190-320-1-SM_CubaSat-1_Primer nano

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CubaSat-1: Primer nano-satélite en universidades cubanas, perspectivas
CubaSat-1: First Nano-satellite in Cuban Universities, Perspectives
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J. C. Valdés Abreu , Y. Stable Sánchez
2
1
Departamento de Telecomunicaciones y
Telemática. Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (CUJAE), Habana, Cuba, [email protected]
2
Centro de Meteorología Agrícola, Instituto de Meteorología de Cuba (INSMET), Habana, Cuba, [email protected].
Abstract—CubaSat-1 is the first development
project of nano-satellite in Cuban universities and is
directed by Latin American Society of Specialists in
Remote Sensing and Spatial Information Systems
(SELPER). The object of this work is to expose the
possibility of implementing in Cuba a small satellite
following the CubeSat standard for educational purposes. For this reason the state of the art is studied,
the CubeSat standard has been evaluated, as well as
the international project for development of space
missions and the study case of CubaSat-1.
The CubeSat Standard was created in the Universities of California with educational purposes. This type
of satellite is one basic unit of (10 cm)3 and 1.33 kg.
CubaSat-1 has the goal of developing the necessary
capabilities for satellite construction technology in
Cuba for satellite technology through the design, assembling, launching and operation in orbit of a CubeSat. The project sections are: Technical, Juridical
Consultantship and Marketing & Business.
It has been concluded that the CubaSat-1 Project
has a marked educational character, being an integrating exercise of several specialties studied in Cuban universities, and made up of different research
lines belonging to different organizations. Also, the
implementation of CubaSat-1 Project is considered
feasible for Cuban universities with the support of
several organizations. With it, Cuba can have its first
satellite.
Keywords— CubaSat-1 Protect, CubeSat, nanosatellites, Cuban universities.
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad los satélites tienen costos de
construcción y lanzamiento alrededor de 350 millones de
dólares. Lo cual manifiesta que la industria aeroespacial
está limitada sólo a los países más desarrollados. Por lo
tanto, se han buscado alternativas más baratas que
permitan hacer uso de esta tecnología a países donde sería
extremadamente difícil el desarrollo espacial.
El estándar CubeSat nace en 1999 de la colaboración
entre los profesores Jordi Puig Suari (California
Polytechnic State University, Cal Poly) y Robert Twiggs
(Leland Stanford Junior University, Stanford Univ) [2].
Se debe a que los elevados precios y el período de
desarrollo no permiten que los estudiantes participen en
un ciclo completo para obtener un satélite operativo
durante su formación. También surge con la meta de
desarrollar un estándar para el diseño de satélites
pequeños de bajo coste y tiempo de desarrollo, con lo que
se facilita el acceso al espacio y se puede aumentar la
frecuencia de los lanzamientos [1].
La Sociedad Latinoamericana de Percepción Remota
Capítulo Cuba (SELPER-Cuba) está desarrollando el
Proyecto CubaSat-1. En este proyecto participan
fundamentalmente profesores, especialistas y estudiantes
del Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría (Cujae) y el Instituto Superior de Tecnología
y Ciencias Aplicadas (InSTEC). Además, colaboran,
investigadores y especialistas de centros y organizaciones
relacionados con la percepción remota y las
comunicaciones.
El objetivo de este trabajo es exponer las principales
características, objetivos, metas y misiones del primer
satélite estándar CubeSat, con fines educativos por
universidades cubanas.
II.
MATERIALES Y MÉTODOS
Los satélites en general se clasifican por su masa. Los
CubeSat están comprendidos entre 0.1 y 10 kg, por lo que
pueden ser nanos o pico-satélites(tabla 1).
Tabla 1. Clasificación de los satélites según su peso.
Denominación
Grande
Mediano
Mini
Micro
Pequeño
Nano
Pico
Femto
Peso (kg.)
> 1000
500 a 1000
100 a 500
10 a 100
1 a 10
0,1 a 1
< 0,1
Estándar
CubeSat
-
A finales de los 90´, se crea el estándar CubeSat en
Cal Poly y Stanford Univ, con fines docentes. Lo que
proporciona un estándar de satélite funcional, ligero y de
bajo costo para su construcción, que permite un menor
tiempo de fabricación al seguir sus definiciones
Convención Internacional de Ciencias Técnicas, Universidad de Oriente, Cuba, 2016
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preestablecidas (figura 1). Además, define una lanzadera
normalizada lo que facilita el acceso al Espacio y
aumenta la frecuencia de los lanzamientos.
