Рынок космических аппаратов типа cubesat. Старт в науке

Мини-спутники

3 микроспутника Space Technology 5 (ST5)

Мини-спутники (minisatellite ; Small satellite ), имеют полную массу (вместе с топливом) от 100 кг до 500 кг. Также к мини-спутникам иногда относят т. н. «лёгкие спутники» массой от 500 кг до 1000 кг. Такие спутники могут использовать платформы, компоненты, технологии обычных «больших» спутников. Именно мини-спутники часто понимаются под общим определением «малые спутники».

Микроспутники

Микроспутники (microsatellite, microsat ) имеют полную массу от 10 до 100 кг (иногда термин применяется и к немного более тяжелым аппаратам).

Наноспутники

Наноспутники (nanosatellite, nanosat ) имеют массу от 1 кг до 10 кг. Часто проектируются для работы в группе («swarm» - рой), некоторые группы требуют наличия более крупного спутника для связи с Землёй.

Современные наноспутники отличаются относительно большой функциональностью, несмотря на свой малый размер. Их область применения широка - от попыток до космических наблюдений:

Отработка новейших технологий, методов и программно-аппаратных решений;
Образовательные программы;
Экологический мониторинг;
Исследования геофизических полей;
Астрономические наблюдения.

Пикоспутники

Пикоспутниками (picosatellite, picosat ) называют спутники с массой от 100 г до 1 кг. Обычно проектируются для работы в группе, иногда с наличием более крупного спутника. Спутники формата CubeSat (кубсат) имеет объем в 1 литр и массу около 1 кг и могут считаться либо крупными пикоспутниками, либо легкими наноспутниками. Кубсаты запускаются по несколько единиц за раз и имеют стоимость выведения несколько десятков тысяч долларов.

Фемтоспутники

Фемтоспутники (femtosatellite, femtosat ) имеют массу до 100 г. Как и пикоспутники относятся к сверхмалым . Спутники формата покетсат (буквально карманный ) имеют массу размерность в несколько сотен или десятков грамм и несколько сантиметров и могут считаться либо фемтоспутниками, либо легкими пикоспутниками. Несколько покетсатов могут компоноваться и запускаться в контейнерном месте и по цене одного кубсата, то есть за несколько тысяч долларов каждый.

Столь низкая стоимость и унификация платформ и комплектующих позволяет разрабатывать и запускать кубсаты университетам и даже школам, небольшим частным компаниям и любительским объединениям, а покетсаты - частным лицам.

Также для вывода кубсатов и покетсатов разрабатываются сверхмалые ракета-носители - наноносители.

Применение

Малые космические аппараты могут применяться для:

Исследования систем связи
Калибровки РЛС и оптических систем контроля космического пространства (в том числе пассивные КА)
Дистанционного Зондирования Земли (ДЗЗ)
Исследования тросовых систем
В образовательных целях.

Статистика

За период с 1990 по 2003 год на орбиту было выведено 64 малых спутника с массой менее 30 кг, из них 41 - США.

Когда кубсаты стали большими April 14th, 2015

CubeSat - размерный стандарт микро и наноспутников, предложенный в 1999 году в США. За минувшие 15 лет идея единого стандарта сильно изменила облик беспилотной космонавтики, открыла возможность сравнительно недорого создавать космические аппараты частным компаниям, любителям, студентам, даже школьникам. Благодаря CubeSat многие страны, бюджеты которых не тянули традиционную космонавтику, смогли похвалиться первым собственным космическим аппаратом.

Особенность CubeSat - фиксированные габариты, которые меняются кратно, т.е. CubeSat 1U (unit) - это космический кубик 10х10х10 см, 2U - это уже два кубика т.е. 10х10х20 см, 3U - 10х10х30 см. Пока достигнутый предел - 6U или 10х20х30 см. Под стандарты CubeSat разработаны многие конструкционные элементы, батареи, платы, датчики, системы коммуникации... Постоянно придумывают что-то новое, то сублимационный двигатель, то электромагнитный парус, то плазменный двигатель. Сейчас готовятся к запуску кубсаты оборудованные настоящими солнечными парусами.

