Оптическая система связи летательный аппарат - земля и осуществляемый ею способ передачи данных
Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах оптической связи. Техниеский результат состоит в повышении пропускной способности. Для этого предлагаются оптическая система связи летательный аппарат - Земля и способ передачи оптических данных между дистанционным терминалом (20), имеющим n оптических терминалов (ОТ1 - ОТn) связи, и земным терминалом (30), содержащим группу из n оптических наземных станций (OGS1 - OGSn), которые соответственно связаны друг с другом при помощи n оптических каналов (DL1 - DLn) и n оптических каналов (UC1 - UCn), причем указанная система характеризуется пространственным разнесением оптических каналов (DL1 - DLn) и разнесением во времени оптических каналов (UC1 - UCn). 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию оптической системы связи летательный аппарат - Земля (далее ЛА - Земля) и способа передачи оптических данных между земным терминалом и дистанционным терминалом, в частности спутником связи или платформой связи, летящей в воздушно-космическом пространстве.
Предпосылки к созданию изобретения
Уже известны и используются различные системы для оптической передачи данных от дистанционного терминала на оптические земные терминалы. Первичной функцией этих систем является надежная передача данных от источника данных на оптический земной терминал.
Однако линия прямой видимости контакта связи с оптическим земным терминалом ограничена при каждом пролете. Поэтому важное значение имеет достигнутая скорость в канале связи ЛА - Земля, так как большое количество данных необходимо передать на оптический земной терминал в течение короткого промежутка времени при пролете.
При масштабировании скорости передачи данных по линии связи ЛА - Земля от дистанционных терминалов на Землю, с использованием оптических частот, требуемая техническая сложность, масса, мощность и объем одного бортового лазерного терминала связи не позволяют произвести его гладкую модернизацию, а скорее требуют проведения технологической операции, если диаметр передающего телескопа становится таким большим, что требуемое управление лучом обзора оптической линии связи ЛА - Земля не может быть обеспечено при помощи единственного исполнительного механизма высокой точности. В этой технологической операции требуются вложенные контуры управления, обычно содержащие многоосные курсовые и точные рулевые механизмы, вместе со сложной маршрутизацией оптического луча и оптическими датчиками различного рода, что в целом приводит к созданию сложного бортового лазерного терминала связи, который весит несколько десятков килограммов и требует специальной конструктивной поддержки на спутнике для размещения телескопов большого диаметра.
Известно, что масса телескопа ориентировочно в третьей степени связана с его диаметром, так что увеличение диаметра телескопа по сути ведет к нелинейному повышению стоимости запуска лазерных терминалов связи.
В качестве примеров больших лазерных терминалов связи можно привести терминалы, которые были использованы в таких космических программах как SILEX и TerraSAR-X. Что касается спутников связи Alphasat, которые являются квазистационарными и поэтому не ограничены малым временем прямой видимости, то к ним также предъявляется требование повышенной пропускной способности канала связи ЛА - Земля. В сценариях прямой связи с Землей такие большие оптические терминалы, которые связаны с оптическими наземными станциями, являются дорогими, так как на них используют сложные технологии, чтобы в максимальной степени использовать все их возможности.
Кроме того, сложные оптические устройства связи, как и любые другие сложные системы, более подвержены отказам, что делает их менее надежными. Другим недостатком оптических каналов связи является то, что, даже при относительно хорошей погоде, оптическая линия прямой видимости может быть нарушена, в результате чего связь прерывается и снижается работоспособность системы. Так как линия прямой видимости контакта связи прерывается во время короткого времени пролета, то она может быть вновь восстановлена только на следующем витке, что снижает надежность связи.
Проблема, возникающая за счет описанных выше технических характеристик, приводит к снижению возможностей лазерной системы связи, что не позволяет пользователям повышать пропускную способность линии лазерной связи в соответствии с их потребностями. В настоящее время это приводит к конструктивным ограничениям, которые необходимо подгонять к конкретному полету, так что всякий раз требуются большие объемы повторных проектно-конструкторских работ.
Задача настоящего изобретения
В связи с изложенным, задачей настоящего изобретения является создание надежной оптической системы связи ЛА - Земля с высокой скоростью передачи данных ЛА - Земля, что позволяет получить повышенный коэффициент готовности.
Задачей настоящего изобретения также является создание способа передачи оптических данных между земным терминалом и дистанционным терминалом, причем указанный способ обеспечивает высокую скорость передачи данных ЛА - Земля, высокую надежность и повышенный коэффициент готовности.
