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Sistema di potenza con distribuzione in corrente alternata per satellite di telerilevamento
No full textNell’ambito delle missioni spaziali, la gestione della potenza disponibile a bordo sta diventando sempre di più uno degli aspetti fondamentali a causa della potenza sempre maggiore richiesta dai carichi. Inoltre, in certi casi, al sistema di potenza vengono domandate prestazioni particolari che richiedono una gestione accurata della potenza disponibile. Un classico esempio sono le missioni di osservazione della Terra (Earth Observation): tipicamente i satelliti utilizzati per queste missioni possono avere a bordo payloads che richiedono potenze molto elevate da distribuire a distanze notevoli e a basse tensioni. In questi casi è necessaria una gestione della potenza particolarmente accurata al fine di ottimizzare le risorse disponibili.
Tali missioni al giorno d’oggi rivestono grande importanza ed interesse, vista la crescente necessità di garantire un’osservazione della terra su scala globale, dal punto di vista scientifico, civile e militare. Un dimostrazione importante dell’interesse rivolto alle missioni spaziali di Earth Observation è dato dall’iniziativa combinata Unione Europea (EU)-ESA denominata GMES (Global Monitoring for Environment and Security) che prevede, tra le altre cose, la realizzazione, entro il 2013, di una costellazione di satelliti per assicurare una produzione autonoma di informazioni sulla terra, sull’ambiente, sulle risorse, sugli eventi naturali e sulle attività umane. L’iniziativa è guidata dalla necessità di migliorare il monitoraggio globale con l’obiettivo del controllo sostenibile delle risorse e della sicurezza dei cittadini. La chiave fondamentale del sistema GMES è quindi quella di stabilire, a partire dal 2008, una capacità di monitoraggio globale interamente europea, con il supporto tecnologico, istituzionale e politico. Poiché l’interazione tra le attività umane e l’ambiente avvengono a diversi livelli, sono richieste informazioni a livello sia locale che globale ed un follow-up dell’ambiente continuo con risposte rapide. L’Unione Europea ha quindi bisogno di un accesso indipendente a tali dati e informazioni su scala globale, e persegue questo obiettivo utilizzando sistemi di monitoraggio sia satellitari che terrestri.
L’iniziativa GMES inoltre, insieme al monitoraggio ambientale globale, include anche alcuni aspetti legati allo sviluppo di politiche di difesa e sicurezza comune. Pur essendo attualmente una iniziativa civile, GMES potrebbe quindi avere in futuro un chiaro aspetto militare, e dunque essa potrà costituire uno dei primi passi verso l’attività militare europea nello spazio. Il sistema GMES rappresenterà infine anche il contributo europeo al sistema internazionale di osservazione della terra GEOSS (Global Earth Observation System of Systems).
La componente spaziale del sistema GMES prevede la realizzazione di una costellazione principale costituita da 5 satelliti completamente dedicati allo scopo. Alle informazioni fornite da questi 5 satelliti saranno aggiunte quelle reperite da altre missioni (cosiddette complementari), già attive o prossime al lancio, pianificate da singoli stati o agenzie spaziali. Tra le possibili missioni candidate a fornire servizi ed informazioni al sistema GMES vi sono SPOT-5 (Francia), Pleiades (CNES),TerraSAR-X (Germania) e, non ultima, la missione italiana COSMO SkyMed.
In particolare COSMO Sky-Med (COnstellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation) è un programma dell’Agenzia Spaziale Italiana realizzato da Alenia Spazio, con il sostegno del governo italiano che ha reso disponibili finanziamenti per la realizzazione del programma, coerentemente con le strategie dell’Unione Europea. E’ un programma di osservazione terrestre costituito da una costellazione di sei satelliti in orbita bassa, equipaggiati con sensori ottici e radar (4 di essi avranno sistemi SAR). Permetteranno di reperire dati ambientali con elevata frequenza di rivisitazione dei siti e di renderli disponibili agli utenti in tempi brevi. Il sistema COSMO sarà principalmente dedicato al monitoraggio ambientale e climatico, alla prevenzione dei disastri naturali, al controllo delle coste, alla valutazione delle risorse idro-geologiche, soprattutto per l’area del Mediterraneo. Il sistema sarà comunque in grado di offrire le sue prestazioni anche ad altre regioni del globo e per questo è stato inserito tra i possibili elementi complementari del sistema GMES.
