Багатокритеріальне оцінювання стандартизованих інтерфейсів бортових мереж наносупутників CubeSat

Abstract

Технологія побудови наносупутників класу CubeSat створила справжній прорив в опануванні ближнього космосу для завдань досліджень та навчання. Наявність комерційних рішень для швидкої інтеграції апаратного та програмного забезпечення розроблюваного CubeSat та вивід такого наносупутника на орбіту Землі як паразитного навантаження, зробила цю технологію доступною та привабливою для університетів по всьому світу. Незважаючи на таку популярність, статистика відмов наносупутників після виведення на орбіту вимагає системного підходу при їх проектуванні та побудові, а також під час обирання готових Commercial Off The Shelf (COTS) компонентів. Об’єкт дослідження – системна ефективність стандартизованих мережевих інтерфейсів при їх використанні в бортовій мережі наносупутників CubeSat. Предметом вивчення в даній статті є метод комплексного оцінювання ефективності стандартизованих мережевих інтерфейсів при обміні даними в бортової мережі наносупутників CubeSat з урахуванням типових сценаріїв обміну даними та командами. Метою дослідження є обґрунтування методу експертного оцінювання технічної ефективності стандартизованих мережевих інтерфейсів при обміні даними в бортової мережі наносупутників CubeSat з урахуванням наступних факторів: енергоефективність, здатність до мультимастерінгу, стійкість до електромагнітних завад, надлишковість, покриття у відповідності до мережевої моделі OSI, швидкість передавання даних, складність реалізації мережевої технології програмним забезпеченням. Завдання: Проаналізувати сучасні методи організації бортових мереж авіоніки наносупутників класу CubeSat, сформулювати експертну модель порівняння, порівняти обрані інформаційні бортові мережі відповідно до моделі та переліку обраних мереж та їх протоколів. Результати: створена експертна модель, яка складається з 7 факторного порівняння, обрані сучасні та найбільш поширені в індустрії бортові мережі та кожна з мереж була порівняна за запропонованою моделлю. Висновки: Дві найбільш поширені та ефективні моделі – I2C та CAN були обрані як рекомендовані для застосування у авіоніці наносупутника ХАІ-1КА та бортового обчислювача «Боривітер»/«Falco» який розробляють автори. Хоча різниця в енергоспоживанні цих двох типів мереж суттєва, кожна з них має певні переваги як у завадостійкості, так і за критерієм мультимастерінгу і застосування.

The technology of building CubeSat-class nanosatellites has created a breakthrough in exploring near space for research and education. The availability of commercial solutions for the rapid integration of hardware and software of a CubeSat under development and the launch of such a nano-satellite into Earth orbit as a parasitic payload has made this technology accessible and attractive to universities worldwide. Despite this popularity, the statistics of nanosatellite failures after launch require a systematic approach to their design and construction and the selection of off-the-shelf (COTS) components. The object of the study is to determine the overall efficiency of standardized network interfaces when used in the onboard network of CubeSat nanosatellites. The subject of the article is a method for comprehensively evaluating the effectiveness of standardized network interfaces for data exchange in the onboard network of CubeSat nanosatellites, taking into account typical scenarios for data and command exchange. The aim of the study was to substantiate the method of expert evaluation of the technical efficiency of standardized network interfaces for data exchange in the onboard network of CubeSat nanosatellites, taking into account the following factors: energy efficiency, multi-mastering capability, resistance to electromagnetic interference, redundancy, coverage following the OSI network model, data transmission speed, and complexity of network technology implementation by software. Objectives: To analyze modern methods of organizing onboard avionics networks of nanosatellites of the CubeSat class, formulate an expert comparison model, and compare the selected information onboard networks following the model and the list of selected networks and their protocols. Results: an expert model consisting of a 7-factor comparison was created, modern and most widely used in the industry onboard networks were selected, and each network was compared according to the proposed model. Conclusions: The two most common and efficient models, I2C and CAN, were selected as recommended for use in the avionics of the KhAI1Sat nanosatellite and the “Boryviter”/”Falco” onboard computer being developed by the authors. Although the difference in power consumption between these two types of networks is significant, each has certain advantages in terms of noise immunity, multicasting, and application.