Космические аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

дистанционный зондирование связь диапазон

Введение

1. Основные принципы дистанционного зондирования Земли

1.1 Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства

1.2 Концепция дистанционного зондирования

1.3 Классификации ДЗЗ

1.4 Типы ДЗЗ в зависимости от диапазонов длин волн

1.5 Формат данных ДЗЗ

2. Подсистема связи КА

2.1 Общие сведения о подсистеме связи

2.2 Способы передачи данных

2.3 Функции подсистемы связи

2.4 Требования к подсистеме связи

3. Расчётная часть

Заключение

Список использованных источников

Приложение



Введение

Создание и развитие космических средств и технологий ДЗЗ является в настоящее время одним из важнейших направлений применения космической техники для социально-экономических и научных целей. В мире уже успешно эксплуатируются десятки космических аппаратов ДЗЗ. В различных стадиях разработки находятся от 200 до 300 новых проектов по реализации перспективных возможностей наблюдения и съемки Земли из космоса. Наблюдается быстрый прогресс в области повышения технического уровня космических аппаратов и сокращения затрат на их создание и эксплуатацию.

Это выявляет общие тенденции развития рынка ДЗЗ как насчет малых спутников, так и группировок крупных современных высокопроизводительных спутников, принадлежащих ведущим поставщикам данных ДЗЗ:

-создание распределенных сетей приема, обработки и распространения данных ДЗЗ;

- увеличение скоростей передачи данных;

- совершенствование устройств обработки данных непосредственно на борту;

- использование глобальных спутниковых систем связи для передачи информации.

Дистанционные методы исследования окружающей среды- это многосложная и разносторонняя область науки и техники, переживающая период бурного развития. Современные дистанционные методы зондирования объектов, особенно космические, открыли качественно новый этап в информационном обеспечении исследований и разработок в науке о Земле и хозяйственной практики.

В настоящее время большую часть данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) получают с искусственных спутников Земли (ИЗС). Большой обзор поверхности Земли с высоты полета спутника, высокая скорость движения спутниковых датчиков и возможность регистрировать сигналы в нескольких спектральных диапазонах позволяют получать огромный объем данных.

Актуальность заключается в появлении новых, более совершенных модифицированных искусственных спутников Земли, служащих ретрансляторами телефонной связи и цифровой информации для систем электросвязи глобального географического масштаба.

Прошло уже достаточно много времени с тех пор, как появилась идея использования снимков земной поверхности из космоса для решения практических задач. Принцип работы космических аппаратов снимающих поверхность земли состоит в фиксировании отраженного электромагнитного излучения (излучаемого солнцем) от поверхности земли. Отраженное излучение в виде видимого света, тепла и радиоволн принимаются различными приемными системами искусственных спутников, преобразуются в радио сигнал и передаются на землю. Наземные системы приема спутниковой информации преобразуют эти данные в цифровые изображения, которые в дальнейшем проходят необходимую обработку. Первичные данные хранятся на различных видах носителей и могут передаваться через интернет. Так упрощенно выглядит схема получения данных космической съемки (дистанционного зондирования подстилающей поверхности земли).



1. Основные принципы дистанционного зондирования Земли

1.1 Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства

Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн. При проведении географического анализа, помимо собственно ДЗЗ, обязательно используются пространственные данных из других источников - цифровые топографические и тематические карты, схемы инфраструктуры, внешние базы данных. Снимки позволяют не только выявлять различные явления и объекты, но и оценивать их количественно.

Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в следующем:

актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);

высокая оперативность получения данных;

высокая точность обработки данных за счет применения GPS

- технологий;

высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках);

экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);

возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной поверхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоятельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения.

1.2 Концепция дистанционного зондирования

Дистанционным зондированием Земли называют науку и технологию, которая определяет, измеряет или анализирует характеристики интересующих объектов без прямого контакта с ними.

Электромагнитное излучение, которое отражается от предмета или излучается им, - наиболее часто используемый источник данных дистанционного зондирования. Однако в дистанционном зондировании могут использоваться и другие виды полей, например, поле тяготение или магнитное поле.

Устройство обнаружения электромагнитного излучения, отраженного от предмета или испускаемого им, называют “датчик дистанционного зондирования” или “датчик”. Камеры или развертывающие устройства (сканеры) - примеры датчиков дистанционного зондирования.

