СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ МЕЖДУ АБОНЕНТАМИ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к области связи, а точнее к способам радиосвязи с использованием искусственных спутников Земли.

Известен способ радиосвязи и передачи телевидения с использованием искусственных спутников Земли (а.с. N 302840, кл. H 04 B 7/185, 1971), работающих в общем диапазоне частот с частотно-пространственным разделением сигналов, заключающийся в том, что ретранслируют сигналы телевидения через бортовые устройства, имеющие предельную излучаемую мощность, а сигналы связи ретранслируют через бортовые устройства, излучающие мощность, оптимальную в экономическом отношении, при этом принимают телевизионные сигналы антеннами минимального для выбранной мощности диаметра, а сигналы связи принимают антеннами экономически оптимальных размеров.

Данный способ связи повышает эффективность использования стационарной орбиты, однако по этому способу могут быть обслужены только абоненты, находящиеся в зоне видимости спутника.

Известен способ построения спутниковой системы связи между абонентами (патенту РФ, N 2032988, кл. H 04 B 7/185), заключающийся в выведении N искусственных спутников Земли, которые снабжены радиостанциями, на эллиптические синхронные орбиты, лежащие в плоскостях, отличных от экваториальных, по которому значение параметров эллиптических синхронных орбит искусственных спутников Земли выбирают из условий, при которых на апогейных участках траекторий эллиптических синхронных орбит в зонах между линиями пересечения плоскостей эллиптических синхронных орбит среднее значение абсолютных величин угловых скоростей искусственных спутников Земли относительно оси вращения планеты Земли за некоторый период Tp= 24/N совпадает с абсолютной величиной угловой скорости Земли, а величина дрейфа искусственных спутников Земли по азимуту и углу места относительно абонентов не превышает величины угла главного лепестка диаграммы направленности антенны радиостанции абонента.

Недостатком данного способа построения спутниковой системы связи между абонентами является ограниченность зоны обслуживания абонентов, т.е. по этому способу спутниковой связи можно обслуживать только строго ограниченную, определенную зону земного шара.

Известна комбинированная спутниковая система для глобальной связи и/или для определения местонахождения (DE, патент N 3605096 кл. HO 04 B 7/185, 1987), где предлагается система спутников, состоящая из 18 спутников, снабженных средствами связи, из которых 6 равномерно распределены на геостационарной орбите и 12 спутников, движущихся по эллиптическим орбитам с большим наклоном к экватору, обеспечивая связь для абонентов высоких северных и южных широт.

В описании представлена только группировка спутников комбинированной системы, движущихся по различным эллиптическим и геостационарной орбитам и не показано, каким образом осуществляется связь между абонентами с использованием этих спутников.

Из анализа следует, что эта система не может в принципе осуществить связь с малогабаритными абонентскими станциями, так как связь с малогабаритными станциями может быть установлена только через низколетящие спутники.

Известен способ спутниковой связи с использованием спутников на низких орбитах (900...1800 км) (Электросвязь, 1995, N 9, с. 19 - 24). Данный способ состоит в выведении N искусственных спутников Земли на круговые низкие орбиты, а сигналы пользователей, посылаемые на спутник в выделенной полосе частот, преобразуются на спутнике в полосу фидерной линии и направляются на шлюзовую станцию (ЗС), включенную в общую коммутируемую наземную сеть связи, которая направляет их адресату. Ответные сигналы по наземной сети подают на шлюзовую ЗС, откуда в полосе частот фидерной линии попадают на спутник, преобразуются в нем и направляются на ЗС пользователей. Указанный способ является наиболее близким к заявляемому объекту и выбран в качестве прототипа. Данный способ, используя достоинства спутниковой связи (охват больших территорий), позволяет упростить ЗС пользователя до такой степени, чтобы ее можно было оформить в виде переносного прибора размером чуть больше телефонной трубки.

К недостаткам системы спутниковой связи с использованием спутников на низких орбитах следует отнести необходимость иметь большое число спутников на орбитах, находящихся в разных плоскостях для обеспечения непрерывности связи. Кроме того, данный способ связи между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке Земли, требует осень больших экономических затрат.

Задачей изобретения является создание наиболее экономичного способа построения спутниковой связи между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара.

