Programa de Capacitação Institucional PCI / MCTI / INPE

Programa de Capacitação Institucional PCI / MCTI / INPE Relatório de Bolsa PCI-DA Lúcio dos Santos Jotha Bolsista do Projeto CONASAT do CRN

Contexto do Projeto Sistema SBCDA Plataformas PCD Satélites Estações Receptoras Centro da Missão Usuários Finais Centro de Controle

Arquitetura da Missão

Segmento Espacial o Satélite É o segmento responsável pela realização da parte da Missão no espaço. É composto pela Plataforma e pela Carga Útil. A Carga Útil é quem efetivamente realiza a missão no CONASAT a missão de receber os sinais das plataformas e retransmitir par as estações receptoras é realizada pelo Transponder. A Plataforma se encarrega de transportar a Carga Útil ao longo da órbita para a realização da missão, obedecendo aos requisitos exigidos por esta. Para o atendimento a estes requisitos foram realizadas análises orbitais para determinação de parâmetros inicias para nortear o projeto.

Estudos de passagens e coberturas feitos pelo software STK Análise Orbital

Estudos orbitais de constelações feitos pelo software STK Análise Orbital

Estudos de tempos de revisita feitos pelo software STK Análise Orbital

Estudos de links de comunicação feitos pelo software STK Análise Orbital

Cálculos de decaimento realizado pelo software DAS (NASA) Análise Orbital

Dados da Plataforma Especificações Básicas Iniciais Tipo de Órbita Altitude da Órbita Circular 600km Inclinação do Plano Orbital 30 Estabilização Estrutura Física Carga Útil Antenas 3 eixos baixa precisão face das antenas apontadas para o nadir Cubo de 20cm de arestas Transponder uplink UHF downlink banda-s em desenvolvimento no INPE/CRN Planares microstrip Consumo Elétrico Máximo 8,5W

Segmento Espacial - o Satélite A plataforma é dividida em Subsistemas, com funções bem específicas: 1. Estrutura Física 2. Controle de Atitude 3. Energia Elétrica 4. Computador de Gestão de Bordo 5. Telemetria e Telecomando 6. Comunicações e Antenas

O Padrão CubeSat de nanosatélite 1 - Estrutura Física

1 - Estrutura Física Plataforma atual baseada no padrão CubeSat tamanho 8U

1 - Estrutura Física O Dispositivo ejetor padronizado para CubeSat 1U, 2U e 3U (P-POD)

1 - Estrutura Física O Dispositivo ejetor padronizado para CubeSat 8U (X-POD)

INICIAL 1 - Estrutura Física Evolução da concepção da estrutura física ao longo do projeto 3U 8U 6U ATUAL 3U 8U 8U

Exemplo de simulação 3D feita pelo software SketchUp 1 - Estrutura Física

2 - Controle de Atitude É responsável por fazer com que o satélite mantenha um determinado comportamento ao longo de sua órbita. A exigência básica feita ao subsistema de Determinação e Controle de Atitude é de que a face do satélite que contém as antenas planares esteja sempre apontando para o nadir. Como o ângulo de abertura das antenas é bastante elevado, para cobrir uma grande área da superfície terrestre, o grau de precisão deste apontamento não necessita ser menor do que 10 graus. Como sensores serão utilizados apenas sensores solares, situados nas 6 faces da estrutura, e um magnetômetro de 3 eixos. Como atuadores serão utilizadas bobinas de torque magnético nos 3 eixos e rodas de reação.

2 - Controle de Atitude No primeiro satélite serão utilizados componentes disponíveis no mercado para este subsistema: Alguns modelos de circuitos integrados de sensores magnéticos Fornecedor: Honeywell Placa ADCS para determinação e controle de atitude Fornecedor: ISIS Placa com bobinas de torque em 3 eixos (magnetotorquers) Fornecedor: ISIS

3 - Energia Elétrica O subsistema de energia elétrica é composto basicamente pela geração, por meio de células solares, armazenamento em baterias, a conversão em tensões de trabalho e a distribuição. GERAÇÃO CONTROLE ARMAZENAMENTO DISTRIBUIÇÃO PAINÉIS SOLARES UNIDADE DE CONTROLE DE ENERGIA ELÉTRICA UNIDADE DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ALIMENTAÇÃO DAS CARGAS BATERIAS TELEMETRIA E TELECOMANDO TELEMETRIA E TELECOMANDO

