Автономная док-станция спутниковой передачи данных Российский патент 2021 года по МПК H04L12/12 H04B7/185 

Группа изобретений относится к устройствам автономной спутниковой передачи данных и может быть применена для получения данных с удаленных объектов различных отраслей промышленности, а также среды, требующей постоянного контроля ситуации в труднодоступных локациях.

Известен широкополосный трансивер и способ передачи данных с его использованием, при этом трансивер содержит модуль беспроводной связи, включающий цифро-аналоговый преобразователь, а способ заключается в генерации цифрового сигнала основной полосы частот и излучении этого сигнала [US2020244350A1, дата публикации: 30.07.2020 г., МПК: H04B7 / 185; H04L1 / 00; H04L27 / 26].

Недостатком известного технического решения является его ограниченные функционал и область применения, которые обеспечивают его использование только в обслуживаемой среде и не подразумевают его эксплуатацию на удаленных объектах.

Известен передатчик и способ передачи данных движения на удаленное электронное устройство с его помощью, при этом передатчик содержит интерфейс для питания от бортовой сети транспортного средства и получения данных от его датчиков, и модуль беспроводной связи, а способ заключается в получении данных через интерфейс, и их отправку модулем беспроводной связи на внешние электронные устройства с использованием рабочих частот в диапазоне от 2,5 до 6 ГГц [US9235937B1, дата публикации: 12.01.2016 г., МПК: G07C 5/00].

Преимуществом известного технического решения является его более широкие функционал и область применения, которые заключаются в возможности обмена данными, получаемыми из движущегося транспорта за счет применения в устройстве интерфейса, считывающего показания с датчиков. Однако недостатком прототипа по-прежнему остается его недостаточно широкие функциональные возможности, поскольку при имеющемся интерфейсе не обеспечивается полная автономная работа устройства на протяжении длительного или всего срока эксплуатации, поскольку его энергоснабжение зависит от эксплуатируемого транспортного средства.

В качестве прототипа выбрана автономная док-станция сотовой передачи данных и способ обмена данными между док-станцией и удаленными электронными устройствами, при этом док-станция содержит устройство получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии, представленного в виде солнечной панели, к которой подключен суперконденсатор, модуль беспроводной сотовой связи, и средство подключения источника данных, при этом модуль беспроводной сотовой связи содержит контроллер, а способ заключается в получении данных от источника данных через средство подключения источника данных, его передачу на контроллер модуля беспроводной сотовой связи, который формирует радиочастотный сигнал частотой от 890 до 915 МГц и от 935 до 960 МГц, и передает его в модуль беспроводной связи с использованием энергии суперконденсатора [WO2014136071A1, дата публикации: 12.09.2014 г., МПК: G01F23 / 26; H04L 12 / 12].

Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является возможность полной автономной работы устройства на протяжении всего срока эксплуатации без необходимости привлечения обслуживающего персонала за счет солнечных панелей, которые при этом подключены к суперконденсатору. Суперконденсатор выступает одновременно в качестве аккумуляторной батареи и дополнительно повышает эффективность накопления электрической энергии из возобновляемых источников, позволяет создать необходимую величину электрического импульса для передачи данных и существенно увеличивает надежность устройства за счет отсутствия необходимости в обслуживании суперконденсатора на протяжении всего срока эксплуатации устройства.

Однако недостатком прототипа является недостаточно высокое качество передачи данных док-станцией на удаленные электронные устройства, что обусловлено тем, что для этого используется диапазон частот сотовой связи. Обмен данными в этом диапазоне не всегда отличается высокой эффективностью и зачастую дает сбои, которые вызваны большими расстояниями между вышками сотовой связи, значительными перепадами в рельефе местности, а также высокой занятостью этого частотного диапазона сторонними электронными устройствами, что при использовании устройства в отдаленных районах или в низинах местности в существенной степени ухудшает эксплуатационные характеристики автономной док-станции сотовой передачи данных.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик автономной док-станции спутниковой передачи данных.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении качества передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции спутниковой передачи данных.

Дополнительный технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении скорости передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции спутниковой передачи данных.

Дополнительный технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в улучшении массогабаритных характеристик автономной док-станции спутниковой передачи данных.

Сущность первого изобретения заключается в следующем.

Применение в автономной док-станции спутниковой передачи данных контроллера, выполненного с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, для передачи информации модулем беспроводной связи док-станции на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

Сущность второго изобретения заключается в следующем.

Автономная док-станция спутниковой передачи данных содержит электрически соединенные средство подключения источника данных, устройство получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии, суперконденсатор, модуль беспроводной связи, контроллер управления, выполненный с возможностью формирования радиочастотного сигнала, и контроллер заряда суперконденсатора, подключенный к суперконденсатору и контроллеру управления, при этом модуль беспроводной связи выполнен с возможностью излучения полученного радиочастотного сигнала. В отличие от прототипа контроллер выполнен с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, а модуль беспроводной связи выполнен с возможностью излучения полученного радиочастотного сигнала в этом диапазоне на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

Сущность третьего изобретения заключается в следующем.

Способ обеспечения спутниковой передачи данных посредством автономной док-станции включает получение данных от источника данных через средство подключения источника данных, его передачу через контроллер, который формирует радиочастотный сигнал, после чего модулем беспроводной связи посредством использования электрической энергии, накопленной в суперконденсаторе, осуществляется излучение полученного от контроллера радиочастотного сигнала. В отличие от прототипа контроллер формирует радиочастотный сигнал V-диапазона, а модуль беспроводной связи излучает радиочастотный сигнал в этом диапазоне на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

Автономная док-станция спутниковой передачи данных обеспечивает возможность вариативной установки необходимых источников данных для получения различного рода информации с удаленных от муниципальных центров регионов и областей, и их передачи с использованием ретранслятора низкоорбитального спутника. В качестве источников данных могут быть представлены съемные датчики, среди которых могут быть датчики контроля климатических условий, состояния земной поверхности, датчики контроля технического состояния технологического оборудования, величины концентрации газов, геолокации, видео-камеры и пр. Также в качестве источников данных могут выступать устройства получения графических данных, представленных видеокамерами, а также устройства беспроводной передачи данных, что позволяет посредством док-станции осуществлять передачу данных от других устройств.

Автономную работу док-станции спутниковой связи обеспечивает устройство получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии, который в зависимости от места установки док-станции может использовать энергию солнца, воды или ветра. Это устройство может быть представлено в виде элемента, взаимодействующего с источником возобновляемой энергии, и элемента, преобразующего полученную от источника энергию в электрическую. Например, устройство может быть представлено в виде лопасти или лопаточного колеса и генератора, либо в виде фотоэлектрической панели. Также автономная работа док станции может обеспечиваться за счет устройств, являющихся источниками электрической энергии, например, за счет линии электропередач или трансформаторной подстанции, на которой может быть установлена док-станция. Для подключения к таким устройствам док-станция может быть снабжена специализированным интерфейсом.

Суперконденсатор обеспечивает необходимую величину электрического импульса для передачи данных модулем беспроводной передачи данных, а также надежную автономную работу док-станции спутниковой связи и позволяет исключить необходимость обслуживания устройства на протяжении всего срока службы док-станции. Суперконденсатор обладает малой деградацией даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда, а его конструкция не только препятствует перегреву и разрушению, но и имеет малую зависимость от состояния окружающей среды. Суперконденсатор преимущественно подключен параллельно с устройством получения электрической энергии и подключен к контроллеру. Также применение суперконденсатора позволяет улучшить массогабаритные характеристики док-станции спутниковой передачи данных и обеспечивать ее установку в труднодоступных местах, к примеру на малогабаритном технологическом оборудовании. Док-станция содержит контроллер заряда, обеспечивающий возможность передачи энергии от устройства получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии в суперконденсатор и перераспределение электрической энергии суперконденсатора к потребителям электрической энергии устройства.

Средство электрического подключения источника данных обеспечивает возможность электрического соединения источника данных с контроллером модуля беспроводной связи. Средство электрического подключения источника данных может быть расположено на корпусе устройства и может быть представлено в виде электрического разъема, розетки, электрического соединителя с проводом и пр.

