RU2791102C1 - Global satellite communications using medium circular orbits - Google Patents

Global satellite communications using medium circular orbits Download PDF

Info

Publication number
RU2791102C1
RU2791102C1 RU2022114751A RU2022114751A RU2791102C1 RU 2791102 C1 RU2791102 C1 RU 2791102C1 RU 2022114751 A RU2022114751 A RU 2022114751A RU 2022114751 A RU2022114751 A RU 2022114751A RU 2791102 C1 RU2791102 C1 RU 2791102C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
circular orbits
artificial satellites
medium circular
medium
orbits
Prior art date
Application number
RU2022114751A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Николаевич Донианц
Максим Викторович Стрелец
Original Assignee
Акционерное общество "Зонд-Холдинг"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Зонд-Холдинг" filed Critical Акционерное общество "Зонд-Холдинг"
Application granted granted Critical
Publication of RU2791102C1 publication Critical patent/RU2791102C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: satellite communication systems.
SUBSTANCE: invention relates to satellite communication systems. The effect is achieved by the fact that the global satellite communication system using medium circular orbits includes an orbital constellation of twelve artificial satellites 1 placed in two medium circular orbits 2, 3, six artificial satellites 1 in each orbit 2, 3, the first of two medium of circular orbits 2 has a polar inclination of 90°, and the second of two medium circular orbits 3 has an equatorial inclination of 0°, artificial satellites 1 are equipped with communication equipment with a network of ground stations located in the service area and providing communication through these artificial satellites 1 .
EFFECT: providing 100% coverage of the earth's surface for elevation angles of at least 15° and the maximum coverage ratio for latitudes in the range from 40° N.L. to 20° S.L., that is, in the regions of the Earth with the highest population density, which allows to increase the number of users served with the same quality of service.
4 cl, 6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к системам спутниковой связи, а более точно касается глобальной системы спутниковой связи с использованием средних круговых орбит и предназначено для обеспечения различными видами связи обширных регионов земного шара.The invention relates to satellite communications systems, and more specifically to a global satellite communications system using medium circular orbits and is intended to provide various types of communications to vast regions of the globe.

В настоящее время расширение рынка телекоммуникационных услуг привело не только к постоянному росту числа геостационарных спутников связи, но и к появлению значительного количества проектов систем глобальной и/или региональной связи с использованием систем искусственных спутников (ИС) на низких и средних круговых орбитах. В условиях жесткой конкуренции реализуемость и жизнестойкость таких дорогостоящих проектов в значительной степени зависит от разумного сочетания стоимостных и качественных показателей систем связи.At present, the expansion of the telecommunications services market has led not only to a constant increase in the number of geostationary communication satellites, but also to the emergence of a significant number of projects for global and / or regional communication systems using artificial satellite (IS) systems in low and medium circular orbits. In the conditions of fierce competition, the feasibility and viability of such expensive projects largely depend on a reasonable combination of cost and quality indicators of communication systems.

Известны комбинированные спутниковые системы региональной связи (например, для Северного полушария) с использованием эллиптических и круговых орбит, в том числе геостационарных (патент США N 5931417, кл. 244/158R; система "Эллипсо Бореалис/Конкордия" - см. Proulx R.J., et al., "Automated Station-Keeping for Satellite Constellations", AAS/AIAA Astrodynamics Conference, Sun Valley, Aug. 1997). Использование таких систем имеет определенные преимущества, заключающиеся в расширении границ зоны обслуживания, охватывающей приэкваториальные области. Однако указанные системы используют относительно большое количество спутников (патент США N 5931417 - до 24 спутников; система "Эллипсо Бореалис/Конкордия" - 17 спутников).Known combined satellite systems for regional communications (for example, for the Northern Hemisphere) using elliptical and circular orbits, including geostationary (US patent N 5931417, class 244/158R; system "Ellipso Borealis / Concordia" - see Proulx R.J., et al., "Automated Station-Keeping for Satellite Constellations", AAS/AIAA Astrodynamics Conference, Sun Valley, Aug. 1997). The use of such systems has certain advantages, which consist in expanding the boundaries of the service area, covering equatorial regions. However, these systems use a relatively large number of satellites (US patent N 5931417 - up to 24 satellites; system "Ellipso Borealis/Concordia" - 17 satellites).

Из существующего уровня техники известны различные системы спутниковой связи, в которых предлагается использовать множество спутников на негеостационарной орбите (см. патенты RU №№2107990, 2496233, 2302695).From the existing prior art, various satellite communication systems are known, in which it is proposed to use a plurality of satellites in a non-geostationary orbit (see patents RU No. 2107990, 2496233, 2302695).

Однако каждая из указанных систем обладает орбитальной группировкой ИС, которая построена на базе двух разновысотных орбитах. Данное орбитальное построение приводит к удорожанию выведения ИС на орбиты, увеличивает время задержки передачи сигнала и усложняет определение энергетических характеристик абонентских терминалов из-за различия в энергетике радиолиний между абонентскими терминалами и ИС на разных орбитах.However, each of these systems has an IS orbital constellation, which is built on the basis of two orbits of different heights. This orbital construction leads to an increase in the cost of launching the IS into orbits, increases the signal transmission delay time and complicates the determination of the energy characteristics of user terminals due to the difference in the energy of radio links between user terminals and IS in different orbits.

