Як народжувався PolyITAN-1 в лабораторіях КПІ

  UY0LL 06 August 2014

Розробка і виготовлення

Супутник замислювався досить давно, хоча продуманого плану розробки як такого не було, можна сказати існувало бажання почати розробку супутника без офіційної підтримки космічного агентства України і присутності супутника на ранній стадії розробки в планах нашого Національного технічного університету України «КПІ». Бажання виникло не на рівному місці, у кафедри АЕС і інженерної теплофізики на теплоенергетичний факультет КПІ за спиною довга історія тісної співпраці з космічною галуззю. Так, для охолодження і термостабілізації електроніки на штучних супутниках «Січ» і «Океан», космічних зондах «Вега» і «Фобос», кількох німецьких і одному чеському супутниках використовувалися наші теплові труби. Але навіть силами факультету потягнути весь спектр робіт було неможливо, тому підшукувалися фахівці на інших факультетах - до розробки запрошувалися співробітники з ФЕА, ФЕЛ, РТФ, збиралася інформація, а також проводилися різні консультації на конференціях, так як це, все ж, перший супутник. Частина робіт, які можна було виконати під приводом профільних науково-дослідних пошуків факультету були пророблені наперед. Природно більшу частину надалі довелося переробляти, але досвід в такій справі зайвим не буває.


Наприклад, перший варіант корпусу супутника, обшитий сантиметровими фотопанелі, виглядав так:

Під час збору інформації, з'ясувалося, що можна уникнути безлічі проблем, привівши супутник до формату CubeSat і сплативши місце в груповому запуску з іншими супутниками. Товщина Сотопанелі зменшилася майже в три рази, механізм відстиковки виявився не потрібен, а сам супутник повинен вільно поміщатися всередині тестової конструкції, яку називають каністрою і люб'язно нам запропонували в фірмі ISIS, м Делфт (Голландія). Тестова каністра (ми вважаємо за краще називати це платформою) QuadPack для перевірки габаритів, супутник всередині повинен вільно ковзати.

poly3

Робота над тривимірною моделлю супутника не представляє собою проблему, в креслення додається лише космічна специфіка з обов'язковим зазначенням конструкторської системи координат, пов'язаної системи координат і орбітальної системи координат, а також вказується орієнтація датчиків в цих системах координат. Алгоритми орієнтації потребують правильного перетворенні результатів вимірювань за допомогою матриць переходу з однієї системи координат в іншу. Крім того тривимірна модель є найпростішим способом обчислити центр мас і моменти інерції супутника з розкритими антенами.

Плата бортового обчислювального комплексу (плата БВК на фото з встановленим GPS приймачем від «Навiс-Україна») розроблялася у нас на ТЕФе фахівцем по вбудовуваним системам, найнятим спеціально для роботи із супутником. В процесі тестування ми примудрилися кілька разів спалити СОМ-порт на GPS приймачі.

Перший варіант плати БВК:

Розробкою радіолінії займалися на радіотехнічний факультет КПІ, були закладені два радіоканалу: один працює в радіоаматорському УКХ діапазоні на частоті 437,675 МГц (довжина хвилі ~ 70 см) і служить для передачі сигналу маяка в телеграфі (CW) і телеметрії на швидкості 9600 біт / c, а інший - для передачі даних в радіоаматорському діапазоні 145 МГц.

Послухати сигнал маяка, прийнятий UY0LL:

Фото під час відпрацювання ПО плати:

Коли вона вже була робочою, особливо радувала відпрацювання прийому / передачі даних разом з платою БВК. Протягом двох місяців в лабораторії стояв «писк» від наземного приймача.

Студенти з РТФ і ТЕФа займалися установкою на даху п'ятого корпусу КПІ антенного обладнання та прокладанням кабелів з даху на сьомий поверх, де у нас знаходиться центр управління.

Наше антенне господарство:

 Плата підсистеми енергопостачання з виїмками для проводів. Розроблялася аспірантом факультету електроніки КПІ, він же обирав LiFePO3 акумулятори і писав ПО для своєї плати:

Всі плати виготовлялися на «Київському заводі Радар».

