Diseño conceptual de arquitecturas para misiones espaciales de observación de la tierra desde órbita baja en base a CubeSats.

Abstract

En la era del New Space, la economía espacial y el surgimiento de empresas privadas ha sido creciente. Surgen enfoques innovadores para la exploración espacial, el despliegue de satélites y las actividades espaciales comerciales. A través de los recientes avances en la miniaturización de los componentes comercial-off-the-shelf (COTS), se han impulsado las misiones de small satellites basados en el estándar CubeSat. Los CubeSats han demostrado ser de gran utilidad para la industria aeroespacial, ya que estos son capaces de cumplir muchas de las tareas de los satélites tradicionales, a un costo mucho menor y con un alto valor potencial en términos de rendimiento científico e ingresos comerciales. El principal objetivo de esta memoria desarrollar una arquitectura lógica de misión espacial en base a CubeSats para observación de la Tierra desde órbita baja, a través de parámetros de desempeño para el Bus y el Payload y su evaluación a través un caso de estudio. Para esto se definen los subsistemas del segmento espacial de la misión y se dimensionan los systems engineering envelopes para un CubeSat bus de 1U, 2U y 3U. Luego se evalúa el enlace de comunicaciones entre el CubeSat y la estación terrestre. Y, por último, se cuantifican algunas de las medidas de desempeño del CubeSat payload y el enlace de comunicaciones. Para lograr esto se adopta la filosofía de metodologías ágiles a lo largo del trabajo. A través de una revisión del estado del arte de los componentes (COTS) se definen las capacidades para 3 CubeSats bus (1U, 2U y 3U). Al identificar los componentes y diseñar el enlace de comunicación, se calculan los parámetros del enlace y los efectos de propagación correspondientes, para las frecuencias de banda evaluadas y los parámetros orbitales de interés. Se logra obtener un enlace que cierra para todos los casos, probando que los parámetros de comunicación elegidos son válidos. Se selecciona un payload acorde a los objetivos de la misión y se calculan sus parámetros de desempeño con relación a los requerimientos de esta memoria. De esta forma se obtienen los valores de las tasas de generación de datos. Por último, se realiza una simulación orbital a través de FreeFlyer para el análisis de casos de estudio. De donde se obtiene que las bandas VHF y UHF no tienen las capacidades necesarias para cumplir con el objetivo de descargar los datos generados. Por otro lado, la banda S tiene diversos resultados: a 300 [km] en una órbita ISS, es necesario tener un data rate de 56 Mbps para lograr descargar todos los datos generados en una sola estación terrestre; generando un aumento de la potencia consumida por el satélite y aumentando el costo de este al tener que integrar paneles solares desplegables. Y para una órbita SSO a 600 [km], dependiendo del tiempo de la misión, puede ser necesario agregar una segunda estación terrestre para cumplir el objetivo.