Гибридная наземно-космическая система связи Российский патент 2018 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к системам спутниковой связи, имеющим космический и наземный сегменты и, в частности, к гибридной наземно-космической спутниковой системе связи (Термин «гибрид» понимается как система, состоящая из двух или более интегрированных подсистем) с использованием низкоорбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ОГ КАДЗЗ) с высотами орбит 300-700 км, орбитальных группировок космических аппаратов метеонаблюдения (ОГ КАМ) с круговыми околополярными орбитами с высотами 1200 км, орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов (ОГ CP), равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной (ГСО) орбите, и средневысотной орбитальной группировки из 24 космических аппаратов ГЛОНАСС с высотами орбит 20000 км.

Геостационарной орбитой (ГСО) называют орбиту искусственного спутника Земли радиусом 42164 км (6,6 радиусов Земли, 35786 км над поверхностью Земли), которая лежит в плоскости земного экватора. Период обращения по этой орбите равен одним суткам. Поэтому геостационар, то есть спутник, движущийся по геостационарной орбите, не меняет своего положения относительно поверхности Земли (постоянно "висит" над одной и той же точкой экватора). Это позволяет значительно упростить конструкцию наземного приемно-передающего оборудования, поскольку антенну, направленную на спутник, не требуется поворачивать.

Из существующих в настоящее время систем связи между абонентами используются, например, две группы космических аппаратов, одна из которых выведена на низкие круговые орбиты, а другая - на геостационарные круговые орбиты. В общем случае, эта космическая группировка спутников включает 36 спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по шесть спутников в каждой плоскости. Спутники снабжены радиотехническими комплексами-ретрансляторами. Заданная орбита каждого спутника поддерживается ее периодической коррекцией. На Земле расположены диспетчерские станции и станции абонентов. В процессе функционирования системы сигналы абонента, например, при осуществлении телефонной связи, ретранслируются через спутник, находящийся в зоне доступа абонента и расположенный на низкой орбите, на наземную диспетчерскую станцию, находящуюся в зоне видимости данного спутника, а с диспетчерской станции - на спутник, находящийся на геостационарной орбите, а с данного спутника - на диспетчерскую станцию принимающего абонента, с которой сигналы через спутник на низкой орбите ретранслируются на станцию принимающего сигнал абонента (см. патент №2107990, кл. Н04В 7/185, 1998 г.).

Недостатком этой системы является то, что для ее эффективного функционирования необходимо наличие значительного количества спутников, что существенно повышает стоимость системы и усложняет ее управление. Кроме того, технологичность управления и связи в этой системе чрезмерно сложна. Так, сигналы связи от абонента поступают на находящийся на низкой орбите спутник, оттуда - на наземную диспетчерскую станцию, далее на спутник, находящийся на геостационарной орбите, оттуда - на диспетчерскую станцию принимающего абонента и через спутник, находящийся на низкой орбите, - на станцию принимающего сигнал абонента. С учетом динамики системы, а именно постоянного относительного изменения положения спутников на низких орбитах, диспетчерских и абонентских станций, необходимо осуществлять изменение положения передающих и принимающих устройств (антенн) спутников и наземных станций, что весьма сложно, а кроме того, такая организация связи приводит к снижению качества передаваемых сигналов. Необходимо также отметить, что осуществление данной системой дистанционного зондирования Земли за передвижением объектов, наблюдение за функционированием стационарных объектов, контроль экологии в заданных регионах, контроль метеорологической обстановки, которые осуществляются со спутников, находящихся на низких орбитах, и передача данной информации потребителям через диспетчерские станции приводит к необходимости создания сети диспетчерских станций, что повышает и без того весьма высокую стоимость системы и еще более усложняет ее управление. Попытка улучшить эксплуатационные параметры системы путем введения в ее состав группировки спутников, выведенных на средневысотную орбиту (см. патент РФ №2118056, кл. Н04В 7/185, 1998 г.), еще более усложнило систему и ухудшило качество передаваемых сигналов.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип заявленного изобретения, является двухуровневая система спутниковой связи (патент на изобретение №2575632 от 26.01.2016 г.), в которой для обеспечения связи на территории СНГ и глобального обмена данными на всей территории Земли между наземными, воздушными, морскими и космическими абонентами включены наземный и космический сегменты. Космический сегмент состоит из группировок CP, КАДЗЗ, КАМ. Наземный сегмент состоит из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления низковысотной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и группировкой космических аппаратов метеонаблюдения, а также из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах, наземный комплекс приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения связан по управляющим и информационным спутниковым каналам связи с орбитальной группировкой космического сегмента в составе орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения и орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и состоит из взаимосвязанных потребительского комплекса, в состав которого входят наземные специальные комплексы и абонентские станции различного типа и базирования, и управляющего комплекса, в состав которого дополнительно введены командно-измерительные системы и центры управления полетом орбитальной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения, в состав наземного комплекса приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах введен управляющий комплекс спутниками-ретрансляторами, включающий взаимосвязанные центр управления ретрансляцией и связью и центр управления полетом спутниками-ретрансляторами, а также наземный радиотехнический комплекс, взаимосвязанный с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами по наземному каналу связи, и наземные радиотехнические комплексы, не имеющие с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами наземного канала связи, наземные радиотехнические комплексы состоят из взаимосвязанных по спутниковым радио или оптическим каналам связи с орбитальной группировкой из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и на прием - с орбитальной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения, наземный комплекс приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения взаимосвязан с наземным комплексом приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах по наземным каналам связи и сети общего пользования, каждый из наземных радиотехнических комплексов наземного комплекса приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах содержит командно-измерительную систему и радиолинию управления спутниками ретрансляторами.

