System Integration and Testing of On-Board Processing System for a Hyperspectral Imaging Payload in a CubeSat

Abstract

På NTNU jobber et tverrfaglig team som en del av NTNU SmallSatLab med å designe og utvikle nyttelast for en kubesatellitt. Nyttelasten skal integreres i en satellittbuss levert av NanoAvionics, med planlagt oppskytning i første kvartal 2021.

Formålet med satellitten er å avbilde havområder med et hyperspektralt kamera, et kamera som splitter lys opp i individuelle bølgelengder. En mikrokontroller i satellittens nyttelast skal utføre avansert bildebehandling i både prosessor og programmerbar logikk for å raskt kunne detektere fenomener i havområdene.

Målsetningen for masteroppgaven var å sørge for en fungerende minimal prosesseringskjede for hyperspektral bildetagning på kubesatellittens nyttelast. Prosesseringskjeden skal bestå av tolkning av kommandoer fra bakkestasjonen, kommunikasjon med det hyperspektrale kameraet og prossesering av hyperspektral data i både prosessor og programmerbar logikk. Arbeidet skulle ta utgangspunkt i funksjonalitet som er utviklet ved NTNU SmallSatLab, og integrere dette i eksisterende systemer for nyttelastens programvare.

Denne masteroppgaven beskriver hvordan enkeltstående bestanddeler har blitt integrert til en prosesseringskjede for bildebehandling av hyperspektrale bilder. I tillegg beskrives det hvordan bestanddelene har blitt testet, både som for seg selv og satt sammen. Prosesseringskjeden har under testing tilfredstilt prosjektets krav for en minimal prosesseringskjede. Det har i tillegg blitt integrert en modul for tidsfesting av enkeltbilder under bildetagningen. Arbeid med kodekvalitet har pågått gjennom hele semesteret. Det har også blitt utført arbeid på prosjektet som ikke direkte har vært knyttet opp mot målsetningen for oppgaven.

At NTNU, a multidisciplinary team is working as a part of NTNU SmallSatLab to design and develop a payload for a CubeSat. The payload is to be integrated into a satellite bus by NanoAvionics, with a planned launch in the first quarter of 2021.

The purpose of the satellite is to do oceanographic imaging using a hyperspectral camera. This is a camera that splits light into individual wavelengths. A microcontroller in the payload of the satellite does advanced image processing on the hyperspectral data in both processor and programmable logic. This is to quickly detect phenomena in the oceans.

The goal of this Master's thesis was to ensure a working minimal processing pipeline for hyperspectral imaging on the satellite's payload. The pipeline is to consist of interpretation of commands from a ground station, interfacing with the hyperspectral camera and do the processing of the hyperspectral data in both processor and programmable logic. The work was to be based on functionality developed at the NTNU SmallSatLab. This functionality was to be integrated into existing systems for the payload's software.

This Master's thesis describes how separate components have been integrated into a processing pipeline for processing of hyperspectral images. The testing of the pipeline is described for individual components as well as the entire pipeline. The processing pipeline has met the team's requirements for a minimal processing pipeline. In addition to this, a module for timestamping individual frames during capture has been integrated. Work on code quality has been done throughout the semester. In addition, there has been done work on the project that is not directly related to the goal of this thesis.