Способ построения космической системы ретрансляции информации между земными станциями и абонентскими терминалами Российский патент 2020 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к космическим системам ретрансляции информации между лунными станциями, которые могут быть размещены как на поверхности Луны, так и на окололунной орбите, и земными станциями управления и приема/передачи сообщений с использованием геостационарных спутников-ретрансляторов (СР).

Способ построения космической системы ретрансляции информации между земными станциями и абонентскими терминалами (АТ) изложен, например, в патенте № 2366086 РФ «Способ построения космической системы ретрансляции с использованием геосинхронных спутников-ретрансляторов» и статье Кузовникова А.В., Мухина В.А., Выгонского Ю.Г., Головкова В.В., Роскина С.М. «Многофункциональная космическая система ретрансляции «Луч» – новая российская система для оперативного информационного обмена с низкоорбитальными космическими аппаратами» // Наукоемкие технологии, № 9, т.15, 2014, с.20 – 23. По совокупности признаков способ, описанный в статье, выбран в качестве прототипа. В соответствии с данным способом формируют орбитальную группировку из N геостационарных СР, где N ≥ 2, и соединяют каждый из СР по меньшей мере с одной земной станцией.

Недостатком рассмотренного способа является то, что создаваемая в соответствии с ним космическая система ретрансляции (КСР) предназначена для работы с АТ, расположенными на видимых со спутников-ретрансляторов участках земной поверхности и околоземных орбит. Поэтому предложенные в данном способе места расположения антенн СР для связи с АТ (в дальнейшем – антенн абонентского направления) и пределы углов отклонения осей диаграмм направленности указанных антенн, в частности, при связи с АТ на низкоорбитальных космических аппаратах, обусловлены в первую очередь необходимостью обслуживания именно данного класса АТ. Что касается возможности охвата орбиты Луны, то из-за ориентации антенн СР абонентского направления в сторону Земли и ограниченного сектора отклонения их лучей (не более 22^о х 22^о) каждый из СР может «видеть» участок орбиты Луны размером немногим более 4^о.

Для заявленного способа выявлены следующие общие существенные признаки: Способ построения космической системы ретрансляции информации между наземными станциями и абонентскими терминалами, при котором формируют орбитальную группировку из N геостационарных спутников-ретрансляторов, где N ≥ 2, соединяют каждый из спутников-ретрансляторов, по меньшей мере, с одной наземной станцией.

Технической проблемой предполагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего для КСР на базе геостационарных СР возможность непрерывной связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках лунной поверхности или окололунных орбит.

Указанная проблема решается тем, что антенну СР для связи с АТ, находящимися на видимых с Земли участках поверхности Луны и окололунных орбит, располагают на противоположной от направления на Землю стороне СР, угол отклонения оси диаграммы направленности указанной антенны, отсчитываемый от оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированный в направлении от центра Земли, устанавливают: в плоскости земного экватора – не менее ±θ_э = 90^о – arc tg {[(L_ЛП – R_ОАТ – R_ГСО)/( L_ЛП – R_ОАТ + R_ГСО)] ctg(φ_макс/4)} + φ_макс/4, где L_ЛП – расстояние между Землей и Луной в перигее лунной орбиты, R_ОАТ – радиус сферы возможных положений лунных АТ, R_ГСО – радиус геостационарной орбиты, φ_макс – максимальное угловое разнесение между точками стояния соседних СР, и в меридиональной плоскости – не менее ±θ_м = 90^о – arc tg {[(L_ЛП – R_ГСО)/( L_ЛП + R_ГСО)] ctg[(28,77^о + α)/4]} + (28,77^о + α)/4, где α = arc sin(R_ОАT/L_ЛП). При этом угловое разнесение между точками стояния спутников-ретрансляторов устанавливают равным 180/N.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг.1 ÷ 4, где:

- на фиг.1 приведены геометрические построения для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в плоскости земного экватора;

- на фиг.2 приведены геометрические построения для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости;

- на фиг.3 показано расположение на СР антенны абонентского направления, обеспечивающей связь лунными АТ;

- на фиг.4 представлен общий вид космической системы ретрансляции для связи лунных АТ с Землей.

