Flexible experimental embedde satellite : onboard satellite software development

Satellite miniaturization, in shapes of CubeSat or even Picosat is allowing inexpensive access to space to small companies and universities, cost is furthermore reduced by exploiting commercial components instead of space proven hardware. That surely lowers the hardware costs, but critically increases the failure risks, making even more vital the need for designing reliable systems, immune to probable hardware failures. Since 2000, thousands of such nanosatellites have been launched, and the trend is on the increase, mission’s life expectancy is shortening but thanks to reduced launching costs frequent launches are now the preferred choice. This thesis work focuses on Embedded Software development for Satellite applications, with the example of FEES, a collaborative PicoSat project between PoliMi and several enterprises. Principal tasks were to develop a proto-firmware for testing purposes, design the wanted behavior in normal operation and during launch, develop a finite state machine to handle both working conditions while complying to all space electronics behavior related laws and finally developing said “Housekeeping” software capable of handling all satellite tasks: keeping the battery at desired temperatures thanks to a PID control acting upon a resistive heater, attitude determination and control, telecommunication with all ground stations available, listen to simple commands, activate and deactivate payloads at command or at a schedule and to be somewhat reliable and resistant to harsh space environment.

Recentemente anche piccole aziende ed università hanno la possibilità di essere protagoniste della corsa allo spazio e lanciare missioni spaziali grazie alla miniaturizzazione dei satelliti, nelle forme di CubeSat o anche Picosat che permettono un accesso poco costoso allo spazio. Il costo dell’ hardware è inoltre ridotto utilizzando componenti commerciali al posto dei più idonei componenti per spazio, ma ciò aumenta in modo critico i rischi di fallimenti software o guasti hardware, rendendo ancora più vitale la necessità di progettare sistemi affidabili e ridondanti, resistenti a probabili guasti hardware. Dal 2000 ad oggi sono stati lanciati migliaia di nanosatelliti e la tendenza è in aumento, il trend mostra che la durata operativa dei singoli satelliti si sta accorciando ma grazie ai ridotti costi di lancio si preferisce lanciare più frequentemente. Questo lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di Embedded Software per applicazioni satellitari, con l'esempio di FEES, un progetto PicoSat frutto di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e diverse imprese. I compiti principali sono stati lo sviluppo di un firmware di test per permettere la validazione del prototipo, la progettazione del comportamento desiderato durante il normale funzionamento e durante il lancio, lo sviluppo di una macchina a stati finiti per gestire entrambe le condizioni di lavoro rispettando nel contempo tutte le leggi relative al comportamento dell'elettronica nello spazio e infine lo sviluppo di un software di gestione ("Housekeeping" Software) in grado di gestire tutti i compiti del satellite: mantenere la batteria alle temperature desiderate grazie a controllore PID, determinazione e controllo dell'assetto, telecomunicazione con tutte le stazioni a terra disponibili, ricevere ed eseguire semplici comandi a distanza, attivare e disattivare i payloads a comando o seguendo una programmazione temporale ed essere per quanto si possa affidabile e resistente alle radiazione dovute all impervio ambiente spaziale.