Наземная станция приёма и измерения орбитальных параметров нано- и пикоспутников

Для раннего обнаружения новых рабочих наноспутников и CubeSat’ов необходимо организовать сеть станций для приёма сигнала и обработки его параметров для предварительного анализа орбиты. Целью работы являлась разработка наземной станции приёма телеметрии нано- и пикоспутников, позволяющая проводить измерения и экспресс анализ орбитальных параметров с использованием точных временных меток. На основе разработанных функциональных блок-схем для аппаратной и программной части станции приёма телеметрии создан прототип станции. Прототип станции позволяет проводить измерения времени приёма и длительности пакета, доплеровского сдвига частоты, временной задержки, экспресс-анализ орбитальных параметров с последующим использованием накопленного массива данных для измерения точных орбитальных параметров нано- и пикоспутников. Получена временная привязка с помощью модуля GNSS, позволяющая выставлять временные метки с точностью не хуже 3 мкс, что достаточно для определения наклонной дальности сверхмалого космического аппарата с точностью не хуже 450 м. Показан метод для определения параметров орбиты сверхмалого космического аппарата с помощью измерения доплеровских сдвигов частоты с привязкой к точному времени GNSS приёмника. Разработанная наземная станция приёма и измерения орбитальных параметров наноспутников расположена в г. Минск, позволяет принимать сигналы со спутников, высота орбиты которых не превышает 1000 км, с наклонением орбиты не менее 40°, в радиолюбительском диапазоне частот 430–440 МГц. Проведены тестовые радиотехнические измерения и отработана методика проведения временной синхронизации для повышения точности определения орбиты нано- и пикоспутников.

1. Spiridonov A. Orbit estimation technology for the initial phases of a nanosatellite mission / A. Spiridonov [et al.] // Proc. of 11th IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace. – 2024. – Р. 168–172. DOI:10.1109/MetroAeroSpace61015.2024.10591583

2. Villela, T. Towards the Thousandth CubeSat: A Statistical Overview / T. Villela [et al.] // International Journal of Aerospace Engineering. – 2019. – Vol. 2019. – P. 1-13.

3. Marcuccio, S. Smaller Satellites, Larger Constellations: Trends and Design Issues for Earth Observation Systems / S. Marcuccio, S. Ullo, M. Carminati, O. Kanoun // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. – 2019. –Vol. 34, №10. – P. 50–59.

4. Wang, R. Propagation errors analysis of TLE data / R. Wang, J. Liu, Q. Zhang // Advances in Space Research. – 2009. – Vol. 43. – P. 1065–1069.

5. Sakamoto, Y. Methods for the orbit determination of tethered satellites in the project QPS / Y. Sakamoto [et al.] // Acta Astronaut. – 2008. – Vol. 62. – P.151-158.

6. Sakamoto, Y. Construction of Orbit Determination System using Low-Cost Ground Station / Y. Sakamoto // Proceedings of 22nd Intern. Symp. on Space Technology and Science, Morioka, Japan. – 2000. – Vol. 2000. – P. 1-8.

7. Wesam, M.E. An Orbit Determination Using SGP4 Propagator and Doppler Shifts for CubeSats / M.E. Wesam [et al.] // Trans. Nanjing Univ. Aero. Astro. – 2018. – Vol. 35(3). – P. 472-482.

8. Rouzegar, H. Novel algorithm for tracking LEO satellites using doppler frequency shift technique / H. Rouzegar, M. Nasirian, M. Ghanbarisabagh. // Wireless Personal Communications. – 2017. – Vol. 96. – P. 21612178.

9. Coyle, D. Orbit Determination at a Single Ground Station Using Range Rate Data / D. Coyle, H.J. Pernicka // Journal of the Astronautical Sciences. –2001. – Vol. 49, № 2. – P. 327-344.

10. Sá Gomes, J., Ferreira da Silva, A. TinyGS vs. SatNOGS: A Comparative Analysis of Open-Source Satellite Ground Station Networks // Telecom. – 2024. – Vol. 5. – P. 228-254. DOI: 10.3390/telecom5010012

11. Стариков, Андреева. Развитие проекта «СОНИКС» // Материалы конференции “Технологии геоскана 2025” // Москва, 2025 г., 16 с.

12. Spiridonov A.A. Small satellite orbit determination methods based on the doppler measurements by Belarusian state university ground station / IEEE Journal on Miniaturization for Air and Space Systems. – 2021. – Vol. 2, № 2. – P. 59-66. DOI: 10.1109/JMASS.2020.3047456

13. Raj M. Development of a Ground Station (GS) Package Suited for Spacecraft Operation Control and Optimization for Satellite Flyby over the Ground Station. HCTL Open Thesis and Dissertation Repository Series in Engineering and Technology, 2014, 66 p. DOI: 10.13140/2.1.3421.2168

14. Верстаковская А.П. Наземная станция приема телеметрии и определения орбиты сверхмалого космического аппарата // Верстаковская А.П. [и др.] // Материалы II Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии и анализ данных» (CTDA’2020), г. Минск 23-24 апреля 2020 г. – С. 224-228.

15. Sun, Y. Research Progress in Yagi Antennas / Y. Sun, Z. Haobin, G. Wen // Procedia Engineering. – 2012. – Vol. 29. – Р. 2116-2121. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.01.272

16. Fufa, B. Design of YAGI-UDA Antenna with Improved Radiation Pattern. 2018. – 54 p.

17. Sherer, M. Nanosecond range windows accuracy with timekeeper, fsmlabs results of testing experimental windows timestamping features. – 2020. –5 p.

18. Spiridonov, A.A. Small Satellite Orbit Determination Using Single Pass Doppler Measurements / A.A. Spiridonov [et al.] // IEEE Journal on Miniaturization for Air and Space Systems. – 2022. – Vol. 3, № 4. – P. 162-170. DOI: 10.1109/JMASS.2022.3188736

19. Vasile, M. Autonomous orbit determination for formations of Cubesats beyond LEO / M. Vasile, F.Torre, R. Serra, S. Grey // Acta Astronautica. – 2018. – Vol. 153. – P. 1-10.