Flock. Спутники из гаража.
Jul. 22nd, 2017 06:21 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
scharapow_wОригинал взят у ![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
voenny в Flock
Если написать пост про SkySat, а затем — про Auriga, то образуется незавершенный гештальт: для полноты изложения и гармонии в картине мира совершенно необходимо вникнуть в космическую систему Flock американского стартапа Planet. Наноспутники Flock, которые десятками запускаются на самых разнообразных ракетах-носителях, олицетворяют собой тезис «получим функционал микроспутника в форм-факторе кубсата». Благодаря ряду интересных инженерных решений компании Planet удалось решить такую задачу ради выполнения своей миссии: ежедневно получать изображение всей поверхности Земли (с разрешением порядка 5 метров). Такая частота обновления информации позволит наблюдать за всем миром «в режиме реального времени».
Помимо самой большой в мире орбитальной группировки (более сотни спутников!) для достижения цели была создана мощная наземная инфраструктура (12 площадок с наземными станциями на разных континентах), обеспечивающих как управление наноспутниками в УКВ и S-диапазонах, так и прием изображений в Х-диапазоне (причем после полного развертывания системы (150 наноспутников) будет обеспечен ежедневный прием (и обработка, да) шести терабайт данных). Наличие у Planet распределенной сети наземных станций позволяет посмотреть на покупку стартапом компаний Black Bridge (группировка КА RapidEye) и Terra Bella (группировка КА SkySat) под другим углом: в конкуренции побеждает тот, у кого наземка.
Под катом — попытка разобраться в инновационных подходах стартапа из Сан-Франциско к реализации сверх-идеи.
Философия и история Planet
Как водится в Америке, все начиналось в гараже
Компания была основана 29 декабря 2010 года инженерами, ранее работавшими в NASA, с названием Cosmogia Inc. Для отработки технологий и проверки: насколько реально использовать кубсаты для получения качественных изображений Земли, были созданы два спутника-демонстратора: Dove-1 (решения с крайне высоким риском) и Dove-2 (решения с просто высоким риском), запущенных в апреле 2013 года и передавших первые снимки. После успешной демонстрации технологий, летом 2013 года компания была переименована в Planet Labs Inc, и с тех пор смогла привлечь 183 миллиона долларов инвестиций. Осенью 2013 года были запущены еще два экспериментальных наноспутника (Dove-3 и Dove-4, последний не отделился), по конструкции напоминающие Dove-1, а с начала 2014 года компания приступила к развертыванию орбитальной группировки из наноспутников Flock первого поколения. Эволюция космических аппаратов происходила очень быстро, создание нового поколения КА занимало порядка нескольких месяцев, что хорошо коррелирует с интервалами между запусками. За три года было выпущено двенадцать итераций спутников, причем первые 8 поколений КА создавали примерно 30 сотрудников стартапа. Правда, в 2016 году в Planet (так теперь называется фирма) трудилось уже более 300 работников. Для достижения столь высокой производительности труда менеджмент компании отказался от традиционной иерархической структуры, своим успехом Planet обязана самоорганизации высокомотивированных работников.
Успешное привлечение инвестиций позволило стартапу совершать серьезные приобретения. В июле 2015 года была приобретена фирма BlackBridge, которая владеет группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли RapidEye, а 3 февраля 2017 Google завил, что продает Planet свое подразделениеTerra Bella – создателей спутников SkySat.
Философия создания космических аппаратов в Planet радикально отличается от традиционной и напоминает работу создателей портативной электроники (смартфонов, планшетов) или программного обеспечения. Вместо резервирования систем спутника и качественной наземной отработки было принято решение изготавливать сразу много спутников, а испытания проводить уже в космосе. Поиск оптимальной конструкции происходил за счет быстрого внедрения новых решений и их проверки на орбите, благо количество изделий позволяло набрать статистику. Прямо Дарвин вспомнился, да. Именно такой подход позволил компании «быть на шаг впереди рынка».
Цель создания новых и новых поколений спутников, в первую очередь — устранение ошибок, причем практика показала, что затраты на производство аппаратов меньше, чем на разработку. Постепенно совершенствовались полезная нагрузка, солнечные батареи, система управления аккумуляторной батареи и другие составные части изделий...
Вторая важная особенность философии Planet – широкое использование «наземных» решений, в первую очередь из автомобильной и электронной промышленности. Так для анализа тепловых режимов наноспутника использовалось то же самое программное обеспечение, что и для аналогичных расчетов дизелей Ford. А проектирование электроники КА производилось в том же программном пакете, что и консоль Playstation 4. Даже испытания проводились в лабораториях, специализирующихся на испытаниях игровых консолей.
Более того, по критерию «цена/качество» были забракованы все возможные компоненты космического назначения, применялись «земные» электрорадиоизделия прямо из каталогов, содержимое каталогов дополнялось по мере необходимости ПЛИС (программируемыми логическими интегральными схемами).
Для испытаний интерфейсов программного обеспечения применялся т.н. «A/B testing», когда два варианта оказывают двум группам пользователей (А и В) и по их отзывам выбирают наилучший.
Бизнес Planet
Запуски космических аппаратов
Динамика запусков наноспутников
Экспериментальные КА
Dove-2 – РН «Союз-2.1А» - Байконур, Казахстан — ПУ №6 пл. 31 - 19.04.2013 г. - 10:00:00 UTC - круговая орбита высотой 575 км и наклонением 65° [1].
Dove-1 — РН Antares-110 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 21.04.2013 г. - 21:00:02 UTC - круговая орбита высотой 250 км и наклонением 52° [2].
Dove-3 иDove-4 – РН «Днепр» - Домбаровский, Россия — ПУ№1/2 — 21.11.2013 г. - 10:10:17 ДМВ — солнечно-синхронная орбита высотой 580 км [3].
Штатные КА
Flock-1 (28 шт.) – РН Antares-120 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 09.01.2014 г. - 18:07:08 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [4].
Flock-1c (11 шт.) – РН «Днепр» - Домбаровский, Россия — ПУ№1/3 — 19.06.2014 г. - 22:11:17 ДМВ — солнечно-синхронная орбита высотой 620 км [5].
Flock-1b (28 шт.) – РН Antares-120 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 13.07.2014 г. - 16:52:16 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [6].
Flock-1d (26 шт.) – РН Antares-130 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 28.10.2014 г. - 22:22:00 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [7].
Flock-1d' (2 шт.) – РН Falcon 9 v1.1 — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-40 — 10.01.2015 г. - 09:47:10 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [8].
Flock-1e (14 шт.) – РН Falcon 9 v1.1 — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-40 — 14.04.2015 г. - 20:10:41 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [9].
Flock-1f (8 шт.) – РН Falcon 9 v1.1 — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-40 — 28.06.2015 г. - 14:21:11 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [10].
Flock-2b (14 шт.) – РН H-IIB-304 — Танэгасима, Япония — ПУ 2 — 19.08.2015 г. - 11:50:49 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [11].
Flock-2e (12 шт.) – РН Atlas-5 (401) — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-41 — 06.12.2015 г. - 21:44:58 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [12].
Flock-2e' (20 шт.) – РН Atlas-5 (401) — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-41 — 23.03.2016 г. - 03:05:52 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [13].
Flock-2p (12 шт.) – РН PSLV-C34 (XL) — Шрихарикота, Индия — 22.06.2016 г. - 03:56:00 UTC - солнечно-синхронная орбита, h= 510 км, LTDN = 9:30 [14]
Flock-3p (88 шт.) – РН PSLV-C34 (XL) — Шрихарикота, Индия — 15.02.2017 г. - солнечно-синхронная орбита.
Штатные КА (план)
Flock-2k (48 шт.) – РН «Союз-2.1А»+РБ «Фрегат-М» — Байконур, Казахстан — 2017 г. (совместно с КА «Канопус-В-ИК»)
Flock-2 (до 42 шт.) – РН «Союз-2.1Б»+РБ «Фрегат-М» — Восточный, Россия — 2017 г. (совместно с КА «Метеор-М» №2-1)
Flock-х (25 шт.) – РН Electron — OnS LC-1 — 2017 г.
