Разработка и исследование методов и устройств наведения и сопровождения космических аппаратов наземной антенной системой
Аннотация
Вокруг нашей планеты вращается большое количество спутников. Данные спутники непрерывно обмениваются данными с Землей и между собой. Таким образом, если нам будет известно местоположение интересующего нас спутника в данный момент, а также если каким-то образом навести на него антенну – мы получим возможность получить полезную и интересную информацию.
С наступлением эры Интернета тенденция к созданию высокоинформированного общества становится все более очевидной, и потребность общества в коммуникации также возрастает. Гибкий режим спутниковой связи имеет много преимуществ, таких как большая нагрузка на связь и отсутствие географических ограничений, которые не могут быть заменены другими режимами связи. В системе спутниковой связи наиболее важной является спутниковая земная станция (SES). При приеме сигналов от целевого спутника терминал SES должен точно указывать на спутник и отслеживать его, чтобы получить максимальный принимаемый сигнал и одновременно уменьшить помехи от других сигналов. Однако движение спутника или терминала может вызвать изменение интенсивности сигнала, поэтому необходимо своевременно корректировать направление антенны SES для поддержания оптимальных условий приема сигнала.
Базы данных NORAD, содержащие информацию многих тысяч объектов свободно распространяются для дальнейшего использования в Интернете. Наборы элементов орбиты, позволяющие определить такие параметры как необходимый угол поворота по азимуту и углу места, хранятся в TLE файлах. С их помощью спутниковые земные станций, относящиеся к любительскому сегменту, способны взаимодействовать со спутниками Земли.
Цель данной работы состоит в разработке системы автоматизированного наведения антенны на спутник, и, в частности, программного обеспечения, предназначенного для автоматизированного нахождения параметров для поворота антенны, и непосредственного поворота данной антенны для приема сигнала со спутника, на который осуществляется наведение, а также сделать данный процесс удобным и понятным.
Актуальность работы объясняется большим количеством спутников, вращающихся вокруг нашей планеты. Данные спутники непрерывно обмениваются данными с Землей и между собой. Таким образом, если нам будет известно местоположение интересующего нас спутника в данный момент, а также каким образом необходимо навести на него антенну – мы получим возможность получить полезную и интересную информацию. Работа с Cubesat – общемировой тренд, позволящий привлечь молодых и амбициозных людей. Это обусловлено занчительно более низкими денежными затратами на проектирование, реализацию и запуск. Спутники Cubesat пролетают над точкой приема примерно за 10-15 минут, обычно несколько раз в сутки, что, конечно, мало для того, чтобы принять с него всю информацию. Реализация доступной системы позволитсоздать больше точек приема - можно объединяться с другими университетами для приема и обмена информацией с разных кубсатов. Антенной системе требуется высокая эффективность чтобы принимать больше спутников, чтобы принимать спутники с более высоких орбит, со сложными сигналами, сложными видами модуляции. Повышение эффективности и точности наведения антенны на спутник сейчас очень важны, например, для движущихся беспилотных аппаратов, имеющих компактные размеры. Как только беспилотный аппарат уходит за горизонт – высокоскоростная связь будет отсутствовать. В таком случае хорошим решением будет связь через искусственные спутники Земли.
В первой части работы дана обзорная информация о спутниках и их предназначении, а также краткий обзор аналогичного программного обеспечения, используемого радиолюбителями для работы со спутниками;
Во второй части работы рассмотрены компоненты, которые необходимы для успешного наведения антенны на спутник, выбор данных компонентов, а также их подключению;
В третьей части работы рассматриваются общие принципы и алгоритмы работы разработанной системы, а также ее настройки;
Четвертая часть работы посвящена обзору графического интерфейса и его возможностей в плане управления системой, ее настроек и обработки различного рода ошибок;
Пятая часть содержит информацию о том, как проводилось тестирование системы, а также результаты данных тестов.
В ходе работы выбраны компоненты, при помощи которых изменяется ориентация антенного поста в пространстве. Разработаны алгоритмы нахождения местоположения спутника относительно антенного поста. Разработаны алгоритмы для наведения антенного поста на выбранный спутник. Разработан графический интерфейс для управления антенным постом и контролем текущего состояния системы. Определены планы по дальнейшему развитию.
A large number of satellites revolve around our planet. These satellites continuously exchange data with the Earth and with each other. Thus, if we know the location of the satellite we are interested in at the moment, as well as if we somehow point the antenna at it, we will be able to get useful and interesting information.
With the advent of the Internet era, the tendency to create a highly organized society is becoming more and more obvious, and society's need for communication is also increasing. The flexible mode of satellite communication has many advantages, such as a large communication load and the absence of geographical restrictions that cannot be replaced by other communication modes. In the satellite communication system, the most important is the satellite Earth station (SES). When receiving signals from a target satellite, the SES terminal must accurately point to the satellite and track it in order to get the maximum received signal and at the same time reduce interference from other signals. However, the movement of the satellite or terminal may cause a change in the signal intensity, so it is necessary to adjust the direction of the SES antenna in a timely manner to maintain optimal signal reception conditions.
