СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПОДВИЖНЫМИ И СТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ, ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕФОННЫХ СООБЩЕНИЙ И ДАННЫХ Российский патент 2005 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к области связи, а точнее к системам радиосвязи с использованием искусственных спутников Земли.

Известен проект "Региональной системы персональной спутниковой связи “Зеркало-КР”", технические параметры которого приведены в журнале "Connect" №50 за 2000 год.

Проект "Региональной системы персональной спутниковой связи “Зеркало-КР”" основан на использовании космического аппарата с многолучевой бортовой антенной с большим рефлектором.

Предполагается, что региональные системы могут быть использованы в тех регионах, в которых не развиты инфраструктуры связи и где эти услуги могут быть востребованы. Диапазоны используемых частот для приема и передачи абонентских терминалов подвижной службы выбран L(S) при общей полосе 29 МГц, а для фидерной линии С при полосе 160 МГц.

Предполагается, что система может обеспечить телефон /факс и передачу данных при связи абонентов данной системы между собой. Кроме этого, телефон/факс и передачу данных при связи абонентов данной системы через ЦЗС с абонентами телефонной сети общего пользования, а также персональный радиовызов.

Для организации прямой связи между абонентами системы будет использоваться бортовой процессор обработки и коммутации абонентских сигналов. Как и во многих многолучевых системах предполагается многократное использование выделенной для системы полосы частот. Кратность использования составляет 4-5.

Скорость передачи информации до 9,6 кбит/с.

Многолучевые антенны L(S) - диапазона, оборудованные большими развертываемыми на орбите рефлекторами с эквивалентным диаметром порядка 12 м, формирующие 30-40 лучей с узкими диаграммами направленности. Зона обслуживания абонентов эквивалентна зоне обслуживания бортовой антенной с шириной диаграммы направленности порядка 10°×(4÷5)°.

Выход абонентов системы на телефонные общекоммутируемые сети предусматривается через шлюзовые станции.

Абонентские терминалы будут двухмодовыми, что позволит им работать еще и в сетях сотовой связи.

В качестве земных шлюзовых станций предполагается использовать станции с диаметром антенн не менее 6 м.

Многоствольная полезная нагрузка предъявляет новые требования к модулю служебных систем, особенно к системе электропитания и терморегулирования.

Общее энергопотребление модулей полезной нагрузки и служебных систем составляет порядка 6900 Вт.

Общая масса космического аппарата около 2600 кг.

Масса модуля полезной нагрузки порядка 700 кг, потребляемая им мощность 5700-6300 Вт.

Вывод КА на ГСО осуществляется тяжелой ракетой-носителем “Протон”.

К недостаткам системы можно отнести, то что она рассчитана на предоставление пользователям каналов голосовой связи и обмена низкоскоростной информацией.

По существу, предлагаются пользователям те же услуги связи, что и обеспечивают сотовые системы. Таким образом, представляемая система является конкурентом быстро развивающихся сотовых систем связи и должна учитывать их дальнейшее развитие.

В любом случае, создание новой системы с такими же услугами связано с большим риском. Подтверждением этого служит банкротство системы спутниковой связи “IRIDIUM”, основанной на группировке низколетящих спутников и предлагающей такие же услуги связи.

В системах спутниковой связи, предназначенных для мобильной связи на основе геостационарных спутников, должна быть предусмотрена возможность повышения энергетического потенциала радиолиний и возможности работы в системе малых абонентских терминалов, подобных терминалам сотовых систем.

Для обеспечения приемлемых энергетических соотношений на борту геостационарного спутника приходится устанавливать антенны большого диаметра и с их помощью покрыть всю обслуживаемую территорию со спутника узкими лучами с большим усилением.

Технические сложности при реализации подобных систем возникают при необходимости организации связи между абонентами, расположенными в зонах действия разных лучей. Для этого требуется установка на спутнике сложных и дорогих устройств демодуляции и коммутации на борту.

Кроме этого на спутнике требуется установка большого количества транспондеров. Такое количество транспондеров может быть установлено на тяжелых спутниках и их вывод на орбиту может быть осуществлен тяжелыми ракетоносителями. Все это определяет их высокую стоимость.

Система с большими первоначальными капиталовложениями может окупиться при развитых земных сетях и при значительном риске.

В последние годы широкое распространение получили системы подвижной связи и особенно сотовой связи. Массовое производство аппаратуры сотовой связи и значительное количество пользователей дали возможность резко снизить стоимость предоставляемых услуг. Тем не менее эффективное использование сотовых систем возможно в крупных городах и густонаселенных местностях. В других районах с малой плотностью населения могут быть использованы системы спутниковой связи. К таким системам можно отнести прежде всего такие системы как "IRIDIUM" и "GLOBALSTAR", основанные на использовании низколетящих спутников. К недостаткам подобных систем можно отнести необходимость использования большого количества дорогих и сложных космических аппаратов. В результате этого стоимость предоставляемых услуг оказалась весьма высокой и не удалось набрать достаточное количество пользователей, которое дало бы возможность обеспечить конкурентоспособность и самоокупаемость систем. Компания "IRIDIUM" объявила о своем банкротстве, а копания "GLOBALSTAR" имеет серьезные экономические трудности. С целью создания систем по более низкой стоимости были разработаны проекты региональных систем спутниковой связи.

К подобным системам может быть отнесена и запущенная в эксплуатацию региональная геостационарная система мобильной спутниковой связи ACeS (КА GARUDA-1), журнал “Информ Курьер Связь” №11, 2002 г.

12 февраля 2000 года российским ракетоносителем "Протон" был выведен на орбиту первый спутник индонезийской системы Asia Cellular Satellite System (AceS), предназначенной для оказания услуг спутниковой подвижной связи. Спутник, получивший название Гаруда-1, - самый тяжелый из всех, когда-либо произведенных компанией LMMS (4500 кг). Это также самый большой коммерческий груз, выведенный на орбиту РН "Протон".

Руководство компании предполагало с начала эксплуатации в августе 2000 года за первый год привлечь 130-150 тыс. абонентов. Система рассчитана на обслуживание 1 млн. абонентов и поддерживает до 11 тыс. одновременных телефонных соединений.

Компактные мобильные двухмодовые пользовательские терминалы были разработаны и изготовлены фирмой Эрикссон. Однако по мере освоения системы все большее значение получили фиксированные спутниковые терминалы. Компания динамично развивается, хотя и обслуживает на сегодня только 35 тыс. мобильных пользователей и 15 тыс. фиксированных терминалов.

В настоящее время компания при активной поддержке национальных и местных правительств проводит в жизнь программу "Деревенский телефон". Уже установлено 15 тыс. фиксированных телефонных аппаратов.

Наряду с этим ACeS активно разрабатывает и внедряет новые услуги - системы слежения за объектами, сбор информации/передача данных (до 300 кбит/с).

На спутнике использована многолучевая антенна, и для обеспечения связи между абонентами, находящимися в разных лучах, на спутнике установлен бортовой процессор цифровой обработки и коммутации абонентских сигналов. При создании процессора были разработаны и реализованы новые принципы групповой обработки большого числа сигналов и создана новая специализированная элементная база.

К недостаткам системы можно отнести то, что она при проектировании была ориентирована на предоставление телефонной связи и обмена низкоскоростной информацией, то есть по существу на те же услуги, что и предоставляют системы сотовой связи. Неслучайно, что динамично развивающаяся компания в последнее время все более склоняется к предоставлению услуг фиксированной связи и возможности в связи с этим расширения круга пользователей. Пользователи фиксированной связи могут получить новые услуги, такие как системы слежения за объектами, сбор информации /передача данных (до 300 кбит/сек). Предоставление новых услуг компания пытается внедрить на существующем космическом аппарате, не предназначенном для этих целей. К другим недостаткам можно отнести установленную на борту специально разработанную сложную систему коммутации сигналов и в результате этого высокую стоимость космического аппарата и соответственно относительно высокую стоимость предоставляемых услуг. Система не предназначена для коммутации высокоскоростных потоков информации и не может быть использована для работы в современных широкополосных информационных сетях.

Известна система спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных по патенту Российской Федерации №2118056, МКИ Н 04 В 7/185.

