development and launch of the first ukrainian nanosatellite "polytan-1"
TRANSCRIPT
Розробка та запуск першого українського наносупутника
POLYTAN-1
Коваленко Євген
Аспірант, інженер
Національний Технічний Університет України
«Київський Політехнічний Інститут»
Cтудентський наносупутникPolyITAN-1, перша версія
PolyITAN-1 являє собою
малий космічний апарат
(штучний супутник Землі),
який має форму прямого
паралелепіпеда. Габаритні
розміри корпусу НС
140х140х120мм, вага
близько 1 кг.
2
Конструкція першого варіанту супутника
3
Структурна схема системи живлення
СБ
Підвищую-чий ШІП
АКБ
Блок вихідних
понижуючих ШІПів
Мікроконтроллер
ШІМ
Живлення МК
Керування
3.3В
3.3В
1.8В
5В
RXDTXD
Дані на ЦП
Система резервування
та балансування
заряду АКБ
Система запуску
Напруга,струм
Напруга,струм
Формувач двополярного
живлення
-5В
4
Вимірювач напруги елементів АКБ
АКБ 1
АКБ 2
АКБ N
Система керованих
комутаторів
ЄмністьВихідний
комутатор
Мікроконтроллер
АЦП
5
Система резервування АКБ
АКБ 1
АКБ 2
АКБ N
ДрайвериМікроконтро-
ллер
Ключі на MOSFET
Ключі на MOSFET
Зворотні діоди
Зворотні діоди
6
Була здійснена імітація наступних умов космосу:
• Вакуум (10-5)
• Скидання тепла на кріоекрани (-192°С)
• Імітація сонця
7
Зовнішній вигляд супутника та його розташування у вакуумній
камері
8
Фотографії плати процесора та АКБ
Термодатчики
Інтерфейс діагностики, виведений
зовні камери
9
Методика випробувань
Обертання НС навколо осі камери: А - вихід НС з тіньової орбіти;
В - перехід НС в тіньову орбіту; С - максимальне випромінювання
Сонця і Землі
10
Зміна температури поверхонь граней 1
та 3
Зміна температур елементів
наносупутника
12
Результати перших експериментів
• Підтверджений загальний принцип побудови схеми
• Перевірена елементна база
• Перевірена стабільність роботи АЦП процесора• Перевірена стабільність роботи понижуючих
перетворювачів
• Перевірена робота АКБ
• Перевірений ККД роботи підвищуючого перетворювача для заряду АКБ (95%)
• Перевірені теплові режими роботи елементів з навантаженням та без
По платі: -10…+40
По АКБ: -5…+30
13
Перевірка системи орієнтації
14
Радіаційні тести
15
Друга версія супутника, сумісна зі стандартом CUBESAT
16
Структурна схема супутника17
Конструкція
Унікальні вуглепластикові сотопанелі, які захищаютьакумулятори та плати від теплового впливу Сонця; а в тіні -забезпечують оптимальний температурний режим.
18
Система бортової обробки даних(Модуль центрального процесора)
• Багатошарова плата з 32-розрядним процесором ARM Cortex-M4
• ПЗ для циклограми, сплячий режим• Маяк для радіоаматорів з
телеметрією• 3 Датчика положення Сонця, 3
електромагніти орієнтації, 2 x RS-485
19
Прийомо-передаюча система
• Плата і ПО розробки КПІ• Резервні канали, режими низького енергоспоживання• Протокол AX.25 з інкапсульованим протоколом Modbus• Апаратна реалізація забезпечує високу якість вихідного сигналу
Чутливість приймача 145 МГц -110 dBm
Потужність передавача 437 МГц 33 dBm
Швидкість передачі в діапазоні 437 МГц
До 10 кБит/с
Напруга живлення, В 5 В, 3.3 В
Споживана потужність:
- режим очікування
- Сеанс зв'язку:
-передача, канал 437 МГц, Вт
0,056 Вт
4,5 Вт
20
• Заряд акумуляторів в оптимальній точці вольтамперниххарактеристик всіх сонячнихбатарей.
• ККД перетворювальної частини: не менше 90%
• ККД сонячних батарей: 16.2-18.4%• Кількість сонячних батарей: 5 шт.• Загальна потужність СБ: до 1.5 Вт• Вихідні канали: (3x3.3 В; 2x5 В)• Загальна вихідна потужність: до
10 Вт• Тип АКБ: Літій-залізні• Ємність АКБ: 30 Вт•год (3.3 В, 9.2
А•год)
Система живлення21
З’єднання сонячних батарей
MPPT1
MPPT2
MPPT3
AC
B
Переваги:• Кожна панель працює в точці
максимум потужності• Нема необхідності в послідовно
включених діодах (вищий ККД)• При виході з ладу одно панелі чи
контролера АКБ продовжуватиме заряджатись, та супутник продовжуватиме роботу
22
Концепція побудови центра керування
Наземная станція керування Центр керування польотом
437 Mhz Downlink145 Mhz Uplink
Кабелі РЧ, Керуванняповоротним пристроєм
ТрансиверAX.25 протоколАудіо
TCP/IP HTTPs/XML
Віддаленийдоступ
Сервер базиданных
Прикладнийсервер
Звіти, виборкиданих
Планування,Моніторинг, керування
Інте
рф
ейс
до
зо
вніш
ніх
пр
огр
ам
23
Наземна станція24
Інтеграція в пусковий контейнер ISI-POD (Університет DELFT, Нідерланди)
25
Напруга АКБ
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
1 8
15
22
29
36
43
50
57
64
71
78
85
92
99
106
113
120
127
134
141
148
155
162
169
176
183
190
197
204
211
218
225
232
239
246
253
260
267
274
281
288
295
302
309
316
Зміна режиму роботи маяка
Початок експериментів з
підсистемами
26
Напруга, мВ
Час
Споживання ЦП
0
10
20
30
40
50
60
1 71
31
92
53
13
74
34
95
56
16
77
37
98
59
19
71
031
091
151
211
271
331
391
451
511
571
631
691
751
811
871
931
992
052
112
172
232
292
352
412
472
532
592
652
712
772
832
892
953
013
073
133
19
27
Струм, мА
Час
Струм від СБ в АКБ
0
50
100
150
200
250
300
350
1 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
103
109
115
121
127
133
139
145
151
157
163
169
175
181
187
193
199
205
211
217
223
229
235
241
247
253
259
265
271
277
283
289
295
301
307
313
319
28
Струм, мА
Час
Температура плати
0
5
10
15
20
25
30
35
1
13
25
37
49
61
73
85
97
109
121
133
145
157
169
181
193
205
217
229
241
253
265
277
289
301
313
325
337
349
361
373
385
397
409
421
433
445
457
469
481
493
505
517
529
541
553
565
577
589
601
613
625
Початок експериментів з
підсистемами
29
Температура,град.
Час
Висновки по роботі в космосі
• Через рік роботи на орбіті плати не були пошкоджені радіаційним випромінюванням
• Потужність СБ знизилася на 20%• Максимальна потужність СБ на орбіті відповідала
розрахунковій максимальній потужності• Було доведено ефективність попарного включення
СБ• Підтверджено використання Li-Fe AКБ в космосі• Перевірена функціональність системи живлення
супутника POLYTAN-1 НТУУ КПІ власної розробки. Цей досвід буде використаний на наступному супутнику в проекті QB50.
30
Polytan-2-SAU, інженерна модель31
Polytan-2-SAU, інженерна модель32
Polytan-2-SAU, структура33
Системи живлення супутників POLYTAN
Polytan-1 Polytan-2-SAU
34
Порівняльні характеристики систем живлення
POLYTAN-1 POLYTAN-2-SAU
Розмір плати 96x96mm 82x82mm
Ємність АКБ 22WH
Тип АКБ LiFePO3
Кількість елементів АКБ 3
Напруга та ємність АКБ 3.3V, 2.3AH
З’єднання АКБ Паралельне
Апаратний захист від перезаряду
АКБТак
Діапазон температур АКБ -20°C to +60°C
Загальна потужність СБ 1W 2,1W
Самоспоживання системи 0.06W 0.04W
Зв’язок з іншими системами 2xRTU Modbus, 115200, 8N1
Тип мікроконтролера Atmel ATXMega256A3 STM Cortex M0
Типи АЦП Вбудоване в МК (12bit)Вбудоване в МК, вбудовані в
датчики напруг і струмів
ТМП-модулі 3xHardware 5xHardware
Система здатна живити супутник
та заряджати АКБ при виході з
ладу мікроконтролера
Yes
Вихідні напруги/струми3.3V/5A (нестабілізоване), 5V/0.2A,
3.3V/0.5A, 3.3V RTC
3.3V/5A (нестабілізоване), 3.3V/2A,
5V/2A, 6.8V/1A, 3.3V RTC
35
Зняття характеристик СБ36
FIPEX (Flux Probe Experiment) - експериментальний датчик заборузустрічного потоку, здатний розрізняти і вимірюватихарактеристики атомарного і молекулярного кисню. Атомарнийкисень представлений більше інших частинок на висоті 90-380 км,його оцінка є визначальним чинником у моделі атмосфери.
Корисне навантаження37
Дякую за увагу!
Команда розробників супутника
38