СПОСОБ ОБЪЕДИНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Российский патент 2013 года по МПК H04B10/118 

Предлагаемое изобретение направлено на формирование объединенных спутниковых систем связи (ССС), способных в режиме реального времени расширить зоны на Земле при обеспечении их всесуточной связью.

Известны ССС [1, 2, 3, 4], осуществляющие связь как на низких орбитах до 2000 км (LEO-Low-Earth-Orbit, низкая околоземная орбита), средних орбитах до 20000 км (МЕО-Medium-Earth-Orbit, средняя околоземная орбита) и высоких субсинхронных орбитах, к которым относятся как геостационарная экваториальная орбита (36000 км), так и высокие эллиптические орбиты (~40000 км в апогее) из серии спутников в СССР «Молния».

Отмечая высокую востребованность населением Земли указанных ССС, следует отметить и их недостатки:

- высокая стоимость запуска и эксплуатации ССС с высокой массой спутников и их большим числом;

- необходимость введения межспутниковой связи в одной ССС при ретрансляции сообщений на большие расстояния и большие времена задержки на этих расстояниях.

Настоящее предложение направлено на частичное устранение этих недостатков путем объединения известных действующих ССС на высоких субсинхронных орбитах с ССС, расположенных на низких или средних орбитах.

Такое объединение, по мнению авторов, позволит существенно уменьшить массу запускаемых на высокие орбиты спутников, что практически позволит уменьшить энергетические и финансовые затраты при запуске спутника и поддержании его на орбите. Также в едином масштабе времени возможна ретрансляция сообщений на большие территории на Земле при минимальной временной задержке. Перечисленные выигрыши предлагаемого изобретения следует считать техническим решением. В качестве прототипа по своей физической сути может быть принята ССС на высокой субсинхронной орбите.

Предлагается способ объединения ССС, которые располагают на низких или средних околоземных орбитах со спутником связи, который располагают на высокой субсинхронной орбите, включающий в себя операцию односторонней активной ретрансляции излучений, которую получают с земных передатчиков, в направлении Земли, в соответствии с которым активную ретрансляцию излучения, которую получают на приемную антенну спутника на высокой субсинхронной орбите, осуществляют передающей антенной, ось которой направляют на центр Земли в частотном диапазоне выше 20 ГГц, при этом излучающую антенну изготавливают такой, что излучающим пятном мощности передатчика на высоте низких или средних орбит ССС формируют площадь S_ИЗЛ, на оси которой в направлении упомянутых орбит попадает не менее трех спутников на низких орбитах и не менее одного на средних орбитах ССС, а каждый спутник этой ССС снабжают дополнительно приемником с антенной, направленной на спутник для приема излучений на указанной частоте, причем ось диаграммы направленности антенн земных передатчиков стационарно наводят на центр части орбиты, с которой осуществляют связь с Землей, а телесный угол диаграммы направленности устанавливают ±8,5°.

Предложен вариант способа, в соответствии с которым зеркало передающей антенны спутника на высокой орбите изготавливают сферическим, а излучатель или рефлектор излучателя располагают на оси антенны ниже плоскости, проходящей через края антенны, на величину Δ, которую устанавливают над фокусом сферы так, что угол α от вертикали, проходящей от края антенны и параллельной оси, и направления излучения устанавливают из равенства

$$\alpha =\frac{R_{ИЗЛ.ССС}\cdot 180}{\left(H-H_{ОРБ.ССС}\right)\cdot \pi }град\mathrm{.,}$$

где R_{ИЗЛ.ССС} - радиус зоны облучения излучением передатчика спутника на высокой орбите H; Н_{ОРБ.ССС} - высота низкой или средней орбиты ССС.

В дальнейшем изобретение поясняется ссылками на представленные рисунки:

Фиг.1 - условное изображение объединения двух ССС, где 1 - спутник связи на высокой субсинхронной орбите на высоте H; 2 - приемная антенна спутника 1 для приема излучения земного передатчика; 3 - антенна активного ретранслятора спутника 1 на частоте излучения более 20 ГГц; 4 - спутники на низкой или средней орбитах ССС; 5 - приемные антенны спутников 4, направленные на спутник 1; 6 - зона обслуживания на Земле спутника 4 на орбите высотой Н_{ОРБ.ССС}; 7 - зона облучения излучением спутника 1 на высоте Н_{ОРБ.ССС}; 8 - земной передатчик.

