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Taller de DiseTaller de Diseñño de o de PicosatPicosatééliteslites(CUBESATS) y Estaciones de Tierra(CUBESATS) y Estaciones de Tierra

1Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández

Case Study: OPTOSCase Study: OPTOS

CCéésar sar MartMartííneznez FernFernáándezndezINTAINTA


CONTENIDOSCONTENIDOS

• Presentación INTA

• Estándar cubeSAT

• Proyecto OPTOS

• Proyecto BRITE (OPTOS 2G)

• Proyecto XATCOBEO

• Conclusiones

• Simulación orbital


PRESENTACIÓNINTA


PRESENTACIPRESENTACIÓÓN Y ANTECEDENTES (I)N Y ANTECEDENTES (I)

• INTA: Organismo Público de Investigación adscrito al Ministerio de Defensa

• Experiencia en sector aeroespacial con múltiples proyectos de ámbito nacional e internacional

• Personal: 1400 empleados (1000 en I+D+i)

• Presupuesto: más de 100 M€ con origen en subvenciones públicas y operaciones comerciales

• Centros: Torrejón de Ardoz, El Arenosillo, Maspalomas, Villafranca del Castillo y Robledo de Chavela


PRESENTACIPRESENTACIÓÓN Y ANTECEDENTES (II)N Y ANTECEDENTES (II)

• Satélites lanzados:INTASAT (1974)MINISAT (1997)NANOSAT 1A (2004)NANOSAT 1B (2009)

• Satélites en proyecto:OPTOS (2010)NANOSAT 2 (TBD)MICROSAT (TBD)


PRESENTACIPRESENTACIÓÓN Y ANTECEDENTES (III)N Y ANTECEDENTES (III)

1000

100

10

Wei

ght(

Kg)

INTASAT 1974

MINISAT 1997

NANOSAT 01 2004 01B

HISPASAT 1A, 1B

1992-1993HISPASAT 1C, 1D, AMAZONAS

2000 - 2002 - 2004

MICROSAT

PAZ, INGENIO

Development Operation

OPTOS

1990 1995 2000 2005 2010 2015


ESTÁNDARCUBESAT


ESTESTÁÁNDAR CUBESAT: ORIGEN Y CONFIG.NDAR CUBESAT: ORIGEN Y CONFIG.

• Concebido por las universidades Politécnica de California y Stanford con fines educativos: oportunidad a estudiantes universitarios de participar activamente en el desarrollo de nano y picosatélites

• Estructura básica (1U): cubo de 100 mm de lado y 1 Kg. de peso fabricado en aluminio (sólido o aligerado)

• Existen otras configuraciones que duplican o triplican la altura (2U/3U).


ESTESTÁÁNDAR CUBESAT: KITNDAR CUBESAT: KIT

El KIT CubeSat está diseñado para ayudar a realizar con éxito una misión espacial en poco tiempo y bajo coste

• El KIT incluye:

Tarjeta de desarrollo y pruebasHerramientas de desarrollo SWFuentes de alimentaciónComputador (comunicaciones y datos)Estructura


ESTESTÁÁNDAR CUBESAT: PODNDAR CUBESAT: POD

Picosatellite Orbital Deployer: Sistema de anclaje al lanzador que permite que el satélite se separe del mismo. (Cal‐Poly, SFL, ISISpace)


PROYECTOOPTOS


OPTOS: DESCRIPCIOPTOS: DESCRIPCIÓÓN DEL PROYECTO (I)N DEL PROYECTO (I)

OPTOS es un Proyecto I+D de un demostrador tecnológico que abre una línea de desarrollo de picosatélites

• Segmento Vuelo (órbita LEO) + Segmento Terreno + Segmento Usuario

• Objetivo: Proporcionar una plataforma tecnológica para facilitar el acceso al espacio a universidades y empresas

• Características:Bajo costeCorto tiempo de desarrollo

• Estándares ESA (adaptados al entorno del Proyecto)


