методическое пособие AlfaSat

kaznu.kz
sciencepark.kz
Инновационный
конструктор малого космического
аппарата для образовательных
учреждений
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

AlfaSat
Данный документ представляет собой
методическое пособие на русском языке по
проекту 0116-18-ГК «Производство
инновационных конструкторов малых
космических аппаратов для образовательных
учреждений». Документ содержит
образовательную программу для обучения
школьников и студентов основам разработки,
проектирования, сборки, испытаний и
эксплуатации космического аппарата.

Содержание курса ii
1. Обзор по наноспутникам и введение в подсистемы
наноспутника AlfaSat 1
• Назначение…………………………………………………………………………………………….1
• Состав……………………………………………………………………………………………………..1
• Участие в конкурсах ………………………………………………………………………………2
• Идеология ………………………….………………………………………………………………….2
• Малые спутники. Наноспутники стандарта CubeSat…………………..………..2
• Обзор миссии кубсатов……………….…………………………………………..…………...8
• Запуск и средства запуска наноспутников стандарта CubeSat……....….10
2. Предварительный/Детальный дизайн подсистем
наноспутника AlfaSat 14
• AlfaSat Software Kit (USK) (Draw.IO, C/C++, Python, программируемые
платы)…………………………………………………………………………………………………...19
• Блок-схемы Draw.IO для процесса разработки программного
обеспечения…………………………………………………………………………...19
• Системная среда AlfaSat (Raspbian based Linux OS)
и ОС Linux……………………………………………………………………………..…20
• Программирование на C / C ++ на AlfaSat Arduino…………..…..21
СОДЕРЖАНИЕ
На фото выше:
Внешний вид образовательного
конструктора AlfaSat
Разработчик: Мейрамбекулы Н.

Содержание курса
iii
Содержание
• Бортовой компьютер наноспутника AlfaSat..………………………………….....22
• Разработка программной части БК……………………………………....23
• Подготовка среды разработки ПО для БК
AlfaSat……………………………………………..……………………...…24
• Работа с камерой…..…………………………….………….……..…25
• Полезная нагрузка наноспутника AlfaSat……....................…………………..26
• Разработка аппаратной части полезной нагрузки……..………..27
• Принципиальная электрическая схема полезной
нагрузки………..……………………………………………………….....27
• Разработка программной части для полезной нагрузки…..…30
• Подготовка среды разработки ПО для платы
полезной нагрузки.......................................................30
• Структура проекта ПО для платы полезной
нагрузки.........................................................................31
• Система энергообеспечение наноспутника AlfaSat……....................…..32
• AlfaSat Unipower……………………………………………………………………..33
• AlfaSat Powerpocket………………………………………………………………..34
• Расчет энергобюджета спутника……................................... ……34
• Разработка принципиальной электрической схемы...............35
• Принципиальная схема AlfaSat EPS………………............37
• Принципиальная схема AlfaSat Battery Board............38
• Разработка печатной платы......................................................40
• Разработка печатной платы AlfaSat Battery Board…..41
• Разработка печатной платы AlfaSat EPS.………..........…42
• Разработка программной части СЭ……………………………………....43
• Подготовка среды разработки ПО для СЭ……………....44
• Настройка режимов работа СЭ..………….………….…….…45
• Разработка наземного и космического сегментов связи наноспутника
AlfaSat……....................…………………. ....................…....................…..... ......46
• Наземная станция AlfaSat……..………. …..………..………..………..…..46
Внешний вид инновационного
образовательного
конструктора AlfaSat, который
был разработан в рамках
совместного проекта АО
«Фонд Науки» и Научно-
технологического парка КазНУ
[фото: Технопарк КазНУ]

Содержание курса iv
Содержание
• Принципиальная электрическая схема наземной
станции.………..……………………………………………………….....48
• Разработка печатной платы наземной станции.…..…50
• Система связи наноспутника AlfaSat…..…. …..… …..… …..… …… 52
• Принципиальная электрическая схема приемо-
передатчика..………………………………………………………......53
• Разработка печатной платы приемо-
передатчика..................................................................55
• Подготовка среды разработки ПО для наземного и
космического сегментов..............................................57
• Телеметрические команды ........................................60
• Разработка корпуса наноспутника AlfaSat……..................................…...61
• Разработка антенной системы наноспутника AlfaSat……......................67
• Разработка протокола AlfaSat.................................................................68
3: Интеграция, испытание и запуск наноспутника AlfaSat
• Интеграция наноспутника AlfaSat...........................................................73
• Испытание наноспутника AlfaSat…….................................................…...75
• Запуск на верхние слои атмосферы........................................................77
3D модель наноспутника
AlfaSat, в рамках курса
студенты и школьники
научаться работать в CAD
программах и могут сделать
собственную концепцию
корпуса спутника.
[фото: Технопарк КазНУ]
Председатель АО «Фонд
Науки» Арын Орсариев во
время визита Технопарка
КазНУ. Руководитель проекта
Амирхан Темирбаев
рассказывает о готовности
образовательных
конструкторов. [фото: М.
Жунисбеков]

Основные этапы разработки наноспутников стандарта CubeSat 1
Обзор по наноспутникам и введение в
подсистемы наноспутника AlfaSat
В ЭТОЙ ГЛАВЕ
• Малые спутники. Наноспутники стандарта
CubeSat
• Запуск и средства запуска наноспутников
стандарта CubeSat
• Обзор миссии кубсатов.
Процесс отделения наноспутников
миссии Spaceflight SSO-A: SmallSat
компании SpaceX
Назначение
Конструктор «ALFASAT» является комплексом полунатурного
моделирования, предназначенным для обучения
школьников и студентов основам разработки,
проектирования, сборки, испытаний и эксплуатации
космического аппарата. Главная особенность: вместо того,
чтобы разрабатывать отдельные системы и углубляться в их
детальное устройство, конструктор позволяет сделать упор
на системное проектирование космического аппарата в
целом и быстрое получение результата - работающего
прототипа.
После прохождения всех этапов обучения у учащихся имеется возможность запуска данный
конструктор на верхние слои атмосферы – стратосферу, на высоту 20-30 км.
Состав
В набор комплекса входят подсистемы наноспутника. Функциональный макет наноспутника
(собираемый из конструктора «ALFASAT» объект) может содержать:
 полезную нагрузку – две камеры для съемки пространства вокруг себя
 центральный бортовой компьютер на основе Raspberry Pi СM3
 систему энергопитания, включая аккумулятор, блок управления питанием
 систему передачи команд и сбора телеметрии, включая радиоприемопередатчик на борту и
«Земле»
 программное обеспечение AlfaSat
 набор руководств и инструкций по сборке и по использованию конструктора в составе
лабораторной оснастки.
Внешний вид самого конструктора показан ниже.