Зібравши плати разом, досить довго відпрацьовували різні алгоритми і режими супутника. Звичайний стан робочого місця: блок живлення за допомогою напіврозібраного пристрою, що імітує сонячні батареї з попаданням в тінь Землі, живить супутник з акумуляторами. Перевіряли, в яких режимах акумулятори встигають заряджатися, а в яких ні.

На фото відразу два супутника, в різних варіантах зібраності:

Для управління орієнтацією в таких малих супутниках зазвичай використовують магнітні котушки, які взаємодіють з магнітним полем Землі і повертають супутник. Цікаво, що для їх розрахунку використовувалася старенька книга більш ніж 35 річної давності авторства Коваленко А. П. «Магнітні системи управління космічними літальними апаратами" 1975 г. На етапі налагодження замість котушок припаювалися резистори з двоколірними діодами, які можна виявити на фото вище.

Якщо говорити про складність програмного забезпечення БВК, то простіше перерахувати реалізовані завдання:

  • бортові годинник реального часу з уточненням по GPS;
  • режими супутника і їх перемикання на підставі різних даних;
  • модуль роботи з циклограмами;
  • робота з приймачем GPS / ГЛОНАСС по протоколу BINR;
  • протокол MODBUS;
  • робота з енергонезалежною флеш-пам'яттю для зберігання телеметрії;
  • модуль збору та зберігання телеметрії в архіві;
  • алгоритми навігації (розрахунок та уточнення орбіти за даними GPS);
  • алгоритм орієнтації і стабілізації;
  • модуль управління котушками;
  • робота з датчиками магнітного поля, кутових швидкостей, направлення на Сонце;
  • взаємодія з платами енергопостачання і радіолінії;
  • механізм перекладу ядра в сплячий режим для зниження енергоспоживання, коли немає виконуваних завдань;

Необхідний обсяг програмного коду для потреб супутника на програмуванні його трьох плат не закінчується. Для відпрацювання навігації, орієнтації і стабілізації в Матлаб був написаний імітатор польоту супутника по орбіті з симулювання вимірювань датчиків кутових швидкостей, магнітометрів і датчиків направлення на Сонце. Наземний центр управління теж вимагає ПО для розбору і зберігання архівів повної телеметрії супутника, для створення циклограм і оправлення їх на супутник, для управління перенастроювати параметрами супутника, і все це через протокол MODBUS. Доручати програмування наземної станції студентам за 3-4 роки до запуску виявився не кращим рішенням. Код згодом один раз повністю листувався з нуля, а закінчивши навчання студенти, через зайнятість по основній роботі, не могли знайти час для підтримки створеного ними ПО. Крім того для радіоаматорів необхідна маленька програма розбору телеметрії з пакетів радіомаяка.

Датчик напрямку на Сонце. Розробкою і виготовленням займалися у нас в КПІ. Якщо в двох словах описувати пристрій датчика, то це маленька сонячна батарея з чотирма ділянками знімання струму, накрита непрозорою панеллю з двома взаємно перпендикулярними прорізами. Виходи від фотоелемента йдуть на мікросхему для посилення сигналу, який в подальшому можна виміряти АЦП на платі БВК. Після обробки знятих даних можна отримати вектор, який вказує на Сонце.

Фотоелемент нашого датчика.

Сам датчик із закритою панеллю, зі зворотного боку знаходиться мікросхема підсилювача сигналу:

Як не дивно, найбільшою проблемою для відпрацювання датчика було знайти для нього двовісний поворотний стенд з розміткою кутів. За якість освітлення відповідав наш імітатор заатмосферного сонячного випромінювання, той же що і на термовакуумних випробування нашого супутника. Про що буде трохи нижче по тексту.

