Патент на изобретение №2310275

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ ОРБИТАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ГРУППИРОВКИ СПУТНИКОВ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ

(57) Реферат:

Использование: для управления электропотреблением космической группировки спутников при прохождении спутниками теневых участков орбиты. Технический результат: повышение надежности обеспечения связи. Способ включает определение мощности электропотребления каждым из бортовых ретрансляторов, установленных на спутниках, а также отключение бортовых ретрансляторов в моменты времени входа спутников на теневые участки орбиты и подключение после выхода из них. Дополнительно до момента времени входа каждого из спутников на соответствующий теневой участок орбиты определяют продолжительность времени прохождения им указанного участка, количество потребляемой электроэнергии каждым из ретрансляторов и суммарное количество электроэнергии, потребляемое ретрансляторами каждого спутника на этом участке. Определяют баланс между запасами аккумулированной энергии каждого спутника и ее потреблением на теневом участке орбиты. Группируют спутники с пересекающимися по времени теневыми участками на спутники с положительным и отрицательным балансом электропотребления, а также спутники с сбалансированным электропотреблением. Для подгруппы с отрицательным балансом определяют в космической группировке спутники-дублеры, находящиеся на освещенных участках орбит. Перед началом прохождения теневого участка указанной подгруппой спутников переключают работающие ретрансляторы на спутники-дублеры для обеспечения сбалансированности или положительного баланса электропотребления. При отрицательном балансе электропотребления определяют количество электроэнергии, которую можно заимствовать у спутников-дублеров, и подключают к ним указанные ретрансляторы. Далее производят вышеуказанным образом определение спутников-дублеров в подгруппе спутников с положительным балансом. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к способам и системам спутниковой радиосвязи.

Известные спутниковые системы, предназначенные для глобального охвата зон обслуживания поверхности Земли, классифицируются по орбитальному расстоянию системы спутников, находящихся на: геостационарной орбите (ГСО); низкой околоземной орбите (НОО);средней околоземной орбите (СОО).

Примером системы связи на геостационарных спутниках является система (ИНМАРСАТ) (INMARSAT) (Международная организация морской спутниковой связи).

К основным достоинствам ГСО относятся неподвижность спутника относительно наземного потребителя услуг спутниковой связи, а также значительная высота его положения, позволяющая обслуживать большие территории (до 30% поверхности земного шара одним спутником). Ухудшение энергетики линий связи вследствие удаления спутника на 35800 км от поверхности Земли в настоящее время компенсируется использованием крупноапертурных бортовых антенных систем.

Однако ГСО имеет два существенных недостатка: ограниченная емкость частотно-орбитального ресурса; низкие углы места в средних и высоких широтах, приводящие к невозможности обеспечения связи в приполярных и полярных районах.

Примером спутниковой системы на НОО является система ИРИДИУМ (IRIDIUM), разработанная по заказу фирмы «Моторола».

Преимущество систем на НОО состоит в том, что спутники находятся гораздо ближе к Земле, обеспечивая тем самым более высокое качество связи. Поскольку спутники находятся ближе к Земле, необходима меньшая мощность передатчика и для спутника и для индивидуального передатчика пользователя. Недостаток состоит в том, что требуется примерно 70 спутников, чтобы обеспечить 24-часовой охват большей части точек земного шара. Более того, спутники на НОО гораздо быстрее движутся относительно Земли, вызывая тем самым большое доплеровское смещение и частые переключения связи с одного спутника на другой.

Примером спутниковой системы на СОО является спутниковая система ОДИССЕЙ (ODISSEY), разработанная по заказу фирмы TRW. Орбитальная высота спутников на СОО находится между орбитами ГСО и НОО, обеспечивая более высокое качество связи, чем система на ГСО, при более низкой скорости перемещения и меньшем доплеровском смещении, чем в случае системы на НОО. Более того, система на СОО обеспечивает более или менее 24-часовой охват большей части точек на земной поверхности, используя от 8 до 18 спутников, что дешевле собой ˜70 спутников на НОО.

Хотя СОО представляет собой хороший компромисс между противоречивыми требованиями, она страдает определенным недостатком, состоящим в том, что все спутники должны находиться на месте, прежде чем можно будет считать охват достаточно приемлемым (в процентном отношении имеющегося времени) для абонентов. Это положение было изучено на опыте эксплуатации спутниковой навигационной системы GPS (глобальная навигационная спутниковая система радиоопределения), которая также представляет собой систему СОО. Таким образом, прежде чем можно будет ожидать существенного дохода от выполнения программы системы на СОО, необходимо осуществление многолетней программы и значительные капиталовложения.

В качестве аналога предлагаемого изобретения рассмотрим гибридное решение с использованием спутников на ГСО и СОО, см. [1]. В соответствии с указанным решением предлагается осуществить первоначально запуск геостационарного спутника, обеспечивающего зону охвата радиосвязью региона основного ожидаемого роста радиообмена, но имеющего ограниченную пропускную способность, которая достаточна только для первоначального количества абонентов. После этого осуществляют последовательный запуск ряда спутников на СОО. Вначале спутники на СОО могут дополнять область геостационарного спутника.

Далее по мере запуска спутников на СОО их группировка может обеспечить всю пропускную способность системы. Таким образом, преодолевается основной недостаток системы СОО – слишком длительный период получения рентабельности от начального запуска до получения достаточной пропускной способности системы.

Энергопотребление на борту каждого спутника, входящего в систему, обеспечивается за счет преобразования лучистой солнечной энергии в электрическую при помощи солнечных батарей (СБ) на световых участках орбиты и аккумуляторных электрических батарей на теневых участках орбиты.

Недостаток указанного способа управления энергопотреблением спутниковой системой связи и вещания заключается в том, что при развертывании группировки не учитывается ресурс, вырабатываемый ранее запускаемыми спутниками, в том числе и их аккумуляторными батареями. Для 100%-ного охвата по времени и глобального охвата обслуживаемой территории системой спутников необходимо учитывать их энергопотребление при затенении от Земли и Луны. Только при условии положительного энергобаланса спутников на затененных участках орбит может быть обеспечена работа установленных на них ретрансляторов.

Спутниковая группировка формируется в течение нескольких лет. По мере выработки ресурса аккумуляторами на спутниках, запущенных первыми, происходит уменьшение количества электрической разрядной энергии, которую аккумуляторы могут отдать под бортовую нагрузку.

Следовательно, постепенное уменьшение указанной энергии может через определенное время привести к необходимости отключения части спутниковых ретрансляторов для получения положительного энергобаланса на борту спутников. Тем самым могут быть нарушены условия непрерывности охвата по времени и по территории обеспечения спутниковой связью.

Способ управления электропотреблением системы орбитальной космической группировки спутников связи и вещания с учетом затенения спутников принимается за прототип (см. [2], стр.19-37, 317-349).

Указанный способ включает в себя определение мощности электропотребления каждым из i-х бортовых ретрансляторов (Ni), установленных на j-x спутниках, входящих в состав орбитальной космической группировки. Определено число спутников j=1, 2, 3, … и параметры их орбит при формировании указанной группировки. Определено также число i-x ретрансляторов, где i=1, 2, 3, …, I, установленных на каждом из j-x спутников.

По стандартному баллистическому обеспечению, разработанному, как правило, для каждого из спутников, определяются к-е теневые участки орбиты. Указанных участков может быть от 1 до К (к=1, 2, 3, …, К). Например, на протяжении года существует два интервала дат затенения геостационарных спутников Землей продолжительностью 46-47 суток каждый. Середины интервалов примерно соответствуют весеннему и осеннему равноденствию, когда продолжительность теневого интервала в сутки составляет (без полутеней) ˜72 минуты.

Если склонение Солнца над экватором Земли превышает по абсолютной величине 9°, затенение полностью отсутствует. По мере уменьшения указанного угла склонения увеличивается продолжительность по времени преодоления спутниками теневых участков.

При этом в обязательном порядке определяются моменты времени входа каждого из j-x спутников на теневой участок орбиты и его выхода из указанного участка . Указанные моменты времени необходимы для планирования подготовительных мероприятий на борту спутника, таких, например, как дозаряд аккумуляторов, настройку системы терморегулирования на изменяющиеся температурные условия эксплуатации спутника и т.д.

Для сохранения положительного энергобаланса на борту каждого из спутников при прохождении ими теневых участков орбиты в прототипе предлагается уменьшать энергопотребление путем полного или частичного отключения ретрансляторов. Это связано с тем, что основной источник электроэнергии спутника, которым является СБ, на указанном интервале не работает. А разрядной энергии бортовых аккумуляторов достаточно лишь для работы части ретрансляторов, бортовых систем спутника и сохранения аварийного запаса электроэнергии на случай потери ориентации СБ на Солнце после выхода спутника из теневого участка орбиты.

Очевидно, что указанное отключение ретрансляторов крайне нежелательно, так как приводит к понижению пропускной способности зон обслуживания, нарушению регламента спутниковой связи и т.д. В конечном счете это приводит к уменьшению надежности спутниковой связи и ухудшению ее потребительских свойств. В то же время в прототипе учитывается энергопотребление только на каждом конкретном спутнике и не учитываются при этом энергетические возможности всей системы группировки спутников в целом.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в управлении электропотреблением не только каждого спутника в отдельности, а орбитальной группировки в целом. Тем самым обеспечивается работа стволов ретрансляторов спутниковой связи для закрепленных зон обслуживания потребителей при прохождении спутниками теневых участков орбиты.

Для достижения технического результата в способе управления энергопотреблением орбитальной космической группировки спутников связи и вещания, включающем определение мощности электропотребления каждым из i-ых бортовых ретрансляторов (Ni), где i=1, 2, 3, …, I – число ретрансляторов, установленных на j-ых спутниках, где j=1, 2, 3, … – число спутников, а также отключения бортовых ретрансляторов, в моменты времени входа j-ых спутников на к-е теневые участки орбиты, где к=1, 2, 3, …, К – число участков и их подключения после выхода из теневых участков орбиты в моменты времени , дополнительно до моментов времени входа каждого из j-x спутников на соответствующий k_j-й теневой участок орбиты, определяют продолжительность времени прохождения указанного участка , количество потребляемой электроэнергии каждым из i-x ретрансляторов j-x спутников с учетом продолжительности теневого участка орбиты , суммарное количество электроэнергии, потребляемой ретрансляторами каждого j-го спутника на участке продолжительностью

определяют также баланс между запасами аккумулированной энергии на борту каждого j-го спутника и ее потреблением при прохождении к-го теневого участка орбиты

где – запасы электроэнергии в аккумуляторах j-x спутников перед началом прохождения к-го теневого участка орбиты;

– количество электроэнергии, потребляемой бортовыми системами j-x спутников, включая аварийный запас,

по результату определения указанного баланса группируют j-e спутники с пересекающимися по времени теневыми участками орбиты на спутники с положительным балансом электропотребления для которых на спутники со сбалансированным электропотреблением, для которых и на спутники с отрицательным балансом электропотребления для которых затем для спутников подгруппы определяют в орбитальной группировке спутники-дублеры j_c, находящиеся на освещенных участках орбит на интервале времени прохождения спутниками теневых участков орбит и поддерживающих связь с зонами, равнозначными по модуляции и многостационарности доступа используемых ретрансляторов, далее перед началом прохождения теневого участка орбиты спутниками уменьшают их электропотребление путем переключений -x работающих ретрансляторов на спутники-дублеры, входящие в подгруппу j_c, для обеспечения сбалансированности или положительного баланса электропотребления спутников, входящих в подгруппу а при отрицательном балансе электропотребления определяют количество электроэнергии, которую можно заимствовать у спутников подгруппы j_c, и подключают к ним -e ретрансляторы, далее производят вышеуказанным образом определение спутников-дублеров в подгруппе , при этом определяют остаточные запасы электроэнергии на борту каждого из спутников-дублеров этой же подгруппы и в пределах указанных запасов подключают -e ретрансляторы к подгруппе спутников для обеспечения положительного баланса электропотребления в подгруппе спутников , а если и в этом случае баланс электропотребления отрицателен, производят последовательные отключения ретрансляторов до получения положительного баланса электропотребления, а после выхода из теневого участка орбиты производят подключение -х и -x ретрансляторов на спутниках -й подгруппы, далее при прохождении последующего (к+1)-го теневого участка орбиты производят очередное перераспределение энергопотребления в системе спутников связи и вещания, с учетом включенных ретрансляторов каждого j-го спутника, вплоть до завершения к-х теневых участков орбиты.

Технический результат во вновь разрабатываемом способе управления электропотреблением системы орбитальной космической группировки спутников связи и вещания направлен на увеличение возможности энергообеспечения всех работающих ретрансляторов, установленных на спутниках группировки без нарушения спутниковой связи в зонах обслуживания. Кроме того, предлагаемый способ позволяет увеличить суммарное число работающих ретрансляторов группировки при тех же ее энергетических возможностях, что и до применения способа.

Для пояснения сути предлагаемого технического решения введены фиг.1 – 3.

На фиг.1 приведена схема затенения геостационарного спутника Землей.

На фиг.2 приведена схема затенения геостационарного спутника Луной.

На фиг.3 приведена схема управления электропотреблением системы орбитальной космической группировки геостационарных спутников при прохождении теневых участков орбиты.

Для примера рассмотрим орбитальную группировку, состоящую из геостационарных спутников связи (ГСС). Теневые участки орбиты (тень и/или полутень) от Земли и Луны рассчитываются по геометрическим условиям, показанным на фиг.1 и 2 соответственно.

Малые эффекты, связанные с параллаксом, солнечной короной и т.п., не учитываются.

На фиг.1, 2 введены обозначения:

О_C, О_З, О_Л – геометрические центры Солнца, Земли и Луны;

О₁ – геометрический центр освещенности Земли Солнцем;

О₂ – геометрический центр освещенности Луны Солнцем;

R₃ – радиус Земли;

R_C – радиус Солнца;

R_Л – радиус Луны;

– радиус-вектор положения Солнца относительно Земли;

– радиус-вектор положения спутника относительно Земли;

– радиус-вектор положения спутника относительно Луны;

– радиус-вектор положения Солнца относительно Луны;

– радиус-вектор положения КА относительно геометрического центра O₂;

_т – граничные углы области тени – полутени;

_пт – граничные углы области света – полутени.

Сезонная зависимость участков затенения спутников Землей представлена в [2] на стр.37.

Теневые участки возникают при попадании спутников в теневой и полутеневой конусы, образованные Землей и Солнцем, см. фиг.1 (область тени, область полутени).

Интервалы дат затенения Землей практически не зависят от долготы «стояния» ГСС и носят от года к году периодический характер. Долгота «стояния» определяет конкретное время суток попадания в тень.

В определенные даты ГСС затеняются Луной. Теневые участки возникают при попадании спутников в теневой и полутеневой конусы, образованные Луной и Солнцем, см. фиг.2 (область тени, область полутени).

На фиг.3 показана группировка ГСС с точками стояния: ГСС1, 2, 3 в окрестности 90° В.Д.; ГСС4, 5 в окрестности 50° В. Д.; ГСС6 в окрестности 10° В.Д.

Кроме того на фиг.3 показаны:

– географическая шкала восточной долготы (В. Д.);

– шкала декретного московского времени (ДМВ);

– даты интервалов затенения спутников 21.03.20005 г. – 22.03.2005 г.

Таким образом, группировка содержит шесть j-x ГСС, которым присвоены номера j:=1, 2, 3, …, 6. Каждый из спутников содержит, например, по двадцать i-x ретрансляторов, т.е. i=1, 2, 3, … 20. Введем также обозначение i-го ретранслятора, установленного на j-м спутнике (i)_j, например, (i)_j=1₁, 2₁, 3₁, и т.д. для j=1.

Установкой и настройкой ретрансляторов зоны обслуживания объединены как по географическому признаку, так и по модуляции и многостационарности доступа (например, многостационарного доступа с частотным разделением каналов, многостационарного доступа с временным разделением каналов, многостационарного доступа с кодовым разделением каналов и их гибридных сочетаний). Таким образом, используемый для двухстороннего обмена радиосигналами доступ между наземной аппаратурой и каждым из спутников будет один и тот же.

Примером такой группировки может быть ГСС «Ямал» (см.[3], стр.73-87). Группировка содержит ГСС «Ямал-100», два ГСС «Ямал-200» и далее предполагается ее увеличение спутниками «Ямал-300» и «Северная звезда».

Частотные планы работы ГСС идентичны для работы в С-диапазоне, а в К_U-диапазоне имеется определенное пересечение по основным техническим параметрам, обеспечивающим спутниковую связь (в частности, рабочий диапазон частот и эквивалентная изотропно – излучаемая мощность (ЭИИМ), см. [3], стр.87).

Зона обслуживания системы спутников объединяет отдельные зоны каждого спутника. Поэтому общая зона по площади меньше суммы площадей отдельных зон. Пропускная способность системы (см. [2], стр.14) также объединяет пропускные способности входящих в систему ГСС.

Мощность электропотребления полезной нагрузкой на j-x спутниках, состоящая из суммы мощностей электропотребления каждого из i-x бортовых ретрансляторов (N_i), определена и относится к основным техническим параметрам спутников (см., например, [3], стр.87).

Стандартное баллистическое обеспечение спутниковой группировки (см., например, [4]) позволяет определить для каждых суток полета в период дат затенения моменты времени входа (индекс «н» обозначает момент времени входа спутника на теневой участок орбиты) и выхода спутников (индекс «z» обозначает момент времени выхода спутника из теневого участка орбиты) из теневых участков орбиты. Продолжительность временных интервалов прохождения теневых участков орбиты изменяется от нескольких минут до 78…79 мин, с учетом полутеней на границах теневых участков.

Для каждого j-го спутника перед прохождением им очередного к-го теневого участка орбиты определяем продолжительность временного интервала

В случае, рассмотренном на фиг.3, 72 мин, к:=23 (двадцать третьи сутки полета с первой даты затенения 27.02.05.) для каждого из ГСС. Далее определяем количество потребляемой электроэнергии каждым из i-x включенных бортовых ретрансляторов на j-x спутниках с учетом продолжительности конкретного теневого участка орбиты:

Например, для j=1, N₁=150BT, =180 [Вт·час].

Далее определяем количество электроэнергии , потребляемой ретрансляторами каждого j-го спутника на участке продолжительностью . При этом как мощность потребляемой ретранслятором электроэнергии, так и продолжительность теневых участков, которые спутники проходят, могут быть различными:

Если предположить, что количество энергии, потребляемой каждым ретранслятором одинаковое, то для указанных интервалов при двадцати включенных ретрансляторах =3600 [Вт·час].

Далее определяем баланс между запасами аккумулированной энергии на борту каждого j-го спутника и ее потреблением при прохождении к-го теневого участка орбиты

где – количество запасенной электроэнергии в аккумуляторах j-x спутников перед началом прохождения к-го теневого участка орбиты;

– количество электроэнергии, потребляемой бортовыми системами j-x спутников, включая аварийный запас.

По результатам определения указанного баланса группируем j-e спутники на три подгруппы. При этом выбираем подгруппы с пересекающимися по времени теневыми участками орбиты . Первая подгруппа включает в себя спутники с положительным балансом электропотребления

,

т.е. подмножество спутников с положительными (+) на теневых участках орбиты «т» энергобалансами, принадлежащее множеству j-x спутников орбитальной группировки. Вторая подгруппа – со сбалансированным электропотреблением, для которой по аналогии с (4) вводим обозначения

.

Третья подгруппа – с отрицательным балансом электропотребления, для которой по аналогии с (4) и (5) вводим обозначения

.

Для группировки, рассматриваемой в качестве примера, см. фиг.3, можно представить три подгруппы спутников с пересекающимися по времени теневыми участками орбиты: , , .

Допустим подгруппе спутников необходимо пройти 23-й теневой участок орбиты. По результатам определенного энергобаланса для каждого из спутников получено: 1, 2, 3.

Таким образом, на спутнике под номером 3 энергопотребление превышает допустимые пределы. Например, по сценарию формирования группировки он был запущен первым, на несколько лет раньше остальных. К рассматриваемому моменту времени произошло уменьшение разрядной электроэнергии, которую аккумуляторы могут отдавать внешней нагрузке.

Для обеспечения непрерывности системы спутниковой связи в целом, без отключения части потребителей определяем в орбитальной группировке подгруппу спутников-дублеров j_cj, находящихся на освещенных участках орбит на интервале времени прохождения спутниками теневых участков орбит. Выбор спутников-дублеров осуществляем по равнозначности стволов ретрансляторов в зонах обслуживания спутниковой связи. Указанный выбор производится на том основании, что на световых участках орбиты вырабатываемой СБ электроэнергии, как правило, больше ⠘1,8…2 раза по сравнению с запасами разрядной энергии в аккумуляторах.

Кроме этого спутники, находящиеся на световых участках орбит, находятся по энергетическим запасам в более выгодных условиях, чем спутники, находящиеся на теневых участках орбит. Указанное преимущество определяется «резервным временем» по запасам бортовой электроэнергии на случай потери ориентации СБ на Солнце.

Спутники, находящиеся на световых участках орбиты, обладают большим «резервным временем» нежели спутники, находящиеся на теневых участках орбиты. Связано это с тем, что аккумуляторы первых находятся в состоянии близком к полной заряженности.

В рассматриваемом примере, см. фиг.3, при условии сохранения равнозначности зон обслуживания спутниковой связи в подгруппу j_c можно отнести 4-й, 5-й и 6-й спутники, (4, 5, 6)j_c. Далее перед началом прохождения теневого участка орбиты спутниками уменьшаем их бортовое электропотребление путем переключений -x работающих ретрансляторов на спутники-дублеры, входящие в подгруппу j_c.

При этом (i)_j,

где – обозначение первой группы (1) отключаемых i-x ретрансляторов на -х спутниках и переключаемых на ретрансляторы спутников в подгруппе j_c.

Цель переключений: за счет уменьшения токовой нагрузки на борту -х спутников обеспечить положительный баланс электропотребления или привести его к сбалансированному состоянию (подгруппе спутников ). При этом определяется количество энергии, потребляемой подключаемыми ретрансляторами, на каждом из спутников подгруппы j_c:

где i⁽⁺⁾ – ретрансляторы-аналоги на спутнике подгруппы j_c для i^(-)-x ретрансляторов, установленных на спутниках ;

– число i⁽⁺⁾-x ретрансляторов, подключаемых на спутники подгруппы j_c;

– количество энергии, потребляемой i⁽⁺⁾-ми ретрансляторами на каждом спутнике подгруппы j_c, при определенной мощности ретрансляторов , на интервале прохождения спутником-дублером подгруппы к-го теневого интервала орбиты продолжительностью

При этом для спутников подгруппы j_c и продолжительность указанных временных интервалов и временной отсчет по шкале ДМВ одинаковые.

Далее проверяем энергобаланс для спутников подгруппы j_c на интервале прохождения спутниками теневых участков орбиты.

где const – электроэнергия, полученная путем преобразования в СБ лучистой солнечной энергии на j_c-x спутниках;

const – электропотребление на борту j_c-x спутников i-ми включенными ретрансляторами;

– максимальное значение текущего энергопотребления служебными системами спутников подгруппы j_c на интервале прохождения спутниками подгруппы теневых участков орбиты.

Энергобаланс, определенный по выражению (10), должен удовлетворять условию

для каждого спутника-дублера подгруппы j_c.

Количеством задействованных для переключений ретрансляторов на спутниках подгруппы j_c при выполнении для каждого из спутников условия (11) добиваемся энергообеспечения работы всех ретрансляторов j-й спутниковой группировки.

Если указанными переключениями не удается выполнить условие (4) для всех спутников подгруппы

,

то производим определение количества электроэнергии, которую можно заимствовать у спутников подгруппы j_c для подключения к ним -х ретрансляторов.

Для этого в выражении (10) изменяем как дискретную переменную. Дискретность определяется числом i⁽⁺⁾-x подключаемых ретрансляторов, с учетом электропотребления каждого, определяемого по (9). Указанным варьированием добиваемся выполнения условия (11). Число -х ретрансляторов, при котором условие (11) выполняется, может быть подключено на бортах j_c-x спутников. Им соответствует число -х ретрансляторов для отключения на спутниках, при этом

.

Таким образом, после переключения -x ретрансляторов на спутники-дублеры j_c остается часть непереключенных ретрансляторов, не обеспеченных на -x спутниках электроэнергией:

.

Для их переключения вышеуказанным образом осуществляем поиск по равнозначности зон обслуживания спутников-дублеров в подгруппе . Далее определяем запасы электроэнергии в каждом из -х спутников-дублеров по выражению (3), рассматривая при этом вместо множества j подмножество . Одновременно определяем количество потребляемой энергии подключаемыми ретрансляторами , являющимися дублерами для

где – число -x ретрансляторов, подключаемых на каждый из спутников подгруппы ;

– количество электроэнергии, потребляемой -ми ретрансляторами на каждом спутнике-дублере подгруппы при определенной мощности ретрансляторов на интервале прохождения спутником-дублером подгруппы к-го теневого участка орбиты продолжительностью .

Далее, исходя из выполнения неравенства

определяем число ретрансляторов на -х спутниках, которое можно обеспечить электроэнергией, заимствованной у подгруппы указанных спутников. При этом для обеспечения выполнения условия (17) варьируем количеством ретрансляторов в выражении (15). При этом количество ретрансляторов выбирается из необходимой достаточности до выполнения условия (17) положительного энергобаланса или сбалансированного электропотребления для каждого из спутников подгруппы . А по последнему полученному значению этого числа определяем количество подключаемых ретрансляторов :

Если при выполнении неравенства (17) удается переключить все ретрансляторы на спутники-дублеры подгруппы , дальнейшее переключение прекращаем. Поддерживаем электропотребление на борту спутников-дублеров с учетом подключенных ретрансляторов А после выхода из тени спутников-дублеров подгруппы производим обратные переключения ретрансляторов на спутники указанной подгруппы. При этом соблюдаем ранее принятое взаимное соответствие Указанные переключения необходимо производить, так как заимствование электроэнергии в систему на спутниках-дублерах подгруппы рассчитано только на интервал продолжительностью не более

Таким образом, удается сохранить общее число работающих ретрансляторов всей группировки спутников и не допустить образования неохваченных зон в пропускной способности системы при обслуживании наземных устройств потребителей. Если, исчерпав все энергетические возможности системы спутников, не удается обеспечить положительный баланс электропотребления спутников подгруппы часть ретрансляторов необходимо последовательно отключить.

Количество отключаемых ретрансляторов определяется по выражению

,

где – количество ретрансляторов, переключенных на спутники-дублеры подгруппы .

При этом последовательность отключения ретрансляторов определяется, исходя из соблюдения условия сбалансированного электропотребления к концу теневого участка орбиты.

В данном случае спутниковая группировка лишается на интервале некоторого количества не обеспеченных электроэнергией ретрансляторов

Поэтому после выхода из теневого участка орбиты сразу производим подключение ретрансляторов .

После прохождения теневого к-го участка орбиты одним из спутников подгруппы , переводим его в подгруппу j_c и далее производим, при необходимости, очередное перераспределение энергопотребления в системе спутников связи для прохождения следующего (к+1)-го теневого участка орбиты. При этом учет количества включенных ретрансляторов на спутниках всей j-ой группировки производим по ранее проведенным их переключениям и подключениям на каждом из j-х спутников.

