RU2575632C2 - Multilevel satellite communication system - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to the satellite communication systems with space and land segments, and, in particular, to the multilevel satellite communication system using low-orbital groups observation spacecrafts. The space segment consists of the orbital group of three relay satellites evenly spaced with reference to each other on geostationary orbit, and the orbital group of observation and communication spacecrafts consisting of low-altitude group of observation spacecrafts and medium-altitude group of communication spacecrafts, the land segment consists of land complexes of transceiving of target information and control of observation spacecrafts of low-altitude group and medium-altitude group of communication spacecrafts, and also of land complexes of transceiving of target information and control of relay satellites of orbital group in geostationary orbits.

EFFECT: increase of efficiency of communication in absence of inter-satellite communication channels and land communication channels.

1 dwg

Description

Изобретение относится к системам спутниковой связи, имеющим космический и наземный сегменты, и, в частности, к многоуровневой спутниковой системе связи с использованием низкоорбитальных группировок космических аппаратов наблюдения (ОГ КАН) с высотами орбит 300-700 км, средневысотных орбитальных группировок космических аппаратов связи (ОГ КАС) с высотами орбит спутников на средневысотных эллиптических орбитах с высотами 700-20000 км и орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов (ОГ СР), равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной (ГСО) орбите.The invention relates to satellite communication systems having space and ground segments, and, in particular, to a multi-level satellite communication system using low-orbit constellations of space observation devices (OG KAN) with orbit heights of 300-700 km, medium-altitude orbital constellations of space communication devices (OG CAS) with satellite orbit heights in mid-altitude elliptical orbits with altitudes of 700-20000 km and an orbital constellation of three relay satellites (OG SR) uniformly spaced relative to each other ug in geostationary (GSO) orbit.

Геостационарной орбитой (ГСО) называют орбиту искусственного спутника Земли радиусом 42164 км (6,6 радиусов Земли, 35786 км над поверхностью Земли) которая лежит в плоскости земного экватора. Период обращения по этой орбите равен одним суткам. Поэтому геостационар, то есть спутник, движущийся по геостационарной орбите, не меняет своего положения относительно поверхности Земли (постоянно ″висит″ над одной и той же точкой экватора). Это позволяет значительно упростить конструкцию наземного приемно-передающего оборудования, поскольку антенну, направленную на спутник, не требуется поворачивать.Geostationary orbit (GSO) is the orbit of an artificial Earth satellite with a radius of 42164 km (6.6 Earth radii, 35786 km above the Earth's surface) which lies in the plane of the earth's equator. The period of revolution in this orbit is one day. Therefore, a geostationary, that is, a satellite moving in a geostationary orbit, does not change its position relative to the Earth’s surface (it constantly “hangs” above the same equator point). This allows you to significantly simplify the design of ground-based transmitting and receiving equipment, since the antenna pointing at the satellite does not need to be rotated.

Из предшествующего уровня техники известна система связи между абонентами, в которой используются две группы космических аппаратов, одна из которых выведена на низкие круговые орбиты, а другая - на геостационарные круговые орбиты. В общем случае, эта космическая группировка спутников включает 36 спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по шесть спутников в каждой плоскости. Спутники снабжены радиотехническими комплексами-ретрансляторами. Заданная орбита каждого спутника поддерживается ее периодической коррекцией. На Земле расположены диспетчерские станции и станции абонентов. В процессе функционирования системы сигналы абонента, например при осуществлении телефонной связи, ретранслируют сигналы через спутник, находящийся в зоне доступа абонента и расположенный на низкой орбите, на наземную диспетчерскую станцию, находящуюся в зоне видимости данного спутника, а с диспетчерской станции - на спутник, находящийся на геостационарной орбите, а с данного спутника - на диспетчерскую станцию принимающего абонента, с которой сигналы через спутник на низкой орбите ретранслируются на станцию принимающего сигнал абонента (см. патент №2107990, кл. H04B 7/185, 1998 г.).A prior art communication system between subscribers is known in which two groups of spacecraft are used, one of which is placed in low circular orbits, and the other in geostationary circular orbits. In general, this space constellation of satellites includes 36 satellites located in six orbital planes with six satellites in each plane. Satellites are equipped with radio-technical complexes-repeaters. The given orbit of each satellite is supported by its periodic correction. Dispatch stations and subscriber stations are located on Earth. During the operation of the system, subscriber signals, for example, during telephone communications, relay signals through a satellite located in the subscriber’s access area and located in low orbit to a ground control station located in the satellite’s visibility range, and from a control station to a satellite located in geostationary orbit, and from this satellite to the dispatch station of the receiving subscriber, from which signals through the satellite in low orbit are relayed to the station of the receiving signal that (see patent No. 2107990, CL H04B 7/185, 1998).

Недостатком этой системы является то, что для ее эффективного функционирования необходимо наличие значительного количества спутников, что существенно повышает стоимость системы и усложняет ее управление. Кроме того, принцип связи в этой системе чрезмерно сложен. Так, сигналы связи от абонента поступают на находящийся на низкой орбите спутник, оттуда - на наземную диспетчерскую станцию, далее на спутник, находящийся на геостационарной орбите, оттуда - на диспетчерскую станцию принимающего абонента и через спутник, находящийся на низкой орбите, - на станцию принимающего сигнал абонента. С учетом динамики системы, а именно постоянного относительного изменения положения спутников на низкой и геостационарной орбитах, диспетчерских и абонентских станций, необходимо осуществлять изменение положения передающих и принимающих устройств (антенн) спутников и наземных станций, что весьма сложно, а кроме того, такая организация связи приводит к снижению качества передаваемых сигналов. Необходимо также отметить, что осуществление данной системой наблюдения за передвижением объектов, наблюдение за функционированием стационарных объектов, контроль экологии в заданных регионах, контроль метеорологической обстановки, которые осуществляются со спутников, находящихся на низких орбитах, и передача данной информации потребителям через диспетчерские станции приводит к необходимости создания сети диспетчерских станций, что повышает и без того весьма высокую стоимость системы и еще более усложняет ее управление. Попытка улучшить эксплуатационные параметры системы путем введения в ее состав группировки спутников, выведенных на средневысотную орбиту (см. патент РФ №2118056, кл. H04B 7/185, 1998 г.), еще более усложнило систему и ухудшило качество передаваемых сигналов.The disadvantage of this system is that for its effective functioning requires a significant number of satellites, which significantly increases the cost of the system and complicates its management. In addition, the principle of communication in this system is excessively complex. So, the communication signals from the subscriber are sent to the satellite in low orbit, from there to the ground control station, then to the satellite in geostationary orbit, from there to the control station of the receiving subscriber and through the satellite in low orbit to the receiving station subscriber signal. Given the dynamics of the system, namely, the constant relative change in the position of satellites in low and geostationary orbits, dispatch and subscriber stations, it is necessary to change the position of the transmitting and receiving devices (antennas) of satellites and ground stations, which is very difficult, and in addition, such communication leads to a decrease in the quality of transmitted signals. It should also be noted that the implementation of this system for monitoring the movement of objects, monitoring the functioning of stationary objects, environmental monitoring in specified regions, monitoring the meteorological situation, which are carried out from satellites in low orbits, and the transmission of this information to consumers through control stations leads to the need creating a network of control stations, which increases the already very high cost of the system and further complicates its management. An attempt to improve the operational parameters of the system by introducing a constellation of satellites put into mid-altitude orbit (see RF patent No. 2118056, class H04B 7/185, 1998), further complicated the system and worsened the quality of the transmitted signals.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип заявленной полезной модели, является двухуровневая система спутниковой связи (патент на полезную модель №98659 от 20.10.2010 г.), в которой для обеспечения телефонной связи на территории СНГ и глобального обмена данными на всей территории Земли включены космический и наземный сегменты, содержащие, соответственно, группировки спутников, расположенных на низковысотных и средневысотных орбитах для обеспечения связи, мобильные и стационарные абонентские станции, координирующие станции связи, размещенные в расчетных точках Земли и соединенные с наземными ретрансляторами. Космический сегмент состоит из низкоорбитальной спутниковой группировки, содержащей низкоорбитальные космические аппараты, расположенные на круговых орбитах в трех равномерно разнесенных плоскостях и средневысотной спутниковой группировки, состоящей из космических аппаратов, расположенных на средневысотных эллиптических орбитах в двух орбитальных плоскостях, при этом обе космические группировки оснащены межспутниковой связью. В состав наземного сегмента входит управляющий комплекс, потребительский комплекс и наземные каналы связи с сетью общего пользования.The closest analogue selected for the prototype of the claimed utility model is a two-level satellite communications system (Utility Model Patent No. 98659 dated 10/20/2010), in which space communications are included for providing telephone communications in the CIS and global data exchange throughout the Earth and ground segments, containing, respectively, constellations of satellites located in low-altitude and medium-altitude orbits to provide communications, mobile and stationary subscriber stations, coordinating communication stations, eschestnyh in the calculated points of the Earth and connected to ground-based transponders. The space segment consists of a low-orbit satellite constellation containing low-orbit spacecraft located in circular orbits in three equally spaced planes and a mid-altitude satellite constellation consisting of spacecraft located in medium-high elliptical orbits in two orbital planes, while both space constellations are equipped with inter-satellite communications . The ground segment includes a control complex, a consumer complex and ground communication channels with a public network.

