Dos nanosatèl·lilts de la UPC, en òrbita per estudiar les regions polars i proporcionar imatges d’observació de la Terra fent ús de la intel·ligència artificial
Recreació dels dos CubeSats, batejats com a ³Cat-5/A i ³Cat-5/B, orbitant al voltant de la Terra per dur a terme la missió FSSCat.
Innovació i experiència en petits satèl·lits
La missió FSSCat és fruit de la col·laboració de totes les institucions i empreses participants en el projecte. Els nanosatèl·lits ³Cat-5/A i ³Cat-5/B que la duran a terme formen part dels més de cinquanta petits satèl·lits que s'han llançat des del coet Vega, en el vol de prova del nou sistema de dispensador múltiple de petits satèl·lits (SSMS) de l'ESA, la matinada del 3 de setembre, hora espanyola.
El NanoSat Lab és un laboratori de la UPC dedicat a les càrregues útils i petits satèl·lits vinculat a l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB), a la Unitat María de Maeztu CommSensLab i al Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions de la Universitat. A més, compta amb el suport de l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).
Anteriorment s'han desenvolupat, en aquest equipament, altres petits satèl·lits que formen part de la família 3Cat, entre els quals es troba el 3Cat-2, el primer satèl·lit català en posar-se en òrbita en l'espai, a l'agost de 2016.
En aquest laboratori, els i les estudiants de doctorat també treballen sobre com aplicar la intel·ligència artificial en sistemes d'enginyeria pensats per a futures missions espacials, com la fusió de dades d'SMOS i de Sentinel-1, la mitigació d'interferències de radiofreqüència, o la previsió de contactes entre satèl·lits per establir enllaços i federacions.
Els nanosatèl·lits ³Cat-5/A i ³Cat-5/B, propietat de la UPC, han estat ensamblats per l'empresa italianaTyvak. Amb una mida similar a la d'una caixa de sabates, duen a bord sensors de darrera generació de microones i sensors òptics multiespectrals, entre d'altres dispositius. Crèdits: Tyvak Intl.
Imatge de les estructures interiors dels nanosatèl·lits i de les unitats en las quals es distibrueixen les carregues útils, els demostradors tecnológics i els sistemes necessaris per dur a terme la missió. Crèdits: Tyvak Intl.
El Ф-Sat-1 és el primer experiment per demostrar el potencial de la intel·ligència artificial a l'espai. Integra un xip per detectar els nuclis de condensació dels núvols que puguin afectar les imatges, de manera que, malgrat el gran volum de dades generades, es podran filtrar i descart les imatges que no tinguin prou qualitat. Crèdits: ESA
Dos joves investigadors del NanoSat Lab de la UPC comproven al labotoratori el funcionament de dispositius de petits satèl·lits.
Els nanosatèl·lits ³Cat-5/A i ³Cat-5/B, ja en òrbita per dur a terme la missió FSSCat, formen part dels més de cinquanta petits satèl·lits que s'han llançat amb èxit des del coet Vega, en el vol de prova del nou sistema de dispensador múltiple de petits satèl·lits (SSMS) de l'ESA, la matinada del 3 de setembre, hora espanyola.
Dos petits satèl·lits del Nanosat Lab de la UPC han viatjat a l’espai, el 2 de setembre des de Kourou, a la Guaiana Francesa (a les 03.51 hores del 3 de setembre, hora espanyola) per dur a terme la missió FSSCat, guanyadora al 2017 del ‘Sentinel Small Satellite (S^3) Challenge Award’ de l’ESA. La missió té com a objectiu principal monitoritzar el gel polar i la humitat del sòl, alhora que s’assajaran sistemes de comunicació entre nanosatèl·lits, de cara a crear una futura xarxa de satèl·lits federats. A bord també viatja el demostrador tecnològic de l’ESA ɸ-sat-1, el primer que posa en òrbita la intel·ligència artificial a l’espai i que servirà per detectar la presència de núvols a les imatges òptiques i destriar-ne les que no tenen prou qualitat.
03/09/2020
L’augment de la temperatura en les regions polars té un gran impacte arreu del planeta, tant des del punt de vista ecològic com econòmic. Per això és tan important registrar i analitzar-ne les variacions al gruix de la neu i de les capes de gel, com es farà en aquesta missió, anomenada ‘FSSCat: Federated Satellite System 6U tandem mission for sea ice and soil moisture monitoring’.
Alguns dels detalls de la missió i dels motius de la seva importància es poden veure a aquest vídeo, al canal de la UPC a YouTube.
La missió està liderada pel professor Adriano Camps, coordinador científic de la Unitat María de Maeztu CommSensLab-UPC, director del NanoSat Lab de la Universitat Politècnica de Catalunya· BarelonaTech (UPC) i investigador de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), juntament amb Alessandro Golkar, professor de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Skolkovo (Skoltech), de Rússia, i segon investigador principal del projecte.
La missió FSSCat consisteix a posar en òrbita dos petits satèl·lits del tipus CubeSat, batejats com a ³Cat-5/A i ³Cat-5/B, amb equipament científic a bord per analitzar la humitat del sòl (una variable crucial per a l'agricultura, estudis de desertificació, calcular els índexs de riscos d'incendi...), així com l’extensió i el gruix de la neu i del gel a les regions polars (uns paràmetres fonamentals per a la navegació marítima i per seguir l’evolució del canvi climàtic).
Amb aquesta missió es preveu millorar la resolució espacial actual dels mapes d’humitat del terreny, combinant instrumentació de darrera generació de microones, dissenyada i construïda pel NanoSat Lab de la UPC, i d’òptica hiperespectral, desenvolupada per l’empresa Cosine Remote Sensing, dels Països Baixos.
La missió final FSSCat s’ha complementat amb el demostrador tecnològic ɸ-Sat-1 (que es pronuncia com FiSat-1), promogut pel ɸ-Department de l’Agència Espacial Europea (ESA) i que permetrà experimentar per primer cop l’ús de la intel·ligència artificial (IA) en òrbita. Serà el primer experiment per agilitzar l'enviament de grans quantitats de dades a la Terra. En el desenvolupament de 'ɸ-Sat-1 ha participat un consorci d'entitats, liderat per l'empresa Cosine Remote Sensing (Països Baixos) juntament amb la Universitat de Pisa (Itàlia), Sinergise (Eslovènia) i Ubotica (Irlanda).
El consorci de la missió FSSCat està format per la UPC —a través del NanoSat Lab—, juntament amb l'empresa DEIMOS Engenharia —branca portuguesa de la internacional Elecnor Deimos —, l'empresa Golbriak Space OÜ (Estònia), Cosine Remote Sensing (Països Baixos) i Tyvak International (Itàlia), que ha assajat i integrat els components en els nanosatèl·lits, entre altres operacions prèvies al llançament. Tot això amb el suport econòmic i la supervisió tècnica de l'ESA.
Les dades generades per la missió FSSCat i per ɸ-Sat-1 estaran disponibles en obert a través dels canals de distribució de sistema Copernicus.
Projecte distingit per l'ESA
La missió neix del projecte presentat, amb el mateix nom, pel professor de la UPC Adriano Camps i el professor Alessandro Golkar de l'Institut Skoltech i llavors professor visitant de la UPC. El projecte va guanyar, el novembre de 2017, el 'Sentinel Small Sat (S^3) Challenge Award' de l'ESA, la categoria més important dels 'Copernicus Màsters Challenge Awards'.
Dotada amb un milió d'euros, despeses de llançament a part, aquesta distinció ha permès a l'equip guanyador —-distingit d'entre un total de 39 equips europeus — desenvolupar els dos petits satèl·lits. Així mateix, la iniciativa va rebre l'Overall Winner Award', que reconeix la millor idea dels 'Copernicus Masters'.
Radiòmetre i reflectòmetre de senyal de navegació (GNSS-R) integrats
Algunes de les tècniques innovadores que viatgen en la missió, com ara la desagregació de píxel mitjançant la fusió de dades VNIR i del radiòmetre de microones, han estat desenvolupades prèviament per la UPC i l’Institut de Ciències del Mar del Centre Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), amb el suport de l’IEEC, en el marc de la missió ‘Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS)’, així com de DEIMOS Engenharia. Una tecnologia que ha anat evolucionat en el marc d’altres missions de l’ESA i de projectes nacionals i europeus.
Tot aquest coneixement es recull ara en la càrrega útil ‘flexible’ de microones (FMPL-2) que viatja en el ³Cat-5/A de la missió. Un sol instrument que integra un radiòmetre en banda L i un reflectòmetre de senyal de navegació (GNSS - Sistema Global de Navegació per Satèl·lit), que permet captar aquests senyals des de molts punts de reflexió de la superfície terrestre. El sistema actua com un radar i un dispersòmetre biestàtics. Els satèl·lits GNSS de banda L (1-2 GHz) fan d’emissors, mentre que el receptor està en un dels satèl·lits de la missió FSSCat.
