низькоорбітальна система супутникового зв'язку

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Винахід відноситься до систем супутникового зв'язку, зокрема до низькоорбітального системі супутникового зв'язку, що використовує легкі супутники, що функціонують на низьких навколоземних орбітах. Технічний результат полягає в забезпеченні глобальної безперервного зв'язку між абонентами, можливості реалізації мобільної телефонії і високошвидкісної передачі даних в будь-яких точках земної кулі при використанні мінімально необхідного (оптимального) кількості легких супутників в системі і мінімальної вартості створення системи супутникового зв'язку. Для цього штучні супутники Землі сформовані в два угруповання супутників зв'язку, одна з яких складається з N супутників зв'язку, де N - ціле число, і розташована на n навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км з нахилом 0 ° 30 °, по N / n супутників на кожній орбіті, інше угруповання складається з M супутників зв'язку, де M - ціле число, і розташована на m навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км з нахилом 60 ° 90 °, по M / m супутників на кожній орбіті, при цьому довготи висхідних вузлів орбіт всередині кожної угруповання відрізняються відповідно на 360 / n і 360 / m градусів. 3 з.п. ф-ли, 3 мул., 2 табл.

Винахід відноситься до систем супутникового зв'язку, зокрема до низькоорбітального системі супутникового зв'язку, що використовує легкі супутники, що функціонують на низьких навколоземних орбітах.

Відомо, що в різних системах супутникового зв'язку використовуються штучні супутники Землі, які літають на геостаціонарній, високоеліптичних і низьких навколоземних орбітах [В. Кириллов, П. Міхєєв. Відстані на мить скоротивши (огляд зарубіжних низькоорбітальних супутникових систем зв'язку). ТЕЛЕ-Супутник N8 (22), серпень 1997].

Вибір схеми орбітального побудови супутникових систем зв'язку залежить від бажання їх творців забезпечити необхідні технічні та функціональні характеристики системи в тому чи іншому районі Землі при мінімальних витратах.

При цьому, від обраних орбіт і їх характеристик істотно залежать можливості в принципах організації зв'язку, наприклад:

- найбільш використовувана в даний час для зв'язку геостаціонарна орбіта при багатьох позитивних якостях має істотні недоліки. Зокрема, через обмеження по радиовидимости не забезпечує зв'язок для арктичних і антарктичних районів Землі з широтами більш 65-70 ° північної і південної широти; через великої висоти орбіти виникає значна затримка радіосигналу (до 0,5-0,6 сек), що істотно знижує якість зв'язку в реальному масштабі часу. Крім того, потрібна значна потужність ретрансляторів і електрогенеруючих систем супутників;

- високоеліптичного орбіти разом зі значною зміною за часом висоти польоту супутника мають обмежений час радиовидимости (як правило, не більше 8 годин на добу) і для забезпечення безперервного зв'язку вимагають створення системи з декількох супутників, при цьому створення на цих орбітах глобального зв'язку по всій земній кулі є технічно і економічно складним завданням;

- низькоорбітальна система супутникового зв'язку, разом з необхідністю значної кількості супутників для організації зв'язку і необхідністю маршрутизації радіосигналів між абонентами, має ряд переваг: близькість супутників до Землі і, отже, до абонентів; мінімальні затримки сигналів, що покращує якість голосового зв'язку, Internet і інтерактивного телебачення (відео-переговори, відеоконференції); знижується потрібна потужність і вагу бортовий приймально-передавальної апаратури і систем електроживлення супутників, а також апаратури абонентів. Розташування орбіт системи супутникового зв'язку нижче радіаційних поясів Землі (нижче 1400-1500 км) забезпечує захист супутників і радіоелектронної апаратури від жорсткого іонізуючого сонячного випромінювання, що збільшує їх термін активного існування (САС), супутники доставляються на низьку більш «дешеву» орбіту, що вимагає менших витрат на їх виведення в космос.

Відомі реалізовані в світі низькоорбітальні системи супутникового зв'язку:

«Iridium» і «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» [низькоорбітальних супутникова система зв'язку ORBCOMM: реальні і перспективні можливості для Європейського регіону (http://kunegin.narod.ru/ref3/niz/leo16.htm)].

«Гонець» [А. Данелян. Низькоорбітальна супутниковий зв'язок в Росії - проблеми і перспективи. Публікація від 18 лютого 2008 року (http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=19844)/ Connect! Світ зв'язку, 2007].

