Úvodom
Hoci sme o družici snívali už dlho, samotný jej vývoj oficiálne započal až v roku 2011. Po viacerých úspešných misiách stratosférických balónov JULO sme čoraz viac túžili prekonať hranicu vesmíru. Družica skCUBE začala byť pre nás veľkým snom, ako túto métu dosiahnuť.
Projekt začal od nuly, nemali sme tím, financie a ani partnerov. Iba náš sen. Dokonca aj počas projektu sa vyskytlo množstvo problémov, kde by možno viacerí z vás buchli dverami a odišli. Naše odhodlanie a túžba dosiahnuť cieľ, bola však taká silná, že sa nám všetko podarilo preklenúť a dnes sa môžeme pozerať na hotový satelit, ktorý je pripravený na cestu do vesmíru.
Veľakrát sa stretávame s otázkou, aký to má vlastne celé zmysel, veď vesmírneho odpadu je na obežnej dráhe Zeme dosť a predsa „chleba lacnejší nebude“. Áno, dala by sa o tom viesť dlhá polemika, ale my vidíme viacero veľkých prínosov, ktoré dokazujú, že tento projekt zmysel má.
- Vedomosti – pri konštrukcii satelitu sme šli cestou vlastného vývoja komplet celého satelitu. Navrhli sme a skonštruovali dosky plošných spojov, nakreslili sme si 3D model satelitu, naprogramovali softvér. Vyvinuli sme senzory, meracie metódy, testovacie zariadenia a testovacie a kalibračné postupy. Môžeme teda s čistým svedomím povedať, že satelit je komplet naše know-how. Táto tŕnistá cesta, ktorou sme sa vybrali nás naučila veľmi veľa, museli sme prekonať množstvo špecifických problémov. Tieto vedomosti vieme teraz zúročiť pri ďalších projektoch.
- Popularizácia – Slovensko sa stalo pristupujúcou krajinou do Európskej vesmírnej agentúry (ESA) a skCUBE k tomu výsledku významne prispela. A demonštruje to, že do tohto spoločenstva naozaj patríme. Taktiež chceme presvedčiť mladých ľudí, aby študovali technické smery, že sa to naozaj vyplatí a môžu sa časom zúčastniť aj takýchto veľkých projektov.
- Veda – áno, náš satelit bude robiť aj vedu 🙂 Vyvinuli sme unikátny VLF experiment, ktorý bude „počúvať“ frekvenčné pásmo veľmi nízkych frekvencií.
Myslíme si, že je zrejmé, že výskum vesmíru má zmysel, veď množstvo jeho výdobytkov ako GPS, meteorologické informácie, či satelitný príjem televízie využívame denne.
Sila najväčších ekonomík sveta spočíva v tom, že obchodujú s vedomosťami. Investícia do vzdelania a vedy je to jediné, čo nás môže do tohto elitného klubu dostať. Vesmírny program na Slovensku treba nejako začať, a myslíme si, že práve cubesaty sú vhodnou cestou. Nie je to len študentské smetie v kozme, ale je to ideálny spôsob, ako získať know-how a ako robiť lacné kozmické misie so zaujímavými vedeckými experimentami. Uvedomujú si to aj iné štáty. Trend vypúšťania cubesatov, ktorý ukazujú štatistiky, hovorí jasne.
Obr. 1: Nárast počtu vypustených cubesatov
Technická realizácia družice
Palubný počítač (OBC)
Palubný počítač je mozgom celého satelitu, komunikuje s ostatnými perifériami, ukladá informácie do internej pamäte a rozdeľuje úlohy. Je navrhnutý redundantne (zdvojene), teda v prípade zlyhania preberie riadenie záložný systém. Srdcom palubného počítača je procesor z rady MSP430 so statickou architektúrou a pripojiteľnou FRAM-kou kvôli väčšej radiačnej odolnosti. Zlyhanie sa deteguje rovnako radiačne odolným watchdogom, teda súčiastkou, ktorá monitoruje činnosť aktívneho mikropočítača. Unikátnosťou palubného počítača je operačný systém reálneho času (Real-Time Operation System) vlastnej výroby, ktorý kompletne od základu vyvinul náš člen Slavomír Petrík, ktorý momentálne pracuje v Airbus Defence & Space na softvéri pre misiu ExoMARS, ktorá má v roku 2018 poletieť k Marsu. Len na tomto operačnom systéme pracoval Slávo viac ako tri roky.
