CC BY
103УДК 629.783:528.837
космическая система оперативного мониторинга земной поверхности на базе малых космических аппаратов
© 2021 г. данилкин А.П.1, воронков в.н.2, Казанцев О.Ю.3,
Кетов в.А.4, Коптев Ю.н.5, Пластинин Ю.А.1, Струля и.Л.6, татарников А.в.7
1АО «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»
(АО «ЦНИИмаш»)
Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: corp@tsniimash.ru
2АО «ГЕОМИР»
Олимпийский проспект, 50, пом. 2, г. Мытищи, Московская обл., Российская Федерация, 141006,
e-mail: info@geomir.ru
3АО «НПО «ЛЕПТОН» Солнечная аллея, 6, г. Зеленоград, Московская обл., Российская Федерация, 124527,
e-mail: office@lepton.ru
4Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
5Государственная корпорация «Роскосмос» (ГК «Роскосмос») Ул. Щепкина, 42, г. Москва, Российская Федерация, 107996, e-mail: info@roscosmos.ru
6АО «Композит»
Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: info@kompozit-mv.ru
7Филиал АО «ИРЗ» в г. Москве КБ «Робототехника» (ИРЗ КБ «Робототехника») Ул. Большая Новодмитровская, 14, стр. 7, г. Москва, Российская Федерация, 127015,
e-mail: kt@irz.ru
В настоящей статье представлены основные результаты проектно-поисковых исследований по созданию космической системы оперативного мониторинга земной поверхности на базе малых космических аппаратов1 дистанционного зондирования Земли, обеспечивающей оперативное получение высокодетальных изображений земной поверхности с разрешением 0,7-1,0 м, захватом 20 км и точностью привязки получаемых изображений в плане 15 м с высоты орбиты ~300 км при массе космического аппарата ~200 кг с высокой периодичностью (не реже 1,0-1,5 ч). Указанные параметры соответствуют современному мировому уровню и вполне достижимы для отечественной промышленности.
Ключевые слова: малый космический аппарат, космическая система, дистанционное зондирование Земли, космическая платформа, модуль целевой аппаратуры, оптико-электронная аппаратура, многоцелевой наземный комплекс, объединённая земная станция, сервисы космического мониторинга земной поверхности.
1 В статье под малым космическим аппаратом понимается КА массой 150-220 кг.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2021-1-42-55
SMALL SPACECRAFT-BASED
space system for real-time earth surface monitoring
Danilkin A.p.1, voronkov v.N.2, Kazantsev O.Yu.3, Ketov v.A.4, Koptev Yu.N.5, plastinin Yu.A.1, Strulya I.L.6, Tatarnikov A.v.7
1Central Research Institute for Machine Building (TsNllmash)
4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: corp@tsniimash.ru
Joint-stock company GEOMIR (AO GEOMIR)
50 bld. 2 Olimpiyskiy pr-t, Mytishchi, Moscow region, 141006, Russian Federation,
e-mail: info@geomir.ru
3Joint-stock company NPO LEPTON (AO NPO LEPTON) 6 Solnechnaya alleya, Zelenograd, Moscow region, 124527, Russian Federation,
e-mail: office@lepton.ru
4S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia)
4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
5State Space Corporation Roscosmos (SC Roscosmos) 42 Shchepkina str., Moscow, 107996, Russian Federation, e-mail: info@roscosmos.ru
Joint-stock company Komposit (AO Komposit)
4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: info@kompozit-mv.ru
7Moscow branch office of OOOIRZKB Robototekhnika (IRZKB Robototekhnika) 14 bld. 7 Bolshaya Novodmitrovskaya str., Moscow, 127015, Russian Federation,
e-mail: kt@irz.ru
The paper presents basic results of exploratory design studies into a space system for real-time monitoring of the Earth surface based on small spacecraft1 for Earth remote sensing, which provides acquisition in real time of highly detailed Earth surface images with resolution of 0.7-1.0 m, a swath of 20 km and 15 m in-plane georeferencing accuracy from a ~300 km orbit with a mass of spacecraft ~200 kg repeating with high frequency (at least every 1.0-1.5 h). The said parameters are in line with the current state of the art and are quite feasible for our country's industry.
Key words: small spacecraft, space system, Earth remote sensing, satellite bus, payload module, electro-optical equipment, multipurpose ground facility, combined ground station, services of space monitoring of the Earth surface.
1 For the purposes of this paper 'small spacecraft' is a 150-220 kg spacecraft.
ДАНИЛКИН А.П.
воронков в.н.
КАЗАНЦЕВ О.Ю.
КЕТОВ В.А.
КОПТЕВ Ю.Н.
ПЛАСТИНИН Ю.А.
СТРУЛЯ И.Л.
ТАТАРНИКОВ А.В.
