СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОСИНХРОННЫХ СПУТНИКОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ
METHOD OF DEVELOPING SPACE RELAY SYSTEM INCORPORATING GEOSYNCHRONOUS RELAY-SATELLITES

Изобретение относится к области радиосвязи с применением спутников-ретрансляторов (СР) на высоких эллиптических орбитах (ВЭО) типа «Тундра» и предназначено для преимущественного использования в космических системах ретрансляции и связи, абонентами которых являются земные станции и низкоорбитальные космические аппараты, работающие в общем диапазоне волн.
Известен способ построения спутниковой системы цифрового радиовещания для автомобилистов Sirius с использованием трех геосинхронных спутников /Ю.Журавин. Sirius 1 на орбите // «Новости космонавтики», 2000, №8, с.35-36/.
Известен также способ построения спутниковой системы связи с наземными подвижными объектами Sycomores («Aeronautical Journal», 1989, 93, №930, 387-393, патент США №4943808, Н04В 7/19, Н04В 7/185, 1990 г.), который выбран в качестве прототипа.
Системы Sirius и Sycomores построены с использованием геосинхронных спутников-ретрансляторов, обращающихся по высокой эллиптической орбите и имеющих разнесенные на 120° долготы восходящих узлов. Связь с земными абонентами осуществляется в период нахождения по меньшей мере одного СР над зоной их обслуживания, при этом СР соединен посредством фидерной радиолинии по меньшей мере с одной центральной станцией, расположенной в зоне обслуживания земных абонентов, в течение периода нахождения данного СР над указанной зоной. Перед выходом СР за пределы зоны обслуживания информационный поток от земных абонентов переключают на СР, входящий в зону обслуживания.
Недостатком обеих систем является то, что ретрансляционная аппаратура спутников-ретрансляторов обеих систем, ориентированных на обслуживание земных абонентов, расположенных в определенных зонах Северного полушария, отключается перед выходом СР из указанных зон по командам центральных станций управления, после чего СР в нерабочем режиме совершает свой полет до очередного появления над зоной обслуживания абонентов. Зона обслуживания, например, подвижных абонентов выбирается таким образом, чтобы в любой ее точке СР был виден под достаточно высоким углом возвышения (как правило, не менее 40°). Время нахождения СР над такой зоной составляет порядка 8 ч, т.е. СР находится в рабочем состоянии не более 33% времени своего пребывания на орбите.
Следует также учесть, что современные действующие системы подвижной связи строятся на базе дорогостоящих геостационарных СР, оснащенных крупногабаритными многолучевыми антеннами с эквивалентным диаметром апертуры порядка 12 м (например, системы на базе спутников «Турайя», «Гаруда» и «Инмарсат-4»). Для обслуживания определенного региона требуется один такой СР, который ввиду постоянного нахождения над данным регионом имеет круглосуточную загрузку. При создании региональной системы подвижной связи на базе СР на ВЭО (типа упомянутой выше системы Sycomores) для обеспечения круглосуточного обслуживания заданного региона требуется уже три таких СР, из которых активным является только один. В конечном счете, несмотря на то, что региональные системы подвижной связи на ВЭО привлекательны для высокоширотных территорий вследствие предоставляемой возможности связи при более высоких углах возвышения, чем в случае использования геостационарных систем, по экономической эффективности системы на ВЭО уступают системам на геостационарной орбите.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение условий для близкого к максимальному времени использования СР на орбите.
KA
З
ПСР
KA
З
ПСР
Поставленная цель достигается тем, что каждый СР оснащают многолучевой антенной (МЛА), максимальный угол отклонения оси лучей которой от оси, проходящей через точку расположения спутника-ретранслятора и центр Земли, ограничивают углом α=arc sin[R/(R+Н)], где R - радиус сферы возможных положений космических абонентов, R - радиус Земли, Н - высота перигея орбиты СР, выделяют из числа лучей, формируемых МЛА спутника-ретранслятора, находящегося над зоной обслуживания земных абонентов, центральную группу лучей, охватывающих зону обслуживания земных абонентов в течение периода нахождения спутника-ретранслятора над указанной зоной, через которые осуществляют информационный обмен с земными абонентами, и периферийную группу лучей, охватывающих всю остальную область пространства, ограниченную углом α, через которые осуществляют информационный обмен с космическими абонентами, причем на спутниках-ретрансляторах, находящихся вне указанной зоны обслуживания, осуществляют информационный обмен с космическими абонентами через центральную и периферийную группу лучей МЛА, в течение периода функционирования системы посредством межспутниковых радиолиний поддерживают связь спутника-ретранслятора, находящегося над зоной обслуживания земных абонентов, с двумя остальными спутниками-ретрансляторами, находящимися вне указанной зоны обслуживания.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-4, где
- на фиг.1 представлен общий вид системы, реализующей предлагаемый способ;
- на фиг.2 показано распределение лучей МЛА по центральной и периферийной группам;
- на фиг.3 приведены геометрические построения, поясняющие предлагаемый способ, а также взаимосвязь между СР;
- на фиг.4 показана функциональная схема бортового ретрансляционного комплекса спутников-ретрансляторов.
