Разработка программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования

Объектом разработки являются онлайн-сервис с возможностью экспериментального проектирования космических миссий, ведения соревнований и системой публикации методик для преподавателей; а также низкобюджетный, модульный, расширяемый конструктор малого космического аппарата (МКА) с открытой архитектурой, ориентированный на работу в лаборатории космонавтики и/или робототехники, в том числе распределенных детско-взрослых космических миссиях. Цель работы — обеспечение доступной материально-технической базы и инструментов распределенных образовательных проектов для вовлечения широкой детской аудитории в тему космонавтики и развитие у них инженерных навыков, востребованных в космической отрасли. Целями второго этапа работы являются: • разработка прототипа не менее одного модуля полезной нагрузки конструктора в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования, включая макетный образец и проект методических материалов; • доработка эскизной конструкторской документации комплекса, включая концепцию и предварительные варианты системы коммутации и объединения модулей конструктора в составе комплекса; • разработка действующего прототипа настраиваемого механизма задания алгоритмов автоматической оценки сценария в ПО в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования, в том числе задачи съемки земной поверхности группировки спутников дистанционного зондирования Земли в симуляторе; • разработка не менее трех прототипов модулей служебных подсистем конструктора в составе конструктора, позволяющих сформировать вместе учебную модель космического аппарата, в том числе макетные образцы и проекты методических материалов; • разработка уточненных функциональных требований к ПО в составе комплекса; • доработка до бета-версии ПО в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования согласно уточненным функциональным требованиям, включая прототип решения для отработки учебных задач ориентации МКА и системы управления лицензиями; разработка программы и методики испытаний программно-аппаратного комплекса; • проведение испытаний базового модуля конструктора в составе комплекса; • проведение предварительных испытаний программного обеспечения в составе комплекса. В процессе работы проводились: • исследования существующего запроса отрасли на метапредметные и специализированные навыки; • анализ существующих методов приобретения востребованных компетенций и оценка их эффективности; • анализ методов реализации функций подсистем МКА в приближении к практикам отрасли, но сохранением доступности и открытой архитектуры. Опытно-конструкторские работы включают в себя: • разработку общей платформы/инструментов стандартизации для линейки образовательных модулей, позволяющей объединять устройства из различных наборов и выстраивать последовательные учебные программы в связке с работой в симуляторе; • разработку новых образовательных модулей для моделирования основных видов бортовых систем и полезной нагрузки КА с учетом архитектурных, в том числе массогабаритных ограничений платформы; • разработку структуры курсов с использованием конструктора, ПО и пользовательской документации; • разработку интерфейса и механизмов образовательной платформы с функциями сценарирования и режимом турнира; • интеграцию в состав продукта возможностей ПО профессионального моделирования и образовательной платформы для предоставления различных режимов использования, гибкой настройки сценариев, автоматической оценки результатов; • разработку дополнительных математических моделей работы МКА, востребованных в практиках инженерно-космического образования; • разработку виртуального тренажера с возможностью создания алгоритмов управления МКА и учетом ограничений реальных образцов; • проведение испытаний, экспериментальная проверка и апробация разработанных инструментов. Программно-аппаратный комплекс для распределенного инженерно-космического образования состоит из учебного конструктора для проведения практикумов и программного обеспечения симулятора космических миссий с поддержкой групповой работы и проведения соревнований. В рамках 2 этапа разработан прототип модуля «Оптики» - модуля полезной нагрузки конструктора в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования. Модуль оптики конструктора включает в себя: • Плата расширения системы электропитания (СЭП); • Пластина-переходник; • Разветвитель usb-подключений; • Бортовой компьютер; • Камера; • Оптическая система схемы Максутова-Кассегрена; • Оптическая система схемы Кеплера. Был создан макетный образец модуля расширения конструктора, а также проект методических материалов для проведения курс практико-ориентированных занятий с использованием модуля «Оптики». По итогам прохождения этого курса школьники и студенты получат представление об особенностях проектирования, создания и настройки спутниковых оптических систем. Учебный модуль состоит из ряда лекций по оптике и проектированию и программированию серверной электроники, практических задач на конструирование оптических систем и их аппаратного сопровождения и полевых занятий с эксплуатацией полученных устройств. В рамках 2 этапа были разработаны прототипы трех модулей служебных подсистем конструктора – электропитание, механические конструкции и радиосвязь. Созданы макетные образцы каждого из модулей расширения, а также методические материалы по работе с ними. Состав модуля электропитания включает в себя всё необходимое для сборки служебной подсистемы конструктора, отражающей аспекты контроля электробаланса КА. Методические материалы модуля служебной подсистемы электропитания конструктора посвящены знакомству учащихся с системой электропитания спутника, ее основным частям и принципам управления и распределения электропитания. Практические занятия позволяют освоить основы прототипирования и сборки электронных устройств. Модуль расширения конструктора «Механические конструкции