Desarrolla tu misión CubeSat

Selecciona tu computadora de abordo

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2020-09-21


Uno de los componentes más importantes de una plataforma satelital es la computadora de abordo. La computadora de abordo (OBC por sus siglas en inglés), es el centro neural de un satélite, ya que se encarga de coordinar todas las actividades de la misión satelital para asegurar su éxito, desde la obtención de datos sobre el estado de salud del satélite hasta el control de la operación de la misión y el asegurar que el satélite no caiga en un estado crítico por falta de energía u otras razones. Todas estas funciones y muchas más son responsabilidad de la OBC de una misión CubeSat. 

 

Es por esto que la selección de la OBC es uno de los temas más importantes del desarrollo de un nanosatélite, ya que requiere asegurar que la OBC elegida tiene capacidad suficiente para llevar a cabo todas las tareas con la rapidez y la precisión que demanda la misión. Una vez seleccionada la OBC, el desarrollo del software de vuelo se vuelve un elemento crítico para el éxito de la misión, ya que es quien coordina la correcta operación de todos los subsistemas del nanosatélite.

 

Tareas de una OBC

 

La responsabilidad principal de la OBC es monitorear el  estado de salud de todos los demás subsistemas y realizar medidas correctivas en caso de que se detecte una anomalía. Además, la OBC controla todas las actividades de la misión, como colectar datos de la carga útil y transmitirlos a Tierra a través de los radios. Para hacer todo esto requiere comunicarse con los demás subsistemas a través de mensajes que por medio de buses de datos. Esta configuración se muestra en la Fig. 1.

 

 

Fig. 1 Computadora de abordo.

 

Algunas de las tareas que realiza la OBC, son las siguientes:

 

  • Inicialización de todos los subsistemas, incluyendo encender el sistema de potencia

  • Comunicación con otros subsistemas satelitales a través del bus de datos.

  • Administración del sistema de comunicaciones

  • Ejecución de órdenes desde Tierra

  • Control de la orientación y la órbita

  • Detección de fallas y realización de acciones preventivas y de recuperación, tales como:

    • Verificación del estado de la memoria y bloqueo de celdas dañadas de ser el caso.

    • Monitoreo del estado de las baterías y administración del sistema de potencia para evitar la descarga completa de las baterías.

    • Monitoreo y del estado de salud del satélite como corrientes, voltajes y temperaturas de los distintos subsistemas y su activación o inhibición, según sea el caso.

 

  • Operación de la carga útil.

  • Realización de tareas programadas durante la misión.

 

Adicionalmente, la OBC debe ser supervisada por un temporizador de vigilancia (watch dog timer o WDT, por sus siglas en inglés) que sirve para restablecerla en caso de que el software esté fuera de control por alguna anomalía.

 

La OBC de una plataforma CubeSat es típicamente un microcontrolador de los que se emplean en sistemas embebidos. En el estándar CubeSat, la OBC generalmente se diseña alrededor del conector PC-104, un estándar de la industria para interconexión de sistemas embebidos. El tipo de procesador, la cantidad de almacenamiento y puertos disponibles varían mucho en una computadora de abordo, ya que todo esto depende de los requerimientos de la misión. 

 

Bus de datos

 

La OBC se comunica con todos los demás subsistemas de nanosatélite a través de uno o varios buses de datos. Algunos de los protocolos que más se emplean en los CubeSats son el circuito inter-integrado (I2C), la interfaz periférica en serie (SPI), el transmisor receptor asíncrono universal (UART) y el Controller Area Network (CAN). En una OBC típica, puede haber varios tipos de conexiones y protocolos al mismo tiempo y la elección de un  bus de datos para una aplicación específica depende la velocidad de los datos, los requisitos de hardware y la cantidad de dispositivos que se conectarán a un mismo bus. En la Tabla 1 se presenta un resumen de cada protocolo y sus atributos. 

