Система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами Российский патент 2021 года по МПК H04B10/118 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в космической и/или авиационной технике для передачи/приема информации по высокоскоростной радиолинии в направлениях космос-космос и/или космос-летательный аппарат (высотный, включая беспилотный летательный аппарат).

Из уровня техники известна спутниковая система передачи данных между спутниками-абонентами и наземным пунктом, описанная в патенте на изобретение RU2155447. Спутниковая система содержит спутники-ретрансляторы на околоземных орбитах и установленную на них и спутниках-абонентах бортовую приемно-передающую аппаратуру оптической межспутниковой связи. Спутники-ретрансляторы размещены не менее чем двумя орбитальными группами, в каждой из которых не менее трех спутников-ретрансляторов располагается на одной околоземной орбите и связаны между собой с помощью приёмно-передающей аппаратурой оптической межспутниковой связи. Однако, использование электромагнитных волн оптического диапазона частот приводит к возможности сбоя оптической межспутниковой связи между космическим аппаратом (КА), из-за опасности повреждения радиоэлектронных средств (РЭС), вследствие воздействия на ее оптические и фотоприемные устройства излучения Солнца и/или оптических квантовых генераторов (мазеры, лазеры) попадающее в оптический тракт РЭС при небольших (единицы градусов) углах между линией взаимной видимости КА и линией визирования Солнца с борта любого из КА.

В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения выбран способ объединения спутниковых систем связи, описанный в патенте на изобретение RU2486676. Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах спутниковой связи. Технический результат состоит в объединении действующих систем, а именно в объединении низко- и среднеорбитальных спутниковых систем связи, расположенных на высокой субсинхронной орбите. Связь между системами осуществляют в частотном диапазоне выше 20 ГГц, при этом спутники на низких или средних орбитах снабжают приемными антеннами, направленных вверх на спутник связи на высокой орбите. Для систем спутниковой связи в соответствии с Регламентом радиосвязи выделены определенные диапазоны частот, при этом радиочастотный ресурс для организации радиолиний высокоскоростной передачи информации жестко регламентирован по используемыми орбитам и имеют ограничения по ширине полосы и плотности потока мощности.

В свою очередь, предлагаемое изобретение направлено на обеспечение непрерывной двухсторонней передачей данных между КА, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах и/или БПЛА на высотах от 7 км и выше.

Для достижения поставленных задач предложена система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) заключается в передаче/приеме информации передающими и приемными антеннами, при этом передача /прием информации осуществляется при согласованной правосторонней и/или левосторонней круговой поляризации радиоволн между передающими/приемными антеннами с использованием высокоскоростной радиолинии на гипервысоких частотах (ГВЧ) в диапазон от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра между космическими аппаратами, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах и/или беспилотными летательными аппаратами на высотах от 7 км и выше. Передающие антенны гипервысоких частот, находятся на космических аппаратах и/или беспилотных летательных аппаратах, причём на каждом аппарате размещена одна рупорная или параболическая антенна, осуществляющая передачу, как с правосторонней, так и с левосторонней поляризацией, а приемные антенны гипервысоких частот находятся на борту комисческих аппаратов и/или беспилотных летательных аппаратов, причём на каждом аппарате размещена антенная система, состоящая из N рупоров, при том один рупор антенной системы работает на передачу, а остальные на прием информации, а количество N рупоров определяется, заданной шириной диаграммой направленности и излучаемой мощностью передающей антенны/

На фиг. 1 схематично представлена система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами, где:

1 – КА находящийся на геостационарной орбите;

2 – КА находящиеся на высокоэллиптической и средней орбите;

3 – КА находящиеся на низкой орбите;

4 – беспилотные летательные аппараты (БПЛА);

5 – наземные средства для связи с КА.

Создание высокоскоростной радиолинии передачи данных с использованием ГВЧ, обеспечивающий большой объем информации (10 Гбит и более) между КА, находящимися на разных орбитах и способных в режиме реального времени вести обмен данными с БПЛА, находящимися на высотах более 7 км в любой точки Земли, обусловлено тем, что отсутствуют жесткие ограничения на ширину полосы пропускания и плотность потока мощности сигала. В настоящее время частотный ресурс для организации межспутниковой связи с использованием линий высокоскоростной передачи информации с использованием частоты 8-диапазона (2-4 ГГц) и Ка-диапазона (26-40 ГГц) полностью исчерпан.

В соответствии с требованиями таблицы распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерацией (см. Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации, Постановление правительства Российской Федерации от 21 декабря 2011 г. № 1049-34, Выписка) и Регламентом радиосвязи (см. Регламент радиосвязи. Том 1, Статьи. Издание 2016 г., ITU,.– 442с.) (ограничения и 200, 210, 327 (1) и 5.484A, 5.516В (2)) имеются жесткие ограничения на плотность потока мощности для работы передающих бортовых и наземных средств устройств и имеет следующие недостатки: ограниченная пропускная способность (скорость передачи данных составляет порядка сотен Мбод и не более), что связано с ограничением радиодиапазона электромагнитного спектра частот и изложенными в регламенте радиосвязи; взаимного электромагнитного влияния каналов, слабая помехозащищенность каналов межспутниковой связи, обусловленная невозможностью создания диаграммы направленности радиоизлучения с углом расхождения порядка единиц угловых секунд. Одновременно, в соответствии с Регламентом радиосвязи все частоты в диапазоне 300-1000 ГГц могут использоваться как активными, так и пассивными службами (ВКР-12) и жесткие ограничения на плотность потока мощности для работы передающих бортовых и наземных устройств в настоящее время отсутствуют (см. Регламент радиосвязи. Том 1, Статьи. Издание 2016 года, ITU).

В результате, при работе предложенной системы передачи информации передатчик, находящий на КА или на БПЛА (1-4 Фиг. 1), будет излучать сигнал на ГВЧ в диапазоне от 300 до 1000 ГГц, а приемник находящийся на другом КА или БПЛА принимать сигнал (за исключением канала связи БПЛА-БПЛА). На передающем комплексе путем амплитудной или вариации угловой модуляции в излучаемый ГВЧ сигнал закладывается информация. Далее сигнал передается по волноводам (диэлектрическим, фотонные кристаллы, вакуумным, т.е. путем отражений от параболических зеркал) или другими волноведущими элементами к точке фокуса каждого элементарного рупора из состава N-рупорной антенны и излучается в пространство. На приемнике, пришедший сигнал ГВЧ излучения усиливается, переносится спектра в более низкий диапазон частот (возможно несколько преобразований несущей частоты вниз), выполняется демодуляция, а затем извлекается информация из потока данных. Временная корреляция сигнала по N рупорам производится в приемнике, при этом антенна ГВЧ, содержащая N рупоров из которых один передающий, позволяет обеспечить дуплексную связь без временного, частотного или поляризационного разделения каналов.

Приемник/передатчик должен функционировать в условиях атмосферы Земли с наименьшим содержанием молекул воды (начиная с высот от 7 км над уровнем земли для данной точки). Передача на прием информации в земной станции происходит по каналу высокоскоростной радиолинии, в соответствии с выбранной спутниковой службы для которой предназначен КА, на ГВЧ реализация наземной станции неэффективна (Д.М. Ермолаев, А.А. Таланов, В.А. Романюк. Перспективы применения терагерцовых частот в космических системах//Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. – 2017. – Т. 4. – В. 1. – С. 46-52.). Прием/передача информации между наземными средствами (НС) и КА осуществляется по служебным каналам связи. Передача и/или прием информации осуществляется между КА и БПЛА на гипервысоких частотах в диапазон от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра. Необходимым условием является согласование вектора поляризации между приемным и передающим трактом КА и/или БПЛА осуществляющие обмен информации на ГВЧ.

Таким образом, рассмотрения возможности организации радиолиний высокоскоростной передачи информации, определение требований и характеристик к бортовой аппаратуре на ГВЧ является актуальной задачей.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в космической и/или авиационной технике для передачи/приема информации по высокоскоростной радиолинии в направлениях космос-космос и/или космос-летательный аппарат. Технический результат состоит в обеспечении непрерывной двухсторонней передачи данных между КА, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах. Для этого передача/прием информации осуществляется при согласованной правосторонней и/или левосторонней круговой поляризации радиоволн между передающими/приемными антеннами с использованием высокоскоростной радиолинии на гипервысоких частотах (ГВЧ) в диапазоне от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра между космическими аппаратами (КА), находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах, и/или беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) на высотах от 7 км и выше. Передающие антенны гипервысоких частот находятся на КА и/или БПЛА, причём на каждом аппарате размещена одна рупорная или параболическая антенна, осуществляющая передачу как с правосторонней, так и с левосторонней круговой поляризацией, а приемные антенны гипервысоких частот находятся на борту космических аппаратов и/или беспилотных летательных аппаратов, причём на каждом аппарате размещена антенная система, состоящая из N рупоров. 1 ил.

Система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами, заключающаяся в передаче/приеме информации передающими и приемными антеннами, отличающаяся тем, что передача/прием информации осуществляется при согласованной правосторонней и/или левосторонней круговой поляризации радиоволн между передающими/приемными антеннами с использованием высокоскоростной радиолинии на гипервысоких частотах в диапазоне от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра между космическими аппаратами, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах, и/или беспилотными летательными аппаратами на высотах от 7 км и выше, при этом передающие антенны гипервысоких частот находятся на космических аппаратах и/или беспилотных летательных аппаратах, причём на каждом аппарате размещена одна рупорная или параболическая антенна, осуществляющая передачу как с правосторонней, так и с левосторонней круговой поляризацией, приемные антенны гипервысоких частот находятся на борту космических аппаратов и/или беспилотных летательных аппаратов, причём на каждом аппарате размещена антенная система, состоящая из N рупоров, при этом один рупор антенной системы работает на передачу, а остальные на прием информации.