СПОСОБ ГЛОБАЛЬНОЙ НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК B64G1/00 

Предлагаемое изобретение относится к космической связи и может быть использовано при проектировании космических систем оперативной связи различного назначения (МПК В64G 1/10, Н04В 7/185).

Одним из новых направлений развития спутниковой связи с начала 90-х годов стали системы связи на базе низкоорбитальных КА. К низкоорбитальным спутникам LЕО (LowEarthOrbit) относятся КА, высота орбит которых находится в пределах 700-1500 км. Низкоорбитальная группировка может содержать от одного до нескольких десятков малых спутников массой до 500 кг. Для охвата связью большой территории Земли применяют орбиты, на которых могут находиться несколько КА, лежащих в различных плоскостях. Для низкоорбитальной спутниковой связи РФ "Гонец-Д1М" высота круговых орбит составляет 1500 км с наклонением 82,5°.

Повышенный интерес к низкоорбитальной спутниковой связи объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен, при использовании сравнительно дешевых и малогабаритных спутниковых терминалов. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить бесперебойную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, и, практически, не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения.

Одним из главных преимуществ, способствующих развитию низкоорбитальных систем спутниковой связи, является биологический фактор. Так, для обеспечения требований биологической защиты человека от излучения СВЧ рекомендуемый уровень мощности непрерывного излучения радиотелефона должен составлять не более 50 МВт. Эффективный прием сигнала такой мощности, например, геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением КА, развертыванием больших антенн и точным их позиционированием. Для низкоорбитальных спутниковых систем длина радиолиний во много раз меньше и проблема создания многолучевых антенн менее остра. К этим системам относятся, прежде всего, системы Iridium и Globalslar, создаваемые зарубежными консорциумами при ведущей роли таких крупных компаний-производителей, как Motorola/Lockheed и Oualcomm/Loral соответственно.

Низкоорбитальные системы рассматривались специалистами на заре становления спутниковой связи, но до недавних пор не пользовались широкой популярностью. На то имелся ряд причин, среди которых не последнее место занимает определенная инерция взглядов и суждений, согласно которой спутник «должен быть виден долго и непрерывно», а лучше всего «быть неподвижным для наблюдателя», т.е. находиться на геостационарной орбите.

Правда, за последнее десятилетие было создано несколько низкоорбитальных систем, но для ограниченного применения, связанного, главным образом, с передачей коротких и относительно редких сообщений (примером может служить первый проект российской системы «Гонец-Д». И лишь заманчивая идея глобальной персональной связи, основанной на современной технологии, возродила интерес к низкоорбитальным спутниковым системам.

Известна система связи в сети с наземными и космическими абонентами, включающая космический сегмент в виде находящихся на орбитах КА различного целевого назначения и наземный сегмент в виде станций, которые в совокупности образуют сеть связи с наземными и космическими абонентами (см. RU №2070738, М. кл. G08С 15/28, 1996 г.).

Эта система характеризуется низкой оперативностью связи и недостаточной помехоустойчивостью.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленному изобретению, является двухуровневая система спутниковой связи, включающая космический и наземный сегменты, содержащие соответственно низкоорбитальные группировки спутников, расположенных на круговых орбитах в трех равномерно разнесенных плоскостях и группировки спутников, расположенных на средневысотных эллиптических орбитах в двух орбитальных плоскостях. Обе космические группировки оснащены межспутниковой связью. Наземный сегмент включает управляющий комплекс, потребительский комплекс и наземные каналы связи с сетью общего пользования, мобильные и стационарные абонентские станции, координирующие станции связи, размещенные в расчетных точках Земли и соединенные с наземными ретрансляторами, см. RU №98659, кл. Н04В 7/185, 2006 г.

Данная система характеризуется низкой оперативностью, помехоустойчивостью и технологичностью передачи сообщений за счет большого числа каналов связи при обслуживании космических абонентов (например, КА дистанционного зондирования земли (ДЗЗ)) наземными средствами управления.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение оперативности, помехоустойчивости и технологичности передачи сообщений за счет снижения числа каналов связи КА-Земля, особенно при обслуживании комических абонентов.

Решение указанной задачи обеспечено тем, что используют способ глобальной низкоорбитальной спутниковой связи.

Суть данного способа проиллюстрирована на фиг. 1 и заключается в следующем.