Недостатком данной системы является недостаточная технологичность управления и оперативность связи при отсутствии межспутниковой связи, которая в настоящее время практически не реализована, и частичном отсутствии наземных каналов связи. Снижение технологичности управления и оперативности связи с абонентами неприемлемы для решения задач системы по всем ее абонентским направлениям, в особенности для абонентов низкоорбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и космических аппаратов метеонаблюдения. Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение технологичности управления и оперативности связи с абонентами при отсутствии межспутниковых каналов связи и частичном отсутствии наземных каналов связи.

Решение данной задачи обеспечивается тем, что космический сегмент состоит из орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов (ОГ CP), разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите для покрытия всей территории и акватории России с прилегающими регионами в широтах от 75 градусов южной широты до 75 градусов северной широты (например, CP типа «Луч-5А», «Луч-5Б», «Луч-5В»), орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения (ОГ КАДЗЗ и КАМ) и орбитальной группировки из 24 космических аппаратов КА ГЛОНАСС, а также вновь введенной ОГ низкоорбитальных КА связи типа «Гонец-М» МСПСС «Гонец-Д1М» на круговых орбитах (высота 1500 км, наклонение 82,5 градусов, размещенных в 4-6 орбитальных плоскостях по 3-8 КА в каждой) с глобальным покрытием Земли. Наземный сегмент состоит из Земных станций приема, обработки и ретрансляции метеорологической и ледовой обстановки (ЗС-МЛ), не имеющих связи с АПК, абонентские терминалы МСПСС «Гонец-Д1М», работающие по гибридной технологии со спутниковым и наземными каналами связи (кабельная, сотовая, интернет и другие сети связи), и вновь введенных взаимосвязанных единого информационного центра мониторинга транспортного комплекса (ЕИЦМТК), аппаратно-программного комплекса (АПК), стационарных магистральных станций спутниковой связи (МССС) и мобильных абонентских станций спутниковой связи (МАССС) ситуационных штабов и центров. При этом абоненты определяют свое местоположение с помощью абонентского оборудования, взаимодействующего с КА ГЛОНАСС или встроенного оборудования ГЛОНАСС в абонентские станции спутниковой связи «Гонец».

На фиг. 1 представлена схема предложенной системы в составе космического и наземного сегментов:

КС. Космический сегмент

1. Орбитальная группировка из трех спутников ретрансляторов (CP) «Луч-5».

