СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1995 года по МПК H04B7/204 H04B7/185 

Изобретение относится к системам передачи информации с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Цель изобретения повышение помехозащищенности системы.

На чертеже представлена структурная электрическая схема спутниковой системы.

Спутниковая система для передачи информации содержит датчики 1-1.1-N первичной информации, формирователь 2 передаваемой информации, блок 3 идентификации события и формирования информационного кадра, запоминающий блок 4, линии 5,7 задержки, передающий блок 6, формирователь 8 временной последовательности повторной выдачи информационного кадра, формирователь 9 сигнала на повторную выдачу информационного кадра, формирователь 10 сигнала квитанции, приемный блок 11, блок 12 коммутации (ключ), приемный блок 13 бортовой аппаратуры ИСЗ, декодирующий блок 14, запоминающий блок 15, формирователь 16 интервалов времени, программно-временной блок 17, передающий блок 18 бортовой аппаратуры ИСЗ, блок 19 управления угловым и линейным движением, аппаратуру 20 регионального пункта приема, приемопередающий блок 21, блок 22 сопряжения, блок 23 обработки, хранения принятой информации и принятия решения о связи с системами реагирования, аппаратуру 24 станции закладки баллистических данных, аппаратуру 25 станции слежения, аппаратуру 26 главного наземного пункта приема.

Формирователь 2 передаваемой информации представляет собой одно из трех устройств: либо терминал сигнальной информации, либо устройство передачи коротких сообщений, либо устройство для телефонной связи. Во всех случаях выполнения различия будут в алгоритме формирования информационного кадра.

Формирователь передаваемой информации предназначен для передачи на региональный пункт приема (РПП) посредством бортовой аппаратуры ИСЗ одного из 256 стандартных сигналов и приема от бортовой аппаратуры ИСЗ квитирующего сигнала, подтверждающего факт приема на ИСЗ сигнала и одновременной передачи его на РПП. Включение формирователя на передачу происходит вручную или от датчиков 1-1.1-N, автоматически фиксирующих то или иное событие (мгновенно или с задержкой).

Датчики 1-1.1-N являются датчиками событий. Они предназначены для определения факта появления события и формирования электрического сигнала, соответствующего данному событию.

Блок 3 идентификации события и формирования информационного кадра предназначен для приема сигналов от датчиков, идентификации происходящего события, формирования сигнала на включение передатчика, формирования условного кодового обозначения данного формирователя передаваемой информации и формирования информационного кадра, передаваемого на ИСЗ. При этом предусмотрена установка задержки (линия 7) передачи сигнала, что позволяет пользователю обнулить сигнал и предотвратить ложную передачу (например, при санкционированном вскрытии квартиры, гаража, автомобиля и др.).

Передающий блок 6 служит для передачи по радиоканалу на ИСЗ информационного кадра. Приемный блок (11) служит для приема информации по радиоканалу от ИСЗ. Приемник и передатчик снабжены антенно-фидерным устройством.

Спутниковая система работает следующим образом.

После монтажа формирователя 2 передаваемой информации выполняется автономная проверка его работоспособности. Затем формирователь 2 устанавливают вручную в исходное состояние. Исходное состояние датчиков заключается, например, в замыкании (или в размыкании) их контактов, что определяется конструкцией контролируемого объекта.

Предположим, что на контролируемом объекте произошло событие, вызвавшее срабатывание одного из датчиков, например, замыкание или размыкание контакта (в зависимости от выбранного типа датчика). В блоке 3 выполняется идентификация происшедшего события в соответствии со сработавшим датчиком и формируется информационный кадр, представляющий определенную двоичную последовательность, состоящую из пилот-сигнала, маркерной последовательности, необходимой для выделения кадровой синхронизации в бортовой аппаратуре СОС, номера формирователя 2, устанавливаемого на заводе-изготовителе, и информации о типе происшедшего события. Под информационным кадром формирователя 2 понимается последовательность сигналов, передаваемых на ИСЗ от формирователя 2, зафиксировавшего появление того или иного события.

Предварительные проработки показывают, что для эффективного функционирования рассматриваемой системы в информационном кадре должны передаваться следующие данные: кодовое обозначение данного формирователя 2 передаваемой информации, кодовое обозначение типа события, зафиксированного формирователем 2, маркерная последовательность, пилот-сигнал.

