Низкоорбитальная система спутниковой связи
Владельцы патента RU 2496233:
Гармонов Александр Васильевич (RU)
Карпов Анатолий Степанович (RU)
Последов Сергей Валерьевич (RU)
Изобретение относится к системам спутниковой связи, в частности к низкоорбитальной системе спутниковой связи, использующей легкие спутники, функционирующие на низких околоземных орбитах. 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 N/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 градусов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к системам спутниковой связи, в частности к низкоорбитальной системе спутниковой связи, использующей легкие спутники, функционирующие на низких околоземных орбитах.
Известно, что в различных системах спутниковой связи используются искусственные спутники Земли, летающие на геостационарной, высокоэллиптических и низких околоземных орбитах [В. Кириллов, П. Михеев. Расстояния на миг сократив (обзор зарубежных низкоорбитальных спутниковых систем связи). ТЕЛЕ-Спутник N8(22), август 1997].
Выбор схемы орбитального построения спутниковых систем связи зависит от желания их создателей обеспечить требуемые технические и функциональные характеристики системы в том или ином районе Земли при минимальных затратах.
При этом, от выбранных орбит и их характеристик существенно зависят возможности в принципах организации связи, например:
- наиболее используемая в настоящее время для связи геостационарная орбита при многих положительных качествах имеет существенные недостатки. В частности, из-за ограничений по радиовидимости не обеспечивает связь для арктических и антарктических районов Земли с широтами более 65-70° северной и южной широты; из-за большой высоты орбиты возникает значительная задержка радиосигнала (до 0,5-0,6 сек), существенно снижающая качество связи в реальном масштабе времени. Кроме того, требуется значительная мощность ретрансляторов и электрогенерирующих систем спутников;
- высокоэллиптические орбиты вместе со значительным изменением по времени высоты полета спутника имеют ограниченное время радиовидимости (как правило, не более 8 часов в сутки) и для обеспечения непрерывной связи требуют создания системы из нескольких спутников, при этом создание на этих орбитах глобальной связи по всему земному шару является технически и экономически сложной задачей;
- низкоорбитальная система спутниковой связи, вместе с необходимостью значительного количества спутников для организации связи и необходимостью маршрутизации радиосигналов между абонентами, имеет ряд преимуществ: близость спутников к Земле и, следовательно, к абонентам; минимальные задержки сигналов, что улучшает качество голосовой связи, Internet и интерактивного телевидения (видео-переговоры, видеоконференции); снижается потребная мощность и вес бортовой приемо-передающей аппаратуры и систем электропитания спутников, а также аппаратуры абонентов. Расположение орбит системы спутниковой связи ниже радиационных поясов Земли (ниже 1400-1500 км) обеспечивает защиту спутников и радиоэлектронной аппаратуры от жесткого ионизирующего солнечного излучения, что увеличивает их срок активного существования (САС), спутники доставляются на низкую более «дешевую» орбиту, требующую меньших затрат на их выведение в космос.
Известны реализованные в мире низкоорбитальные системы спутниковой связи:
«Iridium» и «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» [Низкоорбитальная спутниковая система связи ORBCOMM: реальные и перспективные возможности для Европейского региона (http://kunegin.narod.ru/ref3/niz/leo16.htm)].
«Гонец» [А. Данелян. Низкоорбитальная спутниковая связь в России - проблемы и перспективы. Публикация от 18 февраля 2008 (http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=19844)/ Connect! Мир связи, 2007].
Характеристики этих низкоорбитальных систем приведены в таблице 1 [А. Крылов. «Анализ создания и развития низкоорбитальных систем спутниковой связи». Журнал «Спутниковая связь и вещание-2011», с.46-49].
Из приведенных в таблице 1 данных по низкоорбитальным системам спутниковой связи только «Иридиум» обеспечивает глобальную подвижную связь по всему земному шару. Однако эта система обладает существенным недостатком - в высокоширотных областях, в околополярных зонах Земли, где плотность абонентов связи мала, одновременно находится избыточное количество спутников связи (например, над каждым из полюсов единовременно находится от 7 до 14 спутников).
