ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ КРУГОВЫХ ОРБИТ
GLOBAL SATELLITE COMMUNICATIONS USING MEDIUM CIRCULAR ORBITS

Изобретение относится к системам спутниковой связи, а более точно касается глобальной системы спутниковой связи с использованием средних круговых орбит и предназначено для обеспечения различными видами связи обширных регионов земного шара.
В настоящее время расширение рынка телекоммуникационных услуг привело не только к постоянному росту числа геостационарных спутников связи, но и к появлению значительного количества проектов систем глобальной и/или региональной связи с использованием систем искусственных спутников (ИС) на низких и средних круговых орбитах. В условиях жесткой конкуренции реализуемость и жизнестойкость таких дорогостоящих проектов в значительной степени зависит от разумного сочетания стоимостных и качественных показателей систем связи.
Известны комбинированные спутниковые системы региональной связи (например, для Северного полушария) с использованием эллиптических и круговых орбит, в том числе геостационарных (патент США N 5931417, кл. 244/158R; система "Эллипсо Бореалис/Конкордия" - см. Proulx R.J., et al., "Automated Station-Keeping for Satellite Constellations", AAS/AIAA Astrodynamics Conference, Sun Valley, Aug. 1997). Использование таких систем имеет определенные преимущества, заключающиеся в расширении границ зоны обслуживания, охватывающей приэкваториальные области. Однако указанные системы используют относительно большое количество спутников (патент США N 5931417 - до 24 спутников; система "Эллипсо Бореалис/Конкордия" - 17 спутников).
Из существующего уровня техники известны различные системы спутниковой связи, в которых предлагается использовать множество спутников на негеостационарной орбите (см. патенты RU №№2107990, 2496233, 2302695).
Однако каждая из указанных систем обладает орбитальной группировкой ИС, которая построена на базе двух разновысотных орбитах. Данное орбитальное построение приводит к удорожанию выведения ИС на орбиты, увеличивает время задержки передачи сигнала и усложняет определение энергетических характеристик абонентских терминалов из-за различия в энергетике радиолиний между абонентскими терминалами и ИС на разных орбитах.
Известен класс кинематически правильных спутниковых систем на круговых орбитах, впервые введенных Можаевым Г.В. (Можаев Г.В. Задача о непрерывном обзоре Земли и кинематически правильные спутниковые системы I, II. Космические исследования, 1972, т. 10, вып.6, с. 833-840; 1973, т.11, вып. 1, с. 59-69; Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. - М: Машиностроение, 1989, 304 с; патент РФ N 2065550, кл. 6 Н04В 7/185), и независимо от него J.G. Уолкером (J.G. Walker, Some circular orbit patterns providing continuous whole Earth coverage. Journal of the British Interplanetary Societ. Vol.24, 1971, pp. 369-384; J.G. Walker, Satellite constellations. Journal of the British Interplanetary Society. Vol.37, 1984, pp.559-571). Такого типа созвездие спутников предусмотрено, в частности, в проекте "Глобалстар".
Использование круговых орбит применительно к региональной связи не всегда оправдано, поскольку они имеют одинаковые характеристики обзора и соответственно связи в обоих полушариях Земли, что для систем связи, например, в Северном полушарии является избыточным и, следовательно, неоправданно дорогим.
Известна глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах (патент RU №2695540), выбранная нами за прототип и содержащая орбитальную группировку искусственных спутников, наземный центр управления полетом, региональные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями и наземные средства потребителей. Согласно данному изобретению орбитальная группировка содержит двенадцать искусственных спутников, расположенных на трех средних круговых орбитах в трех орбитальных плоскостях, по четыре искусственных спутника в каждой плоскости, то есть на каждой орбите, при этом орбитальные плоскости имеют равное наклонение и смещены на угол 120° одна относительно другой.
В патенте RU №2695540 заявлено, что система обеспечивает уверенное глобальное покрытие при использовании средних круговых орбит высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6°. Причем указано, что при данных параметрах орбитальной группировки обеспечивается двукратное покрытие 99,53% территории РФ по углу места 10° (угол между направлением на ИС и плоскостью горизонта в точке нахождения пользователя) и трехкратное покрытие 45,0% территории Земли.
