Nanosatellite electrical power systems hardware architectures: an analysis on energy harvesting maximization through scheduling algorithm

Abstract

Os nanossatélites tornaram-se uma oportunidade acessível para alcançar o espaço. São pequenos satélites com massa total que varia de 1 a 10 kg, possuindo os subsistemas necessários (incluindo as cargas úteis) para satisfazer uma missão espacial. Esta tese concentra-se no sistema de potência elétrica (EPS) de um nanosatélite, uma placa de circuito impresso (PCB) que interage com fontes de energia (painéis solares), com unidades de armazenamento (baterias) e com outros subsistemas do satélite (Computador de bordo - OBDH; Sistema de comunicação - TT&C, Sistema de determinação e controle de atitude - ADCS; e cargas úteis). Um EPS ideal deve maximizar a extração de energia, armazenar de forma segura a energia e, finalmente, gerenciar eficientemente a distribuição de energia para outros subsistemas do satélite. Esta tese apresenta as quatro arquiteturas EPS mais adotadas para nanossatélites, comparando sua eficiência por meio de simulações e experimentos. Painéis solares, baterias e componentes do EPS foram analiticamente modelados e testados para projetar sistemas eficientes. Uma bancada de teste foi proposta para avaliar as arquiteturas EPS, emulando a irradiância solar e o consumo de energia do satélite. Além disso, a tese propõe um procedimento de teste de qualificação, que consiste em avaliar os subsistemas de nanosatélites em um voo suborbital em um foguete de sondagem. Um sistema embarcado foi proposto para operar como uma interface entre os subsistemas do nanosatélite e a eletrônica do foguete. Os resultados da Missão Rio Verde são apresentados nesta tese, onde tanto o sistema embarcado de interface quanto o EPS do nanosatélite foram qualificados no espaço, em um voo do foguete VSB-30. Além disso, a tese propõe um algoritmo de escalonamento conduzido por energia, que permite melhorar a eficiência do EPS controlando a execução das tarefas do nanosatélite. Embora a arquitetura do circuito EPS seja o principal fator para a maximização da potência de entrada, a execução das tarefas do nanosatélite também afeta sua capacidade de captação de energia. Portanto, esta tese descreve um algoritmo de escalonamento que maximiza a entrada de energia do nanosatélite. O algoritmo foi testado para a arquitetura de Acoplamento Direto, melhorando sua capacidade de captação de energia em mais de 8 % para o teste de uma órbita. Finalmente, a tese aponta melhorias no algoritmo de escalonamento proposto, para também considerar efeitos de envelhecimento da bateria, previsão de entrada de energia, otimização da prioridade das tarefas e dependência da arquitetura do EPS.

Abstract : Nanosatellites have become an affordable opportunity to reach the space. They are small satellites with total mass ranging from 1 to 10 kg with the needed subsystems to satisfy a common satellite mission (including payloads). This thesis focuses on the nanosatellite's Electrical Power System, a printed circuit board (PCB) which interacts with power sources (solar panels), with storage units (batteries) and with other satellite's subsystems (On-Board Data Handling - OBDH; Telemetry, Tracking and Command - TT&C, Attitude Determination and Control System - ADCS; and payloads.). An ideal EPS should maximize energy extraction, safely store the energy and, finally, efficiently manage the energy distribution to other satellite's subsystems. This thesis presents four of the most adopted EPS architectures, comparing their efficiency through simulations and experiments. Solar panels, batteries and EPS components have been analytically modeled and tested in order to design efficient systems. A test stand is proposed to evaluate EPS architectures, emulating the solar irradiance and the satellite power consumption. Also, the thesis proposes a qualification test procedure, which consists of evaluating nanosatellite subsystems in a suborbital flight with a sounding rocket. An embedded system is proposed to operate as an interface between the nanosatellite subsystems and the rocket electronics. The Rio Verde Mission results are presented in this thesis, where both the embedded system interface and the nanosatellite's EPS have been space qualified through a VSB-30 flight. Besides this, the thesis proposes an energy-driven scheduling algorithm, which allows improving the EPS efficiency controlling the nanosatellite tasks execution. Although the EPS circuit architecture is the main factor for the input power maximization, the nanosatellite tasks execution also may affect its energy harvesting capability. Therefore, this thesis describes a scheduling algorithm that maximizes the nanosatellite power input. The algorithm has been tested for the Directly Coupled architecture, improving its energy harvesting capability in more than 8 % for a single orbit experiment. Finally, the thesis points out improvements in the proposed energy-driven scheduling algorithm, which may consider also battery aging effects, energy input prediction, tasks priority optimization and EPS architecture dependence.