МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2007 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к высотным коммуникационным системам широкого спектра действия, включающим группировки спутников, выведенных на разновысокие орбиты, и как минимум один наземный пункт управления.

Известна многофункциональная телекоммуникационная космическая система, включающая подсистему связи и подсистему мониторинга.

Подсистема связи строится на базе спутников-ретрансляторов и обеспечивает телефонную связь, видеоконференцсвязь, передачу изображений, межмашинный обмен, доступ в "Internet" в глобальных масштабах со скоростями от 1,2 кбит/с до 2948 кбит/с. Управление работой группировок спутников осуществляется с помощью наземных ретрансляторов, включаемых в состав станций управления, расположенных в расчетных точках земной поверхности в местах пересечения зон радиовидимости соседних космических аппаратов.

Космический сегмент системы включает три группировки космических аппаратов для системы высоко- и низкоскоростной связи и мониторинга. Первые две группировки включают по 24 спутника на орбитах с высотой 10360 км, а группировка мониторинга включает 8-12 космических аппаратов на высоте 600 км.

Земной сегмент системы состоит из 12-14 координирующих станций, совмещенных со станциями управления подсистемы мониторинга и выполняющих роль региональных станций, а также парка подвижных и стационарных абонентских станций.

Служебные сигналы (вызов, запрос, ответ и др.) передаются через ближайший космический аппарат по фидерным линиям на координирующую станцию, которая, имея информацию о всех абонентах системы и их координатах, а также данные о свободных каналах всех космических аппаратов, осуществляет прокладку маршрутов прохождения сигналов от одного абонента к другому.

Космическая система мониторинга включает космические аппараты оптического и радиолокационного наблюдения.

Для проведения мониторинга объекта информация о необходимости проведения мониторинга передается на координирующую станцию, в зоне которой находится требуемый космический аппарат, а после получения мониторинговой информации она сбрасывается на ближайшую станцию управления и далее - пользователю (см. патент №2169433, кл. Н04В 7/185, 1999 г.).

В результате анализа выполнения известной системы необходимо отметить, что для ее функционирования необходимо значительное количество космических аппаратов (минимум 56), что создает сложности управления данными спутниками.

Сложность системы также обусловлена значительным количеством наземных станций управления. При этом связь в системе осуществляется через несколько космических аппаратов и наземных станций, что увеличивает срок прохождения сигналов связи и/или мониторинга и ухудшает их качество.

Известен способ построения спутниковой системы связи между абонентами, для реализации которого используют две группы космических аппаратов, одна из которых выведена на низкую круговую орбиту, а другая - на геостационарную орбиту. В общем случае космическая группировка спутников включает 36 спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по шесть спутников. Спутники снабжены радиотехническими комплексами-ретрансляторами. Заданная орбита каждого спутника поддерживается ее периодической коррекцией.

На земле расположены станции абонентов, а также диспетчерские станции. В процессе функционирования системы сигналы абонента, например при осуществлении телефонной связи, ретранслируют через спутник, находящийся в зоне доступа абонента и расположенный на низкой орбите на наземную диспетчерскую станцию, находящегося в зоне видимости данного спутника, а с диспетчерской станции - на спутник, находящийся на геостационарной орбите, а с данного спутника - на диспетчерскую станцию принимающего абонента, с которой сигналы через спутник на низкой орбите ретранслируются на станцию принимающего сигнал абонента (см. патент №2107990, кл. Н04В 7/185, 1998 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что для ее эффективного функционирования необходимо наличие значительного количества спутников, что существенно повышает стоимость системы и усложняет управление данной системой. Кроме того, принцип связи, реализуемый в данной системе, весьма сложен.

Так, от абонента сигналы связи поступают на находящийся на низкой орбите спутник, откуда на наземную диспетчерскую станцию, далее на спутник, находящийся на геостационарной орбите, откуда на диспетчерскую станцию принимающего абонента и через спутник, находящийся на низкой орбите, - на станцию принимающего сигнал абонента.

