Dos nanosatélites de UPC, en órbita para estudiar las regiones polares y proporcionar imágenes de la Tierra usando la inteligencia artificial
Recreación de los dos CubeSats, bautizados como ³Cat-5/A y ³Cat-5/B, orbitando alrededor de la Tierra para llevar a cabo la misión FSSCat.
La misión FSSCat es fruto de la colaboración de todos las instituciones y empresas participantes en el proyecto. Los nanosatélites ³Cat-5/A y ³Cat-5/B que la llevaran a cabo forman parte de los más de 50 de pequeños satélites que se han lanzado desde el cohete Vega, en el vuelo de prueba del nuevo sistema de dispensador múltiple de pequeños satélites (SSMS) de la ESA, la madrugada del 3 de septiembre, hora española.
El NanoSat Lab es un laboratorio de la UPC vinculado a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB), a la Unidad María de Maeztu CommSensLab y al Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la misma universidad. Además, cuenta con el apoyo del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC).
Anteriormente se han desarrollado, en este equipamiento, otros pequeños satélites que forman parte de la familia 3Cat, entre los que se encuentra el 3Cat-2, el primer satélite catalán en ponerse en órbita en el espacio, en agosto del 2016.
En este laboratorio, los y las estudiantes de doctorado también trabajan sobre cómo aplicar la inteligencia artificial en sistemas de ingeniería pensados para futuras misiones espaciales, como la fusión de datos de SMOS y de Sentinel-1, la mitigación de interferencias de radiofrecuencia, o la previsión de contactos entre satélites para establecer enlaces y federaciones.
Vista de la estructura exterior de los nanosatélites. Con una dimensión aproximada, cada uno de ellos, de una funda para portátil, llevan a bordo sensores de última generación de microondas y sensores ópticos multiespectrales, entre otros dispositivos. Créditos: ESA
Los nanosatélites ³Cat-5/A y ³Cat-5/B, propiedad de la UPC, han sido ensamblados por la empresa italianaTyvak. Con un tamaño similar al de una caja de zapatos, llevan a bordo sensores de última generación de microondas y sensores ópticos multiespectrales, entre otros dispositivos. Créditos: Tyvak Intl.
El Ф-Sat-1 es el primer experimento para demostrar el potencial de la inteligencia artificial en el espacio. Integra un chip para detectar los núcleos de condensación de las nubes que puedan afectar a las imágenes, de manera que, a pesar del gran volumen de datos generados, se podran filtrar y descartar las imagénes que no tengan suficiente calidad. Créditos: Tyvak Intl.l.
Dos jóvenes investigadores del NanoSat Lab de la UPC comprueban en labotoratorio el funcionamiento de dispositivos de pequeños satélites.
Los nanosatélites ³Cat-5/A y ³Cat-5/B, que llevarán a cabo la misión FSSCat, forman parte de los más de cincuenta pequeños satélites que se han lanzado con éxito desde el cohete Vega, en el vuelo de prueba del nuevo sistema de dispensador múltiple de pequeños satélites (SSMS) de laESA, la madrugada del 3 de septiembre, hora española.
Dos pequeños satélites del NanoSat Lab de la UPC han viajado al espacio, el 2 de septiembre, desde Kourou, en la Guayana francesa (a las 03.51 del 3 de septiembre, hora española), para llevar a cabo la misión FSSCat, ganadora en 2017 del ‘Sentinel Small Satellite (S^3) Challenge Award’ de la ESA. La misión tiene como objetivo principal monitorizar el hielo polar y la humedad del suelo, a la vez que se ensayarán sistemas de comunicación entre nanosatélites, de cara a crear una futura red de satélites federados. A bordo también viaja el demostrador tecnológico de la ESA ɸ-Sat-1, el primero que pone en órbita la inteligencia artificial en el espacio y que servirá para detectar la presencia de nubes en las imágenes ópticas y descartar las que no tengan suficiente calidad.
03/09/2020
El aumento de la temperatura en las regiones polares tiene un gran impacto en todo el planeta, tanto desde el punto de vista ecológico como económico. Por eso es tan importante registrar y analizar las variaciones en el espesor de la nieve y de las capas de hielo, como se va a hacer en esta misión, llamada 'FSSCat: Federated Satellite System 6U tandem mission for sea ice and soil moisture monitoring’.
