Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Оценка проектных параметров группировки информационных спутников IoT 5G

Опубликовано: 20.07.2023

Авторы: Щеглов Г.А., Таратонкина В.С.

Опубликовано в выпуске: #7(139)/2023

DOI: 10.18698/2308-6033-2023-7-2289

Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Представлена методика оценки проектных параметров спутниковой группировки, работающей по принципу интернета вещей, которая позволяет определить влияние на общие проектные параметры группировки характеристик технологии связи пятого поколения 5G, используемой для передачи данных между космическими аппаратами (КА) и для связи КА с наземными станциями. Рассмотрены примеры спутниковой группировки связи со скоростью передачи данных 24 Гбит/с на круговых орбитах высотой 1000 км. Показано, что верхним ограничением выбора частоты передачи сигналов со спутника на Землю является энергопотребление КА, а нижним — скорость передачи данных и уровень сигнала. Необходимо также учитывать коэффициент усиления антенн, зависящий от частоты передачи сигналов и имеющий ограничения. Представлены результаты исследования зависимости расстояния между спутниками в группировке на орбите Земли и мощностью, потребляемой на борту КА. Показано, что при увеличении числа спутников в группировке в силу снижения мощности бортовой аппаратуры масса одного КА уменьшится в 1,4 раза, однако суммарная масса группировки возрастает практически в 1,5 раза, что потенциально увеличивает общую стоимость проекта.


