Diseño, simulación e implementación del módulo de control central y monitoreo de información de nanosatélite de investigación Chasqui-I de la Universidad Nacional de Ingeniería

Abstract

Un satélite artificial es un objeto enviado al espacio para que cumpla una determinada función, principalmente transmisión de señales de datos. Independiente de su escala, un satélite está conformado internamente por 5 subsistemas principales o módulos. El primero tiene como objetivo el suministro de potencia usando paneles solares como fuente principal de energía, además de asegurar que la temperatura interna del satélite no llegue a valores que afecten su normal funcionamiento. El segundo subsistema es la carga útil, como es el caso de cámaras fotográficas. El tercero se encarga del control de orientación y estabilidad espacial del satélite. El cuarto es denominado sistema de comunicaciones y se encarga de que la información registrada pueda llegar desde el espacio exterior hacia una estación terrena. Finalmente existe una última, denominada control central y manejo de información (CCMI), encargada de hacer que todos los demás puedan interactuar eficientemente, también se encarga de administrar la información útil de cada módulo y almacenarla en memorias, además cumple la función de controlar el modo de operación del satélite, es este último subsistema de todo satélite el que se desarrolla en esta tesis. El módulo CCMI debe ser robusto y capaz de solucionar problemas, generados en el espacio exterior, de forma autónoma. Ésta característica es obvia debido a que todo satélite se encuentra a cientos de kilómetros de la Tierra y la intervención del hombre para alguna corrección o mantenimiento del sistema es imposible para satélites pequeños. Además, el módulo de CCMI debe ser altamente confiable, es decir, debe asegurarse que cumpla los objetivos. Éstas características son bastante importantes por los altos costos de puesta en operación de un satélite. Actualmente, el avance de la microelectrónica ha permitido el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de aplicaciones espaciales, el más importante para nuestra investigación es el micro controlador MCU (microcontroller unit), el cual es un circuito integrado programable. Además del desarrollo de la microelectrónica, también se han desarrollado técnicas para los algoritmos que ejecutan los microprocesadores, estas técnicas permiten aprovechar al máximo las capacidades de dicho circuito integrado, haciendo que ejecute múltiples tareas, administrando sus prioridades y tiempos de ejecución. Un ejemplo del desarrollo alcanzado, a nivel de uso de recurso, está en los sistemas operativos en tiempo real denominados RTOS [1], bastante usados en aplicaciones donde al sistema se le exige correcciones en sus respuestas bajo ciertas restricciones de tiempo. En este proyecto se implementan dichas técnicas de programación para el desarrollo del CCMI del Chasqui-I, orientando el diseño de nuestros algoritmos a un RTOS. Esto es muy usado en los sistemas satelitales debido a que el CPU del microcontrolador debe ejecutar muchos procesos simultáneamente. El orientar nuestro trabajo a un RTOS nos permite ejecutar procesos en función de sus prioridades y tiempos de ejecución. Además de implementar nuestro código de forma más ordenada y comprensible, facilitando así los continuos cambios de nuestros algoritmos y la documentación del mismo. Los satélites deben registrar información útil para los usuarios, ésta contiene datos que dependen de la misión del satélite, por ejemplo la toma de fotografías de la Tierra, o la adquisición de datos de sensores de temperatura. Debido a que el tiempo de operación del satélite en el espacio va desde varios meses hasta decenas de años, la información a almacenar es abundante, por lo que se emplean dispositivos de almacenamiento de información digital denominados “Memorias” para guardar los datos. Un ejemplo de estos dispositivos es la tarjeta de memoria SD (secure digital) que es controlada desde el módulo de CCMI. Se ha desarrollado también en estos últimos años, dispositivos altamente eficientes y con un muy bajo consumo de potencia eléctrica, esto es muy beneficioso para aplicaciones espaciales debido a que la única fuente de energía se da a través de paneles solares. El uso de estos dispositivos hace que la energía sea un recurso mejor aprovechado. Así, cuando el satélite tenga una baja energía se busca establecer un modo de muy bajo consumo para poder recargar nuevamente su sistema de almacenamiento de energía. Los satélites antes de ser enviados al espacio, usando cohetes denominados lanzadores, deben cumplir con certificaciones internacionales exigidas por dichos cohetes lanzadores. Estas certificaciones están principalmente relacionadas los componentes electrónicos empleados, el comportamiento de éstos bajo condiciones de vacío térmico y el comportamiento de todo el nanosatélite sometido a vibraciones mecánicas. Estas pruebas se realizan en laboratorios especializados. Otro aspecto que se tiene en cuenta para el desarrollo de los algoritmos del módulo de CCMI, es la determinación de los modos de operación del nanosatélite. Estos modos de operación indican etapas del funcionamiento del sistema; habitualmente se definen usando un diagrama de estados. Actividades a ser incluidas en el diagrama de estados y que permitirán la definición de los algoritmos de todos los modos de operación del nanosatélite Chasqui-I son el lanzamiento al espacio, despliegue de las antenas, transmisión de datos, toma de fotografía de la Tierra, orientación espacial, control de la energía del sistema, lectura de sensores, etc.