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Ingeniería de Sistemas Espaciales:aplicación al desarrollo de picosatélites de uso científico
León J. Restrepo Quirós 1, 2, 3 , Ing. , Jorge Iván Zuluaga Callejas, Dr. 1
1 Grupo de Investigación en Modelamiento y Simulación Computacional,
Facultad de Ingenierías Universidad de San Buenaventura, Medellín2 IEEE, CS, ComSoc, AESS
3 Red de Astronomía de Colombia
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Resumen
Se presentan en este trabajo posibles metodologías de Ingeniería
aplicables al desarrollo de tecnología aeroespacial y casos de estudio
como el de Libertad-1, de uso de metodologías de Ingeniería y estándares
IEEE. La Ingeniería Aeroespacial basa su trabajo en metodologías
conocidas de Ingeniería de Sistemas, adaptadas según la experiencia,
necesidades y políticas propias de la institución que las aplica. Las
metodologías traen asociado el uso de estándares internacionales que
buscan asegurar un apropiado ciclo de desarrollo y del producto final. Se
discuten aquí también algunas de las actividades en curso y que son
complementarias al desarrollo de este proyecto, a saber, la aplicación
de una metodología para el desarrollo de picosatélites de uso
científico, la elaboración de un Plan de Desarrollo Aeroespacial de
alcance departamental y el uso de modelos de realidad virtual en la
investigación en el área.
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Contenido
I Introducción
II El país frente al tema espacial
III Historias de satélites
IV Posibles aplicaciones de los CubeSat
V Ingeniería de Sistemas Espaciales
VI Aplicaciones al desarrollo de picosatélites de uso científico
Reconocimiento
Referencias
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El Gobierno de Colombia viene realizando acciones para insertar el
país en el desarrollo de tecnologías aeroespaciales.
Instituciones educativas están adelantando proyectos propios o de
manera asociativa en diversos campos del conocimiento espacial.
Universidades en el mundo desarrollan picosatélites, la mayoría
como pruebas de concepto y funcionalidad tecnológica.
Es pertinente estudiar la utilidad de los picosatélites como
herramientas de uso científico más allá de su aplicación en
investigación formativa, aplicando para su desarrollo metodologías de
Ingeniería apropiadas para su ámbito y alcance.
I Introducción
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Colombia no ha ratificado los cinco Tratados de
Naciones Unidas que regulan el Espacio Ultraterrestre,
ni las Cinco Declaraciones y Principios Legales.
Colombia fue hasta julio de 2006 Secretaría Pro-
Tempore de la IV Conferencia Espacial de las Américas
(SP IVCEA)
II El país frente al tema espacial
DECRETO No. 2442 de Julio 18 de 2006 por el cual se
crea la Comisión Colombiana del Espacio.
Se declara que los asuntos del espacio son de interés
nacional.
La Secretaría llamó a estudiar el uso de los
picosatélites CubeSat para el desarrollo de las ciencias y
tecnologías del espacio en la región latinoamericana.
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III Historias de Satélites
En 2002 los astronautas del transbordador espacial liberaron un par de
pequeños satélites unidos entre sí por un cable dentro del programa MEPSI
(MEMS-based PICOSAT Inspector, financiado por la agencia militar
DARPA). Los satélites estuvieron libres durante tres días como
demostración del uso de nanotecnología en sistemas espaciales. Hicieron
lanzamientos posteriores en el shuttle y en cohetes Atlas. (imágenes propiedad del programa MEPSI)
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Historias de Satélites
El Space Flight Laboratory de la University of Toronto desarrolló para su
lanzamiento en 2003 el CanX-1, dentro de un programa para la investigación y
educación de estudiantes de posgrado, con la misión de verificar la
funcionalidad de diversas tecnologías electrónicas nuevas en orbita espacial.
Trató de demostrar la alta capacidad del artefacto de incorporar cargas útiles y
subsistemas experimentales como el CMOS Image, una computadora central
ARM7, un receptor de GPS y un sistema de control de actitud de activación
magnética.
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Libertad-1
Equipo de Trabajo, Programa Colombia en Órbita - Universidad Sergio Arboleda
Raul Joya Olarte.Director Proyecto
Ivan Rodrigo Luna.Director Técnico
César Fernando Valero S.Diseño de Telemetria.
Comunicaciones.
Antenas.
Estación Terrena
Integración e Ingeniería
Codesarrollo sistema de
despliegue
Andres Alfonso CaroDesarrollo en "Salvo
RTOS".
Codesarrollador
comunicaciones
Telemetría
Paul Nuñez R.Diseño y simulación
sistema de orientación
y estabilización.
Diseño de sistema de
despliegue de antenas
Miguel Ariza.Desarrollo Sistema de
Potencia.