Решение указанной задачи достигается тем, что по способу построения спутниковой системы связи между абонентами, заключающемуся в выведении N искусственных спутников Земли, снабженных радиостанциями, работающими в общем диапазоне частот с кодовым разделением сигналов, на круговые низкие орбиты и с их помощью обеспечение связи между всеми абонентами, находящимися в зоне видимости одного спутника, для обеспечения связи между абонентами, расположенными вне зоны видимости одного спутника, дополнительно выводят искусственные спутники на круговые геостационарные орбиты и устанавливают их земные станции на диспетчерских станциях Земли, а сигнал ретранслируют от абонента через спутник на низкой орбите на диспетчерскую станцию, находящуюся в зоне видимости данного спутника, далее через земные станции спутника на геостационарной орбите и сам спутник - на диспетчерскую станцию принимающего абонента, откуда через спутник на низкой орбите сигнал ретранслируют принимающему абоненту.

Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что по предлагаемому способу построения спутниковой системы связи между абонентами, расположенными вне зоны видимости одного спутника, дополнительно выводят искусственные спутники на круговые геостационарные орбиты и устанавливают их земные станции на диспетчерских станциях Земли, а сигнал ретранслируют от абонента через спутник на низкой орбите на диспетчерскую станцию, находящуюся в зоне видимости данного спутника, далее через земную станцию спутника на геостационарной орбите - на диспетчерскую станцию принимающего сигнал абонента, откуда через спутник на низкой орбите сигнал ретранслируют непосредственно самому принимающему сигнал абоненту.

Авторам неизвестны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения.

На фиг. 1 показаны спутники-ретрансляторы: 1 - на низкой орбите, 2 - на геостационарной орбите, 3 - станция посылающего сигнал абонента, 4 - диспетчерская станция, 5, 6 - станции спутника на геостационарной орбите, 7 - диспетчерская станция принимающего сигнал абонента, 8 - станция принимающего сигнал абонента.

Рассмотрим конкретный пример реализации предлагаемого способа спутниковой системы связи между абонентами. Выводят группировку космических аппаратов (1 и 2), оснащенных средствами радиотехнических комплексов-ретрансляторов на круговые низкие и космические аппараты, на геостационарные орбиты. Группировка космических аппаратов включает в себя 36 спутников, расположенных в 6 орбитальных плоскостях по 6 спутников. Движение спутников в каждой плоскости и между плоскостями жестко фазируется с погрешностью 5^o (500 км) и поддерживается в течение всего времени существования каждого спутника путем проведения регулярных коррекций (1 раз в месяц). Вслед за этим в аппаратуре терминала сопровождения формируется сообщение, включающее в себя: код адресата и маршрут, по которому сообщение должно будет проходить к адресату; координаты местонахождения; данные о состоянии объекта, получаемые от датчиков аппаратуры; код отправителя.

В системе принят новейший метод разделения каналов - кодовое разделение. В каналах информационные сигналы (биты) представляются в виде псевдослучайных последовательностей фазоманипулированных посылок с числом элементов 512 в каналах "вверх" и 128 в каналах "вниз". Требуемая полоса частот составляет 5 МГц. Причем в каналах "вверх" передача информационных бит осуществляется со скоростью 4,8 кбит/с, в остальных каналах 19,2 кбит/с. Суммарная производительность одного спутника в направлении абонент-спутник составляет 48 кбит/с.

Как показали расчеты и моделирование, при количестве спутников, равном 36, время устаревания (доставки) сообщения составляет 9 - 12 мин. Таким образом, устанавливается связь между любыми абонентами, находящимися в зоне видимости одного спутника. В случае необходимости установления связи между абонентами, находящимися вне зоны видимости одного спутника, связь между ними устанавливают следующим образом.

На диспетчерских станциях Земли, устанавливают станции спутников геостационарных орбит. Сигнал ретранслируют от передающего абонента через спутник 1 на низкой орбите на диспетчерскую станцию 4, находящуюся в зоне видимости данного спутника, с которой на станцию спутника на геостационарной орбите 5 - сам спутник 2 на диспетчерскую службу 7 принимающего абонента, с которой через спутник на низкой орбите - непосредственно на станцию принимающего сигнал абонента 8.

