Cat-1: El Primer Satèl·lit Català · Dept. de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat...

©A. Camps, Universitat Politècnica de Catalunya, Aules d’Extensió Universitària, Curs 2014-2015 1

Adriano Camps

Catedràtic d’Universitat

Dept. de Teoria del Senyal i Comunicacions,Universitat Politècnica de Catalunya-Barcelona Tech, 08034 Barcelona, España

Remote Sensing Lab: http://www.tsc.upc.edu/prsNanoSat Lab: http://www.tsc.upc.edu/nanosatlab

E-mail: [email protected]

3Cat-1: El Primer Satèl·lit Català

...d’una –esperem– llarga sèrie!

http://www.tsc.upc.edu/prs

http://www.tsc.upc.edu/nanosatlab


Índex:

El procés de “democratització” de l’espai:

1. Satèl·lits Artificials i Principals Aplicacions2. Una nova revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al

2013 segons el Fòrum Econòmic Mundial3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits

La UPC i l’espai:

4. La UPC i els Nano-satèl·lits5. El 3Cat-16. El 3Cat-2 7. El 3Cat-38. Conclusions i tendències futures


1. Satèl·lits artificials i Principals Aplicacions (i)

Sputnik: 1er satèl·lit artificial llançat per la URSS el 4/10/1957

Les òrbites dels satèl·lits: obeeixen les "Lleis de Kepler"

• Òrbita el·líptica (o circular): primari en un dels focus

• Escombrant àrees iguals en temps iguals

• Amb un període orbital 𝑻 ∝ 𝒂 𝟑 𝟐


1. Satèl·lits Artificials i Principals Aplicacions (ii)

L'aplicació determina la distància i orientació de l'òrbita:

Òrbita geostacionària (GEO)• Alçada 36.000 km• Període = 1 dia• Aplicacions:

Comunicacions Satèl·lits

meteorològics

Òrbita mitja (MEO)• Alçada ~20.000 km• Període ~ 12 h• Aplicacions:

Navegació per satèl·lit

Òrbites altament el·líptiques (HEO)• Part de l’òrbita a només uns

centenars de km ~LEO• Part de l’òrbita ~ GEO• Aplicacions:

Comunicacions a altes latituts

Satèl·lits espia


Òrbita baixa (LEO)• Alçada 400-1000 km• Període ~ 100 min• Aplicacions (cobertura global):

Comunicacions Observació de la terra (Teledetecció)

1. Satèl·lits Artificials i Principals Aplicacions (iii)

Monitorització del clima i predicció del temps impliquen mesurar una sèrie de variables geofísiques:

• Terra: pluja, vegetació, temperatura superficial, humitat del terreny, inundacions, terratrèmols, incendis, neu...• Oceans: velocitat del vent, temperatura, salinitat, nivell del mar, cobertura gel, algues...• Atmosfera: núvols, pluja, gel, perfils de temperatura, pluja, gel, composició atmosfèrica, aerosols, O3...

Satèl·lits “petits” amb poca potència

hauran d’estar en òrbites baixes


La Teledetecció: Tipus de Sensors

Actius:

Passius:

FreqüènciaMicroones Òptiques

RADAR LIDAR

Radiòmetres Microones Radiòmetres Òptics

[http://web.physik.uni-rostock.de/

cluster/students/fp3/lidar_en.html]

[http://www.srh.noaa.gov/srh/

sod/radar/radinfo/radinfo.html]

[http://lcogt.net/spacebook/black-body-radiation][http://dusty.physics.uiowa.edu/~goree/

teaching/thermal.html]

[http://www.smos-bec.icm.csic.es/

south_america_seen_by_smos]

1. Satèl·lits Artificials i Principals Aplicacions (iv)


La Teledetecció: Tipus de Sensors Passius utilitzant senyals d’oportunitat: p. ex. TV, senyals dels satèl·lits de navegació (GPS, Galileo...), etc.

GNSS-R GNSS-RO

1. Satèl·lits Artificials i Principals Aplicacions (v)

Satèl·lits “petits” amb poca potència hauran de portar sensors “passius”


[http://forumblog.org/2013/02/top-10-emerging-technologies-for-2013/]

2. Un Nova Revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al 2013 (i):

“New challenges need new technologies to tackle them. Here, the World

Economic Forum’s Global Agenda Council on Emerging Technologies

identifies the top 10 most promising technology trends that can help to

deliver sustainable growth in decades to come as global population and

material demands on the environment continue to grow rapidly.