Известен класс кинематически правильных спутниковых систем на круговых орбитах, впервые введенных Можаевым Г.В. (Можаев Г.В. Задача о непрерывном обзоре Земли и кинематически правильные спутниковые системы I, II. Космические исследования, 1972, т. 10, вып.6, с. 833-840; 1973, т.11, вып. 1, с. 59-69; Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. - М: Машиностроение, 1989, 304 с; патент РФ N 2065550, кл. 6 Н04В 7/185), и независимо от него J.G. Уолкером (J.G. Walker, Some circular orbit patterns providing continuous whole Earth coverage. Journal of the British Interplanetary Societ. Vol.24, 1971, pp. 369-384; J.G. Walker, Satellite constellations. Journal of the British Interplanetary Society. Vol.37, 1984, pp.559-571). Такого типа созвездие спутников предусмотрено, в частности, в проекте "Глобалстар".There is a known class of kinematically correct satellite systems in circular orbits, first introduced by Mozhaev G.V. (Mozhaev G.V. The problem of a continuous survey of the Earth and kinematically correct satellite systems I, II. Space research, 1972, vol. 10, issue 6, pp. 833-840; 1973, vol. 11, issue 1, p. 59-69; Mozhaev G.V. Synthesis of orbital structures of satellite systems. - M: Mashinostroenie, 1989, 304 s; RF patent N 2065550, class 6 H04B 7/185), and independently of it J.G. J.G. Walker, Some circular orbit patterns providing continuous whole Earth coverage. Journal of the British Interplanetary Societ. Vol.24, 1971, pp. 369-384; J.G. Walker, Satellite constellations. Journal of the British Interplanetary Society. Vol.37 , 1984, pp.559-571). This type of constellation of satellites is envisaged, in particular, in the Globalstar project.

Использование круговых орбит применительно к региональной связи не всегда оправдано, поскольку они имеют одинаковые характеристики обзора и соответственно связи в обоих полушариях Земли, что для систем связи, например, в Северном полушарии является избыточным и, следовательно, неоправданно дорогим.The use of circular orbits in relation to regional communications is not always justified, since they have the same coverage characteristics and, accordingly, communications in both hemispheres of the Earth, which is redundant for communication systems, for example, in the Northern Hemisphere and, therefore, unreasonably expensive.

Известна глобальная система спутниковой связи на средних круговых орбитах (патент RU №2695540), выбранная нами за прототип и содержащая орбитальную группировку искусственных спутников, наземный центр управления полетом, региональные станции для организации связи и обеспечения сопряжения с внешними сетями и наземные средства потребителей. Согласно данному изобретению орбитальная группировка содержит двенадцать искусственных спутников, расположенных на трех средних круговых орбитах в трех орбитальных плоскостях, по четыре искусственных спутника в каждой плоскости, то есть на каждой орбите, при этом орбитальные плоскости имеют равное наклонение и смещены на угол 120° одна относительно другой.A global satellite communication system in medium circular orbits is known (patent RU No. 2695540), which we have chosen as a prototype and contains an orbital constellation of artificial satellites, a ground-based flight control center, regional stations for organizing communication and ensuring interfacing with external networks and ground-based consumer facilities. According to this invention, the orbital constellation contains twelve artificial satellites located in three medium circular orbits in three orbital planes, four artificial satellites in each plane, that is, in each orbit, while the orbital planes have equal inclination and are shifted by an angle of 120 ° one relative to another.

В патенте RU №2695540 заявлено, что система обеспечивает уверенное глобальное покрытие при использовании средних круговых орбит высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6°. Причем указано, что при данных параметрах орбитальной группировки обеспечивается двукратное покрытие 99,53% территории РФ по углу места 10° (угол между направлением на ИС и плоскостью горизонта в точке нахождения пользователя) и трехкратное покрытие 45,0% территории Земли.RU patent No. 2695540 states that the system provides reliable global coverage when using medium circular orbits with a height of 8070 km and an orbital inclination of 51.6°. Moreover, it is indicated that with these parameters of the orbital constellation, two-fold coverage of 99.53% of the territory of the Russian Federation is provided at an elevation angle of 10 ° (the angle between the direction to the IS and the horizon plane at the user's location) and three-fold coverage of 45.0% of the Earth's territory.

При этом в названном патенте отсутствует информация о том, при каких минимальных значениях угла места обеспечивается сплошное (100%) покрытие земной поверхности, что является важным показателем эффективности спутниковой системы связи.At the same time, there is no information in the said patent about at what minimum values of the elevation angle a continuous (100%) coverage of the earth's surface is provided, which is an important indicator of the effectiveness of a satellite communication system.

Согласно рекомендациям Международного союза электросвязи минимально приемлемым значением угла места является угол не менее 15°, на которое ориентируются практически все проектировщики спутниковых группировок, исходя из приемлемых значений уровня радиошума.According to the recommendations of the International Telecommunication Union, the minimum acceptable elevation angle is an angle of at least 15 °, which is used by almost all designers of satellite constellations, based on acceptable radio noise levels.

Эффективность системы спутниковой связи определяется возможностью глобального покрытия с углом места не менее 15°, а также кратностью покрытия земной поверхности, пропорциональной численности населения.The efficiency of a satellite communication system is determined by the possibility of global coverage with an elevation angle of at least 15°, as well as by the multiplicity of coverage of the earth's surface, proportional to the population.