Литература
[1] Oztemel E., Gursev S. Literature review of Industry 4.0 and related technologies. Journal of Intelligent Manufacturing, 2020, vol. 31, pp. 127–182. https://doi.org/10.1007/s10845-018-1433-8
[2] Schwab K. The Fourth Industrial Revolution. Geneva, World Economic Forum, 2016, 172 p. URL: https://law.unimelb.edu.au/__data/assets/pdf_file/0005/3385454/Schwab-The_Fourth_Industrial_Revolution_Klaus_S.pdf (дата обращения 12.10.2022).
[3] Riedl M., Zipper H., Meier M., Diedrich C. Cyber-physical systems alter automation architectures. Annual Reviews in Control, 2014, vol. 38 (1). URL: https://www.researchgate.net/publication/261717202_Cyber-physical_systems_alter_automation_architectures (дата обращения 15.10.2022).
[4] Rosas J., Aguilar J.A., Tripp-Barba C., Espinosa R., Aguilar P. A mobile-sensor fire prevention system based on the Internet of Things. Computational Science and Its Applications — ICCSA 2017, 2017, vol. 10409, pp. 274–283. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-62407-5_19 (дата обращения 17.10.2022).
[5] Смышляева А.А., Резникова К.М., Савченко Д.В. Современные технологии в Индустрии 4.0 — киберфизические системы. Интернет-журнал «Отходы и ресурсы», 2020, № 3. DOI: 10.15862/02INOR320 URL: https://resources.today/PDF/02INOR320.pdf. (дата обращения 17.10.2022).
[6] Al-Ali A.R., Gupta R., Nabulsi A.A. Cyber physical systems role in manufacturing technologies, 2018. URL: https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.5034337 (дата обращения 17.10.2022).
[7] Nuñez D., Fernández G., Luna J. Cloud system. Procedia Computer Engineering, 2017, vol. 62, pp. 149–164.
[8] Biral A., Centenaro M., Zanella A., Vangelista, L., Zorzi M. The challenges of M2M massive access in wireless cellular networks. Digital Communications and Networks, 2015, vol. 1 (1), pp. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.dcan.2015.02.001
[9] Acharjya D.P., Geetha M.K. Internet of Things: Novel Advances and Envisioned Applications. Springer, 2017, 311 p.
[10] Промышленный интернет вещей. Агентство промышленного развития Москвы. URL: https://apr.moscow/content/data/5/03%20Промышленный% 20интернет%20вещей.pdf (дата обращения 15.10.2022).
[11] Рекомендации МСЭ-Т Y.2060. Обзор интернета вещей. URL: http://handle.itu.int/11.1002/1000/11559 (дата обращения 5.10.2022).
[12] Что такое IOT. Блог компании OTUS. URL: https://habr.com/ru/company/ otus/blog/549550/ (дата обращения 02.10.2022).
[13] 4 IOT connectivity challenges and strategies to tackle them. URL: https://www.techtarget.com/iotagenda/feature/4-IoT-connectivity-challenges-and-strategies-to-tackle-them (дата обращения 12.10.2022).
[14] Сети 5G в России — технология и ее внедрение. URL: https://5g-russia.ru/ (дата обращения 12.11.2022).
[15] Что такое 5G. URL: https://media.mts.ru/internet/196902-chto-takoe-5g/ (дата обращения 12.11.2022).
[16] Частоты для 5G в России. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья: Частоты_для_5G_в_России (дата обращения 12.11.2022).
[17] Частота 5G сетей в России и в мире — все диапазоны. URL: https://5g-russia.ru/chastota-5g-setej-v-rossii-i-v-mire-vse-diapazony (дата обращения 12.11.2022).
[18] Soret B., Leyva-Mayorga I., Röper M., Wübben D., Matthiesen B., Dekorsy A., Popovski P. LEO Small-Satellite Constellations for 5G and Beyond-5G Communications. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 184955–184964. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3029620
[19] Kua J., Loke S.W., Arora C., Fernando N., Ranaweera C. Internet of Things in Space: A Review of Opportunities and Challenges from Satellite-Aided Computing to Digitally-Enhanced Space Living. Sensors, 2021, vol. 21 (23), art. ID 8117. https://doi.org/10.3390/s21238117
[20] Shicong L., Zhen G., Yongpeng W., Derrick Wing Kwan N., Xiqi G., Kai-Kit W., Chatzinotas S., Ottersten B. LEO Satellite Constellations for 5G and Beyond: How Will They Reshape Vertical Domains, 2021. URL: https://www.researchgate.net/publication/352559606_LEO_Satellite_Constellations_for_5G_and_Beyond_How_Will_They_Reshape_Vertical_Domains (дата обращения 21.05.2023).
[21] Leyva-Mayorga I., Soret B., Roper M., Wubben D., Matthiesen B., Dekorsy F., Popovski P. LEO Small-Satellite Constellations for 5G and Beyond-5G Communications. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 184955–184964. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3029620. IEEE Xplore URL: https://ieeexplore.ieee.org. (дата обращения 20.09.2022).
[22] Fei Q., Wenjing L., Yu P., Feng L., Fanqin Z. Shape adaptive IRS based SAG IoT network. DOI: 10.1186/s13638-021-02069-0 URL: https://www.researchgate.net/publication/356785404_Shape_adaptive_IRS_based_SAG_IoT_network (дата обращения 21.05.2023).
[23] Chien W.C., Lai C. F., Hossain M.S., Muhammad G. Heterogeneous Space and Terrestrial Integrated Networks for IoT: Architecture and Challenges. IEEE Network, 2019, vol. 33, no. 1, pp. 15–21. DOI: 10.1109/MNET.2018.1800182 IEEE Xplore URL: https://ieeexplore.ieee.org (дата обращения 20.05.2023).
