Методическое пособие 757

телеметрической информации графического интерфейса пользователя (ГИП) управляющих компьютеров основного и резервного модуля КДУ отображалась необработанная и обработанная телеметрия для датчиков и бортовых систем имитатора, характерная для режима работы с минимальным энергопотреблением, как показано на рис.1 для закладки телеметрии по системе ориентации основного модуля КДУ. Отображалась декодированная телеметрия данных акселерометра и гироскопа. Данные солнечных датчиков, магнитометра и температурного датчика в режиме работы с минимальным энергопотреблением не передавались.

Рис. 1. Блок-схема имитатора КА

Сначала управление имитатором КА передавалось основному модулю КДУ и с помощью команды «Перейти в штатный режим работы» в панели управления ГИП КДУ основного модуля КДУ имитатор КА переводился в штатный режим работы. После выполнения команды на панели управления имитатором ГИП КДУ приходил короткий пакет, подтверждающий выполнение команды, а окне содержания пакетов телеметрии ГИП управляющих компьютеров основного и резервного модуля КДУ отображалась принятая телеметрия по бортовым системам, научной аппаратуре и отрабатываемому оборудованию, как показано на рис. 3 для закладки телеметрия по системе ориентации резервного модуля КДУ. Данные солнечных датчиков, магнитометра, акселерометра, гироскопа и температурного датчика в этом режиме работы передаются в полном объеме.

51

управления имитатору посылают поочередно, ТМИ принимают одновременно, один из модулем может находится в резерве). При этом информация передается от управляющего компьютера КДУ на локальный сервер ПАС ЛО и доступна для АРМ ПАС ЛО через локальную сеть, внешнему пользователю она недоступна. Кроме того когда не работает резервный канал информация передается от управляющего компьютера КДУ на удаленный серверсайт данных бортовой аппаратуры имитатора КА и отрабатываемого оборудования и доступна внешнему пользователю из сети Интернет. Резервный канал связи составляет коммуникационный модуль стандарта PC/104-Plus GPS-GLONASS / GSM имитатора КА и удаленный сервер. При этом информация передается от имитатора КА на сайт данных бортовой аппаратуры имитатора КА и отрабатываемого оборудования. На рис. 4 показаны страницы сайта данных бортовой аппаратуры имитатора КА и отрабатываемого оборудования для выбора данных для телеметрии по бортовому компьютеру (рис.4, а) и закладка по загруженности 2-го ядра ЦП (рис. 4, б).

Технология резервирования системы управления, сбора и обработки, данных имитатора КА была реализована на примере бортовых компьютеров на основе промышленного компьютера СМ-720 и микроконтроллера STM32F429. При подключении к имитатору КА резервного бортового компьютера, вначале управление передавалось бортовому компьютеру на основе микроконтроллера STM32F429 (резервный бортовой компьютер). Проверялось, что в окне содержания пакетов телеметрии ГИП управляющего компьютера КДУ отображалась телеметрия, характерная для режима работы с резервным бортовым компьютером (пакет телеметрии начинается с идентификатора «Резервная»), как показано на рис. 5 (в закладке телеметрии «Связь» показано, что подключен резервный передатчик Reserve/TNCD). Также по бортовым системам в окнах для отображения параметров обработанной телеметрии отображались расшифрованные данные телеметрии для различных типов датчиков и бортовых систем.

53

(УМК), предназначенный для обучения студентов, магистрантов, аспирантов аэрокосмических специальностей факультета радиофизики и компьютерных технологий, в том числе, обучающиеся по специализациям «Спутниковые информационные системы и технологии» и «Глобальные навигационные и телекоммуникационные системы». В настоящее время он используется для выполнения студентами лабораторного практикума по дисциплинам «Основы проектирования и эксплуатации сверхмалых космических аппаратов» «Малые космические аппараты». Кроме того студенты факультета радиофизики и компьютерных технологий БГУ используют УМК для написания курсовых, дипломных работ, а магистранты - для написания магистерских диссертаций.