These are technologies that the Council considers have made development

breakthroughs and are nearing large-scale deployment.”

http://forumblog.org/2013/02/top-10-emerging-technologies-for-2013/


1. On Line Electric Vehicles (OLEV)

2. 3-D printing and remote manufacturing

3. Self-healing materials

4. Energy-efficient water purification

5. Carbon dioxide (CO2) conversion and use

6. Enhanced nutrition to drive health at the molecular level

7. Remote sensing

8. Precise drug delivery through nanoscale engineering

9. Organic electronics and photovoltaics

10. Fourth-generation reactors and nuclear-waste recycling

[http://forumblog.org/2013/02/top-10-emerging-technologies-for-2013/]

2. Un nova revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al 2013 (ii):

http://forumblog.org/2013/02/top-10-emerging-technologies-for-2013/


“The increasingly widespread use of sensors

that allow often passive responses to external

stimuli will continue to change the way we

respond to the environment, particularly in the area of health.

Examples include sensors that continually monitor bodily function – such as

heart rate, blood oxygen and blood sugar levels – and, if necessary, trigger a

medical response such as insulin provision.

Advances rely on wireless communication between devices, low power-

sensing technologies and, sometimes, active energy harvesting.

Other examples include vehicle-to-vehicle sensing for improved safety on the

road.”

2. Un nova revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al 2013 (iii):


1. La era de l’ “ubiquitous sensing” ja ha començat gràcies a la proliferació de dispositius sense fils (p. ex. smartphones, no només dades de satèl·lit!).

2. La Internet of Things (IoT): identificació única dels objectes i la seva representació virtual en una estructura del tipus internet RFIDs i d’altres etiquetes ràdio

3. Energy harvesting (recol·lecció d’energia de l’ambient vida infinita)

2. Un nova revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al 2013 (iv):


Tele- (para-) detecció “ubiqua”

• Sensors sense fils

• Internet of Things (IoT)

• Recol·lecció d’energia

Smart “tot”

(Smart cities)

2. Un nova revolució: Les “top 10” tecnologies emergents al 2013 (v):Vers un món més “intel·ligent?

Satèl·lits “petits”

seran part

integrant de les

infrastructures de

les smart cities...


NASA P3

DLR Dornier

ICGC Cessna Caravan

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (i)Teledetecció aerotransportada (passat i present)

• Plataformes tripulades• Operades de manera independent

JPL Drone

UPC R/C aircraft

[http://spatialintel.blogspot.com.es/2012/09/

uav-new-revolution-in-remote-sensing.html]

Draganflyier

• Futur: constel·lacions d’UAVs

• UAVs independents


SMOS

• Satèl·lits operats de manera independent (intents de coordinació GEOSS)

3. Tendèncias Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (ii)Teledetecció espacial (passat i present)

La constel·lació “A-Train”

La constel·lación “COSMIC”

• Futur: constel·lacions de micro- i nano-satèl·lits• Per limitacions de potència: òrbites LEO i sensors PASSIUS ÒPTICS i MICROONES


Earth Observing Instruments

[2000-2020]Global Cumulative and New EO Satellites

[2010-2020]

National Imperatives for Earth and Climate Science, Berrien Moore III, Ph.D.

[http://www7.nationalacademies.org/ocga/testimony/Natl_Imperatives_for_Earth_and_Climate_Science.asp]

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (iii)


Característiques de les dades de Teledetecció:• Millor resolució espectral i radiomètrica, espacial i temporal de las observacions millora resolució temporal es crítica per a aplicacions de “smart cities”, seguretat...

Noves tendències tecnològiques:

• Miniaturització de l’electrònica i us de tecnologies MEM

• Computació a bord d’altes prestacions:

reducció volum de dades a transmetre (p. ex. només els canvis)

• Estructures més grans i lleugeres

• Més potència disponible (teledetecció activa microones i LIDAR)

& passiva fent servir senyals d’oportunitat

(1 transmissor + múltiples receptors)

• Òptiques compactes

• Us més eficient de l’espectre disponible (Software Defined Radio)

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (iv)


Futurs Sensors: Nano-sats i Wisp-Sats

• “Tot” desapareixerà, excepte aquelles estructures la mida de la qual vingui determinada per les Lleis de la Física (p. ex. dimensions d’un telescopi)

• Sensorweb: resultat de l’inter-connexió de constel·lacions d’un gran nombre de petits satèl·lits, potents, però més econòmics...

…però també de noves plataformes aerotransportades (UAVs) o transportables (globus aerostàtics o dirigibles) per a augmentar local o regionalment el segment espai.

[Earth Remote Sensing Technologies in the Twenty-First Century, J. Hartley, NASA ESTO

http://esto.nasa.gov/conferences/igarss03/papers/TU091640_hartley.pdf]

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (v)


Satèl·lits petits vs. grans:

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (vi)


Requeriments:

Regió de viabilitatper als

nanosats

100 m 10m 1m 0.1 m 0.01 m

3. Tendències Actuals en Teledetecció i en Petits Satèl·lits (vii)


• Participació exitosa en projectes espacials, però puntual, sense interconnexions.

