Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли

УДК 629.7.01

Н.Н. Севастьянов1, В.Н. Бранец12, В.А. Панченко1, Н.В. Казинский1,

Т.В. Кондранин2, С.С. Негодяев2,3

1 ОАО «Газпром космические системы»

2 Московский физико-технический институт

3 Центральный научно-исследовательский институт химии и механики

Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли

Описываются мировые тенденции космической промышленности, способствующие созданию малых космических аппаратов. Рассматриваются вопросы создания малых КА дистанционного зондирования Земли, позволяющих реализовать требования, предъявляемые к космическим аппаратам оптико-электронного наблюдения с высоким пространственным разрешением. Приведен краткий анализ зарубежных систем оптико-электронного наблюдения высокого разрешения, применяемых на малых космических аппаратах, и сформулированы рекомендации по основным проектным решениям при создании таких систем. Обобщены требования к параметрам системы управления движением и навигацией космического аппарата дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, такие как точность наведения, стабилизация и др. Проведен синтез приборного состава системы управления и рассмотрены примеры современной отечественной реализации приборов, предназначенных для обеспечения съёмки. Сформулированы основные требования к программно-алгоритмическому обеспечению системы управления движением и навигацией.

Ключевые слова: малый космический аппарат, дистанционное зондирование Земли, высокое разрешение, система управления движением.

I. Введение

Одной из важных тенденций развития космической техники является создание малых космических аппаратов (МКА).

Первые МКА появились как опытные образцы университетских разработок, используемые либо как средство приобретения опыта в создании и эксплуатации космической техники, либо как инструмент для отработки новых инженерных и технологических решений. Однако уже в конце прошлого и начале этого столетия благодаря новейшим достижениям в электронике и других областях науки и техники, приведтттим к возможности миниатюризации практически всех служебных систем КА без ущерба для их функциональных качеств, появилась возможность использовать малые космические аппараты для решения достаточно сложных научных и прикладных задач. При этом относительно небольшая стоимость создания отдельного МКА вместе с возможностью органи-

зации группового запуска нескольких таких аппаратов позволяет значительно снизить стоимость реализации различных космических проектов.

Кроме того, стало возможным, находясь в рамках ограниченного финансирования, создать и вывести на орбиту вместо одного большого (тяжелого) КА группировку малых космических аппаратов, предназначенных для решения общей задачи. Применение таких группировок позволяет сделать скачок в качестве услуг, предоставляемых на основе использования космических средств, прежде всего значительно повышая их оперативность.

II. Применение малых космических аппаратов для ДЗЗ

Прежде чем рассмотреть применение МКА в качестве КА ДЗЗ, необходимо «договориться о терминологии». В различных источниках КА классифицируются по мас-

сово-габаритным параметрам в достаточно широком спектре.

В настоящей статье предлагается классификация немецкой компании DLR. На рис. 1 представлена условная классифи-

Малые КА

Pico

Nano

Micro

Mini

кация космических аппаратов, а также ориентировочные зависимости стоимости и сроков создания КА ДЗЗ от их массы.

Большие КА

5 кг

—\—

50 кг

----i—

200 кг

1000 кг

---------i-------

10 000 кг

Масса

+

-I-

Стоимость

1 М$

10 М$

100 М$

----1----------------|---------------|----------------------------- Срок

1 год 2 года 5 лет создания

Рис. 1. Классификация КА по массе с ориентировочной зависимостью сроков их создания и стоимости от массы

Из рис. 1 видно, что и стоимость и время создания растут с ростом массы КА. Кроме того, с ростом массы увеличивается стоимость запуска КА. Как следствие, с увеличением массы КА растёт стоимость реализации проекта с его участием, причём этот рост заметно превышает линейный.

