Requerimientos y especificaciones de los test.

En este capítulo se especifican los requerimientos de la determinación de la posición tanto para el hardware como para el software.

4.1 División entre hardware y software.Se describen a continuación las diferentes partes:
4.1.1 Hardware
- Sensores solares
- Sensores de temperatura
- Magnetómetro de 3 ejes
- Micro controlador para interface de sensores y actuadores
- Micro controlador (OBC, ordenador de abordo)
Los sensores consisten en componentes del sensor y en circuitería de interconexión. El OBC se utiliza para los cálculos de la posición mientroas que se utiliza otro micro controlador para muestrear los sensores y generar señales de control a los actuadores. Los paneles sulares que se usan para el suministro de energía se usan también como sensores solares secundarios. No se especifica requerimiento alguno o pruebas para los paneles solares con respecto al sistema de determinación de posición. El sistema tiene una reactividad baja, y un tiempo total de muestreo de 300 ms se puede considerar adecuado y realista. Las partes sensitivas de los sensores de temperatura y del magnetómetro son en realidad resistencias que cambian con una ligera variación de la temperatura o del campo magnético, respectivamente. Por esta razón se puede esperar interferencias en las lecturas de estos sensores, y deberán ser menores que la resolución del conversor alterna – continua cuando se muestrean las señales.
El microcontrolador que sirve de interface entre sensores y actuadores debe estar disponible en versión EPROM ó EEPROM.
Para la versión final de la electrónica debería de estar disponible una superficie montada PROM. El microcontrolador se usará para muestrear los sensores, ejecutando los algoritmos de control e interconectando los actuadores.

4.1.2 Algoritmos para la determinación de la posición
Consisten en algoritmos para el procesado de datos de los sensores, modelos para dterminar un vector solar y un vector de campo magnético en el sistema ECI y el cálculo de las velocidades angulares y la posición hacia los vectores correspondientes medidos en el sistema SCB.
- Procesado de los datos del sensor
- Modelo solar de abordo
- Modelo orbital de abordo
- Modelo de campo magnético de abordo
- Corrección del albedo
- Determinación de posición determinística
- Filtro Kalman extendido
Para la simulación de la determinación de la posición, se necesitan modelos de referencia realistas para el modelo solar, el orbital y el del campo magnético. Éstos serán utilizados para simular el ambiente real respecto a los modelos de abordo.

4.2 Requerimientos
Los requerimientos para hardware se marcan con una H y los requerimientos para software con una S. Las especificaciones para pruebas se marcan con TS y TH (software y hardware).

4.2.1 Hardware para el ADS
Requerimientos generales
H1.1 Estimación de peso: El peso total del ADCS incluyendo el circuito impreso, los sensores y las bobinas no excederán los 90 grs.
H1.2 Estimación de energía: El consumo de energía del subsistema ADCS (sin incluir el OBC) será por debajo de los 450 mW, cuando está en modo de ahorro de energía (zona iluminada), cámara o modo inicialización, y por debajo de los 75 mW cuando está en modo fallo o en modo de ahorro de energía (en eclipse). Esto corresponde a 5 V y 90 mA en modo activo y 15mA un modo de fallo o modo de ahorro.
H1.3 El ADS entrará dentro de las especificaciones de espacio.
H1.4 Los componentes de hardware utilizados serán capaces de sobrevivir en un ambiente LEO, considerando las temperaturas, la radiación, el vacío y permanecer totalmente operativo.
H1.5 Los componentes de hardware no deben causar la liberación de gases o vapor o lo mínimo posible cuando están expuestos al vacío, para evitar que las partículas se depositen en las lentes de la cámara, en los paneles solares o en los sensores solares.

