МНОГОЦЕЛЕВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2009 года по МПК B64G1/10 H04B7/185 G01S13/06 

Изобретение относится к многоцелевым космическим системам для осуществления задач связи и мониторинга, содержащим группировки космических аппаратов (КА), выведенных на разновысотные орбиты.

Известна многоцелевая космическая система указанного назначения по патенту Российской Федерации №2169433 (опубл. 20.06.2001 [1]). Космический сегмент этой системы включает три группировки КА. Первые две группировки включают по 24 КА на орбитах с высотой порядка 10000 км, а третья группировка - 8-12 КА на орбите с высотой 600 км. Наземный сегмент системы содержит 12-14 координирующих станций, а также парк подвижных и стационарных абонентских станций.

Данная система имеет высокую сложность как космического, так и наземного сегментов. При этом система организована таким образом, что передача информации в ней осуществляется через несколько КА и наземных станций, что увеличивает время прохождения сигналов и ухудшает их качество.

Известна также космическая система по патенту Российской Федерации №2302695 (опубл. 02.06.2005 [2]), включающая три группировки КА, одна из которых расположена на геостационарной орбите, другая - на низковысотной орбите, и третья - на средневысотной орбите. Кроме того, система содержит, по меньшей мере, один наземный пункт управления. При этом, как минимум, один КА, расположенный на геостационарной орбите, посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, КА, выведенные на геостационарную орбиту, соединены друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих сигналов с наземного пункта управления на КА, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи, и ретрансляции информационных сигналов, полученных от КА средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления. Каждый из КА, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи, как минимум, с одним из КА, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из КА, расположенных на данной орбите, - с одним из КА, находящихся на геостационарной орбите. Система рассчитана на глобальный охват и может обслуживать регионы любого размера, в том числе обширные географические регионы, включающие расположенную на суше территорию с прилегающими к ней морской и океанской акваториями.

Благодаря описанной организации данной системы передача и прием сигналов в ней могут быть обеспечены практически в режиме реального времени с более высокими качеством и достоверностью.

Однако принцип организации этой системы, ориентированной на глобальный масштаб ее использования, остается сложным и не позволяет уменьшить количество КА при обслуживании обширных регионов неглобального масштаба. Сложность системы обусловлена также трехъярусным ее построением с наличием горизонтальных связей между КА геостационарной орбиты и вертикальных связей между КА разных ярусов и наземными пунктами связи и управления. Вместе с тем, несмотря на стремление к специализации КА разных ярусов на решении разных задач, в выполнении каждой из этих задач в действительности участвуют КА нескольких ярусов. Так, для осуществления связи и детального мониторинга используются КА всех трех ярусов, для осуществления обзорного мониторинга - КА верхнего (геостационарная орбита) и среднего ярусов (средневысотные орбиты). Это усложняет управление системой и снижает надежность ее функционирования. Кроме того, функциональные возможности системы ограничены и не реализуют потенциал, соответствующий ее сложности, в частности, из-за недоступности высокоширотных регионов для проведения мониторинга с КА, находящихся на геостационарной орбите.

Данная космическая система наиболее близка к космической системе по предлагаемому изобретению.

Изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в обеспечении непрерывного гидрометеорологического мониторинга в северных высокоширотных регионах и гелиогеофизического мониторинга обстановки в околоземном пространстве над северным полушарием Земли, недоступных для КА, находящихся на геостационарной орбите, глобального радиолокационного мониторинга поверхности Земли и акваторий Мирового океана, обеспечении услуг связи на современном уровне, повышении надежности функционирования системы в сочетании с ее упрощением при обслуживании обширного региона неглобального масштаба (например, арктического и субарктического регионов России) и одновременным расширением функциональных возможностей.

Многоцелевая космическая система по предлагаемому изобретению, как и указанная наиболее близкая к ней по патенту Российской Федерации №2302695, содержит комбинированную структуру на базе высокоорбитальных и низкоорбитальных КА и наземных пунктов связи и управления и предназначена для обслуживания обширного географического региона, включающего расположенную на суше территорию с прилегающей к ней морской и океанской акваториями.

Для достижения указанного технического результата предлагаемая космическая система в отличие от указанной наиболее близкой к ней известной системы содержит космический комплекс, включающий не менее четырех КА на высокоэллиптических орбитах, в том числе два КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и не менее двух специализированных КА связи, а также один или два КА на низких орбитах для радиолокационного мониторинга поверхности суши и Мирового океана. Кроме того, система содержит наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных, наземный комплекс управления КА и наземный сегмент связи.

Количество орбитальных плоскостей равно числу КА. Наклонения орбитальных плоскостей КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и находятся в пределах 60-70 градусов, а наклонения орбитальных плоскостей специализированных КА связи находятся в пределах 60-90 градусов. Аргументы перигея КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга специализированных КА связи находятся в пределах 220-320 градусов, а долготы восходящих узлов КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга в Гринвичской системе координат, связанной с Землей, одинаковы и отличаются на 45-90 градусов от долгот восходящих узлов специализированных КА связи в той же системе координат, которые тоже одинаковы. Высота апогея орбит КА связи превышает высоту апогея КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга. Времена пролета восходящих узлов КА связи сдвинуты относительно друг друга 1/2-1/3 часть их периода обращения, равного 24 часам, а времена пролета восходящих узлов КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга сдвинуты относительно друг друга на 1/2 часть их периода обращения, равного 12 часам.

При этом предлагаемая система построена с возможностью передачи информации от входящих в ее состав КА непосредственно на указанные наземные комплексы и с возможностью передачи информации компонентами наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных и наземного сегмента связи с использованием космических каналов ретрансляции через КА на высокоэллиптических орбитах, а также с возможностью ретрансляции навигационных сигналов системы ГЛОНАСС и широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок) через специализированные КА связи на КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и КА для радиолокационного мониторинга. Такой состав системы наряду с существенным упрощением благодаря уменьшению количества КА позволяет осуществлять решение в северном высокоширотном регионе Земли расширенного комплекса следующих задач:

- анализ и прогноз погоды, гелиогеофизической обстановки в околоземном пространстве, условий полетов авиации;

- мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенного происхождения и мониторинг климатических изменений;

- сбор и ретрансляция данных с метеоплатформ наземного, морского и воздушного базирования и с аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ;

- обеспечение подвижной и фиксированной связи, приема и передачи цифровой информации, непосредственного спутникового радио- и телевизионного вещания;

- снабжение более точной и достоверной навигационной информацией потребителей, обладающих абонентской аппаратурой системы ГЛОНАСС.

Построение системы с использованием КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и специализированных КА связи на высокоэллиптических орбитах и космических каналов ретрансляции через них обеспечивает постоянное получение и обновление метеоданных и максимальную оперативность доставки данных о прогнозе погоды в северных высокоширотных регионах находящимся в них потребителям, так как высокоширотные регионы недоступны для наблюдений спутниками международной метеорологической группировки на геостационарных орбитах, а низкоорбитальные метеорологические спутники не обеспечивают наблюдение высокоширотных регионов с требуемой периодичностью, кроме того, улучшается точность измерений координат.

При выбранных числовых значениях орбитальных параметров обеспечиваются возможность наблюдения северного высокоширотного региона Земли, недоступного для наблюдений спутниками на геостационарных орбитах, видимости КА на высокоэллиптических орбитах с поверхности северного высокоширотного региона Земли под углами к горизонту более 10 градусов, что необходимо для обеспечения связи между подвижными абонентами, ретрансляции через КА данных о состоянии атмосферы с платформ сбора метеоданных различного базирования, пространственное разделение КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга от специализированных КА связи для потребителей в северном высокоширотном регионе Земли в интересах достижения электромагнитной совместимости средств связи и мониторинга.

При этом на КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга могут быть установлены многоспектральное сканирующее устройство, содержащее 10-12 спектральных диапазонов в видимом и инфракрасном диапазонах, гелиогеофизический аппаратурный комплекс, содержащий чувствительные датчики для измерения характеристик излучения Солнца, радиационной и магнитной обстановки на высоте орбиты, система сбора данных и бортовой радиотехнический комплекс, содержащий радиоканалы для сброса на приемные станции наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных получаемых на борту КА многоспектральных и гелиогеофизических данных, а также ретрансляционные средства для приема и передачи цифровой информации между устройствами, входящими в наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных. На этих КА размещается также аппаратура для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС.

В состав указанного гелиогеофизического аппаратурного комплекса, установленного на КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга, могут входить спектрометр корпускулярных излучений, спектрометр солнечных космических лучей, детектор галактических космических лучей, измеритель солнечной постоянной, измеритель потока рентгеновского излучения Солнца, измеритель ультрафиолетового излучения Солнца, магнитометр для измерений напряженности магнитного поля, ультрафиолетовый монитор полярных сияний.

Благодаря этому обеспечивается непрерывное получение и сброс на приемные станции наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных многоспектральных снимков полярной области Земли, гелиогеофизических данных на высоте орбиты, ретрансляция сигналов от платформ сбора метеоданных указанного наземного комплекса и аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ, а также передача и распространение обработанной на средствах наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных гидрометеорологической информации, причем передача гидрометеорологической информации потребителям в условиях отсутствия необходимой связной инфраструктуры осуществляется через каналы ретрансляции.