OPTOS: DESCRIPCIOPTOS: DESCRIPCIÓÓN DEL PROYECTON DEL PROYECTO (II)(II)

Proyecto INTA con colaboraciones externas:

THALES ALENIA SPACE y TTI Norte (TTC)SENER (ADCS SW)CLYDE SPACE (Paneles solares + Tarjeta Potencia 1)CNRS‐LAAS (carga útil ODM)UNIV. POLITÉCNICA DE VALENCIA (carga útil FIBOS)

• Filosofía de modelos:

STM – EM ‐ PFM

• Planificación:

QR: mar 11 / FAR: may 11 / Launch: 2011


OPTOS: DESCRIPCIOPTOS: DESCRIPCIÓÓN DE LA MISIN DE LA MISIÓÓNN

• Satélite en órbita heliosíncrona 817 Km. LTDN 10:30

• Estándar CubeSAT (300 x 100 x 100 mm.) masa < 3 Kg.

• Objetivo de la primera misión OPTOS:

Calificar la plataformaRealizar experimentos en distintos campos:

MagnetismoÓpticaRadiación

• Lanzamiento en 2011 con Kosmotras:

Separador ISISPODLanzador DNPER


OPTOS: CARGAS OPTOS: CARGAS ÚÚTILES (I)TILES (I)

MAGNETISMO

GMR (Giant Magneto‐resistance)

• Objetivos:Medir campo magnéticoCaracterizar nuevos materiales

• CaracterísticasMulticapas de material magnético y no magnéticoAlta sensibilidad a variación campoEstabilidad en temperaturaBajo coste


OPTOS: CARGAS OPTOS: CARGAS ÚÚTILES (II)TILES (II)

OPTICA (I)

APIS (Athermalized Panchromatic Imaging System):

• Objetivos:Control térmico pasivo (± 20º)Degradación de materialesAdquisición de imágenes

• Características:Resolución: 273 mFocal: 20 mmFOV: 12º x 9ºBanda: 0,45 – 0,7 μmTenología CMOS →bajo consumo ≈ 150 mW


OPTOS: CARGAS OPTOS: CARGAS ÚÚTILES (III)TILES (III)

OPTICA (II)

FIBOS (Fiber Bragg Gratings for Optical Sensing):

• Objetivos:Caracterizar dispositivosMedir temperatura

• Características:Fuente de luz: Láser sintonizableUnidad sensora: redes de Bragg sobre fibra ópticaReceptor: fotodiodoUnidad de procesado


OPTOS: CARGAS OPTOS: CARGAS ÚÚTILES (IV)TILES (IV)

RADIACIÓN

ODM (OPTOS Dose Monitoring):

• Objetivos:Desarrollar dosímetros con RadFET comercialesMedir dosis en diferentes partes del satéliteCorrelar con datos de simulaciones

• Características:2 módulos con 2 sensores cada unoRango de medida: 1 rad – 200 kradDependencia con la temperatura

30 -40 mm

LAAS

ODMRead out Electronic

ODMRead out Electronic

DistributedOBDH

OpticalLink

30 -40 mm

Power Bus

Temperature sensor


Estructura externa:CUBESAT KIT 3U

OPTOS: CONFIGURACIOPTOS: CONFIGURACIÓÓN SISTEMA (I)N SISTEMA (I)

ESTRUCTURA DE MATERIAL

COMPUESTO

FIJACIÓN LATERAL

FIJACIONES SUPERIORES

GUÍA

12 mm

72..8 mm

20 mm

28,07 mm

30 mm

Configuraciónexterna

Configuracióninterna

XY

Z


MECANIZADO CONECTORES

CIRCUITO FLEXIBLE

MECANISMO DE APERTURA

MAGNETO TORQUES

ODM

APIS

BATTERY

OBDH

GMR

TTC

POWER 2

ADCS

FIBOS

POWER 1

OPTOS: CONFIGURACIOPTOS: CONFIGURACIÓÓN SISTEMA (IV)N SISTEMA (IV)


OPTOS: SUBSISTEMAS (I)OPTOS: SUBSISTEMAS (I)

