НИЗКООРБИТАЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕГИОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к радиоэлектронным системам связи и может быть использовано для внутрирегиональной телевизионной и радиотелефонной связи.

Известны спутниковые системы связи, все их многообразие можно свести к трем вариантам организации связи:
- дуплексная система между двумя пунктами. При этом считается, что ретранслятор используется только парой станций (обе станции эквивалентны);
дуплексная связь между одной центральной станцией и несколькими периферийными (радиальная связь). Ответы последних передаются независимо друг от друга. Система связи такого типа относится к классу циркулярных систем, так как станции с меньшим объемом информации (периферийные) устанавливают связь между собой лишь через центральную станцию;
дуплексная связь между несколькими земными пунктами при свободном доступе к ретранслятору (связь "каждый с каждым") (Петрович Н.Т. и др. Космическая радиосвязь. М.: Советское радио, 1979, с. 62-68).

Рассмотрим третий вариант построения системы спутниковой связи - многоканальную асинхронную систему со свободным доступом в систему связи всех корреспондирующих объектов. В этом случае через общий ретранслятор осуществляется независимая связь между любыми двумя точками (ретранслятор со свободным доступом). В данном случае сигналы отдельных станций можно разделять по частоте, форме и времени. Обычно на таких системах связи используется приемопередающая антенна с достаточно широкой диаграммой направленности, освещающей всю область расположения корреспондирующих объектов. На борту известных спутников систем связи расположена ретрансляционная радиоэлектронная аппаратура, а также аппаратура энергоснабжения, радионавигационная аппаратура и устройства коррекции положения спутника Земли на стационарной орбите на высоте 36000 км от центра Земли.

При столь значительном удалении от Земли бортовая аппаратура высокоорбитальных систем связи отличается: в части радиопередающих устройств - значительными уровнями излучаемой на Землю мощности, громадными антеннами, в части радиоприемных устройств - их высокой сложностью, в части энергоснабжения - значительной мощностью, потребляемой бортовыми устройствами.

Недостатком рассматриваемой системы является наличие громоздких наземных антенн и высокочувствительных радиоприемных устройств.

Однако высокоорбитальные системы обладают по сравнению с другими системами связи неоспоримыми преимуществами: непрерывное пополнение энергии бортовой системой энергоснабжения, т. к. носитель системы не попадает в тень Земли или Луны;
сравнительно редкими коррекциями траектории и незначительными потерями энергии на указанный маневр.

Кроме того, известны перспективные для многих применений спутниковые низкоорбитальные системы связи "Секстет" и "Гонец", отличающиеся относительно невысокой сложностью бортовой и, в особенности, наземной аппаратуры. Это позволило установить радиотерминалы устройства на земных стационарных и даже на подвижных объектах.

Недостатком указанных систем является запаздывание информации из-за возможного попадания в тень Земли спутника, принявшего информацию.

Известна система связи "Гонец". Радиотерминалы системы "Гонец" несравнимо сложнее обычного радиотелефона. Система "Гонец" состоит из космического сегмента, в состав которого входят несколько космических аппаратов, и наземного сегмента (Низкоорбитальная спутниковая система связи "Гонец", введенная в эксплуатацию в феврале 1996 г). Передача информации в системе осуществляется либо непосредственно через спутник, либо запоминается в бортовой аппаратуре спутника и ретранслируется получателю в момент полета космического аппарата в районе потребителя. В последнем случае доставка информации может быть задержана на несколько часов. Движение носителя системы осуществляется на небольшом удалении от Земли, масса космического аппарата исчисляется сотнями килограммов, и в связи с изложенным становится возможным использовать в системе связи каналы метровых волн. Если учесть и то, что срок активного существования космического аппарата-носителя системы связи составляет 4-5 лет, то система связи становится непригодной для региональной связи.

Известна региональная система слежения, например, за состоянием линии электропередач, выполненная в виде дистанционно управляемого летательного аппарата, на борту которого установлена аппаратура сбора информации и аппаратура управления летательным аппаратом в контролируемом регионе (US, патент, 4818990, кл. G 08 C 19/22, 1989).

