СПУТНИК-РЕТРАНСЛЯТОР ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Российский патент 2021 года по МПК H04B10/00 

Данное изобретение относится к системам передачи оптического или инфракрасного сигнала через свободные пространства и может использоваться для формирования высокоскоростных FSO (Free Space Optical) линий связи как в атмосфере, так и в космическом пространстве.

Современные компьютеры, ноутбуки, сотовые телефоны и бесчисленные типы интернет-устройств подключены к интернету. Таким образом, спрос на подключение к данным через интернет растет. Однако во многих районах мира подключение к интернету по-прежнему недоступно или, если таковое имеется, является ненадежным. Соответственно, необходима сетевая инфраструктура, покрывающая всю площадь поверхности Земли.

Существует необходимость передавать большие объемы информации, как между удаленными точками Земли, так и между космическими аппаратами, находящимися на орбите Земли. Для передачи большого потока информации лучше всего подходят оптические линии связи - FSO (Free-Space Optical), которые позволяют передавать информацию со скоростью от 40 Гб/с до 1 Тб/с в перспективе. В атмосфере происходит рассеяние оптического излучения на тепловых турбулентностях потоков воздуха, на частицах тумана, дождя и снега. Поэтому оптические линии связи не могут передавать сигнал через атмосферу на расстояние более 10 км между двумя соседними пунктами связи.

В космическом пространстве атмосфера отсутствует. Расстояние, на котором могут работать оптические линии связи, - более 100000 км между двумя соседними пунктами связи. Используя космические спутники связи, имеющими узлы оптические связи, и наземные пункты связи с космическими спутниками, тоже имеющими узлы оптические связи, можно в режиме реального времени связать разные точки Земной поверхности.

В настоящее время существуют спутники-ретрансляторы радиочастотного диапазона, которые находятся на геостационарных орбитах. Прототипы спутников-ретрансляторов оптического диапазона не найдены.

Спутники-ретрансляторы радиочастотного диапазона имеют невысокую скорость информационного потока по сравнению с возможностями оптического диапазона.

Технический результат направлен на создание спутника-ретранслятора оптической линии связи.

Технический результат достигается использованием на борту спутника узла ориентации спутника и системы электрического питания, двух приемопередатчиков оптической связи, связанных между собой усилителем оптического сигнала, при этом приемопередатчики оснащены оптическими сканерами.

Работа спутника-ретранслятора оптической линии связи описывается с помощью фигуры 1.

На фиг. 1 представлена блок схема спутника-ретранслятора оптической линии связи.

Для скоростной оптической линии связи между любыми точками поверхности Земли необходимо, чтобы оптический сигнал передавался на большие расстояния практически без задержки времени. Для такой оптической линии связи можно использовать ретрансляционный спутник, изображенный на фигуре 1, на борту которого находятся как минимум два оптических приемопередатчика, связанные между собой оптическим усилителем сигналов. Для ретрансляционной связи необходима одновременная связь спутника-ретранслятора с двумя спутниками связи. С помощью разворотов спутника нельзя одновременно навести его на два объекта связи, поэтому каждый приемопередатчик оснащается оптическим сканирующим узлом. Для того, чтобы не маневрировать спутником-ретранслятором в процессе передачи оптического сигнала, сканирующий узел должен сканировать все окружающее пространство, как по азимутальному углу, так и по углу места.

Для точного наведения каждого сканирующего устройства на объект связи - спутник, необходимо знать свои координаты и координаты других объектов связи - спутников, для чего используется узел ориентации. В соответствии с полученными от узла ориентации координатами сканирующие устройства наводят оптические оси приемопередатчиков на разные спутники. При таком алгоритме работы задержка сигнала оптической линии связи сводится к минимуму. Если спутник-ретранслятор оптической линии связи вывести на геостационарную орбиту, то необходимость во взаимном поиске спутников связи отпадает, т.к. координаты геостационарного спутника априори известны. Если спутник-ретранслятор используется для связи с определенным центром на поверхности Земли, то достаточно навести один его приемопередатчик на координаты центра без использования соответствующего сканирующего устройства.

