Status do Projeto

Novidades no projeto ITASAT

Atualmente, o desenvolvimento do nanossatélite ITASAT-1 está no pacote de trabalho 3 (WP3 Integração do EM) da Figura 1.

figura1

Figura 1 - Estrutura de Divisão de Trabalho do ITASAT-1

 

A seguir serão apresentadas algumas das atividades realizadas no momento.

 

Gerenciamento e Garantia do Produto

Para organizar as atividades a serem executadas dentro do Pacote de Trabalho WP3.1, Integração e Testes dos Subsistemas, foram elaborados diagramas de rede que representam o início, meio e fim de cada atividade e também possibilita verificar quais equipamentos para teste são necessários em cada etapa. Nele é possível visualizar o andamento de cada atividade, permitindo um maior controle de eventuais atrasos. A Figura 2 abaixo ilustra o diagrama de rede do subsistema de potência.figura2

Figura 2 - Exemplo de diagrama de rede do subsistema de potência

 

Desenvolvimento do software de banco de dados de componentes ITASAT

Está sendo desenvolvido um software de banco de dados cujo propósito é armazenar informações a respeito de componentes e materiais adquiridos pelo projeto ITASAT. O objetivo é facilitar a organização dos componentes, tornando mais simples saber se determinado componente encontra-se em estoque, se necessita ser adquirido, facilitando também a troca de informações com outros membros do projeto que se encontram em outros locais. Este programa está sendo desenvolvido em linguagem Java e faz parte das atividades de suporte para o grupo de garantia do produto, que são responsáveis pelo controle dos materiais, componentes e equipamentos do projeto.

figura3

Figura 3 - Tela da interface do software de banco de dados do projeto ITASAT

 

Montagem, Integração e Teste (AIT - Assembly, Integration and Test)

Nos últimos meses, o ITASAT-1 passou por algumas alterações referente ao modelo de integração anteriormente proposto, devido aos seguintes fatores:

  • A não utilização de um GPS comercial, devido as dificuldades de compra;
  • Alteração no posicionamento do DCS;
  • Redução de 2 placas para 1 placa de expansão do computador de bordo;
  • Inserção de placas de interface IGIS e BOB; e
  • Dimensionamento correto das antenas.

A Figura 4 ilustra a atual disposição dos equipamentos do nanossatélite ITASAT-1 e a Figura 5 ilustra o modelo 3D atualizado segundo a nova disposição.

figura4

Figura 4 - Atual configuração do ITASAT-1

 

figura5

Figura 5 - Modelo 3D do ITASAT-1

 

Verificação

Um dos objetivos do projeto ITASAT é a utilização do conceito de Validação e Verificação. Partindo desse princípio, foi elaborado o Plano de Verificação para o ITASAT-1, que contém as atividades a serem realizadas, os métodos, níveis e etapas, filosofia e matrizes de verificação. Além de atender um dos objetivos do projeto, o Plano de Verificação tem como objetivo garantir que todos os requisitos de projeto e desempenho sejam cumpridos. A filosofia de verificação adotada é ilustrada na Figura 6 e o exemplo de uma das matrizes de verificação a ser utilizada é representada na Tabela 1.

figura6

Figura 6 - Filosofia de verificação

 

tabela1

Tabela 1 - Matriz de verificação para o EPS

 

Plataforma - Desenvolvimento do Satélite

Projeto Estrutural

Cumprindo com um dos objetivos de formação de recursos humanos e nacionalização dos componentes do satélite, está sendo desenvolvido, para futuras missões, uma estrutura 6U. Os resultados apresentados abaixo foram realizados por um dos colaboradores do projeto, sendo tema do seu trabalho de conclusão de curso em Engenharia Industrial Mecânica. A Figura 7 apresenta a estrutura discretizada e as Figuras 8 e 9 apresentam os resultados da simulação para análise de deslocamento e análise de tensão, respectivamente, desta estrutura.

figura7

Figura 7 - Estrutura discretizada: projeto para nacionalização da estrutura 6U

 

Resultados:

Análise de deslocamento:

figura8

Figura 8 - Resultado da análise de deslocamento para uma força de 80N

 

figura9

Figura 9 - Resultado da análise de tensão para uma força de 80N

 

