Глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах Российский патент 2019 года по МПК H04J9/00 H04B7/185 

Описание патента на изобретение RU2695540C2

Изобретение относится к глобальным спутниковым информационным системам.

Из существующего уровня техники известны различные системы спутниковой связи, в которых предлагается использовать множество спутников на негеостационарной орбите (см. патенты RU №№2107990, 2496233, 2302695).

Недостатками этих систем является орбитальная группировка космических аппаратов, которая построена на базе двух разновысотных орбитах. Данное орбитальное построение приводит к удорожанию выведения космических аппаратов на орбиты, увеличивает время задержки передачи сигнала и усложняет определение энергетических характеристик абонентских терминалов из-за различия в энергетике радиолиний между абонентскими терминалами и космическими аппаратами на разных орбитах.

Известен способ построения спутниковой системы связи между абонентами (Патент RU 2107990 С1), который может быть применен при создании системы спутниковой связи с использованием искусственных спутников Земли на круговых низких орбитах. Задачей изобретения является создание наиболее экономичного способа построения спутниковой связи между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара. Для этих целей используются системы спутниковой связи со спутниками на геостационарных орбитах. Связь между любыми абонентами, находящимися в зоне видимости низколетящего спутника устанавливается непосредственно через этот спутник. Известный способ построения спутниковой системы связи между абонентами обеспечивает связь между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара, что в свою очередь позволяет решать следующие задачи: наблюдение за местонахождением и состоянием ценных, дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах; оперативная передача данных от них службам, контролирующим и сопровождающим эти объекты, а также выдача при необходимости, управляющих команд (так называемая служба RDSS - обнаружение объектов по радио со спутников); доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов.

Недостатком этой системы является дублирование орбитальных группировок космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите и КА на низких орбитах для связи с абонентами вне зоны обслуживания геостационарных КА. Кроме того, потребуется дублирование наземных средств управления и организации связи для управления двумя орбитальными группировками.

Также известна низкоорбитальная система спутниковой связи, использующая легкие спутники, функционирующие на низких околоземных орбитах (Патент RU 2496233 С2). Технический результат известной системы заключается в обеспечении глобальной непрерывной связи между абонентами, возможности реализации мобильной телефонии и высокоскоростной передачи данных в любых точках земного шара при использовании минимально необходимого (оптимального) количества легких спутников в системе и минимальной стоимости создания системы спутниковой связи. Для этого искусственные спутники Земли сформированы в две группировки спутников связи, одна из которых состоит из N спутников связи, где N - целое число, и расположена на n околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 0°-30°, по N/n спутников на каждой орбите, другая группировка состоит из М спутников связи, где М - целое число, и расположена на m околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 60°-90°, по M/m спутников на каждой орбите, при этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m градусов.

Недостатком этой системы является сложный, не до конца определенный состав орбитальных группировок космических аппаратов на разновысоких орбитах, что усложняет ввод системы в эксплуатацию и ее дальнейшее обслуживание. Кроме того, в заявке не определено количество требуемых космических аппаратов на разных орбитах.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является многофункциональная космическая коммуникационная система (Патент RU 2302695 С2), включающая в себя группировку спутников, выведенных на геостационарную орбиту, группировку спутников, выведенную на низковысотную орбиту, и как минимум один наземный пункт управления. Система дополнительно снабжена группировкой спутников, выведенных на средневысотную орбиту, причем как минимум один спутник, расположенный на геостационарной орбите посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, соединенных друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих сигналов с наземного пункта управления на спутники, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи, и ретрансляции информационных сигналов, полученных от спутников средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления, при этом каждый из спутников, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи как минимум с одним из спутников, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из спутников, расположенных на данной орбите, - с одним из спутников геостационарной орбиты.

Недостатком этой системы является большое число КА на разновысотных орбитах, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание. Так же в заявке не описано, с какими наземными средствами и потребителями возможна организация связи в системе. Кроме того, организация связи в несколько скачков (потребитель - низкоорбитальный КА - геостационарный КА - наземная станция) увеличивает задержки и снижает надежность линии связи.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка глобальной системы спутниковой связи на средних круговых орбитах, позволяющей при минимальном количестве космических аппаратов обеспечить обслуживание всей территории Земли, повысить надежность и качество связи за счет упрощения абонентских терминалов и глобальной системы в целом.

Данная задача решается за счет того, что в глобальной системе спутниковой связи на средних круговых орбитах, состоящей из орбитальной группировки космических аппаратов, наземного центра управления полетом, региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями, наземных средств потребителей, орбитальная группировка состоит из 12 космических аппаратов, расположенных на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях, по 4 космических аппарата в каждой плоскости, при этом орбитальные плоскости смещены на 120°, а космические аппараты оснащены 10 перенацеливаемыми зеркальными антеннами. Орбитальная группировка расположена на средней круговой орбите высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6°.

