Бортовой высокоскоростной радиопередатчик для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat

Полезная модель относится к космической технике, а именно к бортовым космическим высокоскоростным радиопередатчикам, и может быть использована в составе малых космических аппаратов формата CubeSat различного назначения.  Более конкретно полезная модель относится к бортовым космическим высокоскоростным радиопередатчикам Х-диапазона, предназначенных для передачи большого объёма данных со скоростями свыше 1 Мб/сек.
Cubesat – размерный стандарт микро и наноспутников Земли, предложенный в 1999 году в США. Особенность Cubesat – фиксированные габариты, которые меняются кратно, т.е. Cubesat 1U (unit) – это куб размером 10х10х10 см, 2U – это два куба в составе одного спутника размером 10х10х20 см, 3U – 10х10х30 см. Пока достигнутый предел – 6U или 10х20х30 см.
В настоящем описании понятия «спутник» и «космический аппарат» используются в качестве синонимов.
Применение столь малых космических аппаратов  по всему миру растёт с каждым годом вместе с ростом спектра решаемых ими задач. Под стандарты Cubesat разработаны многие конструкционные элементы, батареи, платы, датчики, системы коммуникации.
Очевидно, что использование передатчика на наноспутнике формата Cubesat имеет ряд особенностей, не позволяющих использовать известные решения, а именно:
– ограничения по массогабаритным характеристикам;
– ограничения по энергетике;
– ограничения по обеспечению теплового режима.
Еще одной проблемой при выборе трансивера является ограниченность частотного спектра. Весь спектр частот четко поделен между различными службами и для того, чтобы использовать какую-то полосу частот требуется специальное разрешение от контролирующих эту сферу государственных органов.
Из уровня техники известно использование в микроспутниках STX - передатчика S-диапазона, предназначенного для миссий CubeSat, который  был частью миссии UKube-1, первого космического аппарата Британского Национального Космического Агентства.
Известен  передатчик  S-диапазона ISIS TXS совместимый со стандартом CubeSat,  работающий на частотах S-диапазона. Передатчик  поддерживает схемы модуляции BPSK или GMSK и обеспечивает скорость передачи данных до 100 кбит/с при низком энергопотреблении.
Известен передатчик NanoCom AX100, характеризующийся модульной конструкцией и позволяющий настраивать входящие и исходящие частоты. Миниатюрный форм-фактор позволяет использовать трансивер для различных космических миссий.
Рассмотренные трансиверы работают в разных диапазонах частот, но можно видеть, что они имеют общие характеристики, которые позволяют им выполнять различные миссии в составе бортового радиотехнического комплекса малых космических аппаратов. Это обязательно малый форм-фактор, малое энергопотребление и достаточная выходная мощность порядка 30 дБм, для связи с низкой околоземной орбитой.
Существенным недостатком таких передатчиков является невозможность широкого использования частотного диапазона. Для таких изменений необходимо полностью модифицировать аппаратную часть. Использовать другие компоненты, что конечно невозможно, в условиях космического пространства.
В связи с этим реализации радиопередатчика на основе SDR-технологий открывает новые широкие возможности. SDR (Software-defined radio) - программно-определяемое (также может называться: «программно-конфигурируемое») - это приемопередающее устройство, в котором некоторые или все функции физического уровня являются программно-определяемыми. Разработки, связанные с SDR позволяют адаптировать одну аппаратную основу сразу к нескольким типам передачи данных, добавлять которые можно непосредственно в процессе эксплуатации, что позволяет исключить из процесса множество вспомогательных компонентов, таких как фильтры, усилители и прочее. Одновременно с этим пользователь получает многофункциональное аппаратное решение с большим набором режимов эксплуатации, а также диапазонов частот, причём переключаться между ними можно в автоматическом и динамическом режиме, а также через средства удалённого доступа.
Известен бортовой высокоскоростной радиопередатчик Tethers unlimited SWIFT-XTS, представляющий собой блок бортовой аппаратуры, выполненный в едином корпусе, имеющий периферийные интерфейсы RS-422 и LVDS, рабочие частоты в диапазоне 7000-8500 МГц и предназначенный для эксплуатации в условиях космического полёта. Известному высокоскоростному радиопередатчику Tethers unlimited SWIFT-XTS присуща модульная структура и использование SDR технологий, однако он имеет в своём составе S-диапазонный приёмник, что увеличивает энергопотребление. Бортовой высокоскоростной радиопередатчик Tethers unlimited SWIFT-XTS не имеет внешнего интерфейса CAN и не соответствует стандарту PC/104, что не позволяет обеспечить электрическое сопряжение с бортовой аппаратурой, выполненной на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN.
