Conferència realitzada el 27 de novembre de 2017, en el marc del cicle: VISIONS DE LA CIÈNCIA - La cursa espacial.

1. “El nou model aeroespacial”
Jordi Berenguer i Sau
Dr. Enginyer deTelecomunicació
Departament deTeoria del Senyal i Comunicacions
jordi.berenguer@upc.edu
Barcelona, 27 de novembre de 2017
VISIONS DE LA CIÈNCIA
La cursa espacial

2. Quan pensem en l’espai

3. Satèl·lits artificials
ELS PETITS SATÈL·LITS DETELECOMUNICACIÓ
ELS GRANS SATÈL·LITS DETELECOMUNICACIÓ

4. Satèl·lits per a moltes coses....
• De comunicacions:
• Televisió
• Telefonia
• Internet, dades
• Navegació
• Search and Rescue
• Comunicacions aeronàutiques, marítimes
• .....
GPS
ASTRAINMARSATCOSPAS-SARSAT

5. Satèl·lits per a moltes coses....
• D’observació de la terra:
• Meteorològics
• Radiometria
• Mediambiental
• Cartografia
• Seguretat
• Vigilància
• ....
METEOSAT
SMOS
Mesura de l’humitat del sòl, i de la salinitat del mar.
OBSERVACIÓ DE LATERRA

6. Satèl·lits per a moltes coses....
• D’observació i experimentació científica:
• Observació i exploració de l’espai
• Laboratoris de microgravetat
• Laboratoris fora de l’atmosfera
• Laboratoris bio
• ....
NanoRacks-Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat
(NanoRacks-MinXSS)
Solar variability energy is much more for x-ray radiation than
visible light; the sun constantly streams X-rays and other
invisible particles toward Earth, which can heat up the planet’s
atmosphere.
The University of Colorado Laboratory for Atmospheric
Space Physics (LASP) developed the NanoRacks-Miniature X-
ray Solar Spectrometer CubeSat (NanoRacks-MinXSS) to
better understand solar X-ray energy and how it affects the
layers of Earth’s upper atmosphere.
The small student-designed satellite launches from the
International Space Station via the NanoRacks CubeSat
Deployer (NRCSD) and measures variations in solar X-ray
activity, providing new insight into solar flares, the solar
corona and other solar phenomena.

7. Satèl·lits per a moltes coses....
SporeSat is an autonomous, free-flying spacecraft that will be used to conduct a
scientific experiment to investigate how germinating plant cells sense and
respond to gravity.The plants used in the experiment are single-celled spores of
the aquatic fern Ceratopteris richardii. Researchers are studying spores in space
to gain a more detailed understanding of molecular and biophysical mechanisms
for gravity sensing.
SporeSat was developed through a partnership between NASA’sAmes Research
Center and the Department of Agricultural and Biological Engineering at Purdue
University.
C. richardii spores sense and respond to gravity within hours after germination
starts. One of the earliest measurable gravity-directed events is a movement
of calcium ions through the germinating spores.On Earth, this calcium ion
current flows in the direction opposite Earth’s gravity—in through the bottom
and out through the top of each spore—biochemically distinguishing up from
down. During the SporeSat experiment the gravitational responses of the fern
spores to varying levels of gravity will be monitored by measuring the activity of
their calcium ion channels.
SporeSat
Investigating the Gravitational Threshold for Calcium Ion Channel
Activation using a Nanosatellite Platform-Based Lab-on-a-Chip

8. Què és un satèl·lit de comunicacions?

9. Blocs funcionals d’un satèl·lit
• Càrrega útil (payload)
• Definida en funció del tipus de missió del satèl·lit.
Càmeres, antenes, transmissors, etc.
• Motors
• Necessaris per ressituar el satèl·lit en la òrbita
assignada.
• Sistema de control de posició
• Sistema d’estabilització I de propulsió per mantenir
la orientació I la posició en l’òrbita assignada al
llarg de la vida útil del satèl·lit.
• Sistemes de potència
• Cèl·lules fotovoltaiques, per convertir la radiació
solar en energia elèctrica.
• Bateries, per emmagatzemar l’energia i
proporcionar-la quan la llum solar no arriba al
satèl·lit
• Sistemes de telemesura i de telecontrol
• Mantenen les comunicacions amb les estacions
terrestres, fan un monitorat del seu estat i
controlen els seus paràmetres.

