AO-40 – Ett fantastiskt amatörprojekt

Av Olle Enstam, SM0DY november 2000 

 

En ny era för amatörradion

AO-40 sköts upp den 16 november 2000 med Ariane 507 från Kourou i Franska Guiana.
Projektet har pågått i nio år. Enligt de ursprungliga planerna skulle AO-40 ha skjutits upp med Ariane 502 1997. Då kom problemen med Ariane-raketen och erfarenheterna från de första Ariane 5 uppskjutningarna indikerade att AO-40:s mekaniska konstruktion måste modifieras för att klara påfrestningarna vid uppskjutningen. Efter modifieringarna har AO-40 utsatts för omfattande vibrationstester.
Sedan kom en lång och oviss väntan på ett lämpligt uppskjutningstillfälle. Det är i och för sig naturligt när man åker med som fripassagerare.

AO-40 kommer att erbjuda ett större möjligheter än någon tidigare satellit och vi kommer att kunna operera på många frekvensband inklusive de mycket höga frekvenserna.
Satelliten har högre effekt och högre antennförstärkning än sina föregångare och är dessutom treaxligt stabiliserad, vilket gör det möjligt att hela tiden ha antennerna riktade mot jorden. Det innebär att man skall kunna köra AO-40 utan att ha någon avancerad utrustning.

AO-40 har konstruerats, byggts och finansierats i internationell samverkan i projektgrupper med medlemmar från ett femtotal länder. Projektledare är Karl Mainzer DJ4ZC. Mycket av det tidiga arbetet utfördes av det tyska AMSAT-DL Två av satellitens sändare liksom väsentliga delar av mottagarsystemet är tillverkade av tyskarna. Tvåmeterssändaren är tillverkad i UK medan en finsk grupp har svarat för 10 GHz-sändaren med tillhörande antenner. 24 GHz-sändaren kommer från Belgien. Mottagare har även byggts av grupper i Belgien, Slovenien och i Tjeckien. Drivmedelstankarna kommer från Ryssland. SCOPE-kamera-experimentet har tagits fram av japanska JAMSAT. Sammansättningen av satelliten och kontrollen har skett i Orlando i Florida .
Figur 1 visar ett blockschema för satelliten.

satellitinfo/ao40-banan.jpg
Figur 1

Ett nytt grundkoncept.

Hittillsvarande amatörsatelliter har innehållit en eller flera transpondrar, som mottager signaler på ett band och återutsänder signalen på ett annat. I AO-40 tillämpas en ny teknik, som innebär att mottagare och sändare byggts upp kring en gemensam mellanfrekvensmatris, vilken arbetar på 10,7 MHz. Mottagarna består bara av stegen mellan antenn och mellanfrekvensenheten och sändarna av enheterna från mellanfrekvensenheten till sändarantennen. Det hela är datorstyrt och flera mottagare/sändarkombinationer kan köras samtidigt. . Systemet ger stor flexibilitet, vilket är värdefullt då AO-40 beräknas få en livslängd av 10-15 år. Figur 2 visar vilka mottagare/sändarkombinationer som är möjliga.
Av blockschemat (Fig.1) framgår att mellanfrekvensenheten också innehåller ett system LEILA. Detta är en enhet som skall släcka ut alltför starka inkommande signaler från de amatörer som roar sig med QRO.
För att namnge en viss kombination av upp- och nerlänk kommer man att använda en bokstavskombination med två bokstäver. Den första anger upplänken och den andra nerlänken..

