Cubesats) Y Estaciones De Tierra

Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

¿De qué estamos hablando?

Picosatélites/CubeSats Investigación espacial de bajo coste

Ramón Martínez ETSI de Telecomunicación. UPM [email protected]

Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 1 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 2

Contenidos Índice

• Algunas ideas sobre los satélites artificiales • Algunas ideas sobre los satélites artificiales – Órbitas y constelaciones • ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)? –Operación –Servicios y aplicaciones • Misiones basadas en CubeSats – Desarrollos españoles • Iniciativas internacionales – Agentes

• Actividades en la ETSIT‐UPM • ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)? • Misiones basadas en CubeSats • Conclusiones • Iniciativas internacionales

• Actividades en la ETSIT‐UPM

• Conclusiones

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Todo se basa en … El sistema

Las Leyes de Kepler: SEGMENTO ESPACIAL

1º Las órbitas son planas y el satélite describe una elipse con un foco Enlaces entre satélites en el centro de masas de la Tierra. 2º El radio vector describe áreas iguales en tiempos iguales. 3º Los cuadrados de los periodos orbitales de dos satélites tienen la

misma relación que los cubos de sus distancias medias al centro de Enlace tierra- Enlace SEGMENTO DE CONTROL la Tierra. satélite satélite-tierra 2 Y ae()1 − Sistema perifocal de coordenadas 0 r = SEGMENTO TERRESTRE 1 + e cosϕ Estación Estaciones de usuario Estación de interfaz servicios m Estación de b Estación de TTC gestión de red r

a φ C X ⎛ 21⎞ Pasarela VSAT Terminal Hub/feeder Apogeo 0 vk=−⎜ ⎟ ae M Perigeo ⎝ ra⎠ Red terrestre Proveedor de servicio 3 Terminal Terminal a 2 de de usuario usuario T = 2π 1 a(1+e) a(1-e) k 2 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 5 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 6

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1 Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

Órbitas de satélites artificiales Servicios: Comunicaciones

Amazonas 2 (Hispasat) 8000 kg Coste: 200 M€ Cinturón de Van Cinturón de Van Allen interno Allen externo

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Servicios: Navegación por Satélite Servicios: Meteorología

GPS Constellation (24+7 satellites)

GPS satellite >1500 kg Meteosat MTG (2016) Meteosat 1G (1977) 3000 kg 700 kg

20.000 km Meteosat MSG (2002) 2000 kg Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 9 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 10

Servicios: Observación de la Tierra Satélites según tamaño

1955 kg - Coste: 350 M€ Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 11 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 12

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2 Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

Desarrollos españoles Actores del sector espacio

Minisat 01 (1997) Satélite de observación INTASAT (1974)

Amazonas (2004) Comunicaciones

OPTOS (2010) UPMSAT (1995) Experimentación Carácter educativo y científico Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 13 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 14

Actores del sector espacio Contenidos

AGENCIAS y GOBIERNOS USUARIOS • Algunas ideas sobre los satélites artificiales NASA, ESA, JAXA, etc. Gubernamentales Empresas Usuarios finales • ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)? INDUSTRIA Científicos –¿Por qué? Los orígenes Fabricantes de satélites –¿Quépuede hacer un cubesat? (THALES, Astrium, Boeing) –¿Cuánto cuesta? Subsistemas CENTROS DE –¿Cómo se lanza? (SENER, CRISA, Casa Espacio) INVESTIGACIÓN Fabricantes de equipos de tierra Universidades • Misiones basadas en CubeSats (INDRA, Newtec, ComTech, etc.) Institutos Operadores Centros tecnológicos (Hispasat, Intelsat, Astra, INSA, etc.) • Iniciativas internacionales Desarrolladores de aplicaciones (GMV, Deimos, etc.) • Actividades en la ETSIT‐UPM Integradores ASOCIACIONES (XSAT, Indra, etc.) Proespacio, etc. • Conclusiones

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Satélites… ¿Qué es un Cubesat?