Данная система спутниковой связи состоит из выведенных на круговые орбиты высотой 500-900 км искусственных спутников, выведенных на геостационарную орбиту искусственных спутников, выведенных на промежуточные орбиты высотой 2900-3100 км искусственных спутников, абонентских станций и диспетчерских станций, земных станций геостационарной системы. На пригодных для использования в системе геостационарных спутниках могут быть установлены антенны глобальные (17°х17°), полуглобальные (17°×12°) или различные региональные (раскрыв около 5°×6°, 6°×11° и т.д.), которые охватывают всю обслуживаемую территорию. Выделенная для системы спутниковой связи полоса частот, как правило, делится на отдельные стволы, ширина полос которых составляет 36 МГц или 72 МГц. На спутниках преобразование в указанных полосах сигналов, поступивших от приемных антенн, в выходные сигналы осуществляется с помощью транспондеров, состоящих из малошумящих усилителей, преобразователей вниз, усилителей промежуточной частоты, преобразователей вверх и усилителей мощности.

С помощью этой системы возможно решение следующих задач:

- наблюдение за местонахождением и состоянием ценных дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах;

- доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов;

- установление двусторонних телефонных связей между абонентами;

- передача данных между произвольными абонентами системы.

Данная система спутниковой связи основана на использовании спутников, работающих на низких высотах, что обеспечивает хорошую энергетику радиолиний и благоприятные условия для работы земных станций абонентов. При этих условиях удается сделать абонентскую переносимую станцию весом не более 0,5 кг и сроком работы без подзарядки аккумуляторных батарей до одного года.

Хорошая энергетика линий связи для низколетящих спутников делает возможным использование простых легких спутников с малым потреблением электроэнергии. Спутники могут быть выведены на орбиты ракетами малой мощности, при этом создание группировки и ее поддержание будут иметь низкую стоимость. Для выведения ракет в этом случае могут быть использованы ракеты стратегического назначения, снимаемые с вооружения по договорам о сокращении стратегических вооружений.

В результате цена услуг, предоставляемых специализированной системой, может оказаться существенно ниже, чем у универсальной системы.

Указанная система является наиболее близкой к заявляемому объекту и выбрана в качестве прототипа.

К недостаткам указанной системы следует отнести ориентированность ее на передачу низкоскоростной информации и невозможности передачи широкополосной информации, что существенно ограничивает использование системы в качестве среды передачи в единой информационной системе.

Земные станции геостационарной системы обеспечивают передачу широкополосной информации, работают совместно с зоновыми станциями, однако имеют антенны большого диаметра (от 4 м и более) и не могут быть установлены на стационарных объектах наблюдения. Наблюдение за функционированием стационарных объектов ведется с использованием узкополосных каналов связи, в то время как наблюдение за многими стационарными объектами требует использования широкополосных каналов. Широкополосная связь все больше требуется и для многих продвинутых индивидуальных пользователей, а также для многих мобильных абонентов.

Основным направлением мирового развития общества в новом веке станет создание Информационно-Коммуникационных технологий (ИТ), которые являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на формирование общества двадцать первого века.

Информационно-Коммуникационные технологии (совокупность каналов связи, средств коммутации и управления) должны стать физической основой (фундаментом, каркасом) Глобального Информационного Общества и обеспечить транспортные услуги для передачи данных любого типа с необходимым уровнем качества обслуживания.

Помимо сетевого оборудования в построении широкополосных мультисервисных сетей важное место занимают транспортные системы связи.

Предварительная проработка вопросов создания транспортной системы требуемого качества показала, что ее невозможно построить на основе какой-либо одной среды передачи и, по всей вероятности, в создании транспортной системы будут участвовать несколько сред передачи, такие как ВОЛС, цифровые радиорелейные линии, кабельные линии и системы спутниковой связи.

Системы спутниковой связи могут быть использованы в качестве транспортных систем в случае решения задачи предоставления массовым пользователям доступа к широкополосным сетям.

Во многих случаях с помощью систем спутниковой связи можно обеспечить качественные каналы связи с меньшими затратами и в более короткие сроки.

Для принятия технических решений основополагающее значение имеет стоимость создания системы, время развертывания, эксплуатационные расходы, возможность дальнейшего ее развития и модернизации.

Прогресс в развитии космических технологий и электроники обеспечил возможность оптимизации параметров земных и космических станций, в результате чего удалось снизить стоимость земных станций, диаметров их антенн, мощностей передатчиков, повысить экологическую безопасность, что обусловило возможность установки малых станций геостационарной системы спутниковой связи непосредственно у пользователей и существенно снизить стоимость создания земных сетей.

Задачей настоящего предложения является создание на основе геостационарных спутников с трансформируемой полезной нагрузкой гибкой интегрированной системы спутниковой связи, которая могла бы быть использована в качестве одной из сред передачи в единой цифровой информационной системе и обеспечить транспортные услуги для передачи данных любого типа с необходимым уровнем качества обслуживания. Система предназначена для обеспечения работы региональных, национальных, местных информационных сетей и индивидуальных пользователей и предоставляет пользователям доступ к широкополосным мультимедийным сетям, возможность приема и передачи различных потоков информации на ближние и дальние расстояния с использованием малых абонентских станций.

Решение указанной задачи достигается созданием системы спутниковой связи, состоящей из выведенных на круговую геостационарную орбиту искусственных спутников с установленными на них антеннами, ретрансляторами и их земных станций, включающих центральную станцию управления системой спутниковой связи, станцию управления спутниками и абонентских станций, в которой каждая установленная на спутнике антенна выполнена многолучевой в виде - приемной, облучающей одним или многими узкими лучами каждую зону, на которые поделена обслуживаемая территория, и передающей, формирующей по одному контурному лучу на каждую зону, а ретранслятор выполнен в виде последовательно соединенных малошумящих усилителей, подключенных к каждой приемной узконаправленной антенне, дистанционно управляемых преобразователей вниз, количество которых соответствует количеству полос частот, на которые поделены выделенные для зон полосы частот, дистанционно управляемых полосовых фильтров промежуточной частоты, усилителей промежуточной частоты и дистанционно управляемых преобразователей вверх, при этом система снабжена установленными для каждой зоны устройствами сложения сигналов, входы которых соединены с преобразователями вверх, обрабатывающими сигналы, предназначенные для данных зон, а выходы соединены с входами усилителей мощности, соединенных выходами с передающими зоновыми антеннами, а также главными зоновыми станциями управления и контроля местными сетями, расположенными в зонах.

Кроме этого, ретранслятор снабжен полосовыми фильтрами, пропускающими сигналы в полосах частот определенных для абонентов, находящихся в зонах действия этих антенн и подключенными к выходу каждой приемной узконаправленной антенны и ко входу малошумящих усилителей, при этом ретрансляторы снабжены устройствами сложения сигналов, объединяющие сигналы, приходящие от двух и более управляемых полосовых фильтров и направляющие объединенные сигналы на усилители промежуточной частоты.

Авторам неизвестны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения.

Сущность изобретения и некоторые возможные варианты исполнения систем спутниковой связи поясняются чертежами, на которых представлены:

На фиг.1 - система спутниковой связи, предназначенная для обслуживания региональных, национальных, ведомственных информационных сетей и индивидуальных пользователей.

На фиг.2 - система спутниковой связи на основе легкого космического аппарата, предназначенная для обслуживания региональных, национальных, ведомственных информационных сетей и индивидуальных пользователей на территории из 3-х зон.

На фиг.3 - использование полосы частот, выделенной для системы спутниковой связи на основе легкого космического аппарата с трансформируемой полезной нагрузкой.

На фиг.4 - примеры распределения зон на территориях, обслуживаемых легким, средним или тяжелым космическими аппаратами.

На фиг.5 - структурная схема бортового ретрансляционного комплекса с трансформируемой полезной нагрузкой системы спутниковой связи, предназначенной для обслуживания национальных, региональных, ведомственных и местных информационных сетей, а также индивидуальных пользователей на территории из 3-х зон.

На фиг.6 - использование полосы частот, выделенной для системы спутниковой связи на основе среднего космического аппарата с трансформируемой полезной нагрузкой.

На фиг.7 - структурная схема бортового ретрансляционного комплекса с трансформируемой полезной нагрузкой системы спутниковой связи, предназначенной для обслуживания национальных, региональных, ведомственных и местных информационных сетей, а также индивидуальных пользователей на территории из 5-ти зон.

На фиг.8 - примеры покрытия узкими лучами территорий, разделенных на три зоны.