Указанная система предназначена для слежения за контролируемым объектом в регионе и не предназначена для использования в качестве регионального ретранслятора.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленной системе является низкоорбитальная система региональной связи, содержащая наземные станции, выполненные в виде многоканального радиотерминала, состоящего из многоканального приемного устройства, соединенного с приемной антенной, многоканального передающего устройства, соединенного с передающей антенной, мультиплексера, выходы которого подключены к терминалам пользователей, входы соединены с многоканальным приемным устройством; на ретрансляторе, который может быть размещен на летательном аппарате, установлены многоканальное приемное устройство, соединенное с приемной антенной, многоканальное передающее устройство, соединенное с передающей антенной, блок декодирования и формирования сигналов, вход которого подключен к выходу многоканального приемного устройства, первый выход соединен с входом многоканального передающего устройства (SU, авторское свидетельство, 1083380, кл. H 04 B 7/185, 1984). Данная система является цифровой, т.е. имеет возможность сопряжения с различными каналами связи.

Недостатком данной системы, как и перечисленных выше систем связи при использовании их для организации региональной системы связи, являются: сложность и громоздкость антенных систем, систем энергопитания и радиопередающих устройств летательного сегмента, сложность и дороговизна терминала абонента, невозможность обмена компьютерной, телевизионной и телефонной информацией в реальном масштабе времени.

Техническим результатом изобретения является упрощение аппаратуры летательной и наземной частей системы при расширении информационных возможностей систем связи, обеспечение стабильной радиосвязи в заданном регионе за счет использования в качестве летательного аппарата дистанционно управляемого летательного аппарата в воздушном пространстве региона и снижения энергопотребления системы.

Технический результат достигается тем, что в низкоорбитальную систему региональной связи, содержащую наземные станции, выполненные в виде многоканальных радиотерминалов, каждый из которых состоит из многоканального приемного устройства, соединенного с приемной антенной, многоканального передающего устройства, соединенного с передающей антенной, первого мультиплексера, выходы которого подключены к терминалам пользователей, входы соединены с выходами группы многоканального приемного устройства, на летательном аппарате установлены многоканальное приемное устройство, соединенное с приемной антенной, многоканальное передающее устройство, соединенное с передающей антенной, блок декодирования и формирования сигналов, первый вход которого подключен к первому выходу многоканального приемного устройства, выходы группы соединены с входами группы многоканального передающего устройства, в системе летательный аппарат выполнен дистанционно пилотируемым в воздушном пространстве региона над поверхностью Земли, на летательном аппарате установлены устройство управления двигателями, устройство управления положением летательного аппарата, устройство управления взлетом и посадкой, устройство предотвращения столкновения, первый, второй и третий выходы блока декодирования и формирования сигналов подключены соответственно к входам устройства управления положением летательного аппарата, устройства предотвращения столкновений и устройства управления взлетом и посадкой, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства управления двигателями, выход которого является управляющим выходом системы, второй выход устройства предотвращения столкновений соединен с управляющим входом устройства управления летательным аппаратом, второй выход многоканального приемного устройства подключен ко второму входу блока декодирования и формирования сигналов.

В систему введены наземные станции, выполненные в виде одноканальных радиотерминалов по числу абонентов, а в каждый многоканальный радиотерминал введены второй мультиплексер, блок памяти, устройство определения координат летательного аппарата и формирователь сигналов управления летательным аппаратом, выход многоканального приемного устройства соединен с входом устройства определения координат летательного аппарата, выход которого через формирователь сигналов управления летательным аппаратом подключен ко входу многоканального передающего устройства, группа входов которого соединена с выходами второго мультиплексера, выходы первого мультиплексера подключены к одноименным входам первой группы блока памяти, выходы соответствующих терминалов пользователей соединены с одноименными входами второй группы блока памяти и соответствующими входами второго мультиплексера, информационные входы терминалов пользователей являются информационными входами каждого многоканального радиотерминала.

