Sun Sensor for nanosatelliltes

Negli ultimi anni, nel campo della progettazione di satelliti di ridotte dimensioni, si sta andando nella
realizzazione di uno standard CubeSat, con l’obiettivo di fornire la metodologia di base per la
realizzazione e lo sviluppo di picosatelliti. In tutto il mondo, diversi atenei, tra i quali il Politecnico di
Torino, hanno adottato o riadattato tale standard per lo sviluppo di un proprio satellite di piccole
dimensioni.
Il primo progetto intrapreso dal Politecnico, denominato PiCPoT (Piccolo Cubo del Politecnico di
Torino), prevedeva la realizzazione ed il lancio in orbita di un satellite di forma cubica di 13 cm di lato,
i cui elementi costituenti fossero progettati ad-hoc, con lo scopo di acquisire e trasmettere dati, scattare
fotografie e testare il funzionamento in ambiente spaziale di componenti COTS.
Il secondo progetto, AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti), attualmente in via di sviluppo presso
il Politecnico di Torino, costituisce la prosecuzione ed il miglioramento di PiCPoT.
L’ obiettivo è quello di realizzare un satellite modulare, di forma cubica (ma configurabile anche in
altre forme), nel quale ogni scheda elettronica sia allo stesso tempo progettabile in modo indipendente
dalle altre (consentendo una riduzione di costi e tempi di progettazione), esportabile in altri progetti (o
utilizzabile in diverse missioni), specializzata nell’esecuzione dei propri compiti, compatibile con gli
altri componenti, sostituibile e modificabile, senza che questo vada ad influire negativamente sul
funzionamento complessivo del satellite.
I due tipi principali di moduli standard (detti appunto tiles) che costituiscono AraMiS sono:
• Power Management Tile: ha la funzione di generare l’energia elettrica necessaria ad
alimentare i circuiti e a caricare le batterie, convertendo l’energia solare grazie ai pannelli
fotovoltaici presenti sulle facce esterne di AraMiS. Questi moduli costituiscono cinque delle sei
facce del cubo di base (AraMiS è configurabile anche combinando otto cubi assieme in un’unica
struttura, oppure sotto forma di prisma esagonale). Inoltre forniscono l’assetto al satellite,
mediante un controllo di assetto attivo costituito da una ruota d’inerzia, un solenoide, un
sensore di campo magnetico, un giroscopio e un motore brushless e montato sull’interno delle
facce del cubo.
• Telecommunication Tile: ha la funzione di mettere in comunicazione il satellite con la stazione
di Terra tramite due canali, alle frequenze di 437 MHz e 2.4 GHz, ed occupa una delle sei facce
del cubo di base. Inoltre, tale modulo ha il compito di interpretare i comandi di assetto ricevuti
da terra ed inviare ai singoli moduli di Power Management i comandi specifici per l’attuazione
di tale assetto.
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La tesi si inquadra in un contesto del genere abbracciando due specifici moduli che a loro volta,
rappresentano due sottosistemi utili nell’ acquisizione dell’ immagine e relativa memorizzazione della
stessa e cioè On Board Computer e Other Attitude Sensor. In realtà, l’ obiettivo prefissato non può
essere solo la realizzazione di un semplice sun sensor, ma in una visione del genere è quello di creare
due blocchi che servano dapprima a calcolare l’ assetto, ma nel contempo prelevare un’ immagine ( in
verità più di una) e renderla utile per i vari scopi che una foto può garantire. Inoltre, anche se si è
rimasti fedeli alla realizzazione del sensore di sole, non è detto che con le adeguate modifiche possa
essere utilizzato come sensore di stelle (sicuramente più preciso da quello target della tesi).