На фиг.9 - структурная схема бортового ретрансляционного комплекса с трансформируемой полезной нагрузкой системы спутниковой связи, предназначенной для обслуживания национальных, региональных, ведомственных информационных сетей и типа Интернет на территории из 3-х зон с 11 узкими приемными лучами в каждой зоне.

На фиг.10 - фрагмент структурной схемы бортового ретрансляционного комплекса для 2-ой зоны с трансформируемой полезной нагрузкой и объединением информационных потоков системы спутниковой связи, предназначенной для обслуживания национальных региональных, ведомственных информационных сетей и типа Интернет на территории из 3-х зон с 11 узкими приемными лучами в каждой зоне.

Система спутниковой связи состоит из спутника связи 1 (фиг.1), выведенного на геостационарную орбиту; станции управления космическим аппаратом 2; центральной станции управления и контроля системой спутниковой связи 3; национальных, региональных, ведомственных, местных сетей спутниковой связи и станций управления этими сетями 4; малых абонентских станций 5.

На фиг.2 показан один из примеров территории, разделенной на три зоны.

На спутнике установлены многолучевые антенны 6 (фиг.2) в виде - приемной, облучающей одним лучом 7, 8, 9 (фиг.5) каждую зону, на которые поделены обслуживаемые территории (фиг.2 и фиг.4).

Ретранслятор выполнен в виде последовательно соединенных малошумящих усилителей 10, 11, 12 (фиг.5), входы которых подключены к выходу каждой приемной остронаправленной антенны 7, 8, 9 (фиг.5), а выходы - к дистанционно управляемым преобразователям вниз 13-27 (фиг.5), которые соединены с дистанционно управляемыми полосовыми фильтрами 28-42 (фиг.5). Полосовые фильтры соединены с усилителями промежуточной частоты 43-57 (фиг.5), выходы которых соединены с дистанционно управляемыми преобразователями вверх 58-72 (фиг.5). Преобразователи вверх соединены со входами сумматоров сигналов 73, 74, 75 (фиг.5), выходы которых соединены со входами бортовых усилителей мощности 76, 77, 78 (фиг.5), а выходы которых в свою очередь соединены с многолучевой передающей антенной, формирующей по одному контурному лучу 79, 80, 81 (фиг.5) на каждую зону.

С целью снижения объемов оборудования ретранслятор снабжен полосовыми фильтрами 363-373 (фиг.10), пропускающими сигналы в полосах частот определенных для абонентов, находящихся в зонах действия этих антенн 352-362 (фиг.10) и подключенными к выходу каждой приемной узконаправленной антенны и ко входу малошумящих усилителей 374-384 (фиг.10), при этом ретранслятор снабжен устройствами сложения сигналов 479-490 (фиг.10), объединяющими сигналы, приходящие от двух и более управляемых переменных фильтров 435-478 (фиг.10), и направляющие объединенные сигналы на усилители промежуточной частоты 479-490 (фиг.10).

Вся обслуживаемая со спутника территория делится на отдельные зоны (некоторые примеры представлены на фиг.4), количество и размеры которых определяются на основании экономических, административных связей регионов и технической целесообразности. В зависимости от размеров обслуживаемой территории и количества зон система может быть основана на использовании легких, средних или тяжелых спутников.

Прием сигналов от абонентов обеспечивает установленная на спутнике приемная многолучевая антенна 7-9 (фиг.5), 82-86 (фиг.7), 142-174 (фиг.9), которая в зависимости от проведенной оптимизации линии земля-космос, возможностей космического аппарата и поставленных задач может облучать каждую зону одним лучом 7, 8, 9 (фиг.5) или многими узкими лучами 142-152, 153-163, 164-174 (фиг.9).

Целью оптимизации линий земля-космос является обеспечение такого энергетического потенциала радиолиний, при котором возможен прием с заданным уровнем качества слабых широкополосных сигналов от абонентских станций с антеннами малого диаметра и передатчиками малой мощности и соблюдение при этом требований недопущения помех соседним спутникам от действующей сети земных станций.

Передачу сигналов на земные станции обеспечивает установленная на спутнике многолучевая передающая антенна, каждый луч которой обслуживает свою зону.

Предложенная схема обеспечивает возможность функционального разделения линий земля - космос и космос - земля, при котором энергетический расчет и выбор параметров линий вверх и вниз проводятся независимо друг от друга.

Оптимизация линий космос-земля дает возможность обеспечения такой энергетики радиолиний, при которой в любой точке зоны могут быть установлены абонентские станции с антеннами малого диаметра для приема широкополосных сигналов.

Для обслуживания территории малого размера с небольшим количеством зон возможно использование в системе легкого космического аппарата и простой конфигурации полезной нагрузки. В случае значительных размеров территории и количества зон возрастает сложность, габариты и вес полезной нагрузки, которая может быть размещена на космическом аппарате среднего или тяжелого классов.

При делении обслуживаемой территории на зоны и ориентировании системы на обслуживание массовых пользователей, включая и индивидуальных пользователей, необходимо обеспечить эффективность использования выделенной для системы полосы частот и схему работы в системе сетей и индивидуальных пользователей.

С целью повышения эффективности использования выделенной для системы спутниковой связи полосы частот вся выделенная полоса частот делится на две части, которые на основе принципа пространственного разнесения используются многократно и поочередно выделяются для зон. Многократно используемые полосы частот образуют общую эффективную полосу, в которой могут работать сети спутниковой связи.

Для снижения взаимовлияний сетей, работающих на одних и тех же частотах, на спутнике применяются зоновые антенны с контурными диаграммами направленности.

Для организации работы местных, региональных и национальных сетей, а также индивидуальных пользователей выделяются полосы частот в пределах выделенных для зон полос.

Местные сети могут работать как в пределах зон, так и иметь связи с сетями, расположенными в других зонах. Региональные и национальные сети охватывают, как правило, несколько зон. Операторы могут заказывать необходимые для своих сетей частотные полосы и организовывать в них работу.

Суммарный объем циркулирующей в каждой зоне информации оценивается шириной полосы частот, которая должна быть выделена для зоны, при условии обеспечения заданного уровня качества. Точно также суммарный объем информации между зонами определяется полосами частот, выделяемых для межзоновых связей.

В выделенных полосах образованы прозрачные каналы, в которых могут передаваться различные виды информации и использоваться различные режимы работы.

В этих полосах организуются как постоянные выделенные линии связи для передачи всех видов цифровой информации, так и системы предоставления каналов по требованию. Используются системы многостанционного доступа с частотным разделением и системы многостанционного доступа с временным разделением.

В постоянно выделенных каналах создаются сети со специальными требованиями к каналам связи, охватывающие как одну, так и несколько зон.

В системе предусмотрена возможность изменения в значительных пределах ширины выделенных полос и формирования спектров частот для передачи информации со спутника в отведенные зоны и на центральную станцию.

Полосы частот могут перераспределяться по результатам анализа, полученным в процессе эксплуатации системы. Это особенно важно при предложении новых услуг связи, услуг по предоставлению широкополосного доступа, по которым нет достоверных данных по графику.

При недостоверности результатов маркетинговых исследований и невозможности научно обоснованного прогнозирования дальнейшего развития потребностей в предоставлении новых услуг связи, таких как широкополосная связь, и соответственно без достоверной информации по количеству пользователей, их географическому расположению, невозможно спроектировать необходимую конфигурацию полезной нагрузки и обеспечить загрузку космического сегмента.

Возможность изменения выделенных полос частот при эксплуатации системы под изменяющиеся в течение времени требования пользователей повышает эффективность системы.

Система позволяет многократное использование частотного спектра. Полосы частот, выделенные для системы спутниковой связи на основе легкого космического аппарата на линиях космос-земля и земля-космос, а также эффективные полосы частот представлены на фиг.3.

Выделенная для системы полоса частот разделена на две части и образованы две полосы частот, а обслуживаемая со спутника территория разделена на 3 зоны, в которых могут последовательно использоваться эти полосы.

В качестве некоторых примеров на фиг.4 показаны три отличающиеся по размерам территории, из которых первая территория разделена на три зоны, вторая территория разделена на пять зон и третья территория разделена на семь зон. В зависимости от размеров территории и предоставленной для системы полосы частот определяется выбор космического аппарата и комплектация его полезной нагрузки. Таким образом, для малой территории и трех зон обслуживания, на которые она разделена, предпочтительным является выбор легкого космического аппарата. Для средней территории и большего количества зон наиболее эффективным может быть использование среднего спутника, а для большой территории и количества зон эффективным может оказаться использование тяжелого спутника.