SATÉLITE GEO “A Cubesat is a 10 cm cube with a mass of up to 1.33 kg” CubeSat Design Specification Rev. 12, The CubeSat Program, CAL POLY SLO CUBESAT

0 m • Nace en 1999 de una colaboración entre 5-4 3 los profesores Jordi Puig‐Suari (Cal Poly) y Robert Twiggs (Stanford Univ) • Es un tipo de PICOSATÉLITE • Objetivo: desarrollar un estándar para el diseño de picosatélites de bajo coste y tiempo de desarrollo, para facilitar el acceso al espacio aumentando la frecuencia de los lanzamientos 10 cm 10 cm • El CubeSat Project es actualmente una colaboración 1 kg internacional abierta de más de 100 entidades con gran >5000 kg 100-300 k€ variedad de payloads 200 M€ 100-300 k€

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Especificación de diseño Definición de un CubeSat

“A Cubesat is a 10 cm cube with a mass of up to 1.33 kg” CubeSat Design Specification Rev. 12, The CubeSat Program, CAL POLY SLO Triple CubeSat (3U)

Double CubeSat (2U) Kilo CubeSat (1U) Watt

AAUSat-II Aalborg University 2008 Cute-1.7 Year Tokyo Institute of Technology 2006 y 2008 Delfi-C3 TU Delft (2008) Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 19 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 20

Pico-satellites (0.1-1 kg) Pico-satellites (0.1-1 kg). CubeSats

MEMS Picosat ARTEMIS (Thelma, Louise, JAK) UWE‐1 CAN‐X1 • 26.01.2001 (MEMS 1A) (Minotaur) • 26.01.2000 (Minotaur) • 27.10.2005 (Kosmos‐3M) • 30.06.2003 (Rockot‐KM) • Experimental • Experimental • Experimental (probar adaptaciones • Demostrador • Órbita LEO (750 km×800, 100.22º) • Órbita LEO (750 km×805 km, 100.22º) de IP a entorno espacial) • Órbita SSO (650km) • Dimensiones: 2.54×7.6×10 cm • Dimensiones: ‐‐ • Órbita SSO (700 km, 98º) • Dimensiones: 10×10×10 cm • Potencia: ‐‐ • Potencia: ‐‐ • Dimensiones: 10×10×10 cm (3U) • Potencia: 2W • Masa: 0.4 kg • Masa: 0.2‐0.5 kg • Potencia: 2W • Masa: <1 kg • Misión: 3 días • Vida útil: ‐‐ • Masa: 1 kg • Vida útil: ‐‐ • Prime: Aerospace Corp. (op. • Prime: Santa • Vida útil: 21 días operativo • Developer: Space Flight Laboratory DARPA) Clara University • Prime: University of Würzburg (SFL) at UTIAS

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Subsistemas de un CubeSat Bus (arquitectura)

SwissCube http://space.epfl.ch/page66620.html

Fuente: KySat1

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Lanzamiento de CubeSats CanSat

Standard ‘CanSat’: Oceansat-2, along with Rubin 9, and 2 nos. of http://www.isro.org/satellites/cubesat-rubin.aspx cubesat in view. Another set of Rubin 9, and 2 • Size: 330 ml Soft drink Can (115x66mm) nos. of cubesat are located at the opposite side and not in view. The heat-shield is being closed. • Mass: 330 ml Soft drink Can (350 gr.)

[…] are ready for launch on September 23, 2009, at 1151 hrs IST from SDSC SHAR located at Sriharikota, Andhra Pradesh.

Dnepr Launch simulation

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Femto-satellites (<0.1 kg). PCBSat Satellite-on-a-chip

Frontside

Backside

300$ D. J. Barnhart, et al.,”A low-cost femtosatellite to enable http://www.ee.surrey.ac.uk/SSC/research/vlsi/spacechip distributed space missions,” Acta Astronautica, 64 (2009). Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 27 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 28

Contenidos Aplicaciones de los CubeSats

Demostradores tecnológicos • Algunas ideas sobre los satélites artificiales Mecanismos de despliegue Células solares • ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)? Experimentos científicos • Misiones basadas en CubeSats Comunicaciones (radio, IP, etc.) –¿Quién? Nuevos sensores –¿Curiosidades? Prueba de componentes comerciales –Ejemplos de misiones Mejora del segmento terreno –Duración –Coste Constelaciones

• Iniciativas internacionales

• Actividades en la ETSIT‐UPM El éxito de la misión se mide por el nivel de aprendizaje adquirido • Conclusiones por los estudiantes

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5 Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

Delfi-C3 CanX

CanX‐1 CanX‐2 • CMOS Imager • Atmospheric Spectrometer • Active Three‐Axis Magnetic • GPS Signal Occultation Stabilization Experiment • GPS Position Determination • Atomic Oxygen Material • ARM7 On‐Board Computer Degradation Experiment • Communications Protocol Experiment

