nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm vệ tinh picosatellite

b Sản phẩm Dạng II: Tài liệu mô tả quy trình công nghệ- Xây dựng yêu cầu - Phân tích quỹ đạo - Thiết kế các khối chức năng chính gồm khối nguồn, máy tính điều khiển & phần mềm, truyền th

Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày 24 tháng 12 năm 2012

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm vệ tinh picosatellite”

Mã số đề tài: KC.01.TN14/11-15

Thuộc: Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.01/11-15

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Thông tin và Truyền thông”

2 Chủ nhiệm đề tài:

Họ và tên: Vũ Trọng Thư

Ngày, tháng, năm sinh: 5/2/1982 Nam/ Nữ: Nam

Học hàm, học vị: Kỹ sư

Chức danh khoa học: Chức vụ: Trưởng phòng

Điện thoại: Tổ chức: 04-37958177 Nhà riêng: 04-37551669

Mobile: 0905369821 Fax: 04-37687718 E-mail: thuvt@fpt.edu.vn Tên tổ chức đang công tác: Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT

Địa chỉ tổ chức: Số 8 Tôn Thất Thuyết, Từ Liêm, Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Nhà 11A khu tập thể Hóa chất, ngõ 100 Hoàng Quốc

Việt, Tây Hồ, Hà Nội

3 Tổ chức chủ trì đề tài:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT

Điện thoại: 04-37958177 Fax: 04-37687718

E-mail: research@fpt.edu.vn

Website: http://ftri.fpt.edu.vn/

Địa chỉ: Số 8 Tôn Thất Thuyết, Từ Liêm, Hà Nội

Họ và tên người đứng đầu tổ chức: Trần Thế Trung

Số tài khoản: 931.01.041 tại Kho bạc Nhà nước quận Từ Liêm, Hà Nội Tên cơ quan chủ quản đề tài: Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:

Số

TT

Số, thời gian ban

5

Số

03/QĐ-VNCCN ngày

12/12/2012

Về việc thành lập Hội đồng nghiệm thu cấp

cơ sở đánh giá Đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Nhà nước

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu

đạt được

Ghi chú*

1

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

được

Ghi chú

*

1 KS Vũ Trọng

Thư

KS Vũ Trọng Thư

Quản trị dự án, tính toán quỹ đạo, môđun truyền thông, phần mềm trên vệ tinh

2 KS Đinh Quốc Trí KS Đinh Quốc Trí

Môđun điện tử, truyền thông của

vệ tinh

3 KS Phạm Hồng

Thái

KS Phạm Hồng Thái

Môđun cơ khí và kết cấu

4 KS Đào Văn Thắng KS Đào Văn Thắng Phần mềm trên vệ tinh

5 Phạm Quang Hưng Phạm Quang Hưng Phần mềm trạm mặt đất

6 Nguyễn Hoàng Giang Nguyễn Hoàng Giang Phần mềm trạm mặt đất

7 Trương Ngọc Khánh Trương Ngọc Khánh

Xây dựng trang web, làm phim, đồ họa, quan hệ cộng

đồng

8 Trương Long

Hải

Trương Long Hải

Kiểm thử, đảm bảo chất lượng

9 TS Trần Thế Trung TS Trần Thế Trung Cố vấn khoa học

10 GS Hugo Nguyen GS Hugo Nguyen

Cố vấn khoa học, Môđun cơ khí và kết cấu

- Lý do thay đổi ( nếu có):

1

- Lý do thay đổi (nếu có):

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

1 1.1 Nghiên cứu môi trường hoạt

động của vệ tinh trên quỹ đạo Trái

đất

T -> T+4 tháng 2/2012 Vũ Trọng Thư

2 1.2 Nghiên cứu điều kiện môi

trường trong lúc phóng của tên lửa

T -> T+4 tháng 3/2012

Phạm Hồng Thái

3 1.3 Xác định các rủi ro đối với vệ

tinh, phân tích và lập đối sách

T -> T+4 tháng 4/2012 Đinh Quốc Trí

4 1.4 Thiết kế mô hình kết cấu 3D

của vệ tinh trên máy tính

Phân tích về tần số dao động

riêng, độ bền cho mô hình 3D của

vệ tinh

T -> T+4 tháng 4/2012

Phạm Hồng Thái

5 1.5 Xây dựng thiết kế tổng quan

hệ thống và thiết kế chi tiết sơ đồ

mạch điện tử của vệ tinh trên máy

tính, kiểm tra

T -> T+4 tháng 4/2012 Đinh Quốc Trí

6 1.6 Tính toán quỹ năng lượng cho

vệ tinh

T+4 -> T+6 tháng 5/2012 Đinh Quốc Trí

7 1.7 Xây dựng chế độ hoạt động

cho vệ tinh

T+4 -> T+6 tháng 4/2012

Nguyễn Hoàng Giang

8 1.8 Thiết kế và chế tạo dàn đèn

mô phỏng mặt trời

T+4 -> T+6 tháng 5/2012

Phạm Hồng Thái

10 1.10 Thử nghiệm hoạt động của vệ

tinh trong thời gian dài

T+6 -> T+8 tháng 7/2012

Phạm Quang Hưng

11 1.11 Hoàn thiện thiết kế phần

mềm trên vệ tinh giải quyết vấn đề

mất gói tin và các chức năng đảm

bảo độ tin cậy

T+2 -> T+8 tháng 6/2012

Đào Văn

Thắng

12 1.12 Hoàn thiện thiết kế và phát

triển phần mềm trạm mặt đất để

giải quyết vấn đề mất gói tin và

đảm bảo giao tiếp tốt với phần

mềm trên vệ tinh

T+2 -> T+8 tháng 6/2012

Phạm Quang Hưng

13 1.13 Đo hệ số phản xạ sóng đứng

SWR và hiệu chỉnh ăngten vệ tinh

T+6 -> T+8 tháng 7/2012 Vũ Trọng Thư

14 1.14 Thử nghiệm liên lạc khoảng

cách xa (50km) đối với vệ tinh

T+6 -> T+10 tháng 8/2012

Phạm Quang Hưng

15 1.15 Chuẩn bị cho thử nghiệm trên

tầng bình lưu, xin giấy phép, lên

kế hoạch thử nghiệm

T+6 -> T+9 tháng 9/2012

Trương Ngọc Khánh

16 1.16 Thử nghiệm hoạt động của 1

số bộ phận của vệ tinh ở độ cao

khoảng 20km với khinh khí cầu &

thu hồi

T+9 -> T+10 tháng 12/2012

Trương Ngọc Khánh

17 2.1 Điều tra, lập bảng thông tin

tổng hợp về các dự án picosatellite

đã và đang được tiến hành trên thế

giới (khoảng 100 dự án)

T -> T+4 tháng 4/2012

Phạm Quang Hưng

18 2.2 Nghiên cứu tiêu chuẩn

CubeSat dành cho vệ tinh nhỏ

(CubeSat Design Specifications),

viết báo cáo

T -> T+4 tháng 4/2012

Phạm Hồng Thái

19 2.3 Thuê khoán gia công các chi

tiết cơ khí của vệ tinh và nghiệm

thu

T+4 -> T+6 tháng 6/2012

Phạm Hồng Thái

20 2.4 Chế tạo hộp mica để bảo quản,

trưng bày hay dùng khi vận

chuyển vệ tinh

T+4-> T+6 tháng 6/2012

Nguyễn Hoàng Giang

21 2.5 Thiết kế, chế tạo 1 tủ sạch,

cách li với bên ngoài, có quạt

thông gió cho một người làm việc

để phục vụ hàn bo mạch cho vệ

tinh, lắp ráp thiết bị trong môi

trường sạch

T -> T+4 tháng 4/2012

Trương Ngọc Khánh

22 2.6 Thiết kế và chế tạo ống phóng

vệ tinh (F-POD)