O Sistema de Energia Secundário do Projeto ITASAT-1

Dentro do escopo do projeto, a bateria é definida como uma fonte de energia secundária para o ITASAT-1, uma vez que sua utilização é requisitada apenas em momentos de eclipse e algumas poucas vezes durante o dia; neste caso, quando a curva de consumo de potência supera a curva de geração de energia dos painéis. Esta demanda de energia diurna geralmente ocorre apenas em curtos intervalos de tempo e são denominados de pico de consumo. Atualmente, os estudos do projeto estão focados em analisar os seguintes parâmetros da bateria:

  • Capacidade: refere-se a quantidade de potência que uma bateria pode fornecer a um dispositivo eletrônico, ou circuito, durante um determinado tempo. No projeto, este parâmetro indica por quanto tempo a bateria é capaz de fornecer energia para um modo de operação específico do satélite.
  • Perfil de carga: refere-se ao tempo necessário para que ocorram reações química dentro da bateria de forma a reestabelecer seu potencial voltaico a partir de uma corrente aplicada sobre seus terminais. A potência elétrica utilizada para carga da bateria é a energia excedente gerada pelos painéis solares durante o tempo em que há incidência de raios solares sobre sua superfície.
  • Perfil de descarga: é o comportamento da potência em função do tempo observado na bateria quando esta é utilizada para fornecer energia a um circuito externo.
  • Profundidade de descarga: representa a porcentagem de descarga máxima da bateria considerando sua capacidade máxima. Este parâmetro está diretamente relacionado a quantidade de ciclos de carga/descarga possíveis em uma bateria e sua vida útil.

De acordo com as definições de projeto, o ITASAT-1 deverá utilizar a bateria NanoPower BP-4 (Figura 10), da fabricante GOMSPACE. As principais características desta bateria são apresentadas na Tabela 2.

Figura 10 - Bateria NanoPower BP-4 a ser utilizada no ITASAT-1

 

tabela2

Tabela 2 - Principais características da bateria NanoPower BP-4

 

Tendo em vista os parâmetros apresentados e as características de bateria da GOMSPACE, diversos estudos estão sendo desenvolvidos atualmente para o sistema de energia secundário do projeto ITASAT-1. A Figura 11 destaca alguns resultados obtidos. Este estudo, depois de finalizado, deverá compor a documentação final do projeto de energia do satélite.

figura11

Figura 11 - Compêndio das análises de carga e descarga da bateria

 

A seguir, definem-se as curvas apresentadas, iniciando pela imagem superior esquerda.

  • Perfil de geração dos painéis: simulação que indica o comportamento de geração de energia do satélite durante uma órbita específica. No gráfico é mostrado o perfil de geração de energia em cada um dos painéis individualmente. O valor resultante da soma de energia de todos os painéis é destacado;
  • Perfil de consumo: simulação que indica o nível de consumo de potência necessária para que o satélite opere de forma confiável em um modo específico. No gráfico apresentado pode-se observar o perfil de consumo do modo de controle de atitude, sendo o perfil grifado em vermelho a potência de pico e o em azul a potência de consumo média;
  • Balanço de potência: simulação que indica se a geração de energia atende a demanda de potência requerida pelo satélite para um modo de operação específico. Este gráfico visa comparar o perfil de consumo com a geração de energia dos painéis. Estas duas curvas estão grifadas em verde e vermelho.
  • Margem de potência: simulação que indica de forma quantitativa a margem de potência excedida ou necessária para satisfazer a demanda de energia do modo de operação do satélite. Os valores negativos indicam a necessidade de se fornecer mais potência, neste caso a partir das baterias, e os valores positivos indicam a potência gerada excedente. Neste projeto, toda a potência excedente será utilizada para carregar as baterias.
  • Estado de carga da bateria: simulação que indica o comportamento da bateria durante o período de órbita do satélite. Esta simulação está grifada em vermelho.
  • Carga da bateria: simulação que indica o tempo necessário para reestabelecer a carga máxima da bateria. Esta simulação leva em conta a potência excedente gerada pelos painéis.
  • Descarga da bateria: simulação que indica a utilização de potência da bateria durante a órbita do satélite. Esta simulação leva em conta a necessidade de potência adicional a ser gerada pelos painéis e requerida pelo satélite.
  • Profundidade de descarga: simulação que indica o nível máximo de descarga da bateria de forma a atender o consumo exigido por um modo específico de operação do satélite.

