;
Кейсы 8 февраля 2022

Как запускают спутники в космос: разработка «Аист-2Д» от первого лица

Далее

«В 2013 году я учился на старших курсах в Самарском университете и уже обладал немалыми знаниями в области космоса и опытом программирования — создавал совместные проекты с преподавателями, а также внутренние продукты вуза. Я знал, что способен на большее, и мне хотелось работать над чем-то действительно выдающимся. Тогда решил применить свои навыки и опыт в прикладной науке». Разработчик VTB Владислав Авдеев рассказал о том, как устроена разработка спутника в команде и какие скиллы ценятся при реализации подобных задач.

Я прошел собеседование в лабораторию космического приборостроения на базе университета и присоединился к команде разработки спутников и научной спутниковой аппаратуры как инженер-программист.

Одна из моих первых задач в команде — была работа с большими данными (телеметрия), которые мы получали от ранее запущенного в 2013 году экспериментального спутника «Аист-1». Целью устройства была отработка систем связи и управления, а также исследование микрогравитации и магнитного поля Земли.

До начала моей работы лаборатория получала тонны информации в виде зашифрованных бинарных файлов, и только малая ее часть обрабатывалась вручную и использовалась в научных исследованиях и статьях.

Трансляция данных со спутника «Аист-1». Верхняя часть — последовательность байтов телеметрического пакета

Прежде всего мне предстояло создать алгоритмы дешифрации, которые далее позволили вместо груды зашифрованных байтов получить полезные данные о состоянии спутника и измерениях с бортовой аппаратуры: положение, скорость, угловые вращения аппарата, магнитное поле, время замеров, их длительность, и десятки других показателей вместе со служебной информацией. Следующим этапом стала разработка алгоритмов восстановления полученных данных, поскольку из-за нестабильной связи в моменты выхода спутника из зоны приема часть записей повреждается при передаче. В «телеметрическом пакете» большая часть данных связана между собой — и, если говорить просто, алгоритмы восстановления используют корректные данные, чтобы вычислить и восстановить значение «битых». Не всегда восстановление возможно, но разработанные мною алгоритмы позволяют исправить в среднем 75–90% поврежденной информации.

Финальным этапом стала разработка ПО для автоматизации обработки и анализа уже качественных данных с последующим получением научных результатов.

Спустя четыре месяца плотной работы лаборатория получила автоматизированную систему обработки телеметрии, экономящую десятки человеко-часов рутинной работы по изучению информации со спутника «Аист-1».

Мое рабочее место. На фото — процесс программирования и отладки прототипов датчиковой аппаратуры

С этого момента разработка ПО для работы с данными стала одним из основных направлений моей работы. Я создавал алгоритмы дешифрации, восстановления данных и все больше погружался в специфику работы с космосом. Занимался также разработкой и модификацией электроники, собирал и тестировал прототипы и «летные» экземпляры бортовой аппаратуры и датчиков, участвовал в написании прошивок на языках программирования низкого уровня (firmware).

Команда разработки

В 2015 году я закончил разработки ПО и для «Аист-1», и для «Аист-2», который также был выведен в 2013 году и предназначался для отработки системы ориентации спутника на орбите по Солнцу. После плотно работал теперь уже над созданием нового спутника — «Аист-2Д», на борту которого работает целый комплекс научного оборудования:

  • Масс-спектрометр «ДМС-01» для анализа остаточной атмосферы на орбите спутника.
  • Датчик «ДЧ-01» для изучения деградации поверхностных элементов и электроники (микросхемы, антенны, микроконтроллеры) под воздействием потоков микрочастиц, ультрафиолета и радиации.
  • Компенсатор микроускорений «КМУ-1» для управления вращательным движением спутника и его ориентацией в пространстве по магнитному полю Земли. Это модификация отработанной на «Аист-1» системы.
  • «Метеор-М» для исследования параметров микрометеороидов и частиц космического мусора: размера, веса, скорости (есть публикация с моим участием о полученных исследованиях с помощью разработанного мною ПО).

Старт проекта, как и везде, начинается с согласования вопросов финансирования, технических деталей, подготовки документации и распределения ролей.

Наша команда состояла из 30 высококлассных специалистов, среди которых были профессора, доценты и аспиранты.

  • Задача конструктора — проектирование корпусных элементов и контроль их изготовления, расчет тепловых параметров и внутримодульный cable-менеджмент.
  • Разработчики ПО работают над firmware-прошивками, пакетами наземного ПО для дешифровки и обработки телеметрии и ПО для автотестирования аппаратной части.
  • Радиоэлектронщики проектируют блоки электроники, проводят программное моделирование, занимаются трассировкой печатных плат и помодульным аппаратным тестированием после выполнения сборки.
  • Инженеры занимаются сборкой прототипов и «летных экземпляров» оборудования, налаживают техпроцессы, а также разрабатывают и тестируют firmware-прошивки.
  • Специалисты (инженеры) по подготовке документации составляют и согласуют ТЗ, занимаются большей частью бюрократических моментов.

Несмотря на такое распределение, у каждого члена команды богатый бэкграунд в смежных областях. Зачастую один специалист может выполнять задачи другого. Разработчик всегда знает аппаратную часть, под которую пишет код, а радиоэлектронщик работает с учетом конструктивных особенностей каждого отдельного модуля.

В моем случае это была не только разработка software и firmware, но и отдельных электронных модулей со сборкой и аппаратным тестированием. Команда относительно небольшая, и каждому ее члену важно как минимум хорошо понимать все этапы работы над проектом, а как максимум — быть способным выполнить срочную работу в смежном направлении.

