Красноярский край, Красноярск, 2022 РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА Проект «Космическая миссия ReshUCube» посвящен популяризации космической проектной и исследовательской деятельности среди школьников в рамках проекта Space-pi. В ходе проекта было запланировано: - формирование требований к космической миссии ReshUCube, выбор соответствующей требованиями космической миссии спутниковой платформы формата Cubesat 3U и ее приобретение у отечественного производителя; - создание полезной нагрузки (ПН) для осуществления космических экспериментов командами школьников; интеграция полезной нагрузки на спутниковую платформу; получение радиопозывного, проведение комплексных испытаний наноспутника, подготовка документации к запуску, запуск наноспутника; взятие наноспутника на управление, его эксплуатация и осуществление космических экспериментов; - проведение среди школьников мероприятий по популяризации космических исследований, привлечение школьников к проектной космической деятельности; регистрация в системе Space-pi Российского движения школьников команд школьников, реализующих исследовательские проекты на космической миссии ReshUCube; - публикация в средствах массовой информации информационных материалов о ходе проведения мероприятия. 1. Работы, выполненные за счет средств гранта: Приобретена спутниковая платформа формата CubeSat 3U и комплект разработчика полезной нагрузки. 1.1. Формирование требований к космической миссии ReshUCube Основными решающими исходными данными для формирования требований являются: - низкая круговая орбита с высотой 500 км, что определяет теоретически возможную продолжительность космической миссии 3-5 лет и время сеансов наземной станции СибГУ им. М.Ф. Рештнева 6-8 мин.; - размер полезной нагрузки 1U, компоновка в соответствии со спецификацией PC 104, жесткие ограничения по потребляемой мощности. Руководствуясь данными исходными данными, а также необходимостью обеспечить долгую насыщенную активной работой эксплуатацию наноспутника была предложена концепция конфигурируемой полезной нагрузки (КПН), выступающей по сути, как конфигурируемая лаборатория для проведения различных космических экспериментов командами школьников. Красноярский край, Красноярск, 2022 КПН должна состоять из максимально возможного количества приборов, видов ПН, составляющих ПН в целом (рисунок 1). Для реализации определенного космического эксперимента виды ПН должны иметь средства объединения в некоторые советующие ему структуры, а также настраиваться на необходимые точностные параметры и режимы работы, алгоритмы включения/выключения, накопления и обработки данных. Рисунок 1 – Схематичное представление конфигурируемой полезной нагрузки Из имеющегося набора видов ПН, могут быть сформированы различные структуры для проведения множества экспериментов, причем с возможностью их повторного проведения в соответствии с параметрами орбитального движения наноспутника и новыми необходимыми для этого параметрами настройки. В этом случае, отпадает необходимость тщательного предварительного планирования определенного ограниченного числа экспериментов, т.к. возможно проектирование новых космических экспериментов, первоначально не планированных, на этапе эксплуатации наноспутника. Появляется возможность совершенствовать эксплуатационный потенциал наноспутника в процессе полета, что позволяет сохранить актуальность космической миссии на протяжении всего времени нахождения КА на орбите. Для реализации КПН необходимо: иметь возможность включать/выключать подачу электропитания на все виды ПН; иметь сетевой способ взаимодействия видов ПН между собой и иметь возможность загрузки с наземной станции (НС) нового управляющего программного обеспечения (ПО) для выполнения соответствующего космического эксперимента (рисунок 2). Красноярский край, Красноярск, 2022 System interface Payload Payload Controller Payload net Onboard command and data handling MCU 1 Onboard transmitter Power bus Device 1 SW2 MCU n ... Power supply switch SW1 Software download MCU 2 Device 2 Device n SWn ... Ground station Рисунок 2 – Структура конфигурируемой полезной нагрузки Данные требования позволили уточнить критерии для выбора соответствующей миссии ReshUCube спутниковой платформы в плане построения ее бортовой авионики. 1.2. Выбор космической платформы Рассмотренные обстоятельства определили выбор спутниковой платформы компании «Спутникс», как удовлетворяющие требованиям к платформе космической миссии ReshUCube. Построение авионики спутниковой платформы компании «Спутникс» показано на рисунке 3. Устройство платформы 1 STM32 Устройство платформы 2 STM32 . . . Устройство платформы n STM32 CAN bus Кубсата STM32 Raspberry Контроллер Pi СОС STM32 Система бортового радио Бортовой компьютер Радиоканал к наземной станции Приемопередающее оборудование Контроллер наземной станции CAN bus Кубсата Наземная станция Рисунок 3 – Построение авионики спутниковой платформы компании «Спутникс» Красноярский край, Красноярск, 2022 Бортовая авионика спутниковой платформы (СПл) компании «Спутникс» является примером распределенной системы. Системообразующим элементом является шина CAN, к которой подключаются все устройства СПл, имеющие для этого контроллер STM32. НС также является узлом данной сети, имеющей свой адрес в единой системе адресации, определяемой протоколом UniCan. С НС можно прямо обратится к любому устройству сети, в том числе и к ПН. Бортовой компьютер СПл имеет контроллер системы ориентации и стабилизации (СОС) и модуль Raspberry Pi, который имеет интерфейс для подключения видеокамеры. Кроме того, авионика СПл имеет развитую коммутируемую шину электропитания, а также предоставляет возможность загрузки нового управляющего ПО любой бортовой системе, в том числе и контроллеру ПН. Таким образом, СПл компании «Спутник» отвечает концептуальным требованиям к реализации КПН и что и определило ее выбор и приобретение. Таблица 1 Характеристики спутниковой платформы компании «Спутникс» Тип аккумулятора Емкость аккумуляторной батареи, не менее Напряжение бортовой шины питания Максимальный зарядный ток АКБ Емкость аккумуляторной батареи, не менее Пиковая мощность, выделяемая на одном ФЭП на НОО, не менее Служебный радиоканал Тип Частота служебного радиоканала Передаваемая телеметрия Тип модуляции Мощность передатчика, не менее Чувствительность приемника, не хуже Протокол Скорость передачи данных Тип антенной системы Поляризация сигнала Коэффициент усиления антенны Ориентация и стабилизация Алгоритмы ориентации и стабилизации Li-Ion 2S 39 Вт*ч 6.0..8.4В (7.4 В – номинальное) 5А 39 Вт*ч 2 Вт двухсторонний, космос-Земля, Земля-космос 435-438 МГц Цифровой маяк с состоянием систем и ПН, Регулярная и расширенная телеметрия систем по таймеру, Служебная телеметрия по запросу. Данные полезной нагрузки частотная модуляция 30 dBm -113 dBm AX.25, USP (с использованием FEC) 57600, 38400, 19200, 9600 (по умолчанию), 4800, 2400 бит/с Раскладываемая Круговая 3 dBi B-DOT, ориентация на солнце, надирная ориентация, на точку на земле, на точку на небе ДУС, Магнитометр, температуры, солнечные датчики Датчики Точность определения ориентации на освещенном участке орбиты Точность стабилизации на освещенном участке орбиты Точность определения ориентации на теневой стороне Точность стабилизации на теневом участке орбиты Подключение полезной нагрузки Интерфейс бортовой шины до 1° до 1° до 10° до 10° CAN2.0 B Красноярский край, Красноярск, 2022 Прокол бортовой шины Доступное средневитковое энергопотребление полезной нагрузки на орбите МКС, не менее (уточняется для конкретной орбиты) Доступный объем для установки полезной нагрузки, не менее Предустановленные вычислительные ресурсы SPUTNIX UniCAN 2000 мВт при солнечной ориентации 80х70х70 мм Модуль Raspberry CM3+: - процессор до 1.2 ГГц, четыре ядра ARMv8; - флэш-память, не менее 4 Гб; - оперативная память 1 Гб; - интерфейсы: CAN2.0B, USB2.0 HS, Camera, SPI, I2C. Программное обеспечение: - API для шины CAN и бортовых устройств; - примеры программ Остальные характеристики СПл компании «Спутник» представленные в таблице 1, также обеспечивают необходимые требования к функционированию КПН по мощности системы электропитания, точности ориентирования, к скорости радиоканала управления, по доступному объему для установки полезной нагрузки и другим. 2. Работы, выполненные за счет внебюджетных средств: За счет внебюджетных средств выполнены следующие работы: приобретен комплект солнечных панелей AsGa для доукомплектования спутниковой платформы; - спроектирована и изготовлена полезная нагрузка космической миссии ReshUCube для приобретенной платформы; - проведена интеграция полезной нагрузки со спутниковой платформой, проведены комплексные испытания, получен радиопозывной, проведено согласование запуска и получение документации на запуск; - разработаны научно-технические проекты с использованием созданной полезной нагрузки; - созданы команды школьников проекта Space-пи Российского движения школьников для реализации проектов с использованием полезной нагрузки спутника; - проведены космические эксперименты при участии команд школьников; - информационные материалы о ходе проведения мероприятий опубликованы в СМИ. 2.1. Разработка и изготовление полезной нагрузки На рисунке 4 представлена архитектура бортовой авионики ReshUCube, реализующая в привязке к возможностям СПл концепцию конфигурируемой полезной нагрузки. Основой КПН является отдельный изолированный от основной сети сегмент шины CAN. Связь между шиной CAN СПл и шиной CAN КПН осуществляется с помощью контроллера КПН, реализованного на процессоре STM32. Каждый узел сети КПН является отдельным видом ПН. Красноярский край, Красноярск, 2022 Адресация отдельных сегментов шин единая, что создает единообразный способ доступа к отдельными видам ПН, как устройствам СПл. Контроллер КПН через коммутатор электропитания может включать/выключать отдельные виды ПН (сеть электропитания на рисунке 4 не показана). Кроме того, к контроллеру КПН подключена массовая память (Flash), являющаяся хранилищем накапливаемой телеметрии. Камера, являющаяся частью ПН, подключена к модулю Raspberry Pi. Устройство платформы 1 STM32 Устройство платформы 2 STM32 . . . Устройство платформы n STM32 CAN bus Кубсата STM32 Raspberry Контроллер Pi СОС STM32 Система бортового радио Контроллер полезной нагрузки STM32 Коммутатор э/питания Камера Бортовой компьютер CAN bus полезной нагрузки Радиоканал к наземной станции Приемопередающее оборудование Контроллер наземной станции CAN bus Кубсата Наземная станция Массовая Flash-память STM32 STM32 Вид полезной нагрузки 1 Вид полезной нагрузки 2 . . . STM32 Вид полезной нагрузки n Виды полезных нагрузок: -датчики температуры 2-х видов; - трехосные датчики магнитного поля: - акселерометры; - датчики накопленной дозы; - счетчики Гейгера; - радиационно-защитные экраны; - 3 процессорных модуля на отечественных процессорах; - маршрутизатор SpW на отечественной ПЛИС Рисунок 4 – Архитектура наноспутника ReshUCube КПН имеет следующие виды ПН: камера видимого диапазона с разрешением 50м на пиксель с высоты 500 км; датчики температуры 2-х видов; трехосные датчики напряженности магнитного поля; акселерометры; датчики накопленной дозы; счетчики Гейгера; радиационно-защитные экраны; 3 процессорных модуля на отечественных процессорах; маршрутизатор SpW на отечественной ПЛИС. Таким образом, КНП позволяет проводить 3 основные группы космических экспериментов: по дистанционному зондированию Земли в видимом спектре частот; по исследованию условий полета наноспутника (космическая радиация, температура, напряженность магнитного поля и др.); по исследованию работоспособности новой отечественной электронной компонентной базы в условиях космоса. Разработка подобной сложности КПН привела к поиску нестандартных решений по компоновке видов ПН, способов их крепления, а также подключения КПН к стеку PC104 СПл. Внешний вид (взрыв-схема) КПН представлен на рисунке 5. Красноярский край, Красноярск, 2022 Как видно из рисунка 5 КПН состоит из 10 печатных плат, каждая из которых является отдельным видом ПН. Пять плат компонуются вокруг камеры, остальные платы заключены в стандартную спецификацию PC104, причем последняя плата – плата контроллера КПН – подключается с помощью межплатного разъема к СПл. Все проектные конструкторские работы, работы комплектованию изделия необходимыми электронными компонентами, работы по монтажу печатных плат, сборке КПН и ее испытаниям проведены в СибГУ им. М.Ф. Решетнева. При этом было изготовлена два идентичных экземпляра: инженерно-квалификационный и летный образцы. Инженерноквалификационный образец необходим как для проведения испытаний КПН на условия космического полета, так и при эксплуатации наноспутника для отработки полетных заданий космических экспериментов перед их загрузкой на борт наноспутника для выполнения. Рисунок 5 – Разнесенный вид ПН наноспутника ReshUCube Общий вид разработанной ПН (летный образец) представлен на рисунке 6а). Со стороны фронтальной платы виден объектив камеры. а) б) Рисунок 6 – Изготовленные изделия а) полезная нагрузка наноспутника ReshUCube; б) общий вид наноспутника ReshUCube Красноярский край, Красноярск, 2022 В таком виде полезная процедура была передана производителю СПл компании «Спутникс» для последующих работ по интеграции ПН на СПл и проведению комплексных испытаний. Для укомплектования системы электропитания спутниковой платформы приобретены арсенид-галиевые солнечные панели, которые хорошо видны на рисунке 6б), показывающим вид наноспутника после интеграции ПН со СПл. 2.2. Работа со школьниками при подготовке космической миссии Параллельно с работами по проектированию и изготовлению наноспутника ReshUCube проводились работы со школьниками. Работа со школьниками проводилась на следующих образовательных площадках г. Красноярска и г. Железногорска (Красноярского края): КГАОУ Школа Космонавтики (г. Железногорск), АНО ДТ «Красноярский Кванториум» (г. Красноярск), МБОУ ДО «Аэрокосмическая школа» (г. Красноярск), МАОУ СШ №7 с углубленным изучением отдельных предметов (г. Красноярск), МАОУ Лицей 6 «Перспектива», МАОУ Лицей 7. Данные о сформированных школьных командах приведены в Приложении А. В подготовительный период до старта КА были реализованы следующие работы: 1) Стартовые консультации с командами школьников, знакомство с основами ракето- и спутникостроения, разъяснения участникам сущности тех или иных видов экспериментов, их научной и практической значимости, разъяснение той роли, которая отводится школьникам в их осуществление (рисунок 7). а) б) Рисунок 7 – Работа со школьниками в подготовительный период а) команда школьников в Красноярском Кванториуме, б) учащиеся Аэрокосмической школы в учебно-демонстрационном центре ракетно-космической техники СибГУ им. М.Ф. Решетнева 2) Выбор вместе со школьниками окончательного решения о планируемых видах космических экспериментов, разработка планов Красноярский край, Красноярск, 2022 экспериментов и формирование задач, решаемых школьниками в процессе их реализации. 3) Участие команд школьников в создании полезной нагрузки путем информирования о последовательности проведения работ по ее созданию; привлечения к выполнению отдельных проектных, сборочных и верификационных операций; присутствия при проведении основных работ на различных этапах проектирования, изготовления и испытания полезной нагрузки. Для этого школьники посещали лаборатории и производственные площадки СибГУ им. М.