Спутниковая система передачи данных между спутниками- абонентами и наземным пунктом

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к области спутниковых систем передачи данных (ССПД) между спутниками и наземным пунктом (НП) с использованием оптической межспутниковой связи (ОМС). Технический результат состоит в обеспечении непрерывной двухсторонней связи НП с любым спутником-абонентом (СА). ССПД содержит спутники-ретрансляторы (СР) на околоземных орбитах (Ор) и установленную на них и СА бортовую приемно-передающую аппаратуру (ППА) ОМС. СР размещены не менее чем двумя орбитальными группами (ОГ), в каждой из которых не менее трех СР располагается на одной Ор и связаны между собой с помощью ППА ОМС. Угол 1 наклона плоскости орбиты (ПО) каждой ОГ СР к плоскости эклиптики (ПЭ) устанавливается в диапазоне значений от (Δ_min+β_max) до 180°-(Δ_min+β_max), где Δ_min - минимально допустимое ППА значение угла Δ между линией взаимной видимости спутников, соединенных каналами ОМС, и линией визирования Солнца с борта спутника, а β_max - максимальное значение угла полураствора конуса области возможного полного оптического сопряжения бортовой ППА СР с ППА СА. Угол между линией пересечения ПО k-й ОГ СР с ПЭ и линией пересечения ПО j-й ОГ СР с ПЭ устанавливают в диапазоне значений от (ΔΩ_j+ΔΩ_k) до (180°-(ΔΩ_j+ΔΩ_k), где ΔΩ = arcsin(sin(Δ_min+β_max)/sinI), I= I_j и I=I_k соответственно номеру группы СР. При этом ППА CA оптически сопряжена с ППА по крайней мере одного СР в любой точке орбиты CA. 6 ил.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к области спутниковых систем передачи данных между спутниками и наземным пунктом с использованием космической оптической связи между спутниками, в качестве которых могут быть искусственные спутники Земли, космические аппараты, орбитальные станции и т.д.

Известна спутниковая система передачи данных (ССПД) между низкоорбитальным спутником-абонентом (СА) и наземным пунктом (НП), содержащая два спутника-ретранслятора (DRS-1 и DRS- 2) на околоземных геостационарных орбитах (см., например, [1], [2]).

В известной ССПД спутники-ретрансляторы (СР) и СА имеют установленную на них бортовую приемно-передающую аппаратуру (ППА) для связи между спутниками-абонентами и СР. Кроме того, на НП и на СР имеется ППА для радиосвязи между ними. Передача информационного потока данных от НП к СР осуществляется в радиодиапазоне частот 30 ГГц, а в обратном направлении (от СР к НП) - в диапазоне частот 20 ГГц. Для передачи данных между СА и СР используются частоты S-диапазона (2-4 ГГц) и Ка-диапазона (26-40 ГГц).

Использование в известной ССПД радиодиапазона частот для межспутниковой связи имеет следующие недостатки: ограниченная пропускная способность (скорость передачи данных составляет порядка сотен Мбод и не более), что связано с ограничением радиодиапазона электромагнитного спектра частотами не более сотен ГГц, невозможность одновременного создания широкополосных каналов дуплексной связи между одним из СР и несколькими СА, находящимися друг от друга на расстояниях менее тысячи - сотен км, из-за взаимного электромагнитного влияния каналов, слабая помехозащищенность каналов межспутниковой связи, обусловленная невозможностью создания диаграммы направленности радиоизлучения с углом расхождения порядка единиц угловых секунд.

Этих недостатков лишены известные ССПД, использующие оптический диапазон частот электромагнитных волн.

Известна ССПД между низколетящим спутником-абонентом и наземным пунктом по проекту SILEX, разрабатываемому Европейским космическим агентством с середины 1980-х годов (см., например, [3], [4]).

В этой ССПД, являющейся прототипом предлагаемого технического решения, используется два спутника-ретранслятора на геостационарной орбите. На борту каждого СР и на борту СА установлена ППА оптической межспутниковой линии связи, с помощью которой СР связаны каналами передачи данных между собой и с низкоорбитальным СА. СР имеет также ППА линии оптической и радиосвязи с наземной станцией. Информационные потоки данных передаются между НП и СА по дуплексному каналу связи, образуемому ППА канала связи "НП-СР" и ППА оптического межспутникового канала связи "СР-СР-СА" или "СР- СА".

Недостаток указанной ССПД состоит в том, что не обеспечивается возможность непрерывной двухсторонней связи наземного пункта с любым низкоорбитальным СА, в том числе одновременно с несколькими заданными СА из числа входящих в список абонентов.