• 2006-2007: Profs. J. Ramos y A. Camps preparen un full de ruta para dos projectes

tractors (àrees espai i aeronàutica)

• 2007: Prof. A. Camps dtor. Centre de Recerca de l’Aeronàutica i de l’Espai (CRAE)

• Se inicien els contactes amb instituts aeroespacials per a desenvolupar un nano-satèl·lit,

però no prosperen.

• 2007: se inicien les activitats del 3Cat-1 en la UPC, tot i que sense finançament ad hoc.

• La ESA ofereix 6 llançaments d’oportunitat per a CubeSats fets per a estudiants

• En el QP 2012 se inicia la assignatura de “Projecte Avançat d’Enginyeria” (PAE) ofertant

un Projecte titulat “Càrregues Útils i Subsistemes de Petits Satèl·lits”. Prof. E. Alarcón s’afegeix

al projecte dintre de l’assignatura de PAE.

• 2012: Prof. Juan Ramos dtor del Centre de Tecnologies Espacials (successor del CRAE)

• Al QP 2013 s’inaugura el UPC NanoSat Lab: www.tsc.upc.edu/nanosatlab

(no finançament oficial, finançat amb romanents convenis, ajut cofinançament infrastructura)

• En 2013: Google grant per a ús d’Smart phones Android com a plataformes per a nano-sats

4. La UPC i els Nano-satèl·lits (i): Introducció Històrica

http://www.tsc.upc.edu/nanosatlab


CubeSat Kit

L’estàndard CubeSat: 1U CubeSat Concebut a principis dels 2000 pels Profs. Bob Twiggs i J. Puig-Suari S’ha convertit en un estàndard “de facto” Pumpkin: el “CubeSat Kit”

Dimensions: 10 cm x 10 cm x 10 cmPes: < 1.3 kgPotència: mitja: ~1 W

pic: ~2-3 W

P-POD

4. La UPC i els nano-satèl·lits (ii):


El kit de desenvolupament de CubeSat (Pumkin) ja té la major part dels subsistemes d’un satèl·lit:

1U Cubesat admet 5 PCBs estàndard

2U i 3U CubeSats admeten més

El kit de desenvolupament inclou: Estructura esquelet On Board Computer (FM430) MHX Transceptor (920 o 2400 MHz) EPS lineal (font d’alimentació)

NO inclou: Panells solars (muy caros ~15 -30 K€ !) Antenes Payload (càrrega útil: 1 PCB)

4. La UPC i els Nano-satèl·lits (iii):


Han aparegut companyies als EEUU i Europa que fabriquen i distribueixen subsistemes(Pumkin, ISIS, GomSpace…), o inclus gestionen els llençaments a l’espai!

També disponibles al mercat (Pumpkin):Panells solars (Clyde Space) Magnetòmetres ADACS (~55 K€) GPS (SGR-05 ~10 K€) etc.

(e.g. MK-II SSTL) (e.g. IMI 100 Pumpkin)

… però no hi cap tot en un CubeSat d’1U, ni tot s´pon flors i violes!! NO ÉS UN KIT!!

EPS Linial On Board Computer MSP 430

4. La UPC i els Nano-satèl·lits (iv):


El disseny, construcció i test d'un CubeSat de 1U costa 50-100 K €El llançament d'un CubeSat de 1U costa entre 80-100 K €

Són joguines cares o veritables missions científiques?

Car? El concepte de car és relatiu ...

Portem formats: 3 doctorands, nombrosos estudiants de PFC i màster, i més de 80 estudiants d'enginyeria.

Veritables missions científiques i demostradors tecnològics?Rotundament sí.

Passem d'una aproximació híbrida (comprar EPS, OBC, COMS i estructura) a usar només una

estructura comercial i dissenyar i qualificar tota la resta de subsistemes.

4. La UPC i els Nano-satèl·lits (v):


4. La UPC i els nano-satèl·lits (vi): El NanoSat Lab – Testing Facilitieshttp://www.tsc.upc.edu/nanosatlab/


5. El 3Cat-1 (i): El CubeSat conegut amb més demostradors tecnològics

Estructura = 1U CubeSat Demostradors tecnològics:

• Generació de potència a partir de gradients tèrmics mitjançant dispositius TEC

• Nous dissenys de cèl·lules solars (CellSat)• Sensor MEM d'oxigen mono-atòmic• Transistor de grafè• Giròscop i IMU comercials (MEMS)

Petits experiments científics:• Càmera VGA visible FOV = 15• Contador Geiger• Estudi de l'efecte del plasma en la

transferència d'energia per acoblamentmagnètic ressonant.

