Design and implementation of electronic subsystems for 1U, 2U and 3U cube satellites

Abstract

Küp uydular günümüzde sıklıkla kullanılan, en basit görevden en karmaşık görevlere kadar geniş yelpazelerde kullanılabilen, nispeten daha az maliyetli uzay araçları olarak tanımlanmaktadır. Hem akademik çalışmalarda hem özel sektörde kendine geniş yer bulabilen bu sistemler yıllar boyunca süregelen kullanım alanları ile kendilerini farklı görevlerde bir çok kez kanıtlamışlardır. Küp uydularda çeşitli görevleri gerçekleştirmek üzere geliştirmek çok sayıda farklı elektronik sistem bulunmaktadır. Bu sistemler enerji yöntem sistemleri, haberleşme sistemleri, yönelim kontrol sistemleri, uydu bilgisayarları, gibi farklı gruplar altında incelenebilir. Uydu görevlerinin sağlıklı gerçekleştirilebilmesi için bu sistemler en doğru ve güvenilir çalışma çok büyük önem arz etmektedir. Bu doğrultuda, bu master tezinde, 1U, 2U ve 3U küp uydular ile uyumlu 3 farklı elektronik sistemin, kullanılacakları uyduların isterlerine göre, tasarım süreci anlatılmıştır. Tez çalışmaları İstanbul Teknik Üniversitesi Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı(USTTL) bünyesinde yapılmış ve proje çıktıları burada gerçeklenmiştir. Master tezinin çıktıları olan tasarımlar ya bir uyduya entegre edilmiş ve fırlatılmaya hazırlanmış yada bir uydu projesine entegrasyonu planlanmıştır. Master tezinin çıktılarının özellikleri ve yeterlilikleri gerçek uydu projerleri ile uzay ortamında test edilerek, faydalarının onaylanması planlanmaktadır. Ancak, planlanan zaman çizelgesinden dolayı, fırlatma ve sonrasındaki uzay ortamındaki test, kalibrasyon ve doğrulama çalışmaları bu tezin kapsamı dışında bırakılmıştır. Bu tezin bölümleri; küp uydu kavramının ve küp uydularda yaygın olarak kullanılan alt sistemlerin açıklanması, bu tezin çıktıları olan ürünlerin entegre edileceği ve kullanılacağı uyduların ve uyduların görevlerinin açıklanması, çıktıların tasarlanması ve geliştirilmesi sırasında kullanılan metotların açıklanması, çıktıların tasarlanma ve her çıktının kullanılacağı uyduya entegre edilmesi ve test edilmesinin açıklanması konularını içermektedir. Alt sistemlerin tasarımı sırasında gözetilen ve uygulanan birden çok adım da bu tez kapsamında açıklanmıştır. Bu adımlar, sistemin kullanılacağı uyduya göre her altsistem için isterlerin belirlenmesi, donanım tasarımları için ilk adım olan şematik tasarımlarının oluşturulması ve bu şematikler baz alınarak baskılı devre kartlarının(PCB) tasarımlarının oluşturulmasını kapsamaktadır. Şematik tasarımı aşamasında kullanılan malzemeler ve bu malzemelerin seçilme nedenleri, yapılan tasarımın kullanılma şekli ve amacı ve şematiklerin son hali açıklanmıştır. Sonraki aşamada tasarlanan alt sistemlerin üretim süreci açıklanmıştır. Üretim sürecinde kullanılan yöntemler, izlenen adımlar ve güvenilir çıktılar alınması için dikkat edilmesi gereken hususlar incelenmiştir. Tüm üretim aşamaları sırasıyla açıklanmış ve üretimde kullanılan aletler anlatılmıştır. Tezin çıktısı olan altsistemlerin iki tanesinde mikrodenetleyici de bulunmaktadır. Bu mikrodenetleyiciler hem sistemler üzerinde bulunan çevresel birimleri kontrol etmekte hem de uydu kontrol bilgisayarından komutlar alınarak bu komutlar belli düzende işlenmesini sağlamaktadır. Tezin bir sonraki bölümü, bu mikrodenetleyiciler için yazılım projesi geliştirilmesini anlatmaktadır. Her mikrodenetleyici için kullanılan yazılım geliştirme ortamı tanıtılarak başlanmış ve sonrasında yazılım projesi geliştirilirken kullanılan yöntemler anlatılmıştır. Bu yöntemler kod okunmasının kolaylaştırılması için yapılan çalışmaları, yazılım seviyesindeki işlerin donanım seviyesiyle olan ilişkisi ve hem kartlar üzerinde bulunan sistemlerle hem de uydu bilgisayarıyla olan haberleşme sırasında dikkat edilen hususları kapsamaktadır. Yazılım tasarımı tamamlandıktan sonra, belirlenmiş tüm özelliklerin ve ihtiyaçların sağlandığının onaylanması amacıyla, hem elektronik işlevsellik hem mekanik dayanıklılık testlerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu testler, testlerin doğruluğunun onaylanması amacıyla laboratuvar ortamında ve gerçek çalışma koşullarını doğrulamak amacıyla uyduya entegrasyon tamamlandıktan sonra uydu bilgisayarı ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Bu testler ve doğrulama çalışmaları uygun şekilde dokümante edilip rapor haline getirilip ilgili uydu projelerinin raporlarına eklenmiştir. Tüm test ve doğrulama çalışmasının adımları bu tez kapsamında açıklanmıştır. Bu tezin kapsamında geliştirilen 3 farklı alt sistem, 2 farklı uyduda, SharjahSat-1 ve n-LOTUSat, kullanılacaktır. Bu sistemler, \textit{Arayüz Kartı(Interface Board)}, \textit{Kamera Faydalı Yükü Kartı(Camera Payload Board)} ve \textit{Eletrik Güc Altsistemi Kartı(EPS)} olarak kullanılmaktadır. Arayüz kartı SharjahSat-1 uydusunda anten açma sistemlerini kontrol etmekte ve uydunun beacon yayını yapacak alt sistemini kontrol etmektedir. Bunun yanı sıra, direkt uydu bilgisayarı ve uydu yönelim ve kontrol sisteminin kontrol edeceği 2 farklı sistemi barındırmaktadır. SharjahSat-1 için geliştirilen ikinci alt sistem olan kamera faydalı yükü kontrol kartı ise, uydunun ikincil yükü olan ve 2 kameradan oluşan görüntü alma sistemi sensörleri ile uydu bilgisayarı arasında, izolasyonlu ve kontrollü bir güç ve haberleşme bağlantısı arayüzü sağlayacaktır. Üçüncü tasarım, elektrik güç altsistemi kartı, n-LOTUSat uydusunda kullanılması planlanan ve öncelikli görevi enerji üretimi ve regüle edilip dağıtılmasını kontro etmek olan bir altsistem elektronik kartıdır. Tasarlanan bu sistem, çalışma şekli ve görevleri açısından, sadece bir uyduya uygun olarak değil, 1U, 2U ve 3U segmentindeki bütün uydularda çalışabilecek şekilde tasarlanmış ve geliştirilmiştir. SharjahSat-1 uydusunun geliştirme ve test süreçleri tamamlanmış ve uzaya fırlatılması için aracı kurumlara gönderilmiştir. Bu uydu için geliştirilen 2 sistem, arayüz kartı ve kamera faydalı yükü kartı, bu uyduya entegre edilmiş ve fonksiyonel açıdan uydu bilgisayarı üzerinden test edilmiştir. Öte yandan n-LOTUSat uydusu halen geliştirme aşamasında bulunmaktadır. Bu yüzden, elektrik güç altsistemi tasarımı sadece laboratuvar ortamında test edilip tasarımı doğrulanmıştır. n-LOTUSat uydusu ile mekanik uyumluluk açısından incelenmiştir. Uzay teknolojileri uzun yıllardır Dünya'da bir çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Uzaya erişim konusundaki en büyük problemlerden biri olan fırlatma maliyetleri, günümüzdeki teknolojik gelişmeler sayesinde ucuzlayarak erişimi nispeten daha kolay hale getirmiştir. Gene gelişen teknoloji seviyesi, aynı işi yapan sistemleri çok daha küçük ve moduler yapılar içine sığdırmayı başarmış ve küp uydu gibi sistemlerin kullanımını son derece kolaylaştırmış ve yaygınlaştırmıştır. Bu tez, anlatısı ile, uzay alanında sistem geliştirmeyi amaçlayan kişilere başlangıç yolunda ışık olmayı hedeflemektedir.