Спутниковая система связи
Использование: системы связи с использованием искусственных спутников Земли, обращающихся на низких круговых орбитах, а именно, для выбора орбитальных структур спутниковых систем связи. Сущность изобретения: системы из N спутников, которые вращаются на круговых орбитах заданной высоты Н с одинаковым наклонением из диапазона 55...70o, при этом долготы восходящих узлов орбит и агрументы широт спутников определяются по формулам омега j омега(1)+(j-1) приращение омега, приращение омега 2Пи/N х (1), uj u(1)+(j-1) приращение u, приращение u 2Пи/N х (2), где j - 2,...,N, омега(1), u(1) - произвольные начальные значения, х(1),х(2) - значения коэффициентов из ряда 1,2,.,N, определяемых в зависимости от количества спутников в системе. 3 ил. , 3 табл.
Изобретение относится к созданию системы спутниковой связи. Подобные системы предназначены для обеспечения различными видами связи обширных регионов земного шара. В частности, при достаточно большом количестве искусственных спутников Земли можно поддерживать непрерывную связь между любыми пунктами на поверхности Земли.
Успешная работа системы связи в значительной степени обеспечивается рациональной организацией движения спутников, т.е. оптимальным выбором параметров орбит и оптимальным фазированием движения спутников по этим орбитам. В системах связи используются искусственные спутники Земли, летающие на низких круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах. Выбор типа орбиты диктуется способом организации связи, характеристиками используемой бортовой и наземной аппаратуры, а также технико-экономическими показателями. Известны системы связи, спутники которых обращаются по низким круговым орбитам. В таких системах используются недорогие передатчики малой мощности и приемники малой чувствительности, что позволяет рядовым абонентам обходиться без каких-либо наземных линий связи. В подобных системах значительно меньше запаздывание сигналов /1/. Известна система связи "Иридий" разработки фирмы Mоtоrоlа / см. журнал Аviаtiоn Wеек аnd Sрасе Теhnоlоgу, 1990, 133, 29/. По проекту "Иридий" предполагается выведение 77 легких искусственных спутников Земли на 7 полярных, т.е. наклонение орбиты 090o круговых орбит высотой 765 км. На каждой орбите должны обращаться в одном направлении на равных расстояниях друг от друга 11 спутников, при этом разности аргументов широты соседних спутников в любой момент времени равны /360/11/ градусов. Восходящие узлы орбит расположены в плоскости экватора неравномерно: между соседними одноименными /в сходящими или нисходящими/узлами равны 27o, а между соседними разноименными узлами 17o. Указанная система решает задачу обеспечения глобальной связи, но обладает следующими недостатками: в высокоширотных областях, где плотность абонентов связи незначительна, над каждой точкой находится неоправданно много спутников /например, над каждым из полюсов находится не менее 7 спутников, а в 50% времени 14/; в скоплениях спутников, обусловленных выбранной системой связи, спутники создают друг другу сильные радиопомехи, так что их аппаратуру приходится отключать по специальной программе; движения отдельных спутников по отношению к остальным спутникам неодинаковы: поэтому необходимо индивидуальное управление аппаратурой спутников для организации межспутниковых каналов связи с абонентами; особенности системы "Иридий" приводят к заведомо завышенному количеству спутников, к усложнению алгоритмов управления системой связи и, как следствие, к существенному удорожанию проекта: предполагаемая стоимость его около 2,3 миллиарда долларов. Цель изобретения обеспечение непрерывной связи в широтных поясах, лежащих между 30 и 75o северной и южной широты, т.е. в тех поясах, где расположены основные развитые страны. В остальных же регионах, где плотность потенциальных абонентов невысока, -обеспечивать регулярную периодическую связь с возможными перерывами длительностью не более 15-20 мин. Система связи должна быть максимально удешевлена. Поставленная цель достигается тем, что в известной системе из N искусственных спутников земли, оснащенных бортовой приемо-передающей аппаратурой, и сети наземных станций связи, спутники пространственно размещены на орбитах с одинаковыми высотами и наклонениями, при этом долготы восходящих узлов орбит и аргументы широты спутников определяются по формулам: где j 2,3. 1u1 произвольные начальные значения долготы восходящего узла орбиты и аргумента широты первого спутника; 12 - значения коэффициентов, определяемых из табл.1. Предлагаемая система обладает новизной и существенными отличиями. Общим признаком предлагаемой системы и прототипа является то, что в обеих системах используются спутники Земли, обращающиеся на низких круговых орбитах одинаковой высоты с равными наклонениями. В предложенной системе обеспечение непрерывной и периодической связи выполняется при меньшем /на 25. 30% / количестве спутников, нежели того требуют орбитальные структуры, использующие полярные орбиты; исключение почти полностью взаимных радиопомех спутников, так как спутники не скапливаются в каких-либо областях и не сближаются друг с другом на встречных курсах:унифицирование программ управления аппаратурой спутников / в частности, при организации межспутниковой связи/, обусловленное равенством наклонений орбит и определением долгот восходящих узлов орбит и аргументов широты спутников по формулам /1/, что приводит к одинаковости движения отдельных спутников по отношению к остальным спутникам системы:
