Satélites pequeños
Freddy Ferrer
el interés de motivar a estudiantes de
Ingeniería Electrónica sobre la investigación
y la exploración de esta tecnología de los
satélites pequeños, su diseño, construcción,
integración y operación .
Satélites pequeños:
De forma similar a cualquier otro satélite, el satélite pequeño está formado por una
Plataforma y carga útil
1 - Cubesat
Un satélite pequeño es un satélite artificial miniaturizado con una masa total comprendida entre 100 gramos, 10 kg y hasta 500 kg, el cual es colocado en órbita por medio de cohetes
.
Son una nueva clase de satélites: -mas pequeños,
-mas rápidos y
-mas baratos, livianos, alta calidad, periodo rápido de desarrollo
Han surgido gracias a la microelectrónica de baja potencia y a la reducción del presupuesto o balance del enlace.
-masa y sus propiedades, -potencia, energia,
-apuntamiento y estabilización, -cantidad de combustible,
-capacidad de almacenamiento de data, -velocidad de transmisión,
-confiabilidad
Picosat
Femto Nanosat
Frecuencias utilizadas:
Enlace ascendente, MHz.
144-146
435-438
Enlace descendente, MHz.
144-146
435-438
2400-2450
3400-3410
Para investigaciones
espaciales, MHz.
400.15 - 401
2025 - 2110
condicionada por varios parámetros, tales comoLa elección de una u otra banda estáson el tamaño de las antenas, ocupación del espectro, el ancho de banda o la propagación y pérdidas. Se utiliza también Banda X
Años atrás, el desarrollo de satélites artificiales solía ser muy costoso, de alto riesgo y muy complicado. Ver Fig.2
La construcción estaba reservada para las grandes empresas aeroespaciales y para agencias espaciales como la NASA.
Debido a los grandes avances tecnológicos es posible desarrollar y construir satélites en las universidades y empresas con bajos recursos financieros
.
Desarrollo de Satélites pequeños en la actualidad
Costo total de la
Mision 100%
Costo del
Satelite
70%
Costo del
lanzamiento
20%
Costo operaciones
orbitales durante el
tiempo de vida
10 %
=
+
+
Los valores tipicos del costo de una misión (recursos de la tierra, astronomia, navegacion, )
con satélites pequenos son:
Un satelite pequeno no es necesariamente un satélite bajo costo. El bajo costo se logra a
traves de una cierta filosofía de diseño a la misión como un todo.
No es el tamano del satélite como tal sino la aplicacion de esta
filosofía de diseño ,
que distingue a un satéite pequeno de uno convenciomnal. (Sweeting M, Underwood
C.. Ref. 1)
Los principales ingredientes para el proyecto ( diseño, construcción, prueba y operación) exitoso de satélites pequeños son:
-grupo tecnico altamente innovador -grupo pequeno, motivado
-personal responsable para trabajar con rigor y con calidad -equipo con buena comunicacion y proximidad fisica
-objetivos de la misión bien definidos y restricciones -administracion del proyecto competente técnicamente -nivel apropiado de documentacion
-procedimiento de “mejor práctica (y procedimientos seleccionados de las industrias) -tiempos cortos de ejecucion
Satélites pequeños: Diseño
Los satélites pequeños deben tener intercambio de información
hacia y desde la estación
terrena de control.
.
DISEñO, tomar en cuenta: tipo de misión ( recursos de la tierra, atronomia, navegación)
órbita
plataforma
Un requsito: visibilidad con la estación (es) terrena ,
almacenamiento de data y
un enlace para transferencia rápida de la data.
Telemetría: da información acerca del funcionamiento de los subsistemas (housekeeping)
Comando : para reorientación de la nave, corregir una falla, operar un mecanismo,
Satélites pequeños: Diseño
Los diferentes subsistemas de la plataforma se
disenan con redundancia, en la medida de lo
posible, como arquitectura de capas .
La primera capa se construye con componentes
de primera
generación mientras que en los
sistemas de las capas mas bajas
se utilizan
componentes
que
hayan
sido
probados
previamente en otros satelites. Fig.3
Fig. 3. CubeSat, satélite miniaturizado, 10 por 10 por 26 centímetros y 2 kilos de peso- Univ.