Авторами предлагается спутник-ретранслятор оптической линии связи (FSO связи), состоящий из двух приемопередатчиков оптической связи, связанных между собой усилителем оптического сигнала, при этом один оптический приемопередатчик оснащен оптическим сканером окружающего пространства, а для работы всех узлов спутник оснащен энергетическим блоком.

Работа спутника-ретранслятора оптической линии связи поясняется фиг. 1 и заключается в следующем - спутник-ретранслятор оптической линии связи 1 находится на геостационарной орбите и постоянно одним приемопередатчиком оптической связи 2 наведен на летательный аппарат 6, который находится над определенным наземным или надводным пунктом связи 7 и связан с ним любой линией связи. Далее, зная координаты второго летательного аппарата 8, который находится над определенным наземным или надводным пунктом связи 9 и связан с ним любой линией связи, спутник-ретранслятор оптического сигнала 1 с помощью оптического сканера окружающего пространства 4 наводит оптическую ось приемопередатчика 3 на летательный аппарат 8, который, в свою очередь, зная координаты геостационарного спутника 1, всегда готов к приему информации от него. Далее со спутника 1 на наземные пункты связи поступает сигнал об установлении канала связи. Как только связь будет установлена летательные аппараты 6 и 8 смогут по оптическому каналу связи передавать информацию без задержки между двумя пунктами связи на поверхности Земли. При распространении оптического сигнала через космическое пространство на большое расстояние его мощность может упасть в миллионы раз, поэтому между приемопередатчиками 2 и 3 спутника-ретранслятора 1 устанавливается усилитель оптического сигнала 5. Оптические усилители, например DTL-5300 [сайт http://www.xptv.ru/down/pdf/dtl5300.pdf], позволяют работать с входным сигналом от -30 дБм, что соответствует мощности 1 мкВт, и выходным сигналом +36 дБм, что соответствует мощности 3,96 Вт (усилитель DTL-5400 [сайт http://www.xptv.ru/down/pdf/dtl5400.pdf]). Это говорит о том, что спутник-ретранслятор может располагаться на большом расстоянии от Земли и быть геостационарным. Для обеспечения работоспособности узлов спутника-ретранслятора 1 он оснащен энергетическим блоком, содержащим солнечные батареи и аккумуляторы.

Желательно, чтобы спутник-ретранслятор оптической линии связи 1 и оба летательных аппарата 6 и 8 постоянно поддерживали линию связи. Это не всегда возможно, поэтому целесообразно на спутник-ретранслятор оптической линии связи 1 дополнительно установить радиоканал связи, например, УКВ приемопередатчик связи с летательными аппаратами, по которому осуществлять передачу информации о координатах летательных аппаратов 6 и 8, а также информацию о необходимости формирования линии связи.

Так как спутник-ретранслятор оптической линии связи 1 может иметь связь с несколькими летательными аппаратами 6 разных центров связи 7, то целесообразно дополнительно установить перед приемопередатчиком оптической связи 2 дополнительный оптический сканер окружающего пространства.

Если спутник-ретранслятор оптической линии связи не выводится на геостационарную орбиту, то он должен быть оснащен блоком ориентации, радиоканалом связи, вторым оптическим сканирующим устройством. При этом, чтобы в режиме реального времени охватить всю поверхность Земли, необходимо выводить в космос уже группировку спутников, при этом, чем ниже их высота орбиты, тем количество спутников больше.

При ретрансляционной передаче оптического сигнала с использованием оптических усилителей может произойти уширение (размытие) импульсов полезной информации как при прохождении импульсов оптического сигнала через атмосферу, так и из-за набега разности оптического пути в многомодовом волокне и на оптике приемопередатчиков. Это приводит к ограничению скорости передачи информации, особенно при передаче сигнала через атмосферу. Для предотвращения этих явлений на некоторые спутники-ретрансляторы можно установить бортовой компьютер, с помощью которого провести анализ качества пришедшего на приемник цифрового сигнала, при необходимости «почистить» (отфильтровать) его и передать качественный цифровой сигнал на лазерный диод, работающий на длине волны приемопередатчиков. Излучение лазерного диода распространяется по оптическому волокну и интегрируется с оптическим волокном оптического усилителя на его конечном участке - перед выходом на апертуру передатчика. При этом необходимо отключить лазерные диоды накачки оптического усилителя, чтобы неотфильтрованный оптический сигнал не распространялся далее по ретрансляционной сети связи.