Низкоорбитальная спутниковая группировка состоит из двенадцати низкоорбитальных космических аппаратов по четыре космических аппарата в каждой орбитальной плоскости.A low-orbit satellite constellation consists of twelve low-orbit spacecraft with four spacecraft in each orbital plane.

Средневысотная спутниковая группировка состоит из шести космических аппаратов по три космических аппарата в каждой орбитальной плоскости, равномерно разнесенных одна относительно другой.The mid-altitude satellite constellation consists of six spacecraft with three spacecraft in each orbital plane, uniformly spaced from one another.

В состав управляющего комплекса системы входят центр управления системой; центр управления полетом; центр управления связным комплексом; центральные станции (ЦС1, ЦС2); региональные станции (РС-1, PC-2); абонентские терминалы потребителей; наземный пункт управления связью (НПУС-1, НПУС-2); комплекс средств измерений, сбора и обработки информации космодрома - КСИСОИ (функционально).The control complex of the system includes a system control center; flight control center; communication complex management center; central stations (TsS1, TsS2); regional stations (RS-1, PC-2); subscriber terminals of consumers; ground control point of communication (NPUS-1, NPUS-2); complex of measuring instruments, collection and processing of information from the spaceport - KSISOI (functionally)

В состав потребительского комплекса входят подвижные абоненты, включая транспорт, а также региональные и центральные диспетчерские пункты.The consumer complex includes mobile subscribers, including transport, as well as regional and central control centers.

Недостатком данной системы является недостаточная оперативность связи при отсутствии межспутниковой связи, которая в настоящее время практически не реализована. Снижение оперативности системы связи неприемлемо для решения ее задач по всем ее абонентским системам, в особенности для низкоорбитальной группировки космических аппаратов наблюдения и средневысотных космических аппаратов связи.The disadvantage of this system is the lack of communication efficiency in the absence of inter-satellite communication, which is currently practically not implemented. The decrease in the efficiency of the communication system is unacceptable for solving its tasks in all its subscriber systems, in particular for the low-orbit constellation of space observation devices and medium-high space communication devices.

Задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является повышение оперативности связи при отсутствии межспутниковых каналов связи.The task to which the proposed utility model is directed is to increase the efficiency of communication in the absence of inter-satellite communication channels.

Решение данной задачи обеспечивается тем, что космический сегмент состоит (фиг.1) из орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов (ОГ СР), равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите и орбитальной группировки космических аппаратов наблюдения и связи (ОГ КА НС), состоящей из низковысотной группировки космических аппаратов наблюдения (ОГ КАН) и средневысотной группировки космических аппаратов связи (ОГ КАС), наземный сегмент состоит из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления низковысотной группировкой космических аппаратов наблюдения и средневысотной группировкой космических аппаратов связи (НК ПП ЦИУ КАН И КАС), а также из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах (НК ПП ЦИУ СР).The solution to this problem is provided by the fact that the space segment (Fig. 1) consists of an orbital constellation of three satellite transponders (OG SR) uniformly spaced relative to each other in a geostationary orbit and the orbital constellation of spacecraft for observation and communication (OG KA NS), consisting of a low-altitude constellation of space observation vehicles (OG KAN) and a medium-high constellation of space communication apparatuses (OG KAS), the ground segment consists of ground-based complexes of reception and transmission of target information and control low-altitude constellation of spacecraft monitoring and medium-altitude constellation of spacecraft communications (NK PP TsIU KAN I KAS), as well as from ground-based systems for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of satellite repeaters in geostationary orbits (NK PP TsIU SR).

