ГЛОБАЛЬНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к спутниковым телекоммуникационным системам связи и вещания, которые могут использоваться для приема и передачи всех видов информации, в том числе при мониторинге окружающей среды, контроле и управлении движением транспортных средств, для обеспечения пейджинговой и сотовой связи.

В настоящее время известны различные спутниковые телекоммуникационные системы связи и вещания. К числу таких систем, например, относится спутниковая телекоммуникационная система связи с координатно управляемым в реальном режиме времени лучом для обслуживания абонентов связи на определенной территории (см. международную заявку WO 98/51023, H 04 B 7/185, H 04 B 7/204, опубл. 12.11.98). Такая система включает космический аппарат, выводимый на относительно низкую или геостационарную орбиту, на борту которого установлены ретрансляторы, аппаратура обработки и коммутации сигналов, и наземные станции контроля. Данная телекоммуникационная система обеспечивает радиосвязь абонентов непосредственно через сам спутник.

Известна также и глобальная спутниковая система связи, описанная в международной заявке WO 91/07022 (H 04 B 7/185, опубл. 16.05.91). Эта система включает наземные передатчики (станции) и космические аппараты, на борту которых установлены спутниковые передатчики, и предназначена для выбора канала связи с абонентом по канально-идентификационному сигналу.

Наиболее близким аналогом изобретения является глобальная система телекоммуникационной связи и вещания с использованием группировки космических аппаратов, которая обеспечивает поисковый вызов абонента (см. международную заявку WO 91/08621, H 04 B 7/185, 7/00, опубл. 13.06.91).

Указанный прототип изобретения включает комплекс наземных станций различных сетей связи, систему управления и по меньшей мере один космический аппарат, на борту которого установлены ретрансляторы, аппаратура обработки и коммутации сигналов, энергетическая установка на основе солнечных батарей и двигательная установка ориентации и стабилизации. Космические аппараты выводятся на геостационарную орбиту и обеспечивают совместно с наземными станциями прием и передачу информационных и управляющих потоков.

Однако такая телекоммуникационная система связи и вещания не позволяет из-за ограниченной мощности бортовой энергетической системы сохранить высокое качество передаваемой информации в сложных метеоусловиях в миллиметровом диапазоне волн при приеме-передаче высокоскоростных потоков информации. Особенно этот недостаток проявляется при связи с наземными станциями с малыми антеннами. Кроме того, недостаток энергетических возможностей бортовой системы космического аппарата не позволяет осуществить при приеме-передаче информации непосредственно на борту аппарата полную "конвейерную" обработку сигналов, включающую демодуляцию, регенерацию, демультиплексирование, коммутацию и мультиплексирование.

В основу патентуемого изобретения положена задача по обеспечению оперативности связи абонентов за счет динамической коммутации сигналов и каналов связи абонентов в различных сетях непосредственно на борту космического аппарата без использования предназначенного для этих целей наземного оборудования и осуществлению передачи высокоскоростных потоков информации на наземные станции с малыми антеннами в любых климатических зонах Земли и в сложных метеоусловиях. Изобретение направлено также на реализацию эффективных методов передачи сигналов и повышение пропускной способности телекоммуникационной системы. Эти технические задачи, в первую очередь, связаны с возможностью размещения необходимой аппаратуры на борту космического аппарата и возможностями автономной энергетической установки, т.е. непосредственно с массой и энерговооруженностью космического аппарата.

Решение перечисленных технических задач обеспечивает в целом снижение затрат на обслуживание телекоммуникационной системы связи и вещания и, соответственно, уменьшение тарифов для абонентов, что и является достигаемым результатом. Кроме того, решение поставленных задач позволит сократить загрузку геостационарной орбиты Земли космическими аппаратами и уменьшить рабочий радиочастотный спектр за счет увеличения до шести раз пропускной способности ретрансляторов, размещенных на борту космического аппарата, по сравнению с существующими системами космической связи.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что глобальная телекоммуникационная система связи, включающая в свой состав комплекс наземных станций различных сетей связи, систему управления и по меньшей мере один космический аппарат, на борту которого установлены ретрансляторы, аппаратура обработки и коммутации сигналов, энергетическая установка и двигательная установка, находящийся на геостационарной орбите и обеспечивающий прием и передачу информационных и управляющих потоков, согласно настоящему изобретению, в качестве энергетической установки космического аппарата содержит ядерный реактор с термоэмиссионным преобразователем, обеспечивающие энергопитание многофункциональной электрореактивной двигательной установки на этапе выведения с радиационно-безопасной на геостационарную орбиту при форсированном режиме работы и энергопитание бортовой аппаратуры и двигательной установки на рабочей орбите при номинальном режиме работы, при этом уровень мощности, вырабатываемой энергетической установкой на форсированном режиме работы, превышает уровень мощности энергетической установки при номинальном режиме работы не менее чем в два раза, кроме того в состав аппаратуры обработки и коммутации сигналов входит коммутатор, осуществляющий управляемое переключение и подключение каналов связи абонентов без использования наземного коммутационного оборудования.

Наиболее целесообразно из условий выведения космического аппарата и его функционирования на рабочей орбите, чтобы уровень мощности энергетической установки на номинальном режиме работы составлял до 50 кВт, а на форсированном режиме - до 150 кВт.

Для трансляции информационных потоков бортовая аппаратура обработки и коммутации сигналов предпочтительно выполняется с возможностью демодуляции, декодирования, регенерации, демультиплексирования, динамической коммутации и мультиплексирования сигналов.

Целесообразно, чтобы, бортовой коммутатор сигналов был выполнен с возможностью соединения абонентов, работающих в различных сетях, а также абонентов, работающих в разных лучах приемно-передающих бортовых многолучевых антенн.

Для снижения количества бортовых передающих устройств желательно использовать передатчики, обеспечивающие сканирование по нескольким лучам многолучевых приемно-передающих бортовых антенн.

Преимущественно система включает по меньшей мере четыре основных и один резервный космический аппарат, выводимых на геостационарную орбиту, что позволяет наиболее эффективно и глобально обслуживать регионы Земли с наибольшей концентрацией абонентов системы связи.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 изображена схема выведения космического аппарата на геостационарную орбиту.

На фиг. 2 изображена схема организации движением и ориентацией космического аппарата.

На фиг. 3 схематично изображен вид космического аппарата с бортовым оборудованием в рабочем состоянии.

На фиг. 4 схематично изображен вид космического аппарата на фиг. 3 в другой проекции.

На фиг. 5 показана схема построения системы телевизионных ретрансляторов.

В конкретном примере исполнения глобальная телекоммуникационная система связи и вещания включает космическую группировку, которая состоит из пяти идентичных космических аппаратов (искусственных спутников Земли - ИСЗ): четырех основных и одного резервного (орбитальный резерв). Каждый космический аппарат представляет собой платформу общей массой до 14 тонн с энергетической установкой мощностью 40 - 50 кВт. Масса полезной нагрузки (бортовой аппаратуры, энергетической установки и ретрансляторов) составляет до 3,8 тонны.

Вывод на рабочую орбиту каждого космического аппарата осуществляется ракетоносителем ПРОТОН-М (АНГАРА) с разгонным блоком БРИЗ-М с использованием маршевых двигателей электрореактивной двигательной установки, электропитание которых мощностью 100 - 150 кВт в процессе вывода осуществляется бортовым ядерным реактором с термоэмиссионным преобразователем, служащим источником энергии для питания всех бортовых систем при функционировании космического аппарата на рабочей орбите. Выведение космического аппарата на геостационарную орбиту (см. фиг. 1) включает участок 1 функционирования ракетоносителя, участок 2 функционирования разгонного блока и участок 3 функционирования многофункциональной электрореактивной двигательной установки, энергопитание которой осуществляется от ядерного реактора с термоэмиссионным преобразователем.

Система связи включает комплекс наземных станций, предназначенных для различных сетей, различных средств базирования и объемов предоставляемых услуг. Для подвижной связи используются станции от переносных (типа сотового телефона) до перевозимых с диаметром антенны 0,85 м. Стационарные станции имеют антенны с диаметром от 0,15 до 3,8 м, а для магистральной связи - с диаметром 3,6 м.

Управление глобальной телекоммуникационной системой связи и вещания осуществляется из двух главных и двух зональных центров управления через каналы управления наземного космического базирования. Для управления системой используются средства автоматизации, входящие в состав комплекса наземных станций.

Система организации движением и ориентацией космического аппарата при его выведении и работе на рабочей геостационарной орбите включает (см. фиг. 2) центр управления полетом 4, командно-измерительные станции 5, навигационные ИСЗ 6 и ИСЗ-ретрансляторы 7, через которые управляющие сигналы передаются на бортовой комплекс управления 8 космического аппарата 9 (в состав которого входит ядерный реактор с термоэмиссионным преобразователем).