L’instrument FMPL-2 s’ha desenvolupat en el marc de la tesi doctoral de l’estudiant Joan Francesc Muñoz, i l’antena receptora, per part de l’estudiant de doctorat Lara Fernández. Actualment, una versió del reflectòmetre GNSS-R és a l’Àrtic, dins la campanya MOSAIC, per recollir dades sobre el gel i dur a terme la calibració de l’FSSCat. Ambdós doctorands són titulats del màster universitari en Enginyeria de Telecomunicació de la UPC.
La primera ‘missió federada’
Aquesta missió comprovarà, a més, el concepte de ‘missió federada’, ideada pel professor Alessandro Golkar, i en la qual els recursos de la missió (com ara dades, informació, processament a bord, etc.) es comparteixen entre diversos satèl·lits. En aquest cas separats entre ells fins a una distància de 1.000 quilòmetres.
Els petits satèl·lits embarquen tecnologia de comunicacions òptiques, desenvolupades per la companyia Golbriak Oü, que tenen el potencial de transmetre grans volums d’informació amb menys interferències que les que es produeixen en els enllaços radioelèctrics entre els satèl·lits actuals. FSSCat conduirà experiments tecnològics en aquest domini, fonamental per establir en un futur xarxes de satèl·lits robustes.
També porta a bord l’experiment del sistema de satèl·lit federat (FSSExp), basat en un sistema de comunicació ràdio UHF entre satèl·lits, que abasta fins a un màxim de 1.000 quilòmetres. Aquesta tecnologia és fruit de la recerca de l’estudiant de doctorat del NanoSat Lab Joan Adrià Ruiz de Azua, també titulat del màster universitari en Enginyeria de Telecomunicació de la UPC i que ha experimentat un protocol de comunicació perquè dos petits satèl·lits puguin gestionar els recursos de manera col·laborativa. Aquesta tecnologia s’ha validat recentment, de manera experimental, amb tres globus estratosfèrics que han compartit les capacitats per registrar i descarregar les dades adquirides a l’estació base.
Tecnologia òptica hiperespectral
El 3Cat-5/B porta una càrrega útil òptica hiperespectral anomenada HyperScout-2, desenvolupada per Cosine BV, que capta i processa informació en las bandes visible, infraroig proper i tèrmic de l’espectre electromagnètic. Unes dades que poden utilitzar-se per estimar canvis en el terreny, obtenir informació sobre l’evapotranspiració a les plantes, determinar efectes com les illes de calor urbanes, detectar vessaments de petroli, monitorar incendis o estimar la qualitat de l’aigua i, combinades amb l’FMPL-2, per obtenir mapes d’humitat del terreny a més alta resolució.
La recepció de les dades registrades pel ³Cat-5/A es farà dos cops cop al dia mitjançant l’antena en banda S d’una estació de seguiment que té la UPC a l’Observatori Astronòmic del Montsec de l’IEEC, a Lleida. Una estació instal·lada a partir de la recerca del doctorand Adrián Pérez, també titulat del màster universitari en Enginyeria de Telecomunicació de la UPC, i del treball de fi de grau de l’estudiant Aina García, de la Facultat d’Informàtica de Barcelona (FIB), de la mateixa universitat.
Un cop a terra, les dades obtingudes es processaran, de manera automàtica, en la infraestructura desenvolupada per DEIMOS Engenharia, que les catalogarà per al seu ús públic.
La intel·ligència artificial, per primera vegada en òrbita
Per iniciativa de l'ɸ-Department de l'ESA, s'ha aprofitat la missió FSSCat per incorporar i posar en òrbita, per primera vegada, tecnologia d'intel·ligència artificial en l'experiment ɸ-Sat -1. Basada en un algoritme desenvolupat per Cosine Remote Sensing —al capdavant del consorci format per Synergise, la Universitat de Pisa i Ubotica—, la tecnologia servirà per garantir l'enviament d'imatges d'alta qualitat a la Terra.
En concret, es tracta de demostrar el funcionament de la targeta Movidius d'Intel, basada en el circuit integrat Myriad 2, un xip que, utilitzant les dades de la càrrega òptica hiperespectral, detecta els nuclis de condensació dels núvols que puguin afectar les imatges. Tot i el gran volum de dades generades, aquesta tecnologia és capaç de filtrar i descartar les imatges que considera no vàlides per no tenir prou qualitat.
Més informació
- Vídeo dels objectius de la missió FSSCat (canal de la UPC a YouTube)
- Informació i vídeo del llançament al portal de l’ESA
- Vídeo de l'emissió del llançament (canal d’Ariane a YouTube)
- La missió FFSCat, al web del NanoSat Lab
- Notícia anterior de l'ESA: 'FSSCat/Ф-sat-1, listo para el lanzamiento'