СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ И НАБЛЮДЕНИЯ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ ШИРОТ
SATELLITE COMMUNICATION AND SURVEILLANCE SYSTEM IN GIVEN LATITUDE RANGE

Область техники
Изобретение относится к спутниковым системам (СС) связи и наблюдения, использующим легкие спутники, которые функционируют на низких и средних высотах над поверхностью планет и обеспечивают непрерывное региональное покрытие в заданном диапазоне широт.
Предшествующий уровень техники
Известно, что в различных системах спутниковой связи используются искусственные спутники Земли, летающие на геостационарной, высокоэллиптических и низких околоземных орбитах (см. например В. Кириллов, П. Михеев. Расстояния на миг сократив (Обзор зарубежных низкоорбитальных спутниковых систем связи). ТЕЛЕ-Спутник N8(22), август 1997).
Выбор схемы орбитального построения спутниковых систем связи и наблюдения зависит от назначения данных СС, обеспечения требуемых технических и функциональных характеристики системы в том или ином районе Земли при минимальных затратах. При этом, от выбранных параметров орбит существенно зависят возможности в принципах организации связи, например:
- наиболее используемая в настоящее время для связи геостационарная орбита при многих положительных качествах имеет существенные недостатки. В частности, из-за ограничений по радиовидимости не обеспечивает связь для арктических и антарктических районов Земли с широтами более 65-70° северной и южной широты; из-за большой высоты орбиты возникает значительная задержка радиосигнала (до 0,5-0,6 сек), существенно снижающая качество связи в реальном масштабе времени.
Кроме того, требуется значительная мощность ретрансляторов и электрогенерирующих систем спутников;
- высокоэллиптические орбиты вместе со значительным изменением по времени высоты полета спутника имеют ограниченное время радиовидимости (как правило, не более 8 часов в сутки) и для обеспечения непрерывной связи требуют использования системы из нескольких спутников, при этом создание на этих орбитах глобальной связи по всему земному шару является технически и экономически сложной задачей;
- низкоорбитальная система спутниковой связи, вместе с необходимостью значительного количества спутников для организации связи и обеспечением маршрутизации радиосигналов между абонентами, имеет ряд преимуществ: близость спутников к Земле и, следовательно, к абонентам; минимальные задержки сигналов, что улучшает качество голосовой связи, Internet и интерактивного телевидения (видео-переговоры, видеоконференции); снижается потребная мощность и вес бортовой приемопередающей аппаратуры и систем электропитания спутников, а также аппаратуры абонентов. Расположение орбит системы спутниковой связи ниже радиационных поясов Земли (ниже 1400-1500 км) обеспечивает защиту спутников и радиоэлектронной аппаратуры от жесткого ионизирующего солнечного излучения, что увеличивает их срок активного существования (САС), спутники доставляются на низкую более «дешевую» орбиту, требующую меньших затрат на их выведение в космос.
Известны реализованные в мире низкоорбитальные системы спутниковой связи:
- «Iridium» и «Globalstar» (N. Panagiotarakis, I. Maglogiannis, G. Kormentzasan. Overview of Major Satellite Systems. University of the Aegean Dept. of Information and Communication Systems, GR-83200, Karlovassi, GREECE (Electronically available information in the URL: http://www.iridium.com), (Electronically available information in the URL: http://www.globalstar.com));
- «ORBCOMM» (Низкоорбитальная спутниковая система связи ORBCOMM: реальные и перспективные возможности для Европейского региона (http://kunegin.narod.ru/ref3/niz/leo16.htm));
- «Гонец» (Низкоорбитальная космическая система персональной спутниковой связи и передачи данных / Под ред. Генерального конструктора многофункциональной космической системы персональной спутниковой связи и передачи данных, президента ОАО «Спутниковая система «Гонец» А.И. Галькевича - Тамбов: ООО «Издательство Юлис», 2011. - 169 с., ил.)
Сравнительные характеристики рассмотренных низкоорбитальных СС связи (согласно: А. Крылов. «Анализ создания и развития низкоорбитальных систем спутниковой связи». Журнал «Спутниковая связь и вещание-2011», с. 46-49) приведены в таблице 1. В ней приняты следующие обозначения: h - высота орбиты; i - наклонение орбиты; N - количество спутников в системе; Р - количество орбитальных плоскостей.
Из приведенных в таблице 1 данных по низкоорбитальным СС связи видно, что система «Иридиум» обеспечивает глобальную подвижную связь по всему земному шару. Однако эта система обладает существенным недостатком - в высокоширотных областях, в околополярных зонах Земли, где плотность абонентов связи мала, одновременно находится избыточное количество спутников связи (например, над каждым из полюсов единовременно находится от 7 до 14 спутников).
