Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка облика перспективной космической системы томографического мониторинга ионосферы на базе малых космических аппаратов

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0464
Организация
ФГУП "РНИИ КП"
Руководитель работ
Романов Алексей Александрович

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Романов Александр Алексеевич

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 15.12.2009
1. Наименование разрабатываемой продукции
ОНТД «Сбор и анализ информации о характеристиках существующих российских и зарубежных космических систем, данные которых используются для исследования процессов, протекающих в ионосфере Земли» по ГОСТ 7.32-2001
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результатом работы 1 этапа НИР является научно-технический отчет, в котором содержатся результаты анализа современного состояния космических систем, данные которых используются для диагностики характеристик ионосферной плазмы, а также методов обработки данных. Основное внимание уделено спутниковым группировкам и отдельным космическим аппаратам, которые оснащены передатчиками когерентного сигнала, используемые при радиотомографии ионосферы. Также рассмотрены системы, в которых используется метод затменного зондирования ионосферы.
Из анализа характеристик космических систем следует, что в последнее время происходит естественное снижение численности КА с бортовыми передатчиками когерентных сигналов вследствие естественного вывода из эксплуатации КА низкоорбитальных навигационных систем первого поколения, выработавших свой ресурс. С учетом данного обстоятельства, обоснована необходимость создания специализированных спутников мониторинга ионосферы Земли на основе малых космических аппаратов.
Анализ используемых в настоящее время методов диагностики состояния ионосферы показал, что из двух основных методов – радиотомографии и затменного зондирования – первый является более предпочтительным в силу большей размерности получаемых данных. В то же время большой потенциал метода радиотомографии может быть реализован только путем создания специализированной группировки МКА (возможность размещения на орбите не только передатчиков, но и приемников) и модернизации приемо-передающей аппаратуры (разработка многочастотной аппаратуры, позволяющей определять абсолютные значения полного электронного содержания).
В НТО приводится обзор современных платформ для построения целевых наноспутников. Показано, что существующие решения могут быть использованы в качестве базовой платформы, однако необходимы дальнейшие исследования энергетической совместимости с перспективной бортовой аппаратурой, а также определение способов выведения МКА на орбиту.
2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Разработанная ОНТД содержит наиболее полный на сегодняшний день обзор характеристик космических систем, используемых для радиотомографии ионосферы. Предложенное решение по созданию группировки наноспутников, оснащенных трансиверами четырех когерентных сигналов, не имеет аналогов в мире.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Сбор материалов для анализа производился, помимо традиционных методов, с использованием электронных источников информации, доступных через сеть Интернет, что обеспечило актуальность анализируемой информации. Для создания ОНТД использовались современные подходы обобщения данных, основанные на методах системного анализа.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
На данном этапе НИР объектов интеллектуальной собственности создано не было.
3. Области и масштабы использования полученных результатов (не более 3 стр.)
3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
Полученные на отчетном этапе результаты могут быть использованы при проектировании космических систем для исследования ионосферы. Результаты этой НИР могут быть использованы в рамках НИР «Комплексные исследования и научно-техническое обоснование развития и использования глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, а также других систем и технологий координатно-временного и навигационного обеспечения» и ОКР «Разработка технических и программных средств перспективных технологий координатно-временного и навигационного обеспечения и функциональных дополнений спутниковых навигационных систем».
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Полученные на данном этапе результаты не подразумевают непосредственного практического внедрения.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Несмотря на небольшую продолжительность первого этапа НИР, полученные в течение него результаты, позволили достичь заявленных в ТЗ индикаторов и показателей.

4. Выводы
В современных условиях развития технологий мониторинг параметров геофизических полей Земли, и в частности, регистрация флуктуаций электронной концентрации ионосферы, становится все более востребованными. Данная информация необходима для успешного решения различных задач, в том числе: определение и уточнение координат объекта на основе сигналов ГНСС, осуществление дальней радиосвязи, прогноз баллистических характеристик КА, а также регистрация искусственного и естественного воздействия на ионосферу и т.д.
Анализ состояния орбитальных группировок, используемых для радиотомографии ионосферы, свидетельствует, что в настоящее время постепенно выходят из эксплуатации низкоорбитальные навигационные спутники, которые на протяжении последнего десятилетия XX века были практически единственными источниками когерентных сигналов, пригодных для томографии ионосферы. В то же время, за рубежом, с начала этого тысячелетия активно реализуются космические программы, направленные непосредственно на исследование плазменных оболочек Земли.
Использование трех когерентных частот (150, 400, 1067 МГц), применяющихся в американском передатчике CERTO, не позволяет непосредственно определять абсолютное ПЭС, однако делает возможным его определение с учетом наличия некоторой априорной информации (данных из моделей ионосферы или измерений наземного ионозонда).
Перспективный 4-х частотный приемник (150, 400, 1067, 2844 МГц) для перспективной передающей аппаратуры томографии ионосферы позволяет однозначно определять абсолютное ПЭС без использования априорной информации. Таким образом, сигналы радиомаяков могут быть использованы не только для более точного восстановления распределения электронной концентрации ионосферы методом фазовой томографии, но и в качестве входных данных для ассимиляционных моделей ионосферы
Таким образом, работы, выполненные на 1 этапе НИР, позволили подтвердить целесообразность и актуальность НИР в целом, а также определить приоритетные направления дальнейших работ.
Развернуть
2
01.01.2010 - 15.06.2010
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 2
«Разработка облика перспективной космической системы томографического мониторинга ионосферы на базе МКА»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от « 30 » сентября 2009 г. № 02.740.11.0464


