Obiective
Dezvoltarea satelitului Goliat a fost inițiată în anul 2005 în cadrul unui proiect național de cercetare într-un consorțiu cu mai mulți parteneri din domeniu (Institutul de Științe Spațiale, Universitatea din București, Universitatea Politehnica din București, Elprof S.A., CCSA Bitnet), consorțiu condus de Agenția Spațială Română. De la început s-a pus accentul pe obiectivele educaționale, de formare a unei echipe de cercetători, prin implicarea studenților de la cele două universități (UPB și UB).
Goliat a fost de la început proiectat să aparțină unei clase de sateliți cu dezvoltare relativ recentă raportată la istoria zborului spațial: nanosateliții (a căror masă este situată în domeniul 1-10 kg). Am optat pentru proiectarea și realizarea în conformitate cu standardul CubeSat, urmărind compatibilitatea cu adaptoarele de lansare existente (P-POD).
Obiectivele științifice ale misiunii sunt reprezentate de cele trei experimente integrate la bord: cameră digitală, detector de radiație și detector de micrometeoroizi. O egală importanță o au însă și obiectivele tehnologice de realizare a subsistemelor de bord și a părții de software, de validare a unor echipamente noi în spațiu, de realizare a infrastructurii de sol (echipamenet, personal, experiență).
Cerințe generale
Dezvoltarea satelitului a fost realizată pe baza unor cerințe inițiale impuse de obiectivele propuse și de standardul CubeSat. Prima dintre cerințele impuse este integrarea celor trei experimente științifice la bord. Aceasta impune la rândul său restricții, evidente fiind cele de volum și masă. Cerințele impuse de standard se regăsesc în Specificația de Proiectare a unui CubeSat (CubeSat Design Specification).
Pentru a grăbi dezvoltarea satelitului, am ales să pornim proiectarea de la CubeSat kit, un pachet comercial care conține structura externă a satelitului (fabricată din aluminiu), precum și modelul experimental alături de modelul de zbor al computerului de bord. Kitul implică la rândul său standardizarea modului de stivuire conform unui factor de formă compatibil cu specificația PC/104 și a magistralei de alimentare, semnale electrice și date într-o conexiune de 104 pini.
Subsisteme de bord
Filozofia de dezvoltare abordată este aceea de utilizare a componentelor comerciale disponibile – COTS (Commercial Off The Shelf components). Această abordarea are avantajul de a menține costurile totale reduse și de a scadea timpul în fazele de proiectare și realizare efectivă.
Sursă de alimentare cu energie electrică
La bordul satelitului Goliat energia electrică este asigurată de conversia fluxului de lumină prin intermediul celulelor fotovoltaice. 18 celule cu triplă joncțiune, având tensiunea în gol de 2,5 V și dimensiunile de 41 x 42 mm2 sunt dispuse pe cele 6 fețe laterale ale satelitului: 3 fețe cu câte 4 celule și 3 fețe cu câte 2 celule. Cum randamentul de conversie al celulelor se situează între 20 și 25%, energia disponibilă de la un panou cu 4 celule este de aproximtiv 2,2 W respectiv de 1,1 W de la un panou cu 2 celule. Î n timpul iluminării directe, acumulatorii de tip Li-Ion sunt încărcați pentru a asigura funcționarea satelitului atunci când acesta se află în elipsă.
Pentru alimentarea tuturor subsistemelor, pe magistrala principală sunt prezente tensiunile de 3,3 V, 5 V și tensiunea nestabilizată. Realizarea măsurătorilor pentru experimentul de detecție a micrometeoroizilor impune utilizarea unei surse cu zgomot redus pe linia de alimentare a satelitului. Din acest motiv, ambele linii de alimentare utilizează stabilizatoare liniare de tensiune. Cum tensiunea de 5 V este necesară pentru alimentarea subsistemelor am folosit acumulatori Li-Ion cu câte două celule cu tensiunea nominală de 3,7 V. Tensiunea nominală a acumulatorului este de 7,4 V și tensiunea maximă la încărcare este de 8,4 V. Având tensiunea fiecărui panou solar la maxim 5 V s-a impus utilizarea unei surse în comutație pentru încărcarea acumulatorilor.
