СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ И НАЗЕМНЫМИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИМИ СТАНЦИЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ
DEVELOPMENT METHOD OF GLOBAL SATELLITE SYSTEM OF INFORMATION BROADCASTING BETWEEN LOW-ORBITING SPACECRAFTS AND GROUND RECEIVING-AND-TRANSMITTING STATIONS BY USING SATELLITES-RETRANSLATORS ON GEOSTATIONARY ORBIT

Изобретение относится к области радиосвязи с применением геостационарных спутников-ретрансляторов (СР) и предназначено для преимущественного использования в глобальных космических системах ретрансляции и связи, абонентами которых являются низкоорбитальные космические аппараты (НКА).
Известен способ, использованный в системе спутниковой связи на основе геостационарного СР Artemis, согласно которому данный СР осуществлял связь с НКА с помощью узкого лазерного луча, который перемещался в пределах всей видимой с СР зоны обзора /Мохов В. Впервые спутники «общались» с помощью лазера. - Новости космонавтики, 2002, №1 (228) [1]/.
Известен способ, использованный в космической системе ретрансляции США TDRSS, согласно которому в системе каждый из геостационарных СР этой системы также осуществляет связь с НКА с помощью следящей параболической зеркальной антенны с узким лучом, наводимым в пределах всей видимой с СР зоны обзора /Потегов В.И. Спутниковая система слежения и ретрансляции данных TDRSS. - Зарубежная радиоэлектроника, 1984, №5, с.46-58 [2]/.
НКАмакс
ГСО
НКАмакс
ГСО
В обоих случаях связь СР с НКА осуществляется в пределах пространства, ограниченного с внешней стороны круговым прямым конусом с вершиной в точке расположения СР и с осью, проходящей через центр Земли и точку расположения СР, при этом угол при вершине конуса составляет не менее 2arcsin (R/R), где R - максимальный радиус орбиты НКА, R - радиус геостационарной орбиты СР, а наземные приемопередающие станции располагались в зоне радиовидимости СР.
Последний из изложенных способов был выбран в качестве прототипа.
Способ связи - прототип имеет следующий недостаток: выбранные для СР точки стояния на ГСО не позволяют космической системе на базе этих СР полностью охватить область возможных положений НКА на их орбитах. В частности, как следует из [2], при расположении СР системы TDRSS в точках стояния 41° з.д. и 171° з.д. для НКА с высотой полета до 1200 км существует «теневая» зона, в которой НКА не могут быть обслужены.
Целью изобретения является обеспечение глобального обслуживания геостационарными спутниками-ретрансляторами низкоорбитальных космических аппаратов в любой точке их возможного местонахождения в процессе эксплуатации на орбите.
З
ГСО
З
НКАмин
З
ГСО
З
НКАмин
З
НКАмин
Поставленная цель достигается тем, что орбитальное разнесение спутников-ретрансляторов выбирают в пределах от 2[arcsin (R/R)+arcsin(R/R)] до 360°-2[arcsin (R/R)+arcsin(R/R)], где R - радиус Земли с учетом высоты атмосферного слоя, R - минимальный радиус орбиты низкоорбитального космического аппарата.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-5, где:
- на фиг.1 представлены геометрические построения для определения размеров зоны невидимости, возникающей при связи между НКА и СР и обусловленной затенением Земли;
- на фиг.2 показана проекция зоны невидимости одного СР, находящегося в произвольной точке геостационарной орбиты;
- на фиг.3 показано положение зон невидимости двух СР, разнесенных между собой по дуге геостационарной орбиты в соответствии с предлагаемым способом;
- на фиг.4 приведены геометрические построения для расчета углового разнесения между СР и зоны обзора СР со стороны НКА;
- на фиг.5 представлен увеличенный фрагмент фиг.4, включающий Землю и прилегающую к ней сферу возможных положений НКА с минимальным радиусом орбиты.
ГСО
З
НКАмакс
НКАмин
На фиг.1 введены следующие условные обозначения: R - радиус геостационарной орбиты, R - радиус Земли с учетом высоты атмосферного слоя, R - максимальный радиус орбиты НКА, R - минимальный радиус орбиты НКА, α - угол при вершине конуса, охватывающего из точки А нахождения СР на ГСО всю область возможных положений НКА, β - максимальный угловой размер зоны невидимости НКА. А' обозначает подспутниковую точку СР на поверхности Земли, а А” - противоположную ей точку на обратной стороне Земли.
З
НКАмин
НКАмакс
При рассмотрении фиг.1 принимается, что плоскость чертежа совпадает с плоскостью геостационарной орбиты СР, находящегося в точке А, а окружности радиусов R, R и R (с общим центром в точке О) являются соответственно линиями пересечения плоскости ГСО с земной сферой и сферами возможных положений НКА с минимальным и максимальным радиусами их орбит.
Как видно из фиг.1, зона обзора области возможных положений обслуживаемых спутником-ретранслятором НКА, которая заключена в промежутке между сферами возможных положений с минимальным и максимальным радиусами их орбит, определяется конусом с вершиной в точке А и углом при вершине α.