Территории обслуживания, представленные на фиг.4, обозначены прерывистой линией.

В результате многократного использования выделенной полосы частот эффективная полоса может значительно превосходить выделенную полосу частот.

Это в первую очередь зависит от количества зон обслуживания, в которых используются полосы частот многократно.

Так, грубо можно определить, что на территории, в которой определены три зоны, возможно повторить одну из полос дважды, и тогда эффективная полоса превосходит реально выделенную в 1,5 раза.

При четырех зонах эффективная полоса будет превосходить выделенную в два раза.

При пяти зонах эффективная полоса будет превосходить выделенную в 2,5 раза.

При шести зонах эффективная полоса частот будет превосходить реальную в 3 раза, а при семи зонах эффективная полоса будет превосходить реальную в 3,5 раза.

Выделенная для системы полоса частот может быть разделена как на равные две части, так и на неравные части. Ширина выделяемых для зон полос частот определяется объемами передаваемой информации.

В информационных системах значительные объемы передаваемой информации составляют связи между абонентами и центральной станцией. Центральная станция обычно располагается в административном и научном центре, в котором сосредоточены основные банки данных и офисы государственных и ведомственных учреждений и крупнейших компаний. Расположение центральной станции в какой-либо зоне может существенно увеличить нагрузку той зоны, в которой она расположена, что в свою очередь потребует выделение для этой зоны более широкой полосы частот.

В соответствии с предлагаемым решением возможна реализация нескольких вариантов систем спутниковой связи.

Вариант 1

В данном варианте рассматривается система спутниковой связи, основанная на легком космическом аппарате. Система может быть развернута с наименьшими первоначальными затратами и наиболее приспособлена для получения статистических данных о географическом расположении пользователей и распределении информационных потоков. На космическом аппарате используется наиболее простая полезная нагрузка с возможностью перераспределения частотных полос между пользователями.

Рассмотрим территорию, разделенную на три зоны и центральную станцию, расположенную во второй зоне. Тогда для первой зоны, как показано на фиг.3, выделяется полоса частот F₁-F₅, для второй зоны выделяется полоса частот F₅-F₁₀, состоящая из полосы F₅-F₆, выделяемой для центральной станции и полосы F₆-F₁₀, выделяемой для абонентов второй зоны. В третьей зоне используется полоса частот F₁-F₅. При большом объеме информационного обмена центральной станции с абонентами системы необходимо увеличение полосы частот, выделенной для зоны, в которой расположена центральная станция.

При определении эффективности использования выделенной полосы частот и неравенстве выделяемых для зон полос необходимо вычислить коэффициент, показывающий отношение эффективно используемых полос частот к выделенной для системы спутниковой связи полосе частот.

где К - коэффициент эффективности использования выделенной полосы частот.

Полоса частот F₅-F₆ предназначена для подачи сигналов с центральной станции на спутник.

В общем случае, при делении территории на большее количество зон, будут меняться коэффициенты, стоящие перед круглыми скобками и показывающие, какое количество раз используется в системе левая или правая полосы частот.

Структурная схема бортового ретрансляционного комплекса представлена на фиг.5. На космическом аппарате установлена многолучевая антенна, каждый луч которой направлен на свою зону.

В ретрансляторе группа элементов повторяется многократно, и количество их зависит от выбранной схемы, поэтому для краткости дальнейшего изложения определим эту группу и дадим ей наименование "переносчик", который выполняет роль переноса приемного сигнала в выходной сигнал и состоит из преобразователя вниз 13 (фиг.5) со смесителем и дистанционно управляемым синтезатором частоты, переменного дистанционно управляемого полосового фильтра промежуточной частоты 28 (фиг.5), усилителя промежуточной частоты 43 (фиг.5) и преобразователя вверх 58 (фиг.5) со смесителем и дистанционно управляемым синтезатором частоты.

В переносчики не входят малошумящие усилители (МШУ), устройства суммирования и усилители мощности.

Малошумящие усилители подключаются к выходам приемных антенн. К выходам МШУ подключаются переносчики, количество которых определяется конкретно реализуемой схемой. Переносчики подключаются к устройствам суммирования, соединенным с усилителями мощности. Количество устройств суммирования и мощных усилителей равно количеству зон, на которые разделена территория.

Сигналы от абонентов первой зоны поступают на приемную бортовую антенну 7 (фиг.5), затем усиливаются малошумящим усилителем 10 (фиг.5) и поступают на преобразователи вниз 13, 16, 18, 20 (фиг.5). Полоса частот F₁-F₅ используется многократно, в данном случае дважды и разделена на четыре полосы, одна из которых F₁-F₂ предназначена для обслуживания абонентов первой зоны, полоса F₂-F₃ предназначена доя установления связей между абонентами первой и второй зон, полоса F₃-F₄ предназначена для организации связей между абонентами первой и третьей зон и полоса F₄-F₅ предназначена для связей между абонентами первой зоны и центральной станцией.

В полосе F₁-F₂ работают местные зоновые сети. Сигналы абонентов первой зоны поступают на преобразователь 13 (фиг.5), который преобразовывает сигналы в промежуточную частоту. Синтезатор преобразователя управляется дистанционно и может по командам перемещать полосу по сетке частот. Основное назначение преобразователя совмещать центральную частоту полосы F₁-F₂ с центральной промежуточной частотой. Ширина полосы обозначается индексом Δf₁. В случае изменения ширины полосы, определенной для первой зоны, совмещение центральных частот может быть выполнено синтезатором по командам главной зоновой станции или центральной станции. Далее сигналы первой зоны поступают на полосовой переменный фильтр ПЧ 28 (фиг.5), который выделяет необходимую полосу, и далее сигналы после усилителя промежуточной частоты 43 (фиг.5) поступают на преобразователь вверх 58 (фиг.5), который преобразовывает сигналы в выходную полосу частот. Переменный полосовой фильтр ПЧ, управляемый по командам главной станции, служит для выделения необходимой промежуточной полосы при изменении полосы частот, выделенной для первой зоны. Преобразователь вверх, кроме преобразования промежуточной частоты сигналов в выходные частоты, служит для расположения сигналов на шкале частот и формирования полосы частот для излучения сигналов на зону I. Сигналы после преобразователя вверх 58 (фиг.5) поступают на устройство суммирования 73 (фиг.5), куда также поступают от преобразователя 62 (фиг.5) сигналы в полосах частот Δf₇ зоны III, от преобразователя 66 (фиг.5), сигналы в полосе Δf₉ от центральной станции и от преобразователя 70 (фиг.5) сигналы в полосе Δf₁₃ от зоны II.

Все поступающие на устройство суммирования 73 (фиг.5) сигналы располагаются на шкале частот с помощью управляемых дистанционно преобразователей вверх и образуют спектр частот, излучаемый на зону I. После устройства суммирования 73 (фиг.5) сигналы усиливаются усилителем мощности 76 (фиг.5) и поступают на передающую антенну 79 (фиг.5), с помощью которой передаются на приемные земные станции абонентов зоны I.

Точно так же принимаются сигналы абонентов других зон, усиливаются, преобразовываются, формируются спектры сигналов, а затем излучаются на свои зоны.

Регулируемые синтезаторы преобразователей вниз 13-27 (фиг.5), полосовые фильтры с регулируемой полосой пропускания 28-42 (фиг.5) и регулируемые синтезаторы преобразователей вверх 58-72 (фиг.5) позволяют трансформировать полезную нагрузку и обеспечить ширину выделенных для связи полос частот по складывающимся в течение времени потребностям. Этими же регулировками обеспечивается расстановка частот и формирование спектров на передачу. Некоторое отличие представляет связь абонентов с центральной станцией.

Центральная станция расположена в зоне II и работает на линии земля-космос в выделенной полосе F₅-F₆. Указанная полоса поделена на три полосы, предназначенные для передачи сигналов абонентам, расположенным в трех зонах. Сигналы от центральной станции поступают на приемную антенну 9 (фиг.5) зоны II и после усиления усилителем 12 (фиг.5) поступают на преобразователи вниз 21, 22, 23 (фиг.5), и после дальнейшего преобразовывают поступают на суммирующие устройства 73, 74, 75 (фиг.5). После усиления бортовыми мощными усилителями 76, 77, 78 (фиг.5) сигналы поступают на антенные устройства 79, 80, 81 (фиг.5) и затем зоновым абонентам. На центральную станцию сигналы от зоновых абонентов поступают на антенные устройства своих зон 7, 8, 9 (фиг.5) и после усиления усилителями 10, 11, 12 (фиг.5) в полосах частот F₁-F₅, определенной для I и III зон, и F₆-F₇, определенной для зоны II, на преобразователи вниз 19, 20, 24 (фиг.5) и далее после усиления и преобразования вверх поступают на устройство сложения 74 (фиг.5). После усиления бортовым усилителем мощности 77 (фиг.5) сигналы поступают на антенное устройство 80 (фиг.5) и излучаются на зону III, в которой расположена центральная станция.

