Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT SATELLITESF. Graziani, F. Santoni, F. Piergentili,

M. Agostinelli, M. L. Battagliere, F. Bulgarelli, M. Ronzitti, M. Sgubini

SCUOLA DI INGEGNERIA AEROSPAZIALEUNIVERSITA’ DI ROMA “LA SAPIENZA”

FUNDAMENTAL PHYSICS IN SPACE WITH SMALL PAYLOADS (FPS-06)Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

March 21-23, 2006

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Contents

•The UNISAT program aimsThe UNISAT program aims

•Spacecraft design, manufacturing, Spacecraft design, manufacturing, testing, launch, operationstesting, launch, operations

•Results of UNISAT-3 at 21 months from launchResults of UNISAT-3 at 21 months from launch

•UNISAT- 4 scheduled for launch in June 2006UNISAT- 4 scheduled for launch in June 2006

•Examples of technological and scientific Examples of technological and scientific payloadspayloads

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Small Satellites for Space Education

•Practical Training of Whole Cycle of Space Development

– Mission conceptualization, satellite design, fabrication, ground test, modification launch and operation

– Know what is important and what is not.•Importance for Engineering Education– Synthesis (Not Analysis) of an effective system– Feedbacks from the real world to evaluate design, test, etc.•Education of Project Management– Four Managements: time, human resources, cost and risk– Team work, conflict resolution– Effective discussion, documentation– International cooperation, negotiation, mutual understanding

Department of Aeronautics and Astronautics University of Tokyo

Shinichi Nakasuka

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Small Satellites for Space Research

•Reduction of space mission cost using

Commercial Off The Shelf (COTS) components

•Reduction of time from space mission concept to launch

(typical time required: 2 years)

•Technology: test in orbit of state of the art technology

•Science: small scientific payloads

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT program microsatellites

UnisatSeptember 26, 2000

Unisat-2 December 20, 2002

Unisat-3June 29, 2004

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 - SheetMissionMission Microsatellite Weight 10 kg Microsatellite Weight 10 kg

Circular Orbit Circular Orbit

(Sunsynchronous , 750 km height)(Sunsynchronous , 750 km height)

StructureStructure Geometry: octagonal prism Geometry: octagonal prism

(150mm side; 250mm height)(150mm side; 250mm height) Materials: Al + Al-Al sandwichMaterials: Al + Al-Al sandwich

AttitudeAttitude Passive magnetic Passive magnetic

PowerPower - Si and triple-junction - Si and triple-junction

solar cells solar cells

- NiCd Batteries- NiCd Batteries

TLCTLC VHF (145 MHz) uplink; VHF (145 MHz) uplink;

UHF (436 MHz) downlink; 9600 bps;UHF (436 MHz) downlink; 9600 bps;

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Passive magnetic attitude stabilizationPassive magnetic attitude stabilization

A permanent magnet installed A permanent magnet installed on the satellite follows the Earth on the satellite follows the Earth magnetic field lines magnetic field lines

Accuracy on the order of 10° Accuracy on the order of 10°

Low costLow cost

No software developmentNo software development

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UNISAT-3 block diagram

CPU

MODEM+HDLC Protocol

Transmitter UHF

Receiver VHF

Antenna

RS-2329600 bps

Payloads

Telemetry

Communication

Tone Decoder

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UNISAT-3 UNISAT-3 electronic boardselectronic boards

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT - 3 Terrestrial Si Solar Arrays UNISAT - 3 Terrestrial Si Solar Arrays

Lateral solar panels

Upper solar panel

Terrestrial Si solar cell

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Low Grade 3J (21%) and Low Grade 3J (21%) and Space Qualified Si (15%) Solar Arrays Space Qualified Si (15%) Solar Arrays

Si Solar Array manufactured by Kiev Polytechnic InstituteTriple junction Solar Array

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Vibration Test (OCI, Roma)Vibration Test (OCI, Roma)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Vibration test (Dnepropetrovsk)Vibration test (Dnepropetrovsk)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Separation test (Dnepropetrovsk)Separation test (Dnepropetrovsk)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Integration on the DNEPR Integration on the DNEPR launcher (Baikonour)launcher (Baikonour)

UNISAT-3 launch team

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 LaunchUNISAT-3 Launch

Launched from Baikonour using DNEPR LV on 29th June 2004

Sunsynchronous Orbit

Inclination: 98°

Altitude: 710-780 km

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

DNEPR LV Launch siteDNEPR LV Launch site

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

San Pietro in Vincoli (SPIV) Ground Station

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

Ground Station Operation Automation

Remote operation Internet connection by authorized users Remote operation Internet connection by authorized users (2hr/day in remote location) (2hr/day in remote location)

Full automatic operation, as programmed by the operator, Full automatic operation, as programmed by the operator, about 10 min/weekabout 10 min/week

UNISAT-3 operation required one operator at the ground station UNISAT-3 operation required one operator at the ground station 2hr/day at fixed times (sat in view)2hr/day at fixed times (sat in view)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 Real time Telemetry

• 3 solar array currents

• 3 solar array voltages

• 3 solar array temperatures

• 3-axes magnetometer measures

• Load and Battery currents

• Battery Voltage

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UNISAT-3 Telemetry Data (2 July 2004)UNISAT-3 Telemetry Data (2 July 2004)