Для известной спутниковой системы (прототип), которая относится к классу кинематически симметричных спутниковых систем на круговых орбитах с равными наклонениями и равными высотами, в каждый момент времени на осматриваемой сфере - земной поверхности для каждой круговой орбиты можно выделить некоторую круговую полосу радиовидимости определенной ширины, симметричную относительно каждой плоскости орбиты, для любой точки которой угол места будет не менее заданного значения. В данном контексте под круговой полосой радиовидимости понимается пространство, границы которого образованы путем соединения точек пересечения зон радиовидимости каждого из ИС рассматриваемой орбитальной плоскости в направлении движения ИС, причем ширина такой полосы радиовидимости изменяется пропорционально значению угла места. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.For a well-known satellite system (prototype), which belongs to the class of kinematically symmetrical satellite systems in circular orbits with equal inclinations and equal heights, at each moment of time on the inspected sphere - the earth's surface for each circular orbit, it is possible to allocate a certain circular radio visibility band of a certain width, symmetrical relative to each plane of the orbit, for any point of which the elevation angle will be at least a given value. In this context, a circular radio visibility band is understood as a space, the boundaries of which are formed by connecting the intersection points of the radio visibility zones of each of the ISs of the considered orbital plane in the direction of the IS movement, and the width of such a radio visibility band changes in proportion to the value of the elevation angle. This issue will be considered in more detail below.

В известной спутниковой системе (прототипе) существует три круговых полосы радиовидимости, расположенные по отношению к экватору под одинаковыми углами в 51,6°. Авторами настоящего изобретения для известной спутниковой системы связи были проведены расчеты кратности покрытия на средней круговой орбите высотой 8070 км и наклонением орбиты 51,6° для угла места, равного 15°. Эти расчеты показали, что при значении угла места, равного 15°, отсутствует 100% покрытие земной поверхности, что будет далее представлено в таблицах и на диаграммах.In the well-known satellite system (prototype) there are three circular bands of radio visibility, located relative to the equator at the same angles of 51.6°. The authors of the present invention for the known satellite communication system were calculated coverage ratio in the average circular orbit with a height of 8070 km and an orbital inclination of 51.6° for an elevation angle of 15°. These calculations showed that when the elevation angle is 15°, there is no 100% coverage of the earth's surface, which will be further presented in tables and diagrams.

Кроме того, известная система спутниковой связи построена без учета распределения плотности населения по поверхности Земли. Однако именно для регионов с наибольшей плотностью населения (численностью населения в расчете на 1 кв. км), лежащей в диапазоне широт от 40° северной широты (с.ш.) до экватора в северном полушарии и от экватора до 20° южной широты (ю.ш.) в южном полушарии, должна достигаться максимальная кратность покрытия (количество одновременно видимых ИС с углом места не менее 15°).In addition, the well-known satellite communication system is built without taking into account the distribution of population density over the Earth's surface. However, it is precisely for regions with the highest population density (population per 1 sq. km), lying in the latitude range from 40 ° north latitude (N) to the equator in the northern hemisphere and from the equator to 20 ° south latitude (S .l) in the southern hemisphere, the maximum coverage factor should be achieved (the number of simultaneously visible ISs with an elevation angle of at least 15°).

Как было сказано выше, в известной системе спутниковой связи для выведения искусственных спутников на три круговые орбиты требуется осуществить три запуска с использованием трех ракетоносителей, выводящих на каждую орбиту по четыре ИС, следствием чего являются высокие энергозатраты на использование данной системы.As mentioned above, in the well-known satellite communication system, in order to launch artificial satellites into three circular orbits, it is required to carry out three launches using three launch vehicles that put four IS into each orbit, which results in high energy consumption for using this system.

В основу изобретения положена задача разработать экономичную глобальную систему спутниковой связи с использованием средних круговых орбит, в которой за счет использования минимального числа орбит искусственных спутников и такого размещения искусственных спутников на этих орбитах, а также выбора параметров средних круговых орбит обеспечивалось глобальное покрытие земной поверхности с углом места не менее 15° при максимальной кратности покрытия в зонах Земли с наибольшей плотностью населения при одновременном снижении энергозатрат на использование предлагаемой системы.The invention is based on the task of developing an economical global satellite communication system using medium circular orbits, in which, by using a minimum number of artificial satellite orbits and such an arrangement of artificial satellites in these orbits, as well as choosing the parameters of medium circular orbits, global coverage of the earth's surface was provided with an angle places of at least 15° with a maximum coverage ratio in the Earth's zones with the highest population density while reducing energy costs for the use of the proposed system.

Поставленная задача решается тем, что в глобальной системе спутниковой связи с использованием средних круговых орбит, включающей сеть наземных пунктов и орбитальную группировку из двенадцати искусственных спутников, равномерно размещенных на соответствующих средних круговых орбитах и оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, согласно изобретению, искусственные спутники размещены на двух средних круговых орбитах, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников в двух орбитальных плоскостях, причем первая из указанных двух средних круговых орбит имеет полярное наклонение, по существу равное 90°, а вторая из указанных двух средних круговых орбит имеет экваториальное наклонение, по существу равное 0°.The problem is solved by the fact that in a global satellite communication system using medium circular orbits, including a network of ground points and an orbital constellation of twelve artificial satellites, evenly placed in the corresponding medium circular orbits and equipped with communication equipment with a network of ground points located in the service area and providing communication through these artificial satellites, according to the invention, artificial satellites are placed in two medium circular orbits, each of which has six artificial satellites in two orbital planes, and the first of these two medium circular orbits has a polar inclination, essentially equal to 90° , and the second of these two mean circular orbits has an equatorial inclination essentially equal to 0°.

Целесообразно, чтобы искусственные спутники были размещены на каждой из двух средних круговых орбит на равном расстоянии один от другого с фазовым сдвигом 60°.It is advisable that artificial satellites be placed on each of the two medium circular orbits at an equal distance from one another with a phase shift of 60°.

Желательно, чтобы искусственные спутники были размещены на смежных средних круговых орбитах с минимальным фазовым сдвигом 30°.It is desirable that artificial satellites be placed in adjacent medium circular orbits with a minimum phase shift of 30°.

Возможно, чтобы на каждой из двух средних круговых орбитах было размещено по меньшей мере по одному дополнительному искусственному спутнику.It is possible for at least one additional artificial satellite to be placed in each of the two medium circular orbits.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание экономичной глобальной системы спутниковой связи, обеспечивающей 100% покрытия земной поверхности для углов места не менее 15°, и максимальной кратностью покрытия (количество одновременно видимых ИС с углом места не менее 15°) для широт в диапазоне от 40° с. ш. до 20° ю.ш., то есть в районах Земли с наибольшей плотностью населения, что позволяет увеличить количество обслуживаемых пользователей при одинаковом качестве обслуживания по сравнению с известными техническими решениями.The technical result of the present invention is the creation of an economical global satellite communication system that provides 100% coverage of the earth's surface for elevation angles of at least 15°, and the maximum coverage ratio (the number of simultaneously visible IPs with an elevation angle of at least 15°) for latitudes in the range of 40° With. sh. up to 20° S, that is, in the areas of the Earth with the highest population density, which allows you to increase the number of users served with the same quality of service compared to known technical solutions.

Заявленные характеристики патентуемой системы связи достигаются благодаря использованию минимального количества средних круговых орбит, всего две орбиты, и их взаимному расположению при таком же общем количестве ИС, как и известной системе. Математические расчеты показывают, что 100% покрытия земной поверхности с расположением ИС в двух круговых плоскостях - полярной и экваториальной для угла места не менее 15° достигается при числе ИС в каждой из орбитальных плоскостей, равном шести.The claimed characteristics of the patented communication system are achieved through the use of a minimum number of medium circular orbits, only two orbits, and their mutual arrangement with the same total number of ICs as in the known system. Mathematical calculations show that 100% coverage of the earth's surface with the location of the IS in two circular planes - polar and equatorial for an elevation angle of at least 15° is achieved with the number of IS in each of the orbital planes equal to six.

В том случае, если на двух круговых орбитах равномерно разместить большее число ИС, например семь или более, то для достижения 100% глобального покрытия угол места будет увеличиваться, что позволяет снизить уровень радиошума, однако одновременно увеличивает стоимость системы в целом.In the event that a larger number of ISs are evenly placed on two circular orbits, for example, seven or more, then in order to achieve 100% global coverage, the elevation angle will increase, which makes it possible to reduce the radio noise level, but at the same time increases the cost of the system as a whole.

В патентуемой системе для выведения искусственных спутников на заявленные средние круговые орбиты требуется осуществить два запуска с использованием двух ракетоносителей, что значительно сокращает энергозатраты на использование предлагаемой системы, то есть энергозатраты на запуск ИС и на систему в целом.In the patented system, to launch artificial satellites into the declared medium circular orbits, two launches are required using two launch vehicles, which significantly reduces the energy costs for using the proposed system, that is, the energy costs for launching the IS and for the system as a whole.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения, чертежами и диаграммами, на которых:In the future, the invention is explained by a description of specific examples of execution, drawings and diagrams, in which:

фиг. 1 изображает орбитальную группировку искусственных спутников на средних круговых орбитах в двух орбитальных плоскостях с полярным и экваториальным наклонениями орбит, выполненную согласно изобретению;fig. 1 depicts an orbital constellation of artificial satellites in medium circular orbits in two orbital planes with polar and equatorial orbital inclinations, made according to the invention;

фиг. 2 изображает построение круговой полосы радиовидимости для орбитальной плоскости с полярным наклонением средней круговой орбиты, вариант выполнения согласно изобретению;fig. 2 shows the construction of a circular visibility band for a polar inclination orbital plane of a medium circular orbit, an embodiment according to the invention;

фиг. 3 изображает построение круговой полосы радиовидимости для орбитальной плоскости с экваториальным наклонением средней круговой орбиты, вариант выполнения согласно изобретению;fig. 3 shows the construction of a circular visibility band for an orbital plane with an equatorial inclination of a medium circular orbit, an embodiment according to the invention;

фиг. 4 изображает графическую диаграмму интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для известной из прототипа спутниковой системы связи;fig. 4 depicts a graphic diagram of the radio visibility intervals of all artificial satellites for a satellite communication system known from the prototype;

фиг. 5 изображает графическую диаграмму интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для патентуемой спутниковой системы связи, выполненной согласно изобретению;fig. 5 is a graphical diagram of the radio visibility intervals of all artificial satellites for a patent-pending satellite communication system made according to the invention;

фиг. 6 изображает фрагмент графической диаграммы интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для патентуемой спутниковой системы связи, изображенной на фиг.5, увеличенный масштаб.fig. 6 depicts a fragment of a graphic diagram of the intervals of radio visibility of all artificial satellites for the patent-pending satellite communication system shown in figure 5, enlarged scale.

Заявляемая глобальная система спутниковой связи с использованием средних круговых орбит содержит сеть наземных пунктов (на чертеже не показано) и орбитальную группировку из двенадцати искусственных спутников 1 (фиг.1), равномерно размещенных на двух средних круговых орбитах 2, 3, по шесть искусственных спутников 1 на каждой орбите 2, 3. Искусственные спутники 1 оснащены аппаратурой связи (на чертеже не показано) с сетью наземных пунктов, находящихся в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники 1.The inventive global satellite communications system using medium circular orbits contains a network of ground stations (not shown in the drawing) and an orbital constellation of twelve artificial satellites 1 (figure 1), evenly spaced in two medium circular orbits 2, 3, six artificial satellites 1 in each orbit 2, 3. Artificial satellites 1 are equipped with communication equipment (not shown in the drawing) with a network of ground stations located in the service area and providing communication through these artificial satellites 1.

Особое значение имеет выбор положения в пространстве круговых орбит 2,3, на которые выведены искусственные спутники 1. При построении заявляемой системы спутниковой связи авторы исходили из того, что сплошное глобальное покрытие земной поверхности должно достигаться в 100% времени и с углом места не менее 15°.Of particular importance is the choice of position in space of circular orbits 2,3, on which artificial satellites 1 are launched. When constructing the proposed satellite communication system, the authors proceeded from the fact that continuous global coverage of the earth's surface should be achieved in 100% of the time and with an elevation angle of at least 15 °.

Патентуемая система спутниковой связи содержит две круговые орбиты 2, 3 высотой 8070 км, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников 1 в двух орбитальных плоскостях, причем первая из указанных двух средних круговых орбит 2 имеет полярное наклонение, по существу, равное 90°, а вторая из указанных двух средних круговых орбит 3 имеет экваториальное наклонение, по существу, равное 0°. На каждой из указанных орбит 2, 3 расположено по шесть ИС 1, находящихся на равном расстоянии один от другого с фазовым сдвигом (угловым расстоянием), по существу равным 60°. Величина фазового сдвига между ИС 1 на разных круговых орбитах 2, 3 составляет половину фазового сдвига между ИС 1 в одной орбитальной плоскости и для патентуемой системы, по существу составляет 30°.The patented satellite communication system contains two circular orbits 2, 3 with a height of 8070 km, each of which contains six artificial satellites 1 in two orbital planes, the first of these two medium circular orbits 2 having a polar inclination essentially equal to 90°, and the second of said two mean circular orbits 3 has an equatorial inclination substantially equal to 0°. On each of these orbits 2, 3 are six IP 1, located at an equal distance from one another with a phase shift (angular distance), essentially equal to 60°. The magnitude of the phase shift between IS 1 in different circular orbits 2, 3 is half the phase shift between IS 1 in the same orbital plane and for the patented system is essentially 30°.

Как было ранее отмечено, в каждый момент времени на осматриваемой сфере - земной поверхности можно выделить некоторую круговую полосу радиовидимости определенной ширины, симметричную относительно каждой плоскости орбиты, для любой точки которой угол места будет не менее заданного значения.As noted earlier, at each moment of time on the examined sphere - the earth's surface, it is possible to select a certain circular band of radio visibility of a certain width, symmetrical with respect to each plane of the orbit, for any point of which the elevation angle will be at least a given value.

В качестве примера на фиг.2 представлена круговая полоса 4 радиовидимости, образованная шестью искусственными спутниками 1, находящимися на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90°. Круговая полоса 4 радиовидимости имеет переменную ширину и образуется наложением кругов, в центре каждого из которых находится проекция каждого из ИС 1. Путем соединения точек пересечения зон радиовидимости каждого из ИС 1 рассматриваемой орбитальной плоскости в направлении движения ИС 1 формируется полоса 4 радиовидимости, ширина которой пропорциональна значению угла места.As an example, figure 2 shows a circular band 4 radio visibility, formed by six artificial satellites 1 in a circular orbit 2 with a polar inclination of 90°. The circular band 4 of radio visibility has a variable width and is formed by the superposition of circles, in the center of each of which is the projection of each of the IS 1. By connecting the intersection points of the radio visibility zones of each of the IS 1 of the considered orbital plane in the direction of movement of the IS 1, a band 4 of radio visibility is formed, the width of which is proportional to elevation angle value.

Как видно из фиг.2, круговая полоса 4 радиовидимости, сформированная ИС 1 на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90°, охватывает все регионы земной поверхности за исключением экваториальных областей.As can be seen from figure 2, the circular band 4 radio visibility, formed by IP 1 in a circular orbit 2 with a polar inclination of 90°, covers all regions of the earth's surface with the exception of the equatorial regions.

На фиг.3 представлена круговая полоса 5 радиовидимости, образованная шестью ИС 1, находящимися на круговой орбите 3 с экваториальным наклонением 0°, которая охватывает все регионы земной поверхности за исключением северной и южной полярных областей.Figure 3 shows a circular band 5 radio visibility, formed by six IP 1, located in a circular orbit 3 with an equatorial inclination of 0°, which covers all regions of the earth's surface except for the northern and southern polar regions.

Обе полосы 4, 5 радиовидимости соответствуют углу места 15° и высоте круговых орбит 2, 3, составляющей 8070 км. Объединение (наложение) полос 4, 5 радиовидимости обеспечивает 100% покрытие земной поверхности.Both visibility bands 4, 5 correspond to an elevation angle of 15° and an altitude of circular orbits 2, 3 of 8070 km. Combining (overlaying) bands 4, 5 radio visibility provides 100% coverage of the earth's surface.

Как было сказано выше, патентуемая система связи построена с учетом распределения плотности населения по поверхности Земли. При этом разработчики ориентировались на данные, опубликованные на сайте социально-экономических исследований НАСА (Documentation «Administrative Unit Center Points with Population Estimates, v4.11: Gridded Population of the World (GPW), v4 SEDAC (columbia.edu)», свидетельствующие о существенной неравномерности распределения плотности населения по поверхности Земли. Согласно этим данным, наибольшая плотность населения находится в диапазоне широт от 40° с. ш. до 20° ю.ш.As mentioned above, the patented communication system is built taking into account the distribution of population density over the Earth's surface. At the same time, the developers were guided by data published on the NASA socio-economic research website (Documentation "Administrative Unit Center Points with Population Estimates, v4.11: Gridded Population of the World (GPW), v4 SEDAC (columbia.edu)", indicating significant uneven distribution of population density over the Earth's surface According to these data, the highest population density is in the latitude range from 40° N to 20° S.

