ЦИФРОВОЙ КОМПЛЕКС СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ Российский патент 2017 года по МПК G01C21/00 

Изобретение относится к радиоэлектронным системам связи с использованием радиоизлучения при размещении станции в морском мобильном объекте и может быть использовано в качестве бортовой станции системы спутниковой связи.

Известно, что в различных системах спутниковой связи используются искусственные спутники Земли, летающие на геостационарной, высокоэллиптических и низких околоземных орбитах [В. Кириллов, П. Михеев. Расстояния на миг сократив (обзор зарубежных низкоорбитальных спутниковых систем связи). ТЕЛЕ-Спутник N 8(22), август 1997].

На сегодняшний день доступ абонентов на кораблях и судах к широкополосным мультимедийным услугам осуществляется в основном за счет международных, а по сути американских, глобальных систем спутниковой связи «Инмарсат» и «Интелсат».

Известны реализованные в мире системы спутниковой связи:

«Iridium» и «Globalstar» [N. Panagiotarakis, I. Maglogiannis, G. Kormentzasan. Overview of Major Satellite Systems. University of the Aegean Dept. of Information and Communication Systems, GR-83200, Karlovassi, GREECE (electronically available information in the URL: http://www.iridium.com, electronically available information in the URL: http://www.globalstar.com]; «ORBCOMM» [Низкоорбитальная спутниковая система связи ORBCOMM: реальные и перспективные возможности для Европейского региона (http://kunegin.narod.ru/ref3/niz/leo16.htm)]; «Гонец» [А. Данелян. Низкоорбитальная спутниковая связь в России - проблемы и перспективы. Публикация от 18 февраля 2008 (http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=19844)/ Connect! Мир связи, 2007].

Известна низкоорбитальная система связи [патент РФ №65703 «Низкоорбитальная система пакетной передачи данных и диспетчерской телефонной связи», МПК (2006/1) Н04В 7/185], использующая спутники различных систем связи, имеющая орбитальную и наземную части, а также абонентские станции. Система предназначена для организации связи между пользователями с использованием технических средств систем «ORBCOMM» и «Гонец». Система включает множество космических аппаратов «Microstar», функционирующих на околоземных круговых орбитах и оснащенных приемопередающими комплексами в диапазонах частот для связи с наземными узлами спутникового доступа и абонентскими станциями, а также бортовым вычислительным комплексом и служебными системами, множество космических аппаратов «Гонец», функционирующих на околоземных круговых орбитах и оснащенных многоканальным приемным устройством в диапазоне частот, двухканальным передающим устройством в диапазонах частот для связи с наземными региональными станциями и абонентскими терминалами, а также бортовым вычислительным комплексом и служебными системами.

Системы ORBCOMM и «Гонец» не имеют глобального покрытия связью земного шара, так как они используются только для периодической связи и пакетной передачи данных.

Известны технические решения, использующие низкоорбитальные системы спутниковой связи, патент US №7579987 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. G01S 1/00 (2006.01), принадлежащий The Boeing Company, опубликованные заявки: US №2008/0001818 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. H04B 7/212 (2006.1), дата публикации: 3 января 2008 г., US №2008/0001819 «Low Earth Orbit Satellite Data Uplink», Int. Cl. H04B 7/185 (2006.1), дата публикации: 3 января 2008 г., и US №2008/0059059 «Generalized High Performance Navigation System», Int. Cl. G01C 21/00, G01C 21/20, H04B 7/185 (2006.1), дата публикации: 6 марта 2008. Эти технические решения направлены на улучшение передачи-приема сигналов (информации) посредством использования известных низкоорбитальных систем спутниковой связи.

Наиболее близким по решению технической проблемы является Станция спутниковой связи контейнерного исполнения, патент РФ №2455769, состоящая из: комплекса цифровой связи, спутниковой системы связи типа «Инмарсат», сети Интернет и программного обеспечения.

Однако, к сожалению, как аналоги, так и прототип не обеспечивают предоставления широкополосного доступа к сети Интернет, мультимедийным услугам с использованием отечественных космических группировок и сети GSM (3G/4G).

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность создания подвижных абонентских терминалов для применения их на различных типах кораблей и судов в целях предоставления услуг широкополосного доступа, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень»

Целю настоящего изобретения является обеспечение возможности предоставления абонентам сети спутниковой связи широкополосных мультимедийных услуг.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой комплекс спутниковой системы связи, состоящий из комплекса цифровой связи, спутниковой системы связи типа «Инмарсат», сети Интернет и программного обеспечения, входит земная станция спутниковой связи Ku - диапазона, навигационная система GSM, маршрутизатор линии высокоскоростной передачи данных (ЛВПД), коммутатор Ethernet KDGL, автоматизированное место оператора, мультисвитч, при этом земная станция спутниковой связи Ku построена по модульному типу с использованием стандартных протоколов и в ней применен вариант антенной системы исполнения SOTM 0,6 м, предназначенный для обеспечения связи в движении (Satcom-On-The-Move) при работе станции через КА, расположенные как на геостационарной орбиты (КА серии «Ямал», «Экспресс»), так и на высокоэллиптических орбитах типа «Молния» или «Тундра» (перспективные КА, которые могут работать в Ku-диапазоне), и соединена с маршрутизатором Ethernet ЛВПД и мультисвитчем, который в свою очередь соединен с автоматизированным рабочим местом, причем маршрутизатор соединен с коммутатором Ethernet KDGL, к которому подключена IP-телефония, а также Ethernet (ЛВПД) и ВКС, при этом станция спутниковой системы связи «Инмарсат» по электромагнитному полю соединена со спутником «Инмарсат» или «Экспресс Ямал», которые соединены сетью Интернет.

На фиг. 1 представлена блок схема цифрового комплекса спутниковой системы связи. Она содержит:

1 - комплекс цифровой связи (КЦС), в который входит:

2 - земная станция спутниковой связи Ku-диапазона;

3 - навигационная система;

4 - маршрутизатор ЛВПД;

5 - коммутатор Ethernet KDGL;

6 - мультисвитч;

7 - автоматизированное место оператора;

8 - программное обеспечение;

9 - спутниковая система «Инмарсат»;

10 - спутниковая система «Экспресс Ямал»;

11 - сеть Интернет.

Земная станция спутниковой связи Ku-диапазона 2 - основной элемент КЦС, предназначена для организации видеоконференцсвязи, высокоскоростного доступа в сеть Интернет, IP-телефонии, а также для приема спутникового телевидения в Aw-диапазоне на стоянках и в движении. При этом скорость передачи КЦС 1 обеспечивается до 2 Мбит/с, что подтверждается соответствующими расчетами. Станция построена по модульному типу с использованием стандартных протоколов, что позволяет осуществлять модернизацию станции по частям, с меньшими затратами, обеспечением преемственности и унификации. В станции спутниковой связи Ku-диапазона применен вариант антенной системы исполнения SOTM 0,6 м, предназначенный для обеспечения связи в движении (Satcom-On-The-Move) при работе станции через КА, расположенные как на ГСО (КА серии «Ямал», «Экспресс»), так и на ВЗО типа «Молния» или «Тундра» (перспективные КА, которые будут работать в Ku-диапазоне).

Для каждого вида корабля, судна учитываются конструктивные особенности эксплуатации КЦС 1 и разработаны рекомендации по его использованию.

Навигационная система 3 предназначена для осуществления приема сигналов ГЛОНАСС/GPS, формирования и выдачи потребителям (средствам связи кораблям, судам) привязанных ко времени навигационных параметров движения последних. Навигационная система КЦС 1 строится методом комплексирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС-501) и угломерной системы, работающей на основе приема навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS.

Для каждого вида корабля, судна разрабатывается своя система навигации, учитывающая его особенности. В случае возможности выдачи навигационной информации штатным оборудованием корабля (самолета) изделие не устанавливается, а КЦС сопрягается с ним.

Маршрутизатор ЛВПД 4 обеспечивает: а) прием и передачу данных в виде IP-трафика, поступающего от абонента локальной сети 10/100 Fast Ethernet; б) подсоединение до семи внешних источников данных (каналов), подключенных по сети 10/100 Fast Ethernet, в том числе наземная магистральная каналообразующая аппаратура; модемы 3G/4G; станция спутниковой связи VSAT; другая каналообразующая аппаратура, имеющая сходные параметры; в) ретрансляцию данных абонентов локальной сети через несколько выбранных каналов в режиме дублирования; г) получение данных через каналы, устранение искусственного дублирования информации и последующую ее пересылку абонентам локальной сети; д) передачу данных протокола TCP, UDP, ICMP, а также других протоколов IP.

Коммутатор Ethernet KDGL 5 линии высокоскоростной передачи данных (ЛВПД) предназначен для коммутации каналов ЛВПД. Коммутатор Ethernet ЛВПД 5 обеспечивает подключение необходимого числа каналов ЛВПД.

Мультисвитч 6 обеспечивает прием полезного сигнала не менее чем на шести оконечных устройствах.

Управление и контроль работы КЦС 1 осуществляется с автоматизированного рабочего места оператора 7 при помощи специально разработанной программы 8.

Комплекс цифровой связи позволяет: подключение нескольких источников Ethernet (не менее двух станций спутниковой связи, GSM-связи, другие внешние источники Ethernet).

Для примера произведем расчет радиолинии системы спутниковой связи.

Диапазон частот: на передачу - 14500 МГц; на прием - 10950 МГц. Эквивалентный диаметр антенны АЗС Ku-диапазона D=0,6 м. Коэффициент усиления на передачу (на нижней частоте 14500 МГц) Ку_{ПРД АЗС}=36,8 дБ. Коэффициент усиления на прием (на нижней частоте 10950 МГц) Ку_{ПРМ АЗС}=34,9 дБ. Коэффициент усиления на прием антенны БРК Ку_{ПРМ АЗС}=27 дБ. Расстояние до спутника R=39197 км. Отношение сигнал/шум на входе приемник БРК q=14 дБ (обусловлено битовым энергетическим соотношением и видом модуляции). Суммарная шумовая температура Т_ш=500 К, в которую входят: температура, обусловленная приемом космического радиоизлучения; температура, обусловленная излучением атмосферы с учетом дождя, температура, обусловленная приемом излучения земной поверхности через боковые лепестки диаграммы направленности антенны.

Для расчета мощности передатчика АЗС воспользуемся основным энергетическим соотношением:

где - основные потери в линии «вверх», обусловленные затуханием энергии сигнала при распространении в свободном пространстве; λ=/ƒ - длина волны линии «вверх»; R - расстояние между передающей антенной ЗС и приемной КА; с=3⋅10⁸ м/с - скорость света в вакууме; L_ДОП - потери, вызванные затуханием сигнала в дожде L_Д, а также включающие в себя поляризационные потери L_П и потери на неточность наведения L_H (находятся из графиков на фиг. 2а, б); L_ПР.ф.КА - потери в передающем фидерном тракте КА; L_{ПРД.ф.ЗС} - потери в передающем фидерном тракте ЗС; Т_ш - эквивалентная шумовая температура приемного тракта, которая приводится к входу малошумящего блока и определяется собственной шумовой температурой малошумящего блока, эквивалентной шумовой температурой антенны и потерями в фидерном тракте.

Учитывая, что мощность на входе приемника КА неизвестна, она выражается через мощность шума , где q - требуемое отношение сигнал/шум; Δf=2 МГц - шумовая полоса частот; k=1,38⋅10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Опираясь на представленные исходные данные, рассчитанные величины потерь, получаем, что минимальная мощность передатчика на АЗС должна составлять не менее 112 Вт.