Система Globalstar при большом количестве спутников (48+8 резервных) обеспечивает непрерывную подвижную связь только в зоне земного шара между 70° северной и 70° южной широтами. Связь в околополярных зонах отсутствует.
Системы ORBCOMM и «Гонец» используется только для периодической связи и пакетной передачи данных. Кроме того, система «Гонец» в полной конфигурации содержит 6 орбитальных плоскостей и с учетом приполярного наклонения, также будет иметь избыточность в количестве единовременных находящихся в приполярной области спутников.
Известна низкоорбитальная система спутниковой связи (патент РФ №2496233 опубл. 20.10.2013) предназначенная для глобального обзора и состоящая из двух сегментов обеспечивающих непрерывное покрытие в приэкваториальной и приполярной областях. Также известна СС связи и наблюдения приэкваториальных широт (патент РФ №2653063 опубл. 07.05.2018). Указанные варианты построения СС связи и наблюдения не позволяют обеспечить непрерывное наблюдение только в заданном диапазоне средних широт и требуют большей высоты полета КА.
Применительно к непрерывному обзору средних широт, когда минимальная широта отлична от экватора, а максимальная от полярной точки, наиболее простым вариантом является построение СС с касанием полосой непрерывного обзора минимальной широты. При этом покрытие на максимальной широте организуется путем пересечения полос непрерывного обзора спутниками, движущимися по нисходящей и восходящей ветви соседних орбиты. Данный вариант построения требует достаточно большой высоты полета КА для обеспечения непрерывного покрытия заданного диапазона широт.
Известен вариант построения СС на наклонных орбитах для непрерывного покрытия средних широт со стыком полос обзора на промежуточной широте (Rider L. Analytic design of satellite constellations for zonal earth coverage using inclined circular orbits // Journal of the Astronautical Sciences. 1986. Vol. 34, №.1. P. 31-64). Особенностью данного решения является определение минимальной ширины полос непрерывного обзора, стыкующихся внутри выбранного диапазона широт и обеспечивающих его постоянное наблюдение с заданной кратностью. Данное решение является наиболее близким к заявляемому изобретению и принято в качестве прототипа.
Одним из недостатков прототипа является необходимость создания широких полос непрерывного обзора для обеспечения их стыка на промежуточной широте. Это приводит к увеличению высоты полета и/или росту потребного числа спутников в каждой плоскости и в СС в целом.
Вторым недостатком прототипа является высокая плотность обзора вблизи минимальной и максимальной широт заданного диапазона наблюдения, что формирует сильно неравномерную характеристику по среднему числу видимых спутников. Для систем телекоммуникации и передачи данных это чревато усложнением логики функционирования СС, связанной с разработкой алгоритмов включения и выключения передатчиков для снижения интерференции и влияния помех при одновременной работе соседних спутников.
Ставится задача обеспечения непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном диапазоне, ограниченном максимальной и минимальной широтой, с требуемой кратностью обзора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что спутниковая система связи и наблюдения в заданном диапазоне широт, содержащая N искусственных спутников Земли, каждый из которых оснащен бортовыми ретрансляторами с межспутниковой связью или оптической аппаратурой, где N - целое число, расположенная на n орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе восходящего узла на одинаковый угол, с равномерным распределением спутников в них, образует полосы непрерывного обзора, стыкующиеся друг с другом, отличается, согласно изобретению тем, что стык полос непрерывного обзора происходит на минимальной широте, а спутники в соседних орбитальных плоскостях сфазированы и обеспечивают непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном диапазоне, ограниченном минимальной и максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора.
Указанная новая совокупность существенных признаков, отраженных в первом независимом пункте формулы, позволяет устранить недостатки прототипа. Благодаря сфазированному (согласованному) расположению спутников в соседних орбитальных плоскостях, уменьшается требуемая ширина полосы непрерывного обзора и высота полета спутников, обеспечивая заданную кратность непрерывного покрытия при минимальном числе спутников в системе. Так устраняется первый недостаток прототипа. Осуществление стыка полос непрерывного обзора на минимальной широте позволяет получить более равномерную характеристику по числу единовременно видимых спутников. Тем самым устраняется второй недостаток прототипа. Таким образом, технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном диапазоне, ограниченного минимальной и максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора при наименьших высоте полета и числе спутников в системе.
Одним из вариантов реализации изобретения предусматривается построение СС связи и наблюдения, когда минимальная широта соответствует экватору. Это позволяет получить СС приэкваториального обзора.
