Роль спутникового программного обеспечения с наземной системой управления CubeSat

ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛОГО СПУТНИКА CUBESAT 6
1.1. Общая характеристика малого спутника CubeSat 6
1.2. Физические аспекты малого спутника CubeSat 13
1.2.1. Подсистемы CubeSat 15
1.3. Система связи CubeSat с наземной системой управления 20
1.3.1. Параметры космической орбиты 20
1.3.2. Топологии CubeSat 21
1.3.3. Протоколы передачи данных CubeSat 24
2. ТИПОВОЕ СПУТНИКОВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ С НАЗЕМНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ CUBESAT 29
2.1. Спецификация программного обеспечения 29
2.1.1. Сравнение приложения и демона 33
2.1.2. Пользовательский интерфейс демона 35
2.1.3. Одновременный доступ и операционные привилегии 40
2.1.4. Меры безопасности 42
2.1.5. Расчет и мониторинг орбиты спутника 43
2.1.6. Антенна и радиоуправление 45
2.1.7. Автоматическая запись аудиосигналов 45
2.1.8. Отправка и прием команд на спутник и со спутника 46
2.1.9. Веб-камера и потоковые аудиосигналы 47
2.1.10. Краткое описание спецификаций 47
2.2. Разработка программного обеспечения 48
2.2.1. Выбор языка разработки 48
2.2.2. Среда разработки ArtSat 49
2.2.3. Объектно-ориентированное проектирование классов 50
2.2.4. Процессы демонизации 51
2.2.5. Реализация аппаратного управления 52
2.2.6. Реализация поддержки сети 53
2.2.7. Поддержка асинхронного одновременного доступа 57
2.2.8. Работа с базой данных sqlite3 59
2.2.9. Реализация расчета орбиты спутника 59
2.2.10. Автоматическая запись с использованием JSONRPC 60
3. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ ТИПОВОГО СПУТНИКОВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ С НАЗЕМНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ CUBESAT 64
3.1. Тестирование ПО 64
3.1.1. Автоматическая передача и прием команд 65
3.1.2. IoT и ArtSat 67
3.1.3. Рассмотрение вопроса об улучшениях 68
3.2. Экономические обоснования 69
3.2.1. Спутник CubeSat 1U 69
3.2.2. Расходы на сотрудников и оборудования для них 70
3.2.3. Дополнительная заработная плата 71
3.2.4. Накладные расходы 71
3.3. Оценка эффективности исследования 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 79

Весь текст будет доступен после покупки

Запуском и разработкой наноспутников для демонстрации новых технологий и научных наблюдений активно занимаются университеты, техникумы и высшие учебные заведения. В университетах исследования и разработки сосредоточены на наноспутнике CubeSat [1]. CubeSat - это спутник с размером куба 10 см на сторону (так называемый размер 1U). Размер 1U является базовым размером, а размер корпуса изменяется до 16U в зависимости от миссии спутника [2].
Для связи с наноспутниками в основном используется радиочастоты в диапазонах 144 МГц и 430 МГц [3]. Связь между наземными станциями и спутниками важна для передачи команд спутникам и получения данных наблюдений. Наноспутники часто размещаются на небольшой высоте, а время связи между землей и спутником обычно составляет от 10 до 15 минут. В случае связи с использованием радиолюбительского диапазона, скорость связи в основном составляет 9600 бит/с, и существует множество ограничений на время и скорость связи. Спутники и наземные станции должны эффективно получать данные и управлять спутниками в течение ограниченного времени связи.
К настоящему времени разработаны учебные материалы для изучения спутников, например, наземная модель CubeSat, в которой используются недорогие компоненты. Эта наземная модель включает в себя бортовой компьютер, различные датчики, камеры и т.д. в корпусе размером чуть больше 1U и реализует функции, необходимые для спутниковой системы. Другие модели, такие как CubeSat Simulator и OPUSAT-KIT, были разработаны для персонала, ответственного за разработку спутников [4].
В данном исследовании разрабатывается программное обеспечение специально для изучения спутниковой связи, с целью усовершенствования спутникового программного обеспечения с наземной системой управления CubeSat. Рассматриваемая модель основана на модели CubeSat, называемой ArtSat.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛОГО СПУТНИКА CUBESAT