Особенность предложенной схемы заключается в том, что в полосах, выделенных для местных связей, работают местные сети и индивидуальные абоненты. Работа организуется с помощью главной зоновой станции управления и контроля. Таким образом, главные зоновые станции обеспечивают работу местных зоновых сетей, и зоновые организации связи сами определяют, какие системы должны быть использованы для работы. При организации работы в полосах частот, выделенных для межзоновых связей, работы в этих полосах организуют также главные зоновые станции по договоренности между собой, и в этом случае могут быть использованы различные методы передачи и обмена информацией. Роль центральной станции сводится к изменению конфигурации полезной нагрузки космического аппарата по заявкам главных зоновых станций и организации информационного обмена между абонентами и центральной станцией.

Следует отметить, что при делении территории на три зоны и обеспечении регулировки ширины полос частот требуется всего 15 переносчиков. Бортовых усилителей мощности требуется всего три. Таким образом, полезная нагрузка, состоящая из указанного количества элементов, может быть установлена на легком космическом аппарате. Система может быть рекомендована при выделенной полосе до 300-500 МГц и при раскрыве луча каждой зоны от 2°×3° до 2,5°×3,5°.

Легкие спутники могут быть быстро приспособлены к изменяющимся требованиям пользователей и наиболее эффективно использованы, когда речь идет о предоставлении новых услуг связи, предоставлении широкополосной связи.

Легкий космический аппарат, рассчитанный на ограниченное количество пользователей, способен обеспечить прием широкополосной информации на земные абонентские станции с антеннами диаметром 0,9-1,3 м.

Вариант 2

При значительных размерах территории для сохранения условий приема и передачи широкополосной информации необходимо делить территорию на большее количество зон, и соответственно при этом возрастает объем и вес полезной нагрузки. В этом случае полезная нагрузка может быть размещена на космическом аппарате среднего класса или тяжелого класса. Рассмотрим случай, при котором территория разделена на 5 зон. В системе полоса выделенных частот используется многократно, для чего делится на две части, которые поочередно используются для передачи сигналов в зонах.

Эффективно используемая полоса частот принимаемых сигналов и формирование спектра частот на передачу представлены на фиг.6. Как уже было отмечено, коэффициент использования выделенной для системы полосы частот в данном случае составляет около 2,5.

Структурная схема бортового ретрансляционного комплекса представлена на фиг.7.

На космическом аппарате установлена многолучевая антенна, лучи которой направлены на свои зоны.

Полосы частот, выделенные для обслуживания зон, в свою очередь делятся на семь полос для левой половины спектра и на шесть полос для правой половины спектра.

Полосы частот, обозначенные на схеме F₁-F₂ и F₈-F₉, предназначены для обслуживания местных сетей и зоновых абонентов, четыре полосы F₂-F₃, F₃-F₄, F₄-F₅, F₅-F₆ левой половины спектра и F₉-F₁₀, F₁₀-F₁₁, F₁₁-F₁₂, F₁₂-F₁₃ правой половины спектра определены для межзоновых связей и полосы F₆-F₇, F₁₃-F₁₄ для связи зоновых абонентов с центральной станцией.

Полоса F₇-F₈ определена для связи центральной станции с зоновыми абонентами, а так как центральная станция расположена в третьей зоне, то общая полоса, выделенная для третьей зоны, составляет F₁-F₈. Полосы частот, выделенные для зон в системах с многократным использованием частот, последовательно чередуются между собой в зонах и поэтому для зон 1 и 5 также используются полосы F₁-F₈. Эти полосы в зонах 1 и 5 могут использоваться в интересах обеспечения связи для зоновых абонентов.

В третьей зоне полоса F₇-F₈ определена для передачи сигналов с центральной станции зоновым абонентам и в свою очередь разделена на пять полос Δf₁₉, Δf₂₀, f₂₁, Δf₂₂, Δf₂₃, каждая из которых имеет разную ширину в зависимости от проходящих потоков информации.

Полосы частот, на которые поделена вся эффективная полоса, имеют разную ширину в зависимости от проходящих потоков информации и обозначены индексами от Δf₁ до Δf₃₅.

Как и в первом варианте сигналы, поступающие от зоновых абонентов на зоновые антенны 82, 83, 84, 85, 86 (фиг.7), усиливаются с помощью малошумящих усилителей 87, 88, 89, 90, 91 (фиг.7) и поступают на переносчики, с помощью которых преобразуются в выходные сигналы.

Переносчики обозначены порядковыми номерами от 92 до 126, которые указаны на входах преобразователей.

Переносчики подключены к малошумящим усилителям и выделяют сигналы в определенной для них полосе.

В переносчиках сигналы преобразовываются в выходные сигналы и поступают на устройства сложения 127, 128, 129, 130, 131 (фиг.7), на входах усилителей мощности.

Все поступившие на устройства суммирования сигналы образуют спектры частот, которые затем усиливаются усилителями мощностей 132, 133, 134, 135, 136 (фиг.7) и поступают на антенные устройства 137, 138, 139, 140, 141 (фиг.7), с помощью которых излучаются на свои зоны.

Предлагаемая схема обеспечивает изменение ширины полос и формирование этих полос в зоновые полосы, сигналы в этих полосах затем усиливаются и излучаются на зоны. Таким образом, обеспечивается перераспределение частотных полос между пользователями, и в конечном итоге достигается наиболее рациональное использование емкости космического сегмента и в целом максимальная эффективность системы спутниковой связи.

Использование емкости космического сегмента контролирует совместно с главными зоновыми станциями центральная станция управления и контроля системой связи и в случае необходимости обеспечивает перераспределение частотных полос между пользователями посредством дистанционно управляемых элементов.

Следует отметить, что при делении территории на пять зон и обеспечении регулировки ширины полос частот требуется всего 35 переносчиков. Малошумящих усилителей и бортовых усилителей мощности требуется всего пять. Таким образом, полезная нагрузка, состоящая из данного количества элементов, может быть установлена на среднем космическом аппарате.

Система может быть рекомендована при выделенной полосе до 300-500 МГц и при раскрыве луча каждой зоны от 2°×3° до 2,5°×3,5°.

Средние спутники могут быть быстро приспособлены к изменяющимся в течение времени требованиям пользователей.

На тяжелом космическом аппарате может быть размещена полезная нагрузка с повышенной мощностью потребления и более сложной комплектацией. К таким примерам можно отнести территорию, которая разбита на семь зон. В системе выделенные полосы частот используются многократно.

При делении территории на семь зон и обеспечении регулировки ширины полос частот требуется 63 переносчика. Малошумящих усилителей и бортовых усилителей мощности требуется семь.

Система может быть рекомендована при выделенной полосе до 500-700 МГц и при раскрыве луча каждой зоны от 2°×3° до 2,5°×3,5°.

Вариант 3

Основной задачей создания перспективной системы спутниковой связи, предназначенной для информационных систем, является предоставление пользователям доступа широкополосной связи по доступным ценам. Такая проблема решается использованием абонентских терминалов с антеннами малых размеров, малой мощности излучения и соответственно малой стоимости с возможностью установки их непосредственно у пользователей и обеспечением экологической безопасности для окружающей среды.

Однако использование малых абонентских станций наталкивается на серьезные технические сложности, связанные с тем, что малые антенны имеют широкую диаграмму направленности и излучение сигналов может привести к помехам соседним спутникам связи, расположенным на геостационарной орбите. Эта проблема резко обостряется в связи с уменьшением диаметра антенн земных станций.

Улучшение параметров линии земля-космос возможно при использовании предложенной схемы, обеспечивающей функциональное разделение линий земля-космос и космос-земля, при которой расчет и оптимизацию линий можно проводить независимо друг от друга.