Система на летательном аппарате содержит батареи аккумуляторов и солнечные батареи, подключенные параллельно к шине электропитания системы.

Одноканальный радиотерминал выполнен в виде приемника и передатчика абонента.

Новизна предлагаемой системы заключается в том, что бортовая аппаратура системы располагается над обслуживаемым регионом на дистанционно пилотируемых летательных аппаратах в воздушном пространстве над поверхностью Земли. В качестве постоянно используемых для этой цели летательных аппаратов могут быть использованы дирижабли, воздушные шары и т.п.

При этом длина трассы (орбита) связи Земля - летательный аппарат - Земля короче в несколько тысяч раз такой же трассы систем "Орбита", "Астер" и др., а также в 10-200 раз короче трасс системы "Гонец".

Очевидно, что для достижения уверенной связи с помощью предлагаемой системы связи требуемые мощности передающих устройств могут быть в десятки тысяч раз меньше, чем у системы "Гонец", в миллионы раз меньше, чем у системы "Орбита", "Астер" и т.п., а в целом бортовая и наземная аппаратура становится проще и легче.

Кроме этого, в связи с сокращением длины трассы связи радиотерминалы абонентов упрощаются, снижается их объем, масса и себестоимость, а за счет этого они по указанным параметрам достаточно близки к обычным радиотелефонам.

В предлагаемой системе рельеф местности и климатические условия в зонах абонентов не влияют на прохождение радиоволн, поэтому система обеспечивает более надежную региональную сеть, чем современная мобильная.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы, установленная на летательном аппарате; на фиг. 2 - функциональная схема наземной части системы; на фиг. 3 приведен пример функциональной схемы многоканального приемного устройства летательного аппарата, аналогично это устройство может быть выполнено и на многоканальном терминале; на фиг. 4 - возможный вариант реализации блока декодирования и формирования сигналов; на фиг. 5 - функциональная схема многоканального передающего устройства летательного аппарата.

Система содержит на летательном аппарате: приемную антенну 1, многоканальное приемное устройство 2, блок 3 декодирования и формирования сигналов, многоканальное передающее устройство 4, передающую антенну 5, устройство управления положением летательного аппарата 6, двигатели 7, устройство управления двигателями 8, шину электропитания 9, батарею аккумуляторов 10, солнечные батареи 11, устройство предотвращения столкновений 12, устройство управления взлетом и посадкой 13. Устройства 6, 8, 12 и 13 образуют систему дистанционного маневрирования летательным аппаратом.

Система на фиг.2 содержит также наземные станции в виде многоканальных радиотерминалов 14 и наземные станции в виде одноканальных радиотерминалов 15 в составе приемного R_x, передающего T_x модулей. Многоканальные радиотерминалы 14 состоят из приемной антенны 16, многоканального приемного устройства 17, мультиплексеров 18 и 19, блока памяти 20, терминалов пользователей 21, формирователя 22 сигналов управления летательным аппаратом, устройство определения координат 23, многоканальное передающее устройство 24 и передающую антенну 25.

Многоканальное приемное устройство 2 (фиг. 3) летательного аппарата содержит блок 28 выделения сигнала кода системы связи, блок 29 выделения сигналов абонентов пользователей и абонентов их связи (этот блок выполнен многоканальным), блок 30 выделения команд управления летательным аппаратом, многоканальный преобразователь 31 сигналов в цифровой код, преобразователь 32 команд управления в цифровой код.

Блок 3 декодирования и формирования сигналов (фиг. 4) содержит первый 33 и второй 34 декодеры, элементы памяти 35₁-35_n кодов абонентов пользователей, элементы памяти 36₁-36_n кодов абонентов связи, формирователи 37₁-37_n кода сигнала связи между абонентами, формирователь 38 команды управления положением летательного аппарата, формирователь 39 команды предотвращения столкновений, формирователь 40 команды управления взлетом и посадкой, блок 41 запуска системы дистанционного маневрирования.

