CONEXIONES ÓPTICAS EN EL INTERIOR DE PICOSATÉLITES …

CONEXIONES ÓPTICAS EN EL INTERIOR DE PICOSATÉLITES (CUBESATS)

VLADIMIR ALEXANDER GARCIA MONTEJO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA SANTAFE DE BOGOTÁ D.C.

2005

CONEXIONES ÓPTICAS EN EL INTERIOR DE PICOSATÉLITES (CUBESATS)

VLADIMIR ALEXANDER GARCIA MONTEJO

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Electrónico

Asesores

JUAN CARLOS NARVÁEZ GÓMEZ Ingeniero Eléctrico Aeronáutica Civil

JOSE FERNANDO JIMÉNEZ VARGAS Ingeniero Eléctrico y Electrónico

Universidad de los Andes

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA SANTAFE DE BOGOTÁ D.C.

2005

Nota de aceptación

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Presidente del Jurado

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Jurado

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Jurado

Bogotá D.C, 20, de Junio de 2005

IV

A mi madre y hermana por su apoyo,

confianza y sobre todo, amor.

V

AGRADECIMIENTOS

Agradezco de manera muy especial a mis asesores; los ingenieros Juan Carlos Narváez y, José Fernando Jiménez vargas por su valiosa colaboración a lo largo de este proyecto.

También agradezco la información suministrada de manera desinteresada por los ingenieros Ignacio Arruego y Juan José Jiménez del Instituto Tecnológico Aeroespacial (INTA

España). A los Doctores en física Álvaro Mariño y Hernán Sánchez por su asesoría y colaboración en las pruebas de cámara de vacío. A Yolanda Ramírez por su revisión y

colaboración en las pruebas de temperatura, y en general a todos aquellos que tuvieron algo que ver con este proyecto.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

1. DEFINICIONES 1.1. SISTEMA SATELITAL 1.1.1. Historia 1.1.2. Definición y componentes 1.1.3. CubeSats 1.2. INTERCONEXIONES DE ESPACIO LIBRE- ÓPTICA INALAMBRICA 1.2.1. Historia 1.2.2. Definición 1.2.3. Dispositivos 1.3. ÓPTICA INALÁMBRICA INTERIOR 1.3.1 Principios ópticos 1.3.1.1. Propiedades de la luz 1.3.2. Computación óptica 1.3.3. Óptica interior en satélites 1.4. TECNOLOGÍA ÓPTICA EN SATELITES 1.4.1. Antecedentes 1.4.2. Ventajas 1.4.3. Desventajas 1.5. DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO 1.5.1. Orbitas 1.5.2. Temperatura 1.5.3. Efectos atmosféricos 1.5.4. Efectos eléctricos y magnéticos 2. CONEXIONES ÓPTICAS EN EL INTERIOR DE PICOSATELITES 2.1. EXPERIMENTO BASE (ADCS-OBCS) 2.1.1. Descripción del sistema de determinación de actitud y control (ADCS) 2.1.2. Descripción del sistema de computación de abordo (OBCS) 2.1.3. Señales interconectadas entre ADCS y OBCS 2.1.4. Protocolos de las comunicaciones de abordo 2.1.5. Diagrama de bloques 2.2. ESPECIFICACIONES 2.2.1. Entorno 2.2.2. Diseño

2.3. EVALUACIÓN TECNOLÓGICA 2.3.1. Alámbrica 2.3.2. Inalámbrica 2.3.2.1. Radio frecuencia 2.3.2.2. Óptica 2.3.2.2.1. Infrarrojo (IR) 2.3.2.2.2. Láser 2.4. SELECCIÓN TIPO DE ENLACE 2.4.1. Línea de vista 2.4.2. Difuso 2.4.3. Quasi- difuso 2.5. EXPERIMENTACIÓN PREVIA AL DISEÑO 2.5.1. Utilización de protocolos 2.5.1.1. RS 232 2.5.1.2. I2C 2.5.2. Pruebas de vacío y temperatura 2.5.3. Prueba de masa 2.5.4. Prueba de volumen 2.5.5. Prueba con rayos gamma 2.5.6. Prueba con emisión de protones 2.6. DISEÑO INTERFAZ ÓPTICA 2.6.1 Diagrama de bloques 2.6.2 Descripción 2.7. SIMULACIÓN INTERFAZ ÓPTICA 2.7.1 Emisor 2.7.2. Receptor 2.7.3. Sistema emisor-receptor 2.8. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN 2.9. RESULTADOS 2.10. COMCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS INDICE ANEXOS MATERIAL ACOMPAÑANTE

LISTA DE TABLAS

- Tabla 1. Medición corriente y voltajes módulo experimental

- TABLA 2. Tabla de variación de distancia a temperatura ambiente (aplicable a los protocolos Rs232,

I2C, pruebas de vacío y temperatura.)

