Космическая система спутниковой связи Российский патент 2020 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к управлению спутниковой связью космических систем с разновысотными космическими аппаратами наблюдения (КАН), дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ), связи (КАС) и может быть использовано при проектировании и управлении космическими системами различного назначения.

Известны системы спутниковой связи, включающей космический наземный сегменты сети связи, см. RU №2302695 H04B 7/185, 2005 г.

В состав наземного сегмента могут входить наземные абонентские станции (АС) и абонентские терминалы (AT), региональные станции (PC), центры управления (ЦУ) полетом КА (ЦУП КА) и системой (ЦУС), другие элементы с каналами связи.

В состав космического сегмента могут входить околоземные орбитальные группировки низкоорбитальных КАС на круговых орбитах в нескольких орбитальных плоскостях на высотах 1500 км с наклонением 82,5° (KA₁), КАН на высотах 500-850 км с наклонениями 81-98° (КА₂), КА ДЗЗ на высотах 200-500 км с наклонениями 63-97° (КА₃) и КА ретрансляции и связи на геостационарных орбитах с высотами 35000-39000 км (спутники-ретрансляторы (CP)).

КА и PC, АС и AT имеют свои собственные зоны радиовидимости (ЗРВ), как показано на фиг. 1. Размеры диаметра (d) ЗРВ КА на поверхности Земли следующие: CP (d=12000 км с ограничением по широте от 66° ю.ш. до 66° с. ш.), КАС (d=6000 км), КАН (d=1000 км), КА ДЗЗ (d=500 км). Размеры (d) ЗРВ наземных средств ограничиваются мощностью передаваемого сигнала и углом места вхождения в связь с КА, как графически показано на фиг. 1.

Обмен сообщениями между КА и наземными средствами осуществляется только в области пересечения ЗРВ, т.е. в области зон взаимной радиовидимости (ЗВР) КА и наземных средств, например, ЗВР КА₁-CP₁-PC-AT₁-AT₂, ЗВР КА₂-CP₁-AC₁, ЗВР КА₃-CP₁-AC₂.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленному изобретению, является двухуровневая система спутниковой связи, состоящая из космического сегмента с абонентами, оснащенными межспутниковой связью, и наземного комплекса в составе управляющего комплекса (УК) с наземными каналами связи (НКС), см. RU №2344547, H04B 7/185, 2007 г.

Недостатком данной системы является низкая оперативность передачи сообщений, обусловленная ограниченностью зоны покрытия CP земной поверхности полосой от 66° ю.ш. до 66° с. ш., а также ограниченностью ЗРВ между наземным сегментом и низкоорбитальными КА космического сегмента.

Задачей, решаемой предложенным изобретением, является повышение оперативности передачи сообщений, в том числе телефонной связи, путем увеличения продолжительности ЗВР между наземным и космическим сегментами.

Решение указанной задачи обеспечено тем, что, (как показано на фиг. 2), космическая система спутниковой связи, включающая космический сегмент из орбитальных группировок космических аппаратов на низковысотных, средневысотных и геостационарных орбитах и наземный сегмент, состоящий из как минимум, одного наземного пункта управления и обеспечения сбора целевой информации от наземных, воздушных, морских и космических абонентов, согласно изобретению, средневысотная орбитальная группировка состоит из не менее 24 космических аппаратов навигации «Глонасс», расположенных в 3-х орбитальных плоскостях на круговых орбитах с наклонением 64,8°, по 8 КА в каждой орбитальной плоскости, при этом низкоорбитальная группировка расположена в тех же орбитальных плоскостях и состоит из не менее 12 космических аппаратов связи, не менее 3-4 космических аппаратов наблюдения и не менее 1-2 космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, при этом космические аппараты всех орбитальных группировок снабжены каналами межспутниковой связи и каналами связи с наземным сегментом.

Таким образом, в космический сегмент дополнительно введено определенное количество КА аналогичного класса сложности, например, навигационных КА (НКА) системы «Глонасс» (Доп. KA₁, Доп. КА₂, …, Доп. КА₂₄) на более высоких орбитах (Н=20000 км), расположенных в 3-х плоскостях (фиг. 3) с наклонением 64,8°, по 8 КА в каждой плоскости и имеющих аналогичные размеры диаметра (d) ЗРВ на поверхности Земли с CP (d=12000 км), но без ограничения по широте от 66° ю.ш. до 66° с.ш. за счет наклонения орбиты 64,8°.

НКА связаны с низкоорбитальными КАС, КАН и КА ДЗЗ по межспутниковым каналам связи, а также между собой через наземные средства наземного сегмента, в который дополнительно введены ЦУП НКА, ЦУ ресурсами связи (ЦУРС), центр управления персональной подвижной спутниковой связью (ЦУ ППСС) и командно-измерительная система (КИС) приема-передачи командно-программной информации (КПИ) НКА.

На фиг. 4, на участке земной поверхности от 66° ю.ш. до 66° с.ш., представлены ЗВР дополнительного КА₁ (Доп. КА₁) из 24-х НКА системы «Глонасс» (Доп. КА₁, Доп. КА₂, …, Доп. КА₂₄) на орбитах высотой 20000 км, CP₁ из 3-х CP (CP₁, СР₂, СР₃) на геостационарных орбитах с высотами 36000-39000 км (CP), КАС (KA₁) из 12-ти КАС (КА_1-1 -… - КА_1-12) на орбитах высотой 1500 км, КАН (КА₂) из 6-8-ми КАН (КА_2-1 - А_2-6) на орбитах высотой 500-850 км и КА ДЗЗ (КА₃) из 1-2-х КА ДЗЗ на орбитах высотой 200-500 км с наземными средствами PC, АС и AT₁, АТ₂, а именно:

ЗР₁=КА₁ - Доп. КА₁ - CP₁- PC, ЗВР₂=КА₂ - Доп. КА₁ - CP₁ - PC,

ЗР₃=КА₃ - Доп. КА₁ - CP₁ - PC.

В предложенном изобретении, гибкое сочетание ЗРВ CP в широтном диапазоне 66° ю.ш. - 66° с.ш. и КА навигации с КА связи, КА наблюдения и КА ДЗЗ с ЗРВ наземных средств, увеличивает ЗВР орбитальных и наземных средств с учетом покрытия полярных областей Земли выше 66° с.ш. и ниже 66° ю.ш., обеспечивает повышение оперативности передачи сообщений и телефонной связи в глобальном масштабе, т.е. решает поставленную задачу.

На фиг. 5 представлена практическая схема предложенной системы, где позициями обозначено следующее:

1. Космический сегмент.

2. Спутники-ретрансляторы в количестве 1-3 CP (2-1 - бортовые радиотехнические комплексы CP).

3. Дополнительные КА, например, 24 НКА «Глонасс» Доп. КА₁, Доп. КА₂, Доп. КА₂₄ на круговых орбитах (3-1 - бортовые радиотехнические комплексы НКА).

4. Низкоорбитальная группировка КАС в составе 12 KA₁ (4-1 - бортовые радиотехнические комплексы КАС).

5. Низкоорбитальная группировка КАН в составе 6-8 КА₂ и КА ДЗЗ в составе 1-2 КА₃ (5-1 - бортовые радиотехнические комплексы КАН и КА ДЗЗ).

6. Наземный сегмент.

7. Интегрированный центр целевого применения (ИЦЦП).

8. Управляющие комплексы (УК) КАС, КАН, КА ДЗЗ, НКА.

9. УК КАС.

9.1. ЦУ связным комплексом (ЦУСК).

9.2. Центральные станции (ЦС).

9.3. PC.

9.4. ЦУС.

9.5. ЦУП КАС.

10. УК КАН и КА ДЗЗ.

10.1. ЦУП КАН и КА ДЗЗ.

10.2. КИС КАН и КА ДЗЗ.

11. УК СР.

12. Комплекс КИС СР (ККИС CP).

13. КИС CP с НКС в г. Мурманск.

14. КИС CP без НКС в поселке Анадырь и поселке Дудинка.

15. Базовая земная станция (БЗС).

16. ЦУ спутником-ретранслятором (ЦУ CP).

17. ЦУП СР.

18. ЦУ PC СР.

19. ЦУ ППСС.

20. Потребительский комплекс (ПК).

21. Наземный специальный комплекс (НСК).

22. АС₁ взаимодействия с КАН.

23. АС₂ взаимодействия с КА ДЗЗ.

24. Стационарные AT₁ и мобильные АТ₂ взаимодействия с КАС и СР.

25. НКС.

26. УК КАН.

26.1. ЦУП КАН.

26.2. КИС КАН.

