Способ космической связи

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для постоянной устойчивой теле- и радиосвязи с участками Земли, находящимися вне зоны видимости одного спутника, с помощью системы связи, состоящей из двух унифицированных геостационарных спутников. Технический результат состоит в создании космической системы связи с географическими участками-антиподами, находящимися в разных условных полушариях относительно друг друга. Для этого ведомые спутники оборудуются аппаратурой радионавигации и системой навигации и управления движением, межспутниковую связь дополняют служебными двусторонними каналами связи, ведомые спутники располагают в зонах видимости адресных наземных пунктов связи, недоступных для ведущего спутника, управление ведомыми спутниками и контроль над их техническим состоянием производят посредством ведущего спутника, находящегося постоянно в зонах видимости хотя бы одного наземного командно-измерительного пункта и наземного пункта связи - антиподов адресным наземным пунктам связи. 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области космической техники и может быть использован для постоянной устойчивой теле- и радиосвязи с участками Земли, находящимися вне зоны видимости одного спутника, с помощью системы связи, состоящей из двух унифицированных геостационарных спутников.

В настоящее время такую целевую задачу в полном объеме не решает ни одна спутниковая система: либо связь не постоянная, либо качество связи в целом не высокого уровня. Все это следствия использования низколетящих спутников связи.

Аналоги и прототип автором не найдены.

Целью способа является создание космической системы связи с географическими участками-антиподами, находящихся в пределах Восточного полушария и, особенно, - в пределах Восточного и Западного полушарий, между которыми имеются акватории Тихого или Атлантического океана. В понятие «антипод» включаются люди и участки Земли, находящиеся в разных условных полушариях относительно друг друга. Акватории Тихого и Атлантического океанов не позволяют иметь надводные промежуточные ретрансляционные пункты связи и командно-измерительные пункты (КИП) - по соображению «цена вопроса». В отсутствие глобальной кабельной связи, и, главное, по причине необходимости иметь автономный от коммерческих коммуникационных сетей канал конфиденциальной (правительственной, специальной) связи с наземными абонентами-антиподами, а также в отсутствие глобальной связи через спутники на высокоэллиптических орбитах, заявленный способ удаленной космической связи является актуальным.

Поставленная цель достигается тем, что способ космической связи (КС) включает два геостационарных спутника связи - ведущий и ведомый, межспутниковую двустороннюю связь, наземные пункты связи (НПС) и хотя бы один командно-измерительный пункт, ведомый спутник оборудуется автономной системой радионавигации, межспутниковую связь дополняют служебным двусторонним каналом связи, ведомый спутник располагают в зоне видимости всех адресных НПС, недоступных для ведущего спутника, управление ведомыми спутниками и контроль за их техническим состоянием проводят посредством ведущего спутника, находящегося постоянно в зонах видимости хотя бы одного наземного КИП и всех НПС - антиподов адресным НПС. Адресные НПС - НПС, находящиеся вне зоны обслуживания ведущим спутником связи. Следует заметить, что функции связи КИП может выполнять и центр управления полетом, потому под КИП в дальнейшем следует понимать попросту пункт служебной связи и управления.

Реализация предлагаемого способа предполагает выполнение следующей последовательности операций.

1. На всех спутниках системы КС устанавливают комплекты приемопередающей аппаратуры, обеспечивающей двустороннюю целевую и служебную межспутниковую связь. Угол установки θ целевых и служебных антенн межспутниковой связи относительно радиального направления в плоскости XY спутниковой системы координат для каждого спутника составляет:

$$\theta =\frac{1}{2}(\pi -\Delta \lambda )$$ ,

где Δλ - разность гринвичских долгот рабочих точек стояния (орбитальных позиций).

Служебную связь между спутником и КИП наземного комплекса управления обеспечивают командно-программные радиолинии (КПРЛ), через них передается вся служебная информация - телеметрия, массивы командно-программной информации и разовые команды управления. Если угол θ не превышает величину полураскрыва приемопередающих служебных антенн, то межспутниковая КПРЛ совмещается с КПРЛ «Земля-спутник-Земля», если нет, то межспутниковая КПРЛ устанавливается отдельно.

Увеличение длины линии межспутниковой связи по сравнению с высотой геостационарной орбиты (ГСО) компенсируется либо увеличением мощности передатчиков, либо расчетом угла раскрыва передающих антенн в сторону уменьшения. Последнее предпочтительней.

