UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID TESIS DOCTORAL Self-powered and low mass autonomous platform for planetary surface exploration Autor: Francisco Javier Alvarez´ Fern´andez Director: Luis Enrique Moreno Lorente Codirector: Diego Fern´andez Infante DEPARTAMENTO DE INGENIER´IA DE SISTEMAS Y AUTOMATICA´ Legan´es, Febrero 2016 TESIS DOCTORAL (THESIS) Self-powered and low mass autonomous platform for planetary surface exploration Autor (Candidate): Francisco Javier Alvarez´ Fern´andez Director (Adviser): Luis Enrique Moreno Lorente Codirector (Co-Adviser): Diego Fern´andezInfante Tribunal (Review Committee) Javier G´omez-Elvira Rodr´ıguez.Presidente (Chair): Ernesto Gambao Galan. Vocal (Member): Mar´ıa Dolores Blanco Rojas. Secretario (Secretary): Calificaci´on(Qualification): T´ıtulo (Grade): Doctorado en Ingenier´ıaEl´ectrica,Electr´onicay Autom´atica Legan´es, de Febrero de 2016 Abstract Nowadays and during the following decades, planetary surface exploration of rocky bodies in our Solar System (especially the Moon, Mars and some asteroids), will be one of the main strategic goals for the different space agencies around the world. This thesis stablishes the technological basis for the implementation of a fixed scientific monitoring infrastructure over a planet surface. The concept proposed is aimed to provide a reliable and cost effective system for the continuous surface monitoring of the inner rocky planets of our Solar System. Traditionally these surface exploration missions have been led by progressively more and more complex and expensive systems with challenging scientific and technological objectives (i.e. NASA Mars rovers, ESA ExoMars program or the Chinese Chang’e 3 mission). This space exploration paradigm benefits from deploying highly ambitious and expensive platforms able to perform complex scientific experiments, but it is exposed to the risk of a complete mission loss in the case of a platform failure. Beyond the traditional rovers or landers, the concept proposed is based on an ad-hoc Wireless Sensor Network composed of small fixed platforms aimed to sense, process, share between them and finally transmit scientific data to a satellite orbiter for further transmission to Earth. The conceived system is able to operate autonomously during years, harvesting the required energy from the planet surface environment. Such a concept deployed over a planet surface would represent the first fixed infrastructure over an extraterrestrial rocky body. This work is focused in the platform overall design, including the ad-hoc scientific payload, and provides reliable technological solutions for the different critical aspects of the concept proposed. The platform conceived is a low mass dual body: (i) a tetrahedron body highly optimized both in mass (2000g) and volume (tetrahedron envelope of 200x200 mm of base and 200 mm of height) that will remain over the planet surface; (ii) a penetrator body (3260 g) of 300 mm in height, 100 mm in diameter and with the shape of a ballistic missile aimed to go between 0.3 and 1.2 meters below the subsurface of i the planet. The deployment method selected is penetration (hard-landing). This method drastically simplifies the descent system required, thus reducing the related costs. Specific solutions for the conceived platform are proposed with the objective of ensuring the platform operability after the landing impact. The scientific payload conceived is highly integrated with low power consumption requirements. The payload presented in this work comprises a dust deposition sensor, three surface temperature sensors, a radiation sensor and three multiespectral irradiance sensors. Day and night energy harvesting systems are proposed, which represents an innovation in this kind of platforms. Finally, a specific control architecture is presented aimed to provide the required autonomous behavior to the platform. This autonomous behavior in combination with a dynamic thermal regulation and the day and night energy harvesting systems allow the platform conceived to drastically increase its science return and life time. ii Resumen En la actualidad y durante las pr´oximas d´ecadas, la exploraci´onde las superficies planetarias de los cuerpos rocosos de nuestro Sistema Solar (especialmente de la Luna, Marte y la de algunos asteroides), ser´auno de los objetivos estrat´egicos de las diferentes agencias espaciales de todo el mundo. Esta tesis establece las bases tecnol´ogicaspara la implantaci´onde una infraestructura de monitorizaci´on cient´ıfica sobre la superficie de un planeta. El concepto propuesto est´aorientado a obtener un sistema fiable y econ´omicopara la monitorizaci´on continua de la superficie planetaria de los cuerpos rocosos internos de nuestro Sistema Solar. Tradicionalmente este tipo