СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ И НАЗЕМНЫМ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИМ ПУНКТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ НА ВЫСОКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ
METHOD OF CONSTRUCTING GLOBAL SATELLITE SYSTEM TO RELAY INFORMATION BETWEEN LOW-ORBIT SPACECRAFT AND GROUND TRANSCEIVER STATION USING HIGH-ORBIT REPEATER SATELLITES

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи с применением высокоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР) и предназначено для преимущественного использования в глобальных космических системах ретрансляции и связи, абонентами которых являются низкоорбитальные космические аппараты (НКА) и земные станции (ЗС), работающие в общем диапазоне волн.
Известен способ, предложенный для использования в российской космической системе ретрансляции «Луч» на базе геостационарного СР «Луч-5А» /И.Маринин, И.Лисов. «Луч-5А» - аппарат многофункциональной системы ретрансляции - «Новости космонавтики», 2003, №12, с.50-51/. В указанной системе связь СР с НКА осуществляют с в пределах всей видимой с СР зоны обзора, охватывающей сферу возможных положений НКА на их орбитах.
Недостатком такой системы является то, что она является, с одной стороны, потенциальным источником помех для ЗС, работающих в общих с НКА частотных диапазонах, с другой - сама может стать объектом нежелательных излучений со стороны таких ЗС. Например, полосы частот так называемого S-диапазона, выделенные в соответствии с Регламентом радиосвязи службе космической эксплуатации (от 2 до 2,2 ГГц) и широко используемые в современных космических системах ретрансляции, решением ВАКР-92 выделены также сухопутной подвижной спутниковой службе.
Аналогичная ситуация наблюдается в Ku (15/13 ГГц) и Ka (27/23 ГГц) диапазонах, в которых совпадают или находятся по соседству полосы частот, выделенные, с одной стороны, службе космических исследований и для межспутниковой связи, а с другой стороны,- подвижной и фиксированной спутниковым службам.
При решении задач этих служб одним и тем же СР (или близко расположенными СР) могут возникнуть определенные проблемы с обеспечением электромагнитной совместимости бортовых и земных радиоэлектронных средств. Указанное обстоятельство также затрудняет процесс координации частот для спутниковых систем связи с НКА.
От указанного недостатка свободен способ, защищенный патентом РФ №2294597, H04B 7/185, 2007 г.
HKA
CP
HKA
CP
3
CP
З
Согласно этому способу связь СР с НКА осуществляют в пределах пространства, ограниченного с внешней и с внутренней стороны круговыми прямыми конусами с общей вершиной в точке расположения СР и с общей осью, проходящей через центр Земли и точку расположения СР, при этом угол при вершине внешнего конуса выбран из условия α=2 arcsin(R/R), где R - радиус орбиты НКА, R - радиус орбиты СР, угол при вершине внутреннего конуса выбран из условия β=2 arcsin(R/R), где R - радиус Земли. Т.е. связь между НКА и СР осуществляется с помощью радиолиний, не пересекающих земной шар. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он применим к системе связи на основе одного СР, которая может быть использована для решения ограниченного круга задач, в частности для обеспечения связи с НКА, не требующими поддержания непрерывной связи с ними или допускающими проведение ограниченных по длительности сеансов связи в период нахождения НКА в зоне обслуживания СР, определяемой данным способом. С другой стороны, существует класс НКА типа НКА непрерывного обзора земной поверхности, обслуживание которых требуется производить глобально, т.е. поддерживать с ними связь в течение всего витка либо значительной его части, а съем информации может потребоваться при нахождении НКА в любой точке орбиты.
Необходимо при этом отметить, что глобальные системы, предоставляющие для своих абонентов возможность соединения с некоторым наземным пунктом (информационным центром) в любое время и в любом месте, обеспечивают эту возможность посредством организации межспутниковых (СР-СР) линий связи с обязательным выходом по меньшей мере одного из СР орбитальной группировки на по меньшей мере один наземный приемопередающий пункт. Данный принцип информационного обмена с многоспутниковой орбитальной группировкой, не все спутники которой могут в данный момент находиться в зоне радиовидимости наземного пункта, реализован, например, в таких глобальных системах связи, как MILSTAR и GLOBALSTAR.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение глобального обслуживания спутниками-ретрансляторами низкоорбитальных космических аппаратов в любой точке сферы их возможных положений с применением радиолиний связи, не пересекающих земной шар.