Это объясняется следующими обстоятельствами.

Во-первых, в любой точке орбиты спутника-абонента не обеспечивается оптическое сопряжение его ППА с ППА по крайней мере одного из СР из-за наличия на орбите спутника-абонента участков, на которых нет прямой взаимной видимости между ним и одним из СР, так как два СР не могут перекрыть глобально область околоземного пространства, где находятся спутники-абоненты, и одновременно обеспечивать прямую взаимную видимость друг Друга.

Во-вторых, в отдельные периоды времени прерывается оптическая межспутниковая связь между СР из-за опасности повреждения соответствующего ППА вследствие воздействия на ее оптические и фотоприемные устройства солнечного излучения, попадающего в оптический тракт ППА при небольших (единицы градусов) углах Δ между линией взаимной видимости СР и линией визирования Солнца с борта любого из СР. Вследствие этого нужно либо выключать ППА на СР, либо разворачивать оптические антенны их ППА на большой угол от направления на Солнце, и, соответственно, оптический канал связи "СР-СР" на этих годовых интервалах времени дважды в сутки (за период обращения СР вокруг Земли) необходимо отключать.

Указанная выше опасность повреждения оптической ППА солнечным излучением, попадающим в ее оптические тракты, может иметь место также и в каналах оптической связи между СА и СР для некоторых участков орбиты СА на отдельных интервалах времени в течение года при определенных взаимных угловых положениях орбит СА и СР. Например, такое может происходить при небольших, близких к нулю, углах между плоскостями их орбит. Как результат, в отмеченные периоды времени на отдельных участках орбиты СА связь между ним и СР невозможна. Кроме того, по этой же причине ограничиваются наклонения орбит СА и, соответственно, возможность (и целесообразность) включения того или иного спутника в число потенциальных абонентов ССПД.

В предлагаемом изобретении поставлена задача обеспечить возможность непрерывной двухсторонней связи наземного пункта с любым спутником-абонентом (при необходимости - постоянно), в том числе одновременно с несколькими заданными СА из числа входящих в список абонентов.

Поставленная задача решается следующим образом.

В известной ССПД между СА и НП, которая содержит СР на околоземных орбитах и установленную на них и спутниках-абонентах бортовую ППА оптической межспутниковой связи, согласно изобретению СР размещены не менее чем двумя орбитальными группами, в каждой из которых не менее трех СР располагается на одной орбите и связаны между собой с помощью ППА оптической связи. Плоскость орбиты каждой группы спутников-ретрансляторов образует с плоскостью эклиптики угол 1 наклона, устанавливаемый в диапазоне значений от (Δ_min+β_max) до 180°-(Δ_min+β_max), где Δ_min - минимально допустимое ППА значение угла Δ между линией взаимной видимости спутников, соединенных каналами оптической межспутниковой связи, и линией визирования Солнца с борта спутника, β_max - максимальное значение угла полураствора конуса области возможного полного оптического сопряжения бортовой ППА спутника-ретранслятора с ППА спутников-абонентов, угол между линией пересечения плоскости орбиты k-й группы спутников-ретрансляторов с плоскостью эклиптики и линией пересечения плоскости орбиты j-й группы спутников-ретрансляторов с плоскостью эклиптики устанавливается в диапазоне значений от (ΔΩ_j+ΔΩ_k) до 180°-(ΔΩ_j+ΔΩ_k), где ΔΩ = arcsin(sin(Δ_min+β_max)/sinI), I=I_j и l=l_k соответственно номеру группы СР.

При этом ППА спутника-абонента оптически сопряжена с ППА по крайней мере одного СР в любой точке орбиты СА.

Размещение СР не менее чем двумя группами, в каждой из которых не менее трех СР располагается на одной орбите, позволяет реализовать: - во-первых, предоставление НП постоянно работающих каналов связи с любым (любыми) СА, с задействованием оптических каналов связи той группы СР из всего их количества, у которой не будут на каждом витке орбиты соответствующего СР отключаться оптические каналы связи между соседними СР из-за опасности повреждения ППА попадающим солнечным излучением, - во-вторых, одновременное глобальное перекрытие околоземного космического пространства, где могут находиться спутники-абоненты, конусами областей возможного оптического сопряжения бортовой ППА спутников-ретрансляторов с ППА спутников-абонентов, в результате чего ППА любого спутника-абонента в любой точке его орбиты может быть оптически сопряжена с ППА по крайней мере одного СР.

