RU72804U1

RU72804U1 - SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM

Info

Publication number: RU72804U1
Application number: RU2007148595/22U
Authority: RU
Inventors: Евгений Федорович Камнев; Александр Сергеевич Белов; Аркадий Израилович Аболиц
Original assignee: Евгений Федорович Камнев
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-04-27

Abstract

Полезная модель направлена на упрощение и удешевление системы при одновременном повышении энергопотенциала и помехоустойчивости, поскольку не требует создания сложных электромеханических и электронных антенных конструкций. Указанный технический результат достигается тем, что каждый спутник оснащен бортовым ретрансляционным комплексом, включающим в себя передающую антенну и N независимых разнесенных в пространстве, направленных в определенную общую область земной поверхности однолучевых широкоугольных приемных антенн, выход каждой из которых подключен на один из N входов устройства когерентного сложения сигналов, находящегося в составе приемного тракта ретрансляции. Упомянутое устройство выполнено в виде процессора адаптивной обработки и усиления разнесенных сигналов, общий выход которого соединен со входом передающего тракта ретрансляции. 2 илл.The utility model is aimed at simplifying and reducing the cost of the system while increasing the energy potential and noise immunity, since it does not require the creation of complex electromechanical and electronic antenna structures. The specified technical result is achieved by the fact that each satellite is equipped with an onboard relay complex, which includes a transmitting antenna and N independent spaced in space, directed to a specific common region of the earth's surface of single-beam wide-angle receiving antennas, the output of each of which is connected to one of the N inputs of the coherent device addition of signals located in the receiving path of the relay. The said device is made in the form of a processor for adaptive processing and amplification of diversity signals, the common output of which is connected to the input of the transmitting relay channel. 2 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использована в спутниковых системах связи.The proposed utility model relates to the field of radio communications and can be used in satellite communication systems.

В настоящее время существуют системы связи, использующие для передачи информации спутниковые радиоканалы. Главным показателем эффективности линий спутниковой связи является энергочастотный потенциал, определяемый полосой частот ретрансляции и энергопотенциалами участков Земля - космический аппарат и космический аппарат - Земля и определяющий пропускную способность и помехоустойчивость линий спутниковой связи.Currently, there are communication systems using satellite radio channels for transmitting information. The main indicator of the effectiveness of satellite communications lines is the energy frequency potential, determined by the frequency band of the relay and the energy potentials of the Earth - spacecraft and spacecraft - Earth and determining the bandwidth and noise immunity of satellite communications lines.

Известно, что линии спутниковой связи, содержащие одну широкоугольную приемную антенну, используемую обычно для формирования глобальной или близкой к ней зоны обслуживания, обладают низким энергопотенциалом участка Земля - космический аппарат, а также низкой помехоустойчивостью. (1)It is known that satellite communication lines containing one wide-angle receiving antenna, which is usually used to form a global or close service area, have a low energy potential of the Earth - spacecraft section, as well as low noise immunity. (one)

Несмотря на постоянное увеличение энергооснащения разрабатываемых бортовых радиотехнических комплексов необходимость повышения энергочастотного потенциала не теряет своей актуальности на протяжении полувека. В связи с указанными особенностями развития систем спутниковой связи все более пристальное внимание уделяется увеличению эффективной площади антенных устройств прежде всего бортовых, поскольку к большинству земных станций обычно предъявляются требования простоты, легкости и низкой стоимости. Наиболее яркая тенденция последних лет, как в России, так и за рубежом, проявляется в исследованиях и создании крупноапертурных многолучевых антенн, в частности, развертываемых в Despite the constant increase in energy equipment of the developed on-board radio-technical complexes, the need to increase the energy-frequency potential does not lose its relevance for half a century. In connection with these features of the development of satellite communication systems, more and more attention is paid to increasing the effective area of antenna devices, primarily on-board, since the requirements of simplicity, lightness and low cost are usually imposed on most earth stations. The most striking trend in recent years, both in Russia and abroad, is manifested in research and the creation of large-aperture multipath antennas, in particular, deployed in

