Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 15 от 17 апреля 2007 года

Большой интерес уделяется использованию малых спутников для наблюдения Земли из космоса, несмотря на пресловутое отношение l к d. Можно смело сказать, что каждая страна, входящая в «клуб космических держав», старается свой первый спутник снабдить камерой для съемки поверхности Земли. Помимо ежегодных Конгрессов Международной федерации астронавтики каждые два года в апреле месяце, в Берлине, начиная с 1996 года, на Симпозиум «Малые спутники для наблюдения Земли из космоса» собираются фанаты этого их применения. SSTL много сделала для распространения такого опыта и даже пошла дальше. Среди большого количества проектов, в том числе и реализованных, отмечу лишь два, с моей точки зрения, нетривиальных в идее и в исполнении. Это Flying Laptop, разрабатываемый в Институте космических систем Университета Штутгарта и в PRISM Лаборатории интеллектуальных систем Университета Токио.

Первый микроспутник массой около 100 кг несет три камеры наблюдения и прецизионную систему ориентации, содержащую, пожалуй, весь мыслимый набор датчиков и исполнительных органов, для обеспечения точности ориентации в 150 угловых секунд. Особенностью спутника является наличие программируемой вентильной матрицы с большими собственными вычислительными возможностями, которая может быть запрограммирована самим пользователем (в условиях космического полета с наземной станции). Скорость передачи данных на Землю — 100 Мбит/с. Спутник разрабатывается в кооперации с ведущими германскими организациями (например, Фраунгоферовский институт компьютерной архитектуры и технологии программ). Этот микроспутник вряд ли можно отнести к числу дешевых, «университетских».

Второй спутник относится к классу наноспутников, имея массу менее 5 кг и размеры 15х15х20 см. Спутник создан на базе идеологии CubSat, прошедшей испытания на предыдущем выведенном на орбиту пикоспутнике CubeSat XI массой около 1 кг. Особенностью спутника является использование гравитационной штанги для создания управляющего момента и формирования длиннофокусного объектива. При этом штанга сплетена из упругих тонких пластиковых стержней, подобно корзине из ивовых прутьев. В сложенном состоянии она похожа на плоское птичье гнездо, а в развернутом — представляет собой жесткий «скелет» трубы длиной около 60 см, на конце которой закреплен объектив камеры. Ожидаемое разрешение составляет 10—15 метров на пиксель. Система ориентации включает в себя три маховика и три токовых катушки с солнечным, магнитным и гироскопическим датчиками ориентации.

КОМПАС

Для создания управляющего момента используется взаимодействие собственного (постоянного или управляемого) магнитного поля спутника с геомагнитным полем. Такие системы ориентации весьма просты по устройству, но требуют аккуратного расчета алгоритмов управления и динамики спутника. Широко применяются для малых аппаратов.

Из отечественных проектов микроспутников для наблюдения Земли хочется обратить внимание читателя на недавно анонсированный проект спутника «Прозрачный Мир», разрабатываемый НПО «Полет» при финансовой поддержке ИТЦ «СканЭкс». Предполагается, что микроспутник будет распространять изображения в непрерывном режиме передачи в реальном масштабе времени с пространственным разрешением 50 м в полосе шириной 400 км в четырех спектральных каналах (голубой, зеленый, красный и ближний ИК). Служебные подсистемы предполагается создать на базе столь новейших технических разработок, что любопытно их здесь процитировать. «Для трехосной ориентации изготовлены гиромаховики управления с максимальной частотой вращения более 90 000 об./мин. и массой 35 г каждый. В их конструкции использованы принципы плавающей подвески роторов, самые современные швейцарские и российские технологии, цифровое управление обмотками электромоторов и интеллектуальный контроль управляющего и кинетического момента. В подсистеме ориентации в качестве датчиков использованы высокоточный магнитометр массой 60 г и мощностью 0,1 Вт, электромагниты массой по 50 г, высокоточные солнечные датчики по 125 г. Все датчики интегрированы в микропроцессорную структуру, состоящую из четырех малопотребляющих микроконтроллеров DSP. Навигацию в космосе обеспечивает бортовой GPS-приемник массой 150 г вместе с антенной. Для коррекции параметров орбиты предназначена двигательная установка тягой 0.003 Н при удельном импульсе более 100 с и массой 100 г. Для передачи на Землю видеоизображений от оптической камеры разработаны передатчики со скоростью 32 Мбит/с при энергопотреблении 40 Вт и массе 1,6 кг. Информационный поток данных ДЗЗ с использованием этого передатчика достигает 60 Гбайт в сутки».