Краткое изложение изобретения
Указанные выше задачи решены при помощи оптической связи системы ЛА - Земля, содержащей дистанционный терминал, имеющий n оптических терминалов связи (где n больше чем два или равно двум), и земным терминалом с группой из n оптических наземных станций. Каждый оптический терминал связи связан с соответствующей оптической наземной станцией при помощи одного из n оптических каналов связи ЛА - Земля. Более того, каждая оптическая наземная станция связана с соответствующим оптическим терминалом связи при помощи одного из n оптических каналов связи Земля - ЛА. Оптические каналы связи ЛА - Земля пространственно разнесены друг от друга за счет того, что оптические наземные станции расположены на некотором расстоянии друг от друга. Земной терминал сконфигурирован так, чтобы синхронизировать n оптических наземных станций, так чтобы было обеспечено точное разнесение во времени между n оптическими каналами связи Земля - ЛА при помощи схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, за счет чего исключается перекрытие между оптическими каналами связи Земля - ЛА.
Другие задачи настоящего изобретения решены при помощи способа передачи оптических данных между дистанционным терминалом, имеющим n оптических терминалов связи (где n больше чем два или равно двум), и земным терминалом с группой из n пространственно разнесенных оптических наземных станций. Способ включает в себя следующие операции:
- создание n оптических каналов связи ЛА - Земля, связывающих каждый из оптических терминалов связи с соответствующей оптической наземной станцией;
- создание n оптических каналов связи Земля - ЛА, связывающих каждую оптическую наземную станцию с соответствующим оптическим терминалом связи;
- передача данных от дистанционного терминала при помощи n оптических терминалов связи на соответствующие оптические наземные станции земного терминала;
- последовательная передача управляющих данных от n индивидуальных оптических наземных станций через соответствующие оптические каналы связи Земля - ЛА на соответствующие оптические терминалы связи, за счет точного разнесения во времени при помощи схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, за счет чего исключается перекрытие между оптическими каналами связи Земля - ЛА.
Предпочтительные эффекты
В соответствии с настоящим изобретением обеспечен значительный прогресс в масштабировании объемов оптической линии связи ЛА - Земля и в масштабировании скорости передачи данных дистанционного терминала для оптических частот. Вместо полного пересмотра конструкции или изменения конструкции за счет увеличения числа каналов или за счет изменения формата модуляции, в соответствии с настоящим изобретением используют те же самые аппаратные средства в специальной комбинации, что позволяет обеспечить минимизирующий стоимость подход для непосредственно масштабируемой пропускной способности оптической линии связи ЛА - Земля. Эта идея не ограничена использованием спутников связи ЛА - Земля, она также может быть расширена на использование платформ связи ЛА - Земля, летящих в воздушно-космическом пространстве. Ключом является комбинация характеристик сценария двунаправленной, асимметричной линии лазерной связи с характеристиками пространственного разнесения группы наземных станций, с разнесением во времени в направлении оптической связи Земля - ЛА, которое используют при передаче управляющих данных на дистанционный терминал и для управления лучом, при дополнительном применении специально синхронизированный лазерной модуляции и демодуляции в линии связи Земля - ЛА.
Принимая во внимание указанные здесь выше задачи и их решение в соответствии с настоящим изобретением, следует указать, что наиболее важным преимуществом настоящего изобретения является создание системы со значительно повышенной скоростью передачи данных, которая увеличена в n раз по сравнению с единственным оптическим терминалом связи на дистанционном терминале. Это повышение скорости передачи данных связано только с линейным повышением веса дистанционного терминала, в отличие от повышения в третьей степени в случае традиционных подходов повышения скорости передачи данных.
Более того, использование n оптических терминалов связи, связанных с группой из n оптических наземных станций, позволяет повысить надежность системы, так как система, которая содержит как дистанционный терминал, так и земной терминал, является более устойчивой к индивидуальным отказам.
Кроме того, использование пространственно разнесенных наземных станций понижает риск полного прерывания связи между дистанционным терминалом и земным терминалом за счет прерываний прямой видимости между дистанционным и земным оптическими терминалами, за счет чего улучшается коэффициент готовности системы.
За счет использования множества оптических терминалов связи, связанных с группой оптических наземных станций, также обеспечивается лучшая масштабируемость системы связи/способа связи, причем пропускная способность легко регулируется за счет добавки дополнительных оптических терминалов связи и соответствующих оптических наземных станций. Таким образом, возможны модернизации системы, в отличие от известных систем, в которых требуется замена всей системы связи.
Следует иметь в виду, что в известных системах не только вес увеличивается ориентировочно в третьей степени от диаметра телескопа, но и увеличение стоимости не является линейным. Поэтому использование группы относительно дешевых оптических терминалов связи приводит к снижению стоимости в дополнение к снижению стоимости запуска за счет значительно уменьшенного веса.
Техническое обслуживание также упрощается и удешевляется за счет того, что преимущественно все оптические терминалы связи и все оптические наземные станции относятся соответственно к одному и тому же типу.
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана оптическая система связи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показано пространственное разнесение оптических наземных станций земного терминала.
