3. C&DH (командный модуль с функцией управления данными)
При разработке спутников необходимо выбрать такую его архитектуру, которая соответствует предполагаемым задачам с высокой степенью надёжности и обладает достаточной отказоустойчивостью. Разработчиками «Свободы-2» была выбрана архитектура с использованием общей шины с распределенной обработкой данных, при которой C&DH (командный модуль с функцией управления данными) выполнял функции управляющего элемента (мастера) бортовой сети.
C&DH координирует исполнение модулями функций, необходимых для реализации текущей операции. Полный список всех предусмотренных операций представлен ниже:
Управление рабочими режимами и состояниями спутника
Управление рабочими режимами и состояниями каждой подсистемы
Получение информации о статусе каждой подсистемы
Обработка команд, полученных от наземной станции
Обработка пакетов данных для отправки собранной информации и телеметрии
Обеспечение отказоустойчивости
Рабочие режимы
При разработке спутника крайне важно определить рабочие режимы как для спутника в целом, так и для всех его подсистем. Главной целью является определение специфики работы при выполнении штатно поставленных задач при всех возможных обстоятельствах — и, исходя из этого, стандартизация основных ситуаций, в которых может оказаться космический аппарат.
После определения рабочих режимов для аппарата в целом, определяются условия, выполняемые действия и рабочие режимы для каждого отдельного модуля. На рисунке № показаны предварительные рабочие режимы для спутника «Свобода-2».
Определены шесть рабочих состояний, для каждого из которых расписаны условия и выполняемые операции, в зависимости от множества факторов, непосредственно связанных с общей задачей полёта и состояния каждой подсистемы аппарата. Также расписана роль каждой подсистемы в конкретной ситуации.
Режим загрузки.
Это начальный рабочий режим орбитального полёта, запускаемый сразу после отделения спутника от разгонного блока на целевой орбите. Модуль C&DH запускает загрузочную последовательность; определяет состояние каждой подсистемы и ожидает, пока спутник достигнет необходимого уровня стабилизации. На этом этапе подсистемы выполняют следующие задачи:
C&DH: инициализация загрузочной последовательности
Система ориентации и контроля: стабилизация спутника
Электропитание: Подача напряжения на шины; зарядка аккумуляторов (при необходимости)
Система связи: установка антенн в рабочее положение
Температурный контроль: поддержание температуры в рабочем диапазоне
Режим ожидания.
В этом режиме не предусмотрено выполнение каких либо действий, аппарат находится на орбите Земли в режиме минимального энергопотребления.
C&DH: сбор данных
Система ориентации и контроля: ориентация камеры на теневую сторону спутника
Электропитание: минимальное электропотребление; зарядка аккумуляторов
Система связи: передача позывных
Температурный контроль: поддержание температуры в рабочем диапазоне
Оптическая система: отключение камеры
Режим съёмки.
В этом режиме главной задачей является получение фотоснимка; камера наводится на заранее выбранный участок земной поверхности, согласно заранее загруженным командам.
C&DH: инициализация последовательности фотосъёмки
Система ориентации и контроля: наведение камеры на цель
Электропитание: обеспечение электропотребления; зарядка аккумуляторов (при необходимости)
Система связи: передача позывных
Температурный контроль: поддержание температуры в рабочем диапазоне
Оптическая система: включение камеры; режим съёмки
Режим связи на частотах UFH/VHF (136-174 Мгц / 400-512 Мгц)
Этот режим предназначен для связи между наземной станцией и спутником. Основной задачей является передача телеметрии и получение управляющих команд с Земли.
C&DH: инициализация последовательности телеметрического контроля
Система ориентации и контроля: ориентация камеры на теневую сторону спутника; ориентация антенн к Земле
Электропитание: обеспечение электропотребления
Система связи: передача позывных, загрузка команд
Температурный контроль: поддержание температуры в рабочем диапазоне
Оптическая система: отключение камеры
Режим связи на сантиметровых частотах
Этот режим предназначен для передачи полученных и сохранённых фотоснимков.
