Что могут микроспутники? М.Ю.Овчинников профессор кафедры теоретической механики, заведующий сектором проблем ориентации в Институте прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН

2 Содержание Идея, определения, понятия, классификация Идея, определения, понятия, классификация Примеры микроспутников Примеры микроспутников Примеры космических проектов на базе микроспутников Примеры космических проектов на базе микроспутников Системы ориентации и их верификация в лабораторных условиях Системы ориентации и их верификация в лабораторных условиях Проекты, разработанные с участием студентов и аспирантов МФТИ Проекты, разработанные с участием студентов и аспирантов МФТИ Перспективы глобальные и физтеховские Перспективы глобальные и физтеховские

Better, Faster, Cheaper Требуется компромисс между стоимостью, характеристиками, надежностью и временем поставки

4 Основные признаки малых спутников Внешние: Внешние: Малые размеры (до метра) Малые размеры (до метра) Малая масса (от единиц до сотен кг) Малая масса (от единиц до сотен кг) Попутный или конверсионный запуск Попутный или конверсионный запуск Относительно невысокая стоимость (простейшие спутники - от 50 тысяч $US, сложные – десятки миллионов $US) Относительно невысокая стоимость (простейшие спутники - от 50 тысяч $US, сложные – десятки миллионов $US) Внутренние: Внутренние: Иные нетрадиционные организационные подходы и идеология при разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации (например, количество экземпляров для испытаний, проблема надежности и обновляемости на орбите, безкорпусное исполнение, COTS, Интернет-communication, GlobalStar-download) Иные нетрадиционные организационные подходы и идеология при разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации (например, количество экземпляров для испытаний, проблема надежности и обновляемости на орбите, безкорпусное исполнение, COTS, Интернет-communication, GlobalStar-download)

5 Условная классификация спутников по их массе

6 Small-sized satellite classification (kg)

7 Вывод легким конверсионным носителем (Днепр, 2003г.)

8 Факторы, способствовавшие появлению малых спутников Повсеместное сокращение финансирования космоса Достижения в миниатюризации электроники, вычислительной техники, актюаторов и сенсоров, появление новых материалов Появление Components-Off-The-Shelf Интерес университетов к использованию микроспутников в образовательном процессе Вброс на рынок большого количества конверсионных носителей ОС Мир -120 тоннТНС-0 – 4.5 кг Stensat грамма

9

10 Примеры микроспутников

11 Первый советский искусственный спутник Земли ( )

12 Предтеча наноспутниковПредтеча наноспутников В марте 1965 советский космонавт Алексей Леонов впервые в мире вышел в открытый космос из корабля Восход-2 и отбросил защитную крышку от фотокамеры В марте 1965 советский космонавт Алексей Леонов впервые в мире вышел в открытый космос из корабля Восход-2 и отбросил защитную крышку от фотокамеры Признаки наноспутника у крышки: Признаки наноспутника у крышки: вес около 1 кг вес около 1 кг попутный запуск попутный запуск научный эксперимент без дополнительного финансирования научный эксперимент без дополнительного финансирования

13 UoSat Series Микроспутник UoSat-1 был создан in the Center of Satellite Engineering at the University of Surrey in Guilford, UK в 1981 году Микроспутник UoSat-1 был создан in the Center of Satellite Engineering at the University of Surrey in Guilford, UK в 1981 году Масса спутника – 50 кг. Масса спутника – 50 кг. Инициатор работ и бессменный технический директор – Sir Martin Sweeting Инициатор работ и бессменный технический директор – Sir Martin Sweeting Сейчас – это всемирно известная компания Surrey Satellite Technology Limited. Выведено на орбиту 25 спутников Сейчас – это всемирно известная компания Surrey Satellite Technology Limited. Выведено на орбиту 25 спутников

