Универсальный блок полезной нагрузки для наноспутников формата CubeSat
UNIVERSAL PAYLOAD UNIT FOR CubeSat FORMAT NANOSATELLITES

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для проведения научных исследований на борту наноспутников формата CubeSat. Устройство позволяет осуществлять исследование электрических свойств новых приборов микро- и наноэлектроники в условиях космоса.
Известен способ оценки стойкости элементов цифровой электроники к эффектам сбоев от воздействия единичных частиц /1, патент RU 2657327 С1/. Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц различных энергий космического пространства. Также известен способ оценки стойкости цифровой электронной аппаратуры к воздействию ионизирующих излучений 12, патент RU 2578053 С1/. Изобретение относится к области исследования радиационной стойкости полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем, и в большей степени интегральных микросхем (ИМС), с последовательной и комбинационной обработкой логических сигналов. Данные способы затрагивают лишь часть факторов космического пространства, оказывающих влияние на свойства полупроводниковых приборов. Однако, наиболее эффективно, с учетом воздействия всех факторов, можно исследовать работу приборов микро- и нано- электроники непосредственно в космосе. Известно устройство и способ исследования воздействия факторов космического пространства на вещества и микроорганизмы /3, патент RU 2603817 С1/ за счет экспонирования этих объектов в открытом космосе и возвращения их после экспонирования на Землю для исследований. Здесь предлагается возвращать объекты исследования на Землю, что требует привлечения дополнительных технических и финансовых средств.
Ближайшим аналогом изобретения является универсальная платформа полезной нагрузки для малых спутников стандарта CubeSat, сведения о которой опубликованы в журнале Известия вузов /4, Приборостроение. Т. 61, №5. 2018 ("Универсальная платформа полезной нагрузки для малых спутников стандарта CubeSat" / Д.В. Фомин, Д.О. Струков, А.С.Герман // Изв. вузов, приборостроение. Т. 61, №5. 2018. - С. 185-189. DOI 10.17586/0021-3454-2018-61-5-446-449)/. В состав платформы входят: управляющий AVR-микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство для временного хранения данных, мультиплексор для подключения датчиков, входной усилитель, стабилизатор напряжения, часы реального времени и источник опорного напряжения. Данная платформа полезной нагрузки предназначена для проведения научных экспериментов студентами вузов по исследованию новых приборов микро- и нано- электроники, испытанию прототипов полупроводниковых приборов и для проведения дистанционного зондирования Земли.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании универсального блока полезной нагрузки для наноспутников формата CubeSat для исследования разработчиками полупроводниковых приборов влияния факторов космического пространства на электрические свойства приборов микро- и наноэлектроники на околоземных орбитах без возврата их на Землю. Устройство должно отвечать повышенным требованиям к надежности при использовании сложных алгоритмов программирования, высокой отказоустойчивости, возможностям исследовать широкий спектр приборов.
Необходимость решения такой технической проблемы продиктована ограниченным количеством приборов, максимально имитирующих факторы космического пространства (несколько единиц в РФ) для исследования новых полупроводниковых приборов, предназначенных для космической отрасли, в то время как одним пуском ракеты-носителя попутной нагрузкой можно доставить на орбиту 30-40 наноспутников с образцами и провести исследования in situ.
В предлагаемом нами изобретении исследование воздействия факторов космического пространства на образцы осуществляется непосредственно в космосе.
Устройство состоит из двух модулей, выполненных на отдельных платах. Больший по размеру, аналитический модуль, содержит систему управления, анализа и взаимодействия с внешними устройствами. Меньший по размеру модуль содержит датчики и исследуемые образцы, подключается к первому модулю независимой шиной.
Отличие от ближайшего аналога заключается:
1. В возможности применять более сложные алгоритмы программирования за счет использования в качестве основного микроконтроллера (МК) 32-разрядного STM-микроконтроллера вместо 8-разрядного AVR-микроконтроллера.
2. В повышении отказоустойчивости устройства за счет добавления вспомогательного микроконтроллера (ВМК) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ2) с резервной копией программы основного микроконтроллера, для перепрограммирования последнего в случае программного сбоя на орбите.
3. В расширении амплитудного спектра входных сигналов, обрабатываемых МК, путем введения малошумящих операционных усилителей с электронно-регулируемым коэффициентом усиления.
4. В оптимизации состава универсального блока полезной нагрузки, путем исключения из него системы стабилизации напряжения, дублирующей работу системы стабилизации напряжения наноспутника.
Сущность изобретения заключается в том, что в универсальном блоке полезной нагрузки для наноспутников формата CubeSat, состоящем из модуля датчиков и образцов (МДиО), установленного снаружи корпуса наноспутника на панели крепления, и связанного с ним гибким шлейфом аналитического модуля, установленного внутри корпуса наноспутника по стандарту РС/104, включающем микроконтроллер (МК), связанный прямой и обратной связями с бортовым компьютером (БК), мультиплексором и входным усилителем (УМиУ), постоянным запоминающим устройством (ПЗУ1), а также часами реального времени (ЧРВ) и источником опорного напряжения (ИОН), выходы которых связаны со входами микроконтроллера, микроконтроллер (МК) дополнительно связан прямой и обратной связями со вспомогательным микроконтроллером (ВМК), который, в свою очередь, связан прямой и обратной связями с дополнительным постоянным запоминающим устройством (ПЗУ2), а бортовой компьютер дополнительно связан прямой и обратной связями с приемно-передающим устройством (ППУ) и модулем питания (МП), причем выход последнего связан со входом источника опорного напряжения (ИОН).