Создаются спутники CubeSat из электроники индустриального класса, т.е. той, которая предназначена для эксплуатации на Земле, и не готовилась к космосу. Несмотря на это, возможности современных чипов позволяют им работать в казалось бы непригодных условиях. Они могут быть недолговечны, но обеспечивают работоспособность аппаратов до года, а то и больше в несколько раз. Сейчас существуют целые интернет-магазины электроники для CubeSat, хотя до уровня современных компьютеров, которые можно закупить по частям и за один вечер собрать дома, пока еще далеко. Все равно приходится тщательно тестировать совместимость систем, писать программное обеспечение, паять, отлаживать, в общем работы для нескольких инженеров хватит не на один месяц. Обо всех сложностях хорошо написали наши коллеги из компании “Спутникс”.

Несмотря на имеющиеся сложности, работа с CubeSat намного проще чем в традиционной космонавтике, и они обеспечили настоящий прорыв в космос для сотен студентов, десятков энтузиастов, ученых и бизнесменов.

Стандартные габариты CubeSat значительно упрощают процедуру выведения в космос. Дело тут не только в их малом размере и массе. Обычно считается, что именно масса в килограммах спутника определяет его стоимость выведения. Но когда дело касается таких незначительных показателей как 1-3-9 кг, существенной статьей расходов становится т.н. адаптация. Ведь мало спутник прикрутить к ракете, потом надо чтобы он отстрелился в нужное время, на нужной высоте и с нужным ускорением. Под обычные спутники, даже маленькие, приходится проводить отдельную работу и конструировать адаптер, который позволит совместить конкретный спутник с конкретной ракетой или разгонным блоком. В случае с CubeSat вопрос решается при помощи адаптации специального контейнера.

Достаточно однажды провести адаптацию контейнера с конкретной ракетой или разгонным блоком, и в дальнейшем пользоваться этой схемой во время каждого запуска.

К примеру, в России сейчас частная компания "Даурия Аэроспейс" совместно с НПО им. Лавочкина ведет работу по адаптации контейнеров CubeSat на "Фрегат".

В результате упростится возможность выводить попутно кубсаты при запуске ракет Роскосмоса. Ранее, "кубики" десятками запускали конверсионной российско-украинской ракетой "Днепр", но сейчас от нее Роскосмос собирается отказываться для того чтобы загрузить работой российских производителей.

Еще есть возможность запускать кубсаты с Международной космической станции. Для этого на американском сегменте оборудована специальная роботизированная система частной космической компании NanoRacks. Система позволяет запускать пачками кубсаты, при этом она не требует выхода астронавтов в открытый космос.

С российского же сегмента CubeSat запускаются поштучно и классическим способом.

Запуск с МКС решает многие проблемы: он проще и дешевле ракет, для него не требуется адаптация и даже контейнер. Большинство CubeSat запускаются именно со станции. Но и здесь есть проблемы. Спутники доставляются на борту грузовых кораблей, могут пролежать до запуска несколько недель или даже месяцев, в результате чего бортовая батарея может разрядиться и спутник полетит мертвым. Воскрешать каждого у космонавтов не получается, хоть они и пытаются.

Другая проблема старта со станции - небольшой срок жизни спутника. На высоте МКС еще сравнительно сильно тормозящее воздействие земной атмосферы, поэтому даже маленькие кубсаты держатся меньше двух лет, а если у спутника есть еще раскладные солнечные батареи, то и года не летают. Это радует всех, кто переживает за чистоту космоса, но расстраивает создателей аппаратов, которые хотели бы дольше поработать со спутником, провести испытания оборудования и узнать его предельные возможности.

Более высокий и долговременный запуск требует контейнера, и поиска подходящей ракеты. Контейнер стоит денег, и немало, хотя и кажется, что это всего лишь алюминиевая коробка с крышкой. Вместе с контейнером стоимость запуска для CubeSat может меняться от $40 тыс. $100 тыс. и это только за 1U. Но это неизбежная плата, если есть цель запустить спутник, который должен работать долго и с пользой.

