Satellite modulare: gestione dei pannelli solari e carica delle batterie

Il progetto ARaMiS nasce nel dicembre del 2006, sulla base dell’esperienza maturata
con il progetto PiCPoT. PiCPoT e il primo nanosatellite universitario del Politecnico
di Torino, ha la forma di un piccolo cubo ed e composto da schede sviluppate ad hoc
per la missione da svolgere. Proprio in quest’ultima peculiarita risiede uno dei punti
deboli di PiCPoT: la scarsa riusabilita del progetto e le varie dicolta riscontrate
durante la fase di integrazione.
La caratteristica chiave del progetto ARaMiS e la modularita, grazie alla quale si
mira ad eliminare i difetti sopra esposti. Il progetto non e orientato alla missione da
svolgere, ma alla denizione di alcuni moduli standard, tra loro compatibili e coope-
ranti. Ogni modulo ricopre dei ruoli specici ed e completamente indipendente, ma
puo essere connesso ad altri moduli dello stesso tipo o di tipo diverso per aumentare
le prestazioni complessive del sistema. Quando lo standard e i moduli saranno pron-
ti, essi potranno essere utilizzati in molteplici missioni, anche con payload molto
diversi. L’utilizzo di componenti COTS (Commercial O-The-Shelf) e l’ammorta-
mento dei costi di progettazione sulle varie missioni che il sistema ARaMiS potra
arontare, donano al progetto caratteristiche fortemente low-cost, rendendolo acces-
sibile anche ad enti e organizzazioni che precedentemente non avevano possibilita di
accesso allo spazio.
Il progetto ARaMiS prevede lo sviluppo di nano e pico satelliti, orbitanti in LEO
(Low Earth Orbit), ossia ad una distanza da terra compresa tra i 500 e gli 800 km.
I moduli hanno dimensioni standard, alcuni formano le facce esterne e altri sono
montati all’interno. La comunicazione tra i vari moduli e garantita da un bus seriale.
I moduli di cui e composto il progetto ARaMiS sono:
Power Supply: montato sull’esterno del satellite. Ciascun modulo puo generare
energia utilizzando dei pannelli solari al GaAs aventi un’ecienza del 26% ed
immagazzinarla nella batteria a ioni di litio. Attualmente la massima potenza
generabile stimata, per modulo, e di 6;4W. I moduli Power Supply sono inoltre
in grado di scambiare tra loro l’energia generata dai pannelli solari, per carica-
re anche batterie presenti sui moduli momentaneamente in ombra. I pannelli
solari sono collocati all’esterno del modulo e rivolti verso lo spazio, mentre
II
sulla faccia interna di ogni modulo trovano spazio la batteria, il circuito stam-
pato e, per realizzare il controllo d’assetto, un piccolo motore elettrico e un
magnetorquer, cioe un solenoide che alimentato genera un campo magnetico.
Un micro-controllore supervisiona tutti i processi, anche in base ai comandi
ricevuti dall’OBC (On Board Computer) tramite bus seriale. Ulteriore compi-
to del micro-controllore e quello di misurare e memorizzare alcuni parametri
del modulo e inviarli all’OBC. Poiche un satellite sara composto da piu moduli
Power Supply, e automaticamente garantita una forte ridondanza.
Tx-Rx: il modulo consente la comunicazione con la stazione terrestre, sia in tra-
smissione che in ricezione. Entrambe le direzioni sono servite da due canali
aventi frequenza diversa: l’uno opera a 437MHz, l’altro a 2;4 GHz. 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: questo modulo contiene un processore in grado di coordi-
nare il funzionamento dell’intero satellite. In questo modulo vengono eettuati
i calcoli relativi all’assetto e interpretati i comandi ricevuti da Terra. Tramite
bus seriale l’OBC comunica con gli altri moduli e trasmette i dati alla TxRx.