Tensiunile de 3,3 V, 5 V și tensiunea nestabilizată a acumulatorului sunt prezente pe magistrala satelitului. Astfel este necesară prezența unei baterii care alimentează satelitul și a unei baterii secundare care se încarcă. Rolul celor două se schimbă în momentul desărcării sau încărcării a uneia dintre acestea. Ca alternativă, un circuit de rezervă poate alimenta stabilizatoarele de tensiune și circuitul final în momentul în care acumulatorii nu mai funcționează, sau când sunt ambii descărcați la ieșirea din eclipsă. Circuitul sursei este reprezentat în figura 1.
Pentru încărcarea acumulatorilor înainte de lansare, intrarea panourilor solare este conectată la tensiunea de 5 V asigurată de conexiunea USB utilizată pentru a diagnostica satelitul.
Radio
Comunicația cu satelitul se face utilizând două echipamente radio ce operează în banda de 2,4 GHz, respectiv banda de radioamatori de 70 cm.
Imaginile de la camera digitală necesită existența unei legături radio de viteză medie sau mare. Din acest motiv am decis integrarea la bordul satelitului a unui modul radio comercial care are experință de zbor la bordul sateliților de tip CubeSat: MHX2420. Modulul asigură o viteză de transfer a datelor de până la 115,2 kbps. Transmisia comenzilor și modificare softului de bord se face folosind tot această legătură.
Pentru baliza ce operează în banda de radioamatori am adaptat o stație portabilă Alinco DJ-C7. Din stație am reținut doar placa principală și circuitul de programare pe care le-am interfațat direct la un circuit de comandă care realizeză și modularea transmisiei. Am îndepărtat și unele componente care nu erau necesare și a fost reținut doar minimul necesar. Întregul ansamblu a fost integrat pe un cablaj imprimat cu suprafața de aproximativ 89 x 55 mm2 și masa de 36 g (fără antenă și cablu).
Emițătorul operează pe frevența de 437,485 MHz (coordonată de IARU) și transmite telemetrie în mod pachet și în mod CW. Ca modem am utilizat un circuit integrat FX614 interfațat cu un microprocesor din familia MSP430. Acesta din urmă asigură, pe lângă comanda modemului și a radioului, comunicația cu celelalte procesoare de la bordul satelitului.
Modemul compatibil Bell 202 transformă nivelurile logice de 0 și 1, primite la intrarea Tx, în tonuri de 2400 Hz și 1200 Hz. Ieșirea și intrarea audio a circuitului imprimat sunt conectate la ieșirea de boxe și la microfonul DJ-C7. Există deci și posibilitatea de recepție prin conversia inversă și citirea datelor ca niveluri logice la portul Rx. Modul de transmisie, selectat prin două intrări logice și viteza de transfer a datelor (1200 bps) sunt date de microprocesorul MSP430. Liniile de Tx și Rx sunt conectate tot la terminale generale de intrare/ieșire alături de comanda emisiei radio-emițătorului.
Programul de pe microprocesor transformă datele de telemetrie în pachete conform protocolului AX.25. Pentru emisia în mod CW microprocesorul ridică și menține nivelul logic 1 la terminalul Tx al modemului pentru a transmite constant tonul de 1200 Hz. Ieșirea către radio este modulată morse de către microprocesor la o viteză de aproximativ 20 de cuvinte pe minut. Din cauza energiei limitate disponibilă la bordul satelitului, puterea la emisie pentru baliză este de aproximativ 300 mW.
Determinarea și controlul atitudinii
În domeniul spațial termenul atitudinea satelitului se referă în principal la poziția pe orbită și orientarea la un anumit moment de timp. Integrarea unei camere digitale la bordul lui Goliat implică atât necesitatea determinării celor două mărimi, cât și controlul cel puțin asupra orientării.