В процессе разворота зеркал оптической сканирующей системы может происходить взаимный обратный разворот всего спутника, согласно закону сохранения импульса. Если сканирующая система позволяет обозревать все окружающее пространство, то небольшие вращения спутника не вносят существенных ошибок во взаимное наведение спутников-ретрансляторов друг на друга. Если вращение спутника превышает 1°/с, то необходима его стабилизация, которую осуществляют с помощью инерционных двигателей, работающих по трем координатам.

В процессе обращения вокруг Земли орбита спутника может изменяться и понижаться. Для коррекции орбиты спутника-ретранслятора FSO можно использовать двигательную установку.

Для связи спутника-ретранслятора оптической линии связи, который находится на геостационарной орбите, необходимо, чтобы оптическая ось приемопередатчика летательного аппарата при помощи оптического сканирующего устройства с высокой точностью сводилась с оптической осью приемопередатчика спутника-ретранслятора. Обычно точность сведения осей не должна быть хуже 10 угловых секунд. Для этого достаточно использовать оптический маяк, расположенный на корпусе спутника-ретранслятора оптической линии связи, который передает в направлении летательного аппарата модулированный оптический сигнал на длине волны отличной от длины волны оптической связи. Летательный аппарат принимает оптический сигнал маяка, его машинный алгоритм анализирует точность взаимного наведения оптических осей приемопередатчиков спутников, на основании чего принимается решение о корректировке работы сканирующего устройства летательного аппарата.

При этом на самом спутнике-ретрансляторе оптической линии связи должен стоять приемники излучения маяков летательных аппаратов, связанные с бортовым компьютером, машинный алгоритм которого анализирует точность взаимного наведения оптических осей приемопередатчиков узлов связи, на основании чего принимается решение о корректировке работы сканирующих устройств.

Изобретение относится к системам передачи оптического или инфракрасного сигнала через свободные пространства и может использоваться для формирования высокоскоростных FSO (Free Space Optical) линий связи как в атмосфере, так и в космическом пространстве. Технический результат состоит в повышении точности взаимного наведения оптических осей приемопередатчиков узлов связи, на основании чего принимается решение о корректировке работы сканирующих устройств. Для этого предлагается спутник-ретранслятор оптической линии связи, состоящий из двух приемопередатчиков оптической связи, связанных между собой усилителем оптического сигнала, при этом оптические приемопередатчики оснащены оптическими сканерами окружающего пространства, а для работы всех узлов спутник оснащен энергетическим блоком и узлом навигации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Спутник-ретранслятор оптической линии связи, содержащий энергетический блок, двигательную установку и инерционные двигатели, работающие по трем координатам, отличающийся тем, что на борту спутника-ретранслятора, расположенного на орбите, находятся как минимум два приемопередатчика оптической связи, связанные между собой усилителем оптического сигнала, один из которых оснащен сканирующим узлом, для сканирования окружающего пространства как по азимутальному углу, так и по углу места, при этом один приемопередатчик оптической связи с помощью сканирующего узла наведен на летательный аппарат, который находится над определенным наземным или надводным пунктом связи и связан с ним линией связи, а второй приемопередатчик наведен на второй летательный аппарат, который, зная координаты геостационарного спутника-ретранслятора, готов к приему информации от него, при этом первый и второй летательные аппараты выполнены с возможностью по оптическому каналу связи передавать информацию без задержки между двумя пунктами связи на поверхности Земли, стабилизацию положения спутника-ретранслятора, расположенного на геостационарной орбите, осуществляют с помощью инерционных двигателей, работающих по трем координатам, при этом для точного наведения приемопередатчиков устройства на объекте связи используют блок ориентации.

2. Спутник-ретранслятор оптической линии связи по п.1, отличающийся тем, что орбита, на которой расположен спутник-ретранслятор, является геостационарной.

3. Спутник-ретранслятор оптической линии связи по п.1, отличающийся тем, что второй приемопередатчик оптической связи оснащен оптическим сканером окружающего пространства.

4. Спутник-ретранслятор оптической линии связи по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит радиоканал связи.