Однако испытания станции спутниковой связи, проведенные ООО «Технологией радиосвязи», показали, что при изучаемой мощности передатчика 15 Вт пропускная способность антенной системы SOTM составила до 5 Мбит/с (вероятность ошибки 6,92⋅10^-9) и до 2,5 Мбит/с в режиме Carrier in Carrier (вероятность ошибки 5,39⋅10^-8). Анализ результатов показывает, что в условиях «ясного неба» при излучаемой мощности 30 Вт (ЭИИМ=52 дБВт) может быть достигнута скорость передачи до 10 Мбит/с. При требованиях к коэффициенту готовности К_г к началу связи не менее 0,995 (т.е. обеспечении работы при осадках) и без превышения пороговых значений СПМ на ретрансляторе реальная достижимая скорость передачи в направлении центральной станции уменьшиться не ниже 1 Мбит/с.

Предлагаемый комплекс цифровой связи для обеспечения широкополосного доступа к мультимедийным услугам абонентов на кораблях и судах имеет возможность использовать не только ресурсы космических аппаратов, расположенных на геостационарной орбите, но и рассчитан для работы с перспективными спутниками, находящимися на высокоэллиптических орбитах. Использование ресурса космических аппаратов на высокоэллиптических орбитах позволит обеспечить доступ абонентов к мультимедийным услугам при нахождении корабля в арктических широтах.

Изобретение относится к радиоэлектронным системам связи с использованием радиоизлучения при размещении станции в морском мобильном объекте и может быть использовано в качестве бортовой станции системы спутниковой связи. Технический результат – расширение функциональных возможностей на основе предоставления абонентам сети спутниковой связи широкополосных мультимедийных услуг за счет того, что земная станция спутниковой связи Ku-диапазона построена по модульному типу с использованием стандартных протоколов связи. Для этого в станции спутниковой связи Кu-диапазона применен вариант антенной системы исполнения SOTM 0,6 м, предназначенный для обеспечения связи в движении (Satcom-On-The-Move) при работе станции через КА, расположенные как на геостационарной орбите (КА серии «Ямал», «Экспресс»), так и на высокоэллиптических орбитах типа «Молния» или «Тундра» (перспективные КА, которые могут работать в Ku-диапазоне). Комплекс обеспечивает широкополосный доступ к мультимедийным услугам абонентов на кораблях и судах, имеет возможность использовать не только ресурсы космических аппаратов, расположенных на геостационарной орбите, но и рассчитан для работы со спутниками, находящимися на высокоэллиптических орбитах. 2 ил.

Цифровой комплекс спутниковой системы связи, состоящий из комплекса цифровой связи, спутниковой системы связи типа «Инмарсат», сети Интернет и программного обеспечения, отличающийся тем, что в комплекс цифровой связи входит земная станция спутниковой связи Ku-диапазона, навигационная система GSM, маршрутизатор линии высокоскоростной передачи данных (ЛВПД), коммутатор Ethernet KDGL, автоматизированное место оператора, мультисвитч; при этом земная станция спутниковой связи Ku-диапазона построена по модульному типу с использованием стандартных протоколов и в ней применен вариант антенной системы исполнения SOTM 0,6 м, предназначенный для обеспечения связи в движении Satcom-On-The-Move при работе станции через космические аппараты (КА), расположенные как на геостационарной орбите КА серии «Ямал», «Экспресс», так и на высокоэллиптических орбитах типа «Молния» или «Тундра» (перспективные КА), которые могут работать в Ku-диапазоне, и соединена с маршрутизатором Ethernet ЛВПД и мультисвитчем, который, в свою очередь, соединен с автоматизированным рабочим местом, причем маршрутизатор соединен с коммутатором Ethernet KDGL, к которому подключена IP-телефония, а также Ethernet ЛВПД и видеоконференцсвязи, при этом станция спутниковой системы связи «Инмарсат» по электромагнитному полю соединена со спутником «Инмарсат» или «Экспресс Ямал», которые соединены сетью Интернет.