10. On s’ubiquen els satèl·lits?
I per fer què?

11. Les òrbites:

12. I amb diferents períodes i velocitats orbitals...

13. Com s’hi arriba a l’òrbita?

15. Una operació molt costosa....
• Costos de disseny i fabricació del satèl·lit.
• Materials qualificats per espai
• Proves de resistència i fiabilitat molt complexes i rigoroses.
• Temps de disseny i fabricació molt llarg.
• Costos del llançament i posada en òrbita
• I amb molt de risc econòmic!
• ..../....
Actuació reservada a les grans agències
espacials (NASA, ESA), al estats, als
grans consorcis empresarials, o agents
per sectors especialitzats.

16. D’on venim...
Eutelsat 172BEutelsat 3BGalileo Full Operational Capability satellites
D’una gran complexitat:
• tècnica
• econòmica
• financera

17. Però el canvi ha arribat!
Què el motiva?

18. En els darrers temps
s’han experimentat
grans canvis
tecnològics ...
• La microelectrònica
• Els sensors òptics
• Els protocols de comunicacions
• Els transmissors
• Les modulacions digitals
• La miniaturització
• La capacitat de computació
• Els sistemes d’energia
• ....
Càmera principal - Resolució
Dual Pixel: 12 MP + 12 MP
VideoUHD 4k (3840 x 2160 píxels)@30 ips
Freqüència rellotge processador
2,3 GHz
Processador
Octa-Core
Sensors
Acceleròmetre, Baròmetre, Fingerprint,Giroscopi,
Giromagnètic,Gestual, Hall, HR, Proximitat, RGB, Sensor
iris, Pressió.
Bandes de transmissió
2G GSM
GSM850, GSM900, DCS1800, PCS1900,
3G UMTS
B1(2100), B2(1900), B5(850), B8(900)
4G FDD LTE
B1(2100), B2(1900), B3(1800), B4(AWS), B5(850), B7(2600),
B8(900), B12(700), B13(700), B17(700), B18(800), B19(800),
B20(800), B25(1900), B26(850), B28(700), B32(1500),
B66(AWS-3)
4GTDD LTE
B38(2600), B39(1900), B40(2300), B41(2500)
WiFi 2,4 GHz i 5 GHz / NFC / Bluetooth v5.0
MINIATURITZACIÓ
I
ABARATIMENT
DE
L’ELECTRÒNICA

19. Amb diferents alternatives per a la posada en òrbita
LEO de petits satèl·lits....
Globus estratosfèrics d’heli
http://www.zero2infinity.space/

20. Amb ignició des de l’estratosfera...
http://www.zero2infinity.space/
PAYLOADWEIGHT: UPTO 150 KG
ALTITUDE: UPTO 600 KM
• The rocket contains our customer's satellite. Once
the balloon with the payload reaches 22 km, the
three-stage rocket ignites, separates from the
balloon and reaches orbit. All parts are recovered
for inspection and eventual refurbishment.

21. Des d’avions estratosfèrics...
http://celestiaaerospace.com/services/ The Sagitarius Airborne Launch System
(SALS) is Celestia Aerospace’s signature
product. A tested system that combines a
military jet (MiG29UB) with a 2 or 3-stage
rocket that delivers the payload either to
suborbital flight or to orbit, depending on
the client’s requirements.

22. Reservant espai per nano satèl·lits en llançadores
com l’Ariane
FlightVS14, lifting off on April 25 of 2016, utilized Soyuz
to deploy the European Sentinel-1B radar-equipped
Earth observation platform, along with the French
Microscope scientific payload and Europe’s FlyYour
Satellite! educational cubesats;
ABARATIMENT DELS
COSTOS DE
POSADA EN ÒRBITA