Значительное уменьшение затрат на создание и ввод в эксплуатацию МКА, а также сокращение времени на их производство и наземные испытания позволяют сформулировать ответ на вопрос, какие преимущества даёт использование малых космических аппаратов:

— значительное увеличение оперативности получения данных наблюдения за счёт создания необходимой по численности группировки малых аппаратов;

— более быстрое внедрение новых технических разработок и технологий съёмки;

— увеличение «надежности» группировки за счёт её быстрого восполнения в случае необходимости.

Кроме того, относительно малая стоимость МКА позволяет привлекать для их создания предприятия малого бизнеса и высшие технические учебные заведения, то есть способствует созданию «пограничной зоны» разработка/образование.

Внедрение «технологии» малых космических аппаратов поддерживается сегодня современными тенденциями развития науки и техники, такими как миниатюризация электроники, переход к цифровым технологиям в управлении, прогресс в создании конструктивных материалов и целом ряде других технических решений. Появление на рынке малых носителей, являющихся модификацией военной ракетной техники, также способствует расширению возможностей использования МКА.

Хотелось бы также отметить, что появление МКА ДЗЗ имеет политические последствия, поскольку позволяет сравнительно небогатым странам обретать «независимость» в космосе — создавать собственные спутники ДЗЗ, которые могут быть использованы в целях обеспечения безопасности страны без оглядки на «мнение» основных космических держав.

КА ДЗЗ (или группировку КА ДЗЗ) можно охарактеризовать несколькими основными «потребительскими» характеристиками:

— пространственное разрешение;

— оперативность;

— количество используемых спектральных каналов;

— производительность.

Время повторного наблюдения (оперативность), час

Пространственное разрешение, м

I 1 - Картографирование 1

j 2 -Лесноехозяйство |

! 3 - Сельское хозяйство

4 - Мониторинг чрезвычайных ситуаций

5 - Геология

6 - Океанография

| 7 - Гидрология J

1 8 - Метеорология [

.-------------і

Рис. 2. Пространственное разрешение и время повторного наблюдения (оперативность), необходимые для решения различных задач

Количество спектральных каналов

Пространственное разрешение, м

¡1 -Гидрология Т  3 -Мониторинг ресурсов ; [б - Лесное хозяйство I ^7 - Городское хозяйство 1 9 - Транспортные сети :

^.^с?1ьЧк£,е?2.зяЙ£,тв.‘1! 4 - Мониторинг окружающей среды | 6 Разведка \ Г.8_ ^опофафга_1

Рис. 3. Пространственное разрешение и количество спектральных каналов, необходимые для решения отдельных отраслевых задач

На рис. 2 и 3 представлены зависимости оперативности, пространственного разрешения и количества спектральных каналов, необходимых для решения различных задач.

Как уже отмечалось выше, группировки МКА имеют неоспоримое преимущество перед одиночными большими КА в оперативности.

Пространственное разрешение и производительность (возможности по съёмкам разного типа) КА ДЗЗ зависят в основном от двух систем МКА:

— целевой аппаратуры (системы оптико-электронного наблюдения);

— системы управления движением (ориентацией).

Современные научные и технологические тенденции в создании данных систем позволяют совершить качественный скачок в создании космических аппаратов оптико-электронного наблюдения с высоким пространственным разрешением. В качестве примера можно привести экспериментальный малый (micro) КА — TopSAT с разрешением 2,5 ми массой 112 кг и промышленный малый (mini) КА — EROS-B с разрешением 0,7 ми массой 300 кг.

Экспериментальный КА TopSAT был запущен в 2005 году, а промышленный КА EROS-B был введен в коммерческую эксплуатацию уже в 2006 году.

За последние два года тенденция космической промышленности к созданию малых КА, обладающих при этом полными

функциональными возможностями, ещё более усилилась, в настоящее время запущены или подготовлены к запуску такие МКА, как Bejing-1, Nigeriasat-2, Alsat-2, Tacsat-2 и др. Особо хотелось бы выделить государственную программу США по созданию быстро разворачиваемых группировок малых КА Tacsat (Tactical satellite).

