Evolution of the Communications Processor Board for the Istnanosat

Evolution of the Communications Processor Board for the ISTnanosat Joao˜ Carlos Fonseca Pinto Thesis to obtain the Master of Science Degree in Electronics Engineering Supervisors: Prof. Rui Manuel Rodrigues Rocha Prof. Moises´ Simoes˜ Piedade Examination Committee Chairperson: Prof. Pedro Miguel Pinto Ramos Supervisor: Prof. Rui Manuel Rodrigues Rocha Member of the Committee: Prof. Antonio´ Joaquim dos Santos Romao˜ Serralheiro November 2019 Declaraçao˜ Declaro que o presente documento e´ um trabalho original da minha autoria e que cumpre todos os requisitos do Codigo´ de Conduta e Boas Praticas´ da Universidade de Lisboa. Declaration I declare that this document is an original work of my own authorship and that it fulfills all the requirements of the Code of Conduct and Good Practices of the Universidade de Lisboa. Agradecimentos Em primeiro lugar, uma palavra de agradecimento aos meus orientadores, professor Rui Rocha e professor Moises´ Piedade, por todo o suporte, dedicaçao,˜ ensinamentos e conhecimentos transmitidos, bem como pelas cr´ıticas e revisoes˜ necessarias´ ao trabalho realizado nesta dissertaçao˜ de mestrado. A` equipa ISTnanosat, um obrigado pelos conselhos, apoio e companheirismo durante esta etapa, cuja progressao˜ se deve muito a voces.ˆ Aos meus pais, Manuela e Fernando Pinto, e aos meus irmaos,˜ Pedro e Antonio´ Pinto, por me ajudarem a crescer cientificamente e suportarem a minha vida, bem como pela motivaçao˜ e sacrif´ıcio dedicados a mim. Sem vocesˆ nada disto seria poss´ıvel. Ao Leite, Tomazio,´ Tiago, Lu´ıs, Antonio´ e Guilherme, pelo apoio e camaradagem durante todo o meu percurso universitario.´ Convosco tudo ficou bem mais facil.´ A` minha namorada, Joana Chumbo, pela pacienciaˆ e compaixao˜ que dedicaste a mim durante o nosso tempo. Obrigado pelo respeito, carinho e por acreditares comigo. Abstract Since the launch of the first man-made object placed into space orbit, the use of artificial satellites has increased, specially in the last years. These satellites have been used in several applications with different sizes and orbits. The ISTsat-1 is the first nanosatellite developed by the ISTnanosat team, having a 10 cm cubic shape that respects the cubesat standard. This satellite is intended to orbit in the Low Earth Orbit in order to test the reliability of an aircraft tracking system, being its scientific payload, plus collecting information about the space environment. This master thesis focuses on the evolution of the Communications Processor Board subsystem for the ISTnanosat team, which is divided into two distinct versions. While the first version will be integrated in the aforementioned ISTsat-1, the second version is designed for the integration in future ISTnanosat satellites, being an evolution based on two subsystems flying in the first satellite. As the name implies, these subsystems are designed to support the satellite communications, although they may also be considered for the satellite command and data handling and attitude determination and control. Therefore, possible architectures for them are discussed in this master thesis report, describing the final hardware and software architectures. These architectures take into account the harsh space environment that these subsystems will be subjected to, being some radiation mitigation and subsystem level redundancy techniques addressed as well. Finally, some validation tests are implemented for the acceptance of the developed subsystems, confronting the expected results and the obtained ones. Keywords ISTsat-1, space environment, cubesat, communications, command and data handling, attitude determination and control, high power processor, memory unit, data storage, sensors, actuators, radiation mitigation. iii Resumo Desde o lançamento do primeiro objecto criado pelo Homem e colocado em orbita´ espacial, o uso de satelites´ artificiais tem aumentado, especialmente nos ultimos´ anos. Estes satelites´ sao˜ utilizados em varias´ aplicaçoes˜ com diferentes tamanhos e orbitas.´ O ISTsat-1 e´ o primeiro nanosatelite´ desen- volvido pela equipa ISTnanosat, tendo uma forma cubica´ de 10 cm que respeita o standard definido para cubesats. Pretende-se que este satelite´ orbite numa orbita´ terrestre baixa, tendo como missao˜ cient´ıfica o teste da fiabilidade de um sistema de rastreamento de aeronaves, alem´ de recolher diversas informaçoes˜ sobre o ambiente espacial. Esta dissertaçao˜ foca-se na evoluçao˜ da Placa do Processador de Comunicaçoes,˜ subsistema per- tencente a` equipa ISTnanosat que se encontra dividido em duas versoes.˜ Enquanto a primeira versao˜ sera´ integrada no satelite´ ISTsat-1, a segunda versao˜ e´ desenvolvida para a integraçao˜ em futuros satelites´ constru´ıdos pela equipa ISTnanosat, sendo uma evoluçao˜ baseada em dois subsistemas per- tencentes ao primeiro satelite.´ Como o nome indica, estes subsistemas sao˜ desenhados para suportar as comunicaçoes˜ do satelite,´ apesar de poderem ser tambem´ considerados para o tratamento de dados e comandos do satelite´ e para a determinaçao˜ e controlo da sua atitude. Portanto, neste relatorio´ de dissertaçao˜ sao˜ discutidas poss´ıveis arquitecturas para estes subsistemas, descrevendo as arquitecturas finais de hardware e software. Estas temˆ em consideraçao˜ o ambiente espacial severo no qual estes subsistemas vao˜ operar, sendo por isso abordadas algumas tecnicas´ de mitigaçao˜ de radiaçao˜ e de redundanciaˆ a n´ıvel do subsistema. Para concluir, alguns testes de validaçao˜ sao˜ implementa- dos para a aprovaçao˜ dos subsistemas desenvolvidos, confrontando os resultados esperados com os resultados obtidos. Palavras Chave ISTsat-1, ambiente espacial, cubesat, comunicaçoes,˜ tratamento de dados e comandos, determinaçao˜ e controlo de atitude, unidade de alto processamento, unidade de memoria,´ armazenamento de dados, sensores, actuadores, mitigaçao˜ de radiaçao.˜ iv Contents 1 Introduction 2 1.1 Motivation.............................................3 1.2 Objectives.............................................4 1.3 Report organization.......................................5 2 Satellite Classification and Space Environment. ISTsat-1 Case Study6 2.1 Satellite Categorization.....................................6 2.2 The growth of small satellites launches.............................8 2.3 ISTsat-1 and the Fly Your Satellite! programme........................9 2.4 Space radiation environment.................................. 11 2.4.1 Radiation mitigation................................... 12 3 State of the Art 14 3.1 Communication Systems.................................... 15 3.2 Command and Data Handling.................................. 16 3.2.1 High power processing units.............................. 16 3.2.2 Memory unit components................................ 16 3.3 Attitude Determination and Control System.......................... 17 3.3.1 ADCS sensors...................................... 19 3.3.2 ADCS actuators..................................... 20 3.4 Commercial OBC and communication modules for cubesats................. 21 4 System Architecture 26 4.1 COMv1.1 Architecture...................................... 26 4.1.1 Communication and C&DH requirements....................... 26 4.1.2 SubsystemIO requirements............................... 27 4.2 COMv2 Architecture....................................... 28 4.2.1 ADCS requirements................................... 28 4.2.2 Communication and C&DH requirements....................... 29 4.2.3 SubsystemIO requirements............................... 29 4.2.4 Architecture solutions.................................. 30 v 5 System Implementation 32 5.1 COMv1.1 Hardware project................................... 32 5.1.1 High-power processing unit selection.......................... 33 5.1.2 Subsystem Power and PCB design........................... 34 5.1.3 External Watchdog Timer................................ 34 5.1.4 External memory unit.................................. 35 5.1.5 Radiation protections for the external memory unit.................. 39 5.1.6 Communication peripherals............................... 42 5.1.7 COMv1.1 subsystem flight model board........................ 44 5.2 COMv2 Hardware project.................................... 45 5.2.1 High-power processing unit selection.......................... 46 5.2.2 External memory unit.................................. 48 5.2.3 Subsystem power regulation.............................. 50 5.2.4 Power cut-off and current measurement circuits.................... 52 5.2.5 Capacitor bank for the time reference......................... 54 5.2.6 Solar panels interface.................................. 56 5.2.7 Attitude determination sensors............................. 56 5.2.8 Attitude determination actuators............................ 60 5.2.9 External Watchdog Timer................................ 60 5.2.10 Communication peripherals............................... 61 5.2.11 Power distribution and protections for the subsystem modules............ 62 5.2.12 COMv2 subsystem and memory daughterboard prototype boards......... 63 5.3 Software Implementation.................................... 65 5.3.1 Hardware Abstraction Layer............................... 66 5.3.2 Board hardware drivers................................. 69 5.3.3 Real-Time Operating System.............................. 70 5.3.4 Board configuration files................................. 71 5.3.5 Boot sequence for top-level application........................ 71 6 System Validation 73 6.1

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