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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, Medellín

2 IEEE, CS, ComSoc, AESS3 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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ContenidoI 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 TerrenaIntegración e Ingeniería Codesarrollo sistema de despliegue

Andres Alfonso CaroDesarrollo en "Salvo RTOS".Codesarrollador comunicacionesTelemetría

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 lamaqueta

•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

PlanificaciónAnálisis 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 información

Producción y despliegueControl final: lanzamiento

Desarrollo de ingeniería y manufactura

revisión del diseño crítico

Demostración y validaciónrevisión 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 misiónControl:revisión de la

preparación operacionalControl: lanzamiento

Diseño Final: revisión del diseño

crítico.

Definición revisiones de requisitos,

definición del sistemaControl: 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 un

método para el desarrollo de productos en un programa espacial.

Modelo lineal secuencial es el estándar de facto para desarrollos aeroespaciales.

Normalmente los picosatélites son orientados a la educación; se pueden considerar aplicaciones científicas.

Aplicaciones científicas: hay un espectro amplio de posibilidades, 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

[1]     [AND91] Aerospace software engineering. Editado por Anderson, Christine. y Dorfman, Merlin. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. United States of America.1991. [2]     [AER05] Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia. Acta. Seminario Regional de Navegación Satelital GNSS. Bogotá septiembre 26 al 29 de 2005.[3]     [COL05] Memorandum de Entendimiento del Gobierno de la República de Colombia a la Oficina de Asuntos del Espacio Ultraterrestre de las Naciones Unidas, mencionada en la sesión de la Comisión sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos, Subcomisión de Asuntos Jurídicos, 5 de abril de 2005.[4]     [CUB07] CubeSat Community. 2007. http://cubesat.atl.calpoly.edu/[5]     [JOY07] Libertad-1:primer satélite colombiano. Simposio de la Tierra y el Cielo. Planetario de Medellín, junio 15 al 17 de 2007.[6]     [LAR05] Larson, Wiley J., Wertz, James R. Space Mission Analysis and Design. Third Edition. Microcosm, Inc. and WJ Larson, Seventh Printing, 2005.[7]     [NAS71] National Aeronautic and Space Administration, The Earth´s Ionosphere. NASA SP-8049, marzo 1971.[8]  [NAS06] GeneSat-1 Technology Demostration Mission. NASA Ames Research Center y Santa Clara University. 2006. http://www.crestnrp.org/genesat1/[9]   [PRE06] Presidencia de la República de Colombia. DECRETO No. 2442 de Julio 18 de 2006 por el cual se crea la Comisión Colombiana del Espacio.[10]  [PRE98] Pressman, Roger S. Ingeniería del Software: un enfoque práctico. Cuarta Edición, McGraw-Hill Interamericana de España, España 1998.[11]  [PUI04] PUIG-SUARI, Jordi. Notas del Curso Aero 450 - Systems Engineering- Course 1 California State Polytechnic University, San Luis Obispo. (Primavera 2004).[12]  [RES07] Restrepo, León J. et al. En elaboración. Universidad de San Buenaventura, Medellín. 2007.[13]  [SPA07] Space Telescope Science Institute. 2007. http://www.stsci.edu/hst/[14] [SPW07] Space and Naval Warfare Systems Center. 2007. IEEE/EIA 12207: Standard for Information Technology. http://sepo.spawar.navy.mil/SW_Standards.html[15] [WEB07] Web3D Consortium. http://www.web3d.org/x3d/specifications/vrml/ISO-IEC-14772-VRML97/

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Ingeniería de Sistemas Espaciales: aplicación al desarrollo de picosatélites de uso científico

Facultad de Ingenierías

Universidad de San Buenaventura Medellín, 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: jzuluaga@udea.edu.co).