СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СВЯЗИ Российский патент 2001 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к области связи, осуществляемой с использованием космических средств, и может быть применено для информационного обмена между различными объектами, расположенными на орбитах вокруг планеты, на поверхности планеты, в ее акватории или под поверхностью.

Преимущественным волновым диапазоном для настоящего изобретения являются средние, длинные и сверхдлинные волны (~ от 1 МГц до 1 КГц), используемые, в частности, для связи с подводными и подземными объектами, а также для исследования (радиолокации) естественных и искусственных образований в данных областях планеты.

Уровень техники
Известны глобальные системы спутниковой связи, включающие сеть геостационарных, 12-часовых или низкоорбитальных космических аппаратов (КА), осуществляющих передачу данных различного типа между определенными регионами Земли. Такие данные передаются, в основном, по каналам телевизионной и радиосвязи в метровом...сантиметровом диапазонах длин волн (~10 МГц...10 ГГц), для которых нижняя ионосфера Земли (слои F, E, D) является прозрачной - см., например, [1]: А.М. Бонч-Бруевич, В.Л. Быков и др. Системы спутниковой связи. М., "Радио и связь". 1992. С. 11-31.

Данные системы, широко применяемые для потребительской, коммерческой и навигационной связи, тем не менее ограничены областью достаточно низких частот (средние. . .длинные волны), для которых нижняя ионосфера непрозрачна, так что применение традиционных спутниковых систем затруднено (например, зависит от времени суток) или вовсе невозможно.

Однако некоторые специальные задачи, характеризующие область преимущественного использования изобретения, требуют работы именно в указанных волновых диапазонах.

Известны способы и системы связи, основанные на применении космических тросовых систем (ТС), размеры которых (~10...100 км) позволяют генерировать ДВ- и СДВ-сигналы при взаимодействии электропроводных элементов ТС с околоземной плазмой - см., например, [2]: А.В. Андреев, Н.Н. Хлебникова. Космические системы с гибкой связью. Итоги науки и техники. Ракетостроение и космическая техника. Т. 12. М., 1991. С. 134-136; 153.

Такие сигналы передаются, главным образом, по ионосферным волноводам, естественное положение которых относительно Земли ("горячие пятна" на поверхности, преимущественно в приполярных районах) не может выбираться по желанию, и, кроме того, в волновод попадает незначительная часть энергии сигнала.

Известны также другие способы и системы информационной связи между КА и планетой, например, основанные на отделении части орбитального КА (капсулы с накопленной информацией), ее переводе на траекторию сближения с планетой и последующем спуске в атмосфере, где эта часть затем подбирается, а содержащаяся в ней информация используется потребителем. Энергетически эффективно отделение и перевод на траекторию сближения с планетой указанной части КА могут быть произведены с помощью ТС достаточной длины - см. указанный источник [2], с. 54.

Недостатком способов и систем подобного типа являются, очевидно, крайне жесткие ограничения на пространственно-временные характеристики информационного обмена, практическая невозможность оперативной двусторонней связи КА с наземными (тем более, глубоководными и подземными) объектами и др.

Тем не менее в отдельных приемах и средствах подобной связи, которые в своей выделенной совокупности могут быть приняты в качестве ближайших аналогов предлагаемых способа и системы, присутствует положительный момент, такой как возможность многократного и энергетически экономного сближения приемопередающих частей КА с планетой - причем настолько, что становится возможной (благодаря отличительным особенностям настоящего изобретения) средне- и длинноволновая радиосвязь с интересующими объектами.

В этом отношении задачей и целью изобретения является разработка такого способа и такой реализующей его системы связи, с помощью которых возможно постоянно (периодически) и без существенных энергозатрат производить передачу и/или обмен данными преимущественно на средних, длинных и сверхдлинных волнах между орбитальными КА и различными, предпочтительно специальными, (погруженными и заглубленными) объектами.

Сущность изобретения
Решение задачи и цель настоящего изобретения достигаются тем, что предлагаемый способ осуществления связи включает в себя следующие операции:
выведение на орбиту вокруг планеты, преимущественно круговую, по меньшей мере одного КА, снабженного средствами для информационного обмена в заданном волновом диапазоне, и связанной с КА ТС;
размещение части указанных средств на ТС, соединенной с КА;
размещение ТС в области, лежащей ниже орбиты центра масс КА, по которой движется этот КА в результате указанного выведения;
отделение ТС от КА, в результате которого она переходит на нисходящий участок траектории сближения с планетой;
излучение и/или прием сигналов ТС при ее движении на участке траектории в районе перицентра (с минимальными высотами над поверхностью планеты);
соединение ТС с КА после ее движения по восходящему участку траектории сближения с планетой.