Розшукуваний стенд:

У процесі калібрування не варто забувати, що планета Земля теж успішно відбиває світло і повинна враховуватися в погрішності:

Датчики для постійного відстеження вектора напрямку на Сонце повинні знаходитися на кожній грані супутника, але в нашому випадку їх менше.

Випробування

Вібровипробування. Випробування на обладнанні ще радянського виробництва. Супутник повинен витримати вібрації і не розвалитися. Інформація по перевантажень залежить від ракетоносія і в нашому випадку мала наступні значення: осьова поздовжня перевантаження - 7.5 g, поперечна перевантаження - 0.8 g, інтегральна акустичне навантаження - 140 dB.

Фото вібростенда на жаль тільки з мобільного:

Термо-вакуумні випробування. Проводилися повністю власними силами нашої кафедри на одному з підрозділів www.lab-hp.kiev.ua. В ході випробувань моделювалися умови і вплив факторів космічного простору: низької температури, вакууму, сонячного і земного випромінювання, чорноти простору, які впливають на температурний режим електронної апаратури і її надійність. Теплоенергетичний факультет якраз і спеціалізується на подібному, тому випробування проводили власними силами з докладним описом програм, методик і випуском наукових статей. PolyITAN-1 захищена від холоду космічного простору нашими Сотопанелі, що представляють собою полегшений алюмінієвий стільниковий заповнювач (стільники висотою 5 мм з фольги товщиною 0,023 мм), обклеєний з двох сторін вуглепластиковим обшивками з діелектричної полиимидной плівкою.

Сотопанелі правда з алюмінієвими обкладинками:

Імітатор сонячного випромінювання повинен забезпечувати Потужність 1400 Вт на метр квадратний, для великих об'єктів він іноді може бути схожим на панель солярію і поміщатися в вакуумну камеру разом з випробуваним об'єктом. У нашому ж випадку імітатор зовнішній. Джерело світла проникає в вакуумну камеру крізь невеликий ілюмінатор і вікно в кріопанелі - азотному екрані з температурою -193 ° С і ступенем чорноти більше 0.93.

Білі наклейки це всього лише термопари для контролю температури:

Відкрита Термовакуумная камера, видно внутрішній азотний екран з термопарами, з прорізи ілюмінатора визирає старий варіант супутника.

На фото загальний вигляд обладнання, зліва - гармата імітатор сонячного випромінювання, а вакуумну камеру з ілюмінатором складно не впізнати.

Результати випробувань показали коливання температури на гранях сонячних батарей наносупутники від мінус 32 ° С в тіні і до 65 ° С під Сонцем. Температурний режим всередині супутника був в межах допуску для апаратури. Акумулятори трималися в межах +5 ... + 9 ° С, мікроконтролер грівся від +5 до +23 ° С.

Вплив радіації. Випробування проводилися на мікротрон М-30 Інституту електронної фізики НАН України м Ужгород. Випробовувалася ступінь деградації електронних компонентів і сонячних батарей наносупутники. З того що мені розповіли, справа йде так: з мікротрона вилітають електрони з енергією 7 МеВ і вибивають з екрану гамма-випромінювання, яке вже потрапляє на працюючі плати і сонячні батареї. Опромінення тривалістю близько трьох годин (в два підходи 5578 з + 5578 с) імітує вплив радіації на протязі 18 місяців в навколоземному просторі. Плати стали давати збої до закінчення перших 1.5 годин випробувань. Ступінь деградації сонячних батарей була всього лише 3-5% і розраховувалася на підставі знімається струму до і після випробувань при однаковому світловому потоці.

Фото мікротрона М-30 з сайту ІЕФ:

Калібрування датчиків. Абсолютно всі датчики на супутнику повинні проходити калібрування. Частина з них найбільш важлива, так як використовується в орієнтації і стабілізації. Це магнітометри, датчики кутових швидкостей (ДУСи), датчики напрямку на Сонце. Решта більшою мірою відносяться до стану супутника: датчики температури, а також реалізовані на платах умовні датчики розкриття антен, заряду акумуляторів, струму від сонячних батарей, споживаного струму різних підсистем. Про датчик напрямку на Сонце було розказано вище, калібрування ж інших датчиків необхідних для орієнтації, проводилася поза КПІ. У нашому супутнику використовується дублювання, разом дванадцять датчиків ДУСов і магнітометрів. Всі вони є електронними компонентами на платі БВК. З недоліків, можна згадати крайню неточність ДУСов на малих швидкостях, а магнітометри в ідеалі повинні знаходитися зовні, а не всередині супутника, чому до їх похибки додається спотворення від конструкції супутника.

