Устройства, система и способы для получения информации об электромагнитной энергии, излучаемой с земли, например, для определения местоположения источника помех на земле - RU2665704C1
Код документа: RU2665704C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в частности, относится к телекоммуникациям и получению информации о электромагнитной энергии, излучаемой из источника или из источников на земле. Изобретение может, например, быть использовано для определения местоположения источника помех на земле, хотя изобретение не ограничено этим конкретным применением.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Спутниковая связь, в частности, включает передачу сигналов от станции на земле в направлении спутника и наоборот. Спутниковая связь может быть предназначена для предоставления услуг связи между двумя точками на земле. Это включает в себя связь между двумя точками (например, интернет, спутниковые телефоны) и связь между многими точками (вещание) (например, телевидение). Станции, занятые в спутниковой связи могут быть фиксированными (например, антенна на крыше) или мобильными (например, транспортные средства, суда, самолеты, портативные устройства). С увеличением использования спутниковой и наземной связи, риск помех между различными коммуникациями также увеличивается.
Ранее, имели место многочисленные меры направленные на обнаружение местонахождения создающих помехи станций передачи и, в целом, имели место многочисленные меры для решения помех и уменьшения нарушений, вызванных тем самым (в том числе сокращение полезной емкости системы спутниковой связи).
Известен подход определения местоположения мешающей станции передачи на земле, использующий наземные станции. Например, US 5008679 относится к способу обнаружения неизвестного радиочастотного передатчика использованием корреляции между сигналами, принятыми разными спутниками. Однако выполнять геолокацию наземного базирования трудно, потому что она опирается на сигнальную корреляцию между множеством спутников и множеством наземных станций: времяемкий процесс с многочисленными возможностями для распространения ошибки в расчетах. Кроме того, способность выполнять геолокацию наземного базирования зависит от многих факторов, включающих в себя наличие и обширные знания расположенных рядом спутников, наличие и обширные знания известных стандартных сигналов, и наличие необходимой наземной аппаратуры, и как результат, геолокация наземного базирования неэффективна в большинстве случаев.
Другой известный подход использует вертолеты или беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для геолокации. Однако этот подход является неэффективным ресурсом и предлагает только разовый анализ.
В свете вышесказанного, существует необходимость уменьшить количество помех в контексте спутниковой связи или, когда это невозможно, чтобы принять методы, чтобы справиться с такими помехами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чтобы удовлетворить или, по меньшей мере, частично удовлетворить вышеупомянутые потребности, устройства, системы и способы согласно изобретению определены в независимых пунктах формулы изобретения. Конкретные варианты определены в зависимых пунктах формулы изобретения, и описаны в настоящем описании.
В одном варианте осуществления, спутник, здесь и далее именуемый как "спутник наблюдения", используется для получения информации о электромагнитной энергии, излучаемой из источника или из источников, на земле. Спутник наблюдения вращается вокруг земли по орбите, имеющей наклон больше, чем 90° (т.е. 90 градусов) и меньше, чем 270° (т.е. 270 градусов), такая орбита определяется как обратная (ретроградная) к направлению собственного вращения Земли. Кроме того, спутник наблюдения содержит, по меньшей мере, одну приемную антенну и передатчик. По меньшей мере, одна приемная антенна имеет приемную диаграмму направленности антенны, направленную к земле, и выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне, как спутник наблюдения является двигающимся по орбите относительно поверхности земли. Передатчик сконфигурирован для, по меньшей мере, одного из: (i) ретрансляции, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии, (ii) передачи информации, представляющей, по меньшей мере, часть принятой электромагнитной энергии, и (iii) передачи информации полученной из, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии.
Таким образом, спутник наблюдения способен собирать данные, которые значительно улучшают возможность понять структуру и первоисточник энергии, передаваемой в космос для целей спутниковой связи. Учитывая то, что большинство спутников связи предназначено для связи, а не сбора данных или анализа функций, спутник наблюдения может обеспечить радикально больше данных, которые не могут быть собраны с помощью спутников связи, как они существуют сегодня, о природе канала восходящей связи. Обнаружение помех, системная оптимизация, планирование спектра и многие другие применения принесут больше от данных и понимания производимых со спутников наблюдения. В частности, размещение спутника наблюдения в высоко наклонной (обратной) орбите, его скорость относительно поверхности земли выше, чем у спутника вращающегося по прямой орбите на подобной высоте и спутник наблюдения может неоднократно повторно возвращаться в данное положение относительно поверхности Земли и принимать передачи от определенной области на Земле. Кроме того, размещение в одном варианте осуществления, спутника наблюдения на высоте, подобной высоте спутников, которые передают требуемое, как правило, предназначены для (здесь и далее именуемые как «целевые спутники") выгоды в том, что спутник наблюдения тогда в состоянии наблюдать большую площадь на Земле и наблюдать большинство сигналов предназначенных для определенных «целевых» спутников.
Использование вышеупомянутого спутника наблюдения для понимания и обработки проблем помех, в контексте спутниковой связи, полученных вследствие изменения фокуса. Цель заключается в попытке выяснить, какие сигналы излучаются в пространство от источников на земле. Однако, вместо того, чтобы пытаться сделать так из точки вблизи земной поверхности спутник наблюдения позволяет делать это из точки в пространстве и, особенно, из точки вблизи целевой орбиты. Это, таким образом, дает возможность информации быть собранной о сигналах достигающих целевой орбиты более эффективно.
Наклон является углом между экваториальной плоскостью и плоскостью, в которой спутник облетает Землю. Спутник с величиной отклонения 0° (то есть 0 градусов) определяется как летящий по орбите в экваториальной плоскости в направлении направления вращения Земли.
Как упоминалось выше, передатчик спутников наблюдения сконфигурирован для выполнения одной из трех операций (обозначенных (i), (ii) и (iii), соответственно), сочетания двух из этих трех операций (а именно, (i)+(ii), (i)+(iii), или (ii)+(iii)), или всех трех операций (а именно, (i)+(ii)+(iii)).
А именно, в подварианте осуществления передатчик сконфигурирован ретранслировать по меньшей мере часть принятой электромагнитной энергии (например к наземной станции на земле, или на другой спутник). Следовательно, принятая электромагнитная энергия, или часть ее, может быть передана без какой-либо обработки спутником наблюдения самим. В этом случае, любая обработка принятой электромагнитной энергии, или ее части, (для анализа, привязки и т.д.), может быть выполнена за пределами спутника наблюдения, например, на земле, на станции обработки.
Альтернативно, или дополнительно, в другом подварианте осуществления передатчик может быть сконфигурирован передавать (например, к наземной станции на земле, или на другой спутник) информацию, представляющую по меньшей мере часть принятой электромагнитной энергии. Это может, например, означать, оцифровку и/или сжатие принятой электромагнитной энергии, или ее части.
Альтернативно, или дополнительно, в еще одном подварианте осуществления передатчик может быть сконфигурирован передавать (например, к наземной станции на земле, или на другой спутник) информацию, полученную от, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии (особенно вместо принятой электромагнитной энергии самим). Эта информация может быть получена из принятой электромагнитной энергии, или из ее части, например, определением или оценкой, использованием некоторого оборудования (так называемая "полезная нагрузка") внутри самого спутника, местоположения на земле источника принятой электромагнитной энергии (такого как источник источника помех). Получение информации из принятой электромагнитной энергии, или из ее части, может также содержать формирование, использованием некоторого оборудования внутри самого спутника, информации об энергетическом спектре, поляризации, схеме модуляции и т.д. принятой электромагнитной энергии.
Другими словами, спутник наблюдения используется для получения информации об электромагнитной энергии, излучаемой от источника или от источников на земле, в том смысле, что процесс фактического получения информации о принятой электромагнитной энергии может быть выполнен в пределах или за пределами спутника наблюдения. А именно, спутник наблюдения может выступать в качестве инструмента, способствующего процессу получения информации об электромагнитной энергии, излучаемой от источника или от источников на земле.
