Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит

 

Изобретение относится к технике космической связи. Техническим результатом настоящего изобретения является то, что созданная спутниковая система обеспечивает взаимное дополнение покрытий полей обзора как приполярных областей, так и средних широт в соответствующем полушарии Земли. Заявляемая система содержит по меньшей мере две орбиты, на каждой из которых находится по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из спутников одной группы достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным T/S, где Т - орбитальный период, S - количество искусственных спутников на одной орбите. На всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы. В конкретном варианте выполнения патентуемая система содержит шесть искусственных спутников, размещенных группами на двух эллиптических орбитах. 2 с.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

Изобретение относится к системам спутниковой связи, а более точно касается спутниковой системы региональной связи с использованием эллиптических 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 созвездий искусственных спутников (ИС) на низких и средневысотных круговых или эллиптических орбитах. В условиях жесткой конкуренции реализуемость и жизнестойкость таких дорогостоящих проектов в значительной степени зависит от разумного сочетания стоимостных затрат и качественных показателей систем связи.

В настоящее время известен ряд спутниковых систем региональной связи на эллиптических орбитах (патенты США N 4809935, кл. 244/158.R; N 4854527, кл. 244/158. R, статьи: Draim, John E., "Three- and four-satellite continuous-coverage constellations," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1985, Vol. 8, pp. 725- 730; Draim, John E.,"A common-period four-satellite continuous global coverage constellation, " Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1987, vol. 10, pp. 492-499), в которых используются наклонения орбит, отличные от критического, что приводит к орбитальной неустойчивости и, как следствие, к значительным затратам топлива на поддержание требуемой структуры спутниковой системы, что в итоге приводит к удорожанию системы.

Известны комбинированные спутниковые системы региональной связи (например, для Северного полушария) с использованием эллиптических и круговых орбит, в том числе и 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 - от 12 до 24 спутников; система "Эллипсо Бореалис/Конкордия" - 17 спутников).

Известен класс кинематически правильных спутниковых систем на круговых орбитах, первым 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 H 04 В 7/185), и независимо от него 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.

Известны несимметричные спутниковые системы (патент США N 6032902, кл. 244/158R; Ulybyshev Y. Near-Polar Satellite Constellations for Continuous Global Coverage, Journal of Spacecraft and Rockets, 1999, N 1, pp. 95-102) на круговых орбитах с орбитальными плоскостями, расположенными неравномерно по экватору. Однако эти системы при малом количестве спутников уступают упомянутым кинематически правильным системам на круговых орбитах.

Известна спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит (заявка на патент РФ N 99113188/09 от 29.06.99), выбранная нами за прототип и включающая группу спутников, размещенных на эллиптических орбитах и оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, отличающаяся тем, что каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период, выбираемый из соотношения Т = t/N, где Т - орбитальный период каждого искусственного спутника, t - суточная длительность, N - общее количество искусственных спутников в системе, при этом орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковое наклонение плоскости орбиты каждого искусственного спутника к плоскости экватора, которое по существу равно критическому, а перицентр каждой орбиты размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания.

Известная спутниковая система связи обеспечивает радиосвязь преимущественно на территории РФ и на прилегающих к ней районах от 40^o до 90^o с.ш. Однако при эксплуатации известной спутниковой системы в определенные моменты времени имеет место такое взаимное расположение искусственных спутников (число спутников равно 6) на орбитах, при котором для определенных долгот не обеспечивается устойчивая радиосвязь либо в приполярных районах, либо на широтах от влоть до 60^o с.ш. Недостаточно устойчивая радиовидимость в указанных районах определяется тем, что спутники смещены относительно друг друга по долготе на небольшое расстояние, в связи с чем их поля обзоров в значительной мере накладываются друг на друга.

В основу изобретения положена задача разработать экономичную систему региональной спутниковой связи с использованием эллиптических орбит, в которой за счет выбора параметров орбит искусственных спутников и такого размещения искусственных спутников на этих орбитах, обеспечивалась бы устойчивая, без разрывов радиовидимости независимо от географической долготы, связь на широтах выше 40 град.

Поставленная задача решается тем, что в спутниковой системе региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающей сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, перицентр которых размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания, и которые имеют одинаковый орбитальный период и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, согласно изобретению система содержит по меньшей мере две эллиптические орбиты, на каждой из которых искусственные спутники размещены группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников в группе достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным T/S, где Т - орбитальный период, S - количество искусственных спутников на одной орбите, при этом на всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы.

Благодаря тому что искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы, в заявленном изобретении фактически создана система с симметричным расположением спутников в смежных плоскостях.

Техническим результатом настоящего изобретения является то, что созданная спутниковая система обеспечивает взаимное дополнение покрытий полей обзора как приполярных областей, так и средних широт, поскольку за счет выбранной симметричной конфигурации спутники, находящиеся в Северном полушарии, оказываются разнесенными по долготе близко к оптимальному положению.

Полезно, чтобы в одной плоскости находилось два или более спутников, что позволяет использовать возможности по групповому выведению спутников одной ракетой-носителем и в конечном итоге дает экономию средств при развертывании системы.

Поставленная задача решается также тем, что в спутниковой системе региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающей сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, перицентр которых размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания, и которые имеют одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, согласно изобретению система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на двух эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит три искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников в группе достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным Т/3, где Т - орбитальный период, при этом на всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы.

Использование в системе связи шести искусственных спутников обеспечивает устойчивую связь в обширных регионах, в частности на территории РФ и прилегающих к ней районов от 40^o до 72^o с.ш. с относительно небольшими затратами и по существу является оптимальной системой для указанных регионов.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения и прилагаемыми чертежами и графиками, на которых: фиг. 1 изображает положение мгновенных полей обзора для патентуемой системы из шести спутников, размещенных в двух орбитальных плоскостях, согласно изобретению; фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, для системы (в соответствии с прототипом) из шести спутников, размещенных в шести плоскостях со сдвигом времен прохождения перицентров спутниками смежных плоскостей, равным (1/3)Т; фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, при другом положении спутников; фиг. 4 - то же, что на фиг. 2, со сдвигом времен прохождения перицентров, равным (1/2)Т; фиг. 5 - зависимости минимальных углов возвышения от широты для системы четырех спутников; фиг. 6 - то же, что на фиг. 5, для системы из шести спутников; фиг. 7 - то же, что на фиг. 5, для системы из шести спутников, размещенных в двух плоскостях по три спутника при различных высотах апоцентра.

Заявляемая спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит включает сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные по меньшей мере на двух эллиптических орбитах, перицентр которых размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания, и которые имеют одинаковый орбитальный период и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому.

При этом искусственные спутники размещены на каждой эллиптической орбите группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников в группе достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным T/S, где Т - орбитальный период, S - количество искусственных спутников на одной орбите. При этом на всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы, что позволяет создать по существу симметричную спутниковую систему связи.

При этом плоскости орбит равномерно разнесены по долготе восходящего узла в плоскости экватора.

При групповом выведении спутников одной ракетой-носителем по меньшей мере два спутника могут выводиться на эллиптическую орбиту, что значительно снижает затраты на развертывание спутниковой системы связи.

Предлагаемая система спутниковой связи может содержать по меньшей мере четыре искусственных спутника. Для лучшего понимания преимуществ сравним заявляемую систему с прототипом с одинаковыми по форме (т.е. большой полуоси и эксцентриситету) эллиптическими орбитами для систем из четырех и шести спутников. В таблице 1 представлены основные характеристики этих орбит.

Конфигурации сравниваемых систем представлены в таблице 2 и 3 соответственно для систем из 4 и 6 спутников. В последних колонках этих таблиц для каждого спутника через дробь представлены долготы восходящих узлов (град. ) и сдвиги времен прохождения перицентров спутниками смежных плоскостей (в долях периода Т).

На фиг. 1 показано мгновенное положение полей обзора (для минимального угла возвышения α, равного 30 град.) в соответствии с заявляемым изобретением, когда в системе использована конфигурация в соответствии с п. 3 табл. 3. При этом спутники 2, 5 находятся в Южном полушарии, а остальные спутники (т.е. спутники 1, 3, 4, и 6) находятся в Северном полушарии; причем спутники 3, 6 находятся на широте ≈ 60^o с.ш., что обеспечивает полное покрытие приполярных районов, а спутники 1, 4 находятся на широте ≈ 40^o с.ш., что обеспечивает сплошное покрытие всех областей с широтами от 25^o с.ш. до Северного полюса. Сплошное покрытие указанной территории определяется тем, что названные спутники в Северном полушарии равномерно разнесены по долготе примерно на 90^o.

Иными словами, заявляемая система обеспечивает устойчивую радиосвязь на всей территории выше 40^o с.ш., то есть происходит взаимное дополнение покрытий полей обзора как приполярных областей, так и средних широт.

Для сравнения на фиг. 2 показано мгновенное положение полей обзора (для минимального угла возвышения α, равного 30^o) для первого варианта в соответствии с прототипом - поз. 1 табл. 3 с таким же расположением спутников на орбитах, как и представлено выше, - спутники 1, 4 расположены в Южном полушарии, а спутники 3, 5, 6, 2 - в Северном полушарии.

Такое расположение спутников близко к наихудшему с точки зрения покрытия областей в Северном полушарии, так как спутники 3 и 5, 6 и 2 смещены относительно друг друга по долготе на небольшое расстояние, поэтому их поля обзоров в значительной мере накладываются на друг друга и при этом образуется обширный разрыв в обзоре вплоть до широт ≈ 60^o с.ш. в данном мгновенном положении на долготах ≈ -150^o и 30^o.

Пример другого расположения спутников в патентуемой системе представлен на фиг. 3, при котором спутники 1, 4 находятся в Южном полушарии вблизи полюса, а спутники 5, 6, 2, 3 находятся в Северном полушарии примерно на широте 50^o с. ш., причем указанные спутники также равномерно разнесены по долготе, что обеспечивает сплошное покрытие территории обслуживания севернее ≈ 25^o с.ш.

