Le tecnologie elettro-ottiche Esperienza di SELEX Galileo

1. Le tecnologie elettro-ottiche Esperienza di SELEX Galileo Giampaolo Preti Giugno 2008

2. Sommario Temi per lezione del corso di Rivelatori per lo Spazio del 18 giugno • Prodotti SELEX Galileo, con dettagli sulla lineadei sensori di assetto • Case Study: il sensore A-STR • Rivelatori per lo spazio – specifica di acquisto • Requisiti e specifiche per l'industria • Cos'è un AIV e come si imposta (riferito al S/S FPA e rivelatore) • Le qualifiche spaziali (vibrazioni, termo-vuoto, altri test)

3. Galileo Avionica Galileo Avionica L.o.B. Spazio Cosa produce? Equipaggiamenti di bordo e strumenti per satelliti operativi e scientifici Come? Mediante uso di tecnologie allo stato dell’arte nell’elettronica, elettro-ottica e meccanica di precisione Since 1864 Contributo della SELEX Galileo alle attività spaziali • Strumentazione elettro-ottica per scienza ed Osservazione della Terra • Sensori di assetto per guida e navigazione dei satelliti • Equipaggiamenti a Radiofrequenza • Equipaggiamenti per la generazione ed il condizionamento della potenza • Sistemi robotici

4. SELEX Galileo: i prodotti Sensori di Assetto (Terra, Sole, Stelle) Sensori Elettroottici Videocamere Spettrometri e Camere Ottiche Carichi di Missione Meccanismi di Precisione Facilities di Microgravità Trasmettitori Laser di potenza Pannelli Solari e Alimentazione Pannelli Solari Controllo e Distribuzione della potenza elettrica Amplificatori di Potenza Apparati a RF Generazione e Conversione di frequenza Bracci Robotici Automazione e Robotica Sistemi di Campionamento e Distribuzione Sistemi di Visione

5. LoB Spazio: alcuni prodotti linea Elettro-ottica MIPAS - Interferometro Michelson per Sounding Passivo dell’Atmosfera GOME - Strumento per il monitoraggio dell’ozono atmosferico VIMS-V - Spettrometro VIS-NIR VIRTIS - Spettrometro VIS-NIR FAST - Facility for Absorption & Surface Tension study GERB – radiometro IR per misura budget radiativo globale della Terra

6. IRES Infra-Red Earth Sensor SSS Smart Sun Sensor CASS Coarse Analog Sun Sensor ESS Earth & Sun Sensor Unit HR-STR High Resolution Star TRacker SRU Stellar Reference Unit LoB Spazio: la famiglia dei sensori di assetto AA-STR (APS) Autonomous Star TRacker A-STR Autonomous Star TRacker

7. A-STR New Electronics A-STR STAR SUN STR “on-a-chip” sss EARTH IRES-N3 IRES-NE IRES-N2 Sensori di Assetto - Road Map SCIENCE E.O. 2006 TELECOM 2008 2007 2009 2010- 2015 MINII-SAT Proba-2 AA-STR @bus AA-STR SSS “on-a-chip” Modular LEO/GEO

8. Roadmap per gli Star Trackers

9. A-STR (CCD based) Autonomous Star Tracker • A-STR is a medium Field Of View (FOV) star tracker that, starting from the cinematic of the stars, autonomously provide accurate attitude quaternion data at 10 Hz, even in presence of harsh environments. • Integrated in a unique assembly and based on a radiation hardened design these star trackers have a mass and power consumption very low for such class of instrument. • Different EEE parts radiation and quality levels can be mounted, enveloping a broad range of customers needs and missions. • FOV: 16.4° x 16.4° • Attitude Accuracy (3 sigma)Pitch/YawRoll • BIAS: 10 arcsec 12 arcsec • ORBITAL & LOW FREQ.: 7 arcsec 25 arcsec • RANDOM (<0.5 deg/sec): 9 arcsec 95 arcsec • (<2 deg/sec): 20 arcsec 210 arcsec Star Magnitude Limit: Mi= 5.5 (Simultaneous tracking of up to 10 stars) Lost in Space: >99.9% @ 1deg/sec (within 15 seconds) Update Rate: 10 Hz. Outputs: Quaternion/Stars Data/Housekeeping Data Mass: 3.2 Kg (with 40° SEA Baffle Configuration) Size:146 (W) x 158 (L) x 290 (H) mm Power Consumption: <10 W @ 20°C. – <13.5W @ 60°C. Data i/f: MIL1553 or RS422 Operating Voltage: 22 to 50 Volts

10. A-STR Missions Since its qualification, achieved in 2001, the A-STR Star Tracker has been selected by our Customers Worldwide for the following missions (status March 2008):

11. The APS detectors in GA sensors’ family • Since May 2000 Galileo Avionica is deeply involved in the introduction of Active Pixel Sensor Focal Planes to get new generation attitude sensors and navigation/vision cameras. • CMOS Active Pixel Sensor (APS) are becoming attractive for space applications thanks to: • standard CMOS processing • single power supply voltage required • no analogue I/Fs • high level of integration achievable • (readout circuit, 10 bit A/D converter) • radiation resistant (MRAD) • use of APS allows reduction of mass, • size and recurring costs.

12. APS based Autonomous Star Tracker (AA-STR) The AA-STR is a single case medium FOV star tracker based on a radiation hardened design and an APS detector. AA-STR is capable to ensure robust and accurate three axis attitude determination in a highly compact STR, providing accuracy comparable with CCD STRs. • AA-STR will fly as a payload on board PROBA-2 (launch by mid 2008). • AA-STR has been selected for the AlphaBus large TLC platform, jointly developed and commercialised by Astrium and Thales-Alenia-Space. • Key Features: • FOV: 20° Full Cone • Attitude Accuracy (3 sigma)Pitch/YawRoll • BIAS: 10 arcsec 12 arcsec • ORBITAL & LOW FREQ.: 4 arcsec 25 arcsec • RANDOM (<0.1 deg/sec): 5.5 arcsec 45 arcsec • (<1 deg/sec): 25 arcsec 215 arcsec • Star Magnitude Limit: Mi= 5.4 (Simultaneous tracking of up to 15 stars) • Lost in Space: >99.8% @ 0 SEU/frame (within 9 seconds) • Update Rate: 10 Hz. • Outputs: Quaternion/Angular Rate/Stars Data • Mass: 2.65 Kg In GEO Configuration - (25° SEA Baffle) • Size: 184 (W) x 156 (L) x 345 (H) mm • Power Consumption: <6.5 W @ 20°C. – <13W @ 60°C. • Data i/f: MIL1553 or RS422

13. The SSS (or ‘S3’) - APS based Sun Sensor S3 (or SSS) is an ITAR free two axes solar sensor based on an APS detector witha broad FOV and accurate sun angles measurement. S3 has been recently qualified and FMs have already been delivered. S3 has been optimised for the commercial market of Earth Observation satellites and, thanks to the intrinsic radiation hardness of the detector, for the GEO Telecommunication spacecrafts. The SSS is also capable of being used for Interplanetary missions (up to 50AU) and for spinning spacecrafts (up to 100rpm). Key Features

14. Key Features IRES Earth Sensors IRES-NE is a two axis infra-red Earth horizon sensor for accurate measurement of pitch and roll attitude angles with respect to the Earth disk centre, used in three-axes stabilised spacecrafts operating in GEO (Geostationary Earth Orbit). Nevertheless IRES-NE allows meeting transfer orbit operations of different launchers thanks to its extended acquisition and operational capabilities. Operating principle is based on electro-mechanical modulation of the radiation coming from the Earth horizon in the 14-16.25 µm band. Four IR (Infra Red) beams in a single telescope swung by a mirror along a scan path at 45° Earth latitude North and South generate Earth/Space and Space/Earth pulses, which are compared in phase with the internal encoder reference to derive Pitch and Roll measurements. IRES Infra-Red Earth Sensor

15. Case Study: Galileo Avionica’s A-STR Case Study: A-STRAutonomous Star Tracker An autonomous star sensor is able to provide robust and accurate three axis attitude determination without any a priori information of attitude and angular rate The attitude determination is nominally performed by comparing Star Imagesmeasured on a detectorto known star positions and characteristics stored in a Star Catalogue within the sensor

16. baffle optics detector Proximity & Processing Electronics Power Supply Case Study: Galileo Avionica’s A-STR A-STR SCHEMATIC

17. Case Study: Galileo Avionica’s A-STR HARDWARE TREE 17

18. Case Study: Galileo Avionica’s A-STR A-STR SOFTWARE Stars Field Star position & Brightness Stars Identification On Board Stars Catalogue Attitude Determination On Board Software • Calculated Attitude • Attitude Acquisition • Attitude Updating&Tracking

19. CCD Control Digital CDS Pixel Preprocessor Housekeeping data acquisition Microprocessor bus I/F Serial I/O interface Test I/F Serial I/O interface OH I/F Synchro Case Study: Galileo Avionica’s A-STR P Bus A-STR ELECTRONIC ARCHITECTURE Boot PROM ANALOG CHANNEL - Variable Gain Amplifier - MUX - ADC CCD TH7890M EEPROM RAM CCD Bias CCD Drivers ERC32 P MIL1553 I/F VCCD ASIC EGSE REU DC/DC converter TEC current generator ON/OFF