Размещение при этом каждой группы спутников-ретрансляторов на орбите, плоскость которой образует с плоскостью эклиптики угол 1 наклона указанной выше величины, обеспечивает возможность непрерывной оптической связи любого из спутников-абонентов с одним из СР данной группы благодаря гарантированной бесперебойной работе каналов оптической связи "СА-СР" из-за отсутствия необходимости отключать соответствующие ППА при движении СР на участках орбиты, где углы Δ становятся меньше Δ_min (на некоторых интервалах времени возможна связь СА более чем с одним спутником-ретранслятором).

Расположение в пространстве плоскостей орбит k-й и j-й групп спутников-ретрансляторов друг относительно друга так, что между линиями их пересечения с плоскостью эклиптики устанавливается указанный угол, обеспечивает возможность непрерывной двухсторонней связи НП с любым из СА вне зависимости от времени года, т.е. положения Солнца относительно плоскостей орбит СР. Это достигается тем, что при углах δ склонения Солнца над плоскостью орбиты k-й группы СР, при которых abc(δ) < (Δ_min+β_max), остаются постоянно работоспособными оптические каналы связи между СР в j-й группе, и оптическое сопряжение ППА спутников-абонентов с ППА спутников-ретрансляторов этой j-й группы гарантированно не будет нарушаться из-за опасности повреждения ППА солнечным излучением.

При этом углы "Солнце-СА-СР" ни для одного из СА и СР j-й группы не будут меньше значения Δ_min на участках прямой взаимной видимости спутника-абонента и спутника-ретранслятора.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6 для возможного варианта ССПД:
фиг.1 - схематичное изображение ССПД, где обозначено:
1 - спутник-ретранслятор, причем индексы вида p, q внизу поз. 1 со ответствуют номеру p группы СР и номеру q данного СР в этой группе, значения p_max ≥ 2,q_p ≥ 3;
2 - околоземная орбита СР, причем индекс внизу поз. 2 соответствует номеру p группы СР;
3 - наземный пункт;
4 - ППА оптической межспутниковой связи;
5 - спутник-абонент, причем индекс внизу поз. 5 соответствует номеру n СА, n ∈ (1,..., n_max);
6 - околоземная орбита СА, причем индекс n внизу поз. 6 соответствует номеру n СА;
7 - ППА широкополосного канала связи;
8 - линия канала дуплексной межспутниковой связи между СА, причем индексы вида p, q, n внизу поз. 8 соответствуют номеру p группы СР, номеру q СР из состава p-группы и номеру n СА;
9 - линия канала дуплексной межспутниковой связи между СР данной группы, причем индексы вида p, q, m внизу поз. 9 соответствуют номеру p группы СР, номеру q СР из состава p-группы и номеру m СР этой же группы, m ∈ {1,..., q_p}; m ≠ q; m = g+1+l при q < q_p; m = 1 при q = q_p;
10 - Земля;
11 - линия широкополосного канала дуплексной связи между НП и СР, причем пара индексов p, q внизу поз. 11 соответствуют СР с номером q из состава p-группы СР;
П - плоскость орбиты группы СР, причем индекс p внизу поз. П со ответствует номеру p группы СР;
12 - линия пересечения плоскости орбиты одной группы СР с плоскостью орбиты другой группы СР;
13 - Солнце в некотором его положении относительно Земли при ее годовом движении (далее рассматриваемым положениям Солнца присваиваются нижние индексы у поз. 13);
14 - солнечное излучение;
фиг. 2 - схематичное изображение областей ограничений по допустимому ППА минимальному значению Δ_min угла Δ между линией взаимной видимости СР и направлением на Солнце, где обозначено:
15 - направление на Солнце с борта СР, причем нижние индексы а и d для данной поз. , как и для поз. 13 и угла Δ, соответствуют неблагоприятным положениям Солнца для взаимной видимости двух СР в части воздействия солнечного излучения, а индексы b и с - благоприятным положениям;
16 - прямой круговой конус с вершиной в центре СР и углом полураствора Δ_min, ограничивающий неблагоприятные направления 15 на Солнце, причем нижние пары индексов (p, q) и (p, m) для поз. 16, как и для поз. 1, соответствуют СР p-группы, у которых номера равны q и m;
фиг. 3 - схематичное изображение областей ограничений по допустимому ППА минимальному значению Δ_min угла Δ между линией взаимной видимости СР и СА и направлением на Солнце, где обозначено:
17 - прямой круговой конус с вершиной в центре СР и углом полураствора β_max, соответствующий зоне прямой видимости СА с борта СР, т.е. ограничивающий направления линий 8, причем индексы p, q внизу поз. 17, как и у поз. 1, 16, 18, соответствуют СР p-группы, имеющему номер q, а индекс n у поз. 17 (поз. 5,8, 16)- СА, имеющему номер n;
18 - ось конуса 17;
f, h -нижние индексы для поз. 13 и 15, соответствующие неблагоприятному для оптической связи положению Солнца;
e, g - нижние индексы для поз. 13 и 15, соответствующие благоприятному для оптической связи положению Солнца;
фиг. 4 - схема размещения орбит двух групп СР (j- и k-группы) и Солнца, где обозначено:
19 - плоскость эклиптики;
О - точка, соответствующая центру Земли;
I - угол наклона плоскости орбиты СР к плоскости эклиптики, причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
U, U^* - точки пересечения орбиты СР с плоскостью эклиптики, причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
δ - угол склонения Солнца относительно плоскости орбиты СР, причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
V, V^* - точки на орбите, для которых положение Солнца относительно плоскости орбиты характеризуется углом δ склонения, равным сумме (Δ_min+β_max), причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
W, W^* - точки на эклиптике, для которых положение Солнца относительно плоскости орбиты характеризуется углом δ склонения, равным сумме (Δ_min+β_max), причем индексы i и k соответствуют номеру группы СР, а подчеркивание - точкам, симметричным точкам W,W^*;
ΔΩ - угол, соответствующий смещению Солнца по эклиптике относительно точки U_j (или U_k^*) в положение, при котором его угол δ над плоскостью орбиты СР равен сумме (Δ_min+β_max), причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
20 - линия пересечения плоскости орбиты СР с плоскостью эклиптики, причем индексы j и k соответствуют номеру группы СР;,
ΔΩ_jk - угол между линией пересечения плоскости орбиты CP j-группы с плоскостью эклиптики и линией пересечения плоскости орбиты СР k-группы с плоскостью эклиптики;
фиг. 5 - схематичное изображение одного из вариантов предпочтительного размещения спутников-ретрансляторов на орбитах, где обозначено:
П_j, П_k - плоскость орбиты CP j- и k-группы, соответственно;
21 - линия пересечения плоскости экватора Земли с плоскостью эклиптики;
22 - плоскость экватора Земли;
i - наклонение орбиты СР, причем нижние индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
ε - угол наклона плоскости экватора Земли к плоскости эклиптики;
ζ,ζ^* - точки пересечения орбиты СР с плоскостью экватора Земли (т.е. точки восходящего и нисходящего узла орбиты), причем нижние индексы j и k соответствуют номеру группы СР;
γ,γ^* - точка весеннего и осеннего равноденствия на небесной сфере, соответственно;
фиг. 6 - трассы геосинхронных орбит спутников-ретрансляторов в проекции на прямоугольную сетку географических координат, где обозначено:
23 - трасса СР на прямоугольную географическую систему координат, причем индексы вида p внизу поз. 23 соответствуют номеру p группы СР (p может быть равно 1 или 2), a q - номеру СР в данной группе (q может быть равно 1, 2 или 3, - так же, как и для поз. 1,9, 11);
24 - зона видимости СР с НП, внутри которой СР гарантированно наблюдаем с НП при прохождении его по указанной трассе.

