Quasi-Passive Satellite Relay Communication System

Abstract

Proposed methods of relaying communications via satellites have been either passive, as with Echo, or active, such as with Advent. The passive approaches have the advantages of simplicity, invulnerability, and ultimate reliability in the vehicle; but those versions which permit usage from any location within the field of view of the satellite are so limited in sensitivity by the two-way space attenuation as to restrict their information-handling capacity severely. Active satellites have much greater information-handling capacity but are less reliable, more vulnerable to jamming, and require significant on-board power consumption.

A quasi-passive approach, which we call Comarray, is presented in this paper. The system requires no on-board R-F power generation, but it overcomes the limited sensitivity of passive satellites without sacrificing reliability and in vulnerability.

The satellite employs an antenna of the Van Atta type, which is modulated by solid-state devices inserted in each of the paths that connect conjugate array elements. The receiving link obtains information by irradiating the array from the ground point. This same point receives information from the modulated retroflected energy directed to it by the array.

The sending link transmits an information wave to the satellite from any direction within the field of view of the array. This view angle can be made wide enough not only to encompass the earth within the view of the satellite but also to permit variations in attitude of the satellite. Single elements of the satellite transmitting array are used to receive the signals from the ground, and small receivers are used to detect the signal. These receivers provide the output to modulators installed in the connecting paths of the satellite transmitting array.

The information in the Comarray satellite is really transferred from sending link to receiving link in the satellite rather than relayed or amplified in the conventional sense. This system offers a flexible method of relaying information by satellite from any two points on the ground within the satellite field of view. Particular features : 1) An extremely reliable satellite unit canbe made from components of ordinary life because of the inherent redundancy of the design. Life times of 10 to 50 years should be realizable. 2) Satellite power consumption conceivably can be minimized to the point where ground powering may be considered.

Anticipated typical operation of a low-orbiting version of this system would have a base bandwidth of 10 Mc at X band with ground stations employing 60ft dishes at 40-kw power levels. The satellite would operate at 6000 miles altitude and be approximately 10 ft square. A 24-hr, synchronous orbit communications satellite system employing this scheme is also feasible. It should employ ground antennas of 120 to 250 ft and operate at Cor X bands. The satellite antenna would be about seven ft wide and would weigh from 50 to 130 lb. It could be used for high-channel traffic. Results of experimental work to date are also presented.

Résumé

Les procédés proposés pour relayer des communications au moyen de satellites ont été soit passifs, comme c’est le cas avec Echo, soit actifs comme avec Advent. Les systèmes passifs sont caractérisés par la simplicité, l’invulnérabilité et une sûreté maximum à l’intérieur du vehicule. Toutefois ces versions qui permettent l’emploi à partir de n’importe quel point du champ de vision du satellite ont une sensibilité si limitée á cause de la double atténuation spatiale que leur capacité à manier les informations est fortement diminuée. Les satellites actifs^- ont une bien plus grande capacité a manier les informations mais sont moins sûrs, plus vulnérables au brouillage et consomment une grande quantité d’énergie électrique à bord.

Un procédé quasi-passif, qu’on appelle Comarray, est présenté dans cet article. Le système ne demande aucune production d’énergie R-F à bord mais dépasse la sensibilité limitée des satellites passifs sans toutefois supprimer la sûreté et l’invulnérabilité.

Le satellite emploie une antenne du genre Van Atta, qui est modulée par des dispositifs d’état solide insérés dans chacune des issues qui connectent les éléments du réseau conjugué. La liaison réceptrice obtient une information en envoyant un signal d’un point de la Terre sur le réseau. Ce même point reçoit une information provenant de l’énergie modulée réflechie vers lui par le réseau.

La liaison émettrice transmet une onde d’information au satellite de n’importe quelle direction à l’intérieur du champ visuel du réseau. Cet angle visuel peut être assez grand non seulement pour englober la Terre dans le champ visuel du satellite mais aussi pour permettre des variantes dans.l’attitude du satellite. Seuls les éléments du réseau transmetteur du satellite sont employés pour recevoir les signaux venant de la Terre, et des petits postes recepteurs sont employés pour détecter ce signal. Ces postes recepteurs fournissent “l’output” aux modulateure placés sur les trajets de connection du réseau transmetteur du satellite.