З
HKA
З
HKA
Поставленная цель достигается тем, что спутники-ретрансляторы располагают в одной орбитальной плоскости при наличии связи каждого спутника-ретранслятора с соседними спутниками-ретрансляторами и нахождении по меньшей мере одного спутника-ретранслятора в зоне радиовидимости по меньшей мере одного наземного приемопередающего пункта, при этом количество спутников-ретрансляторов N выбирают из условия: для нечетного числа спутников-ретрансляторов N≥180°/(180°-γ), где γ=2arcsin(R/R)+β, для четного числа спутников-ретрансляторов N≥360°/(180°-δ), где δ=2arcsin(R/R)-β.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-6, где:
- на фиг.1 представлены геометрические построения для определения размеров зон отсутствия связи, возникающих при связи между НКА и СР при использовании радиолиний, не пересекающих земной шар;
- на фиг.2 показано положение зон отсутствия связи для одного СР, находящегося в произвольной точке геостационарной орбиты;
- на фиг.3 показано положение зон отсутствия связи для двух СР, разнесенных между собой по дуге геостационарной орбиты на 120°;
- на фиг.4 показано положение зон отсутствия связи для трех СР, разнесенных друг от друга по дуге геостационарной орбиты на 120°;
- на фиг.5 показано положение зон отсутствия связи для четырех СР, разнесенных друг от друга по дуге геостационарной орбиты на 90°;
- на фиг.6 представлен вариант реализации глобальной спутниковой системы для обслуживания НКА на базе трех геостационарных СР.
HKA
CP
З
На фиг.1 введены следующие условные обозначения: R - радиус орбиты НКА, R - радиус орбиты высокоорбитального СР, R - радиус Земли, α - угол при вершине конуса, охватывающего из точки А нахождения СР на орбите всю сферу возможных положений НКА, β - угол при вершине конуса, охватывающего всю видимую из точки А нахождения СР на орбите поверхность Земли, δ - угловой размер зоны отсутствия связи с НКА со стороны СР на сфере возможных положений НКА, обусловленный связью СР с НКА с использованием радиолиний, не пересекающих земной диск, γ - угловой размер зоны отсутствия связи с НКА со стороны СР на сфере возможных положений НКА, обусловленный затенением Земли, ε - ширина шарового слоя на сфере возможных положений НКА, в пределах которого возможна связь с НКА, ρ - угол, характеризующий несоосность левой и правой проекций секторов с угловым размером ε. В дальнейшем зону отсутствия связи с угловым размером δ будем называть зоной запрета, а зону отсутствия связи с угловым размером γ - зоной затенения.
А' обозначает подспутниковую точку СР на сфере возможных положений НКА, а А" - противоположную ей точку на обратной стороне указанной сферы. Таким образом, А' является центром зоны запрета, а А" - центром зоны затенения, а угловое разнесение между ними равно 180°.
З
HKA
HKA
З
З
При рассмотрении фиг.1 принимается, что плоскость чертежа совпадает с плоскостью орбиты СР, находящегося в точке А, а окружности радиусов R и R (с общим центром в точке О) являются соответственно линиями пересечения плоскости орбиты СР с земной сферой и сферой возможных положений НКА. Жирными линиями показаны дуги ВС и DE окружности радиуса R, противолежащие вышеупомянутым углам δ и γ и иллюстрирующие размеры рассмотренных зон отсутствия связи. Линии AD и АЕ являются касательными к земной сфере, линия OF -перпендикуляром, опущенным на линию АЕ в точке ее касания с окружностью радиуса R (при этом OF=R).
Определим угловые размеры зон отсутствия связи δ и γ.
Из геометрических построений на фиг.1 следует, что
и
Из прямоугольного треугольника OCF имеем:
Угол
Поскольку углы ОСА и OCF в сумме равны π, то
Путем подстановки (2) и (4) в (1) и некоторых преобразований получаем формулу для расчета углового размера зоны запрета:
З
CP
Но слагаемое 2 arcsin(R/R) есть ни что иное, как угол β, поэтому окончательно выражение (5) примет следующий вид
Из фиг.1 также следует, что
З
HKA
Т.к. треугольник СОЕ состоит из двух равных прямоугольных треугольников COF и FOE (имеющих общий катет OF и равные гипотенузы ОС и ОЕ), то угол СОЕ состоит из двух равных углов, каждый из которых равен arccos(R/R). Подставляя полученное значение угла СОЕ, а также (6) в (7), после некоторых преобразований получаем формулу для расчета углового размера зоны затенения:
или окончательно
CP
З
HKA
Дальнейшее рассмотрение сущности предлагаемого изобретения будем проводить на примере варианта его возможной реализации с использованием спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите (ГСО), для которой R=42170 км. Средний радиус Земли R принимается равным 6371 км, радиус сферы возможных положений НКА R выбран равным 8171 км (для высоты орбиты НКА 1800 км).
HKA
CH
Для выбранных значений R и R значения углов δ и γ в соответствии с формулами (6) и (9) составят: δ=85° и γ=120°.