На фиг.3А показан сигнал фазоимпульсной модуляции оптического канала связи ЛА - Земля.
На фиг.3В показано разнесение во времени оптических каналов связи Земля - ЛА с использованием схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, причем показан предпочтительный вариант с использованием фазоимпульсной модуляции оптических каналов связи Земля - ЛА, при этом каждый канал связи Земля - ЛА имеет специфический временной интервал, заданный в соответствии с фазами импульсной паузы других каналов связи Земля - ЛА.
Следует иметь в виду, что чертежи выполнены не в реальном масштабе, приведены только в качестве иллюстрации и служат только для лучшего понимания настоящего изобретения, однако не ограничивают объем патентных притязаний настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Некоторые термины, которые использованы в описании настоящего изобретения, не следует интерпретировать как ограниченные специфическим выбранным термином, а скорее следует понимать как связанные с общей концепцией толкования специфического термина.
Термин «дистанционный терминал» относится к любому виду дистанционных терминалов связи, таких как (но без ограничения) спутники связи на разных высотах над планетой или платформа связи, летящая в воздушно-космическом пространстве.
Настоящее изобретение предлагает совершенно новый подход к повышению пропускной способности линии связи ЛА - Земля от дистанционных терминалов, которые имеют вес ориентировочно на один порядок величины меньше, чем известные терминалы лазерной связи при той же самой пропускной способности линии связи ЛА - Земля. Вместе с уменьшением размеров и повышением надежности, что расширяет диапазон применений в космическом сегменте, достигается новый уровень универсальности в комбинации с сетью/группой относительно дешевых оптических наземных станций (OGS), что позволяет даже на небольшие спутниковые платформы загружать большие объемы телеметрических данных линий связи ЛА - Земля, на оптических частотах сотни гигабайт в день.
Оптическая система (10) связи ЛА - Земля и соответствующий способ передачи оптических данных в соответствии с настоящим изобретением позволяют решить указанную выше "проблему технологической операции" и соответствующее нелинейное повышение стоимости и риска следующим образом: для каналов оптической связи ЛА - Земля от дистанционного терминала 20, несколько оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи объединены для того, чтобы масштабировать линейным образом достижимую скорость передачи данных в линии связи ЛА - Земля по меньшей мере ориентировочно на один порядок величины.
На фиг.1 схематично показана оптическая система 10 связи в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит дистанционный терминал 20, содержащий n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи (где n больше двух или равно двум), и земной терминал 30 с группой из n оптических наземных станций OGS1 - OGSn. В соответствии с настоящим изобретением, каждый из оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала "спарен" с одной из оптических наземных станций OGS1 - OGSn. Однако, по соображениям резервирования, в системе могут быть использованы дополнительные оптические терминалы связи и/или оптические наземные станции, что не влияет на концепцию настоящего изобретения. Что касается выбора числа n, то число оптических наземных станций OGS1 - OGSn должно быть равно числу оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, а число оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля должно быть равно числу оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА.
Канал связи ЛА - Земля
Каждый оптический терминал ОТ1 - ОТn связи связан с соответствующей оптической наземной станцией OGS1 - OGSn при помощи одного из n оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля. Индивидуально, эти оптические каналы DL1 - DLn связи ЛА - Земля являются каналами известного типа, причем каждый оптический терминал ОТ1 - ОТn связи передает пакеты данных на соответствующую оптическую наземную станцию OGS1 - OGSn с использованием одного из известных алгоритмов оптической модуляции, такого как (но без ограничения) алгоритм амплитудной манипуляции.
Как это показано на фиг.1, оптические каналы DL1 - DLn связи ЛА - Земля направлены одновременно от нескольких оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, загруженных на один и тот же дистанционный терминал 20, на земной терминал 30, содержащий группу близко расположенных оптических наземных станций OGS1 - OGSn, находящихся на одной и той же рабочей площадке, как это показано на фиг.1 и 2. Таким образом, n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20 сконфигурированы так, что они одновременно передают данные полезной нагрузки на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn земного терминала 30. Данными полезной нагрузки в описании настоящего изобретения называют данные, которые необходимо передать от дистанционного терминала 20 вниз на земной терминал 30. Управляющими данными называют данные, которыми дополнительно обмениваются для того, чтобы обеспечить надежную, свободную от ошибок передачу данных полезной нагрузки.
Канал связи ЛА - Земля → Пространственное разнесение
Геометрия канала связи ЛА - Земля позволяет использовать характеристику узкого по ширине оптического луча и небольшие расстояния пространственного разнесения на земле, без взаимных помех на наземных станциях OGS1 - OGSn за счет перекрытия конусов лучей, соответствующих индивидуальным оптическим каналам связи ЛА - Земля DL1 - DLn. Таким образом, оптические каналы DL1 - DLn связи ЛА - Земля пространственно разнесены друг от друга за счет того, что оптические наземные станции OGS1 - OGSn расположены на некотором расстоянии друг от друга.
