СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПОДВИЖНЫМИ И СТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ, ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕФОННЫХ СООБЩЕНИЙ И ДАННЫХ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/185 

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

Известна спутниковая система связи наземных подвижных объектов по патенту США N 5216427, кл. 342-352, которая обеспечивает ретрансляцию спутником связи передач, ведущихся между несколькими земными станциями по каналам связи, назначенными центром управления сетью, в соответствии с запросами соединений, посылаемым земными станциями через спутник. Указанный сетевой центр управления реагирует на запросы соединений, в которых запрашивается тот или иной другой вид обслуживания в соответствии с установленными протоколами доступа к каналу, и откликается на эти запросы, передавая сигнал присвоения канала к земной станции, которая обеспечивает запрашиваемый вид обслуживания.

Данная система связи повышает эффективность использования емкости бортового ретранслятора, однако ею могут быть обслужены только абоненты, находящиеся в зоне видимости спутника.

Известна спутниковая система ретрансляции данных по заявке Японии N 63-16041, кл. H 04 D 7/195, 04.07.88.

Система содержит три спутника-ретранслятора, расположенных на почти равных расстояниях в одной плоскости на орбите, период обращения по которой приблизительно равен 12 ч. Орбита спутников-ретрансляторов является внешней по отношению к орбитальному спутнику наблюдателю, связанному со спутником-ретранслятором линиями передачи. Система обеспечивает передачу данных между одним из спутников-ретрансляторов, находящихся в зоне наблюдения соответствующей наземной станции слежения и орбитальным спутником. Система содержит устройство, обеспечивающее передачу данных на соответствующий спутник-ретранслятор при помощи лазерных оптических линий между спутником-ретранслятором, находящимся в зоне наблюдения, и другими спутниками-ретрансляторами.

К недостаткам системы можно отнести невозможность организации сетей связи в различных регионах Мира, предназначенных для слежения и контроля за неподвижными стационарными объектами и обеспечения двухсторонних телефонных линий связи с земными станциями созданных сетей. Кроме этого, к недостаткам следует отнести и большую техническую сложность организации межспутниковых лазерных оптических линий связи. Техническая сложность определяет и высокую стоимость системы.

Известна система спутниковой связи с использованием спутников на низких орбитах (1410 км) (Электросвязь N 9, 1995 с. 19-24). Данная система содержит N искусственных спутников Земли на круговых низких орбитах, а сигналы пользователей, посылаемые на спутник в выделенной полосе частот, преобразуются на спутнике в полосу частот фидерной линии и направляются на шлюзовую земную станцию (ЗС), включаемую в общую коммутируемую наземную сеть, которая направляет их адресату. Ответные сигналы по наземной сети подаются на шлюзовую ЗС, откуда в полосе частот фидерной линии подаются на спутник, преобразуются в нем и направляются на ЗС пользователей. Данная система, 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 следует отнести то, что для связи с абонентами, расположенными в зонах видимости разных спутников, необходимо использовать коммутируемую наземную сеть.

Известна система связи между абонентами для осуществления способа построения спутниковой системы связи по заявке N 96116859/09 от 19.08.96, состоящая из N искусственных спутников, выведенных на низкие круговые орбиты и снабженных радиостанциями, работающими в общем диапазоне частот с кодовым или частотным разделением сигналов, выведенных N искусственных спутников на круговые геостационарные орбиты и их земных станций, установленных на диспетчерских станциях Земли. Связь между абонентами организуют от абонента через низколетящий спутник с диспетчерской станцией и через земные станции и сам спутник геостационарной системы связи с диспетчерской станцией принимающего абонента и через низколетящий спутник с принимающим абонентом.

Указанная система является наиболее близкой к заявляемому объекту и выбрана в качестве прототипа.