Моделью сверхмалого космического аппарата (СМКА) в ПАС ЛО является имитатор космического аппарата (КА), а роль наземного комплекса управления выполняет комплекс дистанционного управления (КДУ) КА. Совместно с программным обеспечением имитатор КА и КДУ составляют программно-информационный комплекс по отработке бортовых систем и научной аппаратуры, который позволяет проводить управление имитатором КА, его бортовым и отрабатываемым оборудованием в различных режимах,; формировать, привязывать ко времени выполнение и передачу команд управления на имитатор от КДУ, с проверкой выполнения в виде ответных квитанций подтверждения выполнения команд; проводить прием и обработку телеметрической информации с контролем функционирования бортовых систем и отрабатываемого оборудования; проводить отработку оборудования соответственно с разработанной программой; проводить отработку программного обеспечения (ПО) как космического аппарата и его систем, так и ПО наземного комплекса управления; проводить совместную отработку систем наземного комплекса управления; проводить обучение студентов.

Всостав УМК входит лабораторный практикум «Бортовые системы и наземные комплексы управления нано и пикоспутников», предназначенный для практического обучения студентов принципам построения и архитектуре наземного комплекса управления нано и пикоспутников, технологиям конструирования и эксплуатации сверхмалых космических аппаратов, механики космического полета, технологии определения орбит по результатам внешнетраекторных измерений, основам теории надежности применительно к классу сверхмалых космических аппаратов.

Учебнометодический комплекс на базе ПАС ЛО позволяет peшать следующие задачи: моделировать алгоритмы типовых задач движения центра масс и углового движения КА; моделировать алгоритмы типовых задач определения параметров орбиты КА по результатам траекторных измерений; проводить обучение студентов технологиям прогнозирования орбит спутников на основе аналитических и численных методов, используя начальные данные в различных форматах (начальный вектор состояния на основе данных бортового навигационного приемника, данные в формате TLE), технологиям прогнозирования сеансов связи, приема и записи их телеметрической информации (ТМИ), декодирования, первичной и вторичной обработки ТМИ реальных сверхмалых КА, формирования базы данных; проводить обучение студентов принципам построения и архитектуре комплексов управления и приема телеметрии сверхмалых КА, технологиям управления имитатором КА от КДУ и резервирования основных бортовых систем КА, комплекса дистанционного управления для обеспечения надежности управления имитатором КА; проводить обучение студентов принципам построения и архитектуре бортовых систем КА, технологии подключения к имитатору КА отрабатываемого оборудования, тестирования и проведения экспериментов по отработке оборудования сверхмалых КА.

Входе практических занятий студенты работают как с данными реальных КА (прогнозируют движение, планируют сеансы радиосвязи, принимают и обрабатывают телеметрию, анализируют работу бортовых систем и датчиков, сравнивая данные с моделями) и реальной аппаратурой и программным обеспечением наземного комплекса управления, так и с аппаратурой и ПО имитирующей работу КА (имитатор КА), наземного комплекса управле-

56

ния (основной и резервный модули КДУ) с помощью которых можно проводить отработку аппаратуры платформы и полезной нагрузки КА.

В начале практических занятий каждый студент получает название реального КА и его номер в базе данных NORAD (для работы выбираются КА телеметрию которых можно принять и декодировать). В ходе выполнения лабораторной работы «ПО слежения за КА, моделирования и прогнозирования движения центра масс КА» студенты изучают свободно распространяемое ПО PreviSat, Orbitron и Gpredict, интернет ресурсы с базами данных орбитальных параметров КА, форматы предоставления данных, системы координат и времени, исследуют движение заданного КА в реальном времени и режиме симуляции, изучают возможности ПО для задач слежения за КА, прогнозирования его движения, прогнозирования сеансов радиосвязи, подготавливают файлы для следующей работы - орбитальные данные в различных системах координат, для заданного интервала времени; начальные данные в формате TLE; расписание сеансов радиосвязи над данным местом наблюдения для заданных интервалов времени с расчетом параметров пролета и характеристик следящих систем.

