ميدستار-1

ميدستار-1 هو قمر صناعي من إنتاج برنامج الأقمار الصناعية الصغيرة التابع للأكاديمية البحرية الأمريكية . وقد رُعِيَ من قِبَل برنامج اختبار الفضاء التابع لوزارة الدفاع الأمريكية ، وأُطلِقَ في 9 مارس 2007 الساعة 03:10 بالتوقيت العالمي المنسق، على متن صاروخ أطلس 5 من قاعدة كيب كانافيرال الجوية . حلّق ميدستار-1 برفقة فالكون سات 3 ، وإس تي بي سات 1 ، وسي إف إي سات كحمولات ثانوية؛ أما الحمولة الرئيسية فكانت أوربيتال إكسبريس . ^{[ 1 ]}

ميدستار عبارة عن منصة أقمار صناعية متعددة الأغراض قادرة على دعم مجموعة متنوعة من المهام الفضائية من خلال استيعابها بسهولة لمجموعة واسعة من التجارب والأجهزة الفضائية. يجب أن يتم دمج التجارب مع منصة القمر الصناعي بأقل قدر من التغييرات في تصميمها. تهدف ميدستار إلى أن تكون منصة منخفضة التكلفة نسبيًا وسريعة الاستجابة، تستوعب حمولات صغيرة معتمدة من قبل مجلس مراجعة التجارب الفضائية التابع لوزارة الدفاع الأمريكية (SERB) ومنتظرة للإطلاق عبر برنامج الإطلاق الفضائي (STP).

صُممت مركبة MidSTAR للاستخدام على حلقة محول الحمولة الثانوية EELV (ESPA) التي طورها مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) لوضعها على مركبات الإطلاق المستهلكة Delta IV أو Atlas V. تُصنف MidSTAR ضمن فئة المركبات الفضائية D، وتُنتج بأقل تكلفة ممكنة مع ما يترتب على ذلك من مخاطر تقنية أعلى في الإنتاج والتشغيل. تتميز المركبة ببساطة تصميمها ومتانة بنائها، حيث تستخدم مكونات تجارية جاهزة للاستخدام الفوري قدر الإمكان. ولا يتم تطوير المكونات أو تصميم لوحات الدوائر إلا عند الضرورة.

يُعدّ القمر الصناعي MidSTAR-1 أول تطبيق عملي لهذا التصميم. وقد تمّ تكليفه من قِبل برنامج STP لحمل تجربة قمر الاتصالات عبر الإنترنت (ICSat) لصالح برنامج SSP، وتجربة المعالج القابل للتهيئة والمتسامح مع الأعطال (CFTP) لصالح كلية الدراسات العليا البحرية (NPS). إضافةً إلى ذلك، يحمل MidSTAR-1 وحدة استشعار الكيمياء النانوية (NCSU) لمركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا ؛ وجهاز Eclipse، الذي بنته شركة Eclipse Energy Systems لصالح مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا (GSFC)؛ وجهاز قياس الجرعات الدقيقة (MiDN)، برعاية المعهد الوطني لأبحاث الطب الحيوي الفضائي (NSBRI) وبنته إدارة هندسة الطيران والفضاء في الأكاديمية البحرية الأمريكية. ومن المقرر أن تستمر المهمة لمدة عامين.

تضمنت مهمة MidSTAR-1 مركبة فضائية واحدة تحت قيادة وسيطرة محطة أرضية واحدة للأقمار الصناعية (SGS) تقع في الأكاديمية البحرية الأمريكية في أنابوليس، ميريلاند. وقد قامت المحطة الأرضية بإرسال ملفات البيانات المُحمّلة إلى الباحثين الرئيسيين عبر الإنترنت. واستخدمت مركبة الإطلاق Atlas V ، ضمن برنامج اختبار الفضاء ، في عملية إطلاق MidSTAR-1، حيث وُضع القمر الصناعي في مدار دائري على ارتفاع 496  كيلومترًا، وبميل مداري 46 درجة.

