СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ В ДВУХУРОВНЕВОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ Российский патент 2024 года по МПК H04B7/185 

Предлагаемое изобретение относится к спутниковым системам передачи информации между низкоэнергетическими абонентскими терминалами и центральными земными станциями с использованием низкоорбитальных и высокоорбитальных (геостационарных) спутников-ретрансляторов.

Известны способы передачи информации между низкоэнергетическими абонентскими терминалами (далее абонентскими терминалами - АТ) и центральными земными станциями (ЦЗС) (Системы радиосвязи: Учебник для вузов / Под ред. Н.И. Калашникова. - М.: Радио и связь, 1988. - 352 с. [1]), в которых непосредственный информационный обмен с АТ осуществляют низкоорбитальные спутники-ретрансляторы (НСР):

1) с прямым обменом между АТ и ЦЗС, если они одновременно находятся в зоне обслуживания НСР;

2) с запоминанием на борту НСР и переносом до достижения зоны радиовидимости ЦЗС (режим электронной почты);

3) с ретрансляцией по цепи НСР;

4) с ретрансляцией через геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР).

Недостатком первого способа является то, что для обеспечения связи с большим числом АТ в пределах некоторого обширного региона потребуется достаточно большое число ЦЗС. Недостаток второго способа состоит в большом времени доставки сообщений (до нескольких периодов обращения НСР). По третьему способу ретрансляция по цепи НСР достаточно сложна, поскольку требует задействования на каждом НСР до четырех межспутниковых линий связи (с соседними НСР как в своей орбитальной плоскости, так и в соседних плоскостях), а также использования относительно сложных алгоритмов маршрутизации сообщений.

Способ с ретрансляцией через ГСР, представляющий собой использование двухуровневой спутниковой системы связи, в которой связь между АТ и ЦЗС осуществляется путем ретрансляции передаваемых от АТ сообщений через НСР и ГСР, соединенные линией межспутниковой связи, является привлекательным, например, для оперативной передачи коротких сообщений от АТ с точки зрения необходимости задействования на НСР лишь одной межспутниковой линии связи, что значительно упрощает аппаратурный состав НСР. В качестве недостатка этого варианта можно отметить то, что в [1] он изложен в концептуальном плане, и в нем отсутствуют условия, необходимые для конкретной реализации способа оперативной ретрансляции информации между АТ и ЦЗС в двухуровневой спутниковой системе и подразумевающие минимальные затраты времени для установления связи во всех звеньях данной системы.

Более детально в плане организации связи способ передачи сообщений между АТ и ЦЗС в двухуровневой спутниковой системе связи с использованием НСР и ГСР изложен в патенте США № 6023605 Dual Layer Satellite Communications System and Geostationary Satellite Therefor. Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является достаточно сложный процесс организации связи в системе, основанный на обмене через наземные линии связи служебной информацией между земной станцией управления сетью и входящими в эту сеть абонентскими терминалами и центральными земными станциями.

Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ передачи сообщений в двухуровневой спутниковой системе связи, в котором передачу сообщений от низкоэнергетических АТ на ЦЗС осуществляют путем ретрансляции указанных сообщений через НСР и ГСР, соединенные линией межспутниковой связи

Технической проблемой предлагаемого изобретения является разработка способа передачи сообщений в двухуровневой спутниковой системе связи, обеспечивающего упрощенный процесс организации связи и формирующего необходимые для этого условия в форме характеристик бортовых антенн НСР и ГСР.

Указанная проблема решается тем, что низкоорбитальные спутники-ретрансляторы располагают на круговых околоземных орбитах; каждый низкоорбитальный спутник-ретранслятор оснащают фиксированной абонентской антенной, ширину диаграммы направленности которой устанавливают равной углу, определяемому радиусом орбиты низкоорбитального спутника-ретранслятора и минимальным углом места связи абонентского терминала и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку расположения низкоорбитального спутника-ретранслятора с центром Земли; форму диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущих значений протяженности абонентской линии, поляризационных потерь в ней и коэффициента усиления антенны абонентского терминала в пределах ширины диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора и значений перечисленных параметров при совпадении направления абонентской линии с осью диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора; формируют орбитальную группировку из не менее трех равномерно расположенных на орбите геостационарных спутников-ретрансляторов; каждый геостационарный спутник-ретранслятор оснащают фиксированной межспутниковой антенной, ширину диаграммы направленности которой устанавливают равной углу, определяемому числом геостационарных спутников-ретрансляторов в орбитальной группировке, радиусами орбит низкоорбитальных и геостационарных спутников-ретрансляторов и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния геостационарного спутника-ретранслятора с центром Земли, а форму диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущего значения протяженности межспутниковой линии в пределах ширины диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора и минимального значения протяженности межспутниковой линии; каждый низкоорбитальный спутник-ретранслятор оснащают межспутниковой антенной с управляемым лучом, область обзора которой геостационарных спутников-ретрансляторов устанавливают равным углу, определяемому числом геостационарных спутников-ретрансляторов в орбитальной группировке и шириной диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора, отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, проходящей через точку расположения низкоорбитального спутника-ретранслятора и центр Земли.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1 - 3, где:

- на фиг.1 показана структура двухуровневой спутниковой системы связи, реализующей способ в соответствии с предлагаемым изобретением;

- на фиг.2 приведены геометрические построения, поясняющие определение оптимальной формы диаграммы направленности абонентской антенны НСР;

- на фиг.3 приведены геометрические построения, поясняющие определение оптимальной формы диаграммы направленности межспутниковой антенны ГСР.

Как показано на фиг.1, двухуровневая спутниковая система связи содержит: расположенный на поверхности Земли 1 АТ 2, спутник-ретранслятор 3 на низкой околоземной орбите 4, ГСР 5 и ЦЗС 6. Система также включает в себя три линии передачи информации:

• абонентскую линию 7, связывающую между собой АТ 2 и НСР 3;

• межспутниковую линию 8, связывающую между собой НСР 3 и ГСР 5;

• фидерную линию 9, связывающую ГСР 5 с ЦЗС 6.

Задачей абонентской линии 7 является предоставление абонентскому терминалу 2 по возможности беззапросного доступа к НСР 3. С этой целью АТ 2, желающий оперативно передать по готовности на ЦЗС 6 имеющуюся у него информацию (например, о возникновении нештатной ситуации на контролируемом абонентским терминалом объекте), должен быть убежден в готовности абонентской линии 7 к приему сообщения. Указанная готовность абонентской линии 7 обеспечивается в первую очередь присутствием НСР 3 в зоне радиовидимости 10 АТ 2, формируемой его антенной 11. Это присутствие подтверждается излучением с НСР 3 специального маркерного сигнала, передаваемого через абонентскую антенну 12 НСР 3, охватывающую видимую с НСР 3 зону обслуживания 13 на поверхности Земли 1, в пределах которой АТ 2 могут связываться с НСР 3 под определенным углом места, например, не менее 30°. Вторым фактором готовности абонентской линии связи является идентичность энергетических характеристик абонентской линии как в направлении НСР - АТ, так и в направлении АТ - НСР. В противном случае, к примеру, менее скоростной маркерный сигнал НСР 3 может распознаваться на АТ 2 при углах места, не подходящих для уверенной передачи с АТ 2 информации на НСР 3. Подробнее пути решения этой проблемы рассмотрены ниже при анализе формулы (18). Третьим фактором готовности абонентской линии связи является наличие свободного канала (участка полосы пропускания бортового ретранслятора) для приема сообщения от АТ 2. Подобная процедура вхождения АТ 2 в связь с НСР 3 реализована, в частности, в системе «Гонец» (Персональная спутниковая связь. Серия «Технологии электронных коммуникаций». Том 64. Под ред. А.А. Смирнова. М:, 1996, 98 с., с.45).

Проведем энергетический анализ абонентской линии 7 с целью оценки ее реализуемости. При этом анализе подразумевается, что НСР 3 обладает одноосной магнитно-гравитационной системой ориентации (подобно спутникам системы «Гонец») и стабилизирован в пространстве только вдоль оси, направленной на центр Земли.

