UPMSat-3
UPMSat-3 es un proyecto de microsatélite universitario liderado por el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” de la Universidad Politécnica de Madrid, IDR/UPM, pensado como continuación lógica de los anteriores satélites UPMSat-1 y UPMSat-2.
El objetivo de UPMSat-3 es diseñar, fabricar, calificar, lanzar y operar un satélite de bajo coste utilizable como plataforma de demostración tecnológica y con fines educativos y científicos. El proyecto permite consolidar la capacidad de la UPM en el campo de la tecnología aeroespacial.
Características técnicas
|
Especificación
|
Valor
|
|---|---|
|
Masa
|
22 kg
|
|
Dimensiones
|
250 mm x 250 mm x 366 mm (antenas no incluidas)
|
|
Órbita
|
500 km de altitud, heliosíncrona, con un período de 98 min
|
|
Vida operativa
|
3 años
|
|
Misiones
|
Educativa, científica, demostración de tecnología, radioaficionados, ciencia ciudadana
|
|
Estructura
|
Aleación 7075 T73 mecanizada
|
|
Control
|
Estabilización en tres ejes con control magnético (magnetómetros y magnetopares) y ruedas de reacción
|
|
Determinación de actitud
|
Determinación mediante sensores solares, de nadir y de estrellas
|
|
Protección térmica
|
Pasiva (criterios de diseño y mantas aislantes multicapa), y activa para elementos sensibles
|
|
Comunicaciones
|
UHF, subbanda para el Servicio de satélites de radioaficionados 435-438 MHz
|
|
Gestión de energía
|
2 paneles solares fijos y 2 paneles desplegables. Potencia media generada en órbita de 30 W. Batería de Li-ion
|
|
Lanzamiento
|
SPECTRUM de ISAR Aeroespace/DLR desde Andoya (Noruega)
|
|
Sistema de separación
|
CarboNIX 8 in
|
Más sobre el UPMSat-3
En el UPMSat-3, participan más de 50 personas, entre profesores, estudiantes, personal técnico, auxiliar y de servicios. Además de los investigadores del IDR/UPM de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE), colaboran otros grupos de investigación de la UPM para aportar sus conocimientos y experiencia en áreas específicas necesarias para el desarrollo de UPMSat-3. Por un lado, investigadores de la ETSI de Telecomunicación, del Grupo de Investigación en Sistemas de Tiempo Real y Arquitectura de Servicios Telemáticos (STRAST), que ya participó en UPMSat-2, y del Grupo de Radiación, y por otro, investigadores de la ETSI de Sistemas Informáticos.
Se trata de un satélite de 22 kg de masa máxima y dimensiones 250 mm x 250 mm x 366 mm, que describirá una órbita heliosíncrona de 10:30 a 500 km de altitud.
Este nuevo proyecto incluirá evoluciones tecnológicas con respecto a los satélites anteriores, como un control y determinación de actitud en órbita en 3 ejes o el despliegue de paneles solares empleando para su suelta mecanismos con memoria de forma. Además de su misión principal como plataforma educativa, UPMSat-3 validará en el espacio tecnologías de la industria y las universidades españolas, y reforzará la colaboración del IDR/UPM con la comunidad de radioaficionados, contribuyendo en proyectos de ciencia ciudadana a través de AMSAT y Satnogs. En este proyecto también se llevará a cabo divulgación de la ingeniería entre los alumnos de educación básica y la ciudadanía en general mediante campañas como ENVIA TU NOMBRE AL ESPACIO, videos informativos “UPMSat-2: Más allá de la universidad”, “Quiero ser Ingeniera”, etc.
El programa UPMSat-3 se financia con diversos proyectos internos del grupo, apoyo de empresas privadas y el gobierno de la Coomunidad de Madrid, apoyo de la ETSIAE y la UPM, y contando con la contribución del proyecto OAPES (Y2020/NMT-6427), financiación del Gobierno de la Comunidad de Madrid y diversas empresas privadas del sector aeroespacial.
Lanzamiento
Desde el IDR/UPM hemos conseguido dar continuidad a la línea de desarrollo de estos pequeños satélites, gracias a haber logrado ser seleccionados en el concurso promovido por el DLR alemán (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt) y la Agencia Espacial Europea (ESA) para proporcionar una oportunidad de un lanzamiento (sin coste) con el vehículo SPECTRUM de la empresa ISAR, en Q2-Q3 de 2025.
La principal dificultad para la realización de una misión espacial universitaria es el propio lanzamiento por su elevado coste (del orden de 1 o 2 M€), por lo que esta oportunidad es clave para permitir desarrollar la misión del UPMSat-3.
Para dar visibilidad a la actividad científica, el lanzamiento también es un evento relevante de cara a los medios informativos, por el interés que despierta en la ciudadanía en general. Más importante es aún este factor en este caso, en el que hay una alta participación de estudiantes, lo que redunda también en una gran visibilidad para las organizaciones patrocinadoras, incluyendo el desplazamiento y la asistencia al lanzamiento de las autoridades del país lanzador (en este caso España y la Comunidad de Madrid).
Estructura
La estructura de UPMSat-3, al igual que la de sus predecesores, ha sido diseñada por el equipo de diseño mecánico del IDR/UPM. Es el elemento que provee de soporte mecánico y de montaje para el resto de las unidades que conforman la plataforma, asegurando la integridad geométrica y estructural del sistema a lo largo de toda su vida útil y muy particularmente durante el lanzamiento.
La estructura primaria está fabricada en aluminio 7075, con una configuración modular
La estructura primaria del UPM-Sat 2 diseñada completamente en aluminio, tiene una configuración modular, compuesta por cuatro bandejas paralelas unidas en sus esquinas mediante barras que forman un marco estructural. Cuatro paneles planos cierran la estructura por sus laterales. Las bandejas son el elemento estructural principal. Sobre ellas están instalados la mayor parte de los componentes y subsistemas del satélite. Se han diseñado con una estructura tipo ortogrid, con el objeto de reducir su masa sin penalizar la rigidez
Control térmico
El UPMSat-3 cuenta con un subsistema de control térmico diseñado para garantizar el funcionamiento óptimo de sus componentes en el exigente ambiente espacial. Este subsistema desempeña un papel esencial, al mantener los instrumentos y sistemas embarcados dentro de sus rangos de temperatura operativa y de supervivencia.
El diseño del control térmico se ha basado en un análisis exhaustivo de las condiciones térmicas del satélite, y su órbita heliosíncrona a 500 km de altitud, mediante el software ESATAN-TMS. Se han seleccionado acabados superficiales como el anodizado negro y el Surtec 650, cuyas propiedades termo-ópticas han sido medidas empleando el TESA2000. Esta herramienta ayuda a conocer las propiedades reales de cada tratamiento superficial, mejorando los análisis realizados.
Entre las soluciones implementadas destaca un radiador diseñado específicamente para disipar el calor generado por una de las cargas de pago. Este radiador está aislado del resto de la estructura mediante un marco de PEEK y unido a este mediante adhesivo estructural, lo que reduce significativamente la transferencia de calor por conducción. Además, debido a las compactas dimensiones del satélite, se ha tenido que diseñar un thermal strap de cobre, que conecta térmicamente la carga de pago con el radiador para cumplir con los requisitos térmicos.
Para validar y perfeccionar este diseño, se han llevado a cabo ensayos sobre modelos de ingeniería, orientados a correlacionar las uniones mecánicas del modelo térmico con los datos experimentales obtenidos. Estos ensayos han sido fundamentales para ajustar los parámetros críticos del diseño y asegurar su correcto desempeño en el entorno espacial.
Asimismo, actualmente se están realizando ensayos de calificación de ciertos instrumentos, verificando su capacidad para operar en condiciones extremas de temperatura y vacío similares a las del espacio. El sistema de control térmico combina estrategias pasivas y activas, como heaters regulados mediante un control PID, para garantizar que todos los componentes funcionen dentro de sus rangos de temperatura óptimos.
