СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ ЗЕМЛЯ-ЛУНА-ЗЕМЛЯ Российский патент 2003 года по МПК H04B7/185 

Изобретение предназначено для обеспечения радиосвязью отдаленных территорий Земли (Северных районов России), основано на использовании Луны как естественного пассивного ретранслятора.

Известны теоретические и экспериментальные работы [1, 2] по использованию отражения радиосигналов от поверхности Луны при облучении ее наземными радиопередатчиками (радиолокаторами) с помощью направленных на Луну антенн. Луна как естественный спутник Земли обращена к ней всегда одной и той же стороной, что и привлекало специалистов радиосвязи. Первая успешная попытка связи через Луну была осуществлена в 50-е годы 20-го столетия, подтвердив реальность теоретических предположений.

Развитие и ошеломляющие успехи последних десятилетий космических средств дальней радиосвязи на базе активных спутниковых ретрансляторов и сети земных приемных пунктов побудили сделать заключение об отсутствии широких перспектив радиосвязи через Луну как пассивный ретранслятор.

Большое расстояние до Луны (≈40 тыс. км), особенности движения Луны по своей орбите вокруг Земли являются факторами, которые достаточно просто могут учитываться при создании радиосвязи. Наиболее серьезными недостатками такой связи [1, 2] являются большие значения требуемых мощностей земных передатчиков (более 1 кВт) и ограничения по полосе пропускания передаваемых и принимаемых сигналов. В настоящее время считается установленной способность такой системой связи передавать только телеграфные сообщения в полосе частот не более 10 кГц. Следует отметить, что и такая возможность является актуальной для районов, не охваченных услугами спутниковой системой связи (в частности, районы севернее 60^o северной широты).

Предлагаемое изобретение направлено на создание системы радиосвязи Земля - Луна - Земля, которая позволяет обеспечить надежную и круглосуточную связь с отдаленными территориями Земли при существенном уменьшении мощности земных передатчиков с одновременной возможностью расширения полосы частоты передаваемых сигналов.

Известная система радиосвязи Земля - Луна - Земля, в которой Луна является пассивным ретранслятором [2], по своей технической сути может быть принята за прототип.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предложена система радиосвязи Земля - Луна - Земля, включающая в себя земной передатчик радиосигналов, Луну как естественный пассивный ретранслятор и земной приемный комплекс эхо-сигналов от Луны, в которой радиосвязь на участке Земля - Луна осуществлена через дополнительный геостационарный спутник на экваториальной орбите, приемная антенна которого направлена на Землю для приема сигналов земного передатчика, а передающая антенна постоянно направлена на центр диска Луны в течение времени движения по орбите с минимальным расстоянием спутник - Луна и включена на передачу на участке прямой видимости Луны в угле ±θ по отношению к условной оси Земля - Луна, при этом значение θ (удовлетворяет неравенству θ≤0,09^o.

В другом варианте изобретения предложено на экваториальной орбите располагать по крайней мере два дополнительных геостационарных спутника, равноудаленных друг от друга.

Еще в одном варианте изобретения предложено на участке Луна - Земля радиосвязь осуществлять через искусственные спутники, которые расположены в апогее эллиптических орбит, при этом приемные антенны спутников в апогее направлены на центр диска Луны, а передающие антенны направлены на определенные территории Земли.

Также предложен вариант изобретения, по которому на участке геостационарный спутник (спутники) - Луна - спутник на эллиптической орбите связь осуществлена с использованием электромагнитного излучения, частота которого f_св много больше частоты радиосвязи с Землей.

В дальнейшем изобретение поясняется ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг 1. Система радиосвязи геостационарный спутник - Луна - Земля.

Фиг. 2. Положение геостационарного спутника на участке Земля - Луна.

Фиг 3. Система из двух спутников на эллиптической орбите.

Экспериментальная линия радиосвязи Земля - Луна - Земля [2] позволила определить потери мощности на этой трассе, которые при коэффициенте отражения от Луны, равном 0,06, составили к ≈200 дБ. Измеренный средней уровень эхо-сигнала на входе приемника превышал уровень тепловых шумов на 3...4 дБ, напряжение сигнала составило 0,15 мкВ, мощность 3•10^-16 Вт на входном сопротивлении 75 Ом. Для передачи сигналов в направлении Луны использовался передатчик подвижной станции "Марс" в диапазоне частот ≈6 ГГц с мощностью до 3 кВт. Прием эхо-сигналов осуществлялся на обычные антенны земных станций "Орбита".

С учетом рассеивающего характера отражения радиоволн от поверхности Луны справедливо предположить, что суммарные потери на трассах к Луне и от Луны распределены неравномерно, на участке Луна - Земля они больше. Не будет большой ошибкой, если потери на участке связи Земля - Луна будут приняты 70... 80 дБ. При таком допущении мощность радиосигнала в [2], достигающая поверхности Луны, составляет ≤10^-4 Вт (исходная мощность ≈1 кВт).

Увеличение мощности, направленной на Луну, в соответствии с предложением осуществляется за счет помещения на экваториальной орбите дополнительного геостационарного спутника как активного ретранслятора. Связь со спутником производится обычными земными станциями из системы действующей спутниковой дальней радиосвязи, работающими в штатном режиме.

Приемная антенна геостационарного спутника направлена на Землю для приема передаваемых радиосигналов земных станций. Передающая антенна спутника направлена (сориентирована) на центр лунного диска в течение всего времени прямой видимости Луны со спутника. Включение передатчика спутника производится на участке орбиты с минимальным расстоянием до Луны в угле ±θ относительно условной оси Земля - Луна.

На фиг.1 показана система радиосвязи спутник - Луна - Земля. Высота экваториальной орбиты ≈36 тыс. км, расстояние до Луны ≈ 400 тыс. км, поэтому значение угла следует устанавливать из неравенства θ≤0,09^o.

На участке стационарный спутник - Луна радиосвязь проходит в открытом космосе, дополнительные потери мощности при этом ничтожно малы, и ими можно пренебречь. Для этого участка целесообразно рекомендовать использовать мощность для передачи в диапазоне 1...10 Вт, что в 10⁴...10⁵ раз будет превосходить мощности, которые использовались при облучении Луны в работе [2]. Предлагаемое увеличение мощности, направленной на Луну для ее отражения, при незначительной исходной мощности передатчика спутника обеспечивает очевидные энергетические и массовые выгоды при одновременном увеличении надежности приема эхо-сигнала при прочих равных условиях.

Геостационарный спутник при вращении Земли вокруг своей оси попадает в зону невидимости Луны, и для осуществления круглосуточной передачи сообщений в системе связи Земля - Луна - Земля предложено на экваториальную орбиту поместить дополнительно по меньшей мере два геостационарных спутника, равноудаленных друг от друга, как показано на фиг.2. При большем числе спутников появляется возможность уменьшить время включения спутниковых передатчиков при облучении Луны, то есть уменьшать угол θ и охватывать радиосвязью большие отдаленные территории Земли. Расчет продолжительности сеансов связи в этом случае может быть выполнен в соответствии с рекомендациями, изложенными в [1].

Прием эхо-сигналов (телеграфных сообщений) можно рекомендовать обычными антеннами станций "Орбита" при использовании устройства "Диск" [3]. Это устройство обеспечивает достоверность приема посылок в условиях интерференционных замираний.

Создание системы спутниковой радиосвязи, обеспечивающей круглосуточную радиоосвещенность территорий севернее некоторой широты ϕ₀ (для России (ϕ₀≈62^oс. ш. ), рекомендовано [1] использовать спутники на эллиптических орбитах с апогеем в северном полушарии. Согласно Второму закону Кеплера спутник в районе перегея движется значительно быстрее, чем в районе апогея орбиты. Следовательно, большую часть времени спутник находится в районе апогея и линия симметрии времени cd (фиг.3) оказывается смещенной относительно линии симметрии эллипса аb. Понятно, что если запустить на эллиптическую орбиту два спутника и сфазировать их так, что в момент захода в точку Р₂ апогея орбиты первого спутника второй спутник восходит в точку P₁ орбиты, где Т_c - период обращения спутников по орбите, то можно обеспечить круглосуточную освещенность территорий севернее ϕ₀≈62^oс.ш.