В абонентской линии 7, характеризующейся наличием на одном конце (на АТ 2) всенаправленной приемопередающей антенны 11, а на другом конце (на НСР 3) - приемопередающей антенны 12 с широким (глобальным) лучом, будет наблюдаться следующее соотношение между мощностью передатчика Р_прд и несущей частотой сигнала f (Космические системы ретрансляции. Монография / Под ред. А.В. Кузовникова. - М.: Радиотехника, 2017, 448 с., с.409-410 [2])

. (1)

Следовательно, в абонентской линии 7 АТ - НСР энергетически выгодно использовать по возможности более низкие частоты передачи. Это подтверждается опытом эксплуатации низкоорбитальных спутниковых систем связи с низкоэнергетическими АТ Орбкомм и «Гонец-Д1», в которых используются частоты соответственно 148 - 150 МГц и 200 - 300 МГц (Камнев Е.Ф. и др. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой. - М.: Глобсатком, 2009, 724 с., с.108 и 111). Параметры абонентской линии 7 в части мощности передатчика, чувствительности и полосы пропускания приемника позволяют передавать, например, в системе Орбкомм сообщения со скоростью 2,4 кбит/с по 6 каналам с частотным разделением. Для передачи коротких сообщений и при относительно низкой интенсивности выходов АТ 2 на связь с НСР 3 такое количество каналов на одном НСР 3 представляется вполне достаточным для обслуживания сети из большого числа пространственно разнесенных АТ 2.

В низкоорбитальных спутниковых системах связи наблюдается присущая этим системам большая энергетическая зависимость линий связи от угла места связи, меняющегося в течение времени пролета НСР 3 мимо АТ 2. Например, при так называемом зенитном пролете НСР 3 относительно АТ 2 угол места связи последнего изменяется от некоторого минимального значения β_мин до 90°. Поскольку протяженность линии связи D АТ - НСР определяется как [2, с.272]

, (2)

где r_НСР - радиус орбиты НСР, R_З - радиус Земли, то при высоте полета НСР 1500 км (как в системе типа «Гонец») и угле места связи β_мин = 30° протяженность линии связи будет изменяться от примерно 2400 км до 1500 км. Согласно известному уравнению радиолинии [2, с.250] мощность несущей сигнала на входе приемника равна

, (3)

где G_прд и G_пр - коэффициенты усиления соответственно передающей и приемной антенн, λ - длина волны несущей, L - дополнительные потери в радиолинии, включающие обычно потери в атмосферных газах, осадках, из-за рассогласования антенн по поляризации и др. Как видно из уравнения (3), мощность сигнала С зависит от квадрата протяженности радиолинии, следовательно, при указанных выше пределах изменения D уровень сигнала на входе приемника (например, НСР 3) может изменяться примерно в 2,6 раза. Чтобы уменьшить диапазон изменения мощности сигнала на входе НСР 3, диаграмма направленности абонентской антенны 12 НСР 3 может быть выполнена с провалом по ее центру, как это реализуется, например, в спутниковых навигационных системах (В.Е. Чеботарев, В.Е. Косенко. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения: учебн. пособие. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2011. - 488 с., с.135 - 136). Исходя из уравнения (3), условием обеспечения постоянного уровня сигнала на входе НСР 3 (С = const) в предположении, что параметрами, зависящими от направления связи, являются только коэффициент усиления приемной антенны НСР 3 G_пр и протяженность радиолинии D, будет

(4)

Коэффициент усиления антенны как функция от угла отклонения θ относительно прямой линии, соединяющей точку расположения НСР 3 с центром Земли, может быть представлен в виде [2, с.434]

(5)

где G(θ) и G_о - соответственно текущий и осевой коэффициенты усиления антенны, F²(θ) - функция направленности антенны. Функция направленности отображает форму диаграммы направленности антенны, и для выполнения условия (4) должна зависеть от отношения текущей и минимальной дальности

. (6)

Формула (2) определяет зависимость протяженности радиолинии D от угла места связи β. Для определения зависимости D от угла θ обратимся к фиг.2, на которой в точке А находится НСР 3, движущийся по низкой круговой орбите 4 радиусом r_НСР, а в точке В на поверхности Земли 1 радиусом R_З располагается АТ 2, связывающийся с НСР 3 под углом места β. По закону синусов имеем следующее отношение

(7)

которое после некоторых преобразований можно привести к виду

(8)

Подставляя формулу (8) в уравнение (2) и выполнив ряд преобразований, получим выражение для функции D(θ)

(9)

С учетом того, что минимальная дальность при θ = 0 D(0) согласно формуле (9) равна

получаем искомое выражение для функции направленности F²(θ) в виде

. (10)

Уравнение (10) отображает диаграмму направленности 14 приемопередающей абонентской антенны 12 НСР 3 воронкообразной формы с провалом в направлении на центр Земли.

Для охвата подспутниковой области 13, в пределах которой АТ 2 могут связываться с НСР 3 под углом места не менее β_мин, ширина зоны обзора (диаграммы направленности) абонентской антенны 12 НСР 3 должна быть не менее

(11)

отчитываемого при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку расположения НСР 3 с центром Земли. Это иллюстрируется на фиг.2 положением АТ 2 в точке С. Для высоты орбиты НСР 1500 км и β_мин = 30° значение этого угла составит ±44,5°.

Следует отметить, что в выражении (3) существуют составляющие дополнительных потерь L, также зависящие от угла места β, а значит и от угла отклонения θ. Это потери в атмосферных газах, в осадках и поляризационные потери. Как отмечается в (В.А. Бартенев и др. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио связь, 1997. - 528 с., с. 157, 162), на частотах ниже 300 МГц потери в атмосферных газах и осадках при угле места 30° и выше составляют пренебрежимо малую величину (менее 0,01 дБ) и могут поэтому не учитываться.

Иная ситуация наблюдается в отношении поляризационных потерь, величина которых определяется коэффициентами эллиптичности поляризации передающей и приемной антенн е₁ и е₂, а также углом ϕ между соответствующими полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн [2, с.255]

(12)

Информационный обмен между АТ 2 и НСР 3 происходит в условиях постоянно изменяющегося взаимного положения указанных объектов, а значит, и угла между соответствующими полуосями эллипсов поляризации их антенн. Поэтому в данных условиях на АТ 2 и НСР 3 целесообразно использовать антенны с круговой поляризацией, а расчет поляризационных потерь по формуле (12) проводить для значения угла ϕ, при котором поляризационные потери становятся максимальными. Как следует из (12), это соответствует ϕ = 90° (cos2ϕ = cos180° = -1). С учетом этого выражение для максимальных поляризационных потерь примет вид

(13)

Особенность абонентской линии 7 АТ - НСР заключается в использовании на АТ 2 квазиизотропной антенны 11 с диаграммой направленности 15, охватывающей практически всю верхнюю полусферу АТ 2, и в использовании на НСР 3 антенны 12 с широким лучом 14. В этих условиях излучение волн круговой поляризации и в широком секторе углов хорошо обеспечивается с помощью спиральных антенн (Г.Н. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1968. - 484 с., с. 285-287). Однако такие антенны характеризуются при этом резким изменением поляризационных характеристик в рабочем секторе углов (Патент РФ № 2414026. Малогабаритная широкополосная антенна однонаправленного излучения с круговой поляризацией).

Так, если при связи АТ 2 с НСР 3 при направлениях, близких к осевому излучению их антенн 11 и 12, и обеспечиваемых при этом коэффициентах эллиптичности е₁ = е₂ = 0,5 значение L_п = 1,56 = 1,9 дБ, то при больших отклонениях коэффициенты эллиптичности, как показывает практика работы с такими антеннами, могут принимать значения 0,2 и менее, что влечет за собой возрастание коэффициента поляризационных потерь до примерно 6,8 (8,3 дБ) и более. Это приводит к необходимости формирования диаграммы направленности 14 антенны 12 НСР 3 с учетом изменения коэффициента поляризационных потерь.

В выражении (13) коэффициенты эллиптичности поляризации антенны 11 АТ 2 е₁ и антенны 12 НСР 3 е₂ предстают зависящими соответственно от углов отклонения δ (относительно прямой линии, проходящей через центр Земли и точку расположения АТ 2) и θ. Как следует из геометрических построений на фиг.2, между указанными углами отклонения существует следующая взаимосвязь

(14)

Таким образом, коэффициент поляризационных потерь может быть выражен в виде функции от угла θ L_п(θ), и по аналогии с выражением (6) функция направленности абонентской антенны 12 НСР 3 может быть представлена в виде

. (15)

Для функции L_п(θ) не существует определенного математического соотношения, и она может быть определена экспериментально путем исследования поляризационных характеристик антенн АТ 2 и НСР 3.