Обзор по наноспутникам и введение в подсистемы наноспутника AlfaSat
2
Участие в конкурсах
Приобретая данный комплекс школьники и студенты смогут
принять участие в Республиканском конкурсе по запуску
наноспутников в стратосферу. Участие в конкурсе позволит
отработать навыки по успешной организации связи с спутником,
по быстрому и точному определению местонахождения
приземления спутника, а также по интерпретации полученных
результатов в ходе полета спутника в верхние слои атмосферы.
Прохождение школьниками и студентами обучающего курса по
разработке собственного наноспутника на основе конструктора
«ALFASAT» позволит развить STEM-образованием в
образовательных учреждениях.
Идеология
Сегодня развитие STEM образования среди школьников
актуально как никогда, ведь как показывает исследования
последних лет, все крупные открытия делаются на стыке этих
наук. Ведь, проектирование, разработка, создание,
тестирование и эксплуатация наноспутников охватывает все
направления STEM образования.
Создание космической техники - сложный процесс, требующий
интеллектуального труда многих специалистов: ученых,
конструкторов, радиотехников, технологов, программистов,
электронщиков и представителей многих других
специальностей. Космическая отрасль находится на пике новых
технологий, и это диктует особые требования к уровню
подготовки будущих специалистов этой отрасли.
В странах с развитой экономикой для целей обучения
используется в том числе так называемый проектный подход в
обучении, когда ВУЗ и даже школа создают силами учеников,
Внешний вид конструктора
AlfaSat
Первый наноспутник Казахстана
Тестирование наноспутника Al-
Farabi -1 перед летными
испытаниями.
под надзором практикующих специалистов, собственные маленькие спутники массой 1.3 кг в
образовательных целях. Это спутники «кубсаты» от слова CubeSat - признанный в мире
стандарт для очень маленьких образовательных спутников. Запускаются в космос такие спутники могут
при поддержке государства вместе с другими «профессиональными» спутниками традиционным
способом на ракетах или космонавтами с борта Международной космической станции. Именно
поэтому, сегодня наноспутники стали популярны не только в университетах, но и среди коммерческих
организаций. Как результат, число запусков растет экспоненциальным образом, так если в 2010 году
было запущено всего 19 наноспутников, то к 2020 году анонсирован запуск 449 наноспутников.
Коммерческий рынок наноспутников в 2019 году достиг 1,8 млрд. долларов США, а к 2026 году
ожидается, что мировой рынок нано- и микроспутников достигнет более 6,2 млрд. долларов.
В чем секрет такой популярности наноспутников? Большой мировой интерес к освоению
наноспутников кроется в особенности данной технологии. Во-первых, наноспутники имеют малые
размеры и вес. Во-вторых, разработка и запуск наноспутников намного дешевле чем больших
спутников.
Малые спутники.
Наноспутники стандарта CubeSat

В-третьих, жизненный цикл создания наноспутника короткий – 1-
2 года, тогда как создание больших спутников занимает до 10
лет. Одним из результатов тенденции миниатюризации, а также
стремления к изучению космоса (доступному экономически)
стало появление стандарта наноспутников CubeSat. Данный
стандарт был разработан в 1998 г. совместно такими
профессорами, как Jordi Puig-Suari (Калифорнийский
технологический университет) и Bob Twiggs (Стэндфордский
университет), с целью решения проблемы подготовки
специалистов в космической отрасли (проведения практических
занятий в университетах). В концепцию CubeSat были заложены
следующие положения:
 создание спутника за короткий период (1-2 года);
 стоимость создания спутника менее 50 000 долл.;
 активное привлечение студентов, магистрантов и молодых
специалистов на всех этапах работ по проектированию,
созданию и эксплуатации спутника.
Вышесказанные особенности технологии CubeSat сделали ее
популярной не только в университетах, но и среди коммерческих
организаций. Сегодня 467 учебные и коммерческие
организации в 65 странах мира занимаются разработкой
собственных наноспутников. Из них, свыше 50% приходится
коммерческим организациям, и лишь 32% университетам.
Важно отметить особую роль технологии
CubeSat в образовании. Проектирование таких
спутников в университетах позволяет
дополнить образовательный процесс и решить
проблему отсутствия необходимой практики
студентов в аэрокосмической области. Как
результат, первые наноспутники стандарта
CubeSat были разработаны именно на базе
университетов, а первый CubeSat запущенный в
2003 году на ракетоносителе Rokot-KM,
принадлежал Токийскому Университету. На
базе Казахского национального университета
имени аль-Фараби с 2010 года идет реализации
проекта по созданию национальной-научной
школ. Как результат, в 2017 году был запущен
первый наноспутник Казахстана Al-Farabi -1,
чуть более года спустя в 2018 году был запущен
уже второй университетский CubeSat Al-Farabi -
2. Запуск второго наноспутника осуществлялся
компанией SpaceX.
Bob Twiggs. CREDIT: Kentucky Space
В то время Bob Twiggs запускал программу по
разработке спутников для студентов Stanford
University. Они с Puig-Suari также разработали
специальный контейнер, называемый P-POD
(Poly-Picosatellite Orbital Deployer) для интеграции
CubeSat к ракетоносителю
Jordi Puig-Suari CREDIT: Cal Poly
Тогда профессор Puig-Suari
Преподавал занятия
магистрантам
в California Polytechnic
State University.
Он с профессором Bob Twiggs
разработали стандарт
наноспутника размерами
10х10х10 см и называли его
CubeSat. Многие спутники имеют
размеры 1U.

Сегодня кубсаты решают ряд интереснейших задач в науке, технике, а также в бизнесе. Как было
сказано выше, у кубсатов имеются ряд преимуществ делающих их популярнее с каждом годом.
Быстрота – кубсаты разрабатываются в течение 2-3 лет, Цена – намного дешевле, чем большие
спутники, Технология – она унифицирована и имеет простой дизайн, Космический мусор – после
завершения миссии, кубсаты сгорают в плотных слоях атмосферы.
SMALL
SATELLITES
Рис. 1. Разные модификации кубсатов
К недостаткам кубсатов относятся их малые размеры,
из-за чего некоторые научные оборудования нельзя
вместить. Вторым недостатком является длительность
миссии – как правило кубсаты функционируют от 1 до 3
лет. Но, бывает и исключения, что кубсаты работают до
10 лет в штатном режиме.
Выше на рис.1 показаны разные модификации кубсатов. Больше всего запущены кубсаты
размерами 1U (от слово Unit). Но, сегодня из-за диверсификации космических задач больше
запускаются кубсаты размерами 2U, 3U и 6U. Необходимо отметить, что кубсаты входят в класс
наноспутников, масса которых не превышают 10 кг. Спутники, массой от 10 до 100 кг называют
микроспутниками. Миниспутниками же называют спутников массой от 100 до 350 кг
соответственно. Нано-, микро-, миниспутников принято называть малыми спутниками. В
последние две декады разработка и запуск кубсатов имеет характер экспоненциального роста (Рис.
2). Такой интерес объясняется тем, что специфические стандарты кубсатов (по массе и размеру)
уменьшили стоимость комплектующих. Во-вторых, компаниям разработчикам комплектующих
кубсатов стало легче выпускать компоненты из так называемых COTS (Commercial off-the-shelf), то
есть используя распространённые в промышленности и индустрии электронные компоненты. В
последующих разделах мы поподробнее остановимся на некоторых примерах использования
кубсатов в различных областях.
4

Рис. 2. Число запусков кубсатов по годам CREDIT: https://www.nanosats.eu/
Рис. 3. Число запусков кубсатов по видам организации CREDIT: https://www.nanosats.eu/

Следует отметить, что изначально при разработке стандарта CubeSat целю проекта было обеспечить
доступный и недорогой доступ к космосу для университетского научного сообщества. Сегодня
благодаря технологии CubeSat многие вузы стали делать свои космические проекты и как результат
1/3 запусков кубсатов принадлежит именно университетам (Рис. 3).
Студенты физико-технического
факультета КазНУ
Мейрамбекулы Нурсултан и
Орынбасар Сабыржан в
процессе сборки наноспутника Al-
Farabi -2. [Технопарк КазНУ им.
аль-Фараби]
Kazakhstan
(2 CubeSats from KazNU )
Рис. 4. Число запусков кубсатов по странам CREDIT: https://www.nanosats.eu/
6