Есть также предложения [4] по использованию по меньшей мере трех спутников на эллиптических орбитах, обеспечивающих минимальные экономические затраты.

На основании изложенного и в соответствии с изобретением предложено радиосвязь на участке Луна - Земля осуществлять с использованием спутников на эллиптических орбитах с апогеем в Северном полушарии для России и, соответственно, с апогеем в Южном полушарии для территорий южнее ϕ₀≈62^oю.ш. Передающие антенны таких спутников направлены на Землю для радиоосвещения необходимых территорий. Приемные антенны спутников в апогее орбиты направлены на центр диска Луны. Так как высота эллиптической орбиты в апогее составляет 25 тыс. км, то на трассе Луна - спутник потерями мощности отраженного радиосигнала можно пренебречь.

Следует отметить, что выбор спутников на эллиптических орбитах выгоден не только с экономической стороны (минимальное число спутников), но и с энергетической, так как высота спутников в апогее в системе из двух спутников меньше, чем высота орбиты спутника на круговой орбите в системе трех спутников, с помощью которых также можно обеспечить круглосуточную связь.

Мощности передатчиков таких спутников для ретрансляции принятых от Луны эхо-сигналов соответствуют мощностям действующих сегодня бортовых ретрансляторов на спутниках связи.

Ограничения по рабочей полосе частот сигналов в системе радиосвязи Земля - Луна - Земля, как следует из [1], связаны в первую очередь с тем, что отражающая поверхность Луны является не плоской, а шарообразной. При этом, как показали экспериментальные исследования, Луна не является равномерно ярким рефлектором. Основная энергия эхо-сигнала приходится на первые 100 мкс приема. Часть отраженного сигнала, которая содержит первые 50% отраженной энергии, соответствует поверхности с диаметром 340 км, что почти соответствует 0,1 диаметра Луны.

Таким образом, при использовании Луны как пассивного ретранслятора высокие требования предъявляются как к точной направленности антенны на центр диска Луны, так и к диаграмме направленности излучения передающей антенны. Так, в работе [2] средний радиус зоны, эффективно участвующей в переизлучении (отражении) радиоволн, был равен 700 км (примерно половина радиуса Луны), что и определило телеграфный характер связи.

Одним из вариантов изобретения было предложено на участке связи геостационарный спутник - Луна - спутник на эллиптической орбите использовать электромагнитные излучения с частотой f_св, много большей частоты радиосвязи с Землей. В работах [1 и 5] для дальней космической связи предложен диапазон электромагнитных излучений с длиной волны 0,2...100 мм. Выбор длины волны для такого вида связи в основном следует проводить из наличия надежных излучателей и модуляторов излучения.

Использование лазеров [5] в виду их громоздкости и большой энергоемкости системы питания связано с большими экономическими затратами, хотя практически возможно.

Предлагается для указанной трассы связь осуществлять на базе полупроводниковых светодиодов ("плохой лазер"), световая характеристика излучения которых определяется отношением λ/Δλ ≈ 10, где λ - основная длина волны излучения; Δλ - ширина спектральной характеристики на полувысоте. К достоинствам такой связи следует отнести:
- малую мощность излучения ≈1 Вт;
- возможность оптическими средствами сформировать на поверхности Луны освещенное пятно достаточно малых размеров (≈300...400 км);
- малые размеры приемных и передающих антенн;
- простоту модуляции излучения в широкой полосе частот
- большой срок безотказной работы (более 20000 ч).