Фиг.2 - условное изображение сферической передающей антенны спутника 1, где 9 - ось антенны 10, направленной на центр Земли; 11 - сфера шара с центром в т.O, частью которой является антенна 10; 12 - излучатель, смещенный на величину Δ 13 вниз по оси 9 относительно плоскости, проходящей через края антенны; 14 - угол α, который обеспечивает формирование площади излучения S_ИЗЛ на высоте Н_{ОРБ.ССС}; 15 - диаметр антенны 10.

Предлагаемый способ объединения ССС представлен на фиг.1. Спутник связи 1 помещают на высокую субсинхронную орбиту на высоте H. Приемную антенну 2 спутника 1 направляют вниз на Землю для приема излучений земного передатчика. Ось передающей антенны 3 при активной ретрансляции направляют на центр Земли, при этом ретрансляцию осуществляют на частоте электромагнитных излучений (ЭМИ) выше 20 ГГц. Антенну 3 предложено выполнить в виде сферического зеркала так, что на высоте низкой или средней орбиты Н_{ОРБ.ССС} ССС образуют круг ЭМИ, в площадь которого S_ИЗЛ одновременно попадают не менее трех спутников 4. Прием излучения со спутника 1 спутниками 4 осуществляют приемниками 5, дополнительно включенными в их состав. Антенны дополнительных приемников направляют на спутник 1. Активную ретрансляцию со спутников 4 на Землю осуществляют в соответствии с действующим регламентом этих ССС. При этом зоны обслуживания 6 на Земле спутниками 4 сохраняют без изменений. В частности, диаметр зоны обслуживания 6 низкоорбитальных ССС может составлять до 5800 км [3]. Наличие трех спутников 4 в зоне S_ИЗЛ 7 может обеспечить связь на достаточно больших территориях Земли. Важным является стационарное направление антенны земного передатчика 8 на середину участка высокой орбиты, с которой спутник 1 осуществляет прием и последующую ретрансляцию излучений на спутники 4. Такое положение антенны передатчика 6, с одной стороны, исключает потребность в автоматическом слежении антенны передатчика 8 за перемещением спутника 1 по орбите во время связи, а с другой стороны, требует, чтобы диаграмма направленности передатчика 8 была бы не менее ±8,5°.

Следует отметить, что всесуточную связь с высоких субсинхронных орбит обеспечивают путем размещения на этой орбите, например, четырех спутников, равномерно расположенных на орбите с периодом обращения каждого, близким к половине длительности земных суток (см. [2, 3]). В этом случае каждый спутник, входящий в апогей орбиты, включают на связь только на время 6 часов, а после выхода с апогея на место ушедшего спутника выходит следующий без перерыва связи.

Далее энергетические расчеты будут осуществляться на примере объединения низких высокоскоростных орбит ССС с низкоскоростными ССС на субсинхронных эллиптических орбитах серии «Молния» [2, 3, 4].

Низкоскоростная ССС, названная «Полярная звезда», из серии «Молния» [3] имеет высоту орбиты 40600 км, число спутников на орбите четыре, наклон орбиты 62°, время обращения ~710 мин, частотный диапазон прием/передача - 5/6 ГГц, средний угол места ~50°, масса 2100 кг.

Найдем радиус, облучающий Землю, R_ИЗЛ зоны охвата при известном угле места из выражения:

$${25}^{\circ }=\frac{R_{ИЗЛ}\cdot 180}{H\cdot \pi }$$ , откуда $$R_{ИЗЛ}=\frac{25{\text{}}^{\circ }\cdot H}{{\mathrm{57,3}}^{\circ }}=\mathrm{1,77}\cdot {10}^4км$$ .

