Úvod

1. Složení pikosatelitu PilsenCUBE

Pro lepší orientaci a popis pikosatelitu se používá členění na několik základních podsystémů plnících dílčí funkce obdobně jako u klasických satelitů. Některé podsystémy najdeme u každého satelitu, jiné mohou být individuální. Klíčové subsystémy pikosatelitu by měly být realizovány redundantně pro vyšší spolehlivost. Ne vždy je to ovšem možné vzhledem k nedostatku prostoru v pikosatelitu, limitu hmotnosti a nedostatku elektrické energie. Náš pikosatelit PilsenCUBE obsahuje následující podsystémy, zajišťující několik základních funkcí:

a) Mechanický subsystém

Je tvořen rozložitelnou kostrou, do které budou uchyceny desky plošných spojů elektronických systémů pikosatelitu. Kostra je z hliníkové slitiny Al 7075. Součástí mechanického řešení tělesa jsou panty pro přídavné výklopné stěny solárních panelů a také klec pro uchycení akumulátorů a superkapacitorů napájecího subsystému. Mechanický subsystém také plní funkci základní ochrany proti radiaci kosmického záření (používáme plné hliníkové stěny) a základní funkci termoregulace (transfer tepla z ohřívané části pikosatelitu do chladnější části). Více najdete v samostatné sekci "Mechanický subsystém".

b) Napájecí subsystém

Je tvořen soustavou solárních článků jako jediných zdrojů elektrické energie, soustavou spínaných měničů zajišťujících transfer energie ze solárních článků do jednotlivých napájených částí pikosatelitu a do zásobníků elektrické energie (akumulátorů a v našem projektu i superkapacitorů). Elektrická energie je jednotlivým subsystémům distribuována po 5 V a 3,3 V napěťové sběrnici, oboje sběrnice jsou zdvojeny. Klíčové subsystémy pikosatelitu mohou využívat redundantní napájení z obou sběrnicí. Více najdete v samostatné sekci "Napájecí subsystém".

c) Stabilizační subsystém

Je tvořen soustavou čidel pro měření prostorové orientace, polohy a rotace pikosatelitu, dále pak soustavou vinutých cívek pro změnu rotace a prostorové orientace. Jeho základní úlohou je zajistit stabilní podmínky provozu pikosatelitu, tj. udržovat rotaci pikosatelitu v přednastavených mezích (ne příliš pomalou kvůli přehřívání jednotlivých stěn, ne příliš rychlou kvůli únikům rádiového signálu způsobeným rotací antény pikosatelitu). Dále může zajistit v potřebný čas na žádaném místě cílenou orientaci pikosatelitu v prostoru pro potřeby natáčení senzorů, solárních článků, antén, atd. Více najdete v samostatné sekci "Stabilizační subsystém".

d) Řídící subsystém

Je tvořen dvěma ARM procesory se zdvojenou datovou a řídící sběrnicí odvozenou z RS-485 (pro zálohu funkčnosti), paměťmi FLASH a kontrolním hardwarovým obvodem "watchdog" pro ověřování korektní činnosti řídících procesorů. Hlavní funkcí řídícího subsystému je zprostředkovat výměnu dat mezi dílčími subsystémy pikosatelitu, kontrolovat činnost jednotlivých subsystémů pikosatelitu, ukládání a příprava dat pro zaslání do kontrolního střediska na Zemi, realizace pokynů ze Země (zapínání a vypínání jednotlivých subsystémů), aktualizace firmwarů některých subsystémů pikosatelitu, aktualizace firmwaru sebe sama, atd. Více najdete v samostatné sekci "Řídící subsystém".

e) Komunikační subsystém

Je tvořen celkem třemi radiostanicemi (jednosměrný radiomaják v pásmu 435 MHz, obousměrné konveční rádio v pásmu 2400 MHz, jednosměrné adaptabilní softwarově definované rádio v pásmu 2400 MHz) pro komunikaci pikosatelitu se stanicemi na Zemi, dále je tvořen anténím systémem pikosatelitu (plánární a prutové antény). Zajišťuje rádiové spojení mezi pikosatelitem a pozemním střediskem, přenos měřených dat, povelů a stavové informace o funkčnosti jednotlivých subsystémů. Více najdete v samostatné sekci "Komunikační subsystém".

f) Měřící subsystém

Je částečně distribuován v rámci jednotlivých dílčích subsystémů a zajišťuje měření veličin potřebných pro chod pikosatelitu nebo veličin potřebných pro některé experimenty. Měří se například údaje o rotaci pikosatelitu pomocí MEMS gyroskopů, zaznamenávají se údaje z optických čidel pro experimentální určení natočení pikosatelitu, stejně jako údaje o magnetickém poli Země pro potřeby stabilizačního subsystému, dále údaje z RDS vysílání pozemních FM stanic pro experimentální hrubé určení polohy pikosatelitu. Více najdete v samostatné sekci "Měřící subsystém".

2. Cíle našeho projektu

Cílem našeho projektu je vylepšit vlastnosti pikosatelitů CubeSat pro možnost jejich efektivnějšího využívání. Z předběžného průzkumu jsme identifikovali několik slabých oblastí, které je nutné zdokonalovat:. Chceme se zabývat především:

a) radiokomunikačním subsystémem

Největším omezením stávajících komunikačních systémů používaných v pikosatelitech je jejich realizace komerčně dostupnými čipovými sadami s hardwarem omezenou funkcí bez možnosti její radikálnější změny. Tato řešení neumožňují průběžnou změnu šířky kanálu, změnu typu modulace, změnu protichybového zabezpečení, atd. Nelze tak průběžně rádiovou komunikaci adaptovat na měnící se podmínky v přenosovém kanále. Radiová komunikace se z energetického hlediska dimenzuje na statický limitní stav (s uvažováním minimální elevace pikosatelitu a maximální chyby orientace antény pikosatelitu), což umožňuje dosažení pouze malých přenosových rychlostí. Během skutečného rádiového spojení s pikosatelitem však nastává situace, kdy elevace satelitu bývá větší než limitní případ (komunikační vzdálenost se zkracuje) a rádiový spoj pak pracuje se zbytečně nízkou přenosovou rychlostí a velkou energetickou rezervou. Jindy může nastat situace, kdy anténa pikosatelitu je vůči pozemnímu středisku natočena svým minimem vyzařovací charakteristiky (aktivní stabilizační systémy pikosatelitů nemusí být přítomny vůbec nebo pracují pomalu a nespolehlivě), potom je komunikace s pikosatelitem nemožná, protože zde není taková rezerva v energetickém rozpočtu spoje, která by špatné natočení antény kompenzovala. Naším cílem je realizovat na palubě pikosatelitu PilsenCUBE tzv. softwarově definované rádio, které by umožňovalo reagovat na měnící se podmínky rádiového spoje a vždy využívat optimálně jeho přenosovou kapacitu.

b) radiační odolností jednotlivých subsystémů pikosatelitu

Problematika radiační odolnosti je u pikosatelitů obvykle opomíjena. Na malých satelitech není prostor na provedení masivního radiačního stínění a ani finanční a energetický rozpočet neumožňuje volbu speciálních radiačně odolných součástek, jak tomu bývá u velkých satelitů. V projektech pikosatelitů jiných týmů se bez hlubšího rozboru většinou počítá s účinky radiačního prostředí pouze ve smyslu ojedinělých událostí způsobených částicemi s vysokou energií. Tyto ojedinělé události jsou ošetřeny nadřazenými softwarovými nebo hardwarovými diagnostickými obvody (watchdog) a případným vynuceným restartováním řídících obvodů či odpojením vadného podsystému. Používají se zejména součástky s nízkou hustotou integrace a toto se celkově s krátkou plánovanou životností pikosatelitu považuje za dostatečnou radiační ochranu. Neřešena zůstává celková radiační dávka a odolnost běžně používaných obvodů, pokud bychom plánovali delší životnost pikosatelitu než několik měsíců. Výpočet celkové radiační dávky provedený v programu Spenvis pro charakteristické dráhy pikosatelitů CubeSat a provedené radiační testy součástek napovídají, že volba součástek s nízkou hustotou integrace není dostatečnou ochranou (při radiačních testech také selhaly). Z tohoto důvodu pro náš projekt PilsenCUBE provádíme radiační předvýběr součástek, mechanická struktura tělesa satelitu má plné hliníkové stěny (některé standardizované stavebnice se prodávají pro odlehčení s otevřenými stěnami) a obvody s vyšší hustotou integrace budou mít přídavné stínění hliníkovým plátem.

c) použitím sestavy akumulátorů a superkapacitorů v napájecím systému

Z typických oběžných drah pikosatelitů třídy CubeSat lze odvodit, že akumulátory projdou až několika tisíci nabíjecích a vybíjecích cyklů za rok během provozu na orbitě. Navíc toto nabíjení a vybíjení probíhá často za nevhodných teplot. Za těchto podmínek nelze zabránit degradaci vlastností akumulátorů a je nutné s nimi počítat. Během několika měsíců provozu akumulátory ztrácí schopnost pokrývat špičkové proudové impulzy. Během těchto stavů může napětí akumulátorů klesnout pod přípustnou mez, dojde k poruchovým stavům s možnými nechtěnými restarty řídící elektroniky. Pro náš projekt jsme vybrali LiFePo4 akumulátory kvůli jejich vyššímu rozsahu provozních teplot a vyšší životnosti v počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů v porovnání s běžnými Li-Ion nebo Li-Pol akumulátory. Během roku 2010 byl pro PilsenCUBE navržen napájecí zdroj, který využívá kromě akumulátoru i superkapacitor. Superkapacitor má v porovnání s akumulátorem řádově vyšší životnost a bude dlouhodobě schopen pokrývat odběry špičkových proudových impulzů bez nežádoucích poklesů napětí pod kritickou mez. Také během vakuových testů jsme vyloučili často používaná plochá provedení Li-Ion nebo Li-Pol akumulátorů pro jejich deformaci způsobenou vnitřním přetlakem ve stavu vakua a vybrali jsme mechanicky stabilnější válcová provedení akumulátorů.

d) skutečnými parametry solárních článků
Pikosatelity často trpí stavy, kdy mají aktuálně k dispozici méně elektrické energie, než bylo očekáváno. Toto je často přisuzováno stárnutí a poruchám akumulátorů. Další příčinou ovšem může být i nesprávný energetický rozpočet pro jednotlivé podsystémy, který vychází z nadhodnocených výpočtů elektrické energie dostupné ze solárních článků. Tyto výpočty jsou často velmi zjednodušené a zanedbávají mnoho parametrů. V roce 2010 jsme testovali GaAs/Ge solární články firmy Spectrolab na závislost jejich účinnosti při různých teplotách a úhlech osvícení slunečním světlem. Tyto dva parametry mohou upřesnit výpočet dostupné elektrické energie ze solárních článků. Výsledky našich výpočtů ukazují, že při započítání obou závislostí je skutečné množství elektrické energie až o 25 procent menší, než říkají standardně používané zjednodušené výpočty. Pro náš projekt PilsenCUBE proto použijeme přídavné vyklápěcí solární stěny, abychom pikosatelitu zajistili dostatek elektrické energie.