На фиг.1 ÷ 4 введены следующие обозначения:

1 – Земля;

2 – геостационарная орбита;

3 – орбита Луны;

4 – Луна;

5 – сфера возможных положений лунных АТ;

6 – плоскость эклиптики;

7 – плоскость земного экватора;

8 – плоскость орбиты Луны;

9 – Солнце;

10 – СР;

11 – антенна для связи с земной станцией;

12 – антенна для связи с лунными АТ;

13 – западный СР;

14 – центральный СР;

15 – восточный СР;

16 – антенный луч для связи с Землей;

17 – зона покрытия антенного луча для связи с Землей;

18 – антенный луч для связи с Луной;

19 – зона покрытия антенного луча для связи с Луной.

На фиг.1, плоскость которой совпадает с плоскостью земного экватора (и с плоскостью геостационарной орбиты), показана Земля 1, ее геостационарная орбита (ГСО) 2 радиусом R_ГСО и орбита Луны 3, все с центрами в точке О. В качестве примера рассматривается орбитальная группировка КСР, состоящая из двух СР в точках А и В ГСО 2. Областью размещения обслуживаемых данной КСР лунных АТ является видимая с Земли часть пространства между поверхностью Луны 4 и сферой возможных положений лунных АТ 5, радиус которой определяется максимальным радиусом орбиты окололунного АТ R_ОАТ. Точка С является ближайшим к Земле 1 местом расположения АТ на сфере 5.

Для удобства дальнейшего анализа по другую сторону Земли 1 симметрично точке С введена аналогичная точка D, упомянутые выше точки размещения СР А и В расположены симметрично относительно линии CD, а орбита Луны 3 полагается круговой радиусом R_ОЛ.

В качестве исходной предпосылки принимаем, что для обеспечения непрерывной связи с лунными АТ каждый из двух СР должен быть способным охватывать половину орбиты Луны 3, т.е. в данном случае СР в точке А должен обслуживать лунные АТ при движении Луны 4 из точки Е в точку F, а СР в точке В – при движении Луны 3 из точки F в точку Е. Как следует из фиг.1, в плоскости земного экватора это обеспечивается при условии, если, во-первых, антенна СР для связи с АТ будет располагаться на противоположной от направления на Землю 1 стороне СР, а во-вторых, если ось диаграммы направленности этой антенны будет способна перемещаться в пределах сектора обзора, выходящего за пределы верхней полусферы СР. Угловой размер этого сектора определяется, как видно из приведенных на фиг.1 геометрических построений, величиной угла θ_э, который связан с величиной максимального углового разнесения φ_макс между точками стояния СР А и В. Согласно соотношениям между сторонами и углами треугольников [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М., Наука, 1967. – 608 с., с.187] для треугольника АОС, у которого известны две стороны: АО = R_ГСО и ОС = R_ОЛ – R_ОЛТ = L, а также угол между ними равный φ_макс/2, искомый угол θ_э, как смежный по отношению к углу САО будет определяться следующим выражением:

. (1)

Поскольку в реальности Луна 4 движется вокруг Земли 1 по эллиптической орбите [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / Под ред. В.В. Иванова. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. – 544 с., с.116], соответственно и значение L будет изменяться от минимального при нахождении Луны 4 в перигее ее орбиты 3 до максимального при нахождении Луны 4 в апогее ее орбиты 3. Как видно из фиг.1, с уменьшением расстояния L значение угла θ_э возрастает, поэтому максимальное значение этого угла соответствует минимальному значению L, которое равно расстоянию между центрами Земли и Луны при нахождении последней в перигее ее орбиты L_ЛП за вычетом радиуса сферы возможных положений лунных АТ, т.е. L_мин = L_ЛП – R_ОАТ. Таким образом, конечное выражение для угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в плоскости земного экватора относительно оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли, примет следующий вид:

. (2)

Для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости, или плоскости, перпендикулярной плоскости земного экватора, обратимся к фиг.2, на которой показано взаимное расположение проекций плоскости эклиптики 6, плоскости земного экватора 7 и плоскости орбиты Луны 8 на плоскость чертежа, совпадающую с плоскостью, перпендикулярной плоскости эклиптики 6, и проходящей через большую ось орбиты Луны 3 (или через центр Земли 1 в точке О и центр Луны 4 в точке Е на фиг.1). Плоскость орбиты Луны 8 постоянно наклонена к плоскости эклиптики 6 под углом i_Л, максимальное значение которого составляет 5^о20’ [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие, с.116]. Плоскость орбиты Земли (не показана) лежит в плоскости эклиптики 6, в то же время из-за наклона земной оси относительно плоскости эклиптики 6 плоскость земного экватора 7 наклонена к плоскости эклиптики 6 под углом i_З = 23^о26’ [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие, с.26].