Control y determinación de actitud
El Subsistema de Determinación y Control de Actitud (ADCS, por sus siglas en inglés) es el encargado de garantizar que el satélite mantenga la orientación adecuada para cumplir con su misión. Esto incluye, por ejemplo, orientar el satélite en función de los requisitos de las cargas útiles embarcadas, para su correcto funcionamiento, o posicionar los paneles solares hacia el Sol, asegurando una óptima generación de energía.
A diferencia de sus predecesores, el UPMSat-3 es un satélite estabilizado en tres ejes, lo que le permite un control completo sobre su orientación. Para lograr esta capacidad en un plazo de desarrollo reducido, se ha integrado el módulo comercial 3-Axis CubeADCS de CubeSpace, una solución avanzada y confiable.
El sistema ADCS realiza dos tareas principales:
- Determinación de la actitud: Este proceso consiste en conocer o estimar la orientación del satélite.
- Control de la actitud: Implica ejecutar las acciones necesarias para alcanzar o mantener la orientación deseada.
La determinación de la actitud se logra comparando los datos obtenidos de los sensores a bordo del satélite con los valores de referencia asociados a una orientación conocida. El UPMSat-3 está equipado con una combinación de sensores, que garantiza el conocimiento de su orientación en cualquier punto de su órbita, incluso durante las fases de eclipse:
- Dos magnetómetros: uno principal y otro redundante.
- Un sensor de Sol de tipo «grueso» (coarse).
- Dos cámaras de espectro visible: una para estimar la dirección del Sol y otra para identificar la dirección de nadir (dirección del hacia el centro de la Tierra).
- Un star tracker que utiliza las estrellas para determinar la orientación del satélite.
Para controlar su orientación, el UPMSat-3 cuenta con los siguientes actuadores:
- Tres ruedas de reacción: una para cada eje principal, se usan para realizar los cambios de orientación de una forma rápida y precisa.
- Tres magnetopares: utilizados principalmente en las fases iniciales de la fase de operación, para una correcta estabilización del satélite y, posteriormente, para ayudar a las ruedas de reacción o desaturarlas cuando sea necesario.
Además de todas las características mencionadas anteriormente, el UPMSat-3 también incorpora algoritmos de determinación y control de actitud creados por el propio IDR/UPM con la idea de probar y validar su funcionamiento en el espacio.
Parámetros orbitales esperados 21/03/2025, 12:00 UTC
|
Especificación
|
Valor
|
|---|---|
|
Semieje mayor
|
6781.0 [km]
|
|
Excentricidad
|
0.002-0.001
|
|
Inclinación
|
97.4 [deg]
|
|
Ascensión recta
|
158.070 [deg]
|
|
Argumento del perigeo
|
0 [deg]
|
|
Anomalía media
|
180.00 [deg]
|
Gestión de datos y software embarcado
El satélite está equipado con dos ordenadores encargados de monitorizar, controlar y gestionar los datos en vuelo. El primero de ellos es el NanoMind A3200, fabricado por GomSpace, que incluye el software encargado de gestionar los modos de operación, recolectar la telemetría producida en vuelo, procesar telecomandos y comunicarse con la estación terrena a través de la radio NanoCom AX100.
El segundo es el CubeComputer V4.1 de CubeSpace, que incluye el software encargado de gestionar los experimentos. Este, se comunica con las cargas útiles del satélite mediante líneas analógicas y digitales. La comunicación digital se realizó principalmente a través de los buses I2C, SPI, y UART. Por otro lado, el acceso a las interfaces analógicas se realizó mediante circuitos de acondicionamiento digital y multiplexores.
Ambos ordenadores, CubeComputer y NanoMind, se comunican a través del bus de datos CAN (Controller Area Network). Se trata de un estándar de comunicación empleado en entornos críticos como la automoción y el sector espacial.
El software de a bordo se ha desarrollado en el lenguaje de programación C. También se emplean el sistema operativo de tiempo real FreeRTOS y el protocolo de comunicaciones LibCSP (Cube Space Protocol). Se trata de librerías de código abierto ampliamente utilizadas en el desarrollo de CubeSats.
El software del satélite UPMSat-3 ha sido desarrollado por el grupo de investigación STRAST, compuesto por profesores y estudiantes de la ETSIT y la ETSIInf de la UPM. Asimismo, se cuenta con la colaboración del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) para el entorno de desarrollo del ordenador CubeComputer.
Comunicaciones
El UPMSat-3 embarca dos transceptores de vuelo en su misión: el primero, fabricado por Gomspace, actúa como sistema de comunicaciones de TT&C en la banda de UHF a 437 MHz, que incluye la transmisión de resultados de los distintos elementos experimentales embarcados en el satélite para su demostración en vuelo. El segundo, fabricado por Hydra Space, es una carga útil que actúa como repetidor con un enlace ascendente en la banda VHF a 144 MHz y enlace descendente en la banda de UHF a 437 MHz.
El UPMSat-3 porta dos sistemas de antenas en función de la banda de uso: para la banda de UHF, el sistema de antena consta de 4 monopolos en configuración de «turnstile«, adecuada a los requisitos de dimensiones del lanzador. El sistema de antena opera en polarización circular alimentando los monopolos con rotación secuencial. Para garantizar las operaciones se tiene un aislamiento 32 dB entre puertos. Esta configuración permite un funcionamiento half-duplex en cada transceptor, pero ambos operando simultáneamente; para la banda de VHF se emplea un monopolo extendiéndose desde el plano contrario al utilizado para la banda UHF del satélite.
El sistema completo está siendo diseñado por un equipo conjunto de personal del IDR/UPM y profesores del grupo de radiación de la ETSIT (UPM).
Potencia eléctrica
Experimentos de la misión
Los experimentos de la misión se centran en el campo de la demostración de tecnología en órbita. Se trata de probar aparatos y equipos en condiciones reales de operación para demostrar su funcionamiento en órbita, y así adquirir lo que en terminología espacial se conoce como “herencia”. Obviamente, este tipo de misiones son de gran interés para las empresas e instituciones que trabajan en el campo de las ciencias y tecnologías espaciales.
Con este propósito UPMSat-3 llevará embarcados una serie de experimentos:
Radiómetros fotónicos, desarrollados por el Grupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser (GOTL), de la Universidad Carlos III de Madrid. La actual radiometría de microondas desde el espacio se basa en observaciones muy sensibles en una amplia gama de frecuencias, lo que requiere receptores de bajo ruido y/o banda ancha. Para lograr una alta sensibilidad con los equipos disponibles actualmente se requieren sistemas de refrigeración a temperaturas criogénicas, de gran complejidad y peso. Como alternativa, se puede emplear detección de banda ancha o tiempos de observación muy largos. Esta carga útil constituye un concepto innovador de detección basado en la conversión ascendente de señales de microondas al dominio óptico mediante resonadores cristalinos en forma de anillo. Al aplicar este concepto de detección de alta sensibilidad, evitando la electrónica activa, se puede cubrir una amplia gama de frecuencias a temperatura ambiente (sin necesidad de criogenia), mejorando la resolución radiométrica incluso en bandas espectrales estrechas. Este concepto de sensor sería adecuado para una amplia gama de aplicaciones finales, como la predicción climática, la observación atmosférica o la detección astrofísica de ondas milimétricas. Se pretende ser capaz de realizar observaciones con una continuidad suficiente para derivar un mapa cósmico del fondo de microondas, para lo que se requiere además una determinación y control de actitud avanzado en la plataforma.
Un transceptor de comunicaciones miniaturizado, desarrollado por HYDRA Space. Este equipo realizará comunicaciones duales en banda UHF y VHF, para su futuro uso en satélites de tipo PocketQube. Este dispositivo permitirá reafirmar la colaboración con la comunidad de radioaficionados, sirviendo como repetidor de comunicaciones de voz entre estaciones terrenas y como unidad de TTC a través de la implementación de un sistema de comunicaciones/mensajería STORE-AND-FOWARD.