Аналогичным образом в функции направленности абонентской антенны 12 НСР 3 может быть учтено влияние на энергетические характеристики абонентской линии 7 формы диаграммы направленности 15 антенны 11 АТ 2 в виде

. (16)

Упомянутая выше идентичность характеристик абонентской линии как в направлении АТ - НСР, так и НСР - АТ может быть обеспечена следующим образом. Как следует из [2, с.251], мощность передатчика, необходимая для передачи сообщения с требуемым качеством (определяемым отношением энергии бита к спектральной плотности шума E_б/N_о для выбранных видов модуляции и кодирования) и скоростью (определяемой полосой ΔF для выбранной комбинации модуляции и кодирования) устанавливается равной

(17)

где k - постоянная Больцмана, Т_эф - эффективная шумовая температура приемной системы, L_сум - суммарные потери в радиолинии. Учитывая, что связь в абонентской линии осуществляется в обоих направлениях на близких частотах, принимаем суммарные потери в линиях АТ - НСР и НСР - АТ равными, G_прдАТ = G_прАТ и G_прдНСР = G_прНСР. Тогда для обеспечения идентичности энергетических характеристик абонентской линии в обоих направлениях отношение мощностей передатчиков АТ 2 и НСР 3 должно быть следующим

(18)

Задачей межспутниковой линии 8 является передача с НСР 3 сообщения, принятого от АТ 2, на ГСР 5. Готовность данной линии к передаче сообщения обеспечивается прежде всего выбором баллистической структуры орбитальной группировки ГСР 5, способной осуществить полный охват сферы возможных положений НСР 3 радиусом r_НСР. Как показано на фиг.3, это может быть достигнуто с помощью N ГСР 5, равномерно расположенных на геостационарной орбите 16. (На фиг.3 в качестве примера рассматривается орбитальная группировка из трех ГСР 5, расположенных в точках D, E и F и разнесенных друг относительно друга на 120°).

Обеспечиваемое баллистической структурой ГСР постоянное присутствие НСР 3 в зоне обслуживания какого-либо ГСР 5, имеющей угловой размер ±α, отсчитываемый при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния ГСР 5 с центром Земли, является основным, но еще недостаточным условием возможности беззапросного (как в абонентской линии 7) доступа к каналам связи ГСР 5. Другое условие заключается в использовании на ГСР 5 межспутниковой антенны 17 с широким лучом, охватывающим видимый с ГСР 5 участок орбиты 4 НСР 2 от точки G до точки H. Из геометрических построений на фиг.3 определим необходимую ширину диаграммы направленности межспутниковой антенны 17 ГСР 5 равную ±α. Для этого рассмотрим элементы треугольника ODH. Центральный угол γ представляет собой половину углового разнесения между геостационарными спутниками-ретрансляторами и в зависимости от числа ГСР 5 в орбитальной группировке определяется как

(19)

Тогда угол ξ будет равен

(20)

Используя теорему синусов, запишем следующее соотношение между сторонами и углами треугольника ODH

(21)

где r_ГСР - радиус геостационарной орбиты (42164 км). В свою очередь, исходя из известных геометрических соотношений sinξ может быть представлен в виде

(22)

Подставляя выражение (22) в (21), после несложных преобразований получаем формулу для расчета необходимой ширины диаграммы направленности межспутниковой антенны 17 ГСР 5. Искомый угол α отсчитывается, как изложено выше, при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния ГСР 5 с центром Земли

(23)

Как следует из фиг.3, сопряженный с углом ξ угол ψ характеризует область обзора антенны межспутниковой связи 18 НСР 3, необходимую для обеспечения связи с ГСР 5. С учетом формулы (20) имеем

(24)

отсчитываемый при всех значениях азимута относительно прямой линии, проходящей через точку расположения НСР 3 и центр Земли. Расчеты по формулам (23) и (24) показывают, что при высоте орбиты НСР 3 1500 км и числе ГСР 5 в орбитальной группировке N = 3 значения углов α и ψ соответственно составят ±10,1° и ±70,1°.

Как следует из фиг.3, при перемещении НСР 3 из точки G в точку H мощность сигнала, передаваемого им на ГСР 5, будет согласно уравнению (3) изменяться вследствие изменения протяженности межспутниковой линии 8, которая является функцией от угла отклонения α. При использовании в качестве межспутниковой антенны 17 ГСР 5 антенны с фиксированным лучом, ось которого направлена на центр Земли, (а это предоставляет прямой доступ НСР 3 к ГСР 5 без предварительного вхождения в связь), для обеспечения постоянства уровня сигнала от НСР 3 на входе приемника ГСР 5 при нахождении НСР 3 в любой точке его орбиты 4 необходимо провести оптимизацию формы диаграммы направленности межспутниковой антенны 17 по аналогии с тем, как это было выполнено по отношению к абонентской антенне 12 НСР 3.

