СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 1996 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к созданию системы спутниковой связи. Подобные системы предназначены для обеспечения различными видами связи обширных регионов земного шара. В частности, при достаточно большом количестве искусственных спутников Земли можно поддерживать непрерывную связь между любыми пунктами на поверхности Земли.

Успешная работа системы связи в значительной степени обеспечивается рациональной организацией движения спутников, т.е. оптимальным выбором параметров орбит и оптимальным фазированием движения спутников по этим орбитам. В системах связи используются искусственные спутники Земли, летающие на низких круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах. Выбор типа орбиты диктуется способом организации связи, характеристиками используемой бортовой и наземной аппаратуры, а также технико-экономическими показателями.

Известны системы связи, спутники которых обращаются по низким круговым орбитам. В таких системах используются недорогие передатчики малой мощности и приемники малой чувствительности, что позволяет рядовым абонентам обходиться без каких-либо наземных линий связи. В подобных системах значительно меньше запаздывание сигналов /1/.

Известна система связи "Иридий" разработки фирмы Mоtоrоlа / см. журнал Аviаtiоn Wеек аnd Sрасе Теhnоlоgу, 1990, 133, 29/.

По проекту "Иридий" предполагается выведение 77 легких искусственных спутников Земли на 7 полярных, т.е. наклонение орбиты 090^o круговых орбит высотой 765 км. На каждой орбите должны обращаться в одном направлении на равных расстояниях друг от друга 11 спутников, при этом разности аргументов широты соседних спутников в любой момент времени равны /360/11/ градусов. Восходящие узлы орбит расположены в плоскости экватора неравномерно: между соседними одноименными /в сходящими или нисходящими/узлами равны 27^o, а между соседними разноименными узлами <$Eаpprох>17^o.

Указанная система решает задачу обеспечения глобальной связи, но обладает следующими недостатками:
в высокоширотных областях, где плотность абонентов связи незначительна, над каждой точкой находится неоправданно много спутников /например, над каждым из полюсов находится не менее 7 спутников, а в 50% времени 14/;
в скоплениях спутников, обусловленных выбранной системой связи, спутники создают друг другу сильные радиопомехи, так что их аппаратуру приходится отключать по специальной программе;
движения отдельных спутников по отношению к остальным спутникам неодинаковы: поэтому необходимо индивидуальное управление аппаратурой спутников для организации межспутниковых каналов связи с абонентами;
особенности системы "Иридий" приводят к заведомо завышенному количеству спутников, к усложнению алгоритмов управления системой связи и, как следствие, к существенному удорожанию проекта: предполагаемая стоимость его около 2,3 миллиарда долларов.

Цель изобретения обеспечение непрерывной связи в широтных поясах, лежащих между 30 и 75^o северной и южной широты, т.е. в тех поясах, где расположены основные развитые страны. В остальных же регионах, где плотность потенциальных абонентов невысока, -обеспечивать регулярную периодическую связь с возможными перерывами длительностью не более 15-20 мин. Система связи должна быть максимально удешевлена.

Поставленная цель достигается тем, что в известной системе из N искусственных спутников земли, оснащенных бортовой приемо-передающей аппаратурой, и сети наземных станций связи, спутники пространственно размещены на орбитах с одинаковыми высотами и наклонениями, при этом долготы восходящих узлов орбит и аргументы широты спутников определяются по формулам:


где j 2,3. Ω₁u₁ произвольные начальные значения долготы восходящего узла орбиты и аргумента широты первого спутника; χ₁χ₂ - значения коэффициентов, определяемых из табл.1.

Предлагаемая система обладает новизной и существенными отличиями. Общим признаком предлагаемой системы и прототипа является то, что в обеих системах используются спутники Земли, обращающиеся на низких круговых орбитах одинаковой высоты с равными наклонениями.

В предложенной системе
обеспечение непрерывной и периодической связи выполняется при меньшем /на 25. 30% / количестве спутников, нежели того требуют орбитальные структуры, использующие полярные орбиты;
исключение почти полностью взаимных радиопомех спутников, так как спутники не скапливаются в каких-либо областях и не сближаются друг с другом на встречных курсах:
унифицирование программ управления аппаратурой спутников / в частности, при организации межспутниковой связи/, обусловленное равенством наклонений орбит и определением долгот восходящих узлов орбит и аргументов широты спутников по формулам /1/, что приводит к одинаковости движения отдельных спутников по отношению к остальным спутникам системы:
удешевление системы связи, обусловленное значительным уменьшением количества спутников и унифицированием алгоритмов управления.

На фиг.1 представлены условия радиовидимости наземного объекта со спутника, на фиг. 2 зависимость углового радиуса α^* зоны равновидности спутника от высоты орбиты Н, на фиг. 3 зависимости минимального углового радиуса a зоны разновидности спутников, при котором система обеспечивает непрерывную связь в поясах 35.70^o. северной и южной широты от наклонения орбиты.

