Ученые, аспиранты и студенты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого создают высокоскоростной модем для малых спутников формата CubeSat. Разработка позволит передавать на Землю гигабайты собранных данных со скоростью свыше 1 Гб/с, что критически важно для эффективной работы растущей российской спутниковой группировки.
Одним из самых распространенных в настоящее время форматов космических спутников является малый космический аппарат стандарта CubeSat (Cube satellite). Первые кубсаты придумали и сконструировали на факультете аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета, запуск состоялся в 2003 году. Размер кубиков — 10 на 10 см, масса — до 1 кг. Внешние поверхности оснащены солнечными батареями, а внутри находятся микроэлектронные элементы питания, системы передачи и приема сигналов и другое оборудование. Для большей вместимости несколько кубиков соединяют вместе. Эти миниатюрные спутники, помещающиеся в ладонях, кардинально изменили представления о космических миссиях. Однако чем больше возможностей они получали, тем острее становилась проблема передачи собранных данных на Землю.
Сейчас для большинства кубсатов максимальная скорость передачи данных на Землю не превышает 200–300 Мбит/с. При этом собранные данные кубсаты могут передавать на Землю только когда пролетают по орбите ровно над базовой станцией, способной принимать сигнал. Так функционируют, например, пять собственных спутников Петербургского Политеха на орбите Земли. Группировка малых космических аппаратов «Политех Юниверс» предназначена для радиотехнического мониторинга электромагнитной обстановки. Длительность сеанса связи со спутником не превышает 10 минут, а объем накопленных данных составляет гигабайты. Улучшение качества связи с малыми космическими аппаратами — одна из задач национального проекта «Развитие многоспутниковой орбитальной группировки», целью которого является создание к 2030 году группировки спутников из примерно 650 космических аппаратов.
Для улучшения канала связи «космос — Земля» ученые Петербургского Политеха разрабатывают высокоскоростной модем для малых космических аппаратов. Существенное повышение скорости передачи будет способствовать более быстрому получению полезных данных от спутников и увеличит эффективность работы многоспутниковой группировки. Дополнительный функционал модема в виде обеспечения возможности синхронизации времени наземных станций позволит решать задачи высокоточной навигации, что особенно важно, например, для Северного морского пути.
«Основная идея нового модема состоит в применении новых сигнально-кодовых конструкций, позволяющих обеспечивать высокие скорости передачи в условиях ограниченного энергопотребления малых космических аппаратов. Мы предложили технологию оптимальных сигналов, которая адаптирована с учетом ограничений, накладываемых жесткими условиями приемо-передающих модулей для космического размещения», — пояснил кандидат технических наук, доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ, руководитель проекта Сергей Завьялов.
На текущий момент выполнено моделирование предлагаемых сигнально-кодовых конструкций и сформированы схемотехнические решения, которые будут реализованы в виде прототипа высокоскоростного модема для малых космических аппаратов и протестированы в ходе экспериментальных запусков в ближайшее время в рамках эксплуатации спутниковой группировки «Политех Юниверс».
По словам ученых, предлагаемый подход модема для малых космических аппаратов не имеет аналогов.
«Разрабатываемая технология является комплексной: присутствуют элементы аналитических расчетов, большой объем имитационного моделирования, разработка аппаратных и программных компонентов, работа с измерительным и испытательным оборудованием. Важно, что эти задачи подразумевают активное вовлечение студентов в процесс разработки, что способствует подготовке высококвалифицированных кадров и достижению технологического лидерства», — добавил Сергей Завьялов.
Уникальность разработки заключается в ее комплексности — она объединяет математический аппарат, моделирование и аппаратную реализацию. При этом проект служит важной образовательной площадкой, где студенты непосредственно участвуют в создании технологий будущего.
Работа выполняется в рамках федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