Codesarrollo sistema de
despliegue
Liza Pinzón.Simulación sistema de
orientación y
estabilización
"Cubesim"
Josiph Toscano Casadiego.Soporte Baterias
Auxiliar Centro de Control
Historias de Satélites
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IV Posibles aplicaciones de los CubeSat
Entre las posibles aplicaciones, se han planteado en escenarios académicos
ejemplos como los que siguen:
Como plataformas de observación de la Tierra (agricultura de precisión [AER05],
meteorología, botánica y oceanografía).
Para sondear la ionosfera en sitio, frente a los mecanismos actuales de
generación de modelos [AER05] y respecto a la interacción de los equipos con el
medio que lo rodea y su influencia en las comunicaciones, guiado y trayectoria
[NAS71].
Como telescopios espaciales de poca apertura. Como telescopios dedicados
para la observación de objetos en particular, sin las restricciones de tiempo de
telescopio, en una órbita por encima del Hubble Space Telescope. [SPA07]
Usándolos con nuevos materiales, o en su misma estructura probando posibles
aislantes del calor y radiación o para contener cargas radioactivas o biológicas.
[NAS06]
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La Ingeniería de Sistemas contempla diversas metodologías para el desarrollo de
productos o aplicaciones, que pueden ser utilizadas en muchas áreas del
conocimiento, estableciendo técnicas para la resolución de problemas científicos o
tecnológicos.
Localmente no se conoce una metodología extendida de manera general para el
desarrollo de ingenios aeroespaciales, particularmente para satélites pequeños.
Puig-Suari plantea como alternativas metodológicas de Ingeniería de Sistemas, para
el desarrollo de satélites las estrategias evolutiva y espiral, según el grado de
conocimiento de los objetivos [PUI04].
NASA y el DoD utilizan sendas adaptaciones del modelo lineal secuencial.
La Universidad Sergio Arboleda trabajó con base en el modelo expuesto en [LAR05]
Space Mission Analysis and Design (SMAD)
V Ingeniería de Sistemas Espaciales
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A Fases de desarrollo de un programa
espacial (según SMAD) y su posible aplicación
local
Exploración del concepto: fase inicial del estudio, que da lugar a una amplia
definición de la misión espacial y de sus componentes.
Desarrollo detallado: fase de diseño formal, que da lugar a una definición detallada
de los componentes del sistema y en los programas más grandes, al desarrollo de
pruebas de hardware o software.
Producción y despliegue: construcción de hardware y software de tierra y vuelo y
lanzamiento de la primera constelación completa de satélites.
Operaciones y respaldo: operación cotidiana del sistema espacial, su
mantenimiento y respaldo, y finalmente su desorbitación o recuperación en el final de
la vida de la misión.
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Posibles aplicaciones de los CubeSat
¿Inmersos en la capa F de la ionosfera, órbita polar heliosincrónica,
pequeños y de poca masa, serán desventajas o ventajas?
Durante el Seminario GNSS (Aeronáutica Civil, Bogotá D.C. 2005) se
planteó por parte de las Universidades de San Buenaventura y de
Antioquia la posibilidad de adelantar un proyecto de Inserción en el Uso de
Tecnología Aeroespacial como herramienta en la investigación y la
Docencia Universitaria a través de CubeSat kit.
Se debe evaluar la aplicación que podría dársele a los picosatélites bajo
criterios claros como beneficios potenciales, pertinencia, utilidad y costo.
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A1 Aplicación local
Aproximación a un programa espacial para
Antioquia y su área de influencia
Educación
Legislación y Procedimientos
Ingeniería, Diseño y Seguridad Operacional
Aplicaciones
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Modelo lineal secuencial
Ingeniería de Sistemas
análisis diseño elaboración prueba
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de [PRE98]
Según el ciclo convencional de ingeniería:
• Ingeniería y modelado de sistemas,
• Análisis de requisitos,
• Diseño,
• Elaboración/generación de código,
• Pruebas y
• Mantenimiento
B Metodologías de la
Ingeniería de Sistemas
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Modelo de construcción de prototipos
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de [PRE98]
Escuchar al
cliente
Construir / revisar
maqueta
El cliente
aprueba la
maqueta
• Se construyen prototipos como
mecanismo para la definición de
requisitos.
• Comienza definiendo objetivos
globales y requisitos conocidos.
• Aparece un diseño rápido que se
centra en representar lo que es
visible para el cliente/usuario
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Modelo en espiral
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de [PRE98]
Comunicación con el cliente
Planificación
Análisis de riesgos
Ingeniería
Construcción y adaptaciónEvaluación del cliente
• Como Modelo de proceso evolutivo (MPE)
permite desarrollar versiones cada vez más
completas del producto.• Se desarrolla de manera
incremental. En primeras iteraciones
el resultado podría ser un modelo en
papel o un prototipo; durante las
últimas se producen versiones cada
vez más completas del sistema. Se
divide en „actividades estructurales” o
“regiones de tareas”.