Experimentos: Thin Film Solar Cell Experiment (Dutch Space) Autonomous Wireless Sun Sensor Experiment (TNO)

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CubeSats universitarios. Otros ejemplos El satélite OPTOS (INTA)

Configuración externa • Delfi‐C3: test of novel technologies will be tested on board the satellite (3U): Objetivo de la primera misión OPTOS: Configuración externa 1. Calificar la plataforma –Thin Film Solar Cell Experiment (Dutch Space) 2. Realizar experimentos en (TNO) – Autonomous Wireless Sun Sensor Experiment - Magnetismo • XI‐IV: … mission is on‐orbit verifications of the technology necessary for super‐ -Óptica - Radiación TTC small satellite system. …by extensively using commercial‐off‐the‐shelf components, we drastically reduce the total development cost, and make the database on the space‐use of APIS the COTS parts. OBDH

• AAU Cubesat: The main purpose for the AAU CubeSat project POWER 2 is for the involved students to achieve a great deal of knowledge about desiging and constructing Space worthy technology, but ADCS

the "scientific" mission of the AAU CubeSat is to take pictures of the surface of the Earth FIBOS and particularly of Denmark by using the on‐board camera. GMR • XATCOBEO: This satellite is being developed for transporting two payloads: a software defined reconfigurable radio (SRAD) and a system for measuring the ODM amount of ionizing radiation (RDS). There is also an experimental solar panel POWER 1 (PDM). deployment system BATTERY Configuración interna

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CubeSats en Universidades CubeSats Teams

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Definición de la misión y éxito de un CubeSat Multidisciplinar

http://www.cubesat.auc.dk/

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Documentación y fases Coste

Duración: 2-4 años Estudiantes de diferentes perfiles … y diferentes cursos • Lanzamiento: 50‐150 k€/kg ¡Es importante transferir el know-how en el tiempo!

• Desarrollo: 150‐300 k€

• Varios: 25‐50 k€

Fases de un proyecto espacial (Estándares ECSS de Project Management)

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Videos Contenidos

• CUBESAT university of Hawaii deployable solar array • Algunas ideas sobre los satélites artificiales http://www.youtube.com/watch?v=zswIrk3EaZ0 • ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)? • KySat‐1 Simulation in Orbit http://www.youtube.com/watch?v=B4VxcLKxZKQ&NR=1 • Misiones basadas en CubeSats • Kyat‐1 Antenna Deployment http://www.youtube.com/watch?v=YyuBN8iWNgA • Iniciativas internacionales • Solar Panel Deployment Representation – Constelaciones: QB50, HUMSAT/GEOID http://www.youtube.com/watch?v=2OmxcpH32GY –Concursos internacionales: AxelSpace • Delfi‐C3 promo movie – Redes de estaciones: GENSO http://www.youtube.com/watch?v=Un1fN_XnGl4 • Actividades en la ETSIT‐UPM • SwissCube http://www.youtube.com/watch?v=sX0UyuH8‐sg • Conclusiones

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7 Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

QB50 QB50 - THE IDEA

On a Double CubeSat (10 x 10 x 20 cm3):

Science Unit: Lower Thermosphere Measurements • Vida útil: 3 meses (320‐90 km) ISIS 2U • Participantes de Europa, Japón, Canadá, Sensors to be selected by a Working Group Rusia, Latinoamérica, Taiwan, USA, … Standard sensors for all CubeSats • Lanzamiento múltiple en 2014 • Tiempo de desarrollo: 3 años Functional Unit: Power, CPU, Telecommunication, IMU, GPS Optional Technology or Science Oportunidad para la ETSIT‐UPM para Package desarrollar, lanzar y operar un CubeSat Universities are free to design the functional unit http://www.vki.ac.be/qb50

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HumSAT/GEOID AXELSPACE (Contest)

The main purpose of the HumSAT system is the development of a satellite- based system for connecting a set of users with a network of worldwide distributed sensors which they have previously deployed.