Транспортное средство, которое несет датчик, называют “платформой”. В качестве платформ могут использоваться самолеты или искусственные спутники Земли.

Технический термин “дистанционное зондирование Земли“ начали использовать в Соединенных Штатах в 1960-х годах в фотограмметрии, интерпретации аэрофотоснимков, геологии и проч. Так как Landsat-1, первый спутник ДЗЗ, начал разрабатываться в 1972 году, термин “дистанционное зондирование” стал широко использоваться и применительно к космосу.

Характеристики объекта можно определить, используя электромагнитное излучение, отраженное объектом или испускаемое им. Объекты имеют уникальные или различающиеся характеристики отражения или испускания, когда различны либо тип излучения, либо условия окружающей среды. Дистанционное зондирование - это технология, которая дает возможность опознать и классифицировать объект или состояние окружающей среды, благодаря уникальности отражения или испускания.

Эта концепция иллюстрируется рис. 1.1.1, а на рис. 1.2.2 показан процесс дистанционного зондирования, когда три различных объекта воспринимаются датчиком в некотором количестве диапазонов с учетом того, что различные факторы, воздействуя на электромагнитные характеристики, изменили сигнал.

Данные дистанционного зондирования будут обработаны автоматически компьютером и или вручную, интерпретированы людьми, и затем использованы в сельском хозяйстве, землепользовании, лесоводстве, геологии, гидрологии, океанографии, метеорологии, при мониторинге окружающей среды и т.д.



Рис. 1.2.2 Поток данных дистанционного зондирования.

1.3 Классификация ДЗЗ

Существуют различные классификации ДЗЗ. Отметим наиболее важные с точки зрения практического сбора данных в нефтегазовой отрасли. Регистрироваться может собственное излучение объектов и отраженное излучение других источников. Этими источниками могут быть Солнце или сама съемочная аппаратура. В последнем случае используется когерентное излучение (радары, сонары и лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность излучения, но также и его поляризацию, фазу и доплеровское смещение, что дает дополнительную информацию. Понятно, что работа самоизлучающих (активных) сенсоров не зависит от времени суток, но зато требует значительных затрат энергии.

Таким образом, виды зондирования по источнику сигнала:

активное (вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия);

пассивное (собственное, естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью).

Съемочная аппаратура может размещаться на различных платформах. Платформой может быть космический аппарат (КА, спутник), самолет, вертолет и даже простая тренога. В последнем случае мы имеем дело с наземной съемкой боковых сторон объектов (например, для архитектурных и реставрационных задач) или наклонной съемкой с естественных или искусственных высотных объектов.

Третий вид платформы не рассматривается в силу того, что он относится к специальностям, далеким от той, для которой написаны данные лекции. На одной платформе может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами, что обычно для КА. Например, спутники Ресурс-О1 несут сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT - по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 - HRVIR). Понятно, что чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения.

1.4 Типы ДЗЗ в зависимости от диапазонов длин волн

В существующую классификацию входят три типа дистанционного зондирования Земли, в зависимости от диапазонов длин волн:

дистанционное зондирование видимого и ближнего инфракрасного диапазонов,

дистанционное зондирование теплового инфракрасного диапазона,

дистанционное зондирование микроволнового диапазона,

как это показано на рис. 1.2.1



Рис. 1.3.1. Три типа дистанционного зондирования с учетом диапазонов длин волн

Источник энергии, используемой в дистанционном зондировании видимого и отраженного инфракрасного диапазонов - солнце. Солнце излучает электромагнитную энергию с длиной волны 0.5 мм в пиковой области (см. разделы 1.7 и 1.10). Данные дистанционного зондирования, полученные в видимом и отраженном инфракрасном диапазонах, зависят, главным образом, от отражательной способности объектов на подстилающей поверхности (см. раздел 1.8). Поэтому информация относительно объектов может быть получена по спектральной отражательной способности. Исключением является лазерный радар, потому что он использует не солнечную энергию, а лазерную энергию самого датчика.

Источник лучистой энергии, используемой в дистанционном зондировании теплового инфракрасного диапазона, - непосредственно объект наблюдения, потому что любой объект с нормальной температурой испускает электромагнитное излучение с пиком в области приблизительно 10 мм как это показано на рис. 1.2.1.

Можно сравнить разность спектрального излучения между солнцем (a) и объектом на Земле с нормальной температурой (приблизительно 300K), что иллюстрируется рис. 1.2.1. Однако следует отметить, что для упрощения мы пренебрегли на рисунке атмосферным поглощением, хотя коэффициент отражения, излучательная способность и температура объекта оказывают влияние на спектральную кривую.

Кривые (a) и (b) пересекаются приблизительно в точке 3.0 мm. Поэтому в области длин волн короче 3.0 мm наблюдают, главным образом, спектр отражения, в то время как в области длиннее 3.0 мm, измеряют тепловое излучение.

В микроволновой области, имеются два типа дистанционного зондирования микроволнового диапазона: пассивное и активное. В пассивном микроволновом дистанционном зондировании наблюдают микроволновое излучение, испускаемое объектом наблюдения, в то время как в активном наблюдают .

Замечание: кривые (a) и (b) на рис. 1.2.1 показывают спектральное излучение абсолютно черного тела солнца при температуре 6000K и объекта наблюдения с температурой 300K без учета атмосферного поглощения.



1.5 Формат данных ДЗЗ

Многоканальная видеоинформация представляется комбинацией пространственной позиции (номер пикселя и номер строки) и номера канала.

Классификация форматов данных для многоканальных изображений включает следующие три типа, как показано на рис. 6.4.1.

a) Формат BSQ (Band SeQuential = последовательность каналов), в котором видеоинформация (номер пикселя и номер строки) каждого канала размещается отдельно.

б) Формат BIL (Band Interleaved by Line = чередование строк по каналам) - данные строки размещаются по порядку номеров каналов и повторяются с учетом номера строки.

в) Формат BIP (Band Interleaved by Pixel = чередование пикселей по каналам), в котором набор многоканальных данных размещается пространственно с учетом каждого пикселя по номеру пикселя и номеру строки.

Для создания цветных изображений более удобен BSQ формат, потому что три канала назначены для R (красного), G (зеленого) и B (синего). Однако BIP формат может оказаться лучше для классификации максимальным классификатором вероятности, потому что многоканальные данные требуют попадания пиксель в пиксель при совместной обработке. BIL - это компромисс между BSQ и BIP.

Данные дистанционного зондирования обычно включают дополнительно к изображению различную аннотирующую информацию, предназначенную для пояснения данных. Начиная с 1982 года, спутниковые изображения выполняются в стандартном формате, который называется формат WSF - World Standard Format = Мировой Стандартный Формат, или формат LTWG (предложенный Landsat Technical Working Group = Технической Рабочей Группой по спутнику Landsat).

Формат WSF включает информационную структуру, называемую сверхструктура, с тремя записями описателя объема данных, указателем файла и описателем файла, которые описывают содержание данных.

Формат BSQ или BIL выполнены в WSF - мировом стандартном формате.

Рис. 1.4.1 Формат видеоизображений (для случая 3 отдельных каналов)



2. Подсистема связи КА

2.1 Общие сведения о подсистеме связи

Подсистема связи, иначе именуемая командно-траекторно-телеметрической подсистемой является интерфейсом между космическим аппаратом и Землей, или между данным космическим аппаратом и другими космическими аппаратами. В штатном режиме функционирования подсистема обеспечивает одновременный прием и передачу радиосигналов на разных частотах.

Подсистема связи космического аппарата обеспечивает прием и демодуляцию радиосигналов на линии «вверх», а также модуляцию и передачу радиосигналов на линии «вниз». Доступность космического аппарата как объекта радиосвязи требует наличия свободных от затенения зон обзора бортовых антенн. Кроме того, необходимо обеспечить прием достаточного количества энергии радиосигнала для того, чтобы выделить полезный сигнал с допустимой частотой появления ошибок в нем. Доступ в широком диапазоне углов требует наличия бортовой приемной антенны с достаточно широкой диаграммой направленности, поэтому хороший проект космического аппарата всегда включает антенну или систему антенн, которая способна обеспечить прием радиосигналов, по крайней мере, в пределах полусферы. Коэффициент усиления антенны с широкой диаграммой направленности обычно невелик - как правило, 0 дБ для полусферической зоны обзора. Таким образом, мы должны выбирать уровень излучаемой мощности и чувствительности приемника таким образом, чтобы иметь возможность выделять полезный сигнал с приемлемой частотой появления ошибок в нем. Информация, принимаемая на борту космического аппарата по линии «вверх», включает команды управления и дальномерные коды. Скорость передачи командно- программной информации на борт космического аппарата может находиться в диапазоне от 100 бит/с до 100 кбит/с, однако для большинства подсистем связи эта величина не превышает 1000 бит/с. Скорость передачи командно-программной информации на борт космического аппарата зависит от особенностей конкретного космического проекта и определяет полосу пропускания подсистемы связи, которая, в свою очередь, определяет уровень принимаемой мощности, необходимый для обнаружения полезного сигнала (подробнее этот вопрос рассматривается ниже, в Главе 13). Для каналов прямой связи космического аппарата с наземной станцией уровень мощности принимаемого сигнала не является фактором, определяющим проектный облик подсистемы связи, поскольку мы всегда можем установить уровень мощности, излучаемой передатчиком наземной станции, на необходимо высоком уровне. Однако уровень мощности сигнала, принимаемого от спутника-ретранслятора, оказывает существенное влияние на чувствительность приемного устройства бортовой подсистемы связи космического аппарата и на максимально достижимую скорость передачи информации. Подсистемы связи, от которых требуется обеспечить передачу информации со скоростью, превышающей 1000 бит/с, обычно используют направленные антенны с большим коэффициентом усиления, и также, при необходимости, могут эксплуатироваться в режиме низкой скорости передачи данных для обеспечения доступа к космическому аппарату в широком диапазоне углов.

Сигнал, передаваемый с борта космического аппарата по линии «вниз», включает дальномерные коды, телеметрическую информацию о состоянии и процессах функционирования космического аппарата, и целевую информацию от аппаратуры полезной нагрузки. Исходная информация для передачи по линии «вниз» обычно представлена в цифровой форме и мультиплексирована по частоте или по времени. Скорость передачи телеметрической информации о состоянии и процессах функционирования космического аппарата обычно находится в диапазоне от 100 бит/с до 1000 бит/с. Если через линию «вниз» подсистемы связи передается только телеметрическая информация о состоянии и процессах функционирования космического аппарата, или если целевая информация от аппаратуры полезной нагрузки может быть передана через узкополосную линию связи, мы можем использовать передающую антенну с широкой диаграммой направленности. Передача информации с широкой полосой частот обычно требует применения направленной антенны с большим коэффициентом усиления, однако для подсистемы связи и в этом случае предусматривается режим низкой скорости передачи данных для обеспечения работы в широком диапазоне углов.

Подсистема связи может также обеспечивать формирование последовательностей команд, передачу квитанций на принятые команды и исполнение автономных (без привлечения средств подсистемы управления и обработки данных) команд, таких как перевод себя в режим аварийного функционирования или подключение малонаправленной антенны к активному радиоприемнику.

2.2 Способы передачи данных

Данные, полученные датчиками, необходимо передать в то место, где они будут проанализированы. Когда системы получения данных работают на спутниках, находящихся на орбите несколько лет, возможны три способа передачи данных.

Самый простой и широко распространенный способ передачи данных ДЗЗ - непрерывная радиосвязь с принимающими станциями, к которым предъявляются повышенные требования по надежности приема радиосигнала. Наиболее успешный прием данных возможен при расположении приемной станции на линии прямой видимости со спутником и эту линию ничто не должно затенять. Линия прямой видимости должна быть расположена высоко над горизонтом, чтобы свести к минимуму влияние атмосферы. Все эти требования объединяются понятием маски приемной станции - области поверхности Земли, внутри которой осуществляется прием данных со спутника. В настоящее время все станции приема расположены на суше и не могут обеспечить зону приема над океаном. Поэтому используется способ хранения данных на борту с последующей их передачей на Землю в зоне прямой видимости. Такой метод требует создания на борту устройств для хранения большого объема информации.

Третий способ предусматривает использование спутников-ретрансляторов, которые увеличивают область приема сети наземных станций, находящихся на суше. Эти спутники находятся на геостационарных орбитах и ретранслируют передаваемые на них данные на наземную приемную станцию.

2.3 Функции подсистемы связи

Ниже приведен перечень функций бортовой подсистемы связи, соединяющей космический аппарат с Землей или с другими космическими аппаратами. Термин «бортовая» в данном случае отражает то обстоятельство, что подсистема связи обеспечивает прием сигналов с Земли или с других космических аппаратов и передачу сигналов на Землю или на другие космические аппараты.

