Construcción y validación de un simulador solar para verificación de algoritmo de actitud en Cubesats en órbitas LEO.

Abstract

El crecimiento sostenido de las misiones espaciales ha posicionado al Cubesat como una interesante opción para la entrada al mercado espacial. Un Cubesat pertenece a la categoría de nanosatélites, específicamente, es un cubo de lado 10 [cm] que por su tamaño es una alternativa económica para alcanzar el espacio. Lamentablemente, los Cubesat son equipos con alta tasa de falla, particularmente en los subsistemas de energía (EPS o “Electrical Power Systems”) y telecomunicación (TT&C o “Telemmetry, Tracking and Command”), donde la evidencia concluye que aumentar los ensayos es mejor que dotar al satélite de subsistemas redundantes. Dentro de los ensayos necesarios para la validación del satélite se encuentran los ensayos de actitud que tienen estricta relación con los subsistemas de energía y telecomunicación. Un banco de ensayos comercial para la verificación del subsistema de actitud incluye un simulador solar, un simulador de campos electromagnéticos y rodamientos de aire y su costo total excede los USD $20.000. Con el fin de mantener los Cubesat como una alternativa viable económicamente, en la presente Memoria de Título se trabaja en el diseño, construcción y validación de un simulador solar para verificación del algoritmo de actitud, considerando presupuesto acotado y una implementación en un tiempo máximo de un semestre académico. Utilizando la metodología de cascada para la concepción de producto se proponen diferentes bancos de ensayo y bajo reuniones con stakeholders se define el banco de ensayos a implementar. El simulador es montado en el Laboratorio de Técnicas Aeroespaciales y su funcionamiento se basa en la interacción de engranajes accionados por motores paso a paso. El sol es simulado por luces LED de 10 [W] de espectro completo controladas a través de relays con la plataforma Arduino. Con el fin de verificar el banco de ensayos se realizan dos pruebas básicas de funcionamiento adquiriendo datos con un dispositivo que emula un satélite. Las pruebas confirman la funcionalidad del banco de ensayos como un sistema total, contando con motores que realizan los movimientos suavemente y una luz de espectro completo funcional a las aplicaciones requeridas, además de una estructura acorde a las exigencias. Posteriormente, se discuten dos alternativas para realizar pruebas de órbita para finalmente implementar un código basado en la librería AccelStepper sacando el provecho de las funcionalidades de posición y referencia de los motores.

The continuous growth of space missions has positioned Cubesats as an intriguing option for entry into the space market. Cubesats belong to the Nanosatellites category, characterized by their compact size of a 10 cm side, making them an economical choice for space exploration. Unfortunately, Cubesats have shown a significantly high failure rate, with the “Energy Power Subsystems (EPS)” and “Telemetry, Tracking and Control Subsystem (TT&C)” being critical subsystems prone to failure. Studies indicate that improving testing procedures is more preferable than incorporating subsystem redundancy to enhance satellite reliability. Among the essential tests for satellite validation,“ Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS)” testing is crucial and directly related to the performance of EPS and TT&C subsystems. Traditional ADCS testbeds, equipped with a sun simulator, electromagnetic field simulator, and air bearing, often incur costs exceeding $20,000 USD. In an effort to maintain Cubesats as an economically viable option, this Memoria de Título focuses on the design, construction, and validation of a sun simulator for ADCS algorithm verification. The objective is to achieve comparable functionality within a reduced budget and a maximum implementation time of one academic semester. By implementing Waterfall Methodology different testbed designs are conceived to be discussed with stakeholders members. Finally the definitive testbed is designed under the approbation of the members. The testbed is built at Laboratorio de T´ecnicas Aeroespaciales and its functioning is based on the interaction of gears actuated by stepper motors. The Sun is simulated by LED lights of full spectrum controlled through relay with Arduino platform. To verify the functioning of the testbed two basic tests were executed. In a way to verify the testbed as a costumer, a satellite equiped with light sensors and an Arduino was constructed and used to obtain results of the light emission. These tests effectively verified the functionality of the testbed as a whole system including smooth operation motors and a full spectrum LED chosen to meet specific requirements. Subsequently, a discussion of two alternatives to excute orbit test defined the option to develop. A code based on AccelStepper library is implemented. This choice was driven by the desire to maximize the potential of the library, particularly in terms of achieving accurate position referencing and optimal motor speed control.