1
1
На фиг.2 представлены контуры зоны запрета 1 (с центром в точке A') и зоны затенения 2 (с центром в точке A'') для СР1 в точке стояния 60° в.д. для определенных выше значений углов δ и γ. Таким образом, при организации связи по радиолиниям, не пересекающим земной шар, и использовании одного СР связь с НКА возможна в любой точке сферы возможных положений НКА (проекция которой в прямоугольной системе координат показана на фиг.2 в виде координатной сетки), за исключением двух зон отсутствия связи, ограниченных контурами 1 и 2.
Как следует из фиг.1, при предлагаемом способе связи по радиолиниям, не пересекающим земной шар, всегда будет выполняться условие δ<γ, т.е. зона запрета связи всегда будет меньше зоны затенения, что и наблюдается на фиг.2.
1
1
2
2
Если в спутниковую систему ретрансляции информации с НКА ввести второй спутник-ретранслятор СР2, отстоящий от СР1 на угол, равный, например, γ=120°, то получим картину, показанную на фиг.3, где, как и на фиг.2, представлены контуры зоны запрета 1 (с центром в точке A') и зоны затенения 2 (с центром в точке A”) для СР1 в точке стояния 60° в.д., и дополнительно приведены контуры зоны запрета 3 (с центром в точке А') и зоны затенения 4 (с центром в точке А") для СР2 в точке стояния 180° в.д. (показаны штриховыми линиями).
Как видно из фиг.3, для системы из двух СР областями полного отсутствия связи будут области взаимного пересечения зон, ограниченных контурами 2 и 3 и 1 и 4 (заштриховано), т.к. эти области не охватываются ни СР1, ни СР2.
Результаты моделирования показывают, что при изменении углового разнесения между СР1 и СР2 можно выбрать такое их взаимное расположение, что размеры вышеописанных областей полного отсутствия связи на фиг.3 будут минимальными и занимать меньшую площадь, чем зоны, ограниченные контурами 1 и 2 на фиг.2. Тем не менее, при рассматриваемых значениях углов δ и γ при двух СР в системе невозможно обеспечить обслуживание НКА во всех точках сферы их возможных положений.
1
1
2
2
3
3
Введем в спутниковую систему ретрансляции информации с НКА третий спутник-ретранслятор СР3 при одинаковом угловом разнесении между всеми тремя СР, равном углу γ=120°. Взаимное расположение зон отсутствия связи в этом случае показано на фиг.4, где представлены контуры зоны запрета 1 (с центром в точке A') и зоны затенения 2 (с центром в точке A") для СР1 в точке стояния 60° в.д., контуры зоны запрета 3 (с центром в точке А' и зоны затенения 4 (с центром в точке А'') для СР2 в точке стояния 180° в.д. (показаны штриховыми линиями) и контуры зоны запрета 5 (с центром в точке А') и зоны затенения 6 (с центром в точке А'') для СР3 в точке стояния 60° з.д. (показаны пунктирными линиями). Как следует из фиг.4, при трех СР наблюдается отсутствие областей взаимного пересечения каких-либо зон отсутствия связи одновременно всех трех СР, и следовательно, система из трех СР при рассматриваемых значениях углов δ и γ обеспечивает полных охват сферы возможных положений НКА.
Определим соотношение между углами δ и γ и необходимым количеством СР в системе N, для чего обратимся к фиг.1. На этой фигуре кроме зон отсутствия связи, имеющих угловой размер δ и γ, показаны в виде секторов с угловым размером ε проекции шарового слоя на сфере возможных положений НКА, в пределах которого возможна связь с НКА. Если бы эти сектора были соосны между собой, то покрытие всей сферы возможных положений НКА (360°) можно было бы обеспечить, например, с помощью 2N секторов, для чего потребовалось бы N СР. Но сектора несоосны, и угол, характеризующий их несоосность, равен 2 ρ, как следует из фиг.1. Из треугольника СОЕ находим, что
и
С учетом вышеизложенной несоосности для покрытия всей сферы возможных положений НКА необходимо, чтобы угловой размер секторов ε был бы не менее
Из фиг.1 также следует, что угол е связан с углами δ и γ следующим соотношением:
Приравняв между собой правые части выражений (12) и (13) и выполнив с учетом (11) необходимые преобразования, получим
180°-δ/2-γ/2≥180°/N+γ/2-δ/2
1
2
3
Из выражения (14) в частности следует, что при γ≤120° для полного покрытия сферы возможных положений НКА (для рассматриваемого нами примера) достаточно трех геостационарных СР. Это подтверждается фиг.4, из которой видно, что если увеличить зоны затенения 2, 4 и 6 с угловым размером γ, то на указанной сфере появятся области полного отсутствия связи из-за взаимного пересечения зон невидимости всех трех СР, а именно - зон 1, 4 и 6 в окрестностях точки A', зон 2, 3 и 6 - в окрестностях точки А' и зон 2, 4 и 5 - в окрестностях точки А'.
