Способ построения космической системы ретрансляции информации между земными станциями и абонентскими терминалами
METHOD OF CONSTRUCTING SPACE SYSTEM FOR RELAYING INFORMATION BETWEEN EARTH STATIONS AND SUBSCRIBER TERMINALS

Изобретение относится к космическим системам ретрансляции информации между лунными станциями, которые могут быть размещены как на поверхности Луны, так и на окололунной орбите, и земными станциями управления и приема/передачи сообщений с использованием геостационарных спутников-ретрансляторов (СР).
Способ построения космической системы ретрансляции информации между земными станциями и абонентскими терминалами (АТ) изложен, например, в патенте № 2366086 РФ «Способ построения космической системы ретрансляции с использованием геосинхронных спутников-ретрансляторов» и статье Кузовникова А.В., Мухина В.А., Выгонского Ю.Г., Головкова В.В., Роскина С.М. «Многофункциональная космическая система ретрансляции «Луч» – новая российская система для оперативного информационного обмена с низкоорбитальными космическими аппаратами» // Наукоемкие технологии, № 9, т.15, 2014, с.20 – 23. По совокупности признаков способ, описанный в статье, выбран в качестве прототипа. В соответствии с данным способом формируют орбитальную группировку из N геостационарных СР, где N ≥ 2, и соединяют каждый из СР по меньшей мере с одной земной станцией.
о
о
о
Недостатком рассмотренного способа является то, что создаваемая в соответствии с ним космическая система ретрансляции (КСР) предназначена для работы с АТ, расположенными на видимых со спутников-ретрансляторов участках земной поверхности и околоземных орбит. Поэтому предложенные в данном способе места расположения антенн СР для связи с АТ (в дальнейшем – антенн абонентского направления) и пределы углов отклонения осей диаграмм направленности указанных антенн, в частности, при связи с АТ на низкоорбитальных космических аппаратах, обусловлены в первую очередь необходимостью обслуживания именно данного класса АТ. Что касается возможности охвата орбиты Луны, то из-за ориентации антенн СР абонентского направления в сторону Земли и ограниченного сектора отклонения их лучей (не более 22 х 22) каждый из СР может «видеть» участок орбиты Луны размером немногим более 4.
Для заявленного способа выявлены следующие общие существенные признаки: Способ построения космической системы ретрансляции информации между наземными станциями и абонентскими терминалами, при котором формируют орбитальную группировку из N геостационарных спутников-ретрансляторов, где N ≥ 2, соединяют каждый из спутников-ретрансляторов, по меньшей мере, с одной наземной станцией.
Технической проблемой предполагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего для КСР на базе геостационарных СР возможность непрерывной связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках лунной поверхности или окололунных орбит.
э
ЛП
ОАТ
ГСО
ЛП
ОАТ
ГСО
макс
макс
ЛП
ОАТ
ГСО
макс
м
ЛП
ГСО
ЛП
ГСО
ОАT
ЛП
о
о
о
о
Указанная проблема решается тем, что антенну СР для связи с АТ, находящимися на видимых с Земли участках поверхности Луны и окололунных орбит, располагают на противоположной от направления на Землю стороне СР, угол отклонения оси диаграммы направленности указанной антенны, отсчитываемый от оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированный в направлении от центра Земли, устанавливают: в плоскости земного экватора – не менее ±θ= 90 – arc tg {[(L – R– R)/( L – R + R)] ctg(φ/4)} + φ/4, где L – расстояние между Землей и Луной в перигее лунной орбиты, R – радиус сферы возможных положений лунных АТ, R – радиус геостационарной орбиты, φ – максимальное угловое разнесение между точками стояния соседних СР, и в меридиональной плоскости – не менее ±θ= 90 – arc tg {[(L – R)/( L + R)] ctg[(28,77 + α)/4]} + (28,77 + α)/4, где α = arc sin(R/L). При этом угловое разнесение между точками стояния спутников-ретрансляторов устанавливают равным 180/N.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг.1 ÷ 4, где:
- на фиг.1 приведены геометрические построения для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в плоскости земного экватора;
- на фиг.2 приведены геометрические построения для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости;
- на фиг.3 показано расположение на СР антенны абонентского направления, обеспечивающей связь лунными АТ;
- на фиг.4 представлен общий вид космической системы ретрансляции для связи лунных АТ с Землей.
На фиг.1 ÷ 4 введены следующие обозначения:
1 – Земля;
2 – геостационарная орбита;
3 – орбита Луны;
4 – Луна;
5 – сфера возможных положений лунных АТ;
6 – плоскость эклиптики;
7 – плоскость земного экватора;
8 – плоскость орбиты Луны;
9 – Солнце;
10 – СР;
11 – антенна для связи с земной станцией;
12 – антенна для связи с лунными АТ;
13 – западный СР;
14 – центральный СР;
15 – восточный СР;
16 – антенный луч для связи с Землей;
17 – зона покрытия антенного луча для связи с Землей;
18 – антенный луч для связи с Луной;
19 – зона покрытия антенного луча для связи с Луной.
