3840

Для измерения времени приема и частоты радиосигналов телеметрии была предложена схема измерений [14] на основании обработки сигналов телеметрической информации (ТМИ) СМКА и навигационных космических аппаратов (НКА) в микроконтроллере (МК) обработки времени, их записи в двухканальном цифровом осциллографе и дальнейшей обработке в промышленный компьютере, как показано на рис. 2. Радиосигналы телеметрии после приемной антенны преобразуются на промежуточную частоту в модуле приемника программно-определяемого радио (SDR приемник) и попадают на второй вход цифрового осциллографа, как показано на рис. 3.

Рис. 2. Схема измерения времени приема и частоты радиосигналов телеметрии

Рис. 3. Измерение времени приема пакета телеметрии СМКА

С модуля приемника программно-определяемого радио в микроконтроллер обработки времени поступает сигнал прихода, пакета ТМИ, как показано на рис. 3. Импульсный 1PPS сигнал и следующий за ним NMEA пакет, которые передает навигационный приемник на входы цифрового осциллографа и микроконтроллера обработки времени, позволяют определить сдвиг τ между временем t1 приема пакета телеметрии и временем приема t1+τ следующего за ним 1PPS сигнала [14]. Знание времени прихода t1+τ 1PPS сигнала из информации NMEA пакета позволяет определить время t1. Запись радиосигналов, переданная от осциллографа в промышленный компьютер, позволяет определить частоту радиосигнала телеметрии и проверить корректность измерения времени t1.

В процессе обучения технологиям определения орбиты студенты изучают как методы

151

измерения орбитальных параметров СМКА на одном пролете, так и на нескольких пролетах спутника над НСП. Измерения орбитальных параметров СМКА на одном пролете спутника над НСП могут проводиться как в одной точке орбиты, так и в нескольких. Максимальный интервал пролета низкоорбитального СМКА над университетской наземной станцией приема составляет от 10 до 12 мин для высоты орбиты от 350 до 600 км [4]. Поэтому для определения орбитальных параметров СМКА по измерениям на одном пролете над университетской наземной станцией приема используют модель движения Кеплера [15]. Измерения орбиты также могут проводиться на нескольких пролетах спутника над НСП. Характерное значение периода орбиты СМКА для высоты от 350 до 600 км составляет от 90 до 102 мин [4]. После трех последовательных пролетов спутника над НСП следует перерыв с интервалом 8-9 часов. Поэтому в этом случае для определения орбитальных параметров СМКА используют более сложные модели возмущенного движения [4, 15].

На практике студенты изучают технологии начального определения орбиты СМКА с неизвестными параметрами движения и коррекции орбитальных параметров СМКА с известными параметрами движения. Если орбитальные параметры СМКА можно получить, например, из базы данных системы NORAD, то можно спрогнозировать временной интервал и параметры пролета (углы наведения антенных систем, частоту радиосигнала телеметрии). Успешный прием и декодирование пакетов телеметрии СМКА позволит проверить корректность его орбитальных параметров. Измерения и обработка времени приема и частоты радиосигналов статистическими методами [15, 16] дают возможность повысить точность определения вектора состояния СМКА. Когда университетская наземная станция принимает радиосигналы телеметрии неизвестного спутника, то вначале встает задача определить отличительные признаки этих радиосигналов (частота следования сигналов, средняя частота радиосигналов, наличие меток и так далее). Затем зная, что характерное значение периода орбиты СМКА для высоты от 350 до 600 км составляет от 90 до 102 мин, на следующих витках пролета на университетской наземной станции приема сделать попытку принять и измерить параметры радиосигналов телеметрии неизвестного спутника. При этом следящие антенные системы в предполагаемые интервалы пролета проводят всенаправленный азимутальный поиск радиосигналов телеметрии неизвестного спутника. Для начального определения орбиты неизвестного СМКА используют, например, модели невозмущенного (для обработки измерений на одном пролете) или возмущенного кругового движения (для обработки измерений на нескольких пролетах), а также вероятностные оценки угла места и доплеровского сдвига частоты радиосигналов телеметрии спутника [4].

