СПОСОБ РЕТРАНСЛЯЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ
METHOD FOR RETRANSMITTING RADIO SIGNALS FROM A GEOSTATIONARY ORBIT

Изобретение относится к спутниковым информационным системам, в частности, к предоставлению услуг спутниковой связи и высокоскоростного доступа в Интернет на территории Российской Федерации.
В настоящее время в Российской Федерации не существует реализованной спутниковой информационной системы, обеспечивающей бесперебойное обслуживание всей территории страны и предоставляющей услуги персональной голосовой связи и высокоскоростного доступа в Интернет. Зарубежные системы, действующие на территории России, отличаются дороговизной своих услуг, не предоставляют всего перечня сервисов, необходимых российским потребителям, а также значительная часть территории Российской Федерации, особенно труднодоступные и северные районы находятся вне зоны действия зарубежных систем. Все это ограничивает возможности их применения и делает необходимым создание отечественной системы персональной спутниковой связи и предоставления высокоскоростного доступа в Интернет.
Основным направлением усовершенствования системы является эффективное использование частотно-орбитального ресурса для обеспечения обслуживания территории РФ с целью повышения ее экономической эффективности.
В настоящее время известны различные системы многофункциональных космических систем связи, в которых предлагается использовать спутники на геостационарной (ГСО) и высокоэллиптической (ВЭО) орбитах (патенты RU №№2366086, 2223205, 2360848).
Способ обеспечения информационного обслуживания территории Земли описан в «Способе построения космической системы ретрансляции с использованием геосинхронных спутников-ретрансляторов» (патент RU №2366086). Система строится с применением спутников-ретрансляторов на высоких эллиптических орбитах типа «Тундра» и имеющих разнесенные на 120° долготы восходящих узлов. Абонентами системы являются земные станции и низкоорбитальные космические аппараты, работающие в общем диапазоне волн. Спутники-ретрансляторы оснащены многолучевыми антеннами, центральная группа лучей которых обслуживает наземных абонентов во время нахождения космического аппарата в зоне обслуживания, а периферийная - космических абонентов. Когда космический аппарат находится вне зоны обслуживания наземных абонентов, все лучи многолучевой антенны используются для обслуживания космических абонентов. Связь с земными абонентами осуществляют в период нахождения по меньшей мере одного спутника-ретранслятора над зоной обслуживания земных абонентов. Многолучевая антенна каждого спутника-ретранслятора имеет максимальный угол отклонения оси ее лучей от оси, проходящей через точку расположения спутника-ретранслятора и центр Земли, ограниченный углом α=arcsin [RKA/(R3+НПРС)], где RKA - радиус сферы возможных положений космических абонентов; R3 - радиус Земли; НПСР - высота перигея орбиты спутника-ретранслятора.
Недостатком этой системы является применение высокой эллиптической орбиты типа «Тундра» с высокой высотой апогея на рабочем участке - 43000 км, что значительно усложняет оборудование абонентов ввиду необходимости проведения процедуры «хендовера». Кроме того, в системе не предусмотрена возможность обслуживания частных потребителей с малогабаритными абонентскими терминалами. Непрерывное обслуживание абонентов возможно только при наличии нескольких космических аппаратов, что удорожает данную систему.
Известна многоцелевая космическая система (Патент RU №2360848) для обслуживания обширного географического региона на базе высокоорбитальных и низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и наземных пунктов связи и управления, включающая, два КА для метеорологического и геофизического мониторинга, не менее двух специализированных КА связи, а так же один или два КА на низких орбитах для радиолокационного мониторинга.
Недостатком этой системы является большое число КА на разных орбитах в орбитальной группировке, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание, а так же создает сложности в ретрансляции информации с низкоорбитальных КА. Кроме того, в заявке предлагается использовать минимальное количество КА (2) на высокой эллиптической орбите для организации спутниковой связи, однако этого будет недостаточно для бесперебойного обслуживания абонентов.
В указанных источниках информации описаны способы и системы передачи радиосигналов, основанные на применении спутниковых систем и их определенного распределения на орбитах. Техническое решение, близкое по сущности и назначению авторами не выявлено.
Технической проблемой является создание способа ретрансляции радиосигналов с геостационарной орбиты с высокой производительностью и эффективным использованием частотного спектра при использовании одного спутника-ретранслятора, обеспечивающего спутниковую связь и высокоскоростной доступ в Интернет на территории Российской Федерации.
Техническая проблема решается за счет того, что в способе ретрансляции радиосигналов с геостационарной орбиты на борту космического аппарата размещают два бортовых ретрансляционных комплекса (БРК) - С- и Q/Ka-диапазона, при этом БРК С-диапазона включает в себя ретранслятор С-диапазона и антенно-фидерную систему С-диапазона; БРК Q/Ka -диапазона включает в себя ретранслятор Q/Ka-диапазона, антенно-фидерную систему Q-диапазона, антенно-фидерную систему Ka-диапазона; в С-диапазоне формируют региональную и глобальную зоны обслуживания; в Q-диапазоне обеспечивают перенацеливаемую зону обслуживания, сформированную узким управляемым антенным лучем на прием от центральной наземной станции, и 28 узких антенных лучей многолучевой зоны обслуживания с переиспользованием частот на прием от абонентов; в Ка-диапазоне обеспечивают перенацеливаемую зону обслуживания, сформированную узким управляемым антенным лучем для передачи на центральную наземную станцию и 28 узких антенных лучей многолучевой зоны обслуживания с переиспользованием частот на передачу абонентам; при этом применяют поляризационное уплотнение каналов и многолучевые антенны Q и Ка - диапазонов; предусматривают возможность связи между центральными наземными станциями в С/Ka, Q/C и Q/Ka - диапазонах.
