СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ГЛОБАЛЬНОЙ МНОГОСПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится в общем к области управления энергией, а более конкретно к управлению энергией многоспутниковой системы.

Спутники становятся важным звеном в осуществлении связи между станциями в различных пунктах земного шара, в частности, между подвижными станциями.

Чтобы с помощью спутниковой системы обеспечить глобальную зону действия, желательно иметь сеть или созвездие спутников с полярными орбитами. Для такой спутниковой системы необходимы низкие орбиты, чтобы осуществить связь с маломощными подвижными станциями.

Каждый спутник такого созвездия содержит множество направленных антенных секций. Совместно эти секции формируют зону действия спутника. Когда спутники, двигаясь по орбитам внутри созвездия, приближаются к полюсам, то их зоны действия начинают частично перекрываться. Чем ближе спутники к полюсам, тем выше степень перекрытия. Секции одного спутника будут перекрывать секции другого спутника, что приводит к избыточности зоны действия. В случае такого перекрытия проще функционировать секциям того спутника, зона действия которого находится непосредственно под ним, чем того, секции которого накрывают ту же зону под острым углом.

Когда в составе созвездия спутники движутся по орбите, они периодически попадают в зону земной тени. Поскольку энергия для работы спутников генерируется панелями солнечных элементов, то для ее хранения на работу во время периодов "тени" или высокого энергопотребления необходимы аккумуляторы, или батареи. В худшем случае примерно 35% орбиты любого спутника из созвездия может находиться в тени Земли, а в лучшем случае он будет полностью находиться под действием Солнца 30% орбитального времени. Каждый спутник имеет годичный цикл с почти одинаковым распределением лучших и худших случаев.

Для эффективного использования энергии перекрывающихся спутников, осуществления запасания ее на период "тени" и высокого энергопотребления необходима система управления энергией.

В соответствии с этим целью изобретения является эффективное использование запаса спутниковой энергии в спутниковой системе типа созвездие с помощью системы управления энергией.

Предметом изобретения является система управления энергией для использования в глобальной многоспутниковой системе, в которой спутники, составляющие спутниковую систему, образуют созвездие с пересекающимися орбитами, каждый спутник имеет совокупность главных антенных лепестков, каждый лепесток имеет данную поверхность зоны действия, или "ячейку", общая сумма ячеек каждого спутника составляет более широкую зону действия спутника в целом, каждый спутник содержит солнечные элементы и батареи при этом энергия в батареях вырабатывается солнечными элементами и должна эффективно управляться, отличающаяся тем, что система управления энергией включает первые устройства (средства) для программирования каждого спутника из спутниковой системы в части управления передачей энергии к каждой совокупности антенн в заданное время, упомянутые первые устройства имеют связь с каждым спутником, совокупность вторых устройств для изменения поступления энергии от батареи каждого спутника к каждой совокупности антенн в зависимости от потребности каждой совокупности антенн, и каждая из упомянутой совокупности вторых устройств подключена к упомянутой батарее и к каждой из упомянутой совокупности антенн.

Предметом изобретения является также способ эффективного управления энергией глобальной спутниковой системы типа созвездие с низкими существенно полярными орбитами с целью устранения избыточного перекрытия, когда более, чем один спутник из системы захватывает одну и ту же зону, и гарантирования достаточного количества запасенной энергии в спутнике на весь период рабочего времени спутника, при этом спутник имеет совокупность антенн, каждая антенна имеет данную зону действия, или "ячейку", общая сумма ячеек каждого спутника образует более широкую зону действия спутника в целом, каждый спутник содержит солнечные элементы и батарею, при этом энергия в батарее вырабатывается солнечными элементами и должна эффективно управляться, отличающийся шагами программирования каждого спутника со станции управления процессом подачи энергии к его антеннам в заданное время для устранения перекрытия зон действия между спутниками, и управлением энергией от батареи к каждой антенне каждого спутника с помощью регулируемого напряжением усилителя мощности.

Более глубоко сущность и положительный эффект изобретения пояснены в следующем подробном описании конкретного использования, сопровождаемом рисунками, на которых:
Фиг. 1 схема фрагмента спутниковой системы типа созвездие с низковысотными орбитами; фиг. 2 схема перекрытия для трех спутников из спутниковой системы типа созвездие, показывающая перекрытие зон над полярными районами; фиг. 3 блок-схема регулируемой напряжением усилительной цепи для спутниковой системы управления энергией;
Фрагмент низкоорбитной спутниковой системы типа созвездие показан на фиг. 1.

