Evaluación de confiabilidad en clusters de CubeSats para observación terrestre.

Abstract

El ascenso de los CubeSats, junto con la reducción significativa en los costos de lanzamiento, han permitido avances significativos en la miniaturización tecnológica en satélites con componentes más económicos y compactos, lo que ha aumentado el acceso al espacio para nuevas instituciones y países. Esto ha llamado la atención de agencias y empresas tradicionales, ya que, actualmente los utilizan como plataforma geomática debido a la creciente demanda de datos e imágenes de la superficie terrestre; y a la rapidez de desarrollo, producción y lanzamiento que estos permiten, difícil de lograr con un satélite monolítico. Sin embargo, uno de los principales problemas de los CubeSats es su alta tasa de fallas y la restricción de espacio disponible. A pesar de la falta de datos útiles para estimar su confiabilidad, los autores han desarrollado metodologías de cálculo y han señalado formas de mitigar las fallas. En este contexto, las misiones satelitales distribuidas (DSM) aparecen como una nueva forma de resolver el uso de los CubeSats para misiones de observación terrestre y mejorar la confiabilidad del sistema espacial, junto con otras estrategias de mitigación de riesgos. De tal manera, el objetivo de este trabajo es estimar y evaluar la confiabilidad y los parámetros de ingeniería de sistemas para unidades bus y segmentos espaciales de clusters de CubeSats de diferentes configuraciones mediante simulaciones y análisis de estrategias de mitigación de riesgos. Para ello, se realizó un estudio del estado del arte y se construyó una arquitectura que simula y estima la confiabilidad y los parámetros de ingeniería de sistemas (masa, volumen y costo) para diferentes unidades bus y segmentos espaciales de clusters de CubeSats, utilizando diferentes estrategias de redundancia y mitigación de riesgos en el segmento espacial. La arquitectura implementada considera un segmento espacial tipo cluster, compuesto por elementos iguales tipo CubeSats, cuyo número depende del área a cubrir. A su vez, cada elemento se compone de equipos denominados bus y payload. Se compararon el espacio y la masa disponibles del elemento junto con el costo del proyecto en un tradespace. Además, utilizando como base los diagramas de bloques de confiabilidad (RBD), específicamente el sistema k-out-of n, se estimó la confiabilidad del segmento espacial a partir de las curvas del elemento. Una vez construida la arquitectura, se evaluaron las distintas estrategias de mitigación y sus efectos en la confiabilidad y costo total del segmento, así como en la masa y volumen disponibles de cada elemento.

The rise of CubeSats, along with the significant reduction in launch costs, has enabled significant advances in technological miniaturization on satellites with cheaper and more compact components, increasing access to space for new institutions and countries. This has caught the attention of traditional agencies and companies, which use them as a geomatics platform due to the growing demand for data and images of the earth's surface; and the speed of development, production and launch that these allow, difficult to achieve with a monolithic satellite. However, one of the main problems of CubeSats is their high failure rate and the restriction of available space. Despite the lack of useful data to estimate their reliability, the authors have developed calculation methodologies and pointed out ways to mitigate failures. In this context, distributed satellite missions (DSMs) appear as a new way to solve the use of CubeSats for Earth observation missions and improve the reliability of the space system, along with other risk mitigation strategies. Thus, the objective of this work is to estimate and evaluate the reliability and engineering parameters of systems for bus units and spatial segments of CubeSats clusters of different configurations through simulations and analysis of risk mitigation strategies. To this end, a state of-the-art study was conducted, and an architecture was built that simulates and estimates the reliability and systems engineering parameters (mass, volume and cost) for different bus units and space segments of CubeSat clusters, using different redundancy and risk mitigation strategies in the space segment. The implemented architecture considers a cluster-type spatial segment, composed of CubeSats type equal elements, whose number depends on the area to be covered. In turn, each element is composed of equipment called bus and payload. The available space and mass of the element are compared with the cost of the project in a tradespace. In addition, using as a basis the reliability block diagrams (RBD), specifically the k-out-of-n system, the reliability of the spatial segment was estimated from the curves of the element. Once the architecture was built, the different mitigation strategies and their effects on the reliability and total cost of the segment, as well as on the available mass and volume of each element, were evaluated.