverbindung ohne wesentlichen Ausgleich nicht machbar ist. Wir haben erkannt, daß Lasernachrichtenverbindungen, die Szintillationsfenster benutzen, die ungefähr 50 Prozent der Zeit für bis zu zehn Millisekunden auftreten, möglich sind und daß diese Lasernachrichtenverbindung erreicht werden kann unter Verwendung kleiner Endstellen mit geringer Störungswahrscheinlichkeit und geringer Abfangwahrscheinlichkeit.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Satellit S gezeigt, der Sonnenenergieplatten SP hat und mit einem Lasernachrichtenempfänger 20 und einem Bestätigungssender 21 ausgestattet ist, der vorzugsweise ein Funksender ist. Eine Bodenendstelle GT, die einen Lasernachrichtenverbindungssender CT hat, der Einrichtungen aufweist, um den Bodenendstellenlasernachrichtensender LCT zu veranlassen, fortlaufend wiederholend große Datenblöcke, die kodiert und verschlüsselt sind, zur Atmosphäre zu senden. Gemäß der Erfindung wird der Datenstrom in kurze Pakete aufgebrochen, die gänzlich in die Lücken zwischen den tiefen Szintillationsschwächungen passen. Der Lasernachrichtensender LCT verursacht, daß diese Pakete mehrfach wiedergesendet werden, bis eine hohe Wahrscheinlichkeit ihres Durchgehens durch die Lücken oder Szintillationsfenster vorliegt. Szintillation erzeugt Verstärkung in der empfangenen Signalstärke ungefähr 50 Prozent der Zeit und Schwächungen ungefähr 50 Prozent der Zeit. Die empfangene Signalstärke schwankt somit zufällig nach oben und nach unten mit einer durchschnittlichen Periode von mehreren Millisekunden. Die Paketlänge wird etwas geringer sein, in der Größenordnung von Zehntel-Millisekunden. Die sehr hohen Datenraten, die bei Lasernachrichtenverbindungen möglich sind, werden immer noch nützliche Datenraten liefern, selbst nach einer Verminderung zum Senden.
Wie in 3 dargestellt, empfängt die Satelliten- oder Stations-Endstelle S Daten in Lücken zwischen Szintillationsschwächungen typischerweise in der Größenordnung von 0,2 bis 10 Millisekunden. Wenn der Lasernachrichtenverbindungsempfänger 20 auf dem Satelliten oder der Station in großer Höhe S die Datenblocksignale empfängt, betätigt er den Bestätigungssender 21, der vorzugsweise ein herkömmlicher Funksender ist, um eine Empfangsbestätigung des Signals zur Bodenendstelle GT zu senden. Wie in 4 dargestellt, wiederholt sich der Vorgang für die nächsten nachfolgenden Blöcke von Daten.
Es wird erkannt werden, daß das Bestätigungssignal von dem Satelliten oder der Station von irgendeinem Frequenzband sein kann. Darüber hinaus, während das Bestätigungssignal bevorzugt ist, wird erkannt werden, daß in einer weniger bevorzugten Ausführungsform das System ohne das bestätigte Signal arbeiten könnte, falls erforderlich.
Die Vorteile des System enthalten, daß es ein Nachrichtenverbindungsaufwärtsrichtungssystem mit geringen Kosten und hoher Datenrate ist, und daß es mit geringer Leistung, geringer Wahrscheinlichkeit der Entdeckung mit Antistör-Eigenschaften für ein Lasernachrichtenverbindungssystem arbeitet. Somit wurde eine einfache Bodenendstelle mit intermittierenden Nachrichtenverbindungen, die hohe Impulsdatenraten mit verhältnismäßig kleiner Grundkosten-Endstellenausrüstung liefert, geschaffen.
Während die Erfindung in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, wird erkannt werden, daß verschiedene Ausführungsformen, Anpassungen und Abwandlungen der Erfindung dem Fachmann leicht ersichtlich sein werden.

Claims

Ein Satelliten- oder mit Stationen in großer Höhe versehenes Nachrichtenverbindungssystem, das einen erdumlaufenden Satelliten oder eine Station in großer Höhe (S), die einen Lasernachrichtenempfänger 20 trägt, und eine Bodenendstelle (GT), die einen Lasernachrichtensender (LCT) hat, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Satellit (S) oder Station in großer Höhe (S) darauf einen Bestätigungssender (21) angebracht hat und besagter Lasernachrichtensender (LCT) veranlaßt wird, fortlaufend Blöcke von Datensignalen zu senden, und wenn ein Block von Datensignalen am Satelliten oder der Station in größerer Höhe (S) empfangen wird, ein Bestätigungssignal zur Erde von dem Satelliten oder der Station (S) in großer Höhe gesendet wird, wobei besagte Bodenendstelle (GT) besagtes Bestätigungssignal empfängt und besagten Bodenendstellenlasernachrichtensender (LCT) veranlaßt, fortlaufend den nächsten nachfolgenden Block von Datensignalen zu senden und das Senden besagter Blöcke von Datensignalen und Bestätigungssignalen zu wiederholen, bis alle der Große-Datenblock-Signale durch besagten Lasernachrichtenempfänger (20) durch Szintillationsfenster in der Erdatmosphäre empfangen worden sind.
Das Nachrichtenverbindungssystem wie in Anspruch 1 angegeben, worin besagter Bestätigungssender (21) ein Funksender ist.
Ein laser/optisches Nachrichtenverbindungsverfahren, das einen erdumlaufenden Satelliten oder eine Station in großer Höhe (S), die mit einem Lasernachrichtenverbindungsempfänger versehen sind und eine Bodenendstelle (GT), die einen Lasernachrichtensender (LCT) hat, benutzt, gekennzeichnet durch: Einen Bestätigungssender, der auf besagtem erdumlaufenden Satelliten oder Station in großer Höhe (S) angebracht ist, Veranlassen besagten Bodenendstellenlasernachrichtensenders zum fortlaufenden Wiederholen von Große-Datenblock-Signalen, Senden von Bestätigungssignalen von besagtem erdumlaufenden Satelliten oder Station (S) in großer Höhe und auf Empfang besagter Große-Datenblock-Signale, Empfangen besagter Bestätigungssignale an besagter Bodenendstelle (GT) und Veranlassen besagten Bodenendstellenlasernachrichtensenders (LCT), den nächsten nachfolgenden Block von Datensignalen fortlaufend zu senden und Wiederholen dieses Vorganges, bis alle der Daten durch besagten erdumlaufenden Satelliten oder Station in großer Höhe (S) empfangen worden sind, wodurch alle besagter Große-Datenblock-Signale durch besagten Lasernachrichtenempfänger durch Szintillationsfenster in der Atmosphäre empfangen worden sind.