В процессе обучения студенты изучают технологии определения орбит при совместной работе сети стационарной университетской НКУ и мобильных наземных станций приема. Вначале используя ПО Visual Space [16], моделируется работа НКУ и мобильных НСП по приему телеметрии и определению орбит как с одним СМКА, так и с группировкой СМКА [15], проводится расчет стандартной баллистической информации необходимой для успешной работы сети. Затем студенты изучают методы определения орбит по результатам измерений несколькими станциями. Также используется данные наблюдений СМКА радиолюбителей международной сети «Satnogs». Еще одна технология, которую изучают студенты – это предварительный расчет вектора состояния и усреднённых орбитальных параметров в формате TLE для планируемого к запуску университетского наноспутника из статистического анализа усреднённых орбитальных параметров СМКА и первоначальных данных по времени запуска, предполагаемой орбите и ракетоносителю.

Разработанный экспериментальный образец программно-аппаратных средств наземной системы связи с университетским наноспутником совместно с экспериментальным образцом системы НБО тестировался при приеме данных и измерения орбиты наноспутника CubeBel-1 с различной периодичностью передачи пакетов ТМИ на одном пролете и нескольких последовательных пролетах над университетской НСП Минск

152

(широта φ = 53 o54′27″ СШ, долгота λ = 27 o33′52″ ВД, высота Н = 0,23 км). Проводились измерения времени приема, и частоты принимаемых радиосигналов телеметрии наноспутника CubeBel-1 на интервале времени от 05:54:00 до 06:04:00 для 01.11.2019 г. (UTC) над НСП Минск. Данные измерения на одном пролете для CubeBel-1 (периодичность передачи пакетов при данном сеансе радиосвязи составляла 30 с) по доплеровскому сдвигу частоты на моменты приема ТМИ, сравнивались с результатами моделирования на основе модели SGP 4 по начальным данным в формате TLE, как показано на рисунке 4. Оценивались ошибки измерения частоты принимаемых радиосигналов наноспутника БГУ CubeBel-1 относительно расчетных по модели SGP 4, которые не превышали 100 Гц.

Также были протестированы два метода начального определения орбиты СМКА: моделирование пролетов СМКА для моментов времени приема радиосигналов телеметрии по базе данных системы NORAD и модель невозмущенного кругового движения КА. Вначале проводилась обработка измерений времени и частоты принимаемых радиосигналов телеметрии наноспутника CubeBel-1, оценка средней частоты приема <f> = 436.99 МГц, рассчитывался доплеровский сдвиг частоты радиосигнала телеметрии: Δfi = fi – <f>. Для проведения моделирования пролетов неизвестного КА использована база данных СМКА стандарта Cubesat системы NORAD в формате TLE, содержащая 180 КА. Для каждого момента времени приема ti радиосигналов телеметрии (20 измерений) были рассчитаны параметры пролета над НСП Минск: угол места eli, азимут azi, наклонная дальность ρi, скорость изменения наклонной дальности dρi/dt и доплеровский сдвиг частоты fрасч.i радиосигналов телеметрии по модели SGP4. Проводился расчет вероятности успеха β1j для j- го (j = 1…180) спутника по анализу данных угла места el > 0:

153

где N = 20 – общее количество точек измерений, в которых было выполнено численное моделирование; K1j – количество точек измерений для j-го спутника с углом места el > 0; K2j

– количество точек измерений для j-го спутника с углом места el > 0 и отклонением расчетного доплеровского сдвига частоты fрасч.i от измеренного доплеровского сдвига частоты Δfi менее 200 Гц.