Для второго варианта (поз. 2 табл. 3) прототипа наихудшим положением будет когда все спутники 1-6 будут расположены приблизительно на одной широте ≈ 40^o в Северном полушарии (фиг. 4). В этом случае, начиная с широт ≈ 70^o с.ш. до 90^o с.ш., имеют место разрывы радиовидимости.

Таким образом, в заявляемой системе в наихудших мгновенных взаимных положениях спутников в отличие от прототипа обеспечивается взаимно дополняющее покрытие полей обзора как приполярных областей, так и средних широт, поскольку за счет выбранной симметричной конфигурации в таких положениях спутники, находящиеся в Северном полушарии, оказываются разнесенными по долготе близко к оптимальному положению.

На фиг. 5, 6 изображены зависимости минимальных углов возвышения от широты, под которыми в любой момент времени виден по крайней мере один спутник для наблюдателя, находящегося на любой долготе данной широты. Представлены характеристики систем из четырех спутников в соответствии с таблицей 2 (фиг. 5), причем на этом чертеже, так же как и на фиг. 6, тонкими линиями изображены зависимости для системы в соответствии с прототипом, а жирной линией - в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг. 6 представлены аналогичные характеристики для систем из шести спутников в соответствии с таблицей 3.

Как видно из представленных графиков, спутниковые системы, выполненные в соответствии с прототипом, обеспечивают непрерывность обзора в относительно небольших широтных диапазонах. Например, в системах из шести спутников в зависимости от конфигурации непрерывность обзора достигается в диапазоне примерно от 40^o с.ш до 75^o с.ш. или от 60^o с.ш. до 90^o с.ш. (α = 30°), в то время как в заявляемой системе непрерывность обзора обеспечивается в диапазоне примерно от 35^o с.ш. до 90^o с.ш.

Таким образом, конфигурации спутниковых систем, выполненные в соответствии с прототипом, позволяют сформировать либо систему с обзором только приполярных районов, либо средних широт. Заявляемая же система позволяет обеспечить непрерывный обзор на указанных территориях одновременно.

Учитывая, что стоимость создания системы в значительной степени определяется стоимостью развертывания орбитальной группировки спутников, то при одиночном выведении одинакового количества спутников на одинаковые орбиты экономические показатели системы в соответствии с прототипом и заявляемой системы будут одинаковы, однако в последнем случае мы имеем существенно более широкую зону обслуживания связи. Таким образом, при одинаковых экономических затратах достигается больший положительный эффект. Кроме того, при использовании группового выведения одной ракетой-носителем двух или более спутников экономические затраты на развертывание заявляемой системы могут быть ниже, чем при использовании прототипа.

Кроме того, предлагаемая симметричная конфигурация спутниковой системы позволяет непрерывно изменять период орбиты (или соответственно большую полуось и эксцентриситет), рассчитывая их для конкретной широтной зоны обслуживания.

На фиг. 7 показаны примеры минимальных углов возвышения для заявляемой системы из шести спутников, размещенных в двух плоскостях по три спутника в каждой плоскости для орбит с периодами 3 часа (большая полуось орбиты a = 10567 км, эксцентриситет e = 0.349), 4 часа (см. табл. 1), 5 часов (большая полуось орбиты a = 14851 км, эксцентриситет e = 0.537) и 6 часов (см. табл. 1). Видно, что, например, для обслуживания территории России с углами возвышения 15^o можно использовать спутниковую систему с периодом 3 часа, а с углами возвышения 40^o - орбиту с периодом не менее 5 часов, в то время как в системах, выполненных в соответствии с прототипом, выбор может осуществляться только из дискретного набора конфигураций и соответственно дискретных значений периода орбиты, что выгодно отличает заявляемое изобретение.

Формула изобретения

1. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, перицентр которых размещен в полушарии, противоположном зоне обслуживания, и которые имеют одинаковый орбитальный период и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, отличающаяся тем, что система содержит по меньшей мере две эллиптические орбиты, на каждой из которых искусственные спутники размещены группами, каждая из которых содержит по меньшей мере два искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников в группе достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным T/S, где Т - орбитальный период, S - количество искусственных спутников на одной орбите, при этом на всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно c соответствующим искусственным спутником другой группы.

2. Спутниковая система региональной связи с использованием эллиптических орбит, включающая сеть наземных пунктов и искусственные спутники, оснащенные аппаратурой связи и размещенные на эллиптических орбитах, имеющих одинаковый орбитальный период, зависящий от общего количества искусственных спутников в системе, и одинаковое наклонение плоскости орбит к плоскости экватора, по существу равное критическому, отличающаяся тем, что система содержит шесть искусственных спутников, размещенных на двух эллиптических орбитах группами, каждая из которых содержит три искусственных спутника, размещенных на соответствующей орбите так, что каждый из искусственных спутников в группе достигает точки орбитального перицентра со сдвигом относительно другого искусственного спутника в группе, равным Т/3, где Т - орбитальный период, при этом на всех орбитах один искусственный спутник каждой группы достигает точки орбитального перицентра одновременно с соответствующим искусственным спутником другой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9