Характеристики цих низькоорбітальних систем наведені в таблиці 1 [А. Крилов. «Аналіз створення та розвитку низькоорбітальних систем супутникового зв'язку». Журнал «Супутниковий зв'язок і мовлення-2011», С.46-49].

З наведених у таблиці 1 даних по низькоорбітальних системам супутникового зв'язку тільки «Ірідіум» забезпечує глобальну рухомий зв'язок по всій земній кулі. Однак ця система має істотний недолік - в високоширотних областях, в приполярних зонах Землі, де щільність абонентів зв'язку мала, одночасно знаходиться надлишкова кількість супутників зв'язку (наприклад, над кожним з полюсів одноразово знаходиться від 7 до 14 супутників).

Система Globalstar при великій кількості

супутників (48 + 8 резервних) забезпечує безперервну рухомий зв'язок тільки в зоні земної кулі між 70 ° північної і 70 ° південної широтами. Зв'язок в приполярних зонах відсутня.

Системи ORBCOMM і «Гонець» не мають глобального покриття зв'язком земної кулі, використовуються тільки для періодичної зв'язку і пакетної передачі даних.

Відома низькоорбітальна система зв'язку [патент РФ № 65703 «низькоорбітальних система пакетної передачі даних і диспетчерського телефонного зв'язку», МПК (2006/1) H04B 7/185, яка використовує супутники різних систем зв'язку, що має орбітальну і наземну частини, а також абонентські станції. Система призначена для організації зв'язку між користувачами з використанням технічних засобів систем «ORBCOMM» і «Гонець». Система включає безліч космічних апаратів «Microstar», що функціонують на навколоземних кругових орбітах і оснащених приймально-передавального комплексами в діапазонах частот для зв'язку з наземними вузлами супутникового доступу і абонентськими станціями, а також бортовим обчислювальним комплексом і службовими системами, безліч космічних апаратів «Гонець», що функціонують на навколоземних кругових орбітах і оснащених багатоканальним на приймальний пристрій в діапазоні частот, двоканальним передавальним пристроєм в діапазонах частот для св язи з наземними регіональними станціями і абонентськими терміналами, а також бортовим обчислювальним комплексом і службовими системами.

Системи ORBCOMM і «Гонець» не мають глобального покриття зв'язком земної кулі, так як вони використовуються тільки для періодичної зв'язку і пакетної передачі даних.

Відома низькоорбітальна супутникова мережева навігаційна система [патент РФ № 2299837 "Спосіб побудови низькоорбітального супутникового мережевий навігаційної системи», МПК B64G 1/10, G01C 21/02 (2006.1)]. Технічне рішення полягає в створенні низькоорбітального угруповання з N навігаційних космічних апаратів, яка в поєднанні з перешкодостійкою мережею ретрансляційних і вимірювальних радіоліній, що зв'язує всі космічні апарати угруповання з навігаційної радіоліній, що висвітлює верхню півсферу, забезпечує навігаційні визначення сухопутних, морських, повітряних та космічних низькоорбітальних і високоорбітальних споживачів.

На жаль, винахід за патентом РФ № 2299837 так само, як і попередні технічні рішення, не забезпечує глобальне покриття земної кулі бездротовим зв'язком, відповідно не забезпечує безперервний зв'язок між абонентами і, отже, не дозволяє реалізувати високошвидкісну передачу даних в будь-яких точках земної кулі.

Відомі технічні рішення, які використовують низькоорбітальні системи супутникового зв'язку, патент US № 7,579,987 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. G01S 1/00 ​​(2006.01), що належить The Boeing Company, опубліковані заявки: US № 2008/0001818 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. H04B 7/212 (2006.1), дата публікації: 3 cічня 2008 р US № 2008/0001819 «Low Earth Orbit Satellite Data Uplink», Int. Cl. H04B 7/185 (2006.1), дата публікації: 3 cічня 2008 року і US № 2008/0059059 «Generalized High Performance Navigation System», Int. Cl. G01C 21/00, G01C 21/20, H04B 7/185 (2006.1), дата публікації: 6 березня 2008 г. Ці технічні рішення спрямовані на поліпшення передачі - приймання сигналів (інформації) за допомогою використання відомих низькоорбітальних систем супутникового зв'язку. Однак, на жаль, не забезпечують глобальне покриття земної кулі бездротовим зв'язком, відповідно не забезпечують якісну безперервну зв'язок між абонентами і, отже, не дозволяють реалізувати якісну високошвидкісну передачу даних в будь-яких точках земної кулі.

Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) до заявляється винаходу є низькоорбітальна система супутникового зв'язку «Iridium» ( «Ірідіум») [А. Данелян. Низькоорбітальна супутниковий зв'язок в Росії - проблеми і перспективи. Публікація від 18 лютого 2008 року (http: //daily.sec.m/publication.cfm? Pid = 19844) / Connect! Світ зв'язку, 2007], [[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)].

Система «Iridium» використовує супутники Землі, які звертаються на низьких кругових орбітах однакової висоти, використовує межспутнікових зв'язок і мережу наземних станцій зв'язку і управління угрупованнями супутників.

З усіх, наведених вище низькоорбітальних систем супутникового зв'язку тільки система «Iridium» забезпечує глобальну рухомий зв'язок по всій земній кулі. Однак ця система побудована таким чином, що в високоширотних областях, в приполярних зонах Землі, де щільність абонентів зв'язку мала, одночасно знаходиться надлишкова кількість супутників (наприклад, над кожним з полюсів одночасно перебуває від 7 до 14 супутників), що призводить до істотного подорожчання системи і нераціонального використання супутників.

Технічний результат, на отримання якого направлено заявляється винахід, - це забезпечення глобальної безперервного зв'язку між абонентами, можливості реалізації мобільної телефонії і високошвидкісної передачі даних в будь-яких точках земної кулі при використанні мінімально необхідного (оптимального) кількості легких супутників в системі і мінімальної вартості створення системи супутникового зв'язку.

Технічний результат досягається тим, що низькоорбітальна система супутникового зв'язку, яка містить безліч штучних супутників Землі, кожен з яких функціонує на навколоземній орбіті, і оснащений бортовими ретрансляторами, межспутнікових зв'язок і мережу наземних станцій зв'язку і управління штучними супутниками Землі,

відрізняється відповідно до винаходу тим, що:

штучні супутники Землі сформовані в два угруповання супутників зв'язку,

одна з яких складається з N супутників зв'язку, де N - ціле число, і розташована на n навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом менше 30 °, по N / n супутників на кожній орбіті,

інше угруповання складається з M супутників зв'язку, де M - ціле число, і розташована на m навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом більше 60 °, по M / m супутників на кожній орбіті,

при цьому довготи висхідних вузлів орбіт всередині кожної угруповання відрізняються відповідно на 360 / n і 360 / m градусів.

При цьому, наприклад, обидві угруповання містять однакову кількість супутників зв'язку, де M = N, однакове число навколоземних орбіт, m = n, і однакову кількість супутників на кожній орбіті, M / m = N / n.

Довготи висхідних вузлів орбіт всередині одного угруповання збігаються з довготами висхідних вузлів орбіт іншого угруповання.

Супутники на орбітах обох угруповань по аргументу широти розташовані рівномірно, і для орбіт з різних угруповань з співпадаючими висхідними вузлами мають аргументи широти супутників в одному угрупованню, що збігаються з аргументами широти супутників в іншому угрупованню.

Таким чином, спільними ознаками винаходу і прототипу є те, що обидві системи використовують штучні супутники Землі, які звертаються на низьких кругових орбітах однакової висоти, використовують межспутнікових зв'язок і мережу наземних станцій зв'язку і управління угрупованнями супутників.

Істотними відмінними ознаками винаходу є те, що штучні супутники Землі сформовані в два угруповання супутників зв'язку, одна з яких складається з N супутників зв'язку, де N - ціле число, і розташована на n навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом менше 30 °, по N / n супутників на кожній орбіті, інше угруповання складається з M супутників зв'язку, де M - ціле число, і розташована на m навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом більше 60 °, по M / m супутників на кожній орбіті, при цьому довготи схід щих вузлів орбіт всередині кожної угруповання відрізняються відповідно на 360 / n і 360 / m градусів. Саме ці відмінні ознаки дозволяють отримати кращий технічний ефект, а саме, забезпечити глобальну безперервний зв'язок між абонентами, дають можливість реалізувати мобільний телефонію і високошвидкісну передачу даних в будь-яких точках земної кулі при використанні мінімально необхідного (оптимального) кількості легких супутників в системі і мінімальної вартості створення системи супутникового зв'язку.

Тому заявляється винахід володіє новизною, істотними відмінностями і є неочевидним.

Далі опис винаходу пояснюється прикладами виконання і ілюструють матеріалами.

На фіг.1 показаний приклад зони покриття земної поверхні угрупованням супутників зв'язку з нахилом орбіт близько 22,5 ° згідно заявляється винаходу.

На фіг.2 - приклад зони покриття земної поверхні угрупованням супутників зв'язку з нахилом орбіт близько 65 ° згідно заявляється винаходу.