Band MHz Upplänk Nerlänk

21 H –
146 V V
435 U U
1260 L –
2400 S S
5600 C –
10000 – X
24000 – K

Hittillsvarande Mode B d.v.s. 435 MHz upp och 146 MHz ner kommer i det nya systemet att heta U/V.

satellitinfo/ao40-banan2.jpg
Figur 2

Satellitbanan

Avsikten är att placera AO-40 i en elliptisk bana med 63,5 graders inklination med en högsta höjd i apogee om 47700 km och en lägsta höjd i perigee om 4000km. (Figur 3).

satellitinfo/ao40-paneler.gif
Figur 3

Jämfört med AO-10 och AO-13 kommer banhöjden att bli högre och omloppstiden längre. När satelliten skjuts upp kommer banan inledningsvis att ha en inklination av ca 6,5 grader. Den justeras därefter i flera steg för att efter tolv månader nå den önskade elevation och omloppstid.
Omloppstiden skall då vara 16 timmar, vilket innebär tre varv på 48 timmar. Avsikten är att försöka lägga ett apogee över Nordamerika, ett över Europa och ett över Far East. Om man lyckas nå en omloppstid av exakt 16 timmar kommer apogee-lägena att återupprepas med en periodicitet av två dygn.
Figur 4 visar hur banan skulle kunna se ut 16 månader efter uppskjutningen. Omloppstiden är då enligt beräkningarna 16 timmar, apogeehöjden 51100 km och perigeehöjden 600 km, allt enligt en simulering gjord av OE1VKW. Han ingår i den grupp som planerat de manövrer, vilka erfordras för banjusteringen. Apogeehöjden kommer med tiden successivt att minska och perigeehöjden att öka för att så småningom nå 47000 respektive 4000 km.
Infasningsförloppet har utförligt beskrivits i INFO 3/2000.

Jämfört med AO-10 och AO-13 kommer banhöjden att bli högre och omloppstiden längre. När satelliten skjuts upp kommer banan inledningsvis att ha en inklination av ca 6,5 grader. Den justeras därefter i flera steg för att efter tolv månader nå den önskade elevation och omloppstid.
Omloppstiden skall då vara 16 timmar, vilket innebär tre varv på 48 timmar. Avsikten är att försöka lägga ett apogee över Nordamerika, ett över Europa och ett över Far East. Om man lyckas nå en omloppstid av exakt 16 timmar kommer apogee-lägena att återupprepas med en periodicitet av två dygn.
Figur 4 visar hur banan skulle kunna se ut 16 månader efter uppskjutningen. Omloppstiden är då enligt beräkningarna 16 timmar, apogeehöjden 51100 km och perigeehöjden 600 km, allt enligt en simulering gjord av OE1VKW. Han ingår i den grupp som planerat de manövrer, vilka erfordras för banjusteringen. Apogeehöjden kommer med tiden successivt att minska och perigeehöjden att öka för att så småningom nå 47000 respektive 4000 km.
Infasningsförloppet har utförligt beskrivits i INFO 3/2000.

satellitinfo/p3d-montage.jpg
Figur 4

Satellitens uppbyggnad.

AO-40 har givits en liksidig sexkantig form. Varje sida är 1120 mm lång, vilket ger ett avstånd mellan motstående hörn om 2240 mm. Satellitens höjd är 640 mm. Startvikten är 650 kg varav 247 kg utgöres av bränsle till de två reaktionsmotorerna. Satelliten har sex solpaneler, vilka vid uppskjutningen är "lindade" kring satelliten. När satelliten tagits in i sin slutliga bana fälls solpanelerna ut och AO-40 har då en spännvidd av ca 6,4 meter. Figur 5.


Figur 5

Mittpartiet upptages av sex stycken klotformade behållare om vardera 50 liter för bränsle till de båda reaktionsmotorerna. Där är vidare all kringutrustning till motorerna, den större 400 N-motorn och den mindre arc-jet motorn placerad. Alla apparater d.v.s. sändare, mottagare datorer m.m. är monterade i "elektronikmoduler" utmed de sex yttersidorna.

I mellanväggarna mellan apparatutrymmena och motorutrymmet finns rörslingor inlagda. Dessas uppgift är att åstadkomma en jämnare temperaturfördelning i satelliten. Spinstabiliserade satelliter får automatisktär en jämn solbelysning och därmed en jämn temperaturfördelning i satelliten. Med den valda treaxliga stabiliseringen får AO-40 en ojämn solbelysning , vilket skulle kunna leda till stora temperaturskillnader inom satelliten.

