Глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах
GLOBAL SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM ON MEDIUM CIRCULAR ORBITS

Изобретение относится к глобальным спутниковым информационным системам.
Из существующего уровня техники известны различные системы спутниковой связи, в которых предлагается использовать множество спутников на негеостационарной орбите (см. патенты RU №№2107990, 2496233, 2302695).
Недостатками этих систем является орбитальная группировка космических аппаратов, которая построена на базе двух разновысотных орбитах. Данное орбитальное построение приводит к удорожанию выведения космических аппаратов на орбиты, увеличивает время задержки передачи сигнала и усложняет определение энергетических характеристик абонентских терминалов из-за различия в энергетике радиолиний между абонентскими терминалами и космическими аппаратами на разных орбитах.
Известен способ построения спутниковой системы связи между абонентами (Патент RU 2107990 С1), который может быть применен при создании системы спутниковой связи с использованием искусственных спутников Земли на круговых низких орбитах. Задачей изобретения является создание наиболее экономичного способа построения спутниковой связи между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара. Для этих целей используются системы спутниковой связи со спутниками на геостационарных орбитах. Связь между любыми абонентами, находящимися в зоне видимости низколетящего спутника устанавливается непосредственно через этот спутник. Известный способ построения спутниковой системы связи между абонентами обеспечивает связь между абонентами, находящимися как в зоне видимости низколетящего спутника, так и находящимися в любой точке земного шара, что в свою очередь позволяет решать следующие задачи: наблюдение за местонахождением и состоянием ценных, дорогостоящих и опасных грузов на подвижных объектах; оперативная передача данных от них службам, контролирующим и сопровождающим эти объекты, а также выдача при необходимости, управляющих команд (так называемая служба RDSS - обнаружение объектов по радио со спутников); доставка сообщений о состоянии и результатах функционирования стационарных объектов.
Недостатком этой системы является дублирование орбитальных группировок космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите и КА на низких орбитах для связи с абонентами вне зоны обслуживания геостационарных КА. Кроме того, потребуется дублирование наземных средств управления и организации связи для управления двумя орбитальными группировками.
Также известна низкоорбитальная система спутниковой связи, использующая легкие спутники, функционирующие на низких околоземных орбитах (Патент RU 2496233 С2). Технический результат известной системы заключается в обеспечении глобальной непрерывной связи между абонентами, возможности реализации мобильной телефонии и высокоскоростной передачи данных в любых точках земного шара при использовании минимально необходимого (оптимального) количества легких спутников в системе и минимальной стоимости создания системы спутниковой связи. Для этого искусственные спутники Земли сформированы в две группировки спутников связи, одна из которых состоит из N спутников связи, где N - целое число, и расположена на n околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 0°-30°, по N/n спутников на каждой орбите, другая группировка состоит из М спутников связи, где М - целое число, и расположена на m околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 60°-90°, по M/m спутников на каждой орбите, при этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m градусов.
Недостатком этой системы является сложный, не до конца определенный состав орбитальных группировок космических аппаратов на разновысоких орбитах, что усложняет ввод системы в эксплуатацию и ее дальнейшее обслуживание. Кроме того, в заявке не определено количество требуемых космических аппаратов на разных орбитах.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является многофункциональная космическая коммуникационная система (Патент RU 2302695 С2), включающая в себя группировку спутников, выведенных на геостационарную орбиту, группировку спутников, выведенную на низковысотную орбиту, и как минимум один наземный пункт управления. Система дополнительно снабжена группировкой спутников, выведенных на средневысотную орбиту, причем как минимум один спутник, расположенный на геостационарной орбите посредством линии связи соединен с наземным пунктом управления, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, соединенных друг с другом высокоскоростными линиями связи и предназначены для ретрансляции управляющих сигналов с наземного пункта управления на спутники, расположенные на средне- и низковысотных орбитах, с которыми они имеют возможность соединения посредством линий связи, и ретрансляции информационных сигналов, полученных от спутников средне- и низковысотных орбит на наземный пункт управления, при этом каждый из спутников, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи как минимум с одним из спутников, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из спутников, расположенных на данной орбите, - с одним из спутников геостационарной орбиты.
Недостатком этой системы является большое число КА на разновысотных орбитах, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание. Так же в заявке не описано, с какими наземными средствами и потребителями возможна организация связи в системе. Кроме того, организация связи в несколько скачков (потребитель - низкоорбитальный КА - геостационарный КА - наземная станция) увеличивает задержки и снижает надежность линии связи.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка глобальной системы спутниковой связи на средних круговых орбитах, позволяющей при минимальном количестве космических аппаратов обеспечить обслуживание всей территории Земли, повысить надежность и качество связи за счет упрощения абонентских терминалов и глобальной системы в целом.