Система Globalstar при большом количестве
спутников (48+8 резервных) обеспечивает непрерывную подвижную связь только в зоне земного шара между 70° северной и 70° южной широтами. Связь в околополярных зонах отсутствует.
Системы ORBCOMM и «Гонец» не имеют глобального покрытия связью земного шара, используются только для периодической связи и пакетной передачи данных.
Известна низкоорбитальная система связи [патент РФ №65703 «Низкоорбитальная система пакетной передачи данных и диспетчерской телефонной связи», МПК (2006/1) H04B 7/185, использующая спутники различных систем связи, имеющая орбитальную и наземную части, а также абонентские станции. Система предназначена для организации связи между пользователями с использованием технических средств систем «ORBCOMM» и «Гонец». Система включает множество космических аппаратов «Microstar», функционирующих на околоземных круговых орбитах и оснащенных приемопередающими комплексами в диапазонах частот для связи с наземными узлами спутникового доступа и абонентскими станциями, а также бортовым вычислительным комплексом и служебными системами, множество космических аппаратов «Гонец», функционирующих на околоземных круговых орбитах и оснащенных многоканальным приемным устройством в диапазоне частот, двухканальным передающим устройством в диапазонах частот для связи с наземными региональными станциями и абонентскими терминалами, а также бортовым вычислительным комплексом и служебными системами.
Системы ORBCOMM и «Гонец» не имеют глобального покрытия связью земного шара, так как они используются только для периодической связи и пакетной передачи данных.
Известна низкоорбитальная спутниковая сетевая навигационная система [патент РФ №2299837 «Способ построения низкоорбитальной спутниковой сетевой навигационной системы», МПК B64G 1/10, G01C 21/02 (2006.1)]. Техническое решение заключается в создании низкоорбитальной группировки из N навигационных космических аппаратов, которая в сочетании с помехоустойчивой сетью ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающей все космические аппараты группировки с навигационной радиолинией, освещающей верхнюю полусферу, обеспечивает навигационные определения сухопутных, морских, воздушных и космических низкоорбитальных и высокоорбитальных потребителей.
К сожалению, изобретение по патенту РФ №2299837 так же, как и предыдущие технические решения, не обеспечивает глобальное покрытие земного шара беспроводной связью, соответственно не обеспечивает непрерывную связь между абонентами и, следовательно, не позволяет реализовать высокоскоростную передачу данных в любых точках земного шара.
Известны технические решения, использующие низкоорбитальные системы спутниковой связи, патент US №7,579,987 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. G01S 1/00 (2006.01), принадлежащий The Boeing Company, опубликованные заявки: US №2008/0001818 «Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals», Int. Cl. H04B 7/212 (2006.1), дата публикации: 3 января 2008 г., US №2008/0001819 «Low Earth Orbit Satellite Data Uplink», Int. Cl. H04B 7/185 (2006.1), дата публикации: 3 января 2008 г. и US №2008/0059059 «Generalized High Performance Navigation System», Int. Cl. G01C 21/00, G01C 21/20, H04B 7/185 (2006.1), дата публикации: 6 марта 2008 г. Эти технические решения направлены на улучшение передачи - приема сигналов (информации) посредством использования известных низкоорбитальных систем спутниковой связи. Однако, к сожалению, не обеспечивают глобальное покрытие земного шара беспроводной связью, соответственно не обеспечивают качественную непрерывную связь между абонентами и, следовательно, не позволяют реализовать качественную высокоскоростную передачу данных в любых точках земного шара.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому изобретению является низкоорбитальная система спутниковой связи «Iridium» («Иридиум») [А. Данелян. Низкоорбитальная спутниковая связь в России - проблемы и перспективы. Публикация от 18 февраля 2008 (http://daily.sec.m/publication.cfm?pid=19844)/ Connect! Мир связи, 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» использует спутники Земли, обращающиеся на низких круговых орбитах одинаковой высоты, использует межспутниковую связь и сеть наземных станций связи и управления группировками спутников.