НКАмакс
НКАмакс
ГСО
НКАмакс
ГСО
Для определения угла α рассмотрим прямоугольный треугольник АВО, где АВ является касательной к сфере возможных положений НКА с максимальным радиусом орбиты R. Из известных геометрических соотношений следует, что sin(α/2)=R/R, т.е. α=2arcsin(R/R). С учетом присущих СР неточностей ориентации в направлении на центр Земли величина угла α должна быть, по крайней мере, не меньше определяемой вышеприведенным соотношением. Это обстоятельство отображено в ограничительной части формулы изобретения.
Линии АС и AD на фиг.1 представляют собой линии связи, пролегающие на минимально допустимой высоте над поверхностью Земли (высоте атмосферного слоя). При большем приближении к Земле линия связи будет испытывать различного рода искривления и затухания, вызванные влиянием земной атмосферы. Практически значение этой высоты принимается не менее 100 км.
Пересечение указанных линий АС и AD с проекциями сфер возможных положений НКА максимального и минимального радиуса орбиты в точках соответственно С, D и Е, F позволяет определить размеры зон невидимости на этих сферах. Эти проекции представляют собой выделенные жирными линиями дуги CD (на сфере максимального радиуса орбиты) и EF (на сфере минимального радиуса). Как следует из фиг.1, угловой размер зоны невидимости на сфере возможных положений НКА для минимального радиуса орбиты больше, чем для максимального радиуса (угол EOF /β/ больше угла COD). Поэтому в дальнейшем, рассматривая зону невидимости, будем принимать ее максимальный угловой размер, соответствующий НКА с минимальным радиусом орбиты. Отметим, что точка Н, находящаяся на середине дуги EF, будет необходима при последующем анализе.
Определим указанный максимальный угловой размер зоны невидимости β.
Из геометрических построений на фиг.1 следует, что угол β/2 в сумме с углом AOF равен 180°, т.е.:
В треугольнике AOF угол AOF в сумме с углами OAF и AFO составляет также 180°:
После подстановки (2) в (1) получаем:
З
ГСО
Из прямоугольного треугольника AOG следует, что синус угла OAG (он же угол OAF) равен отношению сторон OG и ОА, где сторона OG равна радиусу Земли с учетом высоты атмосферного слоя R, а ОА - радиусу геостационарной орбиты R. Тогда:
З
НКАмин
Угол AFO может быть определен исходя из прямоугольного треугольника OFG, где его синус равен отношению сторон OG и OF, которые соответственно равны R и минимальному радиусу орбиты НКА R. Тогда:
В конечном счете, после подстановки (4) и (5) в выражение (3) и дополнительного преобразования получаем формулу для расчета максимального размера зоны невидимости:
ГСО
З
НКАмин
Для примера, в соответствии с формулой (6) при R=42170 км, среднем радиусе Земли R=6471 км (с учетом высоты атмосферного слоя 100 км) и минимальном радиусе орбиты НКА R=6671 км (при высоте полета НКА 300 км) максимальный угловой размер зоны невидимости составит β=169,5°.
Проекция зоны невидимости НКА 1 с вышеуказанным максимальным угловым размером на поверхность Земли, представленную в виде координатной сетки в прямоугольной системе координат, приведена на фиг.2. Для удобства принято, что геостационарный СР размещается в точке стояния 100° в.д. (подспутниковая точка ), при этом центр зоны невидимости 1 отстоит от подспутниковой точки на 180° .
1
2
Как видно из фиг.1 и 2, при одном СР теоретически невозможно обеспечить глобальный охват области возможных положений НКА на их орбитах. Это может быть достигнуто с помощью как минимум двух СР. Как развитие фиг.2 на фиг.3 показаны зоны невидимости НКА 1 и 2 двух геостационарных СР, расположенных в точках стояния, которым соответствуют подспутниковые точки  и  (центры зон невидимости находятся соответственно в точках  и  Из фиг.3 следует, что условием глобального охвата НКА является отсутствие перекрытия зон невидимости 1 и 2. Для этого взаимное расположение указанных зон должно быть таким, чтобы они, как минимум, только соприкасались между собой (в точке Е). Этот случай рассматривается на фиг.4, во многом аналогичной фиг.1, но при двух СР в точках стояния A и А.
На фиг.4 (и более крупным планом - на фиг.5) на сфере возможных положений НКА с минимальным радиусом орбиты показаны проекции зон невидимости СР из фиг.3, при этом зоне невидимости 1 соответствует проекция в виде дуги EJF, а зоне невидимости 2 - проекция в виде дуги EIH. Точкой соприкосновения этих зон является точка Е.