 

Nombre del bus

Tipo de comunicación

Número de cables

Velocidad

Escalabilidad

I2C

síncrona

2

400 Kbit/s

Alta (múltiples dispositivos)

SPI

síncrona

4

20 Mbit/s

Alta (múltiples dispositivos)

UART

asíncrona

2

460 Kbit/s

Baja (punto a punto)

CAN

asíncrona

2

1 Mbit/s

Alta (múltiples dispositivos)

 

Tabla 1. Características de diferentes buses de datos utilizados en aplicaciones CubeSat 


 

Software de vuelo (FSW)

 

El software de vuelo es el software específico que ejecuta la OBC durante la misión. El software de vuelo controla a todo el nanosatélite. Este software es único para cada misión, ya que cada misión es diferente. En general, la mayoría de las misiones CubeSat utilizan un sistema operativo en tiempo real, para programar las tareas del satélite. 

 

El software de vuelo es uno de los elementos más críticos de una misión y requiere de una planeación e implementación muy cuidadosa. No existe una sola manera de diseñar e implementar el software de vuelo, por lo que es importante dedicarle el máximo de atención para su desarrollo. 

 

 

 

 

Criterios de selección de la OBC

 

En comparación con otros tipos de sistemas embebidos como las computadoras que se emplean en la industria automotriz, la OBC de un CubeSat debe proporcionar las siguientes características: 

 

• Resistencia mecánica para soportar las fuerzas que se generan por la vibración y choque durante el lanzamiento

• Resistencia a cambios extremos de temperatura.

• Resistencia a la radiación producida por partículas de alta energía 

• Tolerancia a fallas

• Bajo consumo de energía

 

Una vez cubiertas estas características, la selección de la OBC de una misión CubeSat debe tener en cuenta la complejidad de las tareas a realizar, así como la velocidad a la que estas deben ejecutarse. En la selección de la OBC, también influeyen los requerimientos de almacenamiento y la cantidad y tipo de puertos de entrada salida disponibles. Con estos parámetros podremos seleccionar el tipo de procesador más apropiado, la velocidad del reloj, y sí se requiere de memoria externa.

 

Otras características a considerar son el número y tipo de interfaces disponibles, los convertidores A/D y D/A y algunas otras interfases como  moduladores de ancho de pulso. Algunos de los criterios para seleccionar una OBC son los siguientes:

 

 

 

Herencia de vuelo

 

El primer requisito que debemos considerar al seleccionar una OBC es si ya tiene herencia de vuelo. Esto es muy importante, porque nos garantiza que el hardware ya fue probado para soportar las condiciones del ambiente espacial. El no tomar en cuenta este requisito nos lleva a correr mayores riesgos en nuestra misión, y nos obliga a ser más estrictos en la realización de pruebas ambientales que aseguren que la supervivencia de la OBC en las condiciones de la misión espacial.

 

Requisitos de alimentación

 

Aunque los requisitos de alimentación de la OBC son generalmente bajos en comparación con otros subsistemas del nanosatélite, es importante tener en cuenta cuánta potencia se requiere para su operación en el caso más crítico, a fin de asegurarnos que sus necesidades de alimentación serán cubiertas por el subsistema de energía eléctrica, EPS.

 

Tamaño y peso 

 

La OBC debe ajustarse a los presupuestos de masa y volumen que se deriven de los requisitos de la misión.

 

Capacidad de procesamiento 

 

La OBC debe ser capaz de proporcionar la capacidad de procesamiento necesaria para operar la carga útil y responder con la rapidez adecuada a las demandas del resto de los subsistemas de la plataforma como el control de la orientación, el subsistema de comunicaciones y el subsistema de distribución de energía, entre otros.

 

Memoria 

 

El tipo de memoria así como su capacidad y velocidad de la OBC deben elegirse para que satisfagan las necesidades de la misión. Una OBC generalmente incluye memorias volátiles y no volátiles con capacidades y características diferentes en cuanto a velocidad de acceso, consumo de energía y accesibilidad. La misión puede dictar, por ejemplo, la cantidad de memoria que requerimos para almacenar datos que luego deberán descargarse en una estación terrena. 

 

Interfaces

 

Es importante que la OBC se comunique con los otros subsistemas a través de varias interfaces (por ejemplo, UART, I2C, etc.) y tenga suficiente capacidad y puertos para los subsistemas externos a los que se conectará.

 

Desarrollo de software

 

La OBC debe tener acceso a un Entorno de Desarrollo Integrado (IDE, por sus siglas en inglés), o equivalente, que proporcione prestaciones como edición del programa fuente, compilación a lenguaje ensamblador, ejecución paso a paso, inclusión de puntos de ruptura y otras herramientas que ayudan al equipo de programadores a hacer mejor su tarea.  Esto, generalmente no es un problema hoy en día, dado que la mayoría de los microcontroladores y procesadores que se emplean en las OBC cuentan con compiladores para programar en lenguajes de alto nivel como C y, a su vez, existen muchos IDEs compatibles con este y otros lenguajes de programación. Sin embargo, es importante que escojamos con cuidado el entorno de programación que utilizaremos para el desarrollo del software y sobre todo que nos aseguremos que el equipo de programadores a cargo del desarrollo del software de vuelo está familiarizado con su uso.

 

Selecciona tu OBC

 

El mercado ofrece una variada oferta de OBCs que cumplen con el estándard CubeSat, por lo que hay mucho de donde escoger. Es por esto que, para seleccionar la OBC es conveniente apoyarnos en un proceso sistemático, ya que de otra manera nos enfrentaríamos a una decisión caótica. Uno de estos procesos sistemáticos lo ofrece la metodología de ingeniería de sistemas espaciales (ISE).

 

La ISE nos indica que debemos partir de los requisitos generales de la misión y, a partir de estos, generar  requisitos cada vez más específicos hasta definir las características de cada uno de los subsistemas y componentes del nanosatélite. Una vez establecidos los requisitos que debe cumplir la OBC, tales como velocidad de procesamiento, número de puertos, consumo de energía, y capacidad de los distintos tipos de memoria, entre otros,  procederemos a  consultar las especificaciones de distintos proveedores y compararlos entre si hasta encontrar la OBC que cumpla con todos los requisitos y nos ofrezca la mejor solución en términos de precio, tiempo de entrega, documentación, servicio postventa, y entrenamiento, entre otras características. Además, es importante investigar la reputación del proveedor y su tiempo en el mercado, ya la mayor parte de los proveedores de subsistemas CubeSat son empresas pequeñas y muchas aún no se han establecido cabalmente, por lo que el adquirir sus productos puede generar un riesgo en el desarrollo de la misión si, por ejemplo, la empresa desaparece o no nos proporciona la calidad de servicio postventa que requerimos.

 

La selección de una OBC de una misión CubeSat no es una tarea fácil y debe realizarse con mucho cuidado. Una vez seleccionada la OBC, tendremos que verificar que efectivamente cumple con los requisitos previamente establecidos y de ahí pasar al desarrollo del software de vuelo. La verificación de los requisitos en un proceso en el que nos aseguramos que la OBC escogida cumpla con cada uno de los requisitos establecidos, no solamente por lo establecido en las hojas de datos del fabricante, sino experimentalmente en el laboratorio. 

 

Finalmente, hay que tomar en cuenta que el éxito de una misión CubeSat depende en gran medida de la OBC y el software de vuelo. Por lo tanto, su selección y desarrollo, respectivamente, son dos cosas que deben tener la mayor prioridad en el proyecto y deben considerarse con toda seriedad desde el principio. El tomar en cuenta esto, te evitará problemas y te ayudará a garantizar el éxito de tu misión.

 



Etiquetas: Computadora,OBC,CubeSat.

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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