- operaciones de plataforma
-operaciones con parametros de ingeniería (temperatura,
presión, voltajes,status de redundancia, mantenimiento
en órbita, control de posición (attitude).
Este manejo de data consiste de procesadores, RAM, ROM,
alamacenamiento de data, implementado por la maquina
o lenguaje de alto nivel.
Usualmente existe un segundo OBC que comparte tareas
intensas de computación y de ser necesario actua de back
up. Fig.4.
En la plataforma del
satelite reside
el sistema de
procesamiento y manejo de data a bordo
(OBDH),
este se basa en un procesador central o computador a
bordo ( OBC) el cual corre un sistema de operación
multitareas como:
http://www.fasat.aviacion.cl/Docs/Obdh_fc.pdf
Satélites pequeños: Diseño
Este ambiente de OBDH es el que permite que este minisatélite tan pequeño opere de una manera altamente complicada y flexible permitiendo el control autónomo y automatico de los sistemas satelitales y su plataforma.
-telemetría y telecomando distribuídos
- 5 MIPS (386) OBC + 256 MB RAMDISK - LAN de 1 Mbps a bordo
-navegación autónoma GPS (50 m)
-determinación de posición (attitude) de 0.001 grado -128 kbps enlace descendente BPSK
Microsatélites : Plataforma
La plataforma es un diseño modular para microsatélites que tengan multiples misiones , donde los módulos colocados en bandejas forman la estructura cubica primaria del satélite con paneles solares montados en las caras.Fig.5.
Fig.5. Ejemplo de caja de modulos y de la construccion modular de un microsatelite
Los paneles proveen aprox 35 a 38 Watts de potencia eléctrica, almacenados en baterias recargables de 7 A-h. Utilizan arreglos de paneles solares de GaAs en los cuatro lados.
Los sistemas de comunicación operan en las bandas de VHF, UHF, L y S. usan un protocolo de paquetes AX.25 como una extension compatible inalambrica con el protocolo de comunicaciones de redes de computadoras X.25. Las velocidades de transmsión son del orden de 9.6 y 156 kbps.
La data de telemetria, telecomando y control asi como la data del payload se transporta sobre un enlace de RF duplex.
Otros microsatélites de alta capacidad utilizan una red de computadores a bordo (OBC’s) y controladores que automatizan todas las comunicaciones de telemetria y telecomando , control de la plataforma, comunicaciones, y funciones de administración de data. Fig.5. Los enlaces en banda S proveen velocidades de 8 Mbps con técnicas de enlaces espacio/tierra utilizando el estandard internacional Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS) .
Fig. 5. Microsatélite de alta capacidad (Ref. 1)
Fig.7 . Sistema de Coordenadas para definir la orientacion de un satelite. (Ref. 14).
Algunos microsatélites pueden tener control de posición (attitude) en los tres ejes permitiendo con esto que la plataforma apunte en dirección a la tierra con una exactitud de o mejor a 0.2 grados. Fig. 6 y 7.
La posición orbital queda definida autonomamente dentro de los +/-15 m por un receptor GPS a bordo.
Algunos microsatélites usados por los radioaficionados Usan antennas omnidireccionales. Otros con transpondedores de alta ganancia y con plataformas de observación de la tierra requieren un apuntamiento mas preciso.
Para el sistema de control de posición, que puede ser activo o pasivo, (attitude) …utilizan bastones de gradiente de gravedad y /o ruedas de momenento. La determinación de la posición la provee el sol, sensores de campo geomagnéticos y camaras de visión de las estrellas.
Plataformas de Minisatélites
El primer minisatélite fue el UoSAT 12 , de 312 kg. a 650 km de altura y con una órbita de 65 grados, lanzado en 1999, por la empresa Surrey Satellite Tech. (Universidad de Surrey, UK). Fig.8.
El objetivo de la mision fue experimentos de ingeniería.. Imagenes ópticas y comunicaciones almacenar-y-enviar.
