Метод передачи информации из космоса и устройство для его осуществления
METHOD FOR TRANSMITTING INFORMATION FROM SPACE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Техническое решение относится к области космической техники, конкретно к космическим платформам (КП) микрокласса, применяемым для формирования и передачи информации, в частности к спутниковой группировке с помощью которой будет обеспечиваться демонстрация визуально различимой информации из космического пространства.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ формирования на орбитах вокруг планет визуально воспринимаемой информации, который может быть использован для подачи жизненно важных сигналов оповещения в различные области поверхности планеты, в рекламных и иных целях. Изображение формируют путем надувания всех либо части герметичных упругих оболочек в составе искусственных спутников, выведенных на орбиты вокруг планеты. Оболочки надувают до размеров, обеспечивающих возможность их визуального наблюдения. Смену изображений осуществляют путем сдувания части или всех надутых оболочек и/или надувания всех или части ненадутых оболочек, выведенных на указанные орбиты. RU 2641575 C2, Кардашев Михаил Арутюнович, опубл. 18.01.2018. Недостатком данного способа является тот факт, что габариты описанных упругих оболочек должны быть колоссальными, чтобы с их помощью сформировать визуально наблюдаемое с поверхности земли изображение. Кроме того, решение требует огромного запаса рабочего тела, используемого для надувания и сдувания оболочек, не говоря уже о значительном возмущающем воздействии на надуваемые оболочки остаточной атмосферы и давления солнечного ветра.
Из уровня техники также известен спутник, расположенный на геостационарной земной орбите. Спутник снабжен высокопроизводительной лазерной проекционной системой. Упомянутый спутник излучает соответствующие лучи света в направлении земной атмосферы, посредством чего можно использовать эффект естественной дисперсии земной атмосферы, чтобы создать впечатление изображения в ночном небе для наблюдателя, находящегося на Земле. Управление и передача данных изображения осуществляется соответствующими техническими устройствами. Систему можно использовать в рекламе. Возможно также политическое и военное использование. Комбинации и несколько систем устройства по настоящему изобретению для создания изображений могут использоваться отдельно или в функциональной комбинации с другими носителями, такими как Интернет. DE 19903879 A1, опубл. 10.08.2000. Недостатком данного технического решения является тот факт, что использование спутника на геостационарной орбите накладывает значительные требования на массогабаритные и энергетические характеристики, как спутниковой платформы, так и самого лазера. Фокусировка лазера над заданной территорией земли с геостационарной орбиты и прецизионное поддержание ориентации лазера на данный регион также представляется труднореализуемой задачей.
Сущность изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности надежной передачи информации из космического пространства на землю. Также задачей настоящего изобретения является обеспечение технологичности сборки и юстировки лазерного диода, размещённого на борту космического аппарата, а также обеспечение эффективного отвода тепла от лазерных светодиодов, входящих в состав блока.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение надежности передачи информации из космоса на землю посредством группировки спутников.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что космический аппарат, содержащий бортовой комплекс управления, бортовой радиокомплекс, систему управления ориентацией и стабилизацией, панели солнечных батарей и аккумуляторных батарей, отличающийся тем, что содержит источник света в качестве полезной нагрузки для создания визуально различимого светового пятна на небосводе в тёмное время суток, при этом источник света выполнен в виде по меньшей мере одного лазерного диода, установленного в направляющую, размещенную на основании, причем источник света выполнен с возможностью работы в постоянном или импульсном режиме.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно содержит двигательную установку.
В частном случае реализации заявленного технического решения источник света содержит два ряда направляющих с лазерными диодами, закрепленными на двух противоположных сторонах основания.
В частном случае реализации заявленного технического решения луч лазерного светодиода выполнен с прямоугольным поперечным сечением, при этом лучи лазерных светодиодов, входящих в лазерный источник света, светят на свой участок земли и не перекрываются друг с другом.
В частном случае реализации заявленного технического решения основание источника света выполнено из материала с высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью.
В частном случае реализации заявленного технического решения лазерный диод выполнен с возможностью поворота в посадочном отверстии в направляющей для осевой ориентации прямоугольного поперечного сечения луча отдельного диода.
В частном случае реализации заявленного технического решения основание источника света выполнено с установочной поверхностью под направляющими для направления лучей одного или нескольких лазерных диодов в вертикальной плоскости.
В частном случае реализации заявленного технического решения все внешние поверхности основания и направляющих покрыты терморегулирующим покрытием с высокой степенью черноты в ИК-диапазоне излучения.
В частном случае реализации заявленного технического решения панели солнечных батарей выполнены с возможностью раскрытия.
В частном случае реализации заявленного технического решения космический аппарат выполнен с возможностью объединения в группировку с по меньшей мере одним аналогичным аппаратом для формирования визуально различимой информации, сформированной из световых пятен.
В частном случае реализации заявленного технического решения группировка космических аппаратов образована по меньшей мере одним информационным космическим аппаратом, одним космическим аппаратом, выполненным с возможностью передачи информации о смене пакета данных, и одним космическим аппаратом, выполненным с возможностью тактирования смены байтов и/или битов в пакете данных.
Технический результат заявленного технического решения также достигается за счет того, что в способе передачи информации из космоса осуществляют вывод на орбиту по меньшей мере одного космического аппарата, содержащего лазерный источник света, направляют визирную ось лазерного источника света в центр планируемого пятна освещения на поверхности Земли, обеспечивают сохранение направления визирной оси лазера на центр пятна на Земле в течение работы источника света и осуществляют работу лазерного источника света в постоянном и/или импульсном режиме, и транслируют в пятно освещения на поверхности Земли.
В частном случае реализации заявленного технического решения в импульсном режиме осуществляют модуляцию информацией оптического сигнала, изменяя амплитуду сигнала, обеспечивая мерцание оптического сигнала в пределах 60 Гц.
В частном случае реализации заявленного технического решения выводят на орбиту множество космических аппаратов, объединенных в группировку, при этом осуществляют работу лазерного источника света космического аппарата в импульсном режиме по заложенной циклограмме и/или в постоянном режиме.
В частном случае реализации заявленного технического решения осуществляют прием сигнала посредством наземного приемника.
В частном случае реализации заявленного технического решения в качестве приемника сигнала используют мобильное устройство, снабженное экраном, фотовидеокамерой и выполненное с возможностью установки программного обеспечения.
В частном случае реализации заявленного технического решения формируют, видимое с поверхности Земли невооруженным глазом, изображение.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 – примеры поперечных сечений луча всего лазерного источника света (светового пятна), набранные из лучей отдельных светодиодов (на поверхности Земли, при свечении из космоса, форма пятна будет приближаться к круглой – за счёт атмосферного рассеивания);
Фиг.2 – форма лучей;
Фиг.3 – конструкция лазерного источника света;
Фиг.4 – направляющая с диодом в разрезе;
Фиг.5 – наклоны установочных поверхностей основания для ориентации лучей в вертикальной плоскости;
Фиг.6 - координатная расстановка установочных элементов (штифтованных отверстий) на основании для ориентации лучей в горизонтальной плоскости;
Фиг.7 - вид космического сегмента для показа рекламных логотипов;
Фиг.8 - пример передачи данных с роя микроспутников из 9 космических аппаратов.
Фиг.9 - пример передачи данных с роя микроспутников из 20 космических аппаратов.
Фиг.10 – общий вид космического аппарата.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 – основание; 2 – направляющие; 3 – лазерный источник света; 4 – лучи; 5 – диод; 6 - установочные элементы; 7 – космический аппарат - идентификатор смены пакета данных; 8 – информационные космические аппараты; 9 - космический аппарат – счетчик тактов; 10 – резервный космический аппарат; 11 – панели солнечных батарей; 12 – двигательная установка.
Раскрытие изобретения
Данная заявка описывает средства и методы передачи информации из космоса на Землю. Для обеспечения передачи информации в космическое пространство запускается по меньшей мере один космический аппарат, оснащенный лазерной светодиодной полезной нагрузкой для создания визуально различимого светового пятна на небосводе в ночное время суток.
Космический аппарат разработан на базе унифицированной космической платформы форм-фактора 4U стандарта CubeSat. Аппарат оснащен полным комплектом бортовых систем для построения и поддержания прецизионной трехосной инерциальной ориентации.