استخدم القمر الصناعي وصلة صاعدة بتردد 1.767  جيجاهرتز بتردد وسيط (IF) يبلغ 435  ميجاهرتز، ووصلة هابطة بتردد 2.20226  جيجاهرتز. وباستخدام تعديل مفتاح الإزاحة الأدنى الغاوسي ، ^{[ 2 ]} تم تحقيق الاتصالات مع القمر الصناعي بمعدل بيانات يبلغ 68.4 كيلوبت /ثانية أو أعلى. كما استخدم القمر الصناعي برمجيات مفتوحة المصدر مبنية على نظام التشغيل لينكس . لم يكن لدى القمر الصناعي MidSTAR-1 أي نظام للتحكم في الاتجاه أو تحديده، ولا نظام تحكم حراري نشط. وبلغت كتلة المركبة 118 كيلوغرامًا. ^{[ 3 ]} 

تم تعريف النجاح الكامل بنسبة 100% بأنه إطلاق وتشغيل القمر الصناعي بنجاح مع دعم كامل للتجربتين الأساسيتين لمدة عامين. أما النجاح بنسبة 50% فكان يعني إطلاق وتشغيل القمر الصناعي بنجاح مع: دعم كامل لتجربة أساسية واحدة لمدة عامين؛ أو دعم كامل لكلتا التجربتين الأساسيتين لمدة عام واحد؛ أو دعم جزئي لكلتا التجربتين الأساسيتين لمدة عامين. بينما كان النجاح بنسبة 33% يعني إطلاق القمر الصناعي بنجاح وتشغيل منصة القمر الصناعي بالكامل مع دعم جزئي لأي توليفة من الحمولات الأساسية والثانوية لأي مدة زمنية.

9 مارس 2007: انطلقت المركبة الفضائية MidSTAR-1 ضمن مهمة STP-1 على متن صاروخ أطلس 5 التابع لتحالف الإطلاق المتحد من قاعدة كيب كانافيرال الجوية. تم الإطلاق في تمام الساعة 03:10 بالتوقيت العالمي المنسق، وانفصلت المركبة عن الصاروخ في تمام الساعة 03:32 بالتوقيت العالمي المنسق. نجح نظام SGS التابع للأكاديمية البحرية الأمريكية في التواصل مع المركبة الفضائية خلال المرور الأول فوق أنابوليس بولاية ماريلاند في تمام الساعة 04:59 بالتوقيت العالمي المنسق. كانت المركبة الفضائية تعمل بشكل طبيعي في وضع الأمان .

21 مارس 2007: تم تشغيل CFTP في الساعة 2217 بالتوقيت العالمي المنسق لإضافة 6 واط بشكل مستمر إلى حمل نظام الطاقة الكهربائية وبالتالي تقليل ضغط الشحن على البطاريات.

28 مارس 2007: تم تشغيل نظام MiDN في حوالي الساعة 2400 بالتوقيت العالمي المنسق. توقفت المركبة الفضائية عن الاستجابة لجميع الأوامر الأرضية بعد هذا المرور.

4 أبريل 2007: أول استخدام لإعادة ضبط رمز النار للمركبة الفضائية في حوالي الساعة 21:30 بالتوقيت العالمي المنسق. يقوم هذا الأمر بتفعيل/إيقاف مفتاح إعادة الضبط في معالج MIP-405 وإعادة تشغيل نظام التشغيل. أدت إعادة الضبط هذه إلى إيقاف تجارب CFTP وMiDN ومسح جميع مخازن الأوامر. في الساعة 23:24 بالتوقيت العالمي المنسق، استجابت المركبة الفضائية لأمر من جهاز الإرسال . أكدت بيانات القياس عن بُعد نجاح إعادة التشغيل.

5 أبريل 2007: تم إعادة تشغيل CFTP و MiDN.

في 6 أبريل 2007، تم تنزيل 71 ملفًا من ملفات MiDN، حجم كل منها 92 بايت ، وتم تسليمها إلى الباحث الرئيسي. وكان هذا أول استرجاع ناجح لبيانات علمية من المركبة الفضائية. وبهذا الإنجاز، حققت مهمة MidSTAR-1 نسبة نجاح بلغت 33%.

26 مايو 2007: تم تشغيل NCSU في حوالي الساعة 1900 بالتوقيت العالمي المنسق .

29 مايو 2007: تم تسليم أول حزمة بيانات إلى الباحث الرئيسي في جامعة ولاية كارولينا الشمالية . جميع التجارب الأربع قيد التشغيل وترسل البيانات إلى الباحثين الرئيسيين.

18 يونيو 2007: بيان صحفي لوكالة ناسا يعلن نجاح جامعة ولاية كارولينا الشمالية.

5 سبتمبر 2007: تعطل حاسوب المركبة الفضائية نتيجة عوامل غير معروفة، يُرجح أنها اضطرابات ناجمة عن الإشعاع. حدث ذلك بينما كانت المركبة تحت أشعة الشمس المباشرة مع تشغيل أجهزة سحب الطاقة (30 واط) لمنع الشحن الزائد للبطاريات. وبدون الحاسوب لإيقاف تشغيل هذه الأجهزة، ظلت المركبة في حالة طاقة سالبة مستمرة، مما أدى في النهاية إلى استنزاف البطاريات. عندما انخفض جهد البطارية إلى أقل من 8 فولت، توقفت المفاتيح الإلكترونية لأجهزة سحب الطاقة تلقائيًا، مما أعاد المركبة إلى حالة الطاقة الموجبة وسمح للبطاريات بإعادة الشحن.

7 سبتمبر 2007: بعد إعادة شحن البطاريات بشكل كافٍ، أُعيد تشغيل الحاسوب بنجاح. تمت إعادة التشغيل بعد 48 ساعة من الحادثة الأولى. لم تتوفر أي بيانات قياس عن بُعد من المركبة الفضائية أو أي تجربة خلال تلك الفترة. تشير بيانات القياس عن بُعد إلى استئناف التشغيل الطبيعي، ولكن تم إيقاف جميع التجارب مؤقتًا ريثما يتم تحليل ما بعد الحادثة ووضع خطة لإعادة تشغيلها.

12 سبتمبر 2007: إعادة تشغيل بروتوكول نقل الملفات CFTP.

21 سبتمبر 2007: إعادة تشغيل MiDN.

أبريل 2009: انقطع الاتصال مع المركبة الفضائية ميدستار-1. توقفت المركبة عن الإرسال ولم تستجب للأوامر الأرضية. عُزي الخلل إلى عطل في بطارياتها. أُعلن عن توقف ميدستار-1 عن العمل. وقد دعمت ميدستار-1 جميع التجارب التي أُجريت على متنها بشكل كامل لمدة عامين، محققةً بذلك معايير النجاح بنسبة 100%.

17 أغسطس 2023: انفصل القمر الصناعي عن مداره. ^{[ 4 ]}

هيكل المركبة الفضائية MidSTAR-1 ثماني الأضلاع ، طوله 32.5 بوصة على المحور الطولي، بما في ذلك نظام الفصل، وأبعاده 21.2 × 21.2 بوصة في المقطع العرضي. تُثبّت آلية النشر على الوجه السالب للمحور السيني، بينما يُخصّص الوجه الموجب للمحور السيني للتجارب الخارجية. من إجمالي 38 بوصة على طول المحور السيني المسموح بها في غلاف ESPA ، يُخصّص من 2 إلى 4 بوصات لآلية النشر (شريط ضوئي آلي بطول 15 بوصة من إنتاج شركة Planetary Systems)، ومن 4 إلى 6 بوصات للتجارب الخارجية. يبلغ طول الهيكل 30 بوصة. جميع جوانب المركبة الثمانية مغطاة بخلايا شمسية لزيادة الطاقة المتاحة إلى أقصى حد. تُثبّت ثمانية هوائيات ثنائية القطب على الوجوه الأربعة للمركبة، والتي تُشكّل زوايا غلاف ESPA، وبالتالي تقع داخله بدلاً من أن تتطابق مع سطحه. أما الجوانب المتبقية، فتُزوّد ​​بفتحات قابلة للإزالة قبل الإطلاق لرفع المركبة ونقلها أثناء الدعم الأرضي.

يحتوي القمر الصناعي MidSTAR-1 على ثلاثة أرفف داخلية توفر مساحةً لتركيب المكونات والحمولات. وتُحدد مواقع هذه الأرفف بناءً على أبعاد الحمولات والمكونات. ويمكن تعديل هذه المواقع في الإصدارات المستقبلية من نموذج MidSTAR، إذا لزم الأمر، شريطة أن يظل الهيكل ضمن متطلبات مركز الثقل . ويتكون الهيكل الحامل للأحمال، ذو الشكل الثماني، من سطحين علوي وسفلي، متصلين عند الزوايا الثمانية بواسطة دعامات طولية. أما الألواح الجانبية للمركبة الفضائية فهي ألواح ألومنيوم بسماكة 1/8 بوصة، مثبتة على الدعامات الطولية بمسامير رقم 10 .

تتمثل مهمة نظام التحكم ومعالجة البيانات (C&DH) في استقبال الأوامر وتنفيذها، وجمع بيانات الصيانة وتخزينها ونقلها، ودعم الحمولات الموجودة على متن القمر الصناعي. صُمم حاسوب الطيران للتحكم في القمر الصناعي وإدارة بيانات القياس عن بُعد وبيانات التجارب لمدة لا تقل عن سنتين.

يتألف نظام C&DH من حاسوب لوحي أحادي اللوحة MIP405-3X مُعدّل خصيصًا، ويشمل: (1)  معالج PowerPC بسرعة 133 ميجاهرتز؛ (2) ذاكرة ECC بسعة 128 ميجابايت ؛ (3) أربعة منافذ تسلسلية غير متزامنة RS-232؛ (4) منفذ إيثرنت واحد؛ (5) ناقل PC/104؛ (6) ناقل PC/104+؛ و(7) قرص مدمج 202-D384-X يوفر 384 ميجابايت من مساحة التخزين الثانوية. يدعم لوحة الحاسوب بطاقة تسلسلية متزامنة ESCC-104 مزودة بمنفذين تسلسليين متزامنين، وبطاقة توسعة تسلسلية EMM-8M-XT مزودة بثمانية منافذ تسلسلية غير متزامنة RS-232 /422/485 وثماني قنوات إدخال/إخراج رقمية. كما توفر لوحة جمع البيانات I0485 المُعدّلة 22 قناة قياس عن بُعد تناظرية و32 قناة إدخال/إخراج رقمية.

استند قرار استخدام لوحة MIP405 المبنية على معالج PowerPC بدلاً من لوحة x86 إلى انخفاض استهلاك الطاقة للوحة، بالإضافة إلى مجموعة الميزات التي توفرها. وقد اقتصر الاختيار على معالجات x86 وPowerPC و ARM نظرًا لقرار البرنامج باستخدام نظام التشغيل لينكس. تدمج لوحة MIP405 منافذ إيثرنت، ومنافذ تسلسلية، وواجهة قرص مدمج (Disk-on-Chip) على لوحة واحدة، مع توفير ذاكرة ECC بسعة 128 ميجابايت ومعالج قوي باستهلاك طاقة أقل من 2 واط. أما أقرب نظام x86 بميزات مماثلة فقد استهلك 5 واط من الطاقة.

تم اختيار قرص M-Systems المدمج على شريحة لأنه كان المعيار الفعلي لاستبدال القرص الصلب التقليدي بذاكرة فلاش. وقد تم اختيار ذاكرة الفلاش بدلاً من القرص الصلب التقليدي لزيادة الموثوقية وتقليل استهلاك الطاقة. تم اختيار نسخة 384 ميجابايت لتوفير مساحة التخزين اللازمة لنظام التشغيل مع الحفاظ على هامش أمان كافٍ.

تم اختيار لوحة Diamond Systems Emerald-MM-8 للوحة التسلسلية غير المتزامنة بناءً على مرونتها المتأصلة حيث يمكن تهيئة أي من المنافذ الثمانية كـ RS-232 أو RS-422 أو RS-485.

تم اختيار لوحة RMV IO485 لاكتساب البيانات والتحكم لنظام القياس عن بُعد الموزع نظرًا لدعمها المدمج لتقنية التوصيل المتسلسل (Daisy Chain) وقدرتها على التعامل مع عدد كبير من اللوحات. وتُعدّ قابلية التوسعة المتكاملة أساسيةً لمعالجة مشكلات القياس عن بُعد المستقبلية في الإصدارات اللاحقة من سلسلة MidSTAR.

يستخدم مركز C&DH نظام التشغيل لينكس بنواة من سلسلة 2.4. ولإنشاء بنية برمجية مفتوحة، تم اختيار حزمة بروتوكولات الإنترنت (IP) لتوفير الاتصالات بين العمليات، وداخل القمر الصناعي، وبين القمر الصناعي والمحطات الأرضية. وقد أتاح ذلك دمج البرامج التي تم إنشاؤها في مرافق مختلفة وعلى أجهزة مختلفة بأقل قدر من الصعوبة.

تستخدم جميع الاتصالات الداخلية والخارجية بروتوكولات الإنترنت. يُستخدم بروتوكول TCP لجميع الاتصالات الداخلية عبر الأقمار الصناعية؛ بينما يُستخدم بروتوكول UDP أو MDP في وصلة الإرسال ووصلة الاستقبال.

• برنامج USNA MidSTAR
• يصف موقع eoPortal القمر الصناعي MidSTAR-1