Часть I. Системный проект «КОСМОС-Л»
1. Назначение и состав системы
Назначение: обеспечение непрерывного (24/7) сбора и передачи данных от наземных датчиков, камер спутников и транспортных средств в НКУ (Пеновский район Тверской области) с задержкой:
- 1–2 секунды — для команд управления транспортом (реальное время)
- 2–10 минут — для срочных данных с датчиков
- 10–60 минут — для обычных данных с датчиков
- 1–2 минуты — для изображений с камер
| Сегмент | Состав |
|---|---|
| Космический | 36 спутников формата 6U CubeSat на орбите МКС (наклонение 51.6°, высота ~420 км) |
| Ретрансляционный | Модуль «Наука» (МКС) + GEO «Луч-5Б» (ограниченный ресурс) + малые GEO-ретрансляторы ASNEE-R1..R4 (выводятся через модуль ОРБИТА-Л) |
| Наземный | НКУ в деревне Петрово Пеновского района Тверской области |
| Абонентский | Наземные датчики (LoRa 868 МГц), терминалы транспорта (Iridium Certus 9770) |
2. Архитектура передачи данных
2.1. Прямой канал (источник → НКУ)
| Этап | Участок | Технология | Задержка |
|---|---|---|---|
| 1 | Датчик → Спутник | LoRa (868 МГц, LR-FHSS) | 0–60 мин |
| 1а | Транспорт → Спутник | Iridium Certus 9770 | < 2 с |
| 2 | Спутник → «Наука» | Лазер CubeLCT | 1–2 с |
| 3 | «Наука» → GEO-ретранслятор | Ku-диапазон | 0.1 с |
| 4 | GEO-ретранслятор → НКУ | Ku-диапазон | 0.27 с |
| 5 | Обработка в НКУ | MQTT-брокер | < 1 с |
2.2. Обратный канал (НКУ → транспорт)
| Этап | Участок | Технология | Задержка |
|---|---|---|---|
| 1 | НКУ → GEO-ретранслятор | Ku-диапазон | 0.27 с |
| 2 | GEO-ретранслятор → «Наука» | Ku-диапазон | 0.1 с |
| 3 | «Наука» → Спутник | Лазер CubeLCT | 0.1 с |
| 4 | Спутник → Транспорт | Iridium Certus 9770 | 0.6–1.6 с |
Итого (RTT): 1–2 секунды
3. Непрерывность канала «Наука» ↔ спутники
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Длина орбиты на высоте 420 км | 42 660 км |
| Максимальная дальность лазерной ISL | 1800 км |
| Минимальное число спутников в одной плоскости | 24 |
| Рекомендуемое число | 36 спутников |
| Разрыв между соседями при 36 спутниках | 1185 км (< 1800 км) |
| Результат | Хотя бы один спутник всегда видит «Науку» |
4. Полная группировка с GEO-сегментом
На рисунке ниже показана полная архитектура с 36 спутниками CubeSat, модулем «Наука», штатным «Луч-5Б» и малыми ретрансляторами ASNEE-R, а также наземной инфраструктурой.
5. Протокол DTN
Вся система работает на High-Rate DTN (HDTN). Принцип «хранения и пересылки» гарантирует доставку при кратковременных разрывах.
