Multi-satellite systems design and optimization using a discrete coverage quantization methodology

Resumen

Un sistema multi-satélite es un sistema espacial compuesto de varios satélites que pueden estar organizados en una constelación, una agrupación de satélites o en un conjunto heterogéneo de satélites en orbitas diferentes, o incluso con objetivos de misión diferentes. Estos son, normalmente, grandes sistemas con múltiples satélites y equipos terrenos asociados, pero con la generalización en el diseño de cubesats, se pueden diseñar nuevos sistemas más accesibles en términos económicos y técnicos. Para la creación de sistemas de cubesats complejos y grandes es necesaria la utilización de los procesos y métodos que se emplean en los sistemas grandes de satélites, y que se describen en los estándares pero adaptados a las necesidades de los cubesats. Sólo de esta manera la complejidad puede ser gestionada de forma práctica y eficiente. Partiendo del éxito de Xatcobeo como precursor, donde se realizó una adaptación de los estándares ECSS para su desarrollo, el siguiente paso es aplicar el mismo proceso a un sistema espacial de mayor tamaño. Así que partiendo de esta adaptación ya existente de los estándares ECSS a los cubesats, y añadiendo las prácticas y procedimientos de la ingeniería y gestión de sistemas espaciales, ha sido posible la consecución del diseño de HUMSAT. HUMSAT representa la convergencia de varias áreas interdisciplinarias. La aplicación de la ingeniería de sistemas, los estándares ECSS, procedimientos de gestión y conocimiento técnico han llevado al diseño de un extenso sistema multi-satélite de cubesats, el sistema HUMSAT. En el presente trabajo, primero se proporciona un resumen de los métodos y prácticas actuales empleados en la ingeniería de sistemas espaciales, la gestión de proyectos aplicado a misiones espaciales, y de que forma están relacionados. Se presentan las bases fundamentales de la ingeniería de sistemas y se describen los aspectos técnicos relevantes para una misión espacial; enfocándose en el diseño de sistemas espaciales y su estructuración en segmentos espacial y terreno, y las operaciones. El proceso de diseño y verificación de sistemas, así como las partes que conforman los segmentos son detalladas. En particular, se hace una revisión de los subsistemas que componen un satélite, describiendo su funcionalidad e importancia como parte del satélite, y destacando su arquitectura y componentes principales. De igual forma se presentan las cargas útiles para los diferentes tipos de misiones más habituales. Además, se cubre la verificación y test de satélites, tanto en tierra como en órbita. Otro elementos se describen también en su función como parte de un sistema espacial, como por ejemplo lanzadores, LEOP y seguros. El segmento terreno se divide en parte de control y parte de misión. De la misma forma que se hace para el satélite, todos los elementos que son parte del segmento terreno se enumeran y describen, incluyendo aspectos relativos a la verificación. Para finalizar, y completar el diseño de misiones espaciales, se exponen las operaciones de misión y los procesos de control de calidad. Una vez que la parte técnica está completada, se describen los métodos empleados en la gestión y organización de proyectos espaciales según detallan los estándares y establecen las buenas prácticas profesionales. En particular, se presenta el proyecto y su división en fases e hitos, como se organiza el trabajo con la estructura detallada del trabajo y la descripción de los paquetes de trabajo, y como se organizan habitualmente los equipos técnicos en proyectos espaciales. A continuación, se presentan algunas de las herramientas típicas para control de proyectos y gestión de riesgos. Finalizando con una reseña sobre los aspectos legales a cumplir que son necesarios para poner un satélite en órbita. La síntesis y aplicación directa de las secciones precedentes se muestra en el diseño del sistema HUMSAT y su arquitectura física, junto con la propuesta de un segmento terreno, que se incluyen en este trabajo. El paso siguiente es, lógicamente, la optimización de la arquitectura propuesta. Para ello, se ha desarrollado una nueva metodología, que mejora los criterios de selección previos para redes de estaciones terrenas, y que demuestra ser de interés particular para comunicaciones robustas y redundantes. Adicionalmente, el método presentado es de aplicación más allá de los sistemas espaciales, y puede funcionar de igual forma en otras aplicaciones, como por ejemplo, UAV o control de misiles. En general, se puede aplicar a cualquier situación en la que un usuario se mueve sobre la tierra, el aire o el espacio y tiene conectividad con un satélite u otro elemento situado por encima de su posición. La metodología también es aplicable a cualquier número de usuarios o satélites en cualquier órbita, sin necesidad de que los satélites estén en el mismo tipo de órbitas o a la misma altura. La base teórica de esta metodología de optimización de la arquitectura de sistemas multi-satélite y su rango de aplicación se describen en este trabajo. El método se verifica con un escenario realista y bajo condiciones de contorno controladas para probar el concepto y mostrar un caso de aplicación práctica. Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia de la metodología propuesta en la optimización del número total de estaciones de una red terrena para proporcionar el servicio en un sistema multi-satélite. Finalmente, se proponen algunas aplicaciones adicionales de la metodología propuesta más allá del ámbito del presente estudio, especialmente para optimizaciones a nivel del diseño del segmento terreno y de las operaciones