Детальная информация

Данная работа посвящена созданию программно-аппаратной системы управления параболической антенной, предназначенной для автоматического наведения на искусственный спутник Земли. Необходимость разработки такой системы связана с тем, что при использовании направленных антенн качество приёма радиосигнала во многом зависит от точности наведения. Особенно важной данная задача становится при работе с низкоорбитальными спутниками, положение которых относительно наземного наблюдателя постоянно изменяется. Объектом исследования является процесс автоматического наведения параболической антенны на искусственный спутник Земли. Предметом исследования является программно-аппаратная система управления положением параболической антенны, реализованная на базе микроконтроллера Arduino Leonardo, шаговых двигателей, драйверов TB6560, модуля связи USR-TCP232-E2, концевых датчиков Crouzet 83262 и управляющего Python-приложения. Цель работы – создание программно-аппаратной системы управления параболической антенной, обеспечивающей автоматическое наведение на искусственный спутник Земли на основании расчётных координат азимута и угла места. В ходе выполнения работы были решены следующие задачи: проведён анализ предметной области и существующих решений для управления спутниковыми антеннами; рассмотрены особенности наведения параболической антенны на искусственные спутники Земли; описано использование TLE-данных для расчёта положения спутника; разработана архитектура системы управления антенной; описана готовая антенно-механическая установка, используемая в качестве основы проекта; выполнена интеграция аппаратных компонентов с готовой установкой; разработаны алгоритмы автоматического сопровождения спутника и автоматической инициализации положения антенны; реализована прошивка Arduino Leonardo; разработано управляющее Python-приложение с графическим интерфейсом; рассмотрены вопросы надёжности и безопасности эксплуатации системы. В рамках работы не выполнялось проектирование параболической тарелки и механической поворотной установки с нуля. В качестве основы использовалась готовая антенно-механическая установка. Основной результат работы заключается в интеграции данной установки с системой автоматического управления, разработке управляющей прошивки и создании Python-приложения для расчёта координат спутника и передачи команд наведения. Расчёт положения спутника выполняется на основании TLE-данных, загружаемых из открытого источника CelesTrak. Для определения азимута, угла места и расстояния до спутника используется библиотека Skyfield. Управляющее приложение передаёт рассчитанные координаты на Arduino по TCP-соединению через модуль USR-TCP232-E2 или через COM-порт. Arduino принимает команды, преобразует угловое перемещение в количество шагов и управляет шаговыми двигателями через драйверы TB6560. В результате выполнения работы была создана система, позволяющая загружать TLE-данные, выбирать спутник, рассчитывать его текущее положение, передавать команды на микроконтроллер и выполнять наведение готовой антенной установки по двум осям. Разработанная система может применяться в учебных лабораториях, студенческих проектах, демонстрационных комплексах спутниковой связи и радиолюбительской практике.

This work is devoted to the development of a hardware and software system for controlling a parabolic antenna intended for automatic pointing at an artificial Earth satellite. The relevance of the work is related to the fact that, when using directional antennas, the quality of radio signal reception largely depends on the pointing accuracy. This task is especially important when working with low Earth orbit satellites, whose position relative to a ground observer changes continuously. The object of the study is the process of automatic pointing of a parabolic antenna at an artificial Earth satellite. The subject of the study is a hardware and software system for controlling the position of a parabolic antenna, implemented using an Arduino Leonardo microcontroller, stepper motors, TB6560 stepper motor drivers, a USR-TCP232-E2 communication module, Crouzet 83262 limit switches, and a Python-based control application. The objective of the work is to develop a hardware and software system for controlling a parabolic antenna, providing automatic pointing at an artificial Earth satellite based on calculated azimuth and elevation angle coordinates. During the work, the following tasks were solved: the subject area and existing solutions for controlling satellite antennas were analyzed; the features of pointing a parabolic antenna at artificial Earth satellites were considered; the use of TLE data for calculating satellite position was described; the architecture of the antenna control system was developed; the ready-made antenna and mechanical installation used as the basis of the project was described; the hardware components were integrated with the ready-made antenna installation; algorithms for automatic satellite tracking and automatic antenna position initialization were developed; the Arduino Leonardo firmware was implemented; a Python-based graphical control application was developed; reliability and operational safety issues were considered. Within this work, the parabolic dish and the mechanical rotating structure were not designed from scratch. A ready-made antenna and mechanical installation was used as the basis of the project. The main result of the work is the integration of this installation with an automatic control system, the development of the microcontroller firmware, and the creation of a Python application for calculating satellite coordinates and transmitting pointing commands. Satellite position calculation is performed using TLE data loaded from the open CelesTrak source. The Skyfield library is used to determine the satellite azimuth, elevation angle, and distance. The control application transmits the calculated coordinates to Arduino via a TCP connection through the USR-TCP232-E2 module or through a COM port. Arduino receives the commands, converts angular displacement into the number of motor steps, and controls the stepper motors through TB6560 drivers. As a result, a system was developed that allows the user to load TLE data, select a satellite, calculate its current position, transmit commands to the microcontroller, and point the ready-made antenna installation along two axes. The developed system can be used in educational laboratories, student projects, satellite communication demonstration systems, and amateur radio practice.