[24] Sanchez-Iborra R., Dolores Cano M. State of the Art in LP-WAN Solutions for Industrial IoT Services. Sensors, 2016, vol. 16 (5). URL: https://www.researchgate.net/publication/303278583_State_of_the_art_in_LP-WAN_solutions_for_industrial_IoT_services (дата обращения 21.05.2023).
[25] LoRa Alliance. URL: https://lora-alliance.org/ (дата обращения 21.05.2023).
[26] Zizung Y., Walter F., Klaus B. Design and Implementation of a Narrow-Band Intersatellite Network with Limited Onboard Resources for IoT. Sensors, 2019, vol. 19. URL: https://www.researchgate.net/publication/336112890_Design_and_Implementation_of_a_Narrow-Band_Intersatellite_Network_with_Limited_Onboard_Resources_for_IoT (дата обращения 05.05.2023).
[27] Нгуен дык ань. Исследование технологий в наземных сетях LPWAN и их адаптация для использования в спутниковых низкоорбитальных системах с целевой функцией интернета вещей: Дис. … канд. техн. наук. Москва, 2022, 109 с.
[28] Starlink & IoT: analyzing SpaceX’s acquisition of Swarm Technologies. URL: https://starlinkinsider.com/starlink-iot/ (дата обращения 22.05.2023).
[29] SpaceX enters the IoT connectivity market with Swarm acquisition. URL: https://www.edgeir.com/spacex-enters-the-iot-connectivity-market-with-swarm-acquisition-20210824 (дата обращения 21.05.2023).
[30] SpaceX launches world’s 1st 5G satellite to bring global connectivity to Internet of things. URL: https://www.space.com/spacex-launches-1st-5g-satellite-internet-of-things (дата обращения 22.05.2023).
[31] Satellite Constellations — NewSpace Index. URL: https://www.newspace.im/ (дата обращения 22.05.2023).
[32] Information on spaceflight, launch vehicles and satellites. Gunter’s Space Page URL: https://space.skyrocket.de/ (дата обращения 22.05.2023).
[33] Bordalo Monteiro J., Santos J., Antunes P., Guerman A., Jorge F. A review of small satellite constellations for IoT connectivity, 2022. URL: https://www.researchgate.net/publication/364213241_A_review_of_small_satellite_constellations_for_IoT_connectivity (дата обращения 04.05.2023).
[34] Проект «Сфера» переходит к практической реализации. Роскосмос. URL: https://www.roscosmos.ru/33771/ (дата обращения 22.05.2023).
[35] Космический мегабит по земной цене. Роскосмос. URL: https://www.roscosmos.ru/38467/#:~:text=«Скиф»%20—%20спутниковая%20группировка%2C%20предназначенная,передвигающиеся%20по%20Северному%20морскому%20пути (дата обращения 20.05.2023).
[36] Низкоорбитальная многоспутниковая система передачи данных «Марафон IoT». URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1684590672&tld=ru&lang=ru&name=Marathon-IOt-2-Nov-02.11.2020.pdf (дата обращения 20.05.2023).
[37] ИСС Решетнёва готовится к «Сфере». Роскосмос. URL: https://www.roscosmos.ru/32331/ (дата обращения 21.05.2023).
[38] ТУСУР включился в работу над спутниками для развития интернета вещей. URL: https://tusur.ru/ru/novosti-i-meropriyatiya/novosti/prosmotr/-/novost-tusur-vklyuchilsya-v-rabotu-nad-sputnikami-dlya-razvitiya-interneta-veschey (дата обращения 21.05.2023).
[39] Интернет вещей из космоса. URL: https://rspectr.com/articles/internet-veshhej-iz-kosmosa (дата обращения 21.05.2023).
[40] Narayanasamy A., Yasser A., Othman M. Nanosatellites constellation as an IoT communication platform for near equatorial countries, 2017. URL: https://www.researchgate.net/publication/320915539_Nanosatellites_constellation_as_an_IoT_communication_platform_for_near_equatorial_countries (дата обращения 05.05.2023).
[41] Link budget. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Link_budget (дата обращения 10.12.2022).
[42] Распространение радиоволн. URL: https://wl.unn.ru/materials/courses/wlnet/Lect/2_Lect_1_2.pdf (дата обращения 27.03.2023).
[43] Дубровин В.С., Колесникова И.В. К расчету параболической антенны для сверхширокополосных систем радиодоступа. Электроника и информационные технологии, 2009, № 2 (7), с. 19–29.
[44] Радиотехника: от истоков до наших дней. URL: https://studref.com/674340/tehnika/radiosvyaz_dalnim_kosmosom (дата обращения 04.12.2022).
[45] Коэффициент усиления и чувствительность. URL: https://helpiks.org/7-89097.html (дата обращения 06.12.2022).
[46] Мощность сигнала и радиус работы. URL: https://urouter.ru/how-it-works/signal-strength-and-range.html (дата обращения 04.12.2022).
[47] Предварительный расчет РПУ. Расчет требуемой импульсной мощности РПУ и коэффициента усиления антенны. URL: https://studbooks.net/2371019/tehnika/predvaritelnyy_raschet_raschet_trebuemoy_impulsnoy_moschnosti_koeffitsienta_usileniya_antenny (дата обращения 10.12.2022).
[48] Туманов А.В., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-мана, 2018, 572 с.
[49] Зеленцов В.В., Казаковцев В.П. Основы баллистического проектирования искусственных спутников Земли. Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012, 174 с.
[50] Беляев А.В., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Средства выведения космических летательных аппаратов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007, 56 с.
[51] Методы передачи данных на физическом уровне информации. URL: https://studfile.net/preview/4034108/page:5/ (дата обращения 11.03.2023).
[52] Spectrolab. URL: https://www.spectrolab.com/photovoltaics.html (дата обращения 07.12.2022).