Результат интеллектуальной деятельности: Глобальная система спутниковой связи и передачи данных с космическими аппаратами на низкой круговой орбите

Изобретение относится к глобальным спутниковым информационным системам и может быть использовано для предоставления услуг спутниковой связи, передачи данных и мониторинга в глобальной зоне обслуживания.

В настоящее время Российская Федерация не имеет собственной полностью развернутой спутниковой системы, обеспечивающей бесперебойное обслуживание всей территории страны и предоставляющей услуги сбора и передачи данных, коротких сообщений, информации мониторинга стационарных и подвижных объектов, а также персональную голосовую связь. Зарубежные системы (например, системы Inmarsat и Iridium), действующие на территории России, отличаются дороговизной своих услуг, не предоставляют всего перечня сервисов, необходимых российским потребителям, а также значительная часть территории Российской Федерации, особенно труднодоступные и северные районы, находится вне зоны действия зарубежных систем. Все это ограничивает возможности их применения и делает необходимым создание отечественной системы спутниковой связи и передачи данных.

Основным направлением усовершенствования системы является эффективное использование частотно-орбитального ресурса, оптимизация структуры орбитальной группировки для обеспечения глобального обслуживания, а также применение в системе модернизированного наземного сегмента и абонентских терминалов с целью предоставления различных телематических услуг большому количеству абонентов в глобальной зоне обслуживания.

В настоящее время известны различные системы многофункциональных космических систем связи, в которых предлагается использовать множество спутников на негеостационарной орбите (см. патенты RU №№2158480, 2496233, 98100084).

Известна спутниковая сотовая система телефонной связи и передачи данных с наклонной орбитой (патент RU 2158480 C2), обеспечивающая двойное спутниковое перекрытие по меньшей мере 85% земной поверхности. Технический результат состоит в установлении связи с портативными и подвижными сотовыми телефонами. Система обеспечивает двустороннюю связь в любом месте на Земле и над Землей до определенной высоты над уровнем моря, составляющей несколько сотен километров. В системе используется несколько спутников на низких околоземных орбитах. Орбиты спутников имеют наклонение от 30 до 90°. Со спутников обеспечиваются линии связи непосредственно с абонентами и через телефонную сеть общего пользования - с другими абонентами. Спутники взаимосвязаны посредством линий связи в кольцевую структуру, окружающую Землю. Коммутацию осуществляет каждый из спутников.

Недостатком этой системы является сложный состав орбитальной группировки космических аппаратов на низких орбитах с различным наклонением от 30 до 90°, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание.

Также известна низкоорбитальная система спутниковой связи, использующая легкие спутники, функционирующие на низких околоземных орбитах (патент RU 2496233 C2). Технический результат заключается в обеспечении глобальной непрерывной связи между абонентами, возможности реализации мобильной телефонии и высокоскоростной передачи данных в любых точках земного шара при использовании минимально необходимого (оптимального) количества легких спутников в системе и минимальной стоимости создания системы спутниковой связи. Для этого искусственные спутники Земли сформированы в две группировки спутников связи, одна из которых состоит из N спутников связи, где N - целое число, и расположена на n околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 0-30°, по Ν/n спутников на каждой орбите, другая группировка состоит из M спутников связи, где M - целое число, и расположена на m околоземных орбитах высотой менее 2000 км с наклоном 60-90°, по M/m спутников на каждой орбите, при этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m°.

Недостатком этой системы является сложный, не до конца определенный состав орбитальных группировок космических аппаратов на разновысоких орбитах, что усложняет ввод системы в эксплуатацию и ее дальнейшее обслуживание. Кроме того, в заявке не определено количество требуемых космических аппаратов (КА) на разных орбитах.

Наиболее близкой (прототипом) к предлагаемой системе является система связи между земными шлюзовыми станциями через низкоорбитальные спутники (патент RU 98100084 A), содержащая по меньшей мере первый и второй спутники, находящиеся на околоземных орбитах, которые являются частью группы спутников-ретрансляторов на низких околоземных орбитах, которая содержит 48 спутников, распределенных в восьми орбитальных плоскостях, по шесть эквидистантно расположенных спутников в плоскости, а орбитальные плоскости наклонены на 52° относительно экватора.

Недостатком этой системы является большое число КА в орбитальной группировке, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание. Также в заявке сказано про два диапазона частот, но не сказано, каких и как они распределены между потребителями, что является принципиальным фактором, определяющим структуру построения абонентских терминалов. Связь в данной системе предлагается осуществлять только между фиксированными наземными шлюзовыми станциями.

Задачей настоящего изобретения является создание глобальной системы спутниковой связи и передачи данных, позволяющей предоставлять широкий спектр телекоммуникационных услуг, таких как передача данных (коротких сообщений, информации мониторинга) и голосовая связь.

