Оценка основных параметров телеметрии ReshUCube-1 за период 10 месяцев на орбите

С развитием технологий прослеживается тенденция к уменьшению размеров запускаемых космических аппаратов. На рынке космического сегмента хорошо зарекомендовали себя наноспутники формата CubeSat [1; 2]. Преимуществ у них множество, но в основном можно выделить следующие:

• –    время на разработку снижается в разы;

• –    меньшая стоимость самого спутникового аппарата;

• –    меньшая стоимость выведения из-за относительно небольшой массы.

Из многочисленных достоинств запуска спутников стандарта CubeSat вытекает заметное увеличение общего количества запущенных космических аппаратов данного формата [3–5]. В связи с этим появилось новое направление для исследований и разработки в этой сфере – автоматизация процессов управления космическими аппаратами [6]. К примеру, в Сибирском государственном университете науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва к 2024 г. планируется управление уже 6 космическими аппаратами. На данный момент в университете ведётся работа с тремя космическими миссиями:

• – спутник ReshUCube-1 на стадии эксплуатации на орбите;

  – спутник ReshUCube-2 будет запущен 26 июня 2023 г.;

  – запуск спутниковой группировки ReshUCube-3 планируется в 2024 г.

Первая космическая миссия CubeSat университета

9 апреля 2022 г. на орбиту был выведен научно-образовательный спутник ReshUCube-1 [7; 8]. Космический аппарат относится к классу наноспутников кубсатов формата 3U (рис. 1), имеет габа- ритные размеры 10×10×34 см и массу 3,397 кг. Целью проекта ReshUCube является вовлечение школьников в космическую и научно-исследовательскую деятельность в рамках программы «Дежурный по планете» при поддержке Фонда содействиям инновациям [9– 11]. В дополнительные научные задачи входит:

Рис. 1. Фото спутника ReshUCube-1

– получение университетом лётного опыта по управлению КА;

– тестирование перспективной отечественной элементной базы;

– изучение околоземного пространства и земной поверхности.

Fig. 1. Photos of the ReshUCube-1 satellite

Функциональный состав

Условно спутник можно разделить на две составляющие: платформу и полезную нагрузку. К части полезной нагрузки относят все те устройства, которые определяют назначение космического аппарата, цель его функционирования. В частности, спутник ReshUCube-1 был запущен для вовлечения школьников в космическую и научную деятельность. Для этого сотрудниками лаборатории «Малые космические аппараты» Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва решено было разработать полезную нагрузку “Реконфигурируемая лаборатория” [12]. В рамках концепции реконфигурируемой лаборатории, на КА находится набор различного оборудования и датчиков, используя которое, можно выполнять различные эксперименты по следующим тематикам:

– технологические эксперименты;

• –    мониторинг радиационной обстановки;

• –    изучение атмосферы и магнитосферы Земли;

• –    изучение орбитального движения космического аппарата;

• –    наблюдение за земной поверхностью.

Возможность загрузить новое программное обеспечение ПН в процессе полёта позволяет реконфигурировать работу лаборатории.

Платформа космического аппарата – это совокупность всех основных устройств, необходимых для успешного функционирования аппарата на орбите. Для спутника ReshUCube-1 платформа ОрбиКрафт-Про 3U модификации «Профи» (SXC3-GA-ADC) была куплена в компании ООО «Спутникс» [13]. Все устройства платформы можно разделить на подсистемы в зависимости от выполняемых функций:

• 1.    Система электропитания (СЭП). К этой части относятся плата системы электропитания, аккумуляторная батарея (АКБ) из 4 источников питания, солнечные панели. Основная функция данной системы – обеспечение электропитанием всех устройств на борту. Помимо этого, блок выполняет задачу выполнения алгоритмов живучести: контроль токов, защита от зависания, подзаряд аккумуляторных батарей, отключения устройств.

• 2.    Система радиосвязи. К данной системе относится ультракоротковолновая (УКВ) антенна и сам блок приёмопередающего устройства. Помимо основной функции обеспечения связи между спутником и наземной станцией управления, трансивер имеет постоянную энергонезависимую память для хранения пользовательских расписаний команд. Таким образом, есть возможность управления спутником даже вне зоны радиовидимости.

• 3.    Система бортового комплекса управления (БКУ). В данную систему входит материнская плата с различными устройствами из других систем и бортовой вычислительный модуль, выполняющий роль коммутатора датчиков и конфигурации материнской платы.