Целью оптимизации линий земля-космос является обеспечение возможности передачи на спутник широкополосной информации с помощью земных станций с малыми антеннами и передатчиками малой мощности с одновременным выполнением требований по соблюдению уровня допустимых помех соседним спутникам. При координации спутников на орбите задается допустимый уровень помех, превышение которого земными станциями недопустимо.

Наилучшие условия могут быть созданы при установке на спутнике многолучевой приемной бортовой антенны большого диаметра, покрывающей обслуживаемую территорию узкими лучами с большим усилением и обеспечивающей прием с малых земных абонентских станций сигналов низкого уровня.

Диаметр антенны, устанавливаемой на космическом аппарате, зависит от типа космического аппарата и может колебаться в значительных пределах. Соответственно это будет оказывать влияние и на параметры земных станций.

Оптимизация линии космос-земля, при которой обеспечена возможность приема широкополосных сигналов на малые земные станции, уже была рассмотрена в вариантах 1 и 2 и может быть использована в данном варианте.

Поэтому в предлагаемом варианте используется тот же принцип распределения частотных полос в системе для пользователей и та же схема на линии космос-земля, что и в первом варианте. Отличие заключается в построении схемы на линии земля-космос, так как в зонах действуют несколько приемных антенн. Простейшим решением было бы сложение в сумматоре принятых с помощью остронаправленных антенн сигналов и выделение из суммарного сигнала транспондерами определенных для них полос. Недостатком этого метода является сложение шумов в сумматоре и ухудшение вследствие этого отношения сигнал шум на входах транспондеров. Устранение этого недостатка возможно методом выделения требуемых полос на выходах малошумящих усилителей остронаправленных антенн и обработка сигналов в выделенных полосах в отдельных переносчиках. Для проведения этой операции требуется значительно большее количество переносчиков.

Рассмотрим один из возможных вариантов системы спутниковой связи, построенной на использовании предлагаемых принципов.

В системе обслуживаемая со спутника территория разделена на три зоны, и с помощью многолучевой антенны каждая зона покрывается одиннадцатью узкими лучами, тогда общее количество узких лучей в системе составит 33 луча. Для конкретной системы количество узких лучей, обеспечивающих сплошное покрытие каждой зоны, может быть различным. Количество пользователей в лучах может также отличаться в значительных пределах. Предлагаемый вариант системы рассчитан на достижение предельно возможных технических параметров при создании малогабаритных и дешевых земных станций и соответственно земных сетей спутниковой связи. Система рассчитана на наиболее эффективное использование емкости космического сегмента. Примеры покрытия узкими лучами территории, разбитой на три зоны, показаны на фиг.8.

Структурная схема бортового ретрансляционного комплекса представлена на фиг.9.

Вся полоса частот, выделенная для системы спутниковой связи, делится на две полосы, одна из которых F₁-F₁₅ используются многократно, как и в первом варианте системы, и одна полоса F₁₅-F₃₀, предназначенная для второй зоны и центральной станции, используется однократно. Полосы частот, определенные для зон, в свою очередь делятся на четыре части.

В качестве примера рассматривается первая зона. В первой зоне полоса F₁-F₁₂ используется для организации работы внутризоновых местных сетей связи, две полосы F₁₂-F₁₃ и F₁₃-F₁₄ используются для межзоновых связей и одна F₁₄-F₁₅ для связи с центральной станцией. Каждая из указанных полос делится в свою очередь на одиннадцать полос. Одиннадцать узконаправленных антенн первой зоны обеспечивают прием сигналов от своих абонентов в полосе частот F₁-F₁₅. К каждой узконаправленной антенне первой зоны подключены четыре переносчика, один из которых предназначен для обработки сигналов первой зоны, второй для обработки сигналов, предназначенных для связи с абонентами второй зоны, третий для обработки сигналов, предназначенных для связи с абонентами третьей зоны, а четвертый для обработки сигналов, предназначенных для связи с центральной станцией.

Рассмотрим организацию работы системы в полосе частот F₁-F₁₂, выделенной для местных сетей связи первой зоны.

Полосы выделяются для абонентов, находящихся в первом луче, втором, третьем и так далее лучах, обозначенных на схеме F₁-F₂, F₂-F₃, F₃-F₄, F₄-F₅, F₅-F₆, F₆-F₇, F₇-F₈, F₈-F₉, F₉-F₁₀, F₁₀-F₁₁, F₁₁-F₁₂.

Центральные частоты каждой полосы обозначены индексами f₁, f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇, f₈, f₉, f₁₀, f₁₁ соответственно. Сигналы от абонентов, находящихся в первом луче и занимающих полосу частот F₁-F₂, предназначенную для приемных абонентов первой зоны, поступают на антенну 142 (фиг.9), малошумящий усилитель 175 (фиг.9), и затем переносчик 208 (фиг.9), в котором преобразуются в сигналы промежуточной частоты, проходят через перестраиваемый полосовой фильтр, усиливаются и затем преобразовываются в сигналы выходной частоты. Выходные сигналы с помощью перестраиваемого преобразователя вверх занимают заданное положение на шкале частот и поступают на устройство суммирования 343 (фиг.9), на входе мощного усилителя 346 (фиг.9). Точно также сигналы лучей 143-152 (фиг.9) в других десяти полосах частот F₂-F₁₂ поступают на свои малошумящие усилители лучей 176-185 (фиг.9) и затем переносчики 209-218 (фиг.9), с помощью которых преобразуются и поступают на устройство суммирования лучей 343 (фиг.9) на входе усилителя мощности 346 (фиг.9) первой зоны.

Сигналы, поступающие от абонентов первой зоны в полосе частот F₁₂-F₁₃, проходят через антенно-фидерные устройства лучей 142-152 (фиг.9) и МШУ 175-185 (фиг.9) и затем подаются на переносчики 230-240 (фиг.9). В переносчиках сигналы преобразовываются и направляются на устройство суммирования 345 (фиг.9) третьей зоны.

Сигналы, поступающие от абонентов первой зоны через антенно-фидерные устройства лучей 142-152 (фиг.9) и МШУ 175-185 (фиг.9) в полосе частот F₁₃-F₁₄, поступают на переносчики 263-273 (фиг.9). В переносчиках сигналы преобразовываются и направляются на устройство суммирования 344 (фиг.9) второй зоны.

Сигналы, поступающие от абонентов первой зоны в полосе частот F₁₄-F₁₅ на антенно-фидерные устройства лучей 142-152 (фиг.9) и МШУ 175-185 (фиг.9) и предназначенные для центральной станции, подаются на переносчики 285-295 (фиг.11), в которых преобразовываются и направляются на устройство суммирования 344 (фиг.9) второй зоны. Во второй зоне расположена центральная станция.

Кроме указанных сигналов на устройство суммирования первой зоны поступают сигналы от переносчиков 321-331 (фиг.9) второй зоны, переносчиков 252-262 (фиг.9) третьей зоны и от переносчика 296 (фиг.9) центральной станции.

После устройства суммирования 343 (фиг.9) сигналы поступают на усилитель мощности 346 (фиг.9) и далее на антенну первой зоны 349 (фиг.9).

Точно также происходит прием сигналов и от абонентов второй и третьей зон, обработка этих сигналов и передача на зоны.

Как и в первом варианте, в переносчиках предусмотрена по командам центральной или главных зоновых станций возможность управления в широких пределах шириной полос усиливаемых сигналов и возможность изменения местоположения сигналов на шкале частот при формировании спектра на излучение сигналов в зоны.

Благодаря этому систему спутниковой связи можно настроить на сложившийся реальный график.

Особое место занимает связь с центральной станцией. В зависимости от места, где расположена центральная станция, и того, в какой зоне и в каком луче она находится, для этого луча должна быть предусмотрена соответствующая полоса частот для приема сигналов центральной станции.

В данном варианте центральная станция находится в луче 168 (фиг.9) второй зоны. Сигналы с центральной станции в полосе частот F₁₅-F₁₆ поступают на антенну 168 (фиг.9), затем на МШУ 201 (фиг.9) и, наконец, на три переносчика 296, 297, 298 (фиг.9), в которых они обрабатываются и направляются на устройства суммирования 343, 344, 345 (фиг.9) на входах усилителей мощности каждой зоны. Рассмотренный вариант является предельным по своим техническим возможностям благодаря оптимизации системы по всем основным параметрам. Однако при возрастании количества зон в случае сохранения предельных параметров будет быстро увеличиваться количество переносчиков и элементов управления потоками информации. Так, при трех зонах и одиннадцати лучах в каждой зоне потребуется 135 переносчиков и 405 регулируемых в них элемента. При пяти зонах и одиннадцати лучах в каждой зоне потребуется 335 переносчиков и 1005 регулируемых элемента. При семи зонах и одиннадцати лучах в каждой зоне потребуется 623 переносчика и 1869 регулируемых элемента.