На фиг. 5 представлен возможный вариант выполнения многоканального передающего устройства летательного аппарата.

Устройство содержит кодеры 42₁-42_n, генераторы 43₁-43_n сигналов связи между абонентами, передатчик 44, формирователь 45 сигналов координат летательного аппарата с датчиками 46 положения.

Система связи работает следующим образом.

Один из абонентов, владеющий одноканальным радиотерминалом 15, через передатчик T посылает на определенной частоте сигнал в направлении летательного аппарата, приемное устройство 2 которого принимает указанный сигнал, выделяет в блоке 28 сигнал признака системы связи, а в блоке 29 сигнал кода абонента и кода абонента связи, с которым необходимо связаться.

Блок 3 декодирует сигналы, принятые от абонентов в блоке 33, запоминает код абонента пользования в элементе памяти 35 и код абонента связи в элементе 36 и формирует в формирователе 37 сигнал кода связи между выделенными абонентами.

Кроме того, блок 3 декодирует посредством декодера 34 сигналы команд управления летательным аппаратом и формируют соответствующие команды в формирователях 38, 39 и 40. Для простоты понимания управляющие входы указаны для блоков 31, 32, 35, 36, 40 стрелками на фиг. 3 - 5.

Как было указано выше, сигнал, соответствующий коду связи между абонентами из формирователя 37_i, блока 3 поступает в блок кодеров 42, представляющий собой набор кодеров по возможному числу абонентов связи, охватываемых системой. На выходах кодеров формируется код для генератора, формирующего сигнал вызываемого абонента, и соответствующий этому сигналу генератор включается в работу и посредством передатчика 44 передает сигнал в направлении Земли.

После того, как приемник R_x одноканального радиотерминала 15 вызываемого абонента декодировал принятый сигнал и обнаружил в сигнале признаки кода системы связи и адрес данного абонента, происходит передача информации от вызывающего к вызываемому стандартным способом радиотелефона. Поскольку система работает по выделенным радиочастотам, можно обеспечить связь между разными абонентами одновременно.

Многоканальный радиотерминал работает следующим образом.

Информация от абонента, связанного с одним из портов терминалов 21 пользователей (информационные входы 26), передается в блок памяти 20 и на второй мультиплексер 19, а далее через многоканальное передающее устройство 24 в эфир. В блоке памяти 20 происходит запись информации, дата, время и кодовый адрес абонента. Сигналы управления мультиплексеров 18 и 19, блоков 20 и 22 для простоты обозначены схематично стрелками.

Принятая из эфира от абонента системы информация с выхода многоканального устройства 17 через первый мультиплексер 18 передается к терминалам пользователей 21 и на порт вызываемого абонента 26. Одновременно с этим происходит запись информации в блоке 20 памяти.

Независимо от передачи информации абонентов через канал приема сигналов положения летательного аппарата многоканального приемного устройства 17 сигнал о координатах поступает в устройство 23 определения координат летательного аппарата, в котором происходит сравнение положения летательного аппарата с заданным. Сигналы, соответствующие отклонению координат летательного аппарата от заданных, поступают в формирователь 22, в котором по стандартной программе в зависимости от отклонений формируются коды сигналов управления положением летательного аппарата, которые по выделенному в многоканальном передающем устройстве 24 каналу излучаются в эфир и достигают летательного аппарата.

После декодирования принятых сигналов в блоке 3 формируют в формирователях 38, 39 и 40 управляющие сигналы, соответствующие командам управления положением летательного аппарата. Кроме того, при наличии хотя бы одной из команд блок 41 запуска включает систему дистанционного маневрирования. Сигналы команд в зависимости от выполняемых ими функций поступают на устройство 12 предотвращения столкновений, устройство 6 управления положением и устройство 13 управления взлетом и посадкой.

Сформированные в этих устройствах команды воздействуют на устройство управления двигателями, что приводит в конечном итоге к изменению пространственного положения летательного аппарата до тех пор, пока отклонения положения летательного аппарата не будут сведены до пренебрежимых значений. В случае приближения к летательному аппарату системы других летательных аппаратов устройство предотвращения столкновений может, кроме того, автономно в зависимости от траектории приближающегося аппарата подать команду устройству управления положением летательного аппарата - выполнить одну из стандартных команд предотвращения столкновения. В устройстве 12 для этого предусмотрена система слежения (на чертеже не показана). Стандартная схема выполнения данного устройства слежения описана, например, в заявке WO, N 87/01491, кл. G 08 G 9/02, 1987.

При выводе летательного аппарата на заданную орбиту над Землей или при снятии его с орбиты в формирователе 22 сигналов управления летательным аппаратом формируют команды управления на наземном радиотерминале 14 и передают их на летательный аппарат, в блоке 3 декодирования и формирования сигналов выделяют команды управления сигналов выделенной команды управления и включают заданные стандартные программы, например, в устройстве 13 управления взлетом и посадкой воздействуют на летательный аппарат за счет включения маневренных двигателей.

Одноканальный радиотерминал является портативным носимым устройством и содержит приемник и передатчик, по выполняемым функциям он является аналогом мобильного радиотелефона и может по желанию абонента состоять лишь из приемника или передатчика (WO, заявка N 89/08355, кл. H 04 B 7/26, 1989).

Многоканальный радиотерминал способен объединять абонентов стационарных линий связи, не имеющих выхода в эфир, таких как АТС, охранные и компьютерные сети, и является системой сопряжения радиоканала с проводными системами связи.

Многоканальные приемные и передающие устройства выполнены аналогично устройствам, описанным в авторском свидетельстве N 1083380, A, SU, кл. H 04 B 7/185, 1984, возможные варианты их выполнения приведены на фиг. 3 и 5.

Система дистанционного управления летательным аппаратом описана в патенте US N 4818990, кл. G 08 C 19/22, 1989.

Кроме того, известны системы типа автопилот, описанные, например, SU, авторское свидетельство, 1802357, кл. G 05 D 1/08, 1993.

Блок декодирования и формирования сигналов приведен на фиг. 4. В другом варианте выполнения этот блок может быть выполнен программно.

Изобретение относится к радиоэлектронным системам связи с использованием радиоизлучения при размещении станции ретранслятора на дистанционно пилотируемом летательном аппарате над обслуживаемым регионом в воздушном пространстве над поверхностью Земли. Низкоорбитальная система региональной связи через аппаратуру, установленную на летательном аппарате, обеспечивает связь между отдельными абонентами, расположенными в обслуживаемом регионе. Техническим результатом низкоорбитальной системы региональной связи является высокая пропускная способность и высокая надежность связи благодаря тому, что на линию связи не влияют климатические условия, высокие строения и рельеф местности. Технический результат достигается тем, что в низкоорбитальную систему региональной связи, содержащую наземные станции, выполненные в виде многоканальных радиотерминалов, каждый из которых состоит из многоканального приемного устройства, соединенного с приемной антенной, многоканального передающего устройства, соединенного с передающей антенной, первого мультиплексера, выходы которого подключены к терминалам пользователей, входы соединены с выходами группы многоканального приемного устройства, на летательном аппарате установлены многоканальное приемное устройство, соединенное с приемной антенной, многоканальное передающее устройство, соединенное с передающей антенной, блок декодирования и формирования сигналов, первый вход которого подключен к первому выходу многоканального приемного устройства, выходы группы соединены с входами группы многоканального передающего устройства, летательный аппарат выполнен дистанционно пилотируемым в воздушном пространстве региона над поверхностью Земли, на летательном аппарате установлены устройство управления двигателями, устройство управления положением летательного аппарата, устройство управления взлетом и посадкой, устройство предотвращения столкновения, первый, второй и третий выходы блока декодирования и формирования сигналов подключены соответственно к входам устройства управления положением летательного аппарата, устройства предотвращения столкновений и устройства управления взлетом и посадкой, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства управления двигателями, выход которого является управляющим выходом системы, второй выход устройства предотвращения столкновений соединен с управляющим входом устройства управления летательным аппаратом, второй выход многоканального приемного устройства подключен к второму входу блока декодирования и формирования сигналов. В систему введены наземные станции, выполненные в виде одноканальных радиотерминалов по числу абонентов, а в каждый многоканальный радиотерминал введены второй мультиплексер, блок памяти, устройство определения координат летательного аппарата и формирователь сигналов управления летательным аппаратом, вход многоканального приемного устройства соединен с входом устройства определения координат летательного аппарата, выход которого через формирователь сигналов управления летательным аппаратом подключен к входу многоканального передающего устройства, группа входов которого соединена с выходами второго мультиплексера, выходы первого мультиплексера подключены к одноименным входам первой группы блока памяти, выходы соответствующих терминалов пользователей соединены с одноименными входами второй группы блока памяти и соответствующими входами второго мультиплексера, информационные входы терминалов пользователей являются информационными входами каждого многоканального радиотерминала. Система на летательном аппарате содержит батареи аккумуляторов и солнечные батареи, подключенные параллельно к шине электропитания системы. Одноканальный радиотерминал является портативным носимым устройством и содержит приемник и передатчик. По выполняемым функциям он является аналогом мобильного радиотелефона и может по желанию абонента состоять лишь из приемника или передатчика. Многоканальный радиотерминал способен объединять абонентов стационарных линий связи, не имеющих выхода в эфир, таких как АТС, охранные и компьютерные сети. Кроме указанного, многоканальный радиотерминал, обладая наивысшим приоритетом связи, выполняет служебные функции, такие как управление взлетом и посадкой летательного аппарата, а также управлением его положения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Низкоорбитальная система региональной связи, содержащая наземные станции, выполненные в виде многоканальных радиотерминалов, каждый из которых состоит из многоканального приемного устройства, соединенного с приемной антенной, многоканального передающего устройства, соединенного с передающей антенной, первого мультиплексера, выходы которого подключены к терминалам пользователей, входы соединены с выходами группы многоканального приемного устройства, на летательном аппарате установлены многоканальное передающее устройство, соединенное с передающей антенной, блок декодирования и формирования сигналов, первый вход которого подключен к первому выходу многоканального приемного устройства, выходы группы соединены с входами группы многоканального передающего устройства, отличающаяся тем, что введены одноканальные радиотерминалы по числу абонентов, летательный аппарат выполнен дистанционно пилотируемым в воздушном пространстве региона над поверхностью Земли, на летательном аппарате установлены устройство управления двигателями, устройство управления положением летательного аппарата, устройство управления взлетом и посадкой, устройство предотвращения столкновения, первый, второй, третий выходы блока декодирования и формирования сигналов подключены соответственно к входам устройства управления положением летательного аппарата, устройства предотвращения столкновений и устройства управления взлетом и посадкой, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства управления двигателями, выход которого является управляющим выходом системы, второй выход устройства предотвращения столкновений соединен с управляющим входом устройства управления летательным аппаратом, второй выход многоканального приемного устройства подключен к второму входу блока декодирования и формирования сигналов, а в каждый многоканальный радиотерминал наземной станции введены второй мультиплексер, блок памяти, устройство определения координат летательного аппарата и формирователь сигналов управления летательным аппаратом, выход многоканального приемного устройства соединен с входом устройства определения координат летательного аппарата, выход которого через формирователь сигналов управления летательным аппаратом подключен к входу многоканального передающего устройства, группа входов которого соединена с выходами второго мультиплексера, выходы первого мультиплексера подключены к одноименным входам первой группы блока памяти, выходы соответствующих терминалов пользователей соединены с одноименными входами второй группы блока памяти и входами второго мультиплексера, информационные входы терминалов пользователей являются информационными входами каждого многоканального радиотерминала. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что летательный аппарат содержит батареи аккумуляторов и солнечные батареи, подключенные параллельно к шине электропитания системы.