C&DH: инициализация последовательности телеметрического контроля; инициализация последовательности передачи снимков
Система ориентации и контроля: ориентация камеры на теневую сторону спутника; ориентация антенн к Земле
Электропитание: обеспечение электропотребления
Система связи: передача позывных, работа передатчика сантиметрового диапазона
Температурный контроль: поддержание температуры в рабочем диапазоне
Оптическая система: отключение камеры
Аварийный режим
Условный «рабочий режим», ситуация, в которой обслуживающий персонал должен делать выводы об аварийной ситуации в отношении каждой подсистемы и определять необходимые действия.
4. Модуль связи сантиметрового диапазона
Ключевой задачей данной подсистемы является отправка полученных спутником снимков земной поверхности на наземную станцию, расположенную в колумбийской столице, Боготе. Для отправки снимков, модуль связи сантиметрового диапазона использует следующее оборудование:
Радиопередатчик (на спутнике)
Микрополосковая антенна (на спутнике, работает в режиме передачи)
Параболическая антенна (на наземной станции, работает в режиме приёма)
Радиоприёмник (на наземной станции, работает в режиме приёма)
Некоторые находящиеся в открытом доступе изображения и характеристики используемого оборудования приведены ниже:
Высокоинтегрированная радиостанция HiSPiCO сантиметрового диапазона для мелких спутников типа PICO и NANO
Характеристики по данным производителя
Модуляция - D-QPSK
Частоты - 2.2-2.3 ГГц
Скорость передачи данных - 1.06 Мбит/с
Ширина канала - 1.5 МГц
Усиление сигнала - +27 дБм
Цена - 6500€
Микрополосковая антенна (на спутнике): Некоторые элементы коммуникационной подсистемы, такие как радиопередатчик и приёмная антенна приобретаются у иностранных компаний, таких как HISPICO и ISIS. Но микрополосковая печатная антенна была разработана и создана университетской исследовательской группой. Итоговый внешний вид и характеристики представлены на рисунке и в таблице.
Размерные характеристики антенны (мм)
Ширина печатного наложения - 48.75
Длина печатного наложения - 39.35
Ширина антенны - 97.5
Длина антенны - 78.7
Толщина антенны - 1.82
Антенна построена на основе материала ROGERS 6002 в системе моделирования СВЧ трёхмерных структур CST Microwave Studio (см. рисунок). Ширина достигнутого канала составила 132 МГц.
Параболическая антенна (на наземной станции) изготовлена ISIS (Innovative Solutions in Space) и имеет следующие характеристики:
Диаметр - 3 м
Коэффициент усиления - 35.4dBi
Частота - 2.2-2.5GHz
Цена - 31000€
Приёмник наземной станции HiSPiCO имеет следующие характеристики:
Демодуляция - QPSK
Частота - 2.2-2.3 ГГц
Скорость передачи данных - 1.06 Mbit/s
Интерфейс - TNC, «мама» 50 Ом
Цена - 7800€
Радиоприёмник HiSPiCO сантиметрового диапазона.
Источники:
1. C. M. HERNÁNDEZ CALDERÓN , Planteamiento de un Modelo para el Diseño del Software de Command And Data Handling Para el CubeSat Libertad 2, Bogota, 2013.
2. AZUR SPACE, 30% Triple Junction GaAs Solar Cell, 2010.
3. A. Farhat, J. Ivase, Y. Lu y A. Snapp, Attitude Determination and Control System for CubeSat, 2013.
4. S. Karki, CubeCat-1Communications System of a Nano-satellite, 2013.
5. Wireless, IQ, Highly Integrated S Band Transmitter for Pico and Nano Satellites, 2011.
6. Материалы 2й Международной конференции по передовой механике, дизайну и производственным технологиям, 2014
По состоянию на конец 2014 года разработчиками полностью завершены проектирование и разработка командного модуля, бортового компьютера, модуля электропитания. Ведётся разработка модуля связи.