• Órbita heliosíncrona 817 km y LTDN 10:30 UTC

• Orientación inercial:

– Eje Z: perpendicular a eclíptica

– Ejes X e Y: 45 º respecto al Sol

• Sensores:– 2 mini SSOs– 1 MGM de triple‐eje– 1 sensor de presencia de Sol

• Actuadores:– 3 MGTs– 1 RW

ADCS

Z

Y MGT

X

RWz

Z


OPTOS: SUBSISTEMAS (II)OPTOS: SUBSISTEMAS (II)

• Servicios:– Soporte del SW de ADCS, TTC y Housekeeping– Control de subsistemas y cargas útiles– Conversión AD– Supervisión de Latch‐up

• Arquitectura distribuida

• Dispositivos lógicos programables:

– MicroBlaze empotrado en FPGA Virtex II‐1000 – CPLDs CoolRunner II

OBDH

• Módulo emisor infrarrojo

• Módulo detector fotodiodo

• Bus CAN reducido

OBCOM Standard CAN125 kbps

(RZ)

TRASIMPEDANCIAAMPLIFICADORCOMPARADORSALIDA

Fotodiodo

CIRCUITO EMISOR

Led

SEÑAL TX

TTC Processor(EPH)

DOT

DOT DOT

DOT

TTCOB-SW

GMR

ADCS FIBOS

DOT DOT

ODM APISPDU HouseKeeping

ODM


OPTOS: SUBSISTEMAS (III)OPTOS: SUBSISTEMAS (III)

• HW control distribuido SW control distribuido

• Elementos SW:

– Drivers CAN

– Drivers TTC

– Software ADCS

– Software de Aplicación

OBSW

FPGA

TTC

CPLDCargaÚtil

CPLD

CargaÚtil

CAN

CPLD

EPSCPLD

ADCS

• Sistema de control pasivo

– Pinturas

– Elementos conductivos

• Garantiza la operación durante toda la órbita

TCS


OPTOS: SUBSISTEMAS (IV)OPTOS: SUBSISTEMAS (IV)

• Transpondedor

– 402 MHz (UHF)

– Comunicación half‐duplex

– Modulación:

• Downlink: modulación en fase con pulsos Manchester (SP‐L)

• Uplink: modulación en fase con subportadora de datos (PM/BPSK)

• Sistema de radiación

– 402 MHz (UHF)

– 4 monopolos longitud 17 cm

– Diagrama omnidireccional

– Polarización: circular en eje Z y lineal ejes X e Y

TTC


OPTOS: SUBSISTEMAS (V)OPTOS: SUBSISTEMAS (V)

• Batería

– Batería Li‐ion

– Electrónica asociada de regulación de tensiónproporcionada por los paneles solares y control de carga de la batería

• Convertidores DC‐DC

– Distribución de la potencia regulada a los distintos subsistemas y cargas útiles.

– Tensiones disponibles:

• +3.3 V, +5 V, ±12 V, +4 V y ±5.5 V

• Paneles Solares

– Celdas AsGa de triple unión, alta eficiencia

– 4 paneles solares de 6 celdas montadas sobre PCB~7.4 W EOL

EPS


PROYECTOBRITE (OPTOS 2G)


BRITE (OPTOS 2G): MISIBRITE (OPTOS 2G): MISIÓÓNN

INTA participa en Programa BRITE (financiación PNE Fase A)

Estudio de viabilidad de un satélite basado en OPTOS (identificando posibles mejoras)

OBJETIVOS CIENTÍFICOS MISION BRITE: Medir brillo de estrellas usando fotometría diferencial ultra‐precisa

• CONSTELACIÓN BRITE:

– 4 satélites divididos en dos pares: UniBrite + BRITE‐Austria + 1 satélite Canadiense

– Aportación española: BRITE‐Spain (con un instrumento observando en el rango del ultravioleta)

– Vida útil ~ 2‐3 años

Asterosismología


Subsistema Potencia: mejorar capacidades de la plataformaAumento superficie de paneles [8‐15 W]Nueva tecnología de batería: LI‐POSistema de despliegue de paneles (será probado en XATCOBEO)