- TABLA 3. Tabla de variación de distancia a temperatura ambiente (aplicable al protocolo I2C)

- Tabla 4. Fragmento Vacío- temperatura

- Tabla 5. Reporte sistema RS232 inalámbrico en vacío

- Tabla 6. enfriamiento circuito RS232

- Tabla 7. Datos voltaje emisor

- Tabla 8. Registro de datos medición de temperatura a -30ªC

- Tabla 9. Registro de datos medición de temperatura a -20ºC

- Tabla 10. Registro de datos medición de temperatura a -10ºC

- Tabla 11. Registro de datos medición de temperatura a 0ºC



- Tabla 14. Análisis de datos a 40 mm

- Tabla 15. Medición de masa Rs232

- Tabla 16. Medición de masa I2C

- Tabla 17. Masa de las componentes alambricas usuales

- Tabla 18. Medición de volumen Rs232

- Tabla 19. Medición de Volumen I2C *calculo aprox

- Tabla 20. Calculo de volumen de los componentes alámbricos a partir de mediciones de

componentes geométricas

- Tabla 21. Comparación arquitectural

- Tabla 22. Resumen de resultados

LISTA DE IMÁGENES

(Figuras, cuadros y fotografías)

- Fig. 1. Fotografía Sputnik. Tomada de http://es.geocities.com/jose958/historia_satelites.htm, 9 abril

2005 .

- Fig. 2. Render CubeSat. Tomada de www.cubesat.auc.dk/ gallery/, 11 enero 2005

- Fig. 3. Reflexión y refracción en una superficie dieléctrica plana.

- Fig. 4. Difracción de la onda de luz.

- Fig. 5. Nanosat01.INTA-Spain, Tomada de http://www.wireless.esa.int/optical/ 2 febrero 2005 link

technology application- in space

- Fig. 6. Validation of the optical demonstrators in a satellite mock-up EADS-ASTRIUM Tomada de

http://www.wireless.esa.int/optical/ febrero 2 de 2005 link ESA projects

- Fig. 7. Ejemplo órbita satelital

- Fig. 8. Fotografía de una Aurora Boreal

- Fig. 9. Sensor solar (Girasol) para el ADCS

- Fig. 10. ADCS básico

- Fig. 11. Conexiones entre ADCS y OBCS

- Fig. 12, trama protocolo I2C

- Fig. 13 Protocolo RS 232

- Fig. 14 Dispositivo de Comunicación IR

- Fig. 15 Comparación entre una palabra USART e IR

- Fig. 16. Diagrama de bloques de la conexión óptica

- Cuadro 1. Costos por diferentes tecnologías

- Cuadro 2, Tabla costos de una misión satelital, por lanzamiento

- Fig. 17, Cubesat System Bus

- Fig. 18. Diagrama del sistema de cableado

- Fig. 19 Desorden por concepto de cableado En CubeSats

- Fig. 20. Transmisor RF Básico

- Fig. 21. Receptor RF Básico

- Fig. 22. longitudes de onda espectro electromagnético

- Fig. 23. longitudes de onda luz Visible

- Fig. 24. Comparación tecnológica

- Fig. 25. Enlace de Línea de Vista

- Fig. 26 Enlace Difuso

- Fig. 27 Enlace Semi- Difuso

- Fig. 28. Cuadro comparativo entre tipos de enlaces

- Fig. 29. Circuito seguidor

- Fig. 30. Circuito Comparador

- Fig. 31. Cámara de vacío

- Fig 32. Circuito Rs232 en el interior de la cámara de vacío

- Fig 33. Comportamiento de la temperatura

- Fig. 34. enfriamiento módulo RS232

- Fig. 35. Voltaje del emisor en el vacío

- Fig. 36. Linealidad del voltaje respecto de la temperatura en vacío

- Fig. 37. Fin de la prueba de vacío

- Fig.38. Termómetro a –30°C – prueba temperatura

- Fig. 39 grafica de separación Vs distancia a -30ºC

- Fig. 40 grafica del comportamiento de la corriente a -30ºC





- Fotografía 1. Memoria pruebas de temperatura bajo cero

- Fig. 45 grafica de separación Vs distancia a 0ºC

- Fig. 46 grafica del comportamiento de la corriente a 0ºC

- Fotografía 2. Registro de la prueba de temperatura a 70ºC

- Fotografía 3. Registro de la prueba de temperatura módulo RS232





- Fig. 51. Variación del voltaje en el receptor

- Fig 52. Comportamiento de la corriente en el receptor

- Fig. 53. Comportamiento del voltaje en el emisor

- Fotografía. 4. Memoria de la prueba de masa de componentes ópticos

- Fotografía 5. Memoria de la medición de masa componentes alámbricos

- Fig. 54. Relación masa-distancia I2C

- Fig 55. Relación masa-distancia Rs232

- Fig. 56 comparación de la masa requerida en una conexión óptica I2C

- Fig. 57. Comparación de la masa requerida en una conexión óptica RS232

- Fig. 58. Memoria de la medición de las dimensiones del cableado

- Fig. 59. crecimiento del volumen ocupado Vs longitud en el protocolo I2C

- Fig. 60. Gráfica del crecimiento del volumen con respecto a la longitud

- Fig. 61 – Cápsula de acero hermética (cortesía INTA-España)