Как показало моделирование, наибольшее число моментов времени приема со значением угла места el > 0 - 20 было у наноспутника БГУ CubeBel-1 с номером 43666, японского наноспутника CUTE-1 с номером 27844 и итальянского наноспутника DSAT с номером 42794 в системе NORAD. Как это показано на рис. 5, где представлены экспериментальная доплеровская кривая и доплеровские кривые, полученные на основе численных расчетов для 8 космических аппаратов для которых угол места el > 0 более, чем в 50 % точках измерений на интервале одного пролета.

На рис. 6 представлены зависимости числа возможных СМКА от вероятности успеха β1 (синие кружки) и β2 (красные квадраты). Как видно рис. 5-6 с максимальной вероятностью успеха β1 = 100 % по анализу угла места (el > 0) на интервале одного пролета существуют 3 наноспутника CubeBel, CUTE-1 и DSAT, то есть невозможна однозначная

154

широты u и долготы восходящего узла Ω с вероятностью успеха выше 50 % на основе оценки угла места и доплеровского сдвига частоты при сравнении с оценкой только по углу места уменьшаются на 87,5 % с 80° до 10° и уменьшаются на 90 % с 50° до 5° соответственно.

Как было показано только по оценке угла места, существовало 1,64·104 набора орбитальных параметров (T, i, u, Ω) с вероятностью успеха β1 = 100 % и 119189 наборов орбитальных параметров с вероятностью успеха β1 выше 50 %.

При этом, в соответствии с оценкой угла места и доплеровского сдвига частоты существовало 55 наборов орбитальных параметров (T, i, u, Ω) с вероятностью успеха β2 = 100 % и только 1490 наборов орбитальных параметров с вероятностью успеха β2 выше 50 %. После этого для 55 набора орбитальных параметров с вероятностью успеха β2 = 100 % рассчитывался средний вектор состояния в геоцентрической инерциальной системе

координат (X0, Y0, Z0, V0x, V0y, V0z) = ( -2805.6 км, 1062,5 км; 6156,6 км; -5,352 км/с; 4,395

км/с; -3.198 км/с) для момента времени t0. На основе 20 измерений доплеровского сдвига частоты осуществлялась дифференциальная коррекция [15] начальной аппроксимации вектора состояния в геоцентрической инерциальной системе координат и рассчитывался скорректированный вектор состояния (X0, Y0, Z0, V0x, V0y, V0z) = (-2973,6 км; 856,5 км; 6139,6 км; -5,648 км/с; 3,930 км/с; -3,268 км/с) для расчетного времени t0.

Выводы

1.Стационарный университетский наземный комплекс управления и мобильные наземные станции приема позволяют решать задачи управления СМКА, приема телеметрии, определения его орбиты.

2.Кроме того, студенты на практике могут изучать методы измерения орбитальных параметров на одном и на нескольких пролетах СМКА над НСП; технологии начального определения орбиты и ее коррекции; технологии определения орбит при совместной работе сети станций приема. Проводить предварительный расчет вектора состояния и усреднённых орбитальных параметров в формате TLE планируемого к запуску университетского наноспутника.

3.На примере университетского наноспутника CubeBel-1 продемонстрирована возможность обучения студентов технологиям приема телеметрии, проведения измерений и определения орбитальных параметров космических аппаратов.

Литература

1. Bouwmeester, J. Survey of worldwide picoand nanosatellite missions, distributions and

subsystem technology / J. Bouwmeester, J. Guo // Acta Astronautica. 2010. Vol. 67. Pp. 854–862. 2. Bandyopadhyay, S. Review of Formation Flying and Constellation Missions Using

Nanosatellites /S. Bandyopadhyay, R. Foust, G.P. Subramanian, Soon-Jo Chung, F.Y. Hadaegh // Journal of Spacecraft and Rockets. 2016. Vol. 53 (3). Pp. 1–12.

3.Marcuccio, S. Smaller Satellites, Larger Constellations: Trends and Design Issues for Earth Observation Systems / S. Marcuccio, S. Ullo, M. Carminati, O. Kanoun // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2019. Vol. 34 (10). Pp. 50-59.

4.Spiridonov, A.A. Determination of the orbit of unknown ultra-small spacecraft based on

the circular perturbed motion model and Doppler frequency shift measurements. / A.A. Spiridonov,

A.G. Kesik, V.A. Saechnikov, V.E. Cherny, D.V. Ushakov // Moscow University Physics Bulletin. 2020. Vol. 75 (5). Pp. 488–495.

5. Saetchnikov, V. BSUSat-1 – Research educational lab - one year in orbit. / V. Saetchnikov, S. Semenovich, A. Spiridonov, E. Tcherniavskaia, V. Cherny, I. Stetsko, S. Vasilenko,

156

D. Buchinsky // Proceedings of IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace. 2020.

P.111-116.

6.Vallado, D.A. Revisiting Spacetrack Report #3 / D.A. Vallado, P. Crawford, R. Hujsak, T.S. Kelso // in AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, Keystone, CO, 2006.

7.Wang, R. Propagation errors analysis of TLE data / R. Wang, J. Liu, Q. Zhang // Advances in Space Research. 2009. Vol. 43. Pp. 1065–1069.

8.Spiridonov, A.A. Simulation of Navigation Receiver for Ultra-Small Satellite / A. A.

Spiridonov, D. V. Ushakov, V. A. Saechnikov // Devices and Methods of Measurements. 2019. Vol. 10. Pp. 331–340.

9.Ali, I. Doppler applications in LEO satellite communication systems / I. Ali, P.G Bonanni, N. Al-Dhahir, J.E. Hershey. Springer US, 2006. P.126.

10.Rouzegar, H. Ghanbarisabagh, M. Estimation of Doppler Curve for LEO Satellites / Wireless Personal Communications. May 2019. Vol. 108. Pp. 2195–2212.

11.Sakamoto, Y. Methods for the orbit determination of tethered satellites in the project

QPS / Y. Sakamoto, K. Yotsumoto, K. Sameshima, M. Nishio, T. Yasaka // Acta Astronaut. 2008. Vol. 62. Pp. 151-158.

12. Верстаковская, А. П. Мобильная станция приёма телеметрии на основе

приемника программно-определяемого радио / А. П. Верстаковская, А. А. Спиридонов, В. Е. Черный // Электроника плюс. 2019. № 3. С. 50–57.

13.Vallado, D. Fundamentals of Astrodynamics and Applications. – Microcosm Press / Hawthorne, 2013. P. 1136.

14.Spiridonov A. Small satellite orbit determination using the university ground station / A.

Spiridonov, V. Saechnikov, D. Ushakov, V. Cherny, A. Kesik // Proceedings of IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace. 2020. Pp. 117–121.

15.Patton, R. B. Orbit Determination from Single Pass Doppler Observations // IRE Transactions on Military Electronics. 1960. Vol. MIL-4 (2-3). Pp. 336-344.

16.Верстаковская, А. П. Наземная станция приема телеметрии и определения орбиты

сверхмалого космического аппарата / А. П. Верстаковская, В. Е Евчик, А. Г. Кезик, В. А. Саечников, С. А. Соловьев, А. А. Спиридонов, Д.В. Ушаков, В. Е. Черный // Компьютерные технологии и анализ данных (CTDA’2020): материалы II Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 23–24 апр. 2020 г. Минск: БГУ, 2020. С. 224–228.

Белорусский государственный университет (БГУ), Минск, Беларусь

A.A. Spiridonov, V.A. Saechnikov, D.V. Ushakov, I.A. Shalatonin, V.E. Cherny,

A.G. Kezik, A.P. Verstakovskaya, V.E. Evchik

TRAINING IN ORBIT DETERMINATION TECHNOLOGIES

FOR THE SMALL SATELLITE

A scientific and educational network for receiving and processing information from educational satellites of the Belarusian State University has been developed to solve the problems of controlling and receiving telemetry, increasing the amount of received information, and determining and refining orbital parameters. The capabilities of the ground station for training students the technologies of receiving telemetry, making measurements, processing information, determining and refining the orbits of satellite are demonstrated.

Keywords: small satellite, ground control system, orbit determination, telemetry radio signals, Doppler frequency shift.

Belarusian State University (BSU), Minsk, Belarus

157

УДК 621.3+528.8

Д.Н. Чигрин1, И.В. Суровцева1

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДАННЫХ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В статье обоснована необходимость получения оперативной информации об изменениях окружающей среды посредством данных с космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).Изучены технические характеристики бортовых радиопередатчиков средств ДЗЗ. Представлены особенности высокоскоростного приема и передачи данных КА ДЗЗ. Проведено оценивание помехоустойчивости сигналов и определена оптимальная модуляция по влиянию помехи. Разработан приемо-передающий комплекс системы высокоскоростной передачи данных КА ДЗЗ.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, мониторинг окружающей среды, высокоскоростная передача данных, многопозиционнная модуляция, помехоустойчивость, сравнительный анализ, гармоническая помеха.

Для актуализации информации по дистанционному зондированию Земли необходима модернизация информационно-телекоммуникационных систем, а именно создание перспективных систем связи в технологии высокоскоростной передачи и приема информации [1].

Актуальность предлагаемого исследования заключается в совершенствовании существующей системы связи с помехозащищенной линией высокоскоростной передачи и приема данных (ВСПД) КА ДЗЗ для оперативного мониторинга окружающей среды.

Цель работы – совершенствование системы передачи и приема, данных мониторинга окружающей среды.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1.Изыскание технических возможностей средств ДЗЗ.

2.Рассмотреть существующие особенности средств высокоскоростного приема и передачи данных КА ДЗЗ.

3.Провести верификацию для оценивания помехоустойчивости применяемых

сигналов.

4.Разработать приемо-передающий комплекс системы высокоскоростной передачи данных КА ДЗЗ.

Диапазоны радиочастот, используемые в метеосъемке и передаче данных с борта КА, проиллюстрированы в табл. 1 [2-12].

Таблица 1

Диапазоны радиочастот для передачи информации по радиолиниям с борта КА ДЗЗ

Китайские КА, как правило, при передаче данных используют частоту 180 МГц и 480 МГц - применительно к метеоданным.

158

В международной практике в качестве основных линий передачи данных со скоростью до 320 Мбит/с с борта КА ДЗЗ на наземные станции применяются радиолинии X- диапазона, характеристики современных приборов бортовых систем представлены в табл. 2.

Перспективным для улучшения информативности бортовых датчиков в новых стандартах высокоскоростной передачи данных и сопутствующих систем связи является диапазон 25,5–27,0 ГГц, что соответствует радиочастотам Кa согласно решению Международного союза электросвязи ITU.

Работа средств ВСПД КА ДЗЗ имеет следующие особенности:

1.Одноканальная связь.

2.Полоса сигнала больше смещения частоты радиосигнала.

3.Остронаправленные антенны.

4.Малая позиционность модуляции (значительный частотный ресурс).

5.Относительно большие объемы данных (десятки гигабайт).

6.Малые длительности сеансов связи (2 – 10 минут).

7.Ограничения по энергетике.

8.Искажения при передаче широкополосных сигналов.

9.Периодичность обращения КА составляет 60-120 минут.

Использование сигналов с указанной манипуляцией является основой коммуникационных стандартов DVB-S и DVB-S2/S2X, реализующих технологии беспроводной передачи и приема дискретных сигналов. Согласно [3], при интенсивности прицельной помехи μ = 0,1 для вероятности битовой ошибки Peb = 10-3 16ФМ, относительно 16КАМ, показал себя хуже на величину ~6 дБ (без помехи – ~3 дБ), а 16АФМ – 2,5 дБ (без

159