Microsatelliti

Microsatelliti: esperienze a
confronto in UK, Giappone,
Italia
Monday, 19-Apr-2004 2:50PM
China, April 19 (UPI) -- China launched its first nanotechnology-based
satellite, Nano-satellite I, successfully into space Monday.
Nano-satellite I was the first nanotechnology-based satellite ever
developed by a country independently, reported Xinhua, China's main
government-run news agency.
The satellite made China the fourth country in the world capable of
launching nano-satellites after Russia, the United States and Britain,
according to Chinese space experts.
China's small satellites have been used for the purposes of scientific
experiments, resource survey, natural disaster forecast, environment
prospecting and monitoring.
The super small satellite, developed by the elite Qinghua University and
Aerospace Qinghua Satellite Technologies Co. Ltd., features lighter
weight and a higher degree of integrated designing than previous
satellites.
Microsatelliti < 100 kg
Nanosatelliti < 10 kg
Picosatelliti
< 1 kg
•Inghilterra
Surrey Space Centre, (SSC)
Surrey Space Centre, (SSC), pioneered cost-effective
satellite engineering techniques to develop a series of highly
sophisticated, yet inexpensive small satellites
.
The Centre comprises six thriving academic research groups
generating new ideas and visions for future space missions
through advances in satellite technology alongside the
provision of postgraduate degree courses and training.
The research drives advances in small satellite technology
that are exploited through the University's commercial
company - Surrey Satellite Technology Limited.
A total of 19 small satellites have been launched by Surrey
into low Earth orbit carrying a wide range of satellite
communications, space science, remote sensing and in-orbit
technology demonstration payloads.
Research subjects
• Astrodynamics The study of the dynamics of spacecraft. This
subject includes mission analysis, satellite orbital motions;
spacecraft attitude, guidance, navigation and control and
estimation.
• Remote Sensing Fire Risk, Monitoring and Detection, Volcanic
Monitoring, Oceanography using GPS Reflectometry
• Planetary Environments Space Science, Magnetospheric
models, radiation effects on electronics.
• VLSI Systems FPGAs, hardware accelerated compression and
signal processing
• Propulsion
• Bipropellant engines, Solar Thermal, Green propellants
• Signal Processing
• GPS, Coding, Estimation
Hystorical background
• In 1981 a group of academic and research
staff working in what was then the
Department of Electronic and Electrical
Engineering at the University of Surrey were
responsible for the design and manufacture
of UoSAT-1, a 50kg micro-satellite conceived
and built in under 30 months at a cost of less
than £0.5M. The success of this mission led
to a second microsatellite, UoSAT-2, being
built and launched in 1984.
• Over the last two decades the Space Centre has established a
reputation for the development of innovatoive systems
• We have demonstrated the first GPS receiver to work on a
microsatellite in space; we demonstrated the fastest position fix
in space and developed and flown the world's smallest attitude
determination and control system. We have been among the
first to demonstrate attitude determination using multiple GPS
receivers and are poised to demonstrate the first GPS
reflectometry of ocean state.
• The Surrey Nanosatellite Application Platform (SNAP) was
developed through research projects within the Space Centre
and launched in June 2000. This small 8.5kg satellite was the
world's smallest fully functional nanosatellite complete with
miniaturised attitude control system for 3-axis stabilised
satellites using a miniature momentum wheel; miniaturised
GPS receiver for autonomous orbit control; a propulsion system
for formation flying manoeuvres; a CMOS machine vision
system for automated inspection and an inter-satellite
communication system for receiving GPS data from other
satellites in a formation.
•Surrey has also been one of the first to demonstrate a fully
automated orbit maintenance system that corrected for the
effects of atmospheric drag on the minisatellite UoSAT-12.
The satellite was automatically manoeuvred into a repeat
ground-track orbit with a 7 day 120 orbit cycle with two passes
directly over the Guildford groundstation each cycle. The
satellite was then maintained in this orbit for a period of 8
months autonomously correcting for energy loss due to drag.
•With the opportunity of the combined launch of SNAP-1 and
the Tsinghua microsatellite we also attempted the first
formation flying experiment in LEO. The SNAP propulsion
system was used to correct for the effects of differential drag
between it and the microsatellite and to adjust the altitude to
phase with the microsatellite. The aim was to use the onboard
vision system to photograph the microsatellite whilst
maintaining a fixed separation in coorbit. The mission
successfully demonstrated the techniques of phasing the two
satellites but due to limited propellent available was unable to
complete the rendezvous during a time of high solar activity
which exacerbated the differential drag effects.
• Space Related Courses at Surrey
• The University of Surrey offers course at
undergraduate and postgraduate level with space
related modules taught by members of academic
staff at the Surrey Space Centre.
• In the Electronic Engineering department we offer an
MEng pathway in Electronics with Satellite
Engineering (UCAS code H621). This is a 4 or 5 year
pathway with an optional industrial placement year.