Для решения поставленной задачи используется спутник-ретранслятор на геостационарной орбите, обеспечивающий зону обслуживания, покрывающую территорию Российской Федерации, базовые земные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями и наземные средства потребителей подвижной и фиксированной связи.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена региональная зона обслуживания БРК С-диапазона; на фиг. 2 - зона обслуживания БРК Q/Ka-диапазона; на фиг. 3 - функциональная схема БРК С-диапазона; на фиг. 4 - функциональная схема «прямых» каналов БРК Q/Ka-диапазона; на фиг. 5 - функциональная схема «обратных» каналов БРК Q/Ka-диапазона; на фиг. 6 - частотно-поляризационный план БРК С-диапазона; на фиг. 7 - частотно-поляризационный план БРК Q/Ka-диапазона.
На борту космического аппарата предлагается разместить два бортовых ретрансляционных комплекса (БРК) - С- и Q/Ka-диапазона, обеспечивающих прозрачную ретрансляцию (ретранслируемый радиосигнал не подвергается цифровой обработке).
БРК С-диапазона включает в себя:
а) ретранслятор С-диапазона:
1) ретрансляционное оборудование С-диапазона;
2) ВЧ кабельную сеть и волноводы;
б) антенно-фидерную систему С-диапазона;
БРК Q/Ka -диапазона включает в себя:
а) ретранслятор Q/Ka-диапазона:
1) ретрансляционное оборудование Q-диапазона;
2) ретрансляционное оборудование Ka-диапазона;
3) ВЧ кабельную сеть и волноводы;
б) антенно-фидерную систему Q-диапазона;
в) антенно-фидерную систему Ka-диапазона;
БРК С-диапазона обеспечивает прием и передачу 12 стволов с левой (LHCP) и правой (RHCP) круговой поляризацией в соответствии с частотным планом (фиг. 6), а также передачу немодулированного сигнала двух радиомаяков в левой и правой круговой поляризациях. Каждый ствол снабжен отдельным усилителем мощности (передатчиком).
БРК С-диапазона обеспечивает 2 зоны обслуживания:
а) региональную зону обслуживания 3,5°×8° (фиг. 1) на прием и передачу для всех 12 стволов. Зоны обслуживания должны перенацеливаться по командам с Земли в любую точку видимой со спутника поверхности Земли.
б) глобальную зону обслуживания 15°×15°, на прием и передачу для двух стволов.
Функциональная схема БРК С-диапазона представлена на фиг. 3. С приемной антенны суммарный радиосигнал на частоте приема проходя через входной фильтр поступает на вход приемников (ПРМ) для усиления с низким уровнем шума и переноса на частоту передачи. С выхода приемников сигнал, проходя через входной мультиплексор (IMUX) разделяется на канальные сигналы для усиления передатчиками (ЛУЛБВ), после чего канальные сигналы вновь объединяются в суммарный сигнал при помощи выходного мультиплексора (OMUX) для передачи потребителям посредством передающей антенны.
БРК Q/Ka-диапазона обеспечивает функционирование 28 стволов «прямых» каналов (Центральная станция (ЦС) - Абонент) шириной полосы пропускания 72 МГц и 28 стволов «обратных» каналов (Абонент - ЦС) шириной полосы пропускания 72 МГц в соответствии с частотным планом (ил. 7). Зона обслуживания «прямых» и «обратных» каналов состоит из 28 лучей и представлена на фиг. 2.
БРК Q/Ka-диапазона обеспечивает функционирование 4 каналов прямой ретрансляции шириной полосы пропускания 72 МГц внутри перенацеливаемой зоны обслуживания (направление ЦС-ЦС).
БРК Q/Ka-диапазона обеспечивает прием сигналов с левой круговой поляризацией в многолучевой зоне обслуживания и с левой и правой круговой поляризацией в перенацеливаемой зоне обслуживания.
БРК Q/Ka-диапазона также обеспечивает передачу сигналов маяков с левой и правой круговой поляризацией в зоне обслуживания 2,5°×8°.
Функциональная схема БРК Q/Ka-диапазона представлена на фиг. 5 и фиг. 6. В отличие от БРК С-диапазона во входной секции стволов для усиления с низким уровнем шума и переноса на частоту передачи используются малошумящие усилители (МШУ) в связке с конвертерами (КНВ) вместо приемников. Данное решение обусловлено отсутствием приемников Q/Ka-диапазона.
Данный способ реализован в бортовом ретрансляционном комплексе (БРК) КА. БРК КА в Q/Ka-диапазоне построен по архитектуре HTS (фиг. 5, 6), что обеспечивает эффективное использование частотного спектра и высокую удельную энергетику КА.
Достигаемым техническим результатом данного изобретения является предоставление услуг спутниковой связи на территории Российской Федерации с использованием одного спутника. Использование в ретрансляторе Q-диапазона позволяет повысить эффективность использования частотного спектра, а также позволяет снизить массогабаритные показатели полезной нагрузки космического аппарата. Высокая пропускная способность достигается за счет поляризационного уплотнения каналов и применения многолучевых антенн Q и Ка - диапазонов, позволяющих многократно использовать частоты и улучшить энергетику в абонентских линиях связи.