Учитывая пылевую структуру поверхности Луны, в качестве длины волны может быть рекомендован диапазон 3...5 мкм. В этом случае наиболее целесообразно в качестве базы применять полупроводниковые приборы, предназначенные для термографической и спектральной аппаратуры [6, 7].

Уменьшение освещенного пятна на поверхности Луны лежит в основе возможного расширения полосы частот сигналов, включая и телевизионный.

Использованная литература
1. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф., Каблукова М.В. Космическая радиосвязь.- М.: Советское радио, 1979, 275 с.

2. Гусятинский И.А., Вайсбург Г.М., Зильберман А.Р., Цирлин И.С., Шур А. А. Передача телеграфных сообщений при использовании отражения радиоволн от Луны // Электросвязь, 1977, 4, с.26-28.

3. А.с. 465709 (СССР). Устройство для приема дискретной информации. / Г. М. Вайсбург, И.А. Гусятинский, А.Р. Зильберман, А.С. Немировский, И.С. Цирлин.- БИ, 1975, 12.

4. Патент РФ 2149507 Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит/В.Н Даннау и др. БИ 14, 20.05.2000.

5. Пратт В. Лазерные системы связи: Перевод с англ. - Ленинград, Гос. изд. судостроительной промышленности, 1963.

6. Айдералиев М., Зотова Н.В. и др. Низкопороговые лазеры 3...3,5 мкм на основе ДГС In-As-Sb-H // Письмо в ЖТФ, 1989, том.15. Вып.15, с. 49-52.

7. Именков А.Н. и др. Оптоэлектронные полупроводниковые пары излучатель - фотоприемник в спектральном диапазоне 1,8...4,8 мкм // Первая Всесоюзная конференция, ((Физика конверсии)) - Калининград: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, АН СССР, 1984. Тезисы с.149.

Изобретение относится к технике спутниковой связи. Технический результат заключается в обеспечении надежной и круглосуточной связи с отдаленными территориями Земли при существенном уменьшении мощности земных передатчиков. На участке Земля - Луна дополнительно включен геостационарный спутник на экваториальной орбите, приемная антенна которого направлена на Землю для приема сигналов земного передатчика, а передающая антенна постоянно направлена на центр диска Луны в течение времени движения по орбите с минимальным расстоянием спутник - Луна и включена на передачу на участке прямой видимости Луны в угле ±θ по отношению к условной оси Земля - Луна, при этом значение θ удовлетворяет неравенству θ≤0,09^°. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система радиосвязи Земля-Луна-Земля, включающая в себя земной передатчик радиосигналов, Луну, как естественный пассивный ретранслятор, и земной приемный комплекс эхо-сигналов от Луны, отличающаяся тем, что на участке Земля - Луна дополнительно включен геостационарный спутник на экваториальной орбите, приемная антенна которого направлена на Землю для приема сигналов земного передатчика, а передающая антенна постоянно направлена на центр диска Луны в течение времени движения по орбите с минимальным расстоянием спутник - Луна и включена на передачу на участке прямой видимости Луны в угле ±θ по отношению к условной оси Земля - Луна, при этом значение θ удовлетворяет неравенству θ≤0,09^o, мощность излучения сигнала в направлении Луны составляет не более 10 Вт, а диаметр радиопятна на поверхности Луны не более 700 км. 2. Система радиосвязи по п. 1, отличающаяся тем, что на экваториальной орбите расположены, по крайней мере, два дополнительных геостационарных спутника, равноудаленных друг от друга. 3. Система радиосвязи по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на участке Луна - Земля радиосвязь осуществляется через искусственные спутники, которые расположены в апогее эллиптических орбит, при этом приемные антенны спутников в апогее направлены на центр диска Луны, а передающие антенны направлены на определенные территории Земли. 4. Система радиосвязи по п. 3, отличающаяся тем, что на участке геостационарный спутник/спутники - Луна - спутник/спутники на эллиптической орбите связь осуществляется с использованием электромагнитного излучения, частота которого f_св много больше частоты радиосвязи с Землей.