El NanoSat Lab genera, per primer cop des de CubeSats, mapes del gel marí i de la humitat del sòl

+
Descarregar

Mapes de concentració del gel marí a l’Àrtic de 13 al 15 de novembre: (a) mapa amb dades del radiòmetre de microones de l’FMLP-2, (b) mapa veritat terreny (és a dir, de mesures realitzades ‘in situ’) i (c) mapa d’errors

+
Descarregar

Mapes de concentració del gel marí a l’Antàrtic de 13 al 15 de novembre: (a) mapa amb dades del radiòmetre de microones de l’FMLP-2, (b) mapa veritat terreny (és a dir, de mesures realitzades ‘in situ’) i (c) mapa d’errors

+
Descarregar

Evolució de l’extensió de gel a l’Àrtic en milions de quilòmetres quadrats (en vermell, l’estimació obtinguda i en negre, segons el mapa veritat terrena

+
Descarregar

Evolució de l’extensió de gel a l’Antàrtic en milions de quilòmetres quadrats (en vermell), l’estimació obtinguda i en negre, segons el mapa veritat terrena

Per què són importants aquestes dades

Obtenir dades i conèixer el comportament de la humitat del sòl i l’extensió i el gruix del gel marí és fonamental per conèixer el cicle de l’aigua, ja que el comportament de l’aigua dels oceans, dels núvols i del gel determina el clima del planeta i provoca fenòmens atmosfèrics diversos. El moviment de les masses d’aigua (o circulació termo-halina) transporta energia en forma de calor, i matèria en forma de sòlids en suspensió, substàncies dissoltes i gasos al voltant del planeta, esmorteint les diferències. Aquesta circulació fa que la calor elevada vagi de les zones més càlides a les més fredes i viceversa, actuant com a un gran radiador.

En aquest procés intervenen factors diversos, com ara la temperatura, la salinitat i la humitat del sòl, que estan relacionats amb fenòmens atmosfèrics com són el ‘Niño’, grans inundacions o sequeres, que afecten tant a la població com a diversos sectors econòmics de maneres diferents (afectant als cultius o creant possibilitats per obrir noves rutes marítimes per l’Àrtic).

Estudiants i joves investigadors del NanoSat Lab de la UPC han generat, amb tecnologia pròpia, els primers mapes d’humitat del sòl, de concentració, extensió i gruix del gel marí, així com de salinitat a l’Àrtic. Ho han fet mitjançant dos nanosatèl·lits tipus CubeSat de 6 unitats, en el marc de la missió ‘FSSCat’.

29/07/2021

Un grup d'estudiants i joves investigadors del NanoSat Lab de la Universitat Politècnica de Catalunya· BarcelonaTech (UPC) ha generat els mapes d’humitat del sòl, de concentració, extensió i gruix del gel dels pols, així com de salinitat a l’Àrtic, amb els dos nanosatèl·lits tipus CubeSat de 6 unitats, anomenats ³Cat-5/A i ³Cat-5/B i de la mida d’una caixa de sabates. Les dades, obtingudes i aportades pel NanoSat Lab en el marc de la missió ‘FSSCat’, llançada a l’espai per part de l’Agència Espacial Europa (ESA) el 3 de setembre del 2020, han contribuït a aportar informació als serveis marí i terrestre de Copernicus, el programa europeu d’observació de la Terra.

Mapes gràfics del gruix del gel àrtic i antàrtic de la missió FFSCat

Mapes de gruix del gel marí als cercles polars Àrtic i Antàrtic

FSSCat ha estat la primera missió de l'ESA basada en CubeSats que contribueix a donar suport als serveis del programa Copernicus mencionats. Va ser la guanyadora del premi Sentinel Small Satellite (S^3) Challenge proposat per l'ESA i la guanyadora global de la Copernicus Masters Competition al 2017. Seguint la política del programa Copernicus, les dades estan disponibles en obert a la plataforma europea NextGeoss, que permet l’accés (i l’explotació posterior) a dades federades per a l’observació de la Terra.

Recerca universitària
La missió s’ha dut a terme amb èxit des d’instal·lacions universitàries. D’una banda, des del NanoSat Lab, un laboratori dedicat al disseny i la fabricació de càrregues útils i petits satèl·lits, ubicat al Campus Diagonal Nord de la UPC i vinculat a l’Escola de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB), al Centre Específic de Recerca CommSensLab-UPC i al Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions de la Universitat.  D’altra banda, des de l'Estació Terrestre de Seguiment de Satèl·lits del Montsec (SGSMontsec), a Lleida, desenvolupada pel NanoSat Lab per aquesta missió i gestionada conjuntament amb l’Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), s’han estat rebent les dades científiques d’aquesta missió.