- Fig. 62- Piscina donde se encuentran las fuentes de radiación (cobalto 60) (cortesía INTA-España)

- Fig. 63 – Evolución en tiempo real de la corriente oscura (cortesía INTA-España)

- Fig. 64 – Evolución típica de la “Corriente oscura” durante la irradiación con rayos-γ (cortesía

INTA-España)

- Fig. 65 – Evolución Típica de la foto-sensibilidad durante la irradiación con rayos-γ (cortesía INTA-

España)

- Fig 66. Tabla de concentración protones por área, INTA-ESPAÑA

- Fig. 67 – Disposición de los elementos a ser irradiados con protones (cortesía INTA-España)

- Fig. 68. Nombre de los elementos irradiados por INTA en Bélgica

- Fig. 69. Degradación de dos LEDs

- Fig. 70. Degradación de dos receptores foto-sensibles

- Fig. 71. Caracterización I-V (Corriente vs Voltaje) en emisores

- Fig. 72 Diagrama de bloques emisor IR

- Fig. 73 Diagrama de bloques receptor IR

- Fig, 74 Diagrama circuital emisor IR

- Fig. 75 Diagrama circuital receptor IR

- Fig. 76. Diagrama estado estable emisor IR nivel alto

- Fig. 77. Simulación estado alto

- Fig. 78. Diagrama estado estable emisor IR nivel bajo

- Fig. 79. Simulación estado bajo

- Fig. 80. Diagrama estado estable receptor IR nivel alto

- Fig. 81. Simulación estado alto

- Fig. 82. Diagrama estado estable receptor IR nivel bajo

- Fig. 83. Simulación estado bajo receptor

- Fig. 84. Diagrama circuital de la interfaz completo

- Fig. 86. Simulación estado alto sistema completo

- Fig. 87. Polarización nivel bajo sistema completo

- Fig. 88. Simulación nivel bajo sistema completo

- Fig. 89. Simulación transición de nivel bajo a alto, interfaz

- Fig. 90. Simulación transición de nivel alto a bajo, interfaz

- Fig. 91. Simulación de los rayos emitidos por un LED IR de 940nm

- Fig. 92. Render 3D LED IR de 940nm

- Fig. 93. Señal Transmitida Vs ángulo de incidencia LED IR de 940nm

- Fig. 94. Espectro de potencia transmitida por un LED IR de 940nm

- Fig. 95. Arreglo de 25 LEDs IR de 940nm

- Fig. 96. Espectro de potencia del arreglo de 25 LEDs IR de 940nm

- Fig. 97. Arquitectura Cubesat actual

- Fig. 98. Arquitectura Cubesat propuesta

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A Diagrama esquemático del simulador del ADCS usando la interfaz óptica y el protocolo RS232 ANEXO B Diagrama esquemático del simulador del OBCS usando la interfaz óptica y el protocolo RS232 ANEXO C Diagrama Del circuito impreso diseñado para las pruebas experimentales ANEXO D Datasheet led Fairchild QED233 ANEXO E Datasheet foto detector Honeywell SDP8406 ANEXO F Datasheet transistor 2n2222 ANEXO G Datasheet lm324

GLOSARIO

RESUMEN

El presente documento, muestra la aplicación de la tecnología óptica de espacio libre

(FSO), u óptica inalámbrica, para las interconexiones de los módulos de la arquitectura

interna de picosatélites (CubeSats). Motiva este proyecto, el hecho de que los picosatélites

pueden hacer parte de una tecnología al alcance de los países en vía de desarrollo, y en que,

son más funcionales, lo cual aumenta su óptima utilización.

La finalidad de proyecto, es exponer un experimento base, aplicable a cualquier CubeSat,

utilizando una interfaz óptica diseñada y caracterizada, para que sea establecida en el

interior de un picosatélite cúbico de arista 10Cm (CubeSat). El principal objetivo, es la

optimización de espacio y masa de este tipo de satélite, para aumentar su carga útil y así

mismo su funcionalidad. Para lograr estas metas, se expone un experimento base

consistente en el reemplazo de las conexiones alambricas entre el sistema de computación

de abordo (OBCS), y el sistema de control y determinación de actitud (ADCS), con las

características actuales de los CubeSats, y de la tecnología óptica. Además se utiliza un

protocolo de comunicación serial sencillo como el RS232, RS485 y I2C.