de exploraci´on de superficies planetarias ha sido llevada a cabo por sistemas cada vez m´asy m´ascomplejos y costosos (por ejemplo los veh´ıculos exploradores para Marte de la NASA, el programa ExoMars de la Agencia Espacial Europea o la misi´on china Chang’e 3). Este paradigma de exploraci´on espacial aprovecha la oportunidad de desplegar plataformas muy complejas y ambiciosas capaces de realizar complejos experimentos cient´ıficos,pero expuestas al riesgo de la p´erdida completa de la misi´on en caso de un fallo en la plataforma de exploraci´on. M´as all´a de los tradicionales veh´ıculos exploradores o sondas, el concepto propuesto se basa en peque˜nasplataformas capaces de medir, procesar, compartir entre ellas y finalmente enviar los datos medidos a un sat´elite enorbita ´ para una posterior transmisi´ona la Tierra, mediante el uso de redes de sensores inal´ambricos a medida. El sistema ideado es capaz de operar aut´onomamente durante a˜nos, recolectando la energ´ıarequerida en el propio ambiente de la superficie del planeta. Este tipo de concepto, desplegado sobre la superficie de un planeta, representar´ıa la primera infraestructura fija sobre la superficie de un cuerpo rocoso extraterrestre. El trabajo presentado se enfoca en el dise˜no global de la plataforma, incluyendo la instrumentaci´on cient´ıfica y aporta soluciones t´ecnicaspara los aspectos m´as cr´ıticos del concepto propuesto. La plataforma ideada est´abasada en dos cuerpos: (i) un cuerpo con forma tetra´edricamuy optimizado en peso (2000 gr) y en volumen (envolvente del tetraedro iii de 200x200 mm de base y 200 mm de altura) que permanecer´aen la superficie del planeta; (ii) el cuerpo del penetrador (3260 gr) de 300 mm de altura, 100 mm de di´ametro y con la forma de un misil bal´ıstico enfocado a enterrarse entre 0.3 y 1.2 metros por debajo de la superficie del planeta. El sistema de despliegue seleccionado es la inserci´on(aterrizaje durodel ingl´es hard-landing), simplificando dr´asticamente de esta forma el sistema de descenso requerido, y por lo tanto reduciendo los costes asociados. Se proponen igualmente soluciones espec´ıficaspara la plataforma ideada de forma que se asegure su integridad operacional despu´esdel impacto durante el aterrizaje. Se ha definido una instrumentaci´on cient´ıfica altamente integrada y con unos requisitos de consumo muy bajos. La instrumentaci´ondesarrollada consta de un sensor de polvo depositado, tres sensores de temperatura superficial, un sensor de radiaci´ony tres sensores de irradiaci´onmultiespectral. Se proponen asimismo sistemas de obtenci´onde energ´ıadurante el d´ıa y la noche, lo que representa una innovaci´onen este tipo de plataformas. Finalmente, se presenta una arquitectura de control espec´ıfica enfocada a proporcionar a la plataforma el comportamiento aut´onomoque se requiere. Este comportamiento aut´onomo en combinaci´oncon un sistema din´amicode regulaci´ont´ermicay de los sistemas de obtenci´onde energ´ıadurante el d´ıa y la noche permite a la plataforma concebida incrementar en gran medida la informaci´on cient´ıfica obtenida y la vidautil ´ de la misi´on en su conjunto. iv A mis padres. v Agradecimientos Es dif´ıcil incluir en una pocas l´ıneas la gran ayuda recibida, tanto personal como profesional, para la consecuci´onde este trabajo. Por ello, y sabiendo que inevitablemente no podr´emencionar a todos, haceros llegar mi gratitud m´assincera por vuestra ayuda. En primer lugar me gustar´ıa agradecer a mis tutores, Luis y Diego, que me apoyaron y acompa˜narondesde los inicios, y no me refiero s´oloa este trabajo, sino desdehaceyam´as de 10 a˜nosen los diferentes proyectos fin de carrera y tesinas que he ido realizando. Gracias por vuestra confianza. Quiero agradecer al equipo del Grupo Arquimea Ingenier´ıa, desde el primero hasta el ´ultimo,su gran ayuda en estos a˜nosen los que hemos ido creciendo juntos profesionalmente en el mundo del I+D. Especialmente me gustar´ıa agradecer a Cayetano sus inestimables aportaciones a este trabajo, no s´oloenel´ambito de los mecanismos dise˜nados,sino tambi´enpor todo su apoyo. No quiero olvidarme de Carlos y Jes´us,dise˜nadoresdel ASIC de radiaci´on y que perdieron alg´un que otro fin de semana por llegar a tiempo para la fabricaci´onde los mismos. Gracias Naiara, Marcelo, Paco y Dani por vuestras correcciones y comentarios en las diferentes publicaciones y en este mismo trabajo. Agradecer igualmente a David sus indicaciones para la electr´onicadel sensor de polvo. Aunque ya no est´aentre nosotros porque pas´o a una mejor vida (en las soleadas costas de Florida), agradecer a Lorenzo su ayuda y confianza durante los inicios de esta tesis. No puedo dejar de incluir aqu´ı mis agradecimientos al grupo de trabajo del proyecto europeo SWIPE: My most sincere gratitude to the SWIPE Project team: