Технические
науки/ 6. Электротехника
и радиоэлектроника
Ползик Е.В.
Алматинский
университет энергетики и связи
Лабораторная установка для исследования
сигналов, принимаемых с низкоорбитальных
космических аппаратов
Повышение
уровня подготовки магистрантов не возможно без получения ими практических
навыков работы с реальными системами и анализа получаемых результатов. Созданная
лабораторная установка, позволяет в реальном времени принимать сигналы с низкоорбитальных
космических аппаратов и исследовать их характеристики.
Схема приемной установки представлена
на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема лабораторной
установки
Как видно из рисунка 1 в схему входят такие элменты: квадрофилярная антенна; приемник FM на частоту от 137 до 141 МГц; компьютер с программным
обеспечением позволяющим декодировать изображение и проводить спектральный
анализ принятого сигнала; по необходимости дополнительное измерительное
оборудование.
В описанной работе используются низкоорбитальные
метеорологические спутники NOAA, передающие изображение земной поверхности в
формате АРТ (Automatic Picture Transmission) и в цифровом формате HRPT(High Resolution Picture Transmission). Высота орбиты спутника NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) составляет 807 км, что
обеспечивает получение изображений облачности и земной поверхности с высоким
разрешением. Спутник при этом передает на Землю снимок в открытом
формате.
Данными
телеметрии и изображением модулируют по амплитуде тон частотой 2400Гц. До
модулятора используется 3 полосный ФНЧ Баттерворта-Томсона с частотой среза 2,4
кГц. Затем этим промодулированным по амплитуде тоном модулируют по частоте
несущую частоту передатчика [1].
Для
обработки изображений, полученных с метеорологических спутников, используется программа
WxtoImg, которая позволяет просматривать снимки дневного и ночного изображений;
в реальном времени наблюдать на мониторе получение информации со спутника.
Спутники NOAA передают
изображения в двух полустроках с различным содержанием каналов А и B. Эти две
полустроки передают изображения различных спектральных областей. Частота
передачи - 120 строк в минуту, то есть одна строка каждые 500 мс.
При проведении эксперимента возможен
прием сигналов с различных спутников в разное время. Это позволяет проводить
сравнительный анализ времени видимости спутника, энергетических характеристик
сигнала в зависимости от расстояния. Пример принятого и декодированного сигнала
представлен на рисунке 1.
Рисунок 2 – Пример
принятого сигнала с помехами
Строки начинаются с левой
стороны, поскольку спутник движется с севера на юг. Как видно из рисунка 2 каждый
из каналов начинает строку с вертикальных
полос - это собственные синхронизирующие сигналы (7 импульсов частотой 1040 Гц
для канала A и 7 импульсов частотой 832Гц для канала B) [2].
После синхронизации следует
метка длительностью 11,3 мс, представляя радиацию свободного пространства для
выбранной спектральной области. Метка будет темной для видимых каналов и яркой
для инфракрасных каналов. Сгенерированный из этих меток столбец прерывается
минутными маркерами. На противоположной стороне изображения находятся данные
телеметрии. Картинка состоит из восьми градаций яркости. Каждому уровню яркости
соответствует определённая температура. Чем ярче участок, тем он холоднее
(облака, снег, лёд и т.д.) [1]. Таким
образом, рисунок 2 дает представление о составе передаваемого сигнала и
принципах передачи телеметрической информации.
Дальнейший анализ принятых
сигналов проводится с помощью программы Cool Edit Pro. Она позволяет проводить
оптимальную обработку, корреляционный и спектральный анализ сигналов на фоне
помех с различными статистическими свойствами.
Рисунок
3– Последовательность строк одного кадра и спектр сигнала.
На рисунке 3 представлена последовательность
строк принятого изображения и спектр сигнала, полученные с помощью
программы Cool Edit Pro.
Представленные в примере сигналы
принимались с двух спутников NOAA-15 и NOAA-17.
Используя программы WxtoImg, Cool Edit Pro и SpectraVue
возможно установить уровни сигнала в
различные моменты времени (с учетом угла возвышения спутника над горизонтом) и
расстояния от спутника до точки приема в определенные моменты времени [3,4].
На основе полученных
данных построены зависимости угла возвышения от времени пролета спутника и
уровня мощности сигнала, изображенные на рисунке 4.
|
а) |
б) |
Рисунок 4 –
а) Зависимость угла возвышения спутника от времени,
б) Зависимость уровня
принятого сигнала от времени
Для анализа результатов
экспериментов магистранты проводят теоретическую оценку уровня сигнала и
сравнивают с практически измеренными значениями.
На рисунке 5 (б) приведено
сравнение измеренного и рассчитанного уровня сигнала с учетом известного
расстояния до спутника в различные моменты времени наблюдения.
Заключение
Представленная лабораторная
установка позволяет магистрантам самостоятельно проводить: настройку
спутникового приемника, прием в реальном времени сигналов с низкоорбитальных
спутников, запись принятых сигналов, сравнительный анализ энергетических и
спектральных характеристик принятых сигналов. Такая работа потребует хорошей
теоретической подготовки, что повысит уровень подготовки магистрантов.
Литература
1.
Токарева О.С. Обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования
Земли. - Томск: ТПУ, 2010.-
140 с.
2.
Мирослава Гола. Приемник на 137-141 МГц.//VHF COMMUNICATIONS.- Краков, 2002.- 21с
3.
WxtoImg User Guide
4. SpectraVue User Guide, Ver 3.13, MoeTronix, Aug 27, 2011.