Как работает спутниковая связь и при чём тут Python?

Геташвили Артем Питоню Веду паблик Впервые выступаю

01 05 04 02 03 Космические новости Передача сигнала Примеры Python Спутниковая связь Спутниковая система

Что там в космосе сейчас? 01

Мы живем в удивительное время На Землю летит астероид Японцы запускают деревяный спутник Наши космонавты летают с американцами

Спутниковая связь 02

Как работает спутниковая связь? Земная станция отправителя передает сигнал на спутник, который его усиливает и переизлучает к земной станции получателя

Путь, который проходит сигнал 72 000 км 0,5 сек Время для прохождения пути

Почему вообще пользуются спутниками? Высокая дальность действия Надежность Работает в зонах с ограниченным покрытием традиционных сетей связи

Спутниковая система 03

Из чего состоит система? Космос Спутники Земля Наземные станции Пользователь 1 2 3 Спутники постоянно передают навигационные сигналы с точным временем Приёмники принимают сигналы и могут запрашивать дополнительные корректировки через наземный сегмент Станции управления отправляют корректирующие данные на спутники для поддержания точности

Какие бывают типы орбит в зависимости от высоты над поверхностью Земли Геостационарная орбита (GEO) Средневысотная орбита (MEO) Низковысотная орбита (LEO) - Высота: 36000 км над уровнем моря - Движется синхронно с вращением Земли - Спутник может охватывать до трети Земли Телекоммуникация - Высота: 2000-35000 км GPS - Высота: 160-2000 км - Минимальная задержка сигнала Снимки с Земли

Передача сигнала 04

Какие бывают частоты L C S Навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС) Метеорологические спутники Метеорологические исследования Научные спутники Телекоммуникационные системы Военные системы связи X Радиолокационные системы Специальные системы наблюдения

Какие бывают частоты Ku Ka K Спутниковое телевидение Широкополосный интернет Высокоскоростной интернет Сети 5G Передовые телекоммуникационные системы

Этапы обработки сигнала - Преобразование исходного сигнала - Наложение информации на несущую частоту - Защита от помех - Передача модулированного сигнала на спутник - Усиление сигнала на спутнике - Перенаправление к получателю - Извлечение исходного сигнала - Обработка и восстановление информации - Восстановление оригинального сигнала Модуляция Передача и усиление Демодуляция

Python примеры 05

Где применяют Python? Python Анализ данных Обработка изображений Моделирование и симуляция Автоматизация Научные вычисления Разработка GUI Машинное обучение

Анализ данных и обработка изображений Обработка изображений со спутников земной поверхности NASA's Landsat Анализ данных с марсоходов (Curiosity, Perseverance) Анализ данных от телескопа Hubble и других космических обсерваторий

Библиотека Rasterio ● Документация ● Landsat изображение

import rasterio import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt with rasterio.open('1979_St_Helens.tif') as dataset: red = dataset.read(1) nir = dataset.read(3) def calculate_ndvi(nir, red): ndvi =(nir.astype(float) - red.astype(float)) / (nir + red) return ndvi ndvi = calculate_ndvi(nir, red)

plt.figure(figsize=(10,10)) plt.title("NDVI") plt.imshow(ndvi, cmap='RdYlGn') plt.colorbar() plt.show() with rasterio.open( 'ndvi.tif', 'w', driver='GTiff', height=ndvi.shape[0], width=ndvi.shape[1], count=1, dtype=ndvi.dtype, crs=dataset.crs, transform=dataset.transform, ) as dst: dst.write(ndvi, 1)

NDVI

NDVI

Научные вычисления и моделирование ● Траекторные расчеты для миссий (SpiceyPy - Python версия SPICE библиотеки) Симуляция условий на других планетах и Луне (Хабр) Моделирование работы космических аппаратов в программе OpenMDAO

Расстояние от кометы C/2013 A1 до Марса ● Документация spicepy ● Данные

"""Расчет расстояния между объектами в космосе.""" import spiceypy as spice import datetime def get_spice_date(date): return spice.utc2et(date.strftime('%Y-%m-%dT%H:%M:%S')) # Инициализация SPICE def load_spice_kernels(): spice.furnsh('siding_spring_s46.bsp’) # Траектория кометы spice.furnsh('naif0012.tls’) # Високосные секунды

def calculate_distance_between_comet_and_mars(date): et = get_spice_date(date) comet_state, _ = spice.spkgeo( targ=399, et=et, ref='ECLIPJ2000’, obs=10, ) mars_state, _ = spice.spkgeo( targ=499, et=et, ref='ECLIPJ2000’, obs=10, ) vector = [mars_state[i] - comet_state[i] for i in range(3)] distance_km = spice.vnorm(vector) return distance_km

No content

Разработка прототипов ● Быстрое создание ПО наземных станций для связи со спутниками (cFS-EDS-GroundStation) Разработка экспериментальных программ для МКС (pISSStream) Прототипирование систем управления малыми спутниками CubeSat (PyCubed)

Автоматизация процессов ● Автоматизация анализа телеметрических данных с космических аппаратов ● Автоматизация тестирования космического оборудования

"""Визуализация телеметрических данных с помощью spacepy.""" from spacepy import pycdf def analyze_themis_data(file_path): with pycdf.CDF(file_path) as cdf: print("Available variables:", list(cdf.keys())) if 'thb_fbk_time' in cdf: time_data = cdf['thb_fbk_time'][...] if 'thb_fbh' in cdf: fbh_data = cdf['thb_fbh'][...] plt.figure(figsize=(10, 6)) plt.plot(time_data, fbh_data) plt.title('THEMIS FBK Data (THB_FBH)’) plt.xlabel('Time’) plt.ylabel('FBH Value’) plt.grid(True) plt.show() else: print("FBH data not found in the file.")

