Faydalı yükler

Tanım

Faydalı yük, bir uydunun uçma nedenidir; geri kalan her şey onu hayatta tutan platformdur. Küçük uydularda ikisi arasındaki çizgi çoğu zaman bulanıktır: amatör telsiz amaçlı bir PocketQube’de telsiz hem haberleşme alt sistemi hem de görevin sunduğu hizmettir; bir teknoloji gösterim uydusunda ise “faydalı yük” yeni bir yönelim algılayıcısı ya da yeni bir kart yığını olabilir.

PocketQube’ler neler taşıdı?

PocketQube nüfusuna teknoloji gösterimi hâkimdir; çoğu zaman amatör telsiz hizmetleri ya da eğitimle birleşir[1]. Bu çerçevede sınıf şaşırtıcı bir faydalı yük yelpazesiyle uçtu[2]:

Açık faydalı yük tasarımları

Açık donanım giriş eşiğini düşürdü. UPC NanoSat Lab’de geliştirilen IEEE Yer Bilimleri ve Uzaktan Algılama Derneği Açık PocketQube Kiti, güç, bilgisayar, haberleşme ve ADCS kartlarıyla eksiksiz bir 1P tasarımı sunar; bunun yanında VGA kamera ile L ve K bandı radyo frekansı girişim izleyicileri gibi örnek faydalı yükler de içerir[3].

Hacim

Bir 1P kartının, 50 mm’lik duvarlara olan entegrasyon payı çıkarıldıktan sonra yaklaşık 42 × 42 mm’lik kullanılabilir alanı vardır; bu, bir PC/104 CubeSat kartının kabaca beşte biridir. Güç, bilgisayar ve telsiz genellikle yığının çoğunu alır; bu yüzden faydalı yükler ya tek bir karttır ya da kartları platformla paylaşan işlevlerdir. Çok birimli formatlar hacim kazandırır: 3P’lik Unicorn-2, hiçbir 1P’nin taşıyamayacağı bir kamera ve tepki tekerleri taşır[4].

Güç

nadir lab.’nun başvuru 1P güç bütçesi, faydalı yüküne %10 görev çevrimiyle 120 mW, ortalamada 12 mW ayırır; yörünge ortalaması üretim ise yaklaşık 550 mW’tır:

Yük	Açıkken güç	Görev çevrimi	Ortalama
Uçuş bilgisayarı (çoğunlukla düşük güç modu)	15 mW	%100	15,0 mW
UHF alıcı (sürekli dinleme)	30 mW	%100	30,0 mW
UHF verici (0,5 W RF, %40 PA verimi)	1.250 mW	%4	50,0 mW
Manyetometre ve IMU	10 mW	%100	10,0 mW
Manyetik tork bobinleri	60 mW	%15	9,0 mW
Faydalı yük (spektrum ölçümü)	120 mW	%10	12,0 mW
EPS öz tüketimi (MPPT, telemetri)	8 mW	%100	8,0 mW
Ortalama yük			134,0 mW
Yörünge başına enerji
Güneş / tutulma	59,5 / 35,7 dk
Hücrelerden sağlanan (güneşte ortalama 0,86 W)	850 mWh
Yükler ve tutulma sonrası şarj için gereken	221 mWh
Enerji payı	%284
Tutulmada çekilen / deşarj derinliği	80 mWh / %4,3

Batarya: 3,7 V, 500 mAh (1,85 Wh) lityum polimer hücre, %90 şarj–deşarj gidiş-dönüş verimi. Üretim, tutulma çarpanı olmadan Denklem 1’den.

Vatlarca güç isteyen bir faydalı yük ya bataryadan kısa patlamalarla çalışmalı ya da uydu büyümelidir.

Aşağı bağlantı

Veri hacmini, telsizin karşılayabildiği bit başına enerji belirler. En az 3 dB payla 9600 bit/s’lik başvuru 1P bağlantısı için:

En yüksek yükselme	Ufkun üstünde (dk)	Pay ≥ 3 dB (dk)	Ham veri (kB)
10°	9,0	0,0	0
20°	10,5	0,9	68
30°	11,0	3,6	262
45°	11,4	4,6	329
60°	11,5	4,9	350
90°	11,6	5,0	362

Çerçeveleme, kodlama ve protokol ek yükünden önceki kanal bitleri; Dünya dönüşü ihmal edilmiştir. En sık görülen alçak geçişler çok az veri getirir ya da hiç getirmez.

Orta enlemdeki bir istasyon, 525 km Güneş eşzamanlı bir yörüngeyi 10°’lik bir maskenin üstünde günde yalnızca birkaç kez görür:

İstasyon enlemi (°)	Günlük geçiş	Günlük temas (dk)	Ortalama geçiş (dk)	En uzun boşluk (sa)
41,45	3,5	21	6,0	13,0

Dünya dönüşü, iki cisim hareketi ve küresel Dünya ile on günlük yayılım. 41,45°, Grizu-263A’yı izleyen ZBEÜ istasyonunun; 78,2° ise Svalbard’ın enlemidir.

640 × 480 piksellik, 8 bitlik sıkıştırılmamış tek bir VGA görüntüsü yaklaşık 300 kB’tır; bu da kabaca iyi bir geçişin ham kapasitesidir. Bu yüzden görüntüleme yapan PocketQube’ler güçlü sıkıştırma kullanır, önce küçük önizlemeleri indirir ya da S bandına geçer.

Yönlendirme

PocketQube faydalı yüklerinin çoğu, serbest dönen ya da alanla hizalanmış bir uyduya dayanacak biçimde tasarlanır: spektrum izleyiciler, telsiz hizmetleri ve yansıtıcılar yönlendirme gerektirmez. Kameralar ve optik bağlantılar ise gerektirir; görüntülemenin ancak en kötü durumda yaklaşık 5° için belirlenen Unicorn-2’nin üç eksenli kontrolüyle ortaya çıkmasının nedeni budur[1].

Isıl

50 mm’lik bir karttaki faydalı yük, platformun hızlı tutulma çevrimlerini paylaşır ve kendi ısı üretimi sıcak noktalar oluşturur. Bu ölçekte bir aygıtın etkin soğutulması çok zordur[5]; kararlı sıcaklık isteyen dedektörler kaymaya göre tasarlanmalıdır.

Kirlenme

Optik faydalı yükler ve lazer mesafe ölçüm görevlerinin yansıtıcıları temiz yüzeylere bağlıdır. Paylaşılan bir dağıtıcıda komşu uyduların gaz salımı da önemlidir: bir AlbaPod v2 altı PocketQube birimine kadar taşır ve Delfi-PQ, başarımı temiz optiklere bağlı bir lazer yansıtıcı faydalı yükü taşıdı[6].

Taşınan faydalı yükler

POQUITO, en küçük sınıflara uyan bir modeli gösterir: PocketQube güç, telsiz ve yönelimi sağlarken taşınan faydalı yükün kendisi birkaç gram ağırlığında serbest uçan bir ChipSat’tir. Lüksemburg Üniversitesi ekibi yer açmak için manyetik tork çubuklarını kartların iç katmanlarına bastı[7].