ГСО
ОАТ
На фиг.1, плоскость которой совпадает с плоскостью земного экватора (и с плоскостью геостационарной орбиты), показана Земля 1, ее геостационарная орбита (ГСО) 2 радиусом R и орбита Луны 3, все с центрами в точке О. В качестве примера рассматривается орбитальная группировка КСР, состоящая из двух СР в точках А и В ГСО 2. Областью размещения обслуживаемых данной КСР лунных АТ является видимая с Земли часть пространства между поверхностью Луны 4 и сферой возможных положений лунных АТ 5, радиус которой определяется максимальным радиусом орбиты окололунного АТ R. Точка С является ближайшим к Земле 1 местом расположения АТ на сфере 5.
ОЛ
Для удобства дальнейшего анализа по другую сторону Земли 1 симметрично точке С введена аналогичная точка D, упомянутые выше точки размещения СР А и В расположены симметрично относительно линии CD, а орбита Луны 3 полагается круговой радиусом R.
э
макс
ГСО
ОЛ
ОЛТ
макс
э
В качестве исходной предпосылки принимаем, что для обеспечения непрерывной связи с лунными АТ каждый из двух СР должен быть способным охватывать половину орбиты Луны 3, т.е. в данном случае СР в точке А должен обслуживать лунные АТ при движении Луны 4 из точки Е в точку F, а СР в точке В – при движении Луны 3 из точки F в точку Е. Как следует из фиг.1, в плоскости земного экватора это обеспечивается при условии, если, во-первых, антенна СР для связи с АТ будет располагаться на противоположной от направления на Землю 1 стороне СР, а во-вторых, если ось диаграммы направленности этой антенны будет способна перемещаться в пределах сектора обзора, выходящего за пределы верхней полусферы СР. Угловой размер этого сектора определяется, как видно из приведенных на фиг.1 геометрических построений, величиной угла θ, который связан с величиной максимального углового разнесения φ между точками стояния СР А и В. Согласно соотношениям между сторонами и углами треугольников [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М., Наука, 1967. – 608 с., с.187] для треугольника АОС, у которого известны две стороны: АО = R и ОС = R – R = L, а также угол между ними равный φ/2, искомый угол θ, как смежный по отношению к углу САО будет определяться следующим выражением:
.
(1)
э
ЛП
мин
ЛП
ОАТ
Поскольку в реальности Луна 4 движется вокруг Земли 1 по эллиптической орбите [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / Под ред. В.В. Иванова. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. – 544 с., с.116], соответственно и значение L будет изменяться от минимального при нахождении Луны 4 в перигее ее орбиты 3 до максимального при нахождении Луны 4 в апогее ее орбиты 3. Как видно из фиг.1, с уменьшением расстояния L значение угла θвозрастает, поэтому максимальное значение этого угла соответствует минимальному значению L, которое равно расстоянию между центрами Земли и Луны при нахождении последней в перигее ее орбиты L за вычетом радиуса сферы возможных положений лунных АТ, т.е. L= L – R. Таким образом, конечное выражение для угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в плоскости земного экватора относительно оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли, примет следующий вид:
.
(2)
Л
З
о
о
Для определения угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости, или плоскости, перпендикулярной плоскости земного экватора, обратимся к фиг.2, на которой показано взаимное расположение проекций плоскости эклиптики 6, плоскости земного экватора 7 и плоскости орбиты Луны 8 на плоскость чертежа, совпадающую с плоскостью, перпендикулярной плоскости эклиптики 6, и проходящей через большую ось орбиты Луны 3 (или через центр Земли 1 в точке О и центр Луны 4 в точке Е на фиг.1). Плоскость орбиты Луны 8 постоянно наклонена к плоскости эклиптики 6 под углом i, максимальное значение которого составляет 520’ [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие, с.116]. Плоскость орбиты Земли (не показана) лежит в плоскости эклиптики 6, в то же время из-за наклона земной оси относительно плоскости эклиптики 6 плоскость земного экватора 7 наклонена к плоскости эклиптики 6 под углом i = 2326’ [Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие, с.26].
З
Л
о
о
о
о
Вследствие постоянных изменений элементов орбиты Луны 3, в частности, долготы ее перигея и долготы восходящего узла, а также изменения пространственного положения плоскости земного экватора 7 относительно Солнца 9 можно представить, как показано на фиг.2, что максимальный угловой разнос между плоскостью земного экватора 7 и плоскостью орбиты Луны 8 будет равен сумме наклонений указанных плоскостей к плоскости эклиптики 6, т.е. i + i= 2326’ + 520’ = 2846’ ≈ 28,77.
м
Максимальное значение угла отклонения оси диаграммы направленности антенны СР абонентского направления в меридиональной плоскости θдля СР, находящегося в точке G будет равно значению угла между плоскостью земного экватора 7 (плоскостью ГСО) и направлением на точку нахождения АТ Н на окололунной орбите 5.
м
ГСО
ОАТ
З
Л
ОАТ
ЛП
м
э
о
Для нахождения угла θрассмотрим треугольник OGH, в котором сторона OG равна радиусу ГСО R, сторона OH может быть принята равной длине перигея орбиты Луны 8 ОЕ (так как ОН >> R), а угол GOH между этими сторонами равен сумме углов i + i+ α = 28,77 + α, где α = arc sin (R / L). Тогда искомый угол θкак смежный по отношению к углу OGH определяется с применением метода, принятого для нахождения угла θ, т.е.:
(3)
ОАТ
ЛП
э
м
где α = arc sin (R / L). Так же, как и угол θ, угол θ отсчитывается относительно оси, соединяющей СР с центром Земли и ориентированной в направлении от центра Земли.
э
э
Рассмотренные выше рассуждения относительно значения угла θбыли применены к орбитальной группировке СР с некоторым произвольным угловым разнесением между ними. Однако, как можно заметить из фиг.1, минимальное значение угла θ может быть достигнуто при равном угловом разнесении между точками стояния СР, равном 180/N.
В плане возможной реализации предполагаемого изобретения на фиг.3 показан схематический вид СР 10 и связанной с ним сателлитоцентрической системы координат XYZ, в которой ось Х направлена на центр Земли, ось Y совпадает с направлением движения СР 10, а ось Z перпендикулярна плоскости чертежа, совпадающей с плоскостью земного экватора (плоскостью ГСО), и направлена вверх. СР 10 оснащен антенной 11 для связи с земной станцией и антенной 12 для связи с лунными АТ. Антенна 11 расположена на обращенной к Земле стороне СР 10 и является антенной радиочастотного диапазона, оптимального для прохождения сигналов через атмосферу Земли. Антенна 12 располагается на противоположной от направления на Землю стороне СР 10 и поскольку она предназначена для связи исключительно в космическом пространстве, то она может работать не только в радио, но и в оптическом диапазоне волн. Использование для связи с лунными АТ высокочастотных диапазонов позволяет уменьшить габариты связной аппаратуры как самих АТ, так и СР.
э
м
В верхней части фиг.3 на координатных осях показаны углы отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 в плоскости земного экватора (плоскости XOY) ±θи в меридиональной плоскости (плоскости XOZ) ±θ, отсчитываемых относительно оси –Х.
На фиг.4 представлен пример построения космической системы ретрансляции для обслуживания лунных АТ, включающей орбитальную группировку из трех спутников-ретрансляторов, условно обозначенных как: «восточный» СР 13, «центральный» СР 14 и «западный» СР 15, обращающихся вокруг Земли 1 по геостационарной орбите 2. Каждый из СР 13 – 15 формирует с помощью антенны 11 антенный луч для связи с Землей 16. Каждый из лучей 16 формирует на поверхности Земли 1 зону покрытия 17, в пределах которой размещается земная станция (не показана). Из приведенного на фиг.4 состава орбитальной группировки СР наиболее благоприятные условия для связи с лунными АТ (наименьшая дальность связи) имеет СР 14, который с помощью антенны 12 формирует антенный луч 18, направленный в сторону Луны 4 и образующий на ее поверхности зону покрытия 19, в которой размещается лунный АТ (не показан).
о
о
о
В качестве примера определим значения углов отклонения антенны СР для связи с АТ 12 применительно к орбитальной группировке существующей многофункциональной космической системы ретрансляции «Луч», в которой три СР располагаются в следующих точках стояния на ГСО: «западный» СР – 16 з.д.; «центральный СР – 95в.д. и «восточный» СР – 167 в.д. [см.прототип]. При указанных позициях СР максимальное угловое разнесение между СР («западным» и «восточным») составляет:
макс
ЛП
ОАТ
ГСО
э
ЛП
ОАТ
ГСО
м
о
о
Подставив в формулу (2) полученное значение φ, а также значения лунного перигея L = 363 тыс. км, радиуса орбиты лунного АТ R ≈ 1940 км (при радиусе Луны 1736,7 км и высоте полета АТ около 200 км) и радиуса ГСО R = 42 164 км, получим угол отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 СР в экваториальной плоскости θ = ±95,2. Далее, введя соответствующие данные (L, R и R) в формулу (3), получим угол отклонения оси диаграммы направленности антенны 12 СР в меридиональной плоскости θ = ±16,4. Полученные значения углов отклонения являются вполне реализуемыми для современного уровня техники.
о
о
э
В то же время при использовании орбитальной группировки из трех СР с одинаковым угловым разнесением 120 получим значение угла θ = ±66,1.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает для КСР на базе геостационарных СР полный охват лунной орбиты, тем самым предоставляя возможность для непрерывной связи с абонентскими терминалами, находящимися на видимых с Земли участках лунной поверхности или окололунных орбит.
По результатам проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы не обнаружена совокупность признаков, эквивалентных (или совпадающих) с признаками данного предполагаемого изобретения, поэтому заявители склонны считать техническое решение отвечающим критерию «новизна».