FPGA-based Active Pointing Correction of Optical Instruments on Small Satellites

Abstract

CubeSats zijn kleine satellieten die wetenschappers in staat stellen om experimenten uit te voeren in de ruimte. CUBESPEC is een 6U CubeSat concept door het KU Leuven Instituut voor Sterrenkunde. CUBESPEC vereist een hoge richtnauwkeurigheid in de orde van enkele boogseconden. De Attitude Determination and Control System (ADCS) kan de positie van de satelliet echter tot op 100 boogseconden nauwkeurig regelen. Het doel van deze thesis is het implementeren van een platform dat een richtnauwkeurigheid van enkele boogseconden nastreeft.

Ten eerste werd er een literatuurstudie uitgevoerd naar reeds geïmplementeerde technologie. Ten tweede werd er een optisch systeem gebouwd dat de CUBESPEC opstelling voorstelt. De twee hoofdelementen in het systeem zijn een elektronisch gestuurde spiegel en een beeldsensor. Een deel van de controlelus werd geïmplementeerd in Python en OpenCV die het systeem cross-platform maken. De performantie van de controlelus werd nagegaan door het aanleggen van storingen met verschillende frequenties.

Precieze controle over de elektronische spiegel werd bekomen via 16-bit digitaal-naar- analoog convertoren, geïnterfaced via een FPGA. Het lage ruisniveau van de convertoren resulteert in een minimale toename in de fout bij de positiebepaling. Door de 16-bit nauwkeurigheid is de stuurresolutie meer dan voldoende. Met de gebruikte PI-instelparameters kan de CUBESPEC richtnauwkeurigheid gehaald worden indien de belangrijkste frequentiecomponent in de onzekerheid van het ADCS beneden de 0.05 Hz ligt.