Вариант 4

В третьем варианте рассмотрена система, оптимизированная по основным параметрам и благодаря этому обеспечивающая наиболее благоприятные условия для пользователей. Однако эти условия создаются за счет значительного усложнения космического аппарата, которые выражаются в увеличении объемов и веса полезной нагрузки, возрастании количества подстраиваемых элементов и более сложной системы управления. В основном это зависит от количества зон, на которые поделена обслуживаемая территория, и количества остронаправленных приемных антенн, обеспечивающих сплошное покрытие зон.

В этих условиях существенное значение имеет возможность снижения количества дистанционно управляемых элементов и оборудования ретранслятора.

Значительное уменьшение количества оборудования ретранслятора и соответственно объема и веса полезной нагрузки можно обеспечить объединением нескольких потоков в один поток и дальнейшее усиление и преобразование суммарных сигналов с помощью единых элементов ретранслятора. Данное предложение является дальнейшим развитием системы, изложенной в третьем варианте. Как и в третьем варианте рассматривается система, в которой территория поделена на три зоны и каждую зону обслуживают 11 остронаправленных антенн.

Существо предложения изложено на фиг.10, на которой представлен фрагмент структурной схемы бортового ретрансляционного комплекса применительно для второй зоны, с трансформируемой полезной нагрузкой и объединением информационных потоков системы спутниковой связи, предназначенной для обслуживания национальных, региональных, ведомственных информационных сетей и типа Интернет. Для первой и третьей зон схема может быть представлена аналогичным образом. В то же время представление части схемы дает возможность рассмотреть схему в крупном плане более наглядно.

Предполагается, что выделенная для системы спутниковой связи полоса частот используется так же, как и в третьем варианте.

Центральная станция располагается в зоне действия приемной узконаправленной антенны 355 (фиг.10).

Сигналы от абонентов второй зоны поступают на приемные узконаправленные антенны 352-362 (фиг.10), после чего на полосовые фильтры 363-373 (фиг.10), пропускающие сигналы в полосах частот, определенных для абонентов, находящихся в зонах действия этих антенн и далее на малошумящие усилители 374-384 (фиг.10). К каждому малошумящему усилителю подключены по четыре преобразователя вниз 388-391, 392-395, 396-399, 400-403, 404-407, 408-411, 412-415, 416-419, 420-423, 424-427, 428-431 (фиг.10), последовательно соединенные с управляемыми полосовыми фильтрами промежуточной частоты 435-478 (фиг.10). Сигналы проходят через преобразователи вниз и поступают на дистанционно регулируемые полосовые фильтры промежуточной частоты и далее на сумматоры сигналов промежуточной частоты, в которых и происходит объединение потоков информации. Конкретно рассмотрим объединение сигналов, поступающих от абонентов остронаправленных антенн 360, 361, 362 (фиг.10). Сигналы, поступающие от этих остронаправленных антенн в полосах частот F₄₈-F₄₉, F₅₂-F₅₃ и F₅₆-F₅₇, направляются от полосовых фильтров на устройство сложения 487 (фиг.10) и после устройства сложения поступают на усилитель промежуточной частоты 502 (фиг.10) и далее на преобразователь вверх 517 (фиг.10), соединенный с устройством суммирования 522 (фиг.10), на который поступают все сигналы, предназначенные для зоны 2. Далее сигналы проходят точно так же, как и по схеме варианта 3. Сигналы, поступающие в полосах частот F₄₉-F₅₀, F₅₃-F₅₄ и F₅₇-F₅₈, направляются от полосовых фильтров на устройство сложения 488 (фиг.10) и после устройства сложения поступают на усилитель промежуточной частоты 503 (фиг.10) и далее на преобразователь вверх 518 (фиг.10), соединенный с устройством суммирования 521 (фиг.10), на который поступают все сигналы, предназначенные для зоны 1. Сигналы, поступающие в полосах частот F₅₀-F₅₁, F₅₄-F₅₅ и F₅₈-F₅₉, направляются от полосовых фильтров на устройство сложения 489 (фиг.10) и после устройства сложения поступают на усилитель промежуточной частоты 504 (фиг.10) и далее на преобразователь вверх 519 (фиг.10), соединенный с устройством суммирования 523 (фиг.10), на который поступают все сигналы, предназначенные для зоны 3. Сигналы, поступающие в полосах частот F₅₁-F₅₂, F₅₅-F₅₆ и F₅₉-F₆₀, направляются от полосовых фильтров на устройство сложения 490 (фиг.10) и после устройства сложения поступают на усилитель промежуточной частоты 505 (фиг.10) и далее на преобразователь вверх 520 (фиг.10), соединенный с устройством суммирования 522 (фиг.10), на который поступают все сигналы, предназначенные для зоны 2, в том числе и сигналы, предназначенные для центральной станции.

Точно также происходит объединение потоков от приемных остронаправленных антенн 352-355 (фиг.10) и 356-359 (фиг.10) по четыре потока от каждой группы антенн. Кроме этого от остронаправленной антенны 355 (фиг.10) в полосе частот F₁₅-F₁₆, определенной для передачи сигналов от центральной станции, сигналы последовательно поступают на преобразователи вниз 385, 386, 387 (фиг.10), на дистанционно регулируемые полосовые фильтры промежуточной частоты 432, 433, 434 (фиг.10), усилители промежуточной частоты 491, 492, 493 (фиг.10), на преобразователи вверх 506, 507, 508 (фиг.10) и на сумматоры 521, 522, 523 (фиг.10), на которые поступают и другие определенные для этих зон сигналы, а затем сигналы поступают на усилители мощности 524, 525, 526 (фиг.10) и на зоновые антенны 527, 528, 529 (фиг.10).

Выбор потоков для объединения можно проводить произвольно. При группировании потоков существенную роль может сыграть использование данных о распределении потоков информации, полученных в процессе эксплуатации системы или в результате маркетинговых исследований. Можно выделить высокоскоростные потоки и преобразовывать их с помощью одного переносчика или объединить несколько потоков с относительно низкими скоростями, которые можно усилить с помощью одного усилителя промежуточной частоты. Таким образом, можно сохранить гибкость системы, обеспечив возможность перераспределения полос частот для передачи потоков информации. Объединение трех потоков дает возможность сократить количество усилителей промежуточной частоты и преобразователей вверх в три раза. Объединение четырех потоков дает возможность сократить количество указанных элементов в четыре раза. В общем случае возможно объединение произвольного количества потоков и такое объединение должно осуществляться в соответствии с техническими возможностями космического аппарата и поставленной целью объединения.

Объединение потоков может дать особенно положительный результат при построении системы спутниковой связи на основе среднего или тяжелого спутников.

В системе предусмотрена возможность использования земных станций различного назначения. В зависимости от выполняемых задач станции имеют несколько вариантов исполнения, отличающихся конструктивными особенностями, комплектацией, сложностью и соответственно стоимостью.

Приемные земные станции в системе могут обеспечивать прием как узкополосной, так и широкополосной информации. Запросный канал со станцией управления в этом случае осуществляется по наземным телефонным каналам общекоммутируемой сети. Диаметр антенны таких станций составляет около 0,4-0,6 м. Станции рассчитаны для работы во всем выделенном для системы спутниковой связи диапазоне частот, и настройка станций на заданную конкретную частоту производится по командным сигналам станции управления системой связи. Для осуществления такой возможности приемные устройства оснащены синтезаторами частот, управляемыми дистанционно по командам станции управления. Кроме этого в усилителях промежуточной частоты имеются также дистанционно управляемые переменные полосовые фильтры для приема сигналов в заданной полосе частот.

Имеется возможность использования в системе приемопередающих станций.

Каждая приемопередающая земная станция обеспечивает работу во всем выделенном для системы диапазоне частот. Ширина занимаемой полосы и мощность излучения абонентской станции задается станцией управления сетью связи. Для этого на станциях устанавливаются дистанционно управляемые синтезаторы частот и в усилителях промежуточной частоты дистанционно управляемые полосовые фильтры.

