RU2619582C2

RU2619582C2 - Multifunctional satellite communication system

Info

Publication number: RU2619582C2
Application number: RU2015131692A
Authority: RU
Inventors: Юрий Григорьевич Выгонский; Александр Витальевич Кузовников; Владимир Владимирович Головков; Марина Павловна Иванова
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-05-17
Also published as: RU2015131692A

Abstract

FIELD: physics, communications.

SUBSTANCE: invention relates to communication engineering and can be used to provide mobile and fixed satellite communication services. The system consists of an orbit group as part of four spacecraft on a highly elliptical orbit and two spacecraft on a geostationary orbit, a flight control centre, a mobile communication control centre, a fixed communication control centre, ground base stations for setting up communication and providing interfacing with external networks and ground means for mobile and fixed communication consumers.

EFFECT: invention improves flexibility of using the system, while allowing subscribers to choose the required subscriber terminal based on their needs in communication services and financial abilities.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к глобальным спутниковым информационным системам.The invention relates to global satellite information systems.

Данное изобретение может использоваться для предоставления услуг спутниковой связи и высокоскоростного доступа в интернет на территории Российской Федерации и сопредельных государств.This invention can be used to provide satellite communication services and high-speed Internet access in the Russian Federation and neighboring countries.

В настоящее время Российская Федерация не имеет собственной спутниковой системы, обеспечивающей бесперебойное обслуживание всей территории страны и предоставляющей услуги персональной голосовой связи и высокоскоростного широкополосного доступа в интернет. Зарубежные системы, действующие на территории России, отличаются дороговизной своих услуг, не предоставляют всего перечня сервисов, необходимых российским потребителям, а также значительная часть территории Российской Федерации, особенно труднодоступные и северные районы, находятся вне зоны действия зарубежных систем. Все это ограничивает возможности их применения и делает необходимым создание отечественной системы персональной спутниковой связи и предоставления высокоскоростного доступа в интернет.At present, the Russian Federation does not have its own satellite system that provides uninterrupted service to the entire territory of the country and provides personal voice communications and high-speed broadband Internet access. Foreign systems operating on the territory of Russia are distinguished by the high cost of their services, do not provide the entire list of services needed by Russian consumers, and a significant part of the territory of the Russian Federation, especially hard-to-reach and northern regions, are outside the coverage of foreign systems. All this limits the possibilities of their application and makes it necessary to create a domestic system of personal satellite communications and providing high-speed Internet access.

Основным направлением усовершенствования системы является эффективное использование частотно-орбитального ресурса, оптимизация структуры орбитальной группировки для обеспечения обслуживания территории РФ и стран СНГ с целью оптимизации расходов на создание системы для повышения ее экономической эффективности.The main direction of improving the system is the effective use of the frequency-orbital resource, the optimization of the structure of the orbital group to provide services to the territory of the Russian Federation and the CIS countries in order to optimize the costs of creating a system to increase its economic efficiency.

В настоящее время известны различные системы многофункциональных космических систем связи, в которых предлагается использовать спутники на геостационарной (ГСО) и высокоэллиптической (ВЭО) орбитах (патенты RU №№366086, 2223205, 2360848).Currently, various systems of multifunctional space communication systems are known in which it is proposed to use satellites in geostationary (GSO) and highly elliptical (HEO) orbits (patents RU No. 366086, 2223205, 2360848).

Известен способ построения космической системы ретрансляции с использованием геосинхронных спутников-ретрансляторов (Патент RU 366086 С1), техническим результатом которого является обеспечение максимального времени использования спутников-ретрансляторов на орбите. Система строится с применением спутников-ретрансляторов на высоких эллиптических орбитах типа «Тундра» и имеющих разнесенные на 120° долготы восходящих узлов. Абонентами системы являются земные станции и низкоорбитальные космические аппараты, работающие в общем диапазоне волн. Спутники-ретрансляторы оснащены многолучевыми антеннами, центральная группа лучей которых обслуживает наземных абонентов во время нахождения космического аппарата в зоне обслуживания, а периферийная - космических абонентов. Когда космический аппарат находится вне зоны обслуживания наземных абонентов, все лучи многолучевой антенны используются для обслуживания космических абонентов.There is a method of constructing a space relay system using geosynchronous relay satellites (Patent RU 366086 C1), the technical result of which is to maximize the time of using satellite relay in orbit. The system is constructed using satellite transponders in high elliptical orbits of the Tundra type and having longitude nodes separated by 120 °. Subscribers of the system are earth stations and low-orbit spacecraft operating in the general wavelength range. Repeater satellites are equipped with multi-beam antennas, the central group of beams of which serves ground subscribers while the spacecraft is in the service area, and the peripheral one - for space subscribers. When the spacecraft is outside the service area of terrestrial subscribers, all the beams of the multipath antenna are used to service space subscribers.

Недостатком этой системы является применение высокой эллиптической орбиты типа «Тундра» с высокой высотой апогея на рабочем участке - 43000 км, что значительно снижает энергетику радиолиний. Использование космических аппаратов только на высокой эллиптической орбите требует усложнения абонентского оборудования ввиду необходимости проведения процедуры «хендовера». Кроме того, в системе не предусмотрена возможность обслуживания частных потребителей с малогабаритными абонентскими терминалами.The disadvantage of this system is the use of a high elliptical orbit of the “Tundra” type with a high apogee height at the working area of 43,000 km, which significantly reduces the energy of radio links. The use of spacecraft only in high elliptical orbit requires the complication of subscriber equipment due to the need for a “handover” procedure. In addition, the system does not provide for the possibility of servicing private consumers with small-sized subscriber terminals.

Также известна система спутниковой связи на эллиптических орбитах, эмулирующая характеристики системы спутников на геостационарной орбите (Патент RU 2223205 С2), технический результат которой заключается в повышении стабильности виртуальных положений спутников в зонах обслуживания и сокращение пределов перенацеливания наземных антенн с одного спутника на другой при применении космических аппаратов на высокоэллиптических орбитах. Результат достигается посредством размещения спутников связи на эллиптических синхронных (~12 часовых) орбитах, имеющих одинаковые наклонения, эксцентриситеты, аргументы перигея, гринвичские долготы восходящего узла и интервалы между прохождениями следующих друг за другом спутников этой гринвичской долготы. Каждая орбита характеризуется наличием двух точек пересечения ее трассы на апогейном участке (петля в форме "8"). Наземные станции связи рассчитаны на работу через спутник в пределах восходящего и нисходящего участков его орбиты от второй (ближайшей к апогею) точки пересечения до апогея. Эмулируемая псевдостационарная орбита (множество виртуальных положений спутников в районе апогея) расположена на высотах 32000÷40000 км, в широтном поясе 59÷64° с.ш. (или ю.ш.). Плавный дрейф спутников происходит в пределах 5°. Орбитальная группировка имеет, в частности, 4 спутника, эмулирующих две стационарные позиции, смещенные на 180° по долготе.Also known is a satellite communication system in elliptical orbits, emulating the characteristics of a satellite system in a geostationary orbit (Patent RU 2223205 C2), the technical result of which is to increase the stability of virtual positions of satellites in service areas and reduce the limits of redirection of terrestrial antennas from one satellite to another when using space devices in highly elliptical orbits. The result is achieved by placing communication satellites in elliptical synchronous (~ 12 hour) orbits having the same inclinations, eccentricities, perigee arguments, Greenwich longitudes of the ascending node and the intervals between the passage of successive satellites of this Greenwich longitude. Each orbit is characterized by the presence of two points of intersection of its path at the apogee section (loop in the form of "8"). Ground communication stations are designed to operate via satellite within the ascending and descending sections of its orbit from the second (closest to the apogee) intersection point to the apogee. The emulated pseudo-stationary orbit (the set of virtual satellite positions in the apogee region) is located at altitudes of 32,000 ÷ 40,000 km, in the latitudinal belt 59 ÷ 64 ° N (or s). Smooth drift of satellites occurs within 5 °. The orbital constellation has, in particular, 4 satellites emulating two stationary positions shifted 180 ° in longitude.

