HB9HSLU
Amateurfunkverein der Hochschule Luzern
In Zusammenarbeit mit dem Swiss Space Centers, der EPFL, dem Institut für Geodäsie der ETHZ, der HSR und der HSLU wird der klein Satellit CubETH entwickelt. Mit diesem klein Satelliten soll die Genauigkeit von low-cost Commercial-offthe-Shelf (COTS) golbal navigation satalitte systeme (GNSS) Receiver erprobt werden. An der HSLU wird die Payload Elektronik entwickelt, welche aus zwei Teilen besteht. Zum einen besteht sie aus einem Mikrocontroller Board und zum andern aus einem Receiver Board. Ziel dieser BDA ist es den Hochfrequenz Pfad der GNSS Receivern zu simulieren und mit generierten GNSS Signalen zu testen. Weiter gilt es ein Testkonzept zu erarbeiten und diese durchzuführen. Daher müssen vorgängig die beiden Payload Boards gefertigt werden.
Da diese Arbeit auf diverse Bachelorund Semsterarbeiten aufbaut, war es zuerst nötig, sich in dieses sehr umfangreiches Projekt einzuarbeiten. In einem ersten Schritt ging es darum den HF Pfad zu simulieren. Dafür musste dieser zuerst vom Altium Designer ins Micro-wave-office übernommen werden. Danach wurde die Geometrie des Pfads weiter optimiert bevor sie mit einem EM-solver simuliert wurde. Nachdem der Pfad den Erwartungen entsprach, musste wieder der Weg zurück in den Altium Designer gemacht werden. Diese Portierung des HF Pfades war jeweils zeitaufwändig da die komplette Geometrie neu erstellt werden musste. Weitere Anpassungen gab es auch bei den Flash Bausteinen des Mikrocontroller Boards. Bei diesem gab es Probleme mit den redundanten Flash Bausteinen sobald nur einer der Beiden aktiv war. Da der Weltraum zusätzliche Anforderung an die Elektronik stellt, muss diese strenge Bedingungen erfüllen. Um sicherzustellen, dass der Satellit in der rauen Umgebung des Weltraums einwandfrei und über die geforderte Zeit funktioniert, wurde ein Umfassendes Testkonzept entworfen. Viele Tests sind jedoch nur im Verbund mit dem kompletten Satelliten möglich oder können nicht an der HSLU durchgeführt werden, daher konnten nicht alle Tests während dieser Arbeit gemacht werden.
Die Hochschule Luzern entwickelt die Payload für einen PicoSatelliten, der mittels GNSSEmpfänger seine eigene Position berechnet. Die Payload Firmware besteht aus einem Bootloader und der Payload-Software, die ein RTOS und die Software-Module umfasst, welche das Experiment ausführen. Während des Entwicklungsprozesses in den vorangegangenen Semestern wurden nur Subsets von Modulen implementiert und getestet. Dies führte dazu, dass keine zuverlässige Funktionalität des Satelliten bereitgestellt werden konnte. Das Ziel dieser Arbeit war es, die vorhandenen Module zu prüfen und miteinander zu verknüpfen, um eine zuverlässige Funktion des Satelliten zu gewährleisten. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit wurde der Quellcode mit Codeanalyse Tools wie PC-Lint analysiert.
FreeRTOS (freertos.org) bietet statische Memory allocation, wie das bisher verwendete RTOS uC / OSII (micrium.com), und ermöglicht die Verwendung von SEGGER Systemview (segger.com). SystemView ist ein mächtiges Tool um das Laufzeitverhalten eines Systems aufzuzeichnen. Daher wurde uC / OSII mit FreeRTOS ersetzt. Nach der Analyse der bestehenden Software wurde das Software Konzept geändert, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Zuerst wurde die Kommunikation zum CDMS (Command and Data Monitoring System) überarbeitet und vereinfacht. Da diese wichtig ist um der Payload Kommandos zu senden. Danach wurden der Measurement Task und die Kommunikation zu den GNSSEmpfänger analysiert und erweitert. Weil im Weltraum kein Physikalischer Zugriff zum Satelliten möglich ist, ist es wichtig, Fehler und Events zu loggen. Deshalb wurde die Message Handling Unit analysiert und verbessert sodass eine bessere Logging-Funktionalität zur Verfügung gestellt wird.
Am Ende dieser Arbeit konnten die Hauptmodule aktiviert und ihre Grundfunktionen bereitgestellt werden. Diese beinhaltet ein Scenario zu starten, welches mit den GNSSEmulatoren läuft. Um die Wartbarkeit und Fehlerbehebung im All zu gewährleisten wurden die Message Handling Unit und die Remote-Shell
The Lucerne University of Applied Science and Arts is developing the Payload for the CubETH. The CubETH is a picosatellite that has the goal to determine the orbit and the altitude with the use of GNSS receivers, which are a part of the Payload. Because there is no physically access to the hardware when it’s in the orbit, it requires a bootloader and remote firmware update functionality. Additionally, this firmware needs to be tested and verified before launch. The goal of this thesis was to change the development environment, so that it’s possible to use GNU tools in future projects to test and verify the firmware and to improve the existing firmware update process.
The payload software and the uBootloader has been moved in a first step from a proprietary development environment (IAR) to a more modern one (Eclipse with GNU). To have again comparable code size, the applications were optimized. In a second step, the firmware update process was improved. For this, a batch file is implemented to adapt the image file for upload. To have the ability to upload just a patch, a console application is developed from scratch to generate a image file with the difference between two application versions. Also a new image file format is introduced, which is better handled by the used tools. The result of this thesis makes a solid foundation to continue the development on this project, and additional GNU tools can be used in future to verify and test the firmware before launch. The firmware update process has two modes, the full update and the patched update. With the new developed console application just
Based on prototypes from previous projects a redesign of the receiver board was developed. The new design is engineered with ten COTS GNSS receivers, power fault protections and is designed for the flat sat integration. Also a radio frequency (RF) path with an amplifier and a splitter for the GNSS signals was designed and integrated. The RF path support GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou and the Galileo GNSS signal. Two receiver each are connected to one antenna, so it is possible to measure two different GNSS systems from one antenna. Additionally to the receiver board the main (controller) board was updated to control all new available functionality from the receiver board. New functionality are six more GNSS receivers, power fault protection for each GNSS receiver and memory devices and power fault feedback lines from each of the protection circuit. The connection between the two boards are inside the mounting structure with a stack height of 4mm.
The CubETH project was initiated by the Geodesy and Geodynamics Lab of the ETH Zurich with the goal of determining the correct altitude and orbit of a CubeSat picosatellite. The Lucerne University of Applied Sciences and Arts has been assigned the task of designing the payload of the satellite which carries out the scientific experiment. For the development of the algorithm calculating the desired scientific result data from the data gathered by the GNSS receivers, a test utility is needed which allows the payload to be fed with raw data expected in space. A test environment should be able to execute automated tests of the payload. The functionality of the watchdog needs to be updated and tested. To preserve energy, the use of a sleep mode, alongside other concepts for energy efficiency, have to be implemented. In order to make software updates during the mission, a multi-level boot loader must be implemented.
A UBX emulator which emulates the data interface of a GNSS receiver is created. The emulation is carried out on a separate hardware for each receiver to be emulated. The data is read from an SD card which makes the handling of the UBX emulator easy. The emulator software is driven by an operating system and allows for request based and real time synchronization. For the test environment, all elements needed for testing are assembled to a single test utility to guarantee simpler handling. Moreover, a ground station emulation allows the operation of the payload by sending requests for scenarios and test operations to be executed. The software running on the payload was enhanced by functions which simplify the handling of the data received from the GNSS receivers. A new boot loader concept reduces the amount of data transmitted for a software update in space. It does this by only sending the changes made to the code instead of the whole code for the application. Multiple methods were found which reduce the power consumed by the payload.
The aim of project CubETH is to realize a satellite according to the CubeSAT standard that is able to determine its exact position in space with an accuracy of one meter using commercial GNSS receivers.
With almost every satellite project, the downlink is of highest mission priority. This lies in the nature of not having sufficient power onboard the satellite to transmit information at high power levels and limited opportunities for high-gain antennas. The same is the case with CubETH.
In order to get as much out of the incoming signal strength at the ground station, the antenna system follows the satellite orbit using the so called Keplerian Elements. Although quite accurate, these elements specify where the satellite can be seen at a specific time. Due to atmospheric phenomenon such as bending and reflection the radio wave line of sight differs from that. Therefore, three concepts for closed loop control of the antenna mover systems are suggested. All concepts are thoroughly described and an implementation solution is provided for each concept. Finally, the concepts are compared and the best promising is further investigated.
The most promising concept, beam splitting, uses radar monopulse technique and has the great benefit that the sum signal (all four UHF antennas combined) is available simultaneous with the error signal generated. Therefore, the antenna system can be adjusted at the same time while data is sent and received. This concept is tested by means of a proof of concept. It involves a microwave combining network arranged out of four Rat-Race Hybrid couplers that generate the error signal.
The CubETH is a pico-satellite of the size of 10 to 10 to 10 centimeters. Such CubSats can be carried as secondary load of rockets to the low earth orbit. CubETH’s main mission goal is to measure its position in space with one meter accuracy and its exact attitude, too. Therefore, GNSS receivers are placed on the payload board of the satellite. A well performing space link is mission critical, since scientific data has to be downlinked for analysis. On the other hand, measurement commandos and software updates have to be uplinked. The SwissCube currently in space uses a radio amateur protocol, which performes not very reliable. This time, the communication system should not be the bottle neck anymore.
A professional space link conform to ECSS/CCSDS standards brings some obvious advantages. The main one is the forward error correction feature, which is essential for a good performing space link. Especially at the downlink, where the sent signals face the earth, there are many possible sources of signal interferences. They can result in single or burst errors during the transmission. Only one bit error makes a complete packet unusable. Forward error correction is capable of not only detecting such errors, but also correcting them. The Bit Error Rate (BER) in dependency of the Signal-to-Noise Ratio (SNR) can be lowered. The end product of this work is the CubETH TMTC modem, which implements the by the standards recommended coding layer. The transfer layer is not completely standard conform, some features have been omitted, in order to reduce data overhead. The modem uses the soundcard to interface the transceiver. Therefore, FSK modulation, demodulation and bit synchronization have been topics of this work, too.
Ein Frosch Ei (Oozyte) in der Schwerelosigkeit, das ist das Ziel des CC ABSAT. Um gesundheitliche Risiken für Astronauten während Langzeitmissionen abzuschätzen, werden in der Schwerelosigkeit die Einflüsse auf die inneren physiologischen Abläufe in den Zellen untersucht. Es wird eine Apparatur erstellt, welche in eine Höhenforschungsrakete des Programm Raketen Experimente für Universität Studenten (REXUS) eingebaut wird. Im Projekt benötigt es neben dem Knowhow für die biologischen Abläufe im Experiment, auch das wissen die Payload mechanisch und elektronisch an die Anforderungen für das Experiment auszulegen. Das selbe Experiment wurde bereits in einem Airbus Zero-G durchgeführt. Da beträgt die Dauer der Schwerelosigkeit 20 Sekunden in einer Rakete werden bis zu fünf Minuten Schwerelosigkeit möglich. Der Platz in einer Rakete ist beschränkt, was bedeutet, dass aufgrund von mehr Messeinheiten die Elektronik für das Auslesen der Messdaten verkleinert werden muss.
Um das Konzept zu erstellen, wird eine Anforderungsliste mit dem CC ABSAT ausgearbeitet. Aufbauend auf den Anforderungen und den Vorstellungen wird eine funktionale Analyse erarbeitet. Durch die definierten Funktionen kann die Funktionsanalyse sowie das detaillierte Konzept erstellt werden. Es ist ein Konzept (Abbildung 1) erstellt, welches mit serieller Kommunikation zwischen den elektronischen Modulen auf der Payload aufgebaut ist. Um die Kommunikation mit der Bodenstation zu gewährleisten, wird das von REXUS verwendetet Telemetrie System benutzt. So werden die Daten von der Rakete zur Bodenstation während dem Flug gesendet. Die Temperatur wird mit Temperatursensoren, welche eine Auflösung von 0.1°C aufweisen gemessen. Die Beschleunigung wird am Start mit einem ±24g Sensor und in Mikrogravität mit einem ±2g Sensor mit 1mg Auflösung gemessen. Es finden 6 Messboxen mit Oozyten auf der Payload Platz. Je drei Messboxen pro Messschublade (Abbildung 3). Die Spannung über dem Ei wird durch eine Operationsverstärkerschaltung mit 0.1mV Auflösung gemessen. Der Strom durch den Oozyten wird mit einem Strom-Spannungswandler und einem Operationsverstärker im nABereich aufgelöst und hat einen Messbereich von 100nA bis 20μA. Der Nährlösungsfluss wird mit einer Konduktivitätsmessung überprüft. Die Anordnung und Schnittstellen sind mit der Maschinentechnik abgesprochen.