многофункциональная космическая телекоммуникационная система

Формула изобретения

Многофункциональная космическая телекоммуникационная система, предназначенная для передачи цифровой информации от подвижных и стационарных абонентов системы, а также информации с мониторинговых спутников Земли и их коммутации, включающая группы связных спутников, размещенную на круговых орбитах, группу мониторинговых спутников с аппаратурой дистанционного зондирования Земли, произвольно расположенные связные мобильные и стационарные абонентские станции, размещенные в расчетных точках Земли координирующие станции связи, соединенные с наземными ретрансляторами, отличающаяся тем, что группа мониторинговых спутников расположена на низковысотных круговых орбитах, а группы связных спутников расположены на средневысотных круговых орбитах, используют одну группу связных спутников для высокоскоростной связи, а другую - для низкоскоростной связи, каждая из них обеспечивает глобальный обзор земной поверхности зонами радиовидимости своих спутников при минимальных углах места антенн абонентских станций 40°, причем связные спутники обеих групп выполнены в виде унифицированных модулей, наземные ретрансляторы выполнены с возможностью осуществления связи между любыми парами связных спутников и являются региональными станциями управления, а также шлюзами для вхождения в наземные сети связи, координирующие станции связи выполнены совмещенными для высокоскоростной и низкоскоростной связи и содержат устройства маршрутизации сигналов и банки данных на всех абонентов системы и средства для связи с мониторинговыми спутниками и для передачи заявок пользователей на услуги мониторинга и передачи пользователям результатов мониторинга через абонентские станции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к классу глобальных систем мобильной связи 3-го поколения и отвечает всем требованиям МСЭ к этим системам.

Многофункциональная коcмическая телекоммуникационная система (МКТС) строится на базе группировок спутников-ретрансляторов на негеостационарных орбитах и предназначена для обеспечения устойчивой непрерывной одно- и двухсторонней передачи любых видов информации в цифровой форме со скоростями от 1,2 кбит/с до 2048 кбит/с между стационарными и подвижными абонентами, расположенными в любых точках Земного шара, а также для глобального мониторинга земной поверхности.

Система является интегральной и включает в себя низко- и высокоскоростную подсистемы связи и сопряженную с ней подсистему мониторинга.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой системы является глобальная спутниковая система мобильной связи "Iridium" [Л-1], обеспечивающая телефонную связь, передачу данных, пейджинг и другие виды связи со скоростями до 9,6 кбит/с.

Система "Iridium" состоит из космического и земного сегментов.

Космический сегмент системы включает 66 спутников-ретрансляторов на круговых орбитах с высотой 780 км.

Земной сегмент включает региональные и технологические станции управления (Home and Technology Gateway (GW)), являющиеся также шлюзами для вхождения в наземные сети связи, и парк абонентских станций различных модификаций.

Число GW в мире планируется на первом этапе довести до 12, а в последующем до 22. В Российской Федерации и странах СНГ планируется всего 2 GW - в центре и на востоке страны.

Связность системы, т.е. возможность обеспечения непрерывной связи между абонентами, расположенными в любых точках мира, осуществляется с помощью межспутниковых линий связи (МЛС), для чего на каждом КА устанавливают 4 ретранслятора - два для связи с КА на своей орбите (спереди и сзади) и два с КА на соседних орбитах.

Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) КА является сложным радиотехническим устройством регенеративного типа.

Кроме упомянутых межспутниковых ретрансляторов, в его состав входят следующие устройства: ретранслятор сигналов абонентских станций с многолучевой антенной: ретранслятор сигналов GW, демодуляторы и декодеры для всех приходящих сигналов: устройство оперативной памяти на всех абонентов системы (а их предполагается иметь несколько миллионов) и их координаты, а также на свободные каналы на всех КА системы (1400 каналов на каждом КА); маршрутизаторы, определяющие маршрут прохождения сигналов по заявкам абонентов: формирователи новых потоков сигналов для всех 37 лучей многолучевой антенны и др.

Абонентские подвижные станции (простейшая из них типа "трубки") должны работать при очень малых минимальных углах места 10^o, что создает трудности при работе на местности за счет затенений сигнала от местных предметов (домов, сооружений, деревьев, складок местности и т.д.).