• In the Physics department we offer an MPhys
pathway in Physics with Satellite Engineering (UCAS
code F362). This is a 3 or 4 year course with optional
placement year.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PHD TOPICS WITHIN SSC
SMALL SATELLITE SAR
CHIPSAT
FORMATION FLYING .
COST-EFFECTIVE NAVIGATION AND RANGING
FOR LUNAR AND INNER PLANETS MISSIONS
IR SENSORS
HYPERSPECTRAL IMAGERY
SATELLITE AUTONOMY
MULTI_USER ACCESS TO SATELLITES
DEBRIS MITIGATION
RENDEZVOUS/DOCKING
LUNAR LANDER & MARTIAN HELICOPTERS
•Giappone
High Resolution
Double Sided Si Detector
Key technologies
Thin Film Technology
(Multi-Layer Super Mirror)
Si strip with
a new ASIC
In US
NuStar
Constellation-X
1200
x10
2
241
13.9 keV
1000
Am
17.6 keV
800
Nagoya U./ISAS
CdTe Gamma-ray Pixel Detector
21.0 keV
∆E =1.5keV(FWHM)
600
26.3 keV
400
59.5 keV
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Energy [keV]
Tajima et al. 2003, SPIE, 485
ISAS/SLAC/Hiroshima
Low-noise
Analog ASIC
ISAS/KEK
Can we have another approach?
It is not easy to
“involve in the field of Space Science”
Only many possibilities can encourage
many players to take part in;
Lower hurdles for easier access to space
Think of
• New way of doing “fundamental physics”
• the most effective things that a small satellite can
do.
• ways in which everyone can involve in space
science
10cm x 10cm x 10cm
Cube Sat. (U. Tokyo)
2003/June/30 Launch
Cost < $ 100K (including launch)
Small but Smart and Quick
MEMS Rocket for nano-satellite
Tohoku U./ISAS
•Italia
NINA su MITA
Il rivelatore NINA
Torre di rivelatori al silicio
e sistema di scintillazione
La missione NINA 1 e 2
(1998 e 2000)
MEGSAT 1 e 2
AURORA
ON MEGSAT-1
AURORA CH.
330
BACKGROUND CH.
HIGH VOLTAGE
POWER
SUPPLIES
COMUNICATION AND
POWER INTERFACE
CONNECTION
BOARD
CONTROLLER
FRONT END
325
A. Monfardini1,2, R. Stalio1,2,
P. Trampus2, R. Battiston3,4,
M. Menichelli4 , N.Mahne2, P. Mazzinghi5
405
1
2
University of Trieste;
Carso, Area Science Park, Trieste,
3
University of Perugia,
4
INFN, Perugia, 5 INOA, Firenze
MULTIANODE
PHOTOMULTIPLIER
TUBE ASSEMBLY
H7546
UNISAT 1 e 2
Unisat 2 durante l’integrazione a Baikonur
Payload scientifico su Unisat 2 (Univ. La Sapienza)
Integrazikone di Unisat 2 (Univ. La Sapienza)
Lancio
multiplo di
UNISAT 2
assieme ad
altri 5
microsatelliti
8-12- 2002
Possibili missioni di interesse INFN
1- misure di precisione delle proprieta’ della magnetosfera terrestre, che potrebbero
addirittura avere delle ripercussioni applicative importanti nel campo dei terremoti;
2- misura della componente ad altissima energia (EUSO ed esperimenti successivi) che
aprirebbe il campo all’astrofisica dei raggi cosmici;
3- misura del fondo luminoso per esperimenti alla EUSO;
4- sviluppo di tecniche binoculari o plurioculari tipo OWL per utilizzare l’atmosfera
terrestre come calorimetro tracciante;
5- misura dei neutrini dallo spazio, con l’avvento dell’astrofisica dei neutrini;
6- estensione della sensibilita’ della misura dei raggi gamma ad energie dal GeV al TeV e
non provenienti da sorgenti;
7- misure di accelerazione e gravitazione con nuove tecniche basate sugli atomi freddi nell
spazio;
8- misure di altissima precisione usando riferimenti in frequenza;
9- misure che potrebbero usare la luna come targhetta per neutrini o raggi cosmici cercando
segnali che sono oscurati dall’ atmosfera terrestre;
10- misure di composizione dei primari intorno al ginocchio e sopra di esso;
11- misure spettrometriche di altissima precisione nell’ X usando rivelatori a
superconduttività;
12- misure di polarimetria X usando nuovi rivelatori tipo GEM;
13- misure di composizione dei raggi cosmici nell’eliosfera;
………………..