Результаты поиска аналогов с целью выявления признака, совпадающего с отличительным и функционально самостоятельным признаком заявленного способа - двусторонняя служебная межспутниковая связь, показали, что этот признак не следует явным образом из уровня техники. Этот отличительный признак ранее нигде не применялся в практике для активного сопровождения одного, какого бы то ни было, аппарата (не обязательно космического) другим аппаратом (тем более - аналогичным). Правда, в радионавигации внутри навигационных спутниковых систем типа «ГЛОНАСС» [Повышение точности эфемеридного обеспечения потребителей при использовании в космических навигационных системах аппаратуры межспутниковых измерений. А.Н.Тюзин, ФГУП «Российский НИИ космического приборостроения», М, 2007, Аппаратура лазерного измерительно-связного канала системы «ГЛОНАСС», В.Д.Шаргородский, А.А.Чубыкин и др., ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения», М., 2007] и на геостационарных спутниках (см. п.2) используются межспутниковые каналы связи. С помощью бортовой аппаратуры межспутниковых измерений на каждом навигационном спутнике осуществляется формирование и передача широкополосных измерительных сигналов, по которым на других спутниках системы измеряются параметры относительного движения навигационных спутников (псевдодальность и псевдоскорость), а также обмен результатами измерений между всеми навигационными спутниками. Но сказанное обеспечивает целевая межспутниковая связь, и то - не в полном объеме качества: для совместного проведения взаимных измерений, передачи информационных сообщений (кадров) и обеспечения возможности одновременной работы с несколькими спутниками в бортовой аппаратуре межспутниковых измерений используется временное разделение приема и передачи информации и частотно-кодовое разделение каналов в каждой радиолинии межспутниковых измерений. Заявленная цель способа предполагает, в том числе, получение оператором через ведущий спутник кадра технического состояния удаленного спутника и передачи на борт удаленного спутника команд управления и массива программной информации, улучшающей или поддерживающей функционирование удаленного спутника на ГСО. Такой служебной межспутниковой связи в настоящее время нет.

Поскольку заявленная цель способа актуализирует данную операцию, то, безусловно, данная операция отвечает критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

2. На всех или, по крайней мере, на ведомом спутнике устанавливают аппаратуру радионавигации (АРН) и соответствующее программное обеспечение по расчету параметров коррекций орбитального движения.

Использование АРН, получающей рабочую информацию от глобальных навигационных спутниковых систем, в отсутствие КИП - единственный «зрячий» путь удержания геостационарного спутника на рабочей орбитальной позиции.

В настоящее время АРН устанавливают на геостационарные спутники, для которых не зависимое от работы наземного комплекса управления определение параметров движения центра масс и расчет коррекций движения являются частью общей задачи автономного функционирования спутника в течение определенного и достаточно продолжительного времени.

Принципы реализации бортовой аппаратуры радионавигации геостационарных спутников по сигналам космических навигационных систем «ГЛОНАСС» и GPS приведены в работе [Бортовая аппаратура радионавигации космических аппаратов геостационарных орбит по сигналам космических навигационных систем «ГЛОНАСС» и GPS», В.А.Зубавичус, М.В.Крат, ФГУП «Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М.Ф.Решетнева», Железногорск, 2007]. Технология использования АРН изложена в способах определения кинематического вектора состояния космического аппарата, например «Способ определения местоположения и составляющих вектора скорости объектов» (RU №2115137, G01S 5/00), «Способ определения вектора состояния подвижного объекта» (RU №2070315, G01C 21/00), «Способ определения вектора состояния космического аппарата по сигналам космических навигационных систем» (RU №2325667, G01S 5/12). Данные источники упоминаются затем, чтобы фиксировать практику использования АРН, получающей рабочую информацию от глобальных навигационных спутниковых систем, на геостационарных спутниках.

3. Планируют и регистрируют орбитальные рабочие позиции на ГСО.

Рабочие позиции на ГСО планируют, исходя из следующих соображений:

- для уменьшения влияния тропосферных и ионосферных задержек наиболее надежной является минимальная высота радиолиний навигации и ретрансляции порядка 1000 км (позиция 12, фиг.1);

- угол места приемопередающей антенны КИП, в отсутствие препятствий, не должен быть меньше 7-10°;

- углы места НПС должны быть максимально возможными и не менее критического угла места для КИП.

4. Составляют полетное задание и выводят ведущий спутник на расчетную долготу выведения на ГСО.

Данная операция стандартная для выведения всех геостационарных космических аппаратов-спутников.

5. Проводят траекторные измерения.

Траекторные измерения проводят на КИП. Есть однопунктные схемы траекторных измерений.

По результатам траекторных измерений определяют параметры движения центра масс спутника.

6. Рассчитывают и реализуют план коррекций приведения спутника на заданную орбитальную позицию.

Данная операция стандартная для приведения всех геостационарных космических аппаратов-спутников. Процесс приведения не превышает 1 месяца. За это время на спутнике проводят все необходимые для штатного функционирования проверки. В процессе приведения проводят дополнительные траекторные измерения (п.3) с целью уточнения плана коррекций приведения.

