Design of a star tracker for nano/micro satellites

Ufak uydulara olan ilginin artmasıyla birlikte onlardan beklenen becerilerde artmaktadır. Bundan bir kaç onsene önce, ton ağırlığındaki uydular ile başarılan görevleri günümüzde Micro ve Nano boyutlardaki uydular ile başarmak mümkündür. Nano uydular iletişim ve yer gözlem gibi görevlerde kullanılmaya başlamıştır. Özellikle nano boyutlardaki uydularda 2012 yılı itibari ile uzaya gönderilmiş uydu sayısı yaklaşık 7 katına çıkmıştır. /cite{cho} Bunun en temel nedeni nano boyutlardaki uyduların üniversite bünyelerinde geliştirebilecek kadar uygun maliyette olmasıdır. Düşük maliyetler bir çok üniversitenin kendi küp uydusunu geliştirmesine olanak sağlamış ve ayrıca nano boyutlardaki uydular için alt sistem geliştirilmesini tetiklemiştir. Böylelikle küp uyduların kabiliyetleri artmaya başlamıştır. Bu gelişmeyle paralel olarak bu uydularda daha hassas yönelim belirleme ve kontrol sistemi ihtiyaci doğmuştur. Nano uydularda yönelim kontrolü için genellikle manyetik eyleyiciler ve reaksiyon tekerleri kullanılır. Bunun yanında uydunun yönelimini belirlemek için güneş sensörleri, ufuk sensörleri, manyetometreler ve jiroskoplar sıkca kullanılmaktadır. Bu sensör grupları birlikte kullanıldığında yaklaşık 0.5 derece hassasiyet ile yönelim tespit etmek mümkündür. Fakat yakın zamana kadar yıldız tarayıcılar bu sensör takımına dahil olamamıştır. Yıldız tarayıcı sistemleri yüksek maliyetleri, ağırlıkları ve yüksek güç enerji tüketimi gibi dezavantajları nedeni ile nano uydularda kullanılması pek mümkün olmamıştır. Fakat yüksek ışık hassasyetine sahip kameraların ve görüntü işleme yapabilecek bilgisayarların ucuzlaması ve boyutlarının küçülmesi ise nano uydularda kullanılabilecek boyutlarda yıldız tarayıcılar yapmak mümkün hale gelmiştir. Günümüzde piyasada nano boyutlardaki uydularda kullanılabilecek bir kaç farklı yıldız tarayıcı seçeneği mevcuttur. Bunlardan bölüm 1 de bahsedilmiştir ve tablo 1.1 de sıralanmıştır. Nano boyutlardaki uydularda da kullanılabilecek boyutlardaki yıldız tarayıcıların hali hazırda maliyetleri yüksek olsa da, yıldız tarayıcılarda kullanılan komponentlerin ulaşılabilirliğinin artmasıyla fiyatları düşmektedir.Güneş sensörleri, ufuk sensörleri ve manyetometreler çalışma prensipleri gereği tek bir yönelim vektörü sağlarlar. Oysa 3 eksende yönelim bilgisi için en azından 2 adet yönelim vektör bilgisi gerekmektedir. Bu durumun üstesinden gelmek için bu sensörler bir arada kullanılırlar. Bu durumda bile her sensörden sürekli yönelim bilgisi alınamamaktadır. Örneğin güneş sensörünün bir yönelim bilgisi sağlayabilmesi için kamerasının güneşi görüyor olması gerekmektedir. Bu durum ufuk sensörleri içinde geçerlidir. Manyetometreler ise sürekli yönelim bilgisi sağlayabilmesine rağmen sağladığı yönelim bilgisinin doğruluğu diğer sensörlere göre düşüktür. Kalman filtresi/cite{kalman} gibi filtreler kullanarak yeterli sayıda vektör bilgisi olmadığı durumlarda da yönelim bilgisi kestrimi yapılabilir. Fakat filtrenini sağladığı yönelim bilgisi doğruluğu, yeterli sayıda vektör bilgisi sağlanamadığı sürece düşmektedir. Ayrıca uydu dünyanın gölgesine girdiğinde güneş sensörü ve ufuk sensöründen yönelim bilgisi alınamyacak ve uydunun 3 eksende yönelim bilgisi, gölge süresince filtreler yardımı ile kestrilirken, doğruluğu düşecektir. Yıldızların bir kamera yardımıyla tespiti prensibi ile çalışan yıldız tarayıcılar, bozucu ışık etkilerinin olmadığı ortamlarda daha yüksek sayıda yıldız tespit edebildiği için daha iyi sonuçlar verebilirler. Bu nedenle uydu gölgede iken, kameranın görüş açısının güneşe veya dünyaya yakın olduğu durumlara göre daha kullanılabilir yıldız resimleri çekilebilecek ve daha çok sayıda yıldız tespit edebilecektir. Bu özelliği sayesinde yıldız tarayıcılar diğer sensör takımlarına tamamlayıcı sensör olarak kullanılmaya çok uygundurlar.Yıldız tarayıcıların bir diğer avantajı ise tek başlarına 3 eksende yönelim bilgisi sağlayabiliyor olmalarıdır. Diğer yönelim belirleme sensörleri ile kıyaslandığında, 3 eksende yönelim bilgisi elde etmek için en az 2 sensörden yönelim bilgisine ihtiyaç duyulurken, yıldız tarayıcılar tek başlarına bu bilgiyi sağlayabilmektedirler. Örneğin güneş sensöerü güneşin kendi eylem takımına göre yönelimini verirken tek vektör bilgisi sağlamkta, ufuk sensörü ise Dünyanın ufkunu tespi ederken yine tek vektör sağlayabilmektedir. Oysa yıldız tarayıcı çektiği resimdeki yıldızlar ile katalogundan eşleştirebildiği her yıldız bir yönelim vektörü bilgisi sağlamaktadır. Bu sayede yönelim tespi algoritmasına sadece yıldız tarayıcıdan gelen yönelim vektörleri sokulup yüksek hassasiyet ile yönelim bilgisi elde edilebilmektedir. Yıldız tarayıcının yönelim bilgisi sağlamasına engel olan en önemli unsur diğer ışık kaynaklarından gelen ışığın görüntüleyici üzerinde oluşturduğu gürültüdür. Örneğin güneşin, yıldız tarayıcıda kullanılan kameranın görüş açısına yaklaştığı durumda güneşden gelen ışınlar görüntüleyici üzerine düşmeye başlayacak ve resimdeki gürültüyü arttıracaktır. bu durum kameranın görüş açısında dünyanın olması durumunda da geçerlidir. Bu durumun üstesinden gelebilmek için kameralara buffle takılarak ışık gürültüleri minmuma indirilmeye çalışılır. Ayrıca kameraların görüş açıları diğer kameralara göre daha düşük tercih edilir böylece çekilen resimin gürültülü olma oranı düşürülür. Bunun dışında sadece yıldız tarayıcı kullanarak yönelim belirleme konusunda çalışmalarda bulunmaktadır/cite{onlystar}.Bu tezde bu durumlar göz önüne alınarak, düşük güç tüketimine sahip olan ve bir küp uyduda rahatlıkla kullanılabilcek boyutlarda bir yıldız tarayıcı için ön çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında öncelikle yıldız tarayacının yerde test edilmesinin sağlanabilmesi için yıldız kamerasının çektiği resimleri benzeten kullanıcı dostu bir simulasyon ortamı geliştirilmiştir.Simulasyon ortamı Unity /cite{unity} motorunu kullanarak geliştirilmiş ve programlama dili olarak $c/#$ kullanılmıştır. Gökyüzü resimleri oluşturulurken `Yale Bright Star Catalog`/cite{yale} kullanılmıştır. Bu katalogun tercih edilmesinin nedeni içerdiği yıldız sayısının makul sayıda ve belli bir ışık düzeyinin üstündeki yıldızları barındırıyor olmasıdır. Katalog ismindende anlaşıldığı gibi sadece dünya üzerinde gözle görülebilecek parlaklığa sahip yıldızları barındırmaktadır.Simulasyon ortamı farklı ışık hassasiyetine sahip görüntüleyicileri benzetebildiği gibi, çekilen resimlere istenen oranda gürültü eklenmesinede olanak sağlamaktadır. Uzayda istenen noktanın resmini oluşturabilen bu simulasyon ortamının en önemli özelliği, belirlenen açısal hızlar ile yıldız tarayıcı uydu gövdesinde dönüyormuş gibi davranabiliyor olmasıdır. Yerde gerçek gökyüzünü izleyerek gerçeklenmesi güç bu durumu simulasyon ortamı sayesinde kolayca benzetilebilmektedir. Bu açısal hareketi sağlayabilen benzetim ortamı özellikle yıldız takip algoritmalarının denenmesinde kullanılabildiği için değerlidir.Simulasyonda üretilen resimler algoritmaların denenmesinde doğrudan kullanılabileceği gibi gerçek bir yıldız tarayıcı kamerası ile fotoğraflanarak doğrudan yıldız tarayıcının performansıda test edilebilmektedir. Bu simualasyon ortamı henüz güneş ve dünyanın oluşturacağı gürültüyü benzetemesede bu geliştirmede planlar içinde bulunmaktadır. Simulasyon ortamının bir diğer özelliği ise çekilen gökyüzü resminin hangi görüş açısına sahip bir lense sahip kamera ile yapıldığını ayarlamanıza izin veriyor olmasıdır. Bu sayede farklı görüş alanları ile reim oluşturulup, aralarında performans değerlendirmesi yapılıp optimal bir görüş alanı tespi edilmesine de olanak sağlamaktadır.Bu çalışmada ikinci aşama olarak geliştirilen simulasyon ortamı yardımı ile farklı kamera özellikleri ve gürültü oranlarını benzeterek üretilen gürüntüler bir monitör üzerinden resmedilmiştir. Kameranın oluşturduğu resimler üzerinde öncellikle eşikleme algoritmları uygulanmış. Peşinden merkezleme algoritması çalıştırılarak yıldızların oluşturulan resim üzerinden hassas konumları tespit edilmiş ve en son olarak katalogdaki yıldız takımları ile karşılaştırılarak, yıldız tespit algoritmaları denenmiştir. Katalog ile çekilen yıldız resimlerindeki yıldızları eşleştirebilmek için, kullanılacak algoritmaya uygun bir veri tabanı oluşturulması gerekmektedir. Algoritmaların çalışma prensibleri gereği genellikle katalog ile resimdeki yıldızlar eşeltirilirken, yıldızlar arasındaki mesafeler ve açılar kullanılmaktadır. Kullanılan algoritma