Функции ПДСС

Слежение за несущей частотой

- Двухсторонняя когерентная связь (несущие частоты сигналов на линиях «вниз» и «вверх» имеют постоянное и вполне определенное отношение)

- Двухсторонняя некогерентная связь

- Односторонняя связь

Прием и дешифровка команд управления

- Обнаружение и слежение за несущей частотой сигнала на линии «вверх»

- Демодуляция несущей и поднесущей частот

Получение тактовой

- синхронизации и выделение битов данных

- Разрешение фазовой неопределенности при ее наличии

- Передача командно-программной информации, синхронизирующих импульсов и сигнала индикатора захвата в подсистему управления и обработки данных космического аппарата

Модуляция и передача телеметрической информации

- Прием потока телеметрической информации от подсистемы управления и обработки данных или от подсистемы хранения данных

- Модуляция поднесущей и несущей частот радиосигнала на линии «вниз» служебной или целевой телеметрической информацией

- Передача полученного сигнала на Землю или на спутник-ретранслятор

Измерение дальности

- Обнаружение и ретрансляция дальномерных псевдослучайных последовательностей или тональных сигналов

- Ретрансляция фазы принятого сигнала когерентным или некогерентным методом

Служебные функции подсистемы

- Прием команд управления от подсистемы управления и обработки данных

- Формирование телеметрической информации о состоянии и функционировании подсистемы связи и передача ее в подсистему управления и обработки данных

- Обеспечения наведения антенн, требующих управления пространственным положением радиолуча

- Формирование последовательностей команд в соответствии с заложенной программой

- Автономный выбор малонаправленной антенны в случае потери ориентации космического аппарата

- Обнаружение отказов и восстановления работоспособности подсистемы с использованием хранящегося в ней программного обеспечения

Функции подсистемы связи включают также прием команд от подсистемы управления и обработки данных и выдача в указанную подсистему телеметрической информации о состоянии и функционировании подсистемы связи. Если антенна подсистемы требует управления положением своего радиолуча в пространстве, то в функции подсистемы связи входит также наведение антенны. При этом наведение антенны методом автосопровождения требует наличия в составе подсистемы связи соответствующего оборудования. Это оборудование формирует сигнал рассогласования (погрешности наведения) и выдает его в подсистему наведения и навигации, благодаря чему мы можем осуществлять наведение бортовых антенн космического аппарата. Для формирования сигнала рассогласования чаще всего используются моноимпульсные системы и системы с коническим сканированием. Моноимпульсные системы используют моноимпульсный облучатель, который формирует разностную диаграмму направленности, имеющую минимумы по осям как азимутальной, так и угломестной плоскости. Системы с коническим сканированием обеспечивают вращение приемного радиолуча с небольшим углом между осью вращения и осью луча. Нарастание и спад амплитуды принимаемого радиосигнала на каждом обороте радиолуча определяют погрешность наведения антенны. Сравнивая положение облучателя антенны с положением, в котором принимаемый радиосигнал имеет максимальную амплитуду, мы можем сформировать сигнал рассогласования, по которому система наведения обеспечит перенацеливание антенны. Системы программного наведения антенн могут использоваться в тех случаях, когда мы знаем положение бортовой антенны космического аппарата, подлежащей наведению, и направление в пространстве на ту систему (наземную или космическую), с которой космический аппарат должен войти в связь.

