CC BY
66УДК 629.78
БОРТОВОЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «ПОЛИМОРФ» МНОГОЦЕЛЕВОЙ ПЛАТФОРМЫ «СИНЕРГИЯ» БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА
Д. В. Малыгин
Лаборатория проектирования сверхмалых космических аппаратов «Астрономикон» Российская Федерация, 194021, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 E-mail: [email protected]
Представлена технология построения и архитектура бортового радиотехнического комплекса «Полиморф» многоцелевой платформы «Синергия» блочно-модульного типа.
Ключевые слова: малый космический аппарат, наноспутник, пикоспутник, платформа, cubesat, бортовой радиотехнический комплекс.
THE ONBOARD COMMUNICATIONS SYSTEM "POLIMORPH" OF BLOCK-MODULAR MULTIPURPOSE PLATFORM "SYNERGY"
D. V. Malygin
Nanosatellite design laboratory "Astronomikon" 29, Politekhnicheskaya Str., Saint-Petersburg, 194021, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper considers a technology of design and architecture of the onboard communication system "Polimorph " of multi-purpose block-modular platform "Synergy" for assembling nanosatellites.
Keywords: small spacecraft, nanosatellite, pikosatellite, platform, cubesat, onboard communication system.
Развитие микроэлектроники косвенно способствовало бурному прогрессу тематики СМКА. Так называемые наноспутники постоянно эволюционируют, становясь гибким инструментом для проведения научных, технологических и образовательных экспериментов в космическом пространстве. Таким образом образовалась и сформировалась ниша нано- и пикос-путников [1; 2]. С другой стороны, от студенческих проектов до полноценного игрока на рынке такие КА ещё не прошли свой путь: до сих пор бытует мнение, что данное направление носит чисто развлекательный характер (пиар космических технологий), либо данные изделия представляют собой стенды для отработки и/или демонстрации различных технологических решений (идей, концепция и т. п.). Это обусловлено несколькими причинами: во-первых, концепцией СМКА (малый цикл производства, отсутствие опоры на классические стандарты для аэрокосмической индустрии, неопытность коллективов, скромное финансирование). Во-вторых, низкими показателями надёжности элементной базы по причине того, что изначально применяется неспециализированная элементная база (РЭК) класса «industrial», так называемая COTS - решения «с полки» [3]. В-третьих, сильной консервативностью отрасли.
Для того чтобы преодолеть этот барьер целесообразно разработать и внедрить комплектующие нового поколения с повышенными характеристиками надёжности, увеличенным функционалом и расширенной областью применения (обильным наличием различных интерфейсов, высоким ресурсом работоспособ-
ности, вычислительной мощностью и т. д.). Следовательно, в данной работе подробно опишем архитектуру и функционал предлагаемого устройства: бортовой радиотехнический комплекс (БРТК), так называемый приемо-передатчик «Полиморф», как один из важнейшей подсистемы СМКА, построенного на базе платформы «Синергия».
Бортовой радиотехнический комплекс предназначен для получения команд с наземного комплекса управления (НКУ) и передачи телеметрической (ТМ) и целевой информации (ЦИ) в НКУ. Иногда, структурно входит в состав БКУ, но, как правило, это отдельная подсистема. Состоит (как минимум) из следующих блоков [4]:
1. Антенно-фидерное устройство (АФУ) неотъемлемой частью БРТК и предназначено для излучения и приёма радиоволн. Основными частотными диапазонами, используемыми для передачи данных, являются диапазоны радиолюбительской службы 145 МГц, 435438 МГц и ISM (433 МГц). Однако также используются X- и Ка-диапазоны предназначенные для передачи ЦИ на пункт приёма и получения с НКУ полётных заданий на выполнение целевых задач СМКА (рис. 1). Варианты применяемых АФУ в наноспутниках:
- четырёх волновые вибраторы - размещают на корпусе так, чтобы их суммарная диаграмма направленности была приблизительно изотропной в пространстве, тем самым не ориентируемый спутник был доступен для сеансов связи;
- рупорные антенны - металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расши-
Решетневскуе чтения. 2017
ряющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединённым к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секторальные, H-секторальные, пирамидальные и конические рупорные антенны;
- зеркальная антенна - антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счёт отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала (рефлектора). В качестве источника волны обычно выступает небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала. В его роли может быть любая другая антенна с фазовым центром, излучающая сферическую волну. Основная цель зеркальных антенн сводится к преобразованию сферического или цилиндрического фронта волны в плоский фронт;
- спиральная антенна - диапазонная антенна бегущей волны, основным элементом которой является проводник в форме винтовой линии или спирали.
На рынке представлено большое число производителей АФУ для наноспутников: AAC Microtec, Gom-Space ApS, ISIS, Pumpkin Ink., SpaceMicro, Tyvak nano satellite system LLC и другие.