В данном устройстве реализация структурной схемы построена с использованием: микроконтроллера типа STM32, управляющего процессом сбора и первичного анализа данных, отвечающего за взаимодействие с бортовым компьютером наноспутника; вспомогательного микроконтроллера и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ2) с резервной копией программы основного микроконтроллера для перепрограммирования последнего в случае программного сбоя на орбите; малошумящих операционных усилителей с электронно-регулируемым коэффициентом усиления для обеспечения возможности работы МК с широким спектром по амплитуде входных сигналов; мультиплексоров масштабирования для реализации изменения количества датчиков и/или образцов в зависимости от задач эксперимента; развитой системы интерфейсов для обеспечения подключения полезной нагрузки к бортовым компьютерам различного типа по протоколам UART, SPI, I2C и пр.; постоянного запоминающего устройства (ПЗУ1) для долговременного хранения экспериментальных данных; часов реального времени для синхронизации проводимых измерений; источника опорного напряжения для обеспечения точности измерений.
Устройство представлено на следующих чертежах: фиг. 1 - общий вид наноспутника формата CubeSat 3U с установленным универсальным блоком полезной нагрузки, фиг. 2 - вид аналитического модуля (больший по размеру) и модуля датчиков и образцов (меньший по размеру) универсального блока полезной нагрузки, фиг. 3 - структурная схема универсального блока полезной нагрузки в составе наноспутника, фиг. 4 - панель крепления модуля датчиков и образцов.
Предлагаемый блок устанавливается в наноспутник следующим образом (см. фиг. 1): модуль датчиков и образцов 1 с помощью панели крепления 4 размещается на внешней стороне корпуса наноспутника формата CubeSat 3 заподлицо с его гранью, в то время как аналитический модуль 2 располагается внутри корпуса 3, там же где размещаются служебные блоки наноспутника. Между собой модули блока полезной нагрузки соединяются гибким шлейфом (см. фиг. 2).
Структурная схема (см. фиг. 3) определяет основные функциональные части устройства, их назначение и взаимосвязи. Аббревиатуры на структурной схеме устройства означают: МДиО - модуль датчиков и образцов, УМиУ - устройство мультиплексирования и усиления сигналов, МК - основной микроконтроллер, ПЗУ1 - постоянное запоминающее устройство №1, ВМК - вспомогательный микроконтроллер, ИОН - источник опорного напряжения, ЧРВ - часы реального времени, ПЗУ2 - постоянное запоминающее устройство №2, БК - бортовой компьютер наноспутника, ППУ - приемно-передающее устройство, МП - модуль питания.
Устройство работает следующим образом.
Модуль датчиков и образцов (см. фиг. 3 здесь и далее) или МДиО, содержит исследуемые образцы приборов микро- и нано- электроники, а также датчики (их количество и тип определяются условиями эксперимента). Сигналы от образцов и датчиков поступают в устройство мультиплексирования и усиления сигналов (УМиУ), где отбираются и усиливаются по амплитуде до уровней, достаточных для анализа основным микроконтроллером (МК). Микроконтроллер управляет процессом сбора и первичного анализа данных, их сортировкой, формированием кадра взаимодействия с бортовым компьютером (БК) наноспутника. Данные маркируются с помощью часов реального времени (ЧРВ), считываются бортовым компьютером (БК) наноспутника и отправляются на Землю с помощью приемно-передающего устройства (ППУ).
В случае сбоя программного кода основного МК предусмотрено его перепрограммирование непосредственно на орбите с помощью вспомогательного микроконтроллера (ВМК) и резервной копии программы МК, хранящейся в ПЗУ2. Накопление экспериментальных данных и их долговременное хранение осуществляется в ПЗУ1, из которого возможна произвольная выгрузка данных по запросу с Земли. Точность экспериментов поддерживается источником опорного напряжения (ИОН), который подключен к модулю питания (МП) малого космического аппарата.
Технический результат использования полезной модели заключается в том, что позволяет на платформе наноспутников формата CubeSat осуществлять исследование разработчиками полупроводниковых приборов влияния факторов космического пространства на электрические свойства широкого спектра приборов микро- и нано- электроники непосредственно в космосе без их возврата на Землю. В возможности применять сложные алгоритмы программирования при постановке экспериментов, а также в их надежности благодаря повышенной отказоустойчивости модели.
Список использованных источников:
1. Патент №2657327
2. Патент №2578053
3. Патент №2603817
4. "Универсальная платформа полезной нагрузки для малых спутников стандарта CubeSat" / Д.В. Фомин, Д.О. Струков, А.С.Герман // Изв. вузов, приборостроение. Т. 61, №5. 2018. - С. 185-189. DOI 10.17586/0021-3454-2018-61-5-446-449