Система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами
SYSTEM FOR TRANSMITTING INFORMATION BETWEEN SPACE VEHICLES AND UNMANNED AERIAL VEHICLES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в космической и/или авиационной технике для передачи/приема информации по высокоскоростной радиолинии в направлениях космос-космос и/или космос-летательный аппарат (высотный, включая беспилотный летательный аппарат).
Из уровня техники известна спутниковая система передачи данных между спутниками-абонентами и наземным пунктом, описанная в патенте на изобретение RU2155447. Спутниковая система содержит спутники-ретрансляторы на околоземных орбитах и установленную на них и спутниках-абонентах бортовую приемно-передающую аппаратуру оптической межспутниковой связи. Спутники-ретрансляторы размещены не менее чем двумя орбитальными группами, в каждой из которых не менее трех спутников-ретрансляторов располагается на одной околоземной орбите и связаны между собой с помощью приёмно-передающей аппаратурой оптической межспутниковой связи. Однако, использование электромагнитных волн оптического диапазона частот приводит к возможности сбоя оптической межспутниковой связи между космическим аппаратом (КА), из-за опасности повреждения радиоэлектронных средств (РЭС), вследствие воздействия на ее оптические и фотоприемные устройства излучения Солнца и/или оптических квантовых генераторов (мазеры, лазеры) попадающее в оптический тракт РЭС при небольших (единицы градусов) углах между линией взаимной видимости КА и линией визирования Солнца с борта любого из КА.
В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения выбран способ объединения спутниковых систем связи, описанный в патенте на изобретение RU2486676. Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах спутниковой связи. Технический результат состоит в объединении действующих систем, а именно в объединении низко- и среднеорбитальных спутниковых систем связи, расположенных на высокой субсинхронной орбите. Связь между системами осуществляют в частотном диапазоне выше 20 ГГц, при этом спутники на низких или средних орбитах снабжают приемными антеннами, направленных вверх на спутник связи на высокой орбите. Для систем спутниковой связи в соответствии с Регламентом радиосвязи выделены определенные диапазоны частот, при этом радиочастотный ресурс для организации радиолиний высокоскоростной передачи информации жестко регламентирован по используемыми орбитам и имеют ограничения по ширине полосы и плотности потока мощности.
В свою очередь, предлагаемое изобретение направлено на обеспечение непрерывной двухсторонней передачей данных между КА, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах и/или БПЛА на высотах от 7 км и выше.
Для достижения поставленных задач предложена система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) заключается в передаче/приеме информации передающими и приемными антеннами, при этомпередача /прием информации осуществляется при согласованной правосторонней и/или левосторонней круговой поляризации радиоволн между передающими/приемными антеннами с использованием высокоскоростной радиолинии на гипервысоких частотах (ГВЧ) в диапазон от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра между космическими аппаратами, находящимися на низко-, средне-, высокоэллиптических и геостационарных орбитах и/или беспилотными летательными аппаратами на высотах от 7 км и выше. Передающие антенны гипервысоких частот, находятся на космических аппаратах и/или беспилотных летательных аппаратах, причём на каждом аппарате размещена одна рупорная или параболическая антенна, осуществляющая передачу, как с правосторонней, так и с левосторонней поляризацией, а приемные антенны гипервысоких частот находятся на борту комисческих аппаратов и/или беспилотных летательных аппаратов, причём на каждом аппарате размещена антенная система, состоящая из N рупоров, при том один рупор антенной системы работает на передачу, а остальные на прием информации, а количество N рупоров определяется, заданной шириной диаграммой направленности и излучаемой мощностью передающей антенны/
На фиг. 1 схематично представлена система передачи информации между космическими аппаратами и беспилотными летательными аппаратами, где:
1 – КА находящийся на геостационарной орбите;
2 – КА находящиеся на высокоэллиптической и средней орбите;
3 – КА находящиеся на низкой орбите;
4 – беспилотные летательные аппараты (БПЛА);
5 – наземные средства для связи с КА.
Создание высокоскоростной радиолинии передачи данных с использованием ГВЧ, обеспечивающий большой объем информации (10 Гбит и более) между КА, находящимися на разных орбитах и способных в режиме реального времени вести обмен данными с БПЛА, находящимися на высотах более 7 км в любой точки Земли, обусловлено тем, что отсутствуют жесткие ограничения на ширину полосы пропускания и плотность потока мощности сигала. В настоящее время частотный ресурс для организации межспутниковой связи с использованием линий высокоскоростной передачи информации с использованием частоты 8-диапазона (2-4 ГГц) и Ка-диапазона (26-40 ГГц) полностью исчерпан.
В соответствии с требованиями таблицы распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерацией (см. Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации, Постановление правительства Российской Федерации от 21 декабря 2011 г. № 1049-34, Выписка) и Регламентом радиосвязи (см. Регламент радиосвязи. Том 1, Статьи. Издание 2016 г., ITU,.– 442с.) (ограничения и 200, 210, 327 (1) и 5.484A, 5.516В (2)) имеются жесткие ограничения на плотность потока мощности для работы передающих бортовых и наземных средств устройств и имеет следующие недостатки: ограниченная пропускная способность (скорость передачи данных составляет порядка сотен Мбод и не более), что связано с ограничением радиодиапазона электромагнитного спектра частот и изложенными в регламенте радиосвязи; взаимного электромагнитного влияния каналов, слабая помехозащищенность каналов межспутниковой связи, обусловленная невозможностью создания диаграммы направленности радиоизлучения с углом расхождения порядка единиц угловых секунд. Одновременно, в соответствии с Регламентом радиосвязи все частоты в диапазоне 300-1000 ГГц могут использоваться как активными, так и пассивными службами (ВКР-12) и жесткие ограничения на плотность потока мощности для работы передающих бортовых и наземных устройств в настоящее время отсутствуют (см. Регламент радиосвязи. Том 1, Статьи. Издание 2016 года, ITU).
В результате, при работе предложенной системы передачи информации передатчик, находящий на КА или на БПЛА (1-4 Фиг. 1), будет излучать сигнал на ГВЧ в диапазоне от 300 до 1000 ГГц, а приемник находящийся на другом КА или БПЛА принимать сигнал (за исключением канала связи БПЛА-БПЛА). На передающем комплексе путем амплитудной или вариации угловой модуляциив излучаемый ГВЧ сигнал закладывается информация. Далее сигнал передаетсяпо волноводам (диэлектрическим, фотонные кристаллы, вакуумным, т.е. путем отражений от параболических зеркал) или другими волноведущими элементами к точке фокуса каждого элементарного рупора из состава N-рупорной антенны и излучается в пространство. На приемнике, пришедший сигнал ГВЧ излучения усиливается, переносится спектра в более низкий диапазон частот (возможно несколько преобразований несущей частоты вниз), выполняется демодуляция, а затем извлекается информация из потока данных. Временная корреляция сигнала по N рупорам производится в приемнике, при этом антенна ГВЧ, содержащая N рупоров из которых один передающий, позволяет обеспечить дуплексную связь без временного, частотного или поляризационного разделения каналов.
Приемник/передатчик должен функционировать в условиях атмосферы Земли с наименьшим содержанием молекул воды (начиная с высот от 7 км над уровнем земли для данной точки). Передача на прием информации в земной станции происходит по каналу высокоскоростной радиолинии, в соответствии с выбранной спутниковой службы для которой предназначен КА, на ГВЧ реализация наземной станции неэффективна (Д.М. Ермолаев, А.А. Таланов, В.А. Романюк. Перспективы применения терагерцовых частот в космических системах//Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. – 2017. – Т. 4. – В. 1. – С. 46-52.). Прием/передача информации между наземными средствами (НС) и КА осуществляется по служебным каналам связи. Передача и/или прием информации осуществляется между КА и БПЛА на гипервысоких частотах в диапазон от 300 до 1000 ГГц электромагнитного спектра. Необходимым условием является согласование вектора поляризации между приемным и передающим трактом КА и/или БПЛА осуществляющие обмен информации на ГВЧ.
Таким образом, рассмотрения возможности организации радиолиний высокоскоростной передачи информации, определение требований и характеристик к бортовой аппаратуре на ГВЧ является актуальной задачей.