Недостатком этой системы является применение спутников только на высоких эллиптических орбитах, несмотря на эмуляцию геостационарной орбиты, необходимо проведение процедуры «хендовера» для обеспечения бесперебойной связи с абонентами.The disadvantage of this system is the use of satellites only in high elliptical orbits, despite the emulation of the geostationary orbit, a “handover” procedure is necessary to ensure uninterrupted communication with subscribers.

Наиболее близкой к предлагаемой системе является многоцелевая космическая система (Патент RU 2360848 С1) для обслуживания обширного географического региона на базе высокоорбитальных и низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и наземных пунктов связи и управления, включающая по меньшей мере четыре КА на высокоэллиптических орбитах, в том числе два КА для метеорологического и геофизического мониторинга, не менее двух специализированных КА связи, а также один или два КА на низких орбитах для радиолокационного мониторинга.Closest to the proposed system is a multipurpose space system (Patent RU 2360848 C1) for servicing a vast geographical region based on high-orbit and low-orbit spacecraft (SC) and ground-based communications and control points, including at least four spacecraft in highly elliptical orbits, including two spacecraft for meteorological and geophysical monitoring, at least two specialized communication spacecraft, as well as one or two spacecraft in low orbits for radar monitoring.

Недостатком этой системы является большое число КА на разных орбитах в орбитальной группировке, что удорожает систему и усложняет ввод ее в эксплуатацию и дальнейшее обслуживание, а также создает сложности в ретрансляции информации с низкоорбитальных КА. Кроме того, в заявке предлагается использовать минимальное количество КА (2) на высокой эллиптической орбите для организации спутниковой связи, однако этого будет недостаточно для бесперебойного обслуживания абонентов.The disadvantage of this system is the large number of spacecraft in different orbits in the orbital constellation, which increases the cost of the system and complicates its commissioning and further maintenance, and also creates difficulties in relaying information from low-orbit spacecraft. In addition, the application proposes to use the minimum number of spacecraft (2) in high elliptical orbit for satellite communications, but this will not be enough for uninterrupted customer service.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, создание системы спутниковой связи для обеспечения мобильной спутниковой связью потребителей на всей территории России, включая Арктическую зону Российской Федерации, а также предоставление спутниковых каналов широкополосной фиксированной спутниковой связи.The objective of the present invention is to eliminate the disadvantages of analogues and prototype, creating a satellite communications system to provide mobile satellite communications to consumers throughout Russia, including the Arctic zone of the Russian Federation, as well as providing satellite channels for broadband fixed satellite communications.

Поставленная задача решается тем, что многофункциональная система спутниковой связи включает орбитальную группировку космических аппаратов на геостационарной и высокоэллиптической орбитах, в ее состав также входят центр управления полетом, центр управления мобильной связью, центр управления фиксированной связью, базовые земные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями и наземные средства потребителей подвижной и фиксированной связи.The problem is solved in that the multifunctional satellite communications system includes the orbital constellation of spacecraft in geostationary and highly elliptical orbits, it also includes a flight control center, a mobile communications control center, a fixed communications control center, base earth stations for organizing communications and providing interfacing with external networks and terrestrial means of consumers of mobile and fixed communications.

Изобретение поясняется рисунком, который иллюстрирует частный случай построения системы.The invention is illustrated in the figure, which illustrates a particular case of building a system.

На фиг. 1 представлены гарантированные зоны радиовидимости по углу места 10° орбитальной группировки КА на ВЭО и ГСО.In FIG. Figure 1 shows the guaranteed zones of radio visibility by the elevation angle of 10 ° of the spacecraft orbital grouping on the HEO and GSO.

Система должна состоять из орбитальной группировки в составе четырех космических аппаратов на высокоэллиптической орбите типа «Молния» и двух космических аппаратов на геостационарной орбите, центра управления полетом, центра управления мобильной связью, центра управления фиксированной связью, базовых земных станций для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями (наземные телефонные сети, сотовые операторы, сеть интернет) и наземных средств потребителей (абонентских терминалов) подвижной и фиксированной связи.The system should consist of an orbital constellation of four spacecraft in a highly elliptical orbit of the Molniya type and two spacecraft in a geostationary orbit, a flight control center, a mobile communications control center, a fixed communications control center, base earth stations for organizing communications and interfacing with external networks (landline telephone networks, mobile operators, the Internet) and terrestrial consumers (subscriber terminals) mobile and fixed communications.

При этом зона обслуживания орбитальной группировки с КА на ВЭО должна включать территорию Российской Федерации, включая Арктическую зону Российской Федерации и бассейн Северного ледовитого океана, а зона обслуживания с КА на ГСО должна включать территорию Российской Федерации до 70 градусов северной широты и территорию стран СНГ.In this case, the service area of the orbital constellation from SC to VEO should include the territory of the Russian Federation, including the Arctic zone of the Russian Federation and the Arctic Ocean basin, and the service zone from SC to GSO should include the territory of the Russian Federation up to 70 degrees north latitude and the territory of the CIS countries.

На борту космических аппаратов предлагается разместить два бортовых ретрансляционных комплекса широкополосной фиксированной спутниковой связи и мобильной спутниковой связи. В радиолиниях системы персональной мобильной спутниковой связи могут быть задействованы L- и S-диапазоны частот для абонентских линий, С- и Кu-диапазоны частот для фидерных линий. Предлагаемая система сможет обеспечить обслуживание до 300000 абонентов мобильной спутниковой связи. Для широкополосной фиксированной спутниковой связи предлагается использовать Кu- и Ка-диапазоны частот.On board spacecraft, it is proposed to place two airborne relay complexes of broadband fixed satellite communications and mobile satellite communications. In the radio links of a personal mobile satellite communication system, L- and S-frequency bands for subscriber lines, C- and Ku-frequency bands for feeder lines can be used. The proposed system will be able to provide services to up to 300,000 mobile satellite subscribers. For broadband fixed satellite communications, it is proposed to use the Ku- and Ka-frequency bands.

Бортовой ретранслятор мобильной связи должен включать в себя приемопередающую антенну фидерной линии связи, приемопередающую многолучевую антенну абонентской линии связи, включающую в себя цифровую диаграммообразующую схему, это позволит обеспечить высокую энергетику в абонентских линиях, позволив тем самым упростить и снизить габариты абонентских терминалов. Кроме того, это даст возможность оперативного переконфигурирования лучей антенны, что позволит перераспределять энергетику между различными лучами антенны в зависимости от потребностей абонентов.The on-board mobile repeater should include a feeder-line transceiver antenna, a subscriber communication line transceiver antenna, including a digital beam-forming circuit, this will provide high energy in subscriber lines, thereby simplifying and reducing the size of subscriber terminals. In addition, this will make it possible to quickly reconfigure the antenna beams, which will allow you to redistribute the energy between different antenna beams depending on the needs of subscribers.

Для организации мобильной связи должна быть предусмотрена цифровая обработка сигналов на борту космических аппаратов, для этого в состав ретранслятора мобильной связи должен быть включен специальный блок обработки сигналов. Данный блок предназначен для приема на промежуточной частоте сигналов, поступающих от приемных трактов бортового ретранслятора, их аналого-цифрового преобразования, цифрового диаграммообразования, частотной селекции сигналов и их коммутации, а также для формирования групповых радиосигналов для их передачи в передающие тракты бортового ретранслятора.For the organization of mobile communications, digital signal processing on board spacecraft must be provided; for this, a special signal processing unit must be included in the mobile communications repeater. This unit is designed for receiving at an intermediate frequency signals from the receiving paths of the onboard repeater, their analog-to-digital conversion, digital beamforming, frequency selection of signals and their switching, as well as for generating group radio signals for transmission to the transmitting paths of the onboard repeater.