Componen el desarrollo de este proyecto: La identificación del punto de aplicación; una

etapa de experimentación que consiste en prácticas que permiten evaluar esta tecnología en

tierra, considerando factores determinantes como temperatura, propagación, condiciones de

vacío, etc); el diseño de la nueva arquitectura (basada en la generalización del experimento

base); sus ventajas y desventajas; simulaciones y conclusiones. Se busca que este trabajo

pueda ser aplicado no solamente a picosatélite,s sino que se extienda a satélites de mayor

masa, por lo cual, se intentará dejar algunas pautas que sobrepasen, en algunos casos, las

dimensiones del picosatélite objetivo

INTRODUCCIÓN

En los últimos tiempos, la electrónica, ha sido un pilar importante en el desarrollo

tecnológico, en todos los campos; claro ejemplo de ello, es la miniaturización de los

componentes computacionales, usados en sistemas de procesamiento de datos personales,

sistemas de comunicación, vehículos de transporte, automatización de procesos

industriales, etc; aspectos que constituyen un claro ejemplo de la tendencia tecnológica

universal.

Los sistemas satelitales, han contribuido de manera activa a la evolución en los sistemas de

comunicaciones en la exploración espacial y en la investigación científica y académica. Los

CubeSats, son una muestra explícita de la miniaturización de estos sistemas, por que, sin

obviar ningún detalle, y en misiones espaciales de gran importancia, se han convertido en

una de las herramientas científicas más importantes, en las universidades de todo el mundo.

Este proyecto, se enmarca en la tecnología satelital, pero no, como se podría pensar, en las

aplicaciones como comunicaciones o navegación; por el contrario se involucra con la

esencia electrónica del satélite.

Muestra además, mediante un análisis detallado, la optimización en la utilización de los

CubeSats, mediante el reemplazo de las conexiones internas del mismo, por considerar que

si la masa de las conexiones interiores de un sistema satelital, juegan un papel importante,

se pueden evaluar diferentes formas de conexiones en la utilización de aquella y de su

volumen, para ir dejando atrás el concepto de masas considerables.

Es criterio del autor, basado en artículos y libros científicos, usar la tecnología óptica

inalámbrica, para satisfacer el fin descrito, la cual es tratada en el presente estudio, en

capítulo especial, toda vez, que involucra numerosos elementos importantes, que requieren

de tal relevancia.

Este documento será la memoria del proyecto, y por lo tanto, esta diseñado para que refleje

el procedimiento que determina el desarrollo del presente proyecto de grado. La estructura,

tanto del trabajo de ingeniería, como del documento, está diseñada para dar a conocer dos

aspectos en particular: La primera, identificar su metodología, y la segunda, ofrecer un

documento claro, de fácil acceso a todas aquellas personas, que pueden interesarse En su

contenido.

Por la complejidad del tema, debido a conceptos técnicos y científicos desconocidos para

una gran mayoría de lectores, se ha querido elaborar una breve reseña histórica, junto con la

explicación de conceptos generales y una síntesis del proyecto. El siguiente capitulo,

muestra la arquitectura CubeSat actual, para fijar el marco del proyecto de manera clara.

Luego, se ilustrará, el concepto de la tecnología óptica inalámbrica y su aplicación en

CubeSats. En este capítulo, se pretende dejar identificar la intención del autor.

Lo descrito hasta el momento, hace parte de la etapa investigativa y del estado del arte de

la tecnología óptica inalámbrica y de los CubeSats. El siguiente paso y por consiguiente,

capítulo de este documento, es la memoria del proyecto, que contiene la parte experimental.

Aquí, se expone un modelo de experimento base, realizable a nivel práctico, es decir, un

experimento diseñado para que, con la disponibilidad de recursos económicos, pueda ser

enviado al espacio ultraterrestre.

Se realiza también en este documento, la exposición de prácticas en tierra, con el fin de

establecer las características de la tecnología que hagan posible el experimento base. Una

vez identificada dicha tecnología, se muestra el procedimiento del diseño de una interfaz

óptica inalámbrica, aplicada al experimento base. En este aparte, se da a conocer un

paralelo entre las conexiones con la interfaz diseñada y las conexiones alambricas

existentes; obviamente aplicada al experimento base y generalizado de manera teórica. De

la misma forma, se incluyen las simulaciones en herramientas Software.

Para finalizar, descritos todos los pasos del proyecto, se advierten sus conclusiones,

acompañadas de las sugerencias para la elaboración de proyectos similares.

Debido al tema del presente estudio, el lenguaje utilizado es básicamente técnico, sin

embargo, se explica en un lenguaje convencional, para su fácil comprensión.

1. DEFINICIONES

1.1. SISTEMA SATELITAL

1.1.1 – HISTORIA.

Reseña Histórica del satélite :

Con el desarrollo de la cohetería de gran poder, se logran vislumbrar nuevos horizontes

fuera de este mundo. La exploración espacial, toma gran relevancia, y es el 7 de octubre de

1.957 con el SPUTNIK, que la antigua URSS, ahora Rusia, lanza al espacio ultraterrestre

el primer satélite artificial del mundo.

Fig 1. Sputnik.

Con su lanzamiento, y dada la confrontación de la guerra fría que desencadenó en la carrera

armamentista entre Los Estados Unidos de América y la antigua Unión Soviética, y por las

ventajar que ofrecía ya la tecnología satelital, la carrera espacial creció a pasos agigantados.

Poco tiempo después, la URSS envía el satélite Sputnik II, con un animal a bordo (una

perrita llamada Laika), dando lugar al primer vehículo espacial con tripulación, del mundo.

Posteriormente, vienen nuevos lanzamientos, realizados por estos mismos países, los cuales

son utilizados para proyectos científicos y militares inicialmente, y, con el avance del

tiempo, los satélites se convierten en una gran herramienta para la comunicación comercial,

y otras muchas aplicaciones en todo el planeta.

Día a día, científicos e ingenieros de todo el mundo, trabajan arduamente en el

mejoramiento de este sistema, cuya evidencia, es la aparición de una nueva generación de

satélites denominados micro, nano y pico satélite, clasificadas según sus características de

masa y tamaño (volumen).

Los CubeSats son satélites que pertenecen a la generación de pico satélites, y se vuelven

una realidad, gracias al trabajo del profesor Bob Twiggs de la Universidad de Stanford de

Estados Unidos, el cuale otorga acceso a la experimentación espacia, a las universidades

del mundo. Gracias a ello, son posibles proyectos como éste.

1.1.2. DEFINICIÓN Y COMPONENTES.

¿Qué es un sistema satelital?

Se entiende por satélite, a un cuerpo que describe una órbita, debido a la fuerza

gravitacional, alrededor de otro. Los satélites se dividen en: Naturales, como lo es la luna

para la tierra, y artificiales, que son vehículos espaciales, tripulados o no, diseñados para

una misión específica. Los sistemas satelitales tienen dos componentes importantes: El

segmento espacial, que puede ser uno o más satélites, y el segmento ó estación terrestre.

SEGMENTO ESPACIAL

El segmento espacial, en un sistema satelital, que hace referencia al vehículo espacial

puesto en una órbita alrededor de la tierra con algún fin. Es llamado comúnmente “misión

espacial”. El segmento espacial (llamado satélite), se divide en dos grupos que dependen

básicamente de su función en el interior del satélite; uno es la “plataforma” y el otro, la

“carga útil”. La Plataforma, cuenta con varios subsistemas que permiten que este vehículo

cumpla con los requerimientos para satisfacer las necesidades del sistema, y soportar las

funciones de la carga útil.

Los subsistemas que debe tener la plataforma son:

La estructura, que es la parte mecánica que soporta a los demás subsistemas como la carga

útil, es de vital importancia, por cuanto debe estar expuesto a las condiciones atmosféricas

y del lanzamiento, a más de garantizar que el satélite opere. Por ello, debe estar construido

con aleaciones metálicas ligeras, de alta resistencia y poca masa.

La propulsión, depende básicamente del tamaño de los satélites y de la órbita a la que se

desee enviar. Si se envían satélites de gran tamaño, a órbitas muy lejanas (MEO ó GEO), es

posible que se necesiten propulsores de mediano poder para hacer que el satélite llegue a la

órbita deseada. En el caso de satélites más pequeños en órbitas cercanas (LEO), este

subsistema puede ser obviado, por cuanto logra órbitas bajas que utilizan vehículos que los

ubican en el sitio específico.

El subsistema de Control y determinación de actitud, cobra real importancia, una vez el

satélite es puesto en órbita. Cuando esto ocurre, el subsistema se encarga de mantenerla

realizando pequeñas correcciones.

El subsistema de energía, es el encargado de alimentar todos los demás subsistemas, y está

compuesto generalmente, por baterías y paneles solares.

El Telemando y la telemetría, es un subsistema, dada la raíz tele (distancia), que a su vez

es un sistema de comunicaciones a distancia, y tiene dos funciones: Una, enviarle al

satélite, desde un sitio remoto, información de acciones para las que fue programado; por

ejemplo, enviar datos, cambiar actitud, etc. La otra, enviar, desde el satélite, a un lugar

remoto (en tierra u otro satélite) las condiciones en las que se encuentran los demás

subsistemas. Esta labor, es conocida como la información de la salud del satélite.

El Subsistema de Computación de Abordo, es muy importante, ya que se encarga de

distribuir las tareas dentro del satélite, así como de guardar la información pertinente, para

luego transmitirla.

Finalmente, encontramos el subsistema térmico, que consiste exclusivamente en evitar que

la temperatura dentro del satélite, sobrepase los máximos y los mínimos de operación, que

los subsistemas, incluido éste, tiene especificados.

La carga útil es el componente más importante de la misión espacial, por que conforma el

conjunto elementos que se van a encargar satisfacer el objetivo para el cual fue enviado el

satélite; por ejemplo, si la misión es la toma de fotografías espaciales, la carga útil será una

cámara fotográfica. Obviamente, este sistema no podría operar sin la ayuda de los demás

subsistemas que componen la plataforma, debido a que el satélite debe ser una estructura de

función integral.

1.1.3. CUBESATS

¿Qué es un CubeSas ?

El CubeSat, es un sistema satelital cuyo segmento espacial pertenece a la generación de

picosatélites. Sus especificaciones están definidas así:

Su masa no debe exceder de un kilogramo, y su volumen, de un litro de capacidad. La

forma debe ser cúbica de lado 0.1 mt,, para que sea compatible con el “lanzador”, -

diseñado por CalPoly- en Estados Unidos. Estos satélites se ubican en el espacio

ultraterrestre, en orbitas cercanas a la tierra, por lo que su “huella” (porción terrestre que

alcanza a cubrir), es muy limitada, al igual que su uso.

El programa CubeSat, desarrollado varios establecimientos universitarios alrededor del

mundo, tiene como objetivo principal, educar a los alumnos en temas espaciales. Además,

son utilizados en misiones de interés científico como monitoreo de la atmósfera para su

caracterización (YAMSAT, Taiwán), detección de posibles terremotos utilizando

mediciones por frecuencias bajas (QUAKESAT, Estados Unidos), fotografías espaciales,

etc.

El costo promedio de un CubeSat, es de U$100.000=, lo cual es significativamente

económico, en términos de tecnología espacial. Esto evidencia la posibilidad que países en

vía de desarrollo como Colombia, puedan acceder a ella. El costo del sistema satelital dado

en un 40% por el lanzamiento, un 20% por el segmento terreno, un 10% por el segmento

espacial y, el restante 30%, se divide en la infraestructura necesaria para las pruebas y el

transporte del satélite.

Como se observa, el costo del segmento espacial es

relativamente bajo. Esto se debe básicamente, a la

tendencia tecnológica actual de usar piezas comerciales

(COTS), para la elaboración de tecnología en todos los

campos. La tecnología espacial no se queda atrás. Gracias

a esta tendencia, los sistemas de comunicaciones dentro del

del satélite, son basados en protocolos seriales sencillos,

como lo son, el I2C, RS232 y RS485.

Fig 2. Render cubesat

1.2. CONEXIONES OPTICAS INALÁMBRICAS

1.2.1. Historia

La luz es uno de los fenómenos de la naturaleza que más relevancia tiene para nosotros. Las

comunicaciones, usando luz, y de hecho, de manera inalámbrica, se remontan a los inicios

de la historia con la utilización del principio de reflexión. Este sistema de comunicación,

permitía enviar señales a medianas distancias (150 mt-400mt), usando espejos para reflejar

la luz del sol. En dicho sistema se encontraron inconvenientes tales, como que solo

operaba en el día (si había luz), y necesitaba de operadores que conocieran el “código”, etc.

En 1880, se diseñó el fotófono, dispositivo que usaba la luz del sol, reflejada para modular

la voz y llevarla a su destino, donde un sensor de luz lo convertía en señal eléctrica para

que se pudiera demodular. Este invento se atribuye a Alexander Graham Bell.

Los faros de los barcos, es otro sistema de comunicación óptico e inalámbrico. Estos

indican a los marinos la presencia de un obstáculo, mediante la iluminación, a una altura

específica.

El gran salto de la ciencia en las comunicaciones ópticas, ocurre con el descubrimiento del

LASER en 1960. Dadas sus características, puede proveer un canal que permite llevar

información. Las comunicaciones ópticas inalámbricas se usaron casi instantáneamente con

el descubrimiento de este dispositivo, con algunas restricciones, por ejemplo, que el enlace

debía ser de línea de vista.

Para satisfacer las restricciones de este sistema de comunicaciones, posteriormente fue

necesario el uso de una guía de onda, llamada fibra óptica; un sistema bastante usado en las

comunicaciones ópticas, con la desventaja de que es alámbrica.

Como hemos visto hasta ahora, las comunicaciones ópticas han sido utilizadas para

satisfacer necesidades de este sistema a distancia, pero con los adelantos en la tecnología, y

las tendencias actuales (miniaturización, inalambricidad), se ha extendido a las

comunicaciones entre sistemas, entre tarjetas de datos, módulos multichip y aún más, entre

chips.

En la actualidad y para satisfacer las necesidades crecientes, se han creado laseres de

superficie emisora de manera vertical (VCSEL), que han mostrado grandes ventajas frente

a los laseres actuales. Entre estas ventajas, encontramos entre otras cosas, menor consumo

de potencia, por cuanto son más pequeños, y de fácil fabricación.