Контроллер обеспечивает преобразование данных, полученных от средства электрического подключения источника данных, в цифровой сигнал, для чего используется необходимое количество электрической энергии от суперконденсатора. Для этого им может быть использован способ импульсно-кодовой модуляции. Наиболее распространёнными видами модуляции являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. На основании имеющихся данных, а также загруженных в контроллер настроек формируется радиочастотный сигнал V-диапазона.

Радиочастотный сигнал V-диапазона позволяет осуществлять обмен данными на частотах от 40 до 75 ГГц с длиной волны от 4 до 7,5 мм через ретрансляторы низкоорбитальных спутников, большинство которых, как известно, осуществляют прием информации по восходящему каналу на частотах от 40 до 50 ГГц, поэтому такая частота для передачи информации контроллером является наиболее предпочтительной. Это позволяет за счет пакетной коммутации, т. е. с демодуляцией и декодированием сигнала на борту спутника и последующим применением регенеративных схем ретрансляции, восстановить сигнал до исходного потока данных, а затем вновь преобразовать в высокочастотный сигнал и осуществлять передачу информации из отдаленных районов, существенно увеличивать скорость передачи информации модулем беспроводной связи, а также качество передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции. При этом для передачи информации на удаленное электронное устройство может быть использован нисходящий канал или межспутниковый канал, функционирующий на частотах 54-58 и 59-64 ГГц.

При этом V-диапазон для передачи данных может использоваться контроллером для работы в режиме с временным разделением каналов (TDD режим) или в режиме с частотным разделением каналов (FDD режим), что позволяет исходя из объема передаваемых данных вариативно изменять полосу пропускания радиосигнала и даже при высоком объеме передаваемых данных сохранять высокую скорость их передачи через низкоорбитальный спутник. Контроллер может быть представлен одноплатным микрокомпьютером или иным средством, предназначенным для обработки данных и подключен к средству подключения источника данных, что позволяет получать данные от подключенного к док-станции источника данных. Выход контроллера подключен к контроллеру модуля беспроводной связи или напрямую к приемопередающей антенне.

Дополнительно контроллер может быть выполнен с возможностью преобразования пакетов данных для обмена ими с низкоорбитальными спутниками на частоте передачи радиосигнала в диапазоне от 312 до 315 МГц и на частоте получения радиосигнала в диапазоне от 387 до 390 МГц. Это позволяет однократно, в короткий период времени (15-30 мин.) осуществлять обмен данными с низкоорбитальными спутниками системы «Гонец-Д1М».

Модуль беспроводной связи обеспечивает возможность передачи радиосигнала на удаленное электронное устройство через низкоорбитальные спутники и получения радиосигнала от них. Для этого модуль беспроводной связи содержит контроллер беспроводной связи и приемопередающую антенну, подключенную к контроллеру.

Дополнительно модуль беспроводной связи может содержать приемопередатчик GSM, а также приемопередатчики ГЛОНАСС и GPS, подключенные к суперконденсатору и/или к устройству получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии. Также модуль беспроводной связи может содержать приемопередатчики Wi-Fi или Bluetooth, которые позволяют получать данные по каналу беспроводной связи от удаленных устройств и ретранслировать их через канал спутниковой связи V-диапазона.

Автономная док-станция может содержать корпус, который может содержать средства крепления док-станции на опору. При этом корпус может быть выполнен влагозащищенным и иметь элементы для установки источника данных, представленные вырезами, выемками или углублениями, которые расположены таким образом, чтобы при установке источника данных обеспечивался надёжный контакт со средством электрического подключения. Также на дне корпуса может быть установлен влагопоглотитель. При этом корпус может иметь фиксаторы для неподвижного закрепления источника данных в корпусе. Также не исключена возможность размещения средства подключения источника данных на модуле беспроводной передачи данных в случае, когда компоненты док-станции расположены обособленно друг от друга.

Электрическое подключение компонентов преимущественно представлено в виде проводов или кабелей или контактных дорожек в случае монтажа компонентов на печатной плате, либо может быть представлено в виде проводов или кабелей в случае установки компонентов в разные корпусы и для соединения элементов, обеспечивающих питание устройства. При этом для обмена данными между компонентами устройства могут быть использованы любые известные устройства беспроводной передачи данных.

Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что контроллер формирует радиочастотный сигнал V-диапазона, а модуль беспроводной связи излучает радиочастотный сигнал в этом диапазоне на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитальныого спутника. За счет этого автономной док-станцией, находящейся на большом удалении от населенных пунктов, посредством коротковолнового высокочастотного диапазона осуществляется высокоскоростная передача радиочастотного сигнала, содержащего закодированные данные, через ретранслятор низкоорбитального спутника.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении качества передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции спутниковой передачи данных, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики автономной док-станции спутниковой передачи данных.

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известна передача данных от источника данных с использованием длинноволнового и GSM-диапазонов. Из уровня техники также известно формирование радиочастотного сигнала V-диапазона, который используется для передачи информации на небольшие расстояния с высокой скоростью в городской среде.

Однако из уровня техники не известна автономная док-станция спутниковой передачи данных, которая ввиду особенности своей эксплуатации обеспечивала бы возможность высокоскоростной передачи информации от источника данных, собранных в местах полного отсутствия возможности размещения технических средств для ретрансляции данных на удаленное электронное устройство.

Применение модуля беспроводной связи с контроллером, выполненным с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, позволяет передавать данные через ретранслятор низкоорбитального спутника и таким образом достичь неочевидного и неизвестного эффекта, заключающегося в обеспечении высокоскоростной передачи данных от источника данных (датчика), установленного в док-станции, расположенной на большом удалении от муниципальных центров, на удаленное электронное устройство.

Число низкоорбитальных спутников с каждым днем существенно возрастает, а зона покрытия их увеличивается. Таким образом, имея сеть низкоорбитальных спутников, передачу данных из удаленных регионов возможно осуществить на уровне высокоскоростного интернета, исключая задержки или потери пакетов данных. Группа изобретений раскрывает техническое решение, которое позволит с минимальными трудозатратами на обслуживание иметь возможность получения ценной информации из самых отдаленных и необитаемых областей, в которых не представляется и, возможно, не представится возможность установки GSM-вышек для передачи информации с помощью сотовых сетей. Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что способ спутниковой передачи данных осуществляется с использованием автономной док-станции спутниковой передачи данных, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 ─ Автономная док-станция спутниковой передачи данных от датчика влажности воздуха, устройство получения электрической энергии из источников возобновляемой энергии представлено в виде фотоэлектрической панели, изометрия.

Фиг.2 ─ Автономная док-станция спутниковой передачи данных от датчика влажности воздуха по Фиг.1, верхняя часть корпуса снята, датчик демонтирован, изометрия.

Фиг.3 ─ Автономная док-станция спутниковой передачи данных от датчиков вибрации и наклона опоры линии электропередач, устройство получения электрической энергии из источников возобновляемой энергии представлено в виде ветряного генератора, изометрия.

Фиг.4 ─ Автономная док-станция спутниковой передачи данных от датчиков вибрации и наклона опоры линии электропередач по Фиг.1 с демонтированными датчиками, изометрия.

Фиг.5 ─ Автономная док-станция спутниковой передачи данных от датчика качества воды, устройство получения электрической энергии из источников возобновляемой энергии представлено в виде водного генератора, преобразующего энергию приливов и отливов в электрическую энергию, изометрия.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Автономная док-станция спутниковой передачи данных содержит корпус 1, устройство 2 получения электрической энергии из источников возобновляемой энергии, суперконденсатор 3, контроллер заряда суперконденсатора (не показан на фигурах), , контроллер 4 управления, модуль беспроводной связи в виде спутникового модема с приемопередающей антенной 5, и интерфейсную плату 6 подключения источника данных. При этом контроллер 4 выполнен с возможностью переноса данных в частоты от 40 до 75 ГГц, с длиной радиоволны от 4 до 7,5 мм.

Устройство 2 подключено к контроллеру заряда суперконденсатора с возможностью передачи электрической энергии.

Контроллер заряда суперконденсатора подключен к суперконденсатору 3 с возможностью передачи и получения электрической энергии; подключен к контроллеру 4 управления с возможностью обмена данными; подключен к контроллеру 4 управления с возможностью передачи электрической энергии.