Ф. Решетнева (рис. 8). а) б) Рисунок 8 – Посещение школьниками лабораторий СибГУ им. М.Ф. Решетнева а) школьники в лаборатории Малых космических аппаратов, б) школьники в лаборатории ракетостроения 4) Подготовка команд школьников к получению и обработке информации путем изучения операционных действий по приему телеметрической информации, форматов данный от полезной нагрузки, процедур их накопления и обработки. На фотографии рисунка 9 показаны проведения практических занятий с участниками разных школьных команд по основам управления наноспутником, получения и обработки телеметрии в ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева. а) б) Рисунок 9 – Практические занятия в ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева а) учащиеся СШ №7, б) учащиеся Школы космонавтики Красноярский край, Красноярск, 2022 5) Информирование школьников об основных операциях интегрирования, разработанной полезной нагрузки на спутниковую платформу ReshUCube, проведения комплексных испытаний. Для придания увлекательности и соревновательности в апреле 2022г. был проведен хакатон среди школьных команд, по формированию задач космической миссии для проведения космических экспериментов, приуроченный к Дню космонавтики (рисунок 10). а) б) Рисунок 10 – Хакатон среди школьников по формированию экспериментов космической миссии, апрель 2022 а) работа проектных команд, б) награждение отличившихся команд Школьным командам исходя из особенностей создаваемого наноспутника ReshUCube и установленным на нем видов ПН, с учетом уже ранее проводившихся занятий и экскурсий, было предложено сформировать облик нового космического эксперимента, определить его задачи, научную значимость, требования к проведению и обработке получаемых данных. В результате коллективной работы команд, ребята создавали презентации и защищали их. Проекты были посвящены исследованию магнитного поля Земли, условиям эксплуатации наноспутника в космическом пространстве, исследованию параметров орбитального движения наноспутника, исследованию земных поверхностей с помощью камеры дистанционного зондирования Земли и ряд других. Результаты школьных команд оценивала комиссия, состоящая из преподавателей СибГУ им. М.Ф.Решетнева. На мероприятии присутствовали сотрудники БГТУ Военмех им. Д.Ф.Устинова, также включенные в состав комиссии. По результатам данного мероприятия определялись лучшие команды, проводилось торжественное награждение отличившихся школьников На запуск наноспутника ReshUCube университет направил одного из активных участников сформированных школьных команд одиннадцатиклассника школы №152 г. Красноярска и, одновременно, по дополнительному образованию учащегося Аэрокосмической школы Петра Наймушина (рисунок 11). Красноярский край, Красноярск, 2022 Рисунок 11 – П. Наймушин на Байконуре, 09.08.2022 После незабываемой поездки на Байканур П. Наймушин поделился с товарищами впечатлениями от старта ракеты Союз 2.1б, доставившей наноспутник ReshUCube на орбиту. 2.3. Запуск наноспутника, взятие наноспутника на управление Заключительные операции перед стартом, такие как интеграция ПН с СПл и комплексные испытания наноспутника, были проведены на площадке изготовителя СПл компании «Спутникс». Также во взаимодействии с компанией «Спутникс» был получен международный радиопозывной RS8S. Разрешительные документы на запуск были подготовлены во взаимодействии с изготовителем транспортно-пускового контейнера ООО «Аэроспейс Капитал». Параллельно проводились работы по подготовке НС Центра управления полетами (ЦУП) СибГУ им. М.Ф. Решетнева к управлению космической миссии ReshUCube. Для этого проведена ревизия приемо/передающего оборудования НС на совместимость с бортовым радиооборудованием наноспутника; проверялось кабельное хозяйство; написан управляющий FlowGraf для передачи команд управления через аппаратуру SDR; изучались возможности программы управления СПл Huston; отрабатывался прием радио-Маяка от наноспутников ООО «Спутникс», находящихся на орбите; проводились отработочные радио приемо-передачи с резервным постом управления. Наноспутник ReshuCube был запущен 09.08.2022 попутным грузом при запуске КА «Хайям» (Иран) в числе 16 отечественных наноспутников класса CubeSat ракетой Союз 2.1б. В течение первых суток полета был принят радио-Маяк (рисунок 12), подтвердивший нормальное состояния Красноярский край, Красноярск, 2022 СПл наноспутника. После этого прием телеметрии радио-Маяка стал вестись на регулярной основе. Далее в течении 3-х недель наноспутник находился на техническом обслуживании изготовителя СПл компании «Спутникс». После предоставления отчета от ООО «Спутникс» о нормальном функционировании бортовых систем ReshUCube в середине сентября 2022г. был принят на самостоятельную полную эксплуатацию СибГУ им. М.Ф. Решетнева. К этому моменту ReshUCube был зарегистрирован в Реестре РФ под номером 3611-2022-012. NORAD ID 53381. Позывной RS8S получен еще на этапе подготовки к запуску. Рисунок 12 – Один из первых сеансов приема радио-Маяка, 10.08.2022. Посещение ЦУП ректором Э.Ш. Акбулатовым Эксплуатация наноспутника организована следующим образом. Основной НС является площадка СибГУ им. М.