Способ установления связи с низкоорбитальными космическими аппаратами в космической системе ретрансляции

Способ установления связи с низкоорбитальными космическими аппаратами в космической системе ретрансляции

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи с применением высокоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР) и предназначено для преимущественного использования в космических системах ретрансляции, абонентами которых являются низкоорбитальные космические аппараты (НКА), а СР оснащаются крупногабаритными антеннами с механически управляемыми лучами.

Известен способ, описанный в патенте Японии №58-37734, по которому на СР формируют узкий антенный луч, сканируют этим лучом вдоль предварительно выбранных линий развертки в пределах области связи, прерывают движение данного луча при его поступлении в точку наличия вызова, а после завершения обслуживания сканирующий луч снова перемещается вдоль заданной линии развертки.

Вышеописанный способ предпочтительно использовать в случаях, когда на борту СР устанавливается антенная система с электронным управлением лучом (например, активная фазированная антенная решетка). При антеннах с механически управляемым лучом время поиска вызывных сигналов в пределах зоны обслуживания СР оказывается довольно значительным.

Известен способ, использованный в космической системе ретрансляции США TDRSS, согласно которому на каждом из высокоорбитальных СР этой системы для связи между НКА и земными станциями формируют с помощью следящей параболической зеркальной антенны узкий луч, наводимым в пределах всей видимой с СР зоны обзора, и, кроме того, обеспечивают с помощью многоэлементной фазированной антенной решетки одновременный прием сигналов от нескольких НКА в режиме многостанционного доступа в пределах широкой зоны охвата 26°, что для НКА эквивалентно работе через фиксированный широкий антенный луч СР. (Потегов В.И. Спутниковая система слежения и ретрансляции данных TDRSS - Зарубежная радиоэлектроника, 1984, №5, с.46-58 [1]; W.R.Harper and W.L.Woodson. The Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) - ITC/USA'80 Int. Telemet. Conf. Proc., San Diego, Calif., 14-16 Oct., 1980, Vol.16, p.216-287 [2]).

Известен способ, предложенный для использования в российской космической системе ретрансляции «Луч» на базе геостационарного СР «Луч-5А» (И.Маринин, И.Лисов. «Луч-5А» - аппарат многофункциональной системы ретрансляции. - «Новости космонавтики», 2003, №12, с.50-51).

В указанной системе для связи между НКА и земными станциями так же, как и в системе TDRSS, формируют с помощью следящей параболической зеркальной антенны узкий луч, наводимый в пределах всей видимой с СР зоны обзора и, кроме того, формируют антенный луч с глобальным охватом, который предназначен для обслуживания НКА в режиме многостанционного доступа, а также для приема от НКА и ретрансляции на наземный комплекс управления НКА сигнала «Вызов НКУ», свидетельствующего о возникновении на выдавшем данный сигнал НКА какой-либо нештатной ситуации.

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Предпосылкой предлагаемого изобретения явилось следующее. Существуют различные типы НКА, характеризующиеся рядом особенностей в их обслуживании. Так, КА дистанционного зондирования Земли, метеорологические КА, ракеты-носители и разгонные блоки должны обслуживаться с помощью узких лучей, обеспечивающих, во-первых, возможность съема информации с упомянутых КА с высокими скоростями (одно из условий ретрансляции информации наблюдения в реальном масштабе времени), во-вторых, возможность оперативного контроля и управления ракетами-носителями и разгонными блоками при отсутствии на последних направленных антенных систем. Возможность долгосрочного планирования работы с такими НКА и космическими объектами (в силу, например, известных программ их полета) позволяет заблаговременно рассчитывать трассы их движения, наводить на них узкие антенные лучи и осуществлять слежение за ними по трассе их полета.

Имеются также НКА, для которых потребность в канале ретрансляции через СР может возникнуть в любой произвольный момент времени. Такая ситуация характерна, в частности, для комбинированных систем, в которых абонентская земная станция передает свою информацию в незапланированный момент времени на оказавшийся в зоне ее радиовидимости низкоорбитальный СР, а тот в свою очередь ретранслирует ее по назначению через высокоорбитальный СР.

Оперативная связь через СР может потребоваться НКА и при возникновении на их борту нештатных ситуаций, сопровождающихся, как было указано выше, излучением сигнала «Вызов НКУ».

Хотя в системах TDRSS и «Луч» предусмотрены специальные каналы многостанционного доступа S-диапазона с глобальным охватом, тем не менее, их энергетические характеристики, особенно на прием, достаточно ограниченны. Так, в системе TDRSS параметр G/T такого канала составляет от минус 14,1 до минус 13,7 дБ/К [2]. В конечном счете это приводит к тому, что НКА с маломощными передатчиками (не более 20 Вт) и слабонаправленными антеннами (или изотропными, в частности, при нештатной работе НКА с потерей пространственной ориентации) будут способны, как показывают расчеты, передавать сообщения через геостационарный СР по каналам многостанционного доступа со скоростями порядка 100 бит/с.

