Система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением
SYSTEM OF SATELLITE COMMUNICATION WITH HYBRID ORBITAL CONSTRUCTION

Изобретение относится к глобальной спутниковой связи, а именно, к системам и способам спутниковой связи с гибридным орбитальным построением, включающей необходимое количество космических аппаратов на околоземной орбите, способных осуществлять как межспутниковую связь, так и связь с наземными станциями сопряжения и управления.
Из уровня техники известно, что существующие на сегодняшний день системы спутниковой связи используют различные орбитальные топологии, включающие как космические аппараты на геостационарной орбите, так и на низких околоземных орбитах.
Выбор схемы орбитального построения спутниковых систем связи определяется требованием выхода на целевые показатели при минимальных затратах.
При этом от выбранных орбит и их характеристик существенно зависят возможности системы связи:
- наиболее используемая в настоящее время для связи геостационарная орбита (далее - ГСО) при многих положительных качествах имеет существенные недостатки. В частности, из-за ограничений по радиовидимости не обеспечивает связь для высокоширотных арктических и антарктических районов Земли (выше 76,5° с.ш. и ю.ш.);
- система спутниковой связи на низких круговых орбитах (далее - НКО), вместе с необходимостью значительного количества спутников для организации связи для обеспечения глобального покрытия имеет ряд преимуществ: предоставление услуг в полярных областях, малый вес бортовой аппаратуры и низкая стоимость пусковых услуг существенно сокращают удельную стоимость системы.
Известны реализованные в мире системы спутниковой связи: геостационарные «Инмарсат» и «Турайя», и низкоорбитальные «Иридиум» и «Глобалстар».
Система «Инмарсат» использует малое количество геостационарных спутников, но не предлагает носимых терминалов (носимый терминал - терминал, не требующий ориентации на спутник) и не обеспечивает связь в полярных областях.
Система «Труайя» использует всего два геостационарных спутника, но предлагает только региональное покрытие, и тоже без полярных областей.
Система «Глобалстар» при большом количестве низкоорбитальных спутников обеспечивает подвижную связь только в зоне земного шара между 70° северной и 70° южной широты, но из-за отсутствия межспутниковых линий связи, требует огромного количества (150-210 единиц) наземных станций сопряжения.
Только низкоорбитальная система спутниковой связи «Иридиум» обеспечивает глобальное покрытие. При этом в высокоширотных районах земного шара с малой плотностью населения находится чрезмерное количество космических аппаратов, что приводит к существенному удорожанию системы.
Попытка решить проблему избыточного количества спутников системы «Иридиум» в полярных областях сделана в «Низкоорбитальной системе спутниковой связи», представленной в описании изобретения к патенту РФ №2496233, МПК Н04В 7/185, дата публикации 20.10.2013, [1]. В описании изобретения [1] представлена система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением, содержащая необходимое количество искусственных спутников Земли на околоземной орбите, оснащенных средствами межспутниковой связи и связи с наземными станциями сопряжения и управления, при этом искусственные спутники Земли разделены на две группы спутников связи, одна из которых является низкоорбитальной и расположена на высоте менее 2000 км. Особенностью изобретения [1] является наличие другой группы спутников связи также низкоорбитальной, расположенной на высоте до 2000 км. Это обуславливает слишком большое количество спутников связи для формирования глобального покрытия и чрезмерную сложность спутниковой системы связи, что является недостатком представленной в описании [1] спутниковой системы связи с гибридным построением.
В описании изобретения «Многофункциональная космическая коммуникационная система», патент РФ №2302695, МПК Н04В 7/185, дата публикации 10.07.2007, [2], представлена система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением, содержащая необходимое количество искусственных спутников Земли на околоземной орбите, оснащенных средствами межспутниковой связи и связи с наземными станциями сопряжения и управления, при этом искусственные спутники Земли содержат две группы спутников связи, одна из которых является низкоорбитальной, а другая - на геостационарной орбите. Недостатком данной системы связи [2] является как чрезмерно сложное орбитальное построение, содержащее три группы спутников связи на разных по высоте орбитах, так и большое количество космических аппаратов необходимых для формирования глобального покрытия относительно заявляемой системы.
Представленная в описании изобретения [1] система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением принята в качестве наиболее близкого аналога.
Решаемой изобретением технической задачей является реализация глобальной сети персональной спутниковой связи, обеспечивающей предоставление услуг телефонной связи и передачи данных на носимых терминалах в любой точке земного шара в любое время.
Технический результат состоит в использовании минимально необходимого количества спутников в системе, обеспечивающей глобальную систему связи, включая высокоширотные арктические и антарктические районы Земли, при минимизации стоимости создания и последующих операционных затрат при эксплуатации системы спутниковой связи.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением, как и в наиболее близком аналоге [1], содержит необходимое количество искусственных спутников Земли на околоземной орбите, оснащенных средствами межспутниковой связи и связи с наземными станциями сопряжения и управления, при этом искусственные спутники Земли разделены на две группы спутников связи, одна из которых является низкоорбитальной, но в отличие от наиболее близкого аналога [1], низкоорбитальная группа спутников связи расположена в одной плоскости на квазиполярной околоземной орбите высотой менее 1600 км с наклонением 85°-95°, при этом спутники связи расположены равномерно по аргументу широты, и соединены межспутниковыми линиями связи со спутниками связи другой группы, расположенными на геостационарной орбите.
Система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением характеризуется тем, что наземные станции сопряжения и управления соединены только с геостационарными спутниками связи.
Система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением характеризуется тем, что она содержит одну низкоорбитальную спутниковую плоскость, соединенную одной межспутниковой линией связи с одним геостационарным спутником связи, сопряженным с одной наземной станцией.
Представленная совокупность признаков является существенной для решения поставленной технической задачи и достижения заявленного технического результата.
Наличие в системе спутниковой связи с гибридным орбитальным построением необходимого количества искусственных спутников Земли, оснащенных средствами межспутниковой связи и связи с наземными станциями сопряжения и управления, создает условия для решения поставленной технической задачи, а именно, реализации глобальной сети персональной спутниковой связи, обеспечивающей предоставление услуг телефонной связи и передачи данных на носимых терминалах в любой точке земного шара в любое время. При этом формирование искусственных спутников Земли в две группы спутников связи, с расположением одной группы спутников связи на геостационарной орбите, а другой группы спутников связи на низкоорбитальной квазиполярной околоземной орбите высотой менее 1600 км в одной плоскости с наклонением 85°-95, с равномерным расположением спутников связи по аргументу широты, и их соединение с геостационарными спутниками межспутниковыми линиями связи, позволяет достигнуть технический результат, заключающийся в использовании минимально необходимого количества спутников в системе, обеспечивающей глобальную систему связи, включая высокоширотные арктические и антарктические районы Земли, при минимизации стоимости создания и последующих операционных затрат при эксплуатации системы спутниковой связи.
Соединение наземных станций сопряжения и управления только с геостационарной группой спутников связи способствует минимизации стоимости создания и последующих операционных затрат при эксплуатации системы спутниковой связи, поскольку низкоорбитальная группа спутников связи не нуждается в сопряжении с наземным сегментом ни для целей управления, ни в целях оказания услуг.
Выполнение системы спутниковой связи с гибридным орбитальным построением, содержащей одну низкоорбитальная спутниковая плоскость, соединенную одной межспутниковой линией связи с одним геостационарным спутником связи, сопряженным с одной наземной станцией, обеспечивает минимизацию необходимого количества спутников для создания глобальной системы связи, включающей высокоширотные арктические и антарктические районы Земли, что минимизирует стоимость создания и последующих операционных затрат при эксплуатации системы спутниковой связи.
Описание изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показана зона радиопокрытия земной поверхности группой спутников связи на низкой круговой орбите (далее - НКО) с наклонением орбиты 87°.
На фиг. 2 показана зона радиопокрытия земной поверхности группой спутников связи на геостационарной орбите (далее - ГСО).
На фиг. 3 показано результирующее глобальное радиопокрытие земной поверхности системой спутниковой связи с гибридным орбитальным построением.
В таблице приведены характеристики известных в мире систем спутниковой связи: «Инмарсат», «Турайя», «Иридиум» и «Глобалстар» в сравнении с заявляемой системой спутниковой связи с гибридным орбитальным построением.
Система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением устроена следующим образом.