La misión está liderada por el profesor Adriano Camps, coordinador científico de la Unidad María de Maeztu CommSensLab-UPC, director del NanoSat Lab de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) e investigador del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), junto con Alessandro Golkar, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo (Skoltech), de Rusia, y segundo investigador principal del proyecto.La misión FSSCat consiste en poner en órbita dos pequeños satélites del tipo CubeSats, bautizados como ³Cat-5/A y ³Cat-5/B, con equipamiento científico abordo para analizar la humedad del suelo (una variable crucial para la agricultura, estudios de desertificación o calcular los índices de riesgos de incendio), así como la extensión y el espesor de nieve y del hielo en las regiones polares (unos parámetros fundamentales para la navegación marítima y para seguir la evolución del cambio climático).
Con esta misión se prevé mejorar la resolución espacial actual de los mapas de humedad del terreno, combinando instrumentación de última generación de microondas, diseñada y construida por el NanoSat Lab de la UPC y de óptica hiperespectral, desarrollada por la empresa Cosine Remote Sensing, de los Países Bajos.
La misión FSSCat se ve complementada por el demostrador tecnológico ɸ-Sat-1 (que se pronuncia como FiSat-1), promovido por el ɸ-Department de la Agencia Espacial Europea (ESA), y que permitirá experimentar por primera vez en Europa el uso de la Inteligencia Artificial (IA) en órbita. Será el primer experimento para agilizar el envío de grandes cantidades de datos a la Tierra. En el desarrollo del ɸ-Sat-1 ha participado un consorcio de entidades, liderado por la empresa Cosine Remote Sensing (Paises Bajos) junto con la Universidad de Pisa (Italia), Sinergise (Esolovenia) y Ubotica (Irlanda).
El consorcio de la misión FSSCat está compuesto por la UPC —a través del NanoSat Lab —, junto con la empresa DEIMOS Engenharia —rama portuguesa de la internacional Elecnor Deimos — la empresa Golbriak Space OÜ (Estonia), Cosine Remote Sensing (Paises Bajos) y Tyvak International (Italia), que ha ensayado e integrado los componentes en los nanosatélites, entre otras operaciones previas al lanzamiento. Todo ello con el apoyo económico y la supervisión técnica de la ESA.
Los datos generados por la misión FSSCat y por ɸ-Sat-1 estarán disponibles en abierto a través de los canales de distribución del sistema Copernicus.
Proyecto distinguido por la ESA
La misión nace del proyecto presentado, con el mismo nombre, por el investigador de la UPC Adriano Camps y el profesor Alessandro Golkar del Instituto Skoltech y entonces profesor visitante de la UPC. El proyecto ganó, en noviembre de 2017, el ‘Sentinel Small Sat (S^3) Challenge Award’ de la ESA, la categoría más importante de los ‘Copernicus Masters Challenge Awards’.
Dotada con un millón de euros, gastos de lanzamiento aparte, esta distinción ha permitido al equipo ganador —distinguido de entre un total de 39 equipos europeos — desarrollar los dos pequeños satélites. Asimismo, la iniciativa recibió el ‘Overall Winner Award’, que reconoce la mejor idea de los ‘Copernicus Masters’.
Radiómetro y reflectómetro de señal de navegación (GNSS-R) integrados
Algunas de las técnicas innovadoras que viajan en la misión, como la desagregación de píxel mediante la fusión de datos VNIR y del radiómetro de microondas, han sido desarrolladas previamente por la UPC y el Instituto de Ciencias del Mar del Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), con el apoyo del IEEC, en el marco de la misión ‘Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS)’, así como de DEIMOS Engenharia. Una tecnología que ha ido evolucionado en el marco de otras misiones de la ESA y de proyectos nacionales y europeos.
Todo este conocimiento se recoge ahora en la carga útil ‘flexible’ de microondas (FMPL-2) que viaja en el ³Cat-5 / A de la misión. Un solo instrumento que integra un radiómetro en banda L y un reflectómetro de señal de navegación (GNSS - Sistema Global de Navegación por Satélite), que permite captar estas señales desde muchos puntos de reflexión de la superficie terrestre. El sistema actúa como un radar y un dispersómetro bi-estáticos. Los satélites GNSS de banda L (1-2 GHz) hacen de emisores, mientras que el receptor está en uno de los satélites de la misión FSSCat.
