Planet Labs: disrupción a través de CubeSats

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2016-07-01


Planet Labs es el ejemplo por excelencia de una empresa que está aprovechando el estándar CubeSat para realizar aplicaciones comerciales exitosas. Su misión es desarrollar y operar una constelación de satélites pequeños capaz de mapear completamente al planeta tierra diariamente y poner los datos a disposición de todo el mundo.

 

Planet Labs basa sus operaciones en un nuevo tipo de satélite que compite con los satélites tradicionales de observación de la tierra. En vez de lanzar satélites costosos de varias toneladas que pueden tardar varios años en fabricarse y probarse, Planet Labs utiliza pequeños satélites que se desarrollan muy rápidamente. Esta velocidad de desarrollo le permite a Planet Labs aumentar sustancialmente el ciclo de mejora, a través de constantes iteraciones en el diseño, algo inusual hasta ahora en el sector espacial.

 

Además, en vez de utilizar un solo satélite para mapear la tierra en órbita baja, Planet Labs utiliza una gran cantidad de satélites que recolectan imágenes simultáneamente y las envían a tierra a través de una red de estaciones terrenas automatizadas distribuidas en todo el planeta. Esto hace que su operación sea muy eficiente.

 

Planet Labs desarrolla sus satélites empleando componentes comerciales o COTS por sus siglas en inglés (Commercial of the shelf ), aprovechando la revolución en la miniaturización y la disminución en los precios que nos brinda la Ley de Moore, así como la gran inversión de las empresas de electrónica de consumo. Los satélites de Planet Labs son CubeSats que integran una cantidad asombrosa de componentes en un volumen reducido. Además, a diferencia de las naves espaciales tradicionales, que utilizan sistemas altamente probados para vuelo, lo que además los hace sumamente costosos, los CubeSats de Planet Labs emplean las tecnologías más avanzadas. Es por esto que Planet Labs está causando una disrupción en el sector espacial, tradicionalmente conservador.

 

Curiosamente también, los satélites de Planet Labs se denominan Dove (paloma en inglés) en contraste con nombres con connotaciones más agresivas que ha usado tradicionalmente el sector espacial. Esta denominación es también un reflejo del deseo de que sus satélites sean empleados para usos pacíficos y humanitarios.

 

Características del Dove

 

Los satélites Dove se ajustan a la especificación CubeSat 3U y pueden tomar imágenes de la tierra con una resolución espacial (Ground Sampling Distance) de 3.5 m a 400 Km de altura y un ancho de barrido (swath) de 20 Km. Con una masa de lanzamiento de 5.4 kg, aproximadamente, sus dimensiones físicas son 100 mm × 100 mm × 340 mm.

Figura 1. Diagrama esquemático de un Dove (Cortesía Planet Labs)

 

Subsistemas del Dove

 

Carga útil

 

Dove lleva una carga útil óptica que se utiliza para obtener imágenes de la superficie de la Tierra. Emplea un telescopio Maksutov-Cassegrain de 91 mm de apertura1 y una cámara CCD comercial con una resolución de 29 Megapixeles.

 

Subsistema de Determinación y Control de la Orientación (ADCS)

 

La orientación del satélite se estima de manera aproximada a través de magnetómetros y sensores de sol. Posteriormente estas mediciones se afinan a través de giroscopios, La orientación se controla por bobinas magnéticas que interactúan con el campo magnético de la tierra, apoyadas por ruedas inerciales en tres ejes para aumentar la velocidad de respuesta. Para la determinación de la posición se utiliza un receptor GPS.

 

Subsistema de energía eléctrica (EPS)

 

El Dove utiliza energía solar recolectada por Celdas Solares Triangulares Avanzadas (TASC) y la almacena en baterías de iones de litio. Las baterías suministran 20 A-h de carga a plena capacidad. La fuente de alimentación regula los voltajes y asegura un suministro estable de energía para alimentar el resto de los componentes.

 

Subsistema de control y manejo de datos (C&DH)

 

El C&DH consta de tres procesadores:  Una computadora principal tipo X86 con sistema operativo Ubuntu, un arreglo lógico programable (FPGA) para la compresión inicial de datos y un procesador ARM para agendar las operaciones del satélite. Las imágenes son comprimidas a bordo utilizando el estándar JPEG2000. El sistema emplea una memoria masiva de estado sólido (SSD) para el almacenamiento de las imágenes antes de enviarlas a la tierra.

 

Subsistema de comunicaciones

 

El subsistema de comunicaciones se compone de varios radios que realicen diferentes funciones.

 

Enlace de baja velocidad UHF

 

Para el sistema de telemetría, rastreo y control (TT&C) se dispone de un enlace bidireccional UHF basado en en el MCU CC1110 de Texas Instruments, y emplea un amplificador de potencia de 1W de salida de RF Micro Devices. La antena es del tipo monopolo de ¼ de onda de cinta métrica.