В качестве ближайшего аналога принят бортовой высокоскоростной радиопередатчик Clyde space CPUT X-Band Transmitter, представляющий собой блок бортовой аппаратуры, выполненный в виде печатной платы с корпусным элементом для высокочастотной части, имеющий рабочие частоты в диапазоне 8025-8450 МГц и предназначенный для эксплуатации в условиях космического полёта. Известному высокоскоростному радиопередатчику Clyde space CPUT X-Band Transmitter присуща моноблочная структура и использование SDR технологий.
Бортовой высокоскоростной радиопередатчик Clyde space CPUT X-Band Transmitter не имеет внешнего интерфейса CAN.  CAN (Controller Area Network) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Отсутствие внешнего интерфейса CAN не позволяет:
- обеспечить электрическое сопряжение с бортовой аппаратурой, выполненной на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN;
- обеспечить модульную замену высокочастотной части для смены частотного диапазона передачи данных.
Задачей настоящей полезной модели является создание бортового высокоскоростного радиопередатчика Х-диапазона, совместимого с бортовой аппаратурой, выполненной на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN.
Спутниковый комплект OrbiCraft-Pro представляет собой конструкторский набор электронных и механических частей для ручной сборки
малого спутника в формате CubeSat. Собранное средствами OrbiCraft-Pro устройство может функционировать как лабораторный макет для образовательных целей, так и в космосе на околоземных орбитах в качестве спутника CubeSat для научных целей.
Решение поставленной задачи обеспечило достижение технического результата, заключающегося в реализации возможности изменения частотного диапазона передачи путём замены высокочастотного модуля благодаря реализации модульного принципа, возможности изменения параметров выходного сигнала благодаря использованию технологии программно-определяемого радио и совместимости с платформой OrbiCraft-Pro, что значительно расширяет функционал радиопередатчика, предназначенного для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat.
Для достижения указанного технического результата при реализации структурной схемы устройства использовался подход  прямого преобразования (или формирование на нулевой промежуточной частоте). Этот способ является более современным, более требовательным к компонентам, но даёт на выходе схему с меньшим числом узлов, с меньшей потребляемой мощностью и более компактную. Узкополосный фильтр в ней заменяется на диапазонный, требования к которому значительно ниже.
Достижение технического результата обеспечило то, что в бортовом высокоскоростном радиопередатчике для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat, состоящем из структурно разделённых цифрового  и аналогового модулей,  механически соединенных корпусом-радиатором, осуществляющим механическое сопряжение с конструкцией малого космического аппарата формата CubeSat и содержащем  основание  и крышку  для аналогового модуля,  новым является   электрическое сопряжение с бортовой аппаратурой  на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN посредством электрического соединения цифрового и аналогового модулей через разъём, при этом  цифровой модуль  имеет в своём составе систему на кристалле и ЦАП, которые управляют работой аналогового модуля.
Полезная модель поясняется следующими иллюстрирующими материалами:
на фиг. 1 показан общий вид заявленного бортового высокоскоростного радиопередатчик для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat;
на фиг. 2 показан вид радиопередатчика без крышки в разобранном виде;
на фиг. 3 приведено схематичное изображение радиопередатчика;
на фиг. 4 показана схематично структура устройства;
на фиг. 5 -  структурная схема передатчика.
Бортовой высокоскоростной радиопередатчик для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat представляет собой два отдельных модуля: 1 – цифровой и 2 -  аналоговый. Цифровой 1 и аналоговый 2 модули механически соединены корпусом-радиатором, осуществляющим механическое сопряжение с конструкцией малого космического аппарата формата CubeSat.  Корпус включает общее основание 3 и крышку 4 для аналогового модуля 2.
Электрическое соединение цифрового модуля 1 и аналогового модуля 2 происходит через разъём 5. Подключение периферийных устройств к бортовому радиопередатчику осуществляется через разъём 6 стандарта PC/104 с учётом его расположения и расположения крепёжных отверстий. Электрическое сопряжение с бортовой аппаратурой реализовано на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN.