Зона видимости на поверхности Земли представляет собой окружность радиусом 8-10 км от точки, в которую направлена оптическая ось источника света. За пределами указанной зоны источник света, установленный на КА, не различим визуально. Наведение светодиодного луча на целевой район показа осуществляется переориентированием космического аппарата.
Космический аппарат включает в себя бортовой комплекс управления, обеспечивающий управление всеми бортовыми системами космического аппарата по автономной программе и по командам НКУ с автоматическим контролем их исполнения и парированием обнаруженных неисправностей заранее предусмотренными способами.
Космический аппарат также включает систему управления ориентацией и стабилизацией, данная система позволяет наводить спутник на нужную точку на Земле.
В состав бортового комплекса управления входит бортовой вычислительный комплекс, предназначенный для реализации алгоритмов функционирования, формирования и выдачи управляющих команд, а также набор интерфейсов для логической стыковки бортового вычислительного комплекса со всеми остальными системами и приборами космического аппарата.
Космический аппарат содержит комплект солнечных батарей, являющихся первичным источником электрической энергии, обеспечивая на освещенном участке орбиты космического аппарата как питание бортовой аппаратуры, так и заряд аккумуляторных батарей, используемых на теневых участках или в режимах с повышенным энергопотреблением.
Панели солнечных батарей (11) для максимизации энергопритока раскрываются по диагонали относительно коротких сторон космического аппарата.
Космический аппарат содержит также бортовой радиокомплекс, обеспечивающий выполнение следующих задач:
- передача на наземную станцию данных телеметрической информации;
- приём на космический аппарат, поступающей от наземной станции, командно-программной информации;
- информационный обмен с бортовым комплексом управления космического аппарата в части телеметрической информации.
Для решения представленных задач в состав бортового радиокомплекса входят следующие составные части:
- приёмо-передающий модуль служебной линии связи УКВ-диапазона;
- антенно-фидерная система УКВ-диапазона.
Группировка из 20 таких космических аппаратов, расположенных в строго поддерживаемой формации на расстоянии не более 8 км между самыми дальними космическими аппаратами (для обеспечения размера изображения, соизмеримого с размером равным трём размерам Луны или примерно 1,5°), позволяет показывать изображения в небе. Выведение группировки космических аппаратов в космическое пространства может быть осуществлено попутным запуском. Для первоначального построения и поддержания требуемой формации используется двигательная установка (12) из состава космического аппарата. При необходимости, формация может быть перестроена в процессе функционирования на орбите. Длительность первоначального построения и последующих перестроений не превышает 20 суток.
Система демонстрации информации из космоса представляет собой космическую систему, состоящую из космического и наземного сегментов, в совокупности обеспечивающих функционирование на околоземной орбите группировки космических аппаратов и управление ими средствами наземных станций УКВ-диапазона. Лазерный источник света, установленный на космическом аппарате, описан ниже по тексту описания.
На каждом космическом аппарате расположен лазерный источник света, выполненный из сборки лазерных светодиодов, объединенных на едином основании. При этом каждый лазерный светодиод установлен в отдельной направляющей. Направляющие размещены на основании. Лазерные светодиоды конструктивно юстированы в узкий пучок света за счёт расположения направляющей на основании и установки лазерного диода в направляющей.
При этом достигаемая звездная величина такого источника составляет значение «-4», что существенно ярче любой из звезд на ночном небосводе (звезда Сириус имеет звездную величину «-1,5»). Кроме того, возможно увеличение уровня освещённости за счет увеличения числа светодиодов в сборке и направления их в одну точку на земли, а также за счёт увеличения подаваемой на каждый диод мощности до максимальной.
Наведение пучка света осуществляется системой ориентации космического аппарата, путем разворота всего космического аппарата в требуемом направлении. Во время нахождения группировки космического аппарата над целевым районом показа изображения система ориентации каждого из космического аппарата наводит пучок света на центр района, после чего осуществляет постоянный «подворот», чтобы сохранялось выбранное направление пучка на центр района, компенсируя движение космического аппарата по орбите.
Движение космического аппарата по орбите ограничивает максимальную длительность показа. Очевидно, что длительность прохождения над какой-либо точкой на земной поверхности (и целевой зоной радиусом 8-10 км вокруг этой точки) зависит от высоты орбиты. Для орбиты 600-800 км длительность составит приблизительно 10 минут. Однако, так как целевыми зонами являются густонаселенные районы, отличительной чертой которых является плотная высотная застройка, то из общей доступной длительности показа рекламы следует исключить те интервалы времени, когда логотип только появляется над горизонтом и когда начинает опускаться за горизонт (т.е. не может быть видимым за счет строений в целевом районе). Если считать, что высотные здания или иные помехи в поле зрения не дадут увидеть все, что находится на небосводе ниже 40° над горизонтом, то длительность рекламного показа для одной целевой зоны не будет превышать трех-пяти минут.
Визуализация изображения для наблюдателей на поверхности Земли достигается тем, что целая группа КА движется по близко расположенным орбитам (расстояние между крайними аппаратами группировки составляет 8 км) и при прохождении над целевым районом, синхронно наводит свои источники света. Для наблюдателя это выглядит как группа ярких точек, движущихся по небосводу в форме узнаваемого логотипа.
Все лазерные светодиоды в лазерном источнике света светят на свой участок земли, они не перекрываются. Таким образом один лазер обеспечивает требуемый уровень освещённости на поверхности земли, просто в ограниченной области.
За счёт количества лазеров формируется требуемое пятно на земле. Безусловно, присутствует эффект рассеивания лучей лазеров в атмосфере, что приведёт к наложению пятен от лазеров друг на друга (соседних) и деформации самих пятен от идеально прямоугольной формы к эллиптической.
Лазерный источник света представляет собой направленный источник света из набора лазерных диодов. В варианте реализации заявленного технического решения источник света образован из 20 лазерных светодиодов. Также источник света может быть сформирован из одного лазерного диода.
Особенности конструкции лазерного источника света:
• малый угол расходимости светового луча (порядка 1,2°);
• отсутствие вспомогательной оптической системы (зеркала, линзы) для формирования луча заданной малой расходимости (и формы поперечного сечения);
• возможность излучать непрерывно в условиях комического вакуума без принудительного охлаждения (в течение некоторого времени, определяемого масштабом конструкции);
• не требуется применение специальных юстировочных приспособлений при сборке лазерного источника света (простота сборки).
Луч отдельного диода составляет часть углового размера луча всего источника света и имеет прямоугольное поперечное сечение (световое пятно, формируемое им на перпендикулярной поверхности).
Ниже приведено в качестве описания примера конкретные характеристики одного лазерного диода:
Сила тока - 1,8 А;
Напряжение питания - 4,15 В;
Электрическая мощность - 7,50 Вт;
КПД диода - 29%;
Оптическая мощность - 2,2 Вт.
Углы расхождения пучка:
- в плоскости перпендикулярной активному слою – 0,1°;
- в плоскости активного слоя – 0,4°.
Ниже приведены в качестве примера конкретные характеристики одного источника света, сформированного на базе двадцати лазерных диодов:
Сила тока - 1,8 А;
Напряжение питания - 4,15 В х 20;
Электрическая мощность - 149,4 Вт;
КПД диода - 29%;
Оптическая мощность - 44 Вт;
Угол при вершине конуса пучка – 1,2°.
Требуемый угловой размер луча (пятно и форма его контура) получается путём соответствующей осевой (по углу относительно оси луча) ориентации, и совмещения лучей отдельных светодиодов относительно друг друга (Фиг.1).
Ниже приведено детальное описание конструкции источника света: Конструкция лазерного источника света состоит из основания (1) (Фиг.3) и набора одинаковых направляющих (2), в которых установлены диоды (Фиг.4). Внутренняя поверхность направляющих анодирована в черный цвет, для лучшей передачи тепла. Луч лазера никак не касается стенок направляющей. Также все внешние поверхности основания и направляющих покрыты терморегулирующим покрытием с высокой степенью черноты в ИК-диапазоне излучения.
Направляющие с диодами закреплены на двух противоположных сторонах основания с целями: симметричного выравнивания внутренних температурных полей при работе лазерного источника света; минимизации термомеханических уходов заданных направлений лучей диодов.
На свободных от направляющих сторонах основания располагаются крепёжные элементы (резьбовые отверстия) для закрепления всего источника света на космическом аппарате.
Материал основания и направляющих обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплопроводностью. В качестве материала может быть использован алюминиевый сплав.
Основание является тепловым аккумулятором и не позволяет перегреться лазерным светодиодам в процессе работы (излучения). Объём (теплоёмкость) основания выбирается исходя из требуемого времени непрерывного излучения источника света, в течение которого происходит нагрев конструкции до допустимой температуры функционирования диодов.
После выключения, лазерный источник света остывает за счёт теплового (инфракрасного) излучения в окружающее пространство (напрямую и через направляющую и основание, в которых он закреплён).
Требуемая осевая ориентация прямоугольного поперечного сечения луча отдельного лазерного светодиода (горизонтально, вертикально или под углом), (Фиг.1), задаётся углом поворота лазерного светодиода в посадочном отверстии его направляющей (Фиг.5).
Требуемые направления лучей одного или группы лазерных светодиодов в вертикальной плоскости («вертикаль», Фиг.3) задаются наклонами установочных поверхностей основания под направляющими, реализуемыми при изготовлении детали, Фиг.5 (углы увеличены для наглядности).
Требуемые направления лучей лазерных светодиодов в горизонтальной плоскости («горизонталь», Фиг. 2) задаются координатной расстановкой в основании точных установочных отверстий со штифтами (или наличием аналогичных установочных элементов (6)). Группа установочных отверстий для одной направляющей лежит на одной заданной оси, Фиг. 5 (углы увеличены для наглядности).
Точность практического исполнения малых установочных углов (доли градуса), при изготовлении источника света, реализуется назначенной (масштабируемой) базовой длиной основания (направляющих).
Преимуществами реализации данной схемы являются:
отсутствие вспомогательных оптических элементов (линзы, зеркала), что влечёт за собой:
упрощение оптической схемы, её сборки и юстировки. Не требуется применение специальных юстировочных приспособлений при сборке источника света
отсутствие потерь оптической мощности на переходе сред (вакуум-линза и обратно)
Возможность простого набора любого количества лазерных светодиодов с формированием поперечного сечения луча источника света любой формы и размера.
Технологичность изготовления элементов лазерного источника света.
Возможность эффективно отводить тепло от корпуса лазерного светодиода через направляющую на основание, являющееся тепловым радиатором.
Визирная ось лазерного источника света направляется в центр планируемого пятна освещения на поверхности Земле, после чего на лазерный источник света подаётся питание, лазеры загораются. Космический аппарат обеспечивает сохранение направления визирной оси лазера на центр пятна на Земле в течение всего сеанса пролёта космического аппарата над точкой.
Лазерный источник света может работать как в постоянном, так и в импульсном режиме. В постоянном режиме лазерный источник света один раз включается и выключается только в конце сеанса вещания над заданной точкой Земли. В импульсном режиме лазерный источник света способен мерцать.
Передача информации оптическим методом со спутника на наземное носимое устройство, например смартфон или планшет, может осуществляться по меньшей мере одним спутником посредством мерцания лазерного источника света, установленного на борту космического аппарата. В данном варианте изобретения передаваемое сообщение может модулироваться двухпозиционной манипуляцией, когда наличие светового сигнала означает логическую «единицу», а его отсутствие - логический «ноль». Для разделения сообщений могут использоваться символы начала и окончания пакета данных. Технически, это набор из нескольких последовательных состояний источника света, которые собираются в символ начала/окончания пакета данных. В частном случае, такой символ может состоять из двух байт (например «С7» в кодировке ASCII) и идти в начале и в конце пакета данных.