Связь "абонент-абонент" через систему "Iridium" осуществляется только в случае, если оба абонента имеют станции этой системы. Если же абонент наземной телефонной, сотовой или других сетей связи захочет через систему "Iridium" связаться с другим стационарным или подвижным абонентом, то для входа в систему "Iridium" и выхода из нее, его сигналу потребуется пройти еще путь по наземным линиям связи до ближайших GW, выполняющих роль шлюзов.

Так, например, для прохождения сигнала от одного стационарного абонента с домашним телефоном А₁ к другому с сотовым телефоном А₂ надо пройти по цепочке: тлф А₁ - наземная линия связи - GW₁ - КА₁ - МЛС₁-...- МЛС_n - КА_n - GW_n - наземная линия связи - сотовый тлф А₂. Если один абонент находится в районе Казахстана, а второй на Камчатке, то сигнал первого абонента должен пройти сотни километров по абонируемым наземным линиям связи до района Москвы, где расположен один из GW, войти в систему "Iridium", пройти по цепочке КА, а затем в районе Хабаровска, где установлен другой GW, выйти из системы и опять-таки по протяженным наземным линиям связи дойти до второго абонента на Камчатке.

К основным недостаткам системы "Iridium" следует отнести:

1) Низкие скорости передачи информации, что не соответствует требованиям МСЭ к мобильным системам 3-го поколения.

2) Большую протяженность наземных линий связи, которые необходимо абонировать, чтобы стационарный абонент локальной телефонной, сотовой и других сетей связи, имеющихся в данном регионе, мог войти через ближайший GW в систему "Iridium" или выйти из нее. А это наиболее частный случай, когда один из абонентов, или даже оба абонента, находятся либо у домашнего или офисного телефона, либо в движении с сотовым телефоном.

3) Обеспечение связности системы через межспутниковые линии связи, что резко усложняет бортовой ретрансляционный комплекс КА, поскольку требует установки на нем 4-х межспутниковых ретрансляторов, каждый из которых должен поддерживать непрерывную связь узким лучом со всеми соседними КА, что особенно сложно с КА на соседних орбитах, которые постоянно совершают эволюции относительно данного КА по углу и по расстоянию.

4) Сложность БРК возрастает также за счет того, что он должен хранить и обрабатывать огромное количество информации о миллионах абонентов системы и их координатах, а также о свободных каналах на всех КА, причем все эти данные должны непрерывно обновляться, что существенно увеличивает нагрузку на служебные каналы.

5) Малая высота космической группировки КА (780 км) требует для глобального покрытия Земной поверхности зонами радиовидимости большого количества КА (66) даже при очень низких минимальных углах места абонентских станций. Кроме того, при низких высотах КА высока динамика условий связи при движении КА по орбитам, что приводит в процессе ведения связи к частой смене КА и увеличению числа ретрансляций на маршруте от одного абонента к другому.

6) Низкие минимальные углы места абонентских станций (10^o), что резко ухудшает условия связи за счет различного рода затенений на пути сигнала от абонентской станции до КА и в обратном направлении.

Как отмечалось ранее, предлагаемая многофункциональная космическая телекоммуникационная система включает подсистему связи и опирающуюся на нее подсистему мониторинга.

Подсистемы связи строятся на базе среднеорбитальных спутников-ретрансляторов и обеспечивают высококачественную телефонную связь, видеоконференцсвязь, передачу изображений, межмашинный обмен, доступ в "Internet" и другие услуги мультимедиа в глобальных масштабах со скоростями от 1,2 кбит/с до 2948 кбит/с.

В отличие прототипа связность в них осуществляется с помощью наземных ретрансляторов, включаемых в состав станций управления (координирующих станций) и расположенных в расчетных точках земной поверхности в местах пересечения зон радиовидимости соседних КА.

Система состоит из космического и земного сегментов.

Космический сегмент включает 3 группировки космических аппаратов (КА) - для подсистемы высоко- и низкоскоростной связи и мониторинга. Первые две группировки включают по 24 КА на орбитах с высотой 10360 км, а группировка мониторинга включает 8-12 КА на высоте 600 км.

Земной сегмент состоит из 12-14 координирующих станций, совмещенных со станциями управления подсистемы мониторинга и выполняющих роль региональных станций управления и наземных ретрансляторов, а также парка подвижных и стационарных абонентских станций низко- и высокоскоростной связи, в т.ч. персональных носимых станций; станций, размещаемых на подвижных средствах и портативных стационарных станций. Последние используются как групповые станции или располагаются на местных телефонных станциях, объединяющих сеть телефонных аппаратов, или на ретрансляционных станциях сотовой сети, на которые выходят абоненты с сотовыми аппаратами. Координирующие станции соединены с взаимоувязанной сетью связи (ВСС) страны, на которую выходят и провайдеры Интернет. Подключение к ВСС и Интернет осуществляется также через стационарные абонентские станции.

Пропускная способность системы: 9800 каналов со скоростью 2,4 кбит/с - для низкоскоростной связи и 3,9 Гбит/с - для высокоскоростной связи. Работа подвижных абонентских станций осуществляется в диапазоне 2,2/2,6 ГГц - для низкоскоростной связи и 20/30 ГГц - для высокоскоростной связи. Фидерные линии, осуществляющие связь с координирующими станциями, и стационарные абонентские станции работают в диапазоне 10/12 ГГц.

Методы передачи информации: на линии "вверх" - многостанционный доступ с кодовым уплотнением на ряде частот (МДКР/МДЧР), на линии "вниз" - с временным уплотнением (МДВР).

Вид модуляции - частотная манипуляция с малым сдвигом (ММС), кодирование - каскадное (сверточное плюс код Рида-Соломона).

Бортовой ретрансляционный комплекс является ретранслятором регенеративного типа, т.е. с обработкой сигналов (демодуляцией и декодированием) и их коммутацией. Служебные сигналы (вызов, запрос, ответ и др.) передаются через ближайший КА по фидерным линиям прямо на координирующую станцию, которая, имея информацию о всех абонентах системы и их координатах, а также данные о свободных каналах на всех КА, осуществляет прокладку маршрутов прохождения сигналов от одного абонента к другому и дает команду об их коммутации на КА. Если вызываемый абонент находится в зоне радиовидимости другого КА, то координирующая станция осуществляет функции наземного ретранслятора и передает сигнал в соответствии с разработанным маршрутом на соседний КА и т.д., пока сигнал не дойдет до КА, в зоне которого вызываемый абонент.

Чтобы исключить дорогостоящие наземные линии связи от стационарных абонентов до ближайшей КС (большого шлюза), в подсистеме низкоскоростной связи предусматривается парк портативных стационарных абонентских станций (САС) типа VSAT, которые выполняют роль мини-шлюзов и устанавливаются на местных телефонных станциях, ретрансляторах сотовых сетей и др., что позволяет абонентам, имеющим любое средство связи - домашний или офисный телефон, сотовый телефон любого стандарта, терминал "Internet" и др., войти в спутниковую систему связи "Ростелесат" и связаться с любым другим абонентом в любой части мира, то есть система "Ростелесат" осуществляет глобальный роуминг любых локальных систем связи.

В подсистеме высокоскоростной связи малых шлюзов также выполняют все стационарные станции. Схема прохождения сигнала от одного стационарного абонента А₁ с любым терминалом связи через предлагаемую глобальную систему к другому абоненту А₂ выглядит следующим образом:

А₁-САС₁-КА₁-КС₁-КА₂ -...- КА_n-CFC_n-А₂.

Если один или оба абонента имеют станции системы "Ростелесат", то сигнал с них направляется непосредственно на КА или с КА абоненту.

Организация связи в системе осуществляется следующим образом: вызов от подвижного или стационарного абонента системы на любой вид связи направляется по служебному каналу на КА и далее по фидерной линии передается на координирующую станцию ,которая, имея адреса (координаты) всех абонентов, эфемериды движения КА и данные о свободных каналах, определяет маршрут прохождения сигналов и посылает вызов вызываемому абоненту (если последний находится в зоне другого КА, то через соответствующую координирующую станцию).

Если вызываемый абонент дает согласие на связь, координирующая станция назначает обоим абонентам канал (или каналы при дуплексной связи) и осуществляет коммутацию, а после окончания сеанса фиксирует вид и продолжительность на предмет ее последующей оплаты и отключает каналы. Связь между абонентами в зоне одного КА после коммутации каналов осуществляется напрямую, координирующая станция осуществляет только контрольные функции.

Передача сигналов в системе, как правило, будет осуществляться в пакетном режиме по протоколам АТМ, кроме дуплексной телефонной связи, которая будет осуществляться по скоммутированному на время сеанса постоянному соединению "абонент-абонент".