14 MissionYearLaunchPlatformProgramme BEIJING-12005CosmosBespokeTurnkey TopSat2005CosmosBespokeTurnkey UK-DMC2003CosmosMicroSat-100Turnkey NigeriaSat-12003CosmosMicroSat-100Knowhow Transfer BILSAT-12003CosmosMicroSat-100Knowhow Transfer AlSAT-12002CosmosMicroSat-100Knowhow Transfer PICOSat2001AthenaMicroSat-70Turnkey Tsinghua-12000CosmosMicroSat-70Knowhow Transfer SNAP-12000CosmosSNAPSNAP nanosatR&D TiungSat-12000DneprMicroSat-70Knowhow Transfer UoSAT DneprMiniSat-400R&D Clementine1999ArianeMicroSat-70Turnkey FASat-B1998ZenitMicroSat-70Knowhow Transfer Thai-Paht1998ZenitMicroSat-70Knowhow Transfer CERISE1995ArianeMicroSat-70Turnkey FASat-A1995TsyklonMicroSat-70Knowhow Transfer HealthSat-21993ArianeMicroSat-70Turnkey PoSAT-11993ArianeMicroSat-70Knowhow Transfer KITSAT-11992ArianeMicroSat-70Knowhow Transfer S80/T1992ArianeMicroSat-70Turnkey UoSAT-51991ArianeMicroSat-70R&D UoSAT-31990ArianeMicroSat-70R&D UoSAT-41990ArianeMicroSat-70R&D UoSAT-21984DeltamicrosatR&D UoSAT-11981DeltamicrosatR&D

15 Радиолюбительский наноспутник AMSAT-OSCAR-16 Catalog Number: AMSAT-OSCAR-16 Catalog Number: DOVE-OSCAR-17 Catalog Number: DOVE-OSCAR-17 Catalog Number: WEBERSAT-OSCAR-18 Catalog Number: WEBERSAT-OSCAR-18 Catalog Number: LUSAT-OSCAR-19 Catalog Number: LUSAT-OSCAR-19 Catalog Number: Launch: 22 February, 1990 Launch: 22 February, 1990 Period: Minutes Orbit: Polar LEO (Low Earth Orbit) Altitude: 800 km (497 miles) Size: 23 cm square (9 inches) Weight: 9 Kg Passive magnetic attitude control system

16 Surrey Nanosatellite Application Platform -1 (2000)

17

18 Artemis Project Команда аспиранток из Santa Clara University (CA) разработала 7 пикоспутников для запуска из Stanford Universitys OPAL (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher) Команда аспиранток из Santa Clara University (CA) разработала 7 пикоспутников для запуска из Stanford Universitys OPAL (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher) The Artemis Team (back row, left to right) Amy Slaughterbeck, Dina Hadi, Shannon Lyons; (front row, left to right) Theresa Kuhlman, Adelia Valdez, Maureen Breiling, Corina Hu

19 Artemis picosatellite for OPAL Orbiting Picosatellite Automatic Launcher (OPAL) несет в себе три пикоспутника Orbiting Picosatellite Automatic Launcher (OPAL) несет в себе три пикоспутника

20 Отечественные микроспутники Микроспутник Искра-5 разработки МАИ выведен на орбиту в 1983г. совместно с основным спутником Метеор-Природа Масса спутника – около 50 кг. Гравитационная система ориентации со сферическим магнитным демпфером. Длина штанги – 12 м

21 Glass Satellites Первый стеклянный спутник-демонстратор (корпорация Aerospace, US, декабрь 2004г.) содержит семь шаблонных пластин и монтажную плату с электроникой навигации и связи. Диаметр спутника - 10 см, а толщина – менее 1.3 см. Вес вместе с топливом на борту, составляет всего 330 граммов Первый стеклянный спутник-демонстратор (корпорация Aerospace, US, декабрь 2004г.) содержит семь шаблонных пластин и монтажную плату с электроникой навигации и связи. Диаметр спутника - 10 см, а толщина – менее 1.3 см. Вес вместе с топливом на борту, составляет всего 330 граммов

22 University of Tokyos Ongoing Student- Lead Pico-Satellite Projects

23 PRISM

24 PRISM Details

25 CUTEs CUTE-1, 20cm x 10cm x 10cm, 1 kg launched in 2003 CUTE-1.7+APD, 20cm x 10cm x 10cm developed and built by the second generation of students of the Tokyo Institute of Technology, Matunaga Laboratory for Space System (LSS), launched on Tokyo Institute of Technology, Matunaga Laboratory for Space System (LSS) Status report: On our visible pass 2006/4/11 7:00 and 8:00UTC, we verified Cute-1.7 has been transmitting coutinuous carrier wave and could not control the satellite. We think that onboard receiver seems to be not work.