1. Космический сегмент системы разбивают на кольца космических информационных узлов - равномерно смещенных орбитальных плоскостей. Для обеспечения глобальности связи и оперативности взаимодействия в реальном масштабе времени целесообразно ввести смещение орбитальных плоскостей на 30° одна относительно другой по долготе восходящего узла (оптимально шести космических колец - плоскостей).

2. В каждое кольцо включают N равномерно разнесенных по орбите космических информационных узлов (КИУ) (оптимально 8 узлов в каждом кольце для обеспечения глобальности связи и оперативности взаимодействия в реальном масштабе времени) и сдвинутых относительно идентичных космических информационных узлов, расположенных в соседних кольцах, на половину дуги - расстояния между соседними узлами в одном кольце.

3. В каждый из этих узлов включают взаимодействующие через локальные сети низкоорбитальный космический аппарат (НКА) связи с находящимися в зоне его радиовидимости космическими аппаратами-абонентами системы пользователей (например, КА ДЗЗ с орбитами 200-800 км), представляющими собой кластер.

4. Наземный сегмент формируют из сети связанных между собой непосредственно или через телекоммуникационное или информационное пространство наземных информационных узлов, каждый из которых связывают через космический радиоканал с основными объектами (НКА) космических информационных узлов каждого из колец космического сегмента системы.

Поскольку КА-абоненты кластеров взаимодействуют только с основными низкоорбитальными КА своего космического информационного узла, исключаются радиоканалы наземных средств управления КА-абонентами, что повышает технологичность и обеспечивает глобальность управления КА-абонентами, в т.ч. за пределами территории России путем использования КА низкоорбитальной связи в качестве космических ретрансляторов с межспутниковой линией связи. Вместе с тем существенно повышается помехоустойчивость и оперативность информационного взаимодействия до масштабов времени, близкого к реальному.

Таким образом, за счет исключения радиоканалов взаимодействия между КА-абонентами системы с наземными средствами управления повышается технологичность, оперативность и помехоустойчивость системы, а также обеспечивается глобальность управления КА-абонентами через КА низкоорбитальной связи по межспутниковой линии связи.

На фиг. 2 представлена спутниковая система для реализации предложенного способа, где:

1. Космический сегмент системы.

2. Кольцо (плоскость) космических информационных узлов.

3. Космический информационный узел.

4. Низкоорбитальный основной космический аппарат связи.

5. Космический аппарат - абонент (например, КА ДЗЗ).

6. Кластер космических аппаратов-абонентов.

7. Наземный сегмент системы.

8. Сеть наземных информационных узлов.

9. Телекоммуникационное и информационное пространство.

10. Наземный информационный узел.

11. БРК-КИС основного низкоорбитального КА связи.

12. Модем БРК-КИС низкоорбитального космического аппарата связи.

13. БРТК КА-абонента.

14. Модем БРТК КА-абонента.

15. Пользовательский сегмент системы.

Система состоит из космического 1, наземного 7 и пользовательского 15 сегментов. Космический сегмент 1 состоит из N соединенных между собой межспутниковыми линиями связи (МЛС) космических информационных узлов (КИУ), например из восьми узлов, расположенных в каждой из смещенных орбитальных плоскостей, например шести орбитальных плоскостей (разнесенных одна относительно другой на 30° по долготе восходящего узла). Каждый КИУ состоит из основного низкоорбитального (НКА) 4 и связанных с ним космических аппаратов-абонентов (КАА) 5, образующих кластеры 6 со своими кольцевыми орбитами. Основной НКА 4 и связанные КАА 5 - в КИУ 3 удалены друг от друга до 700÷2000 км. В одной орбитальной плоскости НКА 4 может быть несколько, например восемь, кластеров 6. КАА, объединенные в кластеры, соединены с НКА локальными сетями межспутниковой связи.

Наземный сегмент (НС) 7 состоит из связанных между собой непосредственно или через телекоммуникационное и информационное пространство 9 страны (например, России) сети наземных информационных узлов (НИУ) 8. Указанные НИУ по космическим каналам связаны с основными НКА 4, а также по наземным или радиоканалам связи - с потребителями пользовательского сегмента 15 системы. При этом, НКА 4, в свою очередь, связаны со всеми КАА-абонентами 5.

При работе системы связь абонентов осуществляется по сетям НИУ и КИУ. Взаимодействие НИУ системы осуществляется только с основными КА 4 каждого КИУ. Потребители системы пользовательского сегмента 15 на суше, на воде и в воздухе через телекоммуникационное и информационное пространство имеют доступ для получения целевой информации ко всем основным НКА 4 КИУ 3 космического сегмента системы 1, связанным, в свою очередь, с КАА-абонентами (5), за счет чего существенно снижается количество каналов Земля-КА по управлению КА-абонентами и обеспечивается необходимая оперативность, помехоустойчивость и технологичность передачи сообщений.

На фиг. 3 приведен вариант структурной схемы бортового радиотехнического комплекса (БРТК) с фидерными каналами в диапазоне 0,3-0,4 ГГц и абонентскими каналами в диапазоне 2,2-2,6 ГГц, бортовым ретрансляционным комплексом (БРК) с межспутниковой линией связи (МЛС) в диапазоне 2,2-2,6 ГГц и бортовым комплексом командно-измерительной системы (БКИС) с каналом управления в диапазоне 0,3-0,4 ГГц.

Функционирование приемных и передающих устройств обеспечивается антенно-фидерной системой (АФС), входящей в состав КА.

Приемные и передающие устройства функционируют под управлением распределенной вычислительной сети - бортового вычислительного комплекса. Бортовой вычислительный комплекс (БВК) состоит из основного вычислительного модуля (ОВМ), периферийных вычислительных модулей (ВМ) и бортового программного обеспечения (ПО).

Для обслуживания абонентов КА в диапазоне 0,3/0,4 ГГц для приема и передачи используется 7-лучевая конформная решетка. Выходы 10 передатчиков подключаются к высокочастотному (вч) коммутатору, который осуществляет подключение любого из передатчиков ко входу одного из 7 диплексеров.

Схема подключения 10 приемников к 7 выходам диплексеров аналогична. Таким образом, 3 "холодных" приемных устройства и 3 "холодных" передатчика через переключатель могут заместить любой, соответственно, приемник или передатчик, вышедший из строя в любом из лучей.

Выбор 3 работающих передатчиков из 7 определяется бортовым вычислительным комплексом.

В фидерном канале в диапазоне 2,2/2,6 ГГц используется 7-лучевая конформная решетка. 2 приемо-передающих устройства подключаются к определенным лучам по указаниям бортового вычислительного комплекса (БВК) в зависимости от местоположения связывающихся земных станций (ЗС).

Все приемные тракты строятся идентично: после линейного усилительного тракта производится цифровая обработка сигнала: демодуляция, декодирование и разуплотнение. Тракт промежуточной частоты (ПЧ) приемного устройства в диапазоне 0,3-0,4 ГГц имеет полосу 1 МГц. На многоканальный цифровой демодулятор поступает сигнал частотой 10 МГц. Цифровой многоканальный демодулятор одновременно обрабатывает групповой сигнал, содержащий несколько независимых GMSK сигналов.

Тракт ПЧ приемного устройства в диапазоне 2,6 ГГц имеет полосу 1,2 МГц.

Передающие тракты также строятся идентично. Уплотнение и формирование сигналов осуществляется цифровым модулятором.

Модуляторы и демодуляторы (модемы) реализуются на базе сигнальных процессоров, функционирующих под управлением бортового ПО по схеме "горячий" -"холодный".

Модем - устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации. Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала при передаче данных, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс при приеме данных из канала связи. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет т.н. терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер).

Бортовой вычислительный комплекс функционально объединяет:

- основной вычислительный модуль (ОВМ) с холодным резервом;

- 7 периферийных вычислительных модулей абонентского канала КА (ВМ-А) диапазона 0,3/0,4 ГГц каждый с холодным резервом;

- 1 периферийный вычислительный модуль канала управления КА (ВМ-КУ) диапазона 0,3/0,4 ГГц с холодным резервом;

- 2 периферийных вычислительных модуля фидерного канала (ВМ-Ф) диапазона 2,2/2,6 ГГц с холодным резервом;

- 2 периферийных вычислительных модуля межспутниковых каналов (ВМ-М) диапазона 2,2/2,6 ГГц с холодным резервом.

Все вычислительные модули обмениваются информацией с помощью системного канала, обеспечивающего трафик всех одновременно работающих стволов.

ОВМ имеет возможность управлять включением питания периферийных вычислительных модулей с помощью канала управления и загружать в них рабочую программу.