Требуемая мощность передатчика ретранслятора на спутнике Р_ИЗЛ для уверенного приема на Земле в зоне площадью $$\pi \cdot R_{ИЗЛ}^2$$ мощности на антенну диаметром R_ПР=1 м будет определяться выражением:

$$\Delta P_{ПР.З}=\frac{{Р}_{ИЗЛ}\cdot K_{ATM}\cdot \pi \cdot {\left(R_{ПР}\right)}^2}{\pi \cdot {\left(R_{ИЗЛ}\right)}^2},\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(1\right)$$

где K_ATM=0,05 коэффициент потерь ЭМИ в атмосфере [2].

И, подставляя в (1) значения R_ПР=1 м и Р_ИЗЛ=1,77·10⁴ км, получаем зависимость:

$$\Delta {Р}_{ПР.З}={Р}_{ИЗЛ}\cdot \mathrm{1,77}\cdot {10}^{-16}Вт.\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(2\right)$$

Если принять уровень собственных шумов приемников на Земле равным ~2·10^-16 Вт (см. [5]), то надежный прием оказывается возможным при превышении сигналом уровня шумов на три порядка, т.е. ΔР_ПР.З должен быть равным ≥10^-13 Вт. Подставив это значение ΔР_ПР.З в (2), мощность излучения на спутнике «Полярная звезда» должна быть не менее 1000 Вт. Уменьшение расчетного значения Р_ИЗЛ возможно только за счет уменьшения требования к отношению сигнал/шум, например, в три раза. Тогда Р_ИЗЛ можно уменьшить до 330 Вт, однако и при такой мощности излучения передатчика вес и размеры спутника оказываются значительными (вес спутника ~2100 кг).

Настоящее предложение направлено на существенное уменьшение веса спутника за счет как уменьшения мощности излучения при активной ретрансляции в направлении Земли, так и за счет перехода на более высокочастотный диапазон связи (выше 20 ГГц). На этих частотах массогабаритные характеристики передатчиков наиболее перспективны для использования в космической технике.

Как показано в [2], спутник на высокой эллиптической орбите серии «Молния» осуществляет связь только при выходе в апогей орбиты, который наблюдают с Земли в телесном угле ±10°. При наличии четырех спутников на этой орбите, равномерно размещенных друг относительно друга, угол наблюдения перемещения спутника во время связи с Землей уменьшается до ±8°. Поэтому предложено с целью исключения автоматического сопровождения антенной земного передатчика спутника на орбите в апогее ось антенны стационарно направить на верхнюю точку апогея орбиты, а диаграмму направленности антенны установить равной ±8,5°. В верхнюю точку апогея в случае эллиптической орбиты стационарно направляют ось антенны земного передатчика, а в случае круговой субсинхронной орбиты антенну направляют на середину части орбиты, с которой осуществляют связь с Землей. При этом наиболее благоприятное положение земного передатчика на Земле является его расположение на оси передающей антенны спутника на высокой орбите.

По аналогии с предыдущим расчетом вычислим мощность земного передатчика 6, при которой на приемную антенну спутника 1 при радиусе приемной антенны R_ПР.СП=1 м поступила бы мощность не менее 10^-13 Вт. Снова воспользуемся выражением (1).

$$\Delta P_{ПР.СП}\ge {10}^{-13}Вт=\frac{{Р}_{ИЗЛ.З.П}\cdot K_{ATM}\cdot \pi \cdot {\left(R_{ПР.СП}\right)}^2}{\pi \cdot {\left(R_{ИЗЛ.З.П}\right)}^2},\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(3\right)$$

где ΔР_ПР.СП - мощность, принимаемая антенной на спутнике, радиус которой R_ПР.СП=1 м; R_ИЗЛ.З.П - радиус поперечного сечения мощности излучения земного передатчика в зоне спутника при диаграмме направленности антенны не менее ±8,5°.