ДАНИЛКИН Александр Петрович — кандидат технических наук, главный специалист - учёный секретарь НТС АО «ЦНИИмаш», e-mail: ap.danilkin@yandex.ru
DANILKIN Aleksandr Petrovich — Candidate of Science (Engineering),
Chief Specialist - Scientific secretary of the Scientific and Technical Council at TsNIImash,
e-mail: ap.danilkin@yandex.ru
ВОРОНКОВ Владимир Николаевич — доктор технических наук, ветеран АО «ГЕОМИР», e-mail: voronkov@geomir.ru
VORONKOV Vladimir Nikolaevich — Doctor of Science (Engineering), Veteran AO GEOMIR, e-mail: voronkov@geomir.ru
КАЗАНЦЕВ Олег Юрьевич — кандидат физико-математических наук, директор АО «НПО «ЛЕПТОН», e-mail: kazancev-lepton@mail.ru KAZANTSEV Oleg Yuryevich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Director of AO NPO LEPTON, e-mail: kazancev-lepton@mail.ru
КЕТОВ Вячеслав Александрович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: vyacheslav.ketov@rsce.ru
KETOV Vyacheslav Aleksandrovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: vyacheslav.ketov@rsce.ru
КОПТЕВ Юрий Николаевич — доктор технических наук, профессор, председатель НТС Госкорпорации Роскосмос, e-mail: Yurkop@mail.ru
KOPTEV Yury Nikolayevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Chairman of the Scientific and Technical Council at SC Roscosmos, e-mail: Yurkop@mail.ru
ПЛАСТИНИН Юрий Александрович — кандидат технических наук, начальник сектора АО «ЦНИИмаш», e-mail: plastinin.32@yandex.ru PLASTININ Yury Aleksandrovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Subdepartment at TsNIImash, e-mail: plastinin.32@yandex.ru
СТРУЛЯ Игорь Леонардович — начальник отделения АО «Композит», e-mail: stroulea@yandex.ru
STRULYA Igor Leonardovich — Head of Division at AO Komposit, e-mail: stroulea@yandex.ru
ТАТАРНИКОВ Александр Владимирович — главный конструктор направления ИРЗ КБ «Робототехника», e-mail: tatarnikov@mail.ru TATARNIKOV Aleksandr Vladimirovich — General Designer of the direction at IRZ KB Robototekhnika, e-mail: tatarnikov@mail.ru
введение
Актуальность предлагаемого направления работ обусловлена, прежде всего, тем, что в условиях информатизации всех сторон человеческой деятельности особую роль приобретает создание и применение многоспутниковых (десятки и сотни малых космических аппаратов (МКА)) группировок, способных обеспечить глобальность, оперативность и высокую периодичность получения и доставки информации потребителям [1-4]. Реализацию новых требований к космическим системам невозможно обеспечить прежде всего по чисто экономическим соображениям, на основе использования современных больших космических аппаратов (КА), имеющих массу от одной до нескольких тонн. Необходимо существенное уменьшение массы и габаритов КА.
В настоящее время создание и запуск любого отечественного КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) — это длительный и дорогостоящий процесс [5, 6]. Лучшим отечественным достижением является успешный запуск спутников ДЗЗ с разрешением ~0,7 м и массой ~1 000 кг [7], с разрешением ~1,5 м и массой 530 кг [8]. По массовой эффективности это в несколько раз хуже, чем у лучших зарубежных аналогов (США, Израиль) [9-11]. Учитывая отсутствие в Российской Федерации серийного производства и соответствующей наземной инфраструктуры, реальная стоимость развёртывания группировки из 20-30 КА для обеспечения требований по глобальности, непрерывности и оперативности получения и доставки информации ДЗЗ потребителям пока превышает все разумные пределы. В то же время по данным компаний ЫЗЯ и Еитосотик [12, 13] в 2016 г. объём глобального рынка ДЗЗ составлял $2,75 млрд., а к 2026 г.
достигнет величины $8,5 млрд., т. е. покажет более чем трёхкратный рост за 10 лет. Таким образом, рынок ДЗЗ один из самых динамично растущих и перспективных рынков в области информационных технологий. В связи с этим создание технологии серийного производства малых КА для наблюдения земной поверхности с разрешением до 1 м и массой 180-220 кг для обеспечения высокой периодичности получения информации ДЗЗ (при приемлемой цене КА) является предельно актуальной задачей.
Следует отметить, что в настоящее время предприятиями отечественной космической промышленности не создаются МКА ДЗЗ с заявленными в настоящей статье характеристиками.
основные направления успешной реализации предлагаемой космической системы дзз
Успешное создание предлагаемой космической системы может быть достигнуто при реализации следующих технических решений.
Для глобального и высокопериодического наблюдения земной поверхности с возможностью оперативной доставки информации в любую точку Земли необходимо размещение КА на достаточно низких орбитах в нескольких плоскостях. При этом количество КА в орбитальной группировке (ОГ) может достигать нескольких десятков.
Система должна развёртываться на орбитах в течение срока значительно меньшего, чем срок активного существования (САС) КА в ОГ. При этом должна быть обеспечена возможность оперативного поддержания ОГ КА.
Стоимость и сроки создания КА должны быть существенно снижены (в несколько раз) по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время КА [9].
Это обуславливает необходимость создания КА массой не более 200-250 кг при сохранении функциональных характеристик существующих КА и технологий серийного производства таких КА с темпом изготовления до нескольких КА в месяц.
основные характеристики предлагаемой космической системы на базе малых космических аппаратов и особенности её реализации
Предложения по реализации указанных направлений были разработаны в рамках проведения проектно-поисковых исследований.
Предложена космическая система ДЗЗ на базе МКА, обеспечивающая оперативное получение высокодетальных изображений земной поверхности с точностью привязки получаемых изображений в плане 15 м и высокой периодичностью (не реже 1,0-1,5 ч).
В состав космической системы входят:
• орбитальная группировка МКА;
• многофункциональный наземный комплекс (МНК).
Малый КА осуществляет панхроматическую съёмку с пространственным разрешением (проекция пикселя) не хуже 0,7 м и мультиспектральную съёмку с пространственным разрешением не хуже 2,8 м при съёмке в надир с полосой захвата 20 км. Масса МКА ~200 кг, срок активного существования — три года.
Орбитальная группировка космической системы состоит из 24 МКА, размещаемых на солнечно-синхронных орбитах в четырёх плоскостях по шесть МКА, равномерно распределённых в каждой плоскости. Орбитальные плоскости разнесены между собой на 90° по восходящему узлу. Параметры орбиты: высота ~300 км; наклонение ~96,7°. Космическая система обеспечивает проведение космических съёмок над любым районом Земли (общая зона обслуживания). При этом возможность проведения съёмок в любой точке приоритетной зоны обслуживания обеспечивается не реже, чем шесть раз в сутки, а всей приоритетной зоны обслуживания — не реже, чем один раз в 12 суток (без учёта метеоусловий).