На фиг.2 показано это пространственное разнесение оптических наземных станций OGS1 - OGSn земного терминала 30. Как это показано на фиг.2, оптические наземные станции OGS1 - OGSn расположены на расстоянии D друг от друга. Это минимальное расстояние D выбрано так, что, с учетом ширины оптического луча оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля и результирующего диаметра пятна, принятая мощность оптического излучения любой одной из оптических наземных станций OGS1 - OGSn от ее соответствующего оптического канала DL1 - DLn связи ЛА - Земля будет по меньшей мере на один порядок величины больше, чем принятая мощность оптического излучения за счет помех от любых других оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля. Принятой мощностью оптического излучения называют мощность оптического излучения приемника оптической наземной станции. Принятая мощность оптического излучения непосредственно зависит от расстояния приемника от центра оптического луча, так что чем больше расстояние, тем меньше принятая мощность оптического излучения.
В примере, показанном на фиг.2, мощность приемника оптического излучения оптической наземной станции OGS1, расположенной в центре оптического луча, соответствующего оптическому каналу DL1 связи ЛА - Земля, не только на один, а на два порядка величины больше мощности приемника оптического излучения от оптического луча, соответствующего оптическому каналу DL1 связи ЛА - Земля любых других наземных станций OGS2 - OGSn. Можно допустить, что 100% принятой мощности от оптического луча, соответствующего каналу (здесь DL1) оптической связи ЛА - Земля, имеется в центре оптического луча (причем эта мощность сфокусирована, как это описано далее более подробно, на приемнике оптической наземной станции (здесь OGS1). В этом случае, около 1% этой 100% принятой мощности от оптического луча могут наблюдаться на любой другой из оптических наземных станций (здесь OGS2 - OGSn). Другими словами, перекрестные помехи/мешающее воздействие/перекрытие между оптическими каналами связи ЛА - Земля ограничено ориентировочно 1% их соответствующей принятой мощности оптического излучения. Это гарантирует, что каждый оптический земной терминал OGS может легко различать свой соответствующий канал DL оптической связи ЛА - Земля и перекрестные помехи/мешающее воздействие/перекрытие от других оптических каналов DL связи ЛА -Земля.
Однако следует иметь в виду, что для того, чтобы каждый оптический земной терминал OGS мог легко различать свой соответствующий канал DL оптической связи ЛА -Земля и перекрестные помехи/мешающее воздействие/перекрытие от других оптических каналов DL связи ЛА - Земля, достаточно иметь отношение ориентировочно от 1 до 10 между принятой мощностью оптического излучения от соответствующего канала оптической связи ЛА - Земля и принятой мощностью оптического излучения от помех.
Канал связи Земля - ЛА → Наведение, обнаружение и сопровождение (PAT)
Как это показано на фиг.1, в обратном направлении, каждая оптическая наземная станция OGS1 - OGSn связана с соответствующим оптическим терминалом ОТ1 - ОТn связи при помощи одного из n оптических каналов UC1 - Ucn связи Земля - ЛА. На земном терминале 30 преимущественно предусмотрен один лазерный маяк связи Земля - ЛА для каждой оптической наземной станции OGS1 - OGSn в качестве эталона или оптического луча наведения на оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20, чтобы точно устанавливать луч обзора. Таким образом, N оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА содержат n лазерных маяков, направленных на дистанционный терминал 20 для наведения, обнаружения и сопровождения (PAT) оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, чтобы индивидуально направлять оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn. По этой причине, способ в соответствии с настоящим изобретением преимущественно дополнительно содержит операции наведения, обнаружения и сопровождения (PAT) оптических терминалов ОТ1 -ОТn связи, при помощи лазерных маяков соответствующих оптических наземных станций OGS1 - OGSn, за счет чего индивидуально направляют оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn. Следовательно, каждая пара, содержащая оптический терминал ОТ связи и оптическую наземную станцию OGS, работает под одним и тем же углом, независимо от операций PAT. Это также дополнительно повышает надежность за счет избыточности и масштабируемости. Таким образом, могут быть использованы оптические терминалы связи и оптические наземные станции известного типа, если они сконфигурированы и синхронизированы соответствующим образом.
Таким образом, n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА, содержащих n лазерных маяков, направляют на дистанционный терминал 20, при этом способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя операции наведения, обнаружения и сопровождения оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи при помощи лазерных маяков соответствующих оптических наземных станций OGS1 - OGSn, за счет чего индивидуально направляют оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn.