7. Составляют полетное задание и выводят ведомый спутник на расчетную долготу выведения на ГСО.

Операция аналогична п.4.

8. Проводят траекторные измерения. Операция аналогична п.5.

9. Рассчитывают и реализуют предварительный план коррекций приведения спутника на заданную орбитальную позицию.

До выхода из зоны видимости рабочего КИП, выбранного для обслуживания системы удаленной космической связи, проводят все необходимые для штатного функционирования проверки, включая проверку функционирования аппаратуры АРН, получающей рабочую информацию от глобальных навигационных спутниковых систем, проводят дополнительные траекторные измерения (п.5) с целью уточнения плана коррекций приведения. Процесс приведения не превышает 1,5 месяца при оптимальной, с точки зрения экономии топлива, скорости дрейфа ~4°/сутки.

10. В расчетное время дрейфа фиксируют появление служебной двусторонней межспутниковой связи, гарантирующей появление и межспутниковой связи по целевому назначению.

11. Посредством АРН и бортовой системы навигации и управления движением, включающей комплекс алгоритмических программ по обеспечению полета спутника, производят автономную «посадку» ведомого спутника на заданную орбитальную позицию и удержание его на этой позиции в течение заданного времени или, как максимум, - в течение срока активного существования.

12. Управление ведомым спутником и контроль над его техническим состоянием проводят посредством ведущего спутника.

Под управлением понимается выдача команд и типовых работ (комплекса команд с привязкой ко времени) на основании контроля технического состояния спутника по телеметрическому служебному каналу связи. Ведущий спутник, т.о., выступает в качестве посредника между КИП и ведомым спутником.

Результаты поиска аналогов с целью выявления признака, совпадающего с отличительным и функционально самостоятельным признаком заявленного способа - мониторинг технического состояния спутника и управление спутником посредством другого спутника, показали, что этот признак не следуют явным образом из уровня техники.

Ведущий спутник, поскольку он является проводником воли оператора на Земле, является фактически дистанционным манипулятором по отношению к ведомому спутнику. Непосредственным к оператору манипулятором является, вообще говоря, КИП. Производить и использовать технологически последовательную цепочку манипуляторов со служебными каналами связи - задача решаемая, однако примеров ее решения в мировой практике не существует. Поскольку заявленная цель способа актуализирует данную операцию (по п.12), то данная операция по п.12 и, соответственно, операция по п.1, в части установки комплектов приемопередающей аппаратуры, обеспечивающей двустороннюю служебную межспутниковую связь, отвечают критерию «изобретательский уровень», и в совокупности с другими вышеприведенными операциями отвечают критерию «новизна».

Итак, система КС включает в себя один ведущий и один ведомый геостационарные спутники на ГСО, не менее одного НПС и хотя бы одного КИП в зоне взаимной видимости «Ведущий спутник - (НПС+КИП)», не менее одного НПС в зоне взаимной видимости «Ведомый спутник - адресный НПС», систему радионавигации хотя бы на ведомом спутнике, двусторонние каналы связи между спутниками по ретрансляции целевой и передаче служебной информации.

На фиг.1 приведена принципиальная схема работы способа КС. Введены следующие обозначения:

1 - ГСО;

2 - ведущий спутник;

3 - ведомый спутник;

4 - Земля;

5 - двусторонний служебный канал связи «Ведущий спутник - КИП»;

6 - двусторонний канал целевой связи «Ведущий спутник - НПС»;

7 - двусторонний межспутниковый канал ретрансляции целевой информации;

8 - служебный двусторонний межспутниковый канал связи;

9 - двусторонние каналы целевой связи «Ведомый спутник - НПС-антиподы»;

10 - зона взаимной видимости НПС и КИП и ведущего спутника;

11 - зона взаимной видимости НПС-антиподов и ведомого спутника;

12 - высота радиолиний навигации и ретрансляции.

Предлагаемый способ космической связи обеспечивает устойчивую и постоянную связь с удаленными участками Земли, полностью удовлетворяет требованию удержания спутников в заданных областях орбитальных позиций на ГСО и не уступает в качестве передачи информации любым связным системам.

Способ геостационарной космической связи с межспутниковыми радиолиниями, включающий два и более геостационарных спутников связи, межспутниковые двусторонние линии связи, наземные пункты связи и командно-измерительные пункты, заключающийся в том, что ведомые спутники оборудуют аппаратурой радионавигации и системой навигации и управления движением, ведомые спутники располагают в зонах видимости адресных наземных пунктов связи, недоступных для ведущего спутника, управление ведомыми спутниками и контроль над их техническим состоянием производят посредством ведущего спутника, находящегося постоянно в зонах видимости хотя бы одного наземного командно-измерительного пункта и наземного пункта связи - антипода адресным наземным пунктам связи.