Космический аппарат, входящий в состав глобальной системы связи и вешания, содержит (см. фиг. 3 и 4) ретрансляторы, которые включают модули подвижной связи, модули фиксированной службы связи, модули магистральной связи и модули телерадиовещания, снабженные соответственно приемопередающей антенной 10 диапазона 2 ГГц, приемопередающими антеннами 11 диапазона 30/20 ГГц, приемопередающей антенной 12 диапазона 18/12 ГГц и приемопередающими антеннами 13 диапазона 30/20 ГГц. Все модули и антенны ретранслятора установлены в приборном отсеке 14 (или размещены на нем) космического аппарата, закрепленном на устройстве выдвижения 15. При этом используются передатчики, обеспечивающие сканирование по нескольким лучам многолучевых бортовых антенн 10, 11, 12 и 13.

Энергетическая установка, входящая в состав космического аппарата, содержит ядерный реактор 16 с элементами регулирования и термоэмиссионным преобразователем, которые установлены на устройстве выдвижения 17. Установка снабжена также радиационной защитой 18. Уровень мощности энергетической установки на номинальном режиме работы составляет до 50 кВт, а на форсированном режиме - до 150 кВт.

Многофункциональная электрореактивная двигательная установка космического аппарата, установленная на силовом кожухе 19, состоит из маршевых двигателей 20, с помощью которых осуществляется довыведение аппарата, двигателей 21 коррекции орбиты (наклонения и долготы орбиты) и двигателей 22 ориентации.

В состав аппаратуры обработки и коммутации сигналов, размещенной в приборном отсеке 14, входит коммутатор, обеспечивающий управляемое переключение и подключение каналов связи абонентов без использования наземного коммутационного оборудования (на чертеже не показан). Коммутатор сигналов выполнен с возможностью соединения абонентов, работающих в различных сетях, а также абонентов, работающих в разных лучах приемно-передающих бортовых многолучевых антенн 10, 11, 12, 13.

Аппаратура обработки и коммутации сигналов выполнена с возможностью демодуляции, декодирования, регенерации, демультиплексирования, динамической коммутации и мультиплексирования поступающих на борт сигналов. Для этого в приборном отсеке размещена аппаратура демодуляции, декодирования и регенерации поступающих на борт сигналов, а также аппаратура их временного разделения, коммутации и повторного временного уплотнения. В результате обработки сигналов формируются потоки, передаваемые в каждый из лучей антенн.

Для передачи телевизионных сигналов используется схема построения телевизионного ретранслятора, позволяющая осуществить гибкое переконфигурирование межлучевых связей. Наиболее оптимальная схема построения системы телевизионных ретрансляторов с минимальным количеством входов содержит (см. фиг. 5) демодуляторы 23, подключенные к приемным трактам 24, 25, 26 и 27 соответственно i-го, j-го, k-го и n-го стволов ретрансляторов. Выходы каждой группы демодуляторов соединены с общим мультиплексором 28 или 29, выходы которых подключены ко входам коммутатора (коммутационной матрицы) 30. Коммутатор 30 обеспечивает динамическую коммутацию потоков со скоростью 270 Мбит/с - стандартной скоростью транспортного потока типа MPEG-2, на которую рассчитаны производящиеся в настоящее время мультиплексоры и фильтры. Выходы коммутатора 30 соединены через фильтры 31 с входами мультиплексоров 32. Выход каждого мультиплексора 32 соединен через модулятор 33 с передающим трактом 34 или 35 соответственно i-го или j-го ствола ретрансляторов.

Работа глобальной телекоммуникационной системы связи и вещания осуществляется следующим образом.

С помощью ракетоносителя космический аппарат выводится на опорную орбиту (см. фиг. 1) на участке выведения 1. После отделения от ракетоносителя на участке 2 космический аппарат с помощью разгонного блока переводится с опорной на радиационно-безопасную орбиту (высота 800 - 900 км). На участке выведения 3 включается ядерный реактор с термоэмиссионным преобразователем, обеспечивающий энергопитание многофункциональной электрореактивной двигательной установки на этапе выведения с радиационно-безопасной на геостационарную орбиту при форсированном режиме работы. Уровень мощности энергетической установки на форсированном режиме составляет до 150 кВт. Перед включением ядерного реактора 16 производится его выдвижение из силового кожуха 19 в рабочее положение с помощью устройства 18. При этом приборный отсек 14 выдвигается из силового кожуха 19 в противоположном направлении с помощью устройства выдвижения 15. После приведения энергетической установки и приборного отсека 14 в рабочее состояние производится включение маршевых электрореактивных двигателей 20, с помощью которых производится довыведение космического аппарата по наиболее оптимальной траектории спиральной "раскрутки". Указанная последовательность выполнения операций позволяет обеспечить условия радиационной безопасности.

После вывода космического аппарата на рабочую геостационарную орбиту энергопитание бортовой аппаратуры и двигательной установки осуществляется при номинальном режиме работы энергетической установки, уровень мощности которой на этом режиме составляет до 50 кВт, т.е. более чем в два раза меньше, чем на форсированном режиме работы. При таком уровне мощности обеспечивается энергопитание многофункциональной электрореактивной двигательной установки в режиме коррекции орбиты и ориентации при включении электрореактивных двигателей 21 и 22, а также питание бортовой аппаратуры, в том числе и высокопроизводительного коммутатора, осуществляющего управляемое переключение и подключение каналов связи абонентов без использования наземного коммутационного оборудования.

Использование в составе энергетической установки ядерного реактора с термоэмиссионным преобразователем, обеспечивающего работу на двух режимах - номинальном и форсированном (при определенном соотношении уровней вырабатываемой мощности), позволяет произвести выведение космического аппарата на геостационарную орбиту с использованием тяги электрореактивных двигателей, энергопитание которых осуществляется бортовым источником энергии, и за счет этого значительно увеличить массу полезной нагрузки, выводимой на рабочую орбиту. Кроме того, ядерный реактор, входящий в состав полезной нагрузки, обеспечивает необходимый уровень мощности для осуществления на борту аппарата таких энергоемких операций, как высокоскоростная коммутация каналов связи абонентов и полная "конвейерная" обработка сигналов без применения наземного оборудования.

В процессе работы каждого космического аппарата, выведенного на рабочую геостационарную орбиту, производится его управление (см. фиг. 2) из центра управления полетом 4. Управляющие сигналы передаются из центра 4 через наземные командно-измерительные станции 5 и ИСЗ-ретрансляторы 7 в бортовой комплекс управления 8 космического аппарата 9. Управляющие сигналы поступают также и от навигационных ИСЗ 6.

Групповая "конвейерная" обработка сигналов на борту космического аппарата 9 основывается на высоком быстродействии цифровых схем, которое во много раз превосходит значения, необходимые для обработки индивидуальных сигналов. В связи с этим одна цифровая схема при соответствующем программировании используется для демодуляции, регенерации, демультиплексирования, динамической коммутации и мультиплексирования многих сигналов.

Обработка сигналов с помощью бортовой аппаратуры производится следующим образом (см. фиг. 5). На вход каждого демодулятора 23 из приемного тракта ретранслятора 24 (или 25, 26, 27) поступает спектр из ряда разделенных по частоте сигналов и шума. Весь этот спектр (групповой аналоговый сигнал) выделяется аналоговым фильтром, после чего подвергается аналого-цифровому преобразованию.

Процесс демодуляции разделяется на две выполняемые последовательно процедуры: фильтрация индивидуальных сигналов, в результате чего формируются индивидуальные цифровые массивы, и преобразования, осуществляемые над массивом, для реализации демодуляции и декодирования сигналов.

Демодулированные и декодированные сигналы поступают в групповые мультиплексоры 28 и 29, с помощью которых осуществляется временное разделение сигналов. После этого они направляются в коммутатор 30. Скоммутированные определенным образом сигналы поступают затем через фильтры 31 на входы мультиплексоров 32, производящих последующее временное уплотнение сигналов. Мультиплексированные сигналы после этого модулируются в модуляторах 33. Регенированные сигналы поступают в передающие тракты 34 и 35 i-го и j-го стволов ретрансляторов. Для передачи сигналов используются передатчики, обеспечивающие сканирование по нескольким лучам многолучевых приемно-передающих бортовых антенн 10, 11, 12 и 13. В этом случае возможно уменьшение количества бортовых передающих устройств.

Наиболее полное использование возможностей бортовой аппаратуры обработки и коммутации сигналов обеспечивает передачу сигналов из одной подсистемы связи в другую, в результате этого система связи и вещания приобретает важное свойство - возможность предоставления абонентам интегрированных услуг без использования наземного коммутационного оборудования. Увеличение мощности бортовой энергетической установки и возможность размещения на борту космического аппарата необходимой для этого аппаратуры, предназначенной для обработки и коммутации сигналов, позволяет передавать высокоскоростные потоки информации на наземные станции с малыми антеннами в любых климатических зонах Земли и в сложных метеоусловиях и, кроме того, увеличить пропускную способность телекоммуникационной системы.

При использовании глобальной телекоммуникационной системы связи и вещания сократится загрузка геостационарной орбиты Земли космическими аппаратами и уменьшится рабочий радиочастотный спектр за счет увеличения до шести раз пропускной способности ретрансляторов, размещенных на борту космического аппарата, по сравнению с существующими системами космической связи. Для передачи высокоскоростных информационных потоков на заданный регион Земли достаточно использовать один космический аппарат-ретранслятор вместо пяти-шести аппаратов традиционной схемы, размещаемых на дуге геостационарной орбиты над обслуживаемой территорией. В этом случае значительно сокращается загруженность геостационарной орбиты Земли и рабочий радиочастотный диапазон.

Глобальная телекоммуникационная система связи и вещания, созданная согласно патентуемому изобретению, может использоваться для обеспечения связи между абонентами мобильных систем, управления движением транспорта, в том числе и воздушного транспорта, контроля перевозимых грузов и обеспечения экологического мониторинга. Такая система может найти широкое применение при создании линий связи с труднодоступными районами, при создании высокоскоростных линий цифровой связи для компьютерных сетей, трансляции мультимедийной информации, для организации аудио- и видеосвязи, телерадиовещания и интерактивной трансляции телепрограмм, а также для осуществления связи между абонентами сетей различных типов, включая абонентов наземных сотовых сетей.

Изобретение относится к спутниковым телекоммуникационным системам связи и вещания, которые могут использоваться для приема и передачи всех видов информации, в том числе при мониторинге окружающей среды, контроле и управлении движением транспортных средств, для обеспечения пейджинговой и сотовой связи. Технический результат - снижение затрат на обслуживание системы. Глобальная телекоммуникационная система связи включает в свой состав комплекс наземных станций различных сетей связи, систему управления и по меньшей мере один космический аппарат, на борту которого установлены ретрансляторы, аппаратура обработки и коммутации сигналов, находящийся на геостационарной орбите и обеспечивающий прием и передачу информационных и управляющих потоков. В качестве энергетической установки космического аппарата используется ядерный реактор с термоэмиссионным преобразователем, обеспечивающий энергопитание многофункциональной электрореактивной двигательной установки на этапе выведения с радиационно-безопасной на геостационарную орбиту при форсированном режиме работы и энергопитание бортовой аппаратуры и двигательной установки на рабочей орбите при номинальном режиме работы. Уровень мощности, вырабатываемой энергетической установкой на форсированном режиме работы, превышает уровень мощности энергетической установки при номинальном режиме работы не менее чем в два раза. В состав аппаратуры обработки и коммутации сигналов входит коммутатор, обеспечивающий управляемое переключение и подключение каналов связи абонентов без использования наземного коммутационного оборудования. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Глобальная телекоммуникационная система связи и вещания, включающая комплекс наземных станций различных сетей связи, систему управления и по меньшей мере один космический аппарат, на борту которого установлены ретрансляторы с передатчиками, бортовая аппаратура обработки и коммутации сигналов, энергетическая установка и двигательная установка, находящийся на геостационарной орбите и обеспечивающий прием и передачу информационных и управляющих потоков, отличающаяся тем, что на космическом аппарате используется многофункциональная электрореактивная двигательная установка, в качестве энергетической установки космического аппарата используется ядерный реактор с термоэмиссионным преобразователем, обеспечивающие энергопитание многофункциональной электрореактивной двигательной установки на этапе выведения с радиационнобезопасной на геостационарную орбиту при форсированном режиме работы и электропитание бортовой аппаратуры и многофункциональной электрореактивной двигательной установки на рабочей орбите при номинальном режиме работы, при этом уровень мощности, вырабатываемой энергетической установкой на форсированном режиме работы, превышает уровень мощности энергетической установки при номинальном режиме работы не менее чем в два раза, кроме того, в состав бортовой аппаратуры обработки и коммутации сигналов входит коммутатор, осуществляющий управляемое переключение и подключение каналов связи абонентов без использования наземного коммутационного оборудования. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что уровень мощности энергетической установки при номинальном режиме работы составляет до 50 кВт, а на форсированном режиме - до 150 кВт. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что бортовая аппаратура обработки и коммутации сигналов выполнена с возможностью демодуляции, декодирования, регенерации, демультиплексирования, динамической коммутации и мультиплексирования сигналов. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что бортовой коммутатор сигналов выполнен с возможностью соединения абонентов, работающих в различных сетях, а также абонентов, работающих в разных лучах приемно-передающих бортовых многолучевых антенн. 5. Система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что используются передатчики, обеспечивающие сканирование по нескольким лучам многолучевых приемно-передающих бортовых антенн. 6. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она включает по меньшей мере четыре основных и один резервный космический аппарат, выводимые на геостационарную орбиту.