Un payload molto comune, presente in molte missioni di telerilevamento, è un antenna SAR (Synthetic Aperture Radar). Dal punto di vista della potenza, sia per le caratteristiche che per l’ammontare della potenza assorbita, il SAR rappresenta molto spesso il payload principale.
Il SAR è un sistema radar che accumula dati mentre si muove lungo la sua traiettoria. Il significato dell’acronimo, cioè Radar ad Apertura Sintetica; è dovuto al fatto che esso è in grado di simulare un’apertura più ampia di quella dell’antenna reale. Infatti, l’antenna radar si muove con una certa velocità: ogni volta che emette un impulso RF e ne riceve l’eco essa si trova in posizioni diverse in virtù del moto della piattaforma. Trasmettendo gli impulsi molto rapidamente, molti echi radar sono quindi ottenuti per un determinato target e, tramite una opportuna elaborazione, l’immagine che ne risulta corrisponde a quella ottenibile con una antenna di grandi dimensioni. L’apertura sintetica è quindi la distanza coperta dalla piattaforma mentre l’antenna radar raccoglie informazioni su quel target. La elevata risoluzione delle immagini ottenibili con un antenna SAR ne rende fondamentale l’impiego nello spazio.
Inoltre il SAR è in grado di effettuare rilevazioni della superficie terrestre con diverse modalità, come rappresentato nella figura i.1. Infatti, da un lato, può investigare su regioni molto vaste (fino a 200-500 km) anche se con risoluzioni relativamente basse (100 m), dall’altro può coprire zone più ristrette (10 km) ma con risoluzioni elevatissime (inferiori ad 1 metro).
Una caratteristica molto importante, che ha notevoli ripercussioni dal punto di vista dell’architettura del sistema di potenza, è data dalle dimensioni dell’antenna. Essa infatti può tranquillamente raggiungere lunghezze di 10 metri: ad esempio l’antenna SAR a bordo di Envisat (missione ESA attiva dal 2002) ha dimensioni 10x1.3m, mentre quella di Radarsat-2 (il cui lancio è previsto nel 2007) misura addirittura 15x1.5m.
In questi casi il progetto del sistema di potenza è fortemente condizionato dalla necessità di distribuire elevati livelli di potenza su tutta la lunghezza dell’antenna. Inoltre tale potenza deve essere fornita a basse tensioni e su diversi livelli. Tipicamente un SAR necessita infatti di una tensione DC a circa 10V per alimentare lo stadio di potenza a radiofrequenza, una tensione DC a 5V per l’elettronica digitale ed il trasmettitore, ed una tensione DC negativa –5V per i transistor di potenza a radiofrequenza.
Queste caratteristiche peculiari, fanno sì che il sistema di potenza per una missione di telerilevamento attivo, in particolare se a bordo è previsto un SAR, debba essere studiato e progettato con particolare attenzione
Bidirectional Converter for Single-Cell Li-Ion Batteries in a Moon Rover
No full textThis work deals with a circuit intended to operate as a BCDR in small space vehicles, and especially in the cases when battery sizing is driven by the need to complement the power provided by primary power sources during high peaks of load, while a comparatively small energy is required during eclipses. In particular, a Bidirectional Three Level Neutral Point Clamped (TLNPC) converter was selected, designed and built in a prototype capable to operate as a BCDR to interface a 12V bus with a single-cell Li-ion battery.