1.1 CP «Луч-5А», «Луч-5Б», «Луч-5В».

2. Орбитальная группировка КА дистанционного зондирования Земли (КАДЗЗ) и КА метеонаблюдения (КАМ).

2.1 КАДЗЗ.

2.2 КАМ.

3. ОГ низкоорбитальных КА связи (КАС) типа «Гонец-М» многофункциональной системы персональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец-Д1М».

3.1 КАС.

4. ОГ ГЛОНАСС.

4.1 КА ГЛОНАСС.

НС. Наземный сегмент

5. Земные станции приема, обработки и ретрансляции метеорологической и ледовой обстановки (ЗС-МЛ), не имеющие связи с АПК.

5.1 ЗС-МЛ.

6. Абонентские терминалы (AT) абонентов (потребителей) различного базирования: наземного, включая мобильные, воздушного и морского, включая Северный морской путь (СМП).

6.1 AT.

7. Наземные линии связи, включая кабельные, сотовые, интернет и др.

8. Магистральные станции спутниковой связи (МССС) стационарные, имеющие связь с АПК.

8.1 МССС.

9. Единый информационный центр мониторинга транспортного комплекса (ЕИЦМТК).

9.1 Вычислительные блоки (ВБ) ЕИЦМТК.

10. Аппаратно-программный комплекс (АПК).

10.1 ВБ АПК.

11. Мобильные абонентские станции спутниковой связи (МАССС) мобильных ситуационных штабов и центров для связи с CP и КАС при технологической и оперативной необходимости.

11.1 МАССС.

На фиг. 2 представлена схема и виды информационного обмена элементов (составных частей) предложенной системы.

Предложенная система работает следующим образом.

Земная станция (5-1) из состава (5) принимает и обрабатывает (предварительная первичная обработка) с отечественных и иностранных КАМ (2-1) и КАДЗЗ (2-2) из состава ОГ (2) информацию о метеорологической и ледовой обстановке.

Предварительно обработанную информацию ЗС (5-1) ретранслирует по каналам CP (1-1) (например, «Луч-5А», «Луч-5Б», «Луч-5В») на стационарные магистральные станции спутниковой связи (8-1), имеющие связь с вычислительными блоками (10-1) из состава АПК (10) для вторичной обработки с последующим ее представлением в вычислительные блоки (9-1) из состава ЕИЦМТК (9) для сбора, анализа, прогноза изменения метео и ледовой обстановки и принятия решения по доведению технологической и оперативной информации до абонентов (потребителей). После принятия решения ЕИЦМТК (9) обеспечивает доведение оперативной и технологической информации до ЗС (5-1) и МАССС (11-1) в части, касающейся с использованием КАС «Гонец» (3-1) из состава ОГ (3) (глобальная зона обслуживания), а с использованием CP (1-1) «Луч-5А», «Луч-5Б», «Луч-5В» из состава ОГ (1) CP «Луч-5» возможно доведение в зоне покрытия (в полосе от 75 градусов южной широты до 75 градусов северной широты в зоне обслуживания CP).

Абоненты (потребители) 6-1 (водное или сухопутное транспортное средство) из состава транспортных средств СМП (6) и прилегающих к нему территорий и акваторий взаимодействуют с КА ГЛОНАСС (4-1) из состава ОГ ГЛОНАСС (4) для определения своего местоположения и с КАС «Гонец-М» (3-1) - для получения технологической и оперативной информации.

Технологическое и оперативное взаимодействие между CP (1-1), КАС (3-1) и абонентами (потребителями) (6-1) осуществляется через МАССС (11-1).

Вместе с этим управление наземными радиолиниями связи осуществляется с использованием также гибридной технологии в виде последовательно подключенных к этим линиям, контроллером - сравнивающим устройством (см., например, контроллер GSM/GPRS К-105) и модемом (см., например, GSM/GPRS/GPS SonyEricsson GT47), через которые наземные радиолинии связи связаны со спутниками низкоорбитальной группировки и мобильными абонентскими станциями МСПСС «Гонец-Д1М».

