Проектирование спутника CanSat-Kaluga. Решение задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли

Смирнов Дмитрий Николаевич

Областная научно-практическая конференция «Молодость – науке» памяти А.Л.Чижевского

МБОУ СОШ №13 кл. 11

Калужская область, г. Калуга

2012 г.

Введение

CanSat в мире

В 1999 году в США прошел первый конкурс CanSat, ставший с тех пор очень популярным за рубежом. Название конкурса говорит о том, что должны сделать его участники. Это макет настоящего спутника, заключенный в обычной банке из-под колы. Своего рода, спутник в банке (satellite in a can). Участники конкурса должны уместить все основные системы спутника, такие как система электропитания и передачи телеметрической информации, а также полезную нагрузку, в объеме 350 мл. После отделения от ракеты или аэростата CanSat должен провести измерения, передать их на станцию приема, также созданную конкурсантами, и приземлиться на парашюте.

CanSat в России

Первый чемпионат состоялся в 2011-2012 году. Как и за рубежом, это соревнование по разработке и созданию обучающих макетов спутников, служебные системы и полезная нагрузка которых умещается в жестяной банке из-под газированных напитков. [1]

Школьникам необходимо самостоятельно сделать для него полезную нагрузку. Всего проекте приняли участие 44 команды школьников из различных регионов России. В Первом Российском чемпионате приняли участие 17 команд, которые были определены в январе 2012 г. на отборочной сессии, проходившей в г. Москва. [2]

В конкурсе принимала участие наша команда «Галактика», состоящая из учащихся общеобразовательных школ г. Калуги, также занимающихся в ЦКО «Галактика» по таким направлениям как ракетомоделирование, робототехника, экологический мониторинг, метеорологические исследования, научно-исследовательская деятельность.

Также по итогам «I Чемпионата России по запуску школьных пико-спутников» была образована Высшая Лига для тех 17 команд, запустивших свои аппараты, в которую вошла команда «Галактика».

На данный момент наша команда работает над созданием нового спутника «CanSat», для участия в чемпионате Высшей Лиги. Для нас, как и для остальных команд-участниц было составлено обязательное техническое задание на аппарат:

Измерение атмосферных параметров (атмосферное давление и температура)

Построение траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля

Поскольку задача измерения атмосферных параметров была успешно решена нами еще в рамках прошлого чемпионата, для нас наиболее интересен второй пункт данного положения.

Поэтому целью данной работы является поиск решения задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли.

Состав спутника CanSat-Kaluga

Для решения поставленной задачи на данном этапе командой был определен приборный состав аппарата, а также проектный облик.

Перечень систем спутника (схема деления) представлен на рисунке 1. Проектный облик спутника CanSat-Kaluga представлен на рисунке 2.

Спутник разработан в среде 3D моделирования SolidWorks.

Рисунок 1 Схема деления спутника

Спутник

Рисунок 2 Общий вид спутника

Главная особенность спутника – система мягкой посадки (выраженная посадочными стойками), а также солнечные панели с системой контроля напряжения.

На основании доступной информации о запусках и опыта полученного на «I-ом Чемпионате России по запуску школьных пико-спутников» командой была разработанна модель запуска спутника CanSat с его последующим отделением от ракетоносителя и приземлением на поверхность земли.

Рисунок 3 Баллистическая схема запуска

Запуск аппарта осуществляется посредством ракетоносителя. Когда ракета достигает заданнной высоты выведения, спутник отделяется от корпуса ракеты, происходит включение всех систем аппарата, срабатывает система спасения и аппарат спускается на парашюте. Как только расстояние от поверхности земли до спутника становится приблизительно равным 200 метров, раскрывается еще один парашют ( большего диаметра). Таким образом аппарат приземляется.

Средства решения задачи

Для решения поставленной задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли было выбрано следующее оборудование:

Трехосный магнитометр (MiniMU-9)

GPS модуль (GMM-U1)

Антенна GPS модуля (ANT GPS P1P80G (ALLIS))

Датчик атмосферного давления (BMP085)

Основные технические характеристики магнитометра MiniMU-9 представлены ниже:

Диапазон : от ± 0,00013 до ±0,00081 Тл.

Напряжение питания: 4.75 V ~ 5.25 V.