При разработке патентуемой системы связи за основу сравнения орбитальных группировок была принята геоцентрическая система отсчета, для которой известны расчетные формулы, позволяющие по параметрам орбиты искусственного спутника определять его местоположение (координаты) в пространстве в зависимости от времени суток. Зная координаты искусственного спутника 1 для заданного местоположения пользователя, можно определить промежутки времени, в течение которых искусственный спутник 1 будет наблюдаться с углом места не менее 15°.When developing a patented communication system, the geocentric reference system was adopted as the basis for comparing orbital constellations, for which calculation formulas are known that allow determining its location (coordinates) in space depending on the time of day by the parameters of the orbit of an artificial satellite. Knowing the coordinates of the artificial satellite 1 for a given user location, it is possible to determine the time intervals during which the artificial satellite 1 will be observed with an elevation angle of at least 15°.

Для выявления преимуществ патентуемой системы связи авторами предлагаемого изобретения были проведены расчеты зон радиовидимости каждого из искусственных спутников 1 для заявляемой системы связи и каждого из искусственных спутников для известной системы связи (прототип) при расположении технических средств пользователя в точке с координатами 40° с.ш., 90° в.д. с углом места не менее 15°.To identify the advantages of the patented communication system, the authors of the present invention carried out calculations of the radio visibility zones of each of the artificial satellites 1 for the claimed communication system and each of the artificial satellites for the known communication system (prototype) when the user's technical means are located at a point with coordinates 40° N. latitude. , 90°E with an elevation angle of at least 15°.

В качестве примера на фиг.4 приведена графическая диаграмма интервалов радиовидимости всех искусственных спутников для известной спутниковой системы связи на условном 48-часовом интервале для случайно выбранных дат 8 и 9 апреля. Диаграмма соответствует минимальному углу места 15° и расположению технических средств пользователя в точке с координатами 40° с.ш., 90° в.д. (номер ИС состоит из номера орбитальной плоскости и номера ИС в плоскости).As an example, figure 4 shows a graphic diagram of the radio visibility intervals of all artificial satellites for a known satellite communication system on a conditional 48-hour interval for randomly selected dates April 8 and 9. The diagram corresponds to a minimum elevation angle of 15° and the location of user facilities at a point with coordinates 40° N, 90° E. (the IS number consists of the number of the orbital plane and the number of the IS in the plane).

Из фиг.4 следует, что на временных интервалах 02:00-03:00 8 и 9 апреля отсутствует радиовидимость всех искусственных спутников для технических средств пользователя, расположенных в точке с координатами 40°с.ш., 90° в.д. с углом места 15°. Это существенно ограничивает использование известной спутниковой системы связи, так как она не обеспечивает круглосуточное непрерывное покрытие земной поверхности.From figure 4 it follows that at the time intervals 02:00-03:00 on April 8 and 9, there is no radio visibility of all artificial satellites for user facilities located at a point with coordinates 40°N, 90°E. with an elevation angle of 15°. This significantly limits the use of the known satellite communication system, since it does not provide round-the-clock continuous coverage of the earth's surface.

При смещении технических средств пользователя по широте 40° с.ш. отсутствие радиовидимости сохраняется, смещаются только границы временных интервалом.When shifting the technical means of the user in latitude 40 ° N.S. the lack of radio visibility remains, only the boundaries of the time interval are shifted.

На фиг.5 представлена графическая диаграмма интервалов радиовидимости всех искусственных спутников 1 для патентуемой системы связи на условном 48-часовом интервале. Диаграмма соответствует минимальному углу места в 15° и расположению технических средств пользователя в точке с координатами 40° с. ш., 90° в.д.Figure 5 presents a graphic diagram of the intervals of radio visibility of all artificial satellites 1 for the patent-pending communication system on a conditional 48-hour interval. The diagram corresponds to a minimum elevation angle of 15° and the location of the user's technical means at a point with coordinates of 40° N. latitude, 90° E

На фиг.6 представлен фрагмент диаграммы, изображенной на фиг.5, в увеличенном масштабе.Figure 6 shows a fragment of the diagram shown in figure 5, on an enlarged scale.

Диаграммы, представленные на фиг.5, 6 показывают, что искусственные спутники 1 (А21-А26) на круговой орбите 3 с экваториальным наклонением 0° полностью обеспечивают непрерывное покрытие земной поверхности с углом места 15° для широты 40 с.ш., а искусственные спутники 1 (A11-А16) на круговой орбите 2 с полярным наклонением 90° увеличивают кратность покрытия.The diagrams shown in Fig.5, 6 show that artificial satellites 1 (A21-A26) in a circular orbit 3 with an equatorial inclination of 0° completely provide continuous coverage of the earth's surface with an elevation angle of 15° for a latitude of 40 N, and artificial satellites 1 (A11-A16) in a circular orbit 2 with a polar inclination of 90° increase the coverage factor.