0 100 200 300 400 500 600 700 800-10

-8

-6

-4

-2

0

2temperature 2/7/2004 11:22 - rosso pan sup, blu pan 8, nero pan inf

tempo (secondi)

grad

i cen

tigra

di

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

2

4

6

8

10

12

14tensioni 2/7/2004 11:22 - rosso Batt, verde pan 2, blu pan 8, nero pan 12, cyan Vpantot

tempo (secondi)

Vol

t

0 100 200 300 400 500 600 700 800-0.23

-0.225

-0.22

-0.215

-0.21

-0.205campo magnetico 2/7/2004 11:22 - rosso Bx, blu By, nero Bz

tempo (secondi)

Gau

ss

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

0.5

1

1.5

2

2.5

correnti 2/7/2004 11:22 - rosso I to batt, verde pan 2, blu pan 8, nero pan 12, cyan Iload

tempo (secondi)

Am

pere

Magnetometer Data

Temperature Data

Current Data

Voltage Data

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 Solar array test results (1)UNISAT-3 Solar array test results (1)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Space qualified Si solar array maximum currents

days from launch

sola

r ar

ray

curr

ent

(A)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 Solar array test results (2)UNISAT-3 Solar array test results (2)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Terrestrial Si solar array maximum currents

days from launch

sola

r ar

ray

curr

ent

(A)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-3 Solar array test results (3)UNISAT-3 Solar array test results (3)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7 Low grade 3J solar array maximum currents

days from launch

sola

r ar

ray

curr

ent

(A)

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

UNISAT-4UNISAT-4 MissionMission Microsatellite Weight 10 kg Microsatellite Weight 10 kg

Circular Orbit Circular Orbit (Sunsynchronous , 750 km height)(Sunsynchronous , 750 km height)

StructureStructure Geometry: octagonal prism Geometry: octagonal prism (150mm side; 250mm height)(150mm side; 250mm height)

Materials: Al + Al-Al sandwichMaterials: Al + Al-Al sandwichAttitudeAttitude Passive magnetic Passive magneticPowerPower - Si and GaAs triple-junction solar cells - Si and GaAs triple-junction solar cells

- NiCd Batteries- NiCd BatteriesTLCTLC VHF (145 MHz) uplink; VHF (145 MHz) uplink;

UHF (436 MHz) downlink; 9600 bps;UHF (436 MHz) downlink; 9600 bps;

PayloadsPayloads Langmuir Probe (CNR, IFSI)Langmuir Probe (CNR, IFSI)

2 2 COTS Camera with different resolutionCOTS Camera with different resolution

Navigation experiment (GPS)Navigation experiment (GPS)

SIRDARIA SIRDARIA (Spacecraft Integrated Re-entry Device Aero-Resistant, Increasing (Spacecraft Integrated Re-entry Device Aero-Resistant, Increasing Area)Area)

MPPT (maximum Peak Power Tracking)MPPT (maximum Peak Power Tracking)

COTS MagnetometersCOTS Magnetometers

GAUSS integrated Triple Junction Solar arraysGAUSS integrated Triple Junction Solar arrays

UNISAT-3UNISAT-3

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

TPS: Triple Probe SystemTPS: Triple Probe System

Ionized particles densities are evaluated by voltages and currents among three electrodes exposed to the space plasma

Probes Circuit

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

2 COTS cameras with different resolution2 COTS cameras with different resolution

Industrial applications cameraIndustrial applications camera

Differrent resolution by appropriate Differrent resolution by appropriate COTS opticsCOTS optics

User programmable by simple User programmable by simple “High level” visual programming “High level” visual programming block diagram environmentblock diagram environment

6x6 cm size6x6 cm size

50g weight50g weight

1.5W power1.5W power

FOV and approximate ground resolution at 500 km heightFOV and approximate ground resolution at 500 km height

F 2,5 mm:F 2,5 mm: FOV 84.6° image size 1000km resolution 1.4 kmFOV 84.6° image size 1000km resolution 1.4 km

F 6 mm:F 6 mm: FOV 36,8° image size 300km resolution 0.5 kmFOV 36,8° image size 300km resolution 0.5 km

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

GPS receiverGPS receiver

ChannelsChannels 1212

Position accuracy Position accuracy 5m5m

Velocity accuracy Velocity accuracy 0.05m/s0.05m/s

Cold Start Cold Start 120sec (typ)120sec (typ)

Serial Interface Serial Interface 19200 bps19200 bps

Temperature Temperature -30° / 70°C-30° / 70°C

Size Size 46x71x13 46x71x13 mmmm

Weight Weight 22g22g

Power Power 0.5W0.5W

NMEA or binary output formatNMEA or binary output format

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

SIRDARIASIRDARIASpacecraft Integrated Re-entry Device Aero-Resistant, Increasing AreaSpacecraft Integrated Re-entry Device Aero-Resistant, Increasing Area

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

COTS Fluxgate magnetometerCOTS Fluxgate magnetometer

Temperature -25 : 70 °CTemperature -25 : 70 °C

Weight 50 gWeight 50 g

Power 200mWPower 200mW

Size 12x2.5 cmSize 12x2.5 cm

Serial interfaceSerial interface

Accuracy 5nTAccuracy 5nT

Alignment 0.2°Alignment 0.2°

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”

A)

MPPT (Maximum Peak Power Point MPPT (Maximum Peak Power Point Tracking)Tracking)

Efficiency between 80% and 90% , depending on the working voltageEfficiency between 80% and 90% , depending on the working voltage

Can recover damages of one or more solar cells in the solar arrayCan recover damages of one or more solar cells in the solar array

Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”Gruppo di Astrodinamica dell’Università degli Studi “la Sapienza”