СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ И СВЯЗИ Российский патент 2021 года по МПК H04B7/00 

Предполагаемое изобретение относится к области радиосвязи с применением спутников-ретрансляторов (СР) на высокоэллиптических и геостационарной орбитах и предназначено для преимущественного использования в космических системах ретрансляции (КСР) и связи, абонентами которых являются земные и космические станции, в том числе работающие в общем диапазоне волн.

Известен способ построения космической системы ретрансляции и связи на базе геостационарных спутников Inmarsat-4 (США. Совместный продукт компаний Inmarsat и AVI – спутниковая система ретрансляции данных – выходит из тени после многомесячных секретных испытаний в космосе // «Ракетная и космическая техника». 2017. № 8-9, с.15–18). Суть данного способа заключается в том, что спутники Inmarsat-4, оснащенные крупногабаритной многолучевой антенной L-диапазона с апертурой 9 х 12 м и обеспечивающие персональную подвижную связь с низкоэнергетическими земными абонентами типа «телефонная трубка» со всенаправленными антеннами (Копик А. Самый тяжелый коммерческий спутник связи // Новости космонавтики. 2005. № 5, с.8–10) дополнительно будут привлекаться для управления низкоэнергетическими космическими абонентами на низких околоземных орбитах. К таким абонентам относятся объекты ракетно-космической техники, на которых конструктивно не могут быть реализованы направленные антенны (ракеты-носители, разгонные блоки), а также потерявшие ориентацию низкоорбитальные космические аппараты, чья командно-измерительная система переключается в нештатных ситуациях на работу через всенаправленные антенны.

Существующие в настоящее время спутники персональной подвижной связи, аналогичные спутнику Inmarsat-4 (Thuraya, Garuda, AlphaSat-I-XL, TerreStar и др.) с антеннами диаметром свыше 12 м, также обладают возможностью обслуживать низкоэнергетических космических абонентов. В то же время на эксплуатируемых в настоящее время спутниках-ретрансляторах специализированных космических систем ретрансляции (TDRSS, SDS, «Луч» и др.) для связи с космическими абонентами задействуются антенны диаметром от 3 до 4,5 м, поэтому использование для этой цели спутников типа Inmarsat-4 с диаметром антенны более 12 м позволяет на порядок повысить энергопотенциал (и, соответственно, пропускную способность) линий связи с космическими абонентами или, с другой стороны, на такую же величину уменьшить мощность бортовых передатчиков космических абонентов.

Недостаток рассмотренного способа применительно к территории России заключается в том, что связь с геостационарными спутниками на ней возможна при относительно низких углах возвышения (не более 30°), что приводит к большим потерям сигнала при их распространении через земную атмосферу и через районы возникновения атмосферных осадков. Кроме того, при низких углах возвышения увеличивается вероятность блокирования сигнала природными возвышенностями, строениями, возрастает поглощение сигнала листвой деревьев и др. Наконец, в поле зрения геостационарных спутников не попадают арктические районы, что также имеет для России немаловажное значение.

Устранение перечисленных недостатков спутников связи на геостационарной орбите (ГСО) может быть обеспечено путем использования спутников на наклонных высокоэллиптических орбитах (ВЭО), например, типа «Молния», первенство в освоении которых принадлежит нашей стране. Спутник на такой орбите с апогеем в Северном полушарии способен охватить всю территорию России, обеспечивая связь с любыми пунктами страны посредством одной единственной ретрансляции через спутник. При использовании геостационарных спутников это невозможно, поскольку для охвата всей территории России требуются, как минимум, два таких спутника. При этом связь через спутник на ВЭО может осуществляться при углах возвышения не ниже 40° (вплоть до зенитных углов), что существенно снижает указанные выше проблемы при распространении радиосигнала.