Тестування за допомогою модуля GPS / ГЛОНАСС і наших алгоритмів навігації. Компанія «навис-Україна» в місті Сміла надала нам можливість проводити випробування нашої навігаційної підсистеми на їх обладнанні. Для нас було важливим перевірити достовірність математичного розрахунку і уточнення орбіти на реальних даних від прийому GPS / ГЛОНАСС сигналу на антені і до використання отриманих розрахункових даних для орієнтації супутника. Імітатор GPS / ГЛОНАСС дозволяє симулювати сигнал, що приходить від навігаційних супутників, як ніби ми летимо по заданій нами орбіті. Такий пристрій досить дороге і до нього в комплекті має йти ПО, що переводить значення послідовних точок орбіти або ж точок наземного маршруту в файл даних для імітатора. Для вказаної ділянки часу (орбіти або маршруту) розраховуються орбіти обраних навігаційних супутників, після чого для кожного супутника розраховуються вихідні сигнали і час їх приходу на точки орбіти з урахуванням СТО. Отримані дані для імітації записуються на флешку, яку вже використовують в імітаторі сигналів GPS / ГЛОНАСС. Вихід імітатора підключають замість антени приймача і запускають на виконання.

Імітатор GPS / ГЛОНАСС:

Перевірка расчековки антен. Єдиною рухомою частиною у всій конструкції супутника є механізм, який відповідає за розкриття антен після виведення на орбіту. Сам супутник, що знаходиться всередині пускового контейнера, знаходиться у вимкненому стані. Але вже після викидання в космос, звільняється контакт харчування від акумуляторів, включений супутник з деякою затримкою повинен розкрити антени. Це досить важливий і відповідальний етап у житті будь-якого космічного апарату.

Антени нашого супутника схожі на стрічку звичайної рулетки, постійно прагне розгорнутися і випрямитися. У згорнутому стані антени утримуються обмежувачами, при подачі струму ці обмежувачі перегорають і звільняють антени.

На фото супутник з розгорнутими антенами:

Випробування расчековки антен:

Збирання і дорога до запуску

Збирання в підвальному приміщенні лабораторії разом з перевіркою всіх елементів, що підключаються зайняла більше доби. Досить відповідальна робота, виконуючи яку, потрібно за складальними кресленнями з'єднати плати, об'єднати проводами все елементи супутника в єдину систему (плати, зовнішні датчики, акумулятори, сонячні батареї, механізм расчековка антен, магнітні котушки управління), під'єднати радіо і GPS / ГЛОНАСС антени, правильно встановити на панелях датчики напрямку на Сонце, самі панелі прикрутити до супутника. І в кінці підготувати супутник до транспортування:

Контрольне зважування показало гарне число:

В дорогу

Взагалі запуск супутника вимагає сильного взаємодії з різними державними структурами та паперової тяганини з отриманням різних дозволів. Це сама нецікава і неприємна частина в його розробці, від якої на жаль неможливо позбутися. Якби супутник створювали не в столиці України, то як мінімум один співробітник жив би відрядженнями. Отримання робочих частот на державному та міжнародному рівні, а також оформлення документів для проходження митниці може розтягнутися на тривалий термін. Багато часу забирає процедура міжнародної реєстрації починаючи від «УкрДЦрадіочастот», «Укрспецзв`язку», «Укркосмоса» і до ITU. В Україні ця процедура по університетським аматорським супутникам проводилася вперше. На додаток до цього ITU вимагає починати процедуру реєстрації за два роки до запуску. Оформлення документів для митниці теж є серйозним викликом, пов'язаним з необхідністю довести відсутність державної таємниці. Втім, наявність цих документів не звільняє від розглядання нутрощів нашого супутника при перетині кордону, одну панель довелося відкрутити.