В одном варианте осуществления, спутник наблюдения выполнен с возможностью получения информации об электромагнитной энергии, излучаемой от источника или от источников на земле и достижения геостационарной орбиты. Мониторинг сигналов, передаваемых к спутникам на геостационарной орбитальной дуге на высоте примерно 35800 километров является особенно интересным, поскольку геостационарная орбита имеет первостепенное значение для многочисленных спутниковых коммуникаций.
В одном варианте осуществления передатчик спутников наблюдения сконфигурирован передавать, по направлению к земле, по меньшей мере, часть принятой электромагнитной энергии или информации представленной, или полученной из, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии. Это позволяет приемной станции на земле, или станции обработки связаться с такой приемной станцией, получить дополнительную информацию об электромагнитной энергии, принятой спутником. Например, расположение источника некоторой принятой электромагнитной энергии может быть определено.
Передатчик может, однако, не быть сконфигурированным непосредственно посылать принятую электромагнитную энергию (или ее часть) или информацию представленную, или полученную из, принятой электромагнитной энергии к Земле. Вместо этого, другой спутник или космический аппарат может функционировать как ретрансляционная станция ретранслируя передачи на землю. Такой ретрансляционный спутник или космический аппарат может быть сконфигурирован выполнять дополнительную обработку информации, принятой со спутника наблюдения.
В одном варианте осуществления, информация, полученная из принятой электромагнитной энергии получена обработкой по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии в спутнике наблюдения. В таком случае, оборудование обработки интегрировано со спутником наблюдения, чтобы сделать это.
В одном варианте осуществления обработка включает, по меньшей мере, одно из: (а) выборочное понижающее преобразование аналогового сигнала к единой промежуточной частоте; (b) аналого-цифровое преобразование сигналов, предоставленных, например, передаваемых, по меньшей мере, частью принятой электромагнитной энергии; (с) анализ спектра по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (d) анализ доплеровского сдвига по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (е) анализ доплеровской скорости по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (f) обработка направления прибытия или угла прибытия; (g) обработка разности по времени прибытия (TDOA); (h) обработка разности по частоте прибывающего сигнала (FDOA); (i) сравнительные измерения между двумя или более элементами антенны; (j) фильтрация данных; и (k) сжатие данных.
Таким образом, спутник наблюдение может быть способен выполнять различные виды обработки принятой электромагнитной энергии.
Например, через аналого-цифровой преобразование сигналы, передаваемые принятой электромагнитной энергией становятся доступными для дальнейшей цифровой обработки.
Спектральный анализ и обработка направления прибытия (или пеленгование (DF)), может также помочь определить структуру и происхождение электромагнитной энергии соответственно. Специалисту будет знать, как выполнять спектральный анализ и обработку направления прибытия (DOA). В этом отношении, больше в известном уровне техники об DOA обработке, например, может быть найдено в Schmidt, R.О., "Multiple emitter location and signal parameter estimation," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 34, No. 3, 276-280, March, 1986; или в Lipsky, Stephen E., "Microwave passive direction finding", SciTech Publishing, 2003. Многочисленные другие ссылки существуют в научной литературе об обработке направления прибытия.
Фильтрация данных и сжатие данных может уменьшить количество данных, передаваемых спутником наблюдения.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна приемная антенна спутника наблюдения выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне от 1 ГГц до 100 ГГц. Получение и последующий анализ электромагнитной энергии в СВЧ-диапазоне (т.е. от 1 ГГц до 100 ГГц) является особенно предпочтительным, так как спутниковая связь, как правило, выполняется в этом диапазоне, так что помехи в контексте спутниковой связи в основном вызваны электромагнитной энергией в этом частотном диапазоне.
В одном подварианте осуществления упомянутого ранее варианта осуществления, по меньшей мере одна приемная антенна спутника наблюдения выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне, по меньшей мере одном из следующих: (а) от 1 до 2 ГГц (диапазон L); (b) от 2 до 4 ГГц (диапазон S); (с) от 4 до 8 ГГц (диапазон C); (d) от 8 до 12 ГГц (диапазон X); (е) от 12 до 18 ГГц (диапазон Ku); и (f) от 26,5 до 40 ГГц (диапазон Ка). Эти примерные частотные полосы представляют особый интерес для спутниковой связи.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна приемная антенна спутника наблюдения выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне, используемом геостационарными спутниками для приема сигналов от земли. Другими словами, спутник наблюдения может быть использован для получения информации об электромагнитной энергии, излучаемой от земли с целью спутниковой связи независимо от радиочастот.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна приемная антенна спутника наблюдения выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии, имеющей по меньшей мере одну из: линейной поляризации; вертикальной поляризации; горизонтальной поляризации; эллиптической поляризации; и круговой поляризации. Этот вариант осуществления является предпочтительным, поскольку он может быть полезен для получения информации о поляризации принятой электромагнитной энергии.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна приемная антенна спутника наблюдения сконфигурирована для приема, в течение одного орбитального периода, электромагнитной энергии из области, охватывающей более половины поверхности земли.
В одном варианте осуществления, принятая электромагнитная энергия включает больше, чем только информацию, предназначенную для управления спутником наблюдения самим. Спутник наблюдение действительно направлена на сбор информации о сигналах, предназначенных для спутников других нежели спутник наблюдения. Спутник наблюдения направлен на сбор информации о сигналах, предназначенных для так называемых целевых спутников, как упоминалось выше.
В одном варианте осуществления, принятая электромагнитная энергия включает энергию, предназначенную для, по меньшей мере, одного другого спутника. Сигналы для управления спутником наблюдения самого могут быть переданы в конкретной частотной полосе, или с помощью других средств, как будет объяснено в дальнейшем. Таким образом, в этом варианте осуществления электромагнитная энергия, принятая с помощью спутника наблюдения не является управляющим сигналом для спутника наблюдения.
В одном варианте осуществления, спутник наблюдения вращается вокруг земли по орбите, имеющей наклон больше чем 175° (175 градусов) и меньше чем 185° (185 градусов). В такой орбите спутник наблюдения движется в особенно предпочтительной орбите для приема электромагнитной энергии, передаваемой в направлении геостационарной орбиты.
В одном варианте осуществления спутник наблюдения вращается вокруг земли на орбите, имеющей апогей, отличающийся не более чем на 4000 километров от геостационарной орбиты. На этой орбите спутник наблюдения может принять электромагнитную энергию, которая близко соответствует фактической электромагнитной энергии, достигающей геостационарной орбиты. Таким образом, это дает возможность спутнику наблюдения получить данные, чтобы обеспечить хорошую оценку фактической электромагнитной энергии, достигающей геостационарные спутники.
В одном варианте осуществления, спутник наблюдения вращается вокруг земли по орбите, имеющей любой апогей из следующих: между 31700 и 34700 километрами над средним уровнем моря, и между 36700 и 39700 километрами над средним уровнем моря. На этой орбите, риск столкновения с геостационарными спутниками самому и другими постоянными космическими объектами (RSO), включающими в себя космический мусор, также минимизирован, основан на текущем общественном каталоге объектов на орбите.
В одном варианте осуществления, спутник наблюдения вращается вокруг Земли по орбите, имеющей эксцентриситет менее чем 0,05.
В одном варианте осуществления, спутник наблюдения сам не является спутником связи для передачи конечным пользователям информации из одной точки на земле в другую точку на земле. Следовательно, в этом варианте осуществления, спутник наблюдения действует независимо от существующих спутников связи. Спутник наблюдения, как независимый субъект, также обеспечивает возможность контроля спектра между существующими геостационарными спутниками, в свободных орбитальных местах вдоль дуги. Это создает возможность для оценки спектра внешней среды заранее развертываемых спутниковых активов в данном месте, которые могли бы сообщать спектральное планирование и решение о развертывании системы. Это показывает, что в некоторых вариантах осуществления, спутник наблюдения может быть использован за пределами управления помехами.
В одном варианте осуществления передатчик спутника наблюдения сконфигурирован для транслирования (или ретранслирования) с использованием, по меньшей мере, одного из: (а) передача по нисходящему каналу связи данных (т.е. данных, соответствующих для указанных выше случаев (i), (ii), (iii) или любой их комбинации) с использованием конкретных выделенных микроволновых частот; (b) передача по нисходящему каналу связи с использованием передатчика, способного динамически регулировать свою полосу частот передачи; (с) трансляции с использованием низкоуровневого расширения спектра; (d) по меньшей мере, один оптический канал связи; и (е) способа хранения и перенаправления, в котором трансляция (или ретрансляция) задерживается от приема сигнала.
В одном варианте осуществления, спутник дополнительно содержит приемник, подключенный к по меньшей мере одной приемной антенне, приемник, имеющий достаточную гибкость спектра и выполненный с возможностью переконфигурирования на разные частоты в широком диапазоне радиочастотного спектра. Таким образом, спутник может принять электромагнитную энергию в широком диапазоне частот, в отличие от существующих спутников.
Изобретение также относится к спутнику для получения информации о электромагнитной энергии, излучаемой из источника или из источников, на земле. Спутник облетает землю по орбите, имеющей наклон больше чем 90° (т.е. 90 градусов) и меньше чем 270° (т.е. 270 градусов). Спутник содержит средства для приема, пока спутник движется по орбите относительно поверхности земли, электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне, от источника, или от источников, на земле с использованием по меньшей мере, одной приемной антенны, имеющей приемную диаграмму направленности, направленную к земле. Спутник также содержит средства передачи для по меньшей мере одной из: (i) ретрансляции по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (ii) передачи информации, представленной по меньшей мере частью принятой электромагнитной энергии; и (iii) передачи информации, полученной из по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии.
В одном варианте осуществления множество спутников, как описаны выше, используются вместе, чтобы получить информацию об электромагнитной энергии, излучаемой из источника или из источников, на земле.
Изобретение также относится к способу работы спутника, или множества спутников, как описаны выше.
Изобретение также относится к системе, содержащей по меньшей мере один спутник наблюдения по любому из предшествующих вариантов осуществления, по меньшей мере одну наземную станцию сконфигурированную для получения от по меньшей мере одного спутника наблюдения, принятой электромагнитной энергии или информации, представленной, или полученной из, принятой электромагнитной энергии, и по меньшей мере одну станцию обработки. По меньшей мере одна станция обработки сконфигурирована для оценки, из принятой электромагнитной энергии или информации, представленной, или полученной из, принятой электромагнитной энергии, полученной по меньшей мере одной наземной станцией, по меньшей мере, одного из: (а) структуры, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (b) местоположение на земле источника по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (с) уровня принятой электромагнитной энергии, достигшей, по меньшей мере, части геостационарной орбиты; и (d) по меньшей мере, одну характеристику канала восходящей связи.
В вышеописанной системе, станция обработки находится на земле. Изобретение, однако, не ограничивается такой конфигурацией. Как объяснено выше, обработка может также, например, быть полностью или частично осуществлена на спутнике наблюдения или другом спутнике.
Когда более чем один спутник наблюдения используют, количество принятой электромагнитной энергии может быть увеличено. Кроме того, время отклика, т.е. время от запроса на действие от системы до соответствующего ответа, может быть уменьшено.
Изобретение также относится к способу, включающему: получение, по меньшей мере, одной наземной станцией, сигнала, исходящего от спутника (в данном документе называемого как "спутник наблюдения", как указано выше) вращающегося вокруг земли по орбите, имеющей наклон больше, чем 90° (90 градусов) и меньше, чем 270° (270 градусов). Сигнал передает по меньшей мере одно из: (i) электромагнитную энергию, принятую спутником наблюдения, (ii) информацию, представленную электромагнитной энергией, принятой спутником наблюдения, и (iii) информацию, полученную из электромагнитной энергии, принятой спутником наблюдения. Способ также включает: оценку, по меньшей мере, одной станцией обработки, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии или информации, представленной, или полученной из, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии, полученной, по меньшей мере, одной наземной станцией, по меньшей мере, одного из: (а) структуры, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (b) местоположения на земле источника, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (с) уровень принятой электромагнитной энергии, достигшей, по меньшей мере, части геостационарной орбиты; и (d) по меньшей мере, одну характеристику канала восходящей связи.
В контексте вышеописанного способа, станция обработки находится на земле. Как уже, однако, упоминалось выше, изобретение не ограничивается такой конфигурацией. Обработка может также, например, быть полностью или частично осуществлена на спутнике наблюдения или другом спутнике.
В одном варианте осуществления оценка местоположения включает оценку широты и долготы. Таким образом, местоположение первоисточника (т.е. источника) электромагнитной энергии может быть определено. Определение источника электромагнитной энергии может затем включить удаление помех, например, спутниковым оператором, контактирующим с оператором передающей станции, чтобы остановить передачу, или оператором передающей станции, осуществляющим необходимый ремонт неисправного или смещенного оборудования.
В одном варианте осуществления оценка местоположения на земле первоисточника, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии включает оценку местоположения источника помех.
В одном варианте осуществления, оценка, по меньшей мере, одной характеристики канала восходящей связи включает оценку части канала восходящей связи, по меньшей мере, одной антенны на земле и группы антенн на земле.
Изобретение также относится к способу эксплуатации спутника наблюдения, с использованием спутника наблюдения для вышеупомянутых целей (т.е. для оценки: (а) структуры, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (b) местоположения на земле первоисточника, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (с) уровня принятой электромагнитной энергии, достигшей, по меньшей мере, части геостационарной орбиты, и (d) по меньшей мере, одной характеристики линии восходящей связи).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует примерный сценарий, в котором спутник испытывает помехи;
Фиг. 2 схематически иллюстрирует другой примерный сценарий, в котором спутник испытывает помехи;
Фиг. 3 схематически иллюстрирует примерный сценарий, в котором работа спутника нарушается наземной станцией перехватывающей наземные передачи;
Фиг. 4 схематически иллюстрирует спутник наблюдения, движущийся по обратной орбите, и другой спутник, в одном варианте осуществления изобретения;
Фиг. 5 схематически иллюстрирует спутник наблюдения, движущийся по обратной орбите, и другой спутник, в одном варианте осуществления изобретения;
Фиг. 6 схематически иллюстрирует спутник с высоким наклоном, т.е. движущийся по обратной орбите, в одном варианте осуществления изобретения;
Фиг. 7 схематически иллюстрирует структуру спутника наблюдения в одном из вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 8 схематически иллюстрирует структуру наблюдение полезного груза спутника наблюдения в одном варианте осуществления изобретения;
Фиг. 9 схематически иллюстрирует структуру станции обработки в одном варианте осуществления изобретения;
Фиг. 10 схематически иллюстрирует передачу от спутника через реле;
Фиг. 11 схематически иллюстрирует способ согласно одному варианту осуществления изобретения; и
Фиг. 12 схематически иллюстрирует способ согласно одному варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение далее будет описано в связи с конкретными вариантами осуществления. Конкретные варианты осуществления служат для обеспечения специалистам в данной области техники лучшего понимания, ко не предназначены каким-либо образом ограничить объем изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения. В частности, варианты осуществления, описанные независимо по всему описанию могут быть комбинированы, чтобы сформировать дополнительные варианты осуществления в той мере, что они не являются взаимоисключающими.
Фиг. 1 схематически иллюстрирует спутник 30, вращающийся вокруг земли на геостационарной орбите (отмечено "ГСО" на фиг. 1), чтобы понять проблемы, к которым некоторые варианты осуществления изобретения обращаются.
Спутник 30 принимает сигнал канала восходящей связи (отмечен "канал восходящей связи" на фиг. 1) от наземной станции 60 (например, речь или данные, передаваемые к другой точке на земле). Кроме того, другая наземная станция 50, передает электромагнитную энергию (отмечено "канал помех" на фиг. 1) в направлении местоположения спутника 30 за счет, например, неверно направленной спутниковой тарелки (т.е. неправильно настроенной антенны) или потому, что диаграмма направленности антенны наземной станции 50 не направлена достаточно (например, потому что его главный лепесток является слишком широким, потому что боковой лепесток случайно в направлении спутника 30, или потому что мощность передачи слишком высокая). Электромагнитная энергия передаваемая от наземной станции 50 может быть предназначена для соседнего спутника, но частично достигает спутника 30. Электромагнитная энергия передаваемая от наземной станции 50 выглядит как помехи для геостационарного спутника 30. Помехи могут нарушить нормальную работу спутника 30, например, уменьшением полезной емкости спутникового канала, например, относительно скорости передачи данных, используемой ширины пропускания канала, используемой мощности на данном приемоответчике, стабильности уровня шума и т.д.
На фиг. 1, расстояние между орбитой спутника 30 (показано пунктирной линией) и кривизной поверхности земли (показано простой линией) является схематичным и не в масштабе. Также, изображенные наземные станции и спутник не в масштабе оба. Эти замечания относятся также к фиг. 2, 3, 4, 5, 6 и 10.
Фиг. 2 схематически иллюстрирует еще один сценарий, в котором спутник 30 испытывает помехи, для того, чтобы понять проблемы, к которым некоторые варианты осуществления изобретения обращаются.
В этом случае наземная станция 60 передает сигнал по каналу восходящей связи на спутник 31, двигающийся по более низкой орбите, чем спутник 30. Например, спутник 31 находится на низкой околоземной орбите (НОО) или на средней околоземной орбите (СОО), а спутник 30 на геостационарной орбите. Хотя сигнал канала восходящей связи не предназначен для спутника 30, электромагнитная энергия, несущая сигнал канала восходящей связи достигает спутника 30, поскольку, по меньшей мере, в одной точке во времени, спутники 30, 31 находятся в той же линии радиовидимости от наземной станции 60. Следовательно, спутник 30 может испытывать помехи. Та же проблема может возникнуть, когда спутник 31 движется по более высокой орбите по сравнению со спутником 30. Такая ситуация, например, обсуждается в Thomas J. Lang, "Conjunction/Interference Between LEO and GEO Comsats", Proceedings of the AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference held in Sun Valley, Idaho, 4-7 August 1997, AAS Paper 97-668.
Фиг. 3 схематически иллюстрирует еще один сценарий, в котором работа спутника может быть нарушена, в целях более глубокого понимания проблем, к которым некоторые варианты осуществления изобретения обращаются.
Базовая станция 61, например, используемая в системе мобильной связи, передает сигнал на мобильные устройства или другие базовые станции. Эта передача попутно захватывается наземной станцией 60. Другими словами, наземная станция 60 непреднамеренно включает в себя передачи в канале восходящей связи отправленном на спутник 30. Следовательно, спутник 30 принимает электромагнитную энергию, которая не только включает сигнал канала восходящей связи для спутника 30, но также часть не предназначенную для спутника 30.
Возникновение этого типа явления помех было признано анализом спектрограммы. Действительно, было показано ранее, что, например, GSM ретрансляция может произойти, о чем свидетельствует анализ спектрограммы ясно показывающий пики коррекции таймирования. В GSM действительно, пики таймирования отправляются после каждого десятого кадра. Так как каждый GSM кадр 4,615 мс, пик таймирования был замечен каждые 46,15 мс. Такая ситуация может возникать в некоторых обстоятельствах, например, если вышка сотовой связи (базовая станция) близка к VSAT антенне канала восходящей связи (например, несколько сотен метров друг от друга). VSAT антенна канала восходящей связи является подверженной перехвату и ретрансляции сигнала от вышки сотовой связи к геостационарной орбите.
Теперь, когда некоторые примерные сценарии помех были объяснены со ссылкой на фиг. 1-3, варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно.
В одном варианте осуществления спутник наблюдения 10 используется для получения информации о электромагнитной энергии, достигающей спутника 30 (который является, например, геостационарным спутник) или, в более общем смысле, достигающей орбиты или группы орбит. В этом отношении, фиг. 4 схематически иллюстрирует спутник наблюдения 10 движущийся по обратной орбите (хотя несколько спутников наблюдения 10 также могут быть использованы), наземную станцию 20 принимающую передачи от и передающую управляющие сигналы для спутника наблюдения 10, станцию обработки 40 обрабатывающую принятые передачи, спутник 30 на геостационарной орбите, станцию передачи 60 передающую сигнал канала восходящей связи в сторону спутника 30 и станцию передачи 50 передающую прочую электромагнитную энергию к спутнику 30. В примере, показанном на фиг. 4, предполагается, что спутник 30 находится на геостационарной орбите, хотя изобретение не ограничено в этом сценарии.
Спутник наблюдений 10, который движется вокруг земли по обратной орбите, способен принимать передачи от наземных станций 50, 60. Кроме того, спутник наблюдения 10 посылает информацию о принятой электромагнитной энергии к наземной станции 20. Информация затем используется на станции обработки 40 для обработки, например, для получения различных видов информации. Например, станция обработки 40 может определить местоположение мешающей наземной станции 50 для того чтобы иметь возможность регулировать спутниковую антенну наземной станции 50 или, чтобы иметь возможность адаптировать диаграмму направленности антенны спутника 30, чтобы избежать принятия нежелательных сигналов от наземной станции 50 (например, генерированием нуля в направлении мешающей наземной станции 50).
Фиг. 5 схематически иллюстрирует конфигурацию, в которой спутник наблюдения 10 движется по орбите на высоте выше, чем геостационарная орбита, а не меньше, чем геостационарная орбита. Кроме того, конфигурация иллюстрируемая фиг. 5 аналогична иллюстрированной фиг. 4.
Преимущества использования обратной орбиты для спутника наблюдения 10 теперь будут объяснены более подробно.
ОБРАТНАЯ ОРБИТА
Для достижения максимальной полезности спутника с возможностями спектрального восприятия (т.е. спутник наблюдения), некоторые варианты осуществления настоящего изобретения расширяются чувствительным покрытием многих спутников, как это возможно. Обычно для движения спутника относительно других спутников в данной орбите необходимо затратить топливо, в результате укорачивается срок службы, увеличивается стоимость космического аппарата, или скорость относительного дрейфа будет медленной. Теоретически можно было бы двигаться по орбите очень быстро относительно других спутников на соответствующей высоте, если спутник расходовал бы топливо непрерывно. Тем не менее, это не практично и, вероятно, даже не представляется возможным с учетом современных технологий. Таким образом, возможная скорость дрейфа, пока поддерживается выгодная наблюдательная высота, будет такой медленной скоростью, чтобы предельно ограничить величину системы. Пока медленная скорость дрейфа может соответствовать больше стратегически оправданным требованиям, так как вывод на орбиту флота и операция формирования спектра в масштабе длительного времени, медленная скорость дрейфа также исключает платформу оперативного мониторинга, подходящую для реагирование на активные связи передач, так как это может занять несколько месяцев, чтобы перебазировать ресурс к нужной орбитальной позиции. По этой причине, и для максимального количества служащих спутников, предлагаемое решение для спутника наблюдения 10 действовать на альтернативной ретроградной орбите вблизи геостационарной высоты, вращаясь вокруг Земли против естественного вращения вокруг своей оси. Обратная орбита здесь понимается как орбита, имеющая наклон больше чем 90° и меньше чем 270°.
Использование спутников вращающихся по обратной орбите известно, но для других приложений и конфигураций. Например, US 2008/0081556 A1 относится к размещению спутника на обратной орбите для наблюдения и проверки спутников.
Предпочтительно, наклон обратной орбиты между 175° и 185°, так что спутник наблюдения 10 перемещается близко к экваториальной плоскости. Дополнительная схематическая иллюстрация обратной орбиты показана на фиг. 6. Эта орбита имеет преимущество непрерывного и естественного движения по отношению к геостационарным спутникам 30, и обеспечивает достаточную частоту пролета для каждого геостационарного космического летательного аппарата, представляющего интерес. Обратная орбита позволяет измерять на соответствующей высоте без необходимости для значительных трат топлива. Более конкретно, обратная орбита позволяет пересмотреть желаемую скорость и точку наблюдения, как естественное движение так, что необходимо только топливо, что требуется для достижения и поддержания орбиты для жизни спутника (аналогично для всех других спутников). Высота предпочтительно аналогична геостационарным спутникам 30, плюс или минус до нескольких тысяч километров, чтобы обеспечить буфер безопасности для связи с другими спутниками на этой высоте. Высота имеет важное значение для операций зондирования спутника наблюдения 10 потому что, будучи на аналогичной высоте позволяет спутнику наблюдения 10 контролировать те же передачи - или почти те же передачи - что геостационарные спутники 30 получают. Если высота космического аппарата была слишком высокой или слишком низкой, это было бы потенциальным пропуском некоторых сигналов передачи (от антенн с низкими углами возвышения на земле), и было бы потенциальным приемом нежелательной микроволновой энергии.
В случае высота спутника наблюдения 10 примерно такая же, как геостационарных спутников 30, то есть спутник наблюдения 10, например, вращается вокруг Земли по орбите, имеющей высоту, отличающуюся не более чем на 4000 километров от геостационарной орбиты, период обращения остается примерно один оборот спутника каждые двадцать четыре часа. Однако, поскольку вращение Земли и орбита геостационарного спутника будут равны по величине, но противоположны по направлению, спутник наблюдения 10 проходит каждый геостационарный спутник 30 примерно дважды за двадцать четыре часа. Орбита может быть также описана как обращение на орбите геостационарного типа с наклоном 180 градусов. Скоростная частота прибытия каждого геостационарного спутника 30 и широкий охват по всей дуге, это делает один спутник наблюдения 10 с возможностью микроволнового зондирования, способным обслужить весь флот.
Поскольку обратная орбита не является полезной в традиционном смысле геостационарной спутниковой связи, несколько обратных запусков было выполнено. Дополнительная энергия требуется для запуска обратного спутника с поверхности Земли, так как нужно обратить импульс предоставленный естественным вращением Земли, чтобы достичь орбиты в противоположном направлении.
Самый не вызывающий затруднений подход запуска является запустить на запад от поверхности земли, что составляет дополнительную тягу для достижения необходимой разности скоростей в обратном направлении. Однако, поскольку большинство запусков является в прямом движении, пусковые площадки расположены для благоприятных условий запуска в восточном направлении (большой водоем непосредственно к востоку). Еще один подход является более традиционным запуском в восточном направлении в суперсинхронном переносе орбиты и использовании тяги на борту космического аппарата, для увеличения наклона на 180 градусов в течение долгого времени. Такие запуски, однако, не следует рассматривать в качестве единственного средства для достижения такой орбиты.
Другой подход запуска является использованием луны для выполнения лунной качели - по и "обратному" направлению по отношению к вращению земли, как описано, например, в Aravind, R., et al, "Mission to Retrograde Geo-equatorial Orbit (RGEO) using lunar swing-by", 2012 IEEE Aerospace Conference (3-10 March 2012), pp. 1-8.
СТРУКТУРА СПУТНИКА
Фиг. 7 схематически иллюстрирует структуру спутника наблюдения 10 в одном варианте осуществления изобретения. Спутник наблюдения 10 и его оборудование может быть построен на верхней части существующего космического летательного аппарата, включая в себя питания, движения, управления, тепловой и других подсистем. Назначенная полезная нагрузка (т.е. оборудование) может включать следующие основные компоненты подсистемы: только приемный массив 11 и компоненты управления 12 (блок управления), необходимые для обеспечения геолокации космического базирования, оборудование обработки и анализа спектра, подсистема связи 13 (отмечена "СОМ" на фиг. 7) для приема команд от земли и скачивания обработанных данных (временного хранения данных для передачи, если необходимо) и телеметрии, и система движения 14. Подсистема движения изображена именно благодаря значимости этой подсистемы в достижении предписанной орбиты, в зависимости от способа запуска. Тем не менее, спутник наблюдения 10 не может содержать все вышеперечисленные подсистемы и может содержать дополнительные подсистемы в других вариантах осуществления.
Антенна 11 имеет диаграмму направленности, направленную к земле и пригодную для приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне. Принятая электромагнитная передача может содержать намеренно передаваемый сигнал и/или шумоподобные передачи. Предпочтительно, антенна 11 предназначена для приема передач в диапазоне используемом спутниками связи, например диапазон L (от 1 до 2 ГГц), диапазон S (от 2 до 4 ГГц), диапазон C (от 4 до 8 ГГц), диапазон X (от 8 до 12 ГГц), диапазон Ku (от 12 до 18 ГГц), и диапазон Kа (от 26,5 до 40 ГГц). Антенна 11 может быть пригодной для приема электромагнитной энергии с любыми типами поляризации (например, линейной, вертикальной, горизонтальной, эллиптической и круговой) или только для некоторых типов поляризации. Кроме того, диаграмма направленности направлена к земле, когда спутник наблюдения 10 правильно расположен, то есть спутник наблюдения 10 стабильно вращается вокруг земли.
Кроме того, блок управления 12 может получать информацию о схеме модуляции принятой электромагнитной энергии (например, модуляция с фазовым сдвигом, квадратурная амплитудная модуляция, множественный доступ с временным разделением каналов, множественный доступ с кодовым разделением каналов, множественный доступ с частотным разделением каналов).
Для связи между спутником наблюдения 10 и землей, в том числе командной связи, телеметрии и ссылки для загрузки данных, один из нижеследующих методов может, например, быть использован:
(a) Передача по нисходящему каналу связи с использованием конкретных выделенных микроволновых частот. Обычно частоты данных канала нисходящей связи отличаются от тех, которые обычно используются спутниками связи 30 анализируемых во избежание помех.
(b) Передача по нисходящему каналу связи с использованием радиочастотного передатчика, способного динамически регулировать свою полосу частот передачи так, чтобы избежать помех от таких соседних спутников как спутники наблюдения 10 движущиеся. Это может быть предварительно запланированная последовательность или автономная.
(c) Передачи с использованием низкоуровневого расширения спектра. Использование спектра, который является (или не является), уже в использовании и передаче сигнала очень низкого уровня. Скорость передачи данных значительно снижается с МГц, но это приводит к отрицательному отношению сигнал/шум (С/Ш) и, таким образом, оказывает минимальное влияние на любой поток, передаваемый на тех же частотах.
(d) Оптический канал. В этом случае, больше, чем одна наземная станция 20 может быть необходима для обеспечения устойчивого канала нисходящей связи, так как облака и другие погодные явления могут прервать оптическую связь.
(e) Способ хранения и перенаправления, использованием любого из описанных выше способов хранения данных, но с хранением данных из других частей орбиты и передачей на землю позже в другой части орбиты (например, место с меньшим диапазоном частот в использовании и высокой пропускной способностью данных может быть достигнуто).
Что касается связи нисходящего канала от спутника наблюдения 10, любой вышеизложенный способ может быть использован:
(1) "Широкая" область передачи, охватывающая часть или всю землю с точки наблюдения спутника.
(2) Небольшой пучок антенн слежения на борту, которые отслеживают ряд наземных станций, с максимальной мощностью/производительностью, а также с оптимальной координацией и укрепленной безопасностью данных.
(3) Линия передачи на другой спутник выступающий в качестве ретранслятора данных.
Третий вариант схематично проиллюстрирован на фиг. 10. Спутник наблюдения 10 использует спутник ретранслятор 31, чтобы отправлять передачу канала нисходящей связи к наземной станции 20. Более конкретно, спутник наблюдения 10 передает к спутнику 31. Спутник передачи 31 затем передает передачу к наземной станции 20, возможно, после некоторой обработки.
Фиг. 8 схематически иллюстрирует структуру спутника наблюдения 10 в одном варианте осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления спутник наблюдения 10 принимает электромагнитную энергию в диапазонах C и Ku с помощью фазированной антенной решетки 11. Принятая электромагнитная энергия затем преобразуется в общей частоте, подходящей для цифрового сигнального процессора. АЦП 121 оцифровывает аналоговый сигнал. Быстрое преобразование Фурье выполняется над сигналом от АЦП 121 в блоке БПФ 122. Блок обработки 123 может дополнительно обрабатывать выходной сигнал из блока БПФ 122 перед сохранением в буфере 131. Данные, сохраненные в буфере, передаются на наземную станцию 20 через антенну 132 канала нисходящей связи.
Изобретение однако не ограничивается примерной реализацией, проиллюстрированной фиг. 8. Фиг. 8 иллюстрирует простую реализацию и только служит для пояснения функциональной аппаратной конфигурации для одного подхода. Много других возможных реализаций может быть использовано.
ГЕОЛОКАЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
Геолокация космического базирования означает определение местоположения на поверхности земли с помощью объекта в пространстве. Чтобы сделать так, многие возможные методы радиопеленгации (DF) возможны. Одна из возможных механических реализаций может, например, включать вращение космического аппарата до тех пор, пока сигнал передачи будет являться самым сильным, так что ориентация космического аппарата параллельна передаваемому вектору сигнала. Более сложные подходы имеют более сложные электронные и/или механические этапы. Некоторые дополнительные подходы описаны ниже.
Из естественной точки наблюдения в пространстве, спутник наблюдения 10 может наблюдать и контролировать почти все передачи каналов восходящей связи на геостационарные спутники и собирать соответствующую информацию о направленности сигналов каналов восходящей связи. Направленность входящих сигналов каналов восходящей связи на геостационарный спутник, как правило, трудно установить с земли после того, как сигнал был принят и ретранслирован спутником связи.
На орбите, определение местоположения канала восходящей связи может быть достигнуто более простым способом по сравнению с геолокацией наземного базирования, непосредственно разрешая угол падения передачи на космический аппарат, и, учитывая высоту космического аппарата и положение, таким образом, местоположение на поверхности земли. Этот подход имеет существенные преимущества над подходом наземного базирования, потому что не подлежит ограничению передачи на внешние источники данных и является более надежным методом определения, так как он измеряет энергию канала восходящей связи напрямую, а не полагается на частотный и временной доплеровский сдвиг от сигналов канала нисходящей связи от соседних спутников. Эта возможность геолокации космического базирования позволяет для локализации несанкционированных местоположений каналов восходящей связи передавать к космическому аппарату и вызывать помехи в подхваченном потоке и засорять пропускную способность космического аппарата.
Выполнение геолокации космического базирования может быть выполнено с множеством методов и аппаратных решений. Четыре основные классификации методов могут, например, быть рассмотрены, а именно: (T1) Радиопеленгация (DF) с использованием 'обнуления' источников канала восходящей связи с помощью гибкой или управляемой диаграммы направленности, (T2) анализ частоты прибытия (FoA) или допплеровский анализ с помощью рассмотрения разности по частоте или изменения частоты падающего сигнала, (T3) анализ угла прибытия (АоА) с помощью сравнения принятого сигнала (фаза, амплитуда и т.д.) между двумя или более элементами антенны, и (T4) Спектральная оценка с помощью корреляции падающих, сигналов по элементам в многоэлементном массиве.
(T1) DF способ обычно использует усиливающие характеристики антенн, чтобы определить направление падающего сигнала. По изменению усиления антенны в заданном направлении, или путем механического движения или электрическими средствами, характеристики передаваемого сигнала, как принятого антенной, могут также изменяться, таким образом, обеспечивая некоторое понимание природы источника передаваемого сигнала. Изменение усиления в заданном направлении может быть достигнуто, например, относительным движением антенны по отношению к источнику передаваемого сигнала с помощью гимбла или естественного движения, или с помощью динамического изменения диаграммой направленности антенны посредством электрически управляемого антенного массива. DF способ зрелый и много аппаратных реализаций было создано, чтобы применить этот способ для различных применений.
В одном случае, DF способ может применяться для геолокации космического базирования передач канала восходящей связи оснащением спутника наблюдения 10 антенной или антеннами с высоким усилением характеристики наклона и которые охватывают часть земной поверхности, видной спутником наблюдения 10. В любой заданной точке на орбите, диаграмма направленности спутника наблюдения 10 может быть механически или физически перемещена по поверхности земли чтобы «искать» несущий канал, создающий помехи. Это движение может быть намеренно контролируемым или может обрабатываться в повторяющейся части, чтобы обеспечить охват всей земли. Непрерывный мониторинг уровней сигнала в сравнении с опорным уровнем в качестве эталона сдвигов обеспечивает точные измерения как следа входящего так и выходящего целевого сигнала. При достаточном знании собственных диаграмм направленности, движения диаграмм направленности антенн и высоты космического аппарата, вектор направления сигнала источника помех может быть определен и первоисточник на поверхности земли вычислен. Так как этот метод основан на непосредственном измерении энергии (точнее измерения недостатка энергии, когда передатчик входит или выходит "нуль" диаграммы направленности), такая система будет надежной и применимой к широкому спектру сигналов канала восходящей связи.
Среди наиболее перестраиваемых аппаратных решений является использование активных фазированных антенных решеток с электронно управляемой зоной охвата диаграммы на поверхности земли. Это имеет преимущество механически неподвижных частей, и адаптируется для выполнения несколько типов функций поиска (цикличная диаграмма, целенаправленный поиск, и т.д.). Другие типы аппаратных средств для третьего предложенного способа, описанного выше, включают в себя маленькие направленные антенные пучки или антенные кластеры, которые механически перемещаются или поворачиваются на борту космического аппарата или фиксированные антенны или антенные кластеры с нутацией космического аппарата в вращении, тангаже, отклонении или некоторых их комбинациях.
(T2) Частотного прибытия или допплеровский анализ также могут быть использованы для выполнения геолокации космического базирования. Благодаря относительному движению между спутником наблюдения 10 и передающей станции 50, частота сигнала, принимаемого на антенну спутника наблюдения 10 может быть смещена к истинной частоте, передаваемой от передающей станции 50. Кроме того, из-за орбитальной геометрии скорость изменения доплеровского индуцированного смещения также может измениться. Сравнивая частотное смещение с известной опорной, или сравнением частотного смещения между двумя элементами на борту космического аппарата или анализом скорости изменения частотного смещения при измерении спутником наблюдения, понимание возможных местоположений первоисточников на поверхность земли может быть получено. Частотное смещение может быть особенно значительным, чтобы наблюдать из-за высокой относительной скорости спутника наблюдения 10 на обратной орбите.
Для выполнения этой методологии, спутник наблюдения 10 потребует по меньшей мере одну приемную антенну, но может иметь более чем одну. Поскольку этот подход в значительной мере опирается на анализ частоты передаваемого сигнала, есть несколько требований бортовых диаграмм направленности антенн, усиливающей и направляющей способности. Кроме того, стоит отметить, что эта техника геолокации космического базирования зависит от стабильной частоты передачи или известных изменений в частоте передачи так, что изменения в истинной частоте не воспринимались как доплеровские изменения из-за относительного движения.
(T3) Геолокализация космического базирования анализом углового прибытия может использовать множество антенн на борту космического аппарата с перекрытием диаграмм направленности антенн на поверхности земли. Опорные измерения между двумя элементами антенны, в качестве простого примера, могут быть одним из путей, чтобы получить основную информацию о угле прибытия сигнала. Рассмотрим две антенны, с перекрытием, но не идентичными характеристиками диаграмм направленности, так, что тот же сигнал, принятый двумя антеннами, является принятым по-разному и с разным уровнем мощности. Через знание характеристик приема обоих антенных элементов, предварительное понимание возможного направления прибытия может быть определено, потому что только небольшая часть возможных векторов направления приведет наблюдаемый сигнал к обеим антеннам. Этот процесс может быть усовершенствован и улучшен с более сложным и большим числом антенн в полезной степени.