Спутники, продолжающие проходить теневые участки орбиты, до выхода на световую ее часть в указанном перераспределении не учитываются.

В конкретном примере первым в текущих сутках проходит теневой участок орбиты 3-й спутник. После подключения на нем -x и -х ретрансляторов его энергетические возможности могут быть использованы для прохождения теневых участков орбиты спутниками под номерами 4, 5, 6. На 24-е сутки (к=24) с момента начала затенения орбит до входа на теневой участок орбиты на указанном спутнике необходимо с учетом увеличения (или уменьшения) продолжительности теневого интервала произвести указанные переключения ретрансляторов для обеспечения положительного баланса электропотребления по описанному выше алгоритму действий.

Таким образом, рассмотренный спутник наряду с другими, входящими в j-ю группировку, должен пройти все к-е теневые участки орбиты до их полного завершения. В рассмотренном примере продолжительность к-х дат затенения составляет 46…47 суток.

Рассмотренный способ управления распространяется на все спутники группировки, классифицируемые по орбитальному расстоянию относительно Земли. Для низкооколоземной орбиты, например, расположение теневых участков зависит от наклонения орбиты и высоты полета спутника (см. [5]). Далее строятся графики изменения светотеневой обстановки вдоль орбиты в зависимости от времени полета спутников (см. [5], стр.35).

На указанных графиках наносятся даты затенения (к-е участки), а также в ДМВ время, определяющее прохождение спутниками теневых участков орбиты.

В план полета орбитальной группировки, фрагмент которого представлен на фиг.3, дополнительно заносятся теневые участки для спутников класса НОО. Далее производится аналогично выше приведенному описанию управление электропотреблением системы орбитальной космической группировки спутников связи и вещания.

Основной положительный эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что можно значительно, от 20% до 60% увеличить число работающих ретрансляторов в группировке спутников, обеспечивающих непрерывную связь в зонах обслуживания.

Потребительские свойства современной спутниковой связи должны удовлетворяться условию ее непрерывности.

Пользователь не должен ощущать на себе перерывов в работе спутниковой связи (какой участок орбиты проходит спутник связи: световой или теневой). Поэтому при расчете индивидуального сбалансированного обеспечения электроэнергией каждого спутника, на этапе проектирования количество ретрансляторов (как потребителей электроэнергии) на его борту ограничивается возможностями электрических аккумуляторов.

Мощность указанных аккумуляторов, как правило, в 1,5…1,8 раза меньше мощности генераторов электроэнергии, которыми являются СБ. В то же время покрытие зоной обслуживания большой части поверхности Земли группировкой спутников требует их развода по орбитам в различные точки стояния. Так, для группировки ГСС, например, требуется четыре спутника, обслуживающих спутниковой связью всю поверхность Земли.

Следовательно, соответствующим образом должны быть разнесены их точки стояния (см. [3]). Нахождение в разных точках предполагает и прохождение спутниками теневых участков орбиты в разное время.

Следовательно, при использовании предлагаемого способа управления энергопотреблением системы спутников количество ретрансляторов ограничивается мощностью электроэнергии, вырабатываемой СБ, а не аккумуляторами.

Так, например, если количество непрерывно работающих стволов ретранслятора в группировке спутников «Ямал-300» (см. [3], стр.87) всего на 2 спутниках, планируется иметь 48, то, используя предложенное техническое решение, можно обеспечить непрерывную работу 70 стволов. Расчет проведен с учетом ограничений по энергообеспечению при помощи аккумуляторов и с учетом СБ.

При этом 22-м ретрансляторам, дополнительно установленным на каждом спутнике, при прохождении теневых участков орбиты необходимо будет попеременно брать на себя один раз в сутки обеспечение равнозначных зон обслуживания по модуляции и многостационарности доступа для двухстороннего обмена радиосигналами между наземной аппаратурой и спутниками.

Привлекательность таких стволов ретранслятора для потребителя остается высокой, поскольку непрерывность связи обеспечивается двумя перенацеливаниями в сутки антенн земных станций спутниковой связи в заданные точки.

Указанный способ позволяет также оптимальным образом поддерживать энергообеспечение «стареющей» части группировки спутников.

Как правило, на вновь запускаемых спутниках запасы разрядной энергии в аккумуляторах проектируются с учетом эксплуатации в конце полетного ресурса спутника. При этом в новых аккумуляторах указанной энергии на 20-30% больше необходимого количества, обеспечивающего работу полезной нагрузки и служебных систем в начале полета. Аналогичное соотношение характерно и для генераторов энергии, которыми являются СБ.