Кодовые обозначения содержат 32 двоичных разряда. При использовании 32 разрядов существует возможность как увеличения числа контролируемых объектов за счет сокращения количества типов событий для ряда контролируемых объектов, так и для обозначения типа события для отдельных контролируемых объектов. В среднем 32-разрядное слово позволяет идентифицировать 256 типов различных событий для более чем 16 миллионов контролируемых объектов. Информационная часть сообщения передается с четырехкратной избыточностью, обеспечивающей высокую достоверность передаваемой информации.

Маркерная последовательность, или просто маркер, представляет собой определенную 16-разрядную последовательность двоичных символов ("0" и "1"), передаваемую для формирования сигналов кадровой синхронизации, необходимых для декодирования инфоpмации приемной аппаратуры.

В начало информационного кадра передается пилот-сигнал, представляющий собой двоичную последовательность из 150-160 символов.

Таким образом, объем информационного кадра составляет около 300 двоичных разрядов. Выполненные расчеты показывают, что при передаче информации от формирователя 2 о происшедшем событии вероятность неверного сообщения не превышает 0,00001 при вероятности ошибки на символ 0,01. При принятой скорости передачи 32 Кбит/c время передачи кадра составляет около 10 мс.

Сигнал поступает на модулятор передающего блока 6, осуществляя частотную модуляцию его несущей частоты. С выхода передатчика 6 модулированный сигнал передается по радиоканалу на ИСЗ к бортовой аппаратуре ИСЗ. Бортовая аппаратура ИСЗ демодулирует принятый сигнал в блоке 13 и ретранслирует полученную информацию на региональные наземные пункты приема, находящиеся в зоне радиовидимости, вместе с номером ретранслирующего ИСЗ при помощи передающего блока 18.

При необходимости принятая на ИСЗ информация может быть записана в запоминающий блок 15 бортовой аппаратуры ИСЗ для последующей передачи в главный наземный пункт приема, при этом с помощью декодирующего блока 14 определяется необходимость записи информации, например, путем введения коэффициентов важности информации (ранжирования).

Ретранслируемый бортовой аппаратурой ИСЗ сигнал принимается региональным центром, где фиксируется происшедшее событие, и является квитирующим сигналом для формирователя 2.

После демодуляции в приемном блоке 11 квитирующий сигнал поступает на вход формирователя 10 сигнала квитанции, где происходит выделение и декодирование условного кодового обозначения формирователя 2. При совпадении принятого от ИСЗ кодового обозначения с номером формирователя передаваемой информации, задаваемым блоком 3, формируется сигнал "Квитанция".

Если по каким-либо причинам квитирующий сигнал не принят, в формирователе 9 сигнала на повторную выдачу информационного кадра при отсутствии сигнала с формирователя 10 формируется команда на блок 4, с выхода которого информация, сформированная в блоке 3, через линию 5 задержки поступает на вход передающего блока 6 для повторной передачи информационного кадра.

Одной из причин непоступления квитанции на приемный блок 11 может быть одновременный выход на связь нескольких пользователей с приемным блоком 13 ИСЗ. Для того, чтобы "разнести" пользователей во времени, в состав формирователя 2 вводится формирователь 8 временной последовательности, который может быть выполнен, например, в виде генератора импульсов со счетчиком, формирующим, например, линейно возрастающую последовательность, либо в виде генератора случайных чисел, что ведет к считыванию с запоминающего блока 4 хранящейся в нем информации через некоторый интервал времени Δ t_i и повторной передаче при помощи передающего блока 6 информационного кадра, сформированного в блоке 3.

При наличии сигнала "Квитанция" на выходе формирователя 10 с выхода формирователя 9 не поступает сигнал, по которому в блоках 4,5 и 8 формируется повторное сообщение.

Бортовая аппаратура ИСЗ предназначена для приема и ретрансляции сигналов абонентов. Информационный канал ИСЗ построен следующим образом: передатчик абонента в случае поступления первичного сигнала излучает в течение 10 мс модулированный по частоте сигнал, обеспечивающий скорость передачи информации, равную 32 Кбит/с. Приемный блок 13 на ИСЗ принимает этот сигнал, при помощи передающего блока 18 формирует сигнал, являющийся квитанцией для абонента. Этими сигналами модулируется передатчик ИСЗ и излучается в течение 10 мс для приема этого сигнала приемниками абонента и наземного терминала РПП.

Для расчета канала принимается, что интенсивность потока сообщений подчиняется пуансоновскому закону распределения
P_м а хх m/m!) e хх а, где а интенсивность потока сообщений от n абонентов.

Вероятность сбоя приема информации определяется возможностью одновременного прихода сигналов от двух и более абонентов и выражается формулой
p I e xx a(1 + a);
a LI x n x T, где LI интенсивность потока от одного абонента;
Т интервал передачи информации одним абонентом.

