İTÜ psat II : YÖNELİM KONTROLLÜ NANO UYDU PLATFORMU GELİŞTİRME PROJESİ 1

Transkript

1 III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir İTÜ psat II : YÖNELİM KONTROLLÜ NANO UYDU PLATFORMU GELİŞTİRME PROJESİ 1 Gökhan İnalhan *, Emre Koyuncu ve Nazım Kemal Üre İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul Can Kurtuluş AVL, İstanbul ÖZET Üretimi ve uzayda operasyonu başarı ile tamamlanan İTÜ psat I uydu projesinin devamı niteliğindeki bu projede Nano uydu boyutlarında (1-10 kg) değişik görev yüklerine uyarlanabilen, aktif kontrollü bir platform yaratmayı ve bunu yaparken bu alanda geçmiş tecrübelere dayanarak eksikliği görülen bazı kilit teknolojileri geliştirmeyi hedeflemektedir. Özellikle nano uyduların daha yüksek yeterlilikler isteyen görevleri [7] sağlayabilmesi için gelişmiş platform bus tasarımı[5,6] ve hassas yönelim kontrolü [7] en temel isterler haline gelimiştir. Bu isterleri gerçekleyen kilit teknolojiler aktif yönelim kontrol bilgisayarları, eyleyici sistemleri, uçuş bus bilgisayarı, alt sistemleri ve güç sistemleri ile sağlanabilmektedir. Bu kapsamda aktif yönelim kontrollü nano uydu platformu için uydu busı ve elemanlarına ait a) sistem mühendisliği ve b)ön tasarım çalışmalarını yapılmış ve buradan alınan sonuçlar ile beraber c) ön prototiplendirme çalışmaları geçilmiştir. Bu çalışmada İTÜ psat II uydu busı tasarım çıktıları sunulmaktadır. GİRİŞ Bu projenin ilk ayağı olan ve TÜBİTAK tarafından desteklenen İTÜ psat I (Şekil 1) 23 Eylül 2009 tarihinde Hindistan dan başarı ile fırtlatılmıştır (Şekil 2,3). Aynı proje ekibi tarafından teknik tasarım ve üretimin yapıldığı İTÜ nün ilk uydu projesi olan İTÜ psat I [4,8] ile fırlatma sonrası 20 dakika içinde irtibata geçmiştir. 1 nolu veri iletişim sisteminden işaretleyici sinyali (Şekil 4) alınmış ve İTÜ UUBF Yer İstasyonu üstünden üçüncü geçişinde 2 nolu veri iletişim sistemi üzerinden baud kriptolu veri transferi (Şekil 5) gerçekleştirilmiştir. İki nolu veri iletişim sisteminden aktarılan kriptolu telemetri verileri fırlatma sonrası ikinci gün İTÜ UUBF yer istasyonunda yaşanan yazılımsal bir problem sonucu şu an itibari ile yer istasyonundan alınamamaktadır. Bununla beraber bu bildiri tarihi itibari ile uydu sağlıklı bir şekilde çalıştığı bilinmektedir. İTÜ UUBF yer istasyonu dışında, içinde Japonya, Norveç, İtalya, Almanya ve Amerika nın da bulunduğu onu aşkın ülke yer istasyonlarından, Türkiye de bulunan amatör radyocuların ev istasyonlarından (Erzurum, İstanbul vb...) İTÜ psat I işaretleyici sinyalı ve sağlık durum bilgisi alınmaktadır (Şekil 4). * Doç. Dr., Uçak Müh. Böl., Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarı Sorumlusu e-posta: inalhan@itu.edu.tr Doktora Öğrencisi, Araştırma Asistanı, Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarı, E-posta: emre.koyuncu@itu.edu.tr Y. Lisans Öğrencisi, Araştırma Asistanı, Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarı, E-posta: ure@itu.edu.tr ARGE Koordinatörü, Doktora Öğrencisi, Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarı, E-posta: can.kurtuluş@gmail.com 1 Bu çalışma TÜBİTAK 108M523 nolu proje altından desteklenmektedir.

