A contribution to the in-orbit validation of a radiation-hardened communication platform to be used in small satellites

Abstract

Durante a última década, o número de missões espaciais utilizando nanossatélites aumentou consideravelmente devido a utilização do padrão CubeSat. O padrão CubeSat trouxe uma opção viável tanto para a comunidade acadêmica quanto para as empresas, uma vez que traz um orçamento consideravelmente reduzido quando comparado a modelos desenvolvidos por grandes corporações. Entretanto, diferentes protocolos de comunicações são empregados, diminuindo a integração entre as missões espaciais. Contudo, os protocolos definidos pelo CCSDS surgem como uma forte alternativa para quebrar essa barreira de integração, uma vez que já foram utilizados em mais de 900 missões espaciais. Com isso, este trabalho descreve o desenvolvimento de um módulo de comunicação para nanossatélites seguindo as recomendações propostas pelo CCSDS. Este trabalho tem como dispositivo alvo um novo FPGA endurecido contra os efeitos da radiação (radiation- hardened). Esse FPGA foi desenvolvido por uma companhia francesa e tem um grande potencial de utilização em novas missões espaciais devido ao fato de não ter as restrições provindas das regulamentações ITAR e EAR. Para alcançar os objetivos, o trabalho faz uso de uma unidade de telemetria e telecomandos e desenvolve uma arquitetura para um OBDH com o propósito de validar os telecomandos recebidos e gerar telemetria, tanto no aspecto de dados de status quanto para dados científicos. A implementação proposta por este trabalho tem como base a arquitetura do Payload-X, que foi desenvolvido para ser operado como carga útil juntamente com o nanossatélite FloripaSat-I. Testes em hardware-in-the-loop aplicados a casos de usos do sistema mostraram a validade dos fluxos de telecomando e telemetria, sendo também verificadas a alocação de recursos do FPGA pela implementação e a utilização do Static Time Analisys para definir a viabilidade da aplicação.<br>

Abstract : During the last decade, the number of space missions using nano-satellites has increased considerably, this is due to the use of the CubeSat standard that has brought a viable option for both the academic community and the companies since it brings a considerably reduced budget when compared to models developed by large corporations. However, different communication protocols are employed, reducing the integration between these space missions. Though, the protocols defined by the CCSDS appear as a strong alternative to break this integration barrier since they have already been used in more than 900 space missions. As a result, this work describes the development of a communication module for nanosatellites following the recommendations proposed by the CCSDS. This work has as its target device a new radiation-hardened FPGA developed by a French company that has a high potential usage in new space missions since it does not have the restrictions coming from the ITAR and EAR regulations. The work makes use of a telemetry unit and remote controls and develops a platform for an OBDH to validate the incoming telecommands and to generate telemetry, both in terms of status data and scientific data. The implementation proposed by this work is based on the Payload-X architecture, which was developed to be used as a payload in the FloripaSat-I nanosatellite. Hardware-in-the-loop tests applied to system use cases showed the validity of telecommand and telemetry flows, as well as the allocation of FPGA resources through implementation and the use of Static Time Analysis to define the feasibility of the application.