Практически, все элементы системы широко известны, см., например, «Низкоорбитальная космическая система персональной спутниковой связи и передачи данных» изд. Юлис 2011 г., стр. 39-156, «Тексты лекций по космической тематике» Москва 1999 г., стр. 140-146, «Энциклопедия «Космонавтика» изд. Советская энциклопедия» Москва 1970 г. стр. 236-238, «Инженерный справочник по космической технике» изд. МО СССР, 1977, стр. 121-132, 293-297, «Радиоуправление» Л.С. Гуткин и др., «Сов. радио» Москва 1970 г. стр. 110, 271-275.

Функциональное назначение элементов системы.

В космическом сегменте (1) КА группировок (3,4,5) взаимосвязаны с группировкой CP (2) по межспутниковым каналам связи, а также между собой через наземные средства, выполняя при этом свои целевые задачи по наблюдению, ДЗЗ, связи, ретрансляции и навигации.

В наземном сегменте (6) интегрированный центр целевого применения (7) осуществляет взаимодействие элементов (8), (11) между собой непосредственно или через НКС (25) при обеспечении управления функционированием системы спутниковой связи околоземных разновысотных космических аппаратов.

УК КАС, КАН, КА ДЗЗ, НКА (8) осуществляет взаимодействие элементов (9) (9.1-9.5) - (10) (10.1-10.2) - (26) (26.1-26.2) при управлении космическим сегментом системы.

УК КАС (9) обеспечивает функционирование и взаимодействие элементов (9.1-9.5) в процессе применения системы связи.

ЦУСК (9.1) формирует трафик связи и координирует работу элементов низкоорбитальной спутниковой связи.

ЦС (9.2) осуществляет взаимодействие наземных и бортовых элементов космического и связного комплексов низкоорбитальной спутниковой связи.

PC (9.3) обеспечивает взаимодействие с КАС в отдельном регионе.

ЦУС (9.4) является высшим органом управления, обеспечивающим координацию действий элементов (9.1), (10.1) и (16).

ЦУСК (9.1), ЦУП (9.5) КАС осуществляют управление связным ресурсом и полетом КАС.

ЦС (9.2), PC (9.3) обеспечивают прием-передачу командно-программной информации обеспечения полета КАС.

УК КАН и КА ДЗЗ (10) обеспечивает функционирование и взаимодействие элементов (10.1 - 10.2) в процессе функционирования космической системы

ЦУП КАН и КА ДЗЗ (10.1) осуществляет управление полетом КА наблюдения и ДЗЗ по всем задачам.

КИС КАН и КА ДЗЗ (10.2) осуществляет прием-передачу командно-программной информации обеспечения управления полетом КАН и КА ДЗЗ.

УК КАН (26) обеспечивает функционирование и взаимодействие элементов (26.1 - 26.2) в процессе функционирования космической системы навигации.

ЦУП КАН (26.1) осуществляет управление полетом КАН по всем задачам.

КИС КАН (26.2) осуществляет прием-передачу командно-программной информации обеспечения управления полетом КАН.

УК CP (11) обеспечивает взаимодействие элементов при управлении геостационарной системой ретрансляции.

ККИС CP (12) обеспечивает функционирование радиотехнических средств СР.

КИС CP (13, 14) осуществляет взаимодействие между сегментами (1) и (6) в части управления СР.

БЗС (15) через СР (3) обеспечивает взаимодействие AT (24), не имеющих прямого выхода в УК НКА (26), с абонентами сети общего пользования и отдельными элементами сегмента (1).

ЦУ CP (16) осуществляют общее и технологическое управление СР.

ЦУП CP (17) осуществляют управление полетом СР.

ЦУ PC (18) осуществляет управление ресурсом связи СР.

ЦУ ППСС (19) осуществляет общее и технологическое управление мобильными элементами ППСС.

ПК (20) обеспечивает функционирование целевых средств (21), (22) и (23) космической системы.

НСК (21) обеспечивает функционирование специальных средств из состава (20). Стационарные и мобильные элементы АС (22, 23), AT₁, АТ₂ (24) осуществляют обмен информацией абонентов с КА сегмента (1).

НКС (25) осуществляют взаимодействие между элементами сегмента (6).

Работа предложенной системы спутниковой связи осуществляется следующим образом.