удешевление системы связи, обусловленное значительным уменьшением количества спутников и унифицированием алгоритмов управления. На фиг.1 представлены условия радиовидимости наземного объекта со спутника, на фиг. 2 зависимость углового радиуса * зоны равновидности спутника от высоты орбиты Н, на фиг. 3 зависимости минимального углового радиуса a зоны разновидности спутников, при котором система обеспечивает непрерывную связь в поясах 35.70o. северной и южной широты от наклонения орбиты. Обмен радиосигналами между какими-либо спутниками системы и наземными станциями /абонентами/ возможен, если только угол места b спутника в точке расположения абонента не меньше некоторого значения bmin, обусловленного чувствительностью приемной аппаратуры и мощностью передающей: при этом min > 0. Множество наземных точек, удовлетворяющих этому условию, является в любой момент времени кругом на поверхности Земли некоторого углового геоцентрического радиуса * с центром в подспутниковой точке /см. фиг.1/. Этот круг называется зоной радиовидимости спутника. Обычно значения угла bmin лежат в диапазоне 5.15o. При проектировании системы связи угол min, задается разработчиками аппаратуры. Выбор угла min, ведет к тому, что угловой радиус * зон радиовидимости спутников становится функцией от высоты Н орбит спутников /см. фиг.2/. Высота Н выбирается из соображений энергетики радиолиний и удобства эксплуатации системы /обеспечиваемого, например, периодичностью движения спутников по отношению к вращающейся Земле, когда период вращения спутников Т и период вращения Земли по отношению к плоскостям орбит спутников Т удовлетворяют условию mТ3-nТ при некоторых целых mT3-nT. С точки зрения энергетики радиолиний перспективным является диапазон высот 1500-2500 км. Для каждой из систем спутников, характеризующихся тройкой чисел (N,1,2),, как показывают расчеты, существует зависимость того минимального возможного углового радиуса зон радиовидимости спутников, при котором система обеспечивает непрерывную связь в широтных поясах 30.75o северной и южной широты или поясах, принадлежащих указанным, от величины наклонения орбит i /см. фиг. 3/. Имея ввиду вышеизложенное пояснение, покажем работу системы. Система из спутников с параметрами (N,1,2) для непрерывного обзора в поясах 30.75o северной и южной широты и периодической связи в остальных поясах характеризуется:
Высотой орбиты Н3, выбираемой из указанных выше соображений энергетики радиолиний удобства эксплуатации системы. Угловым радиусом * H3 зоны радиовидимости при заданных величинах угла bmin и высоты орбиты Н3 /см. фиг.2/. Диапазоном наклонений орбитiminiimах, где угловой радиус * (Н3) зон радиовидимости спутников больше или равен минимально возможному для этой системы угловому радиусу a /см. фиг.3/. Диапазон iminiimах, может оказаться пустым, что означает невозможность обеспечения непрерывной связи в заданных широтных поясах системой спутников, характеризующейся соответствующей тройкой чисел (N,1,2), и необходимо перейти к системе с другими параметрами. Наклонением i орбит спутников системы. Выбор величины i из диапазона iminiimах производится из условий запуска спутников /энергетики ракет-носителей, места расположения точки старта, районов падения отделяющихся частей ракетоносителей и т.п./, минимизации интервалов перерывов связи в районах, не принадлежащих рассматриваемым широтным поясам 30.75o северной и южной широты или обеспечения периодичности движения спутников по отношению к вращающейся Земле путем дополнительного подбора параметров m х n /см. выше/. Диапазон 16N25 чисел спутников в системе, представленный в табл.1, обусловлен выбранным диапазоном высот орбит /1500.2500 км/, принятыми значениями угла min /5.15o/ и обслуживаемыми широтными поясами / 30.75 o северной и южной широты/. Для иллюстрации рассмотрен пример спутниковых систем, обеспечивающих связь в поясах 35.75o южной и северной широты, а в остальных - периодическую с возможными перерывами не более 15.20 мин. Принято min10o, Н3 2120 км. Для этих значений, использовав графики рис.2, получено * 32,4o. На графиках фиг.3 приведена зависимость минимального углового радиуса a зон радиовидимости спутников от наклонения i для трех конкретных систем спутников, характеризующихся параметрами, приведенными в табл.1 /см. табл.2/. Анализ графиков фиг.3 показывает, что при 22,4o диапазон наклонений позволяет /см. табл.3/. ТТТ1
Формула изобретения
j= 1+(j-1), рад,
рад;
Uj=U1+(j-1)U, рад;
рад;
где j 2, 3, N;
1, U1 произвольные начальные значения долготы восходящего узла и аргумента широты первого ИСЗ;
1, 2 коэффициенты из ряда 1,2, N, определяемые в зависимости от количества спутников в системе.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5