Канал связи Земля - ЛА → Разнесение во времени
При одновременной связи нескольких оптических наземных станций OGS1 - OGSn с одним и тем же дистанционным терминалом 20 возникает проблема, связанная с тем, что все лазерные лучи связи Земля - ЛА оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА будут иметь перекрытие на всех оптических терминалах ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20 и на их соответствующих полях зрения устройств обнаружения, что может приводить к путанице в определении оптической наземной станции OGS, от которой поступает сигнал связи Земля - ЛА. Однако тот же самый подход пространственного разнесения наземных станций в случае канала DL связи ЛА - Земля не может быть применен на дистанционном терминале 20, с учетом его ограниченных размеров, поэтому применяют разнесение во времени. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает комбинирование пространственного разнесения оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА -Земля с точным разнесением во времени оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА.
Таким образом, земной терминал 30 сконфигурирован так, чтобы синхронизировать n оптических наземных станций OGS1 - OGSn так, чтобы было обеспечено точное разнесение во времени между n оптическими каналами UC1 - UCn связи Земля - ЛА с использованием схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, что позволяет избежать перекрытия между оптическими каналами UC1 - UCn связи Земля - ЛА. Следовательно, настоящее изобретение позволяет исключить сложные решения по устранению перекрытия, например, с использованием различных оптических каналов или с использованием модификаций оптических параметров. Вместо этого, за счет коллективного доступа с временным разделением каналов, экономически выгодно могут быть использованы прежние бортовые аппаратные средства. Чтобы это обеспечить, земной терминал 30 содержит блок синхронизации, преимущественно выполненный как часть одной из n оптических наземных станций OGS1 - OGSn (которая тогда будет ведущей наземной станцией). Блок синхронизации сконфигурирован для синхронизации n наземных станций OGS1 - OGSn так, что, в любой момент времени, передает только одна наземная станция OGS1 - OGSn, за счет чего будет обеспечено разнесение во времени n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля -ЛА и гарантируется, что только один из n оптических каналов (UC1 - UCn) связи Земля - ЛА будет активным в этот момент времени
Таким образом, способ оптической передачи данных между дистанционным терминалом 20, имеющим n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, и земным терминалом 30 с группой из b пространственно разнесенных оптических наземных станций OGS1 -OGSn, включает в себя следующие операции:
- создание n оптических каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля, связывающих каждый из оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи с соответствующей оптической наземной станцией OGS1 - OGSn;
- создание n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА, связывающих каждую оптическую наземную станцию OGS1 - OGSn с соответствующим оптическим терминалом ОТ1 - ОТn связи;
- передача данных полезной нагрузки от дистанционного терминала 20 при помощи n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn земного терминала 30; и
- последовательная передача управляющих данных от n индивидуальных оптических наземных станций OGS1 - OGSn через соответствующие оптические каналы UC1 - UCn связи Земля - ЛА на соответствующие оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи, за счет точного разнесения во времени при помощи схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, за счет чего исключается перекрытие между оптическими каналами UC1 - Ucn связи Земля - ЛА.
Разнесение во времени с использованием фазоимпульсной модуляции (ФИМ)
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в оптических каналах UC1 - UCn связи Земля - ЛА передают сигналы фазоимпульсной модуляции (ФИМ). На фиг.3А показан сигнал фазоимпульсной модуляции (ФИМ) одного оптического канала DL связи ЛА - Земля и одного оптического канала UC1 связи Земля - ЛА. Как это показано на фиг.3А, сигнал ФИМ имеет период Т. По самой природе ФИМ модуляции имеется значительная импульсная пауза Ps между последовательными импульсами сигнала ФИМ.
Как это показано на фиг.3В, n оптических наземных станций OGS1 - OGSn синхронизированы так, что импульсы сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) в любом из n каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА излучают последовательно во время фаз импульсной паузы Ps других каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА, за счет деления периода Т сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) на число n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА и присвоения каждой из оптических наземных станций OGS1 - OGSn выделенного временного интервала Ts меньше чем или равного Т/n.
Таким образом, в предпочтительном способе в соответствии с настоящим изобретением, n оптических наземных станций OGS1 - OGSn модулируют n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА в соответствии со схемой фазоимпульсной модуляции (ФИМ). Кроме того, блок синхронизации управляет n оптическими наземными станциями OGS1 - OGSn так, что импульсы каждого из сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) любого одного из n каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА излучают последовательно во время фаз импульсной паузы Ps других каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА, за счет деления периода Т сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) на число n оптических каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА и присвоения каждой из оптических наземных станций OGS1 - OGSn выделенного временного интервала Ts меньше чем или равного Т/n. Выбор временного интервала TS слегка меньше чем Т/n обеспечивает лучшее разделение импульсов, принадлежащих одному или другому каналу UC связи Земля - ЛА, что облегчает требования к синхронизации.
