СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА РЕГИОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТ Российский патент 2000 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к системам спутниковой связи, а более точно касается спутниковой системы региональной связи с использованием эллиптических орбит и предназначено для обеспечения различными видами связи обширных регионов земного шара.

В настоящее время на рынке телекоммуникационных услуг значительно возрос интерес к персональной спутниковой связи. Принципиально новый этап в развитии персональной подвижной спутниковой связи начался после появления проектов спутниковых систем связи с использованием искусственных спутников (ИС) на низких и средневысотных орбитах, что позволяет расширить спектр предоставляемых телекоммуникационных услуг и обеспечить пользователей надежной и качественной персональной связью вне зависимости от местоположения абонента с помощью стационарных и/или портативных абонентских терминалов, сравнимых по размеру с сотовыми.

Известен ряд спутниковых систем связи для непрерывного обзора, в которых искусственные спутники размещены на эллиптических орбитах (патенты США N 4809935, кл. 244/158. R; N 4854527, кл. 244/158.R, статьи: Draim, John E., "Three- and four- satellite continuous-coverage constellations," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1985, Vol. 8, pp. 725-730; Draim, John E., "A common-period four-satellite continuous global coverage constellation," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1987, Vol. 10, pp. 492-499), которые, в частности, могут использоваться для обеспечения региональной связи в каком-либо из полушариев. Для этих систем используются наклонения орбит, значительно отличающиеся от критического, поэтому они требуют значительных затрат топлива на искусственных спутниках для сохранения требуемой структуры спутниковой системы (см. например: Chao, С. С."Long-term orbit perturbations of the Draim four-satellite constellations," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1992, Vol. 15, N. 6, pp. 1406-1410).

Известны спутниковые системы связи с использованием эллиптических солнечно-синхронных орбит (патенты США N 5582367, кл. 244/158.R; N 5669585, кл. 244/158.R) с критическим наклонением орбиты i около 116,6^o. Орбитальные параметры этих орбит выбираются путем обеспечения специального условия по прецессии долготы восходящего узла и скорости изменения положения перицентра орбиты. Для таких систем используются наклонения орбит, типичные для солнечно-синхронных орбит (115-118^o), что требует больших затрат при развертывании системы, по сравнению с системами с наклонениями орбит, меньшими 90^o. Указанные спутниковые системы связи ориентированы, в основном, на обеспечение глобальной связи. То есть при необходимости охвата какого-либо конкретного региона, например территории РФ, происходит охват и других регионов, что значительно удорожает систему и делает ее применение для региональной связи экономически невыгодным.

Известна спутниковая система связи с использованием эллиптических орбит (патент РФ N 2032988, кл. H 04 В 7/185), выбранная нами за прототип. Способ построения указанной спутниковой системы связи заключается в использовании искусственных спутников, выведенных на эллиптические орбиты, лежащие в плоскостях, отличных от экватора. Параметры орбит в этой системе выбираются из таких условий, при которых на апогейных участках орбиты в зонах между линиями пересечения плоскостей орбит среднее значение абсолютных величин угловых скоростей спутников относительно оси вращения Земли за некоторый период времени, равный t= 24 часа/N, где N - общее количество искусственных спутников в системе, совпадало с абсолютной величиной угловой скорости Земли, а изменение азимута и угла места относительно абонентов не превышало величины угла главного лепестка диаграммы направленности.

Указанный выбор параметров орбит определяет необходимость использования антенных систем с широкой диаграммой направленности, что удорожает систему связи в целом, ухудшает качество связи и ограничивает возможность использования других типов антенн.

В основу изобретения положена задача разработать спутниковую систему региональной связи с использованием эллиптических орбит, в которой за счет выбора параметров орбит искусственных спутников обеспечивалась бы устойчивая региональная спутниковая связь широтных поясов, например, в северном полушарии, в том числе на территории РФ, или в южном полушарии, что позволило бы с минимальными затратами обеспечить широкий круг потребителей услугами спутниковой связи.

Поставленная задача решается тем, что в спутниковой системе региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающей по меньшей мере три искусственных спутника, размещенных на эллиптических орбитах и оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, согласно изобретению, каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период, выбираемый из соотношения Т = t/N, где Т - орбитальный период каждого искусственного спутника, t - суточная длительность, N - общее количество искусственных спутников в системе, при этом орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковое наклонение плоскости орбиты каждого искусственного спутника к плоскости экватора, которое по существу равно критическому, а перицентр каждой орбиты размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания.

Благодаря использованию в заявляемом изобретении эллиптических орбит на средних высотах, наклонение которых близко к критическому, существенно снижаются затраты на развертывание и поддержание работоспособности спутниковой системы связи. Кроме того, такие орбиты обеспечивают возможность работы с большими углами возвышения при расположении наземных станций в высоких широтах, наличие спутниковой связи в которых является весьма актуальной проблемой, в частности, для приполярных районов РФ. Зоной обслуживания, в которой обеспечивается устойчивая энергетика радиолиний, является территория РФ и прилегающие к ней районы от 40 до 90^o с.ш. (северной широты).

Использование для всех орбит одинакового орбитального периода обеспечивает непрерывность связи и инвариантность условий связи по отношению к любому искусственному спутнику при работе с ним с территории зоны обслуживания. Кроме того, достигается повторяемость параметров радиолиний между спутником и наземной станцией.

Целесообразно, чтобы наклонение плоскости каждой орбиты к плоскости экватора составляло около i ≈ 63,4^o. Такое наклонение орбит обеспечивает устойчивость положения перицентра каждой орбиты, увеличивает срок активного существования системы в целом и значительно снижает затраты на сохранение номинальных параметров системы.

Полезно, чтобы плоскости орбит были бы равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора, что позволяет обеспечить непрерывную радиовидимость по меньшей мере одного спутника с территории зоны обслуживания.

Разумно, чтобы в спутниковой системе искусственные спутники были бы размещены так, что каждый из искусственных спутников достигал бы точки орбитального перицентра со сдвигом 1/2 орбитального периода по отношению к спутникам в смежных плоскостях.

Также полезно, чтобы в спутниковой системе искусственные спутники были бы размещены так, что каждый из искусственных спутников достигал бы точки орбитального перицентра со сдвигом 2/N орбитального периода по отношению к спутникам в смежных плоскостях.

Такое построение спутниковой системы связи обеспечивает радиовидимость с территории РФ с углом возвышения по меньшей мере 30^o.

Предпочтительно, чтобы высота перигея каждой орбиты составляла по меньшей мере 500 км, что позволяет снизить уровень атмосферных возмущений орбиты при прохождении области перицентра.

Аргумент перицентра каждой орбиты выбирается близким к минус 90^o, что обеспечивает устойчивую связь в Северном полушарии.

Поставленная задача также решается тем, что в спутниковой системе региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающей искусственные спутники, размещенные на эллиптических орбитах и оснащенные аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, согласно изобретению, система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на собственных эллиптических орбитах, которые имеют одинаковый орбитальный период, одинаковое наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора и перицентр каждой орбиты, размещенный в полушарии, противоположном зоне обслуживания, при этом орбитальный период выбирается из соотношения Т = t/N, где Т - орбитальный период каждого искусственного спутника, t - суточная длительность, N= 6, наклонение плоскости орбиты каждого искусственного спутника к плоскости экватора по существу равно i ≈ 63,4^o, а искусственные спутники, размещенные на смежных орбитах, расположены так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра со сдвигом 1/2 или 1/3 орбитального периода один относительно другого.

Использование в системе связи шести искусственных спутников обеспечивает устойчивую связь в обширных регионах, в частности на территории РФ и прилегающих к ней районах от 40 до 72^o с.ш. (северной широты) с относительно небольшими затратами, и по существу является оптимальной системой для указанных регионов.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения и прилагаемыми чертежами и графиками, на которых:
фиг. 1 изображает спутниковую систему связи с шестью искусственными спутниками на эллиптических орбитах (первый вариант), согласно изобретению;
фиг. 2 - циклограмму интервалов радиовидимости искусственных спутников абонентом в г. Москве;
фиг. 3 - статистические характеристики радиовидимости искусственных спутников при различных углах возвышения (первый вариант);
фиг.4 - то же, что на фиг.3 (второй вариант);
фиг. 5 - характеристики предельных длительностей зон радиовидимостей от широты наземных пунктов;
фиг. 6 - мгновенные зоны радиовидимостей для искусственного спутника, находящегося на широте 63,4^o с.ш.;
фиг.7 - то же, что на фиг.6, на широте 40^o с.ш.;
фиг. 8 - трассу одного искусственного спутника и огибающие, образованные полем обзора;
фиг. 9 - минимальные и максимальные дальности связи от широты наземных пунктов.

Заявляемая система спутниковой связи с использованием эллиптических орбит может содержать по меньшей мере три искусственных спутника. На фиг.1 представлена предлагаемая система спутниковой связи с использованием эллиптических орбит, содержащая шесть искусственных спутников 1, оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов 2, обеспечивающих связь в зоне обслуживания через указанные искусственные спутники 1. При этом каждый искусственный спутник 1 размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период Т (сек), выбираемый из соотношения Т = t/N, где t ≈ 86164 с - суточная длительность, N - общее количество искусственных спутников 1 в системе. С учетом различных требований по обеспечению связи предлагаемая система может обеспечить качественную связь с использованием небольшого количества спутников, преимущественно от 3 до 8.

Для повышения устойчивости системы и снижения затрат на эксплуатацию выбрано критическое наклонение i каждой орбиты около 63,4^o (или около 116,6^o). Аргумент перицентра ω_π выбран близким к минус 90^o для системы, обеспечивающей связь в Северном полушарии, и близким к плюс 90^o для системы, обеспечивающей связь в Южном полушарии, а перицентр каждой орбиты размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания. С целью снижения уровня атмосферных возмущений орбиты при прохождении области перицентра его высота выбрана не менее 400 км.

Основные характеристики эллиптических орбит предлагаемой системы спутниковой связи с различным количеством спутников в системе представлены в табл. 1.

Как следует из табл. 1, для системы связи, содержащей от трех до восьми искусственных спутников, каждый спутник совершает в сутки от трех до восьми обращений вокруг Земли, соответственно.

Ниже более детально будут рассмотрены возможные варианты систем из шести спутников и их основные характеристики. Кроме упомянутых выше параметров спутниковых систем очень важное значение имеет взаимное положение спутников в смежных плоскостях.

В табл. 2 представлены некоторые из возможных вариантов конфигураций систем (долготы восходящих узлов и сдвиги времен от перицентра указаны для всех спутников от 1 до 6).

В качестве примера на фиг. 1 показан первый вариант системы из шести спутников (из табл. 2). Представлены трассы 3 всех спутников 1 и их мгновенные положения в конкретный момент времени, а также примеры наземных пунктов 2 (абонент, земная станция и т.п.). Наземные пункты 2 соединены прямыми линиями со спутниками 1, с которыми в этот момент возможна радиосвязь (указанные спутники условно отмечены квадратами).

Выбор зоны обслуживания системы в значительной степени связан со статистическими характеристиками радиовидимостей спутников. Они, в свою очередь, зависят от структуры системы и минимального угла возвышения спутников над горизонтом α, при котором обеспечиваются требуемые технические характеристики связи.

Примеры циклограмм интервалов радиовидимости спутников абонентом в городе Москве на суточном интервале для первого варианта показаны на фиг. 2 (α = 30^o), где по оси абсцисс отложено текущее время (час), а по оси ординат - номер искусственного спутника.

Статистические характеристики радиовидимости спутников при различных углах возвышения (α = 20^o; 25^o; 30^o - выделено жирной линией; 35^o) для первого и второго вариантов показаны на фиг. 3, 4, где по оси абсцисс отложена широта (град.), а по оси ординат - доля непрерывной видимости (%). Там же показаны широтные диапазоны для России, США (без Аляски), Центральной Европы и Канады с Аляской. Численные данные по статистике обзора для этих вариантов приведены в табл. 3, 4.

Как видно из результатов, первый вариант (фиг. 3, табл. 3) предпочтителен для умеренно высоких широт, в частности, для обеспечения непрерывной связи на территории России. При этом для минимальных углов возвышения α = 30^o обеспечивается непрерывная 100% радиовидимость спутников в диапазоне широт ϕ ≈ 40^o с.ш. ... 72^o с.ш.

Второй вариант (фиг.4, табл.4), напротив, предпочтителен для обеспечения связи в приполярных и полярных областях. В частности, при α = 30^o спутниковая система связи обеспечивает непрерывную радиовидимость для всех широт ϕ ≥ ~ 60^o с.ш., а при α = 20^o помимо полярных областей охватывает всю территорию России.

На фиг. 5 показаны характеристики предельных длительностей зон радиовидимостей от широты абонента или земной станции.

Для территории России максимальная длительность зоны радиовидимости может превышать 2 часа. Для широт ϕ ≥ ~ 75^o с.ш. на каждом витке каждого спутника всегда имеется зона радиовидимости с продолжительностью не менее определенной величины (фиг. 6). Для Северного пояса длительность зоны радиовидимости всегда имеет одно и то же значение, равное ~ 94 мин.

Примеры мгновенных положений зон радиовидимостей для спутника, находящегося в апоцентре (широта ϕ = 63,4^o с.ш.), и спутника на широте ϕ = 40^o с. ш. представлены соответственно на фиг. 6, 7 (для α = 30^o ), где условно изображен искусственный спутник 1, находящийся на трассе 3 полета, и зона 4 радиовидимости этого спутника 1. В первом случае мгновенное положение зоны обзора охватывает все приполярные области с широтами ϕ ≥ ~ 75^o с.ш., а во втором - всю Европу, Северную Африку и Ближний Восток.

Поле обзора спутника, находящегося на эллиптической орбите при прохождении одного витка, охватывает значительную часть Земной поверхности. На фиг. 8 показаны трасса 3 полета одного спутника 1 и огибающие 5, образованные полем обзора ( α = 30^o). Поперечные кривые нанесены с шагом в 3 мин и показывают существенную неравномерность времен пролета над разными областями.

Для эллиптических орбит также характерен значительный диапазон дальностей радиовидимости спутников с Земли. На фиг.9 показаны минимальные и максимальные дальности радиолиний в зависимости от широты абонента и/или земной станции. С увеличением широты этот диапазон сужается. Для территории России предельные дальности составят ~ 7000...12500 км.

Связь между абонентами, находящимися в зоне радиовидимости одного спутника, осуществляется непосредственно через этот спутник.

Связь удаленных абонентов, т.е. находящихся в зоне радиовидимости разных спутников, осуществляется с использованием наземных ретрансляционных станций и/или линий связи между искусственными спутниками.

Таким образом, заявляемая система спутниковой связи, являясь региональной системой, обеспечивает устойчивую работу с большими углами возвышения при расположении наземных станций преимущественно на территории РФ и, в частности, на высоких широтах.

Кроме того, использование предлагаемой системы дает возможность существенно снизить затраты на развертывание и поддержание работоспособности спутниковой системы связи.

Изобретение относится к системам спутниковой связи и может быть использовано для создания региональной системы связи, в том числе на территории РФ. Спутниковая система включает по меньшей мере три искусственных спутника, размещенных на собственных эллиптических орбитах, и сеть наземных пунктов. Орбиты всех спутников имеют одинаковый орбитальный период T, выбираемый из соотношения T= t/N, где t - суточная длительность, N - общее количество спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора, которое по существу равно критическому, при этом перицентр каждой орбиты размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания. Патентуемая система в конкретном выполнении содержит шесть искусственных спутников, при этом орбитальный период выбирается из такого же соотношения, наклонение плоскости орбиты каждого искусственного спутника к плоскости экватора по существу равно i ≈ 63,4°, а искусственные спутники, размещенные на смежных орбитах, расположены так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра со сдвигом 1/2 или 1/3 орбитального периода один относительно другого. Технический результат состоит в создании устойчивой радиосвязи между наземными пунктами, находящимися в выбранном регионе, в том числе на территории РФ, с минимальными затратами. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 9 ил., 4 табл.

1. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая по меньшей мере три искусственных спутника, оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания, и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, которые размещены на эллиптических орбитах, имеющих одинаковое наклонение плоскости каждой орбиты к плоскости экватора и одинаковый орбитальный период, отличающаяся тем, что каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите, перицентр которой размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания, наклонение ее плоскости к плоскости экватора по существу равно критическому и орбиты всех искусственных спутников имеют орбитальный период, выбираемый из соотношения T = t/N, где T - орбитальный период каждого искусственного спутника, t - суточная длительность, N - общее количество искусственных спутников в системе, при этом на смежных орбитах искусственные спутники размещены так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра со сдвигом 1/2 или 2/N орбитального периода. 2. Спутниковая система по п.1, отличающаяся тем, что плоскости орбит равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора. 3. Спутниковая система по п.1, отличающаяся тем, что аргумент перицентра каждой орбиты составляет около минус 90^o. 4. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая искусственные спутники, размещенные на эллиптических орбитах и оснащенные аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, отличающаяся тем, что система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на собственных эллиптических орбитах, которые имеют одинаковый орбитальный период, одинаковое наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора и перицентр каждой орбиты, размещенный в полушарии, противоположном зоне обслуживания, при этом орбитальный период выбирается из соотношения T = t/N, где T - орбитальный период каждого искусственного спутника, t - суточная длительность, N = 6, наклонение плоскости орбиты каждого искусственного спутника к плоскости экватора по существу равно i ≈ 63,4^o, а искусственные спутники, размещенные на смежных орбитах, расположены так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра со сдвигом 1/2 или 1/3 орбитального периода один относительно другого.