Фіг.3 ілюструє глобальне покриття земної поверхні низькоорбітального системою супутникового зв'язку згідно заявляється винаходу.

У таблиці 1 наведені характеристики відомих в світі низькоорбітальних систем супутникового зв'язку: «Iridium», «Globalstar», «ORBCOMM» і «Гонець».

У таблиці 2 наведені характеристики заявляється низькоорбітального системи супутникового зв'язку і приклад раціонального використання системи згідно заявляється винаходу, коли більшу кількість супутників використовують в зонах з великою кількістю населення.

Здійснюють заявляється винахід наступним чином.

Для побудови заявляється низькоорбітального системи супутникового зв'язку використовують безліч легких штучних супутників Землі, кожен з яких функціонує на навколоземній орбіті і оснащений бортовими ретрансляторами, межспутнікових зв'язок і мережу наземних станцій зв'язку і управління штучними супутниками Землі. При цьому штучні супутники Землі можна використовувати будь-яку відому конструкції для даної області техніки, наприклад, такі ж супутники, які використовує система «Iridium».

Безліч штучних супутників Землі формують в два угруповання супутників зв'язку, одна з яких складається з N супутників зв'язку, де N - ціле число, і розташована на n навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом менше 30 °, по N / n супутників на кожній орбіті .

Інша угруповання складається з M супутників зв'язку, де M - ціле число, і розташована на m навколоземних орбітах заввишки менш як 2000 км і нахилом більше 60 °, по M / m супутників на кожній орбіті.

При цьому довготи висхідних вузлів орбіт всередині кожної угруповання відрізняються відповідно на 360 / n і 360 / m градусів.

Причому, наприклад, обидві угруповання можуть містити (але це не обов'язкова умова) однакова кількість супутників зв'язку, де M = N, однакове число навколоземних орбіт, m = n, і однакову кількість супутників на кожній орбіті, M / m = N / n.

Довготи висхідних вузлів орбіт всередині одного угруповання можуть збігатися з довготами висхідних вузлів орбіт іншого угруповання, але це не є обов'язковою умовою.

Супутники на орбітах обох угруповань по аргументу широти можуть бути розташовані, наприклад, рівномірно, і для орбіт з різних угруповань з співпадаючими висхідними вузлами можуть мати аргументи широти супутників в одному угрупованню, що збігаються з аргументами широти супутників в іншому угрупованню, однак ці умови можуть бути і іншими.

Для кращого розуміння винаходу розглянемо фіг.1-3 і таблицю 2, в якій наведено характеристики одного з прикладів здійснення винаходу.

На фіг.1 наведено приклад зони покриття земної поверхні угрупованням супутників зв'язку з нахилом орбіт близько 22,5 °.

Параметри зони покриття:

субекваторіальний зона між 40 ° -ми паралелями північної і південної широти;

кількість супутників - N = 24;

кількість орбіт - n = 3 (по N / n 8 супутників на кожній орбіті); нахил орбіт - 22,5 °; висота орбіт - 1500 км.

На фіг.2 наведено приклад зони покриття земної поверхні угрупованням супутників зв'язку з нахилом орбіт близько 65 °.

Параметри зони покриття:

полярні зони з широтами більше 40 ° північної широти і більш 40 ° південної широти;

кількість супутників - М = 3 (по М / m = 8 супутників на кожній орбіті):

нахил орбіт - 65 °;

висота орбіт - 1500 км.

На Фіг.3 наведено приклад глобального покриття земної поверхні низькоорбітального системою супутникового зв'язку.

Параметри зони покриття:

глобальне покриття земної кулі;

кількість супутників N + M = 48;

кількість орбіт: n = 3 з нахилом 22,5 ° + m = 3 з нахилом 65 ° (по N / n = М / m = 8 супутників на кожній орбіті);

висота орбіт - 1500 км.

Таким чином, на відміну від системи «Iridium» при тій же якості покриття, що заявляється низькоорбітальна система супутникового зв'язку дозволяє використовувати на 27% меншу кількість супутників зв'язку, а на відміну від системи «Globalstar» при однаковому з нею кількості супутників зв'язку (48 супутників) забезпечує безперервний зв'язок по всій земній кулі, в тому числі в приполярних зонах з широтами більше 70 ° північної широти і більше 70 ° південної широти;

Крім того, в залежності від потреби в зв'язку в різних районах Землі, низькоорбітальних систему супутникового зв'язку можна створювати поетапно: угруповання супутників з нахилом орбіт менше 30 градусів забезпечить безперервний зв'язок для екваторіальної зони між 40 ° північної широти (пн.ш.) і 40 ° південної широти (пд.ш.), де проживає більше 70% населення планети, угруповання супутників з нахилом орбіт понад 60 градусів забезпечить безперервний зв'язок для полярних зон з широтами більше 40 ° пн.ш. і більше 40 ° пд.ш., які в перспективі набудуть стратегічне значення в зв'язку зі зростаючим освоєнням земних ресурсів.

