Satellite modulare: monitoraggio e telemetria per la gestione dell’energia

Il progetto AraMiS (ARchitetture Modulari per Satelliti) nasce nel dicembre del 2006, sul-
la base dell’esperienza maturata con il progetto PIccolo Cubo del Politecnico di Torino
(PiCPoT). PiCPoT e stato il primo nanosatellite universitario del Politecnico di Torino,
sviluppato coinvolgendo diversi dipartimenti e con alto valore didattico, in quanto realiz-
zato direttamente dagli studenti. Aveva la forma di un piccolo cubo, di cui cinque facce
ricoperte da pannelli solari e la sesta predisposta per le telecomunicazioni, ed era composto
da schede sviluppate ad hoc per la missione da svolgere. Proprio in quest’ultima peculia-
rita risiedeva uno dei punti deboli di PiCPoT. La scarsa riusabilita del progetto PiCPoTe
le varie dicolta che sono state riscontrate durante la fase di integrazione, nella quale puo
essere necessario smontare e rimontare piu volte il satellite
La caratteristica chiave del progetto AraMiS e la modularita, grazie alla quale si mira
ad elimanare i difetti sopraesposti. Il progetto non e orientato alla missione da svolge-
re, ma alla denizione di una architettura e alcuni moduli standard, tra loro compatibili
e cooperanti. Ogni modulo ricopre dei ruoli specici ed e completamente indipendente,
tuttavia alcuni di essi se connessi ad altri moduli dello stesso tipo possono aumentare le
prestazioni complessive del sistema. Come detto i vari moduli non sono mission-oriented
ma task-oriented, percio quando lo standard e i moduli saranno pronti potranno essere
utilizzati in molteplici missioni, anche con payload molto diversi. L’utilizzo di componenti
Components O-The Shelf (COTS) e l’ammortizzamento dei costi di progettazione sulle
varie missioni che AraMiS potra arontare, donano al progetto caratteristiche fortemente
low-cost, rendendolo appetibile anche a enti ed organizzazioni che precedentemente non
avevano possibilita di accesso allo spazio, a causa dei costi elevati.
Il progetto AraMiS nasce nell’ottica di sviluppare nano e pico satelliti, aventi una massa
complessiva inferiore a 10 kg e orbitanti in Low Earth Orbit(LEO, circa 500km). I moduli
hanno dimensioni standard, di circa 16 cm, alcuni saranno montati all’interno ed altri
all’esterno. I moduli esterni fungono anche da struttura portante tranne nel caso in cui il
peso complessivo del satellite sia eccessivo. La comunicazione tra i vari moduli e garantita
da un bus seriale il quale dovra avere forti caratteristiche fault-tolerant.
I moduli di cui e composto il progetto AraMiS sono:
Power Supply : montato sull’esterno del satellite, il suo compito principale e generare
elettricita, immagazzinarla in batterie presenti a bordo e scambiarla con altri moduli
Power Supply nel caso in cui questi siano in ombra. Su questo modulo verrano inoltre
montati i dispositivi atti al controllo d’assetto del satellite. Ogni modulo Power
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Supply garantisce il controllo su uno degli assi del satellite, e necessario montare tre
moduli su tre assi indipendenti per garantire la completa governabilita del satellite.
Poiche un satellite sara composto da piu moduli Power Supply, e automaticamente
garantita una forte ridondanza poiche ogni modulo, seppur in grado di collaborare,
e completamente autonomo.
Tx-Rx : il modulo consente la comunicazione con la stazione terrestre, sia in up-link
che in down-link. Entrambe le direzioni sono servite da due canali, aventi frequenza
diversa. L’uno operante a 437MHz, puo essere utilizzato dai radioamatori di tutto
il mondo per ascoltare il beacon del satellite e aiutare l’ateneo nella localizzazione.
L’altro canale a 2;4 GHz dotato di prestazioni piu avanzate. Un micro-controllore a
bordo di questa scheda si occupa del trattamento dei dati secondo il protocollo previsto
e li invia/riceve sul bus seriale del satellite.
On Board Computer : il modulo contiene un processore in grado di coordinare il fun-
zionamento dell’intero satellite. I calcoli relativi all’assetto vengono qui eetuati e
i comandi ricevuti da Terra interpretati. Tramite bus seriale l’OBC comunica con
gli altri moduli e trasmette i dati alla Tx-Rx. Esso dispone inoltre delle funzionalita
atte ad accogliere i payload meno complessi.
In questa tesi si e sviluppato il modulo Power Supply. Il lavoro e cominciato documen-
tandosi sui satelliti universitari esistenti ed analizzando il progetto PiCPoT. In questa fase
sono anche stati analizzati i vincoli ambientali al quale il modulo e sottoposto e ai quali
l’elettronica deve sottostare: vuoto, vibrazioni e temperatura sono solo alcuni dei problemi
arontati nel progetto. Le radiazioni, prodotte dal Sole o provenienti dallo spazio profon-
do, possono interagire con i semiconduttori drogati, creando eetti noti come SEU (Single
Event Up-set) e SEL (Single Event Latch-Up), che possono portare alla perdita di dati o
alla distruzione dei dispositivi. Per mitigare questi eetti sono stati progettati e testati
appositi circuiti anti Latch-Up.
Sono state succesivamente analizzate varie architetture per condividere l’energia tra i
moduli Power Supply, considerando l’idea di collegamenti dedicati tra moduli o la realiz-
zazione di un bus di potenza sul quale riversare l’energia in eccesso. Dopo questo studio
iniziale si e proceduto con la progettazione e realizzazione di un prototipo di Power Supply
basato sull’architettura di base. Il prototipo e dotato di uno switching boost isteretico, atto
a mantenere il punto di massima ecienza dei pannelli solari, al GaAs aventi un’ecien-
za del 26%, ed in grado di elevarne la tensione al ne di caricare due celle di batterie al
litio poste in serie. Attulmente la potenza massima stimata, per modulo, e di 3W
Il punto di lavoro dei pannelli solari e impostato da un circuito analogico in maniera
opprossimativa ed il micro-controllore di bordo puo spostarlo secondo algoritmi piu so-
sticati ma non ancora implementati. La carica della batteria e supervisionata dal micro-
controllore, il quale interrompe il processo se la batteria e carica o se la temperatura di
questa e troppo elevata. Nel prototipo realizzato la carica viene interrotta bloccando lo
switching boost mentre in futuro sara necessario progettare un resistore di shunt sul quale
inviare la potenza in eccesso, questo per prelevare sempre energia dai pannelli solari, il
che abbassa la loro temperatura.
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Il micro-controllore, un MSP430 della Texas Instrument, e dotato di un ADC inte-
grato attraverso il quale acquisisce sette diversi parametri del prototipo per i quali so-
no stati collaudati e testati appositi circuiti di condizionamento. Si e innie utilizzata
l’interfaccia UART per simulare il bus di bordo inviando i dati di telemetria raccolti e
contemporaneamente consentire il debug del software tramite PC.
Si e descritto il software tramite UML e lo si e realizzato. Il prototipo e stato collau-
do e risulta funzionante. L’intero lavoro e stato eseguito collaborando con altri tesisti,
dottorandi e personale del Politecnico sviluppando la capacita del candidato al lavoro di
squadra.
Il seguente elaborato e organizzato come segue:
capitolo 4.1 descrive il progetto AraMiS e l’ambiente spaziale in cui opera;
capitolo 2 vengono analizzate pregi e difetti delle possibili architetture per il modulo
Power Supply. E
presentato il modello UML del software che gestisce la telemetria;
capitolo 3 descrive le speciche del prototipo di Power Supply sviluppato;
capitolo 4 descrive il progetto del prototipo di Power Supply;
capitolo 5 riporta le misure svolte sul prototipo realizzato;
capitolo 6 riporta le conclusioni della tesi;
appendici riporta gli schemi elettrici e il software nale del prototipo realizzato.