Для определения функции D(α) воспользуемся теоремой косинусов для треугольника ODH из фиг.3. Согласно этой теореме

(25)

Решая полученное квадратное уравнение, находим, что удовлетворяющим решением является

(26)

которое при α = 0 дает значение минимальной дальности D(0) = r_ГСР - r_НСР. В итоге, функция направленности межспутниковой антенны 17 ГСР 5 будет описываться уравнением, идентичным уравнению (10) для абонентской антенны 12 НСР 3

. (27)

Как было показано при анализе абонентской линии 7, в энергетическом бюджете этой линии согласно уравнению (3) требовалось учитывать большие поляризационные потери, связанные с резким изменением поляризационных характеристик широконаправленных антенн 11 и 12 соответственно АТ 2 и НСР 3 в зависимости от направления связи. В межспутниковой линии 8 эти потери не будут существенно зависеть от направления связи по следующим причинам. Во-первых, ширина диаграммы направленности межспутниковой антенны 17 ГСР 5 имеет значительно меньшую ширину (±10,1°) против ±44,5° у абонентской антенны 12 НСР 3. Во-вторых, минимально допустимые Регламентом Радиосвязи частоты для межспутниковой связи находятся в пределах 2…2,2 ГГц, а это позволяет реализовать на борту НСР 3 малогабаритную межспутниковую антенну 18 с определенной направленностью. Так, прототипом такой антенны может служить автомобильная активная фазированная антенная решетка для связи с японским геостационарным спутником ETS-8 на частотах 2,5…2,6 ГГц. В различных вариантах исполнения она имеет габариты до 0,5 м, ширину луча порядка 30°, секторы сканирования 0…360° по азимуту и до 50° по углу места (Journal of National Institute of Information and Communications Technology. Vol. 50 Nos. 3/4 2003).

Антенны подобного типа могут обеспечить постоянное слежение НСР 3 за ГСР 5 при нахождении в его зоне обслуживания, охватывающей участок GH орбиты 4 НСР 3. Соответственно, при приближении, например, к точке H НСР 3 должен провести операции по перенацеливанию своей межспутниковой антенны 18 на ГСР в точке F. Такие операции являются общеизвестными. Подробно вопросы взаимодействия при установлении связи между низкоорбитальными и геостационарными спутниками изложены в [2, с.301-316]. Факт установления связи между обоими спутниками подтверждается обменом служебными сигналами между ними (НСР 3 передает на ГСР 5 сигнал о завершении наведения на него, в ответ ГСР 5 передает сигнал подтверждения факта установления устойчивой связи).

Следует отметить, что если момент излучения с НСР 3 маркерного сигнала, необходимого для инициирования связи с АТ 2, совпадает с интервалом, когда НСР 3 осуществляет переход с одного ГСР 5 на другой, то излучение указанного маркерного сигнала должно быть заблокировано до завершения перехода.

Что касается фидерной линии 9 между ГСР 5 и ЦЗС 6, то ее непрерывное функционирование обеспечивается установкой на ГСР 5 следящей за ЦЗС 6 антенны (на фиг.1 не показана) и следящей за ГСР 5 антенны на ЦЗС 6, как это реализовано во всех современных спутниковых коммуникационных системах.

Последовательность операций при реализации предлагаемого способа может быть следующей:

1. Периодическое излучение с НСР маркерного сигнала.

2. Прием на АТ маркерного сигнала и передача сообщения на НСР.

3. Прием на НСР сообщения от АТ, запись его в бортовое запоминающее устройство, контроль качества сообщения и передача на АТ квитанции о приеме.

4. Обеспечение на НСР постоянного наведения его межспутниковой антенны на ГСР.

5. Передача с НСР на ГСР сообщения, записанного в бортовом запоминающем устройстве НСР, при этом в зависимости от энергетических характеристик межспутниковой линии возможны изменения скорости передачи, вида модуляции и кодирования исходного сообщения.

6. Ретрансляция ГСР сообщения от НСР на ЦЗС.