При этом в процессе движения ТС по траектории сближения с планетой между нею и КА может поддерживаться дистанционная связь (по радио-, лазерному и другим каналам), преимущественно - при излучении/приеме ТС сигналов в районе перицентра, с образованием таким образом линии связи между самим КА и объектами на Земле через посредство ТС.

Траектория сближения ТС с планетой должна быть выбрана так, чтобы в районе перицентра приемоизлучающая ("нижняя") часть ТС находилась ниже ионосферного слоя F (~180 км) или даже ниже слоя E (~100 км). Последнее условие критично по соображениям динамического нагрева кабель- троса ТС атмосферным потоком, а также ввиду возможного развития неустойчивости относительного движения троса [2], с. 82-90. Однако сравнительно короткое время сеанса связи на таких высотах и некоторые специальные меры могут минимизировать данные отрицательные явления.

На круговую орбиту (орбиты) может быть выведено несколько КА, распределенных вдоль орбиты (по орбитам) так, чтобы каждая ТС - после отделения от одного КА, проведения сеанса связи в районе перицентра и движения по восходящему участку траектории сближения с планетой - могла сблизиться и соединиться с другим КА (схема "переброски" ТС от одного КА к другому).

В общем случае орбиты КА и траектории ТС могут корректироваться теми или иными средствами (в том числе в режиме "орбитального двигателя/генератора" [2] , с. 72-74) для обеспечения цикличности работы системы связи согласно изобретению.

Система для осуществления связи, реализующая предлагаемый способ, содержит:
по меньшей мере один КА, выводимый преимущественно на круговую орбиту вокруг планеты и снабженный средствами информационного обмена в заданном волновом диапазоне;
ТС, снабженную средствами стыковки и разделения с КА, на которой размещена часть указанных средств для информационного обмена;
вспомогательные средства управления движением (системы навигации, коррекции и др.) и работой обеспечивающих бортовых систем (ориентации, стабилизации, наведения антенн и др.) КА и ТС в совместном и раздельном их полете.

Указанные средства информационного обмена могут включать в себя средства для поддержания дистанционной связи между КА и ТС при их раздельном полете.

Система для осуществления связи может содержать несколько КА, размещенных вдоль одной или нескольких орбит.

Анализ уровня техники не выявил технических решений с идентичной совокупностью признаков, ввиду чего изобретение обладает новизной. По отдельности известные приемы и элементы объединены в предлагаемом изобретении так, что позволяют достичь неочевидного конечного результата, что свидетельствует о соответствии изобретения условию изобретательского уровня. Промышленная применимость изобретения обосновывается нижеприводимыми примерами его реализации.

Сущность изобретения иллюстрируется нижеследующими графическими материалами.

На фиг. 1 представлена упрощенная структура нижней ионосферы Земли.

На фиг. 2 схематично показано влияние слоя E на диаграмму направленности излучающего элемента ТС, размещенного ниже этого слоя.

На фиг. 3 дана упрощенная схема использования "волновода" между слоями E и D.

На фиг. 4 дан пример простейшего орбитального построения системы согласно изобретению.

На фиг. 5 представлена принципиальная конструктивная схема системы для реализации предлагаемого способа связи.

На фиг. 6 показана система по фиг. 5 после разделения КА и ТС.

На фиг. 7 представлена возможная рабочая конфигурация ТС при ее движении на минимальных высотах над Землей.

На фиг. 8 показан возможный вариант модификации конструктивной схемы по фиг. 5.

Предпочтительные примеры реализации изобретения
Как известно, в нижней ионосфере Земли можно условно выделить ряд слоев (фиг. 1) с различной, зависящей от времени суток, солнечной активности и других факторов, электронной концентрацией, непосредственно влияющей на распространение радиоволн. Сильное преломление и отражение радиоволн (при вертикальном падении) происходит вблизи критической частоты

где N - электронная концентрация (см^-3). В таблице 1 приведены ориентировочные характеристики ионосферы Земли с точки зрения пропускания радиоволн разного типа (см., например, [3]: Н.М. Изюмов и Д.П. Линде. Основы радиотехники. М.-Л. "Энергия". 1965. С. 171-189).

Средние, ДВ- и СДВ-волны практически не проходят через слои E и F. ДВ- и СДВ- сигналы не преодолевают наиболее низкого (60...90 км) слоя D. Важно отметить, однако, что этот слой практически полностью исчезает в ночное время (см. фиг. 1, табл. 1).

Согласно предлагаемому изобретению сеансы связи в интересующих диапазонах производятся с помощью приемоизлучающих элементов, располагаемых ниже или у самой нижней границы слоя E, т.е. на высотах около 110±10 км (причем длины ~10 км могут приходиться собственно на активные антенные элементы). При этом отражающие свойства слоя E используются для повышения направленности антенны (см. [3], с. 150-153), как это схематично показано на фиг. 2.