3 - Energia Elétrica Um dos pontos iniciais para o projeto deste subsistema foi o estudo orbital dos períodos de exposição dos painéis solares à luz do sol, realizado pelo software STK. Outro ponto foi a previsão de consumo elétrico por cada um dos subsistemas, considerando-se os seus ciclos de trabalho. Ao longo do projeto houve alterações na estrutura física do satélite, o que modificou a área total disponível para os painéis solares. Com a adoção atual da plataforma de tamanho 8U, houve a possibilidade de se ter a duplicação da quantidade necessária de painéis, aumentando a confiabilidade, com o conceito de redundância.

3 - Energia Elétrica Serão utilizados no primeiro satélite o sistema de energia fabricado pela GomSpace, basicamente com os seguintes componentes: Painéis Solares NanoPower Solar 100U Unidade de Controle de Energia NanoPower P31U Unidade de Baterias Adicionais NanoPower BP4

4 - Computador de Bordo Foram analisadas as opções disponíveis para computados de bordo: processadores, microcontroladores PIC e dispositivos FPGA. Para o momento inicial do projeto, no qual será adquirida solução oferecida pelo mercado, a escolha mais viável recaiu no uso do processador ARM7, para o qual a equipe já recebeu treinamento, além de ter sido adquirido um kit de desenvolvimento. Será utilizada no primeiro satélite a placa de computador de gestão de bordo modelo Cube Computer, baseada no processador ARM7 de 32 bits e com suporte para o interface bidirecional I 2 C, CAN e UART.

4 - Computador de Bordo Com relação ao sistema operacional a ser adotado, a forte tendência para os processadores embarcados aponta para a utilização de sistemas operacionais em tempo real (RTOS). Dentro desta linha, a escolha mais imediata recaiu sobre o sistema operacional FreeRTOS, que segue a filosofia de software aberto que, além dispor de farta documentação, tem a vantagem poder contar com o apoio de diversas comunidades em todo o mundo para compartilhamento de soluções. Após pesquisas sobre as vantagens da utilização de sistemas operacionais em tempo real, chegou-se à conclusão de ser melhor trabalhar com o conceito de Maquinas de Estados, considerando-se não ser necessária a realização de processamentos complexos pelo Computador de Gestão de Bordo, uma vez que cada subsistema possui seu processador próprio.

5 - Telemetria e Telecomando Subsistemas do Satélite Subsistema de Telemetria e Telecomando Protocolo de Comunicação Transceptor de TM & TC Sinais de Telemetria Codificação Transmissor Beacom Antena Transmissora Sinais de Telecomando Decodificação Receptor Antena Receptora

5 - Telemetria e Telecomando Satélites de órbitas baixas utilizam tradicionalmente as faixas de VHF, UHF e Banda-S. O INPE possui estrutura de solo para rastreio, telemetria e telecomando operando em Banda-S. Num primeiro momento foram escolhidas as faixas de VHF para telemetria e UHF para telecomando, por oferecerem a vantagem da disponibilidade de estações terrenas de baixo custo para este fim. Para esta escolha, seria utilizada no primeiro satélite a placa transceptora de telemetria e telecomando modelo TRXUV VHF/UHF, de fabricação da ISIS, com downlink em VHF e uplink em UHF.

5 - Telemetria e Telecomando Existem basicamente 3 protocolos utilizados: PCM, CCSDS e AX-25. As estações do INPE utilizam o PCM, e estão implementando o CCSDS. A escolha inicial do projeto recaiu sobre o protocolo AX-25, devido à sua simplicidade e flexibilidade, além de ser amplamente utilizado nos equipamentos de bordo disponíveis no mercado. Ao longo do projeto se decidiu adotar a faixa da banda-s para os links de telemetria e telecomando, permanecendo os links anteriores de VHF e UHF com auxiliares Com isso, o protocolo a ser utilizado passa a ser o CCSDS, que já estará operacional nas estações na época do lançamento. Está sendo definida a lista de telemetrias e telecomandos de cada subsistema a serem implementados na plataforma..