Еще одним частным случаем является построение СС связи и наблюдения, когда максимальная широта соответствует полюсу. Это позволяет получить СС приполярного обзора.
Кроме того, возможно построение СС связи, когда максимальная широта соответствует полюсу, а минимальная экватору. Это позволяет получить глобальную СС связи и наблюдения.
Также, частным случаем СС связи и наблюдения в приполярном или глобальном обзоре является использование четного числа орбитальных плоскостей. Это дает возможность для кратностей покрытия два и более формировать замыкание в полярной области по ширине полос однократного обзора, что позволяет еще больше снизить высоту полета спутников.
В некоторых случаях, изобретение позволяет сформировать СС многократного покрытия, когда в зоне связи с абонентами одновременно находится несколько спутников из системы, что позволяет резервировать канал связи или увеличить пропускную способность при наличии большого количества абонентов в указанной области (например, крупные города) посредствам распределения абонентов по разным спутникам.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен вид с экватора на СС связи в форме развертки с указанием черными цифрами угловой сетки по долготе, отсчитываемой по экваториальной дуге. Синими линиями показаны трассы орбит. Черными точками текущие положения спутников на них. Синими стрелками направления движения спутников. Двумя левыми окружностями обозначены мгновенные зоны обзора двух смежных спутников в первой плоскости, разнесенными по аргументу широты на угол Δϕ. Правой окружностью показана зона обзора сфазированного с ними спутника во второй плоскости. Пунктирными линиями показаны следы полос непрерывного обзора. Штриховкой обозначена область непрерывного обзора (связи), ограниченная минимальной и максимальной широтами.
На фиг. 2 изображен вид с полюса, обозначаемого точкой «Р», на СС связи и наблюдения, когда минимальная широта непрерывного обзора определяется точками стыка полосы непрерывного обзора и угла поля обзора соседних орбитальных плоскостей. При этом, максимальная широта непрерывного обзора определяется точками пересечения полос непрерывного обзора соответствующей кратности на нисходящей и восходящей ветвях соседних орбит.
На фиг. 3 показано обеспечение стыка полос непрерывного обзора на минимальной широте, в общем случае, отличной от экватора. Принятые здесь обозначения точек пересечения и углов используются далее при описании соотношений, по которым рассчитываются параметры орбит.
На фигурах приняты следующие обозначения:
j
С - ширина полосы j-кратного обзора;
θ - угол поля обзора спутника на поверхности планеты;
i - наклонение орбиты;
Δϕ - сдвиг по аргументу широты между спутниками в одной плоскости;
dϕ - угловой размер дуги между проекциями на поверхность планеты точки пересечения орбитальных плоскостей и точки пересечения их полос непрерывного обзора;
12
Ω - сдвиг по долготе между восходящими узлами первой и второй орбитальной плоскости;
11
1S
ϕ и ϕ - аргументы широты положения первого и последнего спутника в первой орбитальной плоскости;
21
ϕ - аргумент широты положения первого спутника во второй плоскости;
j
min
j
χ и γ - плоские углы на широте ϕ, соответствующие ширине полосы непрерывного обзора С и углу поля обзора θ спутника;
min
_
ϕ минимальная широта непрерывного покрытия СС;
max
_
ϕ максимальная широта непрерывного покрытия СС.
Осуществление изобретения
Спутниковая система связи и наблюдения в заданном диапазоне широт, содержащая N искусственных спутников Земли, каждый из которых оснащен бортовыми ретрансляторами с межспутниковой связью или оптической аппаратурой, где N - целое число, расположенная на n орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе восходящего узла на одинаковый угол, с равномерным распределением спутников в них, образует полосы непрерывного обзора, стыкующиеся друг с другом, причем, стык полос непрерывного обзора происходит на минимальной широте, а спутники в соседних орбитальных плоскостях сфазированы и обеспечивают непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном диапазоне, ограниченном минимальной и максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора.
Разнесение орбитальных плоскостей по долготе восходящего узла, согласно фиг. 1 и фиг. 2, осуществляется на равные углы и позволяет обеспечить непрерывное наблюдение в заданном диапазоне широт с требуемой кратностью обзора. Количество спутников в каждой орбитальной плоскости одинаково. При этом их взаимное положение в соседних плоскостях сфазировано и позволяет получить максимальное рассогласование плоскостей по ДВУ и минимальную высоту полета КА.