Теперь о пользе. Первое десятилетие кубсатов прошло под университетскими знаменами. Студенты то одного, то другого вуза (по большей части американского или британского) собирали свои кубики, за ними поспевали японские радиолюбители. И в профессиональной среде о CubeSat сложился стереотип какой-то несерьезной забавы, не совместимой ни с какими прикладными задачами. Действительно, тут взрослые дяди годами собирают аппараты по тонне и больше, а там какие-то студенты клепают килограммовые пищалки за несколько месяцев.

В то же время, первые поколения кубсатов позволили отработать массу технологических решений, перепробовать десятки различных схем и компоновок, испытать приборы полезной нагрузки. И ко второму десятилетию XXI века оказалось, что даже такие малыши годны к серьезной работе. Фактически сейчас вершится революция на наших глазах.

Одной из первых стала компания Planet Labs, кто решился весь бизнес построить на кубсатах. В 2013 году они запустили пару спутников Dove ("Голубь"), которые показали свои возможности. Размер их 3U, т.е. 10х10х30 см. В эти микроскопические, по меркам космонавтики, габариты, разработчики смогли разместить не только 90 мм телескоп и фотоматрицу, но и трехосевую систему ориентации, состоящую из трех двигателей-маховиков и магнитных катушек. Получился полноценный аппарат дистанционного зондирования Земли, размером с обычную фотозеркалку.

Сейчас их аппараты делают качественные снимки, которыми можно полюбоваться в их галерее .

Для сравнения, снимок с "настоящего" аппарата массой 450 кг

Разумеется надежность и производительность "Голубей" значительно ниже чем традиционных спутников, но их цена и возможность запуска десятками штук, открывает большие перспективы. При этом надежность каждого нового поколения повышается, т.к. инженеры получают огромный объем данных по системам, и могут оперативно заменять ненадежные элементы. Т.е. летные испытания и отработка проводится намного быстрее, чем это было с большими аппаратами.

Сейчас Planet Labs привлекла почти $140 млн инвестиций, и теперь их главная задача отстроить наземную инфраструктуру и найти эффективные пути монетизации спутниковых данных. Их цель - ежесуточно обновляемый аналог гуглокарт.

Про Planet Labs я уже неоднократно рассказывал, но мне больше нравится другой пример компании, которая выросла из кружка любителей Arduino. Сначала они на KickStarter закинули идею создать наноспутник ArduSat. Идея так понравилась сообществу, что запросив на один спутник, они набрали на два. Они привлекли внимание своей идеей предоставлять управление спутников всем желающим, за определенную плату. Еще до запуска, после успешной кампании сбора средств, они нашли первых инвесторов. В них вложился даже россиянин гендиректор и основатель Mail.Ru Дмитрий Гришин, правда выделил он "всего" $300 тыс. Об итогах запуска и испытаний спутников они особо не распространялись, но быстро переименовались из NanoSatisfy в Spire привлекли $20 млн инвестиций на развертывание целой спутниковой сети в несколько десятков аппаратов. Судя по их сайту они собираются выстроить обширную низкоорбитальную сеть приема АИС данных.

Итогом станет быстрообновляемая карта перемещения судов в морях и океанах. Такие сервисы есть и сейчас, но в основном они работают на основе береговых станций, а АИС-спутников на орбите меньше двух десятков. Spire хотят запустить 100.

К слову об АИС, есть на орбите и пара наших кубсатов - Perseus-M - это совместная разработка американского и российского подразделений "Даурии Аэроспейс". Наши там участвовали в проработке общего дизайна, компоновки и написании ПО. Размер спутника 6U, полезная нагрузка тоже датчик АИС, летают с июня 2014 года. Недавно как раз завершилось тестирование полезной нагрузки, и спутники построили свою собственную карту мирового судоходства. Сейчас готовимся к развертыванию сети наземных станций, чтобы начать поставлять оперативные данные коммерческого качества.