Из всех, приведенных выше низкоорбитальных систем спутниковой связи только система «Iridium» обеспечивает глобальную подвижную связь по всему земному шару. Однако эта система построена таким образом, что в высокоширотных областях, в околополярных зонах Земли, где плотность абонентов связи мала, одновременно находится избыточное количество спутников (например, над каждым из полюсов одновременно находится от 7 до 14 спутников), что приводит к существенному удорожанию системы и нерациональному использованию спутников.
Технический результат, на получение которого направлено заявляемое изобретение, - это обеспечение 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.
Технический результат достигается тем, что низкоорбитальная система спутниковой связи, содержащая множество искусственных спутников Земли, каждый из которых функционирует на околоземной орбите, и оснащен бортовыми ретрансляторами, межспутниковую связь и сеть наземных станций связи и управления искусственными спутниками Земли,
отличается согласно изобретению тем, что:
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 и наклонением менее 30°, по N/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 и наклонением более 60°, по M/m спутников на каждой орбите,
при этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m градусов.
При этом, например, обе группировки содержат одинаковое количество спутников связи, где M=N, одинаковое число околоземных орбит, m=n, и одинаковое количество спутников на каждой орбите, M/m=N/n.
Долготы восходящих узлов орбит внутри одной группировки совпадают с долготами восходящих узлов орбит другой группировки.
Спутники на орбитах обеих группировок по аргументу широты расположены равномерно, и для орбит из разных группировок с совпадающими восходящими узлами имеют аргументы широты спутников в одной группировке, совпадающие с аргументами широты спутников в другой группировке.
Таким образом, общими признаками заявляемого изобретения и прототипа является то, что обе системы используют искусственные спутники Земли, обращающиеся на низких круговых орбитах одинаковой высоты, используют межспутниковую связь и сеть наземных станций связи и управления группировками спутников.
Существенными отличительными признаками заявляемого изобретения является то, что 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 и наклонением менее 30°, по N/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 и наклонением более 60°, по M/m спутников на каждой орбите, при этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m градусов. Именно эти отличительные признаки позволяют получить лучший технический эффект, а именно, обеспечить глобальную непрерывную связь между абонентами, дают возможность реализовать мобильную телефонию и высокоскоростную передачу данных в любых точках земного шара при использовании минимально необходимого (оптимального) количества легких спутников в системе и минимальной стоимости создания системы спутниковой связи.
Поэтому заявляемое изобретение обладает новизной, существенными отличиями и является неочевидным.
Далее описание изобретения поясняется примерами выполнения и иллюстрирующими материалами.
На фиг.1 показан пример зоны покрытия земной поверхности группировкой спутников связи с наклонением орбит около 22,5° согласно заявляемому изобретению.
На фиг.2 - пример зоны покрытия земной поверхности группировкой спутников связи с наклонением орбит около 65° согласно заявляемому изобретению.
Фиг.3 иллюстрирует глобальное покрытие земной поверхности низкоорбитальной системой спутниковой связи согласно заявляемому изобретению.
В таблице 1 приведены характеристики известных в мире низкоорбитальных систем спутниковой связи: «Iridium», «Globalstar», «ORBCOMM» и «Гонец».
В таблице 2 приведены характеристики заявляемой низкоорбитальной системы спутниковой связи и пример рационального использования системы согласно заявляемому изобретению, когда большее количество спутников используют в зонах с большим количеством населения.
Осуществляют заявляемое изобретение следующим образом.
Для построения заявляемой низкоорбитальной системы спутниковой связи используют множество легких искусственных спутников Земли, каждый из которых функционирует на околоземной орбите и оснащен бортовыми ретрансляторами, межспутниковую связь и сеть наземных станций связи и управления искусственными спутниками Земли. При этом искусственные спутники Земли можно использовать любой известной конструкции для данной области техники, например, такие же спутники, которые использует система «Iridium».