космического аппарата» (МК КА) предназначен для изучения школьниками вопросов, связанных с проектированием элементов конструкции космических аппаратов, которые должны выдерживать воздействия всех факторов, возникающих в процессе транспортировки, выведения и космического полёта. Модуль включает в себя систему раскрытия панелей солнечных батарей, прототип вибростенда для проведения вибрационных испытаний КА и изучение силовые элементов конструкции КА и систему проведения испытаний КА в вакуумной камере. Методические материалы для работы с модулем “Механических Конструкций” расширения базового набора конструктора включают в себя теоретические описания факторов космического полёта, примеры использования инженерных решений на реальных КА и практикумы, в работе над которым школьники решают инженерные задачи по исследованию влияния фактора космического полёта на механические конструкции КА. Модуль служебной подсистемы радиосвязи конструктора рассматривает общие принципы радиосвязи и особенности спутниковой связи, а также предлагает ряд практикумов на радиотехническом оборудовании. Методические материалы для работы с модулем радиосвязи познакомят учащихся с различными модуляциями и спектрами сигналов, кодированием и декодированием сигнала, а также с ПО для обработки сигналов GNU Radio Companion с помощью технологий программно-определяемого радио. Каждый из этих модулей совместим с базовым набором конструктора. Все они могут быть объединены в единую учебную модуль космического аппарата, в том числе форматов CubeSat 2U, 3U и более. Объединение модулей расширения в единую сборку позволяет дополнить макет базового набора до комплектации, более приближенной к космическому аппарату по составу необходимых подсистем. Такой расширенный макет космического аппарата позволяет решать увеличенный спектр учебных задач. В результате второго этапа разработки программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования, в рамках процесса доработки базового набора и разработки дополнительных наборов расширений, а также с учетом технических и эксплуатационных испытаний уточнена и частично переработана эскизная конструкторская документация базового набора. Была создана эскизная конструкторская документация таких наборов расширений конструктора, как: ● Модуль оптики; ● Модуль электропитания; ● Модуль механических конструкций; ● Модуль радиосвязи. Также была описана концепция и предварительные варианты системы коммутации и объединения модулей конструктора в составе программно-аппаратного комплекса. Финальная версия рабочей конструкторской документации программно-аппаратного комплекса будет разработана в результате этапа 3. В рамках 2 этапа работы по результатам проведенных испытаний функциональные требования к ПО были уточнены и реализованы в рамках бета-версии ПО в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования. Основные функции ПО в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования включают в себя: ● Проведение соревнований; ● Размещение курсов задач и методических материалов; ● Проектирование и симуляция космических миссий; ● Администрирование событий; ● Каталог типовых материалов; ● Менеджер лицензий; ● Прочие положения. Разработанная функциональность позволяет отражать групповую распределенную работу учащихся над проектами космических миссий, проводить учебные курсы и соревнования космической тематики, в том числе в тесной интеграции с практикумами на основе конструктора в составе комплекса. В рамках 2 этапа работы программное обеспечение в составе программно-аппаратного комплекса было доработано до бета-версии согласно уточненным функциональным требованиям. В том числе был разработан прототип системы управления лицензиями. Менеджер лицензий позволяет суперадминистратору может создавать, удалять и изменять лицензии. Был доработан прототип настраиваемого механизма задания алгоритмов автоматической оценки сценария. В каталог типовых материалов были добавлены задачи на проектирование группировки аппаратов под целевую задачу (задачи типа “Симуляция”) с демонстрацией комплексной прикладной задачи дистанционного зондирования Земли, необходимостью учитывать данные бортовых оптикоэлектронных систем и экономической составляющей проекта - не менее двух (для аппаратов с камерами низкого и высокого разрешения). В рамках второго этапа была разработана «Программа и методика комплексных испытаний программно-аппаратного комплекса». Были проведены испытания базового модуля конструктора и предварительные испытания программного обеспечения в составе программно-аппаратного комплекса для распределенного инженерно-космического образования. По результатам испытаний были внесены изменения, уточнены функциональные требования. В 3 этапе разработки будут проведены: ● Испытания конструктора в составе программно-аппаратного комплекса, включая модули расширения; ● Испытания программного обеспечения в составе программно-аппаратного комплекса; ● Комплексные испытания программно-аппаратного комплекса согласно разработанной «Программе и методике комплексных испытаний программно-аппаратного комплекса». Ключевые целевые характеристики разрабатываемого программно-аппаратного комплекса: 1. Программный комплекс: • единая база участников и инструменты коммуникации, включая публикацию задач и решений; • моделирование околоземных космических полетов с поддержкой задания орбит, конструирования и программирования космических аппаратов с использованием расчетного ПО «Орбита.Про»; • режим учебных (игровых) сценариев с возможностью проведения соревнований с автоматической фиксацией результатов; • конфигуратор с возможностью настройки сценариев; • режим свободного проектирования; • решение некоторых “классических” задач, например одноосной стабилизации и ориентации, на компонентной базе, приближенной к конструктору спутника; • доступ в окне браузера без установки на ПК на операционных системах семейств Windows, Linux, MacOS; • методические материалы по применению в дополнительном инженерном образовании; 2. Конструктор: • отработка процессов проектирования и сборки аппарата, демонстрирующих основы различных аспектов инженерии космических систем; • модульная структура; o базовый модуль отражает, как минимум, аспекты конструирования аппарата формата CubeSat, исполнительных устройств и работы с датчиками, и включает в себя набор компонент для сборки аппарата 1U и методическое пособие; o каждый дополнительный модуль отражает отдельный аспект инженерии космических систем (подсистему, проблему, вариант реализации и т.п.). Дополнительный модуль включает набор компонент для сборки подсистемы или стенда и методическое пособие для преподавателя; o образцы устройств, собранные в разных модулях, могут быть соединены в единую модель МКА, в т.ч. форматов CubeSat 2U, 3U и более (аппараты меньших форм-факторов могут быть реализованы как носимые); • низкая стоимость набора (до 100 т. р. на курс на 10 учащихся); • открытая архитектура и совместимость с доступными робототехническими компонентами. Возможность дополнения и/или замены компонентов набора элементами по крайней мере одной распространенной робототехнической группы, в целях повышения гибкости применения и возможностей для проектной деятельности. Научно-техническая новизна заключается в адаптации отраслевых технологий спутникостроения к материальным и методическим требованиям проектной деятельности школьного уровня, созданию комплексного, современного подхода к техническому творчеству и приобретению широкого пула прикладных инженерных компетенций, включая методы численного проектирования (smart design) и распределенную разработку. Специфика инженерного образования подразумевает повышенные требования к компетенциям наставников, высокую стоимость компонентов и материалов, наличие специализированного отраслевого оборудования, значительную долю практических навыков (hard skills) и высокое значение очных курсов и соревнований с экспертной оценкой результатов. Эти факторы существенно ограничивают возможности обучения инженерному делу и особенностям разработки КА (космических аппаратов) вне немногочисленных специализированных лабораторий. Разрабатываемые в рамках проекта конструктор и программное обеспечение, ориентированы на обеспечение доступного инженерно-космического образования для широкой аудитории учащихся, в том числе появления низкобюджетного, методически обеспеченного комплекса с открытой архитектурой, позволяющего выстраивать курсы в тесной связи с освоением орбитальной механики, других направлений физики и проектирования; на данный момент на отечественном рынке в этой категории отсутствует уверенное решение. Основные области применения: • Ведение групповых занятий в области инженерии космических систем в кружке или на образовательных курсах; тематические уроки технологии; инженерная проектная деятельность школьников; • Проведение инженерных соревнований. Создаваемый продукт имеет несколько преимуществ по сравнению с имеющимися аналогами. Преимущества разрабатываемого конструктора: • По сравнению с текущими продуктами Компании, в первую очередь с курсом “Космическая профориентация”, разрабатываемый продукт будет значительно дешевле, более долговечный, рассчитан на многократное использование (это в первую очередь связано с оптимизацией расходных материалов при увеличении возможностей проектной деятельности), также предполагает объединение в прототип МКА и существенно более глубокий уровень возможной подготовки. Наличие открытой архитектуры и модульной структуры приглашают преподавателей создавать свои собственные полезные нагрузки; • Другими прямыми конкурентами являются отечественный конструктор МКА “Орбикрафт”, и иностранный набор проекта ArduSat. Орбикрафт находится в кардинально другой ценовой нише (стоимость 258 тысяч рублей за один конструктор и более 750 тысяч рублей за комплект на 10-12 участников) и представляет собой закрытую систему с ограниченными возможностями. ArduSat, помимо конструктивных и методических ограничений, не имеет представительства в России и не продается. • К косвенным конкурентам для разрабатываемого набора относим специализированные образовательные наборы для технологического творчества (коптеры, беспилотные машинки и так далее). В основном данные наборы жестко специализированы вне космической тематики и в меньшей степени пригодны для свободной проектной деятельности или профориентации. • Косвенную конкуренцию составляет свободная проектная деятельность по космонавтике без конструкторов и любые другие направления инженерной деятельности - с конструкторами и без, однако без адаптации наборов и сопутствующего методического обеспечения предъявляют высокие требования к квалификации преподавателей и материально-техническому площадки (в том числе подразумевая этапы прототипирования и производства). На данный момент это единственный крупный проект в России, потенциально позволяющий проводить массовые соревнования по космической тематике. Это достигается за счет участия согласованных между собой программной (массовость) и стандартизированной, но гибкой “железной” частей (высокие стадии конкурсов). Дополнительным плюсом будет являться объективность результатов соревнований, связанных с системой независимой фиксации результата. Как следствие, проект обладает потенциалом быстро занять лидирующее положение в данном (пусть и узком) сегменте рынка. Основные категории потенциальных потребителей: • Частные и государственные организации дополнительного образования (кружки, в том числе сетевые, детские технопарки, Центры молодёжных инновационных технологий (ЦМИТ-ы) и иные); • Школы и техникумы. В перспективе, после дополнительной адаптации, потребителями могут стать частные лица, особенно при выходе на международный рынок (family education). Существует значительный потенциал поставки на международные рынки, но на первом этапе, до апробации и вывода на отечественный рынок, он предварительно не оценивается.