Ф. Решетнева. Она состоит из 2-х антенных постов. Основное управление ведется с 1-го антенного поста, в случае необходимости возможно быстрое переключение на 2-ой антенный пост. С целью повышение непрерывности управления заключено соглашение с Малой академией наук Республики Саха (г. Якутск) об удаленном использовании радио приемо-передающего оборудования их НС. Проведена настройка радиооборудования в Якутске, передано необходимое ПО. В настоящее время управление наноспутником через НС г. Якутска ведется на регулярной основе, что позволило увеличить общее количество сеансов обмена до 8-12 в сутки. Организован удаленный доступ операторов ЦУП к радиооборудованию НС как в Красноярске, так и в Якутске, что позволило проводить сеансы с рабочих мест, не расположенных непосредственно в ЦУП. Это обеспечило проведение сеансов в раннее утреннее, поздно вечернее и ночное время, как уже указывалось, до 8-12 раз в сутки. Операторами ЦУП являются студенты СибГУ им. М.Ф. Решетнева. Красноярский край, Красноярск, 2022 Для слаженной работы создается 2-х недельное расписание рабочих смен операторов (рисунок 13) в котором указывается время сеанса, длительность, дислокация НС, задание на сеанс. По окончании сеанса в этот же файл заносится результат сеанса, оператор, используемое оборудование, замечания при работе и имя лог-файла с результатами. Таким образом, созданы условия, чтобы каждый пролет наноспутника над Красноярском и Якутском был результативным с точки зрения его управления. Рисунок 13 – Фрагмент журнала операторской работы за 14-15 ноября 2022. Работа через Якутск не велась, ввиду поломки оборудования. Работа через Якутск была восстановлена 22.11.2022. Операторами в настоящее время проводятся рутинные, уже ранее отработанные полетных процедуры: прием радио-Маяка (начало каждого сеанса), эксперименты по получению температуры внутри наноспутника (очередь команд TEMP_EXP_1_temperature_main.que) и получения данных о напряженности магнитного поля (MAG_EXP_2.que). Параллельно отделом эксплуатации отрабатываются полетные задания для выполнения новых космических экспериментов, для чего в расписании рабочих смен предусматриваются необходимые сеансы обмена (загрузка фотографий, пробная загрузка ПО на ПН и др.). После отработки новых экспериментов, соответствующие полетные задания перейдут в разряд рутинных и будут проводится операторами рабочих смен на штатной регулярной основе. 2.4. Проведение космических экспериментов Эксплуатация наноспутника ReshUCube в настоящее время построена на стратегии полного освоения возможностей СПл с постепенным переходом проверку функционирования ПН и последующим более широким проведением космических экспериментов на оборудовании ПН. Несмотря на то, что освоение СПл еще полностью не осуществлено (ввиду его сложности, ошибок документирования и т.д.), в частности, не решена задача ориентации наноспутника для проведения сьемки заданного района земной поверхности, к настоящему времени отработаны и проводятся на регулярной основе (или в состоянии перехода на регулярную основу) ряд Красноярский край, Красноярск, 2022 космических экспериментов и сопутствующих им работ по их визуализации и обработке. Измерения напряженности магнитного поля Земли для исследования Восточно-Сибирской магнитной аномалии Измерение напряженности магнитного поля Земли обеспечивается диалогом обмена с наноспутникомMAG_EXP_2.que представленным в таблице 2. Таблица 2 Очередь команд и ожидаемых ответов для процедуры получения показателей напряженности магнитного поля Земли Out In Out In Out In Out In Out In Out Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Out In Получатель 0x2 0x1 0x4 0x1 0x4 0x1 0x4 0x1 0x2 0x1 0x4 0x4 0x1 0x19 0x1 0x19 0x1 0x19 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 Отправитель 0x1 0x2 0x1 0x4 0x1 0x4 0x1 0x4 0x1 0x2 0x1 0x1 0x4 0x1 0x9 0x1 0x9 0x1 0x9 0x1 0x19 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 0x1 0x9 0x1 0x5 ID msg 0x4215 0x4216 0x71 0xDE24 0x75 0xDE24 0x77 0xDE24 0x4214 0x4223 0x2A 0x2B 0xDE22 0xA40 0xB10 0xA40 0xB10 0xA40 0xB10 0xA41 0x90 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB11 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 0xA40 0xB10 0xF0FD 0xF210 Пакет set_request_Beacon ~beacon tc_temporary_enable_PCH1 ~Acknowledge tc_temporary_enable_AuxCH1 ~Acknowledge tc_temporary_enable_AuxCH3 ~Acknowledge set_request_TelemetryUHF ~TelemetryUHF regular_telemetry_request extended_telemetry_request ~extended_telemetry request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_telemetry_extended ~carrier_extended request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_y request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon request_telemetry_regular ~ratesens_regular_x request_adcs_beacon ~tm_adcs_beacon Красноярский край, Красноярск, 2022 Задержка +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 +0 Результаты измерений записываются в соответствующие лог-файлы, помеченные датой и временем приема. Данные из лога импортируются в базу данных (БД), в которой можно провести обработку накапливаемых данных. Перенесение данных из лог-файла в БД является общей для любого эксперимента. В настоящее время измерения