Космический аппарат
Канонический вид наноспутников
Как говорилось в преамбуле, целью разработчиков наноспутника стало поместить функционал малого спутника в форм-фактор кубсата. При этом была достигнута рекордная для космоса плотность компоновки электронных плат, сопоставимая с аналогичным параметром у смартфонов. Благодаря плотности компоновки удалось добиться высоких собственных частот конструкции спутника и, соответственно, его высокой стойкости к механическим воздействиям. В частности, есть информация, что несколько аппаратов пережили взрыв ракеты-носителя Antares 28.10.2014 (не только не были разрушены, но даже смогли включиться).
Основой конструкции наноспутника являются три панели размером 10х10 см, соединенные направляющими, расположенными в углах изделия. Раскрывающимися элементами являются крышка оптической системы с установленными на ней антеннами и шесть панелей солнечных батарей. Последние раскрываются при помощи пружин, для зачековки используется пережигаемая нить.
Тактико-технические характеристики штатных КА
Разрешение: порядка 3...5 м.
Разработчик: Planet, Сан-Франциско, Калифорния, США.
Орбиты: а) орбита МКС, б) солнечно-синхронная, высотой порядка 600 км. Планируется создание группировки из 150 наноспутников.
Выведение: попутный запуск практически на любых доступных ракетах-носителях.
Масса: 5...6 кг. Габариты (при старте): 32 х 10 х 10 см (кубсат 3U).
Срок активного существования: 3 года (оценка).
Страницы проекта на сайте eoportal.org: Dove, Flock-1.
Cтраницы проекта в сетевом справочнике Gunter'a: Dove-1, Dove-2, Dove-3 и Dove-4, Flock-1.
Полезная нагрузка
Из фотонов — в код
Съемочная аппаратура предназначена для получения изображений в четырех спектральных каналах с разрешением 3,5 м (с высоты 400 км): Red (610-700 нм), Green (500-590 нм), Blue (420-530 нм) и NIR (770-900 нм, для последнего поколения наноспутников).
Съемка производится постоянно при полете над сушей с частотой 1 раз в секунду.
Оптическая схема Максутова-Кассагрена [Википедия]
Телескоп выполнен по оптической схеме Максутова-Кассагрена, он имеет диаметр апертуры 91 мм и фокусное расстояние 1140 мм. Длина цилиндрического тубуса (с мениском и первичным зеркалом) составляет 200 мм, а детектор расположен на расстоянии 320 мм от мениска и закономерно вынесен в цилиндрическую «приставку» к аппарату, напоминающую «консервную банку» на противоположной от антенн стороне КА. Оптическая система имеет только сферические поверхности.
Ширина полосы захвата - 20 км.
Тут нужно кратенько пояснить, что в простейшем случае в оптической системе Максутова-Кассагрена имеется всего лишь два элемента: сферическое первичное зеркало и мениск с напыленным на него алюминием, играющим роль вторичного зеркала. В более совершенных телескопах вторичное зеркало выполняется в виде отдельной детали, а вблизи фокальной плоскости устанавливают плоско-выпуклую линзу для устранения кривизны поля.
Фильтр Байера
Спектральные характеристики полезной нагрузки
Оптико-электронное преобразование выполняется одной ПЗС-матрицей с фильтром Байера и временной задержкой накопления. Матрица имеет емкость 11 МПикс (первые два поколения полезной нагрузки) или 29 МПикс (третье поколение). Радиометрическое разрешение — 12 бит. Точность географической привязки — около 20 м (СЕ90).
Обработка изображений на борту производится по следующим образом:
- нелинейное гамма-кодирование (при этом сохраняется больше информации о темных местах на снимке);
- сжатие зеленого канала (т.к. в фильтре Байера «зеленых» пикселей вдвое больше, чем «красных» и «синих»);
- сжатие по алгоритму JPEG2000.
В ходе обработки на борту разрешение изображения уменьшается с 12 бит до 8. Формат файлов после наземной обработки — GeoTIFF. В изображении имеется дополнительный слой (альфа-маска), на котором отображаются «битые» пиксели, которые необходимо игнорировать при обработке.
Запоминающее устройство построено на базе коммерчески доступного твердотельного накопителя.
Радиолиния передачи целевой информации работает в Х-диапазоне (8025-8400 МГц, линия «космос-Земля», 2 канала по 66,8 МГц) со скоростью от 12,5 до 120 Мбит/с. Высокочастотная мощность передатчика составляет 2 Вт. Микрополосковая антенна установлена на обратной стороне откидывающейся крышки телескопа. Возможно использование манипуляций: QPSK, 8-PSK, 16-APSK, 32-APSK. Виды помехоустойчивого кодирования: от ¼ до 9/10.
Аппаратура радиолинии выполнена из коммерчески доступных компонентов (разработанных преимущественно для сотовой связи). Возможна работа на наземные станции с приемными антеннами диаметром 4,5...8 м.
Распределение полученной информации по спектральным каналам
Три поколения Planet Scope
Снимок сделанный Planet Scope 0 (двухэлементная оптическая система Максутова-Кассагрена, оба элемента закреплены на конструкции КА, матрица размером 11 МПикс)
Снимок сделанный Planet Scope 1 (также двухэлементная оптическая система Максутова-Кассагрена, но смонтированная в отдельном углепластовом телескопе с титановыми элементами, матрица размером 11 МПикс)
Снимок сделанный Planet Scope 2 (5-элементная оптическая система Максутова-Кассагрена, отдельный телескоп, матрица в 29 МПикс с каналом NIR)
Космическая платформа
Компоновка наноспутника. Хорошо видно, какой объем занимает оптическая система, и сколько пространства досталось всем остальным
Беглый взгляд на «рентгеновский снимок» космического аппарата не обманывает - оптическая система занимает 11/12 объема наноспутника, на все остальные системы (включая двигатели-маховики и аккумуляторы) остается объем в ¼ литра [16]. Вот честно, я не представляю себе, как можно закомпоновать пусть и нано-, но все-таки спутник в один стакан объема. И тем не менее, это возможно, что экспериментально доказано.
В своих публикациях работники Planet пишут про широкое использование многослойных печатных плат и планарных компонентов. У систем нет корпусов, как явление отсутствует бортовая кабельная сеть. Организовано совместное использование ресурсов (процессоров, ПЛИС) разными системами наноспутника. Также используются (в первую очередь, в системе ориентации) микроэлектромеханические системы, МЕМS.
Система ориентации
Начальное успокоение космического аппарата с помощью электромагнитов (режим Bdot)
Система ориентации обеспечивает наведение оптической оси телескопа в надир. В качестве датчиков системы ориентации (для последнего, наиболее совершенного поколения наноспутников) применяются: звездный датчик, GPS-приёмник, датчик солнца (линейка фотодиодов), работающий совместно с датчиками тока панелей солнечных батарей, MEMS-датчик угловых скоростей.
Исполнительными органами системы служат четыре двигателя-маховика, расположенные по схеме «пирамида» и три электромагнита.
На втором опытном наноспутнике Dove-2 отрабатывалось управление ориентацией с помощью электромагнитов под управлением специального контроллера. Последний назывался B-dot-контроллер (В — это магнитное поле Земли). В данном режиме аппарат ведет себя подобно постоянному магниту, ориентируясь по силовым линиям магнитного поля планеты, точность знания направления которых составляет 1°.
Спутники в полете. Слева — КА системы RapidEye
Система ориентации обеспечивает следующие режимы:
- орбитальная ориентация (ось телескопа направлена в надир), штатная ориентация при съемке, она поддерживается при полете над сушей;
- наведение антенны радиолинии Х-диапазона на приемную станцию при сбросе целевой информации;
- заряд аккумуляторной батареи при полете с малым сечением миделя (режим поддерживается над морем, когда съемка не осуществляется);
- съемка Луны для калибровки полезной нагрузки.
Система электропитания
В своих статьях [16] сотрудники Planet упоминают низкую энергетику, как одно из препятствий в использовании наноспутников для коммерчески эффективной работы. Проблема была творчески решена путем применения раскрывающихся панелей солнечных батарей в количестве шести штук, по три на борт. Еще две панели закреплены на корпусе микроспутника (правда, на противоположных гранях, поэтому одновременно могут быть освещены не более семи панелей). Как показала практика, такого количества фотоэлементов оказалось достаточно для работы и съемочной аппаратуры, и «взрослых» радиолиний S и Х-диапазонов.