• 4.    Система ориентации и стабилизации (СОС). В данную систему входит множество устройств: микроконтроллер СОС, блок маховиков, набор солнечных датчиков, магнитные катушки, датчик угловой скорости и магнитометры. Очевидно, что система необходима для установления необходимой ориентации космического аппарата, демпфирования угловой скорости, а также определения собственной ориентации аппарата.

Маяк

Для выполнения научной программы требуется поддержание жизнеспособности спутника. Для этого операторам центра управления полётами в первую очередь необходимо оценивать данные служебной телеметрии, полученной со спутника [14]. Оперативно анализируя состояние космического аппарата, оператор может вовремя предпринять необходимые действия при возникновении нештатных ситуаций и преждевременно предупредить их появление. Основным источником информации является сообщение, называемое «маяк», которое периодически рассылается раз в 30 с. В этом пакете данных содержится вся основная телеметрия по состоянию системы электропитания и системы радиосвязи:

• –    величина температуры АКБ, УКВ-передатчика и усилителя;

• –    заряд АКБ;

• –    значения токов и напряжений с солнечных батарей;

• –    значения счётчика перезагрузок;

• –    величина угловых скоростей;

• –    значения токов и флагов состояний каналов питания;

• –    флаги критичных состояний АКБ;

• –    бортовое время.

Вся полученная со спутника телеметрия хранится в специальной базе данных. При необходимости анализа информации о состоянии космического аппарата, есть возможность выгружать данные с самого начала срока эксплуатации, а также для удобства делать выборки, сортируя по пакетам и периодам времени.

Температура

Одна из проблем проектирования и эксплуатации космических аппаратов – теплообмен. Поэтому температура устройств на борту – это первый важный параметр, на который следует обращать внимание при работе с космическим аппаратом. На спутниковой платформе имеется

• 16 штатных температурных датчиков для отслеживания теплового режима работы различных устройств. Наиболее важное значение имеет модуль АКБ, так как литий-ионные аккумуляторы имеют свои границы рабочих температур: от –20 до +50 °С. На борту ReshUCube-1 установился свой рабочий режим [15; 16]. На рис. 2 показан график температур АКБ за апрель 2023 г. Как видно из графика, температура АКБ колебалась в пределах от –7 до +15 °С. Среднее значение температуры модуля АКБ составляет примерно +3 °С, что является комфортными условиями для работы литий-ионных аккумуляторов.

На рис. 3 показан график температуры приёмопередающих устройств: трансивера и усилителя УКВ. На графике можно найти три закономерности.

Рис. 2. График температуры модуля АКБ

Fig. 2. Battery module temperature graph

Рис. 3. График температуры трансивера и усилителя УКВ

Fig. 3. Temperature graph of the transceiver and the VHF amplifier

• 1.    Значения температуры этих устройств сильно колеблются, но почти не опускаются до значений ниже нуля (за исключением нескольких единичных случаев до –2°): от 0 до +34 °С у усилителя и от –2 до +24 °С у самого трансивера. Постоянно положительные значения можно объяснить тем, что устройства подсистемы радиосвязи работают постоянно, даже вне зоны радиовидимости, а значит, постоянно нагреваются.

• 2.    Температура усилителя меняется по тому же закону, что и температура самого трансивера, но значения всегда немного выше. Это обуславливается особенностями работы устройств: при постоянной работе усилитель греется сильнее.

• 3.    Если рассматривать изменения температуры в рамках каждого сеанса по отдельности, то можно заметить, что температура устройств системы радиосвязи постоянно растёт в течение сеанса. Это можно объяснить тем, что во время сеанса связи со спутником идёт на порядок более усиленный обмен пакетами, тогда как в остальное время спутник только рассылает маяки раз в 30 мин и прослушивает эфир.

Заряд АКБ

Следующий важный параметр, контроль которого предотвратит многие проблемы при эксплуатации, – заряд АКБ. В спутниковую платформу производителем изначально заложены механизмы самоспасения. В табл. 1 описаны граничные значения напряжения и соответствующие действия автоматического контроля уровня заряда. Несмотря на то, что на спутнике предусмотрена система защиты от разряда, нежелательно допускать таких ситуаций, так как они снижают срок службы АКБ.