Устройство ССПД согласно предлагаемому изобретению состоит в следующем (фиг. 1).

Спутниковая система передачи данных содержит спутники-ретрансляторы 1, размещенные группами на околоземных орбитах 2, преимущественно околокруговых с одинаковыми периодами обращения вокруг Земли, при которых реализуются изомаршрутные трассы полета каждого СР относительно наземного пункта 3. В общем случае пара индексов p, q внизу соответствующей поз. обозначают номер p группы СР и номер q конкретного СР в этой группе, причем p_max≥ 2, q_p ≥ 3.

На каждом СР установлена ППА 4 оптической межспутниковой связи. Аналогичная ППА 4 установлена на СА 5. Спутники-абоненты преимущественно расположены на высотах, меньших высот орбит 2 спутников-ретрансляторов. В общем случае индексы n внизу соответствующих поз. обозначают номер CA, n ∈ (1,..., n_max), причем величина n_max определяется комплектностью ППА 4 на борту СР, а также величинами p_max, g_p и требованию к расписанию сеансов связи СА с НП.

На НП 3 и на борту по крайней мере одного из СР установлены комплекты ППА 7 широкополосного канала связи, работающие в оптическом или радиодиапазоне электромагнитных волн. ППА 4, размещенная на борту СА 5, оптически сопряжена в любой точке орбиты 6 этого СА с ППА 4, находящейся на борту по крайней мере одного из СР 1 с образованием линий 8 каналов дуплексной межспутниковой связи вида "СА-СР".