космосе после выведения космического аппарата на орбиту. Первыми примерами стали системы подвижной и персональной спутниковой связи на геостационарной орбите со спутниками Гаруда, Турайа, Инмарсат-4 Вместе с тем, очевидно, что применение многолучевых антенн указанного типа весьма проблематично в тех случаях, когда используется негеостационарные орбиты для регионального (национального) обслуживания, примером которого являются системы спутниковой связи с космическими аппаратами, выводимыми на высокоэллиптические орбиты. Нетрудно представить, что даже при нахождении космического аппарата вблизи апогея в течение некоторого времени для поддержания фиксированных парциальных зон покрытия лучей требуется сложная в реализации система ориентации антенны, не совмещаемая в общем случае с системой ориентации на центр Земли и стабилизации космического аппарата. При движении в пределах всего рабочего участка эллиптической орбиты помимо осевого смещения лучей будут происходить более существенные изменения формы и размеров парциальных зон, а также и дальности до земных станций. В таких ситуациях альтернативный принцип незакрепленных, скользящих лучей, подобный применяемому в системах спутниковой связи на низких орбитах, если и будет возможен, то при непрерывном по пространству и во времени покрытии зон обслуживания, что принципиально не исключается, но приводит к существенному возрастанию числа космических аппаратов и, в итоге, усложнению и удорожанию системы.space after putting the spacecraft into orbit. The first examples were systems of mobile and personal satellite communications in geostationary orbit with the Garuda, Turaia, Inmarsat-4 satellites. However, it is obvious that the use of multi-beam antennas of this type is very problematic when non-geostationary orbits are used for regional (national) service, an example of which are satellite communications systems with spacecraft launched into highly elliptical orbits. It is easy to imagine that even when the spacecraft has been near the apogee for some time, maintaining a fixed partial ray coverage zone requires a complex antenna orientation system that is not compatible in general with the system of orientation to the center of the Earth and stabilization of the spacecraft. When moving within the entire working area of an elliptical orbit, in addition to the axial displacement of the rays, more significant changes in the shape and size of the partial zones, as well as the distance to earth stations, will occur. In such situations, an alternative principle of loose, moving beams, similar to that used in satellite communications systems in low orbits, if it is possible, then with continuous coverage in space and time of service areas, which is not fundamentally excluded, but leads to a significant increase in the number of spacecraft and, as a result, the complexity and cost of the system.

Известна система спутниковой связи, описанная в заявке №2005125001 на изобретение (2). Данная система спутниковой связи включает в себя наземные объекты, взаимодействующие между собой через орбитальную группировку спутников связи, перемещающихся по низкой эллиптической орбите, которая имеет наклонение около 63,4 градуса. В состав каждого спутника связи введены многолучевая фазированная антенная решетка передачи, многолучевая фазированная антенная решетка приема, управляющие входы которой соединены с выходами блока угловой ориентации и стабилизации A known satellite communications system described in the application No. 2005125001 for the invention (2). This satellite communication system includes ground-based objects interacting with each other through an orbital constellation of communication satellites moving in a low elliptical orbit, which has an inclination of about 63.4 degrees. Each communication satellite has a multipath phased antenna transmission array, a multipath phased reception antenna array, the control inputs of which are connected to the outputs of the angular orientation and stabilization unit

лучей диаграммы направленности в пространстве, причем каждый луч в процессе движения спутника по орбите отслеживает заданный регион с сохранением заданной площади зоны обслуживания. Недостатками этой системы являются ее высокая сложность и стоимость, обусловленные трудностью реализации угловой ориентации и стабилизации лучей в пространстве, а также проблематичность решения этой задачи в сочетании с отслеживанием и поддержанием фиксированных зон обслуживания многолучевой антенной в случае выведения спутника на высокоэллиптическую орбиту.rays of the radiation pattern in space, and each ray in the process of satellite motion in orbit tracks a given region while maintaining a given area of the service area. The disadvantages of this system are its high complexity and cost, due to the difficulty of implementing angular orientation and stabilization of rays in space, as well as the difficulty of solving this problem in combination with tracking and maintaining fixed service areas of a multi-beam antenna in the event of a satellite being placed into a highly elliptical orbit.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в устранении указанных недостатков, а именно, в упрощении и удешевлении системы при одновременном повышении энергопотенциала и помехоустойчивости.The problem to which the proposed utility model is aimed is to eliminate these drawbacks, namely, to simplify and reduce the cost of the system while increasing the energy potential and noise immunity.