напряженности проводится на регулярной основе в зоне радиовидимости НС-й в Красноярске и Якутске. Как известно, в районе Якутска находится континентальная ВосточноСибирская магнитная аномалия, что и подтвердили полученные данные, представленные на рисунке 14. Рисунок 14 – Напряженность магнитного поля в районе Восточно-Сибирская магнитная аномалия за 16-18 октября 2022. На рисунке 14 хорошо виден подъем напряженности магнитного поля до 52000 нТл в географических координатах Восточно-Сибирской магнитной аномалии. Увеличенный фон магнитного поля свидетельствует о более высокой защите от радиации КА, проходящего данный район. В этой связи более интересной является исследование Бразильской магнитной аномалии, где наблюдается наоборот пониженная напряженность магнитного поля и действие космической радиации более значимо. В дальнейшем, когда будут окончательно отлажены процедуры проведения экспериментов вне зоны радиовидимости НС Красноярска и Якутска, исследованию Бразильской магнитной аномалии будет отведено особое внимание, причем в комплексе с измерениями уровня радиации и количества отказов бортовой электроники. Измерения температуры для исследования распределения тепла в объеме наноспутника. Температура является первейшим параметром, характеризующим нормальную работу бортового оборудования. Источниками тепла можно разделить на внешние и внутренние. Внешним источником является Солнце, а также альбедо от Луны и Земли. Внутренними источниками являются тепловая рассеиваемая мощность при работе бортовой электронной Красноярский край, Красноярск, 2022 аппаратуры: чем в более нагруженном режиме работает аппаратура, тем более существенным является ее нагрев. Можно проводить множество исследований распределения тепла в объеме наноспутника, например, взаимосвязь тока потребления бортового радио приемопередатчика с его температурой. На графике рисунка 15 оранжевой линией показан ток потребления бортового передатчика, синей линией показана температура передатчика за определенную дату/время. Рисунок 15 – Взаимосвязь температуры и тока потребления бортового радио Можно заметить, что на участке графика 28.11.2022 в диапазоне времени примерно с 3:12 по 19:40, когда приемопередатчик работал на полную мощность (оранжевые пики – это моменты передачи/приема данных спутником, соответственно энергопотребление в этот момент максимально), температура приемопередатчика возрастала по мере увеличения тока. Подобные исследования проводятся на регулярной основе и с другими видами бортового оборудования, например, с модулем Raspberry Pi, известным своим высоким энергопотреблением. В дальнейшем с помощью направленных на грани КубСата температурных датчиков ПН будут исследованы взаимный градиент температур нагретой и охлажденной грани изнутри наноспутника во взаимосвязи с температурой солнечных датчиков, установленных на внешних сторонах, в процессе орбитального движения наноспутника. Отслеживание параметров движения наноспутника для исследования плотности атмосферы и скорости схождения аппарата с орбиты Космический аппарат, находящийся на низкой околоземной орбите достаточно быстро начнет снижаться и впоследствии сгорит в атмосфере Земли. Прогноз снижения и предсказание времени существования КА на орбите является важной практической задачей. По параметрам TLE построен график снижения высоты наноспутника ReshUCube за первые 90 дней нахождения наноспутника на орбите (рисунок Красноярский край, Красноярск, 2022 16). Видно, что высота орбиты за 3 месяца снизилась приблизительно на более чем на 10 км, что можно оценить, как немалую величину. Рисунок 16 – График снижения высоты орбиты ReshUCube В среде моделирования движения КА на орбите GMAT проведен прогноз скорости снижения наноспутника ReshUCube (рисунок 17) в свободно ориентированном состоянии и ориентированном вдоль направления его движения. Рисунок 17 – График прогноза высоты аппарата, полученного GMAT (красным – для свободно ориентированного аппарата, зеленым – для аппарата, ориентированного вдоль направления его движения) Прогноз показал, что в свободно ориентированном состоянии наноспутник может не допустимо снизится и прекратить существование за 22 месяца. При ориентации вдоль направления вектора движения, в связи со снижением аэродинамического сопротивления, он сможет проработать на орбите существенно больше, поэтому наноспутник, по возможности, как можно дольше должен находится в состоянии данной ориентации. Проведение сьемки земной поверхности ПН ReshUCube оснащена цветной камерой видимого диапазона частот, дающей разрешение с высоты 500 км 50м на пиксель. К настоящему времени отлажена процедура сьемки и скачивания фотоснимка за несколько сеансов связи на НС по УКВ-радиоканалу. На рисунке 18а) показан первый самостоятельно полученный снимок земной поверхности, а на рисунке 18б) Красноярский край, Красноярск, 2022 первый снимок окрестностей Красноярска (к сожалению, все в облаках и в морозном тумане). С этого момента времени снимки и их скачивание на НС СибГУ им. М.