С учетом динамики системы, а именно постоянного относительного изменения положения спутников низкой и геостационарной орбит, диспетчерских и абонентских станций, необходимо осуществлять изменение положения передающих и принимающих устройств (антенн) спутников и наземных станций, что весьма сложно, а кроме того, такая организация связи приводит к снижению качества передаваемых сигналов.

Необходимо также отметить, что осуществление данной системой наблюдения за передвижением объектов, наблюдение за функционированием стационарных объектов, контроль экологии в заданных регионах, контроль метеорологической обстановки, которые осуществляются со спутников, находящихся на низких орбитах, и передача данной информации потребителям через диспетчерские станции приводит к необходимости создания сети диспетчерских станций, что повышает и без того весьма высокую стоимость системы и еще более усложняет ее управление. Попытка улучшить эксплуатационные параметры системы путем введения в ее состав группировки спутников, выведенных на средневысотную орбиту (см. патент РФ №2118056, кл. Н04В 7/185, 1998 г.), еще более усложнило систему и ухудшило качество передаваемых сигналов.

Задачей настоящего изобретения является разработка системы, позволяющей при минимальном количестве космических аппаратов обеспечить передачу и прием сигналов из (в) любой точки земного шара практически в режиме реального времени с высоким качеством и достоверностью в широком спектре областей деятельности.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в многофункциональной космической коммуникационной системе, включающей группировку спутников, выведенную на геостационарную орбиту, группировку спутников, выведенную на низковысотную орбиту и как минимум один наземный пункт управления, новым является то, что система снабжена группировкой спутников, выведенной на средневысотную орбиту, причем как минимум один спутник, расположенный на геостационарной орбите, посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, а спутники, выведенные на геостационарную орбиту, соединены друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих и задающих сигналов с наземного пункта управления на спутники, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи и ретрансляции информационных сигналов, полученных от спутников средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления, при этом каждый из спутников, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи как минимум с одним из спутников, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из спутников, расположенных на данной орбите, - с одним из спутников геостационарной орбиты.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному изобретению, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Сущность заявленного изобретения не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения специалистами.

Все используемые в заявленной системе устройства, блоки, модули, линии связи, программное обеспечение являются известными, их выполнение не является предметом патентной охраны и поэтому в материалах настоящей заявки они не раскрыты.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема многофункциональной космической коммуникационной системы.

Многофункциональная космическая коммуникационная система состоит из космического и наземного сегментов.

Космический сегмент включает в себя группировки космических аппаратов (спутников), выведенных на заданные орбиты.

Одна группировка спутников 1 (первая группа) выведена на геостационарную орбиту (порядка 36000 км). Геостационарная орбита обозначена буквой (а).

Другая группировка спутников 2 (вторая группа) выведена на средневысотную орбиту (10000-19000 км). Средневысотная орбита обозначена буквой (б).

Еще одна группировка спутников 3 (третья группа) выведена на низковысотную орбиту (500-800 км). Низковысотная орбита обозначена буквой (в).

Количество спутников каждой группировки (на каждой орбите) может быть различным и зависит от задачи, на выполнение которых направлена система.

Так, учитывая архитектуру системы, для обеспечения глобального охвата земной поверхности достаточно трех спутников, выведенных на орбиту (а), шести спутников, выведенных на орбиту (б), четырех-шести спутников, выведенных на орбиту (в).

Спутники 1, расположенные на орбите (а), связаны между собой высокоскоростными линиями связи 4.

Каждый спутник 1 имеет возможность связи с находящимися в его зоне спутниками 2 и спутниками 3. Линии связи обозначены соответственно позициями 5 и 6. Спутники 3 имеют возможность связи с находящимися в их зоне спутниками 2. Линия связи обозначена позицией 7. По линиям связи передаются управляющие и информационные сигналы.

Наземный сегмент системы состоит как минимум из одной интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) 8. Наиболее предпочтительно выполнение системы с двумя ИАСУ (одной основной и одной дублирующей).

ИАСУ 8 (наземный пункт управления) имеет возможность связи с пунктами связи клиентов 9 и линиями связи 10, 11, 12 со спутниками группировок орбит (а), (б), (в).

Каждая группировка спутников выполняет свои функции.

Так, спутники, выведенные на орбиту (а), предназначены для ретрансляции и управления работой спутников, расположенных на орбитах (б) и (в).

Спутники, выведенные на орбиту (б), предназначены для организации связи и обзорного мониторинга.

Спутники, выведенные на орбиту (в), предназначены для проведения детального мониторинга.

Периодическая коррекция орбит спутников 1, 2, 3 осуществляется с ИАСУ 8 по линиям связи 10, 11, 12.

Многофункциональная космическая коммуникационная система функционирует следующим образом.

Для осуществления связи (персональная связь, телерадиовещание, широкополосная передача данных и ретрансляции в реальном режиме времени, различные мультимедийные услуги, в том числе в труднодоступных, малонаселенных, приполярных регионах и пр.) ИАСУ 8 принимает сигналы от передающего абонента и передает их на спутник 1 геостационарной орбиты по линии связи 10. Аппаратура спутника 1 обрабатывает данные сигналы, устанавливает место расположения принимающего абонента и ретранслирует сигналы связи на спутник орбиты 2, наиболее доступный для принимающего абонента, а со спутника 2 сигналы ретранслируются на устройство приема сигналов принимающего информацию абонента непосредственно или через спутник 1.

Если нужный спутник 2 в момент осуществления связи находится вне зоны действия спутника 1, то по линии связи 4 сигналы передаются на тот спутник геостационарной орбиты, в зоне досягаемости которого находится спутник 2, через который должна быть осуществлена связь с принимающим абонентом.

Для проведения обзорного мониторинга (мониторинга поверхности земли и природной среды, гидрометеорологии, контроля за чрезвычайными ситуациями, связанными с природными и техногенными катастрофами и ликвидации их последствий и пр.) заданного региона (он может быть весьма значительным по площади), управляющие сигналы, задающие конкретный вид мониторинга, координаты исследуемого района с ИАСУ 8 передаются на спутник 1 орбиты (а), который определяет один или несколько спутников 2 орбиты (б) для выполнения данной задачи и по каналам связи 5 передает на них задание на проведение исследований. Если данный спутник или спутники в данный момент времени находятся вне зоны действия спутника 1, то он по линии связи 4 передает задание на другой спутник орбиты (а) в зоне досягаемости которого находятся в данный момент необходимые для решения поставленной задачи спутники. (Спутники 1 орбиты (а) находятся в режиме постоянной связи друг с другом посредством линий связи 4 и постоянно обмениваются по этим линиям информацией, содержащей координаты находящихся в данный момент времени в зоне их действия спутников орбит (б) и (в). Поэтому выбор необходимого спутника происходит сразу при поступлении управляющих сигналов на спутник 1).

Информация о состоянии исследуемого участка поступает на приемные устройства спутника (спутников) 2 и передается по каналу связи 5 на спутник 1 орбиты (а), откуда ретранслируется на земной пункт управления, с которого передается потребителям.

Для проведения детального мониторинга (контроль движущихся и стационарных объектов на земле (воде), в воздушном пространстве, состояние ледников, сход лавин, развитие половодья и пр.) заданного района (он весьма небольшой по площади), управляющие сигналы, задающие конкретный вид мониторинга и координаты исследуемого района, с наземного пункта управления передаются на спутник 1 орбиты (а), который, как это уже было описано выше, определяет один или несколько спутников 3 орбиты (в), на которые по каналам связи 6 и передаются управляющие сигналы на проведение детального мониторинга. Информация о результатах исследования (детального мониторинга) поступает по каналам связи 6 на определенный заданием спутник 2 орбиты (б), с которого передается на спутник 1 орбиты (а) и далее, как уже было описано выше, - через наземный пункт управления потребителям.

Несложно заметить, что архитектура космической группировки основана как на разделении орбит, на которые выведены группировки спутников (геостационарная, средневысотная и низковысотная), так и на жестком разделении функций, выполняемых спутниками каждой орбиты. Причем весьма важно, что группировки спутников, за исключением расположенных на геостационарной орбите, не имеют между собой связей (горизонтальные связи), что значительно упрощает управление спутниками и работу системы в целом.

Использование спутников, выведенных на геостационарную орбиту для управления спутниками более низких орбит, а также для ретрансляции информации, получаемой с данных спутников на наземный пункт управления, существенно упрощает организацию связи, повышает ее качество и позволяет осуществлять связь и передачу иной информации практически в реальном масштабе времени. Приемопередающие устройства (антенны) наземного пункта управления и расположенных на геостационарной орбите спутников находятся в постоянном положении друг относительно друга, что дает возможность отказаться от системы управления положением антенн при изменении относительного положения объектов, на которых эти антенны установлены. Управление работой спутников, находящихся на средне- и низковысотных орбитах через спутники на геостационарных орбитах и передача с этих спутников информации на земной пункт управления через спутники геостационарной орбиты также повышает качество и оперативность связи.

Разделение функций, выполняемых спутниками, по орбитам позволяет установить на каждый спутник минимум оборудования (спутники 1 - управления и ретрансляции, спутники 2 - связи и обзорного мониторинга, спутники 3 - детального мониторинга), что значительно снижает их массу, а это весьма важно при запуске спутников и поддержании их заданных орбит в космическом пространстве.

Кроме того, каждая группировка спутников выполняет только ей присущие задания (обзорный мониторинг, детальный мониторинг), находясь на оптимальном расстоянии от исследуемых объектов, а это значительно повышает качество работы системы.

Архитектура системы позволяет решить широкий спектр проблем с высоким качеством получения информации при минимальном количестве спутников.

Управление спутниками, находящимися на средне- и низковысотных орбитах осуществляется спутниками, находящимися на геостационарной орбите, которые в свою очередь управляются с наземного пункта управления, что исключает возможность несанкционированного доступа к спутникам системы.

Изобретение относится к высотным коммуникационным системам широкого спектра действия, включающим группировки спутников, выведенных на разновысокие орбиты и как минимум один наземный пункт управления. Технический результат заключается в обеспечении связи и мониторинга при минимальном количестве космических аппаратов. Система, включающая группировку спутников, выведенную на геостационарную орбиту, группировку спутников, выведенную на низковысотную орбиту и как минимум один наземный пункт управления, дополнительно снабжена группировкой спутников, выведенной на средневысотную орбиту, причем как минимум один спутник, расположенный на геостационарной орбите посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, соединены друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих сигналов с наземного пункта управления на спутники, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи, и ретрансляции информационных сигналов, полученных от спутников средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления, при этом каждый из спутников, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи как минимум с одним из спутников, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из спутников, расположенных на данной орбите, - с одним из спутников геостационарной орбиты. 1 ил.

Многофункциональная космическая коммуникационная система, включающая группировку спутников, выведенную на геостационарную орбиту, группировку спутников, выведенную на низковысотную орбиту и как минимум один наземный пункт управления, отличающаяся тем, что система снабжена группировкой спутников, выведенной на средневысотную орбиту, причем как минимум один спутник, расположенный на геостационарной орбите, посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, соединены друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих сигналов с наземного пункта управления на спутники, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи, и ретрансляции информационных сигналов, полученных от спутников средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления, при этом каждый из спутников, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи как минимум с одним из спутников, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из спутников, расположенных на данной орбите - с одним из спутников геостационарной орбиты.