26 Cute APD Project - ADCS Gyro Sensor (ADXRS150), 7.0×7.0×3.0[mm], ±150[deg/s] Magnetic Sensor (HMR2300), ±2[gauss], 75×30×7.0[mm] Sun Sensor (S6560) ±50[deg], 6.0×6.0×2.5[mm] MTQ (Magnetic Torquer), 58.5×78.3×5[mm], 10[mA], 540[Ω], 46.3[mW], 0.045[A m2]

27 Примеры космических проектов с использование микроспутников

28 Типы миссий Одиночный полет – один спутник Созвездие (Constellation mission) – группа спутников, летящих по отдельным орбитам, объединенные единой задачей, но управляемые раздельно. Движение происходит по разным орбитам или по одной, но со сдвигом по времени Групповой полет (Formation Flying mission) – группа спутников, объединенных одной задачей и осуществляющих полет на близком друг от друга расстоянии. Реализуется управление взаимным положением спутников.

29 University Nanosatellite Program С 1998 по 1999 UNP выбрала 10 американских университетов для разработки наноспутников университетского класса с предоставлением средств запуска С 1998 по 1999 UNP выбрала 10 американских университетов для разработки наноспутников университетского класса с предоставлением средств запуска Выбраны для реализации: Выбраны для реализации: Ionospheric Observation Nanosatellite – Formation (3 спутника) Ionospheric Observation Nanosatellite – Formation (3 спутника) Three Corner Satellites Three Corner Satellites Electromagnetic Radiation and Lighting Detection (2 спутника) Electromagnetic Radiation and Lighting Detection (2 спутника) Constellation Pathfinder Mission Constellation Pathfinder Mission Solar Blade Heliogyro Nanosatellite Solar Blade Heliogyro Nanosatellite

30 Japanese first Mars explorer NOZOMI, the total mass budgeted for the science instruments is 33 kg the total mass of Nozomi at launch including 282 kg of propellant was 540 kg

31 Траектория полета к Марсу

32 SMART-1 ESA кг (из них 83 кг ксенона – топливо для ионного двигателя малой тяги) Стоимость миссии $85 млн Thrust = 70mN Specific Impulse >1600s Discharge Voltage = 350V Discharge Current = 4.28A Lifetime = 7000h

33 Траектория движения к Луне

34 Пример FF-миссии Ionospheric Observation Nanosatellite – Formation (3 спутника) Ionospheric Observation Nanosatellite – Formation (3 спутника) Utah State University + University of Washigton + Virginia Politechnic Institute 2004

35 Область наших интересов

36 Необходимость решения триединой задачи, объединяющей: Область наших персональных научных интересов Область наших персональных научных интересов Новизну и интерес для процесса обучения Новизну и интерес для процесса обучения Источник финансовой поддержки Источник финансовой поддержки

37 Наш выбор Исследование динамики сложных механических систем Исследование динамики сложных механических систем Выбор и разработка методов исследования таких систем Выбор и разработка методов исследования таких систем Аналитические Аналитические Численные Численные Лабораторные полунатурные Лабораторные полунатурные Натурные испытания Натурные испытания