При этом в названном патенте отсутствует информация о том, при каких минимальных значениях угла места обеспечивается сплошное (100%) покрытие земной поверхности, что является важным показателем эффективности спутниковой системы связи.
Согласно рекомендациям Международного союза электросвязи минимально приемлемым значением угла места является угол не менее 15°, на которое ориентируются практически все проектировщики спутниковых группировок, исходя из приемлемых значений уровня радиошума.
Эффективность системы спутниковой связи определяется возможностью глобального покрытия с углом места не менее 15°, а также кратностью покрытия земной поверхности, пропорциональной численности населения.
Для известной спутниковой системы (прототип), которая относится к классу кинематически симметричных спутниковых систем на круговых орбитах с равными наклонениями и равными высотами, в каждый момент времени на осматриваемой сфере - земной поверхности для каждой круговой орбиты можно выделить некоторую круговую полосу радиовидимости определенной ширины, симметричную относительно каждой плоскости орбиты, для любой точки которой угол места будет не менее заданного значения. В данном контексте под круговой полосой радиовидимости понимается пространство, границы которого образованы путем соединения точек пересечения зон радиовидимости каждого из ИС рассматриваемой орбитальной плоскости в направлении движения ИС, причем ширина такой полосы радиовидимости изменяется пропорционально значению угла места. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.
В известной спутниковой системе (прототипе) существует три круговых полосы радиовидимости, расположенные по отношению к экватору под одинаковыми углами в 51,6°. Авторами настоящего изобретения для известной спутниковой системы связи были проведены расчеты кратности покрытия на средней круговой орбите высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6° для угла места, равного 15°. Эти расчеты показали, что при значении угла места, равного 15°, отсутствует 100% покрытие земной поверхности, что будет далее представлено в таблицах и на диаграммах.
Кроме того, известная система спутниковой связи построена без учета распределения плотности населения по поверхности Земли. Однако именно для регионов с наибольшей плотностью населения (численностью населения в расчете на 1 кв. км), лежащей в диапазоне широт от 40° северной широты (с.ш.) до экватора в северном полушарии и от экватора до 20° южной широты (ю.ш.) в южном полушарии, должна достигаться максимальная кратность покрытия (количество одновременно видимых ИС с углом места не менее 15°).
Как было сказано выше, в известной системе спутниковой связи для выведения искусственных спутников на три круговые орбиты требуется осуществить три запуска с использованием трех ракетоносителей, выводящих на каждую орбиту по четыре ИС, следствием чего являются высокие энергозатраты на использование данной системы.
В основу изобретения положена задача разработать экономичную глобальную систему спутниковой связи с использованием средних круговых орбит, в которой за счет использования минимального числа орбит искусственных спутников и такого размещения искусственных спутников на этих орбитах, а также выбора параметров средних круговых орбит обеспечивалось глобальное покрытие земной поверхности с углом места не менее 15° при максимальной кратности покрытия в зонах Земли с наибольшей плотностью населения при одновременном снижении энергозатрат на использование предлагаемой системы.
Поставленная задача решается тем, что в глобальной системе спутниковой связи с использованием средних круговых орбит, включающей сеть наземных пунктов и орбитальную группировку из двенадцати искусственных спутников, равномерно размещенных на соответствующих средних круговых орбитах и оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, согласно изобретению, искусственные спутники размещены на двух средних круговых орбитах, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников в двух орбитальных плоскостях, причем первая из указанных двух средних круговых орбит имеет полярное наклонение, по существу равное 90°, а вторая из указанных двух средних круговых орбит имеет экваториальное наклонение, по существу равное 0°.
Целесообразно, чтобы искусственные спутники были размещены на каждой из двух средних круговых орбит на равном расстоянии один от другого с фазовым сдвигом 60°.
Желательно, чтобы искусственные спутники были размещены на смежных средних круговых орбитах с минимальным фазовым сдвигом 30°.