T+2 -> T+6 tháng 5/2012

Phạm Hồng Thái

23 2.7 Chế tạo thiết bị thử nghiệm gia

tốc cho vệ tinh picosatellite (tối đa

14g)

T+2 -> T+6 tháng 6/2012

Phạm Hồng Thái

24 2.8 Đặt mạch in PCB, hàn linh

kiện điện tử của vệ tinh và lắp

ghép với khung cơ khí

T+4 -> T+6 tháng 4/2012 Đinh Quốc Trí

25 2.9 Thử nghiệm rung động và sốc

cho vệ tinh

T+6 -> T+8 tháng 8/2012

Phạm Hồng Thái

26 2.10 Thử nghiệm nhiệt chân

không cho vệ tinh T+8 -> T+10

tháng 9/2012 Phạm Hồng

Thái

27 3.1 Viết hướng dẫn sử dụng vệ

tinh nhỏ (mô tả các chức năng,

hướng dẫn cách sạc pin, khởi

động, thu tín hiệu, gửi lệnh từ

trạm mặt đất…), có hình ảnh minh

họa trực quan

T+8 -> T+12 tháng 10/2012

Đào Văn

Thắng

28

3.2 Phát triển trang web và cập

nhật nội dung để cung cấp thông

tin về đề tài, chia sẻ với cộng đồng

trong và ngoài nước, thực hiện xã

hội hóa

T -> T+12 tháng 4/2012

Trương Ngọc Khánh

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

a) Sản phẩm Dạng I: 01 mô hình bay (Flight Model) của vệ tinh pico theo tiêu chuẩn CubeSat với các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu sau:

b) Sản phẩm Dạng II: Tài liệu mô tả quy trình công nghệ

- Xây dựng yêu cầu

- Phân tích quỹ đạo

- Thiết kế các khối chức năng chính (gồm khối nguồn, máy tính điều khiển & phần mềm, truyền thông, cơ khí…)

- Chế tạo vệ tinh (gia công các chi tiết cơ khí, đặt mạch in PCB, lắp ghép hệ thống…)

- Thử nghiệm vệ tinh (chức năng, rung động, sốc, nhiệt chân không, tầm xa…)

- Một số kinh nghiệm thực tiễn

Tài liệu tổng hợp mô tả quy trình chế tạo

vệ tinh picosatellite

theo kế hoạch

- Lý do thay đổi (nếu có):

c) Sản phẩm Dạng III: Bài báo

Tạp chí nghiên cứu

KH&CNQS, Viện KH- CNQS

d) Kết quả đào tạo:

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống cây trồng:

Theo

kế hoạch

Thực tế đạt được

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

- Trong khu vực Đông Nam Á, cho tới hiện tại (4/2013) chưa có nước nào chế tạo được vệ tinh nano và phóng lên quỹ đạo Công ty ATSB của Malaysia đã chế tạo được vệ tinh InnoSat 3U CubeSat tuy nhiên vẫn đang chờ phóng (http://www.atsb.my/index.php/space-systems/70-innosat-)

- Trên thế giới, đã có trên 100 dự án vệ tinh nano đã và đang được thực hiện, chủ yếu ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ FPT

Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.01/11-15

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Thông tin và Truyền thông”

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm

vệ tinh picosatellite”

Mã số KC.01.TN14/11-15

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện nghiên cứu Công nghệ FPT

Hà Nội, 4/2013

Mục lục

1 Mở đầu 7

1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.3 Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 10

1.4 Phương pháp nghiên cứu 10

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài; 12

1.6 Danh sách cán bộ tham gia thực hiện đề tài 12

2 Các vấn đề được giải quyết 13

2.1 Vấn đề đảm bảo độ tin cậy của vệ tinh 13

2.1.1 Điều tra, lập bảng thông tin tổng hợp về các dự án picosatellite 13

2.1.2 Nghiên cứu môi trường hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo 16

2.1.3 Nghiên cứu điều kiện môi trường trong lúc phóng của tên lửa 19

2.1.4 Xác định các rủi ro đối với vệ tinh, phân tích và lập đối sách 24

2.1.5 Thiết kế và phân tích mô hình kết cấu 3D của vệ tinh 28

2.1.6 Xây dựng thiết kế tổng quan hệ thống và thiết kế chi tiết 32

2.2 Vấn đề quản lý năng lượng của vệ tinh 36

2.2.1 Tính toán quỹ năng lượng cho vệ tinh 36

2.2.2 Xây dựng chế độ hoạt động cho vệ tinh 42

2.2.3 Thiết kế, chế tạo dàn đèn mô phỏng ánh sáng Mặt trời 46

2.2.4 Thiết kế, chế tạo khung quay 2 bậc tự do 50

2.2.5 Thử nghiệm hoạt động của vệ tinh trong thời gian dài 54

2.3 Vấn đề bị mất gói tin 58

2.3.1 Thiết kế, phát triển phần mềm giải quyết vấn đề mất gói tin 61

2.3.2 Đo tỷ số sóng đứng SWR và hiệu chỉnh ăngten vệ tinh 65

2.3.3 Thử nghiệm liên lạc khoảng cách xa (50km) cho vệ tinh 67

2.4 Vấn đề thử nghiệm trên tầng bình lưu 71

2.4.1 Chuẩn bị cho thử nghiệm trên tầng bình lưu 72

2.4.2 Thử nghiệm hoạt động 1 số bộ phận của vệ tinh ở tầng bình lưu 80

3 Chế tạo mô hình bay (FM) của vệ tinh, hoàn thành các thử nghiệm 84

3.1 Chế tạo mô hình bay (FM) của vệ tinh 84

3.1.1 Nghiên cứu tiêu chuẩn CubeSat dành cho vệ tinh nhỏ 84

3.1.2 Gia công các chi tiết cơ khí của vệ tinh 85

3.1.3 Chế tạo hộp mica để bảo quản, trưng bày hay vận chuyển vệ tinh 86

3.1.4 Thiết kế, chế tạo tủ sạch 88

3.1.5 Đặt mạch in PCB, lắp ghép với khung cơ khí 91

3.2 Tiến hành các thử nghiệm 93

3.2.1 Chế tạo F-POD dùng để gắn vệ tinh lên tên lửa 93

3.2.2 Chế tạo thiết bị thử nghiệm gia tốc cho vệ tinh (tối đa 14g) 94

3.2.3 Thử nghiệm rung động và sốc cho vệ tinh 96

3.2.4 Thử nghiệm nhiệt chân không cho vệ tinh 97

4 Kết quả đạt được 101

4.1 Sản phẩm dạng 1 – Mô hình bay của vệ tinh 101

4.2 Sản phẩm dạng 2 – Tài liệu mô tả quy trình công nghệ 103

4.3 Sản phẩm dạng 3 – Bài báo 104

4.4 Tác động đối với xã hội 105

5 Kết luận và kiến nghị 106

5.1 Kết luận 106

5.2 Kiến nghị và hướng phát triển tiếp theo 107

6 Tài liệu tham khảo 108

7 Phụ lục 110

7.1 Bản vẽ thiết kế vệ tinh picosatellite 110

7.2 Tập lệnh của vệ tinh picosatellite 120

Danh mục các thuật ngữ, các chữ viết tắt

4 Housekeeping Dữ liệu về tình trạng “sức khỏe” của vệ

tinh (ví dụ như điện áp pin, nhiệt độ…)