Множество искусственных спутников Земли формируют 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 и наклонением менее 30°, по N/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 и наклонением более 60°, по M/m спутников на каждой орбите.
При этом долготы восходящих узлов орбит внутри каждой группировки отличаются соответственно на 360/n и 360/m градусов.
Причем, например, обе группировки могут содержать (но это не обязательное условие) одинаковое количество спутников связи, где M=N, одинаковое число околоземных орбит, m=n, и одинаковое количество спутников на каждой орбите, M/m=N/n.
Долготы восходящих узлов орбит внутри одной группировки могут совпадать с долготами восходящих узлов орбит другой группировки, но это не является обязательным условием.
Спутники на орбитах обеих группировок по аргументу широты могут быть расположены, например, равномерно, и для орбит из разных группировок с совпадающими восходящими узлами могут иметь аргументы широты спутников в одной группировке, совпадающие с аргументами широты спутников в другой группировке, однако эти условия могут быть и другими.
Для лучшего понимания заявляемого изобретения рассмотрим фиг.1-3 и таблицу 2, в которой приведены характеристики одного из примеров осуществления изобретения.
На фиг.1 приведен пример зоны покрытия земной поверхности группировкой спутников связи с наклонением орбит около 22,5°.
Параметры зоны покрытия:
субэкваториальная зона между 40°-ми параллелями северной и южной широты;
количество спутников - N=24;
количество орбит - n=3 (по N/n 8 спутников на каждой орбите); наклонение орбит - 22,5°; высота орбит - 1500 км.
На фиг.2 приведен пример зоны покрытия земной поверхности группировкой спутников связи с наклонением орбит около 65°.
Параметры зоны покрытия:
полярные зоны с широтами более 40° северной широты и более 40° южной широты;
количество спутников - М=3 (по М/m=8 спутников на каждой орбите):
наклонение орбит - 65°;
высота орбит - 1500 км.
На фиг.3 приведен пример глобального покрытия земной поверхности низкоорбитальной системой спутниковой связи.
Параметры зоны покрытия:
глобальное покрытие земного шара;
количество спутников N+M=48;
количество орбит: n=3 с наклонением 22,5°+m=3 с наклонением 65° (по N/n=М/m=8 спутников на каждой орбите);
высота орбит - 1500 км.
Таким образом, в отличие от системы «Iridium» при том же качестве покрытия, заявляемая низкоорбитальная система спутниковой связи позволяет использовать на 27% меньшее количество спутников связи, а в отличие от системы «Globalstar» при одинаковом с ней количестве спутников связи (48 спутников) обеспечивает непрерывную связь по всему земному шару, в том числе в околополярных зонах с широтами более 70° северной широты и более 70° южной широты;
Кроме того, в зависимости от потребности в связи в различных районах Земли, низкоорбитальную систему спутниковой связи можно создавать поэтапно: группировка спутников с наклонением орбит менее 30 градусов обеспечит непрерывную связь для экваториальной зоны между 40° северной широты (с.ш.) и 40° южной широты (ю.ш.), где проживает более 70% населения планеты, группировка спутников с наклонением орбит более 60 градусов обеспечит непрерывную связь для полярных зон с широтами более 40° с.ш. и более 40° ю.ш., которые в перспективе приобретут стратегическое значение в связи с растущим освоением земных ресурсов.
В таблице 2 приведены характеристики заявляемой низкоорбитальной системы спутниковой связи и пример рационального использования системы согласно заявляемому изобретению, когда большее количество спутников используют в зонах с большим количеством населения.
При этом угол места в точке расположения абонента (угол между лучом на спутник и местным горизонтом) составляет 5-15 градусов; диаметр зоны радиовидимости со спутника, находящегося на орбите высотой 1500 км - 5÷6 тыс. км.