Un mecanismo de sujeción y despliegue de paneles solares, de tipo HDRA (Hold-Down & Release Actuator), desarrollado por OCCAM Space. Está basado en materiales con memoria de forma y permitirá tanto el despliegue no pirotécnico como el reinicio del sistema para su reutilización.
Un sistema de potencia miniaturizado para pequeños satélites desarrollado por DHV Technology.
Una serie de códigos de control y determinación de actitud desarrollados en el IDR/UPM.
Para poder llevar a cabo los ambiciosos objetivos de la misión, se realizará un reparto del tiempo de la misión entre los diferentes experimentos, teniendo en cuenta sus modos de operación y la potencia disponible en la plataforma.
Otra parte importante del proyecto se basa en contribuir en proyectos de Ciencia Ciudadana. Para ello, el equipo de UPMSat-3 pretende reafianzar su colaboración con SATNOGS y la comunidad de radioaficionados (a través de AMSAT) con un doble propósito. Por un lado, se pretende transmitir la totalidad de los datos de UPMSat-3 en frecuencias de radioaficionados, de manera que sean accesibles para toda la comunidad. Se publicarán también en abierto los códigos de decodificación necesarios para transformar dicha telemetría en magnitudes reales, de manera que puedan emplearse con propósitos científicos y educativos. Por otro lado, esta colaboración permitirá obtener datos del satélite en diferentes posiciones geográficas, lo que a su vez permitirá al IDR/UPM y sus colaboradores cumplir los objetivos de la misión (evaluación de códigos de control de determinación y control de actitud, determinación del fondo cósmico de microondas, etc).
Integración y ensayos
Las actividades de AIT (Assembly, Integration and Testing) se realizan en las instalaciones del IDR/UPM, en el campus de Moncloa y en el campus de Montegancedo.
Los ensayos de verificación permiten asegurar que los sistemas y equipos del satélite sobrevivirán al lanzamiento y serán capaces de operar de forma fiable en las extremas condiciones que ofrece el espacio (vacío, temperaturas extremas, y radiación).
Para ello, todos los sistemas se someten a un proceso de verificación que consta de dos partes fundamentales:
- Ensayos de funcionalidad y prestaciones
- Ensayos ambientales
Además, los ensayos se realizan a varios niveles: a nivel equipo, a nivel subsistema (formado por uno o varios equipos), y a nivel satélite (para la calificación/aceptación del sistema final).
Ensayos en banco del ADCS (Attitude Determination and Control Subsystem)
Los ensayos del sistema ADCS se centran en replicar los procedimientos de activación y puesta en marcha del sistema para validar, paso a paso, la configuración, las lecturas de los sensores y la funcionalidad general.
La campaña de ensayos se realiza de modo incremental, empezando por los modos de control y determinación básicos, integrando en pasos sucesivos nuevos sensores y actuadores a medida que se asegura la correcta operatividad de cada componente, hasta alcanzar la plena funcionalidad del sistema.
Los ensayos han permitido, no solo confirmar que el sistema está correctamente configurado, sino también ganar experiencia en las operaciones futuras del satélite. Durante las pruebas, se envían telecomandos al sistema y se recogen datos como si el satélite estuviera en órbita, con la ventaja añadida de poder comparar directamente las mediciones de los sensores con el comportamiento real del sistema.
El éxito de la campaña ha sido posible gracias al banco de ensayos de actitud del IDR/UPM, una herramienta avanzada en la simulación de sistemas de determinación y control de actitud. Este sistema representa una mejora muy significativa en el ensayo de este tipo de sistemas, suponiendo un paso adelante con respecto a las verificaciones basadas en simulación, o las pruebas aisladas que se realizan a nivel componente. Este banco permite recrear un entorno espacial relevante, simulando las condiciones que enfrentará el satélite una vez situado en órbita.