Отличительной особенностью предлагаемой системы является возможность применения трех различных видов абонентских терминалов для организации мобильной связи: терминалы в виде телефонной трубки с всенаправленной антенной, носимые терминалы типа «ноутбук» с направленной на КА антенной и абонентские терминалы, предназначенные для установки на транспортных средствах.A distinctive feature of the proposed system is the possibility of using three different types of subscriber terminals for organizing mobile communications: terminals in the form of a handset with an omnidirectional antenna, portable laptop-type terminals with an antenna aimed at the spacecraft, and subscriber terminals intended for installation on vehicles.

Многофункциональная система спутниковой связи работает следующим образом: при организации связи между двумя абонентскими терминалами в системе запрос на соединение приходит с одного терминала через ретранслятор на борту космического аппарата на базовую земную станцию и центр управления связью, который передает через базовую станцию и бортовой ретранслятор запрос на вызов на другой терминал. После установления соединения канал связи организуется напрямую через бортовой ретранслятор посредством коммутации сигнала через блок обработки сигналов на борту космического аппарата. При установлении соединения с телефонным абонентом наземных телефонных сетей, сетей сотовой связи и всемирной сети интернет запрос на соединение приходит от абонентского терминала через ретранслятор космического аппарата в центр управления связью, который выдает команду на соединение и через базовую земную станцию обеспечивается коммутация абонентского терминала системы с внешними сетями связи.A multifunctional satellite communication system works as follows: when organizing communication between two subscriber terminals in the system, a connection request comes from one terminal through a relay on board the spacecraft to the base earth station and the communication control center, which transmits a call request through the base station and the on-board relay to another terminal. After the connection is established, the communication channel is organized directly through the onboard repeater by switching the signal through the signal processing unit on board the spacecraft. When establishing a connection with a telephone subscriber of terrestrial telephone networks, cellular networks and the Internet, a connection request is received from the subscriber terminal through the spacecraft repeater to the communication control center, which issues a command to connect and the system subscriber is switched through the base earth station to external communication networks.

Достигаемым техническим результатом применения комбинированной орбитальной группировки космических аппаратов на ГСО и ВЭО является предоставление услуг спутниковой мобильной связи и широкополосной фиксированной связи на территории Российской Федерации, включая Арктическую зону Российской Федерации и бассейн Северного ледовитого океана, а также страны СНГ. Применение в ретрансляторе мобильной спутниковой связи цифровой обработки сигналов, а также многолучевых антенн с цифровым диаграммообразованием позволит улучшить энергетику в абонентских линиях связи, что позволит снизить габариты и стоимость абонентских терминалов. Возможность использования различных по стоимости, габаритам и энергетическим характеристикам абонентских терминалов увеличивает гибкость использования системы, позволяя абонентам выбрать необходимый абонентских терминал исходя из своих потребностей в услугах связи и финансовых возможностей.Achievable technical result of the use of the combined orbital constellation of spacecraft at GSO and VEO is the provision of satellite mobile communications and broadband fixed communications in the Russian Federation, including the Arctic zone of the Russian Federation and the Arctic Ocean basin, as well as the CIS countries. The use of digital signal processing, as well as multi-beam antennas with digital beamforming in a mobile satellite communications repeater, will improve energy in subscriber communication lines, which will reduce the size and cost of subscriber terminals. The ability to use subscriber terminals of various cost, dimensions and energy characteristics increases the flexibility of using the system, allowing subscribers to select the necessary subscriber terminal based on their communication needs and financial capabilities.

Claims

1. A multifunctional satellite communications system, including the orbital constellation of spacecraft (SC) in geostationary (GSO) and highly elliptical (VEO) orbits, characterized in that it includes a flight control center, a mobile communications control center, a fixed communications control center, basic earth stations for organizing communications and interfacing with external networks; and terrestrial means of consumers of mobile and fixed communications, and a digital signal processing unit.

2. The multifunctional satellite communication system according to claim 1, characterized in that three different types of subscriber terminals are used as terrestrial means of consumers.

3. The multifunctional satellite communication system according to claim 1, characterized in that the spacecraft are equipped with repeaters of fixed and mobile communications.