Введение

MidSTAR 1 — искусственный спутник, разработанный в рамках Малой спутниковой программы Военно-морской академии США. Проект был профинансирован Космической программой испытаний Министерства обороны США (DoD STP), а запуск состоялся 9 марта 2007 года в 03:10 UTC с помощью ракеты-носителя Atlas V с космодрома на мысе Канаверал ВВС США. MidSTAR 1 был выведен на орбиту вместе с FalconSat 3, STPSat 1 и CFESat в качестве вторичной полезной нагрузки; основной полезной нагрузкой являлся Orbital Express.

Архитектура миссии

Миссия MidSTAR 1 включает в себя один космический аппарат, находящийся под командованием и контролем одной спутниковой наземной станции (SGS), расположенной в Военно-морской академии Соединенных Штатов, Аннаполис, штат Мэриленд. Наземная станция передает файлы данных, полученные при приеме, главным исследователям через Интернет. Для запуска MidSTAR 1 использовалась ракета-носитель Atlas V в рамках программы космических испытаний, выведшая спутник на круговую орбиту высотой 496 км и наклонением 46 градусов. Спутник использует восходящую связь на частоте 1,767 ГГц с промежуточной частотой (IF) 435 МГц и нисходящую связь на частоте 2,20226 ГГц. Благодаря использованию модуляции Gaussian Mean Shift Key, связь со спутником осуществляется со скоростью передачи данных 68,4 кбит/с и выше. Спутник также использует программное обеспечение с открытым исходным кодом на базе операционной системы Linux. MidSTAR 1 не имеет системы управления ориентацией и определения положения, а также активной системы терморегулирования. Масса аппарата составляет 118 кг. Полным успехом будет считаться успешный запуск и функционирование спутника с обеспечением полной поддержки двух основных экспериментов в течение двух лет. Успехом на 50% будет считаться успешный запуск и функционирование спутника с: полной поддержкой одного основного эксперимента в течение двух лет; полной поддержкой обоих основных экспериментов в течение одного года; или частичной поддержкой обоих основных экспериментов в течение двух лет. Успехом на 33% будет считаться успешный запуск спутника и полное функционирование спутниковой платформы с частичной поддержкой любой комбинации основных и дополнительных полезных нагрузок в течение любого периода времени.

Журнал полета

9 марта 2007 года: MidSTAR 1 был запущен в рамках миссии STP 1 на ракете-носителе United Launch Alliance Atlas V с космодрома Кейп-Канаверал. Старт произошел в 0310 UTC, отделение космического аппарата – в 0332 UTC. USNA SGS успешно установила связь с космическим аппаратом во время первого прохода над Аннаполисом, Мэриленд, в 0459 UTC. Космический аппарат функционировал в штатном режиме, в безопасном режиме. 21 марта 2007 года: CFTP включен в 2217 UTC для добавления непрерывной нагрузки в 6 Вт в систему электропитания, что позволило снизить напряжение на аккумуляторах. 28 марта 2007 года: MiDN включен примерно в 2400 UTC. После этого прохода космический аппарат перестал реагировать на все команды с Земли. 4 апреля 2007 года: впервые использован сброс по коду "firecode" космического аппарата примерно в 2130 UTC. Эта команда переключает переключатель сброса на процессоре MIP 405 и перезагружает операционную систему. Сброс вернул эксперименты CFTP и MiDN в выключенное состояние и очистил все буферы команд. В 2324 UTC космический аппарат отреагировал на команду включения передатчика. Телеметрия подтвердила успешность перезагрузки. 5 апреля 2007 года: CFTP и MiDN снова включены. 6 апреля 2007 года: выборочная загрузка файлов MiDN позволила получить 71 файл размером 92 байта каждый, которые были переданы ведущему исследователю (PI). Это было первое успешное получение научных данных с космического аппарата. С этим достижением MidSTAR 1 выполнил критерии успеха миссии в 33%. 26 мая 2007 года: NCSU включен примерно в 1900 Z. 29 мая 2007 года: первый пакет данных доставлен ведущему исследователю NCSU (PI). Все четыре эксперимента включены и передают данные ведущим исследователям. 18 июня 2007 года: пресс-релиз NASA объявил об успехе NCSU. 5 сентября 2007 года: компьютер космического аппарата завис в результате неизвестного воздействия, вероятнее всего, вызванного радиацией. Это произошло, когда космический аппарат находился под прямыми солнечными лучами, а разрядники (30 Вт) были отключены для предотвращения перезаряда аккумуляторов. Без компьютера, который должен был отключать разрядники, космический аппарат оставался в состоянии постоянного отрицательного энергобаланса, что в конечном итоге привело к разряду аккумуляторов. Когда напряжение аккумуляторов упало ниже 8 В, электронные выключатели разрядников автоматически отключились, вернув космический аппарат в состояние положительного энергобаланса и позволив аккумуляторам заряжаться. 7 сентября 2007 года: после достаточной зарядки аккумуляторов компьютер успешно перезагрузился. Перезагрузка произошла через 48 часов после первоначального события. Телеметрия с космического аппарата или любого из экспериментов за эти 48 часов отсутствует. Телеметрия указывает на возобновление нормальной работы, но все эксперименты были выключены до проведения анализа произошедшего и разработки плана их повторного включения. 12 сентября 2007 года: CFTP перезапущен. 21 сентября 2007 года: MiDN перезапущен. Апрель 2009 года: связь с MidSTAR 1 была потеряна. Космический аппарат прекратил передачу данных и перестал отвечать на команды с Земли. Аномалия была связана с отказом аккумуляторных батарей. MidSTAR 1 признан неработоспособным. MidSTAR 1 полностью поддерживал все бортовые эксперименты в течение двух лет, выполнив критерии 100% успеха. 17 августа 2023 года: спутник сошел с орбиты.

Структура

Рама MidSTAR 1 представляет собой восьмиугольную структуру длиной 32,5" по длинной оси, включая систему отделения, и 21,2"x21,2" по поперечному сечению, измеренному от стороны до стороны. Механизм развертывания установлен на отрицательной грани x. Положительная грань x зарезервирована для внешних экспериментов. Из 38" по оси x, допустимых в объеме ESPA, 24" зарезервированы для механизма развертывания (15" в моторизованной световой панели производства Planetary Systems, Inc.), а 46" – для внешних экспериментов. Длина рамы составляет 30". Все восемь сторон космического аппарата покрыты солнечными элементами для максимального увеличения доступной мощности. Восемь дипольных антенн установлены на четырех гранях космического аппарата, которые "отрезают углы" объема ESPA и поэтому расположены внутри объема ESPA, а не совпадают с его поверхностью. На остальных сторонах установлены отверстия с крышками "remove before flight" для подъема и транспортировки при наземном обслуживании. MidSTAR 1 имеет три внутренних полки, обеспечивающие пространство внутри спутника для монтажа компонентов и полезной нагрузки. Их расположение определяется размерами полезной нагрузки и компонентов. В будущих версиях модели MidSTAR их можно изменить, если это необходимо, при условии сохранения структуры в пределах требований к центру тяжести. Несущая конструкция восьмиугольника состоит из верхней и нижней палубы, соединенных в восьми углах стрингерами. Боковые панели космического аппарата представляют собой алюминиевые панели толщиной 1/8", прикрепленные к стрингерам болтами №10.

Управление и обработка данных (C&DH)

Миссия системы управления и обработки данных (C&DH) заключается в приеме и выполнении команд, сборе, хранении и передаче служебной информации, а также в поддержке бортовых приборов. Летный компьютер предназначен для управления спутником и обработки телеметрических и экспериментальных данных в течение как минимум двух лет. Система C&DH состоит из специально модифицированного одноплатного компьютера MIP405 3X, включающего: i) процессор PowerPC с частотой 133 МГц; ii) 128 МБ ECC-памяти; iii) 4 асинхронных последовательных порта RS 232; iv) 1 порт Ethernet; v) шину PC/104; vi) шину PC/104+; и vi) диск 202 D384 X на чипе, обеспечивающий 384 МБ вторичной памяти. Компьютерная плата поддерживается синхронной серийной картой ESCC 104 с двумя синхронными серийными портами и картой расширения последовательного порта EMM 8M XT с 8 асинхронными последовательными портами RS 232/422/485 и 8 цифровыми каналами ввода-вывода. Модифицированная плата сбора данных I0485 обеспечивает 22 аналоговых телеметрических канала и 32 цифровых канала ввода-вывода. Решение использовать MIP405 на базе PowerPC вместо платы на базе x86 было обусловлено исключительно низким энергопотреблением платы в сочетании с ее функциональными возможностями. Выбор был ограничен архитектурами процессоров x86, PowerPC и ARM в связи с программным решением использовать операционную систему Linux. MIP405 интегрирует Ethernet, последовательные порты и интерфейс Disk on Chip на одной плате, обеспечивая 128 МБ памяти ECC и мощный процессор с энергопотреблением менее 2 Вт. Ближайшая система на базе x86 с сопоставимыми характеристиками потребляла 5 Вт энергии. Диск на чипе M Systems был выбран, поскольку являлся де-факто стандартом для замены жестких дисков на основе флэш-памяти. Флэш-память была выбрана вместо традиционного жесткого диска для повышения надежности и снижения энергопотребления. Версия 384 МБ была выбрана для обеспечения необходимого объема памяти для операционной системы и сохранения достаточного запаса. Diamond Systems Emerald MM 8 была выбрана для асинхронной серийной платы благодаря ее внутренней гибкости, позволяющей настроить любой из 8 портов как RS 232, RS 422 или RS 485. Плата RMV IO485 для сбора данных и управления была выбрана для распределенной системы телеметрии благодаря встроенной поддержке последовательного соединения и обработки большого количества плат. Интегрируемая расширяемость имеет решающее значение для решения будущих задач телеметрии в последующих версиях линейки MidSTAR. В C&DH используется операционная система Linux с ядром серии 2.4. Для создания открытой программной архитектуры был выбран стек протоколов IP для обеспечения межпроцессного, внутриспутникового и спутникового наземного обмена данными. Это позволило интегрировать программы, разработанные в разных учреждениях на различном оборудовании, с минимальными трудностями. Для всех внутренних и внешних коммуникаций используются интернет-протоколы. TCP используется для всех внутренних спутниковых коммуникаций, UDP или MDP – для восходящей и нисходящей линии связи.