Pentru determinarea poziției satelitul utilizează un modul GPS interfațat cu computerul de bord. În mod normal, un GPS comercial nu oferă date despre poziție și timp pentru altitudini mai mari de 18 km (din motive de securitate). Conform specificației însă, modulul utilizat pe GOLIAT poate da selectiv doar una dintre aceste mărimi, suficient pentru localizare. Utilizarea modulelor GPS la bordul nanosateliților nu are o rată de reușită foarte mare, deoarece procesarea datelor de la satelit trebuie să fie mult mai rapidă decât la nivelul solului, în principal datorită vitezei de schimbare a poziției (7 km/s) și vitezei de schimbare a sateliților GPS vizibili. De aceea unul dintre microprocesoarele de bord a fost programat cu un propagator de orbită, care determină poziția cu o acuratețe inferioară GPS. Acesta utilizează efemeridele în format TLE (two line elements) și, corelat, cu ceasul în timp real de la bordul satelitului, este folosit ca rezervă pentru GPS.
Pentru determinarea orientării satelitului în raport cu Pământul am integrat o busolă digitală ce conține un magnetometru triaxial și trei accelerometre. Valorile măsurate de magnetometru pe cele trei axe ale satelitului sunt citite pentru fiecare poziție. Un sub-program de estimarea a câmpului magnetic terestru rulează pe microprocesor și calculează pentru aceeași poziție valoarile prezise de modelul IGRF (International Geomagnetic Reference Model – model internațional de referință geomagnetic) pentru cele trei axe date de sistemul de referință legat de Pământ. Valorile estimate sunt comparate într-un alt algoritm cu valorile măsurate și este calculată orientarea satelitului față de sistemul de referință legat de Pământ.
Camera digitală este fixă față de satelit și întregul satelit se reorientează pentru a capta o imagine. Ca și actuatoare ale orientării sunt folosite două roți volante – mase sub formă de disc antrenate de micromotoare – care atunci când se rotesc într-un sens determină rotirea satelitului într-un sens contrar. O a treia volantă nu a putut fi integrată la bord din cauza restricțiilor de volum și masă.
Computer de bord
Computerul de bord este responsabil de funcționarea autonomă a satelitului după lansare. Din punct de vedere hardware, proiectul este bazat pe o arhitectură cu două microprocesoare principale identice. Primul procesor este integrat pe modelul de zbor al CubeSat kit. În etapa de proiectare a software-ului satelitului am constatat că puterea de procesare disponibilă cu un singur microprocesor era mult inferioară cerințelor sistemului. De aceea, un al doilea circuit de procesare a fost dezvoltat, în special pentru a rula funcțiile de determinare și control a atitudinii satelitului.
Pe lângă aceste două microprocesoare, diversele subsisteme de bord utilizează propriile circuite integrate pentru controlul funcțiilor intrinseci. Am implementat aceste procesoare pentru subsistemul baliză și subsistemul sursă de alimentare cu energie electrică. La rândul său, senzorul de preluare a imaginilor are un circuit propriu de procesare și comprimare a imaginilor. Stocarea datelor la bord se face pe un card de memorie SD accesat de toate subsistemele care necesită drept de scriere sau citire.
Pe lângă circuitul de alimentare, subsistemele de bord sunt interconectate între ele prin intermediul diverselor interfețe digitale și analogice: interfața SPI, interfețe seriale, interfețe logice generale, canale de conversie analogic-digital și digital-analogic. Figura 4 redă modurile de conectare de la bordul satelitului. În figură, FMCU este modulul de procesare inclus în CubeSat kit, iar AMCU este modulul secundar de procesare. Interfața camerei digitale se face direct cu FMCU prin intermediul conexiunii seriale, dar există posibilitatea interfațării directe prin intermediul conexiunii SPI (Serial Peripheral Interface).
La bordul satelitului, comunicațiile SPI se fac atât în mod de comenzi și schimb direct de informații cât și prin intermediul cardului de memorie. Fiecare microprocesor de pe magistrală scrie fișiere de stare pe cardul SD, acestea putând fi accesate de câtre celelalte.
Pentru a reduce probabilitatea unui defect general cauzat de existența unui singur punct vulnerabil, fiecare dintre procesoarele principale comandă direct câte unul dintre modulele radio, iar sursa de alimentare cu energie electrică funcționează independent. Procesoarele principale doar administrează subsistemele pornite în funcție de nivelul de energie electrică disponibilă la bord.