Приемоизлучающий (антенный) элемент вследствие ощутимого аэродинамического сопротивления, при соответствующем его исполнении и управлении, может занимать различные промежуточные - между вертикальным и горизонтальным - положения. Это предоставляет дополнительные возможности регулировать характеристики приема-излучения радиоволн.

Для радиосвязи на длинных и сверхдлинных волнах может быть использован и "волновод" между слоями E и D с выходом/входом на ночной стороне Земли (где исчезает слой D) - см. фиг. 3.

Объект, с которым осуществляет связь ТС, находится в области ("пятне") S на ночной стороне Земли, куда попадают сигналы из "волновода". От объекта к ТС сигналы могут направляться обратным путем. Принципиально, "окна" в слое D можно временно проделывать (на дневной стороне) искусственным путем (с помощью плазмогасящих соединений), однако это нежелательно по экологическим соображениям. Для того же, чтобы иметь возможность опустить часть ТС ниже слоя D (т. е. до 80-60 км), требуется решить сложные проблемы теплового нагрева и компенсации весьма значительного аэродинамического торможения ТС.

Пример построения элементарной орбитальной системы согласно изобретению дан на фиг. 4. В каждом сеансе связи ТС отцепляется от KA₁ и переходит на траекторию O'₂ сближения с планетой. На нижнем участке производится обмен информацией между ТС (и - через ее посредство - между КА₁) и наземными объектами, как показано на фиг. 2-3. После этого ТС переходит на восходящий участок траектории, по которому сближается с начальной орбитой, опережая KA₁ на некоторое расстояние.

Следует заметить, что при расцепке КА и ТС орбита КА также изменится - в данном случае КА₁ перейдет на более высокую орбиту, касающуюся исходной орбиты O₁ в точке расцепки (здесь же для простоты считается, что масса KA₁ гораздо больше массы ТС, так что новая орбита КА практически совпадает с O₁).

Для "подхвата" ТС в точке сближения с орбитой O₁ в системе может быть предусмотрен второй КА₂
В предпочтительном варианте система согласно изобретению содержит КА 1 (фиг. 5-6) и тросовую систему с основным кабель-тросом 2 (силовой частью и электро- или оптоволоконной линией связи) и излучающим и/или приемным (антенным) участком 3. Средства стыковки - разделения КА 1 и ТС могут быть совмещены со средствами 4 дистанционной связи между КА и ТС (например, по высокочастотному или лазерному каналу).

В исходном состоянии центр масс связки движется по орбите О₁, а центр масс ТС - по орбите О₂ (фиг. 5). В данном примере эти орбиты круговые.

В системе может быть предусмотрен концевой блок 5 с оборудованием, необходимым для работы приемопередающего участка 3 и функционального сопряжения этого участка с остальной информационной частью - в кабель-тросе 2 и средствах 4.

Кроме этих функций блок 5 выполняет роль "противовеса" и, возможно, защиты участка 3 (по крайней мере, частично) от нагрева в атмосфере, а также для управления положением и движением всего кабель-троса (как в атмосфере, так и вне нее).

Полезной модификацией системы по фиг. 5 может служить показанная на фиг. 8. Согласно этой схеме стыковочно-разделительное устройство, совмещенное со средствами 4 дистанционной связи, содержит дополнительный силовой трос (кабель-трос) с частями 6 и 7 соответственно на ТС и КА. Эти части троса снабжены необходимыми механизмами выпуска-подтягивания (лебедками), концевыми замками и средствами взаимного улавливания в месте расположения замков (т. е. по крайней мере один из тросов 6 или 7 может быть выполнен активным, см., например, [2], с. 120-123).

Наличие дополнительного троса 6-7 облегчает "подхват" ТС при сближении с КА₂ (фиг. 4), тем более, что удаление ТС от исходной орбиты О₁ возрастает вследствие некоторого атмосферного торможения в районе перигея.

Ясно, что может быть построено несколько элементарных орбитальных систем, подобных показанной на фиг. 4, путем, например, равномерного размещения вдоль орбиты нескольких КА: KA₁, КА₂, ...и предусмотра нескольких ТС, соответственно синхронизированных с КА и с ними взаимодействующих в верхних точках траекторий типа О'₂. При этом могут быть выбраны, по известным специалистам методикам, необходимые точки сеансов связи (в перигеях траекторий О'₂ ТС), их увязка с положением на Земле интересующих объектов, периодичность и длительность связи и т.д.

Для более конкретного представления о характеристиках предлагаемой системы связи ниже приводятся некоторые простые оценки.