¿Cómo participar? • Proponer un concepto de misión y operaciones viable y • Desarrollando un original de una constelación de nanosatélites (<15 kg) CubeSat que ofrezca a la sociedad datos, servicios y aplicaciones • Desarrollando un sensor sostenibles y de gran utilidad • Estación de tierra para • Enviar documento de 5 páginas GENSO • Premio: metálico + viaje a Japón + revista + financiación • Deadline: 20 de diciembre de 2010

http://www.humsat.org/ http://www.axelspace.com/

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GENSO: Red global de seguimiento Estación de tierra

Global Educational Network for Satellite Operators Antes de GENSO •GENSO aims to increase the return from educational space missions by forming a worldwide network of ground stations and S/C which can interact via a software standard Posicionador Estación de tierra del Narvik University College •This will fundamentally change the way that these (misiones NCube2, HinCube) missions are managed, dramatically increasing the

level of access to orbital educational spacecraft Ground segment architecture Con GENSO Operador remoto

Transceptor TNC Internet

Satélite Estación terrena

Infraestructura de acceso http://www.genso.org/ Satellite tracker Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 47 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 49

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Contenidos TelCUBE

• Algunas ideas sobre los satélites artificiales

• ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)?

• Misiones basadas en CubeSats Autor: Pablo Álvarez Vinagre Agradecimientos a Sara Álvarez Vinagre y Pablo Muñoz Galindo • Iniciativas internacionales • Motivación de estudiantes • Actividades en la ETSIT‐UPM • Actividades docentes (LE, PFC, etc.) – Constelaciones: QB50, HUMSAT/GEOID • Participación en Proyectos Internacionales –Concursos internacionales: AxelSpace • Líneas de investigación – Redes de estaciones: GENSO – Comunicaciones entre picosatélites • Conclusiones –Estaciones de seguimiento portables • Asistencia a congresos y seminarios

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Interés para los estudiantes Participación en congresos internacionales

Formación en Tecnología Espacial Posibilidad de lanzar y operar un satélite Proyecto educativo “profesional”: documentación y fases Proyecto multidisciplinar Formación práctica: Hands-on experience Entorno internacional Aspecto diferencial en el CV Contacto con la industria espacial y salidas profesionales Spin-offs Reconocimiento académico (LE, PFC, etc.) Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 52 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 53

Spin-off Para trabajar un CubeSat Project…

•ISIS ‐ Innovative Solutions In Space BV Motivación, interés, • Fundada en 2006 por 5 estudiantes que participaron en ganas de aprender el Delfi‐C3 •Más de 25 jóvenes empleados • Conceptos avanzados y nuevas Formación técnica ideas

Imaginación

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9 Taller de Diseño de Picosatélites Universidad Politécnica de Madrid (CubeSats) y Estaciones de Tierra. INTRODUCCIÓN

Cifras del sector CubeSat Imaginación… Antenas a bordo

• ¿Cómo se construyen, integran y despliegan las antenas a bordo del CubeSat?

Innovative Solutions In Space (ISIS), CubeSat Sector Facts and Figures, 2007.

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El sector espacial en España El sector espacial en España

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El sector espacial en España El sector espacial en Europa

http://www.esa.int

Cebreros-ESAC Villafranca del Castillo-ESAC Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 60 Picosatélites/CubeSats. Investigación espacial de bajo coste. Semana de la Ciencia 2010. ©Ramón Martínez 61

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Master in Space Technology Contenidos

http://www.mst-upm.es • Algunas ideas sobre los satélites artificiales

• ¿Qué es un picosatélite (p.e. CubeSat)?

• Misiones basadas en CubeSats

• Iniciativas internacionales

• Actividades en la ETSIT‐UPM

• Conclusiones –Mensaje –Algunas cifras –El futuro

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Mensaje Nuevos conceptos

• El sector espacial ofrece muchas oportunidades de empleo cualificado para diferentes perfiles Concepto tradicional Near future… • La industria está apostando por plataformas de pequeño tamaño (nanos y picosatélites) s nd an m • Los proyectos de innovación para el diseño, m s om es C trii et m construcción y operación de picosatélites fomentan le el el enfoque práctico de las enseñanzas universitarias T • El futuro está en: –Las aplicaciones

–Constelaciones y vuelo en formación Ground station – Innovación para reducir el coste de los proyectos de espacio • Los retornos de los proyectos de espacio son elevados

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Algunas cifras interesantes Algunas cifras interesantes

• La contribución anual de España en la ESA es de … 190 M€ • Un satélite en una órbita GEO se mueve a …3 km/s • El número de satélites operacionales catalogados es de …997 –El número de objetos espaciales es de …16.068 –Como resultados de la colisión entre los satélites Iridium 33 y Cosmos 2251, el número de objetos catalogados es de …1875 • El tiempo máximo de un objeto en órbita LEO después de acabar su misión es de …25 años • El coste del sistema europeo de navegación por GNSS: Global Satellite Navigation Services satélite Galileo se estima en …3.2 B€ Fuente: ESA

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