Autor/s: Castellví Esturi, J.; Camps, A.; Corbera, J.
Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, Universitat Politècnica de Catalunya
Títol: HUMIT, petit satèl·lit d'observació de la Terra
Temàtica: Teledetecció
Publicat a: Revista Catalana de Geografia
IV època / volum XIII / núm. 58 / gener 2018
Font: -
URL: http://www.rcg.cat/articles.php?id=441


HUMIT, PETIT SATÈL·LIT D'OBSERVACIÓ DE LA TERRA

Jordi Castellvi Esturi*,**, Adriano Camps**, Jordi Corbera*
*Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya
**Universitat Politècnica de Catalunya


 

Introducció

La missió HUMIT és una iniciativa conjunta entre l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya (ICGC) i la Universitat Politècnica de Catalunya-BarcelonaTech (UPC) per fomentar noves tecnologies innovadores en observació de la Terra basades en la fusió de dades de reflectometria de sistemes de navegació global (GNSS-R) i càrregues òptiques en una plataforma CubeSat de 6U. Des de 2012, hi ha hagut una tendència creixent d'utilitzar satèl·lits petits. Els satèl·lits petits tenen avantatges intrínsecs sobre plataformes més grans en termes de cost, flexibilitat i escalabilitat i també han fet possibles constel·lacions d'un gran nombre de satèl·lits a un cost assequible. Els últims avenços tecnològics i la miniaturització de la majoria dels dispositius també han estat  factors determinants. HUMIT es un programa d’innovació que cerca observables de la humitat superficial del sòl i evolució de les cobertes, amb petit satèl·lit.  

Definició de la missió

La definició de la missió HUMIT es basa en tres pilars: la viabilitat (pressupost, recursos humans i coneixements), la disponibilitat tecnològica i la utilitat (valor afegit de les dades). Aquests tres pilars convergeixen en HUMIT com una innovadora solució de fusió de dades òptiques i GNSS-R. Atès que el concepte d'innovació està vinculat a una finestra temporal limitada, la unió del coneixement proporcionat per l'ICGC en el camp de les imatges i l'experiència adquirida per la UPC en el desenvolupament de les missions (3Cat-1 i 3Cat-2), defineix un escenari òptim per a HUMIT.

art5_01

Figura 1. Simulació satèl·lit 6U-HUMIT.

L'objectiu principal d’HUMIT és adquirir imatges multiespectrals de la Terra amb dades GNSS-R. Les regions d'interès (ROI) d'aquesta missió són àrees on els impactes de l'activitat humana són més rellevants en un escenari de canvi climàtic.

Paral·lelament a aquest objectiu principal, hi ha objectius derivats en aquesta missió:

  1. 1. Identificar el límit de CubeSats en termes de resolució espacial i demanda d'energia per aconseguir una fusió GNSS-R i òptica.
  2. 2. Adquirir imatges multispectrals des de 400 nm a 870 nm amb una resolució espacial al voltant de 30 m i una patxada de més de 30 km.
  3. 3. Aconseguir un temps de revisió inferior a 10 dies.
  4. 4. Realitzar la fusió de dades resultat de l'adquisició d’imatges multiespectrals i reflectometria GNSS-R.

 

Concepte i anàlisi de missió

Principals vectors en el concepte de missió en són la resolució espacial i la vida útil. La mida limitada del petit satèl·lit (6U-CubeSat) no permet un gran sistema òptic, per tant, per aconseguir una bona resolució espacial es recomana una òrbita baixa. En la missió HUMIT el principal controlador de la selecció d'òrbita és la reducció del temps de revisió i l'adquisició simultània de dades de les dues càrregues.

Per aconseguir una alta resolució espacial, un conjunt òptic de la major distància focal possible es converteix en el principal condicionant tècnic. La unitat 6U ofereix la primera plataforma factible per adaptar-se als requeriments principals de la càrrega útil.

Vida orbital
S'espera que la missió HUMIT tingui una durada de vida orbital mínima de 2 anys amb un objectiu de poder superar els 3 anys com a vida estesa. Donades les característiques de la càrrega òptica, una òrbita a 500 km s'estableix com a simulació orbital (figura 2).

art5_02

Figura 2. Simulació evolució altitud òrbita HUMIT: temps de vida 7.8 anys.


Definició de ROIs

Les eines de simulació desenvolupades utilitzat la següent aproximaió a les zones d’interès de missió o ROIs per poder estimar els rendiments necessaris dels diferents subsistemes satèl·lit: Àrees de destinació (TAs) sobre les quals es pretén l'adquisició de dades i estacions de terra (GS) on es poder descarregar les dades (figura 3).

art5_03
Figura 3. TAs (vermell) i GSs (verd) utilitzades en la simulació.


Anàlisi de missió

L'anàlisi de la missió es realitza valorant la capacitat del satèl·lit per donar energia a tots els subsistemes, equilibrar la temperatura de la plataforma i emmagatzemar i descarregar les dades adquirides. El simulador i el propagador orbital recreen les condicions del satèl·lit en òrbita i calculen les necessitats dels subsistemes de forma simultània, per a la missió HUMIT.

Anàlisi de càrrega útil
La missió HUMIT porta a bord dues càrregues: un sensor òptic multispectral en el VNIR i un reflector GNSS. El producte final consistirà en la fusió de la imatge multiespectral obtinguda del sensor òptic i les dades recollides pel reflectòmetre. Les cobertures per a un pas ascendent i descendent d’HUMIT es mostren a continuació (figura 4).

art5_04

Figura 4. HUMIT òptic (punt vermell i petxada), GNSS_R (punts verds) i Sentinel 2 (punts i ombrejat blau).


Balanç energètic

S’ha dimensionat el subsistem,a d’energtia HUMIT o EPS per a que proporcioni energia a tots els subsistemes sota demanda. Cada subsistema intentarà activar-se quan el satèl·lit passa per certes àrees definides (TA, GS, ambdues o tota l'òrbita).

Els panells solars de triplet (Indium Gallium phosphide / Gallium arsenide / Germanium) tenen un 30% d'eficiència. Per explicar l'energia total recollida pel satèl·lit s'ha considerat que el coeficient de reflectivitat superficial de la Terra canvia al llarg de la trajectòria. HUMIT s'ha modelat com un paral·lelepípede per contemplar l'angle d'incidència entre la radiació solar directa i l'albedo amb els panells solars (figura 5).

art5_05

Figura 5: Àrea efectiva instantània exposada al Sol de cada costat del 6U t al llarg de la simulació de 3 dies.


Valoracions

El GSD òptic requerit exigeix una gran distància focal que augmenta les dimensions de l'obertura requerides.

Per a la càrrega òptica, com més alta sigui la freqüència de mostreig més condiciona el tamany mínim de la pupil·la òptica (condició de Rayleigh).

La dimensió física de la plataforma és en última instància el factor limitant el que  també s'aplica a la dimensió física de l'antena GNSS-R.

Tot i això, amb l'ajuda del simulador i propagador orbital desenvolupat per a HUMIT, s'ha demostrat la viabilitat d'assolir els objectius de missió amb una plataforma 6U.

També s'ha avaluat mantenir la descàrrega màxima de les bateries en un 25% per tal d'evitar que la vida útil de la bateria esdevingui el motiu principal de final de missió.

Actualment s’està portant a terme la definició, mecanització i anàlisis de proves aeroportades per analitzar la viabilitat tecnològica de la fusió òptica i microones en banda L, així com l’obtenció de dades per fer la fusió de sensors i la generació de valor afegit en productes d’humitat superficial del sòl i seguiment de l’estat de les cobertes.