El NanoSat Lab genera, por primera vez desde CubeSats, mapas del hielo marino y de la humedad del suelo

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Mapas de concentración del hielo marino en el Ártico del 7 de noviembre de 2020: (a) mapa con datos del radiómetro de microondas del FMLP-2, (b) mapa verdad terreno (es decir, de medidas realizadas 'in situ') y (c) mapa de errores

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Mapas de concentración del hielo marino en el Antártico del 13 al 15 de noviembre: (a) mapa con datos del radiómetro de microondas del FMLP-2, (b) mapa verdad terreno (es decir, de medidas realizadas 'in situ')y (c) mapa de errores

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Evolución de la extensión de hielo en el Ártico en millones de kilómetros cuadrados (en rojo, la estimación obtenida y en negro, según el mapa verdad terreno

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Evolución de la extensión de hielo en el Ántártico en millones de kilómetros cuadrados (en rojo, la estimación obtenida y en negro, según el mapa verdad terreno

Por qué son importantes estos datos

Obtener datos y conocer el comportamiento de la humedad del suelo y la extensión y el espesor del hielo marino es fundamental para conocer el ciclo del agua, ya que el comportamiento del agua de los océanos, las nubes y del hielo determina el clima del planeta y provoca fenómenos atmosféricos diversos. El movimiento de las masas de agua (o circulación termo-halina) transporta energía en forma de calor, y materia en forma de sólidos en suspensión, sustancias disueltas y gases alrededor del planeta, amortiguando las diferencias. Esta circulación hace que el calor elevado vaya de las zonas más cálidas a las más frías y viceversa, actuando como un gran radiador.

En este proceso intervienen factores diversos, tales como la temperatura, la salinidad y la humedad del suelo, que están relacionados con fenómenos atmosféricos como el 'Niño', grandes inundaciones o sequías, que afectan tanto a la población como a diversos sectores económicos de maneras diferentes (afectando a los cultivos o creando posibilidades para abrir nuevas rutas marítimas por el Ártico).

Estudiantes y jóvenes investigadores del NanoSat Lab de la UPC han generado, con tecnología propia, los primeros mapas de humedad del suelo, de concentración, extensión y espesor del hielo marino, así como de salinidad en el Ártico. Lo han hecho mediante dos nanosatélites tipo CubeSat de 6 unidades, en el marco de la misión FSSCat.

29/07/2021

Un grupo de estudiantes y jóvenes investigadores del NanoSat Labde la Universitat Politècnica de Catalunya· BarcelonaTech (UPC) ha generado los mapas de humedad del suelo, de concentración, extensión y espesor del hielo de los polos, así como de salinidad en el Ártico, con los dos nanosatélites tipo CubeSat de 6 unidades, llamados ³Cat-5 / A y ³Cat-5 / B y del tamaño de una caja de zapatos. Los datos, obtenidos y aportados por el NanoSat Lab en el marco de la misión FSSCatlanzada al espacio por parte de la Agencia Espacial Europa (ESA) el 3 de septiembre de 2020, han contribuido a aportar información a los servicios marino y terrestre de  Copernicus, el programa europeo de observación de la Tierra.

Mapas del espesor del hielo marino en los círculos polares Ártico y Antártico

FSSCat ha sido la primera misión de la ESA basada en CubeSats que contribuye a apoyar los servicios del programa Copernicus mencionados. Fue la ganadora del premio Sentinel Small Satellite (S^3) Challenge propuesto por la ESA y la ganadora global de la Copernicus Masters Competition en 2017. Siguiendo la política del programa Copernicus, los datos están disponibles en abierto en la plataforma europea NextGeoss, que permite el acceso (y la explotación posterior) a datos federadas para la observación de la Tierra.

Investigación universitaria
La misión se ha llevado a cabo con éxito desde instalaciones universitarias. Por un lado, desde el Nanosat Lab, un laboratorio dedicado al diseño y la fabricación de cargas útiles y pequeños satélites, ubicado en el Campus Diagonal Norte de la UPC y vinculado a la Escuela de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB), al Centro Específico de Investigación CommSensLab-UPC y en el Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Universidad. Por otra parte, desde la Estación Terrestre de Seguimiento de Satélites del Montsec (SGSMontsec), en Lleida, desarrollada por el NanoSat Lab para esta misión y gestionada conjuntamente con el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), han estado recibiendo los datos científicos de esta misión.