Вследствие постоянных изменений элементов орбиты Луны 3, в частности, долготы ее перигея и долготы восходящего узла, а также изменения пространственного положения плоскости земного экватора 7 относительно Солнца 9 можно представить, как показано на фиг.2, что максимальный угловой разнос между плоскостью земного экватора 7 и плоскостью орбиты Луны 8 будет равен сумме наклонений указанных плоскостей к плоскости эклиптики 6, т.е. i_З + i_Л = 23^о26’ + 5^о20’ = 28^о46’ ≈ 28,77^о.

Максимальное значение угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости θ_м для СР, находящегося в точке G будет равно значению угла между плоскостью земного экватора 7 (плоскостью ГСО) и направлением на точку нахождения АТ Н на окололунной орбите 5.

Для нахождения угла θ_м рассмотрим треугольник OGH, в котором сторона OG равна радиусу ГСО R_ГСО, сторона OH может быть принята равной длине перигея орбиты Луны 8 ОЕ (так как ОН >> R_ОАТ), а угол GOH между этими сторонами равен сумме углов i_З + i_Л + α = 28,77^о + α, где α = arc sin (R_ОАТ / L_ЛП). Тогда искомый угол θ_м как смежный по отношению к углу OGH определяется с применением метода, принятого для нахождения угла θ_э, т.е.:

(3)

где α = arc sin (R_ОАТ / L_ЛП). Так же, как и угол θ_э, угол θ_м отсчитывается относительно оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли.

Рассмотренные выше рассуждения относительно значения угла θ_э были применены к орбитальной группировке СР с некоторым произвольным угловым разнесением между ними. Однако, как можно заметить из фиг.1, минимальное значение угла θ_э может быть достигнуто при равном угловом разнесении между точками стояния СР, равном 180/N.

В плане возможной реализации предполагаемого изобретения на фиг.3 показан схематический вид СР 10 и связанной с ним сателлитоцентрической системы координат XYZ, в которой ось Х направлена на центр Земли, ось Y совпадает с направлением движения СР 10, а ось Z перпендикулярна плоскости чертежа, совпадающей с плоскостью земного экватора (плоскостью ГСО), и направлена вверх. СР 10 оснащен антенной 11 для связи с земной станцией и антенной 12 для связи с лунными АТ. Антенна 11 расположена на обращенной к Земле стороне СР 10 и является антенной радиочастотного диапазона, оптимального для прохождения сигналов через атмосферу Земли. Антенна 12 располагается на противоположной от направления на Землю стороне СР 10 и поскольку она предназначена для связи исключительно в космическом пространстве, то она может работать не только в радио, но и в оптическом диапазоне волн. Использование для связи с лунными АТ высокочастотных диапазонов позволяет уменьшить габариты связной аппаратуры как самих АТ, так и СР.

В верхней части фиг.3 на координатных осях показаны углы отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 в плоскости земного экватора (плоскости XOY) ±θ_э и в меридиональной плоскости (плоскости XOZ) ±θ_м, отсчитываемых относительно оси –Х.

На фиг.4 представлен пример построения космической системы ретрансляции для обслуживания лунных АТ, включающей орбитальную группировку из трех спутников-ретрансляторов, условно обозначенных как: «восточный» СР 13, «центральный» СР 14 и «западный» СР 15, обращающихся вокруг Земли 1 по геостационарной орбите 2. Каждый из СР 13 – 15 формирует с помощью антенны 11 антенный луч для связи с Землей 16. Каждый из лучей 16 формирует на поверхности Земли 1 зону покрытия 17, в пределах которой размещается земная станция (не показана). Из приведенного на фиг.4 состава орбитальной группировки СР наиболее благоприятные условия для связи с лунными АТ (наименьшая дальность связи) имеет СР 14, который с помощью антенны 12 формирует антенный луч 18, направленный в сторону Луны 4 и образующий на ее поверхности зону покрытия 19, в которой размещается лунный АТ (не показан).

