Projeto ITASAT-1 - Plataforma Experimental Para Missões de Comunicações e Imageamento com Nanosatélites.
Olá leitor!
Trago agora
para você um artigo escrito pelo Major Eloi Fonseca, professor do Instituto
Tecnológico de Aeronáutica (ITA) e Coordenador do projeto do nanosatélite
ITASAT-1, escrito para esclarecer melhor para sociedade as ações deste projeto em
resposta ao artigo “AEB Enterra “ITASAT” Após Gastar R$ 15 milhões no Projeto” escrito
pela diretória do SindCT e postado na edição de agosto do Jornal do SindCT.
Duda Falcão
Projeto ITASAT-1 - Plataforma Experimental Para Missões de Comunicações e
Imageamento com Nanosatélites.
Por Major
Eloi Fonseca - ITA
08/09/2014
Dentro de
uma proposta inicial de apresentar o projeto ITASAT-1, o contexto geral do
projeto será exposto neste artigo, sendo periodicamente enviados detalhes dos
experimentos e fases em andamento da integração e testes dos sistemas.
O projeto ITASAT até meados de 2013 visava o desenvolvimento de um
microsatélite com dimensões aproximadas de 50 cm de aresta e peso até 80 kg.
Nesta configuração todos os subsistemas seriam projetados, desenvolvidos,
integrados e testados por alunos. Os requisitos de projeto eram rígidos, muito
próximos a requisitos operacionais, que incluíam técnicas de redundância em hardware e em software, além de utilização de componentes qualificados para
aplicações espaciais, com tolerância a radiação.
Neste contexto o projeto se
mostrou pouco viável em termos de cronograma uma vez que o projeto conta com
mão-de-obra rotativa (estudantes de graduação em sua maioria) e com pouca
experiência em projetos, e custo, pois, a aquisição de componentes qualificados
espacialmente tem custo elevado (da ordem de até 100x o custo de um componente
equivalente comercial), e em muitos casos a aquisição destes componentes não é
possível para o mercado brasileiro devido a embargos internacionais.
Tendo em vista estas dificuldades e procurando adequar o projeto
as tendências internacionais de projetos de pequenos satélites e considerando
também demandas para aplicação de pequenos satélites em missões estratégicas de
defesa para o Brasil, foi proposta a mudança da arquitetura do satélite, para
seguir o padrão de cubesats (acrônimo
de cube e satellites).
Nesta nova configuração o satélite ITASAT-1 é um satélite padrão
6U, com massa estimada em até 8 kg. Os subsistemas do satélite são em sua
grande maioria componentes comerciais disponíveis para aplicação espacial e o
foco do projeto passa a ser a engenharia de sistemas, integração e operação do
satélite.
O desenvolvimento de projetos de satélites em universidade nos
últimos anos tem dado destaque ao desenvolvimento de pequenos satélites, em especial
cubesats A utilização de cubesats tem recebido inclusive destaque
em operações comerciais para prova de conceito ou tem sido objeto de estudo de
grandes agências internacionais, como a Nasa e ESA. Os cubesats são definidos segundo um padrão 1U, que é um cubo de 10 cm
de aresta e a partir destas medidas pode ser derivado em 1U, 2U, 3U, 6U e
outros. Sua aplicação tem sido bastante explorada e atualmente existe uma
padronização para os cubesats até 3U.
Juntamente com filosofia de cubesats
surgiu também a filosofia de padronização de placas de circuito impresso,
equipamentos, protocolos de comunicação para serem utilizados em conjunto, e
neste contexto várias empresas oferecem produtos comerciais para aplicação
espacial, tais como ESL, GOMSpace, ClydeSpace, Tyvak, ISIS entre outros.
A proposta deste artigo é apresentar o projeto ITASAT em sua
configuração atual.
II. A Missão ITASAT-1
O projeto ITASAT faz parte das ações a Agência Espacial Brasileira
(AEB) para fomentar projetos na área espacial. A missão do primeiro satélite do
projeto, o ITASAT-1, é principalmente capacitar recursos humanos para projetos
de aplicação espacial. Para atingir este objetivo o foco do projeto não é
desenvolver os subsistemas do satélite, mas sim integrar soluções disponíveis
de modo a atender os requisitos de projeto, dentre os quais pode-se destacar:
* Vida útil de 1 ano em órbita LEO;
* Estar de acordo com o código de conduta para mitigação de
detritos espaciais;
* Redução de volume e massa, devido a custos de lançamento;
* Custo para finalização do projeto limitado;
* Janela de lançamento para o segundo semestre de 2015;
* O satélite deve servir de plataforma para futuras missões
estratégicas;
* Uma das cargas úteis deve ser um transponder de coleta de dados desenvolvido pelo INPE CRN;
* Receber os dados de telemetria dos demais experimentos e status
do satélite;
* Equipe de desenvolvimento limitada a 10 estudantes; e
* Permitir o teste de cargas úteis em voo
Características da missão
Vida útil
|
1 ano
|
Peso
|
< 8 kg
|
Dimensões
|
100 x 226,3 x 340,5 mm
|
Controle de Atitude
|
Estabilizado
em 3 eixos
Atuadores:
Magneto torqueadores e rodas de reação
Sensores:
sensor solar, magnetômetros e girômetros
|
Controle Térmico
|
Passivo
(a ser confirmado após análise térmica)
|
Comunicação
|
VHF, UHF and S-Band
|
Supervisão
de bordo
|
Processador
dedicado com interfaces de expansão
|
Geração
de energia
|
Painéis
solares em 5 faces
Baterias
de Litium Ion
|
Estrutura
|
6U
|
Cargas
úteis
|
DCS /
GPS / Placa de sensores / câmera / experimento de comunicação com a
comunidade de radio amador
|
A vida útil de 1 ano define a altitude mínima que o satélite deve
ser lançado, o que em estudos preliminares mostra que a altitude mínima deve
ser cerca de 400 km de altitude.
Será considerada a relação área/massa para realizar o decaimento
natural do ITASAT e atender o código de conduta. Esta condição limita a
altitude máxima que o satélite pode ser lançado para que o mesmo reentre na
atmosfera terrestre e se queime dentro do prazo de 25 anos após a vida útil.
Estudos preliminares mostram que esta altitude é de aproximadamente 600 km de
altitude
Grafico 1 – Projeção de decaimento do satélite
Um fator importante a ser analisado na missão é a análise de tempo
de contato para uma órbita LEO. Esta análise é importante para determinar a
quantidade de dados de telemetria que poderão ser recebidos pelo segmento solo.
Fator importante para o dimensionamento correto da memória de massa e para a
alocação adequada de memória para cada um dos equipamentos do satélite e cargas
úteis. Para uma altitude de 400 km em média o tempo de contato é de 470 s e o
máximo será de 600 s. Para uma altitude de 1000 km em média o tempo de contato
é de 800 s e o máximo será de 1000 s.
Outro fator importante é para a órbita em função de
disponibilidade de lançamento polar, seja feita a análise de tempo de
iluminação e penumbra, como mostrado a seguir. Esta análise é importante para
determinar o pior caso para o subsistema de potência, onde a bateria deverá ser
usada com maior frequência e influencia na autonomia do satélite para executar
a missão.
Fig. 1 – Análise de tempo de
iluminação, penumbra e umbra
Para uma órbita LEO (de 400 km a 1000 km de altitude).
* 400 km
* iluminação: 57 minutos
* Umbra: 37 minutos
* Período orbital: o94 minutos
* 1000 km
* Iluminação: 71 minutos
* Umbra: 35 minutos
* Período orbital: a106 minutos
Outro aspecto importante de missão são os modos de operação do
satélite, que são influenciados diretamente pela capacidade de geração de
energia e autonomia do satélite, características das cargas úteis e requisitos
de operação.
A Fig. 2 mostra os modos de operação propostos para o ITASAT-1.
Fig. 2 – Modos de operação do ITASAT-1
III. Segmento Espacial – O Satélite
O segmento espacial é composto basicamente pelo satélite. Os
equipamentos e componentes do satélite ITASAT-1 foram selecionados para atender
os seguintes requisitos:
- Componentes comerciais que atendam ao padrão cubesat.
- Componentes com histórico de voo
- Componentes com compatibilidade com diversos fabricantes
A arquitetura proposta para o ITASAT-1 é apresentada na figura
abaixo:
Fig. 3 – Arquitetura do Projeto ITASAT
É importante ressaltar que o satélite ITASAT busca ser uma
plataforma flexível para diversas missões, e neste contexto busca-se uma
arquitetura modular em que se possa trocar componentes e cargas úteis
aproveitando-se o máximo possível do conhecimento já adquirido. Para manter
esta flexibilidade, procurou-se criar o conceito de Plataforma, onde estão os
subsistemas essenciais e comuns a todos os satélites e as cargas úteis ou
experimentos.
III.1. A Plataforma
A plataforma ou módulo de serviço do projeto ITASAT e seus
subsistemas são descritos a seguir:
* Subsistema de Estrutura e Térmico;
* Subsistema de Supervisão de Bordo;
* Subsistema de Controle de Atitude;
* Subsistema de Geração e distribuição de energia; e
* Subsistema de Telecomando e Telemetria.
Visando a necessidade de conversão de protocolo físico e logico,
interfaces de integração foram desenvolvidas permitindo adaptar as placas
microprocessadas como o computador de bordo aos requisitos de características
de periféricos e expansão de Entradas e saídas analógicas e digitais conforme a
necessidade do projeto. Estas placas estão sedo desenvolvidas em conjunto com a
UNISINOS.
Fig. 4 – Exemplo de uma interface de
expansão
III.2 As Cargas Úteis
Fig. 5 – Transponder de coleta de dados DCS
Fig. 6 – GPS ORION
Fig. 7 – Sensores
Fig. 8 – Camera 4Mpixels resolução 80m a 600km de altitude.
Serão realizados experimentos de comunicação com a comunidade de
rádio amadores, sobre o envio de pacotes de dados e sua difusão operando como
datarelay.
IV. Segmento Solo
O Segmento solo da missão ITASAT-1 deve ser divida em duas partes,
uma que diz respeito ao segmento solo da plataforma e outro específico da carga
útil DCS.
IV.1 Segmento solo da
Plataforma (TMTC)
Fig. 9 – Segmento solo – Estações de rastreio
Estação solo principal instalada no ITA. Software de Operação do Satélite
Cooperação com outras universidades, tais como Escola Politécnica
da USP, Universidade Federal de Santa Maria, Instituto Federal Fluminense e
toda comunidade de radio amador.
Fig. 10 – Diagrama em Blocos da Estação solo instalada no ITA.
IV.2 Segmento solo DCS
Fig. 11– Estações de Rastreio do DCS
Fig. 12 – Plataformas de coleta de dados
espalhadas pelo
território brasileiro.
VI. Apresentação do Lay-Out
A estrutura do ITASAT-1 esta documentada com todas as placas,
estrutra externa, painéis solares e
antenas de forma a permitir a construção de um plano de integração modular,
cada módulo é integrado individualmente e após esta integração física e testes
do módulo é realizada a montagem na estrutura externa.
Fig. 13– Projeção em perspectiva do ITASAT-1 com Painéis Solares
Fig. 14– Projeção em perspectiva do ITASAT-1 sem os Painéis
Solares
Fig. 15– Projeção em perspectiva de um dos módulos individuais
Fig. 16– Projeção em perspectiva da distribuição dos módulos na
estrutura 6U
VI. Conclusões
O projeto ITASAT tem como principal proposta treinar mão de obra e
recursos humanos para projetos em setores espaciais. O foco principal do
projeto é aplicar a engenharia de sistemas para integração de soluções
comerciais de modo a atender as necessidades da missão. Outro foco é o
desenvolvimento do software de bordo o desenvolvimento de filosofias e planos
de integração e testes.
Outro fator importante do projeto é provar que é possível utilizar
pequenos satélites em missões estratégicas, como por exemplo, o experimento com
a comunidade de rádio amador, que irá permitir a troca de mensagens entre radio
amadores utilizando o satélite, permitindo que estes se comuniquem mesmo em
grandes distâncias, às vezes em outros continentes, ou por exemplo o uso de
pequenos satélites para missões de imageamento de pontos específicos do globo.
A vantagem do uso de pequenos satélites em face ao projeto de
satélites convencionais é o custo, menor prazo de desenvolvimento e maior
facilidade para lançamento. Pequenos satélites podem ser utilizados como
plataformas de teste de novas tecnologias a um menor custo, sem agregar riscos
as missões já estabelecidas.
Uma vez que o centro de missão está instalada no ITA e o software
de bordo e de operação do satélite serão desenvolvidos pela equipe de projeto,
capacita-se pessoal para operação de satélites, permitindo-se inclusive utilizar
a estação solo como treinamento prático de operadores. Ressalta-se que a
estação solo se encontra operacional e rastreando satélites como o
NanosatC-BR1.
Reportagem
da TV Novo Tempo sobre o Projeto
Excelente artigo, muito esclarecedor. Meus parabéns Eloi !
ResponderExcluirFicou no entanto uma dúvida. Eu pensava que as medidas máximas externas desses modelos múltiplos tinham que ser múltiplos de cubos com 10 cm de aresta.
Nota-se pela descrição e pelos desenhos que existem espaçadores entre os módulos, e "meio espaçadores" nas extremidades. A medida externa que eu esperava de um 6U era de 100 x 200 x 300 mm. Será que a medida máxima padrão só se aplica ao módulo único? Alguém pode esclarecer?
Ola Marcos Ricardo, sua pergunta foi bem interessante. O padrão adotado internacionalmente dos cubesats preve que as dimensões finais dependem da estrutura dos guias laterais de adaptação ao dispositivo mecânico chamado Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD),. A estrutura interna de cada modulo tem então 10cmx10cmx10cm, mas as colunas guia de sustentação ("rails" ou "tabs" dependendo do P-POD)fazem que as dimensões finais sejam dependentes do modelo de P-POD empregado, sendo apresentados abaixo alguns exemplos:
Excluirhttp://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1111&context=smallsat
http://www.cubesat.org/images/developers/cds_rev13_final.pdf
A titulo de curiosidade temos nos documentos dos sites citados:
1U: 10cmx10cmx11cm
2U 10cmx10cmx22,7cm
3U 10cmx10cmx34,5cm
6U 10cmx22,5cmx34,5cm
Espero ter ajudado a esclarecer.
Grato Eloi, muito esclarecedor, e os links tratam o assunto de forma bem detalhada.
ExcluirOlá hoje me deparei com uma noticia muito interessante, foi aprovado pela Argentina um acordo com a China,que cede a China uma área de 200 hectares em Neuquén, para construção de uma base espacial, o acordo tem vigência de 50 anos.
ResponderExcluirneste site no fim da matéria tem os pdf do acordo
http://goo.gl/JG3eAf
Este um Vídeo da Infobae onde eles discutem a situação
http://goo.gl/7m51c1
Abraços
Só para não criar expectativas erradas, que fique claro que o termo "estación espacial" em espanhol, nesse contexto, se refere a uma estação de rastreio e coleta de dados que deverá fazer parte de uma rede de estações que vai cobrir as futuras missões chinesas à Lua.
ExcluirFazem eles muito bem, vão instalar equipamentos de ponta e os argentinos podem se beneficiar aprendendo a lidar com eles.
A função primordial hoje do CLBI é exatamente essa. Uma estação de rastreio e coleta de dados, muito mais que um centro de lançamento, devido às limitações conhecidas.
Bom, essa notícia já está gerando reações e repercutiu por aqui também:
ExcluirConstrução de base de pesquisa espacial chinesa irrita argentinos.
Isso mesmo, o "x" da questão é a reação dentro da Argentina, por causa do tempo de vigência do acordo 50 anos, e com receio que os chineses usem a base para fins militares,e isso azede mais a já tortuosa relação Argentina X EUA.
ExcluirAbraços
Olá leitores!
ResponderExcluirAproveito para parabenizar ao Major Eloí Fonseca e sua equipe de alunos pelo projeto e principalmente pela sua postura como educador e servidor público, já que demonstra ter respeito pelas pessoas e uma grande preocupação com a transparência, postura esta correta e bem diferente, por exemplo, da experiência vivida pelo Blog com a Coordenadora do misterioso Projeto SERPENS da AEB. Mas enfim...
Abs
Duda Falcão
(Blog Brazilian Space)