Отчет по практике Привалова Л.А. Отчет по производственной практике по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности

• Название: Отчет по производственной практике по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности
• Дата: 07.01.2022
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: Отчет по практике Привалова Л.А.docx
• Тип: Отчет; #325279

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Заочный и вечерний факультет (ЗиВФ)

Кафедра телекоммуникаций и основ радиотехники(ТОР)

Обзор систем передачи информации для малых космических аппаратов (МКА) типа CubeSat и т.п.

Отчет по производственной практике по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности

Выполнил: Студент гр. З-47

Привалова Л.А.

_ Привалова

« _3_ » июля _2021г.

Руководитель практики от Университета:

Кандидат технических наук

Абраменко А. Ю.

__

« _3_ » июля _2021г.

Оглавление

Обзор систем передачи информации для малых космических аппаратов (МКА) типа CubeSat и т.п. 1

Введение 3

1.Назначение системы связи 4

2.Параметры существующих систем связи 5

3.Частотные диапазоны, применяемые для связи МКА–Земля, а также МКА–МКА 6

4.Виды модуляции сигнала, применяемые в системе связи МКА 9

5.Протоколы физического уровня, применяемые в системе связи МКА 10

Заключение 12

Список использованных источников 13

Введение

Одной из важных тенденций развития космической техники является создание малых космических аппаратов (МКА).

Первые МКА появились как опытные образцы университетских разработок, используемые либо как средство приобретения опыта в создании и эксплуатации космической техники, либо как инструмент для отработки новых инженерных и технологических решений. Однако уже в конце прошлого и начале этого столетия благодаря новейшим достижениям в электронике и других областях науки и техники, приведшим к возможности миниатюризации практически всех служебных систем КА без ущерба для их функциональных качеств, появилась возможность использовать малые космические аппараты для решения достаточно сложных научных и прикладных задач. При этом относительно небольшая стоимость создания отдельного МКА вместе с возможностью организации группового запуска нескольких таких аппаратов позволяет значительно снизить стоимость реализации различных космических проектов.

Кроме того, стало возможным, находясь в рамках ограниченного финансирования, создать и вывести на орбиту вместо одного большого (тяжелого) КА группировку малых космических аппаратов, предназначенных для решения общей задачи. Применение таких группировок позволяет сделать скачок в качестве услуг, предоставляемых на основе использования космических средств, прежде всего значительно повышая их оперативность.

1. Назначение системы связи

Малый космический аппарат (МКА) может использоваться для разных обработок и демонстрации каких-либо технологий. Сюда входят: испытание систем и узлов ракетно-космической техники, а также научные МКА используют для проведения исследований в области солнечной и космической физики, науке о Земле, планетологии, космической биологии. Также с помощью спутников проводят исследования границ земной атмосферы, суточные и глобальные наблюдения земных процессов, исследование химических свойств поверхности планет или их атмосфер.

Главное и важное преимущество космического аппарата – это оперативность поступления информации на региональные и частные станции. Очень важной задачей, связанной с экологической обстановкой при дистанционном зондировании земли можно получать информацию в режиме прямой съемки и передачи информации.

2. Параметры существующих систем связи

Спутнико-космические системы радиосвязи состоят из двух основных частей или сегментов:

-космического 

-наземного.

Космический сегмент содержит определенное число спутников с установленными на них ретрансляторами радиосигнала.

Наземный сегмент содержит центральную станцию - центр управления системой, узловые станции, осуществляющие связь со спутниками и слежение за их орбитами, и абонентские терминалы по обслуживанию пользователей системы.

К числу основных параметров такой системы радиосвязи относятся.

В части космического сегмента системы:

-тип орбиты (геостационарная, средневысотная или низковысотная  круговая), ее высота, наклонение и число орбитальных плоскостей

-количество спутников, их число в одной орбитальной группировке и период обращения вокруг Земли;

-зоны обслуживания на Земле - системы в целом и каждым из спутников;

-параметры спутника - его масса, мощность источника электропитания, срок активного существования, точность удержания на орбите и т. д.;

-параметры ретранслятора спутника - диапазон частот, ширина полосы частот, мощность радиопередатчика, чувствительность радиоприемника, пропускная способность, коэффициенты усиления и ширина диаграммы направленности антенн и т. д.

В части наземного сегмента системы:

-количество наземных станций - центральной по управлению всей системой и узловых или сопряжения для слежения и связи со спутниками, и их радиотехнические параметры;

-максимальное количество абонентских терминалов и их массогабаритные и радиотехнические параметры;

-способ связи одного абонентского терминала с другим - непосредственно через спутник или с использованием одной из узловых станций .