Достигаемый технический результат заключается в том, что в системе спутниковой связи, содержащей множество приемо-передающих устройств, установленных на наземных подвижных и/или стационарных объектах и взаимодействующих по радиоканалам связи через группировку сфазированных во времени спутников, выведенных на наклонную эллиптическую орбиту с апогеем в Северном полушарии, при этом каждый спутник оснащен бортовым ретрансляционным комплексом, включающим в себя передающую антенну и N независимых разнесенных в пространстве, направленных в определенную общую область земной поверхности однолучевых широкоугольных приемных антенн, выход каждой приемной антенны подключен на один из N входов устройства когерентного сложения сигналов, выполненного в виде процессора адаптивной обработки и усиления разнесенных сигналов и имеющего общий выход, соединенный со входом передающего тракта бортового ретрансляционного комплекса.The technical result achieved is that in a satellite communication system containing a plurality of transceivers installed on ground mobile and / or stationary objects and interacting via radio channels through a grouping of time-phased satellites placed in an inclined elliptical orbit with a climax in the North hemispheres, with each satellite equipped with an airborne relay complex, which includes a transmitting antenna and N independent to a specific common area of the earth’s surface of single-beam wide-angle receiving antennas, the output of each receiving antenna is connected to one of the N inputs of a coherent signal addition device made in the form of an adaptive processing and amplified signal processor and having a common output connected to the input of the transmitting path of the onboard relay complex.

Сущность полезной модели заключается в том, что упрощение и удешевление системы с одновременным повышением ее энергопотенциала и помехоустойчивости при нахождении спутников на наклонных высокоэллиптических орбитах с апогеем в Северном полушарии The essence of the utility model lies in the fact that the simplification and cheapening of the system while increasing its energy potential and noise immunity when satellites are in inclined highly elliptical orbits with an apogee in the Northern Hemisphere

достигается благодаря увеличению эффективной площади бортовой приемной антенной системы за счет установки на космический аппарат вместо одной широкоугольной приемной антенны N независимых разнесенных в пространстве, направленных в определенную общую область земной поверхности простейших широкоугольных приемных антенн, и адаптивной весовой обработки сигналов в трактах каждой из них, с взаимным фазированием и последующим когерентным сложением по напряжению, а собственных шумов - по мощности, при этом устройство когерентного сложения сигналов (когератор) имеет общий выход, соединенный со входом передающего тракта бортового ретрансляционного комплекса.this is achieved by increasing the effective area of the onboard receiving antenna system by installing on the spacecraft instead of one wide-angle receiving antenna N independent spaced in space directed to a certain common region of the earth's surface simplest wide-angle receiving antennas, and adaptive weighting of the signals in the paths of each of them, with mutual phasing and subsequent coherent addition by voltage, and intrinsic noise by power, while the device of coherent addition signals (coherator) has a common output connected to the input of the transmitting path of the airborne relay complex.

Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами:The utility model is illustrated by the following drawings:

Фиг.1 Структура предлагаемой системы спутниковой связиFigure 1 The structure of the proposed satellite communications system

Фиг.2 Блок-схема бортового ретрансляционного комплексаFigure 2 Block diagram of an airborne relay complex

Полезная модель включает в себя множество приемо-передающих устройств 1, установленных на наземных подвижных и/или стационарных объектах 2, расположенных в Северном полушарии Земли и взаимодействующих между собой по радиоканалам связи через с группировку сфазированных во времени спутников 3, циклически перемещающихся по наклонной высокоэллиптической орбите с наклонением около 63,4 градуса и с апогеем порядка 40000 км над обслуживаемой областью Земной поверхности в Северном полушарии. При этом один из спутников 3 находится в активном состоянии при нахождении вблизи апогея. Каждый спутник 3 оснащен бортовым ретрансляционным комплексом 4, включающим в себя передающую антенну 5 и N независимых разнесенных в пространстве и направленных в обслуживаемую область земной поверхности однолучевых широкоугольных приемных антенн 6. Выход каждой приемной антенны 6 подключен к соответствующему входу устройства когерентного сложения сигналов 7, общий выход которого соединен со входом передающего тракта бортового ретрансляционного комплекса 4. Устройство когерентного сложения сигналов 7 может быть выполнено в виде процессора адаптивной обработки и усиления разнесенных сигналов. Каждый из N входов устройства The utility model includes many transceivers 1 installed on ground-based mobile and / or stationary objects 2 located in the Northern hemisphere of the Earth and interacting with each other via radio channels through a grouping of time-phased satellites 3, cyclically moving in an inclined highly elliptical orbit with an inclination of about 63.4 degrees and with an apogee of about 40,000 km above the served area of the Earth's surface in the Northern Hemisphere. At the same time, one of the satellites 3 is in an active state when it is near its climax. Each satellite 3 is equipped with an airborne relay complex 4, which includes a transmitting antenna 5 and N independently spaced and directed to the serviced area of the earth's surface of single-beam wide-angle receiving antennas 6. The output of each receiving antenna 6 is connected to the corresponding input of the coherent signal addition device 7, common the output of which is connected to the input of the transmitting path of the airborne relay complex 4. The coherent signal addition device 7 can be made in the form of a process litter adaptive processing gain and diversity signals. Each of N device inputs

7 последовательно соединен с первым узкополосным фильтром 8, первым смесителем 9, вторым узкополосным фильтром 10 и с первым входом второго смесителя 11, образующими цепь промежуточной обработки сигналов. Второй вход второго смесителя 11 соединен со входом первого узкополосного фильтра 8, а выход второго смесителя 11 соединен с соответствующим входом сумматора 12. Выход последнего через первый усилитель 13 соединен со входом передающего тракта, содержащего передающую антенну 5, а через второй усилитель 14 - со вторыми входами первых смесителей 9. Все элементы предлагаемой модели могут быть реализованы на базе известных и стандартных технических средств.7 is connected in series with the first narrow-band filter 8, the first mixer 9, the second narrow-band filter 10 and the first input of the second mixer 11, forming an intermediate signal processing circuit. The second input of the second mixer 11 is connected to the input of the first narrow-band filter 8, and the output of the second mixer 11 is connected to the corresponding input of the adder 12. The output of the latter through the first amplifier 13 is connected to the input of the transmission path containing the transmitting antenna 5, and through the second amplifier 14 to the second the inputs of the first mixers 9. All elements of the proposed model can be implemented on the basis of well-known and standard technical means.

Предлагаемая система работает по следующей схеме. Группировка спутников 3, оснащенных бортовыми ретрансляционными комплексами 4, выводится на наклонную высокоэллиптическую орбиту с апогеем в Северном полушарии. Спутники 3 сфазированны во времени так, что при прохождении зоны радиовидимости земных станций они поочередно активизируются и обеспечивают непрерывную радиосвязь со всеми подвижными и/или стационарными объектами 2, являющимися пользователями системы спутниковой связи и расположенными в северном полушарии Земли. Благодаря этому радиосигналы, посылаемые любым приемо-передающим устройством 1, установленным на соответствующем объекте 2, являющемся отправителем информации, принимаются бортовым ретрансляционным комплексом 4 активизированного спутника 3 и после необходимых преобразований направляются в обслуживаемую зону Земли, где они принимаются приемо-передающим устройством 1 другого объекта 2, являющегося адресатом данной информации. Каждая приемная антенна 6 может иметь независимую глобальную в пределах всей зоны радиовидимости спутника или усеченную зональную диаграмму направленности. В каждом конкретном случае энергетические уровни радиосигналов, принимаемых отдельными антеннами 6, обуславливаются реальной текущей взаимной ориентацией и взаимным удалением объекта-отправителя 2 и приемной антенны 6 спутника 3. Выход каждой приемной антенны 6 подключен к The proposed system operates as follows. The constellation of satellites 3 equipped with airborne relay complexes 4 is launched into an inclined highly elliptical orbit with an apogee in the Northern Hemisphere. Satellites 3 are phased in time so that when they pass through the radio visibility zone of earth stations, they are alternately activated and provide continuous radio communication with all mobile and / or stationary objects 2 that are users of the satellite communications system and located in the northern hemisphere of the Earth. Due to this, the radio signals sent by any transceiver 1 installed on the corresponding object 2, which is the sender of information, are received by the airborne relay complex 4 of the activated satellite 3 and, after necessary transformations, are sent to the Earth’s served area, where they are received by the transceiver 1 of another object 2, which is the addressee of this information. Each receiving antenna 6 may have an independent global within the entire radio-visibility zone of the satellite or a truncated zonal radiation pattern. In each case, the energy levels of the radio signals received by individual antennas 6 are determined by the actual current relative orientation and mutual removal of the sending object 2 and the receiving antenna 6 of satellite 3. The output of each receiving antenna 6 is connected to

