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
Рисунок 1 — Сегменты системы «КОСМОС-Л»
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» → «Луч-5Б» | Ku-диапазон | 0.1 с |
| 4 | «Луч-5Б» → 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 → «Луч-5Б» | Ku-диапазон | 0.27 с |
| 2 | «Луч-5Б» → «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
Рисунок 2 — Архитектура передачи данных
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» |
Рисунок 3 — Полная группировка: 36 CubeSat + «Наука» + GEO «Луч-5Б» + НКУ
4. 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 |
Рисунок 4 — Компоновка 6U CubeSat
2. Полезная нагрузка (Payload)
2.1. Лазерный терминал CubeLCT
Модель: CubeLCT
Масса: 360–397 г
Объём: ~0,3U
Скорость: 1–100 Мбит/с
Потребление: 8–10 Вт
Мощность передачи: 100 мВт
2.2. SWIR-камера DRAGO-2
Модель: DRAGO-2
Технология: InGaAs, неохлаждаемая
Спектральные каналы: 1.1 мкм и 1.6 мкм (SWIR)
GSD: 50 м/пиксель
Полоса захвата: 32 км
Потребление: < 5.5 Вт
Масса: 1.16 кг
2.3. Многоканальный LoRa-приёмник
Состав: 8× SX1262
Диапазон: 868 МГц
Протокол: LR-FHSS
2.4. Бортовой компьютер
Процессор: ARM Cortex-A72 (4 ядра)
RAM: 8 ГБ
Флеш: 32 ГБ
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 |
Рисунок 5 — Распределение массы по компонентам
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 |
| Санитарно-защитная зона | ≥ 25 м от каждой антенны |
Рисунок 6 — Схема НКУ в деревне Петрово
2. Спецификация НКУ
2.1. Антенный комплекс
| Компонент | Кол-во | Характеристики |
|---|---|---|
| Основная приёмная антенна Ku-диапазона | 1 | НАС 11/14-3,7: диаметр 3.7 м, приём 10.95–11.7 ГГц, передача 14.0–14.5 ГГц |
| Резервная приёмная антенна Ku-диапазона | 1 | Аналогична основной |
| Антенна TT&C (резерв) | 1 | Yagi-Uda, 16 dBi, 435–438 МГц, ротор Yaesu G-5500 |
| Антенна Payload (резерв) | 1 | Turnstile, +3 dBi, 868 МГц |
2.2. Радиооборудование
| Компонент | Характеристики |
|---|---|
| GEO-модем | Ku-диапазон, 150 Мбит/с |
| SDR TT&C | USRP B210 (2×2 MIMO) |
| LoRa-приёмник Payload | 8× SX1262, LR-FHSS, 868 МГц |
| МШУ (LNA) | 0.7 дБ NF, 435 МГц |
2.3. Вычислительный комплекс
| Компонент | Назначение |
|---|---|
| Сервер управления | Планирование, обработка (NASA NOS3) |
| MQTT-брокер | Сбор и распределение данных (Mosquitto / EMQX) |
| Сервер DTN | Устойчивость к разрывам (HDTN) |
| Система единого времени | GPS-приёмник + PTP |
2.4. Инфраструктура
Основное питание: ЛЭП 10 кВ
Резервное питание: Дизель-генератор 20 кВт + АКБ
Среднее потребление: 5–8 кВт
Персонал: 2–3 человека
3. Программное обеспечение НКУ
| Компонент | Назначение | Реализация |
|---|---|---|
| Управление спутниками | Планирование, команды | NASA NOS3 |
| Приём LoRa | Демодуляция (резерв) | GNU Radio + gr-lora_sdr |
| Обработка данных | Фильтрация, приоритизация | Python / C++ |
| MQTT-брокер | Публикация данных | Mosquitto |
| DTN | Устойчивость к разрывам | HDTN (NASA) |
| Управление транспортом | Формирование команд | Собственное ПО |
Сводная таблица по проекту «КОСМОС-Л»
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Название проекта | КОСМОС-Л (LUCID / COTS) |
| Количество спутников | 36 в одной плоскости |
| Формат спутника | 6U CubeSat (SXC6) |
| Масса спутника | 10.74 кг |
| Полезная нагрузка | CubeLCT (100 Мбит/с) + DRAGO-2 (SWIR) + LoRa-приёмник |
| Задержка (транспорт) | 1–2 секунды (реальное время) |
| Задержка (камеры) | 1–2 минуты |
| Протокол | HDTN |
| Ретрансляция | «Наука» + «Луч-5Б» (150 Мбит/с) |
| НКУ | д. Петрово, Пеновский район, Тверская область (57°04′21″ с.ш., 32°20′48″ в.д.) |
| Высота НКУ | 247 м над уровнем моря |
| Площадь НКУ | 1–2 га |
| Антенны НКУ | 2 × 3.7 м Ku-диапазон (НАС 11/14-3,7) |
| Режим НКУ | Непрерывный 24/7, без сеансов |
Рисунок 7 — Инфографика ключевых параметров
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»). Результаты эксперимента станут основой для типового решения для малых космических аппаратов.
Приложение А — Структурная схема CubeSat
Системный контроллер ↔ служебные подсистемы (I²C/CAN/UART)
SOM «Фишт» ↔ CubeLCT (лазерный терминал) ↔ DRAGO-2 (SWIR-камера) ↔ LoRa-приёмник