В то же время при необходимости ретрансляции информации от НКА системы «Гонец», которые обеспечивают прием сообщений от абонентских земных станций со скоростями 2,4...19,2 кбит/с (см., например, «Персональная спутниковая связь. Технологии электронных коммуникаций», п/ред. А.А.Смирнова, т.64, М., 1996, с.41-47), передача с указанными скоростями по каналам многостанционного доступа геостационарных СР систем TDRSS или «Луч» потребует установки на НКА системы «Гонец» направленных антенных систем S-диапазона, что, учитывая относительно малые размеры и массу НКА этой системы, труднореализуемо.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение условий для ретрансляции информации с низкоэнергетических НКА, сеансы связи с которыми происходят в незапланированные моменты времени, при этом инициаторами установления связи являются НКА.

Поставленная цель достигается тем, что на высокоорбитальном СР (ВСР) через широкий фиксированный антенный луч принимают сигнал-заявку на связь от НКА, нуждающегося в оперативной связи через узкий управляемый антенный луч ВСР, вычисляют эфемериды запросившего связь НКА, определяют по эфемеридам данного НКА целеуказания для наведения узкого управляемого антенного луча ВСР, наводят указанный узкий управляемый антенный луч ВСР на запросивший связь НКА и передают через этот луч на НКА сигнал-разрешение на проведение информационного обмена с земной станцией.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема космической системы ретрансляции, реализующей данный способ.

Космическая система ретрансляции работает следующим образом. На борту ВСР 1 размещаются два двусторонних ретранслятора. Один из них - ретранслятор узкого луча (РТР УЛ) 2 - обеспечивает информационный обмен с НКА с использованием остронаправленной антенны (ОНА) 3. Другой ретранслятор - ретранслятор широкого луча (РТР ШЛ) 4 - обеспечивает информационный обмен с НКА с использованием широконаправленной антенны (ШНА) 5.

Доступ НКА-абонентов к РТР ШЛ 4 свободный, к РТР УЛ 2 - по предварительным заявкам.

НКА 6, у которого возникла потребность в оперативной передаче информации и который обладает эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (ЭИИМ), достаточной для передачи информации через ШНА 5 и РТР ШЛ 4, излучает эту информацию в направлении ВСР 1. Информационные сигналы от НКА 6 принимаются ШНА 5 на частоте абонентской радиолинии НКА - ВСР, усиливаются в РТР ШЛ 4, переносятся там на частоту фидерной радиолинии ВСР - ЗС и излучаются через антенну фидерной линии (АФЛ) 7 в направлении земной станции (ЗС) 8.

НКА 6, у которого возникла потребность в оперативной передаче информации и у которого ЭИИМ недостаточна для передачи информации с требуемыми скоростями через ШНА 5 и РТР ШЛ 4, излучает в направлении ВСР 1 сигнал-заявку на отдельной частоте, не попадающей в полосу пропускания РТР ШЛ 4. Этот сигнал принимается приемником сигналов-заявок (ПрСЗ) 9, дешифруется с выделением идентификационного номера НКА и выдается в бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК) 10. В БЦВК 10 по отдельной радиолинии (на чертеже не показана; как правило, это радиолиния командно-измерительной системы СР) периодически закладываются начальные условия (НУ) обслуживаемых данным СР НКА-абонентов.

НУ представляют собой параметры движения центра масс НКА в определенной исходной точке, по которым в БЦВК 10 прогнозируется движение НКА и рассчитываются их эфемериды, т.е. текущие координаты с привязкой к определенной системе отсчета. НУ подготавливаются наземным командно-измерительным комплексом по результатам измерения параметров движения НКА (См., например, «Инженерный справочник по космической технике», п/ред. А.В.Солодова, Военное издательство Министерства обороны СССР, М., 1977, с.68-70 и 293-303).

По получении от запросившего связь НКА его идентификационного номера БЦВК 10 вычисляет эфемериды данного НКА и определяет целеуказания, необходимые для наведения ОНА 3 в направлении на НКА 6. Эти целеуказания в виде значений углов, лежащих в двух взаимно перпендикулярных, связанных с геометрическими осями ВСР плоскостях, передаются в систему наведения антенны (СНА) 11, которая управляет наведением ОНА 3. По завершении процесса наведения ОНА 3 БЦВК 10 выдает команду на передатчик сигнала-разрешения (ПСР) 12, который излучает через ОНА 3 сигнал для НКА 6, разрешающий информационный обмен с ЗС 8 по абонентской радиолинии ВСР - НКА.

В принципе, НУ НКА могут быть заложены на борт самого НКА (в его БЦВК), тогда одновременно с выдачей сигнала-заявки НКА может передать на борт ВСР и свои эфемериды. БЦВК 10 ВСР увязывает эти эфемериды с пространственным положением самого ВСР и определяет целеуказания для СНА 11. Однако, например, малые НКА могут не располагать БЦВК с необходимой для этого вычислительной мощностью.

В случае, если в момент поступления от НКА 6 сигнала-заявки на связь через ОНА 3, последняя уже задействована на обслуживании какого-либо НКА (или готовится к этому), БЦВК 10, не производя расчета эфемерид НКА 6, выдает на передатчик запрещающего сигнала (ПЗС) 13 команду на излучение для данного НКА сигнала, означающего отказ в предоставлении связи через ОНА 3. Запрещающий сигнал излучается ПЗС 13 через ШНА 5.

Использование предлагаемого способа позволяет высокоорбитальным, в частности геостационарным, спутникам-ретрансляторам оперативно обслуживать низкоэнергетические и относительно малые НКА. Оперативность обслуживания достигается за счет того, что нуждающийся в произвольный момент времени в связи НКА получает доступ к каналу ретрансляции с большим энергопотенциалом как на прием, так и на передачу, что обеспечивается более высоким коэффициентом усиления остронаправленной антенны по сравнению с широконаправленной.

Как было показано выше применительно к системе TDRSS, относительно низкоэнергетический НКА со слабонаправленной антенной способен передавать информацию через ШНА со скоростью порядка 100 бит/с (при G/T канала, равном минус 14,1 дБ/К). В то же время, при работе через ОНА диаметром 4,9 м (G/T канала в S-диапазоне 8,9 дБ/К [2]) энергопотенциал радиолинии увеличивается на 23 дБ. Это в конечном счете означает, что при том же значении ЭИИМ НКА скорость передачи информации в направлении НКА-СР-ЗС может быть увеличена в 200 раз, или до 20 кбит/с. Соответственно в 200 раз быстрее может быть передана по назначению, например, хранящаяся на борту НКА информация.

Из известных авторам источников патентных и информационных материалов не известна совокупность признаков заявляемых объектов, поэтому заявитель склонен считать техническое решение отвечающим признакам новизны.

Настоящее решение технически реализуемо, поскольку базируется на известных и отработанных устройствах и предлагается к использованию в космической системе ретрансляции, предназначенной для информационного обмена с НКА.

1. Способ установления связи между низкоорбитальными космическими аппаратами и земными станциями через высокоорбитальный спутник-ретранслятор, при котором на высокоорбитальном спутнике-ретрансляторе формируют узкий управляемый антенный луч с возможностью направления в любую точку видимой с высокоорбитального спутника-ретранслятора поверхности сферы возможных положений низкоорбитальных космических аппаратов на их орбитах и широкий фиксированный антенный луч с возможностью охвата всей видимой с высокоорбитального спутника-ретранслятора поверхности сферы возможных положений низкоорбитальных космических аппаратов на их орбитах, отличающийся тем, что на высокоорбитальном спутнике-ретрансляторе через широкий фиксированный антенный луч принимают сигнал-заявку на связь от низкоорбитального космического аппарата, нуждающегося в предоставлении связи через узкий управляемый антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора, вычисляют эфемериды запросившего связь низкоорбитального космического аппарата, определяют по эфемеридам данного низкоорбитального космического аппарата целеуказания для наведения узкого управляемого антенного луча высокоорбитального спутника-ретранслятора, наводят указанный узкий управляемый антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора на запросивший связь низкоорбитальный космический аппарат и передают через этот луч на низкоорбитальный космический аппарат сигнал-разрешение на предоставление связи через указанный узкий управляемый антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора и проведение информационного обмена с земной станцией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, если в момент поступления на высокоорбитальный спутник-ретранслятор через широкий фиксированный антенный луч сигнала-заявки от низкоорбитального космического аппарата на предоставление связи через узкий управляемый антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора указанный узкий управляемый антенный луч задействован на обслуживании другого низкоорбитального космического аппарата, блокируют вычисление эфемерид запросившего связь низкоорбитального космического аппарата и передают через широкий фиксированный антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора на низкоорбитальный космический аппарат сигнал запрета на предоставление связи через узкий управляемый антенный луч высокоорбитального спутника-ретранслятора.