Electrical design of an auroral photometer for nanosatellite applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-03-11
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
57
Series
Abstract
With the increasing popularity of cubesatellites and nanosatellites, the cost of launching space-based instruments has drastically decreased. This encourages small institutes and corporations to design and develop their own scientific instruments for space applications. This has been one of the driving factors for the Sodankylä Geophysical Observatory (SGO), which is developing its own CubeSat program to help grow the scale of the scientific observations of the observatory. This thesis designs, develops, and electrically tests a prototype of an auroral photometer for nanosatellite applications. The proposed photometer is designed to fly onboard LappiSat-1, the first satellite developed by SGO. The photometer demonstrates the ability to detect auroral emissions by using avalanche photodiodes (APDs) instead of traditionally used photomultiplier tubes. The reverse voltage of the APD is controlled by a microcontroller unit (MCU) to keep the internal gain of the photodiode stable in a temperature-varying environment. The photocurrents produced by the APDs are converted to voltage using a variable-gain transimpedance amplifier. The data is collected using an analog to digital converter and is saved to onboard memory by the MCU. Communication between the satellite platform and the other LappiSat-1 payloads is implemented using a CAN bus.

Piensatelliittien yleistyessä satelliittien hinta pienenee ja tarjonta kasvaa, alentaen kynnystä lähettää tiedeinstrumentteja avaruuteen. Tämä auttaa pienempiä instituutioita ja yrityksiä kehittämään omia avaruuskäyttöön sopivia hyötykuormia ja tiedeinstrumentteja. Tämä on ollut inspiraationa myös Sodankylän geofysiikan observatoriolla (SGO), jolla on pitkä historia maanpäältä tehdyistä geofyysisistä mittauksista. SGO kehittää omaa piensatelliittia geofyysisten ilmiöiden mittaamiseen kiertoradalta käsin, saadakseen uusia näkökulmia geofyysisiin ilmiöihin. Tässä työssä kehitetään, rakennetaan ja sähköisesti testataan revontulifotometri piensatelliittitarkoituksiin. Fotometrin on tarkoitus lentää SGO: n ensimmäisen satelliitin, LappiSat-1:n, kyydissä suorittaen revontulimittauksia kiertoradalta käsin. Fotometrin suunnittelussa käytetään ensimmäistä kertaa herkkää vyöryvalodiodia revontulien emissioiden mittaamisessa, perinteisten valomonistinputkien sijasta. Vyöryvalodiodin etujännitettä ohjataan käyttäen mikrokontrolleria ja säädettävää korkeajännitelähdettä. Vyöryvalodiodin valosähkövirta muunnetaan jännitteeksi käyttäen säädettävää transimpedanssivahvistinta, jonka signaali syötetään analogidigitaalimuuntimelle. Mikrokontrolleri lukee analogidigitaalimuuntimelta tulleet mittaustulokset ja tallentaa ne sisäiseen muistiin. Kommunikaatio muiden hyötykuormien ja satelliittialustan välillä toteutetaan käyttäen CAN-väylää. Tämän työn tuloksena on sähköisesti testattu revontulifotometri, joka sopii käytettäväksi LappiSat-1:n sekä muiden piensatelliittien hyötykuormana.
Description
Supervisor
Ikonen, Erkki
Thesis advisor
Tanskanen, Eija
Keskinen, Sami
Keywords
avalanche photodiode, nanosatellite, photometer, transimpedance amplifier
Other note
Citation