NORAD databases containing information of many thousands of objects are freely distributed for further use on the Internet. Sets of orbit elements that allow determining such parameters as the required azimuth rotation angle and elevation angle are stored in TLE files. With their help, satellite Earth stations belonging to the amateur segment are able to interact with Earth satellites.
The purpose of this work is to develop a system for automated guidance of an antenna to a satellite, and, in particular, software designed for automated finding of parameters for antenna rotation, and direct rotation of this antenna to receive a signal from a satellite that is being guided, as well as to make this process convenient and understandable.
The relevance of the work is explained by the large number of satellites orbiting our planet. These satellites are continuously exchanging data with the Earth and with each other. Thus, if we know the location of the satellite we are interested in at a given moment, as well as how to point the antenna at it, we will be able to get useful and interesting information. Cubesat is a worldwide trend that allows attracting young and ambitious people. This is due to significantly lower monetary costs for design, implementation and launch. Cu-besat satellites fly over the receiving point in about 10-15 minutes, usually several times a day, which, of course, is not enough to receive all the information from it. The implementation of an accessible system will allow you to create more admission points - you can unite with other universities to receive and exchange information from different cubesats. The antenna system requires high efficiency to receive more satellites, to receive satellites from higher orbits, with complex signals, complex types of modulation. Improving the efficiency and accuracy of pointing the antenna at the satellite is now very important, for example, for moving unmanned vehicles with compact dimensions. As soon as the wireless device goes beyond the horizon, high-speed communication will be absent. In this case, communication via artificial Earth satellites will be a good solution.
The first part of the work provides an overview of satellites and their purpose, as well as a brief overview of similar software used by radio amateurs to work with satellites;
In the second part of the work, the components that are necessary for the successful pointing of the antenna to the satellite, the choice of these components, as well as their connection are considered;
The third part of the paper discusses the general principles and algorithms of the developed system, as well as its settings;
The fourth part of the work is devoted to an overview of the graphical interface and its capabilities in terms of system management, its settings and handling various kinds of errors;
The fifth part contains information about how the system was tested, as well as the results of these tests.
In the course of the work, the components were selected, with the help of which the orientation of the antenna post in space is changed. Algorithms for finding the location of the satellite relative to the antenna post have been developed. Algorithms have been developed to guide the antenna post to the selected satellite. A graphical interface has been developed for controlling the antenna post and monitoring the current state of the system. Plans for further development have been identified.
С наступлением эры Интернета тенденция к созданию высокоинформированного общества становится все более очевидной, и потребность общества в коммуникации также возрастает. Гибкий режим спутниковой связи имеет много преимуществ, таких как большая нагрузка на связь и отсутствие географических ограничений, которые не могут быть заменены другими режимами связи. В системе спутниковой связи наиболее важной является спутниковая земная станция (SES). При приеме сигналов от целевого спутника терминал SES должен точно указывать на спутник и отслеживать его, чтобы получить максимальный принимаемый сигнал и одновременно уменьшить помехи от других сигналов. Однако движение спутника или терминала может вызвать изменение интенсивности сигнала, поэтому необходимо своевременно корректировать направление антенны SES для поддержания оптимальных условий приема сигнала.
Базы данных NORAD, содержащие информацию многих тысяч объектов свободно распространяются для дальнейшего использования в Интернете. Наборы элементов орбиты, позволяющие определить такие параметры как необходимый угол поворота по азимуту и углу места, хранятся в TLE файлах. С их помощью спутниковые земные станций, относящиеся к любительскому сегменту, способны взаимодействовать со спутниками Земли.
Цель данной работы состоит в разработке системы автоматизированного наведения антенны на спутник, и, в частности, программного обеспечения, предназначенного для автоматизированного нахождения параметров для поворота антенны, и непосредственного поворота данной антенны для приема сигнала со спутника, на который осуществляется наведение, а также сделать данный процесс удобным и понятным.
Актуальность работы объясняется большим количеством спутников, вращающихся вокруг нашей планеты. Данные спутники непрерывно обмениваются данными с Землей и между собой. Таким образом, если нам будет известно местоположение интересующего нас спутника в данный момент, а также каким образом необходимо навести на него антенну – мы получим возможность получить полезную и интересную информацию. Работа с Cubesat – общемировой тренд, позволящий привлечь молодых и амбициозных людей. Это обусловлено занчительно более низкими денежными затратами на проектирование, реализацию и запуск. Спутники Cubesat пролетают над точкой приема примерно за 10-15 минут, обычно несколько раз в сутки, что, конечно, мало для того, чтобы принять с него всю информацию. Реализация доступной системы позволитсоздать больше точек приема - можно объединяться с другими университетами для приема и обмена информацией с разных кубсатов. Антенной системе требуется высокая эффективность чтобы принимать больше спутников, чтобы принимать спутники с более высоких орбит, со сложными сигналами, сложными видами модуляции. Повышение эффективности и точности наведения антенны на спутник сейчас очень важны, например, для движущихся беспилотных аппаратов, имеющих компактные размеры. Как только беспилотный аппарат уходит за горизонт – высокоскоростная связь будет отсутствовать. В таком случае хорошим решением будет связь через искусственные спутники Земли.
В первой части работы дана обзорная информация о спутниках и их предназначении, а также краткий обзор аналогичного программного обеспечения, используемого радиолюбителями для работы со спутниками;
Во второй части работы рассмотрены компоненты, которые необходимы для успешного наведения антенны на спутник, выбор данных компонентов, а также их подключению;
В третьей части работы рассматриваются общие принципы и алгоритмы работы разработанной системы, а также ее настройки;
Четвертая часть работы посвящена обзору графического интерфейса и его возможностей в плане управления системой, ее настроек и обработки различного рода ошибок;
Пятая часть содержит информацию о том, как проводилось тестирование системы, а также результаты данных тестов.
В ходе работы выбраны компоненты, при помощи которых изменяется ориентация антенного поста в пространстве. Разработаны алгоритмы нахождения местоположения спутника относительно антенного поста. Разработаны алгоритмы для наведения антенного поста на выбранный спутник. Разработан графический интерфейс для управления антенным постом и контролем текущего состояния системы. Определены планы по дальнейшему развитию.
A large number of satellites revolve around our planet. These satellites continuously exchange data with the Earth and with each other. Thus, if we know the location of the satellite we are interested in at the moment, as well as if we somehow point the antenna at it, we will be able to get useful and interesting information.
With the advent of the Internet era, the tendency to create a highly organized society is becoming more and more obvious, and society's need for communication is also increasing. The flexible mode of satellite communication has many advantages, such as a large communication load and the absence of geographical restrictions that cannot be replaced by other communication modes. In the satellite communication system, the most important is the satellite Earth station (SES). When receiving signals from a target satellite, the SES terminal must accurately point to the satellite and track it in order to get the maximum received signal and at the same time reduce interference from other signals. However, the movement of the satellite or terminal may cause a change in the signal intensity, so it is necessary to adjust the direction of the SES antenna in a timely manner to maintain optimal signal reception conditions.
NORAD databases containing information of many thousands of objects are freely distributed for further use on the Internet. Sets of orbit elements that allow determining such parameters as the required azimuth rotation angle and elevation angle are stored in TLE files. With their help, satellite Earth stations belonging to the amateur segment are able to interact with Earth satellites.
The purpose of this work is to develop a system for automated guidance of an antenna to a satellite, and, in particular, software designed for automated finding of parameters for antenna rotation, and direct rotation of this antenna to receive a signal from a satellite that is being guided, as well as to make this process convenient and understandable.
The relevance of the work is explained by the large number of satellites orbiting our planet. These satellites are continuously exchanging data with the Earth and with each other. Thus, if we know the location of the satellite we are interested in at a given moment, as well as how to point the antenna at it, we will be able to get useful and interesting information. Cubesat is a worldwide trend that allows attracting young and ambitious people. This is due to significantly lower monetary costs for design, implementation and launch. Cu-besat satellites fly over the receiving point in about 10-15 minutes, usually several times a day, which, of course, is not enough to receive all the information from it. The implementation of an accessible system will allow you to create more admission points - you can unite with other universities to receive and exchange information from different cubesats. The antenna system requires high efficiency to receive more satellites, to receive satellites from higher orbits, with complex signals, complex types of modulation. Improving the efficiency and accuracy of pointing the antenna at the satellite is now very important, for example, for moving unmanned vehicles with compact dimensions. As soon as the wireless device goes beyond the horizon, high-speed communication will be absent. In this case, communication via artificial Earth satellites will be a good solution.
The first part of the work provides an overview of satellites and their purpose, as well as a brief overview of similar software used by radio amateurs to work with satellites;
In the second part of the work, the components that are necessary for the successful pointing of the antenna to the satellite, the choice of these components, as well as their connection are considered;
The third part of the paper discusses the general principles and algorithms of the developed system, as well as its settings;
The fourth part of the work is devoted to an overview of the graphical interface and its capabilities in terms of system management, its settings and handling various kinds of errors;
The fifth part contains information about how the system was tested, as well as the results of these tests.
In the course of the work, the components were selected, with the help of which the orientation of the antenna post in space is changed. Algorithms for finding the location of the satellite relative to the antenna post have been developed. Algorithms have been developed to guide the antenna post to the selected satellite. A graphical interface has been developed for controlling the antenna post and monitoring the current state of the system. Plans for further development have been identified.