min
max
Для получения соотношений, определяющих взаимосвязь параметров орбиты и условий замыкания, а также взаимное положение спутников в системе, обратимся к фиг. 2. При известной конфигурации СС, определяемой количеством спутников в плоскости, числом орбитальных плоскостей, общей кратностью покрытия, кратностью полосы непрерывного обзора, а также минимальной и максимальной широтами покрытия (S, P, n, j, ϕ, ϕ), зададимся первым приближением по наклонению орбиты, приняв его равным минимальной широте покрытия:
Далее определим сдвиги по долготе между смежными орбитальными плоскостями и значение долготы точки пересечения первой и последней плоскости:
Тогда широта точки пересечения плоскостей орбит может быть найдена по правилам сферической тригонометрии в виде:
Величина дуги dϕ, определяющая угол между точками пересечения двух орбит и их полос j - кратного непрерывного обзора, находится из соотношения:
Сама ширина полосы j - кратного непрерывного обзора, находится из соотношения:
min
j
j
j
Теперь обратимся к фиг. 3. Полоса j - кратного обзора первой орбитальной плоскости на широте ϕ отсекает дугу EG, которая опирается на центральный угол σ и является продолжением дуги СЕ. Плоский угол χ на данной широте опирается на ту же хорду d, что и центральный угол σ и определяет двугранный угол между плоскостями DPO и ВРО. Аналогичным образом угол поля обзора θ в следующей плоскости проходит через точку G и отсекает от широты замыкания дугу GF, опирающуюся на центральный угол σ. Плоский угол γ определяет двугранный угол между плоскостью ВРО и ТРО. Поскольку орбиты имеют одинаковое наклонения, то сферический треугольник AED тождественно равен треугольнику MFQ. При этом AD=MQ.
j
Тогда, используя полученное ранее значение С, решаем следующую последовательность уравнений:
Полученное новое значение ширины полосы непрерывного обзора сравниваем с определенным ранее и, при их несовпадении с требуемой точностью, увеличиваем значение наклонения. После этого повторяем ход решения до схождения итерационной процедуры с требуемой точностью.
Фазовый сдвиг между положениями спутников в одной плоскости задается в виде:
Рассогласование по фазе между спутниками смежных сонаправленных орбитальных плоскостей:
Аргумент широты спутника «S» в плоскости «Р» считая, что положения первых спутников в соседних плоскостях близки и идут по нарастанию аргумента широты, определим как:
В результате определяются все проектные параметры СС, обеспечивающие наблюдение заданного диапазона широт с требуемой кратностью непрерывного обзора.
Пример 1. СС связи и наблюдения для средних широт.
Предпочтительным вариантом осуществления изобретения является построение СС связи и наблюдения для пояса средних широт (от 40° до 75°), позволяющее обеспечить непрерывный обзор всей обитаемой территории России.
Для указанного способа построения СС связи и наблюдения заданного диапазона широт в таблице 2 представлено сравнение по высоте и наклонению орбит с вариантами построения системы с касанием минимальной широты и с замыканием на промежуточной широте согласно прототипу. Для всех вариантов систем, высота орбиты определяется из условия обеспечения минимальных углов возвышения спутника над местным горизонтом α=10°. Кроме того принято, что количество орбитальных плоскостей Р=3, а число спутников в плоскости S=16. Рассмотрены системы однократного (n=1) и двукратного обзора (n=2).
Пример 2 отличается от первого более узким диапазоном широт наблюдения (от 30° до 45°) и вдвое меньшим количеством спутников в каждой орбитальной плоскости. Сравнение по высоте и наклонению орбит также приведено в таблице 2. Здесь рассмотрены лишь системы однократного обзора.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый вариант построения СС со стыком полос обзора на минимальной широте требует наименьшей высоты орбиты для обеспечения заданной кратности покрытия. Еще одним отличительным преимуществом предлагаемого варианта построения СС однократной связи и наблюдения в заданном диапазоне широт, является наибольшие значения наклонения орбит, что требует меньших энергетических затрат на выведение и развертывание системы при запуске с Российских космодромов, расположенных выше 50° северной широты.
Групповое выведение спутников в одну орбитальную плоскость осуществляется ракетой-носителем. На орбите выведения спутники отделяются и самостоятельно переводятся в рабочие фазовые положения, разнесенные по аргументу широты с шагом 360°/S, где S - количество спутников в одной орбитальной плоскости. Для запуска в каждую орбитальную плоскость используется минимум одна РН.
Современные возможности средств выведения и небольшие габариты самих спутников, позволяют осуществить групповое выведение нескольких аппаратов на рабочую орбиту. С учетом использования для СС связи и наблюдения низких круговых орбит, за один запуск можно вывести 20-30 спутников массой до 300 кг. Это значительно удешевляет стоимость развертывания СС, которая наиболее существенно зависит от количества требуемых РН для доставки аппаратов на орбиту.