В системе может быть принят следующий режим работы: если абонент не получает квитанции от ИСЗ, то через время около 15-20Т его передатчик повторно излучает сигнал и выключается. При таком режиме вероятность сбоя, равная 10 хх 4, позволяет работать при вероятности, равной 10 хх 2, и обеспечить приемлемую интенсивность потока сообщений при LI 10 xx 7. При этом из каждых 100 сообщений повторно будет передано только одно, что практически не сказывается на средней длительности интервала передачи сообщений.

Для p 0,01 a 0,15, откуда
LI 0,15/(10 xx 7 x 10 xx 2) 1,5 x 10 xx 6 сообщ/с или 3,9 сообщ/мес.

Информационное сообщение, поступающее на вход приемного блока 13, декодируется в блоке 14 в случае необходимости, определяемой типом поступившего сообщения (что реализуется при помощи собственно декодирующего блока 14), с третьего выхода декодирующего блока 14 поступает в запоминающий блок 15.

Хранящаяся в запоминающем блоке 15 информация, подлежащая передаче в главный наземный пункт 26 приема, поступает на вход передающего блока 18 через ключ 12 по команде формирователя 16 определенных интервалов времени, соответствующих моментам передачи информации в наземный пункт 26 приема, который формирует эти интервалы в зависимости от местоположения ИСЗ, которое определяется при помощи устройства автономной навигации, входящего в состав системы управления угловым и линейным движением ИСЗ; с программно-временного блока, в котором эти интервалы времени заложены априорно; по команде с Земли, что реализуется связью блока 13 и блока 12 коммутации через второй выход декодирующего блока 14.

В функции аппаратуры 24 станции закладки баллистических данных входит закладка в блоке 19 управления ИСЗ посредством приемного блока 13 и второго выхода декодирующего блока 14 вектора состояния ИСЗ, полученного по результатам слежения за ИСЗ. При этом построение спутниковой системы осуществляется исходя из следующих посылок.

Выбор баллистического построения системы проводился из условия обеспечения непрерывного радиоконтакта между любыми двумя потребителями системы путем анализа картин покрытия поверхности Земли зонами радиовидимости космических аппаратов (КА) орбитальной группировки. Были проанализированы орбиты КА в диапазоне высот 800-1500 км и наклонений 83-51^о.

Для обеспечения непрерывной связи между потребителями системы необходимо, чтобы в зоне радиовидимости любой точки страны постоянно находился хотя бы один КА. При этом под нахождением КА в зоне радиовидимости понимается нахождение КА в этой зоне в течение времени, не меньшего некоторого t_min, которое необходимо хотя бы для передачи служебной информации с заданной надежностью, по которой будет организован канал связи с абонентом (выбор маршрута сигнала, моментов времени переключения потребителя на другие КА системы и т.д.). Здесь t_min 60 с.

Необходимо, чтобы мгновенные зоны радиовидимости всех КА системы, построенные при условии t_min 60 с и при требуемых минимально допустимых углах места, постоянно покрывали всю ее поверхность. Так как граница зоны радиовидимости представляет собой окружность на поверхности земного шара, то при сплошном покрытии поверхности страны зоны радиовидимости соседних КА пересекаются.

Как показал проведенный при разработке анализ, из условия надежности приема и обеспечения соответствующей помехозащищенности картины покрытия поверхности страны зонами радиовидимости КА система обеспечивает для любой точки страны постоянную возможность радиосвязи хотя бы с одним КА. Это обстоятельство ведет к рассмотрению вариантов баллистического построения с числом КА, равным минимально необходимому для обеспечения пересечения (касания) зон радиовидимости соседних КА.

Наклонение орбит КА системы выбрано из условия равномерности покрытия зонами радиовидимости поверхности страны и составляет 83^о. Орбита высотой порядка 800 км является необходимой для КА системы СОС. Ее использование приводит к требуемому числу КА в системе, равному 120. Увеличение высоты орбиты КА ведет к увеличению мощности бортового ретранслятора и, следовательно, к увеличению массы КА и росту его стоимости, а также к повышению требований к энергетическим характеристикам систем выведения. Кроме того, уменьшение высоты орбит позволяет уменьшить энергетические и стоимостные показатели терминалов.

Таким образом, для системы СОС, работающей при углах наклона 18^о со спутниками, находящимися на орбитах высотой 800 км, требуется космическая система из 120 спутников, расположенных в десяти орбитальных плоскостях по 12 спутников в каждой плоскости.