Возможно, чтобы на каждой из двух средних круговых орбитах было размещено по меньшей мере по одному дополнительному искусственному спутнику.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание экономичной глобальной системы спутниковой связи, обеспечивающей 100% покрытия земной поверхности для углов места не менее 15°, и максимальной кратностью покрытия (количество одновременно видимых ИС с углом места не менее 15°) для широт в диапазоне от 40° с. ш. до 20° ю.ш., то есть в районах Земли с наибольшей плотностью населения, что позволяет увеличить количество обслуживаемых пользователей при одинаковом качестве обслуживания по сравнению с известными техническими решениями.
Заявленные характеристики патентуемой системы связи достигаются благодаря использованию минимального количества средних круговых орбит, всего две орбиты, и их взаимному расположению при таком же общем количестве ИС, как и известной системе. Математические расчеты показывают, что 100% покрытия земной поверхности с расположением ИС в двух круговых плоскостях - полярной и экваториальной для угла места не менее 15° достигается при числе ИС в каждой из орбитальных плоскостей, равном шести.
В том случае, если на двух круговых орбитах равномерно разместить большее число ИС, например семь или более, то для достижения 100% глобального покрытия угол места будет увеличиваться, что позволяет снизить уровень радиошума, однако одновременно увеличивает стоимость системы в целом.
В патентуемой системе для выведения искусственных спутников на заявленные средние круговые орбиты требуется осуществить два запуска с использованием двух ракетоносителей, что значительно сокращает энергозатраты на использование предлагаемой системы, то есть энергозатраты на запуск ИС и на систему в целом.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения, чертежами и диаграммами, на которых:
фиг. 1 изображает орбитальную группировку искусственных спутников на средних круговых орбитах в двух орбитальных плоскостях с полярным и экваториальным наклонениями орбит, выполненную согласно изобретению;
фиг. 2 изображает построение круговой полосы радиовидимости для орбитальной плоскости с полярным наклонением средней круговой орбиты, вариант выполнения согласно изобретению;
фиг. 3 изображает построение круговой полосы радиовидимости для орбитальной плоскости с экваториальным наклонением средней круговой орбиты, вариант выполнения согласно изобретению;
фиг. 4 изображает графическую диаграмму интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для известной из прототипа спутниковой системы связи;
фиг. 5 изображает графическую диаграмму интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для патентуемой спутниковой системы связи, выполненной согласно изобретению;
фиг. 6 изображает фрагмент графической диаграммы интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для патентуемой спутниковой системы связи, изображенной на фиг.5, увеличенный масштаб.
Заявляемая глобальная система спутниковой связи с использованием средних круговых орбит содержит сеть наземных пунктов (на чертеже не показано) и орбитальную группировку из двенадцати искусственных спутников 1 (фиг.1), равномерно размещенных на двух средних круговых орбитах 2, 3, по шесть искусственных спутников 1 на каждой орбите 2, 3. Искусственные спутники 1 оснащены аппаратурой связи (на чертеже не показано) с сетью наземных пунктов, находящихся в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники 1.
Особое значение имеет выбор положения в пространстве круговых орбит 2,3, на которые выведены искусственные спутники 1. При построении заявляемой системы спутниковой связи авторы исходили из того, что сплошное глобальное покрытие земной поверхности должно достигаться в 100% времени и с углом места не менее 15°.
Патентуемая система спутниковой связи содержит две круговые орбиты 2, 3 высотой 8070 км, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников 1 в двух орбитальных плоскостях, причем первая из указанных двух средних круговых орбит 2 имеет полярное наклонение, по существу, равное 90°, а вторая из указанных двух средних круговых орбит 3 имеет экваториальное наклонение, по существу, равное 0°. На каждой из указанных орбит 2, 3 расположено по шесть ИС 1, находящихся на равном расстоянии один от другого с фазовым сдвигом (угловым расстоянием), по существу равным 60°. Величина фазового сдвига между ИС 1 на разных круговых орбитах 2, 3 составляет половину фазового сдвига между ИС 1 в одной орбитальной плоскости и для патентуемой системы, по существу составляет 30°.