Часть II. Технический проект спутника (6U CubeSat)
1. Общие характеристики
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Формат | 6U (2×3×1U) |
| Платформа | SXC6 |
| Масса (сухая) | ~10.4 кг |
| Средняя мощность ПН | 8–12 Вт |
| Полная масса | 10.74 кг |
2. Полезная нагрузка
2.1. Лазерный терминал CubeLCT
2.2. SWIR-камера DRAGO-2
2.3. LoRa-приёмник и OBC
3. Служебные системы
| Система | Характеристики |
|---|---|
| EPS | Солнечные панели GaAs, до 75 Вт; Li-ion аккумулятор 78 Вт·ч |
| ADCS | Трёхосная, маховики + звёздный датчик, точность до 0.1° |
| TT&C | UHF-трансивер 435–438 МГц, 1 Вт |
| Термоконтроль | Пассивный (MLI) + активные нагреватели |
4. Бюджет массы
| Компонент | Масса (кг) |
|---|---|
| Платформа SXC6 (без ПН) | 5.9 |
| Лазерный терминал CubeLCT | 0.4 |
| Камера DRAGO-2 | 1.16 |
| LoRa-приёмник (8×) | 0.4 |
| OBC + буфер | 0.8 |
| Антенны | 0.6 |
| Кабельная сеть | 0.5 |
| Итого | 9.76 |
| Запас (10%) | 0.98 |
| Полная масса | 10.74 |
5. Система вывода с МКС
| Система | Совместимость |
|---|---|
| NanoRacks CubeSat Deployer (NRCSD) | 6U (8 слотов × 6U = 48U за цикл) |
| JEM Small Satellite Orbital Deployer (J-SSOD) | 6U (до 6U на слот) |
Часть III. Технический проект НКУ (деревня Петрово)
1. Обоснование выбора деревни Петрово
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Координаты | 57°04′21″ с.ш., 32°20′48″ в.д. |
| Высота над уровнем моря | 247 м |
| Рельеф | Валдайская возвышенность |
| Расположение | Северо-восточный берег озера Слаутинского |
| Площадь участка | 1–2 га |
2. Спецификация НКУ
| Компонент | Характеристики |
|---|---|
| Основная приёмная антенна Ku-диапазона | НАС 11/14-3,7: 3.7 м, 10.95–11.7 ГГц / 14.0–14.5 ГГц |
| Резервная приёмная антенна Ku-диапазона | Аналогична основной |
| Антенна TT&C | Yagi-Uda, 16 dBi, 435–438 МГц |
| GEO-модем | Ku-диапазон, 150 Мбит/с |
| SDR TT&C | USRP B210 |
| Питание | ЛЭП 10 кВ + ДГУ 20 кВт + АКБ |
| Персонал | 2–3 человека, режим 24/7 |
Расширение GEO-сегмента (ASNEE-R)
Проблема: штатный GEO-ретранслятор «Луч-5Б» в настоящее время работает не в полном объёме, и его ресурса недостаточно для полноценного обеспечения связки НКУ Петрово ↔ 36 CubeSat «КОСМОС-Л».
Решение: расширение GEO-сегмента малыми ретрансляторами-аналогами ASNEE-R массой 60 кг, выводимыми через модуль ОРБИТА-Л с МКС. Каждый ретранслятор полностью покрывает функционал «Луча», но в 23 раза легче.
| Параметр | «Луч-5Б» | ASNEE-R (каждый) |
|---|---|---|
| Масса | ~1400 кг | 60 кг |
| Точка стояния | 95° в.д. | 32°, 75°, 140° в.д., 12° з.д. |
| Пропускная способность | 150 Мбит/с | 150 Мбит/с |
| Резервирование | — | 2× перекрытие зон |
| Способ вывода | Тяжёлый носитель | Модуль ОРБИТА-Л с МКС |
| Доступность ресурса | Ограничена | Выделенный канал под НКУ |
Полное развёртывание группировки из 4 ретрансляторов требует 4 миссий модуля ОРБИТА-Л, каждая — отдельный вывод с МКС. Это обеспечивает:
- Непрерывное покрытие 24/7 без привязки к штатному «Лучу»
- Резервирование по каждой зоне (2× перекрытие)
- Выделенный ресурс под НКУ Петрово и КОСМОС-Л
- Масштабирование под рост группировки CubeSat
Ноу-хау: маховики-накопители энергии
Ключевая технология ASNEE: гибридная система накопления энергии — СБ + АБ + маховики-накопители. Маховики ADCS используются не только для ориентации, но и как дополнительный буфер энергии.
Принцип: на освещённом участке орбиты маховики раскручиваются от солнечных батарей, накапливая кинетическую энергию. На теневом участке — работают в генераторном режиме, отдавая энергию в бортовую сеть через преобразователь.
| Параметр | Без маховиков | С маховиками |
|---|---|---|
| Нагрузка на АБ | 100% | 60–70% |
| КПД энергосистемы | базовый | +10–15% |
| Срок службы АБ | 5–7 лет | 10–15 лет |
| Работа при пиковых нагрузках | просадка | стабильно |
Ноу-хау применяется в проекте ОРБИТА-Л и в спутниках группировки «КОСМОС-Л».
Заключение
Проект «КОСМОС-Л» обеспечивает комплексную отработку трёх ключевых технологий:
- Лазерная связь — оптический терминал CubeLCT с системой PAT.
- Квалификация КМОП матрицы — выработка требований к матрице большего разрешения.
- Унифицированная система сброса данных — сквозной процесс от CubeSat до наземных центров.
Вычислительное ядро построено на двух специализированных модулях: системный контроллер (ARM Cortex-A72) и SOM «Фишт» (КБ «Маратон»). Расширение GEO-сегмента через модуль ОРБИТА-Л и ASNEE-R обеспечивает полную независимость от штатных ретрансляторов.