КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ СЛУЖЕБНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области космической техники и может быть использовано при создании низкоорбитальных спутниковых систем служебной связи.
Известно несколько действующих и спроектированных низкоорбитальных систем спутниковой связи (см. «Спутниковые системы связи и вещания». Справочно-аналитическое издание. Издательство «Радиотехника», Москва, 2004(1)). Полностью сформированными и находящимися в течении ряда лет в коммерческой эксплуатации являются три системы: ИРИДИУМ, ГЛОБАЛСТАР, ОРБКОММ. Самый дорогой в реализации, но наиболее совершенной с технической точки зрения, является система ИРИДИУМ, в состав которой входят 77 космических аппаратов (КА), расположенных в 6 плоскостях с наклонением 86 градусов. ГЛОБАЛСТАР состоит из 48 КА, расположенных в 8 плоскостях с наклонением 52 градуса. ОРБКОММ состоит из 35 КА, расположенных в 6 плоскостях и наклонением 45 градусов. Из указанных трех систем только ИРИДИУМ обеспечивает полную глобальность действия, включая полярные районы, и имеет каналы межспутниковой связи, позволяющие минимизировать количество наземных станций связи и управления (в принципе возможна только одна станция). ГЛОБАЛСТАР, так же как и ИРИДИУМ, обеспечивает передачу стандартной по качеству голосовой информации, а также цифровых данных, но область действия системы ГЛОБАЛСТАР ограничена широтами +/-70 град и для его работы требуется взаимодействие с большим числом наземных шлюзовых станций. Система ОРБКОММ не обеспечивает передачу голосовой информации, а только цифровых данных, однако, она потребовала минимальных затрат на создание и является самой дешевой в эксплуатации. Многие положительные особенности системы ОРБКОММ являются следствием использования технологии микроспутников (масса спутника 42 кг), в то время как у ГЛОБАЛСТАР - 340 кг, у
ИРИДИУМа - 689 кг, и выбором относительно длинноволнового радиодиапазона (частота около 150 МГц) для связи с абонентскими терминалами (AT). Объекты связи, использующие систему ИРИДИУМ известны и из патентной литературы СА 2484901 G 08 B 23/00 18.12.2003, US 2005004758 G 01 C 21/26 06.01.2005.
Практические потребности в служебной и, в том числе, мобильной связи глобального действия, возникающие в различных государственных структурах и службах и не охватываемые в достаточной мере сотовой и транкинговыми системами, приводят к необходимости создания спутниковой системы связи, которая обладала бы свойствами системы ИРИДИУМ, но по затратам на создание и эксплуатацию была существенно ниже.
Технический результат заключается в создании полностью глобальной системы связи при значительном уменьшении затрат на создание и эксплуатацию.
Указанный результат достигается тем, что предложена космическая система глобальной служебной спутниковой связи, содержащая космический сегмент, включающий орбитальную группировку из космических аппаратов, оснащенных аппаратурой межспутниковой связи и аппаратурой для связи с наземными абонентами, а также наземный сегмент с абонентскими терминалами, соединенными двухсторонними линиями связи с космическими аппаратами, по меньшей мере одной наземной станцией для управления космическими аппаратами и системой в целом и сопряжения с наземными каналами связи, при этом орбитальная группировка состоит по меньшей мере из 72 космических аппаратов, имеющих трехосную ориентацию и находящихся на орбитах высотой порядка 650-700 км, с наклонением 90 градусов и расположенных в шести орбитальных плоскостях по 12 космических аппаратов в каждой плоскости, при этом космические аппараты находятся на равных расстояниях внутри орбитальных плоскостей и в противоположных положениях в соседних орбитальных плоскостях.
Дополнительные отличия можно усмотреть в том, что аппаратура межспутниковой связи работает в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового радиодиапазона, изолирована от помех с наземных станций и включает антенно-фидерное устройство с диаграммой направленности,
обеспечивающей без перенацеливания, межспутниковую связь как в полярных, так и в экваториальном районах, а также в том, что в абонентских терминалах используются вокодерные методы компрессии и декомпрессии голосовой информации.
Иными словами, результат достигается тем, что предложенная система аналогично системе ОРБКОММ содержит большое количества малоразмерных (микро класса) КА, но, в отличие от нее, оснащенных межспутниковыми каналами связи, а также таким геометрическим построением орбитальной группировки системы, которое обеспечивает глобальность ее действия и минимальное расстояние между соседними космическими аппаратами, что, в свою очередь, минимизирует массу и энергетические характеристики аппаратуры межспутниковой связи и позволяет реализовать космические аппараты массой около 50 кг даже на современном уровне техники.