Данная задача решается за счет того, что в глобальной системе спутниковой связи на средних круговых орбитах, состоящей из орбитальной группировки космических аппаратов, наземного центра управления полетом, региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями, наземных средств потребителей, орбитальная группировка состоит из 12 космических аппаратов, расположенных на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях, по 4 космических аппарата в каждой плоскости, при этом орбитальные плоскости смещены на 120°, а космические аппараты оснащены 10 перенацеливаемыми зеркальными антеннами. Орбитальная группировка расположена на средней круговой орбите высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6°.
Полученными техническими результатами являются:
1. Применении средней круговой орбиты позволяет использовать недорогие малогабаритные космические аппараты (массой до 500 кг), что снижает стоимость создания системы, в том числе за счет упрощения их выведения на орбиту, в том числе с помощью групповых запусков. Небольшая высота орбиты улучшает энергетику радиолиний, так как значительно уменьшаются потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (по сравнению с космическими аппаратами на геостационарной орбите), благодаря этому упрощаются абонентские терминалы, т.к. в них становится возможно применение антенн меньших габаритов. Это значительно упрощает и удешевляет абонентские терминалы. Оптимальным решением построения орбитальной группировки для уверенного обслуживания всей территории Земли является равномерное распределение аппаратов по нескольким орбитальным плоскостям с применением средней круговой орбиты.
2. Применение на борту космических аппаратов зеркальных антенн, с возможностью перенацеливания, позволяет конфигурировать лучи в зоне обслуживания в зависимости от потребности абонентов в информационных услугах в том или ином регионе. Зеркальные антенны формируют несколько лучей в зоне обслуживания КА, что повышает энергетику радиолиний и позволяет использовать в абонентских терминалах простые малогабаритные ненаправленные антенны без необходимости слежения за КА. Это также снижает габариты, массу и энергопотребление абонентских терминалов, тем самым увеличивая число перспективных пользователей и расширяя возможные области применения системы.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:
На фиг. 1 - Космический аппарат, оснащенный 10 осесимметричными перенацеливаемыми зеркальными антеннами;
На фиг. 2 - Орбитальная группировка космических аппаратов на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях;
На фиг. 3 - Глобальная система для широкополосного высокоскоростного доступа в интернет с космическими аппаратами на средней круговой орбите.
Глобальная система спутниковой связи состоит из орбитальной группировки, состоящей из 12 космических аппаратов, расположенных на средней круговой орбите в трех орбитальных плоскостях (по 4 космических аппарата в каждой плоскости). Орбитальные плоскости смещены на 120°. Каждый из 12 космических аппаратов предполагается оснастить 10 транспондерами Ка-диапазона, по 5 транспондеров в каждой из поляризаций (на фигуре не показано), где каждый транспондер оснащен осесимметричной перенацеливаемой зеркальной антенной 1. Наземный сегмент включает цент управления полетом 2, региональные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями 3, и наземных средств потребителей (абонентских терминалов) (на фигуре не показано).
Система спутниковой связи функционирует следующим образом: по запросу абонентского терминала (на фигуре не показано), находящегося в одном из лучей, формируемом приемо-передающими перенацеливаемыми зеркальными антеннами 1, бортовой ретранслятор космического аппарата устанавливает с ней связь, организуя прямой канал связи между абонентским терминалом и региональной станцией для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями 3. Для этого используется коммутация каналов и преобразование сигнала на другую частоту на борту космического аппарата. В случае выхода абонентского терминала из зоны видимости всех антенн, установленных на борту космического аппарата, происходит переключение абонентского терминала на другой космический аппарат (происходит процедура «хэндовера»).
Данное построение орбитальной группировки обеспечивает устойчивое глобальное покрытие все территории Земли, и трехкратное покрытие большей части территории России. Заявленные характеристики с глобальным покрытием реализуются при использовании предлагаемого типа средней орбиты, высотой 8070 км, наклонением орбиты 51,6°. При данных параметрах орбитальной группировки обеспечивается двукратное покрытие 99,53% территории РФ по углу места 10°, и трехкратное 45,0% территории Земли. Предполагается производить групповое выведение 4 космических аппаратов на орбиту. Следовательно, для развертывания трех орбитальных плоскостей необходимо 3 запуска, что сильно влияет на снижение стоимости создании системы и увеличивает ее конкурентоспособность по сравнению с системами на других орбитах.