Известен способ построения КСР, предназначенной для связи с низкоэнергетическими земными и космическими абонентами, на базе геосинхронных СР, обращающихся по ВЭО с разнесенными на 120° долготами восходящих узлов, и оснащенных крупногабаритными многолучевыми антеннами (Патент РФ № 2366086), который выбран в качестве прототипа. Для обеспечения непрерывной связи на территории России такая космическая система должна включать 3 последовательно сменяющих друг друга СР, длительность активного участка работы которых составляет не более одной трети периода обращения по орбите (для суточных орбит). Поскольку обслуживание космических абонентов может осуществляться в любой точке околоземного пространства на высотах до порядка 20 тыс. км, а СР на ВЭО в некоторые периоды времени могут находиться вне зоны видимости центральных земных станций управления и связи на территории России, то в указанной системе посредством межспутниковых радиолиний поддерживается связь СР, находящегося в зоне радиовидимости центральных земных станций с остальными СР, находящимися вне указанной зоны.

Недостатком данной системы является то, что, во-первых, вследствие высокой динамики взаимного перемещения СР на ВЭО пространственное положение межспутниковых радиолиний изменяется в очень широких пределах, и это предъявляет высокие требования к сектору обзора антенн для межспутниковой связи, которые конструктивно трудно реализовать. Во-вторых, в определенные моменты времени происходит нарушение работы межспутниковых линий из-за их затмения Землей или прилегающим атмосферным слоем.

Для заявленного способа выявлены следующие общие существенные признаки: Способ построения космической системы ретрансляции и связи, в котором информационный обмен между низкоэнергетическими земными и космическими абонентами и центральными земными станциями осуществляют через спутники-ретрансляторы на высокоэллиптических орбитах, содержащие многолучевые антенны и связанные с ними ретрансляторы.

Технической проблемой предполагаемого изобретения является разработка способа построения космической системы ретрансляции и связи, обеспечивающего уменьшение секторов обзора антенн для межспутниковой связи и возможность непрерывного функционирования линий межспутниковой связи.

Указанная проблема решается тем, что в состав орбитальной группировки указанной космической системы ретрансляции и связи вводят, как минимум, два СР на ГСО, угловое разнесение между которыми устанавливают близким к 180°, каждый СР на ГСО оснащают перенацеливаемыми антеннами радиочастотного или оптического диапазона и связанными с ними ретрансляторами, при помощи которых осуществляют информационный обмен с высокоэнергетическими космическими абонентами, СР на ВЭО и ГСО оснащают перенацеливаемыми антеннами и связанными с ними ретрансляторами для связи между СР на ВЭО и ГСО, при помощи которых осуществляют информационный обмен между низкоэнергетическими космическими и земными абонентами и центральными земными станциями в период нахождения СР на ВЭО вне зоны видимости центральных земных станций, на всех СР осуществляют текущий контроль пространственного положения линий связи между СР на ВЭО и ГСО, выбирают указанную линию связи с наименьшей протяженностью и исключают информационный обмен по ней в период ее затмения Землей или прилегающим атмосферным слоем.

Предполагаемое изобретение поясняется рисунком, иллюстрирующим один из вариантов построения системы ретрансляции и связи, реализующей предлагаемый способ.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1, 2, 3 – спутники-ретрансляторы на суточных ВЭО;

4 – Земля;

5 – суточная ВЭО;

6 – многолучевая приемопередающая антенна;

7 – ГСО;

8, 9 – спутники-ретрансляторы на ГСО;

10 – перенацеливаемая приемопередающая антенна;

11 – зона многолучевого покрытия;

12 – зона отдельного луча многолучевой антенны;

13 – луч многолучевой антенны;

14 – коническая поверхность, ограничивающая область формирования многолучевого покрытия;

15 –абонентские земные станции;

16 – центральные земные станции;

17 – космические абоненты на околоземных орбитах;

18 – околоземная орбита;

19 – космические абоненты, стартующие с поверхности Земли;

20 – антенна магистральной межспутниковой связи;

21 – линия магистральной межспутниковой связи;

22 – линия абонентской межспутниковой связи.