Для организации взаимодействия станции управления и абонентскими станциями выделены каналы управления.

На станциях могут в зависимости от требований устанавливаться антенно-фидерные устройства для работы в двух поляризациях.

В случае необходимости передачи широкополосной информации станции должны иметь соответствующий диаметр антенны (до 3,6 м), для того, чтобы не создавать помех работе соседних спутников и обеспечивать установленные для земной сети нормы на излучаемые мощности.

В предложенной системе связи вся территория обслуживания разделена на отдельные зоны, которые облучаются своими антеннами, и в этих зонах сосредоточены местные сети связи.

При таком построении системы одна центральная станция управления не может контролировать работу системы в зонах, так как антенны зоновых сетей направлены на свои зоны и не освещает зону, в которой расположена центральная станция управления.

Поэтому в каждой зоне должна находиться своя главная станция управления.

С этих станций осуществляется управление местными сетями связи и обеспечивается предоставление каналов по требованию или устанавливаются линии связи на более длительный период времени. Для каждой физически устанавливаемой линии связи по требованию передающего абонента предоставляется необходимая для обеспечения требуемого уровня качества ширина полосы частот. Зоновые станции управления местными сетями связи контролируют использование выделенной для зон полосы частот и передают данные на центральную станцию управления системой связи. Центральная станция определяет использование полос частот, выделенных зонам для организации межзоновых связей и при этом обеспечивает в случае необходимости перераспределение выделенных полос с целью их наиболее эффективного использования.

Центральная и главные зоновые станции управления ведут непрерывный контроль за излучаемой мощностью абонентских станций и обеспечивают корректировку уровня мощности земных передающих станций с целью обеспечения работы бортового передатчика в линейном режиме.

Таким образом, предлагаемая система позволяет решить задачу по предоставлению массовым пользователям широкополосных услуг связи с наименьшими затратами по созданию системы и дальнейшей ее эксплуатации по сравнению с предлагаемыми зарубежными и отечественными проектами.

Высокие экономические показатели удалось получить благодаря использованию данного предложения, оптимизации системы по техническим параметрам и экономическим показателям.

В системе предусмотрены условия для развития региональных, местных сетей связи и работы индивидуальных пользователей. Работа операторов местных сетей связи и индивидуальных пользователей организуется через главную зоновую станцию, которая осуществляет распределение выделенной для зоны емкости космического сегмента между действующими в зоне местными сетями связи и индивидуальными пользователями и контролирует их работу. Таким образом, полосы частот полностью находятся в распоряжении местных операторов связи и местных органов власти.

В системе могут быть использованы малые дешевые земные станции для приема и передачи широкополосной информации, устанавливаемые непосредственно у пользователей. Кроме этого предусматривается возможность использования более сложных земных станций, предназначенных для одновременного приема и передачи широкополосной информации при работе с несколькими абонентами, находящимися как в одной, так и в разных зонах.

Предусмотрена возможность создания системы без излишних первоначальных затрат. Для полной загрузки космического сегмента необходимо наличие развитой земной сети и только в этом случае возможно загрузить емкость космического сегмента. По накопленному опыту развития систем спутниковой связи известно, что развитие земной сети происходит медленно, особенно развитие земной сети массового пользования и предоставления новых услуг связи. Исходя из этого, для изучения потребностей в новых услугах связи, географического положения пользователей и динамики развития земной сети необходимо использовать космический аппарат, рассчитанный на относительно небольшое количество пользователей и возможность подстройки потоков информации в процессе эксплуатации спутника связи.

Поэтому развертывание системы спутниковой связи и создание земных сетей целесообразно начать на основе легкого спутника, рассчитанного на относительно малое количество пользователей, и в процессе его эксплуатации проанализировать статистические данные по информационным потокам, а затем подготовить предложение о дальнейшем развитии системы за счет запуска новых спутников с установленной на них полезной нагрузкой требуемой конфигурации и возможности трансформации ее в процессе эксплуатации. Научный прогноз дальнейшего развития системы поможет подготовить запуск технически простых по конструкции эффективных и дешевых космических аппаратов.

Приведем для сравнения некоторые известные данные.

Ориентировочная стоимость создания региональной системы спутниковой мобильной связи Зеркало-КР, включая расходы на маркетинг и рекламу, составит 360 млн. $.

Система может обслужить до 350-400 тыс. абонентов.

Стоимость 1 минуты связи - в пределах 0,4-06 $.

Общая стоимость системы AceS планировалась первоначально по проекту 750 млн. долл., однако в действительности потребовалось для реализации системы увеличить общий объем привлеченного финансирования до 820 млн. $, из них затраты на создание самой системы - 561 млн. $.

В предлагаемой системе стоимость изготовления и запуска на орбиту легкого спутника составляет около 35-45 млн. $. Стоимость изготовления и запуска на орбиту среднего спутника составляет около 55-65 млн. $.

Стоимость изготовления и запуска на орбиту тяжелого спутника составляет около 105-115 млн. $.

Предлагаемая система спутниковой связи на основе геостационарного спутника может использоваться совместно с системами на основе спутников на низких и средних орбитах точно также, как и в прототипе. Отличие будет заключаться в том, что при таком применении система, созданная на основе спутников на геостационарной, низких и средних орбитах, может предоставить доступ к широкополосным каналам не только абонентам фиксированной связи, но и мобильным абонентам.

При использовании данного предложения мобильные абоненты системы могут получить и передать информацию в таком объеме, в котором она может быть обработана и передана принимающему абоненту в мобильных условиях. Естественно, что мобильному абоненту требуется несколько меньший объем информации, чем абоненту фиксированной связи.

Изобретение относится к области связи, а точнее к системам радиосвязи с использованием искусственных спутников Земли. Сущность изобретения заключается в создании системы спутниковой связи, состоящей из выведенных на круговую геостационарную орбиту искусственных спутников с установленными на них антеннами, ретрансляторами и их земных станций, включающих центральную станцию управления системой спутниковой связи, станцию управления спутниками, и абонентских станций, ретранслятор выполнен в виде последовательно соединенных малошумящих усилителей, подключенных к каждой приемной узконаправленной антенне, дистанционно управляемых преобразователей вниз, количество которых соответствует количеству полос частот, на которые поделены выделенные для зон полосы частот, дистанционно управляемых полосовых фильтров промежуточной частоты, усилителей промежуточной частоты и дистанционно управляемых преобразователей вверх. Техническим результатом является возможность предоставления доступа к широкополосным каналам не только абонентам фиксированной связи, но и мобильным абонентам. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных, состоящая из выведенных на круговую геостационарную орбиту искусственных спутников с установленными на них антеннами, ретрансляторами и их земных станций, включающих центральную станцию управления системой спутниковой связи, станцию управления спутниками, и абонентских станций, отличающаяся тем, что каждая установленная на спутнике антенна выполнена многолучевой в виде приемной, облучающей одним или многими узкими лучами каждую зону, на которые поделена обслуживающая территория, и передающей, формирующей по одному контурному лучу на каждую зону, а ретранслятор выполнен в виде подключенных соответственно к каждой приемной узконаправленной антенне малошумящих усилителей, к каждому из которых подключены переносчики, количество которых соответствует количеству полос частот, на которые поделены выделенные для зон полосы частот, состоящие из последовательно соединенных дистанционно управляемых по командам центральной станции управления преобразователей вниз, дистанционно управляемых по командам центральной станции управления полосовых фильтров промежуточной частоты, усилителей промежуточной полосы и дистанционно управляемых по командам центральной станции управления преобразователей вверх, при этом система снабжена установленными для каждой зоны устройствами сложения сигналов, входы которых соединены с преобразователями вверх, обрабатывающими сигналы, предназначенные для соответствующих зон, а выходы соединены с входами усилителей мощности, соединенных выходами с передающими зоновыми антеннами, система снабжена также главными станциями управления и контроля местными сетями, расположенными в зонах.2. Система спутниковой связи по п.1, отличающаяся тем, что ретранслятор снабжен полосовыми фильтрами, пропускающими сигналы в полосах частот, определенных для абонентов, находящихся в зонах действия этих антенн, и подключенными к выходу каждой приемной узконаправленной антенны и ко входу малошумящих усилителей, при этом ретрансляторы снабжены устройствами сложения сигналов, объединяющими сигналы, приходящие от двух и более управляемых полосовых фильтров и направляющие объединенные сигналы на усилители промежуточной частоты.