6 - Comunicações e Antenas No satélite teremos 6 enlaces: o subida para o transponder - em 401,62 MHz (UHF) o descida do transponder - em 2.267,52 MHz (banda-s) o descida de telemetria principal - em banda-s o subida de telecomando principal - em banda-s o descida de telemetria auxiliar - entre 137 e 142 MHz (VHF) o subida de telecomando auxiliar - entre 430 e 440 MHz (UHF) Iniciou-se a pesquisa para utilização de antenas planares para os enlaces do transponder. Para os enlaces de telemetria (VHF) e telecomando (UHF), optou-se pelo uso de antenas dipolos tipo deployable.

O Projeto CONASAT Instituição Executora Coordenador Implantação Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Centro Regional do Nordeste - CRN MANOEL JOZEANE MAFRA DE CARVALHO Chefe do Centro Regional do Nordeste - CRN-INPE Edital AEB/MCT/CNPq Nº 033/2010 Formação, Qualificação e Capacitação de RH em Áreas Estratégicas do Setor Espacial

Objetivos do Projeto CONASAT Conceber uma solução para o segmento espacial do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais (SBCDA) baseada no uso de nano satélites (satélites de 1 a 10 kg) e em tecnologias emergentes nos ramos da eletrônica e de telecomunicações. Capacitar recursos humanos e agregar especialistas no Centro Regional Nordeste CRN do INPE para realizar um estudo detalhado de uma missão espacial para coleta de dados ambientais em todos os seus componentes. Atrair pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), agregando diversas competências técnicas e científicas para capacitação no setor espacial e desenvolvimento de uma constelação de nano satélites de baixo custo.

Bolsistas do Projeto 2010 2011 2012 2013 ATUAL 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Gerência do Projeto / Documentação JANETE JEANNE Sistemas / Integração / Estrutura Física LÚCIO Energia / Software STK RAFAEL JÔNATAS Gestão de Bordo PEDRO Comunicações / Antenas VALDEMIR FRANKLIN CARLOS Controle de Atitude SÁVIA FELIPE Telemetria / Telecomando DAVI DIEGO DANIELA

Lançamento Desenvolvimento do Projeto 2010 2011 2012 2013 ATUAL 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 05 / 2014 05 / 2015 09 / 2016 12 / 2016 Concepção Viabilidade Projeto Execução Operação Descarte Fase 0 Fase A Fase B Fase C Fase D Fase E Fase F Análise da Missão Análise de Viabilidade Definição Preliminar do Projeto Definição Detalhada do Projeto Produção e Qualificação Operação 2017-2018 Descarte 2019-2043 SRR QR Revisão de Qualificação MDR PRR PDR CDR AR Revisão de Aceitação Revisão de Definição da Missão Revisão de Requisitos Preliminares Revisão de Requisitos do Sistema Revisão do Projeto Preliminar Revisão do Projeto Detalhado FRR ORR Revisão de Prontidão para Voo Revisão de Prontidão para Operação

Participação dos Bolsistas 2010 2011 2012 2013 ATUAL 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Análise da Missão Análise de Viabilidade Definição Preliminar do Projeto Fase 0 Fase A Fase B 8 meses MDR 13 meses PRR 15 meses SRR JANETE LÚCIO Revisão de Definição da Missão JEANNE Revisão de Requisitos Preliminares Revisão de Requisitos do Sistema RAFAEL JÔNATAS PEDRO VALDEMIR FRANKLIN SÁVIA CARLOS FELIPE DAVI DIEGO DANIELA

Treinamento 2010 2011 2012 2013 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Software STK 4 vídeo conferências Software STK Módulo Básico Software STK Módulos Coverage e Communications Software Gráfico 3D SketchUp Gerenciador de Projetos Redmine Visita técnica ao ITA e INPE em São José dos Campos Processador ARM7 Fresa LPKF -confecção de circuitos impressos Analisador de Redes Rhode&Schwarz

Fase Zero Análise da Missão Na Fase 0 (Análise da Missão) foram definidos os objetivos, levantadas as restrições da missão e definidos os requisitos do usuário. Como subsídio para estes, foi executada uma pesquisa entre os usuários do SBCDA, com o objetivo de identificar e caracterizar suas necessidades, desempenho esperado, metas de confiabilidade e segurança. OBJETIVOS DA MISSÃO RESTRIÇÕES DA MISSÃO REQUISITOS DO USUÁRIO PRIMÁRIOS SECUNDÁRIOS REQUISITOS GERAIS REQUISITOS ORBITAIS REQUISITOS DO SATÉLITE REQUISITOS DA MISSÃO