1.1. Общая характеристика малого спутника CubeSat

Микроэлектроника (МЭ) и микросистемные технологии (МСТ) способствуют уменьшению размеров аппаратных компонентов спутника, как основных, таких как двигатель, система управления положением, аккумулятор, антенны, так и полезных, таких как датчики. МЭ и МСТ позволяют также уменьшить массу спутника, увеличить экономию энергии, повысить гибкость и прочность спутника. В настоящее время все электронные системы могут быть встроены в объекты, вес которых составляет всего несколько килограммов вместо нескольких тонн, а размер - порядка нескольких сантиметров вместо метров. Один из видов используемых в настоящее время малых спутников называется CubeSat [5].
В 1994 году Стэнфордский университет разработал программу для ознакомления студентов с разработкой спутников в рамках учебной программы, исходя из запроса найти недорогую или бесплатную цель для запуска [3]. Одним из первых спутников, разработанных в рамках этой программы, был спутник Orbital Pod And Launcher (OPAL). OPAL продемонстрировал концепцию носителя и системы развертывания, которая позже стала известна как P-POD [6].
Студенты и преподаватели Калифорнийского политехнического государственного университета создали прототип микроспутника, размер которого позволяет хранить до трех аппаратов на одном носителе. Таким образом, родились P-Pod и стандарт CubeSat.
P-Pod - это автономный носитель, который весит 10 кг при полной загрузке. P-Pod обеспечивает стандартный интерфейс аппарата-носителя носителя последующие системные интеграции имеют гораздо более короткие сроки и, следовательно, более низкую стоимость каждого запуска CubeSat. Чтобы минимизировать риск для космического аппарата-носителя, P-Pod спроектирован таким образом, чтобы поддерживать энергию, хранящуюся внутри, в случае возникновения проблем с содержащимися в нем CubeSat [7]. Определение и поддержание стандарта для вторичной полезной нагрузки на основе P-POD позволяет существенно снизить сложность обеспечения слота и установки дочернего аппарата.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Orbital Debris Quarterly News. Volume 17, Issue 2, April 2013: page 10 "Satellite Box Score» (as of 3 April 2013, cataloged by the U.S. Space Surveillance Network)
2. События в околоземном космическом пространстве. Август 2014 года. Выпуск 8 (51)// центральный научно-исследовательский институт машиностроения: «Остальные 15 827 КО — космический мусор»
3. Orbital Debris Quarterly News. Volume 24, Issue 1, February 2020. 16 p. URL: https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/quarterly-news/pdfs/odqnv24i1.pdf (дата обращения: 12.06.2020).
4. Kessler D.J. and Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt. Journal of Geophysical Research 83: 63. 1971.
5. Kessler D.J. Collision Cascading: The Limits of Population Growth in Low Earth Orbit. Advances in Space Research 11: 2637-2646. DOI: 10.1016/0273- 1177(91)90543-S. 1991/
6. Запуски наноспутников (исторические данные и прогноз) https://www.nanosats.eu. (дата обращения: 12.06.2020).
7. Первый краудфандинговый спутник России https://your-sector-of space.org/mayak/ (дата обращения: 12.05.2018).
8. ESA “Requirements on Space Debris Mitigation for ESA projects”, ESA/ADMIN/IPOL(2008)2, Annexes 1, Paris, 1 April 2008. 125 125
9. NASA Technical Standard Revision A with Change 1 “Process for Limiting Orbital Debris,” December 2011. 74 p. URL:https://standards.nasa.gov/standard/nasa/nasa std-871914 (дата обращения: 12.05.2020).
10. CubeSat Design Specification Rev. 13 – Интернет-ресурс: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/56e9b62337013 b6c063a655a/1458157095454/cds_rev13_final2.pdf
11. Leonard David. Cybesats: Tiny Spacecraft, Huge Payoffs Space.com’s Space Insider Columnist, September 8, 2004.
12. Heyman Jos. FOCUS: CubeSats – A Costing + Pricing Challenge. Sat Magazine. October. 2009.

Весь текст будет доступен после покупки