Солнечные батареи
На первых опытных спутниках применялись солнечные батареи из трехпереходных арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) треугольной формы TASC, выпускаемых фирмой Spectrolab. Предчувствую вопрос: а зачем такая необычная форма у ФЭПов? Как пишут сами разработчики преобразователей, два включенных последовательно фотоэлемента позволяют напрямую заряжать один литий-ионный аккумулятор и при этом занимают аккуратный прямоугольник на панели. И тем не менее, создателям космических аппаратов Dove эффективность использования площади панели не очень понравилась, равно как и контроль качества элементов [15]. Кроме того, на одной панели располагалось целых 80 преобразователей, которые нужно было аккуратно смонтировать, а стоимость производства при серийности изделий Planet — вполне себе критическая величина. Поэтому произошел «дауншифтинг» - на штатных аппаратах (по крайней мере, Flock-1) были применены прямоугольные кремниевые фотоэлементы с КПД 19%. Преобразователям придали оптимальную с точки зрения заполнения панели форму, что позволило практически компенсировать снижение КПД по сравнению с TASK, да и самих преобразователей на панели стало 18 шт. Монтаж также был существенно упрощен: применена приклейка преобразователей к металлической подложке при помощи проводящего клея. Панели с кремниевыми преобразователями успешно прошли испытания на Dove-1, Dove-2 и были запущены в серию.
Впрочем, если пристально рассматривать Flock-3p, можно обратить внимание на применение больших квадратных фотопреобразователей, которых на панели всего 4 штуки.
Вслед за Planet [15] отметим, что в отличие от традиционных солнечных батарей, на их аппаратах фотоэлементы используются без специальных защитных стекол. Вместо них применено покрытие SYLGARD-184, отработанное на Dove-2. Деградация солнечных батарей за 100 дней полета составила 22 % (без покрытия — 61 %).
Аккумуляторные батареи - литий-ионные, емкостью 20 А·ч. В состав батареи входит 8 аккумуляторов.
Панель с треугольными 3J GaAs фотоэлектрическими преобразователями
Панель с прямоугольными Si фотоэлектрическими преобразователями
Монтаж фотоэлементов на панель
Стол с КА Flock-3p
Бортовая вычислительная система
Управление наноспутником производится одноплатным компьютером с процессором семейства х86 и твердотельным запоминающим устройством на 0,5 Терабайт. Компьютер работает под управлением операционной системы Ubuntu server. Также имеется сторожевой таймер, обеспечивающий перезагрузку компьютера при ошибках и зависаниях.
Виду частой смены поколений спутников и еще более частой замены программного обеспечения в Planet действует практика автоматической генерации документации, описывающей программный код [16].
Командная радиолиния
На штатных аппаратах установлена высокоскоростная командная радиолиния традиционного для низкоорбитальных спутников S-диапазона (2025-2110 МГц, линия «Земля-космос», один канал 1,31 МГц). Скорость передачи информации — 250 Кбит/с, манипуляция BPSK. Прием информации ведется при помощи микрополосковой антенны.
Также имеется командно-телеметрическая радиолиния УКВ-диапазона (линия «Земля-космос» - один канал (60 кГц) в полосе 449,75-450,25 МГц и линия «космос-Земля» - один канал (60 кГц) в полосе 401-402 МГц) со скоростью 2,4...10 Кбит/с, манипуляция GFSK. На борту наноспутника установлен приемо-передатчик на базе микросхемы СС1110 Texas Instruments, работающий на четвертьволновую штыревую антенну. Выходная мощность передатчика равна 1 Вт.
При помощи УКВ-радиолинии производится измерение дальности с точностью 650 м (1 σ), ибо точности определения положения по открыто распространяемым двухстрочным наборам орбитальных данных (TLE), равной 1...3 км, недостаточно для организации связи с КА на орбитах ниже МКС. Если при пролете наземной станции завершен прием команд и передача телеметрии (или они не запланированы), радиолиния автоматически переходит в режим измерения дальности.
Управление параметрами орбиты
Срок пассивного существования КА
Создание орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли сопряжено с разведением космических аппаратов по фазе в каждой из орбитальных плоскостей и поддержанием структуры группировки в течение всего срока эксплуатации. В противном случае параметры орбиты сильно деградируют и теряется главное преимущество космической системы — оперативность проведения съемки и доставки целевой информации. Для решения данной задачи традиционно применяют корректирующие двигательные установки.
На борт наноспутников Flock двигательная установка никак не поместилась. Поэтому была создана и отработана в полете Flock-1a методика поддержания фазы наноспутника при помощи изменения его ориентации, и как следствие - миделева сечения и силы атмосферного торможения. Разведение по фазе 28 наноспутников заняло всего 35 дней. Заодно было установлено, что каноническое значение коэффициента сопротивления (Сх=2,2) для очень низких орбит завышено примерно на 50 % [16, 21].
Да, традиционный вопрос о замусоривании космического пространства наноспутниками также был рассмотрен Planet [17], по результатам чего был составлен приведенный выше график. Видно, что даже при самой большой высоте орбиты срок баллистического существования наноспутника не превышает предписанные международными соглашениями 25 лет, а для большинства изделий, запуск которых произведен с МКС, составляет порядка 1 года.
Выведение в нескольких картинках
Запуск Flock-1 с Международной космической станции
Два наноспутника в полёте
25 транспортно-пусковых контейнеров, в каждом — по четыре наноспутника
Наземный комплекс
Закат над площадкой с антеннами
К созданию наземного комплекса Planet подошли со всей возможной обстоятельностью: на 12 площадках развернуты 36 антенн, что позволяет уже сейчас принимать 1 Терабайт данных в сутки (или 1 млн. км.2 земной поверхности), а при полном развертывании группировки — обеспечивать прием и обработку 6 Тбайт данных. При этом отдел Planet, отвечающий за наземные станции, насчитывает всего пять человек [18], которые удаленно контролируют работу комплексов и большую часть времени борются с ошибками, замечаниями, отказами. Как говорил красный командир Рахимов в советском вестерне: «Ты, Сухов, целого взвода стоишь, а то и роты...» Понятно, что станции имеются с запасом, а наноспутник устойчив к отказу наземной станции (в частности, возможна дозагрузка команд при следующем сеансе связи или сброс целевой информации на соседнюю антенну на этой же площадке). Кроме того, вблизи каждой площадки есть персонал, который можно по вызову привлекать к ремонтным работам.
Структурная схема комбинированной земной станции УКВ/S/Х-диапазона
Немного технических подробностей про земные станции.
Земная станция УКВ. Практически все компоненты коммерчески доступны, исключение — приемо-передатчик SpaceTalker, он создан на базе микросхемы СС1110 Texas Instruments, объединяющей УКВ-трансивер и микроконтроллер с управлением по шине USB. Приемная и передающая антенны типа «волновой канал» из 15 (приемная) и 17 (передающая) элементов, с круговой поляризацией, позиционер G-5500 фирмы Yaesu. Длина антенн — 2,7 м, усиление — 16,5 дБ, мощность передатчика — 100 Вт. Необходимая точность наведения антенн составляет 10°, диаграмма направленности - 30°.
Земная станция S/X-диапазона. Аппаратная часть унифицирована со станцией УКВ, структурная схема станций практически идентична (кроме ВЧ-тракта, очевидно). Передатчик также выполнен на базе микросхемы С1110 (с преобразованием частоты в S-диапазон). В радиолинии целевой информации («космос-Земля») используется схема кодирования стандарта DVB-S2, изначально предназначенная для спутникового телевидения. Поверх DVB-S2 применяется IP-протокол, что делает связь с наноспутниками похожей на интернет-коммуникации. На станциях используются три типа параболических антенн с чувствительностью не хуже 29 дБ/К. Точность наведения антенн составляет 0,2°.