В соответствии с фиг.1, космическая система ретрансляции и связи включает в себя спутники-ретрансляторы 1, 2 и 3 (далее – высокоэллиптические СР), обращающиеся, в качестве примера, вокруг Земли 4 по суточным ВЭО 5 с разнесенными на 120^о долготами восходящих узлов, оснащенные крупногабаритными многолучевыми приемопередающими антеннами 6 L или S диапазона и связанными с ними ретрансляторами. Кроме них вокруг Земли 4 по ГСО 7 обращаются как минимум два спутника-ретранслятора 8 и 9 (далее – геостационарные СР), угловое разнесение между которыми близко к 180^о, оснащенные перенацеливаемыми приемопередающими антеннами 10 радиочастотного (от Ка и выше) или оптического диапазона и связанными с ними ретрансляторами. СР 1 находится над территорией России, и антенна 6 формирует на поверхности Земли 4 зону многолучевого покрытия 11, в которой зоны 12 лучей 13 (для простоты на фиг.1 показан только один луч) заполняют собой всю указанную зону 11. Область формирования зоны 11 ограничена конической поверхностью 14, минимальный угловой размер которой определяется размерами зоны 11, видимой с СР 1 в момент нахождения СР 1 над центром этой зоны. В зависимости от назначения космической системы ретрансляции и связи зона 11 может охватывать как территорию России, так и всю видимую с СР поверхность Земли 4, ограниченную рабочими углами возвышения обслуживаемых абонентских земных станций 15, именуемых в дальнейшем земными абонентами, и центральных земных станций 16. Размещение указанных земных станций в зоне 11 для удобства показано на фиг.1 отдельно укрупненным планом.

Поскольку СР 1 также осуществляет информационный обмен с находящимися в поле его зрения космическими абонентами 17, обращающимися по низким околоземным орбитам 18, или космическими абонентами 19, стартующими с поверхности Земли 4, то размер конической поверхности 14, а значит и количество лучей 13 антенны 6 будет определяться требованиями по пространственному охвату космических абонентов 17 и 19.

При нахождении на активном участке ВЭО 5 СР 1 обеспечивает информационный обмен низкоэнергетических земных 15 и космических 17 и 19 абонентов с центральной земной станцией 16 на территории России. Аналогичные СР 1 высокоэллиптические спутники-ретрансляторы 2 и 3 в рассматриваемый период находятся вне видимости с территории России, поэтому принимаемая высокоэллиптическими СР 2 и 3 от упомянутых земных и космических абонентов информация ретранслируется через антенны 20 по магистральной линии межспутниковой связи 21 на ближайший геостационарный СР (на фиг.1 это соответственно геостационарные СР 8 и 9) для последующей передачи на одну из центральных земных станций 16 (линии связи всех СР с центральными земными станциями не показаны).

Обращающиеся по низким околоземным орбитами 18 космические абоненты 17 по своему целевому назначению могут быть как низко-, так и высокоэнергетическими, требующими для информационного обмена с ними соответственно каналов с низкой пропускной способностью порядка единиц – десятков килобит в секунду (L или S диапазона) и с высокой пропускной способностью порядка сотен мегабит в секунду и выше (Ка или оптического диапазона). Низкоэнергетические космические абоненты в рассматриваемой системе обслуживаются высокоэллиптическими СР 1 – 3 через многолучевые антенны 6, а высокоэнергетические – геостационарными СР 8 и 9 через перенацеливаемые однолучевые антенны 10 по абонентским линиям межспутниковой связи 22. Как показано в патенте РФ № 2412547, двух геостационарных СР с угловым разнесением между ними около 180° вполне достаточно для обслуживания существующих высокоэнергетических космических абонентов (преимущественно космических аппаратов дистанционного зондирования Земли) в любой точке их орбит высотой от 300 до 800 км (Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.: Техносфера. 2010. 560 с., с.546).

В процессе взаимного перемещения высокоэллиптических СР 1 – 3 и геостационарных СР 8, 9 будет происходить изменение пространственного положения и протяженности магистральных линий межспутниковой связи 21. В определенные моменты времени линии 21 могут затмеваться Землей 4 и прилегающим атмосферным слоем, что приведет к нарушению их работы. Наличие в космической системе ретрансляции и связи двух геостационарных СР предоставляет каждому из высокоэллиптических СР 1 – 3 принципиальную возможность для выбора линии связи 21 с геостационарными СР 8, 9 с направлением, гарантирующем отсутствие ее затмения Землей 4 в процессе сеанса связи с конкретным космическим абонентом, а также с направлением, обеспечивающим наименьшую протяженность указанной линии связи.

