Diseño de un sensor solar asíncrono para el control de la actitud en navegación espacial

Abstract

En este Trabajo Fin de Grado se ha diseñado el píxel base de un sensor solar asíncrono. Los sensores solares son sistemas empleados para la determinación de la posición relativa del sol, siendo en concreto una de sus aplicaciones el control de la actitud en sistemas de navegación espacial (a ello se dirige el diseño realizado en este estudio). Estos dispositivos han visto su demanda disparada recientemente debido a la liberación del uso del espacio y el despliegue masivo de satélites, aumentando paralelamente la exigencia en sus especificaciones de diseño y la búsqueda de nuevas arquitecturas que sean más eficientes para el ámbito espacial. Recientemente se han propuesto arquitecturas novedosas de sensores solares digitales que permiten mayor velocidad, simplicidad de operación y menor consumo de energía. La finalidad de el diseño realizado en este Trabajo Fin de Grado era lograr la integración de dos arquitecturas de sensores asíncronos existentes, cada una de ella con ventajas específicas (sensores de tipo Octopus y sensores de tipo Continuo), de forma que sea posible seleccionar el modo de funcionamiento según las especificaciones de la situación a controlar. Para alcanzar este objetivo, se combinaron los diseños de los sensores previos y se incorporaron nuevas señales de control e internas que, combinadas mediante circuitos lógicos y con enables de ciertos elementos, permitiesen esta conmutación de método de funcionamiento. Para comprobar que en efecto el diseño planteado cumplía satisfactoriamente con las necesidades establecidas, se realizó el diseño y se validó mediante la simulación de la respuesta de una muestra de un tamaño reducido de la matriz de píxeles (ante diferentes escenarios de iluminación). Los resultados obtenidos, que se presentan en este trabajo, verificaron que el sistema proyectado respondía convenientemente según las especificaciones aportadas por el grupo de trabajo donde se realizó el TFG. También se sometió al sistema a análisis de corners y análisis estadísticos para asegurar su fiabilidad. Todo lo anterior se llevó a cabo en el programa Cadence, lo cual permitió a la autora la familiarización con el flujo de diseño de circuitos integrados con una herramienta profesional. Este Trabajo de Fin de Grado se realizó en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla gracias a una Beca JAE de introducción a la investigación, y los resultados obtenidos serán empleados para completar el diseño de un sensor solar futuro por el grupo de investigación (grupo TIC-179 de la US) en el que la autora trabajó. La memoria de este Trabajo se organizó en seis capítulos: en el primero, se expone brevemente una introducción y motivación del estudio a realizar. En el segundo, se lleva a cabo una revisión del estado del arte, planteándose las arquitecturas de los píxeles en los que se basó este diseño y las ventajas del desarrollo de este. A continuación, en el tercer capítulo encontramos detallada la estructura del píxel desarrollado y sus componentes. En el cuarto capítulo se analizan los circuitos periféricos de lectura de la matriz necesarios para el correcto funcionamiento del sensor. Posteriormente, en el el capítulo cinco encontramos las diferentes simulaciones y análisis que se llevaron a cabo para verificar la funcionalidad del diseño. Por último, en el sexto capítulo se plantean las conclusiones extraídas y las líneas de trabajo futuro.

A pixel for an asynchronous solar sun sensor has been designed in this degree final project. Solar sun sensors are systems used to determine the relative position of the Sun, and one of their applications is the control of the attitude on space navigation systems (this work is aimed for this use). These devices demand has sky-rocketed reciently due to the liberalization of space use and the massive unfold of satellites, and consequently, the requirements on their design specifications have rised, as well as the search for new architectures more efficient for space field. Reciently novel architectures of digital solar sun sensors have been proposed, and those allow a bigger speed, simplicity of operation and a lower energy consumption. The objective of the design developed in this degree final project is to integrate two existing architectures of asynchronous solar sun sensors, each one of them presenting specific advantages (Octopus sensors and Continuous sensors), in a way that permits us selecting the operating mode depending on the specifications of the situation we have to control. To reach this objective, previously developed sensor designs were combined, incorporating new internal and control signals that allowed the conmutation between operating modes when combined using logic circuits and enable signals for some components. To test that the suggested design achieved satisfactorily the stablished demands, the design was implemented and validated through a simulation of the response of a sample of a smaller size of the pixel matrix to different lighting scenarios. The obtained results, presented in this work, verified that the projected system answers conveniently. In addition, the system was subjected to a Corners Analysis as well as statistical analysis. Everything was carried out with Cadence software and tools, what allowed the author to familiarize with integrated circuits design flow in a professional tool. This work was conducted in the Seville Institute of Microelectronics thanks to a JAE Intro Scholarships of CSIC, and the results obtained will be used to complete the design of future solar sun sensors in the research group the author worked at (group TIC-179 of University of Seville). The report of this work is organized in six chapters: in the first one, a introduction and motivation of this study is briefly exposed. In the second one, a revision of the state of the art is carried out, presenting the pixel architectures on which this designed is based and the advantages of it. Following, in the third chapter we find detailed the designed pixel structure and its components. In chapter four the periferal circuits used to read the matrix are analyzed. Afterwards, in the fifth chapter we find the different simulations and analysis that were carried out in order to verify the funtionality of the design. Finally, in chapter six the conclusions obtained from this study are presented and the possible future work lines are discussed.