СПОСОБ СВЯЗИ С НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ В СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ Российский патент 2007 года по МПК H04B7/185 

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи с применением высокоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР) и предназначено для преимущественного использования в глобальных космических системах ретрансляции и связи, абонентами которых являются низкоорбитальные космические аппараты (НКА) и земные станции (ЗС), работающие в дециметровом диапазоне волн.

Известен способ, использованный в системе спутниковой связи на основе высокоорбитального СР ATS-6, согласно которому данный СР осуществлял связь с НКА с помощью параболической зеркальной антенны, узкий луч которой перемещался в пределах всей видимой с СР зоны обзора /Попов В.М. Антенны систем межспутниковой связи и передачи информации - Зарубежная радиоэлектроника, 1983, №2/.

Известен способ, использованный в космической системе ретрансляции США TDRSS, согласно которому каждый из высокоорбитальных СР этой системы также осуществляет связь с НКА с помощью следящей параболической зеркальной антенны с узким лучом, наводимым в пределах всей видимой с СР зоны обзора /Потегов В.И. Спутниковая система слежения и ретрансляции данных TDRSS - Зарубежная радиоэлектроника, 1984, №5, с.46-58/. В обоих случаях в процессе сеанса связи на СР формируют узкую диаграмму направленности (ДН) в направлении на НКА, при этом область перемещения оси ДН антенны СР ограничена с внешней стороны радиусом орбиты НКА, т.е. максимальный угол отклонения оси ДН антенны СР от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения высокоорбитального спутника-ретранслятора, выбран из условия α=arcsin R_HKA/R_CP, где R_HKA - радиус орбиты НКА, R_CP - радиус орбиты высокоорбитального СР. Данный способ был выбран в качестве прототипа.

Известные способы связи с НКА через СР имеют следующие основные недостатки:

- область формирования ДН антенны НКА для связи с СР (в любой точке видимой с СР сферы возможных положений НКА) по своим угловым размерам должна быть больше угловых размеров верхней полусферы НКА, направленной на СР;

- возможность создания помех приемному устройству СР от земных станций систем связи, работающих в тех же полосах частот, при нахождении ДН приемной антенны СР над зоной расположения ЗС, и наоборот, возможность создания помех передающим устройством СР земным станциям при передаче информации на НКА.

Последнее обстоятельство вызвано тем, что полосы частот так называемого S-диапазона, выделенные в соответствии с Регламентом радиосвязи службе космической эксплуатации (от 2 до 2,2 ГГц) и широко используемые в современных космических системах ретрансляции, решением ВАКР-92 выделены также сухопутной подвижной спутниковой службе. При решении задач этих служб одним и тем же СР (или близко расположенными СР) могут возникнуть определенные проблемы с обеспечением электромагнитной совместимости бортовых и земных радиоэлектронных средств.

Указанные недостатки усложняют конструкцию антенной системы НКА и уменьшают помехозащищенность линий связи.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции антенной системы НКА и повышение помехозащищенности линий связи.

Поставленная цель достигается тем, что на высокоорбитальном СР ограничивают минимальный угол отклонения оси ДН антенны от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения высокоорбитального СР, углом β=arcsin R_З/R_СР, где R_З - радиус Земли, а диаграмму направленности антенны НКА формируют в пределах угла Θ=arccos R_З/R_HKA отсчитываемого по обе стороны от плоскости местного горизонта НКА.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлены геометрические построения для вывода основных соотношений, характеризующих данный способ.

На чертеже введены следующие условные обозначения: R_HKA - радиус орбиты НКА, R_CP - радиус орбиты высокоорбитального СР, R_З - радиус Земли, α и β - соответственно максимальный и минимальный углы отклонения оси ДН антенны СР от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения СР, Θ - угловой размер зоны обзора СР со стороны НКА, отсчитываемый по обе стороны от плоскости местного горизонта НКА.

Суть предлагаемого способа сводится к обеспечению требуемых пределов и направлений излучения электромагнитных волн, отличающихся от используемых в способе-прототипе.