benzersiz üçgen yıldız gruplarını eşelştirme prensibi ile çalıştığından veri tabanında bir üçgeni tanımlamaya yeticek şekilde iki mesafe ve bir açı bilgisi bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında makul sayıda üçlü yıldız grubunu temsil eden veri grupları kataloga eklenmiştir. Bu sayede algoritmaların testi için yeterli sayıda eşleşme yapılabilecek yıldız sayısına ulaşılmıştır. Yıldız tespit ve takip algoritmaları benzetim ortamı yardımı ile oluşturulmuş ve kamera ile resmedilmiş görüntüler üzerinde denenmiş ve performans değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Yıldız tespit algoritmasında üçgen tabanlı bir tespit algoritması geliştirilip uygulanmıştır. Bu olgoritmanın tercih edilmesinin nedeni basit ve kolay takip edilebilir olmasıdır.Bu nedenle başlangıç algoritması için uygun görülmüştür. Bu tespit algoritması yardımı ile bulunan yönelim bilgisinin doğruluğu değerlendirilmiş ve sonuçlar tezin son bölümünde sunulmuştur.Testlerde doğrudan benzeti ortamının ürettiği resimleri kullanmak yerine kamera ile bu görüntülerin fotoğraflanması yolu tercih edilmiştir. Yıldız tarayıcı kamerası olarak da Raspberry Pi NOIR Camera V2 kullanılmıştır. Bu kameranın testler için seçilmiş olmasının nedeni Raspberry Pi geliştirme kartıyla kolay şekilde entegre edilip kullanılabilir olmasıdır. Kameranın özellikleri bir yıldız tarayıcıda kullanılan kamera özelliklerinden farklı olsada testler için yeterli görülmüştür. Algoritmalar Python dili ile Raspberry Pi geliştirme kartı üzerinde ve masaüstü bilgisayarda geliştirilip denenmiştir. Test ortamında istenilen sonuçlar alınmış ve algoritmalarda bazı düzeltmeler sonraki çalışmalar olarak öngülmüştür. With increasing interest to the small satellites, the capabilities demanding from them also increasing. For several years now, the missions can be performed with about thousand kilogram satellites, can be accomplished with micro and nano satellites nowadays. Especially the number of nano satellites that send to space is increased 7 times in 2012. [5] Primary reason of this is the cost of the nano satellites are decreased to let them be developed in a university. Low cost of a small satellites lead up to many universities to develop their own Cubesat and stimulate the development of subsystems for nano satellites. Thus the capabilities of Cubesats begin to increase. Parallel to this advance, more accurate attitude determination and control required at Cubesats. To compensate this increasing attitude determination requirements, sun sensors, nadir sensors, magnetometers and gyros are used many times. However, the star trackers was not a part of this sensor set for a while. Because of their high cost, high mass and high power consumption rates it was not possible to use them on Cubesats. Nowadays it is available a few different start trackers systems can be used in nano satellites. Their cost is already high but with increasing availability of the components used in a star tracker they are becoming cheaper.In this thesis, with taking into account of this situation , a preliminary work has been performed to develop a star tracker with a low power consumption, low cost and low mass for Cubesats. Primarily a used friendly simulation environment developed to simulate the images taken with a star tracker. With using this simulation environment, images with different camera properties and various noise ratios are generated and projected to a screen. The algorithms that will be used are run on this images and the performance of the algorithms monitored. With the help of this simulation environment an efficient star detection algorithm is developed and a preliminary work for star tracking algorithm is performed.As Star tracker camera Raspberry Pi NOIR Camera V2 is used in tests. The reason of choosing this camera for test is its easy integration with Raspberry Pi development board. Although the cameras properties are different from a star tracker camera, it is considered sufficient for tests. The algorithms are developed and tested in Python language on Raspberry Pi board and on a desktop computer. Desired results have been taken in test environment and some improvements in algorithms foreseen as future work. 64