Это позволяет получать:

- информацию для анализа (характер и параметры облачных образований, фронтальные разделы, особенности циркуляции воздушных масс, стихийные гидрометеорологические явления) и прогноза погоды не только в региональном масштабе, но и для прогноза погоды в глобальном масштабе;

- информацию для анализа и прогноза состояния акваторий северных морей и океанов (волнение, температура поверхности моря, сгонно-нагонные процессы у побережий) и для анализа пространственно-временного изменения состояния снежного покрова;

- информацию для анализа ледовой обстановки, например, в морях Северного Ледовитого океана, анализа условий для полетов авиации (облачность, ветер, струйные течения и др.), анализа гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом пространстве, а также осуществлять мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенного происхождения и мониторинг климата и его глобальных изменений.

На специализированных КА связи могут быть установлены бортовой ретрансляционный комплекс для непосредственного цифрового радио- и телевещания на мобильные приемные устройства, бортовой ретрансляционный комплекс подвижной спутниковой связи, бортовой ретрансляционный комплекс непосредственного телевещания и связи со стационарными или перебазируемыми приемными и/или передающими устройствами, бортовой ретрансляционный комплекс широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок).

Это позволяет обеспечивать связью как неподвижные, так и подвижные объекты, осуществлять между ними передачу данных, в том числе и Интернет, факсимильную и телефонную связь, а также осуществлять радио- и телевещание и передачу навигационной информации.

На КА для радиолокационного мониторинга могут быть установлены бортовой комплекс управления КА, радиолокационный комплекс с синтезированной апертурой, а также аппаратура радиолинии "космос-Земля" для передачи данных наблюдения непосредственно на наземные станции приема, входящие в состав наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных, и аппаратура для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС, обеспечивающая возможность приема широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок). Указанный радиолокационный комплекс может содержать последовательно соединенные приемопередающую антенну, приемопередающую аппаратуру, устройство бортовой обработки радиоголограмм и управляющую систему, соединенную выходами со всеми названными частями бортового радиолокационного комплекса. При этом аппаратура для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС через указанный бортовой комплекс управления КА связана с указанным бортовым радиолокационным комплексом, а аппаратура радиолинии «космос-Земля» вторым своим входом подключена ко второму выходу приемопередающей аппаратуры указанного радиолокационного комплекса. Через аппаратуру радиолинии "космос-Земля" осуществляется передача данных дистанционного зондирования Земли и информации сопровождения.

Это позволяет, в частности, решать задачи: селекции движущихся объектов (кораблей, автотранспорта) и определение направления и параметров их движения; прокладки их курса, в том числе через паковые льды; уточнения положения ледовой кромки; слежения за ледяными островами, айсбергами и их обломками; определения областей с тонким льдом внутри паковых льдов; обнаружения заторов на больших речных системах и наблюдения за вскрытием рек; картографирования областей с разводьями и трещинами в прибрежных и материковых льдах, границ шельфовых и материковых льдов, ледовых течений материкового льда, снежного покрова для построения гидрологического прогноза; наблюдения за состоянием снежного покрова; определения влагосодержания и влажности снега, определения момента начала снеготаяния, наблюдения за линией снеготаяния.

Наземный комплекс управления КА предлагаемой системы включает в себя центр управления полетом, командно-измерительные станции, баллистический центр, средства связи и передачи командно-телеметрической информации.

Наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных включает в себя гидрометеорологические (главный и региональные) центры приема и обработки данных, платформы сбора метеоданных, образующие распределенную сеть, автономные пункты приема метеоинформации, автономные пункты приема гелиогеофизической информации, размещаемые непосредственно у потребителей, а также центры приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли.

В региональных гидрометеорологических центрах приема и обработки данных размещаются станции приема и обработки метеорологической информации, приемопередающие станции космической связи, станции приема данных с платформ сбора метеоданных. В главном центре, помимо перечисленных средств, размещается автоматизированный комплекс планирования и управления, а также станция приема данных с аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ.

Наземный сегмент связи включает в себя центры связи и вещания и аппаратуру потребителей.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показана возможная реализация предлагаемой многоцелевой космической системы:

на фиг.1 представлены структура системы в целом и состав средств ее наземной части;

на фиг.2 - состав целевой аппаратуры КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга;

на фиг.3 - состав целевой аппаратуры специализированных КА связи;

на фиг.4 - состав целевой аппаратуры КА для радиолокационного мониторинга.

Предлагаемая космическая система при ее выполнении, иллюстрируемом фиг.1, содержит следующие основные части:

- космический комплекс, в состав которого входят пять КА (1-5) на высокоэллиптических орбитах, из которых два КА (1, 2), находящиеся на орбитах 101 и 102, предназначены для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга, а три других КА (3, 4, 5), находящиеся на орбитах 103-105, являются специализированными КА связи, и два КА (6, 7), предназначенные для радиолокационного мониторинга, находятся на низких орбитах 106, 107;

- наземный комплекс 24 приема, обработки и распространения космических данных;

- наземный комплекс 29 управления КА;

- наземный сегмент 25 связи.