20. Case Study: Iniziare il progetto di un FPA

21. Case Study: nuovo progetto Il progetto inizia sempre con la definizione del rivelatore. Il punto di partenza sono i requisiti scientifici, che determinano le caratteristiche principali del rivelatore. Prendiamo come esempio i requisiti di un canale UV-VIS studiato recentemente da UniFI per la missione WSO. Il primo passo è la scelta della tipologia del rivelatore: CCD, APS, MCP, etc. , poi dei possibili costruttori e quindi dei modelli di rivelatori già disponibili o “simili” a quanto richiesto. 21

22. Primary mirror 1700 mm Secondary mirror Effective Focal plane X 30’ 148 mm 400 mm Case Study: la 2a fase del progetto Avendo disponibile una prima ipotesi di rivelatore, il progetto prosegue con il progetto ottico del telescopio. Quando le prestazioni ottiche soddisfano i requisiti di sistema e le dimensioni rientrano nei budet previsti, inizia il progetto meccanico e termico dello strumento. Saranno necessarie varie iterazioni, di tutte le tipologie di progetto, per ottimizzare le prestazioni. Questo è la fase iniziale del progetto di uno strumento. Torniamo adesso al rivelatore.

23. Case Study: il progetto a livello rivelatore La specifica di acquisto del rivelatore Pochissime industrie in Europa e nel mondo sono in grado di realizzare dei rivelatori. Le aziende che realizzano strumentazione di tipo elettro-ottico sono quindi obbligate a comprare i rivelatori. Prima dell’acquisto è necessario specificare esattamente le caratteristiche di dettaglio del rivelatore. Questa azione si concretizza in un documento, la specifica di acquisto, che il progettista invia e discute con l’azienda che realizza il rivelatore. Nelle successive viewgraphs sono stati riassunti i punti principali del documento inviato dal Team scientifico di WSO al costruttore individuato (E2V).

24. Case Study: specifica del rivelatore Quantità e tipologia dei rivelatori in acquisto Requisiti generali progetto Le principali specifiche dei rivelatori

25. e2v CCD231-84 Case Study: tipica curve di risposta di un rivelatore Courtesy E2V Risposta QE di un CCD della E2V CCD con trattamento superficiale ottimizzato per UV

26. Case Study: raffreddamento di un rivelatore Raffreddamento di un rivelatore Spesso i rivelatori CCD per raggiungere i requisiti di missione devono operare a bassa temperatura. Quando la Top è nel ≥ a 170 K, possono essere impiegate due tipologie di raffreddamento: attivo (con TEC, Thermo Electric Cooling) e passivo. Il raffreddamento attivo di un rivelatore CCD è ottenuto mediante celle Peltier (TEC). Le temperature dei lati caldo e freddo del TEC ed il carico termico del CCD permettono di dimensionare il TEC come numero di stadi e dimensioni dele facce radianti; la regolazione fine della temperatura del CCD è ottenuta controllando la corrente nel TEC in un loop chiuso con un sensore di temperatura posizionato sul CCD. Raffreddamento attivo (TEC) Il raffreddamento passivo di un rivelatore CCD è ottenuto mediante l’uso di un radiatore esterno (al satellite) mantenuto a bassa temperatura (< 130 K); un condotto termico (heat pipe) collega il radiatore al “dito freddo” del CCD con una opportuna interfaccia. La temperatura del CCD è mantenuta al giusto valore usando un riscaldatore inserito in un loop con un sensore di temperatura. Raffreddamento passivo

27. Case Study: elettronica di prossimità di un rivelatore • Schema a blocchi della elettronica di prossimità di un CCD. Le funzioni principali sono: • Timing Board: controlla I tempi di esposizione del CCD. Ha due funzioni: 1) genera dei livelli di clock TTL che costituiscono il timing per il CCD 2) genera segnali di sincronismo per l’acquisizione. • Clock Driver: tramuta I livelli di clock TTL nelle tensioni di clock che pilotano il CCD e li invia al CCD. • Bias Generator / Analog Signal Processing: converte I segnali di sincronismo in opportune tensioni di alimentazione necessari per acquisire le uscite dei CCD. Digitizalizza le uscite del CCD con accuratezza di tbd (12 – 16) -bit. • Low Noise Preamps: riceve il segnale da ciascuna delle uscite del CCD e lo invia alla scheda di processazione analogica.