Как было ранее отмечено, в каждый момент времени на осматриваемой сфере - земной поверхности можно выделить некоторую круговую полосу радиовидимости определенной ширины, симметричную относительно каждой плоскости орбиты, для любой точки которой угол места будет не менее заданного значения.
В качестве примера на фиг.2 представлена круговая полоса 4 радиовидимости, образованная шестью искусственными спутниками 1, находящимися на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90°. Круговая полоса 4 радиовидимости имеет переменную ширину и образуется наложением кругов, в центре каждого из которых находится проекция каждого из ИС 1. Путем соединения точек пересечения зон радиовидимости каждого из ИС 1 рассматриваемой орбитальной плоскости в направлении движения ИС 1 формируется полоса 4 радиовидимости, ширина которой пропорциональна значению угла места.
Как видно из фиг.2, круговая полоса 4 радиовидимости, сформированная ИС 1 на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90°, охватывает все регионы земной поверхности за исключением экваториальных областей.
На фиг.3 представлена круговая полоса 5 радиовидимости, образованная шестью ИС 1, находящимися на круговой орбите 3 с экваториальным наклонением 0°, которая охватывает все регионы земной поверхности за исключением северной и южной полярных областей.
Обе полосы 4, 5 радиовидимости соответствуют углу места 15° и высоте круговых орбит 2, 3, составляющей 8070 км. Объединение (наложение) полос 4, 5 радиовидимости обеспечивает 100% покрытие земной поверхности.
Как было сказано выше, патентуемая система связи построена с учетом распределения плотности населения по поверхности Земли. При этом разработчики ориентировались на данные, опубликованные на сайте социально-экономических исследований НАСА (Documentation «Administrative Unit Center Points with Population Estimates, v4.11: Gridded Population of the World (GPW), v4 SEDAC (columbia.edu)», свидетельствующие о существенной неравномерности распределения плотности населения по поверхности Земли. Согласно этим данным, наибольшая плотность населения находится в диапазоне широт от 40° с. ш. до 20° ю.ш.
При разработке патентуемой системы связи за основу сравнения орбитальных группировок была принята геоцентрическая система отсчета, для которой известны расчетные формулы, позволяющие по параметрам орбиты искусственного спутника определять его местоположение (координаты) в пространстве в зависимости от времени суток. Зная координаты искусственного спутника 1 для заданного местоположения пользователя, можно определить промежутки времени, в течение которых искусственный спутник 1 будет наблюдаться с углом места не менее 15°.
Для выявления преимуществ патентуемой системы связи авторами предлагаемого изобретения были проведены расчеты зон радиовидимости каждого из искусственных спутников 1 для заявляемой системы связи и каждого из искусственных спутников для известной системы связи (прототип) при расположении технических средств пользователя в точке с координатами 40° с.ш., 90° в.д. с углом места не менее 15°.
В качестве примера на фиг.4 приведена графическая диаграмма интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для известной спутниковой системы связи на условном 48-часовом интервале для случайно выбранных дат 8 и 9 апреля. Диаграмма соответствует минимальному углу места 15° и расположению технических средств пользователя в точке с координатами 40° с.ш., 90° в.д. (номер ИС состоит из номера орбитальной плоскости и номера ИС в плоскости).
Из фиг.4 следует, что на временных интервалах 02:00-03:00 8 и 9 апреля отсутствует радиовидимость всех искусственных спутников для технических средств пользователя, расположенных в точке с координатами 40°с.ш., 90° в.д. с углом места 15°. Это существенно ограничивает использование известной спутниковой системы связи, так как она не обеспечивает круглосуточное непрерывное покрытие земной поверхности.
При смещении технических средств пользователя по широте 40° с.ш. отсутствие радиовидимости сохраняется, смещаются только границы временных интервалом.
На фиг.5 представлена графическая диаграмма интервалов радиовидимости всех искусственных спутников 1 для патентуемой системы связи на условном 48-часовом интервале. Диаграмма соответствует минимальному углу места в 15° и расположению технических средств пользователя в точке с координатами 40° с. ш., 90° в.д.