Контроллер 4 управления подключен к интерфейсной плате 6 с возможностью обмена данными; подключен к интерфейсной плате 6 с возможностью передачи электрической энергии.

Интерфейсная плата 6 выполнена с возможностью передачи электрической энергии на датчик 7; выполнена с возможностью получения данных от датчика 7.

Спутниковый модем подключен к контроллеру 4 с возможностью обмена данными; подключен к контроллеру 4 с возможностью получения электрической энергии; подключен к антенне 5 с возможностью передачи и получения радиочастотного сигнала в V-диапазоне частот.

Группа изобретений работает следующим образом.

К разъему интерфейсной платы 6 подключается источник данных в виде датчика 7. Датчик 7 получает питание от интерфейсных плат 6 и передают данные на них. В процессе получения данных от датчика 7 осуществляется их передача интерфейсной платой 6 в контроллер 4 управления, которым осуществляется цифровая модуляция данных и формирование радиочастотного сигнала V-диапазона. При этом за счет электрической энергии из возобновляемых источников, которая накапливается в суперконденсаторе 3, в импульсном режиме происходит передача контроллером 4 радиочастотного сигнала на передающую антенну 5 спутникового модема и далее через ретранслятор низкоорбитального спутника «СС Гонец», обеспечивающего двусторонний обмен данными между док-станцией и удаленным электронным устройством (не показано на фигурах) центра сбора и обработки информации. При этом в процессе передачи данных наблюдается устойчивый сигнал и стабильно высокая скорость передачи данных от датчика 7 на удаленное электронное устройство.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении качества передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции спутниковой передачи данных, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики автономной док-станции спутниковой передачи данных

Группа изобретений относится к устройствам автономной спутниковой передачи данных и может быть применена для получения данных с удаленных объектов различных отраслей промышленности, а также среды, требующей постоянного контроля ситуации в труднодоступных локациях. Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении качества передачи информации модулем беспроводной связи автономной док-станции спутниковой передачи данных. Сущность группы изобретений заключается в применении в автономной док-станции спутниковой передачи данных контроллера, выполненного с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, для передачи модулем беспроводной связи информации на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Применение в автономной док-станции спутниковой передачи данных контроллера, выполненного с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, для передачи информации модулем беспроводной связи док-станции на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

2. Автономная док-станция спутниковой передачи данных, содержащая электрически соединенные средство электрического подключения источника данных, устройство получения электрической энергии из источника возобновляемой энергии, суперконденсатор, модуль беспроводной связи, контроллер управления, выполненный с возможностью формирования радиочастотного сигнала, и контроллер заряда суперконденсатора, подключенный к суперконденсатору и контроллеру управления, при этом модуль беспроводной связи выполнен с возможностью излучения полученного радиочастотного сигнала, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью формирования радиочастотного сигнала V-диапазона, а модуль беспроводной связи выполнен с возможностью излучения полученного радиочастотного сигнала в этом диапазоне на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиочастотный сигнал V-диапазона имеет частоту от 40 до 75 ГГц и длину волны от 4 до 7,5 мм.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что радиочастотный сигнал имеет частоту от 40 до 50 ГГц.

5. Способ обеспечения спутниковой передачи данных посредством автономной док-станции, включающий получение данных от источника данных через средство подключения источника данных, его передачу через контроллер управления, который формирует радиочастотный сигнал, после чего модулем беспроводной связи посредством использования электрической энергии, накопленной в суперконденсаторе, осуществляется излучение полученного радиочастотного сигнала от контроллера, отличающийся тем, что контроллер формирует радиочастотный сигнал V-диапазона, а модуль беспроводной связи излучает радиочастотный сигнал в этом диапазоне на удаленное электронное устройство через ретранслятор низкоорбитального спутника.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что формируется радиочастотный сигнал частотой от 40 до 75 ГГц и длиной волны от 4 до 7,5 мм.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что информация передается контроллером по восходящему каналу на частотах от 40 до 50 ГГц.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что V-диапазон для передачи данных используется контроллером для работы в режиме с временным разделением каналов (TDD режим) или в режиме с частотным разделением каналов (FDD режим).