Граничные значения напряжений АКБ

Таблица 1

Степень заряда АКБ	Граничные значения напряжения АКБ, мВ	Действие
Нормальное	6700	Штатный режим работы
Минимальное	6200	Отключение нагревателей АКБ
Критическое	5700	Отключение всех каналов питания устройств (кроме УКВ)
Опасный	5200	Отключение УКВ

На рис. 4 показан график изменения напряжений АКБ за апрель 2023 г. Значения варьируются от 7668 до 7972 мВ, а среднее значение составляет 7881 мВ, все эти значения относятся к штатному режиму работы. Это говорит о том, что СЭП спроектирована удачно, что даже при активном использовании СОС и других энергозатратных элементов заряд АКБ не опускается ниже нормального значения.

Рис. 4. График величины напряжения АКБ за апрель 2023 г.

Fig. 4. Graph of the battery voltage for April 2023

Следует отметить, что для удобства оператора и экономии времени предусмотрены специальные поля по типу так называемых флагов. Если аппаратура космического аппарата зафиксировала критичные изменения, то “поднимается флаг” (ставятся флажки в чекбоксе). Пример показан на рис. 5.

, . ..гл Флаг Ъатарея разряжена до критического уровня'. ,   .  i—i Флаг Ъатарея разряжена до минимального уровня'.

PS.Uab_cnt И (off5et:            Type: Bit)                       PS.Uabjnri U (offset:            Type: Bt)

K         , I—I Флаг ручного управления нагревателем 2.         «      . ।—। Флаг ручного управления нагревателем 1.

• _ - . . _     I—। Флаг включения нагревателя 2. __ , . .     гл Флаг включения нагревателя 1.

• „ _ ,       I—I Флаг превышения максимальной температуры ,   . гл Флаг Низкая температура батареи'.

PS.Tab_max U (offset. 246i Len. ^ Туре. №)                PS.Tab_n,n И (0№et. 247/ Len. Туре. ю)

P5.channelon4 □

PS.channelon2 0

Флаг состояния канала 4. (Offset: 248, Len: 1, Type: Bit)

Флаг состояния канала 2. (Offset: 250, Len: 1, Type: Bit)

PS.channelon3 □

PS.channelonl 0

Флаг состояния канала 3. (Offset: 249, Len: 1, Type: Bit)

Флаг состояния канала 1. (Offset: 251, Len: 1, Type: Bit)

rsr.           I—i Флаг превышения тока по каналу 4, __ т . h ... ।—i Флаг превышения тока по каналу 3.

PS'Idl-bn't4 1=1 (Offset^, Len: 1, Type: Bit) 1                 □ (Offcet: 253, Len;1, Type: Bit)

h        Флаг превышения тока по каналу 2. „ тh     i—i Флаг превышения тока по каналу 1.

Рис. 5. Примеры флагов в маяке

Fig. 5. Examples of flags in the beacon

Энергия с солнечных панелей

Токи с солнечных панелей также играют немаловажную роль в оценке телеметрической информации и анализе энергобаланса космического аппарата. Как видно из графика за апрель 2023 г., представленном на рис. 6, значения токов каналов солнечных панелей очень сильно и быстро изменяются. Ток канала 1 (сторона Z – КА) обозначен как ток СП1, ток канала 2 (стороны Y+ и Y–) обозначен как СП2, ток канала 3 (стороны X+ и X–) обозначен как СП3. Это связано с быстрым изменением положения аппарата, в частности, вращением вокруг своих осей. Расположение плоскостей (сторон) КА изображено на рис. 7.

Рис. 6. График токов солнечных панелей за апрель 2023 г.

Fig. 6. Graph of solar panel currents for April 2023

Рис. 7. Расположение плоскостей на КА

Fig. 7. Location of planes on the satellite

Еще одну закономерность можно заметить, анализируя более подробный график за несколько дней, где видны изменения токов в течение нескольких ближайших сеансов (рис. 8). На графике чётко видны периоды с нулевыми (или почти нулевыми) значениями, что означает, что спутник был в теневой зоне относительно положения Земли и Солнца.

Рис. 8. График токов солнечных панелей за 1–3 апреля 2023 г.

Fig. 8. Graph of solar panel currents for April 1–3, 2023

Анализируя телеметрические данные о токах солнечных панелей, можно оценивать их уровень деградации и впоследствии корректировать энергобаланс спутника.