Requerimientos de los sensores
H2.1 El error máximo de medición de cada sensor solar primario, incluyendo errores en magnitud y en desalineado durante el montaje, será inferior a 4º.
H2.2 El error de medida máximo del megnetómetro, incluyendo los errores de medida y de desalineado será inferior de 1º
H2.3 El error máximo para los sensores de temperatura serán lo suficientemente bajos como para asegurar el requerimiento H2.1. El intervalo de temperatura a medir se determina de acuerdo con el mismo requerimiento.
H2.4 Se determinará la sensibilidad de los sensores solares cuando son expuestos a la luz solar extraterrestre.
H2.5 Se determinará un coeficiente de temperatura para los sensores solares, que se usará para la compensación de temperatura.
H2.6 Para cumplir el requerimiento H2.2 se desarrollarán procedimientos de calibración para el magnetómetro cuando esté integrado en el modelo de ingeniería y de vuelo, y reducir los efectos de desalineado y distorsiones magnéticas.

Requerimientos del microcontrolador
H3.1 El microcontrolador que interconexiona los sensores muestreará los datos de los 3 tipos de sensor
H3.2 Cuando sea solicitada el microcontrolador enviará la información de los sensores del bus I2C al OBC.
H3.3 El microcontrolador interconectará los actuadores y ejecutará los algoritmos de control.
H3.4 Para propósitos de pruebas será posible implementar versiones EPROM del microcontrolador en el prototipo y en la versión del modelo de ingeniería del circuito impreso del ADCS.

4.2.2 Algoritmos del ADS en el OBC
En el capítulo 2 se establecieron los requerimientos para el análisis de la determinación de la posición del satélite. Aquí la precisión de la dirección del ADCS se estableció en 8º
Requerimientos de los algoritmos en tiempo real
S1.1 EL algoritmo ADCS que se desarrolla en el OBC será ejecutado periódicamente en intervalos de 1 segundo.
S1.2 Vía el bus I2C solicitará, recibirá y guardará la información de las lecturas de los sensores y las medidas de corriente de los bobinados.
S1.3 Recibirá las solicitudes del DHCS pidiendo información y responderá con información
S1.4 Recibirá y guardará las lecturas de los paneles solares del DHCS.
S1.5 Recibirá y responderá a las peticiones de cambio de modo de funcionamiento del DHCS.
Configuración del ADS
S2.1 Será posible guardar nuevos TLE para ser utilizados en el modelo orbital.
S2.2 Será posible especificar si un sensor no va a ser utilizado en la determinación de la posición (lista negra)
S2.3 Será posible especificar si el magnetómetro utilizará la técnica de set-reset.
S2.4 Será posible cargar 6 nuevos factores de calibración para los 6 sensores solares primarios.
S2.5 Será posible cargar 5 nuevos factores de calibración para los paneles solares.
S2.6 Será posible cargar un total de 6 nuevos factores de calibración para los 3 ejes del magnetómetro (escalado y compensado).
S2.7 Será posible desconectar el algoritmo de corrección de albedo
S2.8 Será posible actualizar el valor del umbral de luz solar para determinar si el satélite está en eclipse.
Requerimientos para el procesado de las mediciones
S3.1 Los datos muestreados de los sensores térmicos se convertirán en valores de temperatura
S3.2 Los datos muestreados de los sensores solares se calibrarán para compensar las variaciones fotosenritivas.
S3.3 Los datos muestreados de los paneles solares se calibrarán para compensar las diferencias fotosensitivas con respecto a los sensores solares primarios.
S3.4 Se realizará una compensación de los datos de los sensores o de los paneles solares.
S3.5 Los datos del magnetómetro se calibrarán para compensar la constante del campo magnético de la estructura y asegurar el requerimiento H2.2.
S3.6 El ADS transformará los datos medidos a unas mediciones vectoriales que describan la dirección del Sol y del campo magnético terrestre, para usarse luego en la determinación de la posición, sin violar el requerimiento H2.3

Requerimientos de modelos de referencia de abordo
S4.1 El satélite tendrá conocimiento de la posición en el sistema ECI utilizando un modelo orbital de abordo, que incluye unas configuraciones actualizadas de TLE. El error del modelo orbital utilizando el TLE durante una semana no excederá los 100 Km fuera de la posición.
S4.2 Un modelo de campo magnético abordo determinará la dirección del campo magnético en la posición del satélite con un error de RMS inferior a 1º.
S4.4 Una corrección de ablbedo compensará el hecho de que la medida vectorial del Sol incluye la luz del albedo de la Tierra. Esta corrección funcionará lo suficientemente bien como para asegurar que la posición pueda ser determinada dentro de 8º por pulgada en el cálculo determinístico de la posición.