Отметим, что практически отсутствуют в классе микроспутников радиовещательные и телевизионные спутники. Это легко объясняется «законами сохранения» типа «отношения l к d», так как для работы вещательного передатчика нужна электроэнергия, запас которой определяется площадью солнечных батарей, а тогда … это уже будет не малый спутник. Для транспортировки электронных сообщений в режиме почтового ящика или персональной связи, не потребляющих много электроэнергии, малые спутники использовались с 60-х годов, вначале в интересах силовых ведомств под названием «Стрела-1» и «Стрела-2», а затем в конверсированном виде под название «Гонец-Д». Масса аппарата составляет около 300 кг, скорость передачи данных 1,2—64 кбит/с, пропускная способность системы — 1000 Мбит/сутки. Зарубежные системы связи включают в себя микроспутники Orbcomm (масса от 22 до 28 кг), малые спутники Globalstar (масса 220 кг). Каждая из систем содержит в своем составе несколько десятков спутников, летающих на орбитах с разными аргументами восходящего узла, что приводит к более или менее равномерному покрытию земной поверхности их траекториями. Эти спутники скорее можно назвать связными, коммуникационными, но не радиовещательными.

Трудно дать в журнальной статье обзор малогабаритных спутников, число которых сегодня составляет несколько сотен. Хочу лишь привести несколько примеров микро— и наноспутников, которые определенно явились «законодателями мод» в области создания таких аппаратов:

• микроспутники UoSat, созданные в Университете графства Суррей и позже SSTL, с гравитационной штангой и токовыми катушками для обеспечения ориентации заданной оси спутника на Землю (эта система ориентации надолго стала объектом подражания для многих начинающих разработчиков микроспутников во всем мире);

• наноспутники TUBSat — результат работы группы молодежи под руководством профессора Удо Рейнера в Техническом университете Берлина — одни из первых стали снабжаться миниатюрными двигателями-маховиками, обеспечивающими прецизионное управление угловым движением;

• радиолюбительские спутники PACSAT положили начало широкому использованию магнитных систем ориентации.

В целом малые спутники привнесли много нового в технологию и, несомненно, дали возможность самореализоваться большому числу небольших по составу групп исследователей и инженеров, позволили обычным студентам с начала до конца пройти интереснейший путь — от идеи космического аппарата до его запуска и обработки результатов летных испытаний — и все это за время обучения.

Главный центр испытаний и управления космическими средствами имени Германа Титова Объект 413, он же ЗАТО (закрытое административно-территориальное образование) Голицыно-2, он же Краснознаменск разместился на 41-м километре Минского шоссе близ неприметной речушки Незнамовка. Отсюда координируется работа всех служб, обеспечивающих полет каждого космического аппарата, организуется взаимодействие с космодромами и заинтересованными организациями, постоянно оценивается обстановка на орбите и при необходимости координируется программа полета…

В представлении большинства людей Главный центр испытаний и управления космическими средствами всегда ассоциируется с Калининградским ЦУПом в Подмосковье, постоянно показываемым по телевидению. Но Калининградский (нынешний Королевский) ЦУП работает только с пилотируемыми аппаратами. Основной же объем работы со спутниками приходится на Краснознаменск. Отсюда идет связь практически со всеми нашими орбитальными системами — военными, научными, хозяйственного назначения, пилотируемыми и беспилотными, с отдельными командно-измерительными комплексами. Здесь же Центр управления глобальной навигационной спутниковой системой…

Проект комплекса для слежения за космическими аппаратами и управления ими Министерством обороны был разработан в НИИ МО под руководством генерал-лейтенанта А. И. Соколова и полковника Ю. А. Мозжорина. Комплекс первоначально состоял из двенадцати командно-измерительных пунктов (КИП), рассредоточенных по территории Советского Союза — Енисейск, Сары-Шаган, Тюра-Там, Елизово, Ключи, Новосибирск, Улан-Удэ, Красное Село, Симферополь и т. д., и Координационно-вычислительного центра (КВЦ) при НИИ-4 в подмосковном Болшево. На первых порах к работе привлекались также радиотехнические, астрономические, вычислительные средства других ведомств и их персонал. Первым же начальником Центра стал генерал — майор Андрей Витрук.