L’information dans le satellite Comarray est réellement transformée à l’intérieur du satellite, de la liaison émettrice à la liaison réceptrice plut8t que relayée ou amplifiée dans le sens conventionnel. Ce système offre une méthode souple pour relayer l’information au moyen d’un satellite à partir de n’importe quels deux points de la Terre se trouvant dans le champ visuel du satellite. Traits particuliers: 1) On peut construire un satellite extremement sûr avec des composantes de durée ordinaire à cause de la redondance inhérente du projet. Une durée de 10 à 50 ans serait sans doute possible à réaliser. 2) Il est concevable de réduire la consommation d’énergie d’un satellite au point qu’on puisse considérer l’emploi d’énergie provenant de la Terre.

Une opération typique d’une version de basse-orbite a montrée que ce système nécessiterait une gamme de fréquences à base de dix mc à X gamme et que les stations terrestres emploieraient des réflecteurs paraboliques de soixante pieds et des niveaux d’énergie de quarante kW. Le satellite fonctionnerait à 6000 miles d’altitude et aurait approximativement dix pieds carré. Un système de satellites de communication à orbite synchrone de 24 heurs est aussi réalisable en employant ce système. On devrait employer des antennes terrestres de 120 à 250 pieds et il fonctionnerait à C au X gammes. L’antenne du satellite aurait à peu près sept pieds de large et Oserait de 50 à 130 livres. On pourrait aussi l’utiliser pour le traffic de haut-canal. Les résultats du travail expérimental accompli jusqu’à présent seront aussi présentés.

Абстрактный

Предлагавшиеся до сих пор системы трансляции, использующие искусственные спутники земли, были либо пассивными, как Эхо, либо активными, как Адвент. Пассивный тип имеет преимущество простоты, неуязвимости и максимальной надежности в спутнике, но возможность использования таких спутников из любого места в зоне прямой видимости ограничена поглощением,увеличенным за счет двойного пути; это сильно уменьшает пропускную способность. Активные спутники имеют значительно большую пропускную способность связи, но они менее надежны, более уязвимы в отношении помех и должны нести источники питания.

В настоящем докладе описывается квазипассивный спутник, который мы назвали “Комаррай”. Системы генерации мощности ВЧ в самом спутнике не требуется, но, в то же время, он преодолевает ограниченную чувствительность пассивного сателлита, не жертвуя ни надежностью, ни неуязвимостью.

В спутнике используется антенна типа Ван-Атта, которая модулируется полупроводниковыми устройствами, установленными между сопряженными элементами антенны. Приемное звено получает сигнал от антенны, облучаемой из какой-либо точки земли. Та же самая точка земли получает сообщение в виде модулированной энергии, излученной антенной спутника в том же направлении.

Передатчик с земли излучает сигнал в любом направлении в пределах поля зрения антенны спутника. Угол поля зрения может быть увеличен в такой степени, чтобы не только охватить землю, но и допустить изменение положения спутника. Отдельные элементы передающей антенны спутника используются для приема сигналов с эемли, а для детектирования сигнала используются небольшие приемники. Выход этих приемников является входом для упомянутых выше модуляторов. Сообщения в спутнике “Комаррай” переносятся от приемного звена к передающему звену в спутнике, без передачи, а не усилением в общепринятом смысле. Эта система дает гибкий метод передачи сообщений при помощи спутников между двумя любыми точками на земле в поле зрения спутника. Основные особенности: 1) Может быть достигнута весьма большая надежность спутника при помощи элементов с обычным сроком полезной жизни благодаря дублирующим цепям конструкции. Представляется возможной работа спутника в течение 10–50 лет. 2) Потребление энергии в спутнике может быть уменьшено до такой степени, что становится мыслимой передача питающей энергии с земли.

Предлагаемая система для низкоорбитного спутника будет иметь полосу пропускания 10 мегагерц в диапазоне X. Земными станциями мощностью 40 киловатт используются 60-тифутовые дискообразные антенны. Спутник будет находиться на высоте 6000 миль и иметь размер 10 квадратных футов. Такая система может быть применена также на суточном спутнике, находящемся непрерывно над одной точкой земли. Для этого могут применяться также наземные антенны размером от 120 до 250 футов, работающие в диапазоне С или X. Предусмотрена антенна спутника около семи футов шириной и от 50 ДО 130 фунтов весом. Возможно применение этой системы для многоканальной связи. Изложены также результаты экспериментальной работы.