På satellitens "översida" (Z+ riktningen), som kommer att vara riktad mot jorden, har alla riktantenner placerats. I mitten på denna sida sitter också 400 N-motorn. Figur 6 På satellitens "undersida" sitter de rundstrålande antennerna.

De sex solpanelerna (BSFR Silicon) har en total yta om 4,46 kvadratmeter. De beräknas inledningsvis ge en effekt av 620 W vid optimal solbelysning och ca 435 W vid 45 graders solvinkel. Efter tio år i rymden beräknas motsvarande värden vara 500 respektive 350 W.
Satellitens huvudbatteri består av 20 celler med en total kapacitet av 40 Ah. Spänningen är 22-28 V. Hjälpbatteriet består av 40 celler med en kapacitet av 10 Ah. Båda batterierna är av nickel-kadmium typ.

Sändare och antenner.

ARRL:s Satellithandbok lämnar följande uppgifter om sändarna:

AO-40 Analog Transponder Power Levels (Prelaunch Estimates)

145.880 (150 kHz) 100 W
435.600 (250 kHz) 120 W
2400.350 (250 kHz) 50 W
10451.150 (250kHz) 60 W
24048.150 (250 kHz) 1 W

Samma källa lämnar följande data för antennerna:

AO-40 Antennas (Gains are approximate)
All circularly polarized antennas are right hand sense.
All high gain antennas are on "top" of spacecraft (+ Z face).

Band , Antenna, Type, Gain (Approx)
15 m, 2 element, deployed whip, 0 dBi
2 m, 3 low profile, folded dipoles, 3 dBic
2 m, ¼ -våg open, sleeve Omni
70 cm, 6 element patch, 13 dBic
70 cm ,Pair of ¼ vågs whips, Omni
1,2 GHz, Short Back Fire, turnstile feed, 15 dBic
2,4 GHz,Parabolic dish, 18-20 dBic
2,4 GHz, Pair of ¼ vågs vertical stubs, Omni
5,7 GHz, Parabolic Dish, 18-20 dBic
10,4 GHz, Dual Horn 20 dBic Horn, 26 dBi
GPS (1,6 GHz), 4 patch ants (bottom, perigee use), 3 dBic
4 patch ants (top, apogee use), 9 dBic

Reaktionsmotorerna

AO-40 har två framdrivningssystem, ett kraftigare enhet som kan utveckla en dragkraft om 400-Newton och en mindre arc-jet enhet som kan utveckla ca 0,1 Newton.
Den kraftigare motorn är av samma typ som användes på AO-10 och AO-13.
Bränslet utgöres av ca 60 kg mono-methyl-hydrazin (MMH) med ca 130 kg kvävetetraoxid (N2H4) som oxidationsmedel. Gasblandning är självantändlig och behöver således inget tändsystem. Systemet är trycksatt med kvävgas. De två bränslekomponenterna lagras i fyra av de kulformade bränsletankarna. Två samverkande tankar för vardera bränsleslaget placerade mitt emot varandra så att tyngdpunkten inte påverkas när bränslemängden minskar.

Den mindre motorn är nyutvecklad av AMSAT-DL vid universitetet i Stuttgart. Systemet kallas ATOS (Arcjet Thruster on OSCAR Satellite) och det är första gången som denna princip användes för kontroll av icke geostationära satelliter. Tekniken bygger på att ammoniak förgasas i en elektrisk ljusbåge med en effekt av 750 W.Den bildade gasen rusar ut med hög hastighet och verkningsgraden är hög .
AO-40 medför 51 kg ammoniak lagrade i två av de sex kulformade behållarna. Bränslet beräknas räcka till 600 timmars brinntid. Systemet drar 750 W under hela brinntiden, d.v.s.
mer än den effekt, som solpanelerna kan avge. Körningen av ATOS-systemet måste alltså understödjas av satellitens batterier.
ATOS-systemet kommer dels att användas i den inledande banjusteringen efter uppskjutningen, dels för finjustering av banan. Slutligen kommer systemet att användas för att fortlöpande göra de korrektioner, som erfordras för att kompensera solens och månens inverkan på satellitbanan. Det var sådana krafter som åstadkom AO-13:s alltför tidiga återinträde i jordatmosfären.