ППА 4, размещенная на борту СР p-группы, оптически постоянно сопряжена с ППА 4 соседних СР этой же группы с образованием линий 9 каналов дуплексной межспутниковой связи вида "СР-СР". Триада индексов p, q, m внизу поз. 9 соответствует номеру группы СР, номеру данного СР этой группы и номеру СР другого соседнего СР этой же группы.

Работающие в текущий момент времени линии 8 и 9 каналов связи на фиг. 1 и далее изображены двойными линиями со стрелками, а неработающие - сдвоенными пунктирными и штрих-пунктирными со стрелками, причем сдвоенные пунктирные линии соответствуют возможности эпизодического включения соответствующих линий каналов связи в конкретных орбитальных положениях СР и СА.

Указанное постоянное оптическое сопряжение ППА всех соседних СР данной группы образует информационную "шину", вращающуюся вокруг Земли 10. Эта "шина" может быть реализована как замкнутая или разомкнутая цепь каналов связи. К "шине" посредством линий 8 подключаются ППА соответствующих СА, а сама "шина" имеет постоянную связь с НП 3 посредством линий 11 каналов дуплексной связи вида "НП-СР".

Плоскости П орбит 2 соответствующих пар групп СР попарно пересекаются друг с другом по линиям 12. Положение орбит 2 в пространстве таково, что по крайней мере у одной группы СР из рассматриваемой пары заведомо выполняется условие постоянного оптического сопряжения ППА последовательно всех СР между собой на каждом витке орбиты СР, причем ни для какой линии 9 связи Солнце 13 воздействием своего излучения 14 не приведет к опасности повреждения ППА 4 ни для одного из СР данной группы. Другая группа СР из рассматриваемой пары групп будет обеспечивать аналогичные условия после соответствующего перемещения Солнца в его годовом движении, т.е. когда первая группа будет отключена.

Указанное выше условие постоянного оптического сопряжения ППА для СР данной группы означает, что угол Δ_b/ или Δ_c (фиг. 2) между направлением линии 9 канала связи, совпадающим с линией взаимной видимости СР, и направлением 15_b или 15_c на Солнце 13 (13_b или 13_c) всегда больше значения Δ_min угла Δ,, допустимого конструктивным исполнением ППА 4, причем для любого СР данной группы. Т. е. направление 15 на Солнце 13 с борта любого СР данной группы будет находиться вне конуса 16 с вершиной в центре этого СР (16_p,g или 16_p,m, соответственно), имеющего угол полураствора Δ_min и ось симметрии, совпадающую с направлением линии взаимной видимости рассматриваемых СР. Таким образом, для данной группы СР на длительных интервалах времени года всегда будут иметь место случаи положения Солнца, аналогичные 13_е и 13_c, и не будет случаев положения Солнца, аналогичных 13_a, 13_d, когда ППА могут быть повреждены воздействием излучения 14.

Отметим, что интервалы времени полета группы СР, при которых их ППА не отключается на каждом витке из-за опасности ее повреждения солнечным излучением, существуют только в том случае, когда угол 1 наклона плоскости орбиты СР к эклиптике находится в диапазоне от Δ_min до 180°-Δ_min. Причем таких интервалов всего два. Наибольшая величина каждого из них составляет и достигается при I = 90^o, где - средняя угловая скорость движения Земли вокруг Солнца.

Условие оптического сопряжения ППА 4, размещенной на СА 5, в любой точке орбиты 6 с ППА 4, находящейся на борту по крайней мере одного из СР 1, аналогично изложенному выше условию по положению линии 15 направления на Солнце 13 относительно линии 8 канала оптической связи (фиг. 3), совпадающей с линией взаимной видимости СР и СА. Т.е. направление 15 на Солнце 13 с борта СР 1 будет находиться вне конуса 16 с вершиной в центре СР и углом полураствора Δ_min относительно линии 8 (случай вида 15_e), а направление 15 на Солнце 13 с борта СА 5 будет находиться вне конуса 16 с вершиной в центре СА и углом полураствора Δ_min относительно линии 8 (случай вида 15_g). При этом СА 5 одновременно должен быть в зоне его прямой видимости с борта СР 1, что соответствует движению СА внутри полости конуса 17 с вершиной в центре СР 1 и углом полураствора β_max относительно оси 18 этого конуса, совпадающей с местной вертикалью в точке полета СР.

Величина угла β_max может быть определена по формуле:
β_max= arcsin(max r_CA/r_CP),
где r_СА, r_СР - модули радиусов-векторов положения СА и СР, соответственно.