Fase Zero Análise da Missão Como resultado desta atividade, foi produzido o documento "DRUM - Documento de Requisitos do Usuário e da Missão". Tendo como base estas análises, foram elaboradas as especificações técnicas iniciais do projeto, contidas no documento "DDM - Documento de Descrição da Missão". Para contemplar os aspectos gerenciais, foi produzido o documento "PGP - Plano de Gerenciamento do Projeto". Em julho/2011 foi realizada a MDR (Revisão de Definição da Missão), após o que foram dados novos rumos ao projeto. A partir daí foram necessários novos estudos em vários aspectos do projeto, como a estrutura da plataforma e novas simulações orbitais pelo software STK.

Fase A Análise de Viabilidade Na Fase A (Análise de Viabilidade) as possíveis arquiteturas de sistema foram estudadas, sendo que a maior decisão recaiu na definição da plataforma. Após análises técnicas e econômicas, decidiu-se pela escolha da plataforma padrão CubeSat de tamanho 8U (8 unidades). Outra decisão nesta fase foi a adoção do conceito de redundância de circuitos, visando conferir maior confiabilidade ao sistema. Outro ponto do projeto é o desenvolvimento de uma antena planar para o link de subida do transponder, operando na faixa de UHF. Além das atualizações dos documentos anteriores, foi produzido nesta fase o documento "DRP - Documento de Requisitos Preliminares", com as bases técnicas do projeto.

Fase A Análise de Viabilidade Em agosto/2012 foi realizada a revisão PRR (Revisão de Requisitos Preliminares). A alteração significativa ocorrida nesta etapa foi a utilização da faixa de banda-s para os enlaces de telemetria e telecomando, deixando os links nas faixas de VHF e UHF como auxiliares. Com isso o protocolo a ser utilizado passou a ser o CCSDS, demandando novos estudos.

Fase B Definição Preliminar No desenvolvimento da Fase B (Definição Preliminar do Projeto) foram concentrados esforços nos estudos para a produção das definições completas e definitivas de todo o sistema espacial, chegando-se aos planos definitivos de gerenciamento, de engenharia e de garantia do produto, elaborando-se todas as árvores de funções, especificação de produto e controle de interface. Esta fase possui duas revisões, sendo que a primeira (SRR - Revisão de Requisitos do Sistema) ocorreu nos dias 28 e 29/11/2013. Até o final destra fase, além dos ajustes que se fizerem necessários, serão definidas as estrutura de divisão do trabalho, além de todo o programa de verificação. Está prevista para 05/2014 o final desta fase, com a realização da segunda revisão (PDR - Revisão do Projeto Preliminar).

Atuação do Bolsista O bolsista esteve envolvido em atividades voltadas ao desenvolvimento de pesquisas sobre as diversas alternativas existentes para a implementação de cada um dos subsistemas que compõem o nano satélite, realizando análises para definição das mais viáveis e confiáveis soluções, dentro das restrições impostas ao projeto e procurando atender aos requisitos da missão. O bolsista procurou utilizar seus conhecimentos ao nível de engenharia e sistemas para direcionar o projeto sempre no caminho que permitisse conciliar o desempenho e confiabilidade com as limitações impostas ao seu desenvolvimento, procurando com isso chegar a uma especificação técnica detalhada que espelhe realmente a melhor escolha possível.

Atuação do Bolsista Coube também ao bolsista, baseado em sua experiência profissional anterior, utilizar a sua capacidade para motivar cada membro da equipe a realizar o melhor de si, dentro de seu conhecimento específico, voltado para o subsistema pelo qual se encontre responsável, procurando sempre se pautar na ampla pesquisa e experimentação. Desse modo, buscou a concretização do objetivo proposto: o desenvolvimento do Projeto Estudo de uma Missão Espacial para Coleta de Dados Ambientais Baseada em Nano Satélites. em todas as suas fases, de modo a atender a missão precípua do projeto,

Resultados Obtidos Os estudos realizados para a avaliação das alternativas mais viáveis para o projeto trouxe um grande conhecimento geral sobre os sistemas espaciais. Com relação ao cronograma do projeto já foram cumpridos as 4 primeiras etapas, com a produção da documentação proposta para cada uma delas. A quinta etapa (desenvolvimento da Fase B) encontra-se em andamento e as pesquisas realizadas estão aprofundando o conhecimento de cada um dos subsistemas. Houve um amadurecimento do projeto, estimulado principalmente pelas modificações introduzidas durante o seu andamento.