Впрочем, цель "Даурии" не АИС бизнес. Просто такие датчики были выбраны для тестирования спутниковой платформы. А возможности ее намного больше, в том числе можно и камеру туда поставить. Собственно, на основе опыта полученного в разработке Perseus-M, российское подразделение “Даурии” создает два спутника в стандарте CubeSat по заказу Роскосмоса. Это гораздо более сложные аппараты, с трехосевой ориентацией, мультиспектральной камерой, высокопроизводительным передатчиком Ka-диапазона.

В перспективе, компания готова адаптировать платформу под различные виды нагрузок научного и прикладного назначения. Свой контейнер тоже разрабатываем, так что скоро Роскосмос сможет предлагать полный комплекс услуг, если кому надо запустить CubeSat. К примеру, лавочкинский "Фрегат" и на Марс, и на Венеру может, только надо дождаться попутного рейса.

Российский стартап “Лин Индастриал” взялся создать специальную микроракету как раз для запуска кубсатов. Вряд ли она выйдет дешевле $100 тыс., но она может быть интересна для тех орбит, куда попутно не долететь или долго ждать оказии.

Оразов А.В. 1

Демушкина О.В. 1

1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение- средняя общеобразовательная школа N50 г. Орла

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Во время смены «Большие вызовы», организованного ОЦ «Сириус», я занимался апгрейдом наноспутника SiriusSat . Моей целью было установить на спутнике камеру Raspberry Pi Camera Module v 2.1 на платформе Raspberry pi . Об этом процессе я и хотел бы рассказать.

Цель эксперимента: установка камеры на спутник и осуществление автономного управления ею.

Этапы работы:

Знакомство со спутником.

Цели установки камеры.

Процесс подключения.

Налаживание связи.

Интеграция с бортовым компьютером спутника.

Разработка ПО.

Передача данных по CAN шине.

Анализ работы и выводы.

§1. Пару слов о спутнике

Разрабатываемый нашей командой спутник BumbleBee (приложение 1, рисунок 1) должен был стать усовершенствованным аналогом спутников SiriusSat -1 и SiriusSat -2 (приложение 1, рисунок 2), разработанных во время смены «Большие вызовы» в 2017 году. Основными отличиями нашей миссии являлось то, что мы хотели запускать его на полярную орбиту (в отличие от SiriusSat ’ов, которые сейчас находятся на орбите МКС), а также провести эксперимент эксплуатации камеры Raspberry Pi Camera module v 2.1 (приложение 2, рисунок 1) в открытом космосе.

§2. Зачем устанавливать камеру?

Установка камеры позволяет осуществить:

а) восстановление ориентации спутника в космосе по снимкам с камеры,

б) получение изображения Земли из космоса.

Конечно, есть некоторый процент вероятности, что камера не сможет получить внятного изображения, на это есть ряд причин, например, высокоэнергетические частицы в атмосфере земли, способные засветить матрицу. Но этот риск вполне оправдан: за сравнительно небольшую цену в размере менее 1% от общей стоимости спутника, мы имеем шанс получить дешёвый способ фотографировать космос!

§3. Процесс подключения

Н алаживание связи

Прежде всего, возникла необходимость «подружить» камеру и процессор Raspberry Pi 3. Для этого к плате была подключена камера, монитор, клавиатура, а далее произведена настройка опций операционной системы «Raspbian » для поддержки работы камеры. Данная операционная система обладает встроенной библиотекой для работы с камерой на языке программирования Python . Самые первые снимки были получены с помощью консольной команды и тривиального кода на этом языке, использующего общую библиотеку.

Интеграция с бортовым компьютером спутника

С подключением камеры к спутнику было не всё так просто. В отличие от используемой для отладки платы, внутри космического аппарата был установлен Raspberry Pi Compute Module 3, для программирования которого требовалась специальная микросхема, которой у нас, к сожалению, не оказалось. Модуль был «намертво» припаян к плате спутника, в связи, с чем нам пришлось вручную выводить и паять требуемые для камеры порты. В результате плата приняла следующий облик - приложение 3, рисунок 1.