Измерением амплитуды и/или (чаще) фазы данного сигнала одним или более элементами и сравнения разности в соотношении друг с другом или с опорным измерением, понимание угла падения от источника на антенну может быть определено и первоисточник источников передач может быть получен. В этом случае, с высоким усилением, высокий наклон и низкое затухание производительности функций антенны имеет преимущество в достижении высокого разрешения и точности измерения. Методика относительно проста в реализации и может обеспечить надежные измерения для широкого диапазона типов сигналов канала восходящей связи.
(T4) Техника спектральной оценки опирается на измерение источников сигнала, падающих на спутник наблюдения 10 множеством элементов в массиве. В результате, технике спектральной оценки направления прибытия требуется множество антенных элементов, сконфигурированных в сложный массив на борту спутника наблюдения 10 и в направлении земли, так, что усиленные диаграммы направленности антенн перекрываются и элементы расположены соответствующим образом в соответствии с предполагаемым интересующим сигналом.
Измерения амплитуды и фазы падающих сигналов с заданной частотой через каждый элемент могут быть соотнесены, чтобы произвести оценку структуры падающих сигналов, а именно от угла падения на массив. Многие измерения могут быть приняты последовательно чтобы статистически улучшить характеристику сигнала через усреднение. Математическая интенсивная обработка может дополнительно повысить производительность за счет использования подпространственных методов, таких как классификация множественного сигнала (MUSIC). Хотя вычислительные ресурсы и требуют достаточно большого антенного массива, некоторые корреляционные подходы могут обеспечить высокую точность воспроизведения оценки направления прибытия множества падающих сигналов одновременно. Достаточно знания антенного массива и ориентации и положения спутника наблюдения 10, геолокация космического базирования может быть выполнена, как первоисточник каждого падающего сигнала на поверхности Земли может быть получен.
Оптимальное решение может фактически включать множество вышеуказанных методов и действительно некоторые методы могут быть совместимы для выполнения анализа с использованием тех же аппаратных средств космического аппарата. Синтез выход нескольких методов, а также синтез последовательного анализа как спутник наблюдения 10 движется и угол падения данного сигнала изменяется могут производить высокую результативность.
За исключением некоторых измерений допплеровских смещений в методике (T2 или T3), стоит отметить, что геолокация космического базирования не зависит от обратного (высокая относительная скорость) движения космического аппарата; но скорее, что обратное движение позволяет относительно малое время отклика и зону действия для выполнения геолокации космического базирования для каждого спутника на орбите в направлении прямого движения на заданной высоте.
В одном варианте осуществления, который предоставляет в некотором смысле представление о взаимодействии между множеством спутников, как проиллюстрировано на фиг. 10, фракционированный космический аппарат или несколько космических аппаратов последовательно используются. Например, в одном варианте осуществления, система, включающая множество спутников наблюдения используется. Это может позволить использование меньших космических аппаратов, каждый из которых имеет по меньшей мере один антенный элемент, синхронно проводящих измерения на некотором расстоянии, а затем передающие эти сигналы к большему космическому аппарату. Космические аппараты могут также быть одинакового размера. Это может быть выгодно для выполнения геолокации космического базирования чтобы иметь антенны, которые разнесены очень далеко друг от друга (т.е. интерферометрия с синтезированием апертуры), и они не должны быть на том же космическом аппарате.
ГЕОЛОКАЦИЯ НАЗЕМНОГО БАЗИРОВАНИЯ С СПУТНИКОМ НАБЛЮДЕНИЯ
В одном варианте осуществления, традиционное наземное базирование обработку разности по времени прибытия (TDOA) или обработку разности по частоте прибывающего сигнала (FDOA) использует как метод геолокации, включающий спутник наблюдения или спутники. А именно, спутник наблюдения выступает в качестве вторичного спутника для целевого спутника для TDOA-FDOA измерений или два спутника наблюдения в непосредственной близости могут быть использованы для выполнения наземного базирования TDOA-FDOA анализа сигналов. Это включает передачу данных, соответствующих вышеупомянутым случаям (i), (ii) или (iii), или любую их комбинацию (т.е. как описано выше, по меньшей мере, часть принятой электромагнитной энергии или информации, представленной, или полученной из, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии) на землю со спутника(ов) наблюдения.
Этот метод идентичен существующим методам геолокации наземного базирования, за исключением того, что метод включает один или несколько спутников наблюдения в обратных орбитах, которые специально предназначены для помощи в анализе сигнала и определении первоисточника сигналов канала восходящей связи. В этом смысле, метод может также быть назван "геолокацией наземного базирования, космического базирования".
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
В дополнение к спутнику наблюдения 10, система в одном варианте осуществления изобретения может включать в себя наземного базирования инфраструктуру и связи для ретрансляции обработанных данных на землю. Несколько наземные станции 20 вокруг земли с антеннами слежения будут выполнять функции дистанционного измерения, слежения и связи (TT&C), а также принимать передаваемые данные от спутника наблюдения 10. Время от горизонта до горизонта для спутника наблюдения 10 на высоте около геостационарной орбиты примерно четыре часа, что является приемлемой скоростью для существующих антенных систем. По меньшей мере, три или четыре наземные станции 20 требуются для поддержания постоянной связи со спутником наблюдения 10. В дополнение к традиционному командному и управляющему космическому аппарату, наземные станции 20 также отправляют любые необходимые полезной нагрузке команды или запросы на спутника наблюдения 10, направляя операции зондирования для осуществления конкретных измерений по желанию пользователей.
Данные, загруженные спутником наблюдения 10, могут быть большими, и прием и хранение данных образуют последовательность на землю являющуюся размеренной соответственно для обработки непрерывного потока данных от спутника наблюдения 10 через традиционные демодуляцию и дешифрование приема последовательности. Данные могут быть сохранены в одной или нескольких станциях обработки 40, обеспечиваемых из каждой наземной станции 20 последовательно по мере изменения области приема спутника. В зависимости от реализации обработки на борту и методе, используемой геолокации, дополнительный этап обработки будет выполнен в централизованном центре обработки данных с целью получения желаемого выходного формата и формата данных. Интерфейсная часть может позволить пользователям направлять команды полезной нагрузки на спутник наблюдения 10 через наземные станции 20, а также обеспечить доступ к принятию и обработке данных.
Станция обработки 40 в одном из вариантов осуществления изобретения, схематически проиллюстрирована на фиг. 9. Как показано на фиг. 4, станция обработки 40 находится на земле. Тем не менее, как описано выше, так как некоторая обработка может дополнительно или альтернативно быть выполнена в спутнике наблюдения 10, или в другом спутнике, одни и те же функции и/или блоки также могут быть включены, при условии, что это необходимо, внутрь спутника наблюдения 10, или в другой спутник.
Станция обработки 40 включает блок обработки 41, блок памяти 42, соединенный с блоком обработки 41 и блок связи 43, соединенный с блоком обработки 41.
Блок обработки 41 может включать в себя процессор, микропроцессор, или логику обработки, которая может интерпретировать и выполнять инструкции, как те, что описаны в настоящем документе (например, со ссылкой на фиг. 11). Эти операции могут быть выполнены под влиянием блока обработки 41 исполняющем программные инструкции, содержащиеся на машиночитаемом носителе, например блоке памяти 42. Программные инструкции, содержащиеся в блоке памяти 42 могут вызвать блок обработки 41 для выполнения операций или процессов, описанных в данном документе. Кроме того, аппаратная схема может быть использована вместо или в комбинации с программными инструкциями для реализации процессов и/или операций, описанных в данном документе. Таким образом, реализации, описанные здесь, не ограничены какой-либо конкретной структурой аппаратных средств и программного обеспечения.
Блок памяти 42 сконфигурирован для хранения передач от одного или нескольких спутников наблюдения 10. Блок памяти 42 может включать в себя оперативную память или другой тип динамического запоминающего устройства, которые могут хранить информацию и инструкции для исполнения блоком обработки 41. Блок памяти 42 может также включать в себя устройство ROM или другой тип статического запоминающего устройства, которые могут хранить статическую информацию и инструкции для использования блоком обработки 41. Блок памяти 42 может также включать в себя магнитный и/или оптический носитель записи и соответствующий привод.