Полученными техническими результатами являются:

1. Применении средней круговой орбиты позволяет использовать недорогие малогабаритные космические аппараты (массой до 500 кг), что снижает стоимость создания системы, в том числе за счет упрощения их выведения на орбиту, в том числе с помощью групповых запусков. Небольшая высота орбиты улучшает энергетику радиолиний, так как значительно уменьшаются потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (по сравнению с космическими аппаратами на геостационарной орбите), благодаря этому упрощаются абонентские терминалы, т.к. в них становится возможно применение антенн меньших габаритов. Это значительно упрощает и удешевляет абонентские терминалы. Оптимальным решением построения орбитальной группировки для уверенного обслуживания всей территории Земли является равномерное распределение аппаратов по нескольким орбитальным плоскостям с применением средней круговой орбиты.

2. Применение на борту космических аппаратов зеркальных антенн, с возможностью перенацеливания, позволяет конфигурировать лучи в зоне обслуживания в зависимости от потребности абонентов в информационных услугах в том или ином регионе. Зеркальные антенны формируют несколько лучей в зоне обслуживания КА, что повышает энергетику радиолиний и позволяет использовать в абонентских терминалах простые малогабаритные ненаправленные антенны без необходимости слежения за КА. Это также снижает габариты, массу и энергопотребление абонентских терминалов, тем самым увеличивая число перспективных пользователей и расширяя возможные области применения системы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:

На фиг. 1 - Космический аппарат, оснащенный 10 осесимметричными перенацеливаемыми зеркальными антеннами;

На фиг. 2 - Орбитальная группировка космических аппаратов на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях;

На фиг. 3 - Глобальная система для широкополосного высокоскоростного доступа в интернет с космическими аппаратами на средней круговой орбите.

Глобальная система спутниковой связи состоит из орбитальной группировки, состоящей из 12 космических аппаратов, расположенных на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях (по 4 космических аппарата в каждой плоскости). Орбитальные плоскости смещены на 120°. Каждый из 12 космических аппаратов предполагается оснастить 10 транспондерами Ка-диапазона, по 5 транспондеров в каждой из поляризаций (на фигуре не показано), где каждый транспондер оснащен осесимметричной перенацеливаемой зеркальной антенной 1. Наземный сегмент включает цент управления полетом 2, региональные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями 3, и наземных средств потребителей (абонентских терминалов) (на фигуре не показано).

Система спутниковой связи функционирует следующим образом: по запросу абонентского терминала (на фигуре не показано), находящегося в одном из лучей, формируемом приемо-передающими перенацеливаемыми зеркальными антеннами 1, бортовой ретранслятор космического аппарата устанавливает с ней связь, организуя прямой канал связи между абонентским терминалом и региональной станцией для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями 3. Для этого используется коммутация каналов и преобразование сигнала на другую частоту на борту космического аппарата. В случае выхода абонентского терминала из зоны видимости всех антенн, установленных на борту космического аппарата, происходит переключение абонентского терминала на другой космический аппарат (происходит процедура «хэндовера»).

Данное построение орбитальной группировки обеспечивает устойчивое глобальное покрытие все территории Земли, и трехкратное покрытие большей части территории России. Заявленные характеристики с глобальным покрытием реализуются при использовании предлагаемого типа средней орбиты, высотой 8070 км, наклонением орбиты 51,6°. При данных параметрах орбитальной группировки обеспечивается двукратное покрытие 99,53% территории РФ по углу места 10°, и трехкратное 45,0% территории Земли. Предполагается производить групповое выведение 4 космических аппаратов на орбиту. Следовательно, для развертывания трех орбитальных плоскостей необходимо 3 запуска, что сильно влияет на снижение стоимости создании системы и увеличивает ее конкурентоспособность по сравнению с системами на других орбитах.