«Старение» системы энергоснабжения спутников по своим энергетическим возможностям происходит в течение нескольких лет. В указанный период и предлагается с применением вновь вводимого технического решения использовать все энергетические возможности спутников.

Таким образом, за счет управления энергетическими возможностями всей системы спутников, а не каждого спутника в отдельности, можно достичь существенного положительного результата.

Литература

1. Система радиосвязи, использующая геостационарные и негеостационарные спутники. Патент RU 2160963.

2. Спутниковая связь и вещание. Справочник. Под ред. Л.Я.Кантора. М., Радио и связь. 1997.

3. Спутниковые системы связи и вещания 1999/2000, часть II, Изд. «Радиотехника», М., 2000 г.

4. Баллистико-навигационное обеспечение управления полетом КА «Ямал-200». Инструкция по подготовке исходных данных для управления в полете. РКК «Энергия» – ОАО «Газком», 2003 г.

5. В.Г.Кравец, В.Е.Любинский, Основы управления космическими полетами. М., Машиностроение, 1983 г.

Формула изобретения

Способ управления электропотреблением орбитальной космической группировки спутников связи и вещания, включающий определение мощности электропотребления каждым из i-х бортовых ретрансляторов (N_i), где i=1, 2, 3, …, I – число ретрансляторов, установленных на j-х спутниках, где j=1, 2, 3, … – число спутников, а также отключения бортовых ретрансляторов, в моменты времени _j ^HK входа j-х спутников на к-е теневые участки орбиты, где к=1, 2, 3, … К – число участков и их подключения после выхода из теневых участков орбиты в моменты времени _j ^ZK, отличающийся тем, что до моментов времени входа _j ^HK каждого из j-x спутников на соответствующий к_j-й теневой участок орбиты, определяют продолжительность времени прохождения указанного участка _j ^HK=_j ^HK–_j ^ZK, количество потребляемой электроэнергии каждым из i-х ретрансляторов j-x спутников с учетом продолжительности теневого участка орбиты Q_ij ^K=N_ijj ^K, суммарное количество электроэнергии, потребляемой ретрансляторами каждого j-го спутника на участке продолжительностью _j ^K

определяют также баланс между запасами аккумулированной энергии на борту каждого j-го спутника и ее потреблением при прохождении к-го теневого участка орбиты

где – запасы электроэнергии в аккумуляторах j-x спутников перед началом прохождения к-го теневого участка орбиты;

Q_sj ^K – количество электроэнергии потребляемой бортовыми системами j-x спутников, включая аварийный запас,

по результату определения указанного баланса группируют j-e спутники с пересекающимися по времени теневыми участками орбиты на спутники с положительным балансом электропотребления для которых Q_j ^K>0, на спутники со сбалансированным электропотреблением, для которых Q_j ^K=0 и на спутники с отрицательным балансом электропотребления для которых Q_j ^K<0, затем для спутников подгруппы j_t ^(-) определяют в орбитальной группировке спутники-дублеры j_c, находящиеся на освещенных участках орбит на интервале времени прохождения спутниками j_t ^(-) теневых участков орбит и поддерживающих связь с зонами равнозначными по модуляции и многостационарности доступа используемых ретрансляторов, далее, перед началом прохождения теневого участка орбиты спутниками j_T ^(-) уменьшают их электропотребление путем переключений – x работающих ретрансляторов на спутники-дублеры, входящие в подгруппу j_c, для обеспечения сбалансированности или положительного баланса электропотребления спутников, входящих в подгруппу j_T ^(-), а при отрицательном балансе электропотребления определяют количество электроэнергии, которую можно заимствовать у спутников подгруппы j_c, и подключают к ним – e ретрансляторы, далее производят вышеуказанным образом определение спутников-дублеров в подгруппе j_T ⁽⁺⁾, при этом определяют остаточные запасы электроэнергии на борту каждого из спутников-дублеров этой же подгруппы и в пределах указанных запасов подключают – е ретрансляторы к подгруппе j_T ⁽⁺⁾, для обеспечения положительного баланса электропотребления в подгруппе спутников j_T ^(-), a если и в этом случае баланс электропотребления отрицателен, производят последовательные отключения ретрансляторов до получения положительного баланса электропотребления, а после выхода из теневого участка орбиты производят подключение – x и – x ретрансляторов на спутниках j_T ^(-) – й подгруппы, далее при прохождении последующего (к+1)-го теневого участка орбиты производят очередное перераспределение электропотребления в системе спутников связи и вещания, с учетом включенных ретрансляторов каждого j-го спутника, вплоть до завершения к-х теневых участков орбиты.

РИСУНКИ