El instrumento FMPL-2, se ha desarrollado en el marco de la tesis doctoral del estudiante Joan Francesc Muñoz, y la antena receptora, por parte de la estudiante de doctorado Lara Fernández. Actualmente, una versión del reflectómetro GNSS-R se encuentra en el Ártico, dentro de la campaña MOSAIC, para recoger datos sobre el hielo y llevar a cabo la calibración del FSSCat. Los dos doctorandos son titulados del máster universitario en Ingeniería de Telecomunicación de la UPC.
La primera 'misión federada'
Esta misión comprobará, además, el concepto de misión federada, ideada por el profesor Alessandro Golkar y en la que los recursos de la misión (como datos, información, procesado a bordo, etc.) se comparten entre varios satélites. En este caso separados entre ellos hasta una distancia de 1.000 kilómetros.
Los pequeños satélites embarcan tecnología de comunicaciones ópticas, desarrolladas por la compañía Golbriak Oü, que tiene el potencial de transmitir grandes volúmenes de información con menos interferencias que las que se producen en los enlaces radioeléctricos entre los satélites actuales. FSSCat conducirá experimentos tecnológicos en este dominio, fundamental para establecer en un futuro redes de satélites robustas.
También lleva a bordo el experimento del sistema de satélite federado (FSSExp), basado en un sistema de comunicación radio UHF entre satélites, que abarca hasta un máximo de 1.000 Kilómetros. Esta tecnología es fruto de la investigación del estudiante de doctorado del NanoSat Lab, Joan Adrià Ruiz de Azua, también titulado del máster universitario en Ingeniería de Telecomunicación de la UPC y que ha experimentado un protocolo de comunicación para que dos pequeños satélites puedan gestionar los recursos de manera colaborativa. Esta tecnología se ha validado recientemente, de manera experimental, con tres globos estratosféricos que han compartido las capacidades para registrar y descargar los datos adquiridos en la estación base.
Tecnología óptica hiperespectral
El 3Cat-5/B lleva una carga útil óptica hiperespectral llamada HyperScout-2, desarrollada por Cosine Remote Sensing, que capta y procesa información en las bandas visible, infrarrojo cercano y térmico del espectro electromagnético. Unos datos que pueden utilizarse para estimar cambios en el terreno, obtener información sobre la evapotranspiración en las plantas, determinar efectos como las islas de calor urbanas, detectar vertidos de petróleo, monitorizar incendios o estimar calidad del agua y, combinadas con la FMPL-2, para obtener mapas de humedad del terreno en alta resolución.
La recepción de los datos registrados por ³Cat-5/A se hará dos veces vez al día mediante la antena en banda S de una estación de seguimiento que tiene la UPC en el Observatorio Astronómico del Montsec del IEEC, en Lleida. Una estación instalada a partir de la investigación del estudiante de doctorado Adrián Pérez, también titulado del máster universitario en Ingeniería de Telecomunicación de la UPC, y del trabajo de fin de grado del estudiante Aina García, de la Facultad de Informática de Barcelona (FIB) de la misma universidad.
Una vez en tierra, los datos obtenidos se procesarán, de forma automática, en la infraestructura desarrollada por DEIMOS Engenharia, que los catalogará para su uso público.
La inteligencia artificial, por primera vez en órbita
Por iniciativa del ɸ-Department de la ESA, se ha aprovechado la misión FSSCat para incorporar y poner en órbita, por primera vez, tecnología de inteligencia artificial en el experimento ɸ-Sat -1.
Basada en un algoritmo desarrollado por Cosine Remote Sensing —al frente del consorcio formado por Synergise, la Universidad de Pisa y Ubotica —, la tecnología servirá para garantizar el envío de imágenes de alta calidad en la Tierra.
En concreto, se trata de demostrar el funcionamiento de la tarjeta Movidius de Intel, basada en el circuito integrado Myriad 2, un chip que, utilizando los datos de la carga óptica hiperespectral, detecta los núcleos de condensación de las nubes que puedan afectar a las imágenes. A pesar del gran volumen de datos generados, esta tecnología es capaz de filtrar y descartar las imágenes que considera no válidas por no tener suficiente calidad.