Похожие патенты RU2695540C2

название год авторы номер документа
МНОГОУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 2013
  • Безруков Анатолий Алексеевич
  • Выгонский Юрий Григорьевич
  • Голубев Евгений Аркадьевич
  • Екимов Евгений Парфенович
  • Невзорский Андрей Николаевич
  • Ровенский Владимир Аркадьевич
RU2575632C2
Гибридная наземно-космическая система связи 2016
  • Безруков Анатолий Алексеевич
  • Екимов Евгений Парфенович
  • Химочко Олег Леонидович
RU2660559C2
СПОСОБ РЕТРАНСЛЯЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ 2019
  • Выгонский Юрий Григорьевич
  • Мочалов Дмитрий Александрович
  • Квашнин Александр Анатольевич
  • Проценко Евгений Борисович
  • Яковлев Александр Юрьевич
RU2714301C1
Глобальная система спутниковой связи и передачи данных с космическими аппаратами на низкой круговой орбите 2014
  • Выгонский Юрий Григорьевич
  • Кузовников Александр Витальевич
  • Головков Владимир Владимирович
  • Агуреев Василий Александрович
RU2614049C2
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 2015
  • Выгонский Юрий Григорьевич
  • Кузовников Александр Витальевич
  • Головков Владимир Владимирович
  • Иванова Марина Павловна
RU2619582C2
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА 2005
  • Моисеев Валерий Андреевич
  • Петросян Валерий Суренович
  • Соснин Валерий Алексеевич
  • Кукк Калью Иванович
RU2302695C2
Глобальная многофункциональная инфокоммуникационная спутниковая система 2017
  • Кузенков Алексей Николаевич
  • Наумов Сергей Аркадьевич
  • Скородумов Андрей Иванович
  • Ковалев Валерий Иванович
  • Баринов Алексей Владимирович
  • Назаров Николай Григорьевич
  • Матвеев Сергей Вячеславович
RU2660113C1
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СЕТИ НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ВЫСОКОШИРОТНЫМИ ОРБИТАМИ И НЕСКОЛЬКИМИ ОРБИТАЛЬНЫМИ ПЛОСКОСТЯМИ 2010
  • Безруков Анатолий Алексеевич
  • Голубев Евгений Аркадьевич
  • Екимов Евгений Парфенович
  • Галькевич Александр Игоревич
RU2434332C1
РЕГИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА МОБИЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ И ОБСЛУЖИВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ КОРИДОРОВ 2005
  • Горбулин Владимир Иванович
  • Каргу Дмитрий Леонидович
  • Фатеев Вячеслав Филиппович
RU2322760C2
СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ МЕЖДУ АБОНЕНТАМИ 1996
  • Бармин И.В.
  • Елисеев В.Г.
  • Сыренков А.И.
  • Мач И.Э.
RU2107990C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 695 540 C2

Реферат патента 2019 года Глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах

Изобретение относится к глобальным спутниковым информационным системам и может использоваться для предоставления услуги высокоскоростного доступа в интернет в глобальной зоне обслуживания. Техническим результатом является создание глобальной спутниковой системы передачи данных для предоставления высокоскоростного доступа в интернет. Для этого глобальная система передачи данных состоит из орбитальной группировки космических аппаратов с несколькими зеркальными перенацеливаемыми антеннами на средней круговой орбите, региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с глобальной сетью интернет и наземных средств потребителей, абонентских терминалов. Предложено оптимизированное построение орбитальной группировки с равномерным распределением космических аппаратов по четырем орбитальным плоскостям, что позволяет обеспечить непрерывное глобальное покрытие всей территории Земли при минимальном числе космических аппаратов в орбитальной группировке. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 695 540 C2

1. Глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах, состоящая из орбитальной группировки космических аппаратов, наземного центра управления полетом, региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями, наземных средств потребителей, отличающаяся тем, что орбитальная группировка состоит из 12 космических аппаратов, расположенных на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях, по 4 космических аппарата в каждой плоскости, при этом орбитальные плоскости смещены на 120°, а космические аппараты оснащены 10 перенацеливаемыми зеркальными антеннами.

2. Глобальная система спутниковой связи по п. 1, отличающаяся тем, что орбитальная группировка расположена на средней круговой орбите высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6°.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2695540C2

МНОГОУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 2013
  • Безруков Анатолий Алексеевич
  • Выгонский Юрий Григорьевич
  • Голубев Евгений Аркадьевич
  • Екимов Евгений Парфенович
  • Невзорский Андрей Николаевич
  • Ровенский Владимир Аркадьевич
RU2575632C2
НИЗКООРБИТАЛЬНАЯ СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 2011
  • Гармонов Александр Васильевич
  • Иванов Роберт Константинович
  • Карпов Анатолий Степанович
  • Ковалевский Михаил Маркович
  • Копылов Юрий Алексеевич
  • Последов Сергей Валерьевич
RU2496233C2
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СЕТИ НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ВЫСОКОШИРОТНЫМИ ОРБИТАМИ И НЕСКОЛЬКИМИ ОРБИТАЛЬНЫМИ ПЛОСКОСТЯМИ 2010
  • Безруков Анатолий Алексеевич
  • Голубев Евгений Аркадьевич
  • Екимов Евгений Парфенович
  • Галькевич Александр Игоревич
RU2434332C1
US 6628919 B1, 30.09.2003
Прибор для очистки паром от сажи дымогарных трубок в паровозных котлах 1913
  • Евстафьев Ф.Ф.
SU95A1
US 7277673 B2, 02.10.2007
Добавка в цементную сырьевую смесь 1979
  • Жовтая Венера Николаевна
SU787387A1

RU 2 695 540 C2

Авторы

Выгонский Юрий Григорьевич

Кузовников Александр Витальевич

Головков Владимир Владимирович

Иванова Марина Павловна

Даты

2019-07-24Публикация

2016-12-12Подача