Синхронизация на земном терминале 30
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, один из n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20 представляет собой ведущий оптический терминал связи, сконфигурированный так, чтобы получать сигнал лазерного маяка оптического канала UC1 - UCn связи Земля - ЛА от ведущей наземной станции и распределять тактовый сигнал синхронизации на другие оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20, за счет чего инициируется стробированный просмотр n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, причем каждый оптический терминал ОТ1 - ОТn связи последовательно получает сигналы от соответствующей оптической наземной станции OGS1 - OGSn.
Для обеспечения синхронизации блок синхронизации (преимущественно выполненный как часть оптической наземной станции OGS, действующей как ведущая наземная станция) синхронизирует n наземных станций OGS1 - OGSn, так чтобы, в любой момент времени, только одна наземная станция OGS1 - OGSn передавала импульс, за счет чего обеспечивается разнесение во времени n оптических каналов UC1 - Ucn связи Земля -ЛА и гарантируется, что только один из n оптических каналов (UC1 - UCn) связи Земля - ЛА будет активным в этот момент времени.
Синхронизация на дистанционном терминале 20
Для синхронизации дистанционного терминала 20 один из n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20 делают ведущим оптическим терминалом связи, при этом способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя следующие операции:
- получение сигнала лазерного маяка оптического канала UC1 - UCn связи Земля - ЛА от ведущей наземной станции; и
- распределение тактового сигнала синхронизации на другие оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20, за счет чего инициируется стробированный просмотр n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, причем каждый из оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи последовательно получает сигналы от соответствующей оптической наземной станции OGS 1 - OGSn.
Пространственное разнесение и разнесение во времени
При комбинировании пространственного разнесения каналов DL1 - DLn связи ЛА - Земля с разнесением во времени каналов UC1 - UCn связи Земля - ЛА, n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи дистанционного терминала 20 одновременно передают данные полезной нагрузки на соответствующие оптические наземные станции OGS1 - OGSn земного терминала 30; в то время как оптические наземные станции OGS1 - OGSn последовательно передают управляющие сигналы на соответствующие оптические терминалы ОТ1 - ОТn связи, так что автоматически повторяются сигналы автоматического запроса на повторение (ARQ) для ретрансляции потерянных/ошибочно принятых пакетов данных от соответствующего оптического терминала ОТ1 - ОТn связи.
Факультативно, для повышения коэффициента готовности линии связи ЛА - Земля дистанционный терминал перенаправляет данные, которые должны быть переданы при помощи любого из n оптических терминалов ОТ1 - ОТn связи, если соответствующие оптические каналы DL1 - DLn связи ЛА - Земля недоступны и/или являются ненадежными, за счет чего обеспечивается избыточность и достигается больший коэффициент готовности передачи оптических данных.
Количественный пример
Далее приведен количественный пример с использованием сценария четверной связи, показанного на фиг.1 и 3В. Если использовать 64 импульса ФИМ с частотой повторения 20 кГц и с длительностью импульса 100 нс, то длительность активного импульса/временной интервал Ts наземного лазерного маяка оптических наземных станций OGS будет меньше чем 7 мкс, с учетом остаточного буферного времени. Это позволяет синхронизировать четыре оптические наземные станции OGS, оставляя дополнительно 5 мкс остаточного буферного времени между смежными временными окнами активного импульса, чтобы снизить требования к точности синхронизации. При более высокой точности синхронизации, буферный промежуток, вместе с адаптированной схемой ФИМ, могут быть использованы для создания еще большего числа одновременных оптических каналов DL связи ЛА - Земля.
Если принять пропускную способность 2.5 гигабита в секунду для единственного оптического терминала ОТ связи на том же самом дистанционном терминале 20, то эта пропускная способность может быть увеличена до 10 гигабит в секунду в линии связи ЛА - Земля за счет использования четырех одинаковых оптических терминалов ОТ1 - ОТ4 связи и четырех одинаковых оптических наземных станций OGS1 - OGS4, во время этого же пролета над землей. Это число (четыре) приведено только для пояснения и в соответствии с настоящим изобретением может быть большим или меньшим числом.
Для сравнения укажем, что максимальная пропускная способность оптической линии связи ЛА - Земля, достигнутая в настоящее время при испытательной демонстрации, составляет 6.2 гигабита в секунду для большого дистанционного терминала. В этом сравнении, бортовая масса четырех оптических терминалов связи ОТ1 - ОТ4 составляет только половину массы одного, но большого терминала.
В этом количественном примере, если принять, что дистанционный терминал находится на высоте 700 км на имеющей полярный наклон низкой околоземной орбите (LEO), на расстоянии D 150 м от центра оптического луча, то принятая мощность оптического излучения будет около 1% от 100% принятой мощности в центре луча.
Следует иметь в виду, что использование множества небольших терминалов также снижает риск, связанный с выходом из строя единственного терминала, что позволяет снизить требования к резервированию таких небольших оптических терминалов связи ОТ.
Следует также иметь в виду, что количество данных, переданных по линии связи ЛА - Земля при каждом пролете может быть дополнительно увеличено за счет перехода на другую схему модуляции и сохранения прежних небольших физических размеров дистанционного терминала 20.
Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.
Список позиционных обозначений
| оптическая система связи ЛА - Земля | 10 |
| дистанционный терминал | 20 |
| оптический терминал связи ОТ | 1-ОТn |
| земной терминал | 30 |
| оптическая наземная станция | OGS1 - OGSn |
| оптический канал связи ЛА - Земля | DL1 - DLn |
| оптический канал связи Земля - ЛА | UC1 - UCn |
| период (сигнала ФИМ) | Т |
| импульсная пауза (сигнала ФИМ) | Ps |
| временной интервал | Ts |
1. Оптическая система (10) связи летательный аппарат - Земля, которая содержит:
дистанционный терминал (20), содержащий n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи, где n больше чем два или равно двум;
земной терминал (30), содержащий группу из n оптических наземных станций (OGS1-OGSn);
причем каждый оптический терминал (OT1-OTn) связи связан с соответствующей оптической наземной станцией (OGS1-OGSn) при помощи одного из n оптических каналов (DL1-DLn);
при этом каждая оптическая наземная станция (OGS1-OGSn) связана с соответствующим оптическим терминалом (ОТ1-OTn) связи при помощи одного из n оптических каналов (UC1-UCn);
причем оптические каналы (DL1-DLn) пространственно разнесены друг от друга за счет того, что оптические наземные станции (OGS1-OGSn) расположены на некотором расстоянии друг от друга;
при этом земной терминал (30) сконфигурирован так, чтобы синхронизировать n оптических наземных станций (OGS1-OGSn), так чтобы было обеспечено точное разнесение во времени между n оптическими каналами (UC1-UCn) при помощи схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, за счет чего исключается перекрытие между оптическими каналами (UC1-UCn);
при этом земной терминал (30) содержит блок синхронизации, причем блок синхронизации сконфигурирован так, чтобы синхронизировать n наземных станций (OGS1 -OGSn), так чтобы в любой момент времени передавала только одна наземная станция (OGS1-OGSn), за счет чего обеспечивается разнесение во времени n оптических каналов (UC1-UCn) и гарантируется, что только один из n оптических каналов (UC1-UCn) будет активным в этот момент времени.
2. Оптическая система связи (10) по п. 1, отличающаяся тем, что земной терминал является частью одной из n оптических наземных станций (OGS1-OGSn), которая является ведущей наземной станцией.
3. Оптическая система связи (10) по п. 1, отличающаяся тем, что n оптических каналов (UC1-UCn) передают сигналы фазоимпульсной модуляции (ФИМ), причем блок синхронизации управляет n оптическими наземными станциями (OGS1-OGSn) так, что импульсы каждого из сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) любого одного из n каналов (UC1-Ucn) излучают последовательно во время фаз импульсной паузы (Ps) других каналов (UC1-Ucn), за счет деления периода (Т) сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) на число n оптических каналов (UC1-Ucn) и присвоения каждой из оптических наземных станций (OGS1-OGSn) выделенного временного интервала (Ts) меньше чем или равного Т/n.
4. Оптическая система связи (10) по п. 3, отличающаяся тем, что n оптических каналов (UC1-UCn) содержат n лазерных маяков, направленных на дистанционный терминал (20) для наведения, обнаружения и сопровождения оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи для того, чтобы индивидуально направлять оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи на соответствующие оптические наземные станции (OGS1-OGSn).
5. Оптическая система связи (10) по п. 4, отличающаяся тем, что один из n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20) представляет собой ведущий оптический терминал связи, сконфигурированный так, чтобы принимать сигнал лазерного маяка оптического канала (UC1-UCn) от ведущей наземной станции и распределять тактовый сигнал синхронизации на другие оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20), за счет чего инициируется стробированный просмотр n оптических терминалов (ОТ1-Otn) связи, причем каждый из оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи последовательно получает сигналы от соответствующей оптической наземной станции (OGS1-OGSn).
6. Оптическая система связи (10) по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20) сконфигурированы так, чтобы одновременно передавать данные полезной нагрузки на соответствующие оптические наземные станции (OGS1-OGSn) земного терминала (30), причем оптические наземные станции (OGS1-OGSn) сконфигурированы так, чтобы последовательно передавать управляющие сигналы на соответствующие оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи.
7. Оптическая система связи (10) по п. 6, отличающаяся тем, что управляющие сигналы представляют собой сигналы автоматического запроса на повторение (ARQ) для ретрансляции потерянных/ошибочно принятых пакетов данных от соответствующего оптического терминала ОТ1-OTn связи.