7 ACK (Acknowledgement) Xác nhận (gói tin xác nhận)

8 OBC (Onboard Computer) Máy tính trên khoang

10 COM (Communication) Khối truyền thông

11 BBM (Breadboard Model) Mô hình thử nghiệm

12 EM (Engineering Model) Mô hình kỹ thuật

14 FM (Frequency Modulation) Điều biến theo tần số

15 SWR (Standing Ware Ratio) Tỷ số sóng đứng

16 TNC (Terminal Node Controller) Bộ điều khiển nút đầu cuối

17. ADCS (Attitude Determination and

Control System) Khối xác định và điều khiển tư thế

18. AFRL (Airforce Reasearch

Laboratory) Phòng thí nghiệm Không quân Hoa Kỳ

19. NASA (National Aeronautics and

Space Administration)

Cơ quan quản trị Hàng không Không gian

(Hoa Kỳ)

20. NORAD (North American

Aerospace Defense Command) Bộ chỉ huy Phòng thủ không gian Bắc Mỹ

21. JAXA (Japan Aerospace

Exploration Agency) Cơ quan Không gian Nhật Bản

22 STI (Space Technology Institute) Viện Công nghệ Vũ trụ

23 TLE (Two-Line Element) Thông số quỹ đạo vệ tinh được ghi trên 2

dòng

Danh mục các bảng biểu

Bảng 2.1 Trích thông tin của 10 dự án vệ tinh picosatellite 14

Bảng 2.2 Gia tốc trong quá trình vận chuyển 21

Bảng 2.3 Tải trọng tĩnh và tải trọng động lớn nhất 21

Bảng 2.4 Biên độ dao động điều hòa tác động lên vệ tinh theo trục dài (x) 21

Bảng 2.5 Biên độ dao động điều hòa tác động lên vệ tinh theo trục ngang (y, z) 21

Bảng 2.6 Mật độ phổ dao động ngẫu nhiên tác động lên vệ tinh 22

Bảng 2.7 Tải trọng đột ngột 22

Bảng 2.8 Tải trọng âm 23

Bảng 2.9 Quản lý các rủi ro đối với vệ tinh 25

Bảng 2.10 Tính toán năng lượng sinh ra của vệ tinh 37

Bảng 2.11 Tính toán quỹ năng lượng cho vệ tinh 39

Bảng 2.12 Tần số và bước sóng của vệ tinh 66

Bảng 2.13 Kết quả đo tỷ số SWR 67

Bảng 2.14 Kết quả thử nghiệm liên lạc tầm xa 68

Bảng 2.15 Dữ liệu thô của thử nghiệm liên lạc tầm xa 71

Bảng 2.16 Tọa độ và độ cao của khí cầu gửi về trong quá trình bay 81

Bảng 4.1 Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đề tài 101

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.2.1 Vệ tinh siêu nhỏ XI-IV do ĐH Tokyo chế tạo, phóng năm 2003 9

Hình 1.2.2 Vệ tinh siêu nhỏ PicoDragon do Viện Công nghệ Vũ trụ chế tạo 9

Hình 2.1.1 Ước tính độ cao quỹ đạo của vệ tinh theo thời gian 17

Hình 2.1.2 Ước tính khả năng va chạm của vệ tinh với các vật thể bay trên quỹ đạo 18

Hình 2.1.3 Quá trình hoạt động của tên lửa Dnepr khi mang theo chùm vệ tinh 20

Hình 2.1.4 Khung cơ khí vệ tinh được hình thành từ 4 tấm 29

Hình 2.1.5 Các chi tiết chính của vệ tinh 30

Hình 2.1.6 Dải tần số dao động riêng của vệ tinh picosatellite 30

Hình 2.1.7 Ứng suất sinh ra trên vệ tinh do rung động ngẫu nhiên của vệ tinh 31

Hình 2.1.8 Ý tưởng thiết kế tổng quan ban đầu của hệ thống 32

Hình 2.1.9 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 33

Hình 2.1.10 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 35

Hình 2.2.1 Tổng quan các chế độ hoạt động của OBC2 43

Hình 2.2.2 Thuật toán chế độ hoạt động bình thường 44

Hình 2.2.3 Thuật toán chế độ pin yếu 45

Hình 2.2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 48

Hình 2.2.5 Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển 48

Hình 2.2.6 Mô hình thiết kế dàn đèn mô phỏng mặt trời 49

Hình 2.2.7 Dàn đèn mô phỏng Mặt trời 50

Hình 2.2.8 Mô hình thiết kế 3D của khung quay 2 bậc tự do 51

Hình 2.2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển khung quay 52

Hình 2.2.10 Sơ đồ mạch in của bo mạch điều khiển khung quay 52

Hình 2.2.11 Sản phẩm hoàn thiện 53

Hình 2.2.12 Chổi than sử dụng để truyền tín hiệu điện lên động cơ bên trên 53

Hình 2.2.13 Hộp chứa mạch điều khiển 53

Hình 2.2.14 Biểu đồ nhiệt độ thu được từ OBC2 (một phần) 56

Hình 2.3.1 Ảnh chụp bởi máy ảnh trên vệ tinh từ tầng 14 tòa nhà FPT 63

Hình 2.3.2 Ảnh chụp bởi máy ảnh trên vệ tinh từ đỉnh núi Tam Đảo 63

Hình 2.3.3 Đo hệ số SWR của ăng ten vệ tinh picosatellite 66

Hình 2.3.4 Hình ảnh bị mất một số gói tin khi truyền 69

Hình 2.3.5 Hình ảnh sau khi download các gói tin bị mất 69

Hình 2.3.6 Thu tín hiệu tại trạm mặt đất 69

Hình 2.3.7 Biểu đồ điện áp bo pin 70

Hình 2.3.8 Biểu đồ nhiệt độ các mặt của vệ tinh 70

Hình 2.4.1 Đồ thị nhiệt độ theo độ cao khí quyển (nguồn: Internet) 72

Hình 2.4.2 Đồ thị áp suất theo độ cao khí quyển (nguồn: Internet) 72

Hình 2.4.3 Máy thu phát sóng VX-8GR 73

Hình 2.4.4 Pin sạc Li-polymer 3.7V 73

Hình 2.4.5 Pin mặt trời 73

Hình 2.4.6 Vi điều khiển PIC 74

Hình 2.4.7 Chip nhớ EEPROM 74

Hình 2.4.8 Máy quay phim 74

Hình 2.4.9 Thiết bị định vị GPS/GPRS 75

Hình 2.4.10 Dù dùng để thu hồi các thiết bị 76

Hình 2.4.11 Thử nghiệm bung dù, thả dù từ nhà cao tầng 77

Hình 2.4.12 Hộp xốp bảo vệ các thiết bị 77

Hình 2.4.13 Khí cầu nhỏ dùng thể nâng thiết bị lên tầng bình lưu 78

Hình 2.4.14 Đường đi của thiết bị định vị GPS trong lần thử nghiệm thứ ba 80

Hình 2.4.15 Đường đi của khí cầu (màu vàng) và đội thu hồi (màu đỏ) 81

Hình 2.4.16 Hình ảnh được ghi lại ở tầng bình lưu 82

Hình 2.4.17 Dữ liệu điện áp pin mặt trời trong quá trình bay 82

Hình 3.1.1 Khung cơ khí vệ tinh sau khi lắp ghép 85

Hình 3.1.2 Lắp ghép khung cơ khí với các bộ phận khác 85

Hình 3.1.3 Vệ tinh picosatellite sau khi lắp ghép hoàn chỉnh 85

Hình 3.1.4 Thiết kế hộp mica đựng vệ tinh và sản phẩm sau khi chế tạo 87

Hình 3.1.5 Hộp mica đựng vệ tinh trên thực tế 88

Hình 3.1.6 Mô hình thiết kế tủ sạch 89

Hình 3.1.7 Tủ sạch sau khi lắp ghép hoàn chỉnh 91

Hình 3.1.8 Nhân viên thao tác trong tủ sạch 91

Hình 3.1.9 Sơ đồ mạch in PCB 91

Hình 3.1.10 Hàn linh kiện điện tử lên các bo mạch PCB và lắp ghép với khung cơ khí 92