Подсистемы связи большинства космических аппаратов формируют радиосигналы линии «вниз», когерентные по фазе с радиосигналами линии «вверх». Фазовая когерентность означает, что мы передаем несущую частоту линии «вниз» таким образом, что ее фаза изменяется синхронно с фазой принятой несущей частоты линии «вверх». Этот процесс иногда в литературе именуется также когерентным реверсированием передачи или двусторонним когерентным режимом. Процесс когерентного реверсирования передачи формирует несущую частоту линии «вниз» таким образом, чтобы она отличалась от частоты несущей линии «вверх» на величину, определяющую количественно заданное отношение реверсирования передачи. Это отношение несущей частоты линии «вниз» к несущей частоте линии «вверх». Такой режим функционирования подсистемы связи возможен только в том случае, если ее передатчик сфазирован с принимаемой несущей частотой линии «вверх». Для данного радиосигнала на линии «вверх» радиосигнал на линии «вниз» должен иметь постоянную разность фаз с ним. Для ретрансляторов подсистем связи, совместимых со стандартом 08ТБК НАСА, приемник понижает несущую частоту линии «вверх», формируя при этом сигнал в форме уровня напряжения, в соответствии с которым управляемый напряжением задающий генератор приемника работает на частоте, в точности равной 2/221 долям несущей частоты линии «вверх». Затем опорная частота задающего генератора подается на передатчик, где повышается с коэффициентом умножения, равным 120. Таким образом, результирующая частота передатчика на линии «вниз» будет равна 240/221 долям несущей частоты линии «вверх». Отношение реверсирования передачи для ретрансляторов подсистем связи, совместимых со стандартом 80Ь8 равно 256/205. Двусторонний когерентный режим дает возможность наземной станции точнее знать частоту радиосигнала на линии «вниз» и измерять доплеровский сдвиг частоты, из которого вычисляется скорость изменения дальности до космического аппарата. Это знание позволяет нам перебирать несколько частот и, тем самым, повышать скорость вхождения в синхронизм с космическим аппаратом. Космические аппараты для наблюдения и сбора данных о процессах в глубоком космосе, а также космические аппараты наблюдения Земли из космоса, выводимые на низкие околоземные орбиты, являются лучшей иллюстрацией преимуществ описанного подхода. Такие космические аппараты обычно характеризуются большим объемом передаваемой на Землю информации, а также малым временем нахождения в зоне радиовидимости наземной станции. Для передачи максимального объема данных на наземную станцию с максимальной для данного космического аппарата скоростью мы должны обнаруживать радиосигнал на линии «вниз» и синхронизировать радиолинию за минимальное время. Кроме того, если мы используем внешнетраекторные измерения для целей навигационного обеспечения, мы можем вычислять скорость изменения дальности до космического аппарата по измеренному доплеровскому сдвигу частоты когерентного сигнала.

Некоторые разновидности подсистем связи формируют уникальную несущую частоту радиосигнала на линии «вниз» путем установки ее по центральному задающему генератору подсистемы. В этом случае фаза несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» не синхронизируется с несущей частотой радиосигнала на линии «вверх». Предположим, что подсистема функционирует в двухстороннем когерентном режиме, когда приемник подсистемы теряет синхронизацию с радиосигналом на линии «вверх». В этот момент передатчик подсистемы связи автономно изменит режим формирования несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» с установки ее по управляемому напряжением задающего генератора приемника на установку частоты по центральному задающему генератору подсистемы.

Подсистема связи обычно следит за несущей частотой радиосигнала на линии «вверх», принимает и дешифрует команды управления и передает телеметрическую информацию. Иногда на подсистему связи возлагается также задача модуляции несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» телеметрической информации, однако возможно применение специальных устройств преобразования сигнала для реализации уникальных схем модуляции и уникальных поднесущих частот.

Наземная станция может использовать дальномерный метод радионавигации для слежения за космическим аппаратом. В зависимости от реализованного стандарта связи наземная станция модулирует несущую частоту радиосигнала на линии «вверх» командной информацией в форме псевдослучайных кодов, сигналов тональной частоты или их обоих вместе. Приемник подсистемы связи выделяет псевдослучайные коды или сигналы тональной частоты из принятого радиосигнала и ретранслирует их на несущей частоте радиосигнала линии «вниз» обратно на наземную станцию. Угломерная информация с системы наведения направленной антенны наземной станции позволяет нам определить азимут и угол места космического аппарата. Зная время распространения дальномерного кода или сигнала тональной частоты от наземной станции до космического аппарата и обратно, мы можем определить дальность до космического аппарата. Если фаза несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» когерентна с несущей частотой радиосигнала на линии «вверх» (двухсторонний когерентный режим), мы можем измерять доплеровский сдвиг частоты радиосигнала на линии «вниз» и, на его основе, вычислять скорость измерения радиальной дальности.

2.4 Требования к подсистеме связи

Требования к подсистеме связи формируются на основе многих источников. К ним, в частности, относятся:

целевые задачи космического проекта (требования верхнего уровня иерархии, такие как архитектура космической системы, параметры орбит космического аппарата, его срок службы и условия эксплуатации);

космический аппарат (требования системного уровня иерархии);

собственно подсистема связи (внутренние требования);

другие подсистемы космического аппарата;

наземная станция (требования совместимости);

спутник-ретранслятор (требования совместимости);

программа полета (ориентация космического аппарата как функция времени).

Требования, получаемые из этих источников, оказывают определяющее влияние на

проектный облик подсистемы:

скорости передачи данных (командно-программной и телеметрической информации обеспечивающих подсистем космического аппарата и его полезной нагрузки);

объем принимаемых / передаваемых подсистемой данных;

объем хранимых данных;

несущие частоты радиосигналов на линиях «вверх» и «вниз»;

полосы частот радиосигналов на линиях «вверх» и «вниз»;

потребляемая мощность;

масса оборудования подсистемы;

ширина лучей приемо-передающей антенны на линиях «вверх» и «вниз»;

эффективная изотропно излучаемая бортовой антенной подсистемы мощность (ЭИИМ, англ. ЕГОР);

коэффициент усиления антенны / шумовая температура системы.

Классический перечень задач проектирования подсистемы связи включает поиск компромиссных решений между апертурой антенны и мощностью передатчика, между твердотельным усилителем мощности передатчика и усилителем на базе лампы бегущей волны, между усложнением бортовой подсистемы связи и усложнением наземной станции. Поскольку с увеличением размера апертуры антенны повышается ее коэффициент усиления, то, уменьшается потребная выходная (высокочастотная) мощность передатчика, а, следовательно, и мощность, потребляемая бортовой подсистемой связи от подсистемы электроснабжения. Однако при этом антенна с большей апертурой имеет большую массу и более узкий луч, что повышает требования к точности ее наведения. Как показано в Главе 13 (формула 13-17), ширина луча антенны уменьшается с увеличением ее апертуры. В зависимости от частоты и требуемого коэффициента усиления, мы обычно делаем выбор между твердотельным усилителем мощности передатчика и усилителем на базе лампы бегущей волны - это задача поиска компромиссного решения на системном уровне. Делая этот выбор, мы должны влияние выбора того или иного варианта построения усилителя мощности на общую массу космического аппарата, на площадь его солнечных батарей, на надежность подсистемы связи и космического аппарата в целом, и на необходимую апертуру антенны. Твердотельные усилители мощности обычно имеют большую надежность, меньшую массу и габаритные размеры. Усилители мощности на базе лампы бегущей волны обладают меньшим технологическим риском (при большем коэффициенте усиления) и более высоким коэффициентом полезного действия.



3. Расчетная часть

Исходные данные. Исходные данные тесно связаны и базируются на целевой аппаратуре, выше указано, что проектируемый спутник является научно-прикладным и используется для организации связи на небольшие расстояния, следует отметить также, что используемый спутник проектируется с целью подготовки специалистов в сфере космических технологий и использования на практике накопленных студентами теоретических и практических знаний. Следуя из этого, а также делая выводы из опыта студентов зарубежных университетов, базирующихся на проектировании и разработки спутников, берем за основу пико - нано спутники, отвечающие нашим требованиям, для образца наиболее подходящими являются спутники связи разработанной линейки CubeSat. Целевая аппаратура вокруг которой базируются все жизненно-важные системы спутника для организации его надежной долговечной работы, взят трансивер TRX_024_06 немецкой компании SiliconRadar. Исходя из этого исходные данные для проектирования системы энергоснабжения следующие:

Предельная масса КА - Мо = до 15 кг

Высота круговой орбиты - h = 150-200 км

Масса целевой системы - не более 1 кг

Передающая частота - 24 ГГц

Потребляемое напряжение - 3.3 - 3.6 В

Минимальная потребляемая мощность трансивера - 300 мВт

Потребляемая мощность плазмено-ионного двигателя - 155 Вт

Срок активного существования - 10 лет

3.1 Расчет передатчика

Применим транзистор VT1, VT2 - KT930А с параметрами:

Рабочая частота ГГЦ

Выходная мощность р1=10Вт

Постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме 3,3А

Пиковое значение напряжения коллектор - эмиттер и коллектор - база 36 А

Мощность pk, рассеиваемая коллектором 25 Вт

3.2 Расчёт коллекторной цепи генератора

Коэффициент использования коллекторного напряжения:

Амплитуда коллекторного ВЧ напряжения:

Пиковое значение напряжения коллектор - эмиттер:

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

Амплитуда импульса коллекторного тока:



Постоянная составляющая коллекторного тока:

3.3 Расчёт цепи базы

Коэффициент усиления транзистора по мощности

Мощность входного сигнала:

Первая гармоника тока базы:

Амплитуда входного ВЧ напряжения база - эмиттер:



3.4 Расчёт входной согласующей цепи

В качестве выходной согласующей цепи в ВЧ транзисторных генераторах наиболее часто используется П-образный фильтр, схема которого приведена на рисунке

3.5 Расчёт выходной согласующей цепи



Заключение

Курсовой проект посвящен проектированию спутника учебного назначения. Учебные спутники уже прочно вошли в практику космических экспериментов и исследований. Использование малогабаритных спутников в образовательном процессе широко применяются в зарубежных странах. Малые космические аппараты (МКА) -перспективное направление космической деятельности. Это связан со следующими обстоятельствами: массовым спросом на услуги, представляемые ракетно-космической техникой (Интернет-технологии, связь, навигация, метеорология, дистанционное зондирование Земли и акватории океанов, научные исследования); достигнутыми результатами в создании новых легких конструкционных материалов, микропроцессоров с высокой производительностью, миниатюрных фотокамер, микромеханизмов, микросенсоров и т.д.; высокой конкуренцией со стороны ведущих космических корпораций и стремлением снижения затрат на разработку и эксплуатацию космической техники при одновременном увеличении качества и эффективности использования орбитальных группировок КА.



Список использованных источников

1. Никольский В.В. Основы проектирования автоматических космических аппаратов. Учебник. С-Пб.: БГТУ "Военмех", 2007. 230 с.

2. Никольский В.В. Проектирование космических аппаратов. Учебное пособие. С-Пб.: БГТУ "Военмех", 2003. 121 с

3. Королев С.И. Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов: учебное пособие. С.И. Королев; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.,2006. - 100с.

4. Интернет-ресурс Берлинского технического университета: http://www.raumfahrttechnik.tu-berlin.de/

5. Интернет-ресурс ОАО «Сатурн»: http://www.saturn.kuban.ru/

6. Интернет-ресурс Википедия. Информация о спутнике http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%28%D0%9A%D0%90%29



Приложение

Таблица 1 - Характеристики:

Тип формируемых услуг:	Научные исследования, эксперименты
Орбита:	Низкая круговая
Расчетный срок службы:	1 год
Стартовая масса:	48 кг
Мощность СЭП:	30 Вт
Начало летных испытаний:	23.05.2008
Средство выведения:	Рокот

Таблица 2 - Характеристики:

Габаритные размеры, ЩхДхВ, мм	450х450х270
Масса, кг	56
СЭП	4 панели СБ с кремниевыми элементами (по 35 элементов на каждой панели), мощность каждой панели - 14 Вт 5 NiH2 аккумуляторных батарей, ёмкость аккумулятора 12 A*h и напряжение 11,5 В
Система управления и ориентации	3-х маховичная система 3-хосный лазерный гироскоп 3-осный датчик магнитного поля звёздный датчик

Таблица 3 - Характеристики:

Габаритные размеры, ШхДхВ, мм	320х340х362
Масса, кг	47
СЭП	4 панели СБ, 320х320, 34 ячейки на каждой панели, максимальная мощность - 14 Вт 4 NiH2 батареи, номинальное напряжение 10 В, сила тока 12 А
Система управления и ориентации	3-осный гироскоп Звёздный датчик 3-осный датчик магнитного поля
Система обработки информации	Хранение, прием, пересылка



Таблица 4 - Характеристик ретранслятора Motorola MRT2000:

Диапазон частот	VHF: 136-174 МГц UHF: 403-470 МГц
Ширина канала	12.5 / 20.0 / 25.0 / 30.0 кГц
Количество каналов	до 32
Мощность передатчика	136-174 МГц: 1-40 Вт 403-470 МГц: 1-40 Вт опционально 100 Вт
Напряжение питания	220 В переменного тока или 14.2 В постоянного тока с минусом на корпусе
Габариты (В х Ш х Д), мм	483 х 419 х 133
Вес, кг	19
Диапазон рабочих температур	от -30 оС до +60 оС

Спецификация (перечень сокращений, условных обозначений и т.д.)

АБ - аккумуляторная батарея;

АФУ - антенно-фидерные устройства;

БКУ - бортовой комплекс управления;

ДУ - двигательная установка;

КА - космический аппарат;

КДУ - комплексная двигательная установка;

СБ - солнечные батареи;

СЭП - система энергопотребления;

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь

Размещено на Allbest.ru