Gracias a estos adelantos, consideramos, que es viable aplicar este sistema a la tecnología

satelital asequible.

1.2.2. FSOI- Conexiones ópticas inalámbricas

Se define como conexión óptica inalámbrica al sistema de comunicación, que se hace

utilizando la luz, y sin una guía de ondas. Es factible, dada la naturaleza electromagnética

de la luz, y que sea posible en el vacío, es decir, que pueda hacerse una comunicación

óptica, sin la presencia de un medio físico. (En la actualidad, este hecho ya es una

realidad)

1.2.3. Dispositivos necesarios para una comunicación óptica

Para la comunicación óptica se requiere, además de los componentes de cualquier sistema

de comunicación; dispositivos ópticos emisores y receptores, los cuales serán nombrados a

continuación.

EMISORES

Los LED (diodos Emisores de Luz), o dispositivos de estado sólido conseguidos a partir de

una unión pn (como un diodo común), con la diferencia de que los LEDs producen una

emisión de luz cuando se aplica un voltaje en sus extremos. La luz producida por este

dispositivo, no es dirigida, es decir, la dispersión es alta y tiene muy poca iluminación. (lo

último comparado con otros dispositivos). Estos dispositivos tienen como ventajas, que su

costo es muy bajo, también lo es su consumo de potencia, son comerciales, y fáciles de

usar. (Se pueden incluir en este grupo, a los IR (Infra Red diodes).

Los LASER DE EMISIÓN LATERAL, son dispositivos muy similares a los LEDs,

descritos anteriorment,e en cuanto a su fabricación, pues también son hechos con

materiales semiconductores. Sin embargo, la diferencia radica específicamente en las capas

de las cuales están compuestos. Los LEDs tienen una sola unión pn, mientras que los

Diodos Laseres, tienen muchas más uniones. La emisión de la luz coherent,e es por un

extremo del dispositivo, por lo que son conocidos como laseres de emisión lateral (ELD-

Edge Laser Diode)

Otros dispositivos, también hechos de material semiconductor, que se han popularizado en

los últimos años, son los VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) ó

LASERES DE EMISIÓN VERTICAL DE CAVIDAD SUPERFICIAL. Estos

dispositivos, son de uso frecuente, por cuanto tienen las ventajas frente a los de emisión

lateral: Son más pequeños, consumen menor potencia, su fabricación es más sencilla, dado

que la emisión es perpendicular a la superficie, motivo por el cual pueden resultar más

económicos.

SENSORES

Estos dispositivos son fabricados con el fin de “entender” lo que el emisor está enviando.

Son generalmente materiales físicos y se pueden dividir en dos clases:

Los Detectores Térmicos, que son aquellos que absorben la luz, y gracias a ello tienen una

variación en su temperatura, hecho que aprovechan para convertirla en una señal eléctrica.

Entre estos sensores encontramos las termocuplas y detectores piro-eléctricos.

Los Detectores Quánticos (Sensores Semiconductores), que son aquellos en los que la

luz incidente es convertida en una carga libre, usando el efecto óptico interno o externo. La

corriente es directamente medida, y la variación de ésta, es un indicador de la señal

recibida. Algunos ejemplos de este tipo de detectores son: los fotovoltaicos, los diodos pin

o pn, y los APD (Avalanche photo-diodes).

OTROS

Para completar una comunicación óptica se requieren otros dispositivos como moduladores

de luz y amplificadores. Sin embargo, gracias a los adelantos tecnológicos, la electrónica ya

existente, dados los transductores descritos, puede satisfacer esta necesidad, es decir, para

una amplificación de señal, se puede usar fácilmente un amplificador operacional, y para la

modulación, se puede utilizar cualquier sistema de modulación, la cual dependerá

únicamente del tipo de modulación que se desee.

1.3. ÓPTICA INALÁMBRICA INTERIOR

En este aparte, se mostrarán algunos conceptos básicos sobre óptica, al igual que se

intentará dar a entender, cómo es su arquitectura dentro de un sistema, junto con sus

características y los dispositivos descritos. Comenzaremos con algunas propiedades de la

luz; seguiremos con la arquitectura óptica, y finalmente, se hará una introducción a la

aplicación de esta tecnología, en sistemas satelitales.

1.3.1. Principios ópticos

Con el fin de enmarcar la tecnología a usar, procederemos a enseñar una síntesis de la

física que la envuelve. Para ello, se tratará, a grandes rasgos las propiedades de la luz.

1.3.1.1. Propiedades de la Luz

Las propiedades físicas del rayo de luz, son la reflexión y la refracción; para entenderlas,

es necesario saber, que un rayo de luz, es el fenómeno físico que ocurre, por la presencia de

un cuerpo luminoso. Se le puede entender, como una dispersión de la luz; es decir, que si

tenemos en cuenta la teoría de la dualidad, que nos enseña que la luz está compuesta por

partículas (fotones) y ondas, el rayo de luz, sería un flujo de partículas, en una sola

dirección.