Принятые изображения загружаются на облачную вычислительную платформу Amazon Web Services. Там же находится сайт центра управления полетами, написанный командой из трех программистов на языке Python и обеспечивающий расчет 350 сеансов связи в сутки по УКВ и 300 сеансов сброса целевой информации в Х-диапазоне. Шкала времени станций привязана к GPS.
Дистанционной управление земными станциями организовано аналогично управлению серверами в IT. На каждой станции есть дистанционное управление питанием (включением/выключением) компонентов с телеметрией тока потребления. Также имеется телеметрия ВЧ-мощности на входе в приемник СС1110 и видеокамеры для визуального наблюдения.
Практикуется сброс информации с одного КА на расположенные рядом параболические антенны для оценки точности наведения. Также проводились проверки «сквозных трактов» для командно-телеметрических радиолиний, когда с разных, но расположенных на одной площадке антенн на КА выдавались команды и принималась телеметрическая информация. При необходимости земные станции могут калиброваться по сигналам других спутников Земли, например, Terra и Aqua.
Сеть земных станций в 2016 году
Земная станция УКВ-диапазона в Morehead, шт. Кентукки
Земная станция S/X-диапазона в Brewster, шт. Вашингтон
Разные антенны на одной площадке
Телеметрическая информация типичного сеанса связи
Spaceship Captains из центра управления полётом
Из поста про SkySat вы, наверное, помните, как работает «молодежный ЦУП» стартапа TerraBella, где организовано круглосуточное дежурство смен из двух интернов, работающих практически за идею (т. е. на правильное резюме) после двухмесячного обучения. Такой подход позволяет здорово экономить средства. Но Planet и тут пошла гораздо дальше: операции по управлению полетом группировки удалось автоматизировать до такой степени, что дежурных смен просто нет, а команда центра управления полетами (пять человек) работает с понедельника по пятницу, с 9 до 17 часов [19]. Естественно, каждый из Spaceship Captains (так в Planet называют управленцев) круглосуточно доступен для звонка. Но при всем при этом большую часть времени работники ЦУПа занимаются устранением неисправностей и сбоев.
С привычными для отечественной отрасли подходами вышеизложенное не монтируется никак. В то, что пять человек могут справиться с сотней спутников тоже верится с трудом, но это я из традиционной парадигмы размышляю, с резервированием систем и наземной отработкой аппаратов.
Летные испытания космической системы
Сеть земных станций при летных испытаниях
Dove-1 Напомним, что аппарат был оборудован раскрывающимися панелями солнечных батарей и радиолинией Х-диапазона, а миссия продлилась всего 6 суток. Управление КА осуществлялось в сеансах связи по УКВ с помощью параболической антенны Исследовательского университета в Менло-парке (SRI, Калифорния) диаметром 18,3 м. Автоматический прием телеметрии производился станциями Half Moon Bay (HMB, Калифорния) и Chilbolton (Великобритания). Сброс целевой информации происходил на станцию Chilbolton (Великобритания) с антенной диаметром 6 м, скорость передачи информации составила 4 Мбит/с, качество связи хорошее. Отработана коррекция бортового программного обеспечения и управление ориентацией наноспутника при помощи двигателей-маховиков. При работе наземного сегмента управление пятью станциями осуществлялось из штаб-квартиры Planet в Сан-Франциско.
Наноспутник Dove-2
Dove-2 На аппарате отрабатывалась радиолиния целевой информации S-диапазона (передатчик MHX-2400), для управления ориентацией использовались только электромагниты.
Управление КА осуществлялось в сеансах связи по УКВ с помощью антенны SRI. Сброс целевой информации производился на станцию Morehead (Кентукки, США) с антенной диаметром 21 м, скорость передачи информации составила 30 Кбит/с, качество связи неудовлетворительное. Отработана коррекция бортового программного обеспечения и управление ориентацией наноспутника при помощи электромагнитов.
Стеллаж с Flock-1а
Flock-1а Отработаны 5 различных конфигураций съемочной аппаратуры, отличающиеся диапазонами спектра. Испытаны приемник GPS, звездный датчик, кремниевые солнечные батареи. Отработан запуск с МКС. Отработаны методики связи со спутниками на орбитах ниже МКС, с 11 наноспутниками связь была установлена при первом пролете земной станции. Получены данные о тепловом режиме наноспутника (детальный тепловой расчет не проводился, обошлись анализом существующих решений и расчетом энергобаланса). Отработана летная эксплуатация группировки из 28 наноспутников на низкой орбите.
Космоснимки
Первый снимок Dove-1
Первый снимок Dove-2
Снимок Ниагарского водопада, 26 октября 2015 года
В целом — компания Planet олицетворяет собой новый, частный подход к освоению космоса, когда под сверх-идею привлекаются инвестиции, организуется массовое производство наноспутников, а самое главное — создается наземный комплекс, вполне совместимый с большими, «взрослыми» аппаратами, что позволяет наращивать темп экспансии, приобретая существующие и перспективные орбитальные группировки. Образно говоря, из «топора» первых Dove была сварена отличная «каша»: наноспутники обеспечивают выдающееся временное разрешение, SkySat'ы имеют 0,7 м на пиксель в постобработке, а к RapidEye привыкли клиенты (помимо того, что их полезная нагрузка ближе всего к измерительному прибору, а не к цифровому фотоаппарату). Впереди, скорее всего, завершение развертывания группировок и серьезная работа в интересах серьезных заказчиков.
Замечания, исправления и дополнения всячески приветствуются.
Литература
1. И. Афанасьев «Ковчег №12». Запуск спутника «Бион-М» / «Новости космонавтики». - 2013. - №06. - С. 28-37;
2. И. Афанасьев «Громкое эхо Н-1, или Первый полет «Антареса» / «Новости космонавтики». - 2013. - №06. - С. 38-45;
3. И. Афанасьев «Экспериментальные микроспутники россыпью» / «Новости космонавтики». - 2014. - №01. - С. 48-55;
4. И. Афанасьев «Третий полет «Лебедя» / «Новости космонавтики». - 2014. - №03. - С. 24-29;
5. И. Афанасьев, И. Маринин «Первый российский частный спутник на орбите» / «Новости космонавтики». - 2014. - №8. - С. 21-33.
6. И. Лисов «Лебедь» и «Голуби» летят на МКС / «Новости космонавтики». - 2014. - №9. - С. 16-19.
7. И. Афанасьев Драма на закате. Авария носителя Antares с кораблем Cygnys / “Новости космонавтики». - 2014. - №12. - С.1-7.
8. И. Афанасьев «Вот пуля просвистела, и ага...». Dragon снова летит к МКС, а Falcon пытается сесть на баржу / «Новости космонавтики». - 2015. - №3. - С.19-24
9. И. Афанасьев Dragon SpX-6 – и... снова жесткая посадка / «Новости космонавтики». - 2015. - №06. - С. 10-16.
10. И. Афанасьев Взрыв над океаном / «Новости космонавтики». - 2015. - №08. - С. 12-17
11. И. Афанасьев «Белый аист» под номером пять / «Новости космонавтики». - 2015. - №10. - С. 29-35.
12. И. Черный «Лебедь» возвращается в космос / «Новости космонавтики».- 2016. - №02. - С. 18-22.
13. И. Черный Ракетная фортуна / «Новости космонавтики». - 2016. - №05. - С. 20-22.
14. А. Кучейко, Д. Бецис Новый индийский разведчик и 19 попутчиков / «Новости космонавтики». - 2016. - №08. - С. 32-40.