Из фиг. 3 следует, что если для СА 5, находящегося на оси 18 конуса 17, yroл Δ между направлением на Солнце с борта СР и направлением на СА с борта этого СР равен или больше (Δ_min+β_max), то при движении СА внутри полости конуса 17 всегда имеет место Δ > Δ_min.
Для того чтобы это обеспечивалось для любого наклонения орбиты 6 СА, необходимо угол 1 наклона плоскости орбиты СР к плоскости эклиптики устанавливать в пределах диапазона от (Δ_min+β_max) до 180°-(Δ_min+β_max).
Наибольшее значение длительности таких интервалов времени составляет и достигается при I=90^o.

Таким образом, угол 1 наклона плоскости орбиты СР данной группы к эклиптике определяется условием оптического сопряжения ППА спутника-абонента с ППА СР этой группы, причем целесообразно угол 1 наклона плоскостей орбит групп СР устанавливать по возможности близким к 90^o.

Очевидно, что, поскольку одна группа СР не может обеспечить в течение года непрерывное оптическое сопряжение с ППА 4 любого СА 5, то необходимо использование нескольких групп СР, угловое положение плоскостей орбит которых друг относительно друга в пространстве таково, что, в конечном итоге, достигается возможность круглогодичной непрерывной связи НП с любым СА через соответствующую группу СР с комплектами ППА каналов межспутниковой оптической связи, стационарно работающими на каждом витке орбиты.

Изложенное поясняет схема размещения орбит 2 двух групп СР (j и k) относительно друг друга и плоскости 19 эклиптики, изображенная на фиг.4, где точка О соответствует центру Земли.

В общем случае углы 1 наклона плоскостей орбит 2 этих групп СР к плоскости 19 эклиптики не равны между собой (l_j±I_k). Из сферических треугольников вида UWV, у которых дуга WV равна сумме (Δ_min+β_max), видно, что в плоскости эклиптики существуют угловые сектора с углом полураствора, который определяется по формуле
ΔΩ = arcsin[sin(Δ_min+β_max)/sinI].
Эти сектора находятся в окрестности линии 20 пересечения плоскости орбиты 2 СР с плоскостью эклиптики. Если линии направления из точки О на Солнце находятся внутри этих секторов, то условие Δ ≥ Δ_min+β_max невыполнимо для всех точек орбиты СА при любом наклонении орбиты 6. То есть невозможно в соответствующий период года выполнить требование постоянного оптического сопряжения ППА 4, установленной на борту СА, с ППА 4, находящейся на борту хотя бы одного из СР. Если же линии 20_j и 20_k пересечения с плоскостью эклиптики 19 плоскостей двух выделенных групп СР (j-й и k-й групп) будут отстоять друг от друга на угол ΔΩ_jk, устанавливаемый в диапазоне от (ΔΩ_j+ΔΩ_k) до 180°-(ΔΩ_j+ΔΩ_k), то эти группы будут взаимно дополнять друг друга, обеспечивая в совокупности постоянное оптическое сопряжение всех комплектов ППА в цепях каналов связи "СА-СР-...-СР".

Глобальный обзор Земли и околоземного космического пространства, где могут находиться СА на орбитах 6 произвольного наклонения высотой не более 3-5 тыс. км, может осуществляться с использованием трех равноудаленных друг от друга СР, находящихся на круговой орбите с периодом обращения 24 часа (так называемая ГСхО - геосинхронная орбита). Следовательно, минимально необходимое количество СР в группе равно трем, а минимально необходимое и достаточное количество групп СР при использовании ГСхО равно двум.

Если I ≈ 90 и (Δ_min+β_max) ≅ 45°, то это эквивалентно достижению не менее чем полугодового интервала времени работы данной группы СР в условиях стационарного сопряжения ППА всех СР этой группы между собой на каждом витке орбиты. А если угол ΔΩ_jk≈ 90°, то обеспечивается возможность круглогодичного сопряжения ППА любого СА с ППА одного из СР, входящего в состав соответствующей орбитальной группы, работающей в режиме стационарной межспутниковой оптической связи на каждом витке орбиты и создающей соответствующую информационную глобальную "шину".

В связи с этим одним из предпочтительных вариантов реализации предлагаемого изобретения является такое положение плоскостей П_j и П_k орбит 2_j и 2_k, при котором углы I_j и I_k составляют ≈ 90±20^o (фиг. 5).

