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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
2Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
CONTENIDOSCONTENIDOS
• Presentación INTA
• Estándar cubeSAT
• Proyecto OPTOS
• Proyecto BRITE (OPTOS 2G)
• Proyecto XATCOBEO
• Conclusiones
• Simulación orbital
3Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
PRESENTACIÓNINTA
4Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
5Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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)
6Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
7Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
ESTÁNDARCUBESAT
8Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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).
9Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
10Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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)
11Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
PROYECTOOPTOS
12Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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)
13Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
14Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
15Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
16Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
17Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
18Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
19Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
20Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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)
21Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
22Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
23Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
24Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
25Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
26Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
PROYECTOBRITE (OPTOS 2G)
27Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
28Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
29Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
BRITE (OPTOS 2G): VISTASBRITE (OPTOS 2G): VISTAS
30Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
• 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)
31Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
• 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)
32Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
PROYECTOXATCOBEO
33Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
34Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
35Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
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XATCOBEO: VISTA EXTERNAXATCOBEO: VISTA EXTERNA
37Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
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
38Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández
SIMULACISIMULACIÓÓN ORBITALN ORBITAL