Hình 3.2.1 P-POD theo thiết kế của CalPoly 93

Hình 3.2.2 Thiết kế của F-POD 93

Hình 3.2.3 Sản phẩm F-POD trên thực tế 94

Hình 3.2.4 Mô hình thiết bị thử nghiệm gia tốc 95

Hình 3.2.5 Thử nghiệm gia tốc cho vệ tinh 95

Hình 3.2.6 Thử nghiệm rung động cho vệ tinh tại Trường Đại học Tokyo 96

Hình 3.2.7 Thử nghiệm shock cho vệ tinh tại Viện Tên lửa 97

Hình 3.2.8 Buồng nhiệt chân không nóng và nhiệt chân không lạnh 98

Hình 3.2.9 Vệ tinh được thử nghiệm nhiệt chân không nóng và lạnh 99

Hình 3.2.10 Máy tính và thiết bị giả lập trạm mặt đất 99

Hình 3.2.11 Đồ thị nhiệt độ đo được tại các mặt của vệ tinh (ngày thứ nhất) 99

Hình 3.2.12 Đồ thị nhiệt độ đo được tại các mặt của vệ tinh (ngày thứ hai) 100

1 Mở đầu

1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Từ khi Liên Xô phóng thành công Sputnik 1 năm 1957 đến nay, đã có hàng nghìn vệ tinh được đưa vào hoạt động trên không gian Với vị trí đặc biệt của mình từ trên quỹ đạo, các vệ tinh đã và đang đem lại những lợi ích to lớn trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, quân sự, định vị, viễn thông, viễn thám, theo dõi và cảnh báo thiên tai… Hiện nay Việt Nam đã có vệ tinh viễn thông VINASAT-1, VINASAT-2 và đang có nhu cầu ứng dụng công nghệ vệ tinh trong viễn thám (chế tạo vệ tinh VNREDSat-1, VNREDSat-1B), quản lý tàu cá (dự án MOVIMAR sử dụng thiết bị đầu cuối của Pháp và thuê dịch vụ

vệ tinh của Mỹ trong 3 năm) Ngoài ra, các bài toán như quản lý nông, lâm ngư nghiệp, dự báo thời tiết, ứng phó biến đổi khí hậu, bảo vệ chủ quyền biển đảo… cũng rất cần ứng dụng công nghệ vệ tinh

Các vệ tinh nếu đi mua của nước ngoài có chi phí rất cao, lên tới hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm triệu USD nên nếu có thể tự chủ được việc chế tạo hoặc tích hợp vệ tinh trong nước thì chi phí sẽ giảm đi nhiều, tiết kiệm được ngân sách Ở Việt Nam, năm 2006 Thủ tướng chính phủ đã có quyết

định số 137/2006/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020” trong đó có mục tiêu quan trọng

“làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ, tự thiết kế và chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát trái đất;” và quan điểm chỉ đạo “xây dựng đội ngũ cán bộ” và “phát huy tối đa tiềm lực trí tuệ con người Việt Nam”

Trên thế giới đang có xu hướng chế tạo các vệ tinh nhỏ microsatellite (<50kg) dần thay thế các vệ tinh cỡ lớn trong một số lĩnh vực truyền thống (như viễn thám) hoặc tạo ra các ứng dụng mới (như theo dõi tàu biển) Năm

2010 chính phủ Nhật Bản đã đầu tư hơn 4 tỷ Yên cho các chương trình UNIFORM [1], “Hodoyoshi” nhằm chế tạo một chùm vệ tinh lớp microsatellite trong thời gian vài năm, để khai thác thế mạnh của các vệ tinh này

Đặc biệt, trong 10 năm gần đây, loại vệ tinh siêu nhỏ có kích thước 10x10x10 cm và trọng lượng 1 kg với tên gọi CubeSat (hay picosatellite)[2] từ công cụ thực hành của sinh viên đại học đang dần trở thành nền tảng cho những vệ tinh có khả năng ứng dụng trong thực tiễn Ngày nay, người sử dụng có thể tự thiết kế hoặc mua sẵn linh kiện điện tử và cơ khí lắp thành vệ tinh cỡ 1, 2, 3 kg với các tính năng mong muốn Ưu điểm của loại vệ tinh siêu nhỏ này là thời gian chế tạo ngắn, chi phí thấp và càng phát huy năng lực khi sử dụng cả một chùm vệ tinh [3] Lớp vệ tinh siêu nhỏ picosatellite này được xác định là mục tiêu nghiên cứu của đề tài

• Mục tiêu tổng quát:

o Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vệ tinh nhỏ lớp picosatellite (cubesat) nặng 1 kg, hướng đến mục tiêu làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vệ tinh nhỏ lớp microsatellite (50kg)

• Mục tiêu cụ thể:

o Thiết kế, chế tạo 01 mô hình bay (FM) vệ tinh nhỏ lớp picosatellite (kích thước 10x10x10cm, nặng 1kg), hoàn thành các thử nghiệm (chức năng, rung động, sốc, nhiệt chân không, liên lạc tầm xa) và sẵn sàng để phóng Nếu có cơ hội thì tiến hành phóng và vận hành

vệ tinh trên quỹ đạo

o Viết tài liệu tổng hợp quy trình chế tạo vệ tinh nhỏ picosatellite áp dụng cho sản phẩm nêu trên

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Được khởi xướng ý tưởng từ cuối năm 1998, lớp vệ tinh siêu nhỏ xuất phát từ công cụ thực hành của sinh viên đại học đang dần trở thành nền tảng cho những vệ tinh có khả năng ứng dụng trong thực tiễn Ưu điểm của loại vệ tinh siêu nhỏ này là thời gian chế tạo ngắn, chi phí thấp [4] và càng phát huy năng lực khi sử dụng cả một chùm vệ tinh Từ những vệ tinh picosatellite đầu tiên được phóng vào năm 2003, trên toàn thế giới hiện nay có hơn 100 dự án

vệ tinh siêu nhỏ CubeSat đã và đang được tiến hành

Hình 1.2.1 Vệ tinh siêu nhỏ XI-IV do ĐH Tokyo chế tạo, phóng năm 2003

Các dự án CubeSat đã nhận được nhiều sự quan tâm và ủng hộ không chỉ của các trường đại học mà còn từ nhiều cơ quan quản lý nhiều nước trên thế giới như NASA với chương trình ELaNa (Educational Launch of Nanosatellites), Phòng thí nghiệm Không quân Hoa Kỳ (AFRL) với chương trình University Nanosatellite Program, Ủy ban châu Âu EC với chương trình QB50 [5]

Ở Việt Nam cũng đã có các nhóm nghiên cứu về chế tạo vệ tinh siêu nhỏ, như Viện Công nghệ Vũ trụ (STI) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam hay Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT thuộc Trường Đại học FPT Viện Công nghệ Vũ trụ (STI) đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vệ tinh nhỏ PicoDragon, khởi động từ năm 2007 Tuy nhiên, tại thời điểm đề xuất đề tài (năm 2011) trong nước chưa có vệ tinh siêu nhỏ picosatellite sẵn sàng để phóng lên quỹ đạo và cũng chưa có bộ tài liệu mô tả quy trình công nghệ chế tạo vệ tinh nhỏ siêu nhỏ loại này