Учитывая неравномерность размещения абонентов системы на местности, пропускная способность ячеек многолучевых антенн БРК в определенных пределах регулируется переключение частотных полос из соседних лучей.

Таким образом, основными преимуществами предлагаемой системы по сравнению с системой "Iridium", обладающие, по мнению авторов, отличительными признаками изобретения, являются следующие:

1) Возможность передачи не только низкоскоростной, но и высокоскоростной мультимедийной информации со скоростями до 2948 кбит/с.

2) Новый способ обеспечения связности системы - через наземные ретрансляторы вместо межспутниковых линий связи.

3) Перенос с бортового ретрансляционного комплекса КА на координирующие станции всех основных устройств, в том числе межспутниковых ретрансляторов и устройств, обеспечивающих функции связи в системе, что существенно его упрощает.

4) Включение в систему связи, наряду с персональными носимыми и другими подвижными станциями, парка низко- и высокоскоростных стационарных абонентских станций, используемых в качестве мини-шлюзов для входа абонентов наземных сетей связи в спутниковую систему и исключающих необходимость абонирования наземных линий связи от стационарного абонента до входа в систему через координирующие станции (большие шлюзы).

5) Перевод КА с низких орбит на средние, что дает уменьшение количества КА в группировке и станций управления, необходимых для глобального обслуживания абонентов, и повышение качества связи за счет уменьшения динамики изменений условий связи при движении КА по орбитам и числа ретрансляций, а также за счет повышения минимальных углов места абонентских станций до 40^o.

Поскольку в данной заявке предлагается только способ интеграции подсистемы мониторинга с подсистемами связи, а не она сама, то описывать ее аналоги не представляется необходимым.

Космическая группировка мониторинга делится на КА оптического и радиолокационного наблюдения.

На КА оптического мониторинга аппаратура строится по модульному принципу. Каждый модуль представляет собой независимое оптико-электронное устройство, имеющее свой собственный информационный выход. Сопряжение модулей и увязка их в единую систему достигается соответствующим перенацеливанием их оптических осей.

В качестве модулей используются крупноформатные фоточувствительные матрицы ПЗС строчно-кадрового типа, работающих в прогрессивном режиме, или широкоформатные фоточувствительные линейки ПЗС.

Основные информационные характеристики модулей (линейное разрешение на местности и полоса захвата) выбраны, исходя из требований потребительского рынка мониторинговых услуг. Модули способны функционировать как в панхроматическом, так и в спектрозональном режимах съемки. На каждом КА размещаются 2-4 модуля.

На КА радиолокационного наблюдения в качестве модуля используется радиолокатор бокового обзора разработки НПО "Вега".

С целью ускорения получения и доведения требуемой мониторинговой информации до пользователей заявки на мониторинг того или иного объекта или территории передаются по каналам связи сразу на ту станцию управления (координирующую станцию), в зоне которой находится требуемый спутник, а после получения на нем информации она сбрасывается на ближайшую станцию управления и после обработки опять-таки по каналам низко- или высокоскоростной связи (в зависимости от ее вида) в реальном масштабе времени передается пользователям в любую точку земной поверхности.

Предлагаемая система, наряду с функциональными элементами системы-прототипа, содержит в себе также ряд элементов других систем, представленных в опубликованных проектах: Globalstar, ICO, Teledesic, Skybridge, Spot, Landsat и др. Однако Globalstar и ICO представляют собой низкоскоростные системы спутниковой связи и не являются глобальными; они ориентированы на минимальный угол работы абонентских станций 10^o (что крайне ограничивает абонентам выбор места для надежной связи), требуют использования абонируемых внешних каналов связи для выхода в спутниковую систему абонентов наземных сетей (телефонных, сотовых и др.). Системы Teledesic и Skybridge являются высокоскоростными системами спутниковой связи, выполняющими лишь часть функций предлагаемой системы. Это же ограничение присуще и мониторинговым системам Spot и Landsat.

Единственно предлагаемая система "Ростелесат" является универсальной, совмещающей в себе функции всех перечисленных систем, причем она основана не на дублировании отдельных входящих в нее подсистемы, элементов и устройств, а на их взаимном дополнении или унификации. Поэтому стоимость разработки предлагаемой системы относительно низка, а предполагаемые тарифы минимальны, что позволяет считать ее высокорентабельной и конкурентоспособной. В указанных достоинствах предлагаемой системы и состоит технический результат от выполнения изобретения.