Поставленная задача решается использованием глобальной системы спутниковой связи и передачи данных с космическими аппаратами на низкой круговой орбите, состоящей из орбитальной группировки космических аппаратов на низких круговых орбитах, оснащенных многолучевыми антеннами, региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями (например, наземные телефонные сети, сотовые операторы, сеть Интернет) и наземных средств потребителей (абонентских терминалов), при этом применяется частотно-орбитальный план, уменьшающий взаимовлияние абонентов из пересекающихся зон обслуживания космических аппаратов из разных орбитальных плоскостей.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

на фиг. 1 представлены результаты моделирования орбитальной группировки спутников (на примере орбитальной группировки из 24 КА с высотой орбиты 1500 км);

на фиг. 2 представлены зоны обслуживания орбитальной группировки спутников (на примере орбитальной группировки из 24 КА с высотой орбиты 1500 км);

на фиг. 3 представлен частотный план, показывающий распределение частот между КА в различных орбитальных плоскостях (на примере распределения частотного ресурса величиной в 3 МГц и орбитальной группировки из 24 КА, распределенной по 6-и орбитальным плоскостям).

Система должна состоять из орбитальной группировки низкоорбитальных космических аппаратов, оснащенных многолучевыми антеннами, центра управления полетом, региональных станций для организации связи, управления КА и обеспечения сопряжения с внешними сетями (например, наземные телефонные сети, сотовые операторы, сеть Интернет) и наземных средств потребителей (абонентских терминалов).

Результаты численного моделирования, а также опыт создания космической системы «Гонец-Д1М» с КА «Гонец-М» показал, что наиболее целесообразным в данной системе будет использование орбитальной группировки космических аппаратов на низких круговых орбитах. Применение низких круговых орбит позволяет использовать недорогие малогабаритные космические аппараты (массой до 500 кг), что упрощает их выведение на орбиту и позволяет для этого использовать групповые запуски, это существенно удешевляет создание системы. Низкая высота орбиты улучшает энергетику радиолиний, так как значительно уменьшаются потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве, что позволяет использовать в абонентских терминалах простые ненаправленные антенны, без необходимости сопровождения спутников при помощи полноповоротных антенн. Это значительно упрощает и удешевляет абонентские терминалы, делая их легкими и малогабаритными. Оптимальным составом орбитальной группировки для уверенного обслуживания всей территории Земли является равномерное распределение аппаратов по нескольким орбитальным плоскостям.

Результаты моделирования показали, что наиболее оптимальным является построение ОГ, состоящей из 4-х плоскостей по 6 КА.

Наличие в составе системы региональных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями (например, наземные телефонные сети, сотовые операторы, сеть Интернет) и применение на космических аппаратах многолучевых антенн для улучшения энергетики радиолиний позволяет предоставлять широкому кругу потребителей, которые используют малогабаритные абонентские терминалы, в глобальной зоне обслуживания такие информационные услуги, как голосовая связь, передача коротких сообщений, определение местоположения подвижных пользователей, сбор и передача информации мониторинга.

Применение на борту космических аппаратов многолучевых антенн повышает коэффициент усиления антенны в каждой парциальной зоне обслуживания по сравнению с коэффициентом усиления однолучевой антенны в той же зоне обслуживания. Несмотря на усложнения конструкции антенны, это дает большой выигрыш в энергетике, что позволяет повысить пропускную способность системы и уменьшить требования к коэффициенту усиления приемных антенн на наземном оборудовании конечных пользователей.

Наличие в составе системы наземных средств потребителей (абонентских терминалов) позволяет предоставлять различные информационные услуги (голосовая связь, передача коротких сообщений, определение местоположения подвижных пользователей, сбор и передача информации мониторинга) широкому кругу пользователей как на территории Российской Федерации, так и в глобальной зоне обслуживания. Применение орбитальной группировки спутников на низких круговых орбитах, оснащенных многолучевыми антеннами, повышает энергетику радиолиний и позволяет использовать в абонентских терминалах простые малогабаритные ненаправленные антенны. Это снижает габариты, массу и энергопотребление абонентских терминалов, тем самым увеличивая число перспективных пользователей и расширяя возможные области применения системы.

Также предлагается оптимизировать частотно-орбитальный план. Это необходимо для уменьшения взаимовлияния большого количества близкорасположенных абонентов и пересекающихся зон обслуживания КА из смежных орбитальных плоскостей. Предложено равномерное распределение имеющегося частотного ресурса между различными орбитальными плоскостями. Спутники, находящиеся в одной орбитальной плоскости, используют одну и ту же частотную полосу шириной в 3 МГц. Выполнение этого требования позволит избежать помех между КА в одной орбитальной плоскости системы.

Для каждого спутника выделена ширина полосы частот, которая равномерно распределена между несколькими лучами. Для уменьшения взаимного влияния между соседними лучами одного КА выбран частотно-орбитальный план с перемежением между орбитальными плоскостями, представленный на фиг. 3.

Достигаемым техническим результатом применения предложенной системы является обеспечение устойчивого глобального покрытия всей территории Земли и предоставление на всей территории различных телекоммуникационных услуг. Также предлагаемая конфигурация системы позволяет выполнять изготовление простых абонентских терминалов с ненаправленными антеннами за счет использования многолучевых антенн с улучшенной энергетикой.