8. Оптическая система связи (10) по п. 1, отличающаяся тем, что оптические наземные станции (OGS1-OGSn) расположены на расстоянии (D) друг от друга, причем указанное расстояние (D) является достаточно большим для того, чтобы принятая мощность оптического излучения любой одной из оптических наземных станций (OGS1-OGSn) от ее соответствующего оптического канала (DL1-DLn) была по меньшей мере на один порядок величины больше, чем принятая мощность оптического излучения от помех за счет любых других оптических каналов (DL1-DLn).
9. Оптическая система связи (10) по п. 1, отличающаяся тем, что дистанционный терминал (20) представляет собой спутник связи или платформу связи, летящую в воздушно-космическом пространстве.
10. Способ передачи оптических данных между дистанционным терминалом (20), имеющим n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи, где n больше чем два или равно двум, и земным терминалом (30), содержащим группу из n пространственно разнесенных оптических наземных станций (OGS1-OGSn), который включает в себя следующие операции:
- создание n оптических каналов (DL1-DLn), связывающих каждый из оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи с соответствующей оптической наземной станцией (OGS1-OGSn);
- создание n оптических каналов (UC1-UCn), связывающих каждую оптическую наземную станцию (OGS1-OGSn) с соответствующим оптическим терминалом (ОТ1-OTn) связи;
- передача данных полезной нагрузки от дистанционного терминала (20) при помощи n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи на соответствующие оптические наземные станции (OGS1-OGSn) земного терминала (30);
- последовательная передача управляющих данных от n индивидуальных оптических наземных станций (OGS1-OGSn) через соответствующие оптические каналы (UC1-UCn) на соответствующие оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи, за счет точного разнесения во времени при помощи схемы коллективного доступа с временным разделением каналов, за счет чего исключается перекрытие между оптическими каналами (UC1-UCn); и
- синхронизация при помощи блока синхронизации n наземных станций (OGS1-OGSn), так что, в любой момент времени, передает только одна наземная станция (OGS1-OGSn), за счет чего обеспечивается разнесение во времени n оптических каналов (UC1-UCn) и гарантируется, что только один из n оптических каналов (UC1-UCn) будет активным в этот момент времени.
11. Способ передачи оптических данных по п. 10, отличающийся тем, что n оптических наземных станций (OGS1-OGSn) модулируют n оптических каналов (UC1-UCn) в соответствии со схемой фазоимпульсной модуляции (ФИМ), причем блок синхронизации управляет n оптическими наземными станциями (OGS1-OGSn) так, что импульсы каждого из сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) любого одного из n каналов (UC1-UCn) излучают последовательно во время фаз импульсной паузы (Ps) других каналов (UC1-UCn), за счет деления периода (Т) сигналов фазоимпульсной модуляции (ФИМ) на число n оптических каналов (UC1-UCn) и присвоения каждой из оптических наземных станций (OGS1-OGSn) выделенного временного интервала (Ts) меньше чем или равного Т/n.
12. Способ передачи оптических данных по п. 11, отличающийся тем, что n оптических каналов (UC1-UCn), содержащих n лазерных маяков, направляют на дистанционный терминал (20), причем указанный способ дополнительно включает в себя операции наведения, обнаружения и сопровождения оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи при помощи лазерных маяков соответствующих оптических наземных станций (OGS1-OGSn), за счет чего индивидуально направляют оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи на соответствующие оптические наземные станции (OGS1-OGSn).
13. Способ передачи оптических данных по п. 12, отличающийся тем, что один из n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20) представляет собой ведущий оптический терминал связи, причем способ дополнительно включает в себя следующие операции:
- получение сигнала лазерного маяка оптического канала (UC1-UCn) от ведущей наземной станции; и
- распределение тактового сигнала синхронизации на другие оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20), за счет чего инициируется стробированный просмотр n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи, причем каждый из оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи последовательно получает сигналы от соответствующей оптической наземной станции (OGS1-OGSn).
14. Способ передачи оптических данных по одному из пп. 10-13, отличающийся тем, что:
- n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи дистанционного терминала (20) одновременно передают данные полезной нагрузки на соответствующие оптические наземные станции (OGS1-OGSn) земного терминала (30); и
- оптические наземные станции (OGS1-OGSn) последовательно передают управляющие сигналы на соответствующие оптические терминалы (ОТ1-OTn) связи.
15. Способ передачи оптических данных по п. 14, отличающийся тем, что управляющие сигналы представляют собой сигналы автоматического запроса на повторение (ARQ) для ретрансляции потерянных/ошибочно принятых пакетов данных от соответствующего оптического терминала ОТ1-OTn связи.
16. Способ передачи оптических данных по п. 10, отличающийся тем, что дистанционный терминал (20) перенаправляет данные, которые должны быть переданы при помощи любого из n оптических терминалов (ОТ1-OTn) связи, если соответствующие оптические каналы (DL1-DLn) недоступны и/или являются ненадежными, за счет чего обеспечивается избыточность и достигается больший коэффициент готовности передачи оптических данных.