Представляется несомненным, что тенденция к миниатюризации отдельных КА и росту орбитальных группировок сохранится и в дальнейшем.

Topsail'112кг) Оппгаская схема иекшшпшщ ЦА

Разработчик Ruths rford Applet її Laboratory

Оппгаск-м снема віеосевая

Простран: те енное разрешение 2,5 и

Полоса захвата 15 км

Масса Ц А 32 кг

Энергопотребление 30 Вт

Abal- 2 (130 кг) Внешний вид Ц А

Разработчик EADS As ilium

Огатгаская смема Корпії

Пространственное разрешение 2,5 м

Поноса захвата 17,5 км

Масса ЦА 13,5кг

Bging-1 (168кг) Оптическая схема, и внешний гид ЦА

Разработчик SSTL

Оптическая схема Dall-KirMiam

Простран: те енное разрешение 4 м

Поноса захвата 24 км

Масса Ц А 25 кг

Энергопотребление 12 Вт

KazaJcai 1 (180 кг) Внешний еид ЦА

Разработчик ufa

Оппгаская схема Ричи- Кретьена

Простран: те енное разрешение 2,5 и

Полоса захвата 20 км

Масса Ц А 42 кг

Энергопотребление 63 Вт

Nj^yriasai-2 (300 кг) Внешний вид ЦА

Разработчик SSTL

Оптическая схема Dall-Kirkhaiti

Простраіственное разрешение 2,5 м

Полоса захвата 20 км

Масса Ц А 42 кг

Энергопотребление 63 Вт

Е ROS- В (300 кг) Внешний вид Ц А и СЧ

Разработчик ELOP ltd

Оппгаская схема н/д

Простраіственное разрешение 0,7 м

Полоса захвата 7 км

Масса Ц А н/д

Рис. 4. Описания некоторых ЦА малых КА

В данной статье предлагается более подробно остановиться на реализации двух

систем МКА оптико-электронного наблюдения — целевой аппаратуры (ЦА) и системы управления движением и навигацией (СУДН). Обе эти системы оказывают самое существенное влияние на качество получаемого изображения, при этом если ЦА формирует само изображение, то СУДН обеспечивает условия для этого процесса. Кроме того, возможности средств СУДН обеспечивают угловую маневренность космического аппарата, которая проявляется в таких «потребительских» характеристиках, как производительность и способность к реализации различных режимов съемок (стереосъёмка, площадная съёмка и т. д.) (рис. 4).

III. Системы оптико-электронного наблюдения для МКА

При описании целевой аппаратуры (ЦА) оптико-электронного наблюдения можно провести её условное деление на две части — объектив и фотоприемное устройство. Технологии для каждой из частей различны и технологические скачки происходят относительно независимо.

Так, в качестве первых фотоприемных устройств использовали плёнки и фоточув-ствительные пластины (от названия плёнки «панхром» пошло в дальнейшем название спектрального диапазона и для других типов фотоприёмников). В настоящее время есть довольно большая номенклатура типов фотоприёмников — матрицы и линейки различной размерности и типов — ПЗС, КМОП и их модификации.

Объективы, применяемые для ЦА, особенно высокого разрешения, также претерпели ряд изменений. Улучшение технических характеристик объективов связано в первую очередь с развитием конструкционных (композитные материалы и др.) и оптических материалов (ситалл, 2его^г и др.), а также конструктивных решений, позволяющих применять «продвинутые» оптические схемы. Необходимо отметить, что ещё 10 лет назад оптические схемы типа «Корша» для объективов с большой апертурой практически не применялись ввиду их сложности, а сейчас сложные, но компактные и легкие оптические схемы

стали, скорее, правилом, особенно в ЦА для малых КА.

