СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ И НАБЛЮДЕНИЯ ПРИЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ШИРОТ
SATELLITE SYSTEM OF COMMUNICATION AND OBSERVATION IN NEAR-EQUATORIAL LATITUDES

Область техники
Изобретение относится к спутниковым системам (СС) связи и наблюдения, использующим легкие спутники, которые функционируют на низких и средних околоземных орбитах и обеспечивают непрерывное региональное покрытие поверхности Земли.
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 и обеспечения требуемых технических и функциональных характеристики системы в том или ином районе Земли при минимальных затратах. При этом, от выбранных орбит и их характеристик 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 создания 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 (видеопереговоры, видеоконференции); снижается потребная мощность и вес бортовой приемо-передающей 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 комбинированная СС связи (патент РФ №2496233 опубл. 20.06.2013), состоящая из двух группировок (сегментов), одна из которых содержит N спутников связи, где N - целое число, и расположена на n околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 0°…30°, по N/n спутников на каждой орбите, другая группировка состоит из М спутников связи, где М - целое число, и расположена на m околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 50°…90°. В таблице 2 представлены характеристики предпочтительного варианта исполнения указанной СС.
При этом угол места в точке расположения абонента (угол между лучом на спутник и местным горизонтом) составляет 5-15 градусов; диаметр зоны радиовидимости со спутника, находящегося на орбите высотой 1500 км - 5÷6 тыс. км.
Сегмент №1 данной СС, обслуживающий приэкваториальную область обзора, является наиболее близким к заявляемому изобретению вариантом построения СС регионального покрытия и взят в качестве прототипа.
Основным из недостатков прототипа является баллистическое построение, требующее 3 орбитальных плоскости для обеспечения регионального покрытия приэкваториальных широт ниже 40°, что приводит к необходимости осуществлять минимум три групповых запуска в каждую плоскость для развертывания СС на орбите.
Вторым недостатком являются ограниченная эффективность применения таких систем, поскольку при двух и более кратном покрытии заданной области, они оказываются хуже по критерию минимизации высоты полета, особенно в малых СС с числом спутников менее 24.
Предлагаемая СС связи и наблюдения приэкваториальных широт позволяет, при использовании всего двух орбитальных плоскостей, решить задачу обеспечения непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном регионе покрытия, ограниченном максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора. Согласование движения спутников в первой и второй орбитальных плоскостях - фазирование, примененное в предлагаемом изобретении, дает возможность увеличить наклонение орбит и уменьшить высоту полета.
Решение поставленной задачи достигается тем, что спутниковая система связи и наблюдения приэкваториальных широт, содержащая множество искусственных спутников Земли, оснащенных бортовыми ретрансляторами с межспутниковой связью, и построенная на нескольких орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе восходящего узла на одинаковый угол, с равномерным распределением спутников в них, отличается, согласно изобретению тем, что она построена всего на двух орбитальных плоскостях, развернутых по долготе восходящего узла на 180°, при этом спутники в первой орбитальной плоскости сфазированы со спутниками во второй и обеспечивают непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном приэкваториальном регионе покрытия, ограниченном максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора.
Указанная новая совокупность существенных признаков, отраженных в первом независимом пункте формулы, позволяет достичь следующего технического результата. Благодаря использованию всего двух орбитальных плоскостей при построении СС многократной связи и наблюдения, удается минимизировать количество запусков и стоимость развертывания такой системы на орбите. Тем самым устраняется первый недостаток прототипа. Сфазированное расположение спутников в первой и второй орбитальных плоскостях позволяет увеличить наклонение и минимизировать высоту полета, обеспечивая заданную кратность непрерывного покрытия при минимальном числе спутников в системе. Таким образом, устраняется второй недостаток прототипа.
Одним из вариантов изобретения является построение СС многократной связи и наблюдения для приэкваториальных широт с максимальной границей выше 20°. В этом случае предлагаемый вариант построения двухплоскостной СС оказывается лучшим по критерию минимизации высоты полета, чем даже спутниковая система на экваториальной орбите.
