CC BY
3
УДК 621.398
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ НАНОСПУТНИКА
ФОРМАТАСиБЕ8ЛТ
В. В. Уткин*, Д.М. Кадочников, А. В. Кададова Научный руководитель - А. В. Трилис
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова» Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1
*Email: vlad@teamfnd.ru
В работе рассматривается разработка системы канала передачи данных Космос-Земля в составе малого космического аппаратав формате «Cube Sat». В работе приведеныпроблематика и расчеты параметров для подбора и проектирования блоков полезной нагрузки.
Ключевые слова:канал передачи данных, расчет радиолинии, CubeSat, малые космические аппараты
DEVELOPMENT OF Л DATA TRANSMISSION SYSTEM FOR THE CUBESAT
NANOSATELLITE
V.V. Utkin*, D. M. Kadochnikov, А. V. Kadadova Scientific supervisor-A.V. Trilis
Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D. F. Ustinov 1, 1st Krasnoarmeyskaya str., Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation
*Email: vlad@teamfnd.ru
This paper considers the development of Space to Earth data channel system as part of the "CubeSat" formatnanosatellite. This paper presents problems and calculations of parameters for the selection and design of payload units.
Keywords: data transmission channel, radio link calculation, CubeSat, small spacecraft
В последнее время, широко развивается тематика малых космических аппаратов (МКА) в формате «CubeSat». Они представляют собой унифицированные по размеру блоки 100х100х 100мм, для облегчения их выведения в составе большой группировки разных спутников. Доля таких малых платформ растет с каждым годом, они доступны для запуска студентам, малым организациям и даже частным лицам [1].
Такие аппараты комплектуются несколькими полезными нагрузками (ПН), которые отвечают за функционирование аппарата, либо за проведение экспериментов, в зависимости от цели запуска. Одной из таких нагрузок, как правило, оказывается система передачи данных Космос-Земля, потому как передача результатов работы аппарата является востребованным функционалом выводимого аппарата.
Однако, малый размер и вес МКА налагает довольно серьезные ограничения на ПН. В частности, из-за небольшого запаса аккумуляторов на них не представляется возможным установка высокомощных передатчиков. Также очень сложно разработать антенну с большим коэффициентом усиления для МКА, поскольку она не вписываются в его габариты. Наконец, проекты с такими аппаратами по большей части предполагают использование уже доступных на рынке радиотехнических решений, поскольку разработка собственных
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
комплексных систем в малом объёме выходит за доступный бюджет, при котором использование МКА целесообразно.
Таким образом, в качестве решение поставленной проблемы обычно предполагается использование довольно медленных передатчиков, потому как такой сигнал проще принять на земле. Например, довольно частое решение -использование передатчика мощностью 30дБм на частоте 435 МГц сгауссовской частотной модуляцией. Скорость такого канала передачи данных составляет 9600 бит/с [2]. В качестве альтернативы можно использовать передатчик диапазона Х(частоты 7 - 10,7 ГГц), который имеет высокую скорость передачи данных в 10 Мбит/с, однако, создание или покупка приемной станция для такого диапазона как правило экономически нецелесообразна.
ПРИМЕР РАСЧЕТА И ВЫБОРА КОМПОНЕТОВ РАДИОЛИНИИ
Для примера, возьмем в качестве передаваемой информации изображение 8 мегапикселей, сжатое в формате ХРЕОпри качестве 95%. Ее объем в общем случае составит примерно 1,21 мегабайт. Примерное время передачи такого объёма информации составит1.21 МВ*1024 К*8 бит / 9600 бит/с ~ 1057 сек.
При времени пролета спутника на солнечно синхронной орбите на высоте 400-600 км над принимающей станцией в 300 сек, передача такого изображения займет 4 пролета или в лучшем случае 1 день. На практике из-за присутствия ошибок передачи, помех и накладны расходов протокола передачи данных это время может увеличится в разы.
Однако увеличив скорость передачи данных в 4 раза, эту же задачу можно выполнить в 1 пролет, намного облегчив работу оператора, тогда это потребует скорости передачи данных в1.21 МВ*1024 К*8 бит / 300 с ~ 33 Кб/с.
В качестве компромиссного решения поставленной задачи, проведем расчет канала передачи данных работающий на частоте 2,4-2,5 ГГц (диапазон Б). Она была выбрана исходя из стремления уменьшить размер антенн, и соответственно, получить меньшие габариты полезной нагрузки. Дальнейшее увеличение частоты резко повышает требования к изготовлению.
При начале пролета, МКА оказывается на наклонении 17° градусов, дальность его до станции в этот момент примерно 2000 км. Потери на частоте передачи в свободном пространстве составят 166,4 дБ.
201д(й) + 201д(р + 201д(4р1/с), 20/^(2000 * 103) + 201д(2,5 * 1012) - 147.55 = 166.4дБ, где ё - расстояние в м, Г - частота в Гц(1).
На МКА предусматривается установка патч антенны (рис. 1). Такая антенна имеет слабую направленность и проста в изготовлении. Её усиление составляет в среднем 6 дБ. Размер такой антенны позволяет разместить ее на боковой панели.
Рис. 1. Вид патч-антенны в общем виде
На земле для приема сигнала устанавливается антенна- офсетное зеркало диаметром 0,9 метра с поворотной системой (рис. 2). Такие антенны широко используются для приема спутникового телевидения. Их усиление на нужной частоте составит 24 дБ.
Таким образом, потери на пути сигнала с учетом усиления антенн составят 136 дБ. Зная потери на пути прохождения сигнала, в качестве приемо-передатчика выберем чип 8ет1есЬ8Х1280. Он имеет довольно низкий уровень приема сигнала, благодаря использованию линейная частотная модуляция. По его спецификации [3], на нужной скорости в 33 Кбит/с он имеет чувствительность в -112 дБм, то есть минимальное теоретическое усиление для приема сигнала составляет 136-112=24дБ. Это усиление может быть достигнуто применением распространённых усилителей для данного диапазона, например БКУ85321. При применении его с БХ1280 выходная мощность сигнала составляет 27 дБ, что достаточно для приема сигнала [4].
Таким образом был произведен расчет необходимого энергетического бюджета радиолинии, при заданных требованиях к передаче данных в условиях работы аппарата в околоземной орбите и подбор необходимых компонентов. Подобный расчет может быть использован при решении других подобных задач, например для приема телеметрии с любительских радиозондов или беспилотных летательных аппаратов.
1. Кададова А.В., Уткин В.В. Анализ ошибок спутников CubeSat. Перспективы стратосферных запусков // Сборник тезисов работ международной молодежной научной конференции XLVI I Гагаринские чтения 2021. -М.: Издательство «Перо», 2021.С. 654-655
2. СПУТНИКС - Приборы CubeSat [Электронный ресурс]. URL: https://sputnix.ru/ru/priboryi/pribory-cubesat/ (дата обращения: 01.04.2022).
3. SemtechSX1280 [Электронныйресурс]. URL: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-24ghz/sx1280 (датаобращения: 01.04.2022).
4. EbyteE28-2G4M27S [Электронныйресурс]. URL: https://www.ebyte.com/en/product-view-news.html?id=537 (дата обращения: 01.04.2022).
Рис. 2. Офсетное зеркало с облучателем диапазона 2.4 ГГц
Библиографические ссылки
© Уткин В. В., Кадочников Д.М., Кададова А. В., 2022