Обмен радиосигналами между какими-либо спутниками системы и наземными станциями /абонентами/ возможен, если только угол места b спутника в точке расположения абонента не меньше некоторого значения b_min, обусловленного чувствительностью приемной аппаратуры и мощностью передающей: при этом β_min > 0. Множество наземных точек, удовлетворяющих этому условию, является в любой момент времени кругом на поверхности Земли некоторого углового геоцентрического радиуса α^* с центром в подспутниковой точке /см. фиг.1/. Этот круг называется зоной радиовидимости спутника. Обычно значения угла b_min лежат в диапазоне 5.15^o. При проектировании системы связи угол β_min, задается разработчиками аппаратуры. Выбор угла β_min, ведет к тому, что угловой радиус α^* зон радиовидимости спутников становится функцией от высоты Н орбит спутников /см. фиг.2/. Высота Н выбирается из соображений энергетики радиолиний и удобства эксплуатации системы /обеспечиваемого, например, периодичностью движения спутников по отношению к вращающейся Земле, когда период вращения спутников Т и период вращения Земли по отношению к плоскостям орбит спутников Т удовлетворяют условию mТ₃-nТ при некоторых целых mT₃-nT. С точки зрения энергетики радиолиний перспективным является диапазон высот 1500-2500 км.

Для каждой из систем спутников, характеризующихся тройкой чисел (N,λ₁,λ₂),, как показывают расчеты, существует зависимость того минимального возможного углового радиуса α зон радиовидимости спутников, при котором система обеспечивает непрерывную связь в широтных поясах 30.75^o северной и южной широты или поясах, принадлежащих указанным, от величины наклонения орбит i /см. фиг. 3/. Имея ввиду вышеизложенное пояснение, покажем работу системы.

Система из спутников с параметрами (N,χ₁,χ₂) для непрерывного обзора в поясах 30.75^o северной и южной широты и периодической связи в остальных поясах характеризуется:
Высотой орбиты Н₃, выбираемой из указанных выше соображений энергетики радиолиний удобства эксплуатации системы.

Угловым радиусом α^* H₃ зоны радиовидимости при заданных величинах угла b_min и высоты орбиты Н₃ /см. фиг.2/. Диапазоном наклонений орбитi_min≅i≅i_mах, где угловой радиус α^* (Н₃) зон радиовидимости спутников больше или равен минимально возможному для этой системы угловому радиусу a /см. фиг.3/. Диапазон i_min≅i≅i_mах, может оказаться пустым, что означает невозможность обеспечения непрерывной связи в заданных широтных поясах системой спутников, характеризующейся соответствующей тройкой чисел (N,λ₁,λ₂), и необходимо перейти к системе с другими параметрами. Наклонением i орбит спутников системы. Выбор величины i из диапазона i_min≅i≅i_mах производится из условий запуска спутников /энергетики ракет-носителей, места расположения точки старта, районов падения отделяющихся частей ракетоносителей и т.п./, минимизации интервалов перерывов связи в районах, не принадлежащих рассматриваемым широтным поясам 30.75^o северной и южной широты или обеспечения периодичности движения спутников по отношению к вращающейся Земле путем дополнительного подбора параметров m х n /см. выше/. Диапазон 16≅N≅25 чисел спутников в системе, представленный в табл.1, обусловлен выбранным диапазоном высот орбит /1500.2500 км/, принятыми значениями угла β_min /5.15^o/ и обслуживаемыми широтными поясами / 30.75 ^o северной и южной широты/.

Для иллюстрации рассмотрен пример спутниковых систем, обеспечивающих связь в поясах 35.75^o южной и северной широты, а в остальных - периодическую с возможными перерывами не более 15.20 мин. Принято β_min10^o, Н₃ 2120 км. Для этих значений, использовав графики рис.2, получено α^* 32,4^o.

На графиках фиг.3 приведена зависимость минимального углового радиуса a зон радиовидимости спутников от наклонения i для трех конкретных систем спутников, характеризующихся параметрами, приведенными в табл.1 /см. табл.2/. Анализ графиков фиг.3 показывает, что при 22,4^o диапазон наклонений позволяет /см. табл.3/. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2

Использование: системы связи с использованием искусственных спутников Земли, обращающихся на низких круговых орбитах, а именно, для выбора орбитальных структур спутниковых систем связи. Сущность изобретения: системы из N спутников, которые вращаются на круговых орбитах заданной высоты Н с одинаковым наклонением из диапазона 55...70^o, при этом долготы восходящих узлов орбит и агрументы широт спутников определяются по формулам омега j омега(1)+(j-1) приращение омега, приращение омега 2Пи/N х (1), uj u(1)+(j-1) приращение u, приращение u 2Пи/N х (2), где j - 2,...,N, омега(1), u(1) - произвольные начальные значения, х(1),х(2) - значения коэффициентов из ряда 1,2,.,N, определяемых в зависимости от количества спутников в системе. 3 ил. , 3 табл.

Спутниковая система связи, содержащая N искусственных спутников Земли, оснащенных бортовой приемопередающей аппаратурой, и сети наземных станций, отличающаяся тем, что искусственные спутники Земли пространственно размещены на круговых орбитах с одинаковыми высотами и одинаковыми наклонениями, при этом долготы восходящих узлов орбит и аргументы широты ИСЗ определяют по формулам
Ω_j= Ω₁+(j-1)ΔΩ, рад,
рад;
U_j=U₁+(j-1)ΔU, рад;
рад;
где j 2, 3, N;
Ω₁, U₁ произвольные начальные значения долготы восходящего узла и аргумента широты первого ИСЗ;
χ₁, χ₂ коэффициенты из ряда 1,2, N, определяемые в зависимости от количества спутников в системе.