Применение в абонентских радиоканалах ультракоротковолнового радиодиапазона, минимизирует массовые и энергетические характеристики бортовой и наземной аппаратуры абонентской связи, причем масса AT может не превышать нескольких сотен граммов, а использование в канале абонентской связи вокодерных методов компрессии и декомпрессии голосовой информации, позволяющих обеспечить приемлемой по качеству для служебных систем голосовой связью для нескольких тысяч абонентов.
Космический сегмент содержит 72 КА, расположенных на высоте около 650-700 км на полярных орбитах с наклонением 90 градусов, в шести орбитальных плоскостях по 12 КА в каждой плоскости, на равных угловых расстояниях друг от друга. В орбитальных плоскостях КА устанавливаются на одинаковой широте, т.е. находится в оппозитном положении. На фиг.1 показана ячейка космического сегмента. КА (1, 2, 3, 4, 5) имеют трехосную ориентацию. Одна из осей постоянно направлена в надир (ось тангажа). Две другие оси фиксируют положение КА в своей орбитальной плоскости и относительно соседних плоскостей.
Бортовая аппаратура каждого КА для двухсторонней связи с наземными абонентами содержит приемно-передающее устройство (6) и его антенно-фидерное
устройство (7), диаграмма направленности которого ориентирована в надир и по уровню 0,5 охватывает на поверхности Земли круг диаметром 2000 км, при высоте КА 650 км. Связь осуществляется в ультракоротковолновом радиодиапазоне 140-400 МГц, а именно в тех его поддиапазонах, которые разрешены Международным регламентом радиосвязи для использования в подобных системах.
На каждом КА бортовая аппаратура межспутниковой связи состоит из 4-х приемно-передающих (8, 9, 10, 11) и 4-х антенно-фидерных устройств (12, 13, 14, 15), диаграммы направленности которых имеют форму, обеспечивающую, без перенацеливания, установление связи каждого КА с четырьмя соседними КА (2, 3, 4, 5) во всех взаимных орбитальных положениях.
Межспутниковая связь осуществляется в миллиметровом радиодиапазоне, около 60ГТц, разрешенном Международным регламентом радиосвязи для использования в таких системах.
Радиооборудование каждого КА содержит также системные блоки (16, 17, 18, 19, 20), осуществляющие прием команд для управления КА, телеметрическое обеспечение управления, маршрутизацию абонентских каналов по межспутниковым радиолиниям.
Наземный сегмент системы (фиг.2) содержит по меньшей мере одну приемно-передающую станцию (21), антенно-фидерное устройство (22) и центр управления (23), обеспечивающие управление отдельными КА и системой в целом, а также сопряжение системы с наземными каналами связи.
Абонентский терминал (AT) может быть выполнен в виде мобильного или стационарного устройства, аналогичного подобным устройствам, используемым в сотовых или транкинговых системах связи.
Система работает следующим образом. Абонент системы через AT устанавливает двустороннюю радиосвязь с ближайшим к нему КА. После автоматического подтверждения установления связи, сигнал от абонента, пройдя бортовой маршрутизатор, по цепочке межспутниковых линий связи, достигает наземной станции, либо ближайшего к вызываемому абоненту КА, через который устанавливается связь посредством самой системы. В системе могут быть
использованы различные структуры сигналов и виды модуляции, подобные тем, которые находят применение в сотовых системах. Принципиальным моментом является применение в AT вокодерных устройств компрессии и декомпрессии речи, которые на современном этапе развития техники обеспечивают скорость передачи голоса в одном абонентском канале до 1 кбит/с.
В процессе орбитального полета расстояние между спутниками в соседних орбитальных плоскостях изменяется. Его наибольшая величина имеет место в районе экватора. Энергетический потенциал радиолиний межспутниковой связи рассчитывается исходя из работы в этом районе. В районах полюсов расстояние между КА, находящимися в соседних орбитальных плоскостях, уменьшается, но изменяется требуемый угол визирования антенно-фидерных устройств межспутниковой связи.
Диаграмма направленности этих антенн формируется таким образом, чтобы оба этих фактора компенсировали друг друга.