соответствующему входу устройства когерентного сложения принимаемых сигналов 7, где эти сигналы подвергается следующим преобразованиям. В первом узкополосном фильтре 8 из общего спектра принятых радиоволн выделяются те, которые находятся в рабочем диапазоне частот. Выделенный таким образом сигнал поступает на первый смеситель 9 и узкополосный фильтр 10, и далее в управляемый "взвешивающий" второй смеситель 11, выполняющий функции фазовращателя. Узкополосной фильтр 8, первый смеситель 9, узкополосный фильтр 10 и второй смеситель 11 образуют цепь промежуточной обработки сигналов. Выходные напряжения N этих цепей линейно суммируются в сумматоре 12, усиливаются первым усилителем 13 и направляются на вход передающего тракта с антенной 5 для дальнейшей ретрансляции. Одновременно суммарный сигнал, формируемый первым усилителем 13, подвергается предварительному ограничению и усилению во втором усилителе 14 и подается по петле положительной обратной связи на вторые входы первых смесителей 9. После взвешивания во вторых смесителях 11 фазы входных сигналов всех цепей приводятся к единой фазе полезной составляющей суммарного сигнала, а амплитуды остаются пропорциональными их весовым коэффициентам. В результате таких преобразовании полезные сигналы суммируются по напряжению, а собственные шумы - по мощности, благодаря чему повышается помехоустойчивость системы.the corresponding input of the device coherent addition of the received signals 7, where these signals are subjected to the following transformations. In the first narrow-band filter 8 from the general spectrum of received radio waves are allocated those that are in the operating frequency range. The signal thus extracted is fed to the first mixer 9 and the narrow-band filter 10, and then to the controlled "weighing" second mixer 11, which performs the functions of a phase shifter. The narrow-band filter 8, the first mixer 9, the narrow-band filter 10 and the second mixer 11 form an intermediate signal processing circuit. The output voltages N of these circuits are linearly summed in the adder 12, amplified by the first amplifier 13, and sent to the input of the transmitting path with antenna 5 for further relaying. At the same time, the total signal generated by the first amplifier 13 is subjected to preliminary limitation and amplification in the second amplifier 14 and is fed through a positive feedback loop to the second inputs of the first mixers 9. After weighing in the second mixers 11, the phases of the input signals of all circuits are reduced to a single phase of the useful component of the total signal, and the amplitudes remain proportional to their weights. As a result of such conversions, useful signals are summed over voltage, and intrinsic noise - over power, which increases the noise immunity of the system.

В данном примере устройство когерентного сложения 7 настроено на определенную частотную полосу, в которой работает то или иное приемопередающее устройство 1, установленное на соответствующем объекте 2. Для ретрансляции сигналов в другой полосе частот должен использоваться отдельный частотно-селективный когератор.In this example, the coherent addition device 7 is tuned to a certain frequency band in which one or another transceiver 1 operates, installed on the corresponding object 2. For relaying signals in a different frequency band, a separate frequency-selective coherer should be used.

Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает упрощение и удешевление системы по сравнению с системами, оснащенными многолучевыми антеннами или фазированными антенными решетками, поскольку не требуется создание сложных, крупногабаритных электромеханических и электронных антенных конструкций больших Thus, the proposed utility model simplifies and reduces the cost of the system compared to systems equipped with multi-beam antennas or phased antenna arrays, since the creation of complex, large-sized electromechanical and electronic antenna designs of large

размеров, не умещающихся под обтекателем ракетоносителя и потому раскрываемых в космосе. Одновременно исчезает необходимость электронного фазирования и юстировки электромагнитного поля антенн для формирования лучей заданной диаграммы направленности, т.к. снимается требование высокоточной ориентации и прицеливания лучей в ту или иную точку земной поверхности. Также предлагаемая полезная модель позволяет повысить энергопотенциал и помехоустойчивость системы по сравнению с системой, содержащей одну широкоугольную приемную антенну.sizes that do not fit under the fairing of the rocket carrier and therefore disclosed in space. At the same time, the need for electronic phasing and alignment of the electromagnetic field of antennas to form the rays of a given radiation pattern disappears, since the requirement of high-precision orientation and aiming of rays in one or another point of the earth's surface is removed. Also, the proposed utility model allows to increase the energy potential and noise immunity of the system compared to a system containing one wide-angle receiving antenna.

Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:

1. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. М., ИТИС, 2004.1. Abolits A.I. Satellite communications systems. M., ITIS, 2004.

2. Заявка на изобретение №2005125001 RU, кл. Н04В 7/195 (2006.01) приор. 01.08.20052. Application for invention No. 2005125001 RU, cl. H04B 7/195 (2006.01) prior. 08/01/2005

Claims

A satellite communications system comprising a plurality of transceivers installed on ground mobile and / or stationary objects and interacting via radio channels through a grouping of time-phased satellites placed in an inclined elliptical orbit with an apogee in the Northern Hemisphere, with each satellite equipped with an onboard relay complex, including a transmitting antenna and N independent space-separated, directed to a specific common area of the earth’s surface single beam wide angle x of receive antennas, each output of which is connected to one of the N input signals coherent combining device configured as a processor adaptive processing gain and diversity signals, and having a common output coupled to the input of the transmission path of the relay board complex.