Hình 1.2.2 Vệ tinh siêu nhỏ PicoDragon do Viện Công nghệ Vũ trụ chế tạo

1.3 Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu

Đề tài này có xuất xứ từ dự án chế tạo vệ tinh nhỏ F-1 do Viện Nghiên cứu Công nghệ FPT chủ trì Dự án này được khởi động từ đầu năm 2009 và tại thời điểm đề xuất đề tài (đầu năm 2011) đã đạt được một số kết quả bước đầu như xây dựng trạm mặt đất (đã liên lạc được với một số vệ tinh nhỏ của nước ngoài trên quỹ đạo như XI-IV, XI-V, PRISM, SEEDS, AO-51, HO-68…), chế tạo mô hình thử nghiệm BBM Tuy nhiên trong dự án F-1 vẫn còn một số vấn đề tồn tại và chính là nội dung nghiên cứu của đề tài Cụ thể

đề tài sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau đây:

1 Vấn đề chưa thực nghiệm hoạt động của vệ tinh trong thời gian dài để đảm bảo độ tin cậy

2 Vấn đề chưa thực nghiệm hoạt động của một số bộ phận vệ tinh trong môi trường tầng bình lưu (độ cao khoảng 20km)

3 Vấn đề quản lý năng lượng tiêu thụ của vệ tinh chưa tốt (chạy một thời gian thì pin bị sụt áp)

4 Vấn đề bị mất gói tin khi truyền dữ liệu từ vệ tinh về trạm mặt đất

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vệ tinh nhỏ lớp picosatellite, nhóm tác sẽ đã thực hiện phương pháp nghiên cứu như sau:

- Bước 1 là giải quyết những vấn đề tồn tại nêu ở mục 1.3

- Bước 2 là chế tạo 01 mô hình bay (FM) của vệ tinh picosatellite, do giới hạn về khả năng, trang thiết bị và kinh phí của đề tài nên nhóm tác giả không tự chế tạo toàn bộ tất các bộ phận của vệ tinh và có tích hợp một số bộ phận sẵn có trên thị trường Sau đó tiến hành các thử nghiệm

để kiểm chứng các tiêu chuẩn kỹ thuật của mô hình bay này

Cụ thể bước 1 được thực hiện theo phương hướng như sau:

1 Vấn đề 1 đã được giải quyết theo hướng thiết kế phần cứng vệ tinh có tính dư thừa đối với các bộ phận quan trọng (bao gồm bộ phận nguồn, truyền thông và máy tính điều khiển) cũng như phát triển phần mềm vệ tinh có các tính năng nâng cao hoạt động Sau đó, thử nghiệm hoạt động

liên tục của vệ tinh trong thời gian dài 150h (tương đương với 100 vòng quỹ đạo) dưới dàn đèn mô phỏng ánh sáng Mặt trời

2 Vì điều kiện cơ sở vật chất ở Việt Nam hiện tại chưa cho phép mô phỏng môi trường vũ trụ trên mặt đất nên vấn đề 2 đã được giải quyết theo hướng tiến hành thử nghiệm hoạt động của 1 số bộ phận quan trọng của

vệ tinh trong môi trường tầng bình lưu ở độ cao khoảng 20km bằng khinh khí cầu nhỏ (bóng thám không) Các bộ phận của vệ tinh được lựa chọn để thử nghiệm hoạt động trên tầng bình lưu gồm máy thu phát sóng

FM, vi điều khiển PIC, pin sạc, pin Mặt trời và chip nhớ EEPROM Khinh khí cầu được gắn máy thu GPS và báo vị trí về trạm mặt đất qua sóng radio hoặc qua tin nhắn SMS (SIM Viettel) để giúp thu hồi thiết bị khi rơi xuống

3 Vấn đề 3 đã được giải quyết theo hướng tính toán quỹ năng lượng của

vệ tinh và phát triển chức năng theo dõi điện áp của pin cho phần mềm trên vệ tinh phòng chống hiện tượng sụt áp Nếu phát hiện thấy điện áp của pin thấp thì phần mềm sẽ tự động không cho máy phát sóng hoạt động (vì là thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng nhất) để dành năng lượng sạc cho pin

4 Truyền thông với trạm mặt đất đóng vai trò rất quan trọng đối với mỗi dự

án vệ tinh, vấn đề 4 đã được nhóm tác giả phân tích các nguyên nhân có thể xảy ra và giải quyết theo hướng phát triển giao thức truyền tin cho vệ tinh trong đó có đánh số cho từng gói tin khi gửi về Ở phía trạm mặt đất phần mềm sẽ theo dõi cả chỉ số của từng gói tin để phát hiện gói tin bị mất (nếu có) và gửi yêu cầu cho vệ tinh phát lại những gói tin này thay vì phải gửi lại toàn bộ thông tin

Còn bước 2 được thực hiện theo phương hướng cụ thể như sau:

- Việc chế tạo 01 mô hình bay (FM) của vệ tinh picosatellite được tham khảo theo tiêu chuẩn quốc tế CubeSat

- Các thử nghiệm được thực hiện theo hướng tham khảo cách làm của nước ngoài, dựa trên các thông số kỹ thuật của tên lửa đẩy kết hợp với điều kiện triển khai trên thực tế tại Việt Nam

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài;

Thông qua việc thực hiện đề tài, nhóm tác giả mong muốn hoàn thiện 01

mô hình bay của vệ tinh siêu nhỏ picosatellite, sẵn sàng được phóng lên vũ trụ Nhóm tác giả đang hợp tác với đối tác nước ngoài để tìm kiếm các cơ hội phóng vệ tinh picosatellite của Việt Nam lên quỹ đạo, nếu việc này trở thành hiện thực thì sẽ kiểm nghiệm được những nghiên cứu, thiết kế của vệ tinh trong môi trường thực tế trong vũ trụ

Bên cạnh đó, nhóm cũng đặt mục tiêu xây dựng một bộ quy trình công nghệ chế tạo vệ tinh siêu nhỏ dựa trên những hoạt động thực tế của đề tài với mong muốn chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm tới các nhóm nghiên cứu khác trong nước Việc làm này sẽ giúp giảm bớt thời gian và công sức khi tiếp cận công nghệ mới, tạo tiền đề cho việc phổ biến lớp vệ tinh siêu nhỏ picosatellite

ở Việt Nam, hướng tới việc ứng dụng công nghệ cao vào thực tiễn

1.6 Danh sách cán bộ tham gia thực hiện đề tài

Dưới đây là danh sách các cán bộ có đóng góp chủ yếu cho đề tài, ngoài ra

đề tài còn nhận được sự quan tâm và tham gia giúp đỡ của nhiều cá nhân khác

1 KS Vũ Trọng Thư Chủ nhiệm đề tài, tính toán quỹ đạo, môđun

truyền thông, phần mềm trên vệ tinh

2 KS Đinh Quốc Trí Môđun điện, điện tử, truyền thông của vệ

tinh

3 KS Phạm Hồng Thái Môđun cơ khí và kết cấu

4 KS Đào Văn Thắng Phần mềm trên vệ tinh, điện tử

5 KS Phạm Quang Hưng Phần mềm trạm mặt đất

6 Trương Ngọc Khánh Xây dựng trang web, đồ họa, quan hệ cộng đồng

2 Các vấn đề được giải quyết

Nội dung của đề tài này là tập trung giải quyết 4 vấn đề còn tồn tại đã được nêu ở mục 1.3, theo phương pháp nghiên cứu ở mục 1.4, thông qua việc thực hiện một loạt các chuyên đề

