Diplomová práce České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická F3 Katedra řídicí techniky Aplikace meteorologických balonů pro testování kosmických přístrojů Bc. Martin Němec Vedoucí práce: doc. RNDr. René Hudec, CSc. Studijní program: Kybernetika a robotika Obor: Kybernetika a robotika Květen 2020 ii ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE I. OSOBNÍ A STUDIJNÍ ÚDAJE Příjmení: Němec Jméno: Martin Osobní číslo: 457200 Fakulta/ústav: Fakulta elektrotechnická Zadávající katedra/ústav: Katedra řídicí techniky Studijní program: Kybernetika a robotika Studijní obor: Kybernetika a robotika II. ÚDAJE K DIPLOMOVÉ PRÁCI Název diplomové práce: Aplikace meteorologických balonů pro testování kosmických přístrojů Název diplomové práce anglicky: Application of meteorological balloons for testing of space instruments Pokyny pro vypracování: Současný rychlý rozvoj nanosatelitů a jejich aplikací miniaturizuje řadu palubních přístrojů těchto malých družic. To otevírá možnosti realizovat jejich testy na menších, finančně dostupných balonech dosahujících výšek až kolem 50 km nad zemským povrchem. Je to však podmíněno dostupností vhodného servisního speciálního vybavení balonového experimentu. Proveďte rešerši na téma možnosti aplikace balonů pro testování payloadů kosmických objektů. Prostudujte minulé, současné i plánované experimenty v této oblasti, proveďte shrnutí a diskuzi. Navrhněte cost effective řešení balonového experimentu realizovatelného v podmínkách ČVUT, konkrétně systémů stratosférického balonu umožňujícího testovat kosmické senzory v podmínkách balonového stratosférického letu: • Návrh a vývoj elektroniky pro stratosférický meteorologický balon s vlastním plošným spojem, senzory, výkonným procesorem, ukládáním dat na SD kartu • Tvorba programu do PC, pro dekódování dat uložených na SD kartě z balonu, transfer dat z rádiové komunikace a jejich zobrazení, se schopností odesílat balonu příkazy, popřípadě vykreslovat v mapě pozici balonu z GPS dat. • Tvorba software pro všechny použité mikrokontroléry i software řízení letu a dekódování uložených dat pro PC • Realizace a pozemní testování. • Studium možnosti připojit k elektronice payload, tedy možnost testovat senzory/zařízení vyvíjené pro kosmické aplikace v podmínkách balonového letu ve stratosféře. Zvažte a analyzujte možnosti získání vědecky hodnotných dat při testovacím balonovém experimentu např. studií možnosti výzkumu zdrojů pozemních gama záblesků v oblasti tropických bouří a s tím související problematikou balonového experimentu v extrémních povětrnostních podmínkách. Seznam doporučené literatury: [1] Nobuyuki Yajima, Naoki Izutsu, Takeshi Imamura, Toyoo Abe , [2] Scientific Ballooning: Technology and Applications of Exploration Balloons Floating in the Stratosphere and the Atmospheres of Other Planets (Lecture notes in mathematics ; 768) 2009th Edition, Springer, ISBN-13: 978-0387097251, ISBN-10: 0387097252 [3] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.866.2035&rep=rep1&type= pd [4] https://www.researchgate.net/profile/Jun_Nishimura2/publication/223862819_Scient ific_ballooning_in_the_20th_century_A_historical_perspective/links/5b8b885592851c1e1241f0bc/Scientific-ballooning-in-the-20th-century-A-historical-perspective.pd [5] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6662212/ [6] https://cds.cern.ch/record/962450/files/13405-usa-jones-WV-abs2-og15-poster.pdf [7] https://www.researchgate.net/publication/220014841_Terrestrial_gamma_ray_flashes _and_lightning_discharge [8] https://www.researchgate.net/publication/216776009_Terrestrial_gamma-ray_flash_p roduction_by_lightnin CVUT-CZ-ZDP-2015.1 Strana 1 z 2 © ČVUT v Praze, Design: ČVUT v Praze, VIC Jméno a pracoviště vedoucí(ho) diplomové práce: doc. RNDr. René Hudec, CSc., katedra radioelektroniky FEL Jméno a pracoviště druhé(ho) vedoucí(ho) nebo konzultanta(ky) diplomové práce: Datum zadání diplomové práce: 13.02.2020 Termín odevzdání diplomové práce: 22.05.2020 Platnost zadání diplomové práce: do konce letního semestru 2020/2021 ___________________________ ___________________________ ___________________________ doc. RNDr. René Hudec, CSc. prof. Ing. Michael Šebek, DrSc. prof. Mgr. Petr Páta, Ph.D. podpis vedoucí(ho) práce podpis vedoucí(ho) ústavu/katedry podpis děkana(ky) III. PŘEVZETÍ ZADÁNÍ Diplomant bere na vědomí, že je povinen vypracovat diplomovou práci samostatně, bez cizí pomoci, s výjimkou poskytnutých konzultací. Seznam použité literatury, jiných pramenů a jmen konzultantů je třeba uvést v diplomové práci. Datum převzetí zadání Podpis studenta CVUT-CZ-ZDP-2015.1 Strana 2 z 2 © ČVUT v Praze, Design: ČVUT v Praze, VIC Poděkování Prohlášení V úvodu bych rád poděkoval doc. RNDr. Prohlašuji, že jsem předloženou práci vy- Renému Hudcovi, CSc. za umožnění práce pracoval samostatně a že jsem uvedl veš- na toto téma a za jeho trvalou odbornou keré použité informační zdroje v souladu konzultaci v průběhu tvorby mé diplo- s Metodickým pokynem o dodržování etic- mové práce. Velké poděkování patří celé kých principů při přípravě vysokoškol- mojí rodině za neustálou podporu v prů- ských závěrečných prací. běhu mého studia i poskytnutí studijních materiálů k této práci. V neposlední řadě děkuji Ing. Martinovi Hlinovskému, Ph.D. V Praze, 22. května 2020 za zpřístupnění laboratoře v nepříznivých časech COVID-19. ............................ v Abstrakt Abstract Tato práce se zabývá návrhem a kon- This thesis describes the design and con- strukcí malé, cenově dostupné gondoly me- struction of a small, low cost weather bal- teorologického balónu určené k testování loon gondola, designated to test space kosmických senzorů a systémů v podmín- sensors and systems in stratospheric flight kách stratosférického letu. Současně je vy- conditions. A ground station for radio tvořena pozemní stanice pro komunikaci communication is also created. Control rádiovým spojením. Jsou napsány řídící programs are written for all used micro- programy pro všechny užité mikrokont- controllers, as well as a computer appli- roléry, a také počítačová aplikace určená cation designed for flight control. Several k řízení letu. S uvedeným zařízením bylo ground tests were performed with this de- provedeno několik pozemních testů. vice. Klíčová slova: meteorologický balón, Keywords: weather balloon, low cost cenově dostupná balónová elektronika, balloon electronics, ground station, pozemní stanice, payload payload Vedoucí práce: doc. RNDr. René Title translation: Application of Hudec, CSc. meteorological balloons for testing of space instruments vi Obsah 3.2.2 Plošný spoj řídící elektroniky balónu . 24 1 Úvod 1 3.2.3 Osazení a oprava chyb v návrhu . 27 Část I 3.3 Ochranné pouzdro . 28 Teoretická část 4 Programové vybavení 31 2 Balónové lety a experimenty 5 4.1 Program pozemní stanice . 31 2.1 Historie a vývoj balónů . 6 4.2 Programy balónové elektroniky . 33 2.2 Historie balónových vědeckých experimentů . 7 4.2.1 Program komunikačního modulu . 33 2.3 Typy a tvary balónů . 9 4.2.2 Program palubního počítače . 34 2.4 Aplikace balónů pro testování kosmických zařízení . 11 4.3 Počítačová aplikace pro monitorování letu . 36 2.5 Aplikace stratosférických balónů pro nové vědecké úkoly . 13 5 Pozemní testování 39 Část II Praktická část 5.1 Test rádiového spojení . 40 5.2 Teplotní test . 41 3 Elektronika a mechanická konstrukce 17 5.3 Test výdrže akumulátoru . 42 3.1 Celkový návrh a výběr komponent 18 6 Závěr 45 3.2 Návrh desek plošných spojů . 23 3.2.1 Plošný spoj pro pozemní stanici . 23 vii Přílohy A Literatura 49 B Obsah přiloženého CD 53 viii Obrázky 3.11 Vnitřní kryt balónové elektroniky (pozn.: víko bez otvoru pro plochý kabel) . 29 2.1 Struktura stupňů platformy Bloostar (zdroj zero2infinity.space) 13 3.12 Vnější kryt balónové elektroniky 30 3.1 Mikrokontroléry ATmega2560 a 4.1 Grafické uživatelské rozhraní ATmega328P, zdroj Microchip aplikace monitorování letu . 37 Technology Inc. 19 3.2 Rádio Ra-02 (vlevo), GSM modul 5.1 Trasa pohybu balónové elektroniky SIM800C (vpravo), zdroj SIMCom při experimentu (vytvořeno v Wireless solutions Ltd. 20 GPSVisualizer.com) . 40 3.3 GPS přijímač NEO-6M (vlevo), 5.2 Nadmořská výška během kamera SQ19 (vpravo) . 21 experimentu měřená barometrem a GPS . 41 3.4 Blokové schéma pozemní stanice 23 5.3 Průběhy měřených teplot během 3.5 Nákres plošného spoje pozemní testu v mrazícím boxu . 42 stanice . 24 5.4 Průběhy napětí a proudu z 3.6 Blokové schéma elektroniky akumulátoru spolu s měřenou sílou balónu . 24 GSM signálu . 43 3.7 Nákresy plošných spojů hlavní 5.5 Průběhy měřených teplot spolu s desky (vlevo) a senzorické desky intenzitou UVA záření . 44 (vpravo) . 26 3.8 Osazený plošný spoj pozemní stanice, horní (vlevo) a spodní strana (vpravo) . 27 3.9 Osazené plošné spoje, hlavní deska (vlevo), senzorická deska (vpravo), přední (nahoře) a zadní strany (dole) . 28 3.10 Kryt pozemní stanice . 28 ix Kapitola 1 Úvod Balónové lety jsou doménou posledních dvou století. Kromě jejich původního využívání k pozorování vlastností atmosféry a studování kosmických paprsků našly v posledních sedmdesáti letech také užití pro testování přístrojů a technologií vyvíjených pro činnost v kosmu. Díky jejich nízkým provozním nákladům představují oproti raketám velmi vhodný dopravní prostředek do blízkého vesmíru, kde lze otestovat zařízení před jejich vypuštěním do kosmu, a zabránit tak později neopravitelným chybám v návrhu. Teoretická část této práce rekapituluje historii vývoje balónů a balóno- vých experimentů, popisuje typy používaných balónů a seznamuje s několika uskutečněnými i plánovanými testy vesmírného vybavení s využitím strato-