На фиг.6 представлен фрагмент диаграммы, изображенной на фиг.5, в увеличенном масштабе.
Диаграммы, представленные на фиг.5, 6 показывают, что искусственные спутники 1 (А21-А26) на круговой орбите 3 с экваториальным наклонением 0° полностью обеспечивают непрерывное покрытие земной поверхности с углом места 15° для широты 40 с.ш., а искусственные спутники 1 (A11-А16) на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90° увеличивают кратность покрытия.
Результаты расчетов показали, что в отличие от известной системы связи патентуемая спутниковая система обеспечивает 100% покрытия земной поверхности независимо от широты местоположения технических средств пользователей для углов места не менее 15°. Данные для северного и южного полушарий симметричны. Полученные результаты покрытия земной поверхности для известной и патентуемой спутниковых систем связи приведены в таблице 1.
При построении реальных спутниковых группировок их стоимость определяется, в том числе, количеством ракетоносителей, необходимых для запуска искусственных спутников. При этом для каждого конкретного запуска изначально задается требуемое начальное наклонение орбиты, на которую выводят искусственные спутники. Известно, что изменение наклонения орбиты исключительно энергозатратный маневр. Так, для спутников на низкой орбите (имеющих орбитальную скорость порядка 8 км/с) изменение наклонения орбиты к экватору на 45° потребует приблизительно такой же энергии (приращения характеристической скорости), что и для выведения спутников на орбиту, то есть около 8 км/с. Поэтому для снижения стоимости запуска искусственных спутников желательно использовать минимальное число орбит, при использовании которых будет обеспечиваться 100% покрытие земной поверхности.
В патентуемой системе связи используются всего две круговые орбиты 2, 3, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников 1, то есть предлагаемая система максимально простая и экономичная.
Кроме того, построение заявляемой системы с использованием средних круговых орбит 2, 3 позволяет эксплуатировать недорогие малогабаритные космические аппараты, что в целом позволяет создать экономичную систему спутниковой связи, в том числе за счет упрощения выведения искусственных спутников 1 на каждую орбиту посредством групповых запусков. Небольшая высота орбит 8070 км улучшает энергетику радиолиний по сравнению с ИС, расположенными на геостационарной орбите, так как на такой высоте орбит значительно уменьшаются потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве по сравнению с космическими аппаратами на геостационарной орбите.
Как было сказано выше, наибольшая плотность населения (человек на кв.км) приходится на земную поверхность в диапазоне широт от 40° с.ш. до 20° ю.ш. Поэтому именно для таких широт требуется максимальная кратность покрытия (количество одновременно видимых искусственных спутников с углом места не менее 15°), что достигается в патентуемой системе связи.
В таблице 2 представлены сравнительные характеристики кратности покрытия земной поверхности для известной и патентуемой спутниковых систем.
Как видно из приведенных данных, в заявляемой системе кратность покрытия для широт с максимальной плотностью населения, лежащей в диапазоне от 40° с.ш. до 20° ю.ш., выше, чем в известной из прототипа спутниковой системе. В таблице 2 сравниваемые показатели кратности покрытия в диапазоне от 40° с.ш. до 0° (от 40° ю.ш. до 0°) для наглядности выделены. Повышенная по сравнению с известной из прототипа системой связи кратность покрытия позволяет увеличивать количество обслуживаемых пользователей при равном качестве обслуживания.
Настоящее изобретение предусматривает размещение на двух круговых орбитах большего числа искусственных спутников, например семь или более. Для достижения 100% глобального покрытия угол места будет увеличиваться, что позволит снизить уровень радиошума, однако одновременно увеличивает стоимость системы в целом.
Таким образом использование предлагаемого изобретения обеспечивает создание экономичной системы спутниковой связи, обеспечивающей 100% покрытия земной поверхности для углов места не менее 15° и максимальной кратностью покрытия для широт в диапазоне от 40° с.ш. до 20° ю.ш.