При этом, если расположить линии 20_j и 20_k пересечения орбит 2_j и 2_k с плоскостью 19 эклиптики так, что они будут симметричны относительно линии 21 пересечения плоскости 19 эклиптики с плоскостью 22 экватора Земли, то наклонения i соответствующих орбит 2 будут равны друг другу, а их величина может быть определена по формуле
i = arccos[cosε·cosI-sinε·sinI·cos(ΔΩ_jk/2)],
где ε ≈ 23°30ʹ - угол наклона плоскости экватора Земли к плоскости эклиптики.

В данном варианте наклонение i может находиться в диапазоне значений от 51,6 до 90^o при ΔΩ_jk от 70 до 110^o. Выбор конкретной величины этого наклонения определяется возможностями выведения СР на рабочую орбиту, допустимыми вековыми эволюциями рабочих орбит, размещением НП, величиной угла Δ_min и т. д. Отметим, что для круговых ГСхО с наклонением 51,6-70^o вековой уход их плоскостей по восходящему углу составляет не более 3-1,7^o в год, что может потребовать проведения не чаще 1 раза в 1-2 года коррекций орбит СР, обеспечивающих заданное прохождение трассы относительно НП.

Установив в плоскостях ГСхО обеих групп соответствующие начальные угловые положения СР, можно получить ситуацию (фиг. 6), при которой орбиты СР в проекции на прямоугольную географическую систему координат будут иметь трассы 23 в виде трех "восьмерок", группирующихся попарно из двух различных орбитальных групп. При этом в зоне 24 видимости НП 3 в любой момент суток будет находиться по крайней мере один СР любой группы, т.е. НП может быть связан линией 11 канала связи с одним из СР, и по действующим линиям 9 каналов связи между ППА работающей группы СР осуществлять передачу данных на любой низкоорбитальный СА и, соответственно, принимать от СА необходимые данные.

Предлагаемая ССПД работает следующим образом (фиг. 1, 4, 6).

Комплекты ППА 4 оптической связи, находящиеся на борту спутников-ретрансляторов 1 одной из орбитальных групп, например, k-й группы, для которых в некоторый момент времени угол δ_k склонения Солнца 13 над плоскостью их орбиты становится больше суммы углов (Δ_min+β_max) и продолжает возрастать, сопрягаются последовательно линиями 9 каналов оптической связи между собой (показаны двойными сплошными отрезками прямых), образуя "шину" передачи (циркуляции) данных, работающую в стационарном режиме. Эта "шина", состоящая из линий 9 квазистационарной длины, сохраняется (поддерживается) с помощью работающих в стационарном режиме комплектов ППА 4 в течение всего интервала времени, соответствующего условию abs(δ_k) ≥ (Δ_min+β_max) и длящегося несколько месяцев.

Приемно-передающая аппаратура 7 на НП 3 соединяется линией вида 11 канала связи с ППА 7 того СР k-й работающей орбитальной группы, который в текущий момент времени находится в зоне 24 его видимости с данного НП. В результате НП 3 получает каналы связи с необходимыми СА 5, которые в соответствии с имеющимся расписанием сеанса связи соединяются с теми или иными СР 1 данной группы. Эти каналы формируются линиями вида "11-8-9" соответствующих каналов связи с использованием ППА 4, установленной на СР 1 и заданных СА 5. В том числе некоторые из этих каналов могут работать постоянно на каждом витке орбиты соответствующих СР в течение длительных интервалов времени ежегодно. При этом с
НП 3 передаются необходимые потоки данных для управления спутниками-абонентами 5, а с СА 5 на НП 3 - телеметрическая и целевая информация, например, результаты метеонаблюдения.

При годовом движении Солнца 13 угол его склонения над плоскостью данной группы СР увеличивается от 0 до максимального значения (≈ 90^o), а затем уменьшается до 0 и далее до минимального значения (≈ -90^o), после чего снова увеличивается. Т. е. два раза в году для данной группы СР существуют такие интервалы времени, когда abs(δ_k) ≥ (Δ_min+β_max). Следовательно, когда abs(δ_k) уменьшается от ≈ 90^o и становится равным предельно возможному для оптической связи с любым СА, данная орбитальная группа СР переводится в дежурный режим, и начинает работать другая группа (например, с номером j). В процессе реализации перевода данной k-группы СР в дежурный режим могут одновременно работать обе группы, обеспечивая переключение каналов связи НП 3 с соответствующими СА 5 без потери связи с ними, а также обеспечивая возможность связи НП 3 с необходимыми СА 5.