 

Enlace de alta velocidad en Banda X y Banda S.

 

Para la transmisión de las imágenes se cuenta con enlace de alta velocidad en banda X- Esta transmisión está auxiliada por un enlace de subida en banda S para el control de la descarga a través de técnicas de control adaptivo de la modulación y cifrado (Adaptive Coding and Modulation ACM). Las características técnicas del subsistema de comunicaciones se pueden apreciar en la siguiente tabla.

 

 

Figura 2. Dove con los páneles solares desplegados

 

Características técnicas del sistema de comunicaciones de los satélites Dove

Función

Banda

Frecuencia central

Potencia

Tasa de transmisión

Modulación

Enlace descendente de datos

X

8.2 GHz

 

2 Watts

12.5 Mbps a +100 Mbps

 

Variable: QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK

Enlace ascendente

S

2056 MHz

 

250 Kbps

protocolo NACK, necesario para el control adaptativo del enlace descendente (ACM)

BPSK

Enlace descendente de telemetría

UHF

401.3 MHz

1 Watt

4,800 bps

GFSK

Enlace ascendente de control

UHF

450.0 MHz

 

4,800 bps

GFSK

 

Segmento terrestre

 

El segmento terrestre de Planet Labs consiste en una docena de estaciones terrenas distribuidas en todo el mundo. Hay estaciones en Estados Unidos, Reino Unido, Nueva Zelandia, Alemania y Australia, entre otros sitios y en cada estación hay por lo menos 3 antenas dado que en un momento dado, hay a la vista 3 satélites de los que se pueden bajar datos. El sistema de antenas requiere de poca intervención humana, ya que están programadas para orientarse cada vez que pasan satélites en su área de influencia.

El segmento terrestre dispone de antenas parabólicas de 5m de diámetro para las bandas X y S y antenas Yagi de polarización circular para la banda de UHF.

 

Ficha técnica del Dove

Dimensiones

CubeSat de 3U

100 mm × 100 mm × 340 mm

Carga útil

Cámara óptica de 91 mm de apertura

 

Sensores CCD de calidad comercial

Bandas RGB e infrarrojo cercano (NIR)1,

Resolución 29  Mpixeles

Vida útil

de 1 a 3 años, dependiendo de la altura de la órbita

Peso

5.2 Kg aproximadamente

Potencia

20W aproximadamente proporcionados por 4 páneles solares desplegables de 100 mm × 300 mm

Baterías de Iones de Litio

Sensores

magnetómetros, cámara de estrellas, GPS

 

Actuadores

bobinas magnéticas, ruedas inerciales,

 

Operación

 

Una vez en el espacio, los satélites transmiten un mensaje a través de su cuenta de Twitter @dovesinspace. Ya que alcanzan su órbita despliegan sus páneles solares por medio de un resorte que es liberado al quemar un alambre que sujeta al conjunto.

 

Cuando un satélite se pone en contacto con una estación terrena de la red de Planet Labs, envía las imágenes capturadas que luego suben a la nube. Planet Labs utiliza los servicios de Amazon Web Services para procesar sus datos en la nube. Los datos crudos que se reciben de los satélites reciben un procesamiento preliminar para corregir las imágenes a partir de los metadatos insertados en los archivos recibidos. Estos metadatos contienen entre otras cosas, información sobre la posición y la orientación del satélite en el momento que tomó la imagen para hacer las correcciones requeridas. Planet Labs pone a disposición de los usuarios de las imágenes una interfase de programación (API por sus siglas en inglés Application Programming Interface) para que éstos desarrollen aplicaciones a la medida. Este enfoque permite el desarrollo ágil de nuevas aplicaciones de acuerdo a las necesidades cada usuario.

 

Figura 3. Estación terrena de Planet Labs

 

Historia de lanzamientos

 

Planet Labs entiende los riesgos de lanzamiento. Su enfoque para disminuir estos riesgos es utilizar vehículos de lanzamiento de múltiples proveedores, como se puede apreciar en la tabla. A pesar de que algunos lanzamientos fallaron, a la fecha, Planet Labs ha puesto en operación exitosa más de 130 satélites.

 

 

Misión

Fecha de lanzamiento

Vehículo de lanzamiento

Número de satélites

Órbita

Observaciones

1

Dove 2

19 de abril 2013

Soyuz-2-1a

1

575 Km, 64.90

Misión exitosa

2

Dove 1

21 de abril de 2013

Antares 110

1

300 Km, 520

Misión exitosa. Dove 1 se desintegró en la atmósfera a menos de una semana de haberse lanzado debido a la baja altura de su órbita.