Разработка ПО

Основными требованиями по функционалу камеры и процессора были:

возможность по запросу пользователя производить снимок с заданным разрешением и цветным или черно-белым режимами;

скачивать из внутренней памяти спутника выбранный по имени файл;

осуществлять повторные попытки скачивания выбранных файлов;

выводить на экран пользователя список всех доступных снимков во внутренней памяти спутника;

удалять выбранный по имени файл из внутренней памяти спутника, для освобождения памяти;

форматировать хранилище снимков спутника.

Очень важно было сделать так, чтобы спутник фотографировал «по щелчку», а потом отправлял фотографию на землю. Операционная система позволяла свободно программировать на языке Python , но я решил попробовать написать код на языках «C ++» и «C ».Для этого потребовалось установить компилятор. Что заняло около часа по времени, т.к. процессор не обладал достаточной вычислительной мощностью. Кроме того, эту процедуру требовалось повторить несколько раз на разных Compute Module ’ях.

В Интернете я нашёл библиотеку для С++, позволяющую управлять камерой и производить снимки. Она обладала всем функционалом, который нам был необходим - регулируемым разрешением картинки и изменяемыми цветовыми режимами. Весь основной функционал писался на С++, но впоследствии пришлось перейти на С. Си++ стал использоваться только для управления камерой. Что послужило причиной такого перехода я объясню позже.

Ещё одной проблемой стало то, что найденная мною библиотека сохраняла снимки в несжатом формате bmp . Они весили порядка 100 кб при маленьком разрешении, что было совершенно недопустимо. Находящиеся в нашем распоряжении антенны могли передавать информацию со скоростью 7000-8000 бод. При больших размерах, была велика вероятность того, что снимок попросту мог не догрузиться и один непринятый пакет (из нескольких сотен пакетов) мог испортить всю картину. Для решения этой проблемы я использовал скрипт на Python , конвертирующий несжатые снимки в jpg , а также провёл опыты с черно-белым снимком. Серая jpg -картинка при наименьшем разрешении весила в ~25 раз меньше, чем цветная bmp -картинка. Затем я добавил в алгоритм захвата снимков автоматическую конвертацию из bmp в jpg и переименования снимка в “1.jpg ”, “2.jpg ” и т.д. Так закончилась работа над первым пунктом.

Вывод списка файлов на экран также был реализован с помощью Python скрипта, вызываемого из основного C ++ файла. Некоторые простые задачи я старался решать просто - использовать коды на Python .

Прописать процессы удаления файлов и полного форматирования хранилища также не составило особого труда. Для удобства я разделял типы операций на административные (вывод списка и удаления файлов, форматирование) и рабочие (фотографирование и скачивание снимков).

Продумать все возможности скачивания снимков на подключенный ноутбук оказалось сложнее - на орбите не будет ноутбука и сети типа Wi-Fi.

Передача данных по CAN шине

В космическом пространстве общение между спутником и Землёй производится с помощью антенн. Но, кроме общения с Землёй, спутнику также необходимо «общаться» с его внутри бортовыми системами (рисунок 2, приложение 3). Для этого он снабжён CAN шиной, на сегодняшний день широко используемой в автомобильной промышленности и устройствах “умный дом”.

Передача информации по протоколу CAN отличается от привычных для нас способов, например протокола I 2C . В CAN шинах типы сигналов делятся на 4 вида: кадр данных, удаленный кадр, кадр ошибки и кадр перегрузки. Я не буду останавливаться на каждом из них, так как мы пользуемся в основном кадром данных для передачи изображений. Кадр данных не может передать большое количество информации, сравнимое с размерами полученных нами фотографий. Для этого информацию необходимо раздробить на множество пакетов, которые затем по очереди отправляются посредством антенны.

Автоматическое фрагментирование информации было включено в специальную библиотеку для работы с информацией в протоколе CAN , которую нам предоставила компания «СПУТНИКС». Но и тут обнаружились свои «подводные камни» - библиотека была написана для работы с С и не хотела «дружить» с С++. Именно это и послужило причиной переноса всех административных функций на язык С. Мне оказалось проще реализовать простые функции наряду со сложным процессом передачи файлов. И, как уже было упомянуто ранее, С++ использовался только для написания кода манипуляций с камерой.