Для построения заявляемой системы спутниковой связи использованы как легкие спутники связи L1-L8, функционирующие на низких околоземных орбитах, так и тяжелые геостационарные спутники связи G1-G3, каждый из которых функционирует на геостационарной орбите и оснащен бортовыми ретрансляторами и системой межспутниковой связи НКО/ГСО, а также сеть наземных станций связи и управления искусственными спутниками Земли, сопряженные только со спутниками связи на геостационарной орбите. Контуры зон радиопокрытия низкоорбитальной спутниковой группировки L1-L8 спутников связи НКО с наклонением орбиты 87°, соответствующие углам места 10°, 15°, 30°, 45°, 60° и 90° (подспутниковая точка) для носимого терминала на уровне моря, представлены на фиг. 1. Контуры зон радиопокрытия, соответствующие углам места 5°, 10°, 30°, 60° и 90° (подспутниковая точка) спутников связи G1-G3 ГСО для носимого терминала на уровне моря, представлены на фиг. 2. При этом для формирования группы спутников связи L1-L8 на низкоорбитальной орбите с гибридным орбитальным построением можно использовать проверенную низкоорбитальную платформу ELiTeBus-1000, а для группы спутников связи G1-G3 на геостационарной орбите -модернизированную геостационарную платформу BSS-702-GEM с многолучевой антенной большого диаметра.
По сравнению с существующими глобальными спутниковыми системами связи, заявленная система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением обеспечивает:
- по сравнению с системой «Иридиум», при том же качестве покрытия, позволяет использовать существенно меньшее количество спутников связи;
- по сравнению с системой «Глобалстар», также при существенно меньшем количестве спутников связи, обеспечивает непрерывную связь по всему земному шару, в том числе в околополярных зонах с широтами более 70° северной широты и южной широты;
- по сравнению с системой «Инмарсат» не только обеспечивает связь на носимые терминалы, но и обеспечивает предоставление услуг в полярных областях;
- по сравнению с системой «Турайя» обеспечивает глобальное покрытие.
Таким образом, общими признаками заявляемого изобретения и существующими системами спутниковой связи является то, что все системы используют искусственные спутники Земли, и сеть наземных станций связи и управления группировками спутников, а система «Иридиум» использует и межспутниковую связь, но только в пределах низкоорбитальной группировки. Существенными отличительными признаками заявляемого изобретения от существующих систем спутниковых связи и запатентованных систем является то, что предлагаемая система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением обеспечивает предоставление услуг телефонной связи и передачи данных в любое время в полярных областях Земного шара (Арктика и Антарктика выше 75 градуса северной и южной широты) посредством всего одной низкоорбитальной спутниковой плоскости соединенной одной межспутниковой линией связи с одним единственным геостационарным спутником связи сопряженным с единственной наземной станцией. При этом даже в такой комбинации система будет обеспечивать не только высокоширотную связь, но и обеспечивать региональную связь на трети Земного шара через геостационарный спутник, например, на территориях Евразийского континента. Добавление же еще двух геостационарных аппаратов превратит систему в полностью глобальную.
Кроме того, в зависимости от потребности в связи в различных районах Земли, систему спутниковой связи с гибридным орбитальным построением можно создавать поэтапно согласно изобретению, когда подавляющая пропускная способность системы конструктивно обслуживает зоны с подавляющим количеством населения: сначала развернуть спутники связи на геостационарной орбите для охвата подавляющего процента народонаселения Земли (фиг. 2), а потом подключить к ней низкоорбитальную плоскость для охвата полярных областей (фиг. 1) и завершения формирования глобального радиопокрытия (фиг. 3), или же наоборот и в других комбинациях.
В варианте выполнения для обеспечения связи в полярных областях Земного шара (Арктика и Антарктика выше 75 градуса северной и южной широты) достаточно всего одной низкоорбитальной спутниковой плоскости, соединенной одной межспутниковой линией связи с одним единственным геостационарным спутником связи, сопряженным с единственной наземной станцией.
Заявляемая система спутниковой связи с гибридным орбитальным построением имеет предельно простую структуру орбит спутников связи с проверенными решениями и устойчивыми параметрами, что обеспечивает простоту их реализации и эксплуатации, и позволяет решить поставленную техническую задачу по реализации глобальной сети персональной спутниковой связи, обеспечивающей предоставление услуг телефонной связи и передачи данных на носимые терминалы в любой точке земного шара в любое время, включая связь для высокоширотных арктических и антарктических районов Земли, с достижением технического результата, заключающегося в использовании минимально необходимого количества спутников в системе, что приведет к минимизации стоимости создания и последующих операционных затрат при эксплуатации системы спутниковой связи.
Степень раскрытия в описании сущности изобретения позволяет использовать его в специализированных предприятиях и организациях для разработки и реализации системы спутниковой системы связи с гибридным орбитальным построением. Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».