7. Контроль на ЦЗС качества сообщения и передача через ГСР квитанции на НСР.

8. Удаление из бортового запоминающего устройства НСР сообщения, принятого от АТ.

Таким образом, в рамках предлагаемого изобретения разработан способ передачи сообщений между низкоэнергетическими АТ и ЦЗС в двухуровневой спутниковой системе связи, обеспечивающий упрощенный процесс организации связи, способствующий оперативной передаче сообщений между АТ и ЦЗС, и создающий условия, способствующие снижению энергетических затрат на передачу сообщений благодаря оптимизации характеристик бортовых антенн НСР и ГСР. Эти условия включают в себя:

• размещение НСР на круговой околоземной орбите;

• оснащение каждого НСР фиксированными абонентскими антеннами, обеспечивающими формирование на земной поверхности зоны, в пределах которой АТ могут осуществлять связь с НСР при углах места не ниже некоторого минимального значения, для чего ширину диаграммы направленности этих антенн устанавливают равной углу, определяемому радиусом орбиты НСР и минимальным углом места связи АТ и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку расположения НСР с центром Земли;

• задание формы диаграммы направленности абонентской антенны НСР, обеспечивающей постоянный уровень сигнала, принимаемого на НСР и АТ, в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущих значений протяженности абонентской линии, поляризационных потерь в ней и коэффициента усиления антенны АТ в пределах ширины диаграммы направленности абонентской антенны НСР и значений перечисленных параметров при совпадении направления абонентской линии с осью диаграммы направленности абонентской антенны НСР;

• формирование орбитальной группировки из, по меньшей мере, трёх равномерно расположенных на орбите ГСР, охватывающих НСР в любой точке сферы их возможного положения;

• оснащение каждого ГСР фиксированной межспутниковой антенной с постоянным охватом видимого с ГСР участка сферы возможного положения НСР, для чего ширину ее диаграммы направленности устанавливают равной углу, определяемому числом ГСР в орбитальной группировке, радиусами орбит НСР и ГСР и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния ГСР с центром Земли;

• задание формы диаграммы направленности межспутниковой антенны ГСР, обеспечивающей постоянный уровень сигнала, принимаемого на ГСР и НСР, в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущего значения протяженности межспутниковой линии в пределах ширины диаграммы направленности межспутниковой антенны ГСР и минимального значения протяженности межспутниковой линии;

• оснащение каждого НСР межспутниковой антенной с управляемым лучом, осуществляющей непрерывное слежение за ГСР, находящимся в зоне видимости НСР, с установлением области обзора этой антенной геостационарных спутников-ретрансляторов равной углу, определяемому числом ГСР в орбитальной группировке и шириной диаграммы направленности межспутниковой антенны ГСР, отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, проходящей через точку расположения НСР и центр Земли.

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

Настоящее решение технически реализуемо, поскольку базируется на известных и отработанных устройствах.

Изобретение относится к спутниковым системам передачи информации между низкоэнергетическими абонентскими терминалами (АТ) и центральными земными станциями (ЦЗС) с использованием низкоорбитальных и геостационарных спутников-ретрансляторов (СР). Техническим результатом изобретения является упрощение процесса организации связи, повышение оперативности передачи сообщений между АТ и ЦЗС, снижение энергетических затрат на передачу сообщений. Технический результат достигается тем, что при организации процесса связи каждый из низкоорбитальных СР, расположенных на круговых околоземных орбитах, оснащают фиксированной абонентской антенной, ширину диаграммы направленности которой устанавливают равной углу, определяемому радиусом орбиты низкоорбитального СР и минимальным углом места связи АТ и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку расположения низкоорбитального СР с центром Земли; форму диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального СР задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущих значений протяженности абонентской линии, поляризационных потерь в ней и коэффициента усиления антенны АТ в пределах ширины диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального СР и значений перечисленных параметров при совпадении направления абонентской линии с осью диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального СР; формируют орбитальную группировку из не менее трех равномерно расположенных на орбите геостационарных СР; каждый геостационарный СР оснащают фиксированной межспутниковой антенной, ширину диаграммы направленности которой устанавливают равной углу, определяемому числом геостационарных СР в орбитальной группировке, радиусами орбит низкоорбитальных и геостационарных СР и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния геостационарного СР с центром Земли, а форму диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного СР задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущего значения протяженности межспутниковой линии в пределах ширины диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного СР и минимального значения протяженности межспутниковой линии; каждый низкоорбитальный СР оснащают межспутниковой антенной с управляемым лучом, область обзора которой геостационарных СР устанавливают равным углу, определяемому числом геостационарных СР в орбитальной группировке и шириной диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного СР, отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, проходящей через точку расположения низкоорбитального СР и центр Земли. 3 ил.