Программы, загружаемые в периферийные вычислительные модули, выбираются из ППЗУ, входящего в состав ОВМ (по схеме "горячий - холодный"), либо из ППЗУ соответствующих ВМ (по схеме "горячий - холодный"). Целевая информация, принятая по каналам ретрансляции, функционирующим в составе БРК, хранится в двух запоминающих устройствах для хранения целевой информации (ЗУ ЦИ) по схеме "горячий - холодный".

Программные средства периферийных вычислительных модулей имеют возможность управлять синтезаторами приемных устройств.

ОВМ и ВМ абонентских каналов КА взаимодействует с помощью специальных интерфейсов с передающими устройствами. ОВМ взаимодействует с устройством сбора телеметрической информации (УС ТМИ), аварийно-временным устройством (АВУ), бортовым комплексом управления (БКУ) в составе устройств выдачи команд системам объекта и устройств управления конфигурацией БРТК, БРК и БКИС.

АВУ с таймерами "контрольных интервалов" резервировано по схеме три "горячих" с мажорированием исполнительных функций по схеме "два из трех".

Три коммутатора ВЧ тракта передающей антенны, выполняющие функции переключения выходных сигналов СВЧ основного и резервного комплектов усилителей частотных диапазонов.

Два генератора опорной частоты ("эталоны частоты" - ЭЧ) с устройством размножения (УР), функционирующие в составе БРТК, БРК и БКИС по схеме "горячий-холодный".

Одно устройство коммутации первичного электропитания (КПП). Диплексер и приемо-передающая антенна канала управления частотного диапазона 0,3/0,4 ГГц.

Программный комплекс БРТК, БРК и БКИС.

В системе реализованы все операции предлагаемого способа и обеспечивается достижение поставленной цели изобретения.

Изобретение относится к космической связи и может быть использовано при проектировании космических систем оперативной связи различного назначения. Технический результат состоит в повышении оперативности, помехоустойчивости и технологичности связи, Для этого глобальная низкоорбитальная космическая информационная система состоит из космического и наземного сегментов, включает в себя КА-абоненты и через телекоммуникационное и информационное пространство связана с потребителями на суше, на воде и в воздухе пользовательского сегмента. Космический сегмент состоит из N информационных узлов, состоящих из основного и связанных космических аппаратов в виде кольцевых кластеров, объединенных локальной сетью, при этом космические информационные узлы расположены в смещенных орбитальных плоскостях, а наземный сегмент состоит из сети связанных между собой непосредственно или через телекоммуникационное и информационное пространство конкретной страны с наземными информационными узлами, каждый из которых связан с космическими информационными узлами, которые также связаны со всеми связанными космическими аппаратами-абонентами кластеров. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ глобальной низкоорбитальной спутниковой связи с космическими абонентами системы пользователей в низкоорбитальной информационной системе, отличающийся тем, что космический сегмент системы формируют из шести колец космических информационных узлов, смежные орбитальные плоскости которых равномерно смещены на 30° по долготе восходящего узла, при этом в каждом из упомянутых колец формируют восемь космических информационных узлов, равномерно разнесенных по орбите и сдвинутых один относительно другого в смежных плоскостях на половину дуги-расстояния между соседними космическими аппаратами в одной плоскости, причем в каждом из упомянутых узлов содержится низкоорбитальный космический аппарат связи, выполненный с возможностью взаимодействия через локальные сети с находящимися в зоне его радиовидимости космическими аппаратами-абонентами системы пользователей, представляющими собой кластеры, причем наземный сегмент системы формируют из сети связанных между собой непосредственно или через телекоммуникационное или информационное пространство наземных информационных узлов, каждый из которых выполнен с возможностью связи через космический радиоканал с основными объектами космических информационных узлов низкоорбитальной связи каждого из колец космического сегмента системы.

2. Система, реализующая способ по п. 1, включающая космический и наземный сегменты, отличающаяся тем, что космический сегмент состоит из равноразнесенных в орбитальных плоскостях шести орбитальных колец, каждое из которых включает восемь космических информационных узлов, состоящих из подключаемых по межспутниковым линиям связи через модемы бортовых ретрансляционных комплексов низкоорбитального космического аппарата связи и космических аппаратов-абонентов, составляющих кластер узла, низкоорбитальные космические аппараты в каждом узле связаны через модемы бортового ретрансляционного комплекса между собой и сетью входящих в состав наземного сегмента наземных информационных узлов, связанных сетью телекоммуникационного и информационного пространства с потребителями пользовательского сегмента.