2.1 Vấn đề đảm bảo độ tin cậy của vệ tinh

2.1.1 Điều tra, lập bảng thông tin tổng hợp về các dự án picosatellite

Trên thế giới đã có rất nhiều trường đại học và viện nghiên cứu chế tạo thành công và phóng vệ tinh lên quỹ đạo, trong khi làm họ đã có những thử nghiệm và trải nghiệm thực tế vì vậy chúng ta là người đi sau sẽ học hỏi được nhiều từ họ Khi tổng hợp được các thông tin về những dự án chế tạo vệ tinh nhỏ chúng ta có thể học hỏi được từ họ, có thể áp dụng được các kinh nghiệm này vào việc chế tạo vệ tinh nhỏ ở Việt Nam Chẳng hạn, kinh nghiệm từ các trường đại học Nhật Bản cho thấy vi điều khiển PIC có thể hoạt động tốt trong môi trường vũ trụ như trường hợp của vệ tinh XI-IV do Đại học Tokyo chế tạo phóng năm 2003 và vẫn hoạt động đến hiện tại (12/2012) [6]

Do vậy, nhóm tác giả đã tiến hành điều tra, lập bảng thông tin tổng hợp

về 108 dự án picosatellite đã và đang được tiến hành, tuy nhiên ngày càng có thêm nhiều dự án mới chế tạo vệ tinh siêu nhỏ tiếp tục được thực hiện trên thế

giới Chi tiết bảng tổng hợp xin tham khảo nội dung chuyên đề 2.1 “Điều tra,

lập bảng thông tin tổng hợp về các dự án picosatellite”, dưới đây là trích

thông tin của 10 dự án picosatellite đã tổng hợp được:

Bảng 2.1 Trích thông tin của 10 dự án vệ tinh picosatellite

1 CUTE-I

(CO-55) 1U

Viện công nghệ Tokyo, Nhật Bản

30/6/2003 H8/300

cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc theo

2 trục, cảm biến mặt trời CMOS để xác

định tư thế

Callsign: JQ1YCY Beacon: 436.8375 MHz (100 mW, CW) Downlink: 437.470 MHz (350 mW, 1200 bps FM AFSK AX.25, chỉ hoạt động gần Nhật Bản)

hoạt động bình thường sau khi phóng

2 XI-IV

(CO-57) 1U

Đại học

Tokyo Nhật Bản

hoạt động bình thường sau khi phóng

3 CanX-1 1U

Đại học

Toronto, Canada

30/6/2003 Atmel ARM7

cảm biến đường chân trời CMOS, cảm biến sao (star-tracker), bộ thu GPS và cảm biến

từ trường để xác định

tư thế Dùng thanh từ lực để điều khiển tư thế của vệ tinh ( điều khiển tư thế chủ động)

Callsign: VA3SFL 437.880 MHz (500

mW, 1200 bps FM MSK)

không thu được tín hiệu

4 DTUsat 1U

Đại học kỹ

thuật Đan Mạch

30/6/2003 Atmel

AT91M4080

sử dụng cảm biến mặt trời MEMS và cảm biến từ trường để xác

định tư thế, sử dụng

thanh từ lực để điều khiển tư thế

Callsign: OZ2DTU 437.475 MHz (400

mW, 2400 bps FM AFSK AX.25 / CW beacon)

không thu được tín hiệu

5 AAU Sat1

Cubesat 1U

Đại học

Aalborg, Đan Mạch

30/6/2003

Siemans

C161-R RAM: 512 kB ROM: 512 kB Flash: 256 kB

sử dụng cảm biến mặt trời và cảm biến từ trường để xác định tư thế, sử dụng thanh từ lực để điều khiển tư

thế

Callsign: Chưa biết 437.450 MHz (500

mW, 9600 bps GMSK / CW beacon w/ telemetry ở chế độ

28/4/2008

Atmel AT915AM7A RAM: 2 MB SRAM Flash: 2+4 MB

sử dụng cảm biến vận tốc góc và cảm biến từ trường để xác định tư thế Sử dụng thanh từ lực và con quay hồi chuyển điều khiển tư

sử dụng nam châm vĩnh cửu và thanh từ trễ để ổn định tư thế

Callsign: KD7OVB 436.675 MHz (1.2 W,

9600 bps FM FSK AX.25, telemetry sau mỗi khoảng 10 s, chỉ gửi dữ liệu khi đến gần Mỹ)

Được thiết kế để hoạt động cho 6 tháng,

nhưng vệ tinh đã hoạt

động tốt trong vòng

hơn 11 thang (hoạt

động đến 6/6/2004), đến 7/10/2007 vẫn thu được tín hiệu beacon

2.1.2 Nghiên cứu môi trường hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo

Quỹ đạo của một vệ tinh chuyển động quanh Trái đất chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau (mặc dù rất nhỏ) như lực hấp dẫn của Trái đất (không đồng đều theo các cùng địa lý khác nhau), lực cản của khí quyển, áp lực của các photon ánh sáng, lực hút của Mặt Trăng, Mặt trời hay các thiên thể khác khiến cho quỹ đạo vệ tinh dần dần bị thay đổi Do vậy cần thiết phải ước tính được thời gian tồn tại của vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất

Thời gian tồn tại của vệ tinh trên quỹ đạo lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là độ cao quỹ đạo mà vệ tinh đang hoạt động (gồm cận điểm perigee, viễn điểm apogee, độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo inclination…), tỷ

lệ thiết diện so với khối lượng của vệ tinh (m^2/kg) và thời điểm hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo (vì liên quan đến chu kỳ hoạt động của Mặt trời và tác động của nó tới bầu khí quyển)

Việc tính toán quỹ đạo các vật thể chuyển động trong không gian thường rất phức tạp và ngày nay có một số phần mềm chuyên dụng giúp thực hiện công việc này một cách dễ dàng hơn Tuy nhiên phần mềm tính toán quỹ đạo phổ biến nhất hiện nay là Satellite Toolkit (STK) của công ty AGI lại có chi phí rất cao, hơn nữa phần mềm này còn không được bán cho tổ chức ở Việt Nam sử dụng Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu nhóm tác giả đã tìm được một phần mềm khác thay thế, mặc dù tính năng không nhiều như STK nhưng cũng đủ đáp ứng các yêu cầu của đề tài Đó là phần mềm DAS (Debris Assessment Software http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/mitigate/das.html) do

Cơ quan không gian vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) nghiên cứu và phát triển

Sử dụng phần mềm DAS để tính toán cho thấy trong trường hợp vệ tinh picosatellite có kích thước 10x10x10cm, nặng 1kg trên quỹ đạo tầm thấp (cận điểm 403km, viễn điểm 428km, độ nghiêng 51.5 độ so với mặt phẳng xích đạo) thì có thời gian tồn tại khoảng 0,422 năm (khoảng 5 tháng)

