Разработка инженерных моделей наноспутников для обучения

Целью работы являлась разработка комплексов для подготовки специалистов аэрокосмических специальностей на основе практических тренажёров и экспериментальных установок.

Разработаны два комплекса инженерных моделей-имитаторов наноспутников и наземные станции приёма, которые позволяют проводить отработку оборудования и программного обеспечения бортовой аппаратуры и полезной нагрузки, имитацию режимов работы, программы полёта, дают возможность студентам получать практические навыки работы со сверхмалыми космическими аппаратами. Комплексы включают в себя: наземные станции приёма, 2 имитатора сверхмалых космических аппаратов, низкоорбитальный спутник BSUSAT-1, лабораторию удалённого доступа, локальный и внешний серверы для сбора и хранения данных. Собственный веб-сайт комплексов и база данных позволяет обеспечить как очное, так и удалённое проведение лабораторных работ. Полученный опыт в проведении экспериментов, обработки телеметрии и структурированная в базе данных информация используется для дальнейших разработок. Всё разработанное оборудование выполнено на основе доступной элементной базы. Это позволило снизить стоимость разработки, гибко реконфигурировать оборудование и облегчить доступ к внутренней архитектуре тренажёров для демонстрации.

Разработанные комплексы позволяют студентам практически изучать устройство сверхмалых космических аппаратов и наземных станций приёма, методы приёма и обработки телеметрии и научной информации, алгоритмы определения положения и управления спутником. Комплексы позволили проводить исследования в области разработки отдельных бортовых систем и целевой аппаратуры наноспутника и последующего их тестирования.

Полученные результаты внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий для студентов аэрокосмических специальностей. Разработанные комплексы позволяют выполнять курсовые, дипломные и магистерские работы, связанные с проектированием программно-аппаратных средств наноспутников и наземной станции, постановкой космических экспериментов, разработкой новых алгоритмов и программы полёта сверхмалого космического аппарата.

1. Khanov V.Kh., Shakhmatov A.V., Chekmarev S.A., Lepeshkina E.S. CubeSat onboard control system on the base of “system-on-chip” technology. Journal of Instrument Engineering, 2018, vol. 6, no. 5, pp. 403– 408. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-5-403-408

2. Davoli F., Kourogiorgas C., Marchese M., Patrone F. Small satellites and CubeSats: Survey of structures, architectures, and protocols. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2019, vol. 37, no. 4, pp. 343–359. DOI: 10.1002/sat.1277

3. Chin Jamie, Coelho Roland, Foley Justin, Johnstone Alicia. Basic Concepts and Processes for First-Time CubeSat Developers. CubeSat101, CaliforDesign of a CubeSat Testbednia, 2017, 96 p.

4. Shiroma W.A., Martin L.K., Akagi J.M., Akagi J.T. CubeSats: A bright future for nanosatellites. Central European Journal of Engineering, 2011, vol. 1, no. 1, pp. 9–15.

5. Tavakoli A., Faghihinia A., Kalhor A. An Innovative test bed for verification of attitude control system. IEEE Aerosp. Electron. Syst. Mag., 2017, vol. 32, no. 6, pp. 16–22. DOI: 10.1109/MAES.2017.150198

6. Hurtado J., Goecks V.G., Probe A. Low-Cost Satellite Attitude Hardware Test Bed. In Proceedings of the ASEE Annual Conference and Exposition, New Orleans, LA, USA, 26–29 June 2016.

7. Edries M.Y., Tanaka A., Cho M. Design and Testing of Electrical Power Subsystem of a Lean Satellite, HORYU-IV. Trans. Jpn. Soc. Aeronaut. Space Sci. Aerosp. Technol. Jpn, 2016, vol. 14, no. 30, pp. 7–16.

8. Volodin K.I., Krohin I.A., Pahomov S.A. Cubesat-R – yet another modular educational kit for everybody. Modern Information Technologies, 2015, vol. 21, pp. 182–184.

9. Tanaka T., Kawamura Y., Tanaka T. Overview and operations of CubeSat FITSAT-1 (NIWAKA). 6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), 2013, pp. 887–892. DOI: 10.1109/RAST.2013.6581339

10. Kalman A.E.. Overview of the CubeSat Kit. Pumpkin Inc., 2004, 30 p.

11. Barnhart D.J., Sellers J.J. EyasSat-cubed: a Lowcost On-ramp for Nanosatellite Programs. AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition, San Diego, 2013. DOI: 10.2514/6.2013-5325

12. Groenewald C.J. Attitude Determination and Control System for EyasSAT for Hardware In the Loop Application. Stellenbosch University Department of Electric and Electronic Engineering, 2014, 180 p.