В соответствии с фиг.1 космическая система ретрансляции включает в себя спутники-ретрансляторы 1, 2 и 3, обращающиеся по ВЭО 4 и оснащенные многолучевыми антеннами 5 (приемная) и 6 (передающая). СР 1 находится над зоной обслуживания земных абонентов 7, для связи с которыми МЛА 5 и 6 формируют центральную группу лучей, и зоны лучей 8 заполняют собой всю указанную зону 7. Область формирования центральной группы лучей ограничена конической поверхностью 9, максимальный угловой размер которой определяется размерами зоны 7, видимой с СР 1 в момент нахождения СР 1 над центром этой зоны. Помимо земных абонентов 10, находящихся в зоне 7 (для удобства показана на фиг.1 отдельно), СР 1 осуществляет информационный обмен с находящимися в поле его зрения космическими абонентами 11, обращающимися по низким околоземным орбитам 12. Для этой цели МЛА 5 и 6 формируют периферийную группу лучей, охватывающих видимую с СР часть сферы возможных положений космических абонентов 11 на их орбитах 12. (Для простоты, на фиг.1 показан лишь один луч 13 из указанной периферийной группы). В зоне обслуживания земных абонентов 7 расположена также центральная станция 14, осуществляющая информационный обмен с СР 1 (а через него и с СР 2 и 3) и управление этими СР.
Спутники-ретрансляторы 2 и 3 находятся вне зоны обслуживания земных абонентов, и все формируемые их антеннами лучи могут быть использованы для обслуживания космических абонентов. (Для простоты, на фиг.1 показаны лишь по одному лучу 13 для СР 2 и 3, нацеленных на космические абоненты 11).
Для пояснения принципа разделения лучей на фиг.2 показаны проекции лучей МЛА применительно к СР 1 из фиг.1, охватывающие видимую с СР часть сферы возможных положений космических абонентов 15 (черный круг). Из этих лучей МЛА лучи с проекциями 16 (серые круги) покрывают показанную на фиг.1 зону обслуживания земных абонентов 7 и образуют центральную группу лучей. Лучи с проекциями 17 образуют периферийную группу и предназначены для обслуживания космических абонентов.
Разделение лучей МЛА по центральной и периферийной группам обусловлено различием в характере обслуживания земных и космических абонентов. Так, если применительно к космическим абонентам информационный обмен осуществляется только между ними, с одной стороны, и центрами управления и приема информации, с другой, то для земных абонентов информационный обмен осуществляется не только между ними и центральными (или базовыми) станциями, но и непосредственно между абонентами. Соответственно, передача информации в интересах космических абонентов может осуществляться с применением простых ретрансляторов, а в интересах земных абонентов - с применением сложных ретрансляторов с коммутацией каналов на борту СР.
Кроме того, даже при близких значениях скоростей передачи для земных и космических абонентов, количество обслуживаемых земных абонентов значительно превосходит количество космических абонентов, что обусловливает применение ретрансляторов не только с различным принципом построения, но и с разной пропускной способностью.
Для определения размеров области формирования лучей МЛА СР обратимся к геометрическим построениям на фиг.3, выполненным в плоскости ВЭО 4.
З
На фиг.3, поясняющей, кроме того, принцип работы космической системы ретрансляции, приведены следующие условные обозначения. Точки А и Р - соответственно апогей и перигей орбиты 4, точки С и D - соответственно точки восхождения и захождения СР над зоной обслуживания земных абонентов 7, точка В - точка касания линии визирования «СР - космический абонент» сферы возможных положений космических абонентов 18, О - центр Земли и один из фокусов ВЭО 4, 14 - центральная станция управления СР, НП - направление полета СР, R - радиус Земли,
KA
ПСР
R - радиус сферы возможных положений космических абонентов, Н - высота перигея СР, α - максимальный угол отклонения оси луча МЛА СР от направления «СР - центр Земли» при обслуживании космических абонентов.
Из фиг.3 следует, что максимальный угол обзора сферы возможных положений космических абонентов 2α будет иметь место при нахождении СР в перигее его орбиты, т.е. в точке Р. Из прямоугольного треугольника РОВ по известным геометрическим соотношениям получаем максимальное значение угла отклонения оси лучей МЛА СР от оси, проходящей через точку расположения СР и центр Земли, равное
KA
З
Применительно к суточной ВЭО типа «Тундра» с высотой перигея около 24600 км (высота апогея 46700 км), при R, не превышающем 8370 км, и R, равном 6370 км, расчет по формуле (1) дает значение α, равное 15,7°.
Для пояснения работы космической системы ретрансляции в соответствии с заявляемым способом обратимся к упомянутой выше фиг.3 и к фиг.4, представляющей функциональную схему бортового ретрансляционного комплекса (БРК) 19 спутника-ретранслятора 1 (на фиг.3 и 4 обозначен как СР1) во взаимодействии с земными 10 и космическими 11 абонентами, центральной станцией 14 и соседними СР 2 и 3 (на фиг.3 и 4 - СР 2 и СР 3).
За исходное состояние системы примем показанное на фиг.3 расположение спутников-ретрансляторов на ВЭО 4 с разнесением между ними на 120°, что соответствует времени последовательного прохождения каждым СР точек С, D и Р через 8 часов. В точке С СР1 появляется над зоной обслуживания земных абонентов 7.
Когда СР1 следует по орбите 4 от точки С до точки D, его БРК 19 работает следующим образом. Для формирования лучей, по которым осуществляется связь с земными абонентами (земными станциями - ЗС) 10 и космическими абонентами (КА) 11, в качестве МЛА 5 и 6 могут использоваться как зеркальные антенны с облучающей антенной решеткой, так и активные фазированные антенные решетки. Диаграммообразующие схемы (ДОС) 20 и 21 (фиг.4) соответственно приемной МЛА 5 и передающей МЛА 6 формируют центральную группу лучей (ЦГЛ) и периферийную группу лучей (ПГЛ). Излучаемые ЗС 10 сигналы принимаются лучами ЦГЛ ДОС приемной МЛА (ДОС ПРМ) 21 и через первую коммутационную матрицу (КМ1) 22 поступают в тракт ретранслятора РТР ЗС - ЦС 23 (здесь и далее в названии каждого ретранслятора фигурирует направление передачи, которое он обслуживает). Сигналы, излучаемые КА 11, принимаются лучами ПГЛ ДОС ПРМ 20 и направляются в тракт ретранслятора РТР КА - ЦС 24. Далее сигналы с выходов РТР 23 и 24 поступают в передатчик фидерной линии (ПРД ФЛ) 25 для последующего излучения через первый диплексер (Д1) 26 и приемопередающую антенну фидерной линии (АФЛ) 27 на центральную станцию (ЦС) 14.
В обратном направлении сигналы от ЦС 14 для ЗС 10 и КА 11 поступают через АФЛ 27 и Д1 26 в приемник фидерной линии (ПРМ ФЛ) 28, где происходит их разделение. Сигналы для ЗС 10 поступают в тракт ретранслятора РТР ЦС - ЗС 29 и через вторую коммутационную матрицу (КМ2) 30 и лучи ЦГЛ ДОС ПРД 21 излучаются в направлении на ЗС 10. Сигналы для КА 11 после прохождения через РТР ЦС - КА 31 по лучам ПГЛ излучаются в направлении на КА 11.
Между ретрансляторами 23 и 29 существует связь, благодаря которой обеспечивается непосредственная связь между ЗС 10.
Сигналы от находящихся вне зоны видимости с ЦС спутников-ретрансляторов СР 2 и СР 3 принимаются по межспутниковым линиям (МСЛ) соответственно антеннами МСЛ (АМСЛ1, АМСЛ2) 32 и 33, вторым и третьим диплексерами (Д2, ДЗ) 34 и 35, приемниками (ПРМ МСЛ1, ПРМ МСЛ2) 36 и 37, объединяются в сумматоре 38 и далее по тракту фидерной линии (устройства 25, 26 и 27) передаются на ЦС. В обратном направлении принятые от ЦС 14 ПРМ ФЛ 28 сигналы поступают в передатчики (ПРД МСЛ1, ПРД МСЛ2) 39 и 40, затем через диплексеры 34 и 35 и антенны 32 и 33 излучаются в направлении СР2 и СР3.
В составе БРК СР 19 имеется блок управления ретранслятором (БУР) 41. В момент, когда СР1 подходит к точке D (фиг.3) и готовится выйти за пределы зоны обслуживания земных абонентов 7, по принятым БУР 41 командам от ЦС 14 происходит смена режима работы коммутирующих матриц 22 и 30, благодаря чему выходы приемных и входы передающих лучей ЦГЛ подключаются к трактам ретрансляторов РТР КА - ЦС 24 и ЦС - КА 31. Тем самым СР1 на участке орбиты DPC переходит на связь исключительно с космическими абонентами. Также по принятой БУР 41 команде осуществляется отключение МСЛ с СР2, т.к. связь с обоими соседними СР будет теперь поддерживать поступивший в точку С СР3 (до своего перехода в точку D). Перед прохождением СР1 точки перигея Р по команде с ЦС 14, переданной через СР3 (находящийся в данный момент на подходе к точке D), на СР1 происходит включение МСЛ для работы с СР2, подходящим к точке С, и отключение МСЛ для работы с СР3. Когда СР1 вновь появляется в точке С, происходит повторная смена режима работы матриц 22 и 30, после чего лучи ЦГЛ МЛА переходят на связь с ЗС 10, а лучи ПГЛ продолжают обслуживать КА 11. Одновременно восстанавливается связь с СР3.
Использование предлагаемого способа обеспечивает загрузку высокоэллиптических спутников-ретрансляторов на участках трассы, не видимой, например, с территории России, что позволяет увеличить период их активной работы, а значит и пропускную способность космической системы ретрансляции в целом и ее экономическую эффективность.
Из известных авторам 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 земными и космическими абонентами.