Joan Francesc Muñoz i Joan Adrià Ruiz de Azúa, doctors per la UPC, juntament amb Lara Fernàndez i Adrián Pérez, estudiants de doctorat del Departament de Teoria del Senyal de la Universitat han desenvolupat les càrregues útils de microones i l’SGSMontsec. Tres d'aquests investigadors estan vinculats a l'IEEC i un d'ells ho ha estat durant la missió.

A més, els estudiants de doctorat David Llaveria i Christoph Herbert, i la doctora Miriam Pablos, actualment treballant a l’Institut de Ciències del Mar del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), han col·laborat activament en el tractament de les dades. Aquest grup ha estat dirigit pel catedràtic de la UPC Adriano Camps, responsable del NanoSat Lab i també investigador de l'IEEC.

La missió ha tingut com a objectiu principal monitorar el gel polar i la humitat del sòl, alhora que assajar sistemes de comunicació entre nanosatèl·lits, de cara a crear una futura xarxa de satèl·lits federats. S’anomena així als satèl·lits que aconsegueixen compartir recursos per fer algunes operacions, com ara la descàrrega compartida de dades, gràcies a sistemes que permeten aprofitar al màxim tant els sensors, com les càrregues o sistemes que viatgen a bord per part d’altres satèl·lits. En aquest sentit, ambdós satèl·lits han disposat d’un enllaç òptic i d’un de radio-freqüència per testejar conceptes avançats de federació de satèl·lits i d'altres sensors a terra.

Tecnologia en miniatura per observar la Terra
Per dur a terme la missió, els estudiants i joves doctors del grup del NanoSat Lab han dissenyat dues de les càrregues útils que han viatjat a bord del 3Cat-5/A i que han funcionat com un sistema de microones doble, l’anomenat FMPL-2, ja que incorpora un radiòmetre de microones en banda L, amb detecció i mitigació d’interferències de radiofreqüència, que ha treballat conjuntament amb un reflectòmetre de senyals de navegació GPS i Galileo (GNSS-R).

El reflectòmetre GNSS-R ha actuat com si fos un radar, però sense enviar cap tipus de senyal, només rebent els senyals directes procedents d’altres satèl·lits de navegació com les senyals reflectides a la superfície terrestre. A més d’aportar les dades d'altimetria, el retard que s’ha produït quan es rebia aquest tipus de senyals ha permès obtenir informació respecte la superfície sobre la qual s’està produint la reflexió, com per exemple gel o aigua.


Aquest sistema doble de microones (FMPL-2), que hi cap dins d’un mòdul de menys d’un litre de volum i que té un pes de només 1 quilogram, ha permès la obtenir dades d’observació de la Terra amb una resolució espacial d’uns 600 metres des de 500 quilòmetres d’altitud amb el reflectòmetre de senyals GNSS, i d’uns 350 x 500 quilòmetres amb el radiòmetre en banda L. 

En el cas del radiòmetre de microones en banda L, les dades s’han processat de manera similar als productes de la missió SMOS de l’ESA, llançada el 2009, amb la col·laboració de l’Institut de Ciències del Mar. 

Si en el cas d’SMOS s’obtenen mapes d’humitat desagregats de fins a un quilòmetre de resolució, mitjançant la fusió amb dades de l’espectre visible i de l’infraroig proper, en el cas de FSSCat, partint d’una resolució nativa molt més pobre, els productes desagregats arriben als 36 quilòmetres.

1-Mapes-FSSCat.gif

Imatge superior: animació d’un dels mapes en la qual es pot apreciar l’evolució de la humitat del sòl, també en zones que no estan glaçades, de l’1 d’octubre al 4 de desembre

Mapa-salinitat-Artic-mesurada-1-15-OCT-2020-web.jpg

Mapa de salinitat a l'Àrtic mesurada del 1 al 15 d'octubre 2020


Els nanosatèl·lits ³Cat-5/A i ³Cat-5/B  han aportat dades de variables climàtiques essencials per poder monitorar amb unes altes resolucions espacial i temporal, amb una alta precisió i a una fracció del cost que significa fer-ho des dels satèl·lits convencionals. Els registres obtinguts constaten, per exemple, que l’any 2020 ha estat el segon en registrar-se la menor extensió del gel a l`Àrtic des que es tenen dades satel·litals.

La missió final FSSCat, finançada i supervisada per l’ESA, s’ha dut a terme gràcies a la creació d’un consorci amb altres entitats, format per la UPC  —a través del NanoSat Lab—, juntament amb l'empresa DEIMOS Engenharia  —branca portuguesa del grup Elecnor Deimos —, l'empresa Golbriak Space OÜ (Estònia), Cosine Remote Sensing (Països Baixos), i Tyvak International (Itàlia), responsables de les plataformes, la integració, i les operacions durant la missió. 

A bord de la missió també ha viatjat l’experiment ɸ-sat-1, un demostrador tecnològic de l’ESA, el primer que incorpora la Intel·ligència Artificial a l’espai, i que ha servit per detectar la presència de núvols a les imatges òptiques i destriar-ne les que no tenen prou qualitat.