Рабочая температура: - 40°C ~ 85°C.

Интерфейс: I2С.

Чувствительность: 5 *10-3 Тл.

Для определения координаты местоположения спутника нами был выбран высокочувствительный миниатюрный GPS модуль GMM-U1, имеющий высокую скорость обновления координат (порядка 10 Гц ) и низкое энергопотребление (48мА).

Миниатюрный датчик атмосферного давления BMP085 имеет малые электронные помехи, высокую точность, а также долгий срок службы. Для выполнения поставленной задачи нам потребуется знать высоту спутника CanSat-Kaluga над поверхностью земли в заданный момент времени, а вычислить эту высоту возможно по показаниям датчика атмосферного давления.

Методология решения задачи

Для построения траектории полета спутника необходимы показания GPS модуля и магнитометра. Также был использован программный продукт по определению напряженности магнитного поля земли на основе государственного стандарта «ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутреземных источников».

Рисунок 2 Геомагнитное поле Земли

На основании данного ГОСТа, и по GPS координатам определяем напряженность магнитного поля в точке.

Далее вычисления проводить будем по следующей методологии:

Определяем этапы полета спутника

По показаниям бортового GPS модуля определяем координаты спутника на различных этапах полета

По показаниям датчика давления определяем высоту полета спутника на разных этапах полета

Сопоставляем значения высоты с координатами

По данным значениям использую специализированную программу, определяются теоретические значения напряженности магнитного поля земли на разных этапах полета

Показания бортового магнитометра сопоставляются с этапами полета

Сравниваем фактически измеренную бортовым магнитометром напряженность магнитного поля Земли с рассчитанным теоретическим значением.

Определяем значение погрешности

Проводим построение графиков фактического и теоретического измерения.

Строим траекторию полета по привязке к GPS координатам и измеренной высоте.

Предварительно определены следующие этапы полета:

H- поверхность Земли

Н1-2000 м

Н2-1000 м

Н3-500 м

Н4-200 м

Н5-100 м

Предварительно задали значение места старта с координатами:

54,622219°

36,30°

Предположили, что показания с бортового GPS модуля будут следующими*:

54,622219°

36,30°

54,6249967°

36,30°

54,6277745°

36,30°

*- Данные значения произвольные и предназначены для демонстрации методологии

Определенные теоретические значения напряженности магнитного поля земли на разных этапах полета показаны в таблице 1.

Таблица 1

Координаты Высота, Н, м	54,622219° 36,30°	54,6249967° 36,30°	54,6277745° 36,30°
2000	50838,28586 нТл	50838,9110529 нТл	50839,53623 нТл
1000	50861,069403 нТл	50861,69455 нТл	50862,31967 нТл
500	50872,46602 нТл	50873,09113 нТл	50873,716234 нТл
200	50879,30554 нТл	50879,93064 нТл	50880,55572 нТл
100	50881,585635 нТл	50882,21073 нТл	50882,83581 нТл
0	50883,86586 нТл	50884,49095 нТл	50885,116026 нТл

Для более точного построения траектории полета необходимо определить больше этапов полета. Наиболее оптимальным считаем шаг по высоте – 100 метров.

Таким образом, в соответствии с баллистической схемой запуска спутника этапы полета по высоте будут следующими:

0-100-200-300…Нмах-1900-1800…0

И если проводить вычисления по измеренной высоте, координатам и напряженности магнитного поля Земли в данных этапах, можно наиболее точно построить траекторию полета спутника.

Для исследования точности построения траектории полета необходимо провести расчет с уменьшенным шагом измерения по высоте до 50 метров.

Проведение практической части исследования будет осуществлено после первых запусков спутника.

Косвенное апробирование методологии будет проведено при постоянной высоте, но при разных координатах (Перемещение спутника на автомобиле) и соответственно будет определена траектория горизонтального перемещения.

Заключение

В данной работе нами была рассмотрена проблема построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли и предложен метод ее решения. На данном этапе этот метод основывается на теоретических расчетах и исследованиях, практическое подтверждение правильности нашего метода мы планируем получить в июле 2013 года на летных испытаниях спутника в рамках «Чемпионата России по запуску школьных пико-спутников. Высшая Лига».

Список литературы

roscansat.ru

cosmos-journal.ru

ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников.