Session Payload Subsystems

Click here to load reader

  • date post

  • Category


  • view

  • download


Embed Size (px)

Transcript of Session Payload Subsystems

Microsoft PowerPoint - session3_Payload & Subsystems.ppt [Modo de compatibilidad]Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS)  y Estaciones de Tierray Estaciones de Tierray Estaciones de Tierray Estaciones de Tierra
Session 3Session 3 Payload & SubsystemsPayload & Subsystemsy yy y
J  M l d l CJ  M l d l C M d  R iM d  R iJuan Manuel del CuraJuan Manuel del Cura Director de Director de ProyectoProyecto, SENER, SENER
DptoDpto. . VehículosVehículos AerospacialesAerospaciales, , 
[email protected]
ETSIA. UPMETSIA. UPM [email protected]
1Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
• Picosat=Picodesign?g • System Engineering process • Main elements of a mission/spacecraftp • System drivers  • Picosat payloadsp y • Picosat subsystems
– Attitude and Orbit Control – Data Handling  – Communications – ThermalThermal – Structure – Propulsion
2Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
– Power
Out of focus– Out of focus
• Ackowledgements
3Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
4Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
5Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Y Target
6Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
• Main differencesMain differences – Learning process – Standard equipment – Some decissions predetermined – Organisation – Schedule
7Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Y.Arikawa Y.Tsuda N.Miyamura S.Ishikawa
T.Ito Y.Kato T.Eishima S.Ukawa
T.Ito Y.Kato T.Eishima S.Ukawa
N.Sako T.Eishima Y.Arikawa S.Ukawa
N.Sako T.Eishima Y.Arikawa S.Ukawa
S.Ukawa R.Funase S.Hori
S.Ukawa R.Funase S.Hori
K.MuramatsuK.Muramatsu Y.Oda I.Ikeda Y.Oda I.Ikeda
8Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
0 Mission
Analysis, Needs
A Feasibility
Pre- A B C D E
A Phase A Advanced
and Validation
9Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
10Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
11Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
From ”Understanding Space” by Jerry Jon Sellers
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
12Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
13Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
14Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System Engineering ProcessSystem Engineering Process
Requirements Generation (Users and
Operators) needs
Acquisition Management (Developers)
Planning, Programming, And Budgeting
Goals Constraints Firm Unit Costs
15Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Mission ElementsMission Elements
SubjectCommand, Control and
G d l t
16Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Ground element Space elementLaunch element
Spacecraft ElementsSpacecraft Elements
17Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Spacecraft ElementsSpacecraft Elements
18Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Spacecraft ElementsSpacecraft Elements
( )
RS422, RS232 JTAG
19Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
System DriversSystem Drivers
•Definition of the Preliminary Mission Concept •Definition of the Subject Characteristics•On-orbit Weight
•Power •Data rate •Communications
j •Determination of Orbit and Constellation Characteristics •Determination of the Payload Size and •Communications
•Pointing •Number of S/C •Altitude
Performance •Selection of the Mission Operations Approach •Design of the S/C S f f SAltitude
•Coverage •Scheduling •Operations
•Selection of the Launcher and Transfer System •Determination of Logistics, Deployment, replenishment and disposal C t E ti tiOperations •Cost Estimation
20Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Design and sizingPayload Design and sizing
•The payload is the combination of hardware and software that interacts with the subject to accomplish the mission objectives.
Spacecraft Mission Payload Example
• Transceiver • Transmitter • Transceiver
Remote Sensing • Imaging  • Imagers and cameras • Landsat, Space Telescope • Intensity measurement • Topographic mapping
• Radiometers • Altimeters
Navigation • Ranging  • Nav signal
• Transceiver • Clock and transmitter
•Warhead •HighEnergy weapon
In Situ Science • Crewed • Robotic
• Physical and life sciences • Sample collection/return
• Space Shuttle, Mir •Mars Sojourner, LDEF
Other •Microgravity  Manufacturing • Space power
• Physical plant and raw materials • Solar collector, converter and transmitter
• Space Shuttle • SPS
21Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
• Resource utilisation •Tourism • Space burial
• Lunar soil collector and processor •Orbital hotel • Remains container
• Lunar Base • Various • Pegasus
•Conduct subject trades •Subject definition and performance thresholds
•Develop the payload operations concept E d t d t f ll i i h d ti d•End-to-end concept for all mission phases and operating modes
•Determine required payload capability to meet mission objectives •Required payload capability
•Identification of candidate payloadsp y •Initial list of potential payloads
•Estimation of the candidate payloads capabilities and characteristics •Assessment of each candidate payloads
•Evaluation of the candidate payloads and selection of the baseline•Evaluation of the candidate payloads and selection of the baseline •Preliminary payload definition
•Assessment of the life-cycle cost and operability of the payload and mission •Revised payload performance requirements constrained by cost or architecture li it tilimitations
•Identification of the payload-derived requirements •Derived requirements for related subsystems
•Documentation and iteration
22Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
•Baseline payload design
•Missions sucess criterias • That the involved students have achievedThat the involved students have achieved
some useful knowledge of space technology. • That communication is establised with the
satellite and housekeeping information is retrieved.
• Take and download any picture. • Test ACS performance. • Take pictures of certain locations on earthTake pictures of certain locations on earth. • Take pictures of celestrial objects and
experiment with the various subsystems.
23Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Examples Payload Examples –– CANXCANX--11
Technology demonstration mission • Training next generation of space engineersTraining next generation of space engineers • Color and monochrome CMOS imager to be
used as star, moon and horizon sensor • Testing performance of a custom-built OBC • GPS receiver • Active magnetic control system • Data collection of GaAs solar cells and
Honeywell magnetometerHoneywell magnetometer
24Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Examples Payload Examples –– CANXCANX--11
25Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Examples Payload Examples –– CANXCANX--11
Main objectives: •Establish bus component design for pico satellitesEstablish bus component design for pico satellites •Reduce the total development cost by using commercial off-the-shelf (COTS) components
•Educational •Separation mechanism CUTE-I missions: 1) Communication mission 2) Sensing mission2) Sensing mission 3) Deployment mission
26Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Examples Payload Examples –– DTUSatDTUSat
Main objectives: •Bird-tracking missionBird-tracking mission •On orbit demonstration of a CCD camera (PICOCAM) •On orbit demonstration of a MEMS sun sensor
27Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Payload Examples Payload Examples –– PharmaSatPharmaSat
Main objectives: •Provide life support such as sugars the yeast can consume and environmentalProvide life support, such as sugars the yeast can consume, and environmental control, such as temperature, for yeast growth in 48 independent micro-wells;
•Administer three groups of growing yeast with an antifungal agent at three distinct dosage levels, and one control yeast group with no antifungal dosage;
• Track the yeast population density and health in each microwell before, during and after administering the antifungal by using an optical density sensor and Alamar Blue, an agent that turns the yeast varying shades of blue and pink as they consume the sugars;consume the sugars;
• Transmit the yeast population and health data, and PharmaSat’s system status data to Earth for analysis;
• Measure and determine the effect microgravity has on yeast resistance to an antifungal agent.
28Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Objectives:Objectives: i l h h i l f i f b h bi d i d•It implements the three typical functions for both orbit and attitude: –Navigation –Guidance –Control
•To maintain the orbit parameters •To perform all orbit operations in all mission phases  including•To perform all orbit operations in all mission phases, including
–Parking orbit operations –Orbit Transfer –Orbit Maintenance or StationKeeping
•To determine spacecraft attitude •To define the spacecraft attitude referenceTo define the spacecraft attitude reference •To control the spacecraft attitude fulfilling pointing requirements •To perform the spacecraft angular momentum management
29Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
•To perform all required manouvres
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
control de actitudcontrol de actitud
Main Components (I/VI)Main Components (I/VI) • SENSORS • ACTUATORS • CONTROL ALGORITHMS
controles en carga de pago controles en carga de pago
control de potencia control de potencia
• ESTIMATORS • FILTERS • FAILURE MANAGEMENT control de control de t lt l
apunte de antenasapunte de antenas
ActController System
30Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
disturbances Example: LEO AOCS
Act.Controller System
outputsy data
parameters • Mass• Inertia• Geometry•
Example: LEO AOCS
• Magnetic torquers• Propulsion
reference y data
p• Reaction Wheels• ...
• Stellar Sensors• Sun Sensors•
32Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
• gyroscopes• ...
Example: LEO AOCS
reference and data
Act.Controller System and data
33Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Example: LEO AOCS
SE ti t
34Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
– Sun Sensor – Star Trackers
– Magnetometer – Gyroscopes
• Relative Sensors – Laser – Cameras
• Relative Sensors – Laser – Cameras
• Actuators – Propulsion – Reaction Wheels
• Actuators – Control Moment Gyros – Momentum Bias – Magnetic Torquers – Solar Sailing
– Propulsion – Solar Sailing – Tethers
35Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Solar Sailing
Disturbance Environment
P/L, Thermal and Power needs
Orbit, Pointing Direction
Pointing accuracy
S/C Definition of AOCS
Iteration and
36Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Requirements Slew rates
Iteration and documentation
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Main RequirementsMain Requirements
b• Orbit Requirements – To maintain a certain altitude – To maintain a certain inclination– To maintain a certain inclination – To maintain a certain ground track repitibility – To perform orbit transfers – To minimise propellant consumption – To minimise time for some operations A i d  R i• Attitude Requirements – To maintain a certain pointing with respect to an object – To fulfil pointing requirements (Accuracy, range)To fulfil pointing requirements (Accuracy, range) – To fulfill stability requirements (Jitter, Drift) – To perform attitude manoeuvres (Settling time)
37Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
SeparationSeparation SAFESAFE
38Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
Mission • Type of stabilisation:
Str ct res Propulsion
39Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
GG Earth LV Very limited ± 5 deg (2 axes) None
GG+MW bias Earth LV Very limited ± 5 deg (3 axes) Wheel bearings
MGT N/S Very limited ± 5 deg (2 axes) Noney 5 g ( )
Spin Inertial Expensive in terms of fuel ± 0.1 deg to ± 1 deg (2  axes)
Expensive in terms of fuel for  Momentum bias
± 0.1 deg to ± 1 deg (2  axes). + Despun 
Fuel DS bearingsy p p ) p DS bearings
MW Bias LV pointing Expensive in terms of fuel for  MW bias
± 0.1 deg to ± 1 deg Fuel, Wheel  bearings
Zero Momentum +  thrusters
± 0.1 deg to ± 5 deg Fuel thrusters possible
Zero Momentum +  RW
Any No constraints. ± 0.001 deg to ± 1 deg Fuel, Wheel  bearings
Zero Momentum +  CMG
± 0.001 deg to ± 1 deg Fuel, Wheel  bearingsCMG possible bearings
40Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Selection of Attitude Control Type (II/III)Selection of Attitude Control Type (II/III)
41Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Selection of Attitude Control Type (III/III)Selection of Attitude Control Type (III/III) • Mainly dependant on:Mainly dependant on: • Orbit insertion:
– Large impulse Plane changes– Plane changes
– Maintenance
• Payload pointing: Earth pointing– Earth pointing • Gravity gradient for low accuracies • 3axis with Earth LV reference
– Inertial pointing– Inertial pointing • Spin • 3axis
• Slew rates:• Slew rates: – None/low – Nominal – High
42Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
S/C inertias, orbit altitude
S/C geometry and cog locations,  S/C surface properties
M ti  Fi ld C li O bit  ltit d   d i li ti   BDT )(cos)1( cgciqA
c FT pss
Magnetic Field Cyclic Orbit altitude and inclination,  Residual S/C magnetic dipole
Aerodynamic Constant (Earth) or cyclic  (Inertial)
Orbit altitude and S/C geometry  and cog locations,
Uncertainty in cog Unbalanced and unwanted  S/C geometry 1 to 3cm
Uncertainty in cog Unbalanced and unwanted  torques
S/C geometry 1 to 3cm
Thruster Misalignment “ “ 0.1 to 0.5 deg
Mismatch of thrusters  output
“ “ ±5% output
Rotating machinery Stability and accuracy Depending on design can be  compensated
Liquid sloshing Torques and variation of cog S/C and tanks geometry Depending on design, can be  compensatedp
Dynamics of Flexible  Bodies
Resonance and limited  bandwidth
Thermal Shocks on  Flexible Appendages
Attitude disturbance when in  eclipse transients
S/C structure Worst with long booms
43Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Design parameters for selecting the sensorsDesign parameters for selecting the sensors • Decissions to be taken regarding the sensors:
Type– Type – Number – Layout – Sensing combinations
S     l d  di     h  f ll i  f• Sensors are selected according to the following features: – Pointing Accuracy – Field of View – Redundancies – Location and Orientation – Power – Mass – Data Rate
Sensor Typical Performance Range Mass Range (kg) Power (W)
IMU 0.003deg/hr to 1deg/hr, 1 to 5x106 g/g2
(from 20 to 60g) 1 to 15 10 to 200
( g)
Sun sensors 0.005deg to 3 deg 0.1 to 2 0 to 3
Star sensors 1arcsec to 1arcmin 2 to 5 5 to 20
Earth sensors 0.1deg to 1deg (LEO) 1 to 4 5 to 10
44Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
g g ( ) 4 5
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
S l A
St T kSt T k
45Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Design parameters for selecting the actuatorsDesign parameters for selecting the actuators • Decissions to be taken regarding the actuators:
T– Type – Number – Layout – Actuation combinationsActuation combinations
• Actuators are selected according to the following features: – Disturbance compensation – Redundancies – Location and Orientation – Power – Mass
Actuator Typical Performance Range Mass Range (kg) Power (W)
Thrusters Hot gas 0.5 to 9000N Variable N/A Cold gas <5N Variable N/A
Reaction and  Momentum wheels
2 to 20 10 to 110
CMG 25 to 500 Nm >10 90 to 150
46Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
CMG 25 to 500 Nm >10 90 to 150
Magnetic Torquers 1 to 4000 Am2 0.4 to 50 0.6 to 16
AOCS SubsystemAOCS Subsystem
Preliminar Sizing of the actuatorsPreliminar Sizing of the actuators Parameter Simplified equations
Torque from RW for  Disturbance  rejection
Parameter Simplified equations Thrust force level  for external  Disturbances
)arg()( factorinMTT DRW L
TF D rejection
Slew torque for RW Thrust force level  for slew rates  (zeromometum)
Thrust force level 
Momentum storage 
Thrust force level  for slewing a  Momentumbias  vehicle
Thruster pulse life Derivation of the total number of  h   l
2 4 PeriodOrbitalTh D
aD hPT 4
47Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS Examples AOCS Examples -- AAUAAU
48Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS Examples AOCS Examples -- AAUAAU
49Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS Examples AOCS Examples –– CANXCANX--11
Main characteristics: • Imager pointingImager pointing • Rotating for capturing Earth and stars images • Based on 3 magnetometers • Magnetic torquers as actuators
50Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. J.M. del Cura
AOCS Examples AOCS Examples –– CUTECUTE--II
Main characteristics: • No attitude controlNo attitude control • Sensing package:
•4-axis gyros •4-axis accelerometers •Sun sensor (CMOS)
• Ground attitude determination