Desenvolvimento do software de bordo - Testes e implementação dos drivers de comunicação

NanoMind

Foram realizadas implementações e testes de comunicação entre o NanoMind e o AVR32 utilizando-se o protocolo CSP (CubeSat Standard Protocol) sobre o padrão de comunicação I2C. O NanoMind foi programado para enviar um frame (quadro) de dados ao AVR, utilizando protocolos CSP e I2C, requisitando dados de housekeeping do EGSE do EPS. Ao receber o frame de dados, o AVR o decodifica e envia um frame de resposta contendo os valores simulados de dados de housekeeping da unidade de potência (EPS - Energy Power Supply) para o NanoMind, que recebe este frame de resposta, o decodifica e mostra na tela para o usuário, como na Figura 12.

figura12

Figura 12 - O comando eps hk solicita dados de housekeeping do EGSE do EPS ao AVR

 

figura13

Figura 13 - Frame de resposta enviado do comando eps hk do AVR para o NanoMind, capturado no osciloscópio

 

figura14

Figura 14 -Setup de testes do NanoMind com o AVR32

 

Com a realização de alguns testes, foi possível verificar o funcionamento da requisição de dados de housekeeping do NanoMind com o AVR32 utilizando protocolos CSP e I2C. Também foram realizadas implementações e testes de operações de escrita e leitura, utilizando protocolo I2C, com o EGSE do EPS que foi implementado no LabView. Foi obtido sucesso nos testes em que o NanoMind faz a operação de escrita no LabView como mestre e também na operação de escrita seguida de leitura no LabView, como mestre. As atividades atuais consistem em:

  • Implementar a comunicação I2C do NanoMind atuando como escravo para receber dados;
  • Implementar a comunicação I2C do NanoMind como mestre e escravo para receber dados.

Atividades futuras serão:

  • Desenvolver os drivers e realizar testes com o PWM;
  • Desenvolver os drivers e realizar testes da comunicação SPI;
  • Desenvolver os drivers e realizar testes da comunicação USART.

CubeComputer

Uma das primeiras atividades necessárias para o desenvolvimento do software do OBDH, foi o desenvolvimento de drivers básicos para controle de periféricos, tais como UART, I2C, SPI, etc. O CubeComputer, computador utilizado para as funções do OBDH, foi fornecido pelo fabricante com implementações default desses drivers; dessa forma, foi necessário realizar uma refatoração desse código-fonte legado, permitindo assim que o CubeComputer e seus periféricos funcionem de maneira customizada às necessidades do ITASAT-1. Como exemplo das atualizações realizadas na implementação default dos drivers, temos a implementação do driver de controle da interface I2C. Na implementação recebida do fornecedor do CubeComputer, era possível a utilização da interface I2C ou como Master ou como Slave, porém, por requisitos do projeto, era necessário que essa interface funcionasse em modo Multi-Master; assim, o driver de controle desse barramento foi reimplementado. A Figura 15 mostra um pouco do ambiente de desenvolvimento utilizado pela equipe e uma pequena parte do código desenvolvido para a interface I2C.

figura15

Figura 15 - Ambiente de desenvolvimento utilizado pela equipe

 

O software do OBDH vem sendo implementado utilizando um sistema operacional (FreeRTOS), o que permite a implementação de diferentes módulos de software que são então executados de maneira concorrente pelo computador de bordo. Esse controle em concorrência é feito pelo FreeRTOS e permite que sejam definidas prioridades de execução para os diferentes módulos, fornecendo uma garantia de que mesmo com grande quantidade de trabalho, o OBDH execute as funcionalidades vitais do sistema (maiores prioridades). Até o momento foram desenvolvidos os seguintes módulos previstos para o ITASAT-1:

  • Módulo de debug via terminal: execução de comandos enviados via interface de debug;
  • Módulo de controle de tempo a bordo: responsável por manter o horário do sistema a bordo;
  • Módulo de beacon: responsável por coletar e transmitir todas as informações previstas (quando disponíveis), que compõem o frame de beacon, periodicamente.

Atualmente, cada módulo desenvolvido já é executado de maneira concorrente com os demais (implementados anteriormente), o que permite que à medida que novos módulos são implementados, é possível verificar o funcionamento do sistema como um todo. A Figura 16 apresenta o módulo de debug em funcionamento e a execução de alguns comandos pertencentes ao módulo de controle de tempo.

 

figura16

Figura 16 - Execução do sistema de debug

 

A Figura 17 apresenta o atual setup de equipamentos que vem sendo utilizado no desenvolvimento do software do OBDH.

figura17

Figura 17- Atual setup de equipamentos

 

AVR32

Foi desenvolvido o software da placa de sensores - uma versão bem próxima da final, que será utilizada no satélite - responsável por captar os dados do girômetro, magnetômetro e acelerômetro e então enviá-los ao CubeComputer. Esta placa é também responsável por medir a radiação gama e radiação X percebidas pelo satélite. Para este software também foi desenvolvida uma biblioteca que contém os defines utilizados para que seja fácil fazer as mudanças necessárias uma vez que for decidido quais os pinos do processador AT3UC3C0512C que serão utilizados no satélite. Este software foi testado com um outro programa criado apenas para simular funções específicas que serão realizadas pelo CubeComputer.

figura18

Figura 18 - Setup de testes do software da placa de sensores

 

Na imagem acima, (1) é o kit que contém o software que simula o CubeComputer, (2) é o kit com o software da placa de sensores, (3) é o GY-85, que possui os 3 sensores utilizados, (4) é um osciloscópio e (5) uma protoboard que contém os barramentos da comunicação I2C. Em paralelo foi finalizado o projeto da placa de circuito impresso (PCB) da placa de sensores, como mostra a Figura 19 abaixo. A Figura 20 mostra o resultado dos testes em bancada dos elementos sensores (raio X e raio gama).

figura19

Figura 19 - Layout da placa de sensores - experimento proposto pelo ITA

 

figura20

Figura 20 - Resultados do teste de polarização dos diodos de recepção de raios X e raios gama realizados em bancada

 

Electronic Ground Support Equipments - EGSEs

Desenvolvimento do EGSE do EPS, que foi dividido em módulos (subvis), sendo um programa específico para cada função:

  1. Recebimento de dados - foi desenvolvido um VI para se receber os dados (comandos) do NanoMind;
  2. Decodificação - foi desenvolvido um VI para separar as informações do cabeçalho CSP dos demais dados recebidos;
  3. Identificação - os dados obtidos do cabeçalho CSP são comparados com um banco de dados para se identificar qual comando foi recebido (Figura 21);
  4. Estrutura de respostas - foi desenvolvido uma estrutura para se montar as respostas a serem enviadas; em caso do comando não pedir uma resposta se utilizar uma flag para demonstrar que o comando foi acionado.
  5. Envio de resposta - foi desenvolvido um VI para se enviar dados (respostas) ao NanoMind (Figura 22).

figura21

Figura 21 - Identificação do comando

figura22

Figura 22 - Envio de dados ao NanoMind

 

Utilizando o AVR32, também está sendo desenvolvido um software para testar os comandos do EGSE do EPS (Electric Power System) para simular o NanoMind e verificar se todos os comandos do equipamento estão agindo como o esperado.

figura23

Figura 23 - Setup de testes do software do EGSE do EPS

 

Segmento Solo

Rastreios dos satélites

As atividades de rastreio e controle do satélite NCBR-1 permanecem sendo executadas na estação ITA. Isto se deve às contínuas tentativas para recuperar dados de carga útil do cubesat e manter a rotina de rastreios para treinamento dos operadores da estação. Também para manter a estação em operação, outros satélites são diariamente rastreados, como o QB50-P2. Foram realizadas tentativas para rastreio do satélite AESP14 e outros que utilizam o mesmo tipo de modulação, sempre visando a capacitação e treinamento dos operadores.

figura24

Figura 24 - Tela dos programas de rastreio de satélites alguns minutos antes da passagem do NCBR1

 

Definição dos requisitos do software de operação e controle da estação solo

Os requisitos do software de controle e operação da estação solo foram elaborados. Para este fim, foi utilizada a ferramenta FreeMind, que possibilidade a criação de um mapa mental para facilitar a visualização dos requisitos. Entre eles, destacam-se:

  • O software deve ter um banco de dados de telecomandos;
  • O software deve ter uma interface gráfica para utilização do operador;
  • O software deve converter os dados brutos de telemetria em dados de engenharia;
  • O software deve acessar os rádios da estação utilizando o protocolo TCP/IP.

figura25

Figura 25 - Mapa mental utilizado para auxiliar na definição dos requisitos do software de controle e operação da estação solo (Clique para ampliar)

 

Coordenação de frequência

Em dezembro de 2014 foi efetuada pela IARU a coordenação de frequência do ITASAT-1 (Figura 26). A publicação pode ser acessada em http://www.amsat.org.uk/iaru. Os próximos passos a serem executados consistem em fazer o registro de frequência na Anatel, que por sua vez efetua o registro na ITU.

figura26

Figura 26 - Imagem do site da IARU com a coordenação de frequência do ITASAT-1 (clique para ampliar)