Design of redundant on-board computer and modem for cubesats

Abstract

CubeSats created new opportunities for academic world. Before CubeSats, only space agencies were capable of launching an experimental spacecraft. After CubeSats number of small companies and COTS products with heritage increased, therefore prices for space products dropped to a reasonable level. In addition, commercial rockets are developed with various size and payload capacities, this leads to cheaper piggyback launches. Currently even small university laboratories with limited budgets are able to develop and launch CubeSats. Today many CubeSat projects depend on COTS OBC developed almost 10 years ago.In this thesis, a new advanced OBC is developed. Motivation of thesis is rapid developing aerospace industry of Turkey. ITUpSAT1, the fisrt satellite developed in Turkey launched in 2009 with COTS OBC and modem. It is clear that using COTS single board for each system is volume inefficient for 1U CubeSats. A new efficient design will lead advanced CubeSats.Different hardware and software designs are implemented on OBC to ensure proper mission. A relatively new ulta-low power microcontroller is selected, older version of which has flight heritage. Software libraries are implemented for future CubeSat projects. Enhancements on COTS bus is made to increase reliability and compatibility. A simple low power modem is implemented on same board to ensure communication without increasing volume by adding another modem. Batteries are also implemented into OBC so that even failure of rest of spacecraft communication will established and at least failure reasons will be researched for future missions. All three systems are doubled to have a dual redundant system for fault tolerancy and everything is fitted on a single PCB.The system is build and tested. Table-top and range testing are handled successfully. Table-top model tested software libraries. Range tests simulate 700 to 1400 km range between a LEO satellite and standard CubeSat GS. TVAC and radiation tests are planned and documented, but due to low budget of master thesis, this test will be handled during a real CubeSat projects testing phase.As a conclusion a generic reliable OBC is developed. With professional fabrication and testing process could space qualify the new system and then it could be used on future projects without any problem.

Küp uydular geliştirilmeye başladığından beri akademik dünya için uzayın kapıları açıldı. Küp uydulardan once deneysel uydular ancak geniş bütçeli uzay ajansları tarafından atılabilmekte idi. Küp uydulardan sonra ise irili ufaklı firmalar belirli standartlara göre geliştirdikleri ürünleri piyasaya sürmeye başladılar. Bu ürünler kullanıldıkça uçuş geçmişine sahip oldular ve fiyatlar rekabet dolayısı ile azaldı. Aynı şekilde farklı ağırlık ve boyuttaki uydular için geliştirilen ticari roketler seçenekleri çoğalttıkları gibi küp uyduları da müşteri olarak kabul etmeye başladılar. Bu sayede fırlatma giderleri de önemli ölçüde azalmış oldu. Günümüzde düşük bütçeli üniversite laboratuvarları dahi rahatlıkla küp uydu geliştirerek fırlatma şansına sahiptirler. Birçok uydu projesi de yaklaşık 10 yıl önce geliştirilen hazır ürünlere dayalı olarak geliştirilmektedir.Tez için farklı yazılım ve donanımlar implement edilmiştir. Piyasadaki ürünlere gore daha yeni olan bir mikrokontrolcü uçuş bilgisayarı için seçildi. Bu mikrocontrolcüde kullanmak ve gelecekteki projelere yardımcı olmak üzere yazılım kütüphaneleri ve sürücüler geliştirildi. Halihazırda kullanılan system yollarına bazı eklemeler yapıldı. Basit ve düşük güç harcayan bir modem tasarlanarak bilgisayar ile aynı kart üzerine eklendi. Bunlara ek olarak uydunun gücünün kesilmesi durumunda dahi çalışması için aynı kart üzerine pil eklendi. Son olarak her sistemin eşi olan yedek bir sistem aynı kart üzerine eklendi. Bu sayede gelecekteki görevlerde bir sorun olması durumunda dahi en azından sorunun ne olacağı incelenebilecektir. Sonuç olarak piyasadaki ve diğer topluluklar tarafından üretilen altsistemlere göre çok daha gelişmiş bir ürün tasarlandı. Tasarlanan ürünün her türlü uzay şartına dayanması için gelişmiş yedeklilik yöntemleri kullanıldı.xxiiiTasarlanan ürünün ilk olarak çift katlı bakır PCB olarak tasarlandı. Bu tasarımda RF sinyallerin geçtiği yollar gerektiği gibi 50 ohm olacak şekilde ayarlandı. Tasarım İTÜ MEAM laboratuarlarında bulunan PCB prototip cihazları kullanılarak üretildi. Kullanılan devre elemanları el ile üretmek için çok küçük olduğundan üretimde çok hassas cihazlar kullanıldı. PCB üzerine lehim yapmak için stencil üretildi. Stencil ile sürülen lehim üzerine devre elemanları çok hassas cihazlar yardımı ile yerleştirildi ve özel fırınlar kullanılarak lehim eritildi ve üretim işlemi tamamlanmış oldu.Üretilen sistemi test etmek için küp uydularda kullanılan standart test metodolojisi kullanıldı. İlk olarak üretilen yazılım ve donanım masaüstünde denendi ve hataları giderildi. Daha sonra uydunun gönderileceği yükseklikte çalışacağından emin olmak için mesafe testleri yapıldı. Mesafe testlerinde ise standart bir alçak yörünge küp uydusunun 700 ila 1400 km arası değişen mesafeleri simüle edildi. Daha sonra sistemin uzay ortamında çalışıp çalışmayacağını sınamak için İTÜ bünyesinde bulunan USTTL tesislerinde termal vakum testi yapıldı. Bu testlerde sistemler çok düşük vakumde çalıştırıldı ve performansları izlendi. Aynı şekilde vakum ortamında uzay sıcaklıklarını denemek için ortam sıcaklığı değiştirildi ve çalışma performansları kaydedildi. Daha sonra tamamlanması için radyasyon testleri de planlandı ve dökümantasyonları tamamlandı. Bu sayede herhangi bir küp uydu projesi dahilinde yapılacak olan testlerin uçuş bilgisayarını uzaya kalifiye etmesi tasarlandı.Sonuç olarak jenerik bir uçuş bilgisayarı tasarlandı, üretildi ve test edildi. İleride yapılacak olan profesyonel üretim ve testler sistemin gelecekteki görevlerde rahatlıkla kullanılmasına olanak sağlayacaktır. Gelecekte geliştirilecek olan küp uydu projelerinde rahatlıkla kullanılabilecek kalitede bir altsistem geliştirildi.