Se rige por una unidad básica (1U) de 10 cm x 10 cm x
10 cm y con un peso máximo de 1.33 kg. De 1U se
derivan: 0.5U, 1.5U, 2U, 3U y 6U; este peso es
directamente proporcional a las dimensiones del satélite
(figura 1).
Fig. 1. Clasificación dentro del estándar.
El estándar CubeSat debe cumplir con una serie de
requerimientos técnicos bien definidos para su
construcción y posterior lanzamiento como, requisitos
básicos y de operación, los requerimientos eléctricos y
mecánicos, así como, diferentes test requeridos.
La estructura básica funcional es muy similar en todos
los CubeSat. Lo cual es vital para el funcionamiento del
nano-satélite (figura 2).
Fig. 2. Estructura básica funcional.
III.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los objetivos específicos del proyecto son:
1. Establecer contactos y/o colaboraciones con otras
universidades e instituciones involucradas en proyectos
homólogos.
2. Profundizar en el conocimiento de tecnologías de
información y comunicaciones emergentes.
3. Demostrar y validar nuevas tecnologías.
4. Acercar a Cuba a los avances de las ciencias
aeroespaciales en el ámbito internacional.
5. Realizar investigaciones en diferentes universidades
e instituciones coordinadas por SELPER.
6. Calificar para el lanzamiento al primer nano-satélite
tipo CubeSat implementado en Cuba, con fines
educativos.
Entre las acciones educativas en las universidades que
se previeron se encuentran la formación específica sobre
la tecnología implicada (pregrado, postgrado), la
colaboración y participación en proyectos entre
universidades y otros centros y la realización de Trabajos
de Diploma, Tesis de Maestría y Doctorado.
En el proyecto, se encontraron contribuyendo
diferentes organizaciones como, SELPER-Cuba, el
Departamento de Telecomunicaciones y Telemática de la
Cujae, la Cátedra Aeroespacial del InSTEC, UNAICC, la
Federación de Radioaficionados de Cuba y la Sociedad
Meteorológica de Cuba.
Como posible usuarios se previeron varias
instituciones como el Instituto de Meteorología de Cuba,
Instituto de Recursos Hidráulicos, Defensa Civil, Instituto
de Geofísica y Astronomía, Instituto de Geografía
Tropical, Oficina Nacional de Hidrografía y Geodesia,
Grupo Empresarial GEOCUBA, Instituto de Suelo, Cupet
y Cubaenergía.
El proyecto constó de un jefe de proyecto, las
secciones de Tecnología, Relaciones Públicas y
Promoción y la de Asesoría Jurídica. Por otro lado, la
tarea fundamental de desarrollo e implementación la
tienen los estudiantes (fig. 3).
A. Proyecto Cubasat-1.
CubaSat-1 es el primer proyecto de desarrollo de un
nano-satélite del estándar CubeSat, fundamentalmente en
el marco de universidades cubanas. Este proyecto es
dirigido por SELPER Capítulo Cuba, Unión Nacional de
Arquitectos e Ingenieros de la Construcción de Cuba
(UNAICC - La Habana) y participan profesores,
estudiantes universitarios y especialistas de varias
instituciones.
El objetivo general del proyecto es desarrollar las
capacidades necesarias en Cuba, con respecto a la
tecnología satelital, a través del diseño, análisis,
ensamblaje, integración, prueba, lanzamiento y
operación en órbita de un nano-satélite del estándar
CubeSat (en la medida de lo posible en un entorno
universitario).
Fig. 3. Secciones de trabajo del proyecto CubaSat-1.
CubaSat-1, tuvo entre sus metas el diseño del perfil del
proyecto, la formación de capacidades técnicas con
capital humano, la obtención del financiamiento, el
empleo e implementación de laboratorios, el desarrollo
del proyecto, la realización de pruebas integradoras, la
calificación para el lanzamiento y finalmente la operación
en órbita del satélite.
Simulación de la órbita, las misiones propuestas, la
clasificación del CubaSat-1y se mostró en la figura 4, las
tablas 2 y 3.
Convención Internacional de Ciencias Técnicas, Universidad de Oriente, Cuba, 2016
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priorizadas de la Ciencia, Tecnología e Innovación en
Cuba.
B. Primeros Resultados Obtenidos en el Proyecto
Fig. 4. Simulación de la órbita del CubaSat-1.
Tabla 2. Misiones propuestas para el CubaSat-1.
Misión
Recolección de datos
medioambientales.
Imágenes de la
Tierra.
Transpondedor
(70 cm / 2 m)
Telemetría (TLM)
y Comando.
Comunicación
Satélite - Satélite
Bandas de trabajo
Tierra - Satélite
Satélite - Tierra
UHF
70 cm
(435-438 MHz)
En estudio
UHF
5 cm
(5830-5850 MHz)
2m
(144-146 MHz)
En estudio
5 cm (5650-5850 MHz)
Depende si el CubaSat forma parte de
una constelación de CubeSat
Tabla 3. Clasificación del nano-satélite CubaSat-1.
Clasificaciones
Características
Estándar CubeSat
1U
Altura
LEO; 600 a 700 km
Órbita
Dirección del
Retrógrada, el satélite se mueve hacia
movimiento
el Oeste
Carácter
Civil
1- Servicio de exploración de la
Servicios y Redes
Tierra por satélite.
2- Servicio de radioaficionados.
• Satélites destinados a la
Aplicación
investigación científica.
• Satélites de comunicaciones.
Fig. 5. CubaSat-1 y su relación con las líneas priorizadas.
El proyecto del CubaSat-1, debe hacer aportes de
manera directa e indirecta a siete de las ocho líneas
Como parte de las primeras acciones educativas del
proyecto CubaSat-1, se logró la preparación directa de
catorce
estudiantes
de
la
especialidad
de
Telecomunicaciones y Electrónica de la Cujae, los cuales
están vinculados con los satélites artificiales desde cuarto
año de la carrera. El resultado de dicho vínculo dio como
resultado el desarrollo de los trabajos de diploma:
1. “Diseño y caracterización del sistema de RF para
satélites que trabajan en los modos JA y JD (70cm/2m)”
(2013). Se propone un procedimiento de diseño
estructural de una estación terrena de satélites de órbita
polar que operan los modos JA y JD, enfocándose el
trabajo fundamentalmente en los CubeSat.
2. “Polarización circular y miniaturización en antenas
de parche, aplicaciones en tecnología espacial proyecto
CubaSat-1” (2014). Se realiza el diseño de dos antenas de
parche funcionales para las bandas de frecuencia de 1.27
y 2.3 GHz [1].
3. “Propuesta de diseño del sistema transceptor de
telemetría y comando del CubaSat-1” (2014). Para ello,
se propone el empleo de un módulo de comunicaciones
de bajo costo.
4. “Herramienta informática destinada a la evaluación
de las zonas de cobertura para estaciones terrenas.
Aplicaciones en satélites circumpolares” (2014). Se
diseña un software que permite determinar de una manera
rápida y sencilla la cobertura real y el tanto por ciento de
área disponible acorde al satélite seleccionado; además de
conocer los niveles de señal útil que serán recibidos
según el equipamiento de la ET y si se cumple con la
calidad requerida del radioenlace satelital. [10].
5. "CubeSat: Cumplimiento de las regulaciones y
recomendaciones del espectro radioeléctrico"(2015): Se
identifican las organizaciones relacionadas con el uso
pacífico del Espacio Ultraterrestre como las
pertenecientes a Naciones Unidas. Además, las que
regulan el espectro radioeléctrico tanto nacional como
internacionalmente. Se expusieron varios casos de
estudio, dentro de ellos están los que cumplen con la
Resolución 57/2004 del Ministerio de Comunicaciones.
Se pudo concluir que las bandas propuestas para el
Proyecto CubaSat-1, satisfacen los requerimientos según
las regulaciones y recomendaciones internacionales para
la utilización del espectro radioeléctrico [11].
6. “CubaSat-1: Propuesta de diseño de las antena que
operan en la banda de 5 cm para radiocomunicaciones
satélite – satélite y satélite – Tierra” (2015): Se obtienen
las antenas destinadas al radioenlace satélite – satélite con
6.2 dBi de ganancia y para el radioenlace satélite – Tierra
6.06 dBi [12].
7. “CubaSat-1: Propuesta de diseño del transmisor de
imágenes de la Tierra en banda 5 cm tomadas por el
Convención Internacional de Ciencias Técnicas, Universidad de Oriente, Cuba, 2016
4
nano-satélite” (2015): Este transmisor tiene como
propósito transmitir imágenes de la Tierra, tomadas desde
dicho satélite, hacia estaciones terrenas. Se seleccionó
como potencia del trasmisor 21.9 dBm, con una
velocidad de 1 Mbps en FSK y como protocolo de
comunicación FX.25[13].