Согласно полученным оценкам, предлагаемая космическая система обеспечит возможность решения 40-60%
задач ДЗЗ при значительном сокращении затрат (до 30%) и до трёх-четырёх лет — сроков создания по сравнению с традиционными КА аналогичного назначения.
Анализ поглощённых доз ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП), действующих на комплектующие электрорадиоизделия (ЭРИ) в составе бортовой аппаратуры МКА, функционирующего на орбите высотой Н = 300 км, наклонением ~96,7° за срок активного существования три года, показывает, что уже при защите 0,3 г/см2 (соответствует толщине защиты из алюминия 1,1 мм) поглощённая доза составляет величину ниже достигнутого уровня стойкости комплектующих ЭРИ (2,5103 рад), установленного в ОСТ 134-1034-2012. Из этого следует, что на указанной орбите за САС три года проблем с обеспечением стойкости бортовой аппаратуры к воздействию ИИ КП по дозовым эффектам не возникнет. Это позволяет использовать ЭРИ коммерческого производства и существенно снизить стоимость изготовления МКА.
Поддержание орбиты МКА осуществляется с помощью электроракетных двигателей СПД-50М [14, 15].
Основные характеристики малого космического аппарата следующие: параметры рабочей орбиты:
- высота ~300 км;
- наклонение ~96,7°; линейное разрешение в надир
с высоты 300 км:
- панхроматический режим 1,0 м;
- мультиспектральный режим 4,0 м; полоса захвата (с высоты 300 км) 20 км; точность привязки
изображений в плане 15 м;
точность ориентации МКА
по трём осям (3с) 0,05°;
точность стабилизации МКА
по трём осям (3с) 510-4 °/с;
значение напряжения
на выходных шинах СЭС 22...38 В;
максимальная (пиковая) мощность, выделяемая
для полезной нагрузки 320 Вт;
средневитковая мощность, выделяемая для служебных систем 225 Вт; масса МКА в заправленном состоянии не более 215 кг;
максимальная масса заправки ДУ 48 кг; габариты МКА в транспортировочном положении 1 710x1 290x680 мм;
габариты МКА в рабочем
положении 1 710x2 330x2 300 мм;
срок активного существования 3 года.
Конфигурация МКА в транспортировочном и рабочем положениях приведена на рис. 1.
а)
б)
Рис. 1. Конфигурация малого космического аппарата:
а — в транспортировочном положении; б — в рабочем положении
Внешняя компоновка МКА приведена на рис. 2.
Рис. 2. Внешняя компоновка малого космического аппарата: 1 — оптико-электронная аппаратура; 2 — электромагнитные исполнительные органы; 3 — активная фазированная антенная решетка высокоскоростной радиолинии;
4 — антенны системы служебного канала управления;
5 — тяговый модуль СПД-50М; 6 — газовые двигатели; 7 — звёздные датчики; 8 — солнечный датчик; 9 — антенны автономной системы навигации
Малый КА создаётся по модульному принципу в негерметичном исполнении. В состав МКА входят модуль целевой аппаратуры и модуль служебных систем (космическая платформа). Космическая платформа обеспечивает размещение и функционирование полезной нагрузки — модуля целевой аппаратуры, предназначенной для получения данных в соответствии с её штатными задачами.
Корпус МКА выполнен из корпусных панелей, каждая из которых представляет собой трёхслойную клееную конструкцию, состоящую из двух обшивок и заполнителя между ними. Обшивки изготовлены из алюминиевого сплава В95. Обшивки панели «Нижняя» выполнены из углепластика для обеспечения размеростабильности оптической схемы и основных антенн бортового радиотехнического комплекса. Заполнитель представляет собой соты из перфорированной алюминиевой фольги.
Для обеспечения излучения тепла в окружающее пространство на внешнюю поверхность панелей наносятся элементы терморегулирующего покрытия типа К-208Ср.
Модуль целевой аппаратуры реализует съёмку земной поверхности и передачу получаемой информации по радиоканалу на наземные пункты приёма. Модуль целевой аппаратуры включает в себя оптико-электронную аппаратуру (ОЭА), бортовое запоминающее устройство, бортовую аппаратуру высокоскоростной радиолинии (БА ВРЛ). Рассматриваются два варианта исполнения ОЭА. Основные характеристики ОЭА приведены в табл. 1. Высота съёмки для расчёта характеристик 300 км.
Таблица 1
основные характеристики оптико-электронной аппаратуры
Параметры и характеристики Вариант 1 Вариант 2
Оптическая схема Внеосевая схема Кука Внеосевая схема Кука
Спектральный диапазон, мкм 0,45-0,90 0,45-0,99
Число спектральных каналов 1 панхром. 4 мультиспектр. 1 панхром. 7 мультиспектр.
Проекция пикселя в надир, м 0,7 панхром. 2,8 мультиспектр. 0,7 панхром. 2,8 мультиспектр.
Полоса захвата в надир, км 22,5 22,7
Объектив: f/D, м/мм; рабочее поле зрения 3172/220 4,5x2,0 1972/270 4,3x2,0
Количество зеркал, шт. 3 4
Количество асферических поверхностей, шт. 3 2
Тип матрицы фотоприёмного устройства ПЗС-матрица типа КА1 - 08670 [16] КМОП-матрицы GMAX4651 фирмы Gpixel [17]
Размер пикселя, мкм 7,4x7,4 4,6x4,6
Габариты, мм 700x470x1 400 1 045x800x500
Масса, кг 43 37 (44,8)*
Энергопотребление, Вт 90 100
Примечание. * — при использовании отечественной электронной компонентной базы.
Бортовое оборудование МКА обеспечивает передачу целевой информации на Землю в режиме непосредственной передачи при пролёте МКА над наземными пунктами приёма информации и из бортового запоминающего устройства.
В качестве основного варианта рассматривалась БА ВРЛ с передающей активной фазированной антенной решеткой (АФАР) разработки ООО «ИРЗ» [18], имеющей лётную квалификацию и обеспечивающей электронное сканирование луча, что в условиях низкой высоты орбиты имеет определённые преимущества.
В табл. 2 приведена укрупнённая массовая сводка МКА для варианта Б А ВРЛ с АФАР.
Таблица 2
укрупнённая массовая сводка мКА
для системы высокоскоростной радиолинии
с активной фазированной антенной решеткой
Наименование Масса, кг
ОЭА № 1 ОЭА № 2
Платформа (заправленная) 160,7 152,8
Оптико-электронная аппаратура (ОЭА) 43,0 37,0
Система высокоскоростной радиолинии 8,1 8,1
МКА ДЗЗ (заправленный) 211,8 197,9
К особенностям реализации предлагаемого варианта МКА относятся:
• использование новых технологических решений, которые позволяют значительно повысить производительность съёмки, качество получаемых изображений и точность координатной привязки изображений. Повышение этих параметров обеспечивается следующим образом:
- производительность съёмки — за счёт высоких динамических характеристик МКА, а также использования методов автоматического распознавания объектов с технологиями искусственного интеллекта [18];
- качество изображений — за счёт использования оптической системы с высоким контрастом и отношением сигнал/шум (не меньше 10), а также технологии временной задержки накопления на многолинейных ПЗС-струк-турах (несколько режимов накопления — до шести);
- точность координатной привязки изображений — за счёт применения космической платформы с высокой точностью ориентации и стабилизации и улучшенной точностью определения ориентации КА.
• в части целевой оптико-электронной аппаратуры:
- использование в обоих вариантах оптической схемы объектива внеосевой схемы Кука (внеосевой триплет Кука) [19], позволяющей реализовать широкий угол поля зрения (4,5° по ширине) и, как следствие, большую полосу захвата с низкой высоты орбиты, что практически невозможно осуществить в осевых схемах;
- высокое (на уровне дифракционного) качество изображения по всему полю;
- отсутствие центрального экранирования;
- полная ахроматизация ввиду отсутствия линзовых компонентов;
- компактность;
- низкая масса конструкции;
- оптимальные (с точки зрения технологичности) геометрия и конфигурация оптических поверхностей зеркал.
• в части космической платформы -применение электроракетной двигательной установки для поддержания и коррекции орбиты, а также использование центрального модуля бортового оборудования, объединяющего функции бортового компьютера и функции управления измерительными приборами и исполнительными органами системы бортовых измерений и системы управления движением и навигации, что позволяет:
- обеспечить оптимальную сбалансированность технических и экономических показателей МКА;
- оптимизировать массогабаритные характеристики МКА и обеспечить возможность выведения нескольких МКА одним пуском ракеты-носителя.
• в части многофункционального наземного комплекса — построение МНК по модульному принципу, что позволяет менять и наращивать функции отдельных программных модулей без необходимости внесения изменений в инфраструктуру МНК и корректировок в других модулях.
Повышение автономности управления МКА за счёт решения большинства задач навигационно-баллистического обеспечения в бортовом комплексе управления МКА. Это позволит снизить нагрузку на наземный комплекс управления, повысить автономность управления движением МКА и решить задачу управления большими группировками МКА. Реализуется путём автономного решения на борту МКА задачи управления движением КА и формирования
программ работы целевой аппаратуры за счёт использования бортовых моделей функционирования служебных систем МКА и его целевой аппаратуры (элементы искусственного интеллекта), а также обеспечения возможности высокоточной автономной навигации МКА по данным космической навигационной системы ГЛОНАСС [20, 21].
Создание пакета программ навигаци-онно-баллистического обеспечения как унифицированного стандарта для планирования программы съёмок МКА ДЗЗ и управления его полётом. Предлагаемое навигационно-баллистическое обеспечение включает в себя уникальные решения по обеспечению работы активно маневрирующего МКА, что может быть успешно использовано при решении задачи повышения оперативности и пространственного разрешения съёмок.
Основные технические решения, реализуемые при создании МКА:
• модульность построения МКА на основе готовых модулей служебных систем и целевой аппаратуры с отработанными интерфейсами;
• использование негерметичных корпусов и пассивной системы терморегулирования;
• использование в конструкции сотовых панелей, композиционных материалов, покрытий, полученных с использованием нанотехнологий;
• внедрение цифровых методов управления бортовой аппаратурой, обеспечивающих минимизацию и надёжность процессов управления, а также сбора и анализа телеметрической информации;
• снижение энергопотребления МКА за счёт использования в бортовой аппаратуре маломощных схем, твердотельных датчиков, исключения излишнего дублирования на уровне узлов и систем;
• магнитное экранирование оборудования (бортовых компьютеров, маховиков, электронных блоков приборов и др.);
• широкое использование коммерческих комплектующих;
• использование безрасходных систем разгрузки маховиков;
• отказ от излишней комплексности и предельная специализация МКА по целевому назначению;
• использование новых методов проверки и отработки элементов МКА.
В целях обеспечения конкурентных показателей по рекуррентной стоимости
изделия и сроков производства с определённого этапа создания ОГ МКА предлагается применять подходы серийного производства КА и комплектующих с использованием технологий искусственного интеллекта [18].
Организация серийного автоматизированного производства даёт возможность широко внедрять механизацию и автоматизацию производственных процессов, более правильно использовать труд инженерно-технических работников, а также оборудование и производственные площади.
Переход на автоматизированное производство при серийном изготовлении КА и его составных частей позволяет:
• значительно снизить стоимость и время производства приборов;
• снизить стоимость, сроки изготовления и объёмы экспериментальной отработки бортового оборудования КА мелкосерийного и единичного производства с помощью применения квалифицированного приборного оборудования, разработанного в рамках серийного производства.
Возможная структура и объём испытаний МКА в целом и его приборного оборудования при автоматизированном производстве представлены в табл. 3.
График, изображающий экспоненциальную зависимость количества КА, подвергаемых полному или частичному объёму испытаний, от общего числа КА в ОГ, приведён на рис. 3.
1_Г 40
С 30
20
0 100 200 300 400 500
Количество КА б 01"
Рис. 3. График зависимости количества МКА, подлежащих полному или частичному объёму испытаний, от общего числа МКА в орбитальной группировке (ОГ)
Многоцелевой наземный комплекс предназначен для планирования полёта и управления орбитальной группировкой (ОГ МКА) в количестве до 24 МКА ДЗЗ и работы наземных средств, командно-программного обеспечения управления
ОГ МКА, навигационно-баллистического обеспечения полёта О Г МКА, анализа состояния ОГ МКА, приёма, обработки, анализа и хранения всех видов информации, передаваемой с О Г МКА, включая данные ДЗЗ, а также информационного обмена с элементами наземных средств и взаимодействующими организациями на всех этапах функционирования.
Таблица 3
Структура и объём испытаний приборного оборудования КА при автоматизированном производстве
виды испытаний мКА Этап 1 Этап 2 Этап 3
1. Автономные испытания
Отработочные испытания на макете Статические испытания — — —
Динамические испытания • — —
Макетно-конструкторские испытания • — —
Отработочные испытания на лётном образце Электрорадиотехнические испытания • • •
Термовакуумные испытания • о —
Модальные испытания • — —
Динамические испытания • — —
Испытания на транспортабельность • — —
Контрольные (предварительные) испытания • • •
2. Комплексные испытания МКА
Отработка отделения и разделения • — —
Стыковочные испытания с разгонным блоком • — —
Совместные испытания с наземным комплексом управления • о —
виды испытаний приборного оборудования мКА Этап 1 Этап 2 Этап 3
Лабораторные отработочные испытания • о о
Конструкторско-доводочные испытания • о —
Электрические проверки (Health Check) • • •
Примечание. • — обязательное проведение испытания; о — проведение испытания по усмотрению. Указанный в табл. 3 первый этап серийного автоматизированного производства подразумевает полный цикл экспериментальной отработки только для первой серии приборного оборудования и КА. На втором этапе, по результатам выявленных замечаний этапа 1, происходит корректировка конструкторской документации на приборное оборудование и КА, проводится ряд испытаний, требующих повторного подтверждения. Третий этап подразумевает полностью автоматическое производство приборного оборудования и КА с последующими проверками работоспособности (Health Check).
В состав МНК входят:
• Центр управления полётами (ЦУП);
• наземный комплекс обработки данных ДЗЗ;
• распределённая сеть объединённых земных станций (ОЗС), обеспе-ивающих передачу на борт МКА командно-программной информации, приём телеметрической и целевой информации, передаваемой с МКА.
При этом ЦУП и наземный комплекс обработки данных ДЗЗ могут быть территориально совмещены или разделены. Все составные части МНК должны быть связаны между собой информационными каналами связи.
Обобщённая функциональная блок-схема МНК в составе космической системы представлена на рис. 4.
Блок-схема наземного комплекса обработки данных ДЗЗ представлена на рис. 5.
Структурная схема распределённой системы ОЗС представлена на рис. 6.
Проектирование, создание и эксплуатацию разрабатываемого в рамках данного проекта наземного сегмента космической системы предполагается проводить в тесном взаимодействии с единой
Группировка МКА
Объединенная земная станция
Команды управления
Поток данных ТМИ и автономной системы павигации
Центр управления полётами
Многофункциональный наземный комплекс
Исходные данные на съёмку
Зал рос на съёмку
Внешние потребители информации
Рис. 4. Многофункциональный наземный комплекс в составе космической системы ДЗЗ
территориально распределённой информационной системой (ЕТРИС) ДЗЗ, создаваемой Госкорпорацией «Рос-космос» [22].
Для обеспечения совместимости предлагаемой космической системы с ЕТРИС, а также возможности использования её технических средств при эксплуатации, необходимо на этапе проектирования и изготовления решить следующие задачи:
• согласование форматов данных, передаваемых с борта МКА ДЗЗ, а также параметров передаваемых информационных потоков на пункты приёма и обработки информации (ППОИ) ЕТРИС с характеристиками аппаратно-программных комплексов МНК;
• унификация уровней (продуктов) обработки, форматов их хранения и поисковых запросов в соответствии с требованиями единого банка данных ДЗЗ;
• согласование с ЕТРИС вопросов организации взаимодействия, в т. ч. использования системы ППОИ, каналов связи для передачи потоков данных различного уровня обработки, интерфейсов и порядка взаимодействия
МНК предлагаемой космической системы с элементами ЕТРИС.
Решение указанных задач позволит существенно снизить затраты на создание и эксплуатацию наземного сегмента предлагаемой космической системы на базе МКА, а также дополнить информационные ресурсы ЕТРИС большим объёмом данных ДЗЗ и продуктов их обработки.
Проведённые оценки технико-экономических показателей предлагаемой космической системы ДЗЗ на базе МКА показывают, что данная система при принятых исходных данных по стоимости получаемой информации экономически выгодна и способна окупить вложенные затраты в течение семи-восьми лет от начала работ.
Данные целевой информации
Наземный комплекс обработки данных ДЗЗ
Целевая
информация
требуемою
уровня
обработки
Рис. 5. Блок-схема наземного комплекса обработки данных ДЗЗ
Рис. 6. Структурная схема распределённой системы ОЗС
Примечание. АРМ — автоматизированное рабочее место; ЦИ — целевая информация.