К недостаткам указанной системы связи следует отнести невозможность обеспечения непрерывности связи, так как существуют области, в которых абонент периодически не видит низколетящего спутника и не может организовать связь с принимающим абонентом. Эти области различны в зависимости от расположения абонента на поверхности Земли и в целом характеризуются временем ожидания связи. Время ожидания связи зависит от количества низколетящих спутников в системе и высоты орбит спутников.

Целью настоящего предложения является создание системы спутниковой связи, которая обеспечила бы непрерывность связи для абонентов.

Решение указанной цели достигается созданием системы спутниковой связи, состоящей из выведенных на круговые орбиты высотой 500 - 900 км N₁ искусственных спутников, работающих в n плоскостях по N₁/n спутников в каждой плоскости и снабженных радиостанциями, работающими в одном диапазоне с кодовым или частотным разделением сигналов, выведенных на круговые геостационарные орбиты N₂ искусственных спутников и их земных станций, установленных на диспетчерских станциях Земли, которая снабжена выведенными на круговые промежуточные орбиты высотой H_пр искусственными спутниками N₃ работающими в m плоскостях, расположенных равномерно в экваториальной плоскости под углом друг к другу по N₃/m спутника в каждой плоскости, обеспечивающих общую зону покрытия в этих плоскостях N₃/m × ξ, , соответствующую (1,2 - 1,3) L, где ξ - длина зоны покрытия одного спутника, а L - длина экватора Земного шара. Возможны два оптимальных варианта расположений спутников на промежуточных орбитах:
1. Высота H_пр находится в пределах 7000 - 9000 км, а выведенные на нее искусственные спутники N₃ расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, по N₃/2 в каждой;
2. Высота H_пр находится в пределах 2900 - 3100 км, а выведенные на нее искусственные спутники N₃ расположены в трех плоскостях, по N₃/3 в каждой.

Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что в предлагаемой спутниковой системе, для обеспечения непрерывности связи дополнительно выводят N₃ искусственных спутников на круговые промежуточные орбиты и устанавливают на них радиостанции, работающие, например, в том же диапазоне частот, что и радиостанции низколетящих спутников, и сигнал от абонента, находящегося вне зоны видимости низколетящего спутника направляют на спутник, находящийся на промежуточной орбите, и далее ретранслируют на диспетчерскую станцию и далее через земные станции и спутник 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.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 - принципиальная схема спутниковой связи; на фиг. 2 - зоны облучения спутников на поверхности Земли, летающих на высоте 700 км в 6 плоскостях по 6 спутников в каждой плоскости и с наклонением плоскостей к плоскости экватора 77^o; на фиг. 3 - зоны, находясь в которых, абонент должен некоторое время ожидать появления спутника и возможности установления связи с принимающим абонентом, которое зависит от того в какой области находится абонент и в какое время возникает необходимость передачи информации; на фиг. 4 - зоны облучения спутников, летающих на промежуточных орбитах высотой 2900 - 3100 км, работающих в трех плоскостях под углом 60^o по отношению друг к другу по 6 спутников в каждой плоскости.

Предлагаемая система спутниковой связи состоит из выведенных на круговые орбиты высотой 500- 600 км N₁.

искусственных спутников 1, 2, работающих в n плоскостях по N₁/n в каждой плоскости, выведенных на геостационарную орбиту N₂ искусственных спутников 3, выведенных на промежуточные орбиты высотой H_пр искусственных спутников N₃4, абонентских станций 5, находящихся вне зоны видимости низколетящих спутников, диспетчерских станций 6, находящихся в зоне видимости спутника на промежуточной орбите и передающего абонента, земных станций 7, 8 геостационарной системы связи, диспетчерских станций 9, расположенных в зоне видимости низколетящего спутника и принимающего абонента, принимающего абонента 10, находящегося в зоне видимости низколетящего и принимающего абонента 11, находящегося в зоне видимости спутника на промежуточной орбите.

Рассмотрим два конкретных примера предлагаемой системы спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных. В первом случае система состоит из искусственных спутников 1 и 2, оснащенных средствами радиотехнических комплексов-ретрансляторов на круговые низкие орбиты и искусственных спутников 3, оснащенных средствами радиотехнических комплексов-ретрансляторов на геостационарной орбите, а их земных станций, устанавливаемых на диспетчерских станциях. Группировка искусственных спутников 1, 2 на низких орбитах включает в себя 36 спутников, расположенных в 6 орбитальных плоскостях по 6 спутников. Движение спутников в каждой плоскости и между плоскостями жестко фазируют с погрешностью до 5^o и поддерживают в течение всего времени существования каждого спутника путем проведения регулярных коррекций (1 раз в месяц). Вслед за этим выводят группировку искусственных спутников 4 на промежуточные орбиты, высотой 7000- 9000 км, состоящую из 8 спутников, оснащенных средствами радиотехнических комплексов-ретрансляторов. Движение спутников происходит в двух плоскостях, расположенных под углом 90^o относительно друг друга. Движение спутников в каждой плоскости на промежуточных орбитах жестко фазируют с погрешностью до 5^o и поддерживают в течение всего времени существования спутников путем проведения регулярных коррекций.

Во втором случае на промежуточные орбиты выводят группировку спутников 4 на высоту 200 - 3000 км, состоящую из 18 спутников, движущихся по трем плоскостям, расположенным под 60^o относительно друг к другу. Движение спутников также фазируют в течение всего времени существования.

Как в первом, так и во втором случае передача сообщений происходит следующим образом. У передающего абонента формируют сообщение, включающее в себя: код адресата и маршрут, по которому сообщение должно будет проходить к адресату, координаты местонахождения, данные о состоянии объекта, полученные от датчиков аппаратуры, код отправителя.

В системе принят метод кодового разделения каналов, хотя может быть использован и любой другой метод.

Сигнал от абонента 5, находящегося вне зоны видимости низколетящего спутника, направляют через спутник 4 на промежуточной орбите на диспетчерскую станцию 6, находящуюся в зоне принимающего абонента и через низколетящий спутник 2 - непосредственно на станцию принимающего абонента 11.

В случае, если передающий абонент находится вне зоны видимости низколетящего спутника, а принимающий абонент находится вне зоны видимости спутника на промежуточной орбите, сигнал от станции передающего абонента через спутник 4, находящийся на промежуточной орбите, передают на диспетчерскую станцию 6 и далее через связанную с ним земную станцию геостационарной системы спутниковой связи 7 и сам спутник 3 на земную станцию 8, а далее, через связанную с ним диспетчерскую станцию принимающего абонента 9 и низколетящий спутник 1 - непосредственно на станцию принимающего сигнал абонента.

Таким образом, предлагаемая система спутниковой связи обеспечивает установление непрерывной связи между абонентами, находящимися в любой точке Земного шара, независимо от того, находятся ли они в зоне видимости низколетящих спутников, или один из них, или оба находятся вне зоны видимости низколетящих спутников. При этом время установления связи определяется временем распространения радиоволн между принимающим и передающим абонентами и зависит от расстояния между ними с учетом прохождения сигнала между спутниками и диспетчерскими станциями.

С помощью предлагаемой системы возможно решение следующих задач: 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 обьектов по радио со спутников); доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов; установление двусторонних телефонных связей между абонентами.

Дополнительная услуга - передача данных между произвольными абонентами системы.

Система и ее технические характеристики ориентированы на определенный класс потребителей на российском и мировом рынках, связанных с контролем передвижения 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 автомобильного, речного, морского и железнодорожного 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 другие; частные лица (предприниматели, фермеры, оленеводы, чабаны и другие).

Кроме этого, следует отметить, что предлагаемая система позволяет осуществить решение всех этих задач с наименьшими затратами по созданию системы и дальнейшей ее эксплуатации по сравнению с предлагаемыми зарубежными и отечественными проектами.

Высокие экономические показатели удалось получить благодаря оптимизации системы по техническим параметрам. Наиболее важными показателями специализированных систем, ориентированных на решение указанных задач, являются время доставки информации и малые габариты, все и энергопотребление земных станций пользователей.