Каждый из названных КА имеет свою индивидуальную орбитальную плоскость. Наклонения орбитальных плоскостей КА 1, 2 для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и находятся в пределах 60-70 градусов, а наклонения орбитальных плоскостей специализированных КА 3-5 связи находятся в пределах 60-90 градусов. Аргументы перигея КА 1, 2 для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и специализированных КА 3-5 связи находятся в пределах 220-320 градусов. Долготы восходящих узлов КА 1, 2 для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга в Гринвичской системе координат одинаковы и отличаются от долгот восходящих узлов специализированных КА 3-5 связи, которые в той же системе также одинаковы, на 45-90 градусов. При этом высота апогея орбит КА 3-5 связи превышает высоту апогея КА 1, 2 для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга. Времена пролета восходящих узлов КА связи сдвинуты относительно друг друга на 1/2-1/3 часть их периода обращения, равного 24 часам, а времена пролета восходящих узлов КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга сдвинуты относительно друг друга примерно на 1/2 часть их периода обращения, равного 12 часам.

Наземный комплекс 24 приема, обработки и распространения космических данных включает:

- главный гидрометеорологический центр 18 приема и обработки данных;

- региональные гидрометеорологические центры 19 приема и обработки данных;

- платформы 20 сбора метеоданных, образующие распределенную сеть;

- автономные пункты 21 приема метеоинформации, размещенные непосредственно у потребителей;

- автономные пункты 22 приема гелиогеофизической информации, размещенные непосредственно у потребителей;

- центры 23 приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли.

Каждый из региональных гидрометеорологических центров 19 приема и обработки данных содержит:

- станции 14 приема и обработки метеорологической информации;

- приемо-передающие станции 15 космической связи;

- станции 16 приема данных с платформ сбора метеоданных.

Главный гидрометеорологический центр 18 по составу входящих в него средств аналогичен региональным центрам 19, отличаясь тем, что дополнительно включает автоматизированный комплекс 17 планирования и управления, а также станцию 78 приема данных с аварийных радиобуев 77 системы КОСПАС-САРСАТ. Сами аварийные радиобуи 77 системы КОСПАС-САРСАТ в состав предлагаемой многоцелевой космической системы не входят, она лишь взаимодействует с ними.

Наземный сегмент 25 связи включает в себя центры 26 связи и вещания и аппаратуру 28 потребителей.

Центры 26 связи и вещания осуществляют организацию и управление связью, теле- радиовещанием, передачу навигационных сигналов и широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок). Аппаратура 28 потребителей предоставляет услуги связи непосредственно потребителям и находится у них.

Наземный комплекс 29 управления КА включает центр 30 управления полетом, командно-измерительные станции 31, баллистический центр 32, средства связи и передачи командно-телеметрической информации 73.

Целевая аппаратура КА 1 и 2 для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга (фиг.2) включает многоспектральный сканер 33 и гелиогеофизический аппаратурный комплекс 34, в состав которого входят: спектрометр 35 корпускулярных излучений, спектрометр 36 солнечных космических лучей, детектор 37 галактических космических лучей, измеритель 38 солнечной постоянной, измеритель 39 потока рентгеновского излучения Солнца, измеритель 40 ультрафиолетового излучения Солнца, магнитометр 41 для измерений напряженности магнитного поля.

Перечисленные измерительные средства предпочтительно должны быть рассчитаны на работу в следующих диапазонах:

- спектрометр 35 корпускулярных излучений - в диапазонах энергий 0,05…20,0 кэВ; 0,03…1,5 МэВ; 0,5…30,0 МэВ;

- спектрометр 36 солнечных космических лучей - в диапазонах энергий 1-12 МэВ, 30,0-300,0 МэВ и более 350,0 МэВ;

- детектор 37 галактических космических лучей - в диапазоне энергий более 600 МэВ;

- измеритель 38 солнечной постоянной - в диапазоне 0,2-100 мкм;

- измеритель 39 потока рентгеновского излучения Солнца - в диапазоне энергий 3-10 кэВ;

- измеритель 40 ультрафиолетового излучения Солнца - на резонансной линии водорода HLa (121,6 нм);

- магнитометр 41 - для измерений напряженности магнитного поля в диапазоне ±300 нТл.

В качестве перечисленных средств измерения могут быть использованы, например, следующие промышленно освоенные приборы (соответственно): СКИФ-6; СКЛ-Э; ГАЛС-Э; ИСП-2М; ДИР-Э; ВУСС-Э; ФМ-Э.

Кроме того, на КА 1 и 2 установлены подсистема 42 сбора данных и бортовой радиотехнический комплекс 43 для сброса информации на приемные станции наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных, а также для ретрансляции цифровой информации между устройствами, входящими в наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных.

Выходы многоспектрального сканера 33 и узлов гелиогеофизического аппаратурного комплекса 34 (спектрометров 35, 36, детектора 37, измерителей 38, 39, 40 и магнитометра 41) подключены ко входам подсистемы 42 сбора данных, а выходы последней - ко входам радиотехнического комплекса 43 для сброса информации на приемные станции наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных.

Комплекс 43 содержит передающий ствол 44 для сброса многоспектральных данных по каналу 60, передающий ствол 45 для сброса гелиогеофизических данных по каналу 61, приемопередающий ствол 46 для высокоскоростной ретрансляции данных по каналам 64, приемопередающий ствол 47 для ретрансляции метеоданных с платформ сбора метеоданных по каналам 62-63, приемопередающие стволы 48 и 49 для доведения метеоданных высокого и низкого разрешения до потребителей соответственно по каналам 65-66 и 65-67, приемопередающий ствол 147 для ретрансляции данных с аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ по каналам 162-163.

На КА 1 и 2 размещается также не показанная на чертеже аппаратура для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС.

В состав целевой аппаратуры 150 специализированных КА 3, 4, 5 связи входят (фиг.3): бортовой ретрансляционный комплекс 50 для непосредственного цифрового радио- и телевещания на мобильные приемные устройства типа сотового телефона, бортовой ретрансляционный комплекс 51 подвижной спутниковой связи, бортовой ретрансляционный комплекс 52 непосредственного телевещания и связи со стационарными или перебазируемыми приемными и (или) передающими устройствами, бортовой ретрансляционный комплекс 53 широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок).

Целевая аппаратура низкоорбитальных КА 6, 7 для радиолокационного мониторинга (фиг.4) включает многорежимный бортовой радиолокационный комплекс 54 с синтезированной апертурой для всепогодной и круглосуточной съемки, содержащий последовательно соединенные приемопередающую антенну 55, приемопередающую аппаратуру 56, устройство 58 бортовой обработки радиоголограмм и управляющую систему 57, соединенную выходами со всеми названными частями бортового радиолокационного комплекса, а входом с выходом бортового комплекса 157 управления КА. На этих КА установлена также бортовая аппаратура 59 радиолинии «космос-Земля» и аппаратура 76 для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС, способная обеспечить также прием широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок). Аппаратура 76 подключена своим выходом к бортовому радиолокационному комплексу 54 через бортовой комплекс 157 управления КА. При этом аппаратура 59 радиолинии "космос-Земля" вторым своим входом подключена ко второму выходу приемопередающей аппаратуры 56. По каналу 68 осуществляется передача данных дистанционного зондирования Земли и информации сопровождения.

Апогейные участки высокоэллиптических орбит 101-105 располагаются над северным полушарием Земли и содержат рабочие участки, при прохождении по которым КА 1-5 функционируют в рабочих режимах, а за пределами рабочих участков - в дежурных режимах. Многоспектральный сканер 33 на рабочем участке орбиты КА 1, 2 направлен в сторону Земли. Многоспектральные данные и данные гелиогеофизического мониторинга передаются по спутниковым каналам с КА 1-2 метеорологического и гелиогеофизического мониторинга в наземный комплекс 24 приема, обработки и распространения космических данных, в котором многоспектральные данные подвергаются обработке и после обработки ретранслируются через бортовой радиотехнический комплекс 43 (см. фиг.2) КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга в виде данных высокого разрешения из главного 19 в региональные 18 гидрометеорологические центры приема и обработки данных и в виде данных низкого разрешения - на автономные пункты 21 приема метеоинформации, устанавливаемые у потребителей, в том числе на судах, в малонаселенных пунктах и т.п. В соответствии с расписанием или по запросу осуществляется ретрансляция информации с платформ 20 сбора метеоданных. На рабочих участках специализированных КА 3-5 связи через их бортовые ретрансляционные комплексы 50-53 (см. фиг.3) осуществляется ретрансляция информации из центров связи и вещания на аппаратуру потребителей, в том числе ретранслируется навигационный сигнал системы ГЛОНАСС и широкозонные дифференциальные данные системы ГЛОНАСС (дифференциальные поправки). Это позволяет обеспечивать связью как неподвижные, так и подвижные объекты, осуществлять между ними передачу данных, в том числе и Интернет, факсимильную и телефонную связь, а также осуществлять радио- и телевещание и передачу навигационной информации. КА 6, 7 радиолокационного мониторинга на низких орбитах 106, 107 в результате работы многорежимных радиолокационных комплексов 54 (см. фиг.4) с синтезированной апертурой для всепогодной и круглосуточной съемки получают данные дистанционного зондирования Земли и передают их посредством радиотехнических средств, установленных на этих КА, непосредственно на наземные станции приема. При этом могут передаваться как радиоголограммы, так и синтезированные радиолокационные изображения, полученные путем обработки радиоголограмм в устройстве бортовой обработки радиоголограмм. При этом синтезированные радиолокационные изображения могут передаваться на автономные пункты приема информации, размещенные непосредственно у потребителей на судах, в малонаселенных поселках и т.п. Кроме того, посредством аппаратуры 76 для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС обеспечивается также прием широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС (дифференциальных поправок), которые используются при получении и синтезе радиолокационных изображений.

В предлагаемой системе осуществляется передача данных от входящих в ее состав КА 1-2 непосредственно на указанные приемные станции 14, 22 наземного комплекса 24 приема, обработки и распространения космических данных, а также с использованием космических каналов ретрансляции через указанные приемопередающие стволы бортового радиотехнического комплекса 43 КА 1 и 2, находящихся на высокоэллиптических орбитах.

На фиг.1 показаны направления потоков информации внутри системы, а также между нею и потребителями:

60 - многоспектральные данные с КА 1 или 2 на станции 14 приема и обработки метеорологической информации;

61 - гелиогеофизические данные с КА 1 или 2 в автономные пункты 22 приема гелиогеофизической информации;

62 - метеоданные с платформ 20 сбора метеоданных на КА 1 и 2;

63 - метеоданные с платформ сбора метеоданных, ретранслированные КА 1 и 2 на станции 16 приема данных с платформ сбора метеоданных;

64 - высокоскоростная двусторонняя передача данных и служебной информации через КА 1 или 2 между приемопередающими станциями 15 космической связи региональных 19 и главного 18 гидрометеорологических центров приема и обработки данных;

65 - обработанные метеоданные со станции 15 космической связи главного гидрометеорологического центра 18 приема и обработки данных на КА 1 или 2;

66 - обработанные метеоданные высокого разрешения, ретранслированные КА 1 или 2 на приемопередающие станции 15 космической связи региональных гидрометеорологических центров 19 приема и обработки данных;

67 - обработанные метеоданные низкого разрешения, ретранслированные КА 1 или 2 на автономные пункты 21 приема метеоинформации;

68 - данные дистанционного зондирования Земли и информация сопровождения с низкоорбитальных КА 6 и 7 на автономные пункты 21 приема метеоинформации и центры 23 приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли;

69 - командно-программная информация, информация сопровождения, циркулирующая между центром 30 управления полетом наземного комплекса 29 управления, комплексом 17 планирования и управления главного гидрометеорологического центра 18 приема и обработки данных и центральной земной станцией 26 наземного сегмента 25 связи;

70 - каналы двусторонней подвижной связи через КА 3-5, находящиеся на высокоэллиптических орбитах, между центрами 26 связи и вещания и аппаратурой 28 связи потребителей наземного сегмента 25 связи;

71 - каналы фиксированной связи через КА 3-5, находящиеся на высокоэллиптических орбитах, между абонентскими станциями 28 связи наземного сегмента 25 связи;

72 - каналы ретрансляции радио- и телевещания через КА 3-5, находящиеся на высокоэллиптических орбитах, на аппаратуру 28 связи потребителей наземного сегмента 25 связи;

73 - командно-программная и телеметрическая информация, циркулирующая между центром 30 управления полетом и командно-измерительными станциями 31 и баллистическим центром 32 наземного комплекса 29 управления;

74 - команды управления, числовые массивы, телеметрическая информация, передаваемая или принимаемая с КА 1-7 командно-измерительными станциями 31 наземного комплекса 29 управления;

75 - гидрометеорологическая информация, данные дистанционного зондирования Земли, передаваемые с наземного комплекса 24 приема, обработки и распространения космических данных в наземный сегмент 25 связи с целью ретрансляции через специализированные КА связи другим потребителям;

76 - навигационные сигналы и широкозонные дифференциальные данные системы ГЛОНАСС (дифференциальные поправки), передаваемые центрами 26 связи и вещания на КА 3-5;

80 - навигационные сигналы и широкозонные дифференциальные данные системы ГЛОНАСС (дифференциальные поправки), ретранслированные на КА 1, 2 и 6, 7;

88 - данные с аварийных радиобуев 77 системы КОСПАС-САРСАТ, передаваемые на станцию 78 приема, входящую в состав главного гидрометеорологического центра 18 приема и обработки данных.

Исследование возможностей космической системы предлагаемого типа, проведенное на примере системы для обслуживания арктического и субарктического регионов России, показало, что такая система позволит успешно решать следующие актуальные для развития этого региона задачи:

1. Группа задач обеспечения транспорта (обеспечение информационного взаимодействия с воздушными, морскими и речными судами в арктических широтах; обеспечение мореплавания в Арктике ледовой, навигационной и гидрометеорологической информацией; навигационное и гидрометеорологическое обеспечение полетов гражданской авиации; обеспечение навигационной и гидрометеорологической информацией наземного транспорта; поддержание функций системы КОСПАС-САРСАТ; мониторинг состояния ЛЭП, трубопроводов и пр.).

2. Группа гидрометеорологических задач: оперативная оценка состояния ледового покрова; оперативная оценка состояния атмосферы и облачных систем; оперативная оценка состояния поверхности океана, оперативная оценка состояния и снежного покрова (оперативное обнаружение и мониторинг загрязнений окружающей природной среды).

3. Группа задач по развитию информационной инфраструктуры: создание и поддержка надежной системы связи и Интернет (поддержка социальной инфраструктуры с акцентом поддержки интересов коренных народов Севера в области здравоохранения, науки и образования путем создания дистанционных систем оказания медицинской помощи, обмена научной информацией и проведения дистанционного обучения); создание и наполнение топографических карт, тематических карт различного назначения, комплексное тематическое картографирование; создание цифровых моделей рельефа и цифровых моделей местности; создание и информационное обеспечение государственных информационных систем различного назначения; уточнение карт общего и детального сейсмического районирования.

4. Группа задач контроля экономической и иных видов деятельности (выявление нарушений технологических процессов и установленных регламентов; контроль соблюдения лицензионных соглашений при освоении месторождений минерального сырья; мониторинг состояния биоресурсов; контроль нелегального рыболовства в акваториях; контроль состояния лесного фонда; контроль несанкционированного строительства; отслеживание развития транспортной инфраструктуры).

5. Группа задач геологической, геофизической и геохимической направленности: расширение минерально-сырьевой базы за счет поиска залежей углеводородов на шельфе арктических морей (мониторинг деградации многолетней мерзлоты; мониторинг экзогенных геологических процессов - разрушения берегов морей и водохранилищ, русловых процессов, селей, оползней, обвалов и т.д.; создание и периодическое обновление кадастров природных ресурсов, выявление площадей, перспективных на поиск нефти, газа и твердых полезных ископаемых; обеспечение геологоразведочных работ различного профиля).

6. Группа задач контроля чрезвычайных ситуаций (раннее обнаружение, прогноз и наблюдение за развитием техногенных катастроф, прогноз возникновения и развития зон повышенного риска; информационное обеспечение аварийно-спасательных работ; раннее обнаружение и наблюдение за развитием лесных и торфяных пожаров; объективная и оперативная оценка ущерба от стихийных бедствий, поддержание функций системы КОСПАС-САРСАТ).

7. Группа экологических задач (мониторинг экологической обстановки на акваториях морей и в районах строительства новых портов и нефтяных терминалов, выявление и наблюдение в реальном масштабе времени за источниками загрязнения окружающей среды).

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2169433, опубл. 20.06.2001.

2. Патент Российской Федерации №2302695, опубл. 02.06.2005.

Изобретение относится к спутниковым системам для осуществления задач связи и мониторинга, содержащим группировки космических аппаратов (КА), выведенных на разновысотные орбиты. Система предназначена для обслуживания обширного географического региона: территории суши с прилегающей к ней морской и океанской акваториями. Система содержит КА на высокоэллиптических орбитах (101-105), в том числе два КА (1, 2) для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и специализированные КА (3, 4, 5) связи, а также КА (6, 7) на низких орбитах (106, 107) для радиолокационного мониторинга. Система содержит наземный комплекс (29) управления КА, наземный комплекс (24) приема, обработки и распространения космических данных и наземный сегмент (25) связи. При этом предусмотрена возможность передачи информации от КА (1, 2) непосредственно на наземные комплексы (24, 29), а также - передачи данных компонентами наземного комплекса (24) и наземного сегмента (25) связи с использованием космических каналов ретрансляции через КА (1-5). Техническим результатом изобретения является повышение надежности и расширение функций системы в сочетании с ее упрощением при обслуживании, например, арктического и субарктического регионов России. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоцелевая космическая система для обслуживания обширного географического региона, включающего расположенную на суше территорию с прилегающей к ней морской и океанской акваториями, содержащая комбинированную структуру на базе высокоорбитальных и низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и наземных пунктов связи и управления, отличающаяся тем, что она содержит космический комплекс, включающий по меньшей мере четыре КА на высокоэллиптических орбитах, в том числе два КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и не менее двух специализированных КА связи, а также один или два КА на низких орбитах для радиолокационного мониторинга, при этом количество орбитальных плоскостей равно числу КА, наклонения орбитальных плоскостей КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга находятся в пределах 60-70°, а наклонения орбитальных плоскостей специализированных КА связи находятся в пределах 60-90°, аргументы перигея КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга и специализированных КА связи находятся в пределах 220-320°, а долготы восходящих узлов в Гринвичской системе координат, связанной с Землей, КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга одинаковы и отличаются в той же системе координат от также одинаковых долгот восходящих узлов специализированных КА связи на 45-90°, высота апогея орбит указанных КА связи превышает высоту апогея КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга, времена пролета восходящих узлов указанных КА связи сдвинуты относительно друг друга на 1/2-1/3 периода их обращения, равного 24 ч, а времена пролета восходящих узлов КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга сдвинуты относительно друг друга на 1/2 периода их обращения, равного 12 ч, кроме того, указанная система содержит наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных, а также наземный комплекс управления КА и наземный сегмент связи, при этом данная система построена с возможностью передачи информации от входящих в ее состав КА непосредственно на указанные наземные комплексы, а также с возможностью передачи информации компонентами наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных и наземного сегмента связи с использованием космических каналов ретрансляции через КА, находящиеся на высокоэллиптических орбитах.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга установлены многоспектральное сканирующее устройство видимого и инфракрасного диапазонов, гелиогеофизический аппаратурный комплекс для измерения характеристик излучения Солнца и магнитной обстановки на высоте орбиты, система сбора данных и бортовой радиотехнический комплекс, содержащий радиоканалы для сброса на приемные станции наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных, получаемых на борту этих КА, многоспектральных и гелиогеофизических данных, а также ретрансляционные средства для приема и передачи цифровой информации между устройствами, входящими в наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных, кроме того на указанных КА размещается аппаратура для точного определения их положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что в состав указанного гелиогеофизического аппаратурного комплекса, установленного на КА для метеорологического и гелиогеофизического мониторинга, входят спектрометр корпускулярных излучений, спектрометр солнечных космических лучей, детектор галактических космических лучей, измеритель солнечной постоянной, измеритель потока рентгеновского излучения Солнца, измеритель ультрафиолетового излучения Солнца, магнитометр для измерений напряженности магнитного поля, ультрафиолетовый монитор полярных сияний.

4. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что на специализированных КА связи установлены бортовой ретрансляционный комплекс для непосредственного цифрового радио- и телевещания на мобильные приемные устройства, бортовой ретрансляционный комплекс подвижной спутниковой связи, бортовой ретрансляционный комплекс непосредственного телевещания и связи со стационарными или перебазируемыми приемными и/или передающими устройствами, бортовой ретрансляционный комплекс широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС.

5. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что на КА для радиолокационного мониторинга установлены бортовой комплекс управления КА, радиолокационный комплекс с синтезированной апертурой, а также аппаратура радиолинии "космос-Земля" для передачи данных наблюдений непосредственно на наземные станции приема, входящие в состав наземного комплекса приема, обработки и распространения космических данных, и аппаратура для точного определения положения в навигационном поле космической системы ГЛОНАСС, обеспечивающая также прием широкозонных дифференциальных данных системы ГЛОНАСС, причем указанный радиолокационный комплекс содержит последовательно соединенные приемопередающие антенну и аппаратуру, устройство бортовой обработки радиоголограмм и управляющую систему, соединенную своими выходами со всеми названными частями бортового радиолокационного комплекса, а входом с указанным бортовым комплексом управления КА, при этом указанная аппаратура для точного определения положения в навигационном поле системы ГЛОНАСС через указанный бортовой комплекс управления КА связана с указанным бортовым радиолокационным комплексом, а указанная аппаратура радиолинии "космос-Земля" своим вторым входом подключена ко второму выходу указанного радиолокационного комплекса.

6. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что наземный комплекс управления КА включает в себя центр управления полетом, командно-измерительные станции, баллистический центр, средства связи и передачи командно-телеметрической информации.

7. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что наземный комплекс приема, обработки и распространения космических данных включает в себя главный и региональные гидрометеорологические центры приема и обработки данных, платформы сбора метеоданных, автономные пункты приема метеоинформации, автономные пункты приема гелиогеофизической информации, размещаемые непосредственно у потребителей, а также центры приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что каждый из указанных региональных гидрометеорологических центров приема и обработки данных содержит станции приема и обработки метеорологической информации, приемопередающие станции космической связи, станции приема данных с платформ сбора метеоданных, а главный гидрометеорологический центр помимо указанных средств содержит автоматизированный комплекс планирования и управления, а также станцию приема данных с аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ.

9. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что наземный сегмент связи включает в себя центры связи и вещания и аппаратуру потребителей.