Joan Francesc Muñoz y Joan Adrià Ruiz de Azúa, doctores por la UPC, junto con Lara Fernández y Adrián Pérez, estudiantes de doctorado del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Universidad, han desarrollado las cargas útiles de microondas y el SGSMontsec. Tres de estos investigadores están vinculados al IEEC y uno de ellos lo ha estado durante la misión.

Además, los estudiantes de doctorado David Llaveria y Christoph Herbert, y la doctora Miriam Pablos, actualmente trabajando en el Instituto de Ciencias del Mar del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), han colaborado activamente en el tratamiento de los datos. Este grupo ha estado dirigido por el catedrático de la UPC Adriano Camps, responsable del NanoSat Lab y también investigador del IEEC.

La misión ha tenido como objetivo principal monitorizar el hielo polar y la humedad del suelo, así como ensayar sistemas de comunicación entre nanosatélites, de cara a crear una futura red de satélites federados. Se llama así a los satélites que consiguen compartir recursos para hacer algunas operaciones, como la descarga compartida de datos, gracias a sistemas que permiten aprovechar al máximo tanto los sensores como las cargas o sistemas que viajan a bordo por parte de otros satélites. En este sentido, ambos satélites han contado con un enlace óptico y uno de radio-frecuencia para testear conceptos avanzados de federación de satélites y otros sensores en el suelo.

Tecnología en miniatura para observar la Tierra
Para llevar a cabo la misión, los estudiantes y jóvenes doctores del grupo del Nanosat Lab han diseñado dos de las cargas útiles que han viajado a bordo del 3Cat-5 / A y que han funcionado como un sistema de microondas doble, el llamado FMPL -2, ya que incorpora un radiómetro de microondas en banda L, con detección y mitigación de interferencias de radiofrecuencia, que ha trabajado conjuntamente con un reflectómetro de señales de navegación GPS y Galileo (GNSS-R).

El reflectómetro GNSS-R ha actuado como si fuera un radar, pero sin enviar ningún tipo de señal, solo recibiendo las señales directas procedentes de otros satélites de navegación, como las señales reflejadas en la superficie terrestre. Además de aportar los datos de altimetría, el retraso producido al recibir este tipo de señales ha permitido obtener información de la superficie sobre la que se está produciendo la reflexión, como por ejemplo hielo o agua.

Este sistema doble de microondas (FMPL-2), que cabe dentro de un módulo de menos de un litro de volumen y que tiene un peso de sólo 1 kilogramo, ha permitido obtener datos de observación de la Tierra con una resolución espacial de unos 600 metros desde 500 kilómetros de altitud  con el reflectómetro de señales GNSS, y de unos 350 x 500 kilómetros con el radiómetro en banda L.

En el caso del radiómetro de microondas en banda L, los datos se han procesado de manera similar a los productos de la misión SMOS de la ESA, lanzada en 2009, con la colaboración del Instituto de Ciencias del Mar.

Si en el caso de SMOS se obtienen mapas de humedad desagregados hasta 1 kilómetro de resolución mediante la fusión con datos del espectro visible y del infrarrojo cercano, en el caso de FSSC, partiendo de una resolución nativa mucho más pobre, los productos desagregados llegan a los 36 kilómetros.


Imagen superior: animación de uno de los mapas en la que se puede observar la evolución de la humedad del suelo, también en zonas que no están heladas, del 1 de octubre al 4 de diciembre


Mapa de salinidad en el Ártico, medida del 1 al 15 de octubre de 2020


Los nanosatélites ³Cat-5/A y ³Cat-5/B han aportado datos de variables climáticas esenciales para monitorizar con unas altas resoluciones espacial y temporal, y con una alta precisión, a una fracción del coste respecto a los satélites convencionales. Los registros obtenidos constatan, por ejemplo, que el año 2020 ha sido el segundo en registrarse la menor extensión del hielo en el Ártico desde que se tienen datos satelitales.

La misión final FSSC, financiada y supervisada por la ESA, se ha llevado a cabo gracias a la creación de un consorcio con otras entidades, formado por la UPC −a través del NanoSat Lab−, junto con la empresa DEIMOS Engenharia −rama portuguesa del grupo Elecnor Deimos−, la empresa Golbriak Space OÜ (Estonia), Cosine Remote Sensing (Países Bajos) y Tyvak International (Italia), responsables de las plataformas, la integración y las operaciones durante la misión.

A bordo de la misión también ha viajado el experimento ɸ-sat-1, un demostrador tecnológico de la ESA, el primero que incorpora la Inteligencia Artificial en el espacio, y que ha servido para detectar la presencia de nubes en las imágenes ópticas y discernir y separar las que no tienen suficiente calidad.