С7
Байт
Байт
Байт
Байт
С7
Байт
Байт
С7
Байт
Байт
С7
…
Пакет 1
Пакет 2
Пакет 3
…
Такт мерцания лазера или, иными словами, такт смены битов в сообщении, должен находиться в диапазоне чувствительности распознавания наземного носимого устройства. Для большинства смартфонов или планшетов частота распознавания камеры лежит в пределах 60Гц. Для снижения вероятности ошибочного распознавания бита при потоковой обработке, когда смартфон, распознавая несколько последовательно идущих логических нулей или единиц, может некорректно оценить длительность такта и потерять бит или добавить лишний, что приведёт к порче всего пакета данных, частоту мерцания лазерного источника света целесообразно взять ниже 15 Гц.
На стороне носимого устройства при помощи встроенной камеры и программного обеспечения осуществляется потоковое считывание данных с камеры смартфона, их распознавание с фильтрацией паразитных шумов и демодуляция данных с их приведением в читаемый ASCII-формат.
Частным случаем передачи информации оптическим методом является её передача с множества микроспутников, образующих рой, когда каждый космический аппарат может выполнять свою отдельную роль в целью повышения скорости передачи данных и снижения вероятности ошибочного их распознавания. Так, например, используя рой микроспутников можно отказаться от символов начала и окончания сообщения и выделить отдельный спутник, который будет переходом состояния своего лазера (светит / не светит) символизировать о смене пакета данных. Также, один из спутников может быть выделен для тактирования смены байтов и даже битов в пакете данных, повышая вероятность корректного распознавания сообщений на приёмной стороне и повышая общую надёжность алгоритма. В таком случае снижаются требования по точности учёта такта мерцания лазеров. Что позволяет увеличить скорость мерцания лазерного источника света каждого КА до 15 Гц.
Кроме того, с целью повышения надёжности «информационные» космические аппараты в рое могут быть разбиты на несколько кластеров, например, мажорированная система из 3 кластеров, передавая одну и туже последовательность битов. Полученные на приёмной стороне пакеты данных с разных кластеров «информационных» космических аппаратов сравниваются между собой. Решение о корректности пакета принимается по идентичности данных с 2 из 3 кластеров.
Ниже приведен конкретный пример передачи данных с роя микроспутников, состоящего из девяти космических аппаратов. Данный пример проиллюстрирован на фиг.8.
В данном примере рой спутников образован из девяти космических аппаратов, включающих восемь информационных космических аппаратов (8) и один космический аппарат (7) - идентификатор смены пакета данных.
Считывание данных приложением на смартфоне начинается после смены состояния космического аппарата (7)-идентификатора с включенного на выключенный или обратно. Данный переход свидетельствует о начале передачи нового пакета данных. После этого с тактом в диапазоне 10 Гц синхронно начинают передавать данные лазеры на информационных космических аппаратах (8). При этом за такт передаётся 8 бит информации, горящий лазер – это логическая «единица», выключенное состояние лазера – логический «ноль». В момент смены состояния лазера на информационном космическом аппарате (7) происходит смена пакета данных на следующий, приложение на смартфоне продолжает запись и распознание данных следующего пакета.
Также приведен конкретный пример передачи данных с роя микроспутников, состоящего из двадцати космических аппаратов.  Данный пример проиллюстрирован на фиг.9.
В данном примере рой спутников образован из одного космического аппарата (7) - идентификатора смены пакета данных и двух групп информационных спутников (8), каждая из которых включает восемь информационных спутников. При этом, для повышения надёжности работы алгоритма и вероятности распознания сообщения на Земле дополнительно вводится космический аппарат (10) счётчика тактов, что упрощает задачу носимому устройству корректно определить такт мерцания двух групп информационных космических аппаратов (8). Две группы информационных космических аппаратов (8) могут как дублировать своё сообщение для повышения надёжности передачи информации, так и передавать разную информацию, при этом данные первой группы считаются идущими в строке данных раньше, чем данные со второй группы.
В данном примере рой спутников дополнительно содержит два резервных космических аппарата, которые могут выполнять любую из функций в группировке, как идентификатора (7), так и информационных космических аппаратов (8). Если в приоритете увеличение объёма передаваемой информации – то их целесообразно добавить к информационным космическим аппаратам, если же в приоритете надёжность, то их можно задублировать с космическим аппаратом (7)-идентификатором и космическим аппаратом (9)-счётчиком тактов.
Могут быть и другие схемы распределения функционала между микроспутниками в составе роя.