2. Приёмник/передатчик (трансивер) - предназначен для получения команд с НКУ, расшифровке и обработке таких сообщений; а также передачи ТМ и ЦИ с СМКА на НКУ.
На рынке представлено большое количество фирм, разрабатывающих радиокомплексы под КА CubeSat, такие как SSTL, Clyde Space, AeroAstro, ComDev, Canopus и др.
3. Бортовой маяк (М) - небольшое устройство, основная задача которого при возникновении внештатных ситуаций передавать ТМ в формате CW (рис. 2). Данный блок подсистемы БРТК активируется при крайне неблагоприятном сценарии развития событий во время миссии наноспутника; однако позволяет получить минимальное количество данных для определения состояния КА на орбите. Отметим, что подобные блоки разрабатываются самими разработчиками СМКА.
Таким образом, большинство рассматриваемых устройств носят узко специализированный характер в том смысле, что идёт жёсткая привязка к частоте приёма/передачи. А это, в свою, очередь, накладывает ограничения на скорость передачи данных. Более того если потребуется увеличить пропускную способность канала, то необходимо покупать/разрабатывать новое устройство под новый диапазон. Более того, недостатками традиционного БРТК являются: требуется точная настройка, чувствительный к температуре и разбросу параметров компонентов, нелинейные искажения, сложно строить перестраиваемые фильтры и фильтры с подавлением более 60 ДБ. Решением данной проблемы для СМКА является БРТК «Полиморф», построенный по технологии SDR.
SDR (англ. Software-defined radio) - программно-определяемая радиосистема радиопередатчик и/или радиоприёмник позволяющий с помощью программного обеспечения (ПО) устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая диапазон частот, тип модуляции, выходную мощность.
Рис. 2. Пример трансивера и бортового маяка
Что дает преимущества: низкая чувствительность к температуре и разбросу параметров компонентов, простая реализация перестраиваемых фильтров с подавлением более 100 Дб, высокая точность и широкий диапазон перестройки фазы и частоты гетеродина.
Переконфигурации БРТК «Полиморф» для его адаптации под другой стандарт связи не влечёт за собой изменения в аппаратной части, т. е. архитектура включает:
- сверхширокополосную и малошумящую радиочастотную часть, обладающую большим динамическим диапазоном;
- высокоскоростной с большим динамическим диапазоном тракт аналого-цифрового преобразования;
- обладающий большой вычислительной мощностью сигнальный процессор и специализированный цифровой тракт фильтрации.
Поскольку современные системы используют самые разнообразные схемы модуляции, требующие зачастую сложных и высокоточных схем формирования квадратурных компонент сигнала (в том числе многоканальных), сформировать их на нулевой частоте просто не представляется возможным. Следовательно, использование технологии SDR обусловлено тем, что она позволяет обрабатывать и передавать сигналы с использованием разных частот и стандартов, выбор которых зависит от самых различных факторов.
Л
Рис. 3. Прототип БРТК «Полиморф»
Таким образом, в совокупности БРТК «Полиморф» позволяет получить компактную 8БЯ-платформу для работы в диапазоне от 30 МГц до
6 ГГц (рис. 3) и позволяющую работать во многих областях:
- приём и передача сигналов различных стандартов беспроводной связи: GSM, UMTS, LTE, Wi-Fi, WiMax, ZigBee, Bluetooth, Tetra, LoRa;
- приём цифрового телевещания стандартов DVB;
- отслеживание местоположения воздушных судов через ADS-B;
- отслеживание местоположения морских судов через AIS;
- прослушивание радио и переговоров различных диспетчерских служб.
- декодирование навигационных сообщений систем: GPS, Glonass, BeiDou, Galileo;
- приём сигналов различных спутников (телеметрия, получение метеоснимков);
- проведение спектрального анализа;
- построение различных видов радаров (пассивный, активный, РСА);
- исследование протоколов передачи данных беспроводных устройств;
- пеленгация источников радиоизлучений;
- изучение радиосвязи используя Matlab и LabView.
Библиографические ссылки
1. URL: https://www.cubesat.ru/ru/cubesats.html (дата обращения: 12.09.2017).
2. URL: https://www.cubesat.org/resources/ (дата обращения: 12.09.2017).
3. URL: https://www.en.wikipedia.org/wiki/Commercial_ off-the-shelf (дата обращения: 12.09.2017).
4. URL: https://www.qb50.eu/ (дата обращения: 12.09.2017).
References
1. Available at: https://www.cubesat.ru/ru/ cubesats. html (accessed: 12.09.2017).
2. Available at: https://www.cubesat.org/resources/ (accessed: 12.09.2017).
3. Available at: https://www.en.wikipedia.org/wiki/ Commercial_off-the-shelf (accessed: 12.09.2017).
4. Available at: https://www.qb50.eu/ (accessed: 12.09.2017).
© Малыгин Д. В., 2017
