Case Study: OPTOS

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CaseCase Study:Study: OPTOSOPTOS

César Martínez Fernández INTA

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

• Presentación INTA

• Estándar cubeSAT

• Proyecto OPTOS

• Proyecto BRITE (OPTOS 2G)

• Proyecto XATCOBEO

• Conclusiones

• Simulación orbital

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 2 PRESENTACIÓN INTA

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 3 PRESENTACIÓN 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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 4 PRESENTACIÓN Y ANTECEDENTES (II)

• Satélites lanzados: ¾ INTASAT (1974) ¾ MINISAT (1997) ¾ NANOSAT 1A (2004) ¾ NANOSAT 1B (2009)

• Satélites en proyecto: ¾ OPTOS (2010) ¾ NANOSAT 2 (TBD) ¾ MICROSAT (TBD)

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 5 PRESENTACIÓN Y ANTECEDENTES (III)

HISPASAT 1A, 1B HISPASAT 1C, 1D, AMAZONAS 1000 1992-1993 2000 - 2002 - 2004 PAZ, INGENIO

MICROSAT 100 MINISAT 1997 NANOSAT 01 2004 01B Weight (Kg)

10 INTASAT 1974 OPTOS 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Development Operation

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 6 ESTÁNDAR CUBESAT

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 7 ESTÁNDAR 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).

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 8 ESTÁNDAR 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: ¾ Tarjeta de desarrollo y pruebas ¾ Herramientas de desarrollo SW ¾ Fuentes de alimentación ¾ Computador (comunicaciones y datos) ¾ Estructura

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 9 ESTÁNDAR CUBESAT: POD

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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 10 PROYECTO OPTOS

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 11 OPTOS: DESCRIPCIÓN 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: ¾ Bajo coste ¾ Corto tiempo de desarrollo

• Estándares ESA (adaptados al entorno del Proyecto)

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 12 OPTOS: DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO (II)

Proyecto INTA con colaboraciones externas:

¾ THALES ALENIA SPACE y TTI Norte (TTC) ¾ SENER (ADCS SW) ¾ CLYDE SPACE (Paneles solares + Tarjeta Potencia 1) ¾ CNRS‐LAAS (carga útil ODM) ¾ UNIV. POLITÉCNICA DE VALENCIA (carga útil FIBOS)

• Filosofía de modelos:

¾ STM –EM ‐ PFM

• Planificación:

¾ QR: mar 11 / FAR: may 11 / Launch: 2011

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 13 OPTOS: DESCRIPCIÓN DE LA MISIÓN

• 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:

¾ Calificar la plataforma ¾ Realizar experimentos en distintos campos: 9 Magnetismo 9 Óptica 9 Radiación

• Lanzamiento en 2011 con Kosmotras:

¾ Separador ISISPOD ¾ Lanzador DNPER

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 14 OPTOS: CARGAS ÚTILES (I)

MAGNETISMO

GMR (Giant Magneto‐resistance)

• Objetivos: ¾ Medir campo magnético ¾ Caracterizar nuevos materiales

• Características ¾ Multicapas de material magnético y no magnético ¾ Alta sensibilidad a variación campo ¾ Estabilidad en temperatura ¾ Bajo coste

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 15 OPTOS: CARGAS ÚTILES (II)

OPTICA (I)

APIS (Athermalized Panchromatic Imaging System): • Objetivos: ¾ Control térmico pasivo (± 20º) ¾ Degradación de materiales ¾ Adquisición de imágenes

• Características: ¾ Resolución: 273 m ¾ Focal: 20 mm ¾ FOV: 12º x 9º ¾ Banda: 0,45 – 0,7 μm ¾ TenologíaCMOS →bajo consumo ≈ 150 mW

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 16 OPTOS: CARGAS ÚTILES (III)

OPTICA (II)

FIBOS (Fiber Bragg Gratings for Optical Sensing):

• Objetivos: ¾ Caracterizar dispositivos ¾ Medir temperatura

• Características: ¾ Fuente de luz: Láser sintonizable ¾ Unidad sensora: redes de Bragg sobre fibra óptica ¾ Receptor: fotodiodo ¾ Unidad de procesado

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 17 OPTOS: CARGAS ÚTILES (IV)

RADIACIÓN

ODM (OPTOS Dose Monitoring):

• Objetivos: ¾ Desarrollar dosímetros con RadFET comerciales ¾ Medir dosis en diferentes partes del satélite ¾ Correlar con datos de simulaciones 30 -40 mm Optical Temperature Link sensor Distributed ODMODM 30 -40 Read out OBDH mm Read out • Características: LAAS ElectronicElectronic ¾ 2 módulos con 2 sensores cada uno Power Bus ¾ Rango de medida: 1 rad – 200 krad ¾ Dependencia con la temperatura