13. Shalatonin I.A., Spiridonov A.A., Saechnikov V.A., Volkov A.V., Dоmbrovski V.V., Sacuta D.V., Koltun B.V., Stankevich D.S., Оrlov O.A., Graevski V.V. Hardwares and softwares testing for nanosatellites laboratory development. Complex problems of technosphere safety, State educational establishment of higher professional education Voronezh state technical University, 2016, pp. 70–73.

14. Hryny D.N., Dombrowski V.V., Koltun B.V., Saechnikov V.A. , Spiridonov A.A. , Shalatonin I.A. Software of information complex for testing onboard systems and scientific equipment of nanosatellites. Fundamental problems of system security, Sevastopol, September 13– 15, 2017, pp. 74–79.

15. Spiridonov A.A., Saechnikov V.A., Ushakov D.V., Kezik A.G., Cherny V.E., Verstakovskaya A.P., Evchik V.E. Research and educational network of ground stations for receiving and processing information from educational satellites. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. DOI: 10.1088/1757-899X/966/1/012104

16. Evchik V.E., Samonov P.V., Saechnikov V.A., Spiridonov A.A., Ushakov D.V. Attitude determination and control system for nanosatellite simulator. Materials of the II International scientific-practical conference “Computer technologies and data analysis” (CTDA’2020), April 23–24, 2020, Minsk, pp. 233–237.

17. Zielinski B.M. Effective throughput of AX.25 protocol. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, 2013, vol. 61, no. 3, pp. 639–647. DOI: 10.2478/bpasts-2013-0068

18. Paci D., Cantoni A., Allegato G. Magnetometers. Silicon Sensors and Actuators, 2022, pp. 477–501. DOI: 10.1007/978-3-030-80135-9_14

19. Hajiyev C., Soken H. In-Orbit Calibration of Small Satellite Magnetometers. Fault Tolerant Attitude Estimation for Small Satellites, 2020, pp. 277–316. DOI: 10.1201/9781351248839-17

20. Yakupoglu S., Esit M., Soken H., Hajiyev C. Backup Magnetometer-Only Attitude Estimation Algorithm for Small Satellites. IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 22, iss. 13, pp. 13544–13551. DOI: 10.1109/JSEN.2022.3175261

21. Borik S., Babusiak B., Cap I. Device for Accelerometer and Gyroscope Measurements. Information Technologies in Biomedicine, 2014, vol. 4, pp. 139–146. DOI: 10.1007/978-3-319-06596-0_13

22. LaMeres B.J. The MSP430. Embedded Systems Design using the MSP430FR2355 LaunchPad™. Springer, Cham, 2020, pp. 143–161. DOI: 10.1007/978-3-030-40574-8_4

23. Ahmad Y.A., Nazim J., Yuhaniz S. Design of a terminal node controller hardware for CubeSat tracking applications. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 152, no. 1, p. 012031. DOI: 10.1088/1757-899X/152/1/012031

24. Verstakovskaya A.P., Evchik V.E., Kezik A.G., Saechnikov V.A., Solovyov S.A., Spiridonov A.A., Ushakov D.V., Cherny V.E. Ground station for receiving telemetry and determining the orbit of an ultra-small satellites. Materials of the II International scientific-practical conference “Computer technologies and data analysis” (CTDA’2020), April 23–24, 2020, Minsk, pp. 224–228.

25. Mohammed M.A. OSI model. Guide to OSI and TCP/IP Models, 2014, pp. 5–17. DOI: 10.1007/978-3-319-05152-9_2

26. Martínez Ú., Bravo L., Gligor D., Olfe K. Attitude control research with educational nanosatellites. A: “4th Symposium on Space Educational Activities”. Universitat Politècnica de Catalunya, 2022. DOI: 10.5821/conference-9788419184405.032

27. Colombo C., Scala F., Trisolini M. CubeSat Mission Concept for Environmental Analysis in Low Earth Orbit. 72nd International Astronautical Congress (IAC 2021), Dubai, 2021, 15 p.

28. Modenini D., Bahu A., Tortora P. Nanosatelliteclass dynamic attitude simulator for hands-on aerospace control education. IFAC-PapersOnLine, 2021, vol. 54, iss. 12, pp. 38–42. DOI: 10.1016/j.ifacol.2021.11.007

29. Monowar M.I., Cho M.. Over-the-Air Firmware Update for an Educational CubeSat Project. International Review of Aerospace Engineering (IREASE), 2021, vol. 14, no. 1, p. 39. DOI: 10.15866/irease.v14i1.19832

30. Maheshwarappa M.R., Bridges C.P. Software defined radios for small satellites. NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (AHS), UK, 2014, pp. 172–179. DOI: 10.1109/AHS.2014.6880174