Наноспутники в пусковых контейнерах

Одной из новостей месяца стало известие о том, что компания Planet (США, Сан-Франциско) решила первую глобальную задачу и ежедневно получает снимок всей земной суши с разрешением 3-5 м. С целью усвоения (и коммерциализации) такого объема данных компания проводит что-то вроде «всемирного мозгового штурма» по созданию искусственного интеллекта, без которого в этом деле не обойтись. Есть мнение, что такое изобретение совершит переворот в ДЗЗ.

Для меня в истории о Planet одним из центральных вопросов является: как фирме удается управлять сотнями спутников на низкой орбите? С короткими сеансами связи, с «глухими» витками, с воздействием остаточной атмосферы (для аппаратов, запущенных с МКС, это особенно актуально). Частично ответ на этот вопрос дал сам американский стартап, рассказавший [1] о решении боевой задачи: провести летные испытания 88 кубсатов Flock 3p, запущенных 15 февраля 2017 года индийской ракетой PSLV-С37 до начала лета (когда агрономам потребуются снимки угодий).

Космическая система Flock (переводе - «стая») из наноспутников Dove (“голубь») описана в предыдущей публикации. Напомню основные тезисы, важные с точки зрения летных испытаний космических аппаратов.

Космическая система

Аппараты Planet в полёте

Задача космической системы — ежедневное получение снимка всей поверхности земной суши («создание сканера для Земли»).

Идеальное построение орбитальной группировки, которая обеспечивает решение задачи — это 105 наноспутников, находящихся в одной плоскости утренней солнечно-синхронной орбиты высотой около 500 км и равномерно распределенных по фазе (угловому расстоянию между аппаратами). Смещение спутников по фазе будет приводить к наложениям при съемке (два спутника будут снимать одну и ту же местность, зато потом образуется разрыв в покрытии) и проблемам в сбросе целевой информации на наземные станции.

Динамика запусков наноспутников (по состоянию на март 2017 года)

Как видно из графика, с запуском 15 февраля 2017 года количество находящихся на орбите «Голубей» стало достаточным для решения целевой задачи.

Космический аппарат

Канонический вид космического аппарата

Самое главное, что нужно сказать про спутник с точки зрения управления в полете — он очень автономен, при планировании летных испытаний работники Planet рассчитывали получать телеметрическую информацию о жизненно важных параметрах спутника раз в сутки, а полноценный сеанс связи проводить раз в 2-3 дня (т. к. на этапе испытаний аппараты летят плотно, натурально «стаей» и приходят в зону радиовидимости наземной станции одновременно).

Наноспутником управляет бортовой компьютер типа х86 с операционной системой Ubuntu Linux, что позволяет оперативно корректировать бортовое программное обеспечение. В среднем корректировки производятся раз в неделю, сначала программное обеспечение обкатывается на более старых спутниках, находящихся в эксплуатации.

Программа полета, которую реализует каждый «Голубь», достаточно проста:
- при нахождении над сушей производится съемка в надир;
- в соответствии с расписанием производится сброс целевой информации;
- все остальное время производится заряд аккумуляторной батареи в ориентации с большой или малой площадью миделя (задается для поддержания фазы).

Ввиду малого количества сеансов связи, летные испытания производились под контролем бортового ПО и требовали (в идеальном случае) всего двух сеансов связи: в первом производилась закладка на борт уточненных параметров орбиты и сверка бортовой и наземной шкал времени, во втором — спутник передавал результат испытаний. Естественно, не забыли про борьбу за живучесть, программа контролировала следующие виды отказов:
- вращение спутника;
- переразряд аккумуляторной батареи;
- разбаланс аккумуляторов в батарее;
- некорректная конфигурация программного обеспечения,
и в случае проблем отправляла спутник в защищенный режим.

Наземный комплекс управления

Земная станция УКВ-диапазона

Сеть земных станций в 2016 году

Управление спутниками производится по радиолинии УКВ-диапазона, антенные системы разбросаны по всему земному шару, а управляют ими две команды: в Сан-Франциско (3 человека) и в Берлине (в первую очередь, группировкой RapidEye). Причем центр управления полетом НЕ работает в круглосуточном режиме, операторы работают в режиме обычной пятидневной рабочей недели. Понятно, что весь процесс управления с самого начала автоматизирован, и работа операторов сводится к только к решению проблем, не отвлекаясь на рутину.