38 Чуть-чуть истории е годы: первые ИСЗ (83 кг и 8 кг), система ориентации отсутствует е годы: первые ИСЗ (83 кг и 8 кг), система ориентации отсутствует 60-е годы: спутники типа TRANSIT, ЭЛЕКТРО, AZUR, ESRO-1A, -1B, пассивные системы ориентации 60-е годы: спутники типа TRANSIT, ЭЛЕКТРО, AZUR, ESRO-1A, -1B, пассивные системы ориентации 70-е годы: EXOS-A, OSCAR-8, MAGION-1 70-е годы: EXOS-A, OSCAR-8, MAGION-1 80-е годы: UoSat-1, ИСКРА-5, MAGIONs 80-е годы: UoSat-1, ИСКРА-5, MAGIONs 90-е годы: UoSats, СТАРТ-1, BADR-1, ASTRID, PoSat, BremSat, TUBSat 90-е годы: UoSats, СТАРТ-1, BADR-1, ASTRID, PoSat, BremSat, TUBSat 3-е тысячелетие: программа НАСА поддержки 46-ти университетов США, REFLECTOR, проекты малых спутников Италии, Тайваня, Чили, Малазии, Франции, Великобритании, Германии, ЮАР, Аргентины, Пакистана, Швеции, Дании, России – пассивные и активные системы ориентации 3-е тысячелетие: программа НАСА поддержки 46-ти университетов США, REFLECTOR, проекты малых спутников Италии, Тайваня, Чили, Малазии, Франции, Великобритании, Германии, ЮАР, Аргентины, Пакистана, Швеции, Дании, России – пассивные и активные системы ориентации

39 Дилемма ЗА - Малые спутники - это эффективный subj для обучения студентов современным технологиям ЗА - Малые спутники - это эффективный subj для обучения студентов современным технологиям ПРОТИВ - Физтех - не инженерный ВУЗ и подходящая материальная база для самостоятельного создания и вывода на орбиту малых спутников отсутствует, тем более, она отсутствует в Институте прикладной математики ПРОТИВ - Физтех - не инженерный ВУЗ и подходящая материальная база для самостоятельного создания и вывода на орбиту малых спутников отсутствует, тем более, она отсутствует в Институте прикладной математики

40 Пути разрешения дилеммы Участие в фундаментальных проектах при поддержке РФФИ, Программы поддержки научных школ РФ (постановки задач, разработка моделей, математическое моделирование) Участие в фундаментальных проектах при поддержке РФФИ, Программы поддержки научных школ РФ (постановки задач, разработка моделей, математическое моделирование) Участие в технологических проектах при поддержке Агентства по науке и инновациям РФ (математическое моделирование, разработка и ассемблирование прототипов элементов систем ориентации, разработка и изготовление лабораторного оборудования, лабораторные испытания прототипов) Участие в технологических проектах при поддержке Агентства по науке и инновациям РФ (математическое моделирование, разработка и ассемблирование прототипов элементов систем ориентации, разработка и изготовление лабораторного оборудования, лабораторные испытания прототипов) Участие в прикладных проектах, в рамках которых мы отвечаем за идеологию и математическое моделирование системы, алгоритмы управления, а промышленность (Российская или зарубежная) – разрабатывает, изготавливает систему и/или спутник, а затем и выводит его на орбиту Участие в прикладных проектах, в рамках которых мы отвечаем за идеологию и математическое моделирование системы, алгоритмы управления, а промышленность (Российская или зарубежная) – разрабатывает, изготавливает систему и/или спутник, а затем и выводит его на орбиту

41 Системы ориентации и их верификация в лабораторных условиях

42 Approaches to orient a satellite in given angular position (active) Functional scheme Functional scheme sensors sensors algorithms of attitude determination algorithms of attitude determination algorithms of control algorithms of control controllers controllers actuators actuators Requirements Requirements hardware (sensors, on-board computer, actuators) hardware (sensors, on-board computer, actuators) software (algorithms of attitude determination and control) software (algorithms of attitude determination and control) power source power source

43 Restoring torque development

44 Damping torque development

45 Three-axis ACS with magnetic torques Allows to provide a satellite with three-axis arbitrary orientation mode Allows to provide a satellite with three-axis arbitrary orientation mode Several degrees accuracy (mostly depends on Geomagnetic field model precision) Several degrees accuracy (mostly depends on Geomagnetic field model precision) B

46 Лабораторный стенд, создаваемый в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН

47 Three-axis ACS with fly-wheels Allows to provide a satellite with three-axis arbitrary orientation mode Allows to provide a satellite with three-axis arbitrary orientation mode Several tens of angular minutes accuracy Several tens of angular minutes accuracy

48 Этапы решения задачи Идея, формализация, постановка Идея, формализация, постановка Выбор методов исследования (обычно: аналитика, компьютер; реже: полунатурное лабораторное моделирование; еще реже: летные испытания и обработка результатов – последнее – это кайф) Выбор методов исследования (обычно: аналитика, компьютер; реже: полунатурное лабораторное моделирование; еще реже: летные испытания и обработка результатов – последнее – это кайф) Исследование динамики, разработка алгоритмов, макетная реализация Исследование динамики, разработка алгоритмов, макетная реализация Испытания на лабораторном стенде Испытания на лабораторном стенде Реализация (совместно с промышленностью) Реализация (совместно с промышленностью)

49 Пример Исследование заряженных частиц Исследование заряженных частиц Ориентация по магнитному полю Ориентация по магнитному полю Пассивная система ориентации Пассивная система ориентации Аналитика Аналитика Численное исследование Численное исследование Испытания на стенде Испытания на стенде Запуск на орбиту Запуск на орбиту

50 Примеры проектов малых спутников, подлежащие нашему рассмотрению Российский (по заказу США) наноспутник REFLECTOR с пассивной гравитационной системой ориентации Российский (по заказу США) наноспутник REFLECTOR с пассивной гравитационной системой ориентации Шведский (с участием США и России) наноспутник MUNIN с пассивной магнитной системой ориентации Шведский (с участием США и России) наноспутник MUNIN с пассивной магнитной системой ориентации Пакистанский микроспутник BADR-B с полуактивной гравитационной системой ориентации Пакистанский микроспутник BADR-B с полуактивной гравитационной системой ориентации Первый российский наноспутник ТНС-0 с магнитной системой ориентации Первый российский наноспутник ТНС-0 с магнитной системой ориентации

51 Small satellite ACS analyzed and developed by the Russian Partner Swedish (IRF) 6-kg nanosatellite MUNIN ( ) Russian (RNII KP) 7-kg nanosatellite TNS-1 (2007) Russian (RNII KP) 4-kg nanosatellite TNS-0 (2005) Russian (NII PP) 7-kg nanosatellite REFLECTOR ( ) Pakistanean (SUPARCO) 45-kg microsatellite BADR-B ( ) Russian (MAI) 50-kg microsatellite ISKRA-5 (1983) Russian (Arsenal Enterprise) 20-kg space booster Tor

52 Наша команда Профессор – 2 Профессор – 2 Доцент -1 Доцент -1 Мнс – 4 Мнс – 4 Аспирант – 3 Аспирант – 3 Студент (6-й курс) – 2 Студент (6-й курс) – 2 Студент (5-й курс) – 2 Студент (5-й курс) – 2 Студент (4-й курс) – 4 Студент (4-й курс) – 4 Студент (3-й курс) – 2 Студент (3-й курс) – 2

53 Наноспутник REFLECTOR Назначение: общее - спутник-мишень для юстировки и калибровки телескопов с лазерной подсветкой, специальное для нас – обеспечение трехосной ориентации полностью пассивного объекта с последующем определением фактического углового движения при полном отсутствии датчиков ориентации

54 Описание наноспутника REFLECTOR масса – 7.72 кг масса – 7.72 кг трехосная пассивная гравитационная СО трехосная пассивная гравитационная СО штанга + 4 доп. груза + 18 гистерезисных стержней штанга + 4 доп. груза + 18 гистерезисных стержней 32 ретрорефлектора 32 ретрорефлектора выведен на орбиту 10 декабря 2001г. р/н Зенит-2 совместно с КА Метеор-3М на солнечно- синхронную орбиту (h=1018 км, i=98 град) выведен на орбиту 10 декабря 2001г. р/н Зенит-2 совместно с КА Метеор-3М на солнечно- синхронную орбиту (h=1018 км, i=98 град) Разработчик спутника – Научно- исследовательсткий институт прецизионного приборостро- ения, системы ориентации – Институт прикладной матема- тики им.М.В.Келдыша РАН Разработчик спутника – Научно- исследовательсткий институт прецизионного приборостро- ения, системы ориентации – Институт прикладной матема- тики им.М.В.Келдыша РАН

55 Упрощенные уравнения углового движения Линеаризованные в окрестности положения уравнения движения без учета демпфирующего момента

56 Прогнозируемое движение спутника Аналитическое решение при малых углах с учетом линейной намагниченности гистерезисных стержней Аналитическое решение при малых углах с учетом линейной намагниченности гистерезисных стержней Численное решение Численное решение

57 Схема наблюдения за спутником

58 Состав измерительной информации Зависимости расстояний от видимых в момент измерения ретрорефлекторов до картинной плоскости в течение двух сеансов измерений

59 Обработка измерений с помощью дискретного преобразования Фурье Вручную производится оцифровка графиков с одновременной фильтрацией измерений

60 Обработка измерений с помощью дискретного преобразования Фурье Из файла считываются данные и интерполяцией определяются значения в точках, расположенных на равном расстоянии друг от друга. (Рис. слева - сплошная линия). Далее данные подвергаются дискретному преобразованию Фурье и берется максимум модуля спектра (кружки справа), аппроксимированного по формуле Найквиста-Котельникова (сплошная линия на рисунке справа) Аргументом, при котором достигается максимум, и будет искомая частота. Иногда гармоника, отвечающая за периодическую структуру, не является наиболее интенсивной, поэтому нужно удостовериться, что выделенный максимум принадлежит нужной гармонике. Полученный дискретный спектр обнуляется во всех точках кроме точки, наиболее близкой к максимуму (черный кружок), и подвергается обратному дискретному преобразованию Фурье (пунктир слева).

61 Результат обработки Определение скорости прецессии Обработка 32 кадров сессий за 50 дней (кружки на рисунке). Линейная интерполяция дает выражение с декрементом затухания Асимптотическими методами был получен декремент затухания:

62 Passive MACS Swedish scientific nano-satellite MUNIN (launched by US Delta-II rocket) Swedish scientific nano-satellite MUNIN (launched by US Delta-II rocket) 6 kg weight 6 kg weight 1900x700 km orbit 1900x700 km orbit CCD-camera and partical detectors CCD-camera and partical detectors degrs accuracy (required) degrs accuracy (required) Passive magnetic ACS Passive magnetic ACS Keldysh Institute of Applied Mathematics was responsible for development and fabrication of the attitude control system Keldysh Institute of Applied Mathematics was responsible for development and fabrication of the attitude control system

63 Problems to be solved Determination of parameters of the ACS and fabrication of damper Determination of parameters of the ACS and fabrication of damper Development of attitude determination methods, algorithms and software to use the flight data available Development of attitude determination methods, algorithms and software to use the flight data available Flight data processing for interpretation of payload measurements and for the student training Flight data processing for interpretation of payload measurements and for the student training

64 Magnetic Orientation Concept Geomagnetic field is similar to the dipoles one Behavior of a satellite equipped with a permanent magnet is similar to behavior of the compass needle

65 Mathematical Model of the Attitude Motion (Euler & Poisson Equations)

66 MUNIN Nanosatellite ACS composition: strong permanent magnet strong permanent magnet six soft-magnetic hysteresis rods located in two lateral side planes six soft-magnetic hysteresis rods located in two lateral side planes

67 Attitude Determination Methods Sources of information: Two one-axis magnetometers, Two one-axis magnetometers, Six solar arrays current output, Six solar arrays current output, Star picture of CCD- camera, Star picture of CCD- camera, Earth's limb in the picture Earth's limb in the picture Attitude determination methods: Local (magnetic field measurements, sunlight & magnetic field measurements, star recognition, limb angles recognition), Statistical (sources above all together or individually)

68 Magnetometer Measurements Usage

69 Magnetometer & Sun Sensor Measurement Data Usage

70 CCD-camera Picture Usage Scheme of determination of the direction to the star (denoted by *) with regard to the chip sensitive plane via position of its image and focal distance of the lens. The dimention of the chip is equal to 240x320 pixels.