Студенты и сотрудники КазНУ
во время интеграции
наноспутника Al-Farabi -2 (г.
Делфт, Нидерланды)
На фото:
Руководитель проекта –
А.Темирбаев
Старший программист –
О.Туенбаев
Инженер-электронщик –
С.Орынбасар
Инженер по 3D моделированию
– Н.Мейрамбекулы
Менеджер проекта –
Т.Шыназарова
Сегодня лишь 68 стран успели запустить свои кубсаты (Рис. 4). Казахсан имеет 3 наноспутника, 2 из
которых был запущен Казахским национальным университетом им. аль-Фараби. Основной миссией
наноспутников являлась образовательная, цель которой состоит в создании собственной научной
школы по разработке наноспутников. Краткая информация о наноспутниках КазНУ указана на Рис. 5.
Рис. 5. Краткая информация о запущенных кубсатах КазНУ

Теперь немного остановимся на некоторых основных миссиях кубсатов. Сегодня кубсаты
выполняют четыре основных миссии. Первая из них связана с технологической демонстрацией
или же отработкой летной истории отдельных подсистем кубсата. Одним из ярких примеров
является научно-образовательные спутники «СириусСат-1» и «СириусСат-2» собранные
воспитанниками образовательного центра «Сириус» совместно со специалистами компании
«СПУТНИКС» на базе разработанной компанией наноспутниковой платформы «OrbiCaft — Pro».
Хотя спутники являются научно-образовательные, но одной из главных миссии является
отработка летной истории для спутниковой платформы OrbiCaft — Pro. Помимо этого, аппараты
предназначены для исследования космической погоды: солнечных вспышек, геомагнитных бурь
и прочих явлений, связанных с воздействием солнечной активности на Землю.
Технологическая демонстрация
SiriusSat 1,2, Sputnix
Демонстрация спутниковой
платформы OrbiCaft — Pro
Образовательная миссия
Al-Farabi -2, al-Farabi KazNU
Создание отечественной научной
школы через разработку серии
наноспутников
Второй большой и одной из основных миссии кубсатов является образовательная составляющая.
Как было сказано выше, после создания стандарта кубсат многие университеты начали свои
космические проекты. В качестве примера хотим поделиться опытом Казахского национального
университета имени аль-Фараби по созданию собственной научной школы по разработке и
созданию малых космических аппаратов. Так в 2013 году университет начал первую свою
космическую программу, целю которой являлась подготовка кадров по разработке
наноспутников. Пять магистрантов и докторантов прошли обучение в Токийском Университете в
рамках международной программы Uniform. Параллельно были закуплены комплектующие для
первого наноспутника и комплектующие для создания наземного сегмента. На механико-
математическом и физико-техническом факультетах начали подготовку дипломных и
магистерских работ. Были приняты первые докторанты на специальность космическая техника и
8

технологий. В качестве соруководителей докторантов были приглашены специалисты из
Токийского университета. В 2015 году университет начал вторую космическую программу, целью
которой являлась запуск первого отечественного наноспутника Al-Farabi -1. Запуск первого
университетского спутника состоялся на космодроме «Шрихарикота» в штате Андра-Прадеш в 15
февраля 2017 года (Рис. 5). В период выполнения проекта были подготовлены свыше 20
дипломных работ, свыше 10 магистерских диссертаций и защищены 5 докторских диссертации,
а также были получены 2 отечественных патента на уникальные разработки подсистем спутника.
Наука
LitSat-1, Kaunas Technology University
Scientific platform for the future
experiments with piezo motors in
space
Бизнес
DOVE SERIES, Planet
Constellation for optical Earth
observation with 3-5 m resolution
Еще одной немаловажной миссией кубсатов является проведение научных исследований в
космосе. Сегодня одни наноспутники исследует изменения магнитного поля Земли в
зависимости от геомагнитных явлений, другие измеряют поток заряженных частиц в
околоземной орбите, а трети ставят различные эксперименты над новыми космическими
двигателями.
В последние несколько лет очень популярным становится использования кубсатов в
коммерческих целях. Сегодня на рынке имеются десятки частных компаний, которые
предоставляют различные услуги связанные с IoT, ДЗЗ и др. Ярким примером является компания
Planet, на счету которого свыше 200 запушенных спутников. Компания зарабатывает деньги от
предоставления качественных снимков высокого разрешения, при этом космические аппараты
DOVE имеют разрешение 3-5 м. и снимают Земную поверхность ежедневно. Компания имея 30
наземных станций в США и Европе в режиме реального времени предоставляют снимки
заказчикам и решает много полезных задач (Рис 6,7). Например с помощью снимков компании
Planet были обнаружены нелегальное добыча золото в Перу. До тех пор, пока спутники не
обнаружили стремительно расширяющейся территорию добычи, местные власти об этом не
догадывались.

Рис. 6. Нелегальная добыча золота в Перу, Перу
29 January 2016 21 July 2016 4 November 2016
Рис. 7. Увеличение мощности солнечной электростанции, Голмуд, Китай
17 December 2015 27 February 2016 30 January 2017
В качестве второго примера можно показать снимки стремительного растущей солнечной
электростанции в Китае. Рисунок показывает как за 2 года мощность данный электростанции выросла
в разы.
Теперь непосредственно рассмотрим средства запуска
наноспутников в космос. Каким способом они запускаются в
космос? Есть три варианта запуска наноспутников в космос. В
основном такие аппараты запускаются как попутный груз, то
есть как вторичная полезная нагрузка к основной полезной
нагрузке ракетоносителя. Втором способом их запуска
является через МКС. На МКС имеется специальная рукава,
через которую выплескивается наноспутник. А третьим
возможным вариантом является запуск с помощью
космонавтов, когда они выходят в открытый космос.
Для запуска в качестве попутного груза наноспутники должны
соответствовать специальными требованиям, а точнее
соответствовать CubeSat Design Specification (CDS),
указанный на этом сайте http://www.cubesat.org. Для чего
нужны специальные требования? Дело в том, чтобы
закрепить кубсаты к ракетоносителю предварительно их
загружают в специальный контейнер, называемый
диспенсерные системы. Сегодня на рынке имеются разные
контейнеры, такие как Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-
POD), QUADPACK и др., но все они сделаны в соответствии с
форм фактором CubeSat.
Al-Farabi -1 (PSLV, 2017/2)
Первый Казахстанский наноспутник.
Разработан в КазНУ стандарта
CubeSat 2U
10

Первый контейнер для кубсатов был разработан в университете
Cal Poly в в Сан-Луис-Обиспо. Текущий вариант контейнера
показан на Рис. 8. В него можно размещать три кубсата 1U, или
два кубсата 1,5U или один кубсат размерами 3U. Когда
наступает время отделения наноспутника ракетоноситель
передает сигнал контейнеру об открытии дверей, а
установленная внутри пружинная система выталкивает спутник
снаружу.
Второй наиболее популярный диспенсер разработан компанией
ISIS и называется QuadPack (Рис 9). QuadPack - это европейский
пусковой адаптер, разработанный для размещения кубсатов на
борту большого количества ракет-носителей. По своей
конструкции QuadPack является универсальным устройством
для развертывания с простыми и гибкими интерфейсами и
конфигурацией в отношении кубсатов и ракет-носителей.
CDS – это набор
требований для всех
наноспутников стандарта
CubeSat, но данные
требования являются не
официальными
Форм фактор – этот
термин используется для
описания размера, формы
того или иного устройства.
Применительно к CubeSat
это означает массу и
размеры космического
аппарата.
Полезная нагрузка – в
аэрокосмической
промышленности данный
термин используется для
описания груза. Когда
речь идет о кубсат
диспенсерах, мы всегда
имеем в виду аппараты
CubeSat.
Рис. 8. Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-POD)
разработанный CalPoly [CalPoly]
Рис. 9. QuadPack компании ISIS

После размещения спутников в пусковые
контейнера, те соответственно устанавливаются в
головной части ракетоносителей как это показано
на Рис.10. Как правило, все кубсаты отделяются
в последний очередь после отделения основных
полезных нагрузок. На сегодняшний день
благодаря наличию контейнеров появилась
возможность кластерного запуска кубсатов,
подразумевающий одновременный запуск
множество космических аппаратов. Такой вид
запуска естественно удешевляет стоимость
пусковых услуг.
Вторым возможным вариантом запуска кубсатов
является запуск через МКС, используя
специальные рукава. Например, в японском
отсеке имеется рукава для запуска малых
аппаратов под названием KIBO. В американском
отсеке также имеется роботизированные рукава
Nanoracks CubeSat Deployer (NRCSD). На Рис.11
показан запуск двух кубсатов DOVE через NRCSD в
2014 году.
Третий возможный вариант запуска кубсатов
является запуск с помощью космонавтов, при их
выходе в открытый космос. Научно-
образовательные кубсаты SiriusSat 1,2 запущены в
космос с борта МКС 15 августа 2018 года в 16:52
UTC и 16:56 UTC, во время планового выхода в
открытый космос космонавтами Роскосмоса.
Студенты физико-
технического факультета
КазНУ Узбеков Нурсултан и
Ханиев Бакыт в процессе
интеграции наноспутника Al-
Farabi -1 в пусковой
контейнер. [Делфт,
Нидерланды]
Рис. 10. Установленные в головной
части ракетоносителя наноспутники
[CREDIT: https://www.loadpath.com ]
Контейнеры с
кубсатами
12

Рис. 11. Запуск двух кубсатов DOVE
через роботизированные рукава
Nanoracks CubeSat Deployer (NRCSD),
2014 год, МКС
[CREDIT: nanoracks.com]
Предлагаемый нами конструктор AlfaSat можно запускать на верхние слои атмосферы, а именно
на стратосферу. Запуск будет осуществляться с помощью шара наполненный гелием. Во время
запуска кубсат будет делать фотографии поверхности Земли, а установленные в аппарате
датчики будут проводить сбор и непрерывный запись данных. На высоте 25-30 км гелиевый шар
взорвется и аппарат приземлится с помощью парашюта.
Структура атмосферы [CREDIT: www.dailymail.co.uk]

Предварительный/Детальный дизайн
подсистем наноспутника AlfaSat
В ЭТОМ РАЗДЕЛЕ
• AlfaSat Software Kit (ASK)
• Бортовой компьютер
• Полезная нагрузка
• Система энергообеспечение
• Наземный и космический сегменты связи
• Корпус наноспутника
Участницы проекта AlfaSat в процессе
изучения подсистем наноспутника
AlfaSat
[фото: М. Жунисбеков]
Мы считаем, что вести подготовку будущих инженеров
нужно со школьной скамьи, активно вовлекая их в
практическую работу с «железом», дающим
представление о работе реальных спутников. Для этого мы
предлагаем инструмент – конструктор «AlfaSat» -
настоящий конструктор для сборки функциональных
моделей космических аппаратов. Это набор компонент,
который в наглядной форме даст учащимся системное
представление о процессах проектирования, сборки,
испытаний и эксплуатации космических аппаратов, и в
конечном итоге позволит разработать, испытать, запустить
и эксплуатировать в стратосферу, хотя и немного простой,
но свой «космический» аппарат. В этом разделе мы
рассмотрим все подсистемы конструктор «AlfaSat», а
также сделаем обзор некоторых других подсистем
кубсатов и в целом расскажем о процессе разработки
любых подобных спутников.
Цикл жизни разработки кубсата зависит от миссии
космического аппарата, но процесс разработки любого
кубсата очень похож друг на друга и регламентируется
документами NASA
https://ntrs.nasa.gov/citations/20170001761 или же ECSS
https://ecss.nl/standard/ecss-m-st-10c-rev-1-project-
planning-and-implementation/. Эти документы
представляют собой пошаговое руководство по проект
менеджменту по разработке космических аппаратов, в том
числе кубсатов. Фазы разработки космического аппарата
не сильно различаются в вышесказанных документах.
Согласно этим документам, разработка космического
аппарата состоит из нескольких проектных фаз:
Определение миссии, Определение требований к этой
миссии, Первичный дизайн кубсата, Финальный дизайн
кубсата, Сборка, интеграция, испытание аппарата, Запуск и
дальнейшее эксплуатирование аппарата.
Миссия – Этот термин является
в некоторой степени общим,
всеобъемлющим термином,
который относится к
предприятию в целом. Иногда
термин “миссия” обозначает
сам “проект” или же
“исследование” и включает все
этапы (фазы) начиная с
проектирования, разработки,
создания и эксплуатации
космического аппарата.
14

Предварительный/Детальный дизайн подсистем наноспутника
AlfaSat
15
Предварительный/Детальный дизайн подсистем наноспутника AlfaSat
После каждой фазы как правило готовится
отчеты о проделанных работах. В
зависимости от завершённости
выполненных работ решается переход к
следующей фазе проекта. На Рис.12
показана зависимость кумулятивных
расходов от различных фаз жизненного
цикла космического аппарата. Как видно из
рисунка, что во время проектирования
может быть израсходовано только около
15% общих затрат проекта, но сам проект
потребует около 75% затрат жизненного
цикла (как говорится, семь раз отмерь, один
раз отрежь!). Это связано с тем, что при
проектировании определяется насколько
дорого обойдутся тестирование,
производство, интеграция, эксплуатация и в
целом миссия спутника. Если эти факторы
не будут учтены при проектировании, они
Рис. 12. Зависимость расходов от жизненного цикла космического аппарата
будут представлять значительный риск для затрат на более поздних этапах жизненного цикла. Также
необходимо обратить внимание, что стоимость изменения дизайна многократно увеличивается по
мере завершения жизненного цикла, и поздних этапах жизненного цикла может достигать до 500-
1000 кратного увеличения.
На фото: Руководитель проекта А. Темирбаев читает
лекции участницам программы UNEPG

На фото: Церемония старта совместной с
ЮНИСЕФ программы по обучению девушек
основам разработки наноспутников (UNEPG)
Слева на право:
Директор Центра ДЗЗ КазНУ – Б. Сахариев
Заведующая кафедрой механики – З. Ракишева
Проректор по научно-инновационной деятельности –
Т. Рамазанов
Директор департамента по науке и инновационной
деятельности – С.Мухамбетжанов
Директор научно-технологического парка,
координатор проекта – А.Темирбаев
Заместитель генерального директора Кластера
инжиниринга и наукоемких технологий –
О.Таукебаев
На фото: команда менторов проекта UNEPG
В рамках предлагаемой образовательной
программы школьники ознакомятся всеми
этапами разработки настоящего космического
аппарата. Подробно будут даны описания
каждой подсистемы спутник-конструктора.
Фактическим результатом такого обучения
должны стать знания и навыки, которые
позволят ребятам в будущем принять
осмысленное участие в проектах разработки и
запуска в космос настоящих небольших
космических аппаратов. Также полученные
навыки работы с электроникой и
программированием позволят учащимся
проявить себя в дальнейшем и в смежных
технических отраслях, таких как робототехника,
беспилотные аппараты и т.д. Кроме этого,
внедрение конструктора в образовательный
процесс будет развивать у учащихся «мягких
навыков (Soft Skills)», связанные с
выступлением перед публикой, командной
работой.
В следующих разделах мы ознакомимся с
основными подсистемами космического
аппарата AlfaSat, а также рассмотрим
специально разработанное программное
обеспечение ASK.
Любая космическая система состоит из двух
сегментов – космический сегмент и наземный
сегмент (Рис. 13). Космический сегмент
представляет сам космический аппарата со
всеми подсистемами, а наземную часть
представляют наземные станции приема
данных, центр управления миссией и полезной
нагрузкой.
Космическая система AlfaSat, как и любая
космическая система имеет свои космический
и наземный сегменты. Космический сегмент
AlfaSat состоит из кубсата 1U. Аппарат имеет
систему энергообеспечения, бортовой
компьютер, плату полезной нагрузки, систему
коммуникации, а также корпус.
Наземный сегмент состоит из системы
коммуникации с антенной системой,
подключенной к ноутбуку, которые в
совокупности представляют наземную станцию.
16

17
Рис. 13. Пример структуры космической системы
AlfaSat
Вышеуказанную диаграмму еще называют «дерево продуктов». Дерево продуктов - это разбивка
проекта на последовательные уровни аппаратных и программных продуктов или элементов,
составленных для выполнения функций, указанных в дереве функций. То есть это схематичное
обозначение каждой подсистемы космического аппарата с их функциями.
ECSS https://ecss.nl/standard/ecss-m-st-10c-rev-1-
project-planning-and-implementation/

Рис. 14. Cтруктура космической
системы AlfaSat
На Рис.14 показана структура космической
системы AlfaSat (это спутник, который
разработан на базе платформы AlfaSat).
Космический сегмент представляет собой
наноспутник стандарта CubeSat 1U.
Бортовой компьютер представляет собой
одноплатный микрокомпьютер Raspberry Pi
CM3, коммуникационный модуль
представляет собой приемо-передатчик
LoRa. Система энергообеспечения состоит из
модуля батарей и системы управления.
Корпус наноспутника AlfaSat был разработан
участницами и имеет свою новизну, более
подробная информация будет дана ниже в
следующих главах. Еще одной подсистемой
спутника является Top Board, который
отвечает за сбор данных от всех плат. Кроме
этого, на данной плате установлены
антенны GPS и GSM. Связь с наземным
сегментом будет происходить через два
канала связи: GSM и LoRa. Более подробная
структура космической системы и как
организована взаимодействие между
подсистемами показана ниже на Рис. 15.
На фото: Участницы проекта Жания,
Лаура и Орисим обсуждают миссию
наноспутника AlfaSat с
координатором проекта – А.
Темирбаевым
18

19
Рис. 15. Подробная структура организации подсистем
космической системы AlfaSat
Теперь мы поподробнее изучим каждую подсистему космической системы AlfaSat. Отдельно
рассмотрим этапы разработки космического и наземного сегментов.
Прежде хотим обратить внимание на подготовку среды разработки программного обеспечения
для дальнейшей работы.
Git и Github важны и очень полезны при работе в команде. Проекты AlfaSat размещаются на Github
или Bitbucket, которые также являются платформой репозитория исходного кода на основе git.
Для работы с Git / Github нам нужно сделать несколько шагов, как показано ниже:
1. Регистрация на https://github.com
2. Установить Git
– Mac OS
brew install git
– Linux/Unix
sudo apt install git -y
– Windows
3. git config --global user.name "Your Name"
git config --global user.mail "Your Email Address«
4. Добавить SSH в Github/Bitbucket
ls -al ~/.ssh
ssh-keygen -t rsa -b 4096 -C "Your Email Address"
eval "$(ssh-agent -s)"
ssh-add -K ~/.ssh/id_rsa
AlfaSat

GCC
GCC - это интегрированный дистрибутив компиляторов для нескольких основных языков
программирования. Эти языки в настоящее время включают C, C ++, Objective-C, Objective-C ++, Java,
Fortran и Ada.
Цель состоит в том, чтобы заставить систему интерпретировать код C и преобразовать его в
машинный язык, которого понимает система.
Для разработки программного обеспечения AlfaSat требуется, чтобы GCC компилировал коды на
основе C / C ++.
Установка GCC:
• On Mac OS:
brew install gcc
• Linux:
sudo apt install gcc
• Windows:
Загрузите MinGW, сокращение от «Minimalist GNU for Windows», минималистичную среду
разработки для Windows, с http://www.mingw.org/ и следуйте инструкциям по установке.
Python
Python - это простой в освоении, но мощный язык программирования, он является языком
программирования по умолчанию для Raspberry Pi в AlfaSat OBC. Если вы используете Linux, Python
уже должен быть там, если вы используете другие системы, а не Linux, выполните следующие
действия, чтобы установить его (мы используем Python версии 3 для изучения конструктора AlfaSat
Projects):
Mac OS:
brew install python3
Windows:
Загрузите установщик Python 3.x с официального сайта Python https://python.org и следуйте
инструкциям.
vcgencmd - это утилита командной строки, которая может получать различную информацию от
графического процессора VideoCore на Raspberry Pi.
Применение
Чтобы получить список всех команд, которые поддерживает vcgencmd, введите команды vcgencmd.
Некоторые из наиболее полезных команд описаны ниже.
20

21
Команды
• measure_temp: возвращает температуру SoC, измеренную встроенным датчиком температуры.
• measure_clock [часы]: возвращает текущую частоту указанных часов. Возможные варианты:
• measure_volts [block]: Отображает текущие напряжения, используемые конкретным блоком.
• otp_dump: Отображает содержимое памяти одноразового программирования (OTP), которая
является частью SoC. Это 32-битные значения, проиндексированные от 8 до 64.
• тип getmem: сообщает об объеме памяти, выделенной ядрам ARM `vcgencmd getmem arm и
VC4vcgencmd get_mem gpu`.
• codec_enabled [type]: Сообщает, включен ли указанный тип CODEC. Возможные варианты типа: AGIF,
FLAC, H263, H264, MJPA, MJPB, MJPG, MPG2, MPG4, MVC0, PCM, THRA, VORB, VP6, VP8, WMV9, WVC1
(некоторые из них используются на камерах OBC)
• mem_oom: отображает статистику любых событий Out Of Memory, возникающих в области памяти
VC4.
• memrelocstats: отображает статистику перемещаемого распределителя памяти на VC4.
• readringosc: Возвращает текущее напряжение скорости и температуру кольцевого генератора.
block Description
core VC4 core voltage
sdram_c SDRAM Core Voltage
sdram_i SDRAM I/O voltage
sdram_p SDRAM Phy Voltage
clock Description
arm ARM cores
core VC4 scaler cores
H264 H264 block
isp Image Signal Processor
v3d 3D block
uart UART
pwm PWM block (analogue audio output)
emmc SD card interface
pixel Pixel valve
vec Analogue video encoder
hdmi HDMI
dpi Display Peripheral Interface
AlfaSat