UPC DEE – CellSat Compt. Geiger VGA Cam

Transceptor RF


Part superior de la 2ª PCB

5. El 3Cat-1 (ii):

Part inferior de la 2ª PCB


Font d’alimentación o EPS (3ª PCB):cara superior cara inferior

5. El 3Cat-1 (iii):


5. El 3Cat-1 (iv):

Ordinador d'abord (comercial, adaptat i qualificat per espai) la 4a PCB


Sistema de desplegament de bobines(experiment de Wireless Power Transfer) 5ª PCB

Transistor de grafé encapsulat(5ª PCB)

5. El 3Cat-1 (v):

Sensor MEM oxígen mono-atòmic(5ª PCB)


Integració de panells solars

5. El 3Cat-1 (vi):


Flat Sat

5. El 3Cat-1 (vii):


Integració física – panells solars i desplegables

5. El 3Cat-1 (viii):


5. El 3Cat-1 (ix):

Llençament previst Juliol 2015 a bord d'un Falcon-9 de SpaceX

(Patrocinat per l’Institut d’Estudis Espacial de Catalunya: )


Estació de seguiment de satèl·lits EC3RCU: EC3 "Radio Club UPC"

• Bandes UHF i VHF instal·lades• Pendent instal·lar receptor en banda S• Autònoma + control remot• Part del programa GENSO de l'ESA (aturat)

5. El 3Cat-1 (x): (Patrocinada per l’ETSETB i pel Dept. TSC per temesacadèmics)


6. El 3Cat-2 (i): Misió Experimental de GNSS-R i GNSS-RO

BEXUS 17 (2013) i 19 (2014)

• Campanya en globus estratosfèric

patrocinada per DLR, SSC i ESA.

• Provar nous conceptes en GNSS-R.

• Prototip de l'instrument PYCARO,

càrrega útil GNSS-R del 3Cat-2.

• Primera captura del món de

senyals GNSS (GPS, GALILEO i

GLONASS) reflectides a terra a

dues freqüències i polaritzacions.


6. El 3Cat-2 (ii): Misió Experimental de GNSS-R i GNSS-RO


Up-looking antenna

Down-looking antenna

6. El 3Cat-2 (iii): Misió Experimental de GNSS-R i GNSS-RO


6. El 3Cat-2 (iv):

Llençament previst finals 2015 - principis 2016possiblement a bord d'un Long March IID de CGWIC (Xina)(Patrocinat pel porjecte Europeu E-GEM del programa marc FP7)


• 6 U CubeSat: imatges de 80 x 60 km, multiespectrals 4 - 5 bandes, i 5-10 m de resolució.

• Alta escalabilitat, constel·lació de nano-satèl·lits

• Temps de revisita reduït• Monitorització de boscos i conreus, i

altres aplicacions per Smart Cities.• En fase d'estudi de viabilitat.

7. El 3Cat-3: Missió Multi-Espectral Òptica de Mitjana-Alta Resolució


8. Conclusions …

• Revisió de conceptes bàsics de satèl·lits artificials, òrbites i

aplicacions

• Revisió de noves tecnologies disruptives que ja estan canviant la

manera d'entendre el món: Internet Of Things, posicionament,

teledetecció ubiqua, energy harvesting...

• Revisió de les tendències actuals en teledetecció: cap constel·lacions

de nano- i micro-satèl·lits en òrbites baixes per reduir el temps de

revisita (única alternativa econòmica viable)

• Revisió de les activitats a UPC en temes de nano-satèl·lits, incloent

el Nanosat Lab, l'assignatura de PAE, i els 3Cat-1, 3Cat-2 y 3Cat-3


8. ... i Línies Futures: de les Constel·lacions de Satèl·lits (5/2014)


8. ... i Línies Futures: a les Constel·lacions de Nano-satèl·lits (1)

Llençament a partir de 2015!


Són cars?Són 100 vegades més barats que els convencionals i buscant solucions per abaratir-los encara més.Són veritables missions científiques o demostradors tecnològics?Sí, i expandint-se a altres demostradors tecnològics, indústria química, farmacèutica i experiments biològics

8. ... i Línies Futures: a les Constel·lacions de Nano-satèl·lits (2)


8. ... i més Línies Futures: abaratint els llançaments ...... des d'un Mig29 (2016!)

Celestia AerospaceLlençament de 4 o 16 1U CubeSatsdes d’un Mig29 (2016).

Generation OrbitSistema GOLauncher 2 per al llençament de petits satellits des de 2.5 M$ (2016).

http://www.celestiaaerospace.com/ [http://www.thespacereview.com/article/2577/1]


Moltes gràcies per la vostre atenció!

3Cat-1 3Cat-2 3Cat-3

Cat-1: El Primer Satèl·lit Català · Dept. de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat...

Documents

Transcript of Cat-1: El Primer Satèl·lit Català · Dept. de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat...