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.

Как известно, проектирование и развертывание спутниковых систем связи достаточно длительный процесс. Так, например, в широко известной системе спутниковой связи ИРИДИУМ процесс проектирования и разработки занял не менее 7-8 лет, а процесс развертывания и ввода системы в эксплуатацию не менее двух лет. Сходные ситуации по срокам создания и в других спутниковых системах связи. В настоящее время система ИРИДИУМ переживает экономический кризис, близкий к банкротству в связи с рядом маркетинговых просчетов по объему и структуре рынка мобильной связи и предпочтительного уровня цен на нем. Частично эти проблемы связаны с длительным сроком реализации проекта и вызванными этим трудностями в прогнозировании экономических показателей, на которые нацелена разработка, особенно применительно к бурно развивающемуся рынку массовых услуг мобильной связи. Эти показатели в определенной степени могут быть парированы системой спутниковой связи с изначально заложенными предпосылками для модификации и/или расширения, которые могут быть использованы в соответствии со сложившейся экономической и технической ситуацией.

С точки зрения надежности и оптимизации страховых платежей и других экономических показателей практические стратегии развертывания спутниковых систем предусматривают использование различных типов ракет-носителей с одновременным групповым выведением сразу нескольких спутников на одной ракете-носителе. Например, для развертывания системы ИРИДИУМ (включает 66 спутников в шести орбитальных плоскостях по 11 спутников в каждой) использовались следующие типы ракет-носителей: "Дельта 2" (США - одновременное выведение на орбиту 5 спутников), "Великий Поход 2" (Китай - одновременное выведение 2 спутников), "Протон" (Россия - одновременное выведение 7 спутников). Более того, в процессе реализации, стратегия развертывания может претерпевать существенные видоизменения. Так после аварии ракеты-носителя "Зенит" при одновременном выведении 12 спутников системы ГЛОБАЛСТАР (включает 48 спутников в 6 плоскостях), часть следующих запусков спутников были переведены на выведение ракетой-носителем "Союз".

Таким образом, при прочих равных условиях (например, при одинаковой или близкой зоне обслуживания и одинаковом количестве спутников) спутниковые системы связи, включающие по несколько спутников в каждой орбитальной плоскости, более предпочтительны как с экономической, так и с технической точек зрения.

Известна система региональной космической связи, предназначенной, в основном, для районов Северного полушария Земли с использованием эллиптических орбит с критическим наклонением (патент США N 5931417, кл. 244/158R). Для обеспечивания непрерывного однократного обзора всех точек Северного полушария с широтами выше 25 ^o с. ш. в известной системе дополнительно используются спутники на экваториальной орбите. В указанной системе используется относительно большое количество спутников (от 12 до 24) на более низких эллиптических орбитах. Такие системы характеризуются относительно большим временем пребывания в радиационном слое Земли, что приводит к снижению сроков эксплуатации искусственных спутников.

Известна также спутниковая система связи (патент SU 1314968 A3), которая содержит N спутников-ретрансляторов с периодом вращения T, расположенных на наклонных эллиптических орбитах, причем интервал времени прохождения петли пересечения или касания спутником совпадает с интервалом включения спутника и равны T/N.

В известной системе в любой произвольный момент времени во включенном состоянии находится только один спутник-ретранслятор. Все остальные спутники-ретрансляторы находятся в выключенном состоянии, т.е. в известной спутниковой системе для организации связи между любыми двумя земными станциями может использоваться только один спутник-ретранслятор, а именно тот спутник, который в данный момент находится во включенном состоянии. При этом обе земные станции обязательно должны находиться в зоне радиовидимости этого спутника-ретранслятора. Известная система обеспечивает непрерывность связи только в приполярных зонах, в которых зоны радиовидимости всех спутников-ретрансляторов во включенном состоянии совпадают.

Известна также спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит (заявка на патент РФ N 99113188/09 от 29.06.99), выбранная нами за прототип, включает сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период. Каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период T, выбираемый из соотношения T = t/N, где t - суточная длительность, N - общее количество искусственных спутников в системе, при этом орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковое наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора, которое по существе равно критическому, а перицентр каждой орбиты размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания.

Зоной обслуживания, в которой обеспечивается устойчивая энергетика радиолиний, является территория РФ и прилегающие к ней районы широтой выше 40^o. Обеспечение радионепрерывности в зонах обслуживания, находящихся ниже 40^o, может быть достигнуто путем выведения на каждую из орбит дополнительных искусственных спутников либо путем организации такого же количества дополнительных орбит с одним искусственным спутником на каждой орбите. Таким образом, модернизация известной спутниковой системы в отношении расширения зоны обслуживания экономически нецелесообразна.

Кроме того, в известной системе при выходе из строя хотя бы одного из спутников снижается качество связи, что приводит к нарушению контрактных условий по предоставлению связи. Замена вышедшего из строя спутника может быть осуществлена либо путем выведения на орбиту нового спутника, либо предварительным размещением на каждой орбите резервных спутников. В последнем случае число резервных спутников должно быть равно числу основных спутников в системе, что экономически нецелесообразно.

В основу изобретения положена задача разработать систему региональной спутниковой связи с использованием эллиптических орбит, в которой за счет выбора параметров орбит искусственных спутников и такого размещения искусственных спутников на орбитах, обеспечивалась бы возможность модернизации спутниковой системы связи в отношении расширения зоны обслуживания на широтах ниже 40^o при относительно невысоких экономических затратах.

Поставленная задача решается тем, что спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, согласно изобретению система содержит по меньшей мере две орбиты, орбитальный период каждой из которых выбирается из соотношения T= t/M, где T - орбитальный период, t - суточная длительность, M - целое, натуральное число, меньшее или равное количеству искусственных спутников в системе, при этом искусственные спутники размещены на каждой эллиптической орбите группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников одной группы достигает точки орбитального перицентра со сдвигом, равным T/L, где L - целое число от единицы до 2N, где N - количество искусственных спутников в системе, при этом плоскости орбит равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора, а количество искусственных спутников в системе, количество орбит и количество спутников на каждой орбите находятся в зависимости, удовлетворяющей соотношению N = P х S ≥ 4, где P - количество орбит, S - количество искусственных спутников на одной орбите.

Техническим результатом настоящего изобретения является то, что спутниковая система связи, имеющая два и более спутников на одной орбите, в которой число искусственных спутников, количество орбит и количество искусственных спутников на каждой орбите связаны приведенным выше соотношением, обладает гибкими возможностями по модернизации системы в отношении расширения зоны обслуживания по нижней широте с обеспечением радионепрерывности в зоне обслуживания в течение 24 часов в сутки.

При запусках ракет-носителей, выводящих одновременно по меньшей мере два искусственных спутника, уменьшаются затраты по развертыванию такой системы связи, что выгодно отличает ее от известных. При этом для группового или одиночного выведения спутников могут использоваться ракеты-носители разных типов.

Таким образом, сочетание относительно невысоких затрат по развертыванию системы спутниковой связи с возможностью расширения нижней границы устойчивой радиовидимости ниже 40^o позволяет получить экономичную систему региональной связи, пригодную к модернизации, которая с успехом может быть использована как в Северном, так и в Южном полушарии.

Поставленная задача решается также тем, что спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, согласно изобретению система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на двух эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит три искусственных спутника, при этом искусственные спутники каждой группы, расположенные на одной эллиптической орбите, размещены на этой орбите так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/3 или 1/6 орбитального периода один относительно другого.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, согласно изобретению система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на трех эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит два искусственных спутника, при этом искусственные спутники каждой группы, расположенные на одной эллиптической орбите, размещены на этой орбите так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/2 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 районам от 40^o 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, на которых:
фиг. 1 изображает статистические характеристики радиовидимости в патентуемой системе спутниковой связи из четырех искусственных спутников с двумя орбитальными плоскостями (T ≅ 6 ч);
фиг. 2 - то же, что на фиг.1, в системе из шести искусственных спутников с двумя орбитальными плоскостями (T ≅ 4 ч);
фиг. 3 - то же, что на фиг.2, в системе спутниковой связи с тремя орбитальными плоскостями (T ≅ 4 ч);
Заявляемая спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит включает сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные по меньшей мере на двух эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, который выбирается из соотношения T= t/M, где T - орбитальный период, t ≅ 86164 с - суточная длительность, М - целое, натуральное число, меньшее или равное количеству искусственных спутников N в системе.

При этом искусственные спутники размещены на каждой эллиптической орбите группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников одной группы достигает точки орбитального перицентра со сдвигом 1/L орбитального периода один относительно другого, L - целое натуральное число, лежащее в пределах от единицы до 2N.

Количество искусственных спутников в системе, количество орбит и количество спутников на каждой орбите находятся в зависимости, удовлетворяющей соотношению: N = P х S ≥ 4, где P - количество орбит, S - количество искусственных спутников на одной орбите.

При этом плоскости орбит равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора.

При групповом выведении спутников одной ракетой-носителем эти спутники выводятся на эллиптическую орбиту, что значительно снижает затраты на развертывание спутниковой системы связи.

Примеры определения общего количества искусственных спутников в системе в зависимости от количества орбит и спутников на орбите приведены в таблице 1.

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 полушария, 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.

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

Статистические характеристики обзора для указанных вариантов систем приведены в таблице 3 (для угла возвышения α = 30^o).

Следует отметить, что первый вариант спутниковой системы, в которой имеется три орбитальных плоскости, в которых размещено по два искусственных спутника, для территории России дает близкие характеристики радиовидимости по сравнению с прототипом (зона устойчивой радиовидимости от 40 до 80^o с.ш. ). Если при развертывании системы ракета-носитель позволяет вывести одновременно два спутника, то этот вариант спутниковой системы может быть более предпочтителен, т. к. разведение спутников вдоль орбиты (в одной плоскости) может быть осуществлено существенно быстрее, чем их разведение в различные плоскости за счет разности скорости прецессии плоскостей орбит.

Спутниковые системы, имеющие по два и более спутников в одной орбитальной плоскости, обладают гибкими возможностями по модификации в отношении наращивания и расширения широтного слоя, в котором обеспечивается непрерывный радиообзор. Для спутниковых систем на эллиптических орбитах это может быть снижение нижней границы по широте районов возможной радиосвязи.

В качестве иллюстрации в таблице 4 приведены характеристики систем из 4 и 6 спутников - две орбитальные плоскости по 2 и 3 спутника, соответственно.

В табл. 5 приведены в процентах характеристики доли непрерывной радиовидимости в зависимости от географической широты для исходной системы N= 4 - в двух орбитальных плоскостях по 2 спутника (2 х 2), а также для модернизированной системы N = 6 - в двух орбитальных плоскостях по 3 спутника (2 х 3). Как видно из табл.5, доля непрерывной радиовидимости расширяется на 10^o.

На фиг. 1 представлен график зависимости зоны непрерывной радиовидимости для системы с двумя спутниками в одной плоскости (2 х 2), а также для модернизированной системы с тремя спутниками в одной плоскости (2 х 3) с орбитальным периодом T = t/4 ≅ 6 ч. Как видно из графиков, в зону непрерывной радиовидимости попадает часть Канады, Аляски, Северной Европы и Россия (1 вариант), а также часть Центральной Европы (2 вариант).

На фиг.2 представлены аналогичные статистические характеристики для систем N= 2 х 3, N= 2 х 4, N= 2 х 5 с орбитальным периодом T = t/4 ≅ 6 ч. Приведенные характеристики показывают, что модернизированная спутниковая система N= 2 х 5 позволяет значительно расширить долю непрерывной радиовидимости вплоть до 35^o с.ш., включая северную часть территории США.

Модификация спутниковых систем может осуществляться не только увеличением количества спутников в системе, но и перегруппировкой спутников исходной системы за счет изменения сдвига спутников в смежных плоскостях.

В табл.6 для системы N=3x2 (вариант 1 в табл.2) приведены доли непрерывной радиовидимости для исходной системы N=3x2 (сдвиг времени прохождения перицентра равен нулю), системы N=3x2 со сдвигом прохождения перицентра, равным T/6 и модифицированной системы N=3x3 (по одному дополнительному спутнику в каждую плоскость). Графическое представление показано на фиг. 3.

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 в исходной системе зона обслуживания представляет диапазон широт ≈40-75^o. За счет перегруппировки спутников зона обслуживания может быть смещена в сторону Северного полюса и приполярных широт (≈60-90^o). Добавление трех новых спутников в систему и соответствующая перегруппировка (сдвиг времен прохождения перицентра T/9) приводит к существенному расширению зоны обслуживания - диапазон широт ≈25-90^o.

Технический результат изобретения заключается в том, что спутниковая система обладает гибкими возможностями по модернизации в отношении расширения зоны обслуживания по нижней широте с обеспечением радионепрерывности в зоне обслуживания в течение 24 ч в сутки. Заявляемая система содержит по меньшей мере две орбиты, на каждой из которых находится по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из спутников одной группы достигает точки орбитального перицентра со сдвигом, равным T/L, где L - целое число от единицы до 2N, где N-количество спутников в системе; количество спутников в системе, количество орбит и количество спутников на каждой орбите находятся в зависимости, удовлетворяющей соотношению N= Px S ≥ 4, P - количество орбит, S - количество искусственных спутников на одной орбите. В конкретных вариантах выполнения патентуемая система содержит шесть искусственных спутников, размещенных группами на двух или трех эллиптических орбитах соответственно. В первом варианте группа содержит три искусственных спутника, которые размещены на орбите так, что каждый из спутников достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/3 или 1/6 орбитального периода один относительно другого. Во втором варианте группа содержит два искусственных спутника, каждый из которых достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/2 орбитального периода один относительно другого. 3 с.п. ф-лы, 3 ил., 6 таб.

1. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, отличающаяся тем, что система содержит по меньшей мере две орбиты, орбитальный период каждой из которых выбирается из соотношения Т = t/М, где Т - орбитальный период, t - суточная длительность, М - целое, натуральное число, меньшее или равное количеству искусственных спутников в системе, при этом искусственные спутники размещены на каждой эллиптической орбите группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников одной группы достигает точки орбитального перицентра со сдвигом, равным Т/L, где L - целое число от единицы до 2N, где N - количество искусственных спутников в системе, при этом плоскости орбит равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора, а количество искусственных спутников в системе, количество орбит и количество спутников на каждой орбите находятся в зависимости, удовлетворяющей соотношению N= РхS≥4, где Р - количество орбит, S - количество искусственных спутников на одной орбите. 2. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, отличающаяся тем, что система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на двух эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит три искусственных спутника, при этом искусственные спутники каждой группы, расположенные на одной эллиптической орбите, размещены на этой орбите так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/3 или 1/6 орбитального периода один относительно другого. 3. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, отличающаяся тем, что система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на трех эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит два искусственных спутника, при этом искусственные спутники каждой группы, расположенные на одной эллиптической орбите, размещены на этой орбите так, что каждый из искусственных спутников достигает точки орбитального перицентра собственной эллиптической орбиты со сдвигом 1/2 орбитального периода один относительно другого.