При выполнении лабораторной работы «Прогнозирование движения центра масс сверхмалого космического аппарата по моделям невозмущенного и возмущенного движения студенты изучают основные алгоритмы преобразований систем координат и времени; решения уравнения Кеплера, моделирования околоземного пространства; алгоритмы прогнозирования движения центра масс в рамках аналитических моделей невозмущенного движения и усредненного возмущенного движения КА (различной степени точности) и численной модели на основе метода Эверхарта. Студенты разрабатывают программные реализации данных алгоритмов и проводят прогнозирование движения центра масс заданного сверхмалого космического аппарата по моделям невозмущенного и возмущенного движения аналитическими (SGP, SGP4) и численным методами, используя/ начальные данные в формате TLE и в виде вектора состояния. Выходными данными являются вектор состояния КА в различных системах координат, имеющих практическое применение для следящих антенных систем, для систем измерений траекторий КА, для расчета трасс, привязки данных датчиков и полезной нагрузки, также оцениваются ошибки прогнозирования в сравнении с экспериментальными данными (при их наличии), с более точными моделями (например, результаты прогнозирования по модели невозмущенного движения сравниваются с результаты прогнозирования по модели невозмущенного движения). На рис. 1 показаны результаты прогнозирования угла азимута наноспутника Grifex (одного из углов определяющего текущий вектор состояния наноспутника в топоцентрической горизонтальной СК) по модели невозмущенного движения (красная линия с чертой) и сравнение с данными прогнозирования движения центра масс КА по модели возмущенного движения модели SGP4 (зеленые точки).

Рис. 1. Результаты прогнозирования угла азимута наноспутника Grifex: Az SGP4 - модель SGP4; Az - модель невозмущенного движения

57

Входные данные для ПО задаются в формате TLE. Время моделирования 4 часа. На рис. 2 показаны ошибки прогнозирования азимута наноспутника Grifex по модели невозмущенного движения в сравнении с данными прогнозирования по модели возмущенного движения модели SGP4.

Рис. 2. Ошибки прогнозирования угла азимута наноспутника Grifex по модели невозмущенного движения

В работе «Система телеметрического контроля СМКА. Прием и обработка телеметрии СМКА» изучают особенности построения системы связи сверхмалых КА и приема телеметрии; ПО слежения за КА и приема телеметрии; задачи и этапы обработки телеметрической информации, применяемые протоколы связи, виды модуляции, рекомендуемые международные стандарты передачи телеметрии. Также знакомятся с основными задачами и работой автоматизированного рабочего места (АРМ) приема и обработки информации телеметрии и целевой аппаратуры космического аппарата, принимая и обрабатывая телеметрию заданного КА. С помощью ПО баллистико-навигационного обеспечения студенты рассчитывают сеансы связи с КА, передающим телеметрию в диапазоне частот 435 – 445 МГц, принимают пакеты телеметрии, сырую необработанную телеметрию записывают на управляющий компьютер КДУ в папку телеметрического архива необработанной телеметрии RAW_TELEMETRY в формате KSS. Программой декодера телеметрии КА декодируют полученные пакеты телеметрии. На рис. 3 показана декодированная телеметрия наноспутника Grifex на период 20 марта 2016 г.

Рис. 3. Декодированная телеметрия наноспутника Grifex

58

Декодированная телеметрия сохраняется в папку телеметрического архива первичной обработки данных телеметрии наноспутника FIRST_TELEMETRY с названием файла именем наноспутника с указанием времени приема телеметрии. Затем проводится вторичная обработка телеметрии. В качестве примера вторичной тематической обработки телеметрических данных можно привести привязку данных магнитометров КА Grifex к координатам и сравнение с модельными данными магнитного поля Земли и их программная калибровка. Космический аппарат Grifex имеет постоянный магнит в качестве элемента пассивной системы стабилизации и показания его магнитометров имеют постоянные смещения относительно измеряемого магнитного поля Земли. По экспериментальным данным рассчитываются модули магнитной индукции и сравниваются данными модели магнитного поля Земли (в качестве модели первого приближения используется дипольная модель магнитного поля Земли, более точные данные получаются с помощью модели IGRF 12), проводится калибровка показаний путем смещения постоянной составляющей по всем измерения магнитометров с учетом их взаимного положения. После чего определяется ошибка измерения модуля магнитной индукции Земли по данным магнитометров в сравнении с модельными значениями магнитной индукции Земли в данной точке орбиты, и обработанные данные сохраняются

вархпв обработанной телеметрии SECOND_TELEMETRY.

Вследующих лабораторных работах рассматривается аппаратура и ПО, имитирующая реальный КА (имитатор КА) и наземный комплекс управления. В работе «Учебный КДУ СМКА. Структура, принцип работы. Прием и декодирование информации» студенты изучают принципы построения комплексов управления и приема телеметрии сверхмалых КА; организацию связи между имитатором СМКА и учебным КДУ; архитектуру построения КДУ; структуру пакетов и формат передачи ТМИ, ПО и графический интерфейс пользователя (ГИП) КДУ. Практическая часть работы связана с изучением технологий управления имитатором КА от КДУ (командное переключение имитатора в различные режимы работы, командным отключением и подключением оборудования со стороны КДУ, управлением отдельными датчиками и оборудованием с помощью пользовательских команд), приема и обработки его телеметрии, резервирования КДУ для обеспечения надежности управления имитатором КА, интеграции нового оборудования в ПО КДУ. Добавление нового оборудования

вПО КДУ студенты изучают на примере подключения температурного датчика ―tsensor‖, предварительно подключенного к имитатору КА на физическом уровне и интегрированному

вего ПО. Результаты работы показаны на рис. 4. В работе «Имитатор СМКА. Архитектура построения. Система управления, сбора и обработки информации» студенты знакомятся архитектурой имитатора, его основными бортовыми системами, ПО имитатора КА и последовательностью работ по управлению имитатором, сбору и обработки данных бортовых систем, датчиков (отрабатываемому оборудованию), формированию пакетов и передачу на КДУ.

Рис. 4. Интеграция датчика температуры в ПО КДУ и отображение его телеметрии в окне ГИП КДУ

59

Также практически изучают возможность управления имитатором в отладочном режиме с клавиатуры, подключения отрабатываемого оборудования. Учебно-методический комплекс на базе ПАС ЛО был внедрен в учебный процесс БГУ, что позволило улучшить качество практической подготовки специалистов аэрокосмической отрасли. Разработанные ПАС ЛО позволят самостоятельно проводить эксперименты по отработке надѐжности, работоспособности и живучести бортового оборудования КА, аппаратуры целевой нагрузки и наземного комплекса, подготовку и переподготовку специалистов аэрокосмической отрасли.

Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь

I.A. Shalatonin, A.A. Spiridonov, V.A. Saechnikov, D.N. Grin, V.V. Dоmbrovski,

A.A. Dubovik, Y.V. Kazaryna

EDUCATIONAL AND METHODICAL COMPLEX ON THE BASIS OF THE SOFTWARE AND HARDWARE FOR LABORATORY TESTING OF NANOSATELLITES

AND PICOSATELLITES

The usage of software and hardware for laboratory testing of nanosatellites and picosatellites in the educational process of aerospace specialties in Belarusian State University are considered. The laboratory course on its base are described

Key words: small satellite, laboratory course, satellite simulator

Belarusian State University, Minsk, Republic of Belarus

УДК 629.76

А.А. Спиридонов, В.А. Саечников, И.А. Шалатонин, Д.Н. Гринь, В.В. Домбровский, А.А. Дубовик, Ю.В. Казарина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ ОТРАБОТКИ НАНО- И ПИКОСПУТНИКОВ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Рассматривается использование программно-аппаратных средств для лабораторной отработки нано и пикоспутников в цикле отработки оборудования. На примере тестирования навигационного приемника рассматривается взаимодействие программно-аппаратных средств

Ключевые слова: сверхмалый космический аппарат, навигационный приѐмник, наноспутник

Программно-аппаратные средства для лабораторной отработки (ПАС ЛО) нано и пикоспутников предназначены для отработки управления сверхмалыми космическими аппаратами, проведения экспериментов по отработке надѐжности, работоспособности и живучести бортового оборудования космического аппарата (КА) и аппаратуры целевой нагрузки, бортового программно-математического обеспечения, оборудования комплекса управления, подготовки и переподготовки специалистов аэрокосмической отрасли.

ПАС ЛО включают в состав: комплекс дистанционного управления (КДУ) космическим аппаратом (КА); имитатор КА; программно-информационный комплекс отработки бортовых систем и научной аппаратуры; автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора анализа и управления КА, АРМ оператора навигационно-баллистического обеспечения (НБО) полета КА, АРМ оператора технической поддержки, АРМ оператора обработки информации телеметрии и целевой аппаратуры КА; программный комплекс обработки и разборчивого озвучивания текстовых фрагментов с единицами измерения для АРМ обработки информации телеметрии и целевой аппаратуры КА.

Комплекс дистанционного управления решает задачи оперативно-технического руководства работами по приему и обработке телеметрической и научной информации, управле-

60