28. Case Study: il piano di AIT/AIV Il piano di AIT/AIV • AIT = Assembly Integration and Test , AIV = Assembly Integration and Verification • Le due attività sono sempre fortemente integrate. • A partire dalla configurazione e dall’architettura di sistema di baseline, considerando la filosofia dei modelli e i requisiti di test contenuti nei documenti applicabili, verrà definita la prima versione del piano di Assemblaggio, Integrazione e Test di strumento. • Si dovranno stabilire i test a livello di sottosistema e stabilire una sequenza d’integrazione preliminare, in modo da ottimizzare i rischi, i tempi e i costi di integrazione a livello di sistema. • Obiettivo del piano è quello di garantire che il S/S o lo strumento che si intende realizzare sia perfettamente conforme a tutti i requisiti, ovvero ai: • Requisiti Scientifici e Performance: definiscono la qualità delle informazioni ottenute; essi sono di responsabilità del PI e del team scientifico. • Requisiti di Progetto: sono definiti dai vincoli di progetto (es. I/F, massa, volume, potenza, ecc.). • Requisiti Funzionali: specificano i modi operativi, i controlli, l’affidabilità ecc. • Requisiti Ambientali: specificano le condizioni operative cui sarà soggetto lo strumento durante le diverse fasi di missione (radiazioni, vibrazioni durante il lancio, range di temperatura durante la fase di osservazione, intensità dei campi elettromagnetici, contaminazione molecolare e particelle, ecc.).

29. Case Study: i modelli di un programma spaziale I modelli: le definizioni • Il programma definisce la tipologia di modelli richiesti in funzione della novità e complessità del progetto. I principali modelli utilizzati per le applicazioni spaziali sono: • FCT (Fit Check Template): è di fatto una piastra metallica rappresentativa della interfaccia meccanica con il satellite (S/C). • BB (Bread Board): modello di laboratorio. • EM (Engineering Model): modello ingegneristico. E’ generalmente richiesto che sia “fully flight representative” delle interfacce elettriche; i modelli EM dei vari strumenti sono integrati a livello di S/C e sono effettuati test di comunicazione tra gli strumenti e lo S/C. • STM (Structural and Thermal Model): modello termico e strutturale. E’ richiesto che abbia caratteristiche di massa, baricentro, dimensioni e termiche simili al modello di volo. Serve per verificare il progetto termo-meccanico. • QM (Qualification Model): modello “fully flight representative” su cui sono effettuate verifiche (la cosiddetta qualifica) in condizioni ambientali peggiori di quelle operative. A causa dello stress dei test, generalmente questo modello non sarà fatto volare, a meno di opportune modifiche. Spesso viene realizzato un QM integrato a livello S/C. • FM / FS (Flight Model, Spare Model): modello di volo e di riserva. • GSE (Ground Support Equipment): strumentazione di supporto per I test. Viene usata con le varie tipologie di modelli e può focalizzarsi su aspetti ottici, meccanici, elettrici e/o di sistema.

30. Case Study: il piano di AIT/AIV Il piano di AIT/AIV (1) Già in fase di Offerta, l’industria propone un piano di AIT/AIV; il piano inizialmente contiene le linee guida e la filosofia di test. Nel corso del programma il piano è dettagliato a più riprese, fino a comprendere una descrizione dettagliata di ciascuna attività di test. Il punto di partenza del piano di AIT/AIV è l’Hardware Tree. Il piano prevede test di caratterizzazione (ottici, meccanici, elettronici) a vari livelli seguendo il modo naturale di integrazione di uno strumento: si inizia con I test a livello componente, poi a livello sotto-sistema (S/S) e quindi strumento integrato. A lato è mostrato l’Hardware Tree per un S/S FPA completo, composto da rivelatore e relativa interfaccia meccanica e termica, cooling (se necessario), elettronica di prossimità, controllo e lettura del CCD.

31. Case Study: il piano di AIT/AIV Il piano di AIT/AIV (2) Il piano prosegue con la identificazione dei modelli previsti a livello di componente, S/S e sistema integrato, in accordo a quanto definito dal programma. In parallelo, sono definiti i GSE, ovvero gli equipaggiamenti di supporto ai test. Viene dettagliato il piano di integrazione per ciascun S/S, fino allo strumento integrato. La tabella a fianco mostra, per il programma WSO citato, il piano dei test a livello di unità (strumento integrato). Le note (A) e (Q) stanno ad indicare i livelli di test, Accettazione e Qualifica, precedentemente definiti.

32. Case Study: il piano dei test di WSO Piano dei test programma WSO