Анализируя международный и отечественный опыт создания систем оптикоэлектронного наблюдения для малых космических аппаратов, можно выделить несколько ключевых технологий, позволяющих минимизировать массово-габаритные характеристики ЦА высокого разрешения:

1) современные компактные оптические схемы (схема Корша, внеосевые схемы, схемы с асферическими элементами и др.);

2) высокоэффективные конструкционные материалы (карбид кремния, углепластики, инвар и др.);

3) современные материалы для оптических элементов (ситалл, 2его^г, современные сорта оптических стекол);

4) высокоскоростные ПЗС-фотоприём-ники с временной задержкой и накоплением (ВЗН);

5) фотоприёмники большой размерности с малым размером элемента дискретизации (пикселя), но высокой чувствительностью.

IV. Требования МКА ДЗЗ к системе управления движением и навигацией

Обеспечение функций целевой аппаратуры ставит достаточно серьезные требования к системе ориентации и навигации МКА.

В первую очередь это касается наведения и стабилизации осей ЦА на объект съёмки. Требуемая точность наведения составляет 2-5 угловых минут, а погрешность стабилизации осей относительно расчётных, в зависимости от пространственного разрешения, должна быть не хуже 10-3-10-4о/с.

Также важными факторами являются маневренность аппарата и возможности формирования векторных маршрутов произвольного направления относительно трассы полета. Современный КА ДЗЗ предполагает несколько видов съёмки: кадровую съёмку, съёмку площадей, маршрутную и стереоскопическую съёмки различных объектов (рис. 5).

Рис. 5. Режимы съёмки КА ДЗЗ оптико-электронного наблюдения

Кроме того, современная информация ДЗЗ должна иметь высокую пространственную точность (привязку изображений к земной системе координат, например, WGS-84), требования к которой зависят от пространственного разрешения и

для разрешения, не хуже 1 м, составляют от 10 до 30 м.

На рис. 6 представлены времена перенацеливания современных КА ДЗЗ.

Для достижения высокого пространственного разрешения в условиях миними-

зации габаритно-весовых характеристик целевой аппаратуры в современных МКА применяются различные технологии съёмки:

— съёмка с временной задержкой накопления (IKOnOs, EROS-B);

— съёмка с замедлением бега изображения (EROS-A).

Применение этих технологий хотя и позволяет значительно улучшить качество изображений, однако накладывает на систему управления движением и навигацией существенные дополнительные требования.

Так, например, использование в фотоприёмной матрице N шагов накопления позволяет увеличить отношение сигнал/шум в получаемом изображении в N1/2 раз, повышая при этом требование к стабилизации в N раз. Учитывая, что обычно используемые значения N достигают 100 и более, получаем существенное ужесточение требований к СУДН.

IKONOS

GeoEye-1

WorldView-2

«Г

18 sec

QuickBird WorldView-1

20 sec

62 sec 10 sec

9 sec

оиимп зоо кт 300 кт 300 Кт здокт

Рис. 6. Времена перенацеливания современных КА ДЗЗ в пределах единой полосы обзора 300 км

V. Система управления движением и навигацией

Анализ требований СУДН показывает, что процесс ориентации должен состоять из операций быстрых разворотов (смены ориентиров), переходящих непрерывно к точному программному наведению, в котором происходит регулирование углов и угловых скоростей вращения МКА. Построение системы управления движением, навигации и ориентации МКА возможно только с использованием современных технических решений. К таким решениям в первую очередь следует отнести:

— высокоточные и высокоскоростные звездные датчики, обеспечивающие знание ориентации КА;

— высокопроизводительные маховики с системой измерений угловой скорости вращения маховика, обеспечивающие как быстрый разворот, так и высокий уровень стабилизации;

— аппаратура спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS, обеспечивающая синхронизацию времён и высокоточное измерение реального положения КА.

В предлагаемой статье основное внимание уделяется приборам, предназначенным для обеспечения эффективного функционирования ЦА МКА.

В качестве примера современного звездного датчика отечественного производства приведём параметры прибора БОКЗ-МФ (рис. 7) разработки ИКИ РАН.

