Dual camera system for medium resulation earth observation in cubesats
Küpsatlarda orta çözünürlüklü çift kameralı dünya gözlemi görüntüleyicisi tasarımı
Yazar: ONUR ÖZTEKİN
Danışman: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Gözlem = Observation ; Küp uydu = Cubesat ; Sistem mühendisliği = System engineering ; Uydu = Satellite ; Uzaktan algılama = Remote sensing

Özet:
Bu tezde KüpSatlar için orta çözünürlükte çift görüntülüyücüye sahip kamera sisteminin tasarımı, testleri, üretimi, görüntü işlemesi ve yazılımı hakkında bilgiler verilmiştir. Sistem piyasadan hazır temin edilebilen lens ve görüntüleyiciler kullanılarak tasarlanmıştır. Sistem parçalarının seçiminde göz önünde bulundurulan etkenlere değinilmiş ve açıklanmıştır. Bu etkenler genel olarak parçaların mekanik tasarımı, temin edilebiliriği, yüksek vakum ortamına uyumlu olma ihtimalleri, titreşime olan dayanımları, fiyatları, ve kullanım kolaylıkarı olarak değerlendirlimiştir. Sistemin tasarımı sırasında ana uydu görevi dolayısı ile ortaya çıkan limitleyici etkenler, ana uydu görevi yüzünden kaynaklanan limitler ve bunların ortaya çıkardığı isterler açıklanmıştır. Tez içerisinde bu isterlerin tasarım üzerinde oluşturduğu etkiler açıklanmıştır. Uzay ortamından ve roket sırasında oluşan yüklerden dolayı sistem üzerinde dikkat edilmesi gereken konular ve bunların tasarıma olan etkileri ayrıca açıklanmıştır. Uzay ortamının yüksek vakumunun malzemelere olan etkileri açıklanmıştır ve bu etkilerin sonuçları ve sistemler üzerindeki sınırlayıcı etkileri açıklanmıştır.
Piyasadan hazır temin edilebilen parçaların seçimlerinden sonra bunların uzay uyumluluğu için çevresel testleri yapılmış, testlerin mantığı ve sonuçları açıklanmıştır. İlk yapılan tasarım için denenen ve başarılı olunan parçalardan oluşan görev yükü tasarımının optik performans bakımından başarısız olması sonucu, gidilen parça değişiklikleri ve bunların tekrar TVAC testinde denenmesi anlatılmıştır. Bu testin sonuçları değerlendirilmiştir. Bu 2. yapılan çalışmanın optik performansı test edilmiş ve yeterli bulunduğundan dolayı tasarıma devam edilme kararı alınmıştır. Parçaların kendi başlarına testlerinden sonra SharjahSat-1 uydu görevi detaylandırılmış ve bu görevin gerçeklenebilmesi için ana görev yükünün ihtiyaçlarından doğan ve tasarımı yönlendiren sebepler açıklanmıştır. Bu sepeler doğrultusunda sistemin tasarımına deyinilmiş ve detayları verilmiştir. Tasarımın üretim açısından ihtiyaçlarına deyinilmiş detaylar verilmiştir. Tasarım için kritik olan tolerans ve diş tiplerine değinilmiştir. Tasarımın montaj aşamaları açıklanmış detaylandırılmıştır. Montaj sırasında parçalar üzerinde yapılması gereken değişikliklerin sebepleri açıklanmış ve yapılması gereken değişiklikler gösterilmiştir. Montaj sırasında görüntüleyicilerin odak noktalarının nasıl ayarlanması gerektiği belirtilmiş ve optik labarotuar da yapılan bu işlem detaylandırılmıştır. Bu aşamadan sonra mühedislik modeli ve uçuş modellerinin testlerindeki farklılıklar açıklanmıştır. Mühendislik modeli için yapılan titreşim ve TVAC testlerinden sonra optik labarotuarda yapılan odak testi açıklanmıştır ve bu testin neden uçuş modeli için yapılmadığı belirtilmiştir ve sonuçlar sunulup yorumlanmıştır. Uçuş modeli için yapılan TVAC ve titreşim testleri açıklanmıştır. Bu testlerden sonra görev yükü üzerinde yapılan diğer çalışmalar ve hazırlıklar açıklanmıştır.
