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國立虎尾科技大學. 微微衛星系統工程期末報告 DCT SAT 指導教授:徐超明教授. 團隊成員. 任務與酬載:溫佳翰 電力次系統:黃國登 結構次系統:廖基安 熱控次系統:林群棟 姿控次系統:劉光晏 通訊次系統:黃偉進 、溫紹閔 電腦次系統:林鴻源. DCT SAT 主要特性表. DCT SAT 任 務介紹. 動機目標. DCT 即為 Dream Come True 的縮寫 透過這顆衛星觀測海水溫度並以此數據來分析防止溫室效應繼續對地球破壞,讓地球恢復生機,使人類美夢成真. 何謂溫室效應.

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Presentation Transcript


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國立虎尾科技大學

微微衛星系統工程期末報告

DCT SAT

指導教授:徐超明教授


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團隊成員

  • 任務與酬載:溫佳翰

  • 電力次系統:黃國登

  • 結構次系統:廖基安

  • 熱控次系統:林群棟

  • 姿控次系統:劉光晏

  • 通訊次系統:黃偉進 、溫紹閔

  • 電腦次系統:林鴻源


Dct sat

DCT SAT主要特性表


Dct sat1

DCT SAT任務介紹


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動機目標

DCT即為Dream Come True的縮寫

透過這顆衛星觀測海水溫度並以此數據來分析防止溫室效應繼續對地球破壞,讓地球恢復生機,使人類美夢成真


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何謂溫室效應

地球70%是海洋,在我們生活的週圍,與這片海洋息息相關;近年來因為人類的破壞,造成地球氣候異變,美國科學家據稱已找到有關證據,顯示人為因素造成的全球溫室效應是導致世界海洋在過去50年裡溫度升高的主要原因


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海水溫度對地球的影響

  • 地球變遷及全球溫暖化效應

  • 英國

  • 北大西洋

  • 澳洲


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全球暖化對台灣的影響

  • 平均溫度上升

  • 海面上升

  • 魚類改變洄游路徑

  • 珊瑚白化


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在世界各地的海洋,放置14個感測器,將衛星做為接收感測器的資料,並將資料傳送至虎尾的地面接收站,衛星一天繞地球十五圈,而有十四圈經過各觀測點,最後一圈經過地面接收站,當衛星經過觀測點有六分鐘的時間可以上傳,經過地面站有十七分鐘的時間可以進行資料下載,下圖為我們的設計概念圖及接收系統

設計概念


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黃色點為虎尾地面接收站,綠色點為觀察點


Dct sat2

DCT Sat 酬載


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通訊模組

  發射功率:0.5W

  操作電壓:4.5V

VHF/UHF(144/430MHZ)

  重量:150g

Bit rate=1200 BPS


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衛星天線

  選用SRH805 手機天線作為參考

144/430MHz頻帶

  天線增益 2.15dbi (144/430MHz)

  阻抗:50Ω


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飛行電腦

  選用MPC 555(32位元處理器)

提供448KB flash可供儲存資料

28KB RAM


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海洋溫度感測器

  • LM75是一個溫度感測器,而主機可以隨時要求LM 75去讀取溫度,而且主機也能自LM 75的TOS及THYST記錄器讀取資料。A0、A1、A2這三隻腳可以設定選項,

  • 支援從3.0V至5.5V電壓,供應低電流。而且I2C介面也給了應用程式很大的設計空間。


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電力系統


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電力系統

  • 電源

  • 電源控制

  • 能源儲存控制

  • 電源加工


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電 力 系 統 方 塊 圖


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基本電力來源

  • 太陽能電池

    光生伏打效應

  • 電池


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太陽能板考量


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太陽能電池的電壓-與電流特性

功率表(MPP表示最大功率點)


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新/舊太陽能版與功率關係圖

(BOL初始電壓;EOL末期電壓)


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溫度與功率關係圖


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衛星本體Power Budget

註:Duty Cycle1:衛星任務酬載操作時的狀態

Duyt Cycle2:衛星任務酬載不操作時的狀態


Power budget

地面感測器Power Budget


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太陽能板GaAs 規格

Efficiency = [email protected]

Size = 7.3cm ×3.6cm

Solar intensity(1AU) = 1350w/m²

Temperature coefficient = -0.5% per °c

Operation temperature = 50°c

Packing factor = 10%

Voltage = 2.545v

 溫度50°c時之Efficiency = 26.8×[1-(50-28)×0.005] = 0.2385

Temperature effect = (50-28)×0.005 = 0.11


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太陽能板計算

太陽能板單一cell可產生之能量

Output Power:Solar Intensity × Efficiency × Efficient Size

Output Power:0.135 × 0.2385 × 28.28 = 0.846 W/ cm本組任務設定期間後的太陽能板必須產生的功率(EOL)為

=(子系統總需求瓦特數)+(電池充電需求瓦特數)

=(子系統總需求瓦特數)+(電池放電容量×工作電壓 / 充電時間)

=(2.225)+【(0.0645×15)/1】

= 3.192W

算出EOL所需總功率後往前推得太陽能板在剛發射後所需產生功率(BOL)為

= EOL / 設定年限後的耗損功率×太陽角×溫度效應×裝配損失常數

= 3.192 / 1 × COS30° ×(1-0.11)× 0.9

=4.601W

Array Size = Array Capacity(BOL)/Solar intensity(1AU) × solar cell efficiency

= 4.6014/1350×0.268=0.0127m²

Number of cells = Array Size × packing factor / cell size

= 0.0127×0.9/0.002628=4.36

取整數 = 5片


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衛星所用的鋰電池規格

地面感測器部份

電源:電動機踏車蓄電池

規格:14 × 8 × 9cm,12v × 6A 小時


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結 構


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DCT皮米衛星結構規格

  • 大小:10cm*10cm*10cm

  • 重量:約1.5kg


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材料選擇

7075 化學成份


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7075-T6 物理參數


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結構元件規格表


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外觀圖


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內部結構圖


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爆炸圖


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地面感測器


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爆炸圖


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  • Kill Switch

  • 天線展開機構


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天線未展開

天線展開圖


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元件重量和體績表


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熱控系統


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為何要有熱控

在太空中幾近真空,完全無可遮蔽的物體,環境溫度變化又很大,從-269℃到幾百度的溫差,衛星在這種惡劣的太空環境下工作,如果沒有穩定的熱控制裝置或系統,難保一些晶片,電子儀器和電力系統不發生故障及損壞的情形。


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熱量的三種傳輸方式

  • 對流→對流泛指透過熱物質的運動來實現      

        熱的傳遞

  • 傳導→傳導是指分子之間的動能交換

  • 輻射→是指熱能從熱源以電磁的形式(由光 

        子傳送)直接發散出去


Dct sat3

DCT SAT工作溫度範圍


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解決方式

衛星的熱控制可分為主動和被動兩方面

  • 主動控制

  • 被動控制


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為何使用被動控制

  • 因為被動控制具有重量輕、誤差小且價格便宜等優點,而皮米衛星之重量本來就相當受限制。


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被動熱控

  • 熱控塗層

    熱控塗層是專門用來調整固體表面熱輻射性質以達到熱控制目的的表面材料

  • 熱管

    熱管為一種結構簡單的熱交換器


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熱控塗層的比較

我們在這裡選用的是有機白漆,因為它對太陽輻射的吸收率以及發射率有最好的效率,所以選用有機白漆來做我們的熱控塗層。


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熱 管

熱量輸入熱量輸出

工作液體(氨)

蒸發段絕熱段(毛細管) 冷凝段


Isolator

絕熱器(Isolator)裝置

此裝置可藉由Isolator裝置來預防外界熱量傳送到衛星內部

而影響到內部的溫度。


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決定採用的熱控方式及器具

我們使用了熱控塗層、熱管、以及絕熱器(Isolator)來控制我們衛星上的溫度,希望能夠使衛星在太空中能正常的運作。


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姿控系統


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姿控的重要性

  • 姿態控制必須同時兼顧電力系統與通訊系統

  • 衛星在太空易受外來干擾轉矩,使衛星姿勢逐漸變化


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控制衛星的種類

  • 自旋穩定式

  • 雙自旋穩定式

  • 三軸穩定式


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利用軟體模擬

主要功能

  • 衛星軌道分析

  • 衛星姿態分析

  • 飛行動態模擬


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衛星模擬路線圖,圖中衛星每天繞地球一天為15圈,平均繞地球週期為96分鐘


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衛星姿態資料

  • 1.軌道種類:太陽同步軌道

  • 2.軌道高度:600㎞

  • 3.軌道傾角(i):30°

  • 4.軌道週期:96 mins(一天繞地球15圈)

  • 5.經過感測器有效接收時間為6分鐘

  • 6.經過地面接收站的有效傳送時間為17分鐘


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感測器分佈圖,在衛星經過路線上放置感測器

以方便感測器與衛星之間的溝通,節省姿態的調整


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通訊系統


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通訊規格

  • 頻率選擇:使用業餘無線電通訊協定AX.25

  • CW的選用 (參考 YAMSAT)

  • CW最常用的編碼是莫斯(MORSE)電碼

  • 衛星上的通訊模組:選用KENWOOD TH-D7E雙頻手機


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通訊模組

發射功率:0.5W

操作電壓:4.5V

VHF/UHF(144/430MHZ)

重量:150g

Bit rate=1200 BPS


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衛星天線

先選用SRH805 手機天線作為參考

144/430MHz頻帶

天線增益 2.15dbi (144/430MHz) 阻抗:50Ω


Receiver kenwood tm v7a

RECEIVER KENWOOD TM-V7A

Uplink: VHF 144-148 MHz

Downlink: UHF 430-450 MHz

Bit rate:1200 Hz (uplink) 9600 Hz (downlink)


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地面天線

  • 型式: 2X213 Yagi (144MHz)

  • 天線增益(G)19.5dbi

  • 13單元雙車


Link budget

Link Budget


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電腦次系統


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衛星指令及資料處理次系統的需求

  • C&DH的需求

    確保資料正確性(CRC check、編/解碼)

    記憶體容量需求

    酬載資料處理能力需求

    供地面站監控衛星


Mpc555 risc mcu central processing unit 32 bit power pc architecture

MPC555 RISC MCU Central Processing Unit 32 bit Power PC Architecture

  • Core Performance 52.7K MIPS @ 40MHz

  • 448K bytes Flash-EEPROM

  • 26K bytes of Static RAM

  • 16M bytes of external Flash-EEPROM

  • 8M bytes of external Static RAM

  • 32 Channel 10-bit A/D

  • 2 QSMCM(queued serial multi-channel module)

  • 2 CAN2.0 B controller modules(TouCAN)

  • 5-V I/O system

  • -40 ℃ to 125℃

  • 272-pin plastic ball grid array (PBGA) packaging


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地面感測器端

  • 地面感測器取用Atmega128

    • Atmega128的功能

      • 1. 8位元CPU

      • 2. 最高工作頻率可達16MHZ

      • 3. 64pin

      • 4. 支援34個中斷源

      • 5. 記憶體flash 128K Bytes

      • 6. 有4 K Bytes EEPROM

      • 7. 有512 K Bytes SRAM

      • 8. 兩個16位元Timer

      • 9. 兩個10 bit A/D轉換器

      • 10. 兩組UART

      • 11. 防止當機用的Watch dog timer


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衛星與地面感測器硬體架構圖


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下傳衛星資料儲存空間及流量處理分析


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地面感測器上傳衛星資料儲存空間及流量處理分析


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酬載資料估算

DCT SAT預計每次到達地面站上空的時間約為十七分鐘取中間的14分鐘下傳所以地面感測器感測出的值,每分鐘傳送一次資料,共十四次。因有十四個地面感測器,每一感測器感測值為目前溫度(2bytes)、最高溫度(2bytes)及最低溫度(2bytes),故感測之資料量為84bytes。

目前傳計衛星狀態資料佔33bytes,所以每批次共有

118bytes,由於通訊次系統次系統的傳輸速率

9600bps=1200bytes/s,足以應付每秒118bytes的資料傳輸量。


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健康資料估算

衛星巡航時的健康資料14bytes,日期時間欄位

12bytes,共26bytes;衛星繞行一週(約96

分鐘)的健康資料含時間,共需149760bytes以

9600bps傳輸需124.8秒傳送時間。

一天繞行15圈,有一次會經過台灣上空,有17分鐘

可以下載一天的資料。


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衛星與地面感測器通訊時間


Thank you

THANK YOU!!

http://www.ae.nfu.edu.tw/DCT


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