Результаты расчетов показали, что в отличие от известной системы связи патентуемая спутниковая система обеспечивает 100% покрытия земной поверхности независимо от широты местоположения технических средств пользователей для углов места не менее 15°. Данные для северного и южного полушарий симметричны. Полученные результаты покрытия земной поверхности для известной и патентуемой спутниковых систем связи приведены в таблице 1.The calculation results showed that, unlike the known communication system, the patented satellite system provides 100% coverage of the earth's surface, regardless of the latitude of the location of the user's technical facilities for elevation angles of at least 15°. The data for the northern and southern hemispheres are symmetrical. The results obtained for the coverage of the earth's surface for known and patented satellite communication systems are shown in Table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

При построении реальных спутниковых группировок их стоимость определяется, в том числе, количеством ракетоносителей, необходимых для запуска искусственных спутников. При этом для каждого конкретного запуска изначально задается требуемое начальное наклонение орбиты, на которую выводят искусственные спутники. Известно, что изменение наклонения орбиты исключительно энергозатратный маневр. Так, для спутников на низкой орбите (имеющих орбитальную скорость порядка 8 км/с) изменение наклонения орбиты к экватору на 45° потребует приблизительно такой же энергии (приращения характеристической скорости), что и для выведения спутников на орбиту, то есть около 8 км/с. Поэтому для снижения стоимости запуска искусственных спутников желательно использовать минимальное число орбит, при использовании которых будет обеспечиваться 100% покрытие земной поверхности.When building real satellite constellations, their cost is determined, among other things, by the number of launch vehicles needed to launch artificial satellites. At the same time, for each specific launch, the required initial inclination of the orbit to which the artificial satellites are launched is initially set. It is known that changing the inclination of the orbit is an extremely energy-consuming maneuver. So, for satellites in low orbit (having an orbital speed of about 8 km/s), changing the inclination of the orbit to the equator by 45° will require approximately the same energy (increment of the characteristic velocity) as for launching satellites into orbit, that is, about 8 km/s. With. Therefore, in order to reduce the cost of launching artificial satellites, it is desirable to use the minimum number of orbits that will provide 100% coverage of the earth's surface.

В патентуемой системе связи используются всего две круговые орбиты 2, 3, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников 1, то есть предлагаемая система максимально простая и экономичная.In the patented communication system, only two circular orbits 2, 3 are used, each of which has six artificial satellites 1, that is, the proposed system is as simple and economical as possible.

Кроме того, построение заявляемой системы с использованием средних круговых орбит 2, 3 позволяет эксплуатировать недорогие малогабаритные космические аппараты, что в целом позволяет создать экономичную систему спутниковой связи, в том числе за счет упрощения выведения искусственных спутников 1 на каждую орбиту посредством групповых запусков. Небольшая высота орбит 8070 км улучшает энергетику радиолиний по сравнению с ИС, расположенными на геостационарной орбите, так как на такой высоте орбит значительно уменьшаются потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве по сравнению с космическими аппаратами на геостационарной орбите.In addition, the construction of the proposed system using medium circular orbits 2, 3 allows you to operate low-cost small-sized spacecraft, which generally allows you to create an economical satellite communications system, including by simplifying the launch of artificial satellites 1 into each orbit through group launches. A low orbital altitude of 8070 km improves the energy of radio links compared to ISs located in geostationary orbit, since at such an orbital altitude, losses due to the propagation of electromagnetic waves in free space are significantly reduced compared to spacecraft in geostationary orbit.

Как было сказано выше, наибольшая плотность населения (человек на кв.км) приходится на земную поверхность в диапазоне широт от 40° с.ш. до 20° ю.ш. Поэтому именно для таких широт требуется максимальная кратность покрытия (количество одновременно видимых искусственных спутников с углом места не менее 15°), что достигается в патентуемой системе связи.As mentioned above, the highest population density (persons per sq. km) falls on the earth's surface in the latitude range from 40 ° N.L. up to 20°S Therefore, it is for such latitudes that the maximum multiplicity of coverage is required (the number of simultaneously visible artificial satellites with an elevation angle of at least 15°), which is achieved in the patented communication system.

В таблице 2 представлены сравнительные характеристики кратности покрытия земной поверхности для известной и патентуемой спутниковых систем.Table 2 presents the comparative characteristics of the coverage ratio of the earth's surface for known and patented satellite systems.

Figure 00000002
Figure 00000002

Как видно из приведенных данных, в заявляемой системе кратность покрытия для широт с максимальной плотностью населения, лежащей в диапазоне от 40° с.ш. до 20° ю.ш., выше, чем в известной из прототипа спутниковой системе. В таблице 2 сравниваемые показатели кратности покрытия в диапазоне от 40° с.ш. до 0° (от 40° ю.ш. до 0°) для наглядности выделены. Повышенная по сравнению с известной из прототипа системой связи кратность покрытия позволяет увеличивать количество обслуживаемых пользователей при равном качестве обслуживания.As can be seen from the above data, in the claimed system, the coverage ratio for latitudes with a maximum population density lying in the range from 40 ° N.L. up to 20° S, higher than known from the prototype satellite system. Table 2 compares coverage ratios in the range from 40°N. to 0° (from 40° S to 0°) are highlighted for clarity. Increased in comparison with the known from the prototype communication system multiplicity of coverage allows you to increase the number of users served with equal quality of service.

Настоящее изобретение предусматривает размещение на двух круговых орбитах большего числа искусственных спутников, например семь или более. Для достижения 100% глобального покрытия угол места будет увеличиваться, что позволит снизить уровень радиошума, однако одновременно увеличивает стоимость системы в целом.The present invention provides for the placement of more artificial satellites in two circular orbits, for example seven or more. To achieve 100% global coverage, the elevation angle will increase, which will reduce the radio noise level, but at the same time increase the cost of the system as a whole.

