The course is taught in Italian.


Questo insegnamento è inseribile negli orientamenti della laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica rivolti alla progettazione di sistemi o di circuiti integrati. Obiettivo è acquisire familiarità con i sistemi elettronici complessi e ad elevata affidabilità, in particolare sistemi per applicazioni aereospaziali, quali i satelliti. Vengono presentati esempi di progetto relativi a sottosistemi specifici.

Conoscenza delle condizioni ambientali nelle quali si trova ad operare la maggior parte dei sistemi aereospaziali (orbite, radiazioni, termovuoto).
Capacità di affrontare il progetto completo di un sistema elettronico complesso, utilizzando tecniche di coprogettazione avanzate.
Capacità di affrontare e sviluppare il progetto integrato del sistema, dei suoi sistemi di collaudo; gestione della relativa documentazione.
Capacità di progettare alcuni sottosistemi di un nano e micro satellite, dalle specifiche alla realizzazione e collaudo.

Analisi di circuiti con componenti attivi e passivi; caratteristiche dei componenti e dispositivi elettronici; fisica di base (meccanica e dinamica). Circuiti elettronici base, analogici, digitali, di interfaccia.

L'AMBIENTE SPAZIALE (12 ore)
Condizioni ambientali in orbita: radiazioni, temperatura, vuoto.
' Radiazioni ionizzanti: cause, composizione, origini, localizzazione; tipi di radiazione, spettro di energia. Effetti sui semiconduttori. Latch-up: cause, conseguenze, protezione. Single-event set-up: cause, conseguenze, protezione. Total-dose: cause, effetti, protezione. Tecnologie rad-hard.
' Effetti termici: convezione, flussi termici; resistenze e capacità termiche; canali termici. Irraggiamento solare, albedo. Effetti meccanici. Effetti fisico-chimici: outgassing, offgassing ed evaporazione. Materiali. Effetti di ossigeno e detriti, corrosione, protezione. Effetti elettrici: archi, spazzole, accumulo di cariche.
Il lancio di un satellite: condizioni ambientali al lancio: accelerazione, vibrazioni, acustica.
' Effetti meccanici: vibrazioni, spettro di vibrazione del lanciatore. Elementi vibranti: laminari, strutturali, cavi, sandwich, viti. Modi di vibrazione; risonanze. Modelli a parametri concentrati; calcolo frequenza risonanza. Saldature, connettori, strain relief, serraggio elementi mobili; irrigiditori, incollaggi.

MISSIONI SPAZIALI (12 ore)
Definizione di satellite; applicazioni scientifiche, commerciali e militari.
' Sistema satellite: segmento di terra, segmento di volo, lanciatore. Orbite: meccanica celeste, parametri d'orbita; tipi di orbite; calcolo di un'orbita circolare. Variazioni d'orbita e assetto; propulsione.
' Comunicazioni satellite ' Terra: modulazioni, demodulazioni, spettri del segnale. Ricetrasmissione. Telecomandi e telemetria. Link-budget: direttività antenna, temperatura di rumore. Sequenze di comunicazioni e sincronizzazioni terra/satellite.
' Power budget: equazione di Kirchoff, sua integrazione; equilibrio delle energie medie. Calcolo energia entrante media dal sole. Bilancio energetico per carichi continui e impulsivi. Corrente di picco. Energia disponibile durante il buio.

ARCHITETTURA DEI SATELLITI (24 ore)
Architettura di una missione. Architettura del segmento di terra. Architettura del segmento di volo. Suddivisione di un satellite in blocchi funzionali: power management, controllo d'assetto, housekeeping, processore di bordo, telemetria e telecomandi, payload.
' Analisi termica e meccanica del satellite: calcolo temperatura di un satellite con generazione interna; calcolo gradiente termico fra le facce di un satellite; calcolo frequenze di risonanza; modelli agli elementi finiti: definizione geometrie, simulazione.
' Power management: pannelli, switching, batterie, mux, sensori, controllo, housekeeping. Pannelli solari: caratteristiche, connessioni, diodi protezione. Tolleranza ai guasti; caratteristica in caso di guasto. Alimentatori switching: funzionamento, caratteristiche. Batterie: caratteristiche, tipi, parametri, efficienza, invecchiamento. Distribuzione potenza, switch. Sensori di housekeeping.
' Controllo d'assetto: sensori e attuatori d'assetto. Sun sensor. Star sensor. Sensori campo magnetico. Giroscopi. Ruote d'inerzia. Solenoidi e magneti permanenti. Propulsori
' Comunicazioni di bordo e computer di bordo. Bus di bordo: paragone punto-punto e bus; confronto bus seriali e paralleli, ridondanza. Esempio di bus differenziale, fault-tolerant, seriale, disaccoppiato a trasformatore. Funzioni del computer di bordo. Struttura hardware e firmware.
' Sistema di comunicazioni con Terra: struttura di un trasmettitore VHF e UHF; sintesi diretta. Strutture di ricevitori: eterodina, supereterodina. Software Defined Radio. Componenti per RF: modulatori, demodulatori, ADC e DAC, amplificatori di potenza, amplificatori a basso rumore. Antenne.
' Analisi di un payload: sistema di acquisizione di immagini per osservazione della terra. Interazione tra payload e sistema satellite.
' Realizzazione di un satellite. MAIT: Manufacturing, tooling, assembly, integration, testing. GSE: Ground Support Equipment. Documentazione. Flusso di progetto: specifiche, preliminary design, design review, detailed design, critical design review. Testing: qualification, acceptance
' Esempio pratico: struttura del satellite universitario PICPOT. Analisi dei sottosistemi. Power budget. Link budget. Protocollo di comunicazione. Test di qualifica e accettazione.

THE SPACE ENVIRONMENT (12 hours)
Environmental conditions in orbit: radiation, temperature, vacuum.
' Ionizing radiation: causes, composition, origin, location, types of radiation, energy spectrum. Effects on semiconductors. Latch-up: causes, consequences and protection. Single-event upset: causes, consequences and protection. Total-dose: causes, effects and protection. Rad-hard technologies.
' Thermal effects: convection, heat flows, resistances and heat capacitance, thermal channels. Solar radiation, albedo. Mechanical effects. Effects of physical-chemical outgassing, offgassing and evaporation. Materials. Effects of oxygen and debris, corrosion protection. Electrical effects: arcs, brushes, static charge accumulation.
The launch of a satellite: environmental conditions at launch: acceleration, vibration, acoustics.
' Mechanical effects: vibration, vibration spectrum of the launcher. Vibrating elements: laminar, structural cables, sandwiches, screws. Vibration modes, resonance. Lumped models, calculation of the resonating frequency. Solder joints, connectors, strain relief, clamping components; hardeners, bonding.

SPACE MISSIONS (12 hours)
Definition of satellite; scientific, commercial and military applications.
' Satellite system; ground segment, flight segment, launcher. Orbits: celestial mechanics, orbital parameters; orbit types; circular orbit calculation. Orbit and attitude variations; propulsion.
' Satellite - Ground communications: modulation, demodulation, signal spectrum. Transmission/reception. Telecommand and telemetry. Link-budget: antenna directivity, noise temperature. Communication sequence and Ground/satellite synchronization.
' Power budget: Kirchoff equation and its integral; average energy equilibrium. Average input energy from sun. Energetic balance for continuous and pulsed loads. Peak current. Available Energy in darkness.


SATELLITES ARCHITECTURE (24 hours)
Architecture of a mission. Architecture of the ground segment. Architecture of the flight segment. Subdivision of a satellite into functional blocks: power management, attitude control, housekeeping, on-board processor, telecommand and telemetry, payload.
' Thermal and mechanical analysis of the satellite: estimation of the temperature of a satellite with internal generation, of the thermal gradient between the faces of a satellite; resonant frequencies; finite element models: geometry definition, simulation.
' Power management: solar panels, switching, batteries, mux, sensors, control and housekeeping. Solar panels: characteristics, connections, protection diodes. Fault tolerance; characteristics in case of fault. Switch-mode supplies: working principle, characteristics. Batteries: characteristics, types, parameters, efficiency, aging. Power distribution, switch. Housekeeping sensors.
' Attitude control: sensors and actuators. Sun sensor. Star sensor. Magnetic field sensors. Gyroscopes. Inertial wheels. Solenoids and permanent magnets. Thrusters.
' On-board communications and on-board computer. On-board bus: comparison between point to point and bus connections, between serial and parallel bus; redundancy. Example of a differential bus, fault-tolerant, serial and transformer coupled. Functions of the onboard computer. Hardware and firmware structure.
' Communication System with Earth: the structure of a VHF and UHF transmitter; direct synthesis. Receiver structures: heterodyne, superheterodyne. Software Defined Radio. RF components: modulators, demodulators, ADC and DAC, power amplifiers, low noise amplifiers. Antennas.
' Analysis of a payload: image acquisition system for earth observation. Interaction between payload and satellite.
' Construction of a satellite. MAIT: Manufacturing, tooling, assembly, integration, testing. GSE: Ground Support Equipment. Documentation. Design flow: specification, preliminary design, design review, detailed design, critical design review. Testing: qualification, acceptance
' Example: structure of the PICPOT university satellite. Analysis of the subsystems. Power budget. Link budget. Communication protocol. Qualification and acceptance test.

L'insegnamento comprende una serie di laboratori articolati sui seguenti argomenti:
' Analisi di orbite e uso del programma STK (4 ore)
' Radiazioni e uso del programma SPENVIS (2 ore)
' Vibrazioni e uso del programma FEMLAB (2 ore)
' Architettura di un sistema telecomunicazioni (2 ore)
' Circuito di anti-latchup: progetto e simulazione SPICE (2 ore)

Dispense fornite dal docente, materiale disponibile in rete. Per approfondimenti: 'Space Mission Analysis and Design', W.J. Larson & J.R. Wertz, ed., 3rd Edition, Microcosm press and Kluwer Academic Publishers, 1999, ISBN 1-881883-10-8 (aggiornamenti del libro sono disponibili in rete).

Esame scritto e orale.