Способ передачи сообщений в двухуровневой спутниковой системе связи, в котором передачу сообщений от низкоэнергетических абонентских терминалов на центральные земные станции осуществляют путем ретрансляции указанных сообщений через низкоорбитальные и геостационарные спутники-ретрансляторы, соединенные линией межспутниковой связи, отличающийся тем, что низкоорбитальные спутники-ретрансляторы располагают на круговых околоземных орбитах; каждый низкоорбитальный спутник-ретранслятор оснащают фиксированной абонентской антенной для связи с абонентскими терминалами и межспутниковой антенной с управляемым лучом для связи с геостационарными спутниками-ретрансляторами; формируют орбитальную группировку из не менее трех равномерно расположенных на орбите геостационарных спутников-ретрансляторов, каждый из которых оснащают фиксированной межспутниковой антенной для связи с низкоорбитальными спутниками-ретрансляторами; с низкоорбитального спутника-ретранслятора через абонентскую антенну периодически излучают маркерный сигнал; на абонентском терминале принимают указанный маркерный сигнал, по получении которого передают сообщение на низкоорбитальный спутник-ретранслятор; на низкоорбитальном спутнике-ретрансляторе через абонентскую антенну принимают сообщение от абонентского терминала, осуществляют запись полученного сообщения в бортовое запоминающее устройство, контролируют качество полученного сообщения и передают на абонентский терминал квитанцию о приеме его сообщения; на низкоорбитальном спутнике-ретрансляторе обеспечивают постоянное наведение его межспутниковой антенны на геостационарный спутник-ретранслятор, передают с низкоорбитального спутника-ретранслятора через межспутниковую антенну записанное в его бортовом запоминающем устройстве сообщение от абонентского терминала на геостационарный спутник-ретранслятор, при этом в зависимости от энергетических характеристик межспутниковой линии возможны изменения скорости передачи, вида модуляции и кодирования исходного сообщения; принимают на геостационарном спутнике-ретрансляторе через межспутниковую антенну сообщение от низкоорбитального спутника-ретранслятора и передают его на центральную земную станцию; осуществляют на центральной земной станции контроль качества сообщения и передают через геостационарный спутник-ретранслятор квитанцию о приеме на низкоорбитальный спутник-ретранслятор, по получении которой на низкоорбитальном спутнике-ретрансляторе удаляют из бортового запоминающего устройства сообщение, принятое от абонентского терминала; ширину диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора устанавливают равной углу, определяемому радиусом орбиты низкоорбитального спутника-ретранслятора и минимальным углом места связи абонентского терминала и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку расположения низкоорбитального спутника-ретранслятора с центром Земли; форму диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущих значений протяженности абонентской линии, поляризационных потерь в ней и коэффициента усиления антенны абонентского терминала в пределах ширины диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора и значений перечисленных параметров при совпадении направления абонентской линии с осью диаграммы направленности абонентской антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора; для межспутниковой антенны низкоорбитального спутника-ретранслятора область обзора геостационарных спутников-ретрансляторов устанавливают равным углу, определяемому числом геостационарных спутников-ретрансляторов в орбитальной группировке и шириной диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора, отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, проходящей через точку расположения низкоорбитального спутника-ретранслятора и центр Земли; ширину диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора устанавливают равной углу, определяемому числом геостационарных спутников в орбитальной группировке, радиусами орбит низкоорбитальных и геостационарных спутников-ретрансляторов и отсчитываемому при всех значениях азимута относительно прямой линии, соединяющей точку стояния геостационарного спутника-ретранслятора с центром Земли, а форму диаграммы направленности задают в соответствии с функцией направленности, определяемой отношением текущего значения протяженности межспутниковой линии в пределах ширины диаграммы направленности межспутниковой антенны геостационарного спутника-ретранслятора и минимального значения протяженности межспутниковой линии.