Таким супутник постав перед виконують свій обов'язок співробітниками прикордонної служби:

Вдалим моментом можна назвати неодноразовий перенесення пуску. Від початкової запланованої дати на грудень 2013 року до запуску 19 червня 2014 пройшло півроку, що дозволило нам якісно доопрацювати на супутнику пару підсистем, але дещо ми все одно ледь встигли. Питання про пропуск пуску стояло досить гостро.

Фінальна налагодження вже в Голландії перед завантаженням в платформу QuadPack:

Офіційна і обов'язкова фотосесія для супутника. Фото з сайту blog.isilaunch.com

Формат наносупутники CubeSat увазі завантаження в стандартизовану платформу QuadPack для відстиковки супутників. На фото місце в платформі під наш супутник.

Завантаження 21 супутника формату CubeSat відбувалася в офісі фірми ISIS, м Делфт в Голландії.

Тут упакований 21 супутник формату CubeSat. Після чого вони вирушили до Росії для установки на розгінний блок ракети РС-20 (Дніпро-1).

Встановлені QuadPack`и на розгінний блок.

Вид згори, супутників вже більше:

Політ

У четвер 19-го червня 2014 року, пізно ввечері 19:11 UTC з космодрому Ясний (Оренбурзька обл., Росія) стартувала ракета «Дніпро-1» на борту якої знаходилося 33 космічні апарати. Нижче ви можете подивитися відео з анімацією пуску та виведення супутників на орбіту для даного типу ракети від корейців.

Один з 33 апаратів - перший український університетський наносупутник PolyITAN-1, повністю розроблений співробітниками, студентами КПІ та ентузіастами. Центр управління - UT4UZB знаходиться на теплоенергетичний факультет. Головне - супутник був успішно виведений на орбіту о 19:32 і був успішно прийнятий на частоті 437.675 (+ \ - Доплер). Зараз працює CW маяк і телеметрія формату FSK 9k6. Про першому прийомі телеметрії читайте на форумі vhfdx.at.ua.

На сьомому поверсі п'ятого корпусу КПІ в очікуванні прольоту супутника:

poly34

Login to post comments

Популярне

Повiдомлення на форумi

  • Супутники • Re: Разное о SAT
    Запущен и уже 56 часов на орбите радиолюбительский спутник FOX1B (RadFxSat).
    Частота RX - 145.960 MHz, частота ТХ - 435.250 MHz, CTCSS - 67.0 Hz. FM репитер - U/V будет активирован в ближайшее время. Внести в Орбитрон и отслеживать его орбиту можно уже...
  • Супутники • Re: Разное о SAT
    UY5UZ писав:
    почему-то CAS-4B слышен в 2-раза громче, чем CAS-4A, работают то только неделю, а уже это заметно.

    А сейчас на CAS-4A уже пару дней вообще никого... тишина - наверное "бобик сдох". Интересно сколько протянет...
  • Супутники • Re: Разное о SAT

    Чего-то народ не активничает SSB/CW на новых спутниках...
  • Супутники • 3D sat c МКС.
    В августе планируется запуск с МКС в ручном режиме спутника размером с переносной радиоприемник. Напечатанный на 3D принтере спутник Томск-ТПУ 120 собираются запустить с МКС 17.08.2017. Спутник уже находится на борту МКС, сегодня должны быть проверены системы спутника, зарядка батареи будет...
  • Супутники • Re: PolyITAN-2
    POLYITAN-2-SAU
    1 42732U 98067MM 17148.48508267 .00020462 00000-0 30805-3 0 9992
    2 42732 51.6385 136.5157 0007231 178.2714 181.8303 15.54768613 278

    Статистика: Додано UY0LL — 29

    ...