Таким образом использование предлагаемого изобретения обеспечивает создание экономичной системы спутниковой связи, обеспечивающей 100% покрытия земной поверхности для углов места не менее 15° и максимальной кратностью покрытия для широт в диапазоне от 40° с.ш. до 20° ю.ш.Thus, the use of the proposed invention ensures the creation of an economical satellite communication system that provides 100% coverage of the earth's surface for elevation angles of at least 15° and a maximum coverage ratio for latitudes in the range from 40° N. latitude. up to 20° S

Claims (4)

1. Глобальная система спутниковой связи с использованием средних круговых орбит, включающая сеть наземных пунктов и орбитальную группировку из двенадцати искусственных спутников, размещенных на соответствующих средних круговых орбитах и оснащенных аппаратурой связи с сетью наземных пунктов, размещенных в зоне обслуживания и обеспечивающих связь через указанные искусственные спутники, отличающаяся тем, что искусственные спутники размещены на двух средних круговых орбитах, на каждой из которых размещено по шесть искусственных спутников в двух орбитальных плоскостях, причем первая из указанных двух средних круговых орбит имеет полярное наклонение, равное 90°, а вторая из указанных двух средних круговых орбит имеет экваториальное наклонение, равное 0°.1. Global satellite communication system using medium circular orbits, including a network of ground stations and an orbital constellation of twelve artificial satellites located in the corresponding medium circular orbits and equipped with communication equipment with a network of ground stations located in the service area and providing communication through the indicated artificial satellites , characterized in that the artificial satellites are placed in two medium circular orbits, each of which has six artificial satellites in two orbital planes, the first of the two medium circular orbits having a polar inclination equal to 90°, and the second of the two medium circular orbits have an equatorial inclination of 0°. 2. Глобальная система спутниковой связи по п. 1, отличающаяся тем, что искусственные спутники размещены на каждой из двух средних круговых орбит на равном расстоянии один от другого с фазовым сдвигом 60°.2. The global satellite communication system according to claim 1, characterized in that the artificial satellites are placed on each of the two medium circular orbits at an equal distance from one another with a phase shift of 60°. 3. Глобальная система спутниковой связи по п. 2, отличающаяся тем, что искусственные спутники размещены на смежных средних круговых орбитах с минимальным фазовым сдвигом 30°.3. The global satellite communications system according to claim 2, characterized in that the artificial satellites are placed in adjacent medium circular orbits with a minimum phase shift of 30°. 4. Глобальная система спутниковой связи по п. 1, отличающаяся тем, что на каждой из двух средних круговых орбитах размещено по меньшей мере по одному дополнительному искусственному спутнику.4. The global satellite communications system according to claim 1, characterized in that at least one additional artificial satellite is placed on each of the two medium circular orbits.
RU2022114751A 2022-06-01 Global satellite communications using medium circular orbits RU2791102C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791102C1 true RU2791102C1 (en) 2023-03-02

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2169433C1 (en) * 1999-10-05 2001-06-20 Клепиков Игорь Алексеевич Multifunctional space telecommunication system
RU2660113C1 (en) * 2017-09-26 2018-07-05 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Global multifunctional info-communication satellite system
RU2695540C2 (en) * 2016-12-12 2019-07-24 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Global satellite communication system on medium circular orbits
US10381748B2 (en) * 2016-03-29 2019-08-13 Space Systems/Loral, Llc Satellite system with handover for multiple gateways

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2169433C1 (en) * 1999-10-05 2001-06-20 Клепиков Игорь Алексеевич Multifunctional space telecommunication system
US10381748B2 (en) * 2016-03-29 2019-08-13 Space Systems/Loral, Llc Satellite system with handover for multiple gateways
RU2695540C2 (en) * 2016-12-12 2019-07-24 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Global satellite communication system on medium circular orbits
RU2660113C1 (en) * 2017-09-26 2018-07-05 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Global multifunctional info-communication satellite system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6352222B1 (en) Satellite, satellite control method and satellite communication system
US4854527A (en) Tetrahedral multi-satellite continuous-coverage constellation
RU2278472C2 (en) Improved system and method for organization of system of non-geostationary satellites, not creating any interference with operation of satellites, positioned on geostationary ring
US5931417A (en) Non-geostationary orbit satellite constellation for continuous coverage of northern latitudes above 25° and its extension to global coverage tailored to the distribution of populated land masses on earth
US6011951A (en) Technique for sharing radio frequency spectrum in multiple satellite communication systems
CA2255220C (en) Efficient high latitude service area satellite mobile broadcasting systems
US11735818B2 (en) One-dimensional phased array antenna and methods of steering same
US5995841A (en) Technique for sharing radio frequency spectrum in multiple satellite communication systems
EP1471664A2 (en) Satellite communication system utilizing highly inclined, highly elliptic orbits
RU2791102C1 (en) Global satellite communications using medium circular orbits
WO2020247552A1 (en) Tilted earth-based antenna systems and methods of tilting for communication with a satellite system
Cheruku Satellite communication
Thompson et al. Design and analysis of lunar communication and navigation satellite constellation architectures
US20240187089A1 (en) Tilted earth-based antenna systems and methods of tilting for communication with a satellite system
CN113553695B (en) Method for giving consideration to asteroid early warning and asteroid cataloguing in sun direction
Padoan Methods for assessing the coverage performance of satellite constellations
Rosetti et al. NAVSAT: a global satellite based navigation system
Doniants et al. Satellite Networks using Mid-Altitude Elliptical Orbit Constellation\Molniya-Zond\""
RU2168865C1 (en) Satellite system of regional communication with use of elliptical orbits
RU2062550C1 (en) Satellite communication system
Klinkert Satellite orbit determination with the global educational network for satellite operations (GENSO)
INAMIYA et al. A Conceptual Study of a Navigation and Communication Satellite System
Lee et al. Complete lunar exploration coverage analysis
JP2000036786A (en) Artificial satellite of orbit with long stay time in direction of zenith, orbit control method therefor and communication system using the same
Bulanov Thesis for Doctor’s Degree