Figur 6

Attitydkontroll och stabilisering.

AO-40:s föregångare i 3-serien har varit spinstabiliserade. Satelliten har roterat kring sin z-axel, vilken hela tiden bibehållit sin riktning i rymden. Det innebär att satellitens riktantenner har varit riktade mot jorden under en liten del av satellitens omlopp, vanligen när den befunnit sig i närheten av apogee.
För AO-40 planerar man att hela tiden ha z-axeln och därmed riktantennerna riktade mot jorden. Vidare önskar man kunna vrida satelliten kring z-axeln så att solpanelerna hela tiden är optimalt solbelysta. Detta kräver ett betydligt mer komplicerat styrsystem.
Man har valt att inte göra attitydförändringarna med hjälp av jetstrålar utan har utarbetat en lösning där satellitens attityd påverkas av ett system bestående dels av tolv magnetspolar, vilkas fält interagerar med jordens magnetfält, dels av tre stycken svänghjul, vilkas axlar är vinkelrätt orienterade mot varandra.
Hela styrsystemet regleras av IHU-datorn , Integrating Housekeeping Unit. Systemets referenser är riktningarna till solen och till jorden, vilka registreras av sensorer.
De tolv magnetspolarna är monterade längs med den hexagonformade ramens sex sidor. Sex stycken på satellitens översida och sex stycken på dess undersida. Spolarna är hopkopplade i tre grupper. Tillsammans med polvändning ger detta möjlighet till sex olika riktningar för magnetfältet. Systemet har ett effektbehov om 10,7 W.
Svänghjulen möjliggör en treaxlig stabilisering. Genom att variera svänghjulens varvtal kan även vridmoment alstras. Svänghjulskonstruktionen är unik och utvecklad av AMSAT-DL vid universiteten i Darmstadt och Marburg. Man har velat undvika kullager och smörjmedel och har istället utvecklat ett system med magnetisk lagring av svänghjulen. Lagringen är datastyrt och har inbyggda sensorer. Man har uppskattat den möjliga livslängden till mellan tio och femton år. Svänghjulssystemet har ett effektbehov om 15 W.
Under de inledande fasen efter uppskjutningen är satelliten spinstabiliserad och riktning och spinhastighet regleras med hjälp av magnetspolarna. För att undvika långsamma svängningar i z-axelns riktning under spinstabiliseringsperioden är satelliten också försedd med sex rörformade "nutation dampers" innehållande en blandning av glycerin och vatten.
När satellitbanan slutgiltigt justerats övergår man från spinstabilisering till treaxlig stabilisering och solpanelerna kan fällas ut.

Inplacering av AO-40 i önskad bana.

När AO-40 separat från bärraketen skall den befinna sig en transferbana med en inklination om 6,5 grader och en högsta höjd av mellan av 34000 -39000 km.
Tre timmar efter take-off startas 70 cm beacon med rundstrålande antenn och markstationerna i Australien och Nya Zeeland tar kontakt ( 400 bps PSK-format).
4-5 timmar efter start bör satelliten vara hörbar i Europa .
Under de följande dagarna kontrolleras alla system ombord.
Lägessensorerna och det magnetiska styrsystemet tas i drift.
Apogee-höjden ökas till 60000 à 70000 km under en niomånadersperiod. Under fyra av dessa månader kan man sannolikt tidvis använda satelliten i begränsad utsträckning. Satelliten är spinstabiliserad och apogee-avståndet stort så signalstyrkorna bli sannolikt låga.
Därefter följer en period om 5-6 veckor under vilken 400 N-motorn skall höja satellitbanans inklination till 63 grader.
Därefter användes 400N-motorn för att sänka apogee-höjden till ca 47000 km och justera omloppstiden till 16 timmar.
Därefter sker övergång till treaxlig stabilisering och solpanelerna fälls ut.
Om allt fungerat enligt planerna skall AO-40 nu vara driftklar ca tolv månader efter uppskjutningen.