Это скорее даже необходимость, чем особенность, которая хорошо демонстрирует уровень подготовки каждого сотрудника. По этой же причине у нас не было ежедневных планерок в привычном понимании — каждый знал, кто чем занимается и какие задачи будет выполнять завтра и через неделю.

Команда собиралась только по необходимости для совместного решения проблем. Например, бывали моменты, когда конструктивные особенности блока аппаратуры мешают должным образом спроектировать набор печатных плат для монтажа внутри него или есть отставание по какому-то фронту работ и нужно распределить ресурсы. Тогда ищутся допустимые компромиссы.

Team management в данном случае — не просто слова: работа каждого сотрудника сильно зависит от всей команды и, наоборот, эффективность команды — результат индивидуального вклада каждого ее сотрудника.

Конечно же, были и рутина, и заполнение документов, но в этой работе ты всегда узнаешь что-то новое в смежных областях и делишься опытом с коллегами: простора для творчества и развития хватало всем!

Сборка спутника

Сборка спутника «Аист-2Д» происходила на площадке АО РКЦ «Прогресс».

Компания, как производитель ракетоносителей, в первую очередь отвечала за вывод спутников на орбиту (да, единовременно выводились еще два спутника). И если корпус и внешний вид устройства — совместная разработка в соответствии с бортовой «начинкой», то само наполнение — уже полностью наша зона ответственности.

В процессе разработки часто возникают трудности, а иногда и неудачи. Это не конвейерный процесс и спутники не штампуются по заранее отлаженным техническим процессам. Каждый проект — уникален.

Бывало, прототип аппаратуры не проходит в лимиты энергопотребления (требования к автономности для спутников очень высокие), тогда приходится откатываться на шаг назад и делать перепроектирование и оптимизацию. Иногда firmware-прошивка недостаточно производительная и аппаратная часть работает с недопустимым лагом — опять шаг назад и оптимизация. Обычно большая часть подобных проблем выявляется и решается еще на этапе создания и отладки прототипов.

Комплект научной бортовой аппаратуры, разработанной командой и установленной на борту «Аист-2Д»

Между тем в космос отправляется сразу два «летных» экземпляра бортовой электроники: основной и дублирующий-резервный. Это требование надежности. И в целом технические требования для таких сложных и специфичных устройств очень высокие.

Был случай, когда на предполетных испытаниях комплект аппаратуры не запустился с первого раза. Ситуация напряженная, ведь аппаратура тщательно проверялась. В ходе осмотра сразу же замечаем — после модульного тестирования не сменили комплект соединительных кабелей с тестового на «летный». Они одинаковые внешне, но в тестовом нет нескольких сигнальных линий для возможности тестирования в помодульном режиме, а не только всего комплекта аппаратуры единовременно. Комплект кабелей переключен — и она запустилась в штатном режиме. Своеобразный внеплановый тест аппаратуры и проверка прочности нервов пройдены.

Как ни странно, с выведением спутника на орбиту работа не заканчивается. Все, что было до, — скорее, подготовка к основной работе: проведению исследований и экспериментов в космосе, сбору и получению информации с ее последующей интерпретацией и документированием в научных отчетах и публикациях.

На стартовой площадке в день запуска от команды разработчиков, как правило, присутствует несколько человек. Остальная команда готовится к установке первого сеанса связи со спутником или к этому времени уже занимается новыми разработками.

«Аист-2Д» с установленной на борт научной аппаратурой готовится к проведению серии предполетных испытаний

Системы стартовой площадки и ракетоносителя тщательно проходят регламентные тесты перед пуском. Наблюдатели и съемочные группы занимают место в защищенном укрытии. Когда начинается обратный отсчет, — это всегда волнительный момент для всей команды. Вздохнуть с облегчением удается только после первого «Окей» от спутников с орбиты.

На сайте https://www.n2yo.com/ можно отследить положение «Аист-2Д» в реальном времени

Участие в работе над таким проектом — невероятный опыт. Прямо сейчас «Аист-2Д» летит со скоростью более 7,5 км/с по своей орбите и продолжает отправлять ценные данные, собранные с установленной на борту научной аппаратуры. Успех проекта и его влияние на изучение космоса и научное сообщество сложно переоценить: по информации от «аистов» уже написан ряд научных трудов, использующихся для:

  • Создания более прочных обшивок, например, для МКС.
  • Определения рисков столкновения космических объектов с частицами высокой массы и скорости, а также классификации частиц.
  • Отработки и создания более эффективных бестопливных (магнитных) систем управления, ведь дозаправка космических объектов — невероятно дорогая и сложная операция.
  • Создания более защищенной и пригодной к эксплуатации в космосе электроники ввиду таких факторов, как радиация, ультрафиолет, температурные перепады, повышенная электризация обшивки и внешних корпусных устройств.
Фото с орбиты — спутник «Аист-2Д» в рабочей среде

Проделанная работа — еще один важный шаг на пути к освоению космоса и поиску ответов на целый ряд научных вопросов об окружающем нас космическом пространстве. Я испытываю гордость, зная, что стал частью выдающегося проекта, вышедшего за рамки нашей планеты.


Читать далее:

Нужно три контакта с вирусом: ученые раскрыли секрет иммунитета от COVID-19

Появилось исследование об огромных акулах мегалодонах: мы неправильно их представляли

Вероятно, протоны гораздо меньше, чем считалось ранее