Данные, приведенные в таблице №2, подтверждают пример рационального использования спутников связи в низкоорбитальной системе согласно заявляемому изобретению, когда в зонах с большим количеством населения функционирует большее количество спутников. Таким образом, загрузка каждого спутника в среднем одинакова и в экваториальной, и в полярных зонах: около 100/(M+N)% населения Земли приходится на каждый спутник.
Заявляемая низкоорбитальная система спутниковой связи имеет достаточно простую и оригинальную структуру орбит спутников связи с однотипными и устойчивыми параметрами, что обеспечивает простоту их контроля и управления группировками.
Все эти преимущества (существенные отличительные признаки заявляемого изобретения) позволяют получить лучший технический эффект, а именно обеспечить глобальную непрерывную связь между абонентами, реализовать мобильную телефонию и высокоскоростную передачу данных в любых точках земного шара, при этом использовать минимально необходимое (оптимальное) количество легких спутников связи, что соответственно приведет к снижению стоимости создания низкоорбитальной системы спутниковой связи.
| Таблица 1 | ||||||
| Система спутниковой связи | Разработчик | Характеристики орбит | Количество спутников | Зона покрытия, тип связи | ||
| высота, км | наклонение, град | количество плоскостей | ||||
| Иридиум | Motorola, Lockheed Martin, США | 780 | 86,4 | 6 | 66+7 резерв | глобально, подвижная спутниковая связь |
| Globalstar | Globalstar, Inc, США | 1410 | 52 | 8 | 48+8 резерв | между 70° с.ш. и 70° ю. ш., подвижная спутниковая связь |
| ORBCOMM | 45 | 4 | 31 | глобально, | ||
| ORBCOMM | Global L.P., | 830 | 70 | 1 | 2 | периодическая |
| США | 108 | 1 | 2 | связь, пакетная передача данных | ||
| Гонец | ОАО «Спутниковая система «Гонец» | 1400 | 82,5 | 6 | 36 | Россия, периодическая связь, пакетная передача данных |
| Таблица 2 | ||||||
| Орбитальные группировки системы | Зоны радиосвязи | Население Земли в зоне | Доля поверхности Земли в зоне | Количество спутников функционирующих в зоне | Количество спутников на % поверхности Земли | Доля населения на один спутник |
| Группировка №1: | Экваториальная зона | |||||
| - количество спутников - 24 | между | |||||
| - наклонение орбит - 22,5° | 40° с.ш. | более | 64% | около | 0,6 | около 2% |
| - количество орбит - 3 | и | 70% | 36 | |||
| - высота орбиты - 1500 км | 40° ю.ш. | |||||
| Группировка №2: | Полярные зоны | |||||
| - количество спутников - 24 | более | |||||
| - наклонение орбит - 65° | 40° с.ш. | менее | около | около | ||
| - количество орбит - 3 | и более | 30% | 36% | 12 | 0,33 | 2,5% |
| - высота орбиты - 1500 км | 40° ю.ш. | |||||
| Всего 48 спутников на 6 орбитах, по 8 спутников на орбите |
1. Низкоорбитальная система спутниковой связи, содержащая множество искусственных спутников Земли, каждый из которых функционирует на околоземной орбите и оснащен бортовыми ретрансляторами, межспутниковую связь и сеть наземных станций связи и управления искусственными спутниками Земли, отличающаяся тем, что 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 до 2000 км с наклоном 0°…30°, по N/n спутников на каждой орбите, другая группировка состоит из М спутников связи, где M - целое число, и расположена на m околоземных орбитах высотой до 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 градусов.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что обе группировки содержат одинаковое количество спутников связи, где M=N, одинаковое число околоземных орбит, m=n, и одинаковое количество спутников на каждой орбите, M/m=N/n.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что долготы восходящих узлов орбит внутри одной группировки совпадают с долготами восходящих узлов орбит другой группировки.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что спутники на орбитах обеих группировок по аргументу широты расположены равномерно, и для орбит из разных группировок с совпадающими восходящими узлами имеют аргументы широты спутников в одной группировке, совпадающие с аргументами широты спутников в другой группировке.