Рис. 7. Звездный датчик БОКЗ-МФ разработки ИКИ РАН

Звездный датчик БОКЗ-МФ предназначен для определения кватерниона ориентации приборной системы координат в инерциальной системе координат. Определение параметров ориентации осуществляется путём съёмки участка звездного неба и обработки видеоизображения в процес-

соре прибора. В качестве приёмника излучения в приборе используется неохла-ждаемая ПЗС-матрица Kodak форматом 512 х 512 элементов. Объектив прибора имеет фокусное расстояние 32 мм и аппретуру 18 мм. Поле зрения прибора имеет угловой размер 16 град. Масса прибора составляет 1,3 кг. Энергопотребление при нормальной температуре 9 Вт. Габариты прибора составляют 160 х 160 х 300 мм. Погрешность (с. к. о.) определения направления оптической оси прибора составляет 5/;, а погрешность (с. к. о.) определения угла разворота вокруг оптической оси 25". Диапазон рабочих угловых скоростей составляет до 1,5 град/с, а частота обновления параметров ориентации 1 Гц. В связи с недостаточной скоростью выдачи кватерниона ориентации для задач ДЗЗ с высоким разрешением (для обеспечения требуемой привязки необходимо 5-10 Гц) требует использования алгоритмов динамической фильтрации.

Для точной безрасходной стабилизации и программных разворотов необходимо использование управляющих двигателей-маховиков. В качестве примера в предлагаемой статье рассматриваются двигатели-маховики ДМ1-20 (рис. 8) разработки ВНИИЭМ.

Рис. 8. Двигатель-маховик ДМ1-20 разработки ВНИИЭМ

Технические характеристики ДМ1-20 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика Значение

Диапазон изменения кинетического момента, И • м • с ±1,0

Максимальный управляющий момент, мН • м 20

Диапазон изменения частоты вращения, об/мин ±6000

Момент инерции ротора .], кг • м2 0,195- 10"2

Количество импульсов на обороте (сигнал скорости ротора) 36

Мощность, потребляемая при нулевых управляющих и кинетических моментах, Вт, не более 1,0

Мощность, потребляемая при максимальном управляющем и номинальном кинетическом моментах, Вт, не более 20

Напряжение питания, В 24-34

Габаритные размеры, мм 0150 х 100

Масса, не более, кг 1,5

Диапазон рабочих температур, °С -10... + 50

Для синхронизации измерений и съемок, построения ориентации, вычисления программного наведения, автономного планирования сеансов съёмки и определения навигации является обязательным использование автономной спутниковой системы навигации.

В качестве примера аппаратуры спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS приведём данные приемо-вычислительного модуля МПВ 2 К-363-62 разработки «Российского института радионавигации и времени» (РИРВ). МПВ 2 К-363-62 обеспечивает обработку сигналов стандартной точности навигационных космических аппара-

тов (НКА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS в диапазонах частот L1 и L2 и сигналов стандартной точности геостационарных спутников дополняющих широкозонных дифференциальных подсистем типа SBAS в частотном диапазоне L1. Число одновременно обрабатываемых сигналов (число приемоизмерительных каналов ПИК) — 36, распределённых следующим образом: 18 ПИК — обработка НКА СРНС GPS (в двух частотных диапазонах) и КА подсистем типа SBAS, 18 ПИК — обработка сигналов НКА СРНС ГЛОНАСС в двух частотных диапазонах. МПВ выполняет:

— автоматическое определение радионавигационных параметров фазового центра внешней приёмной антенны (псевдодальности, приращения псевдодальности и фазы) по каждому рабочему НКА и выдачу их и информации альманаха и эфемерид НКА по каналу №1 последовательного интерфейса RS-232 в форматах Binary, IEC 61162, RINEX;

— автоматическое определение текущих значений навигационных параметров фазового центра внешней приёмной антенны (координат и высоты, составляющих вектора скорости движения относительно Земли), и точного значения текущего времени и выдача их по каналу №1 последовательного обмена интерфейса RS-232 в форматах Binary, IEC 61162, RINEX и AT-GSM, а также по каналу №2 в формате IEC 61162-1.