15. W. Marshall, C. Boshuizen Planet Labs' Remote Sensing Satellite System / Proc. Of 27 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC13-WK-15 pdf
16. С.R. Boshuizen, J. Mason, P. Klupar, S. Spanhake Results from the Planet Labs Flock Constellation / Proc. Of 28 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC14-I-1 pdf
17. X. M. Safyan Overview of the Planet Labs Constellation of Earth Imaging Satellites / 2015 pdf
18. K. Colton, B. Klofas Supporting the Flock: Building a Ground Station Network for Autonomy and Reliability / Proc. Of 30 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC16-IX-05 pdf
19. B. Klofas Planet Labs Ground Station Network / 27th Annual CubeSate Developers Workshop, 21.04.2016, Cal Poly SLO pdf
20. Х. M. Safyan See Change. Change the World / 2016 ITU Symposium ang Workshop on Small Satellites pdf
21. 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.
voenny в FlockЕсли написать пост про SkySat, а затем — про Auriga, то образуется незавершенный гештальт: для полноты изложения и гармонии в картине мира совершенно необходимо вникнуть в космическую систему Flock американского стартапа Planet. Наноспутники Flock, которые десятками запускаются на самых разнообразных ракетах-носителях, олицетворяют собой тезис «получим функционал микроспутника в форм-факторе кубсата». Благодаря ряду интересных инженерных решений компании Planet удалось решить такую задачу ради выполнения своей миссии: ежедневно получать изображение всей поверхности Земли (с разрешением порядка 5 метров). Такая частота обновления информации позволит наблюдать за всем миром «в режиме реального времени».
Помимо самой большой в мире орбитальной группировки (более сотни спутников!) для достижения цели была создана мощная наземная инфраструктура (12 площадок с наземными станциями на разных континентах), обеспечивающих как управление наноспутниками в УКВ и S-диапазонах, так и прием изображений в Х-диапазоне (причем после полного развертывания системы (150 наноспутников) будет обеспечен ежедневный прием (и обработка, да) шести терабайт данных). Наличие у Planet распределенной сети наземных станций позволяет посмотреть на покупку стартапом компаний Black Bridge (группировка КА RapidEye) и Terra Bella (группировка КА SkySat) под другим углом: в конкуренции побеждает тот, у кого наземка.
Под катом — попытка разобраться в инновационных подходах стартапа из Сан-Франциско к реализации сверх-идеи.
Философия и история Planet
Launch early, launch often.
Девиз компании
Девиз компании
Как водится в Америке, все начиналось в гараже
Компания была основана 29 декабря 2010 года инженерами, ранее работавшими в NASA, с названием Cosmogia Inc. Для отработки технологий и проверки: насколько реально использовать кубсаты для получения качественных изображений Земли, были созданы два спутника-демонстратора: Dove-1 (решения с крайне высоким риском) и Dove-2 (решения с просто высоким риском), запущенных в апреле 2013 года и передавших первые снимки. После успешной демонстрации технологий, летом 2013 года компания была переименована в Planet Labs Inc, и с тех пор смогла привлечь 183 миллиона долларов инвестиций. Осенью 2013 года были запущены еще два экспериментальных наноспутника (Dove-3 и Dove-4, последний не отделился), по конструкции напоминающие Dove-1, а с начала 2014 года компания приступила к развертыванию орбитальной группировки из наноспутников Flock первого поколения. Эволюция космических аппаратов происходила очень быстро, создание нового поколения КА занимало порядка нескольких месяцев, что хорошо коррелирует с интервалами между запусками. За три года было выпущено двенадцать итераций спутников, причем первые 8 поколений КА создавали примерно 30 сотрудников стартапа. Правда, в 2016 году в Planet (так теперь называется фирма) трудилось уже более 300 работников. Для достижения столь высокой производительности труда менеджмент компании отказался от традиционной иерархической структуры, своим успехом Planet обязана самоорганизации высокомотивированных работников.
Успешное привлечение инвестиций позволило стартапу совершать серьезные приобретения. В июле 2015 года была приобретена фирма BlackBridge, которая владеет группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли RapidEye, а 3 февраля 2017 Google завил, что продает Planet свое подразделениеTerra Bella – создателей спутников SkySat.
Философия создания космических аппаратов в Planet радикально отличается от традиционной и напоминает работу создателей портативной электроники (смартфонов, планшетов) или программного обеспечения. Вместо резервирования систем спутника и качественной наземной отработки было принято решение изготавливать сразу много спутников, а испытания проводить уже в космосе. Поиск оптимальной конструкции происходил за счет быстрого внедрения новых решений и их проверки на орбите, благо количество изделий позволяло набрать статистику. Прямо Дарвин вспомнился, да. Именно такой подход позволил компании «быть на шаг впереди рынка».
Цель создания новых и новых поколений спутников, в первую очередь — устранение ошибок, причем практика показала, что затраты на производство аппаратов меньше, чем на разработку. Постепенно совершенствовались полезная нагрузка, солнечные батареи, система управления аккумуляторной батареи и другие составные части изделий...
Вторая важная особенность философии Planet – широкое использование «наземных» решений, в первую очередь из автомобильной и электронной промышленности. Так для анализа тепловых режимов наноспутника использовалось то же самое программное обеспечение, что и для аналогичных расчетов дизелей Ford. А проектирование электроники КА производилось в том же программном пакете, что и консоль Playstation 4. Даже испытания проводились в лабораториях, специализирующихся на испытаниях игровых консолей.
Более того, по критерию «цена/качество» были забракованы все возможные компоненты космического назначения, применялись «земные» электрорадиоизделия прямо из каталогов, содержимое каталогов дополнялось по мере необходимости ПЛИС (программируемыми логическими интегральными схемами).
Для испытаний интерфейсов программного обеспечения применялся т.н. «A/B testing», когда два варианта оказывают двум группам пользователей (А и В) и по их отзывам выбирают наилучший.
Бизнес Planet
Запуски космических аппаратов
Динамика запусков наноспутников
Экспериментальные КА
Dove-2 – РН «Союз-2.1А» - Байконур, Казахстан — ПУ №6 пл. 31 - 19.04.2013 г. - 10:00:00 UTC - круговая орбита высотой 575 км и наклонением 65° [1].
Dove-1 — РН Antares-110 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 21.04.2013 г. - 21:00:02 UTC - круговая орбита высотой 250 км и наклонением 52° [2].
Dove-3 и
Штатные КА
Flock-1 (28 шт.) – РН Antares-120 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 09.01.2014 г. - 18:07:08 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [4].
Flock-1c (11 шт.) – РН «Днепр» - Домбаровский, Россия — ПУ№1/3 — 19.06.2014 г. - 22:11:17 ДМВ — солнечно-синхронная орбита высотой 620 км [5].
Flock-1b (28 шт.) – РН Antares-120 — MARS (о-в Уоллопс) — ПУ LP-0A — 13.07.2014 г. - 16:52:16 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [6].
Flock-1d' (2 шт.) – РН Falcon 9 v1.1 — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-40 — 10.01.2015 г. - 09:47:10 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [8].
Flock-1e (14 шт.) – РН Falcon 9 v1.1 — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-40 — 14.04.2015 г. - 20:10:41 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [9].
Flock-2b (14 шт.) – РН H-IIB-304 — Танэгасима, Япония — ПУ 2 — 19.08.2015 г. - 11:50:49 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [11].
Flock-2e (12 шт.) – РН Atlas-5 (401) — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-41 — 06.12.2015 г. - 21:44:58 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [12].
Flock-2e' (20 шт.) – РН Atlas-5 (401) — «Мыс Канаверал» — ПУ SLC-41 — 23.03.2016 г. - 03:05:52 UTC — орбита МКС (h = 400 км, i = 52°) [13].
Flock-2p (12 шт.) – РН PSLV-C34 (XL) — Шрихарикота, Индия — 22.06.2016 г. - 03:56:00 UTC - солнечно-синхронная орбита, h= 510 км, LTDN = 9:30 [14]
Flock-3p (88 шт.) – РН PSLV-C34 (XL) — Шрихарикота, Индия — 15.02.2017 г. - солнечно-синхронная орбита.
Штатные КА (план)
Flock-2k (48 шт.) – РН «Союз-2.1А»+РБ «Фрегат-М» — Байконур, Казахстан — 2017 г. (совместно с КА «Канопус-В-ИК»)
Flock-2 (до 42 шт.) – РН «Союз-2.1Б»+РБ «Фрегат-М» — Восточный, Россия — 2017 г. (совместно с КА «Метеор-М» №2-1)
Flock-х (25 шт.) – РН Electron — OnS LC-1 — 2017 г.