Resultados Obtidos Os treinamentos realizados, tanto do software STK, quanto do processador ARM, somaram um grande conhecimento à equipe. O tempo de evolução do projeto trouxe uma fluência e domínio maior dos assuntos relacionados aos temas espaciais. O trabalho junto com bolsistas da UFRN tem possibilitado a disseminação da cultura de temas espaciais junto ao meio universitário.

Publicações Científicas Publicações Realizadas CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.;BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S.; LIMA, Davi das N. A Study of Mitigation of Space Debris Stategies for a Nano-Satellite Constellation for Enviromental Data Collection. 16th ISU Anual International Symposium em 2012 Sustainability of Space Activities: International Issues and Potential Solutions, Strasbourg, França. Fevereiro de 2012.

Publicações Científicas Artigos Submetidos CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.;BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S.; LIMA, Davi das N. A Study of Mitigation of Space Debris Stategies for a Nano-Satellite Constellation for Enviromental Data Collection. 16th ISU Anual International Symposium em 2012 Sustainability of Space Activities: International Issues and Potential Solutions, Strasbourg, França. Fevereiro de 2012. JOTHA, Lucio dos S.; BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S. de. Definição de um Nano Satélite para Coleta de Dados Ambientais Baseado no Padrão Cubesat 8U. II Fórum de Pesquisa e Inovação do CLBI. Apresentado em 18 de Setembro de 2012. CARVALHO, Manoel J. M.; LIMA, Jeanne Samara dos S.; JOTHA, Lucio dos S.; AQUINO, Pedro S.; Constelação de Nano Satélites para Coleta de Dados Ambientais. XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. Foz do Iguaçu, PR. Abril de 2013.

Publicações Científicas Participação em Congressos CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.;BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S.; LIMA, Davi das N. A Study of Mitigation of Space Debris Stategies for a Nano-Satellite Constellation for Enviromental Data Collection. 16th ISU Anual International Symposium em 2012 Sustainability of Space Activities: International Issues and Potential Solutions, Strasbourg, França. Fevereiro de 2012. JOTHA, Lucio dos S. Aspectos Gerais da Missão CONASAT. I Fórum de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação do INPE/CRN. Apresentado em 21 de Julho de 2011. JOTHA, Lucio dos S.; BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S. de. Definição de um Nano Satélite para Coleta de Dados Ambientais Baseado no Padrão Cubesat 8U. II Fórum de Pesquisa e Inovação do CLBI. Apresentado em 18 de Setembro de 2012. CARVALHO, Manoel J. M.; LIMA, Jeanne Samara dos S.; JOTHA, Lucio dos S.; AQUINO, Pedro S.; Constelação de Nano Satélites para Coleta de Dados Ambientais. XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. Foz do Iguaçu, PR. Abril de 2013.

Publicações Científicas Documentos gerados no âmbito do Projeto CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.; BIONDI, Rafael B. DRUM Documento de Requisitos do Usuário e da Missão - descreve as necessidades, requisitos do usuário e os requisitos precípuos da Missão CONASAT. CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.; BIONDI, Rafael B. DDM Documento de Descrição da Missão - apresenta a descrição da missão do CONASAT Constelação de Nano-Satélites Ambientais. CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.;BIONDI, Rafael B.; AQUINO, Pedro S.; SILVA, Valdemir P. DRP Documentos de Requisitos Preliminares Fase A - define os requisitos preliminares do projeto baseados em uma análise de viabilidade direcionada para o melhor cumprimento da missão.

Publicações Científicas CARVALHO, Manoel J. M.; JOTHA, Lucio dos S.; LIMA, Jeanne Samara dos S.; AQUINO, Pedro S.; SILVA, Daniela Brasil; MOREIRA, Felipe Terreira; BATISTA, Carlos Gomes DRS Documentos de Requisitos do Sistema Fase B mostra o atendimento aos requisitos do projeto pelas alternativas escolhidas. JOTHA, Lucio dos S. Análise de cobertura dos satélites SCD baseado em dados reais recebidos pelo SINDA. JOTHA, Lucio dos S. Análise dos arquivos dos satélites NOAA16, NOAA17 e NOAA18 recebidos na Estação Terrena de Natal.1

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