3

Dove 3 y Dove 4

21 de noviembre de 2013

Dnepr

2

700 Km, heliosíncrona

Dove 4 no se colocó en órbita.

4

Flock 1 (USASAT-30F)

9 de enero de 2014

Antares 120

28

400 Km, 520

La misión fue exitosa, los satélites fueron lanzados de la EE

5

Flock 1c (USASAT-30F)

18 de junio de 2014

Dnepr

11

620 Km, heliosíncrona

 

6

Flock 1b (USASAT-30F)

13 de julio de 2014

Antares 120

28

400 Km, 520

La misión fue exitosa, los satélites fueron lanzados de la 77EEI

7

Flock 1d (USASAT-30F)

28 de octubre de 2014

Antares 130

26

400 Km, 520

La misión falló, el cohete Antares 130 explotó un poco antes de despegar.

8

Flock 1d´

10 de enero de 2015

Falcon 9

2

400 Km, 520

La misión fue exitosa, los satélites fueron lanzados de la EE

9

Flock 1e

14 de abril de 2015

Falcon 9 v1.1

14

400 Km, 520

 

10

Flock 1f

28 de junio de 2015

Falcon-9 v1.1

8

 

La misión falló, el cohete Falcon 9 explotó un poco antes de despegar.

11

 Flock 2b

19 de agosto 2015

H-2B-304

14

400 Km, 520

Dos satélites no se pudieron poner en órbita

12

Flock 2e

6 de diciembre de 2015

Atlas 5-401

12

400 Km, 520

Misión exitosa, los satélites fueron lanzados de la EEI

13

Flock 2e'

23 de marzo de 2016

Atlas 5-401

20

400 Km, 520

Los satélites se empezaron a lanzar desde la EEI a partir del 17 de mayo de 2016

14

Flock 2p

22 de junio de 2016

PSLV

19

500 Km

Heliosíncrona

Misión exitosa, los satélites se empezaron a lanzar desde la EEI a partir del 22 de junio de 2016

 

Otra estrategia de Planet Labs consiste en lanzar más satélites de los que se requiere en cada lanzamiento. De ese modo se puede asegurar la continuidad del servicio aunque algunos de los satélites en órbita. Además, en cada nuevo lanzamiento se prueban nuevas tecnologías, de tal manera que a la fecha ya se llevan 13 iteraciones en el diseño de los Doves2.

 

Spinoff de la NASA

 

Planet Labs fue fundada en 2011 por los científicos del Centro de Investigación Ames de la NASA Chris Boshuizen, Will Marshall y Robbie Schingler. A la fecha, Planet Labs ha recabado cerca de 160 Millones de dólares en 4 rondas de inversión de capital de riesgo, Entre las empresas que han financiado a Planet Labs se encuentran: Capricorn Investment Group, Draper Fisher Jurvetson (DFJ), Data Collective, First Round, Founders Fund, Innovation Endeavors,y O'Reilly Alfa Tech Ventures (OATV), entre otras.

 

Las oficinas de Planet Labs se encuentran en San Francisco e incluyen laboratorios de desarrollo e instalaciones para la fabricación y prueba de los satélites. La empresa tiene alrededor de 300 empleados y sigue contratando talento egresado de las universidades más prestigiosas del mundo.

 

Disrupción del sector espacial

 

A la fecha, la mayoría de los lanzamientos de Planet Labs han sido desde la Estación Espacial Internacional. En el futuro, Planet Labs desplegará la mayoría de sus satélites en órbita heliosíncrona. Así, el último lanzamiento ocurrido el 22 de junio de 2016 es un paso muy grande hacia el objetivo de obtener una imagen completa de la Tierra diariamente.

 

La tecnología de Planet Labs es una disrupción que democratiza el acceso a los datos geomáticos en tiempo real a través de capturar imágenes de la tierra desde el espacio con mucha frecuencia para detectar cambios en el paisaje - tales como la deforestación, los incendios forestales y el avance de proyectos de construcción. La disrupción de Planet Labs no solamente es tecnológica, ya que la disponibilidad de imágenes de alta resolución de la tierra según va cambiando diariamente, seguramente hará que nuestra percepción del planeta también cambie y nos conduzca a cuidar mejor del único planeta que tenemos hasta ahora.



Referencias:

[1] Boshuizen et al, Results from Planet Labs Flock Constellation, 28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, Utah, 2 al 7 de agosto de 2014.
[2] Rachel Holm Flock 2 launches successfully on PSLV, Blog de Planet Labs, , 21 de junio de 2016. https://www.planet.com/pulse/flock-2p-launches-successfully-on-pslv/



Etiquetas: cubesats,planet labs,lanzamientos,espacio,dove

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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