Hình 2.1.1 Ước tính độ cao quỹ đạo của vệ tinh theo thời gian

Đối với từng loại quỹ đạo sẽ có số lượng và mật độ các vệ tinh cũng như các vật thể bay khác nhau và khả năng va chạm với các vệ tinh khác phụ thuộc chính vào số lượng vệ tinh và mật độ vệ tinh ở quỹ đạo đó Thông số quỹ đạo của mỗi vệ tinh bao gồm các thông số chính như độ cao (altitude), kiểu quỹ đạo (cực, xích đạo, Molnya…), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo

so với mặt phẳng xích đạo (inclination), điểm gần nhất (perigee) và xa nhất (apogee) của quỹ đạo Thông thường mỗi một vệ tinh khi được phóng lên sẽ

có một bộ thông số quỹ đạo khác nhau, không có vệ tinh nào giống nhau, nếu

có giống nhau ở một số thông số quỹ đạo thì độ lệch pha về thời gian giữa các

vệ tinh cũng khác nhau Do đó xác suất để 2 vệ tinh va chạm với nhau là rất thấp, trong lịch sử chỉ có duy nhất một vụ va chạm giữa 2 vệ tinh được ghi nhận năm 2009 đó là vụ va chạm giữa 1 vệ tinh đã ngừng hoạt động của Nga

là Cosmos 2251 và 1 vệ tinh truyền thông trong chùm vệ tinh Iridium Satellite LLC của Mỹ [7]

Phần mềm DAS cũng cho phép ước tính khả năng va chạm của vệ tinh với các vật thể bay khác trên quỹ đạo (rác vũ trụ - space debris), tùy theo từng

độ cao quỹ đạo

Hình 2.1.2 Ước tính khả năng va chạm của vệ tinh với các vật thể bay trên quỹ

đạo

Khi vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo, tùy thuộc vào từng loại quỹ đạo khác nhau mà thời gian vệ tinh đi vào vùng sáng, vùng tối cũng khác nhau Việc tính toán thời gian vệ tinh trong các vùng sáng tối này rất quan trọng vì qua đó

sẽ tính toán được năng lượng sinh ra từ các tấm pin mặt trời cung cấp cho hoạt động của vệ tinh, từ đó sẽ đưa ra được thiết kế về phần nguồn của vệ tinh Bên cạnh đó, còn một thông số rất quan trọng cần tính toán và xác định

đó là cửa sổ liên lạc của vệ tinh với trạm mặt đất (pass prediction), trong đó

có các thông số về thời gian liên lạc, góc ngẩng (elevation) của quỹ đạo vệ tinh khi bay qua trạm mặt đất là cao hay thấp (tương ứng với khả năng liên lạc tốt hay xấu).Tất cả các yếu tố và thông số này được xác định dựa vào bộ thông số có tên gọi là Two-line Element (TLE)

TLE là một định dạng dữ liệu được sử dụng để truyền tải tập hợp của các yếu tố quỹ đạo mô tả quỹ đạo của các vệ tinh quỹ đạo Trái đất Chương trình máy tính có thể sử dụng TLE để tính toán vị trí của một vệ tinh vào một thời điểm cụ thể TLE là một định dạng theo quy định của Bộ chỉ huy Phòng thủ không gian bắc Mỹ NORAD và được sử dụng bởi NORAD và NASA TLE

có thể được sử dụng trực tiếp bởi các mô hình Các yếu tố quỹ đạo được xác

định cho hàng ngàn vật thể trong không gian được NORAD phân phối miễn phí trên Internet trong các hình thức của các file TLE trên trang

http://celestrak.com/ TLE cho mỗi vệ tinh bao gồm một dòng tiêu đề tiếp theo là hai dòng văn bản định dạng

Ví dụ dưới đây là thông số TLE của vệ tinh F-1:

2.1.3 Nghiên cứu điều kiện môi trường trong lúc phóng của tên lửa

Khi thiết kế vệ tinh, một trong những yêu cầu đầu tiên là phải đảm bảo tất cả các thiết bị, linh kiện được an toàn trong quá trình phóng cùng tên lửa lên quỹ đạo Do vậy việc nghiên cứu các điều kiện môi trường (rung, sốc) từ tên lửa tác động lên vệ tinh trong quá trình phóng là một trong những yêu cầu bắt buộc Các thông số từ quá trình phóng của tên lửa này sẽ là đầu vào trong quá trình phân tích (analysis) và kiểm thử (testing)

Ở giai đoạn nghiên cứu, khi tên lửa dùng để đẩy vệ tinh lên quỹ đạo còn chưa được xác định trong khi vẫn cần phải thực hiện các yêu cầu về thiết kế

và kiểm thử để đảm bảo độ an toàn, đơn vị thực hiện việc phát triển CubeSat

có thể lấy các thông số này từ một tên lửa điển hình nào đó Hiện tại trên thế giới có nhiều tên lửa được sử dụng cho việc đưa vệ tinh lên quỹ đạo như Dnepr của Nga, PSLV của Ấn Độ, Ariane 5 của Pháp, HII-A, B của Nhật, Falcon 1 của Mỹ Nhóm tác giả sử dụng chủ yếu các tham số từ tên lửa đẩy Dnepr cho các nghiên cứu và kiểm thử của mình

Hình 2.1.3 Quá trình hoạt động của tên lửa Dnepr khi mang theo chùm vệ tinh

Sau đây là các thông số về điều kiện môi trường của tên lửa Dnepr [8] (Nga) Tần số dao động riêng (Natural frequency)

Thiết bị phóng lên vũ trụ phải được thiết kế sao cho tần số dao động riêng của nó khi được gắn lên tên lửa phải lớn hơn:

- 20 Hz theo trục dài

- 10 Hz theo trục ngang

Tải trọng tĩnh và tải trọng động (Quasi-static and Dynamic loads)

Bảng 2.2 Gia tốc trong quá trình vận chuyển

Nguồn tác động

Gia tốc (g) Chiều dọc

(x)

Chiều ngang (y)

Chiều ngang (z)

Bảng 2.3 Tải trọng tĩnh và tải trọng động lớn nhất

Nguồn tải trọng

Gia tốc (g) Trục dài

(X)

Trục ngang (y,z)

Tên lửa di động trong thiết bị chuyên chở

• Rung động (Vibration loads)

o Dao động điều hòa (Harmonic Oscillation)

Bảng 2.4 Biên độ dao động điều hòa tác động lên vệ tinh theo trục dài (x)

o Rung động ngẫu nhiên (Random Vibration)

Bảng 2.6 Mật độ phổ dao động ngẫu nhiên tác động lên vệ tinh

Thời gian tác động, giây 35 831

• Tải trọng đột ngột (shock loads)

• Tải trọng âm (acoustic loads)

Tải trọng âm không yêu cầu bắt buộc đối với vệ tinh CubeSat mà thường bắt buộc với các vệ tinh cỡ lớn (primary payload của tên lửa)

Bên cạnh đó, việc thiết kế và kiểm thử vệ tinh phải tính tới hệ số an toàn

Hệ số an toàn này được tính đưa ra bởi bên thiết kế vệ tinh, tuy nhiên hệ số này không nhỏ hơn các giá trị sau:

- Các hoạt động trên mặt đất: 2,0

- Trong quá trình phóng, khi tên lửa vẫn ở trong thiết bị chứa: 1,5

- Trong quá trình phóng, khi tên lửa đã tách khỏi thiết bị chứa: 1,3

Kết luận: những thông số về điều kiện môi trường tên lửa được đưa ra

trên đây là của tên lửa Dnepr (Nga) Khi thiết kế vệ tinh, cần thiết phải sử dụng các thông số do bên cung cấp tên lửa đẩy đưa ra Những yêu cầu đưa ra trong tài liệu này là những yêu cầu tối thiểu mà những người thiết kế và phát triển vệ tinh picosatellite cần phải đáp ứng