Фиг. 1 это вид вдоль траектории полета спутника 12, когда он проходит над центральной станцией управления 14. Спутник 12 и смежные с ним спутники 16 и 17, а также все спутники из созвездия имеют существенно полярную орбиту (от полюса к полюсу). Когда спутник движется по орбите в широтном направлении. Земля вращается в меридиальном. Благодаря двум различным вращательным траекториям, каждый спутник созвездия в какое-то время окажется над центральной станцией управления.

Например, когда спутник 12 проходит над центральной станцией управления 14, спутник 12 передает на центральную станцию управления 14 информацию о состоянии спутниковой энергосистемы, электрооборудования, орбиты. Центральная станция управления 14 передает на спутник 12 сигнал, программирующий его на функционирование в нужном режиме на временной интервал от одной до двух недель. Центральная станция управления 14 может также посылать на спутник 12 сигнал, который затем ретранслируется на другие спутники по всему созвездию такие, как спутники 16 и 17, если возникает острая потребность в спутниковой связи или в аварийном случае. Такой сигнал отменит программу, ранее полученную принимающим спутником с центральной станции управления.

Хотя вышеприведенное описание относится к спутнику 12, оно подходит для любого спутника из созвездия.

Спутниковая система типа созвездие 10 имеет несколько спутниковых сетей, расположенных в широтном направлении. Благодаря полярным орбитам спутников, когда каждый спутник приближается к соответствующему полюсу, его зона действия перекрывает зону действия другого спутника, приближающегося к полюсу. Фиг. 2 показывает перекрытие для трех разных спутников, когда они приближаются к Северному полюсу над Канадой. Зоны перекрытия 22, 23 и 24 трех разных спутников показаны вместе с их индивидуальными ячейками. Видно, что сильная степень перекрытия существует в области 25. В некоторых областях пересекаются ячейки, т.е. зоны действия отдельных главных лепестков антенн. Поскольку для данной площади требуется только одна ячейка, изобретение дает возможность отключать две или три перекрывающиеся ячейки. Доступ энергии к соответствующим секциям антенн прекращается для ее сохранности.

Значимость сохранения энергии особенно важна при расчете источника энергии спутника и его орбиты. Спутники в системе типа созвездие питаются солнечными элементами, а некоторая часть энергии, вырабатываемой солнечными элементами, хранится в батареях. Когда каждый спутник движется по орбите вокруг Земли, в определенные периоды он не попадает под действие солнечных лучей. В течение периода "тени" спутник нуждается в энергии, извлекаемой из батарей. В зависимости от орбиты и требуемой площади зоны действия спутник может потреблять от 200 Вт до 1,2 кВт мощности. Поэтому, если спутники перекрывают зоны действия, ячейка 10 спутника, имеющего наименьший запас энергии, может быть отключена, чтобы сохранить энергию для других, неперекрывающихся ячеек. Энергия может быть сохранена и для более нужных областей в ходе движения по орбите. Обращаясь снова к фиг. 2, предположим, что спутники 16 и 17 имеют меньший запас энергии в батареях, чем спутник 12. Тогда следует отключить те ячейки спутников 16, которые накрывают перекрывающиеся зоны 18 и 20. Только ячейкам спутника 20 следовало бы продолжать работу в перекрывающихся зонах 18 и 20. Команды на отключение для спутников 16 могут либо передаваться на спутники 16, когда они проходят над центральной станцией управления 14, или через спутник 12 в случае крайней необходимости. Следует отметить, что, в зависимости от орбиты каждого спутника и требуемой зоны, ячейки спутника, имеющего наименьший запас энергии, необязательно могут отключаться. Такое решение выносится центральной станцией управления 14 и либо сообщается непосредственно спутнику 16, либо транслируется через другие спутники созвездия.

На фиг. 3 показаны дополнительные меры по управлению энергией согласно настоящему изобретению. В соответствии с этим каждый спутник в спутниковой системе типа созвездие 10 содержит регулируемую по запросу цепь обратной связи 30. Управляя посредством цепи обратной связи 30 величиной потребляемой энергии, каждый спутник может сохранить ее для использования в период "тени" или последующих энергоемких зонах.