Requerimientos de la determinación de la posición
S5.1 Utilizando la solución determinística se determinarán la posición y las velocidades angulares respecto al sistema ECI. El error máximo de determinación de la posición estará dentro de 8º
S5.2 La solución determinística será capaz de suministrar datos en casos de indisponibilidad temporal o colinearidad utilizando la última posición calculada como valores actuales.
S5.3 Utilizando el filtro Kalman extendido se determinarán la posición y las velocidades angulares del satélite con respecto al sistema ECI con un error máximo de 8º. Esto tembién incluye la capacidad del ADS de cambiar de la solución determinística al filtro Kalman.
S5.4 La determinación de la posición, en combinación con el control de la posición, asegurará una exactitud en la dirección de 8º.

4.3 Especificaciones de las pruebas
Tienen el propósito de especificar qué condiciones cumplirán los test. Sin embargo, las especificaciones no entran en detalles relacionadas con procedimientos de pruebas y de laboratorio comunes. Las especificaciones de prueba también funcionan como una guía de cómo comprobar si se cumplen los procedimientos.

4.3.1 Test del Hardware
Requerimientos generales
Th1.1 El hardware del ADCS (no se incluye el OBC) debe ser pesado para cumplir el requerimiento H1.1
TH1.2 El consumo del hardware del ADCS deberá ser medido cuando se recojan datos del sensor y las señales de control sean generadas para los bobinados, correspondiente al modo de cámara. El consumo será también recogido cuando no tenga lugar ningún muestroe de datos ni ninguna actuación correspondiendo esto al modo a prueba de fallos. El consumo no excedería el requerimiento H1.2
TH1.3 Se comprobará que el hardware del ADCS no vulnera el requerimiento H1.3. Esto se hace cuando se implementa la versión del modelo del subsistema de ingeniería y vuelo del ADCS en la estructura del satélite con otros subsistemas.
TH1.4 El modelo de ingeniería con todos los subsistemas integrados, se ensayará con respecto a temperaturas, vacío, golpes, radiaciones y variaciones repentinas.
TH1.5 No se hará ningún test para validar si el requerimiento H1.5 concerniente a la liberación de gases se cumple. Se evita el empleo de cualquier tipo de componente que pueda causar esto.

Requerimientos de los sensores
TH2.1 La precisión de los sensores solares se comprueban buscando información de puntos en la característica coseno para los sensores y comparando con una curva coseno perfecta. Los sensores son expuestos a una luz entrante mientras se obtienen los datos de ellos. La orientación de los sensores probados varía por lo que el ángulo entre la luz entrante y la normal al sensor varía ±90º. No se simula el albedo en ninguno de estos tests y los sensores solares se comprueban con una sola fuente de luz.

Prototipo: Los sensores solares se rotan en un plato giratorio. Por cada 5º se obtiene una secuencia de datos de los sensores utilizando el microcontrolador. A los datos del microcontrolador se acceden usando un PC. Sólo se van a comprobar una pareja de sensores y sin montarse en sus alojamientos. El error del sensor solar, cuando se comprueba el prototipo no incluye la desalineación , para cumplir con el requerimiento H2.1. El test no incluye compensación de temperatura, por lo que los tests deberán de ser realizados cuando la temperatura no varíe más de ±1ºCelsius.

Ingeniería y modelo de vuelo: Todos los sensores solares primarios están montados en la estructura del satélite. La estructura se rotará 360º con respecto a una fuente de luz constante a la cual se expondrán 4 de los sensores solares a diferentes ángulos que varían entre ±90º. Es necesario conocer la rotación del satélite para cada muestreo de los datos del sensor, para esto se usarán como referencia los datos del magnetómetro calibrado. Los datos del sensor se muestrean con el microcontrolador y se almacenan en el OBC. Cuando se ha realizado una rotación exponiendo a los 4 sensores a la luz, la estructura está girada 90º y se realiza una rotación exponiendo también a los 2 sensores solares restantes a la luz. Los datos pueden a la vez ser obtenidos de los paneles solares, y por tanto dando una idea de su funcionamiento como sensores solares secundarios.

TH2.2 La precisión especificada en el requerimiento H2.2 para el magnetómetro se comprueba por medio de un procedimiento de calibración utilizando la técnica de Set-Reset. El magnetómetro se hace girar en el plano x-y y en el x-z ó y-z mientras se obtienen datos. Después de que se haya efectuado la rotación los datos obtenidos se procesan en MatLab. Los factores de escala para los ejes x,y y z se hallan conjuntamente con las desviaciones causadas por los campos magnéticos constantes de la estructura del satélite y de otros subsistemas. Los datos calibrados para las rotaciones en los 2 planos deberían dar círculos completos. Los errores del magnetómetro serán datos obtenidos que se desvían de esos círculos.

Prototipo: El test del prototipo del magnetómetro sirve para validar su funcionalidad y su precisión. Los datos obtenidos con el microcontrolador interconectado a los sensores no tienen que ser transferidos al OBC cuando se comprueba el circuito prototipo. Los datos del microcontrolador se obtienen usando un PC.

Ingeniería y modelo de vuelo: Primero es necesario asegurar que los 3 ejes de los componentes HMC1001 y HMC1002 de los sensores están montados perpendicularmente entre sí. Si no ocurre así se deberían hacer correcciones para asegurar esto. Segundo, se realizará un procedimiento de calibración para encontrar las constantes de calibración y eliminar así la distorsión magnética causada por los campos magnéticos constantes del satélite. Es importante que las rotaciones del magnetómetro se realicen con un eje constante de rotación. También es importante que el campo magnético medido no cambie de intensidad o dirección durante el test. El test se realizará con todos los subsistemas integrados del satélite. La orientación inicial del satélite, con respecto al campo magnético que lo rodea, se conocerá con el propósito de determinar cualquier rotación entre el magnetómetro y el sistema SCB. El procedimiento de calibración para el magnetómetro se realizará en los planos x-y, x-z y y-z.

TH2.3 Deberán comprobarse la precisión de los sensores de temperatura dentro del rango especificado. Los datos de temperatura recogidos se comparan con las medidas recogidas de un termómetro.

Prototipo: Los datos recogidos con el microcontrolador interconectado a los sensores no se tienen que transferir al OBC cuando se comprueba el circuito prototipo. Los datos del microcontrolador se introducen usando un PC.

Ingeniería y modelo de vuelo: Los sensores de temperatura se montan en alojamientos junto con los sensores primarios en la estructura del satélite. Las comprobaciones se realizarán mientras se recogen y se almacenan los datos de temperatura como datos de estado, cuando se expone al satélite a temperaturas en el rango indicado. Las temperaturas se comparan con las temperaturas medidas con un termómetro (precisión de ±1ºC). Cada vez que se mide una temperatura con el termómetro un sensor solar debería ser expuesto a un destello de luz. Esto sirve para encontrar el dato de temperatura correspondiente en los datos internos, cuando se examinan los datos después del test. El termómetro debería de ir escalado en intervalos de temperatura de 5ºC.

TH2.4 Prototipo: La foto sensibilidad de los sensores solares cuando se exponen a la luz solar extraterrestre se determinará exponiendo a los sensores a la luz con un espectro de luz similar. Los datos se recogen del sensor. Este test sólo se necesita para unas pocas celdas fotovoltaicas del tipo usado en los sensores solares, y se realizará antes del diseño y la producción del circuito de ingeniería y modelo de vuelo. El test determinará el rango de salida de los sensores solares.
Modelo de ingeniería: Se determinará la foto sensibilidad de cada sensor solar montado en la estructura del satélite, con la finalidad de establecer los factores de calibración para los sensores solares. Esto se consigue observando los valores pico de los datos de los sensores solares en el test especifocado por TH 2.1.

TH2.5 El coeficiente de temperatura de los sensores solares se halla exponiendo a unos sensores solares a una luz constante, mientras se varía la temperatura de -40ºC a +80ºC. Entretanto se recogen los resultados de los sensores solares y se introducen en un PC. Este test sólo es necesario para unas pocas celdas fotovoltaicas del tipo utilizado en los sensores solares.

Requerimientos del test del microcontrolador.

TH3.1 El requerimiento H3.1 está completo si los test TH2.1 a TH2.3 se llevan a cabo satisfactoriamente.
TH3.2 El requerimiento H3.2 está completo si los test TH2.1 a TH2.3 se llevan a cabo satisfactoriamente. Para el el prototipo de hardware ADCS, se ha decidido comprobar sólo que la comunicación es posible en el bus IC. No es necesario comprobarlo enviando datos recogidos del sensor.

4.3.2. Test de los algoritmos
El propósito de los test de los algoritmos de abordo es verificar su funcionamiento. Se consigue comparando los resultados de los algoritmos con cualquier dato real o valor utilizado en una simulación. El error de los algoritmos modelo se calcula finalmente como un error angular entre el dato real o el más óptimo y los resultados proporcionados por los algoritmos y modelos.
Requerimientos del test de la cadena en tiempo real
TS1.1 La ejecución periódica de la cadena ADCS, de acuerdo con S1.1, se comprueba siguiendo las secuencias en los datos internos a partir del test de los sensores.
TS1.2 El requerimiento S1.2 se cuple si el test TS1.1 se lleva a cabo satisfactoriamente. Aparentemente no parecerá que haya pérdida de datos, y los datos del sensor deberán evolucionar según lo esperado.
TS1.3 Si el DHCS puede recoger datos de la secuencia del ADCS, éste se habrá probado. La recogida de datos deberá llevarse a cabo durante un periodo de tiempo largo (horas, días)
TS1.4 En las posibilidades de configuración todos los sensores solares estarán desactivados. Entonces se determinará una posición utilizando los datos del panel solar. Esto se comprueba más fácilmente con una solución determinística.
TS1.5 El ACDS responderá en el registro de datos interno correspondiente al modo en el que esté en funcionamiento.

Test – Configuración del ADS
TS2.1 Los diferentes test conectados a la configuración del ADS y concerniente a la funcionalidad de las diferentes opciones mencionadas en el requerimiento de S” se probará como una parte de la comunicación con el CDHS. Todos estos requerimientos se probarán uno por uno durante la integración del ADS en el OBC.

Test – Requerimientos del proceso de medida.
TS3.1 Las conversiones de los datos medidos a valores de temperatura dados en los requerimientos S3 se comprueban aplicando las entradas conocidas al ADS para simular los datos del sensor, y leyendo los datos obtenidos. Este resultado se verifica de acuerdo con su relación con los datos entrantes.
Test – Requerimientos para los modelos de referencia de abordo
TS4.1 Modelo orbital: El modelo orbital utilizado para el modelo verdadero y para el modelo orbital de abordo se probará utilizando los parámetros TLE y los datos de posición del satélite Oersted. Las configuraciones TLE existentes para Oersted se utilizan para los modelos orbitales. Las posiciones calculadas del satélite en este intervalo de tiempo se compara con los datos de posición medidos por GPS del satélite Oersted en el mismo intervalo de tiempo. Por lo tanto los dos modelos orbitales se validan incluyendo el error, que ocurre cuando se usa los mismos parámetros durante una semana sin ninguna actualización. Aquí se deben cumplir los requerimientos relativos a la precisión dados en el requerimiento S4.1
TS4.2 Modelo del campo magnético: Se probarán el modelo de campo magnético de abordo y un modelo para simular el campo magnético real con los datos del satélite Oersted. Esto se consigue obteniendo los datos de la posición del Oersted obtenidos por los satélites GPS como datos para los modelos del campo magnético. La dirección e intensidad del campo magnético medido por el Oersted en el mismo recorrido orbital se comparan con los resultados de los modelos de campo magnético. El requerimiento S4.2 tiene que cumplirse para el modelo de campo magnético de abordo utilizado en el satélite.
TS4.3 Modelo solar: El modelo solar de abordo y el utilizado para determinar la dirección real al Sol en las simulaciones se comprobarán comparando los resultados para los modelos solares existentes.
TS4.4 Corrección del albedo: Los errores en el RMS causados por el albedo de la Tierra en los sensores solares tendrán que ser simulados. Se introducirá una corrección del albedo y el error resultante en el RMS se determina por simulación. Estas simulaciones se realizarán con el satélite dirigido según los modos de ahorro de energía y módo de cámara. Para el modo de ahorro de energía una esquina del satélite apuntará al Sol, y para el modo de cámara, el satélite apuntará la cámara hacia la Tierra y lejos del Sol.

Test – Requerimientos para la determinación de la posición
TS5.1 Determinación determinística de la posición: Para probar el funcionamiento de la determinación determinística se utilizarán los siguientes escenarios. La determinación de la posición cumplirá el requerimiento S5.1.

a) Primero, verificar que funciona la determinación determinística, determinando la rotación entre 2 pares de vectores, que han sido girados con una rotación conocida. Segundo, se realiza el mismo test con un error añadido a uno de los vectores, correspondiente al error de albedo esperado.
b) Se realizará una simulación del satélite en órbita, donde se utilice la determinación determinística sin errores de albedo en los sensores solares. Debido a la inclinación del eje de rotación de la Tierra, el riesgo de colinearidades entre el vector solar y el vector del campo magnético terrestre será mayor en la vecindad de Dinamarca en el mes de junio.
c) Se realiza de nuevo el test TS5.1.1b se realiza de nuevo pero esta vez con errores de albedo en los sensores solares y la corrección de albedo para minimizarlos.

TS5.2 Colinearidades de los vectores de campo magnético y solar: Se comprueba el requerimiento S5.2 en los escenarios TS5.1b y TD5.1c
TS5.3 Filtro Kalman extendido: La determinación de la posición utilizando el filtro Kalman extendido se comprueba en los siguientes escenarios. Los escenarios corresponden a la operación primaria y terciaria, descritas en la sección 3.5. El propósito de los test no es sólo probar el filtro Kalman extendido, sino también hacer un ajuste preciso. Esto se hace como parte de las simulaciones descritas a continuación.
La dinámica del satélite, los pares de perturbación, la posición orbital, el campo magnético y la dirección al Sol se simularán y se introducirán como datos en la determinación de la posición. Se simularán también los errores de los sensores solares y del magnetómetro.
a) Se realiza una simulación correspondiente a la operación terciaria, en la cual sólo se utiliza el filtro Kalman. Para la posición inicial se establece un error de 180º. Durante toda la simulación se utilizan tanto los sensores solares primarios como el magnetómetro.
b) Se realizará una simulación similar a TS5.3 con la única diferencia de que no se emplean sensores solares. Esto es para observar cómo converge el filtro sin datos del sesnor solar.
c) Se realizará una simulación de la operación primaria, donde el filtro Kalman utilizalos estados iniciales hallados junto con la determinación determinística.
d) La solución determinística y la determinación de la posición utilizando el filtro Kalman serán combinadas con el control de la posición, y las simulaciones utilizando las operaciones primaria, secundaria y terciaria y se aplicará para la determinación de la posición y el sistema de control completo. El requerimiento S5.4 se completará para el sistema completo de determinación y control de la posición.