СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КВАЗИГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК H04B7/185 

Область техники
Спутниковая связь и вещание.

Уровень техники
Реализация идеи требует использования современных спутников связи, ракет-носителей, приемных и передающих устройств с передачей сигналов в аналоговом и цифровом виде. Все эти элементы имеются на рынке.

Сущность изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность использования одного и того же спутника для создания различных сетей связи или вещания: сети малых станций для приема телевизионного вещания и работы в Интернете и сети станций фиксированной спутниковой службы со следящими антеннами.

Известно, что в системах спутниковой связи и вещания наиболее интенсивно используется геостационарная орбита [1, 2]. Достоинства геостационарной орбиты (ГО) по сравнению с другими:
1. Непрерывный (24-часовой) сеанс связи через почти неподвижный (относительно земного наблюдателя) спутник
2. Возможность использования неподвижных (не следящих за спутником) антенн на земных станциях. По этим причинам большинство современных спутников связи и вещания выводятся на геостационарную орбиту.

Однако использование геостационарных спутников связано и с серьезными недостатками.

1. Оформление права на использование точки на ГО требует проведения длительной (многолетней) и дорогостоящей процедуры координации с другими геостационарными сетями, которая на сегодняшний день для любой новой сети почти наверное закончится неудачей из-за перегрузки ГО (в Международном союзе электросвязи (МСЭ) заявлено более тысячи спутников, в ряде точек - много спутников на одну и ту же точку).

2. Из значительной части зоны покрытия (особенно из приполярных районов) спутник виден под низким углом возвышения, что затрудняет размещение земной станции и увеличивает потери сигнала в атмосфере (фиг.1).

3. Значительная часть поверхности северного (и южного) полушария Земли вообще не имеет видимости на геостационарный спутник, особенно высокоширотные районы.

4. Как следствие из п.2 и 3 - для покрытия заданной территории необходимо использовать несколько геостационарных спутников. Так, по Всемирному Плану радиовещательной спутниковой службы (Приложение 30 и 30 А к Регламенту радиосвязи [3]) России для покрытия ее территории выделено 5 позиций на геостационарной орбите.

5. Вывод спутника на геостационарную орбиту требует применения ракеты-носителя большой мощности даже при самом оптимальном размещении стартового полигона вблизи экватора.

При удалении полигона от экватора затраты энергии на выведение спутника на ГО возрастают из-за необходимости перемещения плоскости орбиты.

Последнее обстоятельство особенно неприятно для России. Запуски на ГО приходится осуществлять с космодрома Байконур (46^o северной широты), к тому же на платной основе и с опасностью падения частей ракеты на населенные территории.

Организация сети спутникового вещания и/или связи с использованием спутников на высокой эллиптической орбите со специальным образом выбранными параметрами позволяет исключить перечисленные недостатки.

В этом случае при выводе на орбиту нескольких спутников с необходимым смещением (с одинаковой трассой подспутниковой точки) будет возможен круглосуточный прием и передача сигналов с неподвижных остронаправленных земных антенн, имеющих соответствующую указанному выше телесному углу ширину основного луча диаграммы направленности.

Так, например, если выбрать высокую эллиптическую орбиту с наклонением 63, 43^o (что исключает эволюцию аргумента перигея орбиты из-за полярного сжатия Земли), с высотой перигея 500 км, радиусом орбиты в апогее 46245,39 км, периодом обращения ~12 часов (точно 1/2 длительности земных суток), то трасса подспутниковой точки и граница зоны видимости будут иметь вид, показанный на фиг. 2. Из фиг. 2 следует, что спутник на этой орбите в районе апогея на основном витке будет виден из любой точки северного полушария, на сопряженном - также почти со всего северного полушария и безусловно со всей территории России. Это означает, что одно созвездие спутников позволяет создать две независимые сети связи, используя небольшую часть орбиты в районе апогея.

На фиг. 3 трасса спутника показана в угловых координатах для антенн земной станции и в тех же координатах показаны пределы телесного угла шириной 3^o. Отметим, что ширина луча 3^o соответствует ширине луча стандартной для сетей непосредственного спутникового вещания антенны с диаметром зеркала 60 см на частоте 12 ГГц.

Из фиг. 3 видно, что в течение более чем 3,5 часов спутник находится в пределах луча правильно ориентированной антенны шириной 3^o, и следовательно, вывод на эту орбиту 7-ми спутников обеспечит функционирование 2-х сетей с непрерывным 24- часовым сеансом вещания (или связи) при неподвижных антеннах.

При реализации квазигеостационарной сети не только исключаются все перечисленные выше недостатки геостационарной орбиты, но и достигаются некоторые дополнительные преимущества:
- углы возвышения земных антенн на большей части территории северного полушария гораздо больше, чем в случае ГО, что облегчает установку земных антенн;
- вывод спутника на высокую эллиптическую орбиту требует меньшего расхода энергии, т. е. осуществляется ракетой меньшей мощности (в 1,82 раза, если сравнивать вывод на указанную в нашем примере эллиптическую орбиту из Плисецка с выводом на ГО из Байконура).

Однако запуск 7-ми спутников, что необходимо для непрерывного 24-часового сеанса связи с неподвижными земными антеннами, может представить технические и финансовые трудности. В этом случае возможно ограничиться меньшим числом спутников, например, 3-мя, и обеспечить длительный, например, 8-часовой, фиг.4 (в случае 3-х спутников - непрерывный) сеанс связи при использовании следящих антенн и при этом более кратковременный сеанс связи (например, 3 раза в сутки по 3,5 часа) для неследящих направленных антенн. Так, например, более короткий промежуток работы может быть приемлемым для некоторых случаев вещания, сброса цифровой информации и др.

Источники информации
1. Спутниковая связь и вещание. Справочник под ред. Л.Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997.

2. Кантор Л.Я., Тимофеев В.В. Спутники связи и проблема геостационарной орбиты. М.: Радио и связь, 1987 г.

3. Регламент радиосвязи. Приложения 30, 30 А.

Изобретение относится к области использования сетей спутниковой связи и вещания, которые по своим основным свойствам близки к сетям связи на геостационарной орбите, но используют спутники на высокой эллиптической орбите со специальным образом выбранными параметрами. Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение числа спутников, необходимых для создания сети, с помощью различной длительности сеанса связи для земных станций разного класса. 4 ил.

Способ использования системы спутниковой связи и вещания через спутники на высокой эллиптической орбите, отличающийся тем, что связь осуществляется в течение длительного сеанса с земными станциями, имеющими следящие направленные антенны, и с земными станциями, имеющими неследящие направленные антенны, - в течение более короткого времени, когда спутник является квазигеостационарным.