Шифр: «2009-1.1-000-081»
Период выполнения этапа 01.01.2010
15.06.2010
Исполнитель: Открытое акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космические системы»), г. Москва
Цель работы Создание новых принципов построения перспективных космических систем и приборов для исследования состояния ионосферной плазмы методом радиопросвечивания

1. Наименование разрабатываемой продукции
ОНТД «Разработка облика перспективной космической системы томографического мониторинга ионосферы на базе МКА» по ГОСТ 7.32-2001
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результатом работы 2 этапа НИР является научно-технический отчет, в котором содержатся результаты патентных исследований, проведенных по тематике НИР, а также результаты проработки облика как орбитального сегмента системы в целом, так и отдельных функциональных подсистем и элементов полезной нагрузки.
Проведено численное моделирование расположения МКА в орбитальной плоскости для восстановления вертикального распределения электронной концентрации ионосферы. Показано, что при использовании 36 космических аппарата в одной орбитальной плоскости ошибка восстановления состояния ионосферной плазмы не превысит 10%. Причем время сбора информации не превысит 15 минут.
Оптимизация числа МКА в орбитальной плоскости была проведена за счет моделирования реализации кластерного построения МКА в космосе. Ошибка реконструкции средняя ошибки реконструкции составили 32-35%, при количестве аппаратов не более 20 и времени накопления информации около 20 минут. Показано, что использование данных моделей ионосферы в качестве априорной информации, позволяет уменьшить средние ошибки реконструкции до 5-10%.
Был сформирован состав служебных систем платформы МКА, разработана ее функциональная схема, а также проведен расчет энергетического баланса спутника, продемонстрировавший необходимость обеспечения систем платформы энергией емкостью 5 АЧ за виток. Показано, что поступление этой энергии может быть обеспечено 12 солнечными батареями GOMspace NanoPower Solar 100.
Проработаны варианты облика бортовой системы управления МКА и сделаны оценки времени формирования кластера на орбите. Рассмотрены варианты использования орбит с наклонениями 56º, 82º и 98º и высотой 550, 1000 и 800 км соответственно. Показано, что для всех случаев можно рекомендовать продолжительность создания кластера порядка 200 витков (13-15 суток полёта), при этом затраты характеристической скорости V будут находиться в пределах 1.5-1.85 м/с.
Рассмотрены различные варианты двигательных установок для управления перспективным МКА с учетом общей массы спутника на более 30 кг. Отобрано 8 оптимальных вариантов по масс-энергетическим характеристикам.
Проведена проработка облика формирования зондирующих сигналов МКА космической системы томографического мониторинга ионосферы. Предложено два полезных нагрузок перспективного МКА: двухчастотный передатчик когерентных сигналов 150/400 МГц, а также четырехчастотный передатчик 150/400/1067/2844 МГц. Проведенный расчет радиолинии показал, что общее потребление 2-х частотного передатчика должно быть не более 1Вт, а четырехчастотного не более 18 Вт, при определенных характеристиках приемного устройства. Предложена функциональная схема передатчиков, проработаны базовые спецификации элементов для создания изделий.
2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Проведенное патентное и исследование литературных источников показало, что разработок аналогичных предложенной в рамках данной НИР в мире не ведется и прямых аналогов, на данный момент, не существует.
Наиболее близкой системой исследования атмосферы следует признать космическую системы FORMOSAT-3/COSMIC и ее трехчастотный передатчик CERTO, однако данная система не может исследовать глобальных разрезов электронной концентрации.
Кроме того, отдельные характеристики данной системы (масса спутниковых платформ, энергопотребление полезной нагрузки, количество частотных каналов, возможность определения абсолютной полной электронной концентрации) несравнимы с прорабатываемыми, в рамках настоящего проекта.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Сбор материалов для анализа производился, помимо традиционных методов, с использованием электронных источников информации, доступных через сеть Интернет, что обеспечило актуальность анализируемой информации. Для создания ОНТД использовались современные подходы обобщения данных, основанные на методах системного анализа.
Проводились серии экспериментов основанных на численном моделировании исследуемого объекта и, в частности, построения орбитальной группировки системы. Численное моделирование позволило определить и предложить оптимальные положения МКА на орбите, позволяющие минимизировать ошибку реконструкции электронной концентрации ионосферы.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Подана заявка на изобретение “Способ мониторинга вертикального распределения электронной концентрации ионосферы”.
3. Области и масштабы использования полученных результатов (не более 3 стр.)
3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
Полученные на отчетном этапе результаты могут быть использованы при проектировании космических систем для исследования ионосферы. В частности, при будущей модернизации, создаваемой на данный момент космической группировки геофизического мониторинга (ОКР «Ионозонд», ФЦП «Геофизика»).
Результаты этой НИР могут быть использованы в рамках НИР «Комплекс» и ОКР «Метрика» в рамках ФЦП «ГЛОНАСС» для повышения точности решения навигационной задачи в одночастотной аппаратуре потребителя.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Полученные на данном этапе результаты не подразумевают непосредственного практического внедрения.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Практическая реализация данного этапа НИР, позволит осуществить более тесную интеграцию оборонной промышленности и Высшей школы, за счет передачи в университеты разработки высокотехнологичной полезной нагрузки, а также аппаратуры функциональных элементов платформы. Данное обстоятельство позволит повысить уровень закрепления в сфере науки научных и научно-педагогических кадров, с другой стороны позволит обеспечить функционирование инновационного цикла.
4. Выводы
В современных условиях развития технологий мониторинг параметров геофизических полей Земли, и в частности, регистрация флуктуаций электронной концентрации ионосферы, становится все более востребованными. Данная информация необходима для успешного решения различных задач, в том числе: определение и уточнение координат объекта на основе сигналов ГНСС, осуществление дальней радиосвязи, прогноз баллистических характеристик КА, а также регистрация искусственного и естественного воздействия на ионосферу и т.д.
Патентные исследования показывают, что в настоящее время прямых аналогов предлагаемой и прорабатываемой системы нет, что делает актуальным не только создание всей системы в целом, но и отдельных составных частей, поскольку они могут являться коммерчески привлекательными.
Предложены принципиально новые варианты построения орбитальной группировки космической системы томографического мониторинга ионосферы, что позволяет получать глобальные распределения электронной концентрации ионосферы с точностью не менее 10%, что подтверждается результатами численного моделирования.
Разработаны варианты функциональных схем перспективного МКА, причем один из предложенных вариантов сформирован на основе коммерчески доступных комплектующих платформы CubeSat, что позволит экспериментальный создать образец МКА в минимальный срок.
Разработан облик перспективной системы управления МКА, представлен алгоритм формирования кластера орбитальной группировки системы, а также представлены расчеты характеристической скорости и времени, необходимых для формирования кластера системы.
Проработан облик нескольких вариантов полезной нагрузки перспективных МКА, разработаны функциональные схемы с учетом необходимой спецификации электронных элементов.
Таким образом, задачи, которые было необходимо выполнить на 2 этапе НИР, выполнены полностью.