L’ IDEA
QUESTE ONDE GENERANO DISTURBI NELLA
PARTE BASSA DELLA IONOSFERA
(zona che si trova sopra l’atmosfera)
SOLO
LE
ONDE
DI
BASSA
FREQUENZA (ULF) riescono
a
raggiungere e attraversare l’atmosfera
(3)
QUESTE ONDE INTERAGISCONO CON LE
PARTICELLE CARICHE INTRAPPOLATE
NELLE FASCE DI VAN ALLEN disturbandone
le caratteristiche
(2)
(4)
7
EMISSIONE DI ONDE
ELETTROMAGNETICHE
dalla zona del futuro terremoto
(sotto terra)
(1)
Il punto di rimbalzo delle
particelle si sposta e il loro
flusso improvvisamente
cambia
Punto di rimbalzo delle particelle
• LA MISURA DI VARIAZIONI RAPIDE DEL FLUSSO DI PARTICELLE CARICHE PERMETTE DI STABILIRE LA
ZONA IN CUI E’ AVVENUTA L’EMISSIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE DI BASSA FREQUENZA
(5)
• L’ACCURATEZZA DELLA DETERMINAZIONE SPAZIALE DIPENDE DALLE CARATTERISTICHE
TECNICHE DELLA STRUMENTAZIONE A BORDO DEL SATELLITE E DAL NUMERO DI SATELLITI IN VOLO
•CON DUE SATELLITI IN ORBITA SI PUO’ GARANTIRE LA COPERTURA CONTINUATIVA DELL’ ITALIA
Osservazione di correlazioni “terremoti variazione di flusso”
in satelliti russi (3-4 ore in anticipo)
Previsione
3-4 h
Missione GAMMA
1990-1992
3-4 h
Missione METEOR-3
1985-1986
Terremoto (> 5 magnitudine)
3-4 h
Stazione MIR
1985-2000
Osservazione di correlazioni “terremoti variazione di flusso”
in satelliti americani (3-4 ore in anticipo)
Previsione
3-4 h
SAMPEX
Terremoto (> 5 magnitudine)
Rivelatori per applicazioni
spaziali
Accordo INFN-PAT per lo sviluppo di tecnologie MEMS per
la fisica delle alte energie a terra e nello spazio
SIPMT
Principio di funzionamento
• I fotomoltiplicatori in Silicio (SiPMT) sono matrici di fotorivelatori a
semiconduttore. I singoli pixel, delle dimensioni tipiche dell’ordine
delle decine di micron, sono realizzati su un substrato comune e tutti
collegati ad una pista metallica di polarizzazione tramite una
resistenza integrata, che serve anche a disaccoppiare i vari pixel.
Silicon PMT
• Il valore della tensione di polarizzazione viene scelto 10-20% più alto
della tensione di breakdown, in modo che ogni carica libera possa
dare luogo ad una scarica di tipo Geiger. Questa scarica si auto-arresta
quando la tensione scende al di sotto della tensione di breakdown, a
causa della caduta sulla resistenza R. Ogni pixel può quindi essere
assimilato ad un contatore (binario) di singoli fotoni. L’intera matrice,
il cui segnale d’uscita è dato dalla somma dei segnali dovuti ai singoli
pixel, si comporta invece da rivelatore analogico e può pertanto
misurare l’intensità della radiazione ottica incidente.
Le caratteristiche dei SiPMT
Sviluppi possibili all IRST
Elettronica self triggering
con logica integrata
IDE_AS Oslo
Lettura dei singoli pixel
e coincidenza di matrici
di n x n pixel
per raggiungere
un basso rate di conteggio
spurio e mantere la capacita’
di photon counting
Stima costi
NOME DEL SATELLITE
VETTORE
COSTO
PESO
DIMENSIONI
SUNSAT
BREMSAT
TiungSat-1
POSAT
Cerise
Tsinghua-1
TMSAT
Clementine
SNAP-1
CHPSAT
SPASE
Delta II
STS60
Dnepr
Ariane V59
Ariane V102
Kosmos-3M
Zenit
Ariane V124
Kosmos-3M
Delta 2 7320-10
Shuttle
1,95MEuro
3,5MEuro
7,3MEuro
2,1MEuro
17,4MEuro
62,4kg
63kg
50kg
50,5kg
50kg
50kg
150kg
50kg
6.5kg
45kg
35kg
450x450x600mm
500mm Dia
360x360x690mm
352x356x670mm
600x300x300mm
690x360x360mm
690x360x360mm
690x360x360mm
non disponibile
non disponibile
non disponibile
9,8MEuro
18MEuro
1,5MEuro
12MEuro
2,5MEuro
conclusioni
Abbiamo portato esempi di micro e nano satelliti che sono stati
costruiti all’internodi strutture universitarie o laboratori di ricerca
Le tecnologie richieste sono pienamente all’ interno delle competenze
dell’ Infn
I costi di queste missioni lanciate in russia sono contenuti
………attivita’di progettazione ed integrazione svolta all’ interno di un
Laboratorio dell’ INFN