Этот контроль может осуществляться бортовыми комплексами управления всех спутников-ретрансляторов посредством реализуемого в существующих системах автоматизированного управления космическими аппаратами измерения их текущих навигационных параметров (Чеботарев В.Е., Косенко В.Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения: учеб. пособие. Красноярск, Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. 2011. 488 с., с.166 – 171).

Возложение на геостационарные СР, помимо обеспечения ретрансляции с высокоэллиптических СР информации от низкоэнергетических космических абонентов, задачи по ретрансляции информации от высокоэнергетических космических абонентов позволяет сосредоточить в рамках одной космической системы ретрансляции и связи функции информационного обмена со всеми видами космических абонентов, что характерно для всех «классических» КСР.

Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает уменьшение секторов обзора антенн для магистральной межспутниковой связи между высокоэллиптическими и геостационарными спутниками-ретрансляторами, непрерывное функционирование линий магистральной межспутниковой связи и снижение энергетических затрат при передаче информации по указанным линиям.

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

Изобретение относится к области радиосвязи с применением спутников-ретрансляторов на высокоэллиптических и геостационарной орбитах и предназначено для преимущественного использования в космических системах ретрансляции и связи. Технический результат состоит в разработке способа построения космической системы ретрансляции и связи, обеспечивающего уменьшение секторов обзора антенн для межспутниковой связи и возможность непрерывного функционирования линий межспутниковой связи. Для этого в состав орбитальной группировки космической системы ретрансляции и связи вводят как минимум два спутника-ретранслятора на геостационарной орбите, угловое разнесение между которыми устанавливают близким к 180°, каждый из этих спутников-ретрансляторов оснащают перенацеливаемыми антеннами радиочастотного или оптического диапазона и связанными с ними ретрансляторами, обеспечивающими высокоскоростной информационный обмен с космическими абонентами, спутник-ретрансляторы на высокоэллиптических и геостационарной орбитах оснащают перенацеливаемыми антеннами и связанными с ними ретрансляторами для связи между спутниками-ретрансляторами на высокоэллиптических орбитах и спутниками-ретрансляторами на геостационарной орбите, обеспечивающими низкоскоростной информационный обмен между космическими и земными абонентами и центральными земными станциями в период нахождения спутников-ретрансляторов на высокоэллиптических орбитах вне зоны видимости центральных земных станций, на всех спутниках-ретрансляторах осуществляют текущий контроль пространственного положения линий связи между ними, выбирают указанную линию связи с наименьшей протяженностью и исключают информационный обмен по ней в период ее затмения Землей или прилегающим атмосферным слоем. 1 ил.

Способ построения космической системы ретрансляции и связи, в котором информационный обмен между низкоэнергетическими земными и космическими абонентами и центральными земными станциями осуществляют через спутники-ретрансляторы на высокоэллиптических орбитах, содержащие многолучевые антенны, отличающийся тем, что в состав орбитальной группировки указанной космической системы ретрансляции и связи вводят, как минимум, два спутника-ретранслятора на геостационарной орбите, угловое разнесение между которыми устанавливают близким к 180°, каждый спутник-ретранслятор на геостационарной орбите оснащают перенацеливаемыми антеннами радиочастотного или оптического диапазона, при помощи которых осуществляют информационный обмен с высокоэнергетическими космическими абонентами, спутники-ретрансляторы на высокоэллиптической и геостационарной орбите оснащают перенацеливаемыми антеннами для связи между спутниками-ретрансляторами на высокоэллиптической и геостационарной орбитах, при помощи которых осуществляют информационный обмен между низкоэнергетическими космическими и земными абонентами и центральными земными станциями в период нахождения спутников-ретрансляторов на высокоэллиптической орбите вне зоны видимости центральных земных станций, на всех спутниках-ретрансляторах осуществляют текущий контроль пространственного положения линий связи между спутниками-ретрансляторами на высокоэллиптической и геостационарной орбитах, выбирают указанную линию связи с наименьшей протяженностью и исключают информационный обмен по ней в период ее затмения Землей или прилегающим атмосферным слоем.