Угловые скорости и стабилизация

Еще одним неотъемлемым параметром при анализе работы КА являются значения угловых скоростей спутника. Данные параметры могут изменяться в худшую сторону (увеличиваться), что может отрицательно сказываться на качестве связи в канале «космос – Земля», так как положение диаграммы направленности антенн будет постоянно изменяться. На рис. 9 представлен график изменения угловых скоростей с 10 по 14 мая. В данный период не проводились никакие работы с системой ориентации и стабилизации: не демпфировались угловые скорости, не устанавливалась ориентация с помощью блока маховиков. Из графика видно, что даже в пределах одного дня угловые скорости стремительно изменяют не только модуль значения, но и знак, что означает изменение направления закручивания. Также можно заметить, что модули значений угловых скоростей колеблются в пределах до 8°, что является нормой. Без воздействия внешних факторов спутник ReshUCube-1 тенденции к закручиванию не имеет. Расположение осей КА изображено на рис. 10.

Рис. 9. График значений угловых скоростей за 10–14 мая 2023 г.

Fig. 9. Graph of angular velocity values for May 10–14, 2023

Рис. 10. Расположение осей КА

Fig. 10. Location of the satellite axes

Для демпфирования угловых скоростей на аппарате заложен алгоритм гашения угловых скоростей B-DOT. Гашение проводится с использованием магнитных катушек, так как, в отличие от гашения с помощью двигателей-маховиков, данный метод уменьшает сам угловой момент импульса КА, а не использует временный противодействующий момент импульса.

Угловые скорости требуется демпфировать при значении более 7 °/с. Скорость уменьшения значений при использовании магнитных катушек составляет примерно 1°/мин, согласно лётным данным.

Вообще стабилизация спутника нарушается при влиянии различных сил: аэродинамических, гравитационных, магнитных и радиационных. Ранее было сказано, что тенденции к закручиванию КА не имеет. В ходе лётной эксплуатации было выявлено, что в большинстве случаев стабилизация ReshUCube-1 нарушается при воздействии крутящего момента блока двигателей-маховиков на ориентацию. Одной из причин этого является то, что при длительном управлении ориентацией маховики переходят в режим насыщения (их скоростей не хватает для того, чтобы компенсировать угловой момент КА). В таком случае необходимо включать дополнительную систему ориентации для разгрузки маховиков, в частности, магнитные катушки.

Второй причиной потери стабилизации является то, что, при отключении питания блока двигателей-маховиков, сами маховики продолжают бесконтрольно крутиться еще некоторое время, раскручивая КА. Для избежания таких ситуаций в циклограмму полёта после циклов установления ориентации необходимо заранее закладывать команды для демпфирования угловых скоростей.

Бортовое время и TLE

Значение бортового времени и данные TLE – это одни из важнейших функциональных параметров. Из-за некоторых релятивистских эффектов теории относительности время на космическом аппарате постоянно отстаёт, из-за чего накапливается ошибка (примерно 1 с в сутки). Важно постоянно мониторить это значение и периодически проводить синхронизацию со временем на наземной станции. Также одной из регламентных работ с аппаратом является обновление данных TLE, описывающих движение космического аппарата. Спутник, используя в совокупности бортовую шкалу времени и данные TLE, может самостоятельно определить своё местонахождение. Но параметры орбиты постепенно меняются, поэтому данные TLE становятся неактуальными. Считается, что для точного определения местоположения спутника необходимо обновлять орбитальные параметры хотя бы раз в 5 дней. В таком случае погрешность наведения КА на точку Земли составит более 6 км. Для некоторых задач, не требующих высокой точности во времени, например, составление расписания сеансов связи для планирования времени работы операторов, срок годности данных TLE составляет 14 дней, тогда погрешность составит уже 460 км, такое расстояние спутник проходит за одну минуту.

Заключение

На основе лётного опыта эксплуатации космического аппарата ReshUCube-1 был выявлен перечень параметров телеметрии, необходимых к оценке состояния спутника и его подсистем. Приведённые качественные и количественные характеристики позволяют эффективно выстроить процесс оценки телеметрии операторами Центра управления полётами. Появляется возможность переложить некоторые обязанности с операторов на машины, в частности, мониторинг жизненно важных параметров телеметрии. Поэтому первый шаг на пути к автоматизации процессов эксплуатации космических аппаратов – это определение граничных показателей. Автоматизация процессов эксплуатации позволит без потери качества работы увеличить количество эксплуатируемых спутников.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «Дежурный по планете» (Space Pi) 6-й очереди. Проект «Космическая миссия ReshUCube», договор № 71С2/МОЛ/71271 от 29.11.2021.

Acknowledgment

The work was carried out with the support of the Innovation Assistance Fund within the framework of the “Planet Duty Officer” (Space Pi) program of the 6th stage. The project “ReshUCube Space Mission”, Contract No. 71C2/MOL/71271 dated 11.29.2021.