Цепь обратной связи 30 содержит блок управления усилением 32, линейный усилитель мощности 34, детектор мощности 36, компаратор 38. В дополнение к этому, сигнал запроса уровня энергии 40 получают на выходе микропроцессора на борту спутника. Цепь обратной связи 30 подключена своим выходом к переменной нагрузке 42, а также соединена с батареями спутника (не показаны) так, что блок управления усилением 32 своим входом 44 подключен к батареям.

Когда потребление переменной нагрузки 42 увеличивается, напряжение на выходе линейного усилителя мощности 34 уменьшается. Это уменьшение детектируется детектором мощности 36, который подает напряжение на компаратор 38. Компаратор 38 сравнивает уровень напряжения на детекторе с минимальным порогом, который вырабатывается из уровня запроса энергии 40. Если порог превышен, компаратор 38 подает на блок управления усилением 32 сигнал увеличить ток, подводимый к линейному усилителю мощности 34. Аналогично, если потребление переменной нагрузки 42 уменьшается, то напряжение на линейном усилители мощности 34 увеличивается, что после превышения минимального порога приводит к уменьшению тока, поступающего с блока управления усилением 32.

Таким образом, представленная в соответствии с настоящим изобретением система управления энергией для глобальной многоспутниковой системы полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к объекту изобретения, по совокупности установленных выше признаков. Поскольку изобретение описано вместе с примером конкретного исполнения, ясно, что многие альтернативы, модификации и другие изменения будут очевидны для специалистов. В связи с этим подразумеваются охваченными настоящим изобретением все альтернативы, модификации и изменения, попадающие в рамки прилагаемой формулы изобретения.

Система управления энергией глобальной многоспутниковой системы, в которой спутники расположены по широте в полярном орбитальном созвездии, каждый спутник имеет совокупность главных антенных лепестков, каждый лепесток имеет данную поверхность зоны действия, или "ячейку", общая сумма ячеек каждого спутника составляет более широкую зону действия спутника в целом, каждый спутник содержит солнечные элементы и батареи, при этом энергия в батареях вырабатывается солнечными элементами и должна эффективно управляться. Система содержит центральную станцию контроля, которая программирует в каждом спутнике из созвездия подачу энергии к антеннам каждого спутника в заданное время с целью устранения перекрытия зон действия. Каждый спутник содержит регулируемый напряжением линейный усилитель мощности, что позволяет подавать только ту часть энергии, которая необходима в соответствии с запросом на каждую секцию антенн, 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления мощностью для использования в глобальной многоспутниковой системы, в которой входящие в спутниковую систему спутники образуют созвездие с пересекающимися орбитами, причем каждый спутник содержит множество антенн, проецирующих множество лепестков диаграмм направленности на земную поверхность, причем каждый лепесток имеет первую зону обслуживания на земной поверхности, или "ячейку", причем сумма ячеек для каждого спутника образует вторую зону обслуживания, большую, чем указанная первая зона, а каждый из спутников содержит солнечные батареи, набранные из вырабатывающих энергию солнечных элементов, отличающаяся тем, что система управления мощностью включает в себя наземную станцию управления с антенными устройствами для сопряжения с антенными лепестками для каждого из спутников для управления подачей мощности на каждую из множества антенн в заранее заданные моменты времени, причем каждый спутник имеет множество схем управления для изменения выходной мощности, подаваемой от батареи каждого из спутников к каждой из множества антенн, соответствующей указанному спутнику, в зависимости от потребности каждой из множества антенн, при этом каждая схема управления из указанного множества схем управления подключена к указанной батарее и к каждой антенне из указанного множества антенн. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что множество наземных станций управления распределено среди множества прилегающих участков земной поверхности. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждое из указанного множества устройств управления для изменения выходной мощности содержит линейный усилитель мощности, регулируемый по запросу. 4. Способ эффективного управления мощностью глобальной спутниковой системы созвездия с по существу полярными орбитами для исключения избыточности обслуживания, при которой спутники числом свыше одного в этой системе обслуживают одну и ту же зону, и для рационального использования мощности в целях обеспечения достаточного запаса энергии в спутнике на все периоды времени работы спутника, отличающийся тем, что с наземной станции управления, снабженной антенными устройства, производят сопряжение с антенными лепестками каждого из спутников для подачи мощности на его антенны в заранее заданные моменты времени во избежание перекрывания межспутниковых зон обслуживания и изменяют выходную мощность с источника энергоснабжения спутника, подаваемую на антенны каждого из спутников с помощью регулируемого по напряжению усилителя мощности с учетом величины избыточности обслуживания каждой антенной.