НК ПП ЦИУ КАН и КАС связан по управляющим и информационным спутниковым каналам связи с ОГ КА НС космического сегмента в составе орбитальных группировок космических аппаратов наблюдения и связи и орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и состоит из взаимосвязанных потребительского комплекса, в состав которого входят наземные специальные комплексы (НСК) для приема и обработки информации по каждому типу КАН, и абонентские станции (АС) различного типа и базирования, и управляющего комплекса, в состав которого помимо центра управления системой (ЦУС), центральной станции (ЦС), региональных станций (PC) и центра управления связным комплексом (ЦУСК) дополнительно введены командно-измерительные системы (КИС) КАН и центры управления полетом орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения (ЦУП).NK PP TsIU KAN and KAS are connected via control and information satellite communication channels to the spacecraft OG OG of the space segment as a part of orbital constellations of space observation and communication apparatuses and orbital constellation of three satellite transponders in geostationary orbits and consists of interconnected consumer complex, which includes includes ground-based special complexes (NSC) for receiving and processing information for each type of KAN, and subscriber stations (AS) of various types and basing, and the control complex, in which, in addition to the system control center (CSC), the central station (CS), regional stations (PC) and the communications complex control center (CSC), additionally introduced command-measuring systems (CIS) of the CAN and the flight control centers of the orbital constellation of space observation vehicles (CMS) )

В состав НК ПП ЦИУ СР введен управляющий комплекс спутниками-ретрансляторами, включающий взаимосвязанные центр управления ретрансляцией и связью (ЦУРС) и центр управления полетом спутниками-ретрансляторами (ЦУП СР), а также наземный радиотехнический комплекс, взаимосвязанный с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами по наземному каналу связи (НРТК СР с НКС) расположенный в г. Мурманск и наземные радиотехнические комплексы, не имеющие с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами наземного канала связи (НРТК СР без НКС), расположенные в г. Анадырь и г. Дудинка.A control complex of relay satellites, including an interconnected relay control and communication control center (TsURS) and a satellite control center of relay relays (MCC SR), as well as a ground-based radio engineering complex interconnected with a control complex of relay satellites, has been introduced into the composition of NK PP TsIU SR; a communication channel (NRTK SR with NKS) located in the city of Murmansk and ground-based radio complexes that do not have a satellite-relay complex of the ground-based communication channel with the control complex (NRTK SR without NKS) located in Anadyr and Dudinka.

Наземные радиотехнические комплексы состоят из взаимосвязанных по спутниковым радио или оптическим каналам связи с орбитальной группировкой из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и на прием - с орбитальной группировки космических аппаратов наблюдения и связи.Terrestrial radio engineering complexes consist of interconnected via satellite radio or optical communication channels with an orbital constellation of three satellite transponders in geostationary orbits and for reception from an orbital constellation of space observation and communication apparatuses.

Наземный комплекс приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи взаимосвязан с наземным комплексом приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах по наземным каналам связи и сети общего пользования для обмена целевой информацией и управления.The ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of space observation and communication apparatuses is interconnected with the ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of relay satellites in geostationary orbits over terrestrial communication channels and a public network for exchanging target information and control.

Каждый из наземных радиотехнических комплексов наземного комплекса приема-передачи целевой информации и управления ОГ СР содержит командно-измерительную систему (КИС) и радиолинию управления (РЛУ) и приемо-передачи целевой информации и управления.Each of the ground-based radio engineering complexes of the ground-based complex for receiving and transmitting target information and control of the exhaust gas of the SR contains a command-measuring system (CIS) and a radio control line (RLU) and reception and transmission of target information and control.

ОГ КА НС, содержащая ОГ КАС И ОГ КАН, связана с ОГ СР через НК ПП ЦИУ КАН и КАС для передачи целевой и управляющей информации, с НРТК СР для взаимного обмена информацией различного назначения, а также взаимосвязана с потребительским комплексом и управляющим комплексом КАН и КАС, входящими в состав НК ПП ЦИУ КАН и КАС.OG KA NS containing OG KAS AND OG KAN is connected with OG SR through NK PP TsIU KAN and KAS for transmitting target and control information, with NRTK SR for mutual exchange of information for various purposes, and is also interconnected with the consumer complex and the managing complex of KAN and CAS, which are part of NK PP CIU KAN and CAS.

Предложенное построение многоуровневой системы спутниковой связи позволит обеспечить требуемую оперативность связи для всех АС и НСК при отсутствии межспутниковых каналов связи и наземных каналов связи НРТК СР с УКСР за счет гибкого взаимодействия целевой информации и управления ОГ КАН и ОГ КАС с ОГ СР через общий для них наземный сегмент и напрямую.The proposed construction of a multi-level satellite communications system will ensure the required communication efficiency for all ACs and NSCs in the absence of inter-satellite communication channels and terrestrial communication channels of NRTK SR with UKSR due to the flexible interaction of target information and control of the OG KAN and OG KAS with the OG SR through the common ground segment and directly.

Claims (1)

Многоуровневая система спутниковой связи, включающая орбитальные группировки космических аппаратов на низковысотных, средневысотных и геостационарных орбитах и, как минимум, один наземный пункт управления для обеспечения сбора целевой информации наземных, воздушных, морских и космических абонентов, отличающаяся тем, что космический сегмент состоит из орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов, равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите и орбитальных группировок космических аппаратов наблюдения и связи, состоящих из низковысотной группировки космических аппаратов наблюдения и средневысотной группировки космических аппаратов связи, наземный сегмент состоит из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления низковысотной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, средневысотной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи, а также из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах, наземный комплекс приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи связан по управляющим и информационным спутниковым каналам связи с орбитальной группировкой космического сегмента в составе орбитальных группировок космических аппаратов наблюдения и связи и орбитальной группировки из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и состоит из взаимосвязанных потребительского комплекса, в состав которого входят наземные специальные комплексы и абонентские станции различного типа и базирования, и управляющего комплекса, в состав которого введены командно-измерительные системы и центры управления полетом орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи, в состав наземного комплекса приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах введен управляющий комплекс спутниками-ретрансляторами, включающий взаимосвязанные центр управления ретрансляцией и связью и центр управления полетом спутниками-ретрансляторами, а также наземный радиотехнический комплекс, взаимосвязанный с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами по наземному каналу связи, и наземные радиотехнические комплексы, не имеющие с управляющим комплексом спутниками-ретрансляторами и центром сбора информации наземного канала связи, наземные радиотехнические комплексы состоят из взаимосвязанных по спутниковым радио или оптическим каналам связи с орбитальной группировкой из трех спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах и на прием связанных с орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи, наземный комплекс приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой космических аппаратов наблюдения и связи взаимосвязан с наземным комплексом приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах по наземным каналам связи и сети общего пользования, каждый из наземных радиотехнических комплексов наземного комплекса приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах содержит командно-измерительную систему и радиолинию управления спутниками-ретрансляторами. Multilevel satellite communications system, including orbital constellations of spacecraft in low-altitude, mid-altitude and geostationary orbits, and at least one ground control point for collecting target information from ground, air, sea and space subscribers, characterized in that the space segment consists of an orbital constellation of three relay satellites uniformly spaced relative to each other in a geostationary orbit and orbital constellations of spacecraft in observations and communications, consisting of a low-altitude grouping of space observation devices and a medium-high grouping of space communication devices, the ground segment consists of ground-based systems for receiving and transmitting target information and controlling the low-altitude grouping of spacecraft for remote sensing of the Earth, a medium-high grouping of space observation and communication devices, as well as ground-based complexes for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of satellite transponders per in non-stationary orbits, the ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of space observation and communications apparatuses is connected via control and information satellite communication channels to the orbital constellation of the space segment as part of the orbital constellations of space observation and communications apparatuses and the orbital constellation of three relay satellites geostationary orbits and consists of an interconnected consumer complex, which includes ground-based special various complexes and subscriber stations of various types and basing, and a control complex, which includes command-measuring systems and flight control centers by the orbital constellation of space observation and communication apparatuses, into the ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of relay transmitters in geostationary orbits, a control complex of relay satellites has been introduced, including an interconnected relay and communications control center and a control center flight by satellite transponders, as well as a ground-based radio engineering complex interconnected with a control complex of satellite transponders via a ground-based communication channel, and ground-based radio technical complexes that do not have a satellite-relay complex and a center for collecting information from a ground-based communication channel, ground-based radio complexes interconnected via satellite radio or optical communication channels with an orbital constellation of three satellite transponders in geostationary orbits ah and reception of spacecraft for monitoring and communication associated with the orbital constellation, the ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of space monitoring and communications apparatuses is interconnected with the ground-based complex for receiving and transmitting target information and controlling the orbital constellation of relay satellites in geostationary orbits in terrestrial communication channels and public networks, each of the terrestrial radio engineering complexes of the terrestrial reception-transmission complex of the target inf Formation and control of the orbital constellation of relay satellites in geostationary orbits contains a command-measuring system and a radio link control satellite relay.