Caracteristicas: 1.1 m de diametro y 0.8 m de altura,
forma de prisma de 9 lados, control de estabilización por 3 ejes, telemetría de alta velocidad en la banda S, potencia promedio 300 W, capacidad de plataforma de 150 kg, baterias de NiCd.
http://digitalcommons.usu. edu/cgi/viewcontent.cgi?arti cle=2113&context=smallsat
Fig.8. Primer minisatélite el UoSAT 12
Ademas posee 5 receptores para el enlace ascendente, tiene canales de 10 kbps FSK en banda VHF. Dos son receptores en banda L. El estan conectados a través de dos LNA redundantes a una antena turnstile polarizada circularmente. Los restantes receptores estan conectados a una antena omnidireccional de baja ganancia,Fig.9.
http://digitalcommons.us u.edu/cgi/viewcontent.cgi ?article=2113&context=s mallsat http://digitalcommons.usu.edu/cgi/ viewcontent.cgi?article=2113&cont ext=smallsat Fig.9 .
Satélites pequeños
Típicamente cuando se construye un satélite pequeño y lo coloca en órbita baja, también se construye o se tiene disponible una estación terrena para el seguimiento del satélite y establecer los enlaces de subida y bajada
El tiempo en que el satélite pasa arriba de la estación terrena es muy corto y tiene una duración de 10 minutos en el mejor de los casos
Existen casos en los que se requiere cobertura ininterrumpida, como en el caso de las emergencias a bordo. Estas situaciones se podrían mejorar si el satélite estuviera en contacto con numerosas estaciones terrestres a lo largo de su trayecto.
Mucho interés ha existido en USA por estos nanosatélites, Agencias del gobierno de este pais han estimulado a las universidades para que se investigue sobre estos
pequeños satélites. La Universidad mas relevante es Stanford. Igualmente existe interés en Europa siendo Surrey la Universidad relevante.
SPUTNIK 40, 3 kg, lanzado en 1997,construido por estudiantes franceses, Univ. Surrey
TUBSAT N, 8 kg y el TUBSAT N1, de 3 kg, Univ Técnica de Berlin,
Seis picosatélites , de 250 a 500 gramos, lanzados en el 2000 desde el microsatélite OPAL de Stanford.
AUTSAT 1, de la Univ de Arizona, 5 kg, año 2000. JAWSAT, satélite militar de USA.
SNAP 1, Surrey, año 2000.
Segmento terreno.
Las estaciones terrenas se basan en computadoras y estan totalmente automatizadas Interactuando autonomamente con el microsatélite en orbita, para reducior la mano de obra y aumentar la confiabilidad.
Antena de la Estación TTC de un satéllite GEO, Simón Bolivar
Antena de la Estación TTC de un satéite LEO, Miranda. Sala de control del satélite
Segmento terreno: Surrey Space Center, Inglaterra..
http://www.sst-us.com/divisions/systems-and-services/ground-segment
Posee antenas para frecuencias de 144 & 430 MHz, ganancia media, Yagui-Uda polarizacion circular y antenas helicoidales, Radios - ICOM 910H. LNA - 430-440 MHz, 140 MHz, programas de procesamiento de datos, controladores de nodos…
Un solo operador puede controlar 11 satelites !!! Los microsatelites tienen mucha autonomia.
Factor de calidad
Elementos principales de una estación terrena, en transmisión: el PIRE y en recepción: G/T G/T = Gr - Ts Expresado en log
:
Gr T S =G r 10log(TS) (dBK 1 )Influencia de esta relación
:
=
T
G
Rb
K
R
Ltotales
PIRE
No
Eb
.
.
4
2λ
π
El enlace satelital, microsatélite a estación terena, debe satisfacer la demanda de la calidad de la comunicación.Satélites pequeños: Parametros orbitales tipicos.
http://www.pe0sat.vgnet.nl/satellite/cube-nano-picosats/cubebug-1/
Satélites pequeños:
Phttp://en.ustc.edu.cn/highlight/201606/t20160603_246720.htmlhoto taken on May 25, 2016
Taller de ensamblaje microsatelites de Shanghai Engineering Center, bajo la Chinese Academy of Sciences, en Shanghai, east China
Minisatélites: Aplicaciones
Estudios de:
-el aire en altitud orbital -resistencia atmosférica