БОРТОВОЙ КОМПЬЮТЕР (БК)
Бортовой компьютер (далее мы будем называть его OBC) является неотъемлемой частью
космического аппарата. Основная нагрузка ложится на OBC, и все узлы и подсистемы должны
управляться, алгоритмы исполняться бортовым компьютером. В образовательных целях бортовой
компьютер должен также выполнять функции интерактивного справочного документа или книги,
среды разработки и коммуникационного центра для других подсистем.
Кроме того, бортовой компьютер (OBC) является главным мозгом спутника, отвечающим за все
основные функции, такие как сбор системных данных, ведение журнала, обработка ошибок,
мониторинг данных и т. д.
OBC космического аппарата AlfaSat представляет собой одноплатный компьютер Raspberry Pi, и
данный выбор обусловлен тем, что во первых, сроки образовательной программы в школах/вузах
ограничены и на разработку совершенно нового бортового компьютера не хватит времени у участнков.
Во вторых, у RPi достаточно мощности чтобы выполнить миссию спутника. В спутнике AlfaSat к
бортовому компьютеру подключены 2 камеры. Первая в качестве общей камеры RPi, которая отвечает
за захват красивых космических изображений, а другая отвечает за видеозапись.
Задача захвата (как изображения, так и видеозаписи) - это программно разработанная задача, которая
выполняется почти все время жизни спутника в циклическом периоде.
Технические задачи и требования к OBC
Технические задачи / требование к бортовому компьютеру представлено ниже в табличной форме в
таблице 1:
Главный
источник
вычислительн
ой мощности
Память Физический
интерфейс
Сетевое
подключ
ение
Размеры
Raspberry Pi
CM3/CM3 Lite
(4C/1.4 Ghz,
1GB RAM)
4 GB eMMC
64 GB
MicroSD/TF
- USB2.0 — 2
- RS485 — 1
- I2C — 1
- CSI — 2
- UART — 1*
WiFi
802.11
bgn
(KZ)
10*10*0.46
Таблица 1. Технические
требования к БК
22
Технические характеристики AlfaSat OBC
• Процессор: BCM2837
• Количество ядер в процессоре: 4
• Архитектура процессора: ARM
• Ядро процессора: ARMv8
• Оперативная память (RAM): 1GB
• Основная память: 64 GB microSD
• Энергонезависимая память: 64Kbit
• Беспроводный интерфейс: WiFi
• Количество интерфейсов USB: 2
• Количество интерфейсов камер: 2 CSI
• Физический интерфейс для подключения устройств: mini-PCI
• Электрические интерфейсы для связи с аппаратными устройствами: I2C and RS485

23
Разработка программной части БК
Чтобы использовать модули камеры, мы должны включить камеру, для этого перейдите в главное
меню и откройте инструмент настройки Raspberry Pi. Выберите вкладку интерфейсы и убедитесь, что
камера включена, как это указано справа на рисунке.
AlfaSat
Затем перезагрузите систему.
По умолчанию вычислительный модуль Raspberry Pi 3b + lite на AlfaSat OBC поддерживает только
одну камеру, но нам нужно использовать как минимум две из них. Из-за этого мы должны
перенастроить дерево устройств Linux, чтобы включить наш второй кабель.
Для этого нам просто нужно загрузить файл dt-blob из репозитория AlfaSat USK в Github, а затем
скопировать его в каталог / boot RPi.
Затем нам нужно заменить файл config.txt на это:# For more options and information see
# http://rpf.io/configtxt
# Some settings may impact device functionality. See link above for details
# uncomment if you get no picture on HDMI for a default "safe" mode
#hdmi_safe=1
# uncomment this if your display has a black border of unused pixels visible
# and your display can output without overscan
disable_overscan=1

# uncomment the following to adjust overscan. Use positive numbers if console
# goes off screen, and negative if there is too much border
#overscan_left=16
#overscan_right=16
#overscan_top=16
#overscan_bottom=16
# uncomment to force a console size. By default it will be display's size minus
# overscan.
#framebuffer_width=1280
#framebuffer_height=720
# uncomment if hdmi display is not detected and composite is being output
hdmi_force_hotplug=1
# uncomment to force a specific HDMI mode (this will force VGA)
hdmi_group=2
hdmi_mode=82
# uncomment to force a HDMI mode rather than DVI. This can make audio work in
# DMT (computer monitor) modes
#hdmi_drive=2
# uncomment to increase signal to HDMI, if you have interference, blanking, or
# no display
#config_hdmi_boost=4
# uncomment for composite PAL
#sdtv_mode=2
#uncomment to overclock the arm. 700 MHz is the default.
#arm_freq=800
# Uncomment some or all of these to enable the optional hardware interfaces
dtparam=i2c_arm=on
#dtparam=i2s=on
dtparam=spi=on
# Uncomment this to enable infrared communication.
#dtoverlay=gpio-ir,gpio_pin=17
#dtoverlay=gpio-ir-tx,gpio_pin=18
# Additional overlays and parameters are documented /boot/overlays/README
# Enable audio (loads snd_bcm2835)
dtparam=audio=on
[pi4]
# Enable DRM VC4 V3D driver on top of the dispmanx display stack
dtoverlay=vc4-fkms-v3d
max_framebuffers=2
24

25
[all]
#dtoverlay=vc4-fkms-v3d
start_x=1
gpu_mem=128
Работа с камерой с помощью программирования Linux Bash
• Откройте окно терминала, щелкнув черный значок монитора на панели задач:
• Введите следующую команду, чтобы сделать снимок и сохранить его на рабочем
столе:raspistill -o Desktop/image.jpg
AlfaSat
Когда команда запускается, вы можете увидеть предварительный просмотр камеры открытым в
течение пяти секунд, прежде чем будет сделан неподвижный снимок.
Добавляя различные параметры, вы можете установить размер и внешний вид изображения,
которое принимает команда raspistill.
Например, добавьте -h и -w, чтобы изменить высоту и ширину изображения:
raspistill -o Desktop/image-small.jpg -w 640 -h 480
Теперь запишите видео с помощью модуля камеры, используя следующую команду raspivid:
raspivid -o Desktop/video.h264
Работа с камерой с использованием языка программирования Python
Фотосъемка с использованием Python
from picamera import PiCamera
from time import sleep
camera = PiCamera()
camera.start_preview()
sleep(5)
camera.stop_preview()

6. Запись видео с использованием Python
camera.start_preview()
camera.start_recording ('/home/pi/Desktop/video.h264')
sleep(5)
camera.stop_recording()
camera.stop_preview()
26
ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА НАНОСПУТНИКА ALFASAT (СЕНСОРНАЯ ПЛАТА)
Полезной нагрузкой космического аппарата AlfaSat выступает набор различных сенсоров, о которых
более подробно будет идти речь ниже. Как видно из названия, сенсорная плата - это та часть, которая
отвечает за чтение и запись (или реагирование) данных датчиков.
Обзор Аппаратного Обеспечения Сенсорной Платы
Поскольку мы очень подробно обсудили конструкцию аппаратного обеспечения OBC, мы не
собираемся повторять этот процесс снова для сенсорной платы, поскольку они одинаковы в
принципе, но отличаются по некоторым деталям и компонентам.
SensorBoard (SB или SBRD ниже) использует микроконтроллер Atmega 328P в качестве блока
управления, который представляет собой тот же микроконтроллер, который вы можете найти в
Arduino pro или pro mini 3v3.
На плате датчиков имеется несколько важных датчиков с различными функциями, таких как датчик
ориентации BNO055, метродатчик BME680, оптический датчик Si1145, счетчик Гейгера и т. д (Таб.2).
No.
Название
компонента Фунции сенсора
Физический
интерфейс
1 BME680 Air quality Humidity Temperature Pressure
I2C
2 BNO055 Accelerometer Gyroscope Magnetometer
I2C
3 SI1145 UV Index IR Visible
Light
I2C
4 Geiger
counter
Geiger Counter Interrupt
Таблица 2. Техническая информация о каждом датчике