Obr. 2: DPS palubného PC (OBC)
Komunikačný modul (COM)
Komunikačný modul je rovnako, ako väčšina systémov v družici, realizovaný redundatne. Primárny kanál bude pracovať na frekvencii 437,1MHz, kde sa pomocou protokolu AX.25 budú odosielať telemetrické dáta. Vyvinuli sme aj experimentálny prenos na frekvencii 2401 MHz, kde sa budú odosielať obrázky z palubnej kamery až do rýchlosti 240 kbps. S kolegami Viktorom Ďurčekom a Michalom Kubom z Katedry telekomunikácií a multimédií na Žilinskej univerzite pracujeme na progresívnych metódach kódovania s využitím LDPC kanálových kódov, ktoré zabezpečia spoľahlivý príjem aj pri malom odstupe signál/šum.
Ku komunikácií patria neodmysliteľne aj antény. Tu bolo treba konštrukčne vymyslieť ich vystrelenie po vypustení z kontajnera. Systém funguje tak, že antény sú vo vnútri satelitu zvinuté ako meter a zatvorené sú teflónovými dvierkami, ktoré drží silon. Tento systém musí byť maximálne spoľahlivý. Nemôže dôjsť k predčasnému vystreleniu antén počas letu v rakete a zároveň v správnej chvíli musia rezistory silon prepáliť, čím sa antény vystrelia. Bez antén komunikácia nie je možná. Neverili by ste, koľko rôznych návrhov a meraní sme museli absolvovať, pokiaľ sme našli tú parametricky správnu anténu.
Obr. 3: Zvinuté antény
Obr. 4: Vyžarovací diagram patch antény
Video 1: Test vystrelenia antén
Zaujímavosťou je aj patch anténa na 2,4 GHz frekvenciu, ktorú vyvinul Viktor Képeši z Leteckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach, kde hlavný problém bol v priestorových obmedzeniach a tak patch anténa mohla mať rozmery len 40x40 mm a výšku len 1,5 mm. Aj pri týchto obmedzeniach má slušný zisk 6 dBi a pravotočivú polarizáciu.
Palubná kamera (CAM)
Kamera bude slúžiť na fotografovanie Zeme. Našim cieľom je odfotiť Slovensko z vesmíru. Základom kamery je kvalitný obrazový snímač s rozlíšením 750x480 px a nízkym šumom. Optika má zorný uhol 60° a obsahuje IR (infračervený) a ND (neutral density) filter. O spracovanie obrazu sa stará mikrokontrolér STM32F407, ktorý robí aj celý postprocessing vrátane JPEG kompresie. Zhotovenie snímkov je možné zo Zeme načasovať a uložiť ich do externej FLASH pamäte.
Napájací systém (PSU)
Tento systém zabezpečuje elektrickú energiu pre celý satelit. Získava ju zo Slnka vďaka solárnym panelom, uskladňuje ju v batériách a rozdeľuje ju jednotlivým modulom. Dokáže detegovať zvýšený odber niektorého zariadenia a včas na túto udalosť zareagovať. V prípade nedostatku energie dokáže odpojiť systémy, ktoré nie sú nutné pre základné fungovanie satelitu. Návrh tejto dosky plošného spoja trval približne dva roky a z celého satelitu je azda najzložitejšia. DPS má 6 vrstiev a na veľmi malý rozmer musel Martin Magyar z firmy RMC zmestiť takmer 1000 súčiastok.
Napájací systém vyvinula od základu firma RMC, s.r.o. z Novej Dubnice. Na veľtrhu EloSyS získali s týmto výrobkom cenu „Unikát roka 2015“.
Firma RMC taktiež v spolupráci so Slovenskou zdravotníckou univerzitou, konkrétne s Univerzitným vedecko-výskumným pracoviskom s lineárnym urýchľovačom, zabezpečila radiačné meranie kritických komponentov pre družicu.