8. “CubeSat-1: Propuesta de un sistema de
comunicaciones
factible
para
la
recolección,
procesamiento y transmisión de datos medioambientales”
(2015): Se decidió emplear módulos comerciales
sencillos y baratos, los cuales son controlados por un
microcontrolador. Como resultados se destacan que, en el
enlace ascendente se emplea GFSK a 125 kbps, Por otra
parte, para el transmisor del nano-satélite, se seleccionó
el empleo de la modulación GFSK a 2 Mbps [14].
9. "CubaSat-1: Propuesta de diseño del transpondedor
en banda de 70 cm a 2 m" (2015): Para el diseño del
receptor se empleó un módulo receptor FSK. El diseño
del transmisor se basa en la implementación de la
modulación en FSK, en un microcontrolador a través de
un software [15].
Todos los trabajos obtuvieron la calificación de
Excelente, y entre las recomendaciones se propuso la
presentación en eventos y la publicación de los
resultados. Con su culminación se cumplen los objetivos
estratégicos relacionados con la formación específica de
estudiantes de pregrado y también permite una estrecha
relación entre SELPER-Cuba y la CUJAE para el
desarrollo de dichos trabajos de diploma. Con estas
investigaciones se definieron etapas importantes
vinculadas con el desarrollo del CubaSat-1.
IV.
CONCLUSIONES
Se destaca el carácter científico, educativo y de
formación que posee el CubaSat-1. Dicho proyecto es un
ejercicio integrador de varias especialidades de las
universidades cubanas y de centros de investigaciones
pertenecientes a diversas organizaciones.
Se expusieron nueve trabajos de diploma de
estudiantes de telecomunicaciones y Electrónica de la
Cujae, los cuales son los primeros trabajos de
investigación vinculados con CubeSat en Cuba. Estas
investigaciones demuestran que parte del proyecto puede
ser desarrollado en las universidades cubanas.
Es factible la implementación del proyecto CubaSat-1
en universidades cubanas con el apoyo de varias
organizaciones gubernamentales y no gubernamentales.
Se puede viabilizar el lanzamiento a través de los
proyectos internacionales dedicados a desarrollar
constelaciones formadas por CubeSat para estudios
medioambientales y de exploración de la Tierra. Con ello,
Cuba pudiera tener su primer satélite.
REFERENCIAS
1. Rodríguez E.; Machado R. “Polarización circular y
miniaturización en antenas de parche, aplicaciones en
tecnología espacial proyecto CubaSat-1.” Trabajo de
Diploma, CUJAE, La Habana, 2014.
2. Paifer E. “Diseño y caracterización del sistema de RF
para satélites que trabajan en los modos JA y JD
(70cm/2m).” Trabajo de Diploma, CUJAE, La
Habana, 2013.
3. Cuenca A.; Gutiérrez A.E. “Propuesta de diseño del
sistema transceptor de telemetría y comando del
CubaSat-1”. Trabajo de Diploma, CUJAE, La
Habana, 2014.
4. CubeSat Design Specification Rev. 13. The CubeSat
Program, Cal Poly SLO, 2013.
5. Ávila P.E. “Herramienta informática destinada a la
evaluación de las zonas de cobertura para estaciones
terrenas. Aplicaciones en satélites meteorológicos
circumpolares” Tutor: Juan C. Valdés. Trabajo de
Diploma, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, La Habana, 2014.
6. Delgado A. "CubeSat: Cumplimiento de las
regulaciones y recomendaciones del espectro
radioeléctrico" Tutor: Juan C. Valdés. Trabajo de
Diploma, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, La Habana, 2015.
7. Rivera V.; Robles R. “CubaSat-1: Propuesta de
diseño de las antenas que operan en la banda de 5 cm
para radiocomunicaciones satélite – satélite y satélite
– Tierra.” Trabajo de Diploma, CUJAE, La Habana,
2015.
8. Romero C.; Cruz J. “CubaSat-1: Propuesta de diseño
del transmisor de imágenes de la Tierra en banda 5
cm tomadas por el nano-satélite.” Trabajo de
Diploma, CUJAE, La Habana, 2015.
9. Victores O. “CubeSat-1: Propuesta de un sistema de
comunicaciones factible para la recolección,
procesamiento
y
transmisión
de
datos
medioambientales.” Trabajo de Diploma, CUJAE, La
Habana, 2015.
10. Madrigal M.; Orrio, M.D. "CubaSat-1: Propuesta de
diseño del transpondedor en banda de 70 cm a 2 m."
Trabajo de Diploma, CUJAE, La Habana, 2015.
Convención Internacional de Ciencias Técnicas, Universidad de Oriente, Cuba, 2016