Цифровой модуль 1 имеет в своём составе систему на кристалле (SoC) 7, которая обеспечивает обработку поступающих команд и информации и управление цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) 8, которые управляют работой аналогового модуля 2.
Цифровой модуль 1 содержит также модули памяти, предназначенные  для буферизации «полезных» данных до момента их передачи на наземный центр управления (ЦУП).
Аналоговый (высокочастотный) модуль 2 предназначен для формирования сигнала на несущую частоту и усиление высокочастотного выходного сигнала до необходимого уровня.
Основание 3 выступает в роли силового элемента конструкции, а также обеспечивает необходимый термо-интерфейс для поддержания комфортного температурного режима устройства  во время работы.
Крышка 4 служит для экранирования высокочастотного излучения аналогового модуля 2.
Использование метода прямого преобразования обеспечивает в заявленной полезной модели:
- широкий спектр предлагаемых типов модуляций основными стандартами космической радиосвязи для данного диапазона (CCSDS, DVB-S, DVB-S2);
-  широкий спектр предлагаемых схем кодирования этими стандартами;
- возможность использовать различные варианты модуляций и схем кодирования, и расширить за счёт этого возможности устройства, минимально меняя аппаратную часть, из соображений экономической эффективности и полезности для потребителя.
Так, реализация радиопередатчика в виде модульной структуры позволяет при необходимости высокочастотный модуль 2 заменить,  например,  на S диапазонный.
При использовании концепции SDR в структурной схеме устройства предусмотрен ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), выход которого подключается к аналоговой части устройства, и некоторое цифровое вычислительное устройство, обеспечивающее цифровой вход для ЦАП (на основе ПЛИС, микропроцессоров, микроконтроллеров или цифровых сигнальных процессоров). В итоге, формируется схема устройства, показанная на фиг. 5.
Высокоскоростной передатчик X-диапазона для спутников формата CubeSat обеспечивает скорость передачи от 0,5 до 10 Мбит/сек и работоспособность МКА в диапазоне частот 8-12 ГГц, обеспечивает промышленные стандартные методы кодирования и модуляции, что расширяет возможности его применения.
Бортовой высокоскоростной радиопередатчик для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat осуществляет передачу сигналов радиомаяка, прием команд управления, передачу телеметрической информации и данных, полученных от полезной нагрузки. Сигнал радиомаяка передается кодом Морзе в диапазоне частот 8-12 ГГц.
Для работы устройства необходимо подключить бортовой высокоскоростной радиопередатчик к информационной шине и шине питания платформы OrbiCraft Pro через разъём PC/104 (поз. 6, фиг. 3), по которому будут передаваться питание и управляющие команды, а также подключить к высокочастотному разъёму (поз. 9, фиг. 4) антенно-фидерное устройство для передачи высокочастотного сигнала на наземную станцию и через разъём ПН (поз. 10, фиг. 3) подключается источник передаваемых данных. Источником передаваемых данных может быть любое периферийное устройство, поддерживающее интерфейс передачи данных Ethernet, например, фотокамера.
Управление бортовым высокоскоростным радиопередатчиком (смена режимов) выполняется по протоколу UniCAN через CAN-интерфейс через бортовую шину. Управление может осуществляться как автоматически, бортовой вычислительной машиной или другим блоком управления, так и путём передачи команд с Земли через командную радиолинию. На команды отправляются квитанции о приёме.
На первой фазе информация, предназначенная к передаче, через интерфейс Ethernet помещается во внутреннюю память устройства; аналоговая часть устройства (поз. 2, фиг. 3) находится при этом в неактивном состоянии с целью уменьшения энергопотребления.
На второй фазе, при пролёте над наземной станцией, устройство переходит в режим передачи. Активизируются синтезатор частоты, модулятор, усилитель мощности. Синтезатор частоты формирует несущую частоту, модулятор модулирует её полезным комплексным сигналом, сформированным в результате работы программно-определяемого радиотракта, усилитель поднимает мощность до требуемой. Сформированный сигнал по высокочастотному кабелю поступает в антенну, откуда излучается в направлении Земли.
После окончания передачи устройство отключается; на этой фазе происходит постепенное рассеивание накопленного за сеанс передачи тепла.