After providing a rationale of the single-battery-cell approach, and of the criteria adopted to select the TLNPC converter circuit, the paper reports principles of operation of the converter and indicates design criteria for the main circuit parameters. Extensive characterization of the laboratory prototype completes the work
Design issues for the power system of a lunar rover
No full textThe Electrical Power System developed for a lunar rover is presented and the design of the main subsystems is analysed with a view to the AMALIA lunar mission. In particular, an unusual configuration of the battery subsystem, based on a 1S battery and a high-voltage-diversity BCDR was developed and tested. The experimental results demonstrated that any bus voltage in the 12-48V range can be managed with a satisfactory conversion efficiency by using a non-insulated TLNPC converter. Other design issues of the main EPS units are discussed
SISTEMA DI POTENZA PER ROVER LUNARE AMALIA
No full textIl sistema di potenza del rover lunare sviluppato per la missione Amalia raccoglie la potenza generata dal convertitore fotovoltaico, e la fornisce ai diversi carichi del veicolo nella forma richeista, sotto la supervisione di un sistema di protezioni e ridondanze volti a minimizzare gli effetti negativi di eventuali guasti. Viene inoltre gestita la potenza secondaria delle batterie.
Il sistema è stato integralmente progettato a livello di sistema, testato nelle sue parti più innovative ed è pronto per essere costruito
Loss analysis of low-voltage TLNPC step-up converters
No full textPower losses in high-efficiency dc-dc step up converters based on the synchronous Three Levels Neutral Point Clamped (TLNPC) configuration were investigated. TLNPC converters benefit from the reduced stress on components and from the non insulated stacked-boost output stage in order to provide reduced power losses and large voltage gains. Several prototypes with increasing efficiency were produced and tested: voltage gains larger than 20 ́ were achieved by means of hard-switched prototypes with composite switches consisting of both low-Rds(ON) and high-speed MOSFETs. At lower voltage gains conversion efficiencies exceeding 98% were demonstrated. A thorough loss analysis is reported, extended to subtle power dissipation processes, which in high efficiency converters grow in relevance after weakening of the major loss mechanisms. The related model is proven capable to accurately predict circuit performance in a wide range of operating conditions
Design of high-efficiency non-insulated stepup converters
No full textThe design techniques of high-efficiency non-insulated step-up converters were upgraded on the basis of a comprehensive model of power losses, also including several feeble effects whose contribution, though overshadowed at large power by conduction and switching losses, is relevant in the low-power regime and at the maximum power point.
The thorough loss analysis was used as a basis to design state-of-art high-boost-ratio Three Levels Neutral Point Clamped (TLNPC) dc-dc converters, whose experimental efficiency showed an outstanding agreement with theoretical predictions in a wide range of operating conditions
SCHEMES - Sistema caratterizzazione e misura per generatori fotovoltaici
No full textIl sistema gestisce la caratterizzazione di celle solari in condizioni di luce simulata e al buio, garantendo livelli accuratezza e ripetibilità adeguate ad un laboratorio di riferimento, come quello della Agenzia Spaziale Europea, che ha commissionato il lavoro.
Sono stati progettati e realizzati sia la parte strumentale che l'interfaccia utente-computer in ambiente Labview
Sistema di telecomunicazione per la missione lunare Amalia
No full textIl sistema di telecomunicazione per la missione Amalia gestisce il trasferimento di segnali tra le stazioni di terra, la navicella spaziale/lander ed il veicolo di esplorazione.
I segnali sono essenzialmente comandi in uplink, mentre in down link consistono in telemetria dei dati operativi e di rilevamenti ambientali, immagini e filmati. Il progetto ha riguardato essenzialmente i link budget, le antenne, i trasmettitori ed i ricevitori.
Il sistema è stato integralmente progettato (Fase B-1) ed è pronto per essere costruito
On the Reliability of Modular Power conversion Systems for Small Spacecraft
No full textModular power conversion systems for space application, thanks to their flexibility, can be easily adapted with minor changes to missions with different power requirements. 12In the perspective of an application to low-cost satellite, based on Commercial Off The Shelf components, the main design drivers are efficiency and reliability. We will focus our attention to spacecrafts with body-mounted solar cells. Thus, trade-off between the opposite requirements, efficiency and reliability, have been discussed through the analysis of several redundancy schemes. Reliability calculation of circuits will be performed on the basis of MIL-HDBK-217F. The aim of this work is to demonstrate that specific design efforts allow to increase the reliability of COTS-based power systems to levels comparable to classical systems based on space-qualified components. ©2009 IEEE
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