Такое исполнение позволит обеспечить повышение технологичности управления и оперативности передачи сообщений абонентам (потребителям) за счет дополнительного использования наземных сетей связи, например GSM/GPRS, путем оптимизации загрузки наземных и спутниковых каналов связи абонентским трафиком, например, дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения, и передаваемым как с использованием наземных сетей связи, так и ОГ КА связи, например МСПСС «Гонец-Д1М» (см., например, «Низкоорбитальная космическая система персональной спутниковой связи и передачи данных» изд. Юлис, 2011), с использованием ОГ навигационных КА (НКА), например навигационной системы ГЛОНАСС (см., например, Принципы построения и функционирования. Изд. «Радиотехника», М., 2005, Спутниковые сети связи. Изд. М., «Военный парад». 2010) и навигационной системы GPS (см., например, Соловьев В.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. - 270 с.). При этом указанная оптимизация осуществляется за счет повышения точности учета состояния загрузки наземных и спутниковых каналов связи абонентским трафиком. В предложенной системе традиционными методами автоматически определяются параметры текущей загрузки наземных и спутниковых каналов связи с их потенциальной пропускной способностью и после их сравнения в контроллере осуществляется перераспределение загрузки наземных и спутниковых каналов связи для передачи необходимой информации с использованием наземных или спутниковых модемов по более свободному каналу связи. Например, оперативная информация для абонента может быть перераспределена от ОГ КАДЗЗ или ОГ КАМ по наземному радиоканалу GSM/GPRS или по спутниковому каналу передачи данных МСПСС «Гонец-Д1М» в зависимости от наличия и загрузки канала связи.

Таким образом, за счет оперативного перераспределения связных ресурсов наземных и спутниковых каналов связи, с переходом на более свободный канал связи, в том числе глобального низкоорбитального канала связи, повышается технологичность управления и оперативность передачи сообщений, особенно при возникновении нештатных, аварийных или чрезвычайных ситуаций.

Предложенное построение гибридной наземно-космической системы связи позволит обеспечить требуемую технологичность управления и оперативность связи.

Изобретение относится к системам спутниковой связи, имеющим космический и наземный сегменты и, в частности, к гибридной наземно-космической системе связи с использованием низкоорбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ОГ КАДЗЗ). Технический результат состоит в повышении технологичности управления и оперативности связи при отсутствии межспутниковых каналов связи и частичном отсутствии наземных каналов связи. Для этого космический сегмент состоит из орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов (ОГ CP), разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите для покрытия всей территории и акватории России с прилегающими регионами в широтах от 75 градусов южной широты до 75 градусов северной широты и орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и метеонаблюдения, а также вновь введенных ОГ низкоорбитальных КА связи на круговых орбитах с высотой 1500 км, наклонением 82,5 градуса. 2 ил.

Гибридная наземно-космическая система связи, включающая наземный сегмент в составе земных станций приема, обработки и ретрансляции информации дистанционного зондирования земли, метеорологической и ледовой обстановки, стационарных магистральных станций спутниковой связи, взаимосвязанных абонентских терминалов различного базирования и наземных линий связи, а также космический сегмент, в составе низкоорбитальной группировки космических аппаратов связи, орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов, разнесенных равномерно друг относительно друга по геостационарной орбите и орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования земли и метеонаблюдения, отличающаяся тем, что в состав наземного сегмента введены единый центр мониторинга транспортного комплекса и аппаратно-программный комплекс, взаимодействующие по наземным линиям связи с стационарными магистральными станциями спутниковой связи, а по низкоорбитальным спутниковым каналам связи с мобильными абонентскими терминалами в состав космического сегмента введена орбитальная группировка космических аппаратов навигации, которая совместно с низкоорбитальной группировкой космических аппаратов связи связана с абонентскими терминалами из состава стационарных и мобильных абонентских станций спутниковой связи, технологическое и оперативное взаимодействие между абонентами системы различного базирования и спутниками-ретрансляторами осуществляется через космические аппараты навигации и низкоорбитальной связи.