3. Частотные диапазоны, применяемые для связи МКА–Земля, а также МКА–МКА

Вопросы радиочастотного обеспечения функционирования космического комплекса (системы) на базе МКА нормативно достаточно жестко регламентированы, но разработчиками выполняются не в полной мере. Используемые в настоящее время полосы радиочастот накладывают достаточно жесткие ограничения для построения космического сегмента и/или кластера на базе МКА, что неизбежно негативно скажется при ихрасширенном применении. Прогнозируемое дальнейшее увеличение количества запускаемыхМКА приведет к усложнению функционирования командно-телеметрических систем в направлениях(космос–Земля) и (Земля– космос), а также загрузке радиолинии целевой информации (РЛЦИ) в направлении (космос–Земля).

К сожалению, следует отметить, что в настоящее время в вопросахиспользования частотного радиодиапазона между радиослужбами гражданского и военного назначения практически отсутствуют необходимая координация и взаимодействие.
В сложившихся условиях представляется предпочтительным следующее использование имеющихся полос радиочастот: – 258–261 МГц (Земля–космос) могут применяться для построения командно-телеметрической системы МКА, при этом потребители не должны создавать вредныхпомехсистемам подвижной и подвижной спутниковой служб, работающим в этой полосе частот, или требовать защиты от них , или ограничивать использование и развитие такихсистем.
– 267–273 МГц (космос–Земля) выделена для службы космической эксплуатации с учетом, что эта полоса радиочастот преимущественного пользования РЭС, предназначенныхдля нужд государственного управления, в том числе президентской связи, правительственной связи, нужд обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка с ограничениями 5.254, 5.257 и 95, 125, 127 ;

– 2025–2110 МГц, используемые службой космическихисследований (Земля–космос, космос– космос), службой космической эксплуатации (Земля–космос, космос–космос), спутниковой службы исследования Земли (Земля–космос, космос– космос) с ограничениями 5.392 и 193, 200, 211, 219, 221, 222, 223, 224, 225;

– 2200–2290 МГц, используемые службой космическихисследований (космос–космос, космос–Земля), службой космической эксплуатации (космос–космос, космос–Земля), спутниковой службой исследования Земли (космос–космос, космос–Земля) ;

– 8025–8400 МГц для спутниковой службы исследования земли (космос–Земля), метеорологической спутниковой (Земля–космос) и фиксированной спутниковой (Земля–космос) с учетом ограничения 5.462А Таблицы распределения радиочастот.
В то же время необходимо рассмотреть варианты ухода из полосы радиочастот 8400–8500 МГц службы космическихисследований (космос–Земля), предназначенной для нужд государственного управления, в том числе президентской связи, правительственной связи, нужд обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка.

Реализация управления и приема информации с КА систем спутниковой связи, относящихся к фиксированной спутниковой и подвижной спутниковой службам (СПСС «Турайя», СПСС «Иридиум», многофункциональная система персональной спутниковой связи «Гонец-Д1М», перспективная низкоорбитальная система спутниковой связи «Гонец-ВЕБ»), будет крайне затруднена нерешенностью вопросов частотныхприсвоений и потребует внесения изменений в соответствующие нормативные документы
Рекомендуемый вариант построения радиоэлектронныхсредств и обеспечение электромагнитной совместимости этихРЭС для космических систем (комплексов) на базе МКА — это совмещенная система управления, приема телеметрии и информации с бортовыхполезныхнагрузок, работающая в полосе радиочастот, выделенныхдля решения той или иной целевой задачи в соответствии с таблицей распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации.
Для решения целевыхзадач оперативного оптико-электронного наблюдения акваторий, водных участков земной поверхности, чрезвычайных ситуаций различного характера, а также для оперативного контроля состояния инженерныхобъектов целесообразно использовать диапазоны радиочастот: 2025–2110 МГц (космос–космос, Земля– космос), 7190–7250 МГц (Земля–космос), 8025– 8400 МГц (космос–Земля), 25,5–27,0 ГГц (космос– Земля), 37,5–38,0 ГГц (космос–Земля на вторичной основе), 40,0–40,5 ГГц (Земля–космос), 65,0– 66,0 ГГц.

Для проведения научныхэкспериментов целесообразно использовать диапазоны радиочастот: 2025–2100 МГц (космос–космос, Земля– космос), 7145–7190 МГц (дальний космос, Земля–космос), 7190–7235 МГц (ближний космос, Земля–космос), 8400–8450 МГц (дальний космос, космос–Земля), 8450–8500 МГц (космос–Земля), 22,55–23,15 (Земля–космос), 31,8–32,3 ГГц (дальний космос, космос–Земля), 34,2–34,7 ГГц (дальний космос, Земля–космос), 37,0–38,0 ГГц (космос–Земля), 40,0–40,5 ГГц (Земля–космос), 65,0– 66,0 ГГц, 94,0–94,1 ГГц.

4. Виды модуляции сигнала, применяемые в системе связи МКА

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно малого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

-значительной удалённостью приёмника от передатчика,

-ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ).

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определённый частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространёнными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция]. Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK.

Модуляция производится на наземной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты свёрточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды и LDPC-коды.

5. Протоколы физического уровня, применяемые в системе связи МКА

Практический опыт разработки бортовых радиотехнических систем МКА позволяет сделать вывод о том, что для построения бортовой аппаратуры командно-телеметрической и информационных радиолиний предлагается использовать модульные трансиверы компании MaxStream (США). Данные трансиверы в настоящее время широко применяются при сборке наноспутников серии CubeSat.
Протокол информационного обмена между элементами ЛОГ КА и элементами наземного комплекса управления в этом случае основывается на стандарте IEEE 802.15.4 в сочетании со спецификацией ZigBee.

Следует отметить, что спецификация ZigBee и стандарт IEEE 802.15.4 описывают разные уровни классической схемы взаимодействия открытых систем. Стандарт IEEE 802.15.4 описывает только два нижних уровня схемы (физический и канальный), в то время как ZigBee охватывает семь уровней, обеспечивающих быстрое создание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта (сетевой, транспортный, сеансовый уровни, а также уровни представления и приложений).
Беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 резервирует под обмен данными 27 каналов в трех частотных диапазонах (868 × 915 МГц, а также 2,4 ГГц). Скорость передачи в частотном диапазоне 2,4 ГГц может достигать 250 Кбит/с. Стандарт IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных, поддерживая при этом шифрование AES 128. Расширенная адресация в рамках стандарта IEEE 802.15.4 позволяет находиться в одной сети примерно 65 тысячам устройств.
Устройства внутри сети могут играть одну из трех ролей: обыкновенного оконечного устройства (производящего обмен только с концентратором), ретранслятора (обеспечивающего прием и передачу данных) и концентратора (управляющего архитектурой сети). Оконечные устройства — устройства с ограниченной функциональностью — обеспечивают минимальный набор функций, позволяющий производителю экономить на комплектующих (в частности, памяти микроконтроллера). Ретранслятор, или устройство с полной функциональностью, поддерживает все функции, определенные в документе IEEE 802.15.4, и может выполнять функции моста, маршрутизатора или шлюза для связи с другими сетями. Концентратор, или сетевой координатор, — наиболее дорогой тип устройств, так как он должен содержать всю информацию о сетевых соединениях, иметь большой объем памяти и высокую производительность.

Протокол передачи подразумевает „засыпание“ передатчика при отсутствии данных для пересылки, что обеспечивает низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. В результате время автономной работы оконечных устройств может значительно продлить срок орбитального ресурса работы МКА.

Стандарт обладает высокой скоростью конфигурирования и реконфигурирования сети. К примеру, переход приемника в активное состояние займет порядка 15 мс, а добавление устройства в сеть — около 30 мс. Для сравнения, сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия. На основе стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также с заданными параметрами шифрования. Наиболее перспективным считается создание на основе стандарта IEEE 802.15.4 беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Networks, или WSN). В рамках этого направления соединенные между собой по беспроводному интерфейсу оконечные КА могут обмениваться информацией и передавать данные на центральный КА. В данном случае спецификация ZigBee отвечает всем требованиям, предъявляемым технологией к беспроводному стандарту: любой КА может быстро подключаться или отключаться от сети, передавая небольшие объемы данных и практически не потребляя электроэнергии.

Заключение

Создание малых космических аппаратов (МКА) стало одной из важных тенденций развития космической техники. Появилась возможность использовать малые космические аппараты для решения достаточно сложных научных и прикладных задач. Относительно небольшая стоимость создания отдельного МКА вместе с возможностью организации группового запуска нескольких таких аппаратов позволяет значительно снизить стоимость реализации различных космических проектов.

Кроме того, стало возможным, находясь в рамках ограниченного финансирования, создать и вывести на орбиту вместо одного большого (тяжелого) КА группировку малых космических аппаратов, предназначенных для решения общей задачи. Применение таких группировок позволяет сделать скачок в качестве услуг, предоставляемых на основе использования космических средств, прежде всего значительно повышая их оперативность.

Список использованных источников

1. 
   Малые спутники (Википедия) – [Электронный ресурс]: (https://ru.wikipedia.org/wiki/Малые_спутники);
   
2. 
   Малые спутники в современной космической деятельности – [Электронный ресурс]: (http://www.tssonline.ru/articles2/sputnik/malye-sputnikiv-sovremennoy-kosmicheskoy-deyatelnosti);
   
3. 
   Наземный комплекс управления для малых космических аппаратов – [Электронный ресурс]: (http://cyberleninka.ru/article/n/nazemnyy-kompleksupravleniya-dlya-malyh-kosmicheskih-apparatov);
   
4. 
   CubeSat. – [Электронный ресурс]: (https://ru.wikipedia.org/wiki/CubeSat);
   
5. 
   Малые космические аппараты – новые средства дистанционного зондирования Земли из космоса – [Электронный ресурс]: (http://jurnal.vniiem.ru/text/100/2.pdf);
   
6. 
   Малые космические аппараты : пособие для студентов факультетов радиофизики и компьют. технологий, мех.-мат. и геогр. / С. В. Абламейко, В. А. Саечников, А. А. Спиридонов. – Минск : БГУ, 2012. – 159 с. – (Аэрокосмические технологии).
   

Томск 2021