1
2
1
2
1
2
1
2
Из приведенных на фиг.4 геометрических построений следует, что соответствующее случаю непересечения зон невидимости СР угловое разнесение последних по дуге ГСО равно углу AOA. Как известно из геометрии, образующиеся при пересечении двух прямых линий противолежащие центральные углы равны между собой. На фиг.4 пересекающиеся прямые AH и AI образуют пару таких углов: AOA и IOH. При этом угол IOH состоит из двух равных между собой углов IOE и ЕОН, каждый из которых в соответствии с фиг.1 представляет собой половину углового размера зоны невидимости СР β/2. Отсюда следует, что искомый угол AOA равен β, и это является минимальным значением углового разнесения между СР.
Отметим, что поскольку точки Н и I являются центрами зон невидимости соответственно первого и второго СР, то угловое разнесение между СР равно угловому расстоянию между центрами зон их невидимости.
2
1
Если теперь на фиг.4 и фиг.5 перемещать СР из точки A в направлении по часовой стрелке, то можно заметить, что проекция зоны невидимости этого СР (дуга J I E) также будет перемещаться в том же направлении. И до тех пор, пока точка J не совпадет с точкой F (границей зоны невидимости первого СР в точке A), будет сохраняться условие непересечения зон невидимости СР. Напомним, что это является условием глобального охвата области возможных положений НКА.
В координатах фиг.3 это соответствует размещению зоны невидимости 2 слева от зоны 1 (соприкосновение в точке F). И в этом случае угловое разнесение между центрами зон 1 и 2 составит β, но фактически, из фиг.4, оно составит 360°-β.
З
ГСО
З
НКАмин
З
ГСО
З
НКАмин
Таким образом, для обеспечения глобального охвата области возможных положений НКА на их орбитах угловое разнесение между СР должно находиться в пределах от β до 360°-β или с учетом формулы (6) от 2[arcsin(R/R)+arcsin(R/R)] до 360°-2[arcsin(R/R)+arcsin(R/R)].
В заключение необходимо определить, в какой области пространства должен обеспечивать НКА связь СР при осуществлении ими глобального охвата области возможных положений НКА.
НКАмин
1
2
Из фиг.5 следует, что при перемещении НКА по орбите (т.е. окружности радиусом R) из точки К в точку E, лежащую на стыке двух зон невидимости, угол визирования Θ первого СР в точке A со стороны НКА изменяется от 0° (направление на СР совпадает с осью Х НКА, ориентированной на центр Земли) до некоторого максимального значения. При дальнейшем своем движении НКА выходит из зоны видимости первого СР и входит в зону видимости второго СР в точке А. В ходе перемещения от точки Е до точки L упомянутый угол визирования Θ будет изменяться от максимального значения до 0°.
Для определения максимального значения угла Θ рассмотрим прямоугольный треугольник МОЕ. Противолежащий катету ОМ угол γ равен:
но поскольку угол γ составляет с углом Θ 180°, то искомый угол Θ будет равен:
З
макс
Следует отметить, что вышеизложенные рассуждения касались случая нахождения НКА на орбите с минимальным радиусом (минимальной высотой полета). В общем случае НКА, обслуживаемый глобальной спутниковой системой ретрансляции, может обращаться по орбите, отличающейся от круговой, с минимальной и максимальной высотой полета. Если обратиться к формуле (8), то можно увидеть, что с увеличением высоты (радиуса) орбиты НКА увеличивается и угол Θ. Следовательно в формуле (8) вместо минимального радиуса орбиты НКА необходимо ввести максимальный радиус, но с учетом возможности использования некруговых орбит этот максимальный радиус выразить через максимальную высоту полета НКА в виде R+Н.
Поэтому в конечном счете связь каждого конкретного НКА с СР при обеспечении ими глобального охвата пространства возможного положения данного НКА необходимо осуществлять в пределах угла раскрыва
Указанный угол Θ ориентирован в направлении от центра Земли и отсчитывается во всех азимутальных направлениях относительно прямой линии, соединяющей центр Земли с точкой расположения НКА.
В плане примера реализации предлагаемого способа можно указать, что при минимальном радиусе орбиты НКА 6671 км (высоте полета 300 км) угловое разнесение между точками стояния СР составит от 169,5° до 190,5°. Т.е. минимально необходимое число СР в системе равно двум.
Для обеспечения возможности работы в такой системе НКА с максимальной высотой полета 2000 км должны формировать антенный луч в области пространства Θ=±130°. В зависимости от конкретных условий это означает, что либо неподвижная антенна НКА должна иметь указанную выше ширину диаграммы направленности (в форме кардиоиды), либо в этих пределах должен перемещаться узкий луч управляемой антенны.
Использование предлагаемого способа позволяет оптимальным образом выбрать точки стояния для спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите и создать на их основе глобальную систему ретрансляции для обслуживания низкоорбитальных космических аппаратов в любой точке области их возможных положений при минимальном числе СР.
Из известных автору источников патентных и информационных материалов не известна совокупность признаков заявляемых объектов, поэтому заявитель склонен считать техническое решение отвечающим признакам новизны.
Настоящее решение технически реализуемо, поскольку базируется на известных и отработанных устройствах, и предполагается к использованию в космической системе ретрансляции, предназначенной для информационного обмена с НКА.