Nie všetky súčiastky sme si totiž mohli dovoliť zakúpiť v „kozmickej kvalite“. Všetky ostatné preto absolvovali radiačné testy, aby sme vedeli, čo od nich môžeme očakávať ako aj približnú dobu ich životnosti. Na základe týchto výsledkov muselo dôjsť aj k niektorým zmenám v návrhu družice.
Obr. 5: Zdroj RMC ako unikát roka 2015
Systém stabilizácie a orientácie (ADCS)
Na zisťovanie orientácie v priestore používame viacero senzorov: magnetometer, gyroskop, sunsensor a earthsensor.
Magnetometer a gyroskop sú malé SMD súčiastky s MEMS štruktúrou, ktoré však pre potreby merania treba presne nakalibrovať. Pre kalibráciu magnetometrov sme využili sústavu helmholtzových cievok a presný fluxgate magnetometer, dáta boli spracované kalibračným algoritmom s využitím neurónových sietí.
Špeciálnou súčiastkou je Sun-sensor, ktorý dokáže presne určiť polohu družice voči Slnku. Slnko je totiž vo vesmíre jednoznačný oporný bod. Základom je duo-lateral PSD detektor a následné spracovanie pomocou AD prevodníka. Tento senzor vyvinul náš člen Robert Lászlo.
Obr. 6: Skonštruovaný sunsensor
Posledným snímačom na zisťovanie polohy je Earthsensor. Je to vlastne termokamera s rozlíšením 16x4 pixelov, ktorá dokáže na základe teplotného rozdielu detegovať horizont Zeme.
Vhodnou fúziou týchto snímačov vieme zistiť polohu a orientáciu satelitu v priestore. Družica po vypustení z raketového nosiča naberie prvotnú, náhodnú rotáciu, ktorú je potrebné vykompenzovať a satelit stabilizovať. Na zastavenie rotácie sa využíva algoritmus B-dot, ktorý na základe derivácie magnetického poľa privádza impulzy do akčných cievok.
Akčné cievky sú elektromagnetické cievky s jadrom, ktoré po privedení prúdu interagujú s magnetickým poľom Zeme a dôsledkom tejto interakcie je zmena orientácie satelitu.
Veľkým problémom týchto cievok býva hysteréza samotného jadra, ktorá spôsobuje remanentný magnetizmus, ktorý potom ovplyvňuje samotné meranie magnetometrom. Kolegovia z Leteckej fakulty TUKE majú bohaté skúsenosti s magnetickými materiálmi a tak nám vyrobili jadro s extrémne malou hysteréznou slučkou. Vytipovanie vhodných materálov, počítačové simulácie, merania, testy a nakoniec výroba jadra, navinutie drôtu a zaliatie cievok trvalo približne rok.
Chceme sa preto poďakovať doktorandom Leteckej fakulty TUKE – Miroslav Šmelko, Pavol Lipovský, Tomáš Kliment a Tomás Vaispacher, ktorí nám v značnej miere pomohli s realizáciou ADCS systému, ktorí nám v značnej miere pomohli s realizáciou ADCS systému a kalibráciou magentometrov.
Obr. 7a: Hysterézna slučka jadra a samotné cievky
Obr. 7b: Hysterézna slučka jadra a samotné cievky
Obr. 8: Brzdenie rotácie satelitu pomocou algoritmu B-dot
Experiment (EXP)
Našim hlavným vedeckým experimentom je prijímač, ktorý bude detegovať signály v rozsahu 3 – 30 kHz (oblasť VLF) a následne ich spracovávať. Oblasť výskumu chceme sústrediť hlavne na detekovanie VLF z klasických a nadoblačných bleskov (TLE - Transient Luminous Event), ktoré siahajú až do mezosféry.
Náš experiment sa skladá z detekčnej cievky, ktorú tvorí 1000 závitov s plochou 42 cm2. Signál z cievky sa pomocou operačného zosilňovača zosilní a je privedený na interný AD-prevodník mikrokontroléra STM32F746, ktorý robí následné spracovanie tohto signálu. Priamo na palube sa realizuje digitálna filtrácia signálu, fourierova analýza spektra, detekcia udalostí na základe výkonovej hustoty spektra a pod.