23. Canvi de paradigma en l’accés a l’espai

24. Reducció de costos i de temps de disseny i posada
en òrbita,
... de centenars de M$ a ~1M$,
... de 10 anys a 1 any,
Oportunitats de mercat espacial
Nitxo : nano/microsats (3-100 kg)
Minisats(~250kg):
- Termini de desenvolupament llarg (~2 anys),
- Més cars (~$100M)
- Plataformes de llançament dedicades
MINI
~120 W
~500 kg
~1 m
MICRO
~80 W
~100 kg
~0.6 m
NANO
~4 W
~3 kg
~0.3 m
PICO
~2 W
~1 kg
~0.1 m
FEMTO
~50 mW
~1 a 100 g
~10 cm

25. Tipus de satèl·lit Massa
Femto satèl·lit 10 – 100 g
Pico satèl·lit < 1 kg
Nano satèl·lit 1 – 10 kg
Micro satèl·lit 10 – 100 kg
Petit satèl·lit 100 – 500 kg
Una classificació en funció de la seva massa
FEMTO SATÈL·LIT DE 7,6 g

26. CubeSAT (1999):
un nanosatèl·lit estandarditzat
• Dissenyat el 1999 pel professor Jordi Puig Sauri, de la California
Polytechnic State University, en col·laboració amb la Stanford
University's Space Systems Development Lab.
• L’objectiu era facilitar l’accés a l’espai a estudiants universitaris.
• Una unitat de Cubesat (1U) té unes dimensions de 10 x 10 cm.
• Es poden agrupar en diferents unitats i mides: 1U, 1.5U, 2U, 3U i 6U.
• Útils per òrbites LEO (700 km i velocitats orbitals de 7 km/s
períodes orbitals de 90 minuts).
http://www.cubesat.org/

27. United Launch Alliance Releases
Application for University CubeSat
Competition
U.S. Colleges and Universities Can
Compete for Free Launch Slots
Centennial, Colo., (April 7, 2016) –
Applications are now open for U.S.
colleges and universities to compete
for free CubeSat rides on United
Launch Alliance (ULA) AtlasV rockets.
ULA, the nation’s most experienced
launch company, has successfully
launched 106 missions, including 55
CubeSats, with 100 percent mission
success. Tyvak Nanosatellite Systems,
Inc., will provide no-cost access to
space for selected science, technology,
engineering and math (STEM) CubeSat
customers for rideshares on ULA’s
AtlasV launch vehicle, as well as low-
cost access to space for commercial
and U.S. government CubeSat
customers.

28. Spacecraft class 6-Unit CubeSat
Total mass 7.1 kg
Dimensions 100 mm x 243,7 mm x 340.5mm
Mission status
Launched
Phase E: Operations
Launch date August 15th, 2016
NanoSAT LAB

29. Un mercat emergent per als petits
satèl·lits

33. Costos de llançament encara
elevats, però amb tendència a la
baixa.
100.000 $ cost de posada en òrbita LEO, d’un Cubesat
d’1,3 kg.

34. https://www.forbes.com/sites/saadiampekkanen/2016/02/29/small-satellites-loom-
large-by-disrupting-global-markets-and-militaries/#5222a24a1b82

35. 2017 Nano/Microsatellite
Market Assessment
SpaceWorks Enterprises, Inc. (SEI)

36. 2017 Nano/Microsatellite
Market Assessment
SpaceWorks Enterprises, Inc. (SEI)

37. 2017 Nano/Microsatellite
Market Assessment
SpaceWorks Enterprises, Inc. (SEI)

38. 2017 Nano/Microsatellite
Market Assessment
SpaceWorks Enterprises, Inc. (SEI)

39. 2017 Nano/Microsatellite
Market Assessment
SpaceWorks Enterprises, Inc. (SEI)

40. Els petits satèl·lits es van obrint pas...

42. https://www.planet.com/

43. https://www.planet.com/

45. Edison Demonstration of Smallsat Networks (EDSN)
ELaNa X
Launch: November 2014
LaunchVehicle: Delta II
Launch Site:Vandenberg Air Force Base, CA
ELaNaVII
Launch: January 2015
Launch Vehicle: Super Strypi
Launch Site: Pacific Missile Range Facility,
Hawaii

46. https://www.nasa.gov/spacetech/feature/CubeSat_Missions_Pushing_Boundaries_of_Technology

47. As a flying laboratory, ESA's OPS-SAT will test and
validate new techniques in mission control and on-
board systems
OPS-SAT is devoted to demonstrating drastically
improved mission control capabilities that will arise
when satellites can fly more powerful on-board
computers.
It consists of a satellite that is only 30cm high but that
contains an experimental computer that is ten times
more powerful than any current ESA spacecraft.
The result is an open, flying 'laboratory' that will be
available for in-orbit demonstration of revolutionary
new control systems and software that would be too
risky to trial on a 'real' satellite. Over 100 companies
and institutions from 17 European countries have
registered experimental proposals to fly on OPS-SAT.
OPS-SAT Project

48. UN NOU MODEL AEROESPACIAL

49. Amb més reptes tecnològics
• Transmissors ràdio més eficients des del punt de vista energètic.
• Gran volum de dades a tractar:
• A transmetre i captar en períodes de temps curts (down-link).(de l’ordre dels 7 minuts)
• A emmagatzemar i tractar Gbytes de dades (Big data).
• Assajar nous protocols de comunicacions aptes per a flotes de satèl·lits.
• On board processing, més eficient, especialment en el tractament d’imatge.
• Sistemes energètics més potents.
• .../...

50. I sobretot nous models de negoci...
• Anàlisi i definició de missions
• Disseny i construcció de les càrregues útils
• Control i seguiment del satèl·lit
• Recol·lecció de les dades
• Una o múltiples estacions terrestres interconnectades
• Tractament i explotació de les dades.
• Big data.

51. Un nou model aeroespacial basat en:
• Un únic propietari de tot el procés, i dels segments terrestre i espacial.
• Amb una estructura de costos “assequible”.
• Amb moltes alternatives de sistemes de llançament i de posada en òrbita de baix cost.
• Amb la “democratització” de l’accés a l’espai.
• Amb múltiples finalitats i objectius:
• Científics
• Governamentals
• Municipals
• Comercials
• Especulatius
• Que es pot complementar amb d’altres tecnologies complementàries, com els Drons
(RPAS).

52. Amb missions d’interès per l’àmbit urbà:
• Seguiment de la dinàmica de la costa: sediments, contaminació, població de
meduses, ....
• Vigilància i control portuari o fluvial: abocaments de contaminants,
seguiment del trànsit marítim o fluvial, descàrregues portuaris i efectes de
pol·lució de l’aire, ...
• Urban Health: seguiment de contaminants, plagues, etc.
• Gestió urbana: control i seguiment de les àrees verdes, mapes tèrmics,
control de cobertes pluvials, etc.

53. Possibles missions a escala mundial
• Seguiment de conreus i pastures.
• Efectes climatològics i geològics: sequeres, inundacions, terratrèmols,
incendis, huracans, etc.
• Seguiment del consum de petroli i d’altres carburants.
• Seguiment del trànsit marítim de mercaderies.
• Prospectiva econòmica mundial.
• .../....

54. Però sense oblidar...
• El dret a la llibertat, la privacitat i a la intimitat de les persones.
• L’ètica en l’aplicació de la tecnologia.
• El respecte al medi ambient, inclòs l’espai.
• La gestió de les “escombraries” espacials.
• El problema de la “vigilància social” fruit del Big Data i la informació
obtinguda des de l’espai.
• .../...

55. Un model que pot trobar en Internet el seu
precedent
• Creada pel Departament de Defensa dels Estats Units.
• Batejada com ARPANET, el seu primer node operatiu es va posar en marxa el 29
d'octubre de 1969 a UCLA (Universitat de Califòrnia a Los Angeles).
• L'1 de gener de 1983 es crea per la National Science Foundation (NSF) dels EUA la
primera xarxa de llarg abast (Wide Area Network: WAN) basada en tecnologia
TCP/IP.
• Des de llavors es comença a utilitzar de forma progressiva en l’àmbit universitari.
• L'any 1995 s'obre al públic en general, i es produeix l’eclosió d’Internet tal i com
avui la coneixem.
• Amb totes les problemàtiques i beneficis associats que tots coneixem.

57. Moltes gràcies per la seva atenció
Jordi.Berenguer@upc.edu