Ф. Решетнева проводятся на регулярной основе не менее 1 раза в неделю. В дальнейшем для повышения результативности съемок планируется решить следующие вопросы: проведение отложенного во времени фотографирования заданного района Земли с учетом прогноза погоды, точное наведения платформы на конкретную точку съемки, повышение скорости скачивания снимков. а) б) Рисунок 18 – Снимки наноспуника ReshUCube а) Снимок района г. Мирный, Казахстан, 24.11.2022, б) снимок окрестностей Красноярска, 30.11.2022 После этого будут проводится регулярные снимки заданных регионов по заказу школьных команд с целью изучения условий ведения сельского и лесного хозяйства, морского и речного судоходства и т.д., в интересах первую очередь, конечно, Красноярского края. Влияние солнечной активности и радиационного фона на работу спутниковой платформы Выскажем гипотезу: резкое повышение количества перезагрузок аппарата обусловлены возмущением магнитного поля Земли, следствием чего является увеличение/уменьшение потоков космической радиации, в том числе, на орбите спутника. Красноярский край, Красноярск, 2022 Рисунок 19 – График количества сбоев с течением времени. На графике по оси Y – количество перезагрузок, X- Дата/время Проведем оценку данной гипотезы на примере системы электропитания. График количества сбоев оборудования СЭП (power system, PS) с течением времени представлен на рисунке 19. Для определения связи между перезагрузкой аппарата и возмущением магнитного поля Земли, вызванного солнечными вспышками, для начала нужно определить дату, когда количество перезагрузок спутника резко увеличивалось. Для этого нужно взять производную по графику рисунка 19. Рисунок 20 – График производной по количеству перегрузок На рисунке 20 хорошо видно 5 пиков. Теперь можно сравнить пики на рисунке 20, и график Kp – планетарный индекс (рисунок 21), характеризующий глобальную возмущенность магнитного поля Земли (за сентябрь 2022). Красноярский край, Красноярск, 2022 Рисунок 21 – График Kp – планетарный индекс, характеризующий глобальную возмущенность магнитного поля Земли (за сентябрь 2022) Как видно, графики на рисунке 20 и 21 совпадают по пикам (за сентябрь 2022). Аналогичную картину можно наблюдать и за октябрь и ноябрь. Значит можно сказать, что глобальное возмущение магнитного поля влияет на резкое увеличение перезагрузок спутника. Кроме того, ведутся работы по созданию информационной образовательной платформы по использованию результатов космической миссии ReshUCube, по созданию мобильного приложения к образовательной платформе, по проведению полетных процедур по времени вне зоны радиовидимости с НС, по ориентированию наноспутика на заданную точку земной поверхности, по загрузке контроллеру ПН нового управляющего ПО и др. В дальнейшем список проводимых работ и космических экспериментов будет значительно увеличен в соответствии с концепцией конфигурируемой ПН, состава и возможностей установленных видов ПН, таким образом, чтобы весь срок нахождения наноспутника на орбите (3-5 лет) был максимально использован, в том числе в интересах школьного космического образования. 2.5. Работа экспериментов со школьниками при проведении космических С момента запуска наноспутника ReshUCube работа со школьниками была сосредоточена по следующим направлениям: - информирование школьников о состоянии наноспутника, о работоспособности его бортовых систем, о реализуемых экспериментах, освоенных к настоящему времени и планах на будущее. Для этого с момента запуска наноспутника стал работать информационный сайт https://reshucube.ru (рисунок 22); Красноярский край, Красноярск, 2022 Рисунок 23 – Сайт проекта https://reshucube.ru - изучение работы оборудования НС ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева, освоению приемов работы по проведению сеансов связи с наноспутником и накоплению первичных данных; - обработка получаемых данных космических экспериментов, оценка получаемых результатов. В соответствии с данными направлениям проводились соответствующие учебные мероприятия: практические занятия, экскурсии в ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева и в лабораторию МКА. Финализирующим начальный этап эксплуатации наноспутника стал хакатон школьных команд (рисунок 23), посвященный обработке данных космических экспериментов, освоенных к настоящему времени, представленных в разделе 1.6. Хакатон был приурочен к конференции «Решетневские чтения» памяти академика М.Ф. Решетнева, основателя АО ИСС, был проведен в ноябре 2022г. Хакатон проводился в непосредственной близости от НС СибГУ им. М.Ф. Решетнева, так что перед его началом школьники присутствовали при сеансе обмена с наноспутником, могли видеть работу приемопередающего оборудования, движение антенны, информационные экраны управляющего программного обеспечения. По всем проводимым действия школьникам были даны соответствующие разъяснения, в том числе и по накоплению БД проводимых экспериментов. Красноярский край, Красноярск, 2022 а) б) Рисунок 23 – Работа со школьниками в период проведения экспериментов с наноспутниками а) школьники присутствуют на сеансе связи с наноспутником, б) работа команд на хакатоне, ноябрь 2022г. Для выполнения проектов по обработке ранее накопленных данных школьникам был дан частичный доступ к БД, где они могли сделать выборку актуальных для их проекта данных и далее провести их обработку с помощью предоставленных программных средств. Работу школьников координировали тьюторы. Результаты работы школьных команд были представлены как презентации, включающих разделы постановки и актуальности космического эксперимента, процедуры обработки, анализа полученных данных, оценку результатов обработки. Презентации школьников оценивала комиссия, состоящая из преподавателей СибГУ им. М.Ф. Решетнева, председатель комиссии профессор Кольга В.В. В результате были определены лучшие команды, все участвовавшие в хакатоне школьники получили соответствующие занятым местам сертификаты и призы. Списки школьников представлены в Приложении А. Работа со школьниками по программе ReshUCube будет продолжена, дополнена новыми космическими экспериментами, количество которых будет существенно увеличено, способами обработки данных и будет проводится весь срок активной работы наноспутника на орбите. Публикации в СМИ информационных материалов о ходе проведения мероприятия, представлены в Приложении Б. Красноярский край, Красноярск, 2022 РАЗДЕЛ 2. ИНФОРМАЦИЯ О ДОСТИЖЕНИИ ЗНАЧЕНИЙ ОЖИДАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОТ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА Информация о достижении ожидаемых результатов от реализации проекта представлены в таблице 3. Таблица 2 Сведения о достижении ожидаемых результатов от реализации проекта Показатель Ожидаемое значение 1 Достигнутое значение 1 5 5 Команды школьников проекта Space-пи, реализующих проекты с использованием полезной нагрузки спутника 8 8 Публикации в СМИ информационных материалов о ходе проведения мероприятия 22 81 Cпутниковая платформа CubeSat 3U, состоящая из систем отечественной разработки Проекты с использованием полезной нагрузки, спроектированной и изготовленной для спутника CubeSat 3U Примечания Спутниковая платформа CubeSat 3U приобретена у ООО «Спутникс» Были разработаны и реализуются следующие проекты: - измерения напряженности магнитного поля Земли для исследования ВосточноСибирской магнитной аномалии; - Измерения температуры для исследования распределения тепла в объеме наноспутника; - Отслеживание параметров движения наноспутника для исследования плотности атмосферы и скорости схождения аппарата с орбиты; - Проведение сьемки земной поверхности; - Влияние солнечной активности и радиационного фона на работу спутниковой платформы Школьные команды были созданы из учащихся следующих образовательных учреждений: КГАОУ Школа Космонавтики (г. Железногорск), АНО ДТ «Красноярский Кванториум» (г. Красноярск), МБОУ ДО «Аэрокосмическая школа» (г. Красноярск), МАОУ СШ №7 (г. Красноярск). Информация о школьных командах представлена в Приложении А Информация о публикациях в СМИ, включая публикации в научнотехнических изданиях (из них 2 работы вместе со школьниками), представлена в Приложении Б Красноярский край, Красноярск, 2022 РАЗДЕЛ 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения проекта дан старт космической миссии ReshUCube. Проведены проектные работы, выбрана спутниковая платформа, разработана и изготовлена полезная нагрузка, проведены испытания и наноспутник запущен на орбиту. В подготовительный период к старту проведены обучающие мероприятия с командами школьников, вместе со школьниками уточнены цели миссии и намечены первоочередные космические эксперименты. ReshUCube принят на управление наземной станцией ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева, регулярно проводятся сеансы связи. Проведена отработка первоочередных космических экспериментов, команды школьников ознакомлены с процедурами приема, накопления и обработки данных, которыми команды школьников смогут использовать на регулярной основе. Данные космических экспериментов за первые месяцы работы наноспутника уже доступны школьным командам. Информационные материалы о ходе проекта широко представлены в средствах массовой информации и научно-технических изданиях. В дальнейшем будут отработаны и будут осуществлять на регулярной основе и другие космические эксперименты, а команды школьников попрежнему будут иметь возможность участвовать в постановке экспериментов, получать данные, осуществлять их обработку, делать свои сопоставления, оценки и выводы. Эта деятельность будет продолжаться весь срок активного существования наноспутника на орбите, так что миссия ReshUCube продолжается. Красноярский край, Красноярск, 2022 Реквизиты ГРАНТОПОЛУЧАТЕЛЬ: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА" (СИБИРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ, СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, ФГБОУ ВО "СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА", СИБГУ ИМ. М.Ф. РЕШЕТНЕВА) ИНН/КПП:2462003320/246201001 Юридический адрес: 660037, Красноярский край, г. Красноярск, им.газеты "Красноярский рабочий" пр-кт, д.31 Фактический адрес: 660037, Красноярский край, г. Красноярск, им.газеты "Красноярский рабочий" пр-кт, д.31 Тел: +7(391)264-00-14 (раб.) Банковские реквизиты: Расчетный счет: 40102810245370000011 в банке ОТДЕЛЕНИЕ КРАСНОЯРСК (КРАСНОЯРСК), БИК 040407001, к/с Ректор Акбулатов Э. Ш. Красноярский край, Красноярск, 2022