•Su complejidad y formalidad
dependen de las características del
proyecto. Para cada región se
definen tareas de protección.
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Aplicaciones en VR
Modelo de construcción de prototipos Modelo en espiral
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C Las metodologías de uso conocido
Operaciones y
ayuda de mantenimiento
Operaciones
Decodificación
de informaciónProducción y despliegue
Control final: lanzamiento
Desarrollo de ingeniería y
manufactura
revisión del diseño crítico
Demostración y validación
revisión de la definición del sistema,
concluye con la revisión del diseño
preliminar
Exploración del concepto
establecimiento de necesidades,
Análisis,
establecimiento del concepto,
Desarrollo,
Concluye con revisión de requisitos del
sistema
Inicio
DoD
Estados Unidos
Desarrollo
revisión de aceptación del
sistema,
revisión de preparación de la
misión
Control:revisión de la
preparación operacional
Control: lanzamiento
Diseño
Final: revisión del diseño
crítico.
Definición
revisiones de requisitos,
definición del sistema
Control: revisión del diseño
preliminar.
Análisis preliminar
Control: revisión de la
definición de la misión
Estudios avanzados
Final: revisión del concepto
de la misión
NASA
Estados Unidos
Lanzamiento
Pruebas
Modelo de vuelo
Unidad del diseño de
ingeniería
Prueba de escritorio
Análisis del diseño preliminar
Universidad
Sergio Arboleda
Colombia
[JOY07][LAR05] [LAR05]
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D Estándares de uso conocido en el
ámbito aeroespacial
Caso de estudio:
Department of Defense
Estados Unidos
DOD-STD-2167
DOD-STD-2168
DOD-STD-2168
MIL-STD-498
IEEE/EIA 12207, 12207.0, 12207.1, 12207.2
DOD-STD-7935ADOD-STD-2167A
DOD-STD-2167A
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Hasta donde se ha indagado el SMAD es aplicable al caso nacional, para la
implementación de programas espaciales que con base en aplicaciones
específicas de índole tecnológico, que permitan el desarrollo de planes
continuados de trabajo.
Es recomendable el uso de modelos de Ingeniería de Sistemas para adelantar
programas de tecnología espacial en el caso colombiano. Dicho modelos deben
incluir el uso intensivo de estándares internacionales y en particular para el
desarrollo de software para aplicaciones espaciales del estándar IEEE/EIA 12207,
Estándar para Tecnología de Información, de reconocido manejo en el ámbito
aeroespacial.
VI Aplicaciones al desarrollo de
picosatélites de uso científico
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Los autores recomiendan continuar con los pasos subsiguientes del desarrollo de
este proyecto, a saber:
estudiar las posibles necesidades de picosatélites de uso científico en Colombia,
escoger un caso de uso según criterios de pertinencia, continuidad en el trabajo,
coherencia, beneficios potenciales y transdisciplinaridad y
aplicar metodologías como las aquí expuestas para el análisis de sistemas del caso de
uso que se seleccione.
Actividades que se han desarrollado: participaciones en Semana de la Ingeniería
UdeA, Biblioteca EPM, Conferencias USB, UdeA, IEEE, Reuniones con
investigadores UTEXAS, Participación en Simposio GNSS (idea de sondeo
ionosférico).
Puede tener valor agregado el uso de realidad virtual con fines didácticos y de
investigación formativa en ciencias aeroespaciales, particularmente para la
construcción de prototipos, comunicaciones con el cliente y comunidad.
VI Aplicaciones al desarrollo de
picosatélites de uso científico
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Conclusiones y síntesis
Estado actual del proyecto: en curso etapa de Análisis.
Es importante trabajar hacia la construcción de unmétodo para el desarrollo de productos en unprograma espacial.
Modelo lineal secuencial es el estándar de facto paradesarrollos aeroespaciales.
Normalmente los picosatélites son orientados a laeducación; se pueden considerar aplicacionescientíficas.
Aplicaciones científicas: hay un espectro amplio deposibilidades, es necesario escoger una.
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Los autores agradecen el apoyo para la realización de
este trabajo a la Decanatura de Ingenierías de la
Universidad de San Buenaventura, sede Medellín y a la
Biblioteca de las Empresas Públicas de Medellín.
Especial felicitación y agradecimiento por su colaboración
al Equipo de Trabajo del Programa Colombia en Órbita de
la Universidad Sergio Arboleda.
Reconocimiento
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Bibliografía
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mencionada en la sesión de la Comisión sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos, Subcomisión de
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Ingeniería de Sistemas Espaciales:
aplicación al desarrollo de picosatélites de uso científico
Facultad de Ingenierías
Universidad de San BuenaventuraMedellín, COLOMBIA
Ciencia, Honor y Fe
L. J. Restrepo Quirós (correspondencia teléfono: 300-778-1618; e-mail: leon.restrepo@ computer.org)
J. I. Zuluaga Callejas (e-mail: [email protected]).