Космический аппарат
Канонический вид наноспутников
Как говорилось в преамбуле, целью разработчиков наноспутника стало поместить функционал малого спутника в форм-фактор кубсата. При этом была достигнута рекордная для космоса плотность компоновки электронных плат, сопоставимая с аналогичным параметром у смартфонов. Благодаря плотности компоновки удалось добиться высоких собственных частот конструкции спутника и, соответственно, его высокой стойкости к механическим воздействиям. В частности, есть информация, что несколько аппаратов пережили взрыв ракеты-носителя Antares 28.10.2014 (не только не были разрушены, но даже смогли включиться).
Основой конструкции наноспутника являются три панели размером 10х10 см, соединенные направляющими, расположенными в углах изделия. Раскрывающимися элементами являются крышка оптической системы с установленными на ней антеннами и шесть панелей солнечных батарей. Последние раскрываются при помощи пружин, для зачековки используется пережигаемая нить.
Тактико-технические характеристики штатных КА
Разрешение: порядка 3...5 м.
Разработчик: Planet, Сан-Франциско, Калифорния, США.
Орбиты: а) орбита МКС, б) солнечно-синхронная, высотой порядка 600 км. Планируется создание группировки из 150 наноспутников.
Выведение: попутный запуск практически на любых доступных ракетах-носителях.
Масса: 5...6 кг. Габариты (при старте): 32 х 10 х 10 см (кубсат 3U).
Срок активного существования: 3 года (оценка).
Страницы проекта на сайте eoportal.org: Dove, Flock-1.
Cтраницы проекта в сетевом справочнике Gunter'a: Dove-1, Dove-2, Dove-3 и Dove-4, Flock-1.
Полезная нагрузка
Из фотонов — в код
Съемочная аппаратура предназначена для получения изображений в четырех спектральных каналах с разрешением 3,5 м (с высоты 400 км): Red (610-700 нм), Green (500-590 нм), Blue (420-530 нм) и NIR (770-900 нм, для последнего поколения наноспутников).
Съемка производится постоянно при полете над сушей с частотой 1 раз в секунду.
Оптическая схема Максутова-Кассагрена [Википедия]
Телескоп выполнен по оптической схеме Максутова-Кассагрена, он имеет диаметр апертуры 91 мм и фокусное расстояние 1140 мм. Длина цилиндрического тубуса (с мениском и первичным зеркалом) составляет 200 мм, а детектор расположен на расстоянии 320 мм от мениска и закономерно вынесен в цилиндрическую «приставку» к аппарату, напоминающую «консервную банку» на противоположной от антенн стороне КА. Оптическая система имеет только сферические поверхности.
Ширина полосы захвата - 20 км.
Тут нужно кратенько пояснить, что в простейшем случае в оптической системе Максутова-Кассагрена имеется всего лишь два элемента: сферическое первичное зеркало и мениск с напыленным на него алюминием, играющим роль вторичного зеркала. В более совершенных телескопах вторичное зеркало выполняется в виде отдельной детали, а вблизи фокальной плоскости устанавливают плоско-выпуклую линзу для устранения кривизны поля.
Фильтр Байера
Спектральные характеристики полезной нагрузки
Оптико-электронное преобразование выполняется одной ПЗС-матрицей с фильтром Байера и временной задержкой накопления. Матрица имеет емкость 11 МПикс (первые два поколения полезной нагрузки) или 29 МПикс (третье поколение). Радиометрическое разрешение — 12 бит. Точность географической привязки — около 20 м (СЕ90).
Обработка изображений на борту производится по следующим образом:
- нелинейное гамма-кодирование (при этом сохраняется больше информации о темных местах на снимке);
- сжатие зеленого канала (т.к. в фильтре Байера «зеленых» пикселей вдвое больше, чем «красных» и «синих»);
- сжатие по алгоритму JPEG2000.
В ходе обработки на борту разрешение изображения уменьшается с 12 бит до 8. Формат файлов после наземной обработки — GeoTIFF. В изображении имеется дополнительный слой (альфа-маска), на котором отображаются «битые» пиксели, которые необходимо игнорировать при обработке.
Запоминающее устройство построено на базе коммерчески доступного твердотельного накопителя.
Радиолиния передачи целевой информации работает в Х-диапазоне (8025-8400 МГц, линия «космос-Земля», 2 канала по 66,8 МГц) со скоростью от 12,5 до 120 Мбит/с. Высокочастотная мощность передатчика составляет 2 Вт. Микрополосковая антенна установлена на обратной стороне откидывающейся крышки телескопа. Возможно использование манипуляций: QPSK, 8-PSK, 16-APSK, 32-APSK. Виды помехоустойчивого кодирования: от ¼ до 9/10.
Аппаратура радиолинии выполнена из коммерчески доступных компонентов (разработанных преимущественно для сотовой связи). Возможна работа на наземные станции с приемными антеннами диаметром 4,5...8 м.
Распределение полученной информации по спектральным каналам
Три поколения Planet Scope
Снимок сделанный Planet Scope 0 (двухэлементная оптическая система Максутова-Кассагрена, оба элемента закреплены на конструкции КА, матрица размером 11 МПикс)
Снимок сделанный Planet Scope 1 (также двухэлементная оптическая система Максутова-Кассагрена, но смонтированная в отдельном углепластовом телескопе с титановыми элементами, матрица размером 11 МПикс)
Снимок сделанный Planet Scope 2 (5-элементная оптическая система Максутова-Кассагрена, отдельный телескоп, матрица в 29 МПикс с каналом NIR)
Космическая платформа
Компоновка наноспутника. Хорошо видно, какой объем занимает оптическая система, и сколько пространства досталось всем остальным
Беглый взгляд на «рентгеновский снимок» космического аппарата не обманывает - оптическая система занимает 11/12 объема наноспутника, на все остальные системы (включая двигатели-маховики и аккумуляторы) остается объем в ¼ литра [16]. Вот честно, я не представляю себе, как можно закомпоновать пусть и нано-, но все-таки спутник в один стакан объема. И тем не менее, это возможно, что экспериментально доказано.
В своих публикациях работники Planet пишут про широкое использование многослойных печатных плат и планарных компонентов. У систем нет корпусов, как явление отсутствует бортовая кабельная сеть. Организовано совместное использование ресурсов (процессоров, ПЛИС) разными системами наноспутника. Также используются (в первую очередь, в системе ориентации) микроэлектромеханические системы, МЕМS.
Система ориентации
Начальное успокоение космического аппарата с помощью электромагнитов (режим Bdot)
Система ориентации обеспечивает наведение оптической оси телескопа в надир. В качестве датчиков системы ориентации (для последнего, наиболее совершенного поколения наноспутников) применяются: звездный датчик, GPS-приёмник, датчик солнца (линейка фотодиодов), работающий совместно с датчиками тока панелей солнечных батарей, MEMS-датчик угловых скоростей.
Исполнительными органами системы служат четыре двигателя-маховика, расположенные по схеме «пирамида» и три электромагнита.
На втором опытном наноспутнике Dove-2 отрабатывалось управление ориентацией с помощью электромагнитов под управлением специального контроллера. Последний назывался B-dot-контроллер (В — это магнитное поле Земли). В данном режиме аппарат ведет себя подобно постоянному магниту, ориентируясь по силовым линиям магнитного поля планеты, точность знания направления которых составляет 1°.
Спутники в полете. Слева — КА системы RapidEye
Система ориентации обеспечивает следующие режимы:
- орбитальная ориентация (ось телескопа направлена в надир), штатная ориентация при съемке, она поддерживается при полете над сушей;
- наведение антенны радиолинии Х-диапазона на приемную станцию при сбросе целевой информации;
- заряд аккумуляторной батареи при полете с малым сечением миделя (режим поддерживается над морем, когда съемка не осуществляется);
- съемка Луны для калибровки полезной нагрузки.
Система электропитания
В своих статьях [16] сотрудники Planet упоминают низкую энергетику, как одно из препятствий в использовании наноспутников для коммерчески эффективной работы. Проблема была творчески решена путем применения раскрывающихся панелей солнечных батарей в количестве шести штук, по три на борт. Еще две панели закреплены на корпусе микроспутника (правда, на противоположных гранях, поэтому одновременно могут быть освещены не более семи панелей). Как показала практика, такого количества фотоэлементов оказалось достаточно для работы и съемочной аппаратуры, и «взрослых» радиолиний S и Х-диапазонов.
Солнечные батареи
На первых опытных спутниках применялись солнечные батареи из трехпереходных арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) треугольной формы TASC, выпускаемых фирмой Spectrolab. Предчувствую вопрос: а зачем такая необычная форма у ФЭПов? Как пишут сами разработчики преобразователей, два включенных последовательно фотоэлемента позволяют напрямую заряжать один литий-ионный аккумулятор и при этом занимают аккуратный прямоугольник на панели. И тем не менее, создателям космических аппаратов Dove эффективность использования площади панели не очень понравилась, равно как и контроль качества элементов [15]. Кроме того, на одной панели располагалось целых 80 преобразователей, которые нужно было аккуратно смонтировать, а стоимость производства при серийности изделий Planet — вполне себе критическая величина. Поэтому произошел «дауншифтинг» - на штатных аппаратах (по крайней мере, Flock-1) были применены прямоугольные кремниевые фотоэлементы с КПД 19%. Преобразователям придали оптимальную с точки зрения заполнения панели форму, что позволило практически компенсировать снижение КПД по сравнению с TASK, да и самих преобразователей на панели стало 18 шт. Монтаж также был существенно упрощен: применена приклейка преобразователей к металлической подложке при помощи проводящего клея. Панели с кремниевыми преобразователями успешно прошли испытания на Dove-1, Dove-2 и были запущены в серию.
Впрочем, если пристально рассматривать Flock-3p, можно обратить внимание на применение больших квадратных фотопреобразователей, которых на панели всего 4 штуки.
Вслед за Planet [15] отметим, что в отличие от традиционных солнечных батарей, на их аппаратах фотоэлементы используются без специальных защитных стекол. Вместо них применено покрытие SYLGARD-184, отработанное на Dove-2. Деградация солнечных батарей за 100 дней полета составила 22 % (без покрытия — 61 %).
Аккумуляторные батареи - литий-ионные, емкостью 20 А·ч. В состав батареи входит 8 аккумуляторов.
Панель с треугольными 3J GaAs фотоэлектрическими преобразователями
Панель с прямоугольными Si фотоэлектрическими преобразователями
Монтаж фотоэлементов на панель
Стол с КА Flock-3p
Бортовая вычислительная система
Управление наноспутником производится одноплатным компьютером с процессором семейства х86 и твердотельным запоминающим устройством на 0,5 Терабайт. Компьютер работает под управлением операционной системы Ubuntu server. Также имеется сторожевой таймер, обеспечивающий перезагрузку компьютера при ошибках и зависаниях.
Виду частой смены поколений спутников и еще более частой замены программного обеспечения в Planet действует практика автоматической генерации документации, описывающей программный код [16].
Командная радиолиния
На штатных аппаратах установлена высокоскоростная командная радиолиния традиционного для низкоорбитальных спутников S-диапазона (2025-2110 МГц, линия «Земля-космос», один канал 1,31 МГц). Скорость передачи информации — 250 Кбит/с, манипуляция BPSK. Прием информации ведется при помощи микрополосковой антенны.
Также имеется командно-телеметрическая радиолиния УКВ-диапазона (линия «Земля-космос» - один канал (60 кГц) в полосе 449,75-450,25 МГц и линия «космос-Земля» - один канал (60 кГц) в полосе 401-402 МГц) со скоростью 2,4...10 Кбит/с, манипуляция GFSK. На борту наноспутника установлен приемо-передатчик на базе микросхемы СС1110 Texas Instruments, работающий на четвертьволновую штыревую антенну. Выходная мощность передатчика равна 1 Вт.
При помощи УКВ-радиолинии производится измерение дальности с точностью 650 м (1 σ), ибо точности определения положения по открыто распространяемым двухстрочным наборам орбитальных данных (TLE), равной 1...3 км, недостаточно для организации связи с КА на орбитах ниже МКС. Если при пролете наземной станции завершен прием команд и передача телеметрии (или они не запланированы), радиолиния автоматически переходит в режим измерения дальности.
Управление параметрами орбиты
Срок пассивного существования КА
Создание орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли сопряжено с разведением космических аппаратов по фазе в каждой из орбитальных плоскостей и поддержанием структуры группировки в течение всего срока эксплуатации. В противном случае параметры орбиты сильно деградируют и теряется главное преимущество космической системы — оперативность проведения съемки и доставки целевой информации. Для решения данной задачи традиционно применяют корректирующие двигательные установки.
На борт наноспутников Flock двигательная установка никак не поместилась. Поэтому была создана и отработана в полете Flock-1a методика поддержания фазы наноспутника при помощи изменения его ориентации, и как следствие - миделева сечения и силы атмосферного торможения. Разведение по фазе 28 наноспутников заняло всего 35 дней. Заодно было установлено, что каноническое значение коэффициента сопротивления (Сх=2,2) для очень низких орбит завышено примерно на 50 % [16, 21].
Да, традиционный вопрос о замусоривании космического пространства наноспутниками также был рассмотрен Planet [17], по результатам чего был составлен приведенный выше график. Видно, что даже при самой большой высоте орбиты срок баллистического существования наноспутника не превышает предписанные международными соглашениями 25 лет, а для большинства изделий, запуск которых произведен с МКС, составляет порядка 1 года.
Выведение в нескольких картинках
Запуск Flock-1 с Международной космической станции
Два наноспутника в полёте
25 транспортно-пусковых контейнеров, в каждом — по четыре наноспутника
Наземный комплекс
Закат над площадкой с антеннами
К созданию наземного комплекса Planet подошли со всей возможной обстоятельностью: на 12 площадках развернуты 36 антенн, что позволяет уже сейчас принимать 1 Терабайт данных в сутки (или 1 млн. км.2 земной поверхности), а при полном развертывании группировки — обеспечивать прием и обработку 6 Тбайт данных. При этом отдел Planet, отвечающий за наземные станции, насчитывает всего пять человек [18], которые удаленно контролируют работу комплексов и большую часть времени борются с ошибками, замечаниями, отказами. Как говорил красный командир Рахимов в советском вестерне: «Ты, Сухов, целого взвода стоишь, а то и роты...» Понятно, что станции имеются с запасом, а наноспутник устойчив к отказу наземной станции (в частности, возможна дозагрузка команд при следующем сеансе связи или сброс целевой информации на соседнюю антенну на этой же площадке). Кроме того, вблизи каждой площадки есть персонал, который можно по вызову привлекать к ремонтным работам.
Структурная схема комбинированной земной станции УКВ/S/Х-диапазона
Немного технических подробностей про земные станции.
Земная станция УКВ. Практически все компоненты коммерчески доступны, исключение — приемо-передатчик SpaceTalker, он создан на базе микросхемы СС1110 Texas Instruments, объединяющей УКВ-трансивер и микроконтроллер с управлением по шине USB. Приемная и передающая антенны типа «волновой канал» из 15 (приемная) и 17 (передающая) элементов, с круговой поляризацией, позиционер G-5500 фирмы Yaesu. Длина антенн — 2,7 м, усиление — 16,5 дБ, мощность передатчика — 100 Вт. Необходимая точность наведения антенн составляет 10°, диаграмма направленности - 30°.
Земная станция S/X-диапазона. Аппаратная часть унифицирована со станцией УКВ, структурная схема станций практически идентична (кроме ВЧ-тракта, очевидно). Передатчик также выполнен на базе микросхемы С1110 (с преобразованием частоты в S-диапазон). В радиолинии целевой информации («космос-Земля») используется схема кодирования стандарта DVB-S2, изначально предназначенная для спутникового телевидения. Поверх DVB-S2 применяется IP-протокол, что делает связь с наноспутниками похожей на интернет-коммуникации. На станциях используются три типа параболических антенн с чувствительностью не хуже 29 дБ/К. Точность наведения антенн составляет 0,2°.
Принятые изображения загружаются на облачную вычислительную платформу Amazon Web Services. Там же находится сайт центра управления полетами, написанный командой из трех программистов на языке Python и обеспечивающий расчет 350 сеансов связи в сутки по УКВ и 300 сеансов сброса целевой информации в Х-диапазоне. Шкала времени станций привязана к GPS.