El banco de ensayos de actitud incluye un sistema de flotación basado en un air-bearing, que permite simular el movimiento libre del satélite en el espacio. Además, cuenta con una estructura formada por bobinas de Helmholtz que permite generar un campo magnético controlado, y con una serie de simuladores que “engañan” a los sensores embarcados en el satélite. Entre ellos, destacan un simulador de estrellas, un simulador solar y un simulador de señales GNSS. Este equipo permite probar sistemas de control de actitud para satélites, desde pequeños CubeSats de 1U hasta sistemas diseñados para satélites de hasta 100 kg.
Ensayos del sistema híbrido-balún
El híbrido-balún es una red de alimentación capaz de aislar los dos transceptores embarcados en el UPMSat-3, que operan en la misma banda de UHF (436 MHz), ya que el funcionamiento de cada uno de ellos es perjudicial para el otro (la potencia radiada de cualquiera de ellos es superior a la potencia máxima recibida del otro).
Este sistema ha sido diseñado por personal de la ETSII y ETSIT, de la Universidad Politécnica de Madrid, y ha sido calificado para vuelo en las instalaciones de ensayos ambientales del IDR/UPM en el campus de Montegancedo.
Ensayos de caracterización de las antenas
Organización del proyecto
Para llevar a cabo este proyecto y organizar dentro de lo posible el numeroso equipo humano que en él participa, se ha introducido una cierta jerarquización por áreas de actividad, dotándola de la necesaria flexibilidad que exige una organización universitaria.
De este modo, el equipo responsable del desarrollo del satélite UPMSat-3 está dirigido por un gestor que rinde cuentas ante los organismos e instituciones patrocinadores y un conjunto de equipos de trabajo (articulados en torno a los paquetes de trabajo definidos en el proyecto) coordinados por un ingeniero de sistemas. Los equipos de trabajo, formados por uno, dos o tres profesores y varios alumnos, se han encargado de llevar a cabo las distintas tareas descritas en los paquetes de trabajo, siendo su composición flexible, habida cuenta de la movilidad y la disponibilidad del personal en un entorno universitario y de las necesidades específicas del proyecto en las diversas etapas de su ejecución.
En la siguiente tabla se indica la distribución, entre las Escuelas de la Universidad Politécnica de Madrid implicadas en el satélite, del equipo humano que participa actualmente en la ejecución del proyecto.
Distribución del personal participante en el proyecto UPMSat-3 por categorías y Escuelas de la Universidad Politécnica de Madrid a finales de 2024.
|
Centro
|
Profesores
|
Alumnos
|
Personal de gestión, administración y servicios
|
Subtotal
|
|---|---|---|---|---|
|
E.T.S.I. Aeronáutica y del Espacio
|
10
|
20
|
4
|
34
|
|
E.T.S.I. Telecomunicación
|
3
|
6
|
-
|
9
|
|
E.T.S.I. de Informática
|
2
|
5
|
-
|
7
|
|
Total
|
15
|
31
|
4
|
50
|
Educación y formación
La misión UPMSat-3 tiene un marcado carácter educativo. Permite continuar con líneas de innovación docente centradas en métodos como la “Educación Basada en Proyectos (PBL)” o la “Educación Basada en la Investigación (RBL)”, y constituirá como su predecesor una herramienta extremadamente valiosa para complementar la formación de los estudiantes de las titulaciones de grado y máster de la UPM. Estas iniciativas estarán además enmarcadas dentro del Grupo de Innovación Educativa INNAERO (Grupo de INNovación educativa en ingeniería AEROespacial), consolidado desde junio de 2022 y formado por profesores del IDR/UPM.
El programa UPMSat-3 está siendo utilizado para la formación de alumnos del Master Universitario en Sistemas Espaciales (MUSE), realizando prácticas, trabajos dirigidos, casos de estudio y trabajos de fin de master.
Desarrolladores
STRAST
Patrocinadores
Colaboradores
Lanzamiento