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) посредством 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 цифрами обозначены номера орбитальных плоскостей (1, 2). Стрелками - направления движения спутников. Синими линиями показаны трассы орбит. Двумя верхними окружностями обозначены мгновенные зоны обзора двух смежных спутников в плоскости 1, разнесенными по аргументу широты на угол Δϕ. Третьей окружностью в орбитальной плоскости 2 показана соответствующая мгновенная зона обзора третьего спутника, сфазированного с первыми двумя. 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, соответствующий предпочтительному варианту изобретения, когда максимальная широта непрерывного определяется точками пересечения полос непрерывного обзора соседних орбитальных плоскостей (точки Б и В) и соответствует пунктирной зеленой линии.
На чертежах приняты следующие обозначения:
j
С - ширина полосы j-кратного обзора;
θ - угол поля обзора спутника на поверхности Земли;
i - наклонение орбиты;
Δϕ - сдвиг по аргументу широты между спутниками в одной плоскости;
dϕ - угловой размер дуги между проекциями на поверхность Земли точки пересечения орбитальных плоскостей и точки пересечения их полос непрерывного обзора;
12
Ω - сдвиг по долготе между восходящими узлами первой и второй орбитальной плоскости;
max
ϕ - максимальная широта непрерывного покрытия СС.
Осуществление изобретения
Спутниковая система связи и наблюдения приэкваториальных широт содержит множество искусственных спутников Земли, оснащенных бортовыми ретрансляторами с межспутниковой связью, и построена на нескольких орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе восходящего узла на одинаковый угол, с равномерным распределением спутников в них, при этом, она построена всего на двух орбитальных плоскостях, развернутых по долготе восходящего узла на 180°, при этом спутники в первой орбитальной плоскости сфазированы со спутниками во второй и обеспечивают непрерывной связью абонентов и наблюдение в заданном приэкваториальном регионе покрытия, ограниченном максимальной широтой, с требуемой кратностью обзора.
Разнесение орбитальных плоскостей по долготе восходящего узла на угол 180°, согласно фиг. 1 и фиг. 2, позволяет обеспечить непрерывное покрытие региона, ограниченного требуемой минимальной и максимальной широтой. При этом количество спутников в каждой плоскости одинаково и определяется с учетом обеспечения заданной кратности непрерывного покрытия.
Пример. СС связи и наблюдения для приэкваториальных широт.
Предпочтительным вариантом изобретения является построение СС связи и наблюдения для приэкваториальных широт от 0° до 45°, согласно фиг. 1 и фиг. 2, позволяющее обеспечить непрерывную связь на обширной территории с населением порядка 70% от общей численности на Земле. Наклонение орбит для такой системы, согласно фиг. 1, может быть определено из соотношения:
Алгоритм решения для определения основных проектных параметров СС заключается в разрешении системы уравнений:
max
Порядок решения состоит в следующем. Задается кратность полосы непрерывного обзора j, максимальная широта покрытия ϕ и количество спутников в системе N. Определяется число спутников S в орбитальной плоскости:
Фазовый сдвиг между положениями спутников в одной плоскости определяется в виде:
Рассогласование по фазе между спутниками смежных сонаправленных орбитальных плоскостей:
j
j
Задается первое приближение по величине полосы j - кратного обзора С, и методом последовательных приближений разрешается система уравнений (2), определяя само значение полосы j - кратного обзора С, угол поля обзора θ и наклонение i.
Аргумент широты спутника «S» в плоскости «Р», считая, что положения первых спутников в соседних плоскостях близки и идут по нарастанию аргумента широты, определим как:
12
Сдвиг по долготе между восходящими узлами орбитальных плоскостей составляет Ω=180°.
Для указанного способа построения СС связи и наблюдения приэкваториальных широт в таблице 3 представлено сравнение с вариантами построения экваториальной системы и трехплоскостной СС согласно прототипу. Для всех вариантов систем, высота орбиты определяется из условия обеспечения минимальных углов возвышения спутника над местным горизонтом α=5°.
Как видно из таблицы 3, предлагаемый вариант построения двухплоскостной спутниковой системы связи и наблюдения приэкваториальных широт требует наименьшей высоты орбиты для обеспечения заданной кратности покрытия. Наиболее эффективно использование предлагаемого способа построения для СС однократного обзора с числом спутников не более 20, а также многократного обзора с числом спутников не более 50 при максимальной широте зоны покрытия свыше 30°. Еще одним отличительным преимуществом предлагаемого варианта построения СС связи и наблюдения приэкваториальных широт являются наибольшие значения наклонения орбит, что требует меньших энергетических затрат на выведение и развертывание системы при запуске с Российских космодромов, расположенных выше 50° с.ш.
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.