Дистанционной управление земными станциями организовано аналогично управлению серверами в IT. На каждой станции есть дистанционное управление питанием (включением/выключением) компонентов с телеметрией тока потребления. Также имеется телеметрия ВЧ-мощности на входе в приемник СС1110 и видеокамеры для визуального наблюдения.
Практикуется сброс информации с одного КА на расположенные рядом параболические антенны для оценки точности наведения. Также проводились проверки «сквозных трактов» для командно-телеметрических радиолиний, когда с разных, но расположенных на одной площадке антенн на КА выдавались команды и принималась телеметрическая информация. При необходимости земные станции могут калиброваться по сигналам других спутников Земли, например, Terra и Aqua.
Сеть земных станций в 2016 году
Земная станция УКВ-диапазона в Morehead, шт. Кентукки
Земная станция S/X-диапазона в Brewster, шт. Вашингтон
Разные антенны на одной площадке
Телеметрическая информация типичного сеанса связи
Spaceship Captains из центра управления полётом
Школа жизни — это школа капитанов
Группа «Ноль»
Группа «Ноль»
Из поста про SkySat вы, наверное, помните, как работает «молодежный ЦУП» стартапа TerraBella, где организовано круглосуточное дежурство смен из двух интернов, работающих практически за идею (т. е. на правильное резюме) после двухмесячного обучения. Такой подход позволяет здорово экономить средства. Но Planet и тут пошла гораздо дальше: операции по управлению полетом группировки удалось автоматизировать до такой степени, что дежурных смен просто нет, а команда центра управления полетами (пять человек) работает с понедельника по пятницу, с 9 до 17 часов [19]. Естественно, каждый из Spaceship Captains (так в Planet называют управленцев) круглосуточно доступен для звонка. Но при всем при этом большую часть времени работники ЦУПа занимаются устранением неисправностей и сбоев.
С привычными для отечественной отрасли подходами вышеизложенное не монтируется никак. В то, что пять человек могут справиться с сотней спутников тоже верится с трудом, но это я из традиционной парадигмы размышляю, с резервированием систем и наземной отработкой аппаратов.
Летные испытания космической системы
Сеть земных станций при летных испытаниях
Dove-1 Напомним, что аппарат был оборудован раскрывающимися панелями солнечных батарей и радиолинией Х-диапазона, а миссия продлилась всего 6 суток. Управление КА осуществлялось в сеансах связи по УКВ с помощью параболической антенны Исследовательского университета в Менло-парке (SRI, Калифорния) диаметром 18,3 м. Автоматический прием телеметрии производился станциями Half Moon Bay (HMB, Калифорния) и Chilbolton (Великобритания). Сброс целевой информации происходил на станцию Chilbolton (Великобритания) с антенной диаметром 6 м, скорость передачи информации составила 4 Мбит/с, качество связи хорошее. Отработана коррекция бортового программного обеспечения и управление ориентацией наноспутника при помощи двигателей-маховиков. При работе наземного сегмента управление пятью станциями осуществлялось из штаб-квартиры Planet в Сан-Франциско.
Наноспутник Dove-2
Dove-2 На аппарате отрабатывалась радиолиния целевой информации S-диапазона (передатчик MHX-2400), для управления ориентацией использовались только электромагниты.
Управление КА осуществлялось в сеансах связи по УКВ с помощью антенны SRI. Сброс целевой информации производился на станцию Morehead (Кентукки, США) с антенной диаметром 21 м, скорость передачи информации составила 30 Кбит/с, качество связи неудовлетворительное. Отработана коррекция бортового программного обеспечения и управление ориентацией наноспутника при помощи электромагнитов.
Стеллаж с Flock-1а
Flock-1а Отработаны 5 различных конфигураций съемочной аппаратуры, отличающиеся диапазонами спектра. Испытаны приемник GPS, звездный датчик, кремниевые солнечные батареи. Отработан запуск с МКС. Отработаны методики связи со спутниками на орбитах ниже МКС, с 11 наноспутниками связь была установлена при первом пролете земной станции. Получены данные о тепловом режиме наноспутника (детальный тепловой расчет не проводился, обошлись анализом существующих решений и расчетом энергобаланса). Отработана летная эксплуатация группировки из 28 наноспутников на низкой орбите.
Космоснимки
Первый снимок Dove-1
Первый снимок Dove-2
Снимок Ниагарского водопада, 26 октября 2015 года
В целом — компания Planet олицетворяет собой новый, частный подход к освоению космоса, когда под сверх-идею привлекаются инвестиции, организуется массовое производство наноспутников, а самое главное — создается наземный комплекс, вполне совместимый с большими, «взрослыми» аппаратами, что позволяет наращивать темп экспансии, приобретая существующие и перспективные орбитальные группировки. Образно говоря, из «топора» первых Dove была сварена отличная «каша»: наноспутники обеспечивают выдающееся временное разрешение, SkySat'ы имеют 0,7 м на пиксель в постобработке, а к RapidEye привыкли клиенты (помимо того, что их полезная нагрузка ближе всего к измерительному прибору, а не к цифровому фотоаппарату). Впереди, скорее всего, завершение развертывания группировок и серьезная работа в интересах серьезных заказчиков.
Замечания, исправления и дополнения всячески приветствуются.
Литература
1. И. Афанасьев «Ковчег №12». Запуск спутника «Бион-М» / «Новости космонавтики». - 2013. - №06. - С. 28-37;
2. И. Афанасьев «Громкое эхо Н-1, или Первый полет «Антареса» / «Новости космонавтики». - 2013. - №06. - С. 38-45;
3. И. Афанасьев «Экспериментальные микроспутники россыпью» / «Новости космонавтики». - 2014. - №01. - С. 48-55;
4. И. Афанасьев «Третий полет «Лебедя» / «Новости космонавтики». - 2014. - №03. - С. 24-29;
5. И. Афанасьев, И. Маринин «Первый российский частный спутник на орбите» / «Новости космонавтики». - 2014. - №8. - С. 21-33.
6. И. Лисов «Лебедь» и «Голуби» летят на МКС / «Новости космонавтики». - 2014. - №9. - С. 16-19.
7. И. Афанасьев Драма на закате. Авария носителя Antares с кораблем Cygnys / “Новости космонавтики». - 2014. - №12. - С.1-7.
8. И. Афанасьев «Вот пуля просвистела, и ага...». Dragon снова летит к МКС, а Falcon пытается сесть на баржу / «Новости космонавтики». - 2015. - №3. - С.19-24
9. И. Афанасьев Dragon SpX-6 – и... снова жесткая посадка / «Новости космонавтики». - 2015. - №06. - С. 10-16.
10. И. Афанасьев Взрыв над океаном / «Новости космонавтики». - 2015. - №08. - С. 12-17
11. И. Афанасьев «Белый аист» под номером пять / «Новости космонавтики». - 2015. - №10. - С. 29-35.
12. И. Черный «Лебедь» возвращается в космос / «Новости космонавтики».- 2016. - №02. - С. 18-22.
13. И. Черный Ракетная фортуна / «Новости космонавтики». - 2016. - №05. - С. 20-22.
14. А. Кучейко, Д. Бецис Новый индийский разведчик и 19 попутчиков / «Новости космонавтики». - 2016. - №08. - С. 32-40.
15. W. Marshall, C. Boshuizen Planet Labs' Remote Sensing Satellite System / Proc. Of 27 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC13-WK-15 pdf
16. С.R. Boshuizen, J. Mason, P. Klupar, S. Spanhake Results from the Planet Labs Flock Constellation / Proc. Of 28 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC14-I-1 pdf
17. X. M. Safyan Overview of the Planet Labs Constellation of Earth Imaging Satellites / 2015 pdf
18. K. Colton, B. Klofas Supporting the Flock: Building a Ground Station Network for Autonomy and Reliability / Proc. Of 30 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC16-IX-05 pdf
19. B. Klofas Planet Labs Ground Station Network / 27th Annual CubeSate Developers Workshop, 21.04.2016, Cal Poly SLO pdf
20. Х. M. Safyan See Change. Change the World / 2016 ITU Symposium ang Workshop on Small Satellites pdf
21. 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.
