Stabilizační podsystém

Stabilizační subsystém se stará o určení prostorové orientace pikosatelitu a jeho rotace, o zajištění požadované prostorové orientace (za účelem směrování antén, senzorů, solárních článků), o regulaci rotace v požadovaných mezích (kvůli termoregulaci a komunikaci) a o určení polohy pikosatelitu (pro autonomní spínání některých systémů). Pro zjišťování potřebných dat subsystém využívá mnoha různých senzorů (optické senzory, infra senzory, UV senzory, elektronické gyroskopy, magnetometr, FM-RDS přijímač, atd.). K zajištění změny rotace nebo prostorové orientace využíváme soustavy vinutých cívek vytvářejících vlastní magnetické pole, které vzájemnou reakcí s magnetickým polem Země vytváří silové účinky.

Určení polohy a prostorové orientace na pikosatelitu PilsenCUBE

Schopnost určit svoji polohu a prostorovou orientaci je nezbytným krokem, pokud máme uvažovat o autonomním směrování antén pikosatelitu do směru pozemního komunikačního střediska. Vlastní polohu si pikosatelit může predikovat sám na základě měření času a výpočtu dráhy z Kepleriánských elementů dodaných ze Země. Nicméně pokud dojde k havárii nebo poruše v napájecím systému pikosatelitu, může ztratit informace o čase a parametrech orbitální dráhy. Z tohoto důvodu mívají některé satelity na nízkých oběžných drahách palubní GPS přijímač. Jeho použití v pikosatelitech CubeSat je však komplikováno radiační odolností, vysokou spotřebou, Dopplerovým jevem a COCOM restrikcemi (běžné civilní přijímače nefungují ve velkých výškách a vysokých rychlostech ze strategicko-bezpečnostních důvodů). S určením prostorové orientace pikosatelitu je to složitější. Běžné metody používané na konvečních satelitech jsou naprosto nevhodné pro možnosti pikosatelitů CubeSat. Není možné tak orientaci určovat podle pozice hvězd, detektorů horizontů a podobných technologií kvůli jejich vysoké hmotnosti a spotřebě. Pro potřeby pikosatelitů CubeSat však není nutná velká přesnost určení polohy a orientace, neboť u nich stejně není možné z prostorových důvodů realizovat složité anténní systémy s vysokou směrovostí. Používají se různé verze pružných drátových antén, jejichž rozvinutí je aktivováno přepálením jistícího lanka a pro vyšší kmitočtová pásma se uvažuje o používání planárních antén.

Jako energeticky, prostorově i nákladově nenáročnou metodu autonomního hrubého určení polohy pikosatelitu a aktuálního času, nevyžadující kontakt s řídícím střediskem, experimentálně využíváme na pikosatelitu PilsenCUBE celosvětové sítě rozhlasových FM vysílačů. Velkou výhodou je celosvětová rozšířenost systému FM rozhlasu a nízký počet jeho národních modifikací. Přesto lze na základě drobných místních rozdílů velmi hrubě identifikovat region. Velkou výhodou je také existence doprovodné datové služby RDS, kterou lze dle provedených studií a simulací také přijímat. Z přijatých dat lze získat regionální kód, pro podrobnější specifikaci regionu a aktuální čas. Jednotlivé regiony jsou identifikovány pomocí databáze regionálních kódů a významných stanic. Rozhlasové vysílače mají vysílání směrováno především do pozemního prostředí, nicméně dostatečné množství energie je vyzařováno parazitně i do vertikálního směru a propočty ukazují, že bude zachytitelné na nízkých oběžných drahách Země. Konstrukci přijímače je umožněna díky moderní řadě speciálních integrovaných obvodů pro mobilní aplikace a nové metody pro integraci krátkých antén pro příjem signálů FM rozhlasu, používané také v mobilních zařízeních.

Dostupnosti FM vysílačů při letu pikosatelitu nad Evropou na základě výpočtu energetické bilance spoje (červená barva), pokrytí území sítí FM vysílačů (modrá barva).

K určení hrubé prostorové orientace pikosatelitu PilsenCUBE používáme na každé jeho stěně trojici detektorů (detektor UV záření, detektor infračervené tepelné emise Země, detektor viditelného spektra). Tato trojice detektorů umožňuje detekovat jak přímé záření Slunce (standardizované spektrum AM0), tak odraz od povrchu a od atmosféry Země (albedo). Infračervený detektor umožňuje detekovat Zemi přes její tepelnou emisi i na neozářené straně, kde ostatní dva detektory nepracují. Vzhledem k tomu, že všechny senzory vykazují určitou směrovost, informace o prostorové orientaci je pak určena porovnáním údajů senzorů ze sousedních stran pikosatelitu.

  

Směrové charakteristiky šesti optických čidel BPW-21, výpočet výstupního proudu čidel ze čtyř stěn po obvodu v závislosti na úhlu osvícení od Slunce.

Určení rychlosti rotace pikosatelitu PilsenCUBE

Rychlost otáčení tělesa pikosatelitu bude primárně měřena ve třech osách pomocí MEMS (Mikro Elektronicko-Mechanické Systémy) gyroskopů s přepínatelnými rozsahy analogového výstupu 300°/s a 1200°/s. Záložně v případě poruchy MEMS gyroskopů je možné rychlou rotaci vypočítat z měření tří osého magnetometru, případně z periodicity výstupního signálu optických čidel systému pro určení prostorové orientace pikosatelitu.

Zajištění změny rotace nebo prostorové orientace pikosatelitu PilsenCUBE

Rotace pikosatelitu musí být stabilizována v požadovaných mezích (spodní limit nutný kvůli ochraně přehřátí stěn pikosatelitu a horní limit kvůli periodickým únikům v rádiové komunikaci). Při experimentech v budoucnosti by měl  subsystém také zajistit cílené natočení senzorů, antén nebo solárních článků požadovaným směrem. Pro vlastní změnu prostorové orientace se u velkých satelitů používají různé formy propulsních motorů (vyžadujících palivo) nebo reakčních kol (vyžadující velkou hmotnost rotoru nebo vysoké otáčky – problém odolnosti na vibrace při startu a komplikace mazání ložisek ve vakuu). Tyto systémy nejsou příliš vhodné pro pikosatelity CubeSat, ačkoliv i zde se některé novinky testují (BeeSat-1, CubeSat Lunar Lander). Pro nízké oběžné dráhy Země je vhodnější využít interakce mezi magnetickým polem Země a uměle vytvářeným magnetickým polem pikosatelitu soustavou tří cívek protékaných proudem. Toto řešení je po mechanické stránce jednoduché, spolehlivé a umožňuje velký stupeň volnosti z hlediska optimalizace mezi hmotností, spotřebou a rychlostí dosažení regulačního efektu. Pro potřebu korektního buzení stabilizačních cívek je systém doplněn magnetometrem měřícím vektor magnetického pole Země a MEMS gyroskopy pro snímání rychlosti rotace pikosatelitu.

Optimalizace stabilizační cívky z hlediska spotřeby a generovaného momentu, odhad rychlosti reakce při požadavku na otočení o 180° z nulové počáteční rychlosti rotace do nulové koncové rychlosti rotace.

Rychlost dosažení regulačního efektu je ovlivněna velikostí magnetického momentu vytvářeného cívkami, intenzitou magnetického pole Země a velikostí rušivých jevů (zbytkový aerodynamický odpor pikosatelitu, zbytkový magnetismus materiálu pikosatelitu, sluneční vítr,...). Chceme-li tedy pružnější reakci pikosatelitu na zásah stabilizačního systému, musíme vytvářet větší magnetický moment stabilizačních cívek. Při dané geometrii cívek omezené velikostí pikosatelitu je potom magnetický dipólový moment závislý pouze na napájecím napětí cívky a průřezu vodiče. Při požadavku magnetického momentu alespoň 0,1 Am2 a při napájení z 5 V napěťové sběrnice vychází požadovaný průměr vodiče 0,15 mm pro velikost cívek omezenou možnostmi pikosatelitu PilsenCUBE. Množstvím závitů stabilizačních cívek lze volit kompromis mezi hmotností cívek a jejich příkonem, při volbě 400 závitů má jedna cívka příkon 180 mW a hmotnost 22 gramů. Při uvedených parametrech nám odhady ukazují možnost změny prostorové orientace pikosatelitu o 180° z nulové rotace do nulové rotace za 160 s.