заключение
Выполненные проектные проработки показали возможность создания в ближайшие три года малого космического аппарата дистанционного зондирования Земли, функционирующего в течение трёх лет на низкой солнечно-синхронной орбите высотой =300 км и обеспечивающего получение изображений земной поверхности с разрешением 0,7 м (линейное разрешение при зачётных условиях — 1 м), захватом 20 км и передачей получаемой информации на наземные станции приёма по радиоканалу со скоростью не менее 600 Мбит/с в масштабе времени, близком к реальному. При этом масса МКА составит не более 220 кг. Имеется реальная возможность за счёт использования новых материалов и технологий довести массу МКА до 160-190 кг и улучшить технические характеристики отдельных систем МКА [23], что может быть подтверждено на стадии эскизного проектирования малого космического аппарата.
На первом этапе реализации представленных предложений предлагается создать демонстрационный образец космического комплекса на базе МКА для подтверждения заявленных характеристик. При успешном проведении лётных испытаний сначала развёртывается орбитальная группировка из шести МКА, а затем в полном составе — из 24 МКА. Расчёты показывают, что в этом случае затраты на полноразмерную космическую систему могут окупиться в течение трёх лет её эксплуатации.
Одним из направлений реализации результатов может стать выполнение коммерческих заказов в части:
• производства МКА ДЗЗ;
• поставки стационарного и мобильного оборудования приёма информации;
• съёмки и стандартной обработки данных;
• развития сопутствующих сервисов (банки изображений Земли с разрешением ~0,7-1,0 м различного уровня обработки; результаты анализа изображений
Земли (поиск и распознавание объектов на изображениях, количественная оценка изменений и пр.); комплексный анализ состояния объектов потребителей за заданный период времени (с привлечением данных наземных, воздушных измерений и др.); отраслевые и региональные ситуационные центры и информационно-аналитические системы (совместно с потребителями)).
Создание и развитие сервисов космического мониторинга земной поверхности востребованы, прежде всего, для решения следующих задач [1, 2, 24, 25]:
• контроль природных и антропогенных чрезвычайных ситуаций, оценка их последствий в масштабе времени, близком к реальному;
• экологический мониторинг (в т. ч. выявление незаконных свалок);
• мониторинг сельскохозяйственного производства (карты полей, мониторинг всходов, картирование урожайности и др.);
• мониторинг лесных угодий (выявление очагов лесных пожаров, вырубки, лесовосстановление, использование земель лесного фонда и др.);
• контроль строительства и ремонта дорожной инфраструктуры;
• мониторинг подвижного состава РЖД;
• мониторинг объектов добычи полезных ископаемых.
Реализация представленных предложений позволит создать на основе использования перспективных технологий новый тип отечественных космических аппаратов, отвечающих требованиям мирового уровня и обеспечивающих необходимые качество и полноту выполнения задач.
Для успешной коммерческой конкурентоспособности предлагаемой космической системы, в т. ч. и на международном уровне, крайне необходимо создание на новых принципах сборочно-испытательной и производственной баз для серийного производства МКА. Именно организация непрерывного цикла разработки, изготовления, проведения наземных и лётных испытаний, создание поточного производства изготовления малых космических аппаратов позволит обеспечить минимизацию затрат на реализацию предлагаемой космической системы на базе малых КА.
Список литературы
1. Концепция федеральной целевой программы «Комплексное развитие
космических информационных технологий на 2020-2030 годы» (ФЦП «Сфера»). Госкорпорация «Роскосмос», 2020.
2. Голованев И.Н. Федеральная система мониторинга объектов и ресурсов. Основы построения и технической реализации: Монография. М.: СИП РИА, 2003. 244 с.
3. Микро- и нанокосмические аппараты — проблемы и перспективы создания и применения // Экономические стратегии. 2018. № 4(154). С. 70-83.
4. Вебер Р.А., О'Коннелл К.М. Американская коммерческая спутниковая съёмка в 2020 г.: варианты будущего // Innovative Analytics and Training, США. 2010.
5. Кирилин А.Н., Аншаков Г.П., Ахме-тов Р.Н., Сторож Д.А. Космическое ап-паратостроение: Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» / Под ред. Кирилина А.Н. Самара: Издательский дом «АГНИ», 2011. 280 с.
6. Боярчук К.А., Волков С.Н., Горбунов А.В. и др. Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» с космическим аппаратом «Канопус-В» № 1. М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2011. 108 с.
7. Египетский спутник EgyptSat-A запущен российской ракетой «Союз». Режим доступа: https://avianews.info/egipetsky-sputnik-egyptsat-a-zapushhen-rossijskoj-raketoj -soyuz/ (дата обращения 13.01.2021 г.).
8. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Шахматов Е.В., Ткаченко С.И., Бакланов А.И., Салмин В.В., Семкина Н.Д., Ткаченко И.С., Горячкин О.В. Опытно-технологический малый космический аппарат «Аист-2Д». Самара: Изд-во Самарского НЦ РАН, 2017. 345 с.
9. Данилкин А.П., Козлов В.А. Мировые тенденции развития малых спутников // Экономические стратегии. 2016. № 6. С. 136-149.
10. Хромов А. Спутники ДЗЗ SkySat. Режим доступа: http://www.dauria.ru/blog/ SkySat (дата обращения 13.01.2021 г.).
11. Меньшаков Ю.К. Техническая разведка из космоса. М.: Изд-во «Academia», 2013. 656 с.
12. Рынок данных и услуг ДЗЗ достигнет 8,5 млрд. долл. США к 2026 году. Режим доступа: https://sovzond.ru/press-center/news/market/3422/ (дата обращения 14.01.2021 г.).
13. Дворкин Б.А., Натарова Е.В. Космический мониторинг Земли: вчера,
сегодня, завтра. Режим доступа: https:// www.connect-wit.ru/k o smiche skij -monitoring-zemli-vchera-segodnya-zavtra.html?utm_source= y an d e x. ru & u t m _m e d i u m = organic & utm_ campaign = Yandex&referrer-analytics = 1 (дата обращения 14.01.2021 г.).
14. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 4. С. 60-67.
15. Mitrofanova O., Saevets P., Gnizdor R., Pridannikov S, Zhasan V., Koryakin А. Developed and perspective stationary plasma thrusters by EDB Fakel // Presented at the 6th Space Propulsion Conference, May 14-18, 2018, Seville, Spain. SP2018_448.
16. KAI-08670 3600 (H) x 2400 (V) Interline CCD Image Sensor // Semiconductor Components Industries, LLC. March 2015. Rev. 2. Режим доступа: https://www.onsemi. com/pub/ Collateral/KAI-08670 -D .PDF (дата обращения 02.12.2019 г.).
17. GMAX4651 51MP Global Shutter CMOS Image Sensor Flyer // Gpixel Inc. Режим доступа: https://gpixel.com/wp-content/uplo ads/2019/11 /GMAX4651 _ flyer_EN_2019-11-28.pdf (дата обращения 14.01.2021 г.).
18. Балухто А.Н., Матвеев С.А., Хар-тов В.В. Основные принципы построения и организации функционирования интеллектуальных многоспутниковых систем на базе малых космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2018. № 6. С. 127-140.
19. Молев Ф.В. Исследование оптико-электронной системы определения взаимного рассогласования элементов космического телескопа: дисс. ... канд. тех. наук: 05.11.07. СПб: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2014. С. 20-22.
20. Ревнивых С.Г. ГЛОНАСС для космических применений / / Вестник ГЛОНАСС. 2014. № 3(19).
21. Зализнюк А.Н., Карутин С.Н., Мит-рикас В.В., Скакун И.О. Высокоточное навигационное обеспечение космических геодезических комплексов с помощью системы ГЛОНАСС // Гироскопия и навигация. 2019. № 3. С. 18-30.
22. Ромашкин В.В, Лошкарев П.А., Федоткин Д.И., Тохиян О.О., Арефьева Т.А., Мусиенко В.А. ЕТРИС ДЗЗ современные решения в развитии отечественной наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли из космоса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 220-227.
23. Севастьянов Н.Н., Бранец В.Н., Панченко В.А., Казинский Н.В., Кондра-нин Т.В., Негодяев С.С. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 3. С. 14-22.
24. Якушев В.П., Дубенок Н.Н., Лу-пян Е.А. Опыт применения и перспективы развития технологий дистанционного зондирования Земли для сельского хозяйства // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 11-23.
25. Василевский А.С., Лупян Е.А., Карелов А.И., Крашенинникова Ю.С., Про-шин А.А., Саворский В.П., Уваров И.А., Щеглов М.А. Возможности использования специализированного сервиса РЖД-САТ для решения задач мониторинга железнодорожной инфраструктуры // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 2. С. 34-49.
Статья поступила в редакцию 18.11.2020 г. Окончательный вариант — 25.12.2020 г.
Reference
1. Kontseptsiya federal'noi tselevoi programmy «Kompleksnoe razvitie kosmicheskikh informatsionnykh tekhnologii na 2020-2030 gody» (FTsP «Sfera») [Conceptual Federal Policy Objectives Integrated Development of Space Information Technologies for 2020-2030 (FTsP Sfera)]. State Corporation Roskosmos, 2020.
2. Golovanev I.N. Federal'naya sistema monitoringa ob»ektov i resursov. Osnovy postroeniya i tekhnicheskoi realizatsii: Monografiya [Federal system for monitoring objects and resources. Fundamentals of architecture and engineering implementation: Monogrpah]. Moscow, SIP RIA publ., 2003. 244 p.
3. Mikro- i nanokosmicheskie apparaty — problemy i perspektivy sozdaniya i primeneniya [Micro-and nanospacecraft — problems and prospects for development and use]. Ekonomicheskie strategii, 2018, no. 4(154), pp. 70 -83.
4. Veber R.A., O'Konnell K.M. Amerikanskaya kommercheskaya sputnikovaya s»emka v 2020 g.: varianty budushchego [US commercial satellite imagery in 2020: future options]. Innovative Analytics and Training, USA, 2010.
5. Kirilin A.N., Anshakov G.P., Akhmetov R.N., Storozh D.A. Kosmicheskoe apparatostroenie: Nauchno-tekhnicheskie issledovaniya i prakticheskie razrabotki GNPRKTs «TsSKB-Progress» [Spacecraft engineering: Scientific and engineering research and practical designs of GNPRKTs TsSKB-Progress]. Ed. by Kirilin A.N. Samara, Izdatel'skii dom «AGNI» publ., 2011. 280 p.
6. Boyarchuk K.A., Volkov S.N., Gorbunov A.V. et al. Kosmicheskii kompleks operativnogo monitoringa tekhnogennykh i prirodnykh chrezvychainykh situatsii «Kanopus-V» s kosmicheskim apparatom «Kanopus-V» № 1 [A space system for real-time monitoring of man-made and natural disasters Kanopus-B with spacecraft Kanopus-B No.1]. Moscow, FGUP «NPP VNIIEM»publ, 2011. 108p.
7. Egipetskii sputnik EgyptSat-A zapushchen rossiiskoi raketoi «Soyuz» [Egyptian satellite EgyptSat-A launched on Russian rocket Soyuz]. Available at: https://avianews.info/egipetskij-sputnik-egyptsat-a-zapushhen-rossijskoj-raketoj-soyuz/ (accessed 13.01.2021).
8. Kirilin A.N., Akhmetov R.N., Shakhmatov E.V., Tkachenko S.I., Baklanov A.I., Salmin V.V., Semkina N.D., Tkachenko I.S., Goryachkin O.V. Opytno-tekhnologicheskii malyi kosmicheskii apparat «Aist-2D» [Engineering test spacecraft Aist-2D]. Samara, Samarskiy NTs RAN publ., 2017. 345 p.