Разработка аппаратной части полезной нагрузки
Как видно из изображения рендеринга печатной платы Рис. 16, процесс проектирования печатной
платы такой же, как и при проектировании печатной платы для OBC, и здесь мы повторяем один и
тот же процесс, однако мы сосредоточимся на некоторых частях, которые отличаются из OBC.
Чтобы спроектировать аппаратное обеспечение SB, мы сначала изучаем спецификации каждого
датчика и требования к конструкции схемы, а затем объединяем их вместе с помощью
программного обеспечения Altium Designer, как мы упоминали ранее.
Принципиальная электрическая схема полезной нагрузки
Ниже на Рис. 17-20 приведена более подробная информация о схемах для каждого датчика
AlfaSat SB и указаны принципиальные схемы каждого сенсора и его окружения.
Рис. 16. Аппаратный дизайн AlfaSat SB (Визуальное
моделирование)
27

28
Рис. 17. AlfaSat SB BME680
Рис. 18. AlfaSat SB BNO055
AlfaSat

Рис. 19. AlfaSat SB SI1145
Рис. 20. AlfaSat SB Geiger Counter
29

30
Разработка программной части для полезной нагрузки
Подготовка среды разработки для AlfaSat SB
Каждая сенсорная плата AlfaSat имеет микроконтроллер Atmega 328 Arduino Pro или Pro-mini, а также
микроконтроллер STM32L0. Чтобы разработать программное обеспечение для этих
микроконтроллеров, нам необходимо настроить среду программирования на нашем ПК.
1. Arduino IDE
Для разработки программного обеспечения для Arduino настоятельно рекомендуется использовать
Arduino IDE. Arduino IDE - это интегрированная среда разработки, которая заботится обо всем
остальном, в то время как вам нужно только сосредоточиться на своей логике. Вы можете загрузить
Arduino IDE с https://arduino.cc и следовать инструкциям по установке.
2. Платформа ввода-вывода
Платформа ввода-вывода - это профессиональная платформа для совместной разработки
встраиваемых систем, которую мы в основном используем для создания и создания нашего проекта
Arduino. Наш проект Arduino будет настолько огромным, что нам понадобится подходящий
инструмент, который поможет нам в отладке, анализе и т. Д. Вы можете загрузить IO платформы с
https://platformio.org .
3. Встроенный инструментарий GNU Arm
Мы установили GNU GCC при разработке программного обеспечения для AlfaSat OBC, теперь нам
нужен плагин или дополнительные функции для GCC для работы со встроенными устройствами,
такими как STM32. Следуйте инструкциям по установке: https://developer.arm.com/tools-and-
software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm
4. STM32CubeIDE
STM32CubeIDE - это интегрированная среда разработки для STM32, STM32CubeIDE - это расширенная
платформа разработки C / C ++ с периферийной конфигурацией, генерацией кода, компиляцией кода
и функциями отладки для микроконтроллеров и микропроцессоров STM32. Он основан на среде
Eclipse / CDT и инструментальной цепочке GCC для разработки и GDB для отладки. Он позволяет
интегрировать сотни существующих плагинов, которые дополняют функции Eclipse IDE. Мы полагаемся
на CubeIDE при разработке на STM32. Для установки следуйте официальному руководству по
установке здесь: https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html
На фото: Участницы проекта Жанна,
Лаура, Айгерим, Дана и Орисим
обсуждают программную часть
AlfaSat SB
AlfaSat

├── Core
│ ├── Inc
│ ├── Src
│ └── Startup
├── Drivers
│ ├── CMSIS
│ │ ├── Device
│ │ │ └── ST
│ │ │ └── STM32L0xx
│ │ │ └── Include
│ │ └── Include
│ └── STM32L0xx_HAL_Driver
│ ├── Inc
│ │ └── Legacy
│ └── Src
├── Middlewares
│ └── Third_Party
│ └── FreeRTOS
│ └── Source
│ ├── CMSIS_RTOS
│ ├── include
│ └── portable
│ ├── GCC
│ │ └── ARM_CM0
│ └── MemMang
├── cmake-build-debug
│ ├── CMakeFiles
│ │ ├── 3.17.3
│ │ │ ├── CompilerIdC
│ │ │ └── CompilerIdCXX
│ │ └── SBRD.elf.dir
│ │ ├── Core
│ │ │ ├── Src
│ │ │ └── Startup
│ │ ├── Drivers
│ │ │ └── STM32L0xx_HAL_Driver
│ │ │ └── Src
│ │ └── Middlewares
│ │ └── Third_Party
│ │ └── FreeRTOS
│ │ └── Source
│ │ ├── CMSIS_RTOS
│ │ └── portable
│ │ ├── GCC
│ │ │ └── ARM_CM0
│ │ └── MemMang
│ └── Testing
│ └── Temporary
└── reference
├── cmake-build-debug
│ └── CMakeFiles
│ ├── CMakeTmp
│ ├── Debug.dir
│ ├── Production.dir
│ └── Z_DUMMY_TARGET.dir
│ └── src
├── cmake-build-pro8mhzatmega328
│ └── CMakeFiles
│ ├── 3.17.3
│ │ ├── CompilerIdC
│ │ │ └── tmp
│ │ └── CompilerIdCXX
│ │ └── tmp
│ ├── CMakeTmp
│ ├── Debug.dir
│ ├── Production.dir
├── include
├── lib
├── sketch
│ ├── I2C
│ ├── bme680
│ │ └── bme680
│ ├── geiger
│ ├── bno055
│ ├── si1145
│ ├── rs485
│ ├── rawdata
│ └── sbrd
├── src
└── test
Graph 2 AlfaSat SB
Arduino Software
Project Structure
Graph 1
AlfaSat SB
STM32
Software
Project
Structure
Структура программного обеспечения
является одной из наиболее важных
частей для разработки программного
обеспечения для платформы, как мы
показали выше, Graph 1 и Graph 2
являются стандартами структуры
программного обеспечения для
проектов AlfaSat Software на STM32 и
Arduino.
Здесь мы сначала сосредоточимся на
разработке на Arduino, так как с нее
намного проще начать. Затем будет
показано программирование на
микроконтроллере STM32. Все листинги
программ приведены в конце документа
в виде приложения.
31

32
Система энергообеспечения наноспутника
AlfaSat
Одной из важнейших бортовых систем любого
космического аппарата, которая в первую очередь
определяет его тактико-технические характеристики,
надежность, срок службы и экономическую
эффективность, является энергетическая подсистема.
Система энергоснабжения КА является основным
источником электропитания аппаратуры
жизнеобеспечения КА и полезной нагрузки, а также
основной частью при расчете энергобаланса КА.
Эти системы должны быть предельно надежными и
рассчитанными на работу в жестких условиях в нашем
случае в стратосфере.
На энергетическую систему обычно приходится примерно
30% всей массы космического аппарата. Она решает три
основных задачи:
1. Выработка электроэнергии
2. Хранение электроэнергии
3. Распределение электроэнергии
Они должны мало весить, быть долговечными и иметь
высокую энергетическую плотность. Энергетическая
подсистеме AlfaSat (Unipower) разработана по
классической компоновке данных подсистем , в состав
которого обычно входят: первичный и вторичный источник
электроэнергии, преобразующие, за-рядные устройства и
автоматика управления, но все узлы рассчитаны на около
наземного использования. Подсистема AlfaSat Unipower
состоит из двух модульных печатных плат основного
управляющего Unipower и аккумуляторного блока
UniPowerpocket.
Участницы проекта перед запуском
спутника в верхние слои атмосферы
Подсистема энергообеспечения (EPS)
наноспутника AlfaSat
AlfaSat

AlfaSat UNIPOWER
Основная плата Unipower решают задачу по контролю зарядки , включает функцию контроля заряда
аккумулятора, преобразования нужного уровня напряжения, распределения мощности, и
обеспечения защиты по току и перенапряжения по питанию других подсистем, а также сбор
телеметрий. Основные характеристики системы указаны ниже в таблице 3.
Параметры
Размеры 93,3mm x 89mm x 10mm
Число каналов солнечных панелей 6
Mинимальный ток зарядки 500 mА (настраиваемое)
Максимальный ток 1500 mA (настраиваемое)
Напряжение силовой шины питание 6.0 В – 8.4 В (от батарей)
Выходных каналов 5 основных ,3 запасных
Тип батареи LiFePO4, Li-Ion
Напряжение батареи 2S (5.0 В – 8.5 В)
Напряжение зарядки 4.5 … 13.5 В
Энергопотребление самой системы, 0.18 Вт
Напряжение выходных каналов и
максимальный ток выходного канала
Основной :
1 канал – 5V , 2А; (настраиваемое)
2 канал – 8V3, 1А; (настраиваемое)
3 канал – 3V3, 800mA ; (настраиваемое)
4 канал – 3V3, 500mA; (настраиваемое)
5 канал – 5V, 500mA ; (настраиваемое)
Запасной :
1 зап канал –3V3, 1А; (фиксированный)
2 зап канал –5V, 1А; (фиксированный)
3 зап канал – 8V3, 1А; (фиксированный)
5В Выход
+ Напряжение
+ Ток
Umin – 3.23В; Umax – 3.34В
Максимальный ток 5.5A;
3.3В Выход
+ Напряжение
+ Ток
5.5A;
Umin – 3.23В; Umax – 3.34В
Максимальный ток 5.5A;
Ток покоя (выключенном состоянии) 35 μA
Интерфейс передачи данных RS485;
I2C;
Таблица 3. Техническая характеристики подсистемы
Unipower
33

34
POWERPOCKET
Плата аккумуляторного блока AlfaSat Powerpocket выполняют функцию по обеспечению накопление и
хранение запаса электроэнергии с применением базовых средств защиты электрической цепи, а
также климатической защиты от минусовых температур. Основные характеристики системы указаны
ниже в таблице 4.
Характеристики
Размеры 93,3mm x 89mm x 10mm
Тип аккумулятора Li-Ion
Напряжение аккумулятора 2S (5.0 В – 8.5 В
Емкость 10.4 А/ч (38.48 Вт/ч)
Предел защиты по току 5.0 A
Пределы защиты по напряжению 5.0 В, 8.5 В
Число каналов нагревателей аккумуляторов 2
Сопротивление нагревателя 20 Ом
Состав телеметрии Напряжение, температура
Таблица 4. Техническая характеристики подсистемы
Powerpocket
Этапы разработки и создания энергетической подсистемы наноспутника AlfaSat
Разработка и создание энергетической подсистемы наноспутника AlfaSat состоит из следующих
этапов:
1. Расчет энергетических параметров нагрузки всех подсистем наноспутника AlfaSat и
составление технического задания EPS;
2. Анализ требований ТЗ , разбор и согласование энергетических , схематических,
межмодульной коммуникационной задач с другими подсистемами наноспутника;
3. Определение будущих электронных компонентов , составление электрической схемы EPS
4. Разработка печатной платы;
5. Сборка и тестирования аппаратной части EPS;
6. Разработка ПО для EPS Unipower;
7. Одиночная Тестирования;
8. Тестирования в сборе.
Расчет энергетических параметров нагрузки всех подсистем наноспутника AlfaSat и
составление техническое задание EPS
Расчет бюджета мощности
При проектировании любых электрических цепей выполняется расчет мощности. На его основе
производится выбор основных элементов и вычисляется допустимая нагрузка.
Чтобы вычислить мощность, не обладая полными данными о потребляемом токе и напряжении,
можно воспользоваться средними характеристиками. Для этого требуется выполнить следующий
алгоритм действий:
AlfaSat

 Рассчитываем энергопотребления каждого узла, датчиков, преобразователей и для них составляем
таблицу;
 Необходимо учитывать изменения мощностей всех подсистем пусковых, коммутационных, разных
переходных процессов ;
 Необходимо внести в отдельные графы: мощность прибора, часы работы;
 Для каждой подсистемы необходимо рассчитать потребление энергии (путем умножения
мощности на время работы) среднечасовое потребление;
 Просуммировать все полученные величины мощности.
Ниже в таблице 5 указаны потребляемые мощности отдельных подсистем КА AlfaSat
Подсистемы Средняя потребляемый мощность
Полезная нагрузка или сенсорная плата 0,13Вт
Бортовой компьютер и материнская плата с
учетом фотокамер
6Вт
Энергопотребление самой системы EPS 0.1Вт
Передатчик 1,2 Вт
Топ 0,05 Вт
Сумма 7,48
Таблица 5. Расчет энергопотребления каждой подсистемы
Как было сказано в первой главе, миссией наноспутника AlfaSat является запуск на верхние слои
атмосферы, а именно в стратосферу. Как правило, продолжительность такого полета оценивается
примерно 3-3,5 часа. Оценивая энергопотребления каждой подсистемы по обеспечению
бесперебойной работы, нам нужно считать энергопотребление с запасом, хотя бы двукратным
запасом, что составляет примерно 6 часов. Так как, после приземления КА должен
функционировать до тех пор, пока участницы не найдут спутника. Исходя из вышесказанного
рассчитывается суммарный запас или же энергобюджет КА, которая составляет 44.88 Вт/ч.
P= 7.48 × 6 = 44.88 Вт/ч
Разработка печатной платы
Составление блок схемы EPS
После анализа ТЗ и согласования всех функциональных узлов, перед проектированием печатной
платы составляется блок схема будущей платы. Блок схема EPS наноспутника AlfaSat показана
ниже на Рис 21 и Рис 22.
Создание библиотеки компонентов в среде Altium Designer
Прежде чем приступить к проекту, разработчик должен иметь в своем распоряжении библиотеку
компонентов элементной базы, используемой в проекте которые были согласованы при анализа
ТЗ и определение будущих электронных компонентов.
35

методическое пособие AlfaSat

методическое пособие AlfaSat

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to методическое пособие AlfaSat

Similar to методическое пособие AlfaSat (20)

методическое пособие AlfaSat