Габаритные размеры МПВ составляют 80 х 55 х 12,5 мм, вес 75 г, потребление < 1 Вт.

Кроме перечисленных приборов в состав СУДН для обеспечения других режимов МКА входят:

— малогабаритные датчики Солнца;

- MEMS-измерители угловой скорости;

— магнитометры и магнитные привода (МП) для разгрузки накапливаемого кинетического момента МКА.

Вычислительные мощности для реализации задач ориентации и управления предоставляет интегрированный бортовой комплекс управления (БКУ) на базе цифровой платформы разработки НИИ «Аргон», осуществляющий наряду с этим управление всеми бортовыми системами МКА и осуществляющий информационную связь с наземным комплексом управления (НКУ).

Структура функционального программного обеспечения системы управления движением и навигацией содержит три уровня:

— верхний уровень — режимы СУДН, к которым относится в первую очередь основной режим обеспечения штатного функционирования целевой аппаратуры (ЦА). Этот уровень, кроме того, содержит также ряд служебных режимов поддержания существования МКА, таких, как дежурный режим, где осуществляется подзарядка аккумуляторных батарей МКА и

разгрузка накопленного кинетического момента с помощью МП, режимы начального участка полета и, наконец, режим маневра для поддержания требуемой высоты полета МКА;

— средний уровень — расчётно-вычислительный, определяющий все параметры движения и ориентации МКА на основе первичной информации от датчиков и приборов СУДН (кинематический контур управления), формирующий управляющую информацию для исполнительных органов УДМ, МП, реактивных двигателей (динамический контур). К этому уровню относятся и задачи навигационного контура, в том числе задачи автономного планирования сеансов съёмки наземных объектов, рассчитываемых на основании данных НКУ по координатам снимаемых объектов и текущей орбиты МКА. На этом же уровне выполняется более точное определение угловой скорости вращения МКА, необходимой для задач точной стабилизации, получаемой методами динамической фильтрации уравнений вращательного движения аппарата;

— нижний уровень — управление приборами и исполнительными органами СУДН, прием и выдача информации для задач управления.

Ко всем программным модулям функционального программного обеспечения предъявляются требования стандартных этапов разработки и верификации, встроенных интеллектуальных свойств FDIR (fault detection, isolation and recovery), обеспечивающих надежность функционирования МКА и его бортовых систем.

VI. Заключение

Летом 2008 года факультет аэрофизики и космических исследований Московского физико-технического института провёл «космическую школу» по проектированию малого космического аппарата наблюдения Земли на основе инновационных технологий. Участниками школы были студенты старших и средних (3 и 4) курсов, прошедшие конкурсный отбор и проявившие настойчивое желание участвовать в сложных технических разработках. В результате работы школы в конце 2008 года были выпущены технические предложения по малому космическому аппарату ди-

станционного зондирования Земли. Основной вывод технических предложений заключается в том, что сегодня можно создать современный КА ДЗЗ весом в 150 кг, включая вес полезной нагрузки — оптической аппаратуры высокого разрешения и высокоскоростной радиолинии передачи информации (45 кг) — все на основе отечественных российских разработок.

Литература

1. Оптический журнал. — СПб., 2002. — Т. 69, № 9.

2. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. — М.: Советское радио, 1966.

3. Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников ДЗЗ. Лекции и упражнения. — М.: Радио и связь, 2004.

4. Материалы конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли». — Сочи, 2008.

5. Lee P.P.K., Thompson D.A., Modney D.L. Total ionizing dose gamma and proton ra-diation testing on a COTS interline CCD with microlens // IEEE Transaction on Nuclear Stience. — 2006. — V. 53, N. 6.

6. Advanced in Navigation Sensors and Integration Technology, North Atlantic Treaty Organisation, RTO Lecture Series, St.Petersburg. — Moscow, 2004.

Поступила в редакцию 09.04.2009.