Максимальное удаление ТС по вертикали (снижение вдоль радиуса орбиты) при отцепке от КА - без предварительной раскачки ТС - составляет примерно 7δ, где δ - расстояние между исходными орбитами O₁ и О₂ на фиг. 5.

При сильной раскачке получаем около 14δ, а при умеренной ≈ 10δ [2; с. 52-53] . Отсюда можно оценить потребную длину троса 2 ТС (фиг. 5) - для заданной высоты основной орбиты (O₁) КА и минимальной высоты полета участка 3-5 ТС (см. фиг. 5-7). Последнюю примем в 100 км.

Отставание KA₁ от отделенной от него ТС, через один оборот по орбите O₁ (без учета изменения орбиты О'₂ в результате малого торможения ТС), составит примерно 12πδ ≈ 38δ. Данным расстоянием определяется расстановка нескольких КА: КА₁, КА₂,... вдоль орбиты О₁.

В табл. 2 даны соответствующие оценки.

Из приведенных данных видно, что на характерных высотах длительного полета КА (~ 500...450 км) длина ТС умеренная и масса силового троса (для материалов типа кевлар и СВМ) невелика. Отставание КА (т.е. расстояние между KA₁ и КА₂ на фиг. 4) составляет, для этих же высот, примерно 2000 км/оборот.

Т. о. , для построения системы "непрерывной" связи (в которой каждая ТС взаимодействовала бы с одним из КА в конце каждого оборота по траектории О'₂) потребовалось бы не менее 20 КА на орбите О₁. При этом число ТС могло бы составлять от 1 до 20. Период между последовательными сеансами связи каждой ТС в такой системе будет порядка 1,5 часов,

Изобретение относится к области связи, осуществляемой с использованием космических аппаратов (КА), и может быть применено для информационного обмена между различными объектами, расположенными на орбитах вокруг планеты, на поверхности планеты, в ее акватории или под поверхностью. Технический результат состоит в расширении волновых диапазонов, применимых в системах спутниковой связи. Средне- и длинноволновую (сверхдлинноволновую) связь с объектами осуществляют при опускании тросовой системы (ТС), отделяемой от КА, до высот, лежащих в районе нижней границы ионосферного слоя Е, и излучении/приеме сигналов данной ТС. При этом связь между КА и ТС может поддерживаться по высокочастотным каналам. При последующем подъеме ТС повторно соединяют ее с КА. Сеансы связи могут периодически повторяться, например, при использовании нескольких ТС и системы КА, согласованных в своем орбитальном движении с этим ТС. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил. 2 табл.

1. Способ осуществления связи, включающий выведение на орбиту вокруг планеты, преимущественно круговую, по меньшей мере одного космического аппарата (КА), снабженного средствами для информационного обмена, и соединенной с КА тросовой системы (ТС), на которой также размещены средства для информационного обмена, размещение ТС в области, лежащей ниже орбиты, по которой движется центр масс КА в результате указанного выведения, отличающийся тем, что указанные средства выполняют с возможностью информационного обмена в заданном волновом диапазоне, при этом производят отделение ТС от КА, в результате которого она переходит на нисходящий участок траектории сближения с планетой, осуществляют излучение и/или прием сигналов ТС при ее движении на участке траектории в районе ее перицентра, а затем - повторное соединение ТС с КА после ее движения по восходящему участку траектории сближения с планетой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе движения ТС по траектории сближения с планетой между ТС и КА поддерживается дистанционная связь. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанная дистанционная связь поддерживается преимущественно при излучении/приеме ТС сигналов в районе указанного перицентра. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что траекторию сближения ТС с планетой выбирают так, чтобы по меньшей мере часть излучающих и/или приемоизлучающих средств ТС в районе указанного перицентра располагалась ниже земного ионосферного слоя Е. 5. Система для осуществления связи, содержащая по меньшей мере один КА, выводимый преимущественно на круговую орбиту вокруг планеты и снабженный средствами для информационного обмена, ТС, на которой также размещены средства для информационного обмена, а также вспомогательные средства управления движением КА и ТС, отличающаяся тем, что указанные средства для информационного обмена выполнены с возможностью осуществления этого обмена в заданном волновом диапазоне, ТС снабжена средствами стыковки и разделения с КА, а указанные средства управления выполнены с возможностью управления движением КА и ТС как в их совместном, так и раздельном полете. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что указанные средства для информационного обмена включают в себя средства для поддержания дистанционной связи между КА и ТС при их раздельном полете. 7. Система по п.5, отличающаяся тем, что содержит несколько КА, размещенных вдоль одной или нескольких орбит. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что содержит несколько ТС, взаимодействующих поочередно с указанными КА.