Date of Award

6-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Abdul-Halim Jallad

Abstract

Over the past few years, On-Board Computing Systems for satellites have been facing a limited level of modularity. Modularity is the ability to reuse and reconstruct the system from a set of predesigned units, with minimal additional engineering effort. CDHS hardware systems currently available have a limited ability to scale with mission needs. This thesis addresses the integration of smaller form factor CDHS modules used for nanosatellites with the larger counterparts that are used for larger missions. In particular, the thesis discusses the interfacing between Modular Computer Systems based on Open Standard commonly used in large spacecrafts and PC/104 used for nanosatellites. It also aims to create a set of layers that would represent a hardware library of COTS-like modules. At the beginning, a review of related and previous work has been done to identify the gaps in previous studies and understand more about Modular Computer Systems based on Open Standard commonly used in large spacecrafts, such as cPCI Serial Space and SpaceVPX. Next, the design requirements have been set to achieve this thesis objectives, which included conducting a prestudy of system alternatives before creating a modular CDHS hardware architecture which was later tested. After, the hardware suitable for this architecture based on the specified requirements was chosen and the PCB was designed based on global standards. Later, several functional tests and communication tests were conducted to assess the practicality of the proposed architecture. Finally, thermal vacuum testing was done on one of the architecture’s layers to test its ability to withstand the space environment, with the aim to perform the vibration testing of the full modular architecture in the future. The aim of this thesis has been achieved after going through several tests, comparing between interfaces, and understanding the process of interfacing between different levels of the CDHS. The findings of this study pave the way for future research in the field and offer valuable insights that could contribute to the development of modular architectures for other satellite subsystems.

Arabic Abstract

خلال السنوات القليلة الماضية، واجهت أنظمة الحوسبة الداخلية المستخدمة في كمبيوترات القمر الصناعي مستوى محدود من المرونة. المرونة هي القدرة على إعادة استخدام النظام وإعادة تركيبه من مجموعة من الوحدات المصممة مسبقاً مع جهد هندسي إضافي بسيط. تواجه أنظمة الكمبيوتر الداخلية المتاحة حالياً لوحدات المعالجة المركزية والذواكر والتخزين (CDHS)‎ التابعة لكمبيوتر القمر الصناعي محدودية في القدرة على التوسع لتلبية احتياجات المهمة. يتناول هذا الأطروحة تكامل وحدات النظام الفرعي لمعالجة الأوامر والبيانات للقمر الصناعي ذات حجم أصغر والتي تستخدم في الأقمار الصناعية الصغيرة مع نظرائها ذات الحجم الأكبر المستخدمة في المهام الأكبر. تتناول هذه الأطروحة بشكل خاص التواصل بين أنظمة الحاسب المعيارية‏ المتعددة التي تعتمد على المعايير المفتوحة والتي تستخدم بشكل شائع في المركبات الفضائية الكبيرة، وبين نظام الاتصال طرفي - 104 (PC/104) المستخدم في الأقمار الصناعية الصغيرة. كما تهدف الأطروحة إلى إنشاء جموعة من الطبقات التي تمثل مكتبة الأجهزة المعدة مسبقاً، المتاحة بالأسواق. وني البداية، تم إجراء مراجعة للأعمال ذات الصلة والأبحاث السابقة لتحديد الثغرات في الدراسات السابقة وفهم المزيد حول أنظمة الكمبيوتر المعيارية المتعددة التي تستخدم عادة في المركبات الفضائية الكبيرة، مثل سي بي سي اي الخاص بالمشاريع الفضائية (cPCI Serial Space) و في بي اكس الخاص بالمشاريع الفضائية (SpaceVPX). بعد ذلك، تم تعيين متطلبات التصميم لتحقيق أهداف هذه الأطروحة، والتي تضمنت إجراء دراسة مسبقة لبدائل النظام قبل إنشاء بنية أجهزة كمبيوتر القمر الصناعي المعيارية التي تم اختبارها لاحا. بعد ذلك، تم اختيار الأجهزة المناسبة لهذه البنية بناءً على المتطلبات المحددة وتم تصميم لوحة إلكترونية مطبوعة وفقاً للمعايير العالية. في وقت لاحق، إجراء العديد من الاختبارات الوظيفية واختبارات الاتصال للوصول إلى التطبيق العملي للبنية المقترحة. أخيرا، تم إجراء اختبار الفراغ الحراري على إحدى طبقات العمارة لاختبار قدرتها على تحمل البيئة الفضائية، بهدف إجراء إختبار الاهتزاز للبنية المعيارية الكاملة في المستقبل. تم تحقيق الهدف من هذه الرسالة بعد إجراء العديد من الاختبارات، والمقارنة بين الواجهات، وفهم عملية التفاعل بين المستويات المختلفة لكمبيوتر القمر الصناعي. هذا سيفتح الأبواب لمزيد من البحث في هذا المجال والدروس المستفادة يمكن أن تساعد ن إنشاء معماريات معيارية لبقية أنظمة الأقمار الصناعية الفرعية.

Download
COinS