czCube > Dokumenty > Základní parametry dílů družice

Základní parametry dílů družice

(zadání a koncepce řešení)

[návrh revidovaný po připomínkách, březen 2006, A.H.+D.H.]

Proč (smysl projektu):

  • ověření běžně dostupných technologií pro budoucí kosmonautické aktivity
  • vyzkoušení možností neformální spolupráce v týmu
  • vývoj a ověření dílů pro stavbu (stavebnici) dostupných družic a sond

Co (cíle projektu):

  • vývoj, stavba, vypuštění a provoz vlastní nanodružice stavebnicové koncepce
  • ověřované prvky:
    • nosná konstrukce která vydrží start (vibrace)
    • napájení se solárními články
    • obousměrná radiokomunikace (vysílač/přijímač)
    • plná orientace a aktivní stabilizace [experiment]
    • snímání a přenos digitálních fotografií (palubní kamera) [experiment]
    • alternativní pohony (elektrodynamický tether, sluneční plachta) [experiment]
    • vědecké měření [experiment]

Jak (rámec projektu):

  • vlastními silami (ověření dostupnosti)
  • z vlastních prostředků (ověření dostupnosti)
  • podle požadavků organizace CubeSat (kvůli zajištění startu)
  • neformální spoluprací (ověření dostupnosti)

Konkrétně (hrubé zadání):

  • díly pro stavebnici:
    • Konstrukce (nosná)
    • Zdroj (napájení se solárními články)
    • Radiomaják/přijímač_A (základní komunikace pro radioamatéry)
    • Vysílač/přijímač_B (rozšířená komunikace se zabezpečením přenosu)
    • Orientace a Stabilizace (aktivní, s magnetometrem a silovými mg. cívkami)
    • Kamera (palubní fotoaparát)
    • Tether (elektrodynamický, alternativní pohon) [experiment]
    • Sluneční plachta (alternativní pohon) [experiment]
    • Vědecké měření [demo experiment]
  • rozměry 10 x 10 x 10 cm
  • hmotnost max. 1 kg
  • funkční teplotní rozsah -10 až +30°C (přežití teplot -30 až +50°C)
  • (další obecné specifikace podle požadavků organizace CubeSat)
  • plná funkčnost ve vakuu (ověřeno a dokumentováno vakuovým testem)
  • přežití požadovaných vibračních zkoušek (ověřeno a dokumentováno)
  • ověřená a dokumentovaná věcná funkčnost dílů i sestavy

Návrh řešení (koncepce):

  • samostatné inteligentní moduly (každý se svým MCU) vzájemně komunikující po interní sběrnici
  • jádro (služební část): Konstrukce, Zdroj, Radiomaják/přijímač A 
  • experimenty (náklad): Vysílač/přijímač B, Orientace a Stabilizace, Kamera, Tether, Sluneční plachta, Věda
  • maximální příkon modulů 1000 mW (plocha solárních článků 80 cm2, účinnost 15% => cca 1500 mW)
  • celkový průměrný příkon všech modulů max. 500 mW (včetně času ve stínu Země)
  • komunikace mezi moduly po sběrnici pomocí asynchronních zpráv (viz. dokument Komunikace)
  • každý modul pravidelně posílá na sběrnici svůj stav (stavová zpráva, jednou za sekundu)
  • modul s RTC (Zdroj, nebo Radiomaják) pravidelně posílá na sběrnici i reálný čas včetně data
  • každý modul je schopen pracovat samostatně i bez funkční komunikace se zbytkem družice

Rozhraní modulů (společné všem):

  • základní napájecí napětí 3,3 V (doplňkové napětí 5 V)
  • jednobitová sériová asynchronní komunikační sběrnice
    (její popis včetně formátu zpráv je v dokumentu Komunikace)
  • společný hodinový kmitočet rozvedený ke všem modulům (z modulu Zdroj)

Parametry modulů (požadované, detailní zadání):

Konstrukce:

  • splňuje požadavky organizace CubeSat
  • hmotnost max. 150 g (bez solárních článků)
  • vlastní objem max. 100 cm3 (bez solárních článků)
  • nese solární články, antény i všechny moduly
  • je elektricky a tepelně vodivá (tlumí kmity a rotaci v mg. poli Země, vyrovnává teplotu)

Zdroj:

  • (konstrukčně jde o [spínaný] zdroj ovládaný programovatelným MCU)
  • solární články s účinností min. 15% (výkon cca 1500 mW na každou plochu při kolmém osvětlení [80 cm2])
  • základní výstupní napětí 3,3 V (doplňkové 5 V)
  • akumulátor min. 1000 mAh
  • hmotnost max. 150 g (včetně solárních článků)
  • objem max. 100 cm3 (včetně solárních článků)
  • odolný proti zkratu na výstupu
  • musí ovládat alespoň 4 nezávislé napájecí výstupy (k různým modulům)
  • musí být schopen dodat na kterýkoliv výstup krátkodobě proud až 1 A 
  • odolný proti selhání (při výpadku řídícího MCU stále dodává napětí a proud k výstupům)
  • samostatně nastavuje optimální napájení modulů podle dostupné energie
  • podle zpráv ze sběrnice vypíná a zapíná jednotlivé moduly (nebo odpovídá na sběrnici)
  • měří napětí a proudy jednotlivých segmentů solárních článků (pro orientaci v prostoru) a výstupní proudy
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav (včetně naměřených proudů)
  • plus pól zapojen na kostru družice ?

Radiomaják/přijímač A:

  • (konstrukčně jde o vysílač/přijímač ovládaný programovatelným MCU)
  • přenosová rychlost min. 300 bps
  • vysílá nepřetržitě s krátkou periodou (do 1 min) základní stav družice
    (to co si sám zjišťuje, plus posbírané stavy modulů ze sběrnice)
  • frekvence a formát vysílání musí být dostupný radioamatérům po celém světě
  • přijímá zprávy ze Země (a předává je na interní sběrnici)
  • podle zpráv ze sběrnice vysílá i data z jiných modulů (přenáší průchozí zprávy ze sběrnice)
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav
  • dosah rádia minimálně 2000 km (pro dobře vybavené radioamatérské stanice na Zemi)
  • hmotnost elektroniky max. 50 g
  • objem elektroniky max. 50 cm3
  • hmotnost antén max. 50 g
  • objem antén max. 50 cm3
  • špičkový příkon max. 1000 mW (aby modul plně fungoval i bez funkčních akumulátorů Zdroje)
  • průměrný příkon max. 250 mW (aby zbyl příkon i pro základní funkčnost ostatních modulů)
  • navržené technické řešení a detaily:´
    • vysílání radiomajáku v pásmu 2 m (145,8 MHz)
    • příjem na frekvenci 435 MHz
    • půlvlnné antény (prutové, rozvinovací, samostatné pro vysílač i přijímač)
    • přijímač má vyzařovací špičku na frekvenci 21,25 MHz
    • na družici nesmí být frekvence 450 kHz (+-25 kHz) [rušila by přijímač]
    • frekvence na družici budou pevné (laditelné musí být zařízení na Zemi)
    • při rádiovém přenosu je počítáno s využitím samoopravného kódu (CRC nestačí)
    • data budou přenášena v blocích po 128 B ?
    • možnost režimu vysílání v CW (Morseovka) ?

Vysílač/přijímač B:

  • (konstrukčně jde o vysílač/přijímač ovládaný programovatelným MCU)
  • má vyšší přenosovou rychlost než Radiomaják (min. 9600 bps)
  • vysílá jen po výzvě ze Země nebo v naprogramovaných časech
  • frekvence a formát vysílání je libovolný, žádoucí je nesnadná dekódovatelnost třetí stranou
  • přijímá zprávy ze Země (a předává je na interní sběrnici)
  • podle zpráv ze sběrnice vysílá i data z jiných modulů (přenáší průchozí zprávy ze sběrnice)
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav
  • dosah rádia minimálně 2000 km (pro dobře vybavené radioamatérské stanice na Zemi)
  • hmotnost elektroniky max. 50 g
  • objem elektroniky max. 50 cm3
  • špičkový příkon max. 1000 mW (aby modul fungoval i bez akumulátorů)
  • průměrný příkon max. 50 mW
  • hmotnost antény max. 50 g
  • objem antény max. 50 cm3
  • navržené technické řešení a detaily:
    • vysílání i příjem v pásmu 2,4 GHz
    • pevná plošná anténa integrovaná v "dolní" stěně družice (není třeba nic rozvinovat)
    • frekvence na družici budou pevné (laditelné musí být zařízení na Zemi)
    • při rádiovém přenosu je počítáno s využitím zabezpečeného kódování (Solomon-Reed)

Kamera (palubní fotoaparát):

  • (konstrukčně jde o digitální fotoaparát ovládaný programovatelným MCU)
  • rozlišení lepší než VGA (640 x 480 px)
  • pořizuje přímo barevné fotografie a ukládá je ve své paměti
  • má možnost řízení expozice
  • fotí podle programu
  • pravidelně posílá svůj stav a vybrané náhledy na sběrnici
  • podle zpráv ze sběrnice fotí a posílá uložená data na sběrnici
  • průměrný příkon max. 50 mW (špičky max. 500 mW)
  • hmotnost max. 50 g
  • objem max. 50 cm3
  • základní směr snímkování by měl být "nahoru", tj. směrem od Země (pro sledování rozvíjení Tetheru)
  • bylo by možné a vhodné použít osvětlovací zdroj (LED)?

Orientace a Stabilizace (včetně Magnetometru):

  • samostatně zastaví rotaci družice a řídí orientaci satelitu
    --- minimální požadavek je minimalizace rychlosti rotace vůči mg. poli Země (do týdne)
    --- maximální požadavek je řízená a aktivně udržovaná orientace satelitu vůči povrchu Země
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav (okamžitou polohu, orientaci, a pod.)
  • podle zpráv ze sběrnice nastavuje polohu a režim stabilizace (mg., Země, Slunce)
  • průměrný příkon max. 50 mW (špičky max. 500 mW)
  • hmotnost max. 100 g
  • objem max. 100 cm3
  • magnetometr je součástí modulu
    --- přesnost měření pole lepší než 8 bitů / 20000 nT, frekvence měření alespoň 1 x za sekundu
  • navržené technické řešení a detaily:
    --- orientace bude zjišťována tříosým magnetometrem
    --- aktivní stabilizace bude využívat tři navzájem kolmé cívky
    --- budou vyvinuty algoritmy pro stabilizaci na mg. siločáru, na Slunce nebo i k Zemi
    --- algoritmy budou testovány a simulovány s odpovídajícími výstupy a závěry

Tether:

  • po příkazu ze Země nebo po timeoutu se vysune a jede podle programu
  • mění dráhu družice (měřitelně)
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav
  • podle zpráv ze sběrnice nastavuje svůj režim (proudy, změny dráhy?)
  • průměrný příkon max. 50 mW (měl by mít svůj vlastní napájecí zdroj)
  • hmotnost max. 200 g
  • objem max. 200 cm3

Sluneční plachta (ověření alespoň rozvinování, ovládání a řízení):

  • po příkazu ze Země nebo po timeoutu se rozvine a jede podle programu
  • mění dráhu nebo orientaci družice (měřitelně)
  • umí fungovat jako výkonný prvek systému orientace a stabilizace
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav
  • podle zpráv ze sběrnice nastavuje polohu plachty a svůj režim (využití jako prvek stabilizace)
  • průměrný příkon max. 30 mW (špičky max. 500 mW)
  • hmotnost max. 100 g
  • objem max. 150 cm3

Věda (speciální měřeni, demo vědeckého experimentu):

  • po příkazu ze Země nebo po timeoutu jede podle programu
  • pravidelně posílá na sběrnici svůj stav
  • podle zpráv ze sběrnice měří, nastavuje svůj režim a posílá naměřená data na sběrnici
  • průměrný příkon max. 50 mW (špičky max. 300 mW)
  • hmotnost max. 50 g
  • objem max. 50 cm3

Poznámky:

  • je třeba maximálně držet magnetickou čistotu materiálů (připomíná to Robert P.)
  • lze využit speciální (Richardův) interface a vytvořit PC SW pro testování komunikace modulů přes sběrnici
  • David H. vyvine SW simulátor pohybu a chování družice na dráze
    • (včetně rotace vlastního tělesa, komunikace, přísunu energie, teplotního režimu)
  • dolní stěna družice bude tvořena anténou pro pásmo 2,4 GHz a bude bez solárních článků
  • horní stěna může být oboustranně pokryta články a odklopitelná (tak nahradí i spodní stěnu)
    • (odklopit se může současně s tetherem a plachtou)
    • může být i ze dvou polovin