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 capsa 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 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 el 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 els senyals reflectits 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 a 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 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 pobra, els productes desagregats arriben als 36 quilòmetres.

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

Més informació

• FSSCAT. La primera missió basada en CubeSats que contribueix al sistema Copernicus: de la concepció de la missió a la generació de mapes d'humitat i gel (Xerrada virtual al NanoSat Lab, YouTube)
• Vídeo amb els objectius de la missió FSSCat

Notícies relacionades

• Introducing the Newest ESA Third Party Missions ('Earth online' de l'ESA, 22/12/2020)
• Dos nanosatèl·lits 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 (30/09/2020)