In questa tesi si e sviluppato il modulo Power Supply. Il lavoro e cominciato do-
cumentandosi sui satelliti universitari esistenti e analizzando il progetto PiCPoT. In
questa fase sono anche stati analizzati i vincoli ambientali ai quali il modulo e sot-
toposto: vuoto, vibrazioni e temperatura sono solo alcuni dei problemi arontati nel
progetto. Le radiazioni, prodotte dal Sole o provenienti dallo spazio profondo, pos-
sono 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 di protezione da Latch-Up.
Succesivamente sono state analizzate varie architetture possibili per la condivi-
sione dell’energia tra i moduli Power Supply. In questa fase sono state studiate
numerose ipotesi, di cui le principali sono:
 ipotesi 1: ogni modulo funziona autonomamente, senza scambiare energia
con gli altri;
 ipotesi 2: ogni modulo puo scambiare energia con i moduli adiacenti, tramite
collegamenti dedicati;
 ipotesi 3: ogni modulo puo scambiare energia con tutti gli altri moduli pre-
senti, grazie a uno o piu bus di potenza.
Per ogni ipotesi sono stati esaminati i pro e i contro e inne e stata selezionata
l’architettura che costituisce il miglior compromesso tra complessita e beneci. Essa
III
prevede che ogni modulo possa scambiare energia con tutti gli altri, grazie a due tipi
di bus di potenza, uno posto a valle dei pannelli solari e l’altro a valle delle batterie.
Dopo questa analisi iniziale si e proceduto con uno studio approfondito delle ca-
ratteristiche delle celle solari e delle batterie utilizzate, per essere in grado di sfrut-
tare questi componenti con la massima ecienza possibile. In particolare la carica
delle batterie costituisce un punto delicato e di grande importanza: essa si divide in
varie fasi e presenta speciche piuttosto stringenti, che devono essere rispettate per
evitare di ridurre il tempo di vita utile delle batterie e, di conseguenza, dell’intero
satellite.
A questo punto e iniziata la progettazione e realizzazione di un primo prototipo
di Power Supply basato sull’architettura di base. Il prototipo e dotato di uno swit-
ching boost isteretico, atto a far funzionare i pannelli solari nel punto di massima
ecienza e in grado di elevarne la tensione al ne di caricare due celle di batterie al
litio poste in serie. Il punto di lavoro dei pannelli solari e impostato da un circuito
analogico o dal micro-controllore di bordo. La carica della batteria e supervisionata
dal micro-controllore, un MSP430 della Texas Instrument, dotato di un ADC inte-
grato attraverso il quale e possibile acquisire sette diversi parametri del prototipo. Il
prototipo e stato collaudato e risulta funzionante.
In seguito sono state esaminate le criticita del sistema, emerse sia dal collaudo
del primo prototipo sia da un’analisi approfondita eettuata durante le riunioni del
gruppo che si occupa del progetto. In particolare, e risultato che la carica della batte-
ria, per i motivi esposti in precedenza, non puo essere adata alla sola supervisione
del micro-controllore; si e quindi deciso di esplorare lo spazio di progetto in due di-
rezioni: utilizzare un dispositivo commerciale oppure progettare un circuito ad hoc
in risposta alle esigenze del sistema.
Questa analisi e stata seguita dalla progettazione e realizzazione di un secondo
prototipo, volto a testare entrambi i metodi sopra illustrati nonche lo scambio di
energia tra piu schede identiche. A questo scopo, si e scelto di progettare una sche-
da contenente il solo regolatore switching, convenientemente modicato rispetto al
primo prototipo, piu i componenti strettamente necessari al suo funzionamento. Il
prototipo e in fase di collaudo.
Il seguente elaborato e organizzato come segue:
capitolo 1 descrive il progetto ARaMiS e l’ambiente spaziale in cui opera;
capitolo 2 vengono analizzati pregi e difetti delle possibili architetture per il modulo
Power Supply.
capitolo 3 descrive le speciche dei prototipi di Power Supply sviluppati;
capitolo 4 descrive il progetto dei prototipi di Power Supply, in particolare il secon-
do;
IV
capitolo 5 riporta le misure svolte sul secondo prototipo realizzato;
capitolo 6 riporta le conclusioni tratte dal lavoro.