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 18 OPTOS: CONFIGURACIÓN SISTEMA (I)

Configuración externa

Z Configuración interna Y X FIJACIONES Estructura externa: SUPERIORES CUBESAT KIT 3U 72..8 mm

30 mm GUÍA

20 mm

28,07 mm FIJACIÓN LATERAL

ESTRUCTURA DE MATERIAL COMPUESTO 12 mm

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 19 OPTOS: CONFIGURACIÓN SISTEMA (IV)

TTC MECANISMO DE APERTURA APIS

OBDH

POWER 2

ADCS MECANIZADO CONECTORES FIBOS CIRCUITO FLEXIBLE

GMR

ODM MAGNETO TORQUES POWER 1

BATTERY

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 20 OPTOS: SUBSISTEMAS (I)

ADCS

• Órbita heliosíncrona 817 km y LTDN 10:30 UTC Z

• Orientación inercial: –EjeZ: perpendicular a eclíptica –EjesX e Y: 45 º respecto al Sol

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

• Actuadores: X –3 MGTs –1 RW z Y MGT RW

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 21 OPTOS: SUBSISTEMAS (II)

TTC Processor OB-SW TTC OBDH (EPH) • Servicios:

– Soporte del SW de ADCS, TTC y Housekeeping ADCS DOT DOT FIBOS – Control de subsistemas y cargas útiles – ConversiónAD – Supervisiónde Latch‐up GMR DOT DOT ODM • Arquitectura distribuida • Dispositivos lógicos programables: DOT DOT

House PDU ODM APIS – MicroBlaze empotrado en FPGA Virtex II‐1000 Keeping – CPLDs CoolRunner II

Standard CAN OBCOM 125 kbps SEÑAL TX CIRCUITO EMISOR (RZ) Led • Módulo emisor infrarrojo

Fotodiodo • Módulo detector fotodiodo

• Bus CAN reducido SALIDA COMPARADOR AMPLIFICADOR TRASIMPEDANCIA

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 22 OPTOS: SUBSISTEMAS (III)

OBSW

TTC • HW control distribuido Î SW control distribuido FPGA • Elementos SW:

– Drivers CAN CPLD EPS CAN ADCS – Drivers TTC CPLD

– CPLD Software ADCS Carga Carga Útil CPLD Útil – Software de Aplicación TCS

• Sistema de control pasivo – Pinturas – Elementos conductivos • Garantiza la operación durante toda la órbita

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 23 OPTOS: SUBSISTEMAS (IV)

TTC

• Sistema de radiación – 402 MHz (UHF) – 4 monopolos longitud 17 cm – Diagrama omnidireccional – Polarización: circular en eje Z y lineal ejes X e Y

• Transpondedor – 402 MHz (UHF) – Comunicaciónhalf‐duplex – Modulación: • Downlink: modulación en fase con pulsos Manchester (SP‐L) •Uplink: modulación en fase con subportadora de datos (PM/BPSK)

EPS

• Paneles Solares – Celdas AsGa de triple unión, alta eficiencia – 4 paneles solares de 6 celdas montadas sobre PCB Î ~7.4 W EOL

• Batería – Batería Li‐ion – Electrónica asociada de regulación de tensión proporcionada 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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 25 PROYECTO BRITE (OPTOS 2G)

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 26 BRITE (OPTOS 2G): MISIÓN

INTA participa en Programa BRITE (financiación PNE Fase A)

¾ 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 Asterosismología •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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 27 BRITE (OPTOS 2G): MEJORAS

Subsistema Potencia: mejorar capacidades de la plataforma ¾ Aumento superficie de paneles [8‐15 W] ¾ Nueva tecnología de batería: LI‐PO ¾ Sistema de despliegue de paneles (será probado en XATCOBEO)

Estructura y mecanismos: optimizar configuración interna ¾ Solo unaestructuraexternabasadaen vigas de alumino, incrementando el volumen disponible

ADCS: mejorar precisión y estabilidad ¾ 4 ruedas de reacción ¾ 4‐5 sensores solares ¾ 1 star tracker

TTC: capacidad full duplex y aumento data rate ¾ UHF transceiver ¾ S band transmitter

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 28 BRITE (OPTOS 2G): VISTAS

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 29 BRITE (OPTOS 2G): SUBSISTEMAS (I)

•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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 30 BRITE (OPTOS 2G): SUBSISTEMAS (II)

•TTC: 3 arquitecturas RF independientes

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

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

• 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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 33 XATCOBEO: 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

• 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

Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©César Martínez Fernández 35 XATCOBEO: VISTA EXTERNA

• 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 IMPLICACIÓN PLANTEARSE INICIAR UN IMPLICACIÓN ALUMNOS PROYECTO CUBESAT PROFESORES

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