Så såg planerna ut. En vecka efter start vet vi att uppskjutningen lyckades bra men att man har problem med 435 MHz-sändaren, vilket gör att telemetrin sänds på 145 MHz.. Apogee-höjningen kommer att ske med hjälp både av 400 N-motorn och arcjet-motorn. Man undersöker möjligheterna att öka banhöjden ytterligare vilket sparar bränsle när inklinationen skall höjas. Den slutliga banan skall bli som tidigare planerats.

Integrating Housekeeping Unit – IHU och några speciella experiment.

AO-40 har en primär och flera sekundära datorer. Huvuddatorn, hjärtat i IHU, är snarlik den som användes i AO-13. IHU innehåller ett litet datanät med hög överföringskapacitet "Controller Area Network (CAN) Bus", som sammanlänkar huvuddatorn med övriga datorer ingående i t.ex. RUDAK, GPS-experimentet och kamera-experimentet.
IHU administrerar alla system i satelliten såsom kraftförsörjning, attitydkontroll, övervakning och omkoppling av sändare, mottagare och antenner.
IHU:s CPU är utrustad med en strålningshärdad 1802 COSMAC mikroprocessor. Man har valt att använda gammal beprövad teknik i IHU och nöjt sig med några smärre modifieringar och uppgraderingar.
Blockschemat i Figur 1 ger en översikt av IHU och datasystemet.

I systemet ingår även RUDAK, vilket står för "Regenrativer Umzetzer fur Digital Amateurfunk Kommunikation" och är AO-40:s digitala transpondersystem. RUDAK har egen datakapacitet uppbyggt av två NEC V53 CPU-enheter och 32 Mbyte EDAC-minne. Alla data från experimentsystemen t.ex. GPS-experimentet, kameraexperimentet går via RUDAK.

GPS-projektet avser att försöka bestämma satellitens position med en noggrannhet om 10-20 meter, samt att få systemet att fortlöpande beräkna satellitens keplerelement. Vidare önskar man undersöka om det år möjligt att bestämma satellitens attityd med hjälp av GPS-systemet.

Kameraexperimentet SCOPE har utvecklats av det japanska JAMSAT. Det innehåller två kameror, som skall sända färgbilder av jorden, den ena med vidvinkel och den andra med mindre synfält men med högre upplösning. Bilderna digitaliseras och sänds via RUDAK till jorden.
Vidare ingår projektet CEDEX "Cosmic-Ray Energy Deposition Experiment" och ett projekt "Monitor" för spektralanalys av området 0,5 – 30 MHz.

Utöver den ordinarie Integrating Housekeeping Unit finns också på AO-40 "The Experimental IHU-2". Detta experiment går ut på att testa en framtida ersättare till den nuvarande COSMAC-1802-baserade IHU-computern ,som använts i alla tidigare P3-satelliter. IHU-2 är ett "proof-of-technology experiment" .Den är ansluten till AO-40:s alla system, men kommer dock inte att tillåtas hantera "anything mission critical". IHU-2 beskrivs utförligt i ett tjugotvå sidigt dokument , som kan hämtas på http://www.amsat.org/amsat/articles/g3ruh/124.html

Referenser för ingående figurer.

Figur 1 ARRL : The Radio Amateur´s Figure AO-40-2 – AO-40 block diagram
Satellite Handbook

Figur 2 ARRL: The Radio Amateur´s Figure AO-40-3 – AO-40 Transponder
Satellite Handbook Matrix

Figur 3 Egen tillverkning

Figur 4 Egen tillverkning

Figur 5 ARRL: The Radio Amateur´s Figure AO-40-1 – AO-40 structure with
Satellite Handbook solar panels deployed

Figur 6 AMSAT-DL AMSAT P3-D Launch Campaign
Kourou
http://www.amsat-dl.org/launch
Stort bildgalleri, som fortlöpande
fylls på. All photos can be freely re-printed
with the copyright notice:
"Photo by AMSAT-DL,Winfried Gladisch"