В качестве примера определим значения углов отклонения антенны СР для связи с АТ 12 применительно к орбитальной группировке существующей многофункциональной космической системы ретрансляции «Луч», в которой три СР располагаются в следующих точках стояния на ГСО: «западный» СР – 16^о з.д.; «центральный СР – 95^о в.д. и «восточный» СР – 167^о в.д. [см.прототип]. При указанных позициях СР максимальное угловое разнесение между СР («западным» и «восточным») составляет:

Подставив в формулу (2) полученное значение φ_макс, а также значения лунного перигея L_ЛП = 363 тыс. км, радиуса орбиты лунного АТ R_ОАТ ≈ 1940 км (при радиусе Луны 1736,7 км и высоте полета АТ около 200 км) и радиуса ГСО R_ГСО = 42 164 км, получим угол отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 СР в экваториальной плоскости θ_э = ±95,2^о. Далее, введя соответствующие данные (L_ЛП, R_ОАТ и R_ГСО) в формулу (3), получим угол отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 СР в меридиональной плоскости θ_м = ±16,4^о. Полученные значения углов отклонения являются вполне реализуемыми для современного уровня техники.

В то же время при использовании орбитальной группировки из трех СР с одинаковым угловым разнесением 120^о получим значение угла θ_э = ±66,1^о.

Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает для КСР на базе геостационарных СР полный охват лунной орбиты, тем самым предоставляя возможность для непрерывной связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках лунной поверхности или окололунных орбит.

По результатам проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы не обнаружена совокупность признаков, эквивалентных (или совпадающих) с признаками данного предполагаемого изобретения, поэтому заявители склонны считать техническое решение отвечающим критерию «новизна».

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в космических системах ретрансляции информации между лунными станциями., которые могут быть размещены как на поверхности Луны, так и на окололунной орбите, и земными станциями управления и приема/передачи сообщений с использованием геостационарных спутников-ретрансляторов (СР). Технический результат состоит в обеспечении возможности непрерывной связи между абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках лунной поверхности или окололунных орбит, и абонентами Земли. Для этого антенну спутника ретранслятора для связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках поверхности Луны и окололунных орбит, располагают на противоположной от направления на Землю стороне СР и рассчитывают угол отклонения оси диаграммы направленности указанной антенны, отсчитываемый от оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ построения космической системы ретрансляции информации между наземными станциями и абонентскими терминалами, при котором формируют орбитальную группировку из N геостационарных спутников-ретрансляторов, где N ≥ 2, соединяют каждый из спутников-ретрансляторов, по меньшей мере, с одной наземной станцией, отличающийся тем, что антенну спутника-ретранслятора для связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках поверхности Луны и окололунных орбит, располагают на противоположной от направления на Землю стороне спутника-ретранслятора, угол отклонения оси диаграммы направленности указанной антенны, отсчитываемый от оси, соединяющей спутник-ретранслятор с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли, устанавливают в плоскости земного экватора – не менее ±θ_э = 90^о – arc tg {[(L_ЛП – R_ОАТ – R_ГСО)/( L_ЛП – R_ОАТ + R_ГСО)] ctg(φ_макс/4)} + φ_макс/4, где L_ЛП – расстояние между Землей и Луной в перигее лунной орбиты, R_ОАТ – радиус сферы возможных положений лунных абонентских терминалов, R_ГСО – радиус геостационарной орбиты, φ_макс – максимальное угловое разнесение между точками стояния соседних спутников-ретрансляторов, и в меридиональной плоскости – не менее ±θ_м = 90^о – arc tg {[(L_ЛП – R_ГСО)/( L_ЛП + R_ГСО)] ctg[(28,77^о + α)/4]} + (28,77^о + α)/4, где α = arc sin(R_ОАT/L_ЛП).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угловое разнесение между точками стояния спутников-ретрансляторов устанавливают равным 180/N.