Объем летных испытаний Flock 3p

1. После отделения производится раскрытие антенны и первый сеанс связи.
2. По команде производится автоматическое гашение угловой скорости при помощи электромагнитов.
3. Производится раскрытие панелей солнечных батарей.
4. Аппарат ориентируется на Солнце при помощи двигателей-маховиков.
5. Включается система обеспечения теплового режима (нагреватели).
6. Обновляется программное обеспечение бортового компьютера.
7. Производится первый маневр калибровки системы ориентации (С1) в ходе маневра калибруются датчики Солнца и магнитометры.
8. Производится второй маневр калибровки (С2) в ходе которого калибруют звездные датчики и полезную нагрузку, которая выполняет съемку ночного океана и Луны.

После завершения калибровки спутник готов к штатной работе (съемке и передаче данных). Одновременно с передачей данных начинается разведение спутников по фазе за счет изменения их ориентации и сечения миделя.
На аппаратах первого поколения вручную (в сеансе связи на освещенном участке витка) производилось даже раскрытие солнечных батарей. На аппаратах предыдущего поколения вручную выполнялись маневры калибровки С1 и С2. На Flock 3p решили автоматизировать весь процесс испытаний.

Технические решения

1. Megahealth. Для первоначального вхождения в связи со спутниками была разработана утилита циркулярного запроса базовой телеметрии наноспутников (это параметры живучести КА, вроде уровня заряда аккумуляторной батареи). Утилита исполнялась на земных станциях и отработала прекрасно: из 88 запущенных спутников 71 вошел в связь в первой же зоне радиовидимости, а во второй зоне была получена телеметрия со всех 100 % спутников.

2. Sequencer. Для автоматизации выполнения маневров калибровки была разработана утилита бортового программного обеспечения Sequencer. Основная идея заключалась в выполнении пошаговой калибровки с контролем состояния спутника один раз в 2 часа и принятием решения о переходе к следующему шагу (или о возврате к предыдущему).

3. Canaries («Канарейки»). Это три наноспутника, которые первыми прошли весь объем летных испытаний. На «канарейках» было сразу же отлажено бортовое и наземное программное обеспечение, исправлены грубые ошибки. Оставшиеся 85 аппаратов были разделены на партии по 10 «голубей», на летные испытания каждой партии отводилась примерно неделя. Распределение на партии производили исходя из отсутствия наложений снимков и помех при радиосвязи.

4. Сортировка. В ходе испытаний постоянно оценивалось состояние спутников, из автоматизированного процесса исключались спутники, для которых одновременно выполнялись условия:
- невозможны автоматические испытания МКА;
- аномалии подвержен ровно один спутник;
- требуется более 1 часа времени на устранение неисправности.
Сбойные аппараты сортировали по времени, которое необходимо для устранения неисправности (понятно, что аппарат со сбойной работой звездного датчика получал преимущество перед спутником, где отказал магнитометр или датчик Солнца).

Проблема с энергобалансом

В ходе летных испытаний, между третьей и четвертой партиями «голубей» при анализе базовой телеметрии с аппаратов, находящихся в режиме ожидания, были получены тревожные сигналы — энергобаланс спутников был отрицательным, батареи постепенно разряжались. Оказалось, что при смене поколений космических аппаратов была произведена доработка — была убрана «лишняя» панель солнечных батарей, что при определенных условиях вращения приводило к таким интересным результатам. Тем не менее емкость аккумуляторных батарей была выбрана с запасом, это позволило команде Planet принять единственное верное решение — раскрыть панели солнечных батарей на всех оставшихся спутниках и перевести их в солнечную ориентацию, что радикально увеличило энергоприход и решило проблему.

Результат

Результат автоматизации испытаний спутников Dove получился следующим:

Автоматизация летных испытаний 88 наноспутников

Автоматизация первого маневра калибровки (С1)

Автоматизация второго маневра калибровки (С2)

Больше половины спутников прошли испытания полностью автономно. Еще 21 аппарат потребовал перезагрузки программного обеспечения по следующим причинам:
1. Сбои программного обеспечения при обмене по шине USB.
2. Потери при опросе датчиков.
3. Наличие в памяти телеметрической информации системы ориентации, оставшейся от наземных испытаний и вызывающей сбой калибровки.
4. Необходимость корректировки уставки минимально допустимого заряда аккумуляторной батареи.
Оставшиеся 20 спутников потребовали управления в ручном режиме. Основные отказы:
1. Обмен по шине USB.
2. Наличие на борту спутников нового оборудования, предназначенного для следующих поколений наноспутников.
3. Аппаратные отказы.

И тем не менее, скорость выполнения летных испытаний у Planet оказалась рекордной:

Темп ввода в эксплуатацию — примерно один спутник в сутки

Разведение по фазе с помощью атмосферного торможения [2]

Три проекции наноспутника

Для эффективной работы орбитальной группировки (отсутствие наложений при съемке, сброс целевой информации) необходимо поддержания постоянного фазового расстояния между аппаратами. Установить на наноспутники двигательную установку не представилось возможным. Было принято решение управлять положением аппаратов за счет атмосферного торможения.

На рисунке выше приведены три проекции Dove. Если представить, что вектор скорости направлен перпендикулярно плоскости рисунка («Голубь» вылетает из экрана), то вариант b соответствует ориентации с большим миделем (площадь которого составляет 1950 см2), а вариант с — ориентации с малым миделем (площадь — 370 см2). Как видно, площади отличаются в пять раз, соответственно отличаются и силы атмосферного торможения. На расчетной орбите высотой 600 км разница темпа падения высоты между аппаратом с малым и с большим миделем составляет примерно 1 км в сутки.

Если принять во внимание такой баллистический факт, что аппарат, находящийся на более низкой орбите, движется быстрее, чем более высокие спутники (сравните количество витков в сутки у «Метеора-М» и у «ГЛОНАССа-М»), то становится понятна методика разведения.

Для заданной высоты находят торможение, которое создается при полете с большим миделем. Самый низкий (и быстрый) аппарат назначается лидером, относительно него и строится созвездие. Для всех остальных рассчитывают фазовые углы, на которые необходимо отстать от лидера, чтобы «занять место в строю», а также разницу скоростей между лидером и спутником. Потом определяют время полета с большим миделем, чтобы уровнять угловые скорости с лидером. Остается только вычислить продолжительность дрейфа — время, за которое лидер улетит вперед, а потом наш спутник включит режим торможения и «спикирует» в заданное место — и можно готовить к командно-программную информацию для передачи на борт с целью коррекции.
Алгоритм был смоделирован, а затем применен на аппаратах Flock 1c в далеком 2014 году. С тех пор аппараты поддерживают свою фазу автоматически.

Да, небольшое уточнение — режим полета с большим или малым миделем включается, если не производится съемка или передача целевой информации на землю, т. е. сеансы коррекции орбиты ничуть не мешают работе по назначению.

Алгоритм

Результат моделирования разведения и поддержания фазового расстояния между двумя спутниками

Полет спутников Flock без коррекции фазы

Разведение по фазе спутников Flock 1c

В целом — Planet уверенно продемонстрировала, что наноспутники дистанционного зондирования можно испытывать и вводить в эксплуатацию в темпе 1 изделие в сутки. Для российских компаний этот результат является фантастически быстрым. Надеюсь, что мой пересказ статьи стартапа из Сан-Франциско поможет усовершенствовать подходы к летным испытаниям автоматических космических аппаратов.

Замечания, исправления и дополнения всячески приветствуются.

Литература
1. R. Zimmerman, D. Doan, L. Leung, J. Mason, N. Parsons, K. Shahid Commissioning the World's Largest Satellite Constellation / Proc. Of 31 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC17-X-03 pdf
2. C. Foster, H. Hallam, J. Mason Orbit Determination and Differential-Drag Control of Planet Labs CubeSat Constellation / AAS 15-524 pdf

Изображения взяты из публикаций и сети интернет.

Публикация в блоге автора: https://voenny.livejournal.com/298940.html