Блок связи 43 сконфигурирован осуществлять связь с одной или более наземными станциями 20. Блок связи 43 может включать в себя любой приемопередатчик, как механизм, который позволяет станции обработки 40 связываться с другими устройствами и/или системами.
Блок памяти 42 может хранить компьютерную программу загружаемую в блок обработки 41, содержащий код для выполнения этапов описанного способа в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Хотя это не проиллюстрировано (для краткости), канал включает в себя путь, который разрешает связь между компонентами станции обработки 40, устройство ввода включает в себя механизм, который позволяет оператору вводить информацию в станцию обработки 40, такой как кнопочная консоль, клавиатура, мышь, перо, распознавание голоса и/или биометрические механизмы и т.д., и устройство вывода включает в себя механизм, который выводит информацию для оператора, такой как дисплей, принтер, динамик и т.д., могут быть также включены в станцию обработки 40.
Фиг. 11 является блок-схемой способа, выполняемого системой в одном варианте осуществления. На этапе S11, по меньшей мере, одна наземная станция 20 получает сигнал, исходящий от спутника наблюдения 10 движущегося по орбите имеющей наклон больше 90° и меньше 270° (т.е. по обратной орбите), и передается по меньшей мере одна из: (i) электромагнитная энергия, принятая спутником, представляющая информацию (ii) электромагнитная энергия, принятая спутником, и (iii) информация, полученная из электромагнитной энергии, принятой спутником.
Информация, представляющая принятую электромагнитную энергию, может быть получена в спутнике наблюдения 10, оцифровкой и сжатием принятой электромагнитной энергии. В последней альтернативе, информация, полученная из принятой электромагнитной энергии может быть получена в спутнике наблюдения 10 определением местоположения (например, широты и долготы) источника принятой электромагнитной энергии.
На этапе S12, по меньшей мере, одна станция обработки 40 оценивает из принятой электромагнитной энергии или информации, представляющей, или полученный из, принятой электромагнитной энергии, полученной, по меньшей мере, одной наземной станцией, по меньшей мере, одну из: (а) структуру по меньшей мере части принятой электромагнитной энергии; (b) местоположение на земле первоисточника, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии; (с) уровень принятой электромагнитной энергии, достигшей, по меньшей мере, части геостационарной орбиты; и (d) по меньшей мере, одну характеристику передачи канала восходящей связи. В одном варианте осуществления наземная станция 20 и станция обработки 40 могут быть расположены или сформированы на единой станции.
Структура, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии, может содержать энергетический спектр или поляризацию принятой электромагнитной энергии. Местоположение на земле первоисточника, по меньшей мере, части принятой электромагнитной энергии может включать широту и долготу первоисточника. Уровень принятой электромагнитной энергии, достигающей, по меньшей мере, части геостационарной орбиты полезен для определения карты помех геостационарной орбиты. Характеристика передачи канала восходящей связи может включать схему модуляции передачи канала восходящей связи.
Фиг. 12 является блок-схемой способа выполняемого системой в одном варианте осуществления изобретения.
На этапах S21 и S22, непосредственная или предварительная конфигурации команд выполняются и конфигурация спутника будет загружена. На этапе S23, спутник принимает по каналу восходящей связи электромагнитную энергию. Канал восходящей связи электромагнитной энергии может, например, включать в себя энергию, предназначенную для других спутников. На этапе S24, принятая электромагнитная энергия подвергается преобразованию частоты или смещению частоты. Дополнительные шаги могут включать в себя аналого-цифровое преобразование, цифровую обработку принятой электромагнитной энергии, обработку данных или обобщение данных нескольких источников, цифро-аналоговое преобразование, смещение частоты и т.д.
На этапе S25, по меньшей мере, часть принятой электромагнитной энергии передается (например, к наземной станции на земле). Принятая электромагнитная энергия оцифровывается на этапе S26, и делается цифровая обработка на этапе S27. Обработка может включать в себя использование известных функций обработки, таких как быстрое преобразование Фурье, анализ допплеровского частотного сдвига, анализ доплеровской скорости, обработка направления прибытия или угла прибытия, обработка разности по времени прибытия, обработка разности по частоте прибытия, и/или опорное сравнение мощности, частоты, фазы между двумя или более принимающими элементами или моментами времени.
Выход этапа S27 может быть использован для различных этапов обработки. На этапе S28, обработанные данные могут быть синтезированы с внешними источниками, такими как характеристики и первоисточник опорных сигналов, орбитальное расположение, скорость и данные ориентации спутника. Синтезированные данные затем могут быть использованы в преобразовании координат и проекции приблизительного местоположения на поверхности земли, на этапе S29. Таким образом, местоположение передатчика может быть оценено на этапе S30 (геолокация). Альтернативно или дополнительно, синтезированные данные могут быть синтезированы с использованием нескольких анализов в течение долгого времени на этапе S31. Таким образом, на этапе S32 могут быть получены антенные характеристики, соответствующие измерения или тенденции спектрального окружения.
Кроме того, выход этапа S27 может быть дополнительно обработан с помощью демодуляции принятой электромагнитной энергии на этапе S33. Таким образом, становится возможным выполнение анализа несущего сигнала (этап S34).
В других вариантах осуществления изобретения, любые из описанных выше процедур, этапов или процессов могут быть реализованы с использованием компьютерно-выполняемых инструкций, например, в виде исполняемых компьютером процедур, способов или тому подобного, в любых видах компьютерных языков, и/или в виде встроенного программного обеспечения на прошивке, интегрированной схеме и тому подобном.
Хотя настоящее изобретение было описано на основе подробных примеров, подробные примеры предназначены только для обеспечения специалистам в данной области лучшего понимания, и не предназначены для ограничения объема изобретения. Объем изобретения намного лучше определен в прилагаемой формуле изобретения.
В любом из вышеперечисленных вариантов осуществления, спутник наблюдения может также содержать дополнительную приемную антенну, имеющую приемную диаграмму направленности, направленную от Земли, антенна выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне. Таким образом, она подходит для спутника наблюдения, чтобы принять заданный сигнал, введенный в данный целевой спутник (вращающийся по орбите на высоте большей, чем орбита, по которой вращается спутник наблюдения), а также повторяет данный сигнал, выводимый целевым спутником. Например, целевой спутник может быть вращающимся на геостационарной орбите, и в этом случае дополнительная приемная антенна спутника наблюдения может быть ориентирована в или рядом с зенитным направлением - в том случае, если спутник наблюдения вращается по орбите, на высоте меньшей, чем геостационарная орбита. Преимущество такого подхода состоит в том, что он позволяет с помощью входных и выходных сигналов вместе, нейтрализовать некоторые источники ошибок (любой небольшой дрейф частоты данного сигнала, например, который в противном случае может привести к геолокационным погрешностям) и дает характеристику производительности самого целевого спутника.
Реферат
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в системах спутниковой связи. Технический результат состоит в повышении надежности приема электромагнитной энергии. Для этого спутник наблюдения используется для получения информации о электромагнитной энергии, излучаемой от земли. Спутник наблюдения вращается вокруг земли по орбите, имеющей наклон больше чем 90° и меньше чем 270°. Кроме того, спутник наблюдения содержит, по меньшей мере, одну приемную антенну, причем по меньшей мере одна приемная антенна имеет приемную диаграмму направленности, направленную к земле, и выполнена с возможностью приема электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне по мере вращения спутника по орбите относительно поверхности земли. Спутник наблюдения также содержит передатчик, сконфигурированный для, по меньшей мере, ретрансляции принятой электромагнитной энергии, передачи информации, представляющей принятую электромагнитную энергию; и передачи информации, полученной из принятой электромагнитной энергии. 9 н. и 42 з.п. ф-лы, 12 ил.