В случае необходимости в некоторых ситуациях НП 3 может связываться с СА 5 и через СР другой группы, у которой abs(δ_j) < (Δ_min+β_max), по линиям 9 временной связи (изображены двойными пунктирными отрезками прямых). Однако такой режим работы не всегда желателен, т.к. ППА 4 на борту СР этой группы должна на каждом витке орбиты включаться на определенных участках орбитального полета, осуществлять вхождение в связь между собой и затем, чтобы избежать опасности повреждения ППА от солнечных лучей, выключаться, причем эти операции для каждой пары сопрягаемых ППА 4 выполняются дважды на витке.

Заметим, что размещение орбитальных групп СР на ГСхО с наклонением орбиты, существенно отличном от нулевого, обеспечивает возможность более широкого использования околоземного пространства по сравнению с геостационарной орбитой, для которой "точки стояния" спутников регламентируются международными соглашениями.

Вместе с этим группы СР могут размещаться и на других орбитах, например, с периодом 12 часов (круговых или эллиптических). Однако в этих случаях для обеспечения возможности глобальной и непрерывной связи НП с любыми СА количество СР будет увеличиваться.

Таким образом, в результате:
размещения СР не менее чем двумя орбитальными группами, в каждой из которых не менее трех СР располагается на одной орбите и периодически постоянно связаны между собой с помощью ППА оптической связи, а плоскость орбиты каждой группы спутников-ретрансляторов образует с плоскостью эклиптики указанный выше угол наклона,
расположения плоскостей орбит k-й и j-й групп спутников-ретрансляторов друг относительно друга так, что между линиями их пересечения с плоскостью эклиптики устанавливается заданный угол ΔΩ_jk в определенном выше диапазоне его значений,
оптического сопряжения ППА спутника-абонента с ППА по крайней мере одного СР в любой точке орбиты СА, -
обеспечивается решение поставленной задачи - становится возможной непрерывная двухсторонняя связь НП с любым СА через каналы, предоставляемые ППА оптической связи, установленной на борту СР, входящих в состав той или иной орбитальной группы.

ИСТОЧНИКИ
1. Dinwiddy S.E., Dickinson A. The European Data Relay System. Сборник статей "The 14-th Int. Commun. Satell. Syst. Conf. and Exib.", March 22-24, 1992: Collect Techn. Pap.Rt, 1. Washington (D.C.)-1992, pp. 596-610.

2. Реферат 6Б117. Реферативный журнал ВИНИТИ, 29, "Связь", сводный том, 6,1994.

3. Чуковский Н.Н. Оптическая связь в космосе. Журнал "Радио", Россия, 2, 1994, стр.2,3,42.

4. Лазерная космическая связь. Сб. под ред. М. Кацмана. М.: Радио и связь, 1993, стр. 188.

Формула изобретения

Спутниковая система передачи данных между спутниками-абонентами и наземным пунктом, содержащая спутники-ретрансляторы (СР) на околоземных орбитах и установленную на них и спутниках-абонентах бортовую приемно-передающую аппаратуру оптической межспутниковой связи спутников-ретрансляторов между собой и спутников-ретрансляторов со спутниками-абонентами, отличающаяся тем, что спутники-ретрансляторы размещены не менее чем двумя орбитальными группами, в каждой из которых не менее трех спутников-ретрансляторов располагаются на одной орбите и периодически стационарно связаны между собой приемно-передающей аппаратурой оптической связи, а плоскость орбиты каждой группы спутников-ретрансляторов образует с плоскостью эклиптики угол I наклона, устанавливаемый в диапазоне значений от (Δ_min+β_max) до 180°-(Δ_min+β_max), где Δ_min - минимально допустимое приемно-передающей аппаратурой значение угла Δ между линией взаимной видимости двух спутников, соединенных оптической межспутниковой связью, и линией визирования Солнца с борта любого из этой пары спутников, β_max - максимальное значение угла полураствора конуса области возможного оптического сопряжения бортовой приемно-передающей аппаратуры спутника-ретранслятора с приемно-передающей аппаратурой спутников-абонентов, угол между линией пересечения плоскости орбиты к-й группы спутников-ретрансляторов с плоскостью эклиптики и линией пересечения плоскости орбиты j-й группы спутников-ретрансляторов с плоскостью эклиптики устанавливается в диапазоне значений от (ΔΩ_j+ΔΩ_k) до (180°-(ΔΩ_j+ΔΩ_k), где ΔΩ = arcsin(sin(Δ_min+β_max)/sinI), I = Ij и I = Iк соответственно номеру группы СР, при этом приемно-передающая аппаратура спутника-абонента оптически сопряжена с приемно-передающей аппаратурой по крайней мере одного спутника-ретранслятора в любой точке орбиты спутника-абонента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6