9. Danilkin A.P., Kozlov V.A. Mirovye tendentsii razvitiya malykh sputnikov [Worldwide trends in the development of small satellites]. Ekonomicheskie strategii, 2016, no. 6, pp. 136-149.
10. Khromov A. Sputniki DZZ SkySat [ERS satellites SkySat]. Available at: http://www.dauria.ru/blog/ SkySat (accessed 13.01.2021).
11. Men'shakov Yu.K. Tekhnicheskaya razvedka iz kosmosa [Technical reconnaissance from space]. Moscow, Academia publ., 2013. 656 p.
12. Rynok dannykh i uslug DZZ dostignet 8,5 mlrd doll. SShA k 2026 godu [ERS data and services market to reach $8.5 bln by 2026]. Available at: https://sovzond.ru/press-center/news/market/3422/ (accessed 14.01.2021).
13. Dvorkin B.A., Natarova E.V. Kosmicheskii monitoring Zemli: vchera, segodnya, zavtra [Space monitoring of Earth: yesterday, today, tomorrow]. Available at: https://www.connect-wit.ru/kosmicheskij-monitoring-zemli - vchera-segodnya -zavtra.html?utm_source =yandex.ru&utm_medium = organic&utm_campaign = Yandex&referrer-analytics=1 (accessed 14.01.2021).
14. Gopanchuk V.V., Potapenko M.Yu. Elektroreaktivnye dvigateli dlya malykh kosmicheskikh apparatov [Electric propulsion engines for small spacecraft]. Vestnik Baltiiskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta, 2012, issue 4, pp. 60-67.
15. Mitrofanova O, Saevets P., Gnizdor R, Pridannikov S, Zhasan V., Koryakin A. Developed and perspective stationary plasma thrusters by EDB Fakel. Presented at the 6th Space Propulsion Conference, May 14-18, 2018, Seville, Spain. SP2018 448.
16. KAI-08670 3600 (H)*2400 (V) Interline CCD Image Sensor. Semiconductor Components Industries, LLC. March 2015. Rev. 2. Available at: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/KAI-08670-D.PDF (accessed 02.12.2019).
17. GMAX4651 51MP Global Shutter CMOS Image Sensor Flyer. Gpixel Inc. Available at: https://gpixel.com/ wp-sontent/uploads/2019/11/GMAX4651_flyer_EN_2019-11 -28.pdf (accessed 14.01.2021).
18. Balukhto A.N., Matveev S.A., Khartov V.V. Osnovnye printsipy postroeniya i organizatsii funktsionirovaniya intellektual'nykh mnogosputnikovykh sistem na baze malykh kosmicheskikh apparatov [Basic principles of constructing and setting up the operation of smart multi-satellite systems based on small spacecraft]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2018, no. 6, pp. 127-140.
19. Molev F.V. Issledovanie optiko-elektronnoi sistemy opredeleniya vzaimnogo rassoglasovaniya elementov kosmicheskogo teleskopa: diss. ... kand. tekh. nauk: 05.11.07 [A study of an electrooptical system for determining mutual misalignment of elements in a space telescope: Engineering Science Candidate's thesis: 05.11.07]. Saint-Petersburg, Sankt-Peterburgskii natsional'nyi issledovatel'skii universitet informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki, 2014. P. 20-22.
20. Revnivykh S.G. GLONASS dlya kosmicheskikh primenenii [GLONASS for space applications]. Vestnik GLONASS, 2014, no. 3(19).
21. Zaliznyuk A.N., Karutin S.N., Mitrikas V.V., Skakun I.O. Vysokotochnoe navigatsionnoe obespechenie kosmicheskikh geodezicheskikh kompleksov s pomoshch'yu sistemy GLONASS [High-precision navigation support for space survey systems using GLONASS system]. Giroskopiya i navigatsiya, 2019, no. 3,pp. 18-30.
22. Romashkin V.V, Loshkarev P.A., Fedotkin D.I., Tokhiyan O.O., Aref'eva T.A., Musienko V.A. ETRIS DZZ — sovremennye resheniya v razvitii otechestvennoi nazemnoi kosmicheskoi infrastruktury distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [ETRIS ERS — modern solutions in the development of our country's ground space infrastructure for Earth remote sensing]. Sovremennyeproblemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2019, vol. 16, no. 3, pp. 220-227.
23. Sevast'yanov N.N., Branets V.N., Panchenko V.A., Kazinskii N.V., Kondranin T.V., Negodyaev S.S. Analiz sovremennykh vozmozhnostei sozdaniya malykh kosmicheskikh apparatov dlya distantsionnoi zondirovaniya Zemli [Analysis of the state-of-the-art in development small spacecraft for earth remote sensing]. Trudy MFTI, 2009, vol. 1, no. 3,pp. 14-22.
24. Yakushev V.P., Dubenok N.N., Lupyan E.A. Opyt primeneniya i perspektivy razvitiya tekhnologii distantsionnogo zondirovaniya Zemli dlya sel'skogo khozyaistva [Operational experience and prospects for further development of Earth remote sensing technologies for agriculture]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2019, vol. 16, no. 3, pp. 11-23.
25. Vasilevskii A.S., Lupyan E.A., Karelov A.I., Krasheninnikova Yu.S, Proshin A.A., Savorskii V.P., Uvarov I.A., Shcheglov M.A. Vozmozhnosti ispol'zovaniya spetsializirovannogo servisa RZhD-SAT dlya resheniya zadach monitoringa zheleznodorozhnoi infrastruktury [Potential for use of the specialized service RZhD-SAT for addressing the problem of monitoring railroad infrastructure]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2015, vol. 12, no. 2, pp. 34-49.
