Integrazione di un sottosistema di comunicazione per nanosatellite tollerante ai guasti

Da qualche anno l’interesse industriale e accademico nello spazio è in rapida crescita.
L’avionica per satelliti è un mercato in espansione, soprattutto grazie alla disponibilità
di vettori a basso costo di lancio. Tale riduzione dei costi ha attivato molte istituzioni
(grandi industrie, ma anche università) per sviluppare i loro satelliti.
Anche il Politecnico di Torino ha sviluppato un suo satellite di nome PiCPoT
(Piccolo Cubo del Politecnico di Torino), a forma cubica con lato di circa 12 cm, che
aveva come scopi principali il test sul funzionamento dei componenti commerciali
(COTS) in ambito spaziale e l’acquisizione di immagini e parametri dell’ambiente
spaziale. Oltre ad obiettivi di tipo tecnico-scientifico, la realizzazione di questo
satellite aveva anche il compito di accomunare molti dipartimenti del Politecnico di
Torino nella progettazione dei moduli che compongono il satellite coinvolgendo
docenti, ricercatori, studenti e dottorandi. Con l’esperienza maturata durante la
progettazione del satellite PiCPoT si sono poste le basi per un secondo progetto,
ancora in fase di sviluppo, il satellite AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti).
Con il progetto di quest’ultimo, sono stati definiti dei moduli standard compatibili
meccanicamente ed elettronicamente tra loro, che possono essere ‘assemblati’ nelle
quantità e nelle modalità richieste dalla singola missione, determinando un
abbattimento dei costi di progettazione e sviluppo non indifferente. L’obiettivo
principale era di valutare la possibilità di utilizzare componenti commerciali COTS in
un progetto spaziale al fine di ridurre notevolmente i costi.
Il satellite AraMiS sarà composto da due tipi di moduli standard (o tiles):
• Power Management tile:Questi moduli si occupano di ricavare
dall’energia solare l’energia elettrica necessaria per ricaricare le batterie
tampone, di generare le alimentazioni per la circuiteria di bordo, di
rilevare i latch-up e di fornire (assieme ad altri moduli di Power
Management) l’assetto desiderato al satellite. I moduli di Power
Management saranno montati sull’esterno del satellite in quanto su di essi
risiedono i pannelli solari utilizzati per ricavare energia elettrica, inoltre
fungono anche da struttura portante per il satellite. Grazie alla loro
architettura è possibile decidere, in base allo stato di carica delle batterie e
alla loro temperatura, quale batteria ricaricare e con quale pannello
ricaricarla (solo i pannelli illuminati dal sole forniscono energia elettrica),
infatti i moduli di Power Management sono progettati per interagire tra di
loro tramite dei bus dati e di potenza. Sfruttando la presenza di più moduli
di Power Management il satellite è in grado di ruotare in ogni direzione,
utilizzando gli attuatori d’assetto (solenoidi e ruote d’inerzia). Ogni
modulo comunica anche con il computer centrale (On Board Computer,
OBC) per ricevere comandi sulla gestione dei sottosistemi o per
trasmettere i dati di telemetria misurati localmente.
II
• Telecommunication tile:Questi moduli rendono possibile la comunicazione
bidirezionale fra satellite e stazione di terra tramite due distinti canali di
comunicazione. Un canale di comunicazione operante alla frequenza di
437MHz è stato pensato per permetterne l’utilizzo ai radioamatori che
possono ricevere il beacon del satellite, mentre il secondo opera alla
frequenza di 2,4GHz . La comunicazione è gestita da un microcontrollore a
bordo di questo modulo che si occupa della gestione del protocollo di
comunicazione, ma anche di interpretare i comandi di assetto provenienti
dalla stazione di terra in modo da fornire ai singoli moduli di Power
Management il comando relativo all’assetto che devono generare. Inoltre
interagisce con le Power Management Tile attraverso l’invio di comandi di
controllo e la ricezione dei dati di telemetria.
L’architettura è quindi altamente integrata, nonostante sia composta da moduli
separati, e tutti gli scambi di informazione tra i diversi elementi del satellite
avvengono per mezzo dell’On-Board Data Bus, il sottosistema trattato in questa tesi.
Il lavoro è iniziato studiando la documentazione di tesi precedenti che trattavano il
sottosistema di comunicazione tollerante ai guasti. Nella prima parte sono stati
analizzati i principali bus di comunicazione, in particolar modo quelli tolleranti ai
guasti tipo il bus automotive e lo SpaceWire, il bus standard per applicazioni
aerospaziali. Il passo successivo è stato studiare l’interfaccia per la trasmissione e la
ricezione di dati e segnali da parte dei microcontrollori al bus e quindi l’analisi e la
revisione della scheda della precedente tesi che conteneva 6 interfacce collegate
insieme.
Avendo Aramis molti moduli il compito principale è quello di progettare
l’interfaccia tra il processore contenuto in ognuno di questi moduli e la comunicazione
con il canale. L’interfaccia è divisa in 3 parti in base alle loro funzioni. Si tratta di un
trasmettitore, un ricevitore e la parte di accoppiamento.
Per la parte di trasmissione, viene usato un transistor NMOS, il segnale di ingresso
proveniente dal microcontrollore attraversa il Gate del MOS, questo genera una
corrente variabile nel percorso del Drain del MOS che scorre attraverso il lato
primario del trasformatore e induce un segnale in tensione al lato secondario.
Per la parte di ricezione, viene usato un comparatore, il segnale di tensione
proveniente dal bus sul secondario del trasformatore induce un segnale di tensione sul
primario, poi l’amplificatore operazionale riceve il segnale dal trasformatore come
input quindi genera un segnale di tensione in uscita che arriva al microcontrollore.
La parte di accoppiamento magnetico avviene tramite un trasformatore d’impulso
che garantisce isolamento galvanico e permette l’uso della codifica RZI utilizzata nel
protocollo IRDA tramite l’uso di segnali impulsivi.
Successivamente, si è passati alla realizzazione delle singole schede di interfaccia,
prima realizzando lo schematico e poi sviluppando il PCB con il programma
III
Expedition della Menthor Graphics. Finito il montaggio dei componenti delle
schedine sono stati fatti dei test elettrici di prova per verificarne l’effettivo
funzionamento. Il test consisteva nel trasmettere un onda rettangolare con duty cycle
del 10 % su un modulino e verificare l’effettiva ricezione sugli altri. In seguito è stata
fatta la prova di tolleranza ai guasti verificando il funzionamento con diversi tipi di
guasti provocati sul bus differenziale, come ad esempio l’interruzione o il cortocircuito
di un filo.
La seconda parte si è sviluppata analizzando una scheda ibrida millefori
contenente 4 connettori per microcontrollori e adattandola con vari collegamenti alle
interfacce. Questo è stato fatto montando un connettore unico al quale sono collegati i
pin di Tx e Rx della Uart dei 4 microcontrollori MSP430 della Texas Instruments ed i
relativi segnali di alimentazione. Grazie a questi collegamenti e alle relative interfacce
è possibile far comunicare fra loro le 4 unità.
Nella terza parte è stato analizzato ed adattato il codice C che permette la
comunicazione tra i microcontrollori attraverso il protocollo di comunicazione
utilizzando una struttura single-master.
Il primo esempio di comunicazione è stata la trasmissione di un byte da un unità
ad un’altra. La seconda prova consisteva in una comunicazione bidirezionale sempre
tramite la ricezione e ritrasmissione di un byte. L’ultima prova è stata la
comunicazione bidirezionale in loop tra 2 unità sia in condizioni normali, sia in
presenza di guasti provocati sul bus.
Il lavoro è suddiviso nei seguenti capitoli:

Capitolo 1: introduzione e descrizione del progetto Aramis;

Capitolo 2: descrizione degli standard esistenti di comunicazione in ambiente
aerospaziale;

Capitolo 3: descrizione dell’interfaccia di comunicazione bus in Aramis con
il processore;

Capitolo 4: realizzazione e collaudo del prototipo e test sulla comunicazione;

Capitolo 5: conclusioni.