Estructura y mecanismos: optimizar configuración internaSolo una estructura externa basada en vigas de alumino, incrementando el volumendisponible

ADCS: mejorar precisión y estabilidad4 ruedas de reacción4‐5 sensores solares1 star tracker

TTC: capacidad full duplex y aumento data rateUHF transceiverS band transmitter

BRITE (OPTOS 2G): MEJORAS


BRITE (OPTOS 2G): VISTASBRITE (OPTOS 2G): VISTAS


• Estructura: – Nuevo diseño (única estructura) basado en estándar cubesat.

• Potencia: – 4 paneles solares fijos al cuerpo del satélite (6 células TJ GaAs) y 4 paneles desplegables

con células en ambos lados– 1 batería Li‐PO para almacenar la potencia (~5 Ah).– Convertidores DC/DC para distribuir lineas reguladas +3.3V +5V (+/‐12V TBC) y no

reguladas a los diferentes S/S y payload.

• Control Térmico: – Sistema pasivo basado en selección de materiales, aislamiento, pinturas, MLI, etc.

• OBDH: – Arquitectura distribuida. Unidad de procesado basada en FPGAs y CPLDs

BRITE (OPTOS 2G): SUBSISTEMAS (I)


• TTC: 3 arquitecturas RF independientes

– Tx Banda‐S: Envío de TM HK y ciencia (8‐256 kbps, 2200‐2290 Mhz en BPSK/QPSK) • 2 antenas parche cuasi‐omnidireccional

– Rx Banda‐UHF: Recepción de TC• 4 kbps, 430‐440 MHz• 4 antenas tipo monopolo (omnidireccional)

BRITE (OPTOS 2G): SUBSISTEMAS (II)


PROYECTOXATCOBEO


XATCOBEO: OBJETIVOSXATCOBEO: OBJETIVOS

• Anuncio de oportunidades ESA para incluir 8 cubeSAT europeos en vuelo inaugural de VEGA

• Proyecto conjunto Universidad de Vigo / INTA

• El objetivo es el diseño y desarrollo de:

– Satélite cubesat 1U (10x10x10cm) Peso< 1kg– Estación de Tierra

• Involucrar a estudiantes universitarios en un proyecto espacial

• Enseñar una metodología de trabajo basada en estándares ESA


XATCOBEO: RESPONSABILIDADESXATCOBEO: RESPONSABILIDADES

• Universidad de Vigo:

– Diseño, desarrollo, integración y operación del satélite– Aspectos educacionales

• INTA:

– Soporte a la gestión e ingeniería (diseño: estructura, OBDH, despliegue paneles y carga útil radiación)

– Realización de ensayos


XATCOBEO: EXPERIMENTOSXATCOBEO: EXPERIMENTOS

• Cargas útiles:

– Software RADIo board for communications (SRAD):• Radio software configurable en vuelo• Banda de frecuencias de radioaficionados

– Radiation Dose Sensor (RDS):• Sensor para medir la radiación

• Calificación de mecanismos:– Panel Deployer Mechanism (PDM):

• Limitación de potencia del standard cubesat• Ensayar en vuelo un mecanismo de despliegue


XATCOBEO: VISTA EXTERNAXATCOBEO: VISTA EXTERNA


CONCLUSIONESCONCLUSIONES

• Estándar cubesat facilita el acceso universitario al Espacio

• Características: corto tiempo de desarrollo y bajo coste

• OPTOS primer cubesat tecnológico español

• BRITE supone una mejora de diseño (2G)

• XATCOBEO es el primer cubesat universitario español

• INTA mantiene abierta la línea de picosatélites

UPM DEBERÍA PLANTEARSE INICIAR UN

PROYECTO CUBESATIMPLICACIÓN

ALUMNOSIMPLICACIÓN PROFESORES

FONDOS


SIMULACISIMULACIÓÓN ORBITALN ORBITAL

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