2.1.4 Xác định các rủi ro đối với vệ tinh, phân tích và lập đối sách

Trên thế giới công nghệ vũ trụ nói chung và công nghệ vệ tinh nói riêng

là một ngành công nghệ cao, đặc thù và mang trong nó rất nhiều các rủi ro tiềm ẩn khác nhau mà có thể con người không lường trước được Trong quá trình chế tạo vệ tinh, với đặc điểm là chỉ phóng được có 1 lần duy nhất nên chỉ cần 1 sơ suất nhỏ cũng có thể làm hỏng vệ tinh khi phóng lên quỹ đạo trong khi giá thành chế tạo vệ tinh là rất đắt đỏ, có thể lên đến hàng chục triệu, hàng trăm triệu đô la Vì vậy xác định được các rủi ro có thể xảy ra đối với quá trình chế tạo vệ tinh và quá trình hoạt động của vệ tinh sau này trên quỹ đạo là một việc hết sức quan trọng và cần thiết để tăng khả năng thành công của các dự án chế tạo vệ tinh

Việc xác định các rủi ro đối với vệ tinh được tiến hành cho các môđun quan trọng nhất, có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động hay “sự sống“ của vệ tinh, bao gồm môđun nguồn, truyền thông, cơ khí kết cấu và máy tính trên khoang (OnBoard Computer) Kết quả của công việc này được thể hiện trong bảng quản lý rủi ro dưới đây

Bảng 2.9 Quản lý các rủi ro đối với vệ tinh

Rủi ro

Xác xuất xảy ra

Mạch sạc pin chết 2 4 Vệ tinh chỉ hoạt động được

Rơle cơ của máy thu phát VX-3R2 và Modem chết 1 1

Mất khả năng bật/tắt 3R2 và TT4

VX-Thiết kế có máy thu phát sóng backup

Còn máy thu phát 3R1

Mạch hạ áp LDO step-down

Mất camera, mất đường Vref đo điện áp bo pin và pin măt trời Chấp nhận mất camera

Chấp nhận mất camera, giản thời gian nghỉ giữa 2 lần phát beacon

Phần truyền

thông(COM)

Ăng ten không bung ra được 2 5

Không liên lạc được, nhiệm

Test rung, shock thật kỹ

đối với dây nichrome

Không bung được ăngten

Chập nhiều sợi nichrome

và đốt thử nhiều lần Tăng nhiều điểm đốt tiếp

xúc và thuật toán tăng thời gian đốt dây

Cuốn dây cước luồn lách

để có nhiều điểm tiếp xúc

Máy thu phát VX-3R1 chết 2 4

Còn máy thu phát VX-3R2 Dự phòng máy phát

Chấp nhận mất máy thu phát VX-3R1

Máy thu phát VX-3R2 chết 2 4

Còn máy thu phát VX-3R1 Dự phòng máy phát

Chấp nhận mất máy thu phát VX-3R2

Vùng null(mù) của búp sóng quay về trạm mặt đất 2 3 Không liên lạc được

Sử dụng 2 băng tần liên lạc trên 2 hệ anten đặt vuông góc nhau

Bỏ qua part đấy,có thêm nhiều GS trên thế giới tham gia để thu

Cả 2 máy thu phát chết 1 5 Không nhận được lệnh từ

trạm mặt đất Thiết kế chế độ AutoMode

Chấp nhận nhiệm vụ thất bại

Công suất thực tế phát ra không chính xác 1 3

Ảnh hưởng đến việc thu tín

hiệu vệ tinh

Phải dùng máy đo công suất phát sóng và test nhiều lần ở khoảng cách xa

Nâng cao độ nhạy máy thu phía trạm mặt đất

Test rung cho cả vệ tinh và

ống phóng

Chấp nhận nhiệm vụ thất bại

Rung lắc mạnh làm gãy

Ảnh hưởng tới kết cấu vệ

tinh khi phóng ra ngoài và khi hoạt động

Test rung shock cho cả vệ tinh và ống phóng

Chấp nhận nhiệm vụ thất bại

Các mối nối không đủ bền 1 3 Cấu trúc vệ tinh có thể bị

1 5 ăngten khiến ăngten không

Chấp nhận nhiệm vụ thất bại

Chương trình bị treo hoặc bị

Vệ tinh tạm thời ngừng hoạt động

Dùng Watchdog và reset

định kỳ

Chờ vệ tinh được reset khi đi qua vùng tối

Dữ liệu (Command Queue,

HK Data, Log…) bị lỗi 2 2

Có timeout đối với các thao tác I/O với các thiết bị ngoại vi: EEPROM, RTC

PIC sẽ đọc dữ liệu từ EPPROM, nếu ko đọc

được thì sẽ lấy dữ liệu

default từ trong chương trình

Không thể hoạt động khi mới

Không thể bung ăng ten và

điều khiển các hoạt động

của máy tính phụ đối với vệ tinh

Khởi tạo giá trị cho các biến (CCS)

Chờ đợi khi nguồn ổn

định

Sử dụng 2 PIC để backup cho nhau

Mắc thêm tụ lọc vào chân nguồn của PIC

Phân bổ 2 PIC trên 2 dải nguồn khác nhau

Sai số trong các phép tính do các tia vũ trụ 1 2

Kết quả tính toán sai dẫn

đến xử lý và đưa ra lệnh điều khiển sai

Lấy mẫu nhiều lần và khử sai số

Cần nghiên cứu để phòng chống

Trạm mặt đất kém ko thu

-Thử nghiệm thu tín hiệu của nhiều Cubesat khác

1 2 Không thu được tín hiệu

Tham gia vào mạng lưới GENSO, kết bạn với radio amateurs toàn cầu

Dùng antenna monopole nghe cả ngày

Nhờ các trạm mặt đất & amateur radio khác thu giúp

2.1.5 Thiết kế và phân tích mô hình kết cấu 3D của vệ tinh

Việc thiết kế cấu trúc cơ khí của vệ tinh bên cạnh việc phải đáp ứng các tiêu chuẩn về CubeSat [9] được đưa ra bởi CalPoly, cấu trúc cơ khí này còn phải có khả năng gá đặt tất cả các thiết bị cần thiết lên vệ tinh một cách hợp

lý, khoa học, có khả năng chống chịu lại điều kiện môi trường khắc nghiệt khi phóng tên lửa, đảm bảo tất cả các trang thiết bị chứa bên trong được an toàn Việc thiết kế được thực hiện bằng phương pháp thiết kế trực tiếp mô hình 3D tất cả các chi tiết chính của vệ tinh, sau đó được phân tích độ bền bằng phần mềm Khi quá trình phân tích vệ tinh đạt được các yêu cầu đề ra, vệ tinh đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng tên lửa, mô hình cơ khí của vệ tinh sẽ được gia công thử nghiệm

Có nhiều cách để xây dựng khung cho vệ tinh, nhóm tác giả đã tìm hiểu, phân tích ưu/nhược điểm của một số phương pháp chính: xây dựng khung từ một tấm nhôm, xây dựng khung từ 4 tấm ghép lại, hoặc xây dựng khung dựa trên 4 trụ ghép với nhau qua hệ thống thanh giằng Kết quả nhóm đã lựa chọn phương pháp xây dựng khung vệ tinh từ 4 tấm ghép lại, trong đó các bề mặt trượt sẽ nằm trên 2 tấm, 2 tấm còn lại dùng đề ghép hệ thống thành 1 khối

Ưu điểm của phương pháp này là sẽ có 2 kích thước bề ngang sẽ trên cùng 1 tấm nên dễ dàng đạt được dung sai theo yêu cầu 2 kích thước bề ngang còn lại được hình thành từ 3 kích thước ghép với nhau Để tăng độ chính xác cho kích thước này, ta có thể sử dụng các mối ghép dạng chốt để ghép lại với nhau Ngoài ra, kết cấu dạng này đảm bảo được độ cứng vững của kết cấu, dễ dàng lắp ghép và sửa chữa khi cần