xxvi
Tez içerisinde görüntüleme sensörlerinin çalışma mantıkları açıklanmıştır ve bu cihazların aldıkları ışık bilgisini kullanılabilir görüntü formatlarına nasıl dönüştürdükleri detaylandırılmıştır. Açıklanan görüntü sensörleri arasından yapılan seçimin sebepleri belirtilmiş ve kullanılan görüntüleme kartının tasarım ve çalışma mantıkları açıklanmıştır ve iç yazılımı hakkında bilgi verilmiştir. Görev yükünün denenmesi için geliştirilen çeşitli geliştirme kartları ve kartlar için kullanılan gömülü yazılım ve bu gömülü yazılımı denetlemesi için kullanılan bilgisayar yazılımlarına değinişmiştir. SharjsahSat-1 için kullanılan gerçek zamanlı işletim sisteminin çalışma mantığı açıklanmıştır ve bunun uydunun sahip olduğu bilgisayar ve depolama sisteminin çalışma mantığı açıklanmıştır. Uydu ile kullanılan yer istasyonu yazılımı gösterilmiş ve sahip olduğu yeteneklere değinilmiştir. Çekilen fotoğraflar yanında kayıt edilen "metadata"nın içeriğine değinilmiş ve açıklanmıştır. Bu kaydedilen verinin olası değerinden bahsedilmiştir. Uçuş modelinin yazılım testi sırasında yapılan denemelerden bahsedilmiş ve veri indirme yöntemleri açıklanmıştır.
Görüntünün kaydedilmesi için gereken ve yapılabilen ayarlar açıklanmıştır ve bu ayarların yörünge parametreleri ile ilgili ilişkileri belirtilmiştir. Sensör üzerinden kaydedilen işlenmemiş verinin nasıl anlamdırılabileceği ve kayıt edilen verilerin sahip olduğu anlam açıklanmıştır. Sistem için uçuş öncesi yapılan kontroller ve testler açıklanmış ve çalışma sonlandırılmıştır.

Abstract:
Here in this thesis design, testing, manufacturing, assembly, image processing, and some software information for a dual camera imaging system for medium resolution earth observation CubeSats is given. System is designed to use CoTS imagers, and lenses. CoTS components are tested for their suitability for space usage. Selection criterias for component selection is detailed, factors such as mechanical design of the components, their cost, and availability is important. Imager types, their working principles are explained. Optical limits, and selection criteria with lens and imaging sensor compatibility is also discussed. Design choices for space suitability, environmental testing suitability and specific mission requirements are explained. Effect of these requirements and their direct results have been explained in the thesis. Assembly procedures for system is explained in detail, also satellite assembly procedure is mentioned to some extend.
SharjahSat-1 satellite, its mission and its configuration is shared in this work, to further explain design choices and boundary conditions created by rest of the mission is explained.
Material selection, manufacturing details, some critical tolerances and used thread types are shared.
Software structure for ground testing software, satellite ground station software, and satellite firmware, ground testing board firmware and concept of operations is shared in this work.
Tests done on the EQM and FM model of the payload have been explained in this work. Testing logic, procedures, and their results have been explained. Tests are done to determine performance of the system, and suitability of the system to a space environment, and launch conditions. TVAC, vibration, and optical tests are explained. A failed design is also shown and explained. Testing done on the system showed that, system is indeed suitable for space craft usage, within its temperature ranges. Too high or too low temperatures results in image focus shifting, and for high temperature too much image noise. Some possible future work, and future tests are also mentioned.