Радиотехнические элементы наземного сегмента (6) в составе (9-2, 9-3, 13, 14, 15, 10-2, 26.2, 21, 22, 23, 24) и космического сегмента (1) в составе (2-1, 3-1, 4-1, 5-1) связаны между собой через космические радиолинии в диапазоне частот 2.5-3.5 ГГц. Радиотехнические элементы космического сегмента (1) в составе (3-1, 4-1, 5-1) связаны каждый с (2-1) через космические радиолинии в диапазоне частот 30-60 ГГц по межспутниковым каналам связи.

Элементы интегрированного центра целевого применения (7) в составе (8, 9, 10, 26), (11, 12, 16) и потребительского комплекса (20) в составе (21, 22, 23, 24) связаны между собой через наземные каналы связи (25).

Особенностью применения КИС (13, 14) является то, что КИС (13) имеет выход на НКС (25), а КИС (14) не имеет выхода на НКС (25) и взаимодействует с элементами наземного сегмента (6) во всех предусмотренных режимах через СР (3) космического сегмента (1). (См., например, RU №2575632, H04B 7/185, 2015 г.).

На НСК (21) от КАН (4) и КА ДЗЗ (5) поступает информация наблюдения и мониторинга поверхности Земли.

АС₁ (22) и АС₂ (23) по связным протоколам связаны соответственно с КАН и КА ДЗЗ, и через НКС (25) связаны с элементами сегмента (6). AT (24) по связным протоколам связаны с КАС и CP и, не имея выхода в НКС, связаны с элементами сегмента (6) через БЗС (15).

Технологическая информация управления КА (сверки времени, рабочие и временные программы, радиоконтроль орбит КА, телеконтроль состояния КА, разовые команды управления, связной трафик) циркулируют между КА группировок (2, 3, 4, 5) космического сегмента (1) и элементами наземного сегмента (6)-(9-1, 9-2, 9-4, 9-5, 10-1, 26-1, 17) через КИС (10-2, 26-2, 13, 14) и PC (9-3).

Гибкое сочетание ЗРВ CP (большие ЗРВ) в широтном диапазоне 66° ю.ш. - 66° с.ш. и КА навигации (большие ЗРВ) с КА связи (средние ЗРВ), КА наблюдения и КА ДЗЗ (малые ЗРВ) с ЗРВ наземных средств, увеличивает ЗВР орбитальных и наземных средств с учетом покрытия полярных областей Земли выше 66° с.ш. и ниже 66° ю.ш., обеспечивая тем самым решение задачи изобретения - повышение оперативности передачи сообщений и телефонной связи в глобальном масштабе.

Изобретение относится к управлению спутниковой связью космических систем с разновысотными космическими аппаратами наблюдения (КАН), дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ), связи (КАС) и может быть использовано при проектировании и управлении космическими системами различного назначения. Технический результат состоит в повышении оперативности передачи сообщений и телефонной связи. Для этого космическая система спутниковой связи включает космический сегмент из орбитальных группировок (ОГ) КА на низковысотных, средневысотных и геостационарных орбитах и наземный сегмент, состоящий из как минимум одного наземного пункта управления и обеспечения сбора целевой информации от наземных, воздушных, морских и космических абонентов. Средневысотная ОГ состоит из не менее 24 КА навигации «Глонасс», расположенных в 3-х орбитальных плоскостях (ОП) на круговых орбитах с наклонением 64,8°, по 8 КА в каждой ОП, при этом низкоорбитальная группировка расположена в тех же ОП и состоит из не менее 12 КАС, не менее 3-4 КАН и не менее 1-2 КА ДЗЗ, при этом КА всех ОГ снабжены каналами межспутниковой связи и каналами связи с наземным сегментом. 5 ил.

Космическая система спутниковой связи, включающая космический сегмент из орбитальных группировок космических аппаратов на низковысотных, средневысотных и геостационарных орбитах и наземный сегмент, состоящий из как минимум одного наземного пункта управления и обеспечения сбора целевой информации от наземных, воздушных, морских и космических абонентов, отличающаяся тем, что средневысотная орбитальная группировка состоит из не менее 24 космических аппаратов навигации «Глонасс», расположенных в 3-х орбитальных плоскостях на круговых орбитах с наклонением 64,8°, по 8 КА в каждой орбитальной плоскости, при этом низкоорбитальная группировка расположена в тех же орбитальных плоскостях и состоит из не менее 12 космических аппаратов связи, не менее 3-4 космических аппаратов наблюдения и не менее 1-2 космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, при этом космические аппараты всех орбитальных группировок снабжены каналами межспутниковой связи и каналами связи с наземным сегментом.