Experiment pracuje v 2 módoch. V prvom pomalom móde sa realizuje spektrogram, kde môžeme sledovať priebeh zmeny spektra počas celého obletu satelitu a hľadať prípadne anomálie.
Druhý rýchly mód na základe udalosti prekročenia výkonovej hustoty veľmi rýchlo navzorkuje vstupný signál. Takto môžeme analyzovať rýchle deje, medzi ktoré blesky nepochybne patria.
Nápad zostrojiť tento experiment dostal Rudolf Šlosiar, ktorý sa už dlhé roky venuje rádioastronómii a je našou oporou od samého začiatku.
Obr. 9: Nadoblačné blesky (zdroj: Wikipedia)
Obr. 10: Zachytené VLF spektrum
Obr. 11: Detekčná cievka VLF experimentu
Pozemná stanica (GS)
Neoddeliteľnou súčasťou satelitu je aj pozemná stanica, ktorá bude prijímať, dekódovať a ukladať prijaté dáta z družice. Primárna pozemná stanica sa buduje pri Šamoríne, kde ju bude zastupovať rádioamatérske združenie SOSA - OM3KAA, vedúci operátor OM1LD.
Primarny antenny system je unikátnym projektom sama o sebe. Koncepcia a použité precízne cykloidné prevodovky slovenského výrobcu umožňujú trekovanie satelitov s presnosťou lepšou ako 0,1° a to s hmotnosťou parabolickej antény 100 kg, čo je nevyhnutné pre udržaní spojenia na komunikačných frekvenciách väčších ako 1 GHz. Pozemnú stanicu bude možné využiť aj v následujúcich možných misiách a taktiež na iné vedecké a rádioamatérske projekty. Už teraz sa črtá spolupráca s japonským partnerom o zdielaní prostriedkov.
Sekundárne antenne systemy pozemná stanica vznikne onedlho aj v priestoroch vedecko-technologického parku Žilinskej univerzity. Pre príjem signálu z našej družice budeme využívať aj služby ďalších pozemných staníc, napríklad stanicu spoločnosti RMC, s.r.o. v Novej Dubnici.
Podstatnou súčasťou pozemnej stanice je aj dekódovací softvér, ktorý má za úlohu prehľadne zobrazovať telemetrické údaje jednotlivých systémov. Takýto softvér vyvinul náš člen Ľubomír Pasternák.
Obr. 12: Vybavenie primárnej pozemnej stanice pre príjem signálov na 2.4 GHz
Obr. 13a: Dekódovací softvér
Obr. 13b: Dekódovací softvér
Videá
Zostrih technických informácií o prvej slovenskej družici sú dobre spracované aj v nasledovných videách:
Obr. 14: Fotografia poskladaného satelitu
Rádioamatérske informácie
Primárny kanál
Modulácia: GMSK
Výkon vysielača: 30 dBm (1W)
Anténa: dipól (2 dBi)
Bitová rýchlosť: 9600 baudov
Komunikačný protokol: AX.25
Odosielanie paketov: v 30 sec intervaloch
Časom bude sprístupnená možnosť využiť palubný AX.25 digipeater. Štruktúra paketov a dekódovací softvér sa čoskoro objavia na tejto stránke. Správa v morzeovke sa bude vysielať cca každé 2 minúty, odosielať sa bude zjednodušená telemetria.
Sekundárny kanál
Modulácia: GMSK
Výkon vysielača: 24 dBm (250 mW)
Anténa: Patch RHCP (6 dBi)
Komunikačná rýchlosť: 40-240 kbps
Protokol: proprietárny
-
Tento vysokorýchlostný kanál bude slúžiť na odosielanie obrázkov z palubnej kamery. Dekódovací softvér sa momentálne vyvíja v prostredí Matlab – Simulink a bude dostupný po dokončení na tomto webe.
Testovanie satelitu
Vývoj komerčnej elektroniky a elektroniky pre vesmírne aplikácie je úplne rozdielny. Na to, aby sme mohli letieť na rakete, sme museli splniť prísne testy, ktoré odhalia aj tie najmenšie problémy zlého návrhu dosiek plošných spojov, či chybného osadenia súčiastok.
Po osadení všetkých DPS nám firma GL Electronic vykonala inšpekciu dosiek. Majú v Čechách dlhú históriu, osádzali DPS do viacerých kozmických projektov. Pracujú napríklad aj pre Európsku vesmírnu agentúru a tak musia spĺňať tie najprísnejšie normy. Vďaka nim sme pochopili, že bez mikroskopu to proste nejde 🙂
Normy ECSS pre vývoj kozmickej elektroniky sú prísne a určujú napríklad aj to, koľko cínu môže byť na danej plôške súčiastky, ako má byť presne vycentrovaná a pod.
Po zložení satelitu nasledovali testy na centrifúge, vibračný test a test na odparovanie použitých materiálov vo vákuu.
Test na centrifúge prebiehal na ramene dlhom 1m, na konci ktorého sa umiestnil satelit a testovalo sa preťaženie 20g vo všetkých osiach. Centrifúga bola zostrojená presne na mieru pre tento projekt.
Nasledovalo testovanie na vibračnom stole, kde sme satelit vystavili vibráciám s výkonovou hustotou 18 G vo frekvenčnom rozsahu 0 – 2000 Hz. Musíme skonštatovať, že tento test bol doslova brutálny, generoval pri testovaní ohlušujúce akustické vibrácie. Po týchto testoch sme mali pocit, že zo satelitu už nič nezostalo. Našťastie, nič vážne sa neudialo, satelit prežil aj túto náročnú skúšku a všetkým nám odpadol zo srdca veľký kameň.
Posledným testom bol pobyt družice vo vákuu pri teplote 60°C po dobu 24hodín. Testovalo sa odparovanie materiálu zo satelitu, maximálna povolená zmena hmotnosti bol iba 1 gram! Ani tu sme však žiaden problém nezaznamenali.
Za pomoc pri realizácii vibračných a vákuových testoch sa chceme poďakovať Ing. Balážovi a Ing. Strharskému z Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach.
Video 2: Test satelitu na centrifúge
Video 3: Vibračné testy a test odparovania
Odovzdanie
V máji 2016 sme hotovú družicu odviezli do Holandska, kde sme ju spolu s ostatnými družicami integrovali do tzv. letového kontajnera. Následne bude družica prevezená na kozmodróm VAFB v americkej Kalifornii, kde prebehne montáž na raketu Falcon 9 spoločnosti SpaceX, ktorá ju vynesie na obežnú dráhu.
Budeme so zatajeným dychom pozerať, ako raketa stúpa a dúfať, že všetko pôjde hladko. Nebýva to vždy zvykom. Akonáhle bude z posledného stupňa rakety vypustený primárny satelit, príde rad aj na skCUBE. Ten bude umiestnený s ďalšími dvoma cubesatmi v špeciálnom kontajneri, z ktorého ho do kozmického priestoru vytlačí pružina. A ak sa správne vysunú tzv. deployer switche z nožičiek satelitu, spustí skCUBE svoj primárny systém a začne odpočítavať 30 minút, po ktorých vystrelí svoje antény a začne na Zem vysielať prvé správy.
Na záver by sme radi povedali, že dokončenie 1. slovenskej družice vnímame ako obrovský míľnik a to, čo bude nasledovať ďalej, už len ako takú čerešničku na torte. Splnili sme väčšinu cieľov, ktoré sme si na začiatku projektu určili. Dali sme dokopy skvelý tím ľudí, získali sme veľké množstvo skúseností, ktoré chceme naďalej úročiť. S čistým svedomím môžeme povedať, že tento projekt priviedol Slovensko do Európskej vesmírnej agentúry. Už teraz projekt generuje vedecké práce a veríme, že sme ukázali, že kozmický výskum má aj na Slovensku veľký zmysel. Je motorom inovácií, vedomostnej ekonomiky, ale zároveň aj veľkou inšpiráciou a dobrodružstvom.