Время устаревания сообщений складывается из времени ожидания связи и времени доставки сообщения.

Время доставки сообщений в основном зависит от организации каналов связи между диспетчерскими станциями, в зонах действия которых находятся передающий и принимающий абоненты. С помощью предлагаемой системы спутниковой связи это время сведено к времени распространения радиоволн между земными станциями и используемыми для организацией линии связи спутниками. Это время зависит от местонахождения абонентов и в предельном случае не превышает 0,4 с.

Время ожидания связи зависит от географического местоположения абонента. Для спутниковых систем связи, в которых используют спутники на низких круговых орбитах, на поверхности Земли имеются зоны, находясь в которых абонент не видит спутник и не имеет возможности установить связь с принимающим абонентом. Для установления связи необходимо, чтобы в зоне видимости абонента появился низколетящий спутник. Время ожидания зависит от высоты орбиты, количества спутников в системе и количества плоскостей, в которых летают спутники. В качестве примера рассмотрим специализированную спутниковую информационно-связную систему, в которой 36 спутников связи, летающих в 6 плоскостях на высоте 700 км над поверхностью Земли, наклонение плоскостей к плоскости экватора 77^o (см. фиг.2). Время ожидания связи зависит от того, в какой области находится абонент и в какой момент времени возникает необходимость передачи информации. Абонент вместе с вращение Земли последовательно проходит все эти зоны. С целью наиболее полного восприятия условно разделим все эти зоны на три зоны с максимальным временем ожидания 6-9, 4-5 и 1-2 мин (см. фиг. 3). Красным цветом выделены зоны ожидания 6-8 мин, синим цветом зоны с временем ожидания 4-5 мин и желтым цветом 1-2 мин. Следует иметь ввиду, что с повышением высоты полета спутников увеличиваются зоны облучения и сокращаются зоны с временем ожидания связи, однако при этом ухудшается энергетика линий связи и условия для работы земных станций абонентов. С этой точки зрения необходимо уменьшать высоту орбит. Противоречивые требования приводят к поиску компромиссного решения.

Предлагаемая система спутниковой связи основана на использовании спутников, работающих на низких высотах, что обеспечивает хорошую энергетику радиолиний и благоприятные условия для работы земных станций абонентов. При этих условиях удается сделать абонентскую переносную станцию весом не более 0,5 кг и сроком работы без подзарядки аккумуляторных батарей до одного года.

Обеспечение непрерывности связи возможно путем запуска спутников связи на промежуточные орбиты. В этом случае абонент, находящийся вне зоны видимости низколетящего спутника, переходит на работу со спутником, находящимся на промежуточной орбите. Переход этот происходит автоматически, подобно тому как это делается в сотовых системах и абонент при этом не ощущает перерыва связи.

При выводе четырех спутников связи на промежуточные орбиты высотой 7000 - 9000 км, страны СНГ, включая Россию и все страны, расположенные севернее 43^o северной широты, получают возможность непрерывной связи (см. фиг. 2). При выводе еще четырех спутников на плоскость вращения, перпендикулярную первой, все страны Мира получают возможность непрерывной связи.

Восемь спутников на промежуточной орбите обеспечивают покрытие всей поверхности Земли.

Возможен и второй вариант вывода 18 спутников на промежуточные орбиты высотой 2900-3100 км, работающих в трех плоскостях под углом 60^o по отношению друг к другу. Эта группировка также обеспечивает покрытие всей поверхности Земли и непрерывность связи для абонентов (см. фиг. 4).

Основную информационную нагрузку несут на себе низколетящие спутники и только в случае необходимости используются спутники на промежуточной орбите. Абонентам, которым не требуется установления связи чаще 8 мин, нет необходимости использовать спутники на промежуточной орбите. При этом станции абонентов будут работать в наиболее экономичном режиме, т.к. при работе со спутником на промежуточной орбите абонентская станция переходит на работу с большей выходной мощностью передатчика и следовательно с большим потреблением энергии от источников питания.

В каких зонах ожидания низколетящего спутника находится абонент и в какое время суток, хорошо известно оператору на диспетчерской станции и поэтому не представляется сложным организовать работу сетей наиболее оптимальным образом.

Хорошая энергетика линий связи для низколетящих спутников делает возможным использовать простые, легкие спутники с малым потреблением электроэнергии. Спутники могут быть выведены на орбиты ракетами малой мощности, при этом создание группировки и ее поддержание будут иметь низкую стоимость. Для выведения ракет в этом случае могут быть использованы ракеты стратегического назначения, снимаемые с вооружения по договорам о сокращении стратегических вооружений. Преимуществом этого выбора является и то, что ракеты имеют повышенную надежность. Проще найти и стартовые площадки, которые не загружены плановыми пусками.

В результате цена услуг, предоставляемых специализированной системой может оказаться существенно ниже, чем у универсальной системы. Если учесть, что технические параметры исключительно высокие, то предлагаемая специализированная система спутниковой связи может быть привлекательной для многих потребителей, тем более, что система представляет возможность организации различных сетей, включая национальные и региональные, ведомственные и сети частных лиц.

Спутниковая система связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных может быть использована для решения следующих задач: наблюдения за местонахождением и состоянием ценных, дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах, оперативная передача данных от них службам, контролирующим и сопровождающим эти объекты, доставка сообщений о состоянии и функционировании стационарных объектов. Для этих целей предлагается система спутниковой связи, состоящая из выведенных на круговые орбиты высотой 500 - 600 км N₁ искусственных спутников 1, 2, работающих в n плоскостях по N₁ / n спутников в каждой плоскости и снабженных радиостанциями, работающими в одном диапазоне с кодовым или частотным разделением сигналов, выведенных на геостационарную орбиту N₂ искусственных спутников 3 и их земных станций 7, 8, установленных на диспетчерских станциях 6, 9 Земли, которая снабжена выведенными на круговые промежуточные орбиты высотой H_пр искусственными спутниками N₃ 4, работающими в m плоскостях, расположенных равномерно в экваториальной плоскости под углом друг к другу по N₃ / m спутника в каждой плоскости, обеспечивающих общую зону покрытия в этих плоскостях N₃/m × ξ, соответствующую (1,2 - 1,3) L, где ξ - длина зоны покрытия одного спутника, а L - длина экватора Земного шара. Техническим результатом настоящего предложения является создание наиболее экономичной системы, обеспечивающей непрерывность связи, способной предоставить потребителям услуги самого высокого качества по ценам значительно ниже мирового уровня. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных, состоящая из выведенных на круговые низкие орбиты высотой 500 - 900 км N₁ искусственных спутников, работающих в n плоскостях по N₁/n спутников в каждой плоскости и снабженных радиостанциями, работающими в одном диапазоне с кодовым или частотным разделением сигналов, выведенных на круговые геостационарные орбиты N₂ искусственных спутников и их земных станций, установленных на диспетчерских станциях Земли, отличающаяся тем, что она снабжена выведенными на круговые промежуточные орбиты высотой H_пр искусственными спутниками N₃, работающими в m плоскостях, расположенных равномерно в экваториальной плоскости под углом друг к другу по N₃/m спутника в каждой плоскости, обеспечивающих общую зону покрытия в этих плоскостях N₃/m•ξ, соответствующую (1,2 - 1,3)L, где ξ - длина зоны покрытия одного спутника, L - длина экватора Земного шара. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что высота H_пр промежуточных орбит находится в пределах 7000 - 9000 км, а выведенные на нее искусственные спутники N₃ расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по N₃/2 в каждой. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что высота H_пр промежуточных орбит находится в пределах 2900 - 3100 км, а выведенные на нее искусственные спутники N₃ расположены в трех плоскостях по N₃/3 в каждой.