Finita la premessa, brevemente nel concreto il lavoro ha seguito i seguenti passi: si è partiti dall’
esaminare la realtà modulare di Aramis, si è capito dove e come si sarebbe inserito il blocco da
realizzare tenendo presente che le ipotesi da cui partire sarebbero state un processore abbastanza
veloce da gestire i dati, una memoria di dimensione tali da poter accogliere e immagazzinare i dati e
cosa più importante, in quel momento il vero e proprio sensore d’ immagine. Una volta ben chiaro il
funzionamento del tutto, si è passati alla scelta del sensore con relative caratteristiche come formato
colore, potenza, data rate e frequenza solo per citarne alcune e quindi allo stesso modo per il
processore. Quest’ ultimo non solo doveva rispondere alle esigenze dettate dall’ image sensor, ma nello
stesso tempo doveva rispettare il principio cardine di modularità del satellite e quindi cercare di essere
maggiormente flessibile nel momento in cui si sarebbe dovuto interfacciare con altri sottosistemi
“estranei” al mio. Definiti i vari componenti, si è passati infatti alla realizzazione hardware e software
con i tool messi a disposizione dalla Visual Paradigm International e da Mentor Graphics.
Importante per il sottosistema per la determinazione dell’assetto (OtherAttitude Sensor) Subsystem,
codice di progetto 1B23) è la rilevazione dell’ immagine che avverrà tramite l’ active imaging pixel
array del sensore e trasmessa tramite PPI (Parallel Peripheral Interface) all’ Imager Processor (On
Board Computer codice di progetto 1B42), che a sua volta gestirà questi dati andandoli ad
immagazzinare nella Sdram per poi utilizzarli per calcolare l’ assetto del satellite attraverso un
algoritmo contenuto nella Flash. Gli stessi dati potranno servire all’ OBC anche per altre applicazioni
non necessariamente connesse alla determinazione dell’ angolo del sole come può essere per un sensore
di stelle, ma in generale avvalendoci di ciò che viene richiesto secondo il preciso caso d’ uso possiamo
avere un’ acquisizione immediata o “ritardata” (in quanto il sistema non si trova nella situazione ideale
per scattare una foto) oppure ancora diverse immagini.
Visto che si sono citati i casi d’ uso, anche in virtù del concetto di modularità che sta alla base del
progetto AraMiS, è stato utilizzato il linguaggio di descrizione e modellizzazione visuale UML (Unified
Modeling Language) per sviluppare il progetto in esame e tutti gli altri progetti costituenti i diversi
sottoblocchi. Esso si basa su uno standard definito a metà degli anni ’90, ma in continua evoluzione, e
permette di documentare le specifiche del sistema mediante i Diagrammi dei Casi d’Uso, descrivere in
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forma visiva e completa gli elementi che ne fanno parte con i Diagrammi delle Classi, e illustrare il
flusso di eventi tramite cui è possibile concretizzarne le specifiche, grazie ai Diagrammi di Sequenza.
D’ altra parte, il progetto hardware della determinazione dell’ assetto del satellite si è basato sulla
struttura di un preesistente sistema analogo, quello del Payload nel satellite PicPot, i cui elementi sono
stati in piccola parte riutilizzati, ridimensionati e prevalentemente sostituiti, a seconda dei casi, in modo
da soddisfare le attuali specifiche, durante le diverse fasi di progettazione.
Il sistema può essere scomposto in due blocchi; il blocco principale costituito dal processore con la
memoria SDRAM che include tutta la parte di sensoristica per monitorare sia tensioni che correnti, l’
altro invece è composto dal singolo sensore con current sensor. In linea di massima, il CMOS sensor
acquisisce i frames con le sue tempistiche pre-programmate con il protocollo I2C e le invia all’ image
processor che si occupa di instradarle fino alla memoria; in un secondo momento, i dati possono essere
elaborati o semplicemente trasferiti sulla Flash integrata per essere disponibili per l’ utilizzo
desiderato.
Saranno lasciate come oggetto per ulteriori necessari sviluppi, le procedure di collaudo sul circuito
prototipale in quanto ci si è fermati fino alla realizzazione del PCB che accorpa i due blocchi, senza
procedere alle adeguate misurazioni. D’ altro canto, per quanto concerne il software, si è sviluppata
una semplice routine per l’ acquisizione ed elaborazione dell’ immagine con il compilatore messo a
disposizione dall’ Analog Devices, CrossCore Embedded Studio.