Validare, testare și analiză
Pentru lansare, satelitul a trebuit să fie testat într-o campanie de verificare. Primul din aceste teste s-a constituit în evaluarea capacității de a supraviețui șocurilor din timpul lansării.
Datorită caracterului experimental al primului zbor al rachetei, nivelurile șocurile mecanice au fost estimate conservativ la valori semnificativ mai mari decât pentru alte zboruri standard.Testele mecanice realizate au implicat realizarea vibrațiilor sinusoidale consecutiv pe trei axe. Domeniul de frecvențe urmărite a fost între 10 și 200 Hz iar valorile accelerație au ajuns până la 28 g. Testul următor a fost testul de vibrații aleatoare care a durat câte 2,5 minute pentru fiecare dintre cele trei axe. Pentru evaluarea rezistenței la șocuri mecanice de frecvență mare, am realizat o analiză bazată pe modelul CAD (Computer Aided Design – proiectare asistată de calculator) al satelitului care a validat integritatea la nivelurile cerute de ESA (Agenţia Spaţială Europeană). Cele trei verificări au fost făcute pentru nivelurile de calificare cu modelul de zbor. De asemenea, testele mecanice au fost repetate după integrarea în dispozitivul de lansare, dar la niveluri mai mici.
Buna funcționare a satelitului a trebuit verificată pentru condițiile de mediu specifice orbitei terestre: vid înaintat și temperaturi extreme. Testul, realizat într-o cameră termală a ESA a durat 4 zile și a presupus testarea satelitului operațional la o presiune mai mică de 10-5 mbari. În timpul a trei cicluri consecutive, temperatura exterioară a satelitului a fost variată până la -10 0C și +20 0C.
Validarea funcționării satelitului a fost urmată de integrarea satelitului în dispozitivul de lansare (P-POD) și atașarea acestuia pe capul rachetei lansatoare.
Recepție GOLIAT
Satelitul GOLIAT a fost lansat pe aceeași orbită împreună cu alți 6 CubeSat și cu un satelit mai mare (AlmaSat-1). Din cauza apropierii dintre aceștia, este practic imposibilă diferențierea între sateliții care au aceeași formă și aproximativ aceeași masă. De aceea, radarele NORAD au identificat obiectele lansării cu numele 2012-006#, unde # este o literă de la A la K, fără a corela literele cu numele sateliților. Obiectul A a fost identificat imediat ca fiind LARES, deoarece a fost lansat pe o orbită diferită, iar obiectul K este corpul rachetei purtătoare a cărui suprafață este mult superioară sateliților lansați și are o traiectorie rapid descendentă. Dintre ceilalți sateliți, doar AlmaSat-1 a fost identificat ca fiind obiectul B (este suficient diferit de un CubeSat pentru a rămâne în urmă datorită coeficientului balistic mai bun). Dintre CubeSați, estimările noastre de coeficient balistic au condus la concluzia că trebuie urmăriți ultimii doi sateliți din grup, obiectele J și H, foarte apropiate între ele, deoarece Goliat are masa cea mai mare pentru un volum aproape standard.
Datorită orbitei pe care este lansat, satelitul GOLIAT se află deasupra teritoriului României doar pentru intervale de timp de 5-15 minute și doar la anumite momente ale zilei. Pentru a viziona poziția actuală a satelitului puteți accesa pagina n2yo.com, unde se găsesc și intervalele trecerii pe deasupra locației fiecăruia (poziția curentă se bazează pe adresa IP curentă și nu funcționează corect dacă sunteți conectat prin intermediul unui server proxy).
Stația tipică de recepționare a balizei trebuie să conțină o antenă directivă, de preferat cu posibilitatea modificării orientării atât pentru azimut cât și pentru elevație. Un preamplificator este de asemena recomandat, mai ales dacă cablul până la receptor depășește 10-15 m. Satelitul emite pe frecvența de 437,485 MHz, dar, datorită efectului Doppler, aceasta variază între 437,495 și 437,475 MHz în timpul unei treceri. Pentru trecerile de elevație mare, viteza de schimbare a frecvenței este foarte mare. Este deci necesară ajustarea continuă a frecvenței de recepție pentru a păstra tonul fix pentru decodare. Ajustare se poate face și manual, dar cu o interfață CAT precizia este mai bună. Pentru recepție folosiți modul USB. Veți auzi transmisia AFSK și câmpurile morse repetându-se aproape fără pauză, dacă puterea la bordul satelitului permite operarea normală.
Dacă nu aveți un modem, puteți conecta ieșirea audio a radioului direct la intrarea de Microfon (mufa roz) sau Line In (mufa albastră) a plăcii de sunet. Astfel, la decodare, se poate folosi o aplicație TNC cum ar fi MixW, Digital Master 780 (care face parte din suita HRD), Fldigi, MMTY etc. Nu toate acestea pot decoda packete la 1200 bps și pentru a le decoda trebuie să avem un SNR bun la recepție. Până acum, nici la stația de sol nu am reușit decodarea pachetelor AFSK de la satelit, doar câmpurile Morse fiind citite. Ne așteptăm ca, atunci când satelitul își va reduce viteza de rotație în jurul propriului centru de masă, semnalul de la acesta să fie consistent pentru decodare.
Orbita satelitului este eliptică și altitudinea variază în funcție de sensul trecerii: trecerile S-N sunt mai aproape de perigeu (350 - 500 km), iar trecerile N-S au altitudini mai mari (în domeniu 700 - 1200 km). Pentru urmărire utilizăm efemeridele celestrack pentru lansările din ultimele 30 de zile, actualizate zilnic. Așa cum am menționat anterior, obiectul 2012-006J este candidatul cel mai probabil a fi GOLIAT, acest lucru fiind validat de variația foarte mică a deviației Doppler calculată pentru acest obiect în timpul unei singure recepții de peste 8 minute.
Pentru urmărire în timp real de la calculatorul proriu recomand instalarea aplicațiilor dedicate pentru lucrul prin satelit. Pe baza experienței recomand suita de aplicații Ham Radio Deluxe (HRD) sau SatPC32. Prima este gratuită, iar următoarea rulează într-un mod demo care necesită introducerea latitudinii și longitudinii stației la fiecare inițializare a programului. Ambele pot face compensarea Doppler dacă un radio este conectat prin CAT la calculator. De asemenea pot controla orientarea antenei, dacă stația este echipată cu rotoare cu posibilitate de comandă digitală.
Pentru interpretarea datelor se poate folosi aplicația online de pe pagina proiectului: http://www.goliat.ro/index.php/radio/beacon-receive-data. Tot la această adresă încercăm să actualizăm informațiile pe măsură ce apar elemente noi.
Deși informațiile de recepție le-am prezentat pentru GOLIAT, acestea sunt aplicabile în cazul general al sateliților cu emisii în banda de radioamatori, și mai ales a sateliților de tip CubeSat. Puteți verifica recepția pe sateliți CubeSat cu orbita și atitudinea mai bine determinate la momentul actual: CO-55, CO-57, CO-58, CO-65, sateliți care au transmisii CW frecvente.
Referințe
Pentru mai multe informații recomand următoarele surse:
1. CubeSat Design Specification, disponibilă la adresa: http://www.cubesat.org/images/developers/cds_rev12.pdf
2. CubeSat Kit, disponibil la adresa: http://www.cubesatkit.com/
3. PC/104 specification, disponibilă la adresa: http://www.pc104.org/pc104_specs.php
4. Foaie de catalog FX614, disponibilă la adresa: http://www.cmlmicro.com/Products/index.asp?/Products/WTelecom/FX614.htm&searchvalue=wlt&setindex=1
5. Press Kit GOLIAT și GOLIAT Info Pack, disponibile la adresa: http://www.rosa.ro/index.php/en/communication/news/534-lansare-nanosatelit-goliat.html
6. Site GOLIAT: www.goliat.ro
7. Ham Radio Deluxe, disponibil la adresa: http://www.hrdsoftwarellc.com/
8. SatPC32, disponibil la adresa: http://www.dk1tb.de/indexeng.htm
- Marius Florin Trusculescu YO7MJF
-