Как показали результаты исследования зависимости необходимого количества СР от радиусов орбит СР и НКА, а значит, и от значений углов δ и γ, вышеприведенная формула (14) действительна только для нечетного числа СР N.
1
2
3
4
1
2
3
4
Обратимся к фиг.5, на которой показаны контуры зон запрета 1-4 (с угловым размером δ=90°) для четырех СР, расположенных в точках стояния A', А', А' и А', и контуры зон затенения 5-8 (с угловым размером γ=125°) с центрами в точках A", А", А" и А". Поскольку каждый из СР отстоит один от другого на угол 90°, равное угловому разнесению центров зон запрета и затенения каждого СР, то на фиг.5 наблюдается совпадение центров зоны запрета 1 и зоны затенения 7 противолежащих СР1 и СР3 и т.д.
Из фиг.5 следует, что при данных значениях углов δ и γ (соответственно 90° и 125°) области полного отсутствия связи на сфере возможных положений НКА отсутствуют, т.к. нет областей взаимного пересечения каких-либо зон отсутствия связи одновременно всех четырех СР. Но при дальнейшем увеличении углов δ и γ эти области появятся в окрестностях точек касания зон 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 1. Следовательно, указанные значения δ=90° и γ=125° являются предельными при N=4. В то же время, в соответствии с формулой (14) для N=4 предельное значение угла у составляет 135°, но области полного отсутствия связи, как следует из фиг.5, в этом случае существуют.
Моделирование при четных значениях N>4 показало, что для четных N справедливой является следующая формула:
Как видно из результатов рассмотрения вышеприведенных примеров с числом геостационарных СР 3 и 4, при которых обеспечивается глобальное обслуживание НКА с определенными радиусами их орбит, угловое разнесение между самыми крайними СР орбитальной группировки составляет соответственно 240° и 270°. Даже с территории такого протяженного в географическом отношении государства, как Россия, можно наблюдать геостационарные СР, угловое разнесение между которыми составляет не более 220°. Это обстоятельство подтверждает правомерность введения в отличительную часть формулы настоящего изобретения условия, что для глобального обслуживания НКА с применением радиолиний связи НКА-СР, не пересекающих земной шар, необходимо обеспечить связь каждого СР с соседними СР с выходом по меньшей мере одного из СР орбитальной группировки на по меньшей мере один наземный приемопередающий пункт, с которого осуществляется информационный обмен с НКА через СР.
На фиг.6 представлен вариант реализации глобальной системы для обслуживания НКА на базе трех геостационарных СР с использованием заявляемого способа.
Вокруг земного шара 9 по круговым орбитам 10 обращаются НКА 11. На геостационарной орбите 12 расположены два периферийных СР 13, оснащенные аппаратурой связи с НКА и центральным СР 14. В свою очередь, центральный СР 14 помимо аппаратуры связи с НКА и соседними периферийными СР 13 оснащен аппаратурой для связи с наземным приемопередающим пунктом (НППП) 15. Антенные системы СР 13 и 14 формируют свои лучи для обслуживания НКА в области пространства, ограниченного с внешней и с внутренней стороны круговыми прямыми конусами с общей вершиной в точке расположения СР и с общей осью, проходящей через центр Земли и точку расположения СР, при этом внешний конус охватывает сферу возможных положений НКА, а внутренний конус охватывает земной шар, т.е. связь между НКА и СР осуществляется с помощью радиолиний, не пересекающих земной шар.
Центральный СР 14, осуществляя связь с НКА 11, ретранслирует получаемую от него информацию непосредственно на НППП 15. Аналогично производится связь в обратном направлении. Таким образом, для НКА 11, находящихся в зоне обслуживания центрального СР 14, передача информации производится по двусторонней линии связи НКА↔СР↔НППП. Периферийные СР 13 при осуществлении связи с НКА 11 не имеют прямого выхода на НППП 15, т.к. не находятся в зоне его радиовидимости. Поэтому принятая от НКА 11 информация сначала передается по межспутниковой линии связи на центральный СР 14, а затем по фидерной линии на НППП 15. Т.е. для НКА 11, находящихся в зонах обслуживания периферийных СР 13, передача информации производится по двусторонней линии связи НКА↔периферийный СР↔центральный СР↔НППП.
Использование предлагаемого способа позволяет создать глобальную систему спутниковой связи на базе спутников-ретрансляторов на высокой круговой орбите для обслуживания низкоорбитальных космических аппаратов в любой точке сферы их возможных положений, при этом на входы приемных устройств СР практически не воздействуют ни тепловой шум Земли, ни помехи от земных станций, работающих в общей полосе частот с НКА. Кроме того, сама система спутниковой связи не создает помех земным станциям.
Из известных автору 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 НКА.