Таким образом, предлагаемый способ построения спутниковой системы связи между абонентами обеспечивает связь между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара, что в свою очередь позволяет решать следующие задачи:
- наблюдение за местонахождением и состоянием ценных, дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах;
- оперативная передача данных от них службам, контролирующим и сопровождающим эти объекты, а также выдача при необходимости управляющих команд (так называемая служба RDSS - обнаружение объектов по радио со спутников);
- доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов.

Дополнительные услуги - передача данных между произвольными абонентами системы.

Характеристики системы ориентированы на определенный класс потребителей на российском и мировом рынках, связанных с контролем передвижных ценных и опасных грузов.

Проведенный анализ публикуемых материалов и частично проведенный маркетинг Уральского и Сибирского регионов показали, что потребителями системы могут быть:
- организации и ведомства, владеющие различными видами транспорта, в том числе автомобильный, речной, морской и железнодорожный;
- предприятия с распределенной структурой производства, в том числе нефтегазового комплекса, лесного и сельского хозяйства;
- организации, осуществляющие контроль за состоянием экологии и рационального природопользования, контроль опасных и вредных производств, состояние опасных и особо ценных грузов;
- организации, нуждающиеся в оперативных системах аварийного вызова, в том числе аварийно-спасательные бригады, геологи, туристы, охотники, рыбаки;
- организации, участвующие в ликвидации последствий катастроф, чрезвычайных бедствий;
- специальные службы, в том числе милиция, скорая медицинская помощь, пожарные команды и др.;
- частные лица (предприниматели, фермеры, оленеводы, чабаны и др.).

Кроме того, следует отметить, что решение всех этих задач предлагаемый способ позволяет осуществить наиболее экономичным образом по сравнению с существующим.

Во всех многочисленных проектах систем спутниковой связи с использованием спутников на низких орбитах, предлагаемых отечественными и зарубежными фирмами, наиболее сложной задачей является организация связи между абонентами, расположенными вне зоны видимости одного спутника. В одних проектах эту задачу пытаются решить с помощью межспутниковых линий связи. Организация межспутниковых линий связи приводит к усложнению космического аппарата, увеличению его массы, повышению требований к системам ориентации и как следствие к значительному увеличению стоимости изготовления аппарата и его запуска.

В других системах эту задачу решают с помощью наземных шлюзовых станций, соединенных с наземной коммутируемой мировой сетью общего пользования. Сигнал в этих системах передается от передающего абонента через низколетящий спутник на шлюзовую станцию и по наземным линиям до принимающего абонента.

В третьих системах предлагается эту задачу решить с помощью наземных ретрансляционных станций, которые, передавая со спутника на спутник информацию, доводят ее до принимающего абонента.

Этот способ приводит к значительному сокращению пропускной способности системы.

В проекте "Специализированной спутниковой информационно-связной системы" (СИ-СС) использовались межспутниковые линии связи.

По предлагаемому способу межспутниковые линии связи были исключены путем организации каналов между диспетчерскими станциями с помощью новейших систем спутниковой связи в России и странах СНГ "Руслан РС" и в глобальном плане системы "Интерспутник 8".

Одновременно можно организовать служебные каналы между диспетчерскими станциями и главной станцией управления связным комплексом, что поможет улучшить управление системой и повысить ее рентабельность.

Новейшие системы спутниковой связи "Интерспутник 8" и "Руслан - РС" основаны на использовании тяжелых аппаратов на геостационарной орбите. Системы оптимизированы по земным и космическим станциям, благодаря чему удалось максимально снизить габариты и вес земных станций, стоимость развертывания земной инфраструктуры.

В рамках этих систем наиболее эффективно можно организовать требуемые связи между диспетчерскими станциями и главными национальными станциями системы СИ-СС, исключив тем самым межспутниковые каналы. Межспутниковые каналы в системе СИ-СС имеют наихудшую энергетику, и их организация сильно усложняет бортовую аппаратуру.

Исключение этих каналов и упрощение бортовой аппаратуры позволят более чем вдвое увеличить пропускную способность системы СИ-СС и сделать ее конкурентоспособной по отношению к аналогичным предлагаемым отечественным и зарубежным системам.

Приведем экономические расчеты разработки, изготовления и ввода в эксплуатацию системы СИ-СС с учетом предложенного способа.

Оценка затрат проводилась по этапам: разработка, развертывание, эксплуатация; и по составным частям: информационно-связной комплекс, космический комплекс, комплекс средств выведения; общесистемные расходы (на этапе разработки).