● Spacepy ● Данные

"""Анализ и визуализация телеметрических данных.""" import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt NORMAL_TEMPERATURE_RANGE = (-30, 50) NORMAL_BATTERY_VOLTAGE_RANGE = (3.5, 5.0) def load_telemetry_data(file_path): data = pd.read_csv(file_path, sep=',', encoding='utf-8’) print("Данные успешно загружены.") return data def find_outliers(data, column, normal_range, column_name): outliers = data[~data[column].between(*normal_range)] if not outliers.empty: print(f"Обнаружены аномалии{column_name}:{len(outliers)} записей") return outliers

def analyze_telemetry(data): temp_outliers = find_outliers( data, 'Temperature’, NORMAL_TEMPERATURE_RANGE, 'температуры’, ) voltage_outliers = find_outliers( data, 'BatteryVoltage’, NORMAL_BATTERY_VOLTAGE_RANGE, 'напряжения батареи’, ) return { 'temperature_outliers': temp_outliers, 'battery_voltage_outliers': voltage_outliers, } def plot_telemetry(data): plt.figure(figsize=(12, 6))

def create_subplot(ax_num, data_col, title, ylabel, normal_range, color): plt.subplot(2, 1, ax_num) plt.plot(data_col, label=title, color=color) plt.axhline( normal_range[0], color='red’, linestyle='--’, label='Нижний предел’, ) plt.axhline( normal_range[1], color='green’, linestyle='--’, label='Верхний предел’, ) plt.title(title) plt.xlabel('Время') plt.ylabel(ylabel) plt.legend()

create_subplot( 1, data['Temperature’], 'Изменение температуры’, 'Температура, °C’, NORMAL_TEMPERATURE_RANGE, 'blue’, ) create_subplot( 2, data['BatteryVoltage’], 'Изменение напряжения батареи’, 'Напряжение, В’, NORMAL_BATTERY_VOLTAGE_RANGE, 'orange’, ) plt.tight_layout() plt.show()

Поиск аномальных изменений температуры и напряжения батареи

Образование и обучение ● Проект Astro Pi, где используются Raspberry Pi и Python для научных экспериментов на МКС ● Образовательные программы по управлению спутниками (например, European Space Agency's ESERO) ● Конкурсы по разработке программного обеспечения для космических миссий (Hackathons NASA)

"""Расчет баллистической траектории.""” def ballistic_trajectory(v0, angle, cd=0.5, rho=1.225, A=0.01, m=1.0, g=9.81, dt=0.01): angle_rad = np.radians(angle) vx = v0 * np.cos(angle_rad) vy = v0 * np.sin(angle_rad) x = 0 y = 0 trajectory_x = [x] trajectory_y = [y] while y >= 0: v = np.sqrt(vx**2 + vy**2) Fd = 0.5 * cd * rho * A * v**2 ax = -Fd * vx / (m * v) ay = -g - Fd * vy / (m * v) vx += ax * dt vy += ay * dt x += vx * dt y += vy * dt trajectory_x.append(x) trajectory_y.append(y) return trajectory_x, trajectory_y

initial_velocity = 30 # м/с launch_angle = 45 # градусы mass = 0.1 # кг cross_section_area = 0.005 # м^2 x, y = ballistic_trajectory( initial_velocity, launch_angle, m=mass, A=cross_section_area, ) plt.figure(figsize=(8, 6)) plt.plot(x, y) plt.xlabel("Дальность (м)") plt.ylabel("Высота (м)") plt.title("Баллистическая траектория с сопротивлением воздуха") plt.grid(True) plt.show()

No content

А где еще используется Python? ● NASA использует Python для анализа данных от Mars Rover (Хабр) ● ESA применяет Python в проектах с малыми спутниками ● Python используется в проекте Open Source Rover NASA

No content

Спасибо за внимание Мой паблик Моя личка

Используемая литература 1. http://www.satcomdv.ru/telefony/stati/statya_likbez/ 2. https://studfile.net/preview/7242538/page:16/ 3. https://www.nkj.ru/archive/articles/16271/ 4. https://thecode.media/viasat/ 5. http://www.sat.belastro.net/glava2/glava2.php 6. https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/artificial-system 7. https://studfile.net/preview/4633603/ 8. https://education.yandex.ru/journal/sputnikovyj-internet-eto-nashe-budushee 9. https://poisknews.ru/kosmos/zachem-v-kosmos-zapuskayut-sputniki/ 10. https://glonass-iac.ru/guide/glonass.php 11. https://spacepy.github.io/ 12. https://spiceypy.readthedocs.io/en/stable/index.html 13. https://rasterio.readthedocs.io/en/stable/ 14. https://themis.ssl.berkeley.edu/data/ 15. https://naif.jpl.nasa.gov/pub/naif/generic_kernels/ 16. https://landsat.visibleearth.nasa.gov/ 17. https://iz.ru/1837851/2025-02-12/nasa-anonsirovalo-polet-crew-dragon-s-rossiiskim-kosmonavtom-k-mks-na-12-marta 18. https://www.rbc.ru/life/news/6729f7959a794758b3eef673 19. https://rg.ru/2025/02/19/nasa-veroiatnost-stolknoveniia-90-metrovogo-asteroida-s-zemlej-vozrosla-do-31.html 20. https://habr.com/ru/articles/331834/