Для того чтобы спутник начал передавать нам данные, его необходимо было об этом «попросить». Поэтому приём сигналов осуществлялся антеннами, которые по CAN шине передавали их в процессор компьютера. Чтобы исключить возможность перепутывания «команд» системами спутника, каждой из них был присвоен отдельный уникальный номер (ID ) «команды», указываемый в самом начале CAN сигнала. Для процессора Raspberry мы выделили отдельные ID «команд». Библиотека позволила не только посылать сигналы, но и принимать их по протоколу CAN . По умолчанию ПО постоянно «говорит» процессору «слушать» какие команды в CAN шине, и если ID сигнала совпадает с ожидаемым ID , то программа считывает данные команды и в соответствии с ними осуществляет нужное действие.

Итогом проделанной работы стал алгоритм работы ПО, с которым вы можете познакомиться в приложении 3(рисунок 3).

Заключение

Итак, за месяц, проведённый в ОЦ «Сириус», нашей команде удалось реализовать эксперимент по разработке систем управления камерой для спутника формата CubeSat на 99,5%. Мы встретили множество препятствий, но ни одно из них не помешало нам реализовать поставленные задачи и прийти к заветной цели.

Прежде я не занимался написанием программ на С++ и Python . Мне были известны лишь основные принципы алгоритмизации и частичное строение кода на С. Полученный за время экспериментальной работы опыт, стал для меня очень ценным.

Итогом работы - были тесты работы функций ПО. Программа помогала стабильно отлавливать сигналы из CAN шины и передавать требуемые команды. Полученные снимки были не высокого качества, но очертания предметов на них вполне различим. При запросе вывода списка фотографий по CAN шине благополучно передавались данные, а после команды удаления при повторном запросе списка можно было заметить уменьшение количества файлов. Скачивание снимка сопровождалось большим потоком данных в терминале CAN шины, тоже происходило при запросе повторной загрузки картинки. А если после тестирования накопилось множество не нужных фотографий, то команда форматирования успешно стирала их. Таким образом, весь необходимый функционал работал отлажено в штатном режиме.

Литература

Библиотека для работы с камерой на языке C ++ - https ://www .uco .es /investiga /grupos /ava /node /40

Руководство по настройке камеры - https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-picamera

Краткое пособие по CAN шине - http://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160/

Рис . 1. Наноспутник BumbleBee формата Cubesat

Приложение 1

Рис. 2. Наноспутники SirusSat -1 и SiriusSat -2

Raspberry Pi Camera Module v 2.1

Приложение 2

Приложение 3

Рис. 1. Перепаянная плата

Рис. 2. Спутник в собранном виде

Рис. 3. Алгоритм работы ПО

Авторы

Космодемьянский Е. В. 1 * , Кириченко А. С. 1 * , Клюшин Д. И. 1 * , Космодемьянская О. В. 1 * , Макушев В. В. 1 * , Альмурзин П. П. 2 **

1. Ракетно-космический центр «Прогресс», ул. Земеца, 18, Самара, 443009, Россия
2. Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: [email protected]
**e-mail: [email protected]

Аннотация

В статье приведена статистика пусков малых космических аппаратов нано-класса формата «CubeSat», включая 2013 год, сделан вывод о росте и значимости рынка пусковых услуг КА данного класса, описаны средства выведения, создаваемые в настоящее время в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» и предлагаемые к разработке для обеспечения миссий МКА формата «CubeSat». Подробно описаны предлагаемое пусковое устройство и транспортно-пусковой контейнер для МКА формата «CubeSat», сделаны выводы о возможности организации миссий по выведению КА данного формата с использованием новых организационно-технических приёмов и занятии нашей страной лидирующих позиций по обеспечению данной услуги.

Ключевые слова:

малый космический аппарат, Cubesat, универсальная платформа, пусковое устройство, web-технологии, транспортно-пусковой контейнер

Библиографический список

Michael’s List of Cubesat Satellite Missions , available at: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (accessed 16.07.2013).
Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. A Survey of CubeSat Communication Systems, the AMSAT Journal, November/December 2009, pp. 23-30.
Wikipedia EN: List of CubeSats, available at: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (accessed 16.07.2013).