У таблиці 2 наведені характеристики заявляється низькоорбітального системи супутникового зв'язку і приклад раціонального використання системи згідно заявляється винаходу, коли більшу кількість супутників використовують в зонах з великою кількістю населення.

При цьому кут місця в точці розташування абонента (кут між променем на супутник і місцевим горизонтом) становить 5-15 градусів; діаметр зони радиовидимости з супутника, що знаходиться на орбіті висотою 1500 км - 5 ÷ 6 тис. км.

Дані, наведені в таблиці № 2, підтверджують приклад раціонального використання супутників зв'язку в низькоорбітального системі згідно заявляється винаходу, коли в зонах з великою кількістю населення функціонує більшу кількість супутників. Таким чином, завантаження кожного супутника в середньому однакова і в екваторіальній, і в полярних зонах: близько 100 / (M + N)% населення Землі припадає на кожен супутник.

Заявляється низькоорбітальна система супутникового зв'язку має досить просту і оригінальну структуру орбіт супутників зв'язку з однотипними і стійкими параметрами, що забезпечує простоту їх контролю та управління угрупованнями.

Всі ці переваги (істотні відмітні ознаки винаходу) дозволяють отримати кращий технічний ефект, а саме забезпечити глобальну безперервний зв'язок між абонентами, реалізувати мобільний телефонію і високошвидкісну передачу даних в будь-яких точках земної кулі, при цьому використовувати мінімально необхідне (оптимальне) кількість легких супутників зв'язку , що відповідно призведе до зниження вартості створення низькоорбітального системи супутникового зв'язку.

Таблиця 1 Система супутникового зв'язку Розробник Характеристики орбіт Кількість супутників Зона покриття, тип зв'язку висота, км спосіб, град кількість площин Ірідіум Motorola, Lockheed Martin, США 780 86,4 6 66 + 7 резерв глобально, рухлива супутниковий зв'язок Globalstar Globalstar, Inc, США 1410 52 8 48 + 8 резерв між 70 ° пн.ш. і 70 ° ю. ш., рухлива супутниковий зв'язок ORBCOMM 45 4 31 глобально, ORBCOMM Global LP, 830 70 1 2 періодична США 108 1 2 зв'язок, пакетна передача даних Гонець ВАТ «Супутникова система« Гонець »1400 82,5 6 36 Росія, періодична зв'язок, пакетна передача даних

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. низькоорбітальних система супутникового зв'язку, яка містить безліч штучних супутників Землі, кожен з яких функціонує на навколоземній орбіті і оснащений бортовими ретрансляторами, межспутнікових зв'язок і мережу наземних станцій зв'язку і управління штучними супутниками Землі, що відрізняється тим, що штучні супутники Землі сформовані в два угруповання супутників зв'язку, одна з яких складається з N супутників зв'язку, де N - ціле число, і розташована на n навколоземних орбітах заввишки до 2000 км з нахилом 0 ° 30 °, по N / n супутників на кожній орбіті, інше угруповання складається з М супутників зв'язку, де M - ціле число, і розташована на m навколоземних орбітах заввишки до 2000 км з нахилом 60 ° 90 °, по M / m супутників на кожній орбіті, при цьому довготи висхідних вузлів орбіт всередині кожної угруповання відрізняються відповідно на 360 / n і 360 / m градусів.

2. Система по п.1, що відрізняється тим, що обидві угруповання містять однакову кількість супутників зв'язку, де M = N, однакове число навколоземних орбіт, m = n, і однакову кількість супутників на кожній орбіті, M / m = N / n.

3. Система по п.1, що відрізняється тим, що довготи висхідних вузлів орбіт всередині одного угруповання збігаються з довготами висхідних вузлів орбіт іншого угруповання.

4. Система по п.1, що відрізняється тим, що супутники на орбітах обох угруповань по аргументу широти розташовані рівномірно, і для орбіт з різних угруповань з співпадаючими висхідними вузлами мають аргументи широти супутників в одному угрупованню, що збігаються з аргументами широти супутників в іншому угрупованню.