Staviame prvú slovenskú družicu s názvom skCube, ktorú chceme vyslať na obežnú dráhu zeme v prvej polovici roka 2016.
Prečo staviame prvú slovenskú družicu?
Touto družicou chceme poukázať na potenciál Slovenskej republiky účastniť sa na kozmickom výskume a tým sa uchádzať o členstvo v Európskej vesmírnej agentúre (ESA) [1]. Taktiež chceme týmto projektom motivovať a povzbudiť mladých ľudí na Slovensku, aby sa možno aj cez vesmír a vesmírne aktivity dostali k štúdiu technických smerov. Aby aj cez projekt prvej slovenskej družice videli, že študovať techniku je dnes naozaj sexy.
[2]
Čo bude na palube?
Družica skCube sa skladá z niekoľkých základných blokov, ktoré zabezpečujú funkčnosť celého systému.
Palubný počítač (OBC)
Tvorí mozog celého systému. Úlohou tejto časti je riadiť jednotlivé úlohy v satelite, merať a spracovávať dáta. Na tento systém je kladený veľký dôraz na bezpečnosť a spoľahlivosť, nakoľko systém je vystavený veľkému rozsahu teplôt (-40 až + 85°C) a zvýšenej radiácii. Preto sme sa rozhodli pre redundantný spôsob činnosti, teda celý systém palubného počítača bude fungovať zdvojene. Z hľadiska radiačnej odolnosti a spotreby sme sa rozhodli pre mikrokontrolér MSP430 od spoločnosti Texas Instruments. Pamäť programu a taktiež dáta budú uložené v pamäti typu FRAM, ktorá má niekoľkonásobne nižšiu spotrebu oproti pamäti FLASH a je odolná voči radiácii.
Komunikačný modul (COM)
Slúži na obojsmernú komunikáciu satelitu so zemou. Tento modul bude zabezpečovať vysielanie telemetrie a obrázkov smerom k zemi a príjem príkazov zo zeme ku satelitu. Komunikácia bude prebiehať primárne v rádioamatérskom pásme 70cm (435 – 437 MHz) s bitovou rýchlosťou 9600 bps. Výkon vysielača bude 0,5 W a modulácia bude použitá GMSK (Obr. 2). Pakety budú vysielané v AX.25 rámcoch.
Vývojom tohto vysielača som sa zaoberal vo svojej diplomovej práci FSK transceiver s implementáciou protokolu AX.25 [3]. Momentálne existuje prototyp tohto transceivera (Obr.1), ktorý sme úspešne otestovali pri komunikácií so stratosférickým balónom zhruba na vzdialenosť 30km.
[4]
Obr. 1 – Prototyp transceivera pre komunikáciu v pásme 70cm
[5]
Obr. 2 – Šírka pásma GMSK modulácie transceivera
Ako sekundárny systém na prenos dát vyššou rýchlosťou (250kbps) plánujeme použiť pásmo 2,4GHz. Tento sekundárny systém plánujeme použiť hlavne na prenos obrázkov z kamery, ktorá bude umiestnená na satelite. Pri tejto rýchlosti bude trvať prenos obrázka s Full-HD rozlíšením len zhruba 15sec. V tomto sekundárnom systéme taktiež plánujeme aj implementácia reed-solomon samoopravných kódov. Výkon vysielača bude taktiež 0,5W a modulácia bude použitá GMSK alebo QPSK.
Napájací systém (PSU)
Bude zabezpečovať napájanie a manažovanie napätia pre jednotlivé bloky satelitu. Zdrojom energie pre satelit sú solárne články s vysokou účinnosťou blížiacou sa k 30%. Zo solárnych článkov pri osvetlení satelitu získame výkon zhruba 2W. Oblet satelitu trvá cca. 90min. Počas tohto času sa zhruba 50% času satelit nachádza v tme. Na uskladnenie energie zo solárnych článkov budú slúžiť batérie typu LiFePO4, ktoré vynikajú svojím nízkym úbytkom kapacity v závislosti od počtu cyklov. Výhodou týchto batérií je aj to, že výstupné napätia nemá veľký rozptyl v závislosti od ich nabitia.
Navrhli a otestovali sme obvod nabíjačky akumulátorov s obvodom SPV1040 (Obr. 3), ktorý ma integrovaný systém sledovania výkonnostného bodu (MPPT). Odmerali sme účinnosť akumulátorov, ktorú zobrazujú grafy vybíjania a nabíjania(Obr. 4 a 5). Účinnosť batérií je 97% pri dodržaní 200 mA nabíjacieho prúdu a 300 mA vybíjacieho prúdu.
[6]
Obr. 3 – schéma obvodu nabíjača akumulátorov s obvodom SPV1040
[7]
Obr. 4 – Nabíjacia charakteristika LiFePO4 akumulátora
[8]
Obr. 5 – Vybíjacia charakteristika LiFePO4 akumulátora
Experiment (EXP)
Túto časť satelitu navrhuje Ústav experimentálnej fyziky SAV v Košiciach. Vedeckým cieľom experimentu je pozorovanie ultrafialového žiarenia vrchnej atmosféry na nočnej strane Zeme. Bez priameho a odrazeného svetla Slnka a Mesiaca je UV žiarenie tvorené prevažne emisiou vrchnej vrstvy atmosféry vo výškach približne 80 – 120 km. Prispievajú k nemu aj iné zložky žiarenia odrazeného od zemského povrchu, či rozptýleného v atmosfére.
Skelet
Zabezpečuje spojenie všetkých blokov do jedného celku a ich jednotlivé rozmiestnenie v satelite. Realizačný tím pripravil mechanický a rozmerový model skeletu satelitu podľa CubeSat štandardov (Obr. 6). Základom skeletu sú štyri hliníkové nosníky, na ktorých sú upevnené rozmerové modely budúcich integrovaných obvodov. Model overuje rozmiestnenie jednotlivých funkčných celkov, ako aj umiestnenie vnútorných batérií družice.
[9]
Obr. 6 – Vývoj skeletu satelitu
[10]
Obr. 7 – Model družice skCube
Systém stabilizácie a orientácie satelitu (ADCS)
Systém, ktorý na základe údajov zo senzorov ako magnetometer, gyroskop a sunsenzor stabilizuje prvotnú rotáciu satelitu a nastavuje jeho presnú orientáciu pomocou zásahu akčných cievok, ktoré interagujú s magnetickým polom zeme.
Keďže vývoj tejto časti si vyžaduje dôkladné testovanie už na zemi, vyhotovili sme simulátor orientácie a stabilizácie satelitu v priestore. Simulátor sa skladá z niekoľkých základných častí. Prvou častou sú helmholtz cievky v troch osiach, pomocou ktorých môžeme vyrušiť magnetické pole zeme a následne vygenerovať homogénne magnetické pole s intenzitou vektorov vo všetkých troch osiach v rozsahu -80uT až +80uT. Druhou časťou je nosná plošina, ktorá je posadená na sférickom vzduchovom ložisku. Vďaka vzduchovému ložisku sa môže satelit umiestený na plošine voľne otáčať v osi X,Y a v osi Z s maximálnym náklonom 35 stupňov. Poslednou časťou je samotný riadiaci systém ADCS satelitu, ktorý meria dáta z MEMS snímačov a nastavuje prúdy do jednotlivých akčných cievok(Obr. 9). Komunikácia s počítačom prebieha cez systém Bluetooth. Fotografiu celej zostavy s jeho autorom možno vidieť na Obr. 8.
[11]
Obr. 8 – Kompletná zostava satelitného simulátora
[12]
Obr. 9 – Riadiaca doska na testovanie algoritmov stabilizácie
Video č.1: Ukážka satelitného simulátora počas testovania
Video č. 2: Ukážka vyváženia plošiny
Pozemná stanica (GS)
V rámci projektu skCube sme vybudovali na Žilinskej univerzite pozemnú prijímaciu stanicu, ktorá slúži na testovanie príjmu telemetrických dát už s existujúcich satelitov. Na streche sa nachádzajú dve antény pre príjem satelitov v pásme 437MHz a 145MHz (Obr. 10). Súčasťou systému pozemnej stanice je aj rotátor, pomocou ktorého môžeme nastaviť antény ľubovoľne v azimute a elevácií. Rotátor a prepínanie antén možno pohodlne ovládať cez internet pomocou obslužného programu (Obr. 11).
[13]
Obr. 10 – Fotografia anténneho systému na príjem družíc
[14]
Obr. 11 – Obslužný program pre nastavenie polohy rotátora cez internet
Podporte nás
Páči sa vám projekt prvej slovenskej družice? Ak áno, budeme veľmi radi ak nás podporíte a mi vás odmeníme darčekom podľa vlastného výberu.
Link: https://www.ideasstarter.com/projekty/postavme-spolu-prvu-slovensku-druzicu [15]
Ďakujeme!
Ďalšie informácie
Viac o projekte prvej slovenskej družice skCube sa dočítate na:
Oficiálnom portáli projektu : www.skcube.sk [16]
Blogu skCube, kde vás informujeme o stave vývoja: https://skcube.tumblr.com/ [17]
Facebookovej stránke : https://www.facebook.com/sofsa [18]