Руководитель работ по проекту

Заместитель генерального директора -
генерального конструктора,
д.т.н., профессор _________________А.А. Романов
  ___ __________ 2010 г.
М.П.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
3.1 Разработка предложений по баллистическому и орбитальному построению космической системы томографического мониторинга ионосферы на базе МКА для формирования трехмерных высотных распределений электронной концентрации ионосферы.
3.2 Разработка облика перспективной бортовой системы ориентации МКА для создания космического сегмента.
3.3 Разработка облика аппаратуры приема сигналов системы томографического мониторинга ионосферы.
3.4 Разработка алгоритма обработки сигналов системы томографического мониторинга ионосферы.
Развернуть
4
01.01.2011 - 15.06.2011
4.1 Разработка численоой модели аппаратуры формирования зондирующих сигналов МКА космической системы томографического мониторинга ионосферы, подтверждающей выбранные характеристики.
4.2 Разработка облика перспективного НКУ МКА (наземный комплеккс управления малого космического аппарата) системы томографического мониторинга ионосферы.
4.3 Разработка вычислительного комплекса программного обеспечения для моделирования решения обратной задачи томографии ионосферы с учетом данных радио и оптического просвечивания ионосферы.
Развернуть
5
01.07.2011 - 23.09.2011
5.1 Разработка численной модели аппаратуры приема сигналов системы томографического мониторинга ионосферы.
5.2 Разработка предложений по способу выведения МКА на околоземную орбиту.
5.3 Разработка облика перспективного НКПОР (наземный комплекс приема и обработки данных) системы томографического мониторинга ионосферы.
5.4 Разработка проекта технического задания на создание перспективной системы томографического мониторинга ионосферы на основе малых космических аппаратов.
5.5 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка технического (проектного) облика робототехнической системы с очувствленными по усилию манипуляторами в составе сервисного космического аппарата
Продолжительность работ
2014 - 2016, 27 мес.
Бюджетные средства
60 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов (микропроцессоры для систем управления космическими аппаратами).
Продолжительность работ
2011 - 2012, 17 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0
Тема
Разработка многослойных наноструктурированных покрытий элементов космических аппаратов
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
9
Тема
Разработка микролинейных пьезоприводов исполнительных устройств космических аппаратов
Продолжительность работ
2014 - 2016, 27 мес.
Бюджетные средства
45 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка инновационных материалов и технологий защиты критических элементов космических аппаратов от воздействия объектов космического мусора
Продолжительность работ
2017 - 2018, 14 мес.
Бюджетные средства
87,9 млн
Количество заявок
2