Определим R_ИЗЛ.З.П из очевидного выражения:

$${\mathrm{8,5}}^{\circ }\ge \frac{R_{ИЗЛ.З.П}\cdot {\mathrm{57,3}}^{\circ }}{H}$$ , откуда $$R_{ИЗЛ.З.П}=\frac{{\mathrm{8,5}}^{\circ }\cdot \mathrm{4,06}\cdot {10}^4}{{\mathrm{57,3}}^{\circ }}=6000км$$ , и из (3) находим:

$${Р}_{ИЗЛ.З.П.}=\frac{{10}^{-13}\cdot 36\cdot {10}^{12}}{5\cdot {10}^{-2}\cdot 1}=72Вт$$ .

Произведем далее расчет мощности передатчика спутника 1 Р_ИЗЛ.СП при активной ретрансляции ЭМИ в направлении спутников 4 на низких или средних орбитах ССС. Эту ретрансляцию, как уже указывалось, осуществляют на частотах ЭМИ выше 20 ГГц. Рассмотрим случай ретрансляции на спутники 4, расположенные на низких орбитах. В частности, в СССР на низких орбитах LEO выводились спутники серии «Космос» в интересах обслуживания связью Северного полушария:

- «Космос-80», запуск 03.09.65 г.; перигей/апогей - 1500/1500 км; наклонение орбиты 56°; время обращения 116 мин;

- «Космос-367» - 03.10.70 г., 922/1024; 65,28°; 104 мин;

- «Космос-967» - 13.12.77 г.; 973/1013; 66,08°; 105 мин.

На средневысотные орбиты МЕО в СССР выводились спутники также серии «Космос»:

- «Космос-482» - 31.03.72 г.; 210/9813; 52°; 201,4 мин;

- «Космос-839» - 09.07.76 г.; 984/2100; 65,9°; 117 мин;

- «Космос-1413» - 12.10.82 г.; 19100/19100; 64,8°; 673 мин.

Как показано в [3, 4], для орбитальных группировок ССС рекомендуются орбиты с наклонением плоскостей орбиты от 50° до 75°. Именно орбиты с такими углами наклонения и рекомендуются авторами для объединения с ССС на высокой эллиптической орбите серии «Молния», т.е. φ°±10°, где φ° - угол наклонения высокой субсинхронной орбиты.

Для расчетов примем высоту низких орбит ССС равной 1500 км. Число спутников (космических аппаратов (КА) на этой орбите) при всесуточной и глобальной связи (см. [3]) устанавливают равным 48 при равномерном их расположении на орбите. При сохранении уже указанных условий приема, т.е. при отношении сигнал/шум ~10³ и уровне сигнала на приемной антенне спутника 4 с радиусом R_ПР=1 м не менее 10^-13 Вт, мощность излучения ретранслятора спутника 1 определим из выражения:

$${Р}_{ИЗЛ.СП}\ge \frac{{10}^{-13}\cdot {\left(R_{ИЗЛ.ССС}\right)}^2}{1^2},$$

где R_{ИЗЛ.ССС} - радиус пятна излучения со спутника 1 на высоте Н_{ОРБ.ССС} (высоте низкой орбиты ССС). Расстояние между спутниками 4 на орбите может быть оценено при делении длины круговой орбиты 2π(Н_{ОРБ.НИЗ}+-R_ЗЕМ) на число спутников. При радиусе земли R₃≈6400 км, Н_{ОРБ.ССС}=1500 км и числе спутников 48 расстояние между соседними спутниками 4 оказывается равным 1033 км.

Так как авторами предложено формировать излучающую площадь на высоте Н_{ОРБ.ССС} S_ИЗЛ=π(R_ИЗЛ)² такой, чтобы в этой площади по ее оси помещалось не менее трех спутников, то размер R_{ИЗЛ.ССС} следует устанавливать равным 2500 км. Тогда мощность излучения Р_ИЗЛ.СП оказывается равной:

Р_ИЗЛ.СП=10^-13·(2,5·10⁶ м)²=6,25·10^-1≈0,6 Вт.

Понятно, что при увеличении Р_ИЗЛ.СП, например, до 6 Вт прием этого излучения на всех трех спутниках 4 на низких орбитах ССС будет еще более надежным.