2 İNALHAN, KOYUNCU, ÜRE ve KURTULUŞ Şekil 1 : İTÜ psat I fırlatma modeli ve iç donanımı Şekil 2 : İTÜ psat I fırlatma düzeneği üzerinde faydalı yük kompartmanı 2

3 İNALHAN, KOYUNCU, ÜRE ve KURTULUŞ Şekil 3 : İTÜ psat I PSLV C-14 Fırlatması Şekil 4 : İTÜ psat I işaretleyici sinyalı yer istasyonu verisi Şekil 5 : İTÜ psat I den alınan ilk telemetri verileri yer istasyonu verisi İTÜ psat I devamındaki bu proje Nano uydu boyutlarında (1-10 kg) değişik görev yüklerine uyarlanabilen, aktif kontrollü bir platform yaratmayı ve bunu yaparken bu alanda geçmiş 3

4 tecrübelere dayanarak eksikliği görülen bazı kilit teknolojileri [5,6,7] geliştirmeyi hedeflemektedir. Özellikle nano uyduların daha yüksek yeterlilikler isteyen görevleri [7] sağlayabilmesi için gelişmiş platform bus tasarımı[5,6] ve hassas yönelim kontrolü [7] en temel isterler haline gelimiştir. Bu isterleri gerçekleyen kilit teknolojiler aktif yönelim kontrol bilgisayarları, eyleyici sistemleri, uçuş bus bilgisayarı, alt sistemleri ve güç sistemleri ile sağlanabilmektedir. Ana hedef bu sistemleri özgün bir şekilde üretmek, test etmek ve dolayısıyla uçuşa hazır hale getirmektir. Bu kapsamda aktif yönelim kontrollü uydu platform için uydu busı ve elemanlarının a) sistem mühendisliği ve b)ön tasarım çalışmalarını yapılmış ve buradan alınan sonuçlar ile beraber c) ön prototiplendirme çalışmalarını geçilmiştir. Bu çalışmada, yapılan sistem mühendisliği, uydu busı ön tasarım ve ön prototiplendirme çalışmaları özetlenmektedir. İTÜ psat II SİSTEM MÜHENDİSLİĞİ ÇALIŞMASI Proje kapsamında yapılması hedeflenen alt sistemlerin tamamını da içinde kapsayacak örnek görev tasarımı (ÖGT) belirlenmiştir. Örnek Görev Tasarım Uydusu İTÜ psat II, 10 cm x 10 cm x 30 cm lik 3U faktöründeki maksimum 4 kg ağırlığında bir nano uydu olacağı kabul edilmiştir. Nano uydu 640km 800km yükseklikte güneş eş zamanlı yörüngede bulunacaktır. Sistemde üç eksen aktif yönelim kontrolü, açılabilir ek güneş paneli ile ek güç iletimi ve kompozit yan panellere sahip olacaktır. Ayrıca üzerinde faydalı yük olarak, geliştirilen deneysel yönelim belirleme ve kontrol bilgisayar ve eyleyicelerin dışında kamera faydalı yükü düşünülmüştür. Nano uydu boyutlarında yüksek çözünürlüklü (piksel başına 1-2km) görüntü çekme ve aktarma kabiliyeti hedeflenmektedir. Şekil 6 : Ön Tasarım psat II Alt Sistemleri 4

5 Şekil 7 : psat II Kavramsal Tasarım Faydalı yük (kamera modülü) çıkartılmıştır ÖGT Uydusu psat II için alt bileşenler belirlenmiştir (Şekil 6). Özellikle modüler ve fonksiyonalitesi yüksek bu özgün tasarım, uydu üzerinde olacak veri hatlı dağıtılmış mimari prensibine dayanmaktadır. Oluşturulan ağrılık, güç ve hacim bütçeleri (Tablo 1) sonucu faydalı yük kamera modülü dışında kavramsal tasarım Şekil 7 de verilmektedir. Birim Boyut (mm) Kütle (gr) Güç (W) OBC 80x80x EPS 90x90x Beacon 80x80x PLIU 25x60x ADCS 100x100x Comm 100x100x Yapı 100x100x Paneller GPS 90x60x nmkj 30x30x Kamera + Devresi Yıldız Tarayıcı Devresi 90x90x Toplam Tablo 1 : Toplam Boyut, Ağırlık ve Maksimum Güç Bütçesi 5

6 Sistem tasarımında ADCS (Yönelim Belirleme ve Kontrol Sistemi), kamera sistemi ve ek bilimsel görevler faydalı yük modülleri şekilde belirlenmiştir. Platform için öngörülen ana faydalı yük yönelim belirleme ve kontrol bilgisayarı ve yazılımı, kontrol eyleyicileri ve yıldız izleyiciden oluşmaktadır. Görev tanımındanki uydunun sahip olacağı 3 manyetiç tork üreteci, 4 tepki tekeri ve deneysel yük olarak kullanılacak 1 adet momentum kontrol jiroskobu için ön tasarım ve tepki tekeri prototiplendirme yapılmıştır. Yönelim belirleme ve kontrol sistemi ile yıldız izleyici ilgili yazılım, donanım ve simülatör çalışmaları [1,2] de sunulmaktadır. Bütün bu faydalı yük sistemlerin çalışmasını yöneten ve uydunun temel işlevselliğini sağlayan İTÜ psat II ana bus sistemidir. Yapılan sistem mühendisliği çalışmaları sonrasında İTÜ psat II busının faydalı yüklerin güç ve yapısal isterleri sağlamak dışında belirli fonksiyonel özelliklere de sahip olması öngörülmüştür. Bunlar a) Servis Modülü bir koordinatın fotoğrafının yere gönderilebilmesini sağlayabilmesi, b) ADCS yerden programlanabilmesi, c) ADCS performans verileri yere indirilebilmesi ve d) Uydu sağlık verileri yer istasyonundan izlenebilmesi ve yer istasyonundan komut alabilmesidir. Bütün bu fonksiyonel özellikleri de içinde bulunduran İTÜ psat II ana bus tasarımı bir sonraki bölümde özetlenmiştir. İTÜ psat II BUS TASARIMI Platform için tasarlanan bus içinde ana bileşenler olarak belirlenen 5 temel ünite bulunmaktadır. Bunlar sırası ile OBC, EPS, Beacon, PLIU ve SDHU üniteleridir. OBC ; servis modülünün işletilmesi için gerekli fonksiyonları yerine getiren ve servis modülünün işletilmesini sağlayan ana bilgisayar sistemidir. EPS; pillerin güneş panellerinden şarj edilmesi, Servis modülü ve Faydalı Yükün enerji ihtiyacının karşılanmasını sağlayan elektrik sistemidir. Beacon; yerden izlenebilirlik ve temel telemetri bilgisinin yere gönderilmesini sağlayan iletişim sistemidir. PLIU; faydalı yük arayüz modülü, OBC nin yönettiği veri ağına bağlanan ekipmanların veri ve güç arayüzüdür. SDHU ; bilimsel veri yönetim sistemi, faydalı yük verilerinin (kamera görüntülerinin ve yönelim kontrol sistemine ait performans verilerinin) depolanması yönetilmesi ve istendiğinde OBC sistemi üzerinden yere gönderilebilmesini sağlar. Bu üniteler ile ilgili olarak prototiplendirme faaliyetleri ve sonuçları şu şekildedir : OBC OBC prototip devresi (Şekil 8) öntasarımında CAN BUS arayüzü, mikrokontrolcü, gerçek zaman saati ve yedekleme pili bulunmaktadır. Prototip üretimi gerçekleştirilmiş olup ünite testleri devam etmektedir. Testlerden elde edilen veriler ışığında ayrıntılı tasarım çalışmalarına başlanmıştır. Prototip devre ile PLIU veri iletişimi gerçekleştirilmiştir. Şekil 8 : Üretilen Prototip OBC Sistemi Fonksiyonel Testler sırasında 6

7 PLIU PLIU prototip devresi (Şekil 9) öntasarımında CAN BUS arayüzü, mikrokontrolcü, analog ölçüm modülü ve yarı iletken anahtarlama modülü bulunmaktadır. Prototip üretimi yapılmış ve başarılı bir şekilde OBC PLIU veri iletişimi gerçekleştirilmiştir. Ünite fonksiyonlarının testleri devam etmektedir. Beacon Şekil 9 : Üretilen Prototip PLIU Devresi Fonksiyonel Testler sırasında Beacon için önceki ITU psat I uydusunda kullanılan, test edilmiş ve başarılı olan tasarımın RF kısmı aynen kullanılmaktadır. Yeni busa entegrasyonu Şekil 10 da görülmektedir. Şekil 10 : Prototip Beacon Sistemi 7

8 EPS EPS prototip devresi (Şekil 11) CAN BUS arayüzü, mikrokontrolcü, bus akımı ölçüm modülü, bus regülatör modülü, OBC regülatör modülü ve pil şarj modülünde oluşmaktadır. Regülatör kısımları için seçilen tüm devreler temin edilerek breadboardlarda başarıyla denenmiş detaylı tasarımlarda aynen kullanılmasına karar verilmiştir. Şarj modülü ve akım ölçüm modülleri ile ilgili olarak masaüstü model çalışmaları devam etmektedir. Şekil 11 : Prototip EPS Sistemi SDHU SDHU isterleri yeni gündeme gelen olası görev yüklerine göre tekrar belirlenecektir. Detay tasarım ve masaüstü model çalışmaları bu doğrultuda değiştirilecektir. Bununla beraber genel yapısı ve fonksiyonal çalışma tarzı (Şekil 12) belirlenmiş ve kavramsal tasarımı tamamlanmıştır. Şekil 12 : Prototip SDHU Sistemi 8

9 SONUÇLAR Projenin ilk çalışma döneminde yapılan sistem mühendisliği ve ön tasarım çalışmaları sonucunda uydu busı ve yönelim kontrol eyleyicileri [1,2] ön prototiplendirme çalışmaları bitirilmiştir. Ayrıca sistemin yapısal ve yönelme, kontrol modellemeleri tamamlanmış[1] ve göreve uygunluk analizleri bitirilmiştir. Bu amaç için görev yükü ve platform simülasyonu için gerekli SIL (Yazılım destekli simülasyon) altyapısı oluşturulmuştur[1]. İTÜ psat II platformunun temel alt sistemler ve ana bileşenlerinin masaüstü ve uzay ortamı test prototip çalışmaları hala devam etmektedir. Kaynaklar [1] Üre, N. K., Sarı, Ö., İnalhan, G., Nano Uydular için Yüksek Hassasiyetli Yönelim Kontrol Sistemi : İTÜ psat II Projesi,III., Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir (Bildiri Özeti Kabul İçin Sunuldu) [2] Koyuncu, E., İnalhan G., Nano Uydular için Düşük Maliyetli Yıldız İzleyici Tasarımı ; İTÜ psat II Uydusu Yıldız İzleyici Sistemi,III., Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir (Bildiri Özeti Kabul İçin Sunuldu) [3] Başkaya, E., Hacıyev, Ç., İnalhan G., Manyetometre Ölçümlerine Göre Küçük Uydu Yönelim Dinamiğinin Genişletilmiş Kalman Süzgeci Temelli Kestirimi, III. Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir (Bildiri Özeti Kabul İçin Sunuldu) [4] Kurtuluş, C., T. Baltacı, Toktamış, B., Akbulut, İ., Haktanır, O.O., İnalhan, G., Ünal M.F. ve Aslan A.R., İTÜ psat I: Getting Ready For Launch, Proc. of International Workshop on Small Satellites, İstanbul, Türkiye, [5] Kurtuluş, C. ve İnalhan, G., Analysis of İTÜ NXG I Next Generation Technology Demonstrator from a Controls Perspective, Proc. Of 7th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems, Tralee, İrlanda, [6] Kurtuluş, C., Baltacı T. ve İnalhan, G., A Next Generation Test-Bed for Large Aperture Imaging Applications, Proc. of 21 st Annual Conference on Small Satellites, Logan, ABD, [7] Kurtuluş, C., İmre, S.M., Yüksel G. ve İnalhan, G., Technology Drivers and Challenges For Next Generation Distributed Spacecraft Systems, 3 rd International Conference on Recent Advances in Space Technologies, İstanbul, Türkiye, [8] Kurtuluş, C., Baltacı, T., Ulusoy, M., Aydın, B.T., Tutkun, B., İnalhan, G., Çetiner-Yıldırım, N.L.O., Karyot, T.B., Yarım, C., Edis, F.O., Haciyev, C., Aslan, A.R. ve Ünal, M.F., İTÜ-pSAT I: Istanbul Technical University Student Pico-Satellite Program, 3 rd International Conference on Recent Advances in Space Technologies, İstanbul, Türkiye,