В настоящее время имеются готовые спутники типа ОКЕАН-ОЭ с работающим прототипом данной системы. Вес спутника 400 кг. Разработчик спутника КБЮ, г. Днепропетровск.

Региональный пункт 20 приема выполняет следующие функции: прием сигналов от бортового передающего блока 18 ИСЗ, ввод принятых сигналов в устройство обработки, регистрацию и документирование принятых сигналов, обработку принятых сигналов и выдачу сообщений о необходимых действиях, ввод и хранение информации о причинах возникновения сигналов и результатах предпринятых действий, ведение банка данных об абонентах (подсчет числа вызовов, изменение программ действий, выдача стоимости обслуживания вызова и т.д.). Центр имеет круглосуточную связь с реагирующими подразделениями (милиция, пожарные, медицинские учреждения и т.д.).

В состав аппаратуры РПП входят приемопередающий блок 21, настроенный на прием любой информации со спутника, блок 22 сопряжения приемного блока с персональным компьютером типа IBM PC AT, блок 23 обработки, хранения принятой информации и принятия решения о связи с системами реагирования на базе IBM совместимых персональных компьютеров (комплектация для каждого центра выбирается по частному техническому заданию).

В качестве первичных датчиков, регистрирующих появление на контролируемом объекте какого-либо события, используют простейшие контактные датчики (кнопочные выключатели, например, типа КМI-1 или микровыключатели типа К-8 и т.п. срабатывающие на замыкание или на размыкание в зависимости от конструктивных особенностей контролируемого объекта). Срабатывание указанных датчиков происходит в результате механического воздействия, что позволяет решать достаточно широкий круг поставленных задач.

В принципе, существует возможность применять другие типы датчиков. Например, для обнаружения пожара можно использовать тепловые реле. Для обнаружения повышенной радиоактивности существует датчик, разработанный в ОКБ МЭИ. В случае необходимости регистрации превышения предельно допустимых концентраций ядовитых веществ можно применять экологические датчики. Однако проблема их приобретения или разработки (а также стоимость) требует дополнительных исследований.

Предусматривается передача по "ручному сигналу" пользователя, а также подключение сложных сигнальных систем через соответствующие адаптеры.

Характеристики передатчика формирователя передаваемой информации следующие: передача осуществляется сигналом с частотной модуляцией, несущая частота в диапазоне 401-403 МГц, индекс модуляции 1,8, мощность излучения около 20 Вт в импульсе длительностью 10 мс; приемника следующие: осуществляется прием сигналов с частотной модуляцией, несущая частота в диапазоне 460-470 МГц, индекс модуляции 1,8, полоса пропускания порядка 170 КГц, чувствительность 139 дБВт; приемопередающего антенно-фидерного устройства: штыревая антенна шунтового питания с противовесом, КНД порядка 2,2 при минимальном угле места 20 град. линейная поляризация.

Аппаратура формирователя передаваемой информации размещается на контролируемом объекте. При необходимости на контролируемый объект можно устанавливать только датчики, регистрирующие происходящие события, а остальные устройства размещать на некотором удалении от него. Приемопередающее антенно-фидерное устройство должно размещаться на расстоянии не более 5 м от передающего блока и приемного блока на высоте не менее 1,5 м от уровня Земли. При этом высота размещения приемопередающего антенно-фидерного устройства определяется в каждом отдельном случае в зависимости от ландшафта, наличия строений или сооружений, создающих помехи распространению радиоволн. При неблагоприятном расположении антенны предусматривается повторная двойная передача сигнала через несколько минут.

Все датчики должны находиться в исходном состоянии. Порядок установки датчиков приводится в инструкции по эксплуатации.

Передача коротких сообщений может проводиться в тех же диапазонах частот в дополнительно выделенной полосе той же величины, что и для системы СОС.

Терминал передачи коротких сообщений (ТПКС) в течение 20 мс передает на борт КА свой номер, номер адреса и 150-битовое сообщение. Для улучшения качества информационного обмена 150-битовое слово может разбиваться следующим образом: 30 х 5 р. слов, 25 х 6 р. слов, 20 х 7 р. слов, 18 х 8 р. слов, 16 х 9 р. слов, 15 х 10 р. слов, 10 х 15 р. слов.

В зависимости от разрядности слова можно использовать словари соответствующего объема. При пятиразрядных словах объем словаря составляет 32 слова (2 в пятой степени), при 15-разрядах объем словаря составляет 32768 (2 в пятнадцатой степени).

В номере передающего ТПКС три последних разряда указывают номер словаря. По этому номеру производится дешифрация 150-битовой последовательности.

ТПКС состоит из приемопередающей части, на 90% унифицированной с формирователем передаваемой информации, а блок 3 имеет ПЗУ с прошитым словарем и схему управления выборкой слов.

Заявляемая система при наличии соответствующего количества ИСЗ на соответствующих орбитах обеспечит вероятность передачи информации не менее 0,9999.

Использование: в системах передачи информации с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ). Сущность изобретения: система содержит датчики 1 = 1 ... 1 = N первичной информации, формирователь 2 передаваемой информации, блок 3 идентификации события и формирования информационного кадра, запоминающие блоки 4, 15, линии 5, 7 задержки, передающий блок 6, формирователь 8 временной последовательности повторной выдачи информационного кадра, формирователь 9 сигнала на повторную выдачу информационного кадра, формирователь 10 сигнала квитанции, приемный блок 11, блок 11 коммутации, приемный блок 13 бортовой аппаратуры ИСЗ, декодирующий блок 14, формирователь 16 интервала времени, программно-временной блок 17, передающий блок 18 бортовой аппаратуры ИСЗ, блок 19 управления угловым и линейным движением, аппаратуру 20 регионального пункта приема, приемопередающий блок 21, блок 22 сопряжения, блок 23 обработки, хранения принятой информации и принятия решения о связи с системами реагирования, аппаратуру 24 станции закладки баллистических данных, аппаратуру 25 станции слежения, аппаратуру 26 главного наземного пункта приема. 1 ил.

СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ, содержащая сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), размещенных на орбитах среднеорбитального эшелона, объект, передающий информацию, аппаратуру станции слежения и станции закладки баллистических данных, сеть региональных пунктов приема и аппаратуру главного наземного пункта приема, на объекте, передающем информацию - формирователь передаваемой информации с приемным блоком для приема информации от ИСЗ и передающим блоком для передачи информации на ИСЗ, на каждом ИСЗ - блок управления угловым и линейным движением, приемный блок для приема информации от объекта, передающего информацию, станций закладки баллистических данных и регионального пункта приема, и передающий блок для передачи информации в региональный пункт приема и в главный наземный пункт приема, на региональном пункте приема приемный блок для приема информации от ИСЗ и передающий блок для передачи информации на ИСЗ, отличающаяся тем, что формирователь передаваемой информации выполнен в виде N датчиков первичной информации (N=1,2,3,), последовательно соединенных блока идентификации события и формирования информационного кадра, первой линии задержки, запоминающего блока и второй линии задержки, выход которой соединен с входом передающего блока, а также последовательно соединенных с выходом приемного блока формирователя сигнала квитанций, формирователя сигнала на повторную выдачу информационного кадра и формирователя временной последовательности повторной выдачи информационного кадра, выход которого соединен с вторым входом второй линии задержки, причем выходы N датчиков первичной информации подключены к соответствующим входам блока идентификации события и формирования информационного кадра, выход "Задание кода" которого подключен к второму входу формирователя сигнала квитанции, выход формирователя сигнала на повторную выдачу информационного кадра подключен к второму входу запоминающего блока, другой вход передающего блока соединен с выходом первой линии задержки, второй вход которой является входом для ручного обнуления санкционированного срабатывания датчиков первичной информации, в состав бортовой аппаратуры ИСЗ введены последовательно соединенные с выходом приемного блока декодирующий блок и блок коммутации, выход которого подключен к входу передающего блока, другой вход которого соединен с выходом приемного блока, второй выход декодирующего блока соединен с входом блока управления угловым и линейным движением, в состав бортовой аппаратуры ИСЗ также введен или программно-временной блок, или формирователь интервалов времени, соответствующих моментам передачи информации в главный наземный пункт приема, соединенный с выходом блока управления угловым и линейным движением, или декодирующий блок, снабженный выходом по командному сигналу, причем управляющий вход блока коммутации соединен или с программно-временным блоком, или с формирователем интервалом времени, или с выходом по командному сигналу декодирующего блока, а в состав аппаратуры регионального пункта приема введены последовательно соединенные блок сопряжений и блок обработки, хранения принятой информации и принятия решения о связи с системами реагирования, выход приемного блока регионального пункта приема подключен к входу блока сопряжения, причем ИСЗ размещены на орбитах также и низкоорбитального эшелона, близких к круговым, с углами наклонения, соответствующими приполярным орбитам, где число орбит и число ИСЗ на орбитах выбирается из условия оптимизации соотношения кратности покрытия заданных районов земной поверхности, обусловленной требованиями надежности, и кратности покрытия, обеспечивающей заданную помехозащищенность приемопередающей аппаратуры.