Уменьшение мощности передатчика на спутнике 1 практически в 10² раз по сравнению с прототипом существенно уменьшит размер и массу как передатчика, так и спутника в целом и, следовательно, обеспечивает экономический эффект при запуске и эксплуатации спутника.

Для формирования на высоте Н_{ОРБ.ССС} площади мощности излучения S_ИЗЛ с радиусом R_{ИЗЛ.ССС}=2500 км авторами предложена сферическая антенна, показанная на фиг.2. Ось 9 антенны 10 направляют на центр Земли. Антенна 10 является частью шара 11 с центром в т.O. Для формирования на нужной высоте R_{ИЗЛ.ССС} излучатель 12 смещают по оси 9 на величину Δ 13 вниз от плоскости, проходящей через края антенны. Угол α 14 устанавливают от вертикали, параллельной оси антенны и идущей от ее края, а ее величину определяют из равенства:

$$\alpha =\frac{R_{ИЗЛ.ССС}\cdot 180}{\left(H-{Н}_{ОРБ.ССС}\right)\cdot \pi },\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(4\right)$$

где R_{ИЗЛ.ССС} - радиус зоны облучения передатчиком спутника на высокой орбите H; Н_{ОРБ.ССС} - высота низкой или средней орбит ССС.

Величину смещения Δ 13 определяют из условия, при котором угол между прямой, соединяющей т.C на оси антенны (место расположения излучателя) и краем антенны и радиусом из т.O в ту же точку края антенны равен углу между тем же радиусом и направлением прямой, отклоненной от упомянутой выше вертикали, формирующей с ней угол α.

Следует отметить, что смещенный на величину Δ излучатель может быть заменен на рефлектор (зеркало) излучателя, а сам излучатель помещают на оси антенны в плоскости зеркала. Такое расположение излучателя и его рефлектора (зеркала) в литературе названо как двузеркальная антенна Кассергена [6].

Так как все расчеты, выполненные выше, производились при R_ЗЕР=1 м, то при R_{ИЗЛ.ССС}=2500 км, H=40600 км и Н_{ОРБ.ССС}=1500 км, угол α оказывается равным ~3,7°. Полученное значение α позволяет использовать в качестве антенны также и параболическое зеркало, так как при таком малом угле фокусы сферы и параболы совпадают. Поэтому авторами рекомендовано использование только сферической формы антенны.

Необходимо отметить, что увеличение мощности излучения Р_ИЗЛ.СП спутника 1 позволяет оси приемных антенн на спутниках 4 установить параллельно направлению на центр Земли, т.е. не ориентировать их на спутник 1 из-за малости угла α.

Также появляется возможность сократить число земных станций, обслуживающих низкие или средние высокоскоростные ССС, переведя часть ретрансляционных функций на спутник на высокой орбите, способный в едином масштабе времени ретранслировать на территорию, охватываемую как минимум тремя спутниками на низких орбитах. Такие территории могут оказаться равными территории России и их ближайших соседей. Такой вывод можно сделать исходя из того, что зона обслуживания спутниками 4 на низких орбитах представляет собой круг, диаметром не менее 5800 км [3].

Число спутников в группировке ССС, как известно [3], с высотой орбиты уменьшается при одновременном расширении зоны охвата на Земле, поэтому число спутников, расположенных на средних высотах орбит ССС и попадающих в зону S_ИЗЛ (с радиусом R_{ИЗЛ.ССС}), можно ограничить одним спутником. Это связано с тем, что средневысотные ССС с высотой орбит 10390 км (например, расположенные между 1-м и 2-м радиационными поясами Ван-Аллена) имеют в группировке 10 спутников и зону охвата до 11000 км.

Таким образом, предложен способ соединения ССС на низких и средних орбитах расположения спутников с системой ССС, в которой спутник располагают на высокой субсинхронной орбите, который позволяет:

- обеспечить ретрансляцию излучений (сообщений) в едином масштабе времени на большие территории на Земле, при этом ретрансляцию сообщений с высокой орбиты на низкие или средние орбиты действующих ССС осуществляют на частоте, выше 20 ГГц;

- существенно уменьшить мощности излучений со спутников на высоких орбитах до единиц Вт и, следовательно, позволяет существенно уменьшить массу и габариты спутника, что приводит к уменьшению затрат при запуске и управлении спутником;

- возможное уменьшение числа земных передающих станций, участвующих в процессе односторонней ретрансляции сообщений в ССС на низких или средних высотных орбитах;

- энергетические и эксплуатационные выгоды, связанные с предложением исключения в процессе эксплуатации систем автоматического слежения антенны земного передатчика за перемещением высотного спутника по орбите в апогее и антенн спутников на низких или средних орбитах, принимающих излучения на частотах, выше 20 ГГц;

- возможное исключение межспутниковой связи в упомянутых низкоорбитных ССС за счет использования сообщений с высокой субсинхронной орбиты.

Использованная литература:

1. Аболиц А.И. Система спутниковой связи. М.: ИТИС, 2004 (ISBN-5-87484-085-0).

2. Справочник по спутниковой связи и вещанию под ред. Кантора Л.Я. М: «Радио и связь», 1983.

3. Горностаев Ю.М., Соколов В.В., Невдяев Л.М. Перспективные спутниковые системы связи. М.: «Горячая линия - Телеком», 2000.

4. «Космонавтика», энциклопедия. М.: «Сов. энциклопедия», 1985.

5. Гусятников И.И., Вайсбург Г.М., Зильберман А.Р. и др. Передача телеграфных сообщений при использовании отражения от Луны. М.: Энергосвязь, 1977, №4. - С.26-28.

6. «Антенны и устройства СВЧ». Проектирование фазированных антенных решеток. - п/ред. Д.И.Воскресенского. М.: «Радио и связь», 1994.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах спутниковой связи (ССС). Технический результат состоит в объединении действующих спутниковых систем. Для этого предложено объединение низко- и среднеорбитальных ССС с системой связи на базе спутников связи, расположенных на высокой субсинхронной орбите. Связь между системами осуществляют в частотном диапазоне выше 20 ГГц, при этом спутники на низких или средних орбитах снабжают приемными антеннами, направленными вверх на спутник связи на высокой орбите. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ объединения спутниковых систем связи (ССС), которые располагают на низких или средних околоземных орбитах со спутниками связи, которые располагают на высоких субсинхронных орбитах и обеспечивают всесуточную связь, включает в себя операцию односторонней активной ретрансляции излучений, которую получают с земных передатчиков, в направлении Земли, отличающийся тем, что активную ретрансляцию излучений, которые подают на приемную антенну спутника на высокой субсинхронной орбите земными передатчиками, осуществляют передающей антенной, ось которой направляют на центр Земли в частотном диапазоне выше 20 ГГц, причем излучающую антенну изготовляют такой, что излучающим пятном мощности передатчика формируют на высоте низких или средних орбит ССС круг площадью S_ИЗЛ, на оси которой в направлении упомянутых орбит ССС одновременно попадает не менее трех спутников на низких орбитах и не менее одного спутника на средних орбитах ССС, а каждый спутник этих ССС снабжают дополнительно приемником с антенной, которые стационарно направляют на центр части высотной орбиты для приема излучений на упомянутой частоте, при этом ось диаграммы направленности антенн земного передатчика также стационарно наводят на центр части высотной орбиты, с которой осуществляют связь с Землей, а телесный угол диаграммы направленности земных передатчиков устанавливают ±8,5°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зеркало передающей антенны на частоте излучения выше 20 ГГц изготавливают сферическим, а излучатель или рефлектор излучателя располагают на оси антенны ниже плоскости проходящей через края антенны на величину Δ, которую устанавливают над фокусом сферы так, что угол α от вертикали, проходящей от края антенны и параллельной оси, и направлением излучения устанавливают из равенства:
$$\alpha =\frac{R_{ИЗЛ.ССС}\cdot 180}{\left(H-H_{ОРБ.ССС}\right)\cdot \pi },$$
где R_{ИЗЛ.ССС} - радиус зоны облучения излучением передатчика спутника на высокой орбите Н;
Н_{ОРБ.ССС} - высота низкой или средней орбиты ССС.