Общесистемные расходы включают затраты на разработку связной и космической аппаратуры и составляют 77 млн.долл.

Развертывание системы включает затраты на изготовление и запуск космических аппаратов, которые составляют 180,5 млн. долл.

Таким образом, общие затраты на разработку и развертывание СИ-СС составляют 257,50 млн. долл.

Эксплуатационные расходы на обеспечение функционирования СИ-СС складываются из следующих составляющих: амортизационные отчисления; расходы на восполнение отказавших спутников; расходы на содержание центров управления.

Амортизационные отчисления определяются исходя из сроков активного существования спутников - 5 лет и общей стоимости космической группировки (36 КА), включая затраты на ее выведение. Исходя из стоимости космического аппарата и его выведения 4,24 млн. долл. годовые амортизационные отчисления составят 30,53 млн. долл.

Расходы на восполнение отказавших в течение 5-летнего срока спутников определяются их надежностью. При значении вероятности безотказной работы спутника за время 5 лет, равном 0,85, расходы на восполнение составят 4,6 млн. долл. в год.

Таким образом, годовые расходы на эксплуатацию составят 37,63 млн. долл.

Себестоимость и цена услуг.

Общее количество сообщений, передаваемое за год, составит 150000•12•365 = 657•10⁶.

Себестоимость передачи одного сообщения составит 37,63•10⁶:657•10⁶ = 0,057 долл.

Исходя из сопоставления с мировыми ценами принимается стоимость передачи 1 сообщения 100 байт - 0,1 долл.

Продажа абонентских терминалов по годам и получение годовых доходов и расходов по годам представлены на фиг. 2 и 3.

Неплохие экономические показатели новой системы дают возможность провести разработку и развертывание системы за счет кредитных средств.

При получении кредита 189 млн. долл. США на 10 лет при 8% годовых может быть обеспечен возврат кредита и получена прибыль в течение 10 лет 217 млн. долл., за 12 лет - 462 млн. долл. и в течение 15 лет - 828 млн. долл.

Предлагаемый способ построения спутниковой системы связи между абонентами может быть применен при создании системы спутниковой связи с использованием искусственных спутников Земли на круговых низких орбитах. Задачей изобретения является создание наиболее экономичного способа построения спутниковой связи между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара. Для этих целей используются системы спутниковой связи со спутниками на геостационарных орбитах. Связь между любыми абонентами, находящимися в зоне видимости низколетящего спутника устанавливается непосредственно через этот спутник. В случае необходимости установления связи между абонентами, находящимися вне зоны видимости одного спутника связь между ними устанавливают следующим образом. На диспетчерских станциях Земли устанавливают станции спутников геостационарных орбит. Сигнал ретранслируют от передающего абонента через спутник 1 на низкой орбите на диспетчерскую станцию 4, находящуюся в зоне видимости данного спутника, с которой на станцию спутника на геостационарной орбите 5- сам спутник 2 на диспетчерскую службу 7 принимающего абонента, с которой через спутник на низкой орбите - непосредственно на станцию принимающего сигнал абонента 8. Таким образом, предлагаемый способ построения спутниковой системы связи между абонентами обеспечивает связь между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара, что в свою очередь позволяет решать следующие задачи: наблюдение за местонахождением и состоянием ценных, дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах; оперативная передача данных от них службам, контролирующим и сопровождающим эти объекты, а также выдача при необходимости, управляющих команд (так называемая служба RDSS - обнаружение объектов по радио со спутников); доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов. 3 ил.

Способ построения спутниковой системы связи между абонентами, заключающийся в выведении N искусственных спутников Земли, снабженных радиостанциями, работающими в общем диапазоне частот с кодовым разделением сигналов, на круговые низкие орбиты, отличающийся тем, что выводят искусственные спутники на круговые геостационарные орбиты и земные станции геостационарной системы связи устанавливают на диспетчерских станциях Земли, а сигнал ретранслируют от абонента через спутник на низкой орбите на диспетчерскую станцию, находящуюся в зоне видимости данного спутника, далее через земные станции спутника на геостационарной орбите и сам спутник - на диспетчерскую станцию принимающего сигнал абонента, с которой через спутник на низкой орбите сигнал ретранслируют непосредственно принимающему сигнал абоненту.