Progetto e realizzazione degli apparati di sviluppo, collaudo ed integrazione del satellite PiCPoT

PiCPoT è il nome del primo satellite progettato e realizzato dal Politecnico di Torino.
La sua realizzazione ha coinvolto molti professori, ricercatori e studenti di diversi
dipartimenti dell’ateneo durante il periodo che va da gennaio 2004 a luglio 2007. Il
primo lancio del satellite è avvenuto il 26 luglio 2006 dalla base russa di Baikonur
(KAZ) su un razzo vettore Dnepr-LV, di derivazione militare. L’orbita prevista doveva
essere una LEO (Low Earth Orbit) con altitudine compresa tra 600 ed 800 Km per
garantire un deorbitamento autonomo a causa della resistenza aerodinamica dovuta
agli strati alti dell’atmosfera. Il lancio purtroppo è fallito a causa di un problema
idraulico sul razzo vettore.
Il satellite ha la forma di un cubo con lato di 13 cm, ricoperto su cinque facce da
pannelli solari, fonte primaria di energia del sistema. Sulla sesta faccia sono installate
due antenne per le comunicazioni con la terra: una per la trasmissione a 437 MHz,
l’altra per i 2,4 GHz. All’interno sono presenti sei schede di controllo, tre fotocamere
con differenti distanze focali, sei batterie multi-cella per immagazzinare l’energia da
utilizzare nei periodi di eclissi ed una ruota d’inerzia comandata da un motore che
consente il controllo attivo da terra del moto di rotazione attorno all’asse del satellite.
Ogni scheda è caratterizzata da una struttura ridondante al fine di garantirne il
funzionamento anche in presenza di guasti.
Le funzioni del satellite sono suddivise tra le varie schede come segue:
PowerSupply
Ha il compito di caricare le batterie utilizzando i pannelli solari mentre la selezione
della batteria da caricare è affidata ai due processori di bordo. Si occupa anche del
condizionamento dei segnali analogici provenienti dai sensori di bordo.
PowerSwitch
Si occupa di generare le diverse tensioni di alimentazione per i sottosistemi del satellite
ricevendo energia dalle batterie. Su questa scheda sono inoltre presenti due
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microcontrollori che si occupano di attivare i processori di bordo e contare gli
interventi dei sistemi anti-latch-up.
ProcA e ProcB
Le due schede fungono da processori di bordo e sono sostanzialmente simili nelle
funzioni, ma differenti nelle soluzioni realizzative. Le principali operazioni da esse
svolte sono: l’acquisizione dei dati dai sensori di bordo, la creazione dei pacchetti di
telemetria, la gestione della carica delle batterie ed il controllo della scheda Payload.
La scheda ProcB si occupa inoltre del controllo del motore elettrico connesso alla
ruota d’inerzia; questa funzione differenzia le due schede.
PayLoad
Compito della scheda è la gestione delle fotografie che vengono scattate utilizzando le
tre fotocamere. Inoltre la scheda si occupa della compressione delle immagini in
formato JPEG e della loro trasmissione ai processori di bordo che provvederanno ad
inviarle a terra.
TxRx
Ha il compito di far comunicare il satellite con la stazione di terra. Sono previsti due
canali di comunicazione half-duplex su bande amatoriali: 437 MHz per la scheda
ProcA e 2,4 GHz per la scheda ProcB.
Contributi personali
Il lavoro di tesi è iniziato con lo studio dell’architettura del satellite per capire quali
fossero gli apparati esterni necessari durante le fasi di sviluppo, collaudo ed
integrazione dello stesso.
In un primo momento sono risultati necessari due strumenti, un caricabatterie ed una
stazione di terra portatile. In una seconda fase, quando si è assemblato il satellite si è
reso necessario costruire una scheda di interfaccia per consentire la programmazione
dei processori a satellite assemblato.
Le funzioni di questi tre apparati sono le seguenti:
Caricabatterie
Si occupa di caricare i sei gruppi di batterie installati a bordo di PiCPoT tramite il
connettore di test. Procede alla carica rispettando appieno le specifiche degli
accumulatori in modo da usurarli il meno possibile. E’ stato utilizzato durante la fase di
sviluppo e collaudo, ma soprattutto durante la fase di integrazione a bordo del
lanciatore.
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Scheda di interfaccia
Permette di effettuare la programmazione dei processori di bordo senza dover smontare
le schede. La sua realizzazione si è resa necessaria a causa dell’incompatibilità dei
processori utilizzati ad essere programmati in catena. Oltre alla realizzazione della
scheda è stato necessario apportare alcune piccole modifiche alle schede del satellite,
installando cavi di collegamento tra i processori e l’esterno del satellite. Questi
collegamenti vengono rimossi a collaudi ultimati.
Stazione di terra portatile
Consente di comunicare con il satellite a breve distanza, ha funzioni ridotte rispetto
alla stazione di terra vera e propria, ma si è rivelata utilissima sia in fase di sviluppo e
collaudo sia durante l’integrazione sul lanciatore. Infatti la stazione di terra vera e
propria non era utilizzabile mentre si procedeva, mentre era necessario effettuare
alcune prove di trasmissione a breve distanza poco prima del lancio per accertarsi del
corretto funzionamento di tutti i sistemi.
La realizzazione di questi apparati ha comportato la risoluzione di differenti problemi
di interfaccia e lo studio di sistemi in grado di collegarsi al satellite modificando il
meno possibile l’architettura dello stesso. Ciò ha ovviamente condizionato gli schemi
circuitali degli stessi, rendendone, in alcuni casi, più complessa la realizzazione.
Lavorare col team PiCPoT è stata un’ esperienza formativa esaltante e stimolante che
mi ha permesso di apprendere come viene affrontata la realizzazione di un progetto
così complesso oltre ad accrescere le mie conoscenze in questo settore della ricerca.
La struttura di questa dissertazione è la seguente:
Capitolo 1: descrive il progetto nel suo insieme, la sua struttura ed i vincoli
ambientali a cui sarà sottoposto.
Capitolo 2: descrive il lavoro di tesi nel suo insieme, introducendo le problematiche
da affrontare.
Capitolo 3: descrive la struttura del caricabatterie, gli schemi circuitali e le
motivazioni che hanno portato alle scelte realizzative.
Capitolo 4: descrive il programma di controllo del caricabatterie, gli algoritmi
utilizzati, le specifiche che hanno influito sulle scelte realizzative e
l’interfaccia grafica per l’utente.
Capitolo 5: descrive gli schemi di realizzazione e collegamento della scheda di
interfaccia per la programmazione del satellite.
Capitolo 6: descrive gli schemi elettrici della stazione di terra portatile.
Capitolo 7: è dedicato alle conclusioni.
Appendice A: schemi elettrici.
Appendice B: fogli tecnici dei principali componenti utilizzati.
Appendice C: listato del programma di controllo del caricabatterie