При рассмотрении чертежа примем, что его плоскость совпадает с плоскостью орбиты СР, находящегося в точке А, а окружности радиусов R_З и R_HKA (с общим центром в точке О) являются соответственно линиями пересечения плоскости орбиты СР с земной сферой и сферой возможных положений НКА. Линия АВ (и симметричная ей линия АВ′) - это касательная к сфере возможных положений НКА, лежащая в плоскости чертежа и совпадающая с направлением оси ДН антенны СР при его отклонении на угол α от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения СР (линия АО). Линия АС (и симметричная ей линия AC′) - это касательная к земной сфере, лежащая в плоскости чертежа и совпадающая с направлением оси ДН антенны СР при его отклонении на угол β от оси АО. Как следует из геометрических построений, приведенных на чертеже, максимальный угол отклонения оси ДН антенны СР от оси АО равен α=arcsin R_HKA/R_CP.

В соответствии с идеей предлагаемого способа необходимо исключить возможность связи с НКА в той области пространства, где земной диск попадает в поле зрения приемной антенны СР. Такая область будет ограничена конической поверхностью с вершиной в точке А и образующей АС, касательной к земной поверхности. Как видно из чертежа, при отклонениях оси ДН антенны СР от оси АО на угол больше β:

- линия связи НКА-СР будет свободна от воздействия помех от ЗС, работающих в той же полосе частот;

- линия связи СР-НКА не будет создавать помех ЗС, работающим в той же полосе частот.

Угол β, ограничивающий в соответствии с предлагаемым способом минимальный угол отклонения оси ДН антенны СР от оси АО, согласно геометрическим построениям на чертеже равен β=arcsin R_З/R_СР.

Жирными линиями на чертеже выделены: дуга CDC′, ограничивающая зону создания помех приемной антенне СР и помех со стороны СР земным станциям, дуга EBF (и симметричная ей дуга E′BF′), представляющая собой границу шарового слоя на сфере возможных положений НКА, в пределах которого возможна связь с НКА по предлагаемому способу.

На чертеже также показано, как при использовании способа-прототипа область формирования ДН антенны НКА для связи с СР (в любой точке, видимой с СР сферы возможных положений НКА) по своим угловым размерам должна быть больше угловых размеров верхней полусферы НКА, направленной на СР. А именно: при перемещении НКА из точки Е в точку G и далее в точку Е′ угловые размеры зоны обзора СР со стороны НКА составляют ±(90°+Θ) относительно оси Х_HKA. Т.е. область формирования ДН антенны НКА имеет форму кардиоиды.

Использование предлагаемого способа позволяет уменьшить угловые размеры зоны обзора СР со стороны НКА. Как видно из геометрических построений на чертеже, при перемещении НКА из точки Е в точку F размер зоны обзора СР со стороны НКА равен углу Θ=arccos R_З/R_HKA отсчитываемого по обе стороны от плоскости местного горизонта НКА (на чертеже эта плоскость представлена касательной к сфере радиуса R_HKA в точках Е и F). Т.е. область формирования ДН антенны НКА имеет тороидальную форму.

Исходя из этого, при использовании предлагаемого способа для НКА, оснащенного антенной с неуправляемой ДН, может быть получен более высокий коэффициент усиления за счет меньшей ширины ДН. Кроме того, поскольку для антенн, близких к всенаправленным, трудно обеспечить приемлемое значение коэффициента эллиптичности во всем секторе рабочих углов, то при сужении этого сектора минимально достижимое значение коэффициента эллиптичности увеличивается, и это приводит к уменьшению поляризационных потерь на трассе распространения радиоволн.

В итоге это способствует выполнению одной из поставленных целей предлагаемого изобретения - увеличению помехозащищенности линий связи между НКА и СР посредством повышения энергетических характеристик этих линий за счет увеличения коэффициента усиления антенны НКА и снижения потерь при распространении радиоволн.

В плане упрощения конструкции антенной системы НКА необходимо отметить, что антенна с тороидальной ДН конструктивно проще антенны с кардиоидной ДН. Проведенные нашим предприятием исследования показали, что конструктивно антенна с тороидальной ДН выполняется в виде плоской спирали, приподнятой на небольшую высоту над подстилающей поверхностью. (При некритичности к значению коэффициента усиления антенна НКА может быть выполнена в виде простого штыря, обладающего, как известно, тороидальной ДН).

В то же время антенна с кардиоидной ДН реализуется в виде трех конических спиралей, равномерно расположенных по окружности вокруг оси X_HKA и имеющих наклон относительно нее своих осей.

Выше преимущества предлагаемого способа рассматривались применительно к антеннам с неуправляемой ДН. Если же рассматривать, например, антенны с управляемой ДН, особенно механически управляемой, то преимуществом становится упрощение привода антенны из-за меньших пределов сканирования. Антенны с электрическим сканированием будут также конструктивно проще из-за меньшего числа излучателей, необходимых для охвата меньшей зоны сканирования.

В качестве примера реализации способа рассмотрим случай, когда с СР будет связываться НКА с высотой орбиты 1500 км. Ширина ДН антенны НКА будет равна

т.е. угловой раскрыв тороидальной ДН в меридиональной плоскости по уровню половинной мощности должен составлять 2×36=72° /в ином случае, для кардиоидной ДН, эта величина составила бы 2×(90+36)=252°/. Теоретический коэффициент направленного действия (КНД) полученной антенны по сравнению с квазиизотропной будет пропорционален уменьшению угла раскрыва ДН антенны в меридиональной плоскости (в азимутальной обе антенны остаются всенаправленными), или КНД=180°/72°=2,5=4 дБ.

Таким образом, только благодаря увеличению коэффициента усиления антенны НКА как минимум на 4 дБ может быть увеличена помехозащищенность линий связи между НКА и СР или в 2,5 раза увеличена пропускная способность этих линий.

Со стороны СР вследствие проведения связи с НКА на направлениях, не совпадающих с направлением на земной диск, уровень помехозащищенности линий связи может быть обеспечен не менее 10...14 дБ (в зависимости от типа антенны СР), поскольку прием мешающих сигналов от ЗС будет производиться как минимум по первому боковому лепестку ДН антенны СР.

Из известных автору источников патентных и информационных материалов не известна совокупность признаков заявляемых объектов, поэтому заявитель склонен считать техническое решение отвечающим признакам новизны.

Настоящее техническое решение предполагается использовать при создании новой космической системы ретрансляции, предназначенной для информационного обмена с НКА.

Изобретение относится к области радиосвязи и предназначено для использования в глобальных космических системах ретрансляции и связи. Достигаемый технический результат - упрощение конструкции антенной системы низкоорбитальных космических аппаратов и повышение помехозащищенности линий связи. Способ связи с низкоорбитальными космическими аппаратами в спутниковой системе связи характеризуется тем, что в процессе сеанса связи на высокоорбитальном спутнике-ретрансляторе формируют узкую диаграмму направленности в направлении на низкоорбитальный космический аппарат, при этом максимальный α и минимальный β углы отклонения оси диаграммы направленности антенны высокоорбитального спутника-ретранслятора от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения высокоорбитального спутника-ретранслятора, выбраны из условий α=arcsin R_HKA/R_CP и β=arcsin R₃/R_CP, где R_HKA - радиус орбиты низкоорбитального космического аппарата, R_CP - радиус орбиты высокоорбитального спутника-ретранслятора, R₃ - радиус земли, и в пределах заданного угла формируют диаграмму направленности антенны низкоорбитального космического аппарата. 1 ил.

Способ связи с низкоорбитальными космическими аппаратами в спутниковой системе связи, при котором в процессе сеанса связи на высокоорбитальном спутнике-ретрансляторе формируют узкую диаграмму направленности в направлении на низкоорбитальный космический аппарат, при этом максимальный угол отклонения оси диаграммы направленности антенны высокоорбитального спутника-ретранслятора от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения высокоорбитального спутника-ретранслятора, выбран из условия α=arcsin R_HKA/R_CP, где R_HKA - радиус орбиты низкоорбитального космического аппарата, R_CP - радиус орбиты высокоорбитального спутника-ретранслятора, отличающийся тем, что на высокоорбитальном спутнике-ретрансляторе ограничивают минимальный угол отклонения оси диаграммы направленности антенны от оси, проходящей через центр Земли и точку расположения высокоорбитального спутника-ретранслятора, углом β=arcsin R_З/R_CP где R_З - радиус Земли, а диаграмму направленности антенны низкоорбитального космического аппарата формируют в пределах угла Θ=arccos R_З/R_HKA, отсчитываемого по обе стороны от плоскости местного горизонта низкоорбитального космического аппарата.