La reflexión, ocurre cuando los fotones se estrellan con una superficie reflectora, (espejo),

o cualquier cuerpo. Para superficies planas (espejos planos), el ángulo conformado por el

rayo de luz incidente y el vector normal a la superficie (ángulo de incidencia), es igual al

ángulo conformado por el rayo reflejado, y el vector normal, a la superficie reflectora

(ángulo reflejado).

La refracción ocurre, cuando existe un cambio de medio, es decir, en el momento en el

que el rayo de luz, pasa de un medio, por ejemplo el aire, a otro, como el agua. El efecto

que aquí se presenta, obedece a la ley física de Snell ó ley de reflexión. Los n se conocen

como índice de refracción, y los θ son los ángulos, .n1senθ1 = n2 senθ2

(θ1 es el ángulo incidente y reflejado y θ2 es el ángulo refractado, ver fig. 3)

Fig. 3 reflexión y refracción de los rayos de luz

Las propiedades físicas de la onda de luz, son la polarización y la difracción. “Se dice que

una fuente de luz, produce luz polarizada cuando la radiación emitida viene con el campo

eléctrico, alineado preferencialmente en una dirección”1. La difracción ocurre, cuando las

ondas de luz chocan algunos bordes, la luz se dispersa formando una especie de cono, (si

consideramos un obstáculo plano como el mostrado en la fig. 4).

1 Definición tomada de http://home.earthlink.net/~umuri/_/Main/T_em.html el 18 de marzo de 2005

.n1

.n2

θ1 θ1

θ2

Fig. 4 Difracción de la onda de luz.

1.3.2. Computación óptica

Se entiende como computación óptica, a la posibilidad de enviar datos para establecer una

comunicación, usando fotones. La computación óptica, entonces, se remonta a los

principios de la historia. Sin embargo, la transmisión de datos a gran escala, y cada vez más

adentro de los sistemas de computación y/o de comunicaciones, es muy reciente.

Inicialmente, la transmisión de datos se hacía por guías de onda y a gran distancia, ahora,

con los avances de la electrónica, estos enlaces se están haciendo a nivel chip-to-chip.

1.3.3. Computación óptica en satélite-introducción

Como veremos en la sección siguiente, la computación óptica se viene aplicando a sistemas

satelitales, con relativa novedad. Se inicio con conexiones inalámbricas ópticas entre

satélites, o entre satélite y estación terrena. Sin embargo, es con Nanosat01(primer

experimento espacial que involucra una conexión óptica inalámbrica en satélite), que se

muestran resultados y aplicaciones reales dentro de satélite.

1.4. TECNOLOGÍA ÓPTICA EN SATÉLITES

De la mano del avance de la electrónica, y en especial de la opto-electrónica, se desarrolla

la tecnología espacial. Es así, que experimentos realizados entorno al tema, en diferentes

países, están siendo evaluados para ser aplicados en el interior de vehículos espaciales, tales

como: Cohetes, satélites y naves espaciales. La Agencia Espacial Europea, cuenta con un

capítulo especializado2 en este campo, y allí, podemos encontrar información acerca de

ellos. A continuación, se mostrarán algunos proyectos que se vienen realizando en la

Agencia Espacial Europea, seguido de las ventajas y desventajas que esta tecnología ofrece

cuando es aplicada en proyectos espaciales.

1.4.1. Antecedentes

Los siguientes son proyectos que ESA viene desarrollando en torno a este tema: Nota: Este aparte es producto de la lectura del lector de la página de la ESA, es posible que algunas frases

tengan diferentes interpretaciones ya que además es producto de una traducción. El autor hace la salvedad

remitiendo al lector a la página de la ESA en Internet para evitar malas interpretaciones de lo que el autor pueda

expresar a continuación.

Atención: el aparte siguiente es netamente informativo. Para información más precisa favor remitirse a

http://www.wireless.esa.int/optical/.

IMPLEMENTACION DE UNA CAPA ÓPTICA INALÁMBRICA PARA LAS COMUNICACIONES

DE ABORDO.

Este proyecto, es desarrollado en la actualidadad, por investigadores de España y Francia, y

poseen características y objetivo, similares a los propuestos en el presente proyecto de

grado, razón ésta que le agrega importancia al presente trabajo. Tales estudios, están siendo

diseñados para satélites de mayor tamaño, comparados con los CubeSats. 2 www.wireless.esa.int/optical, Página de internet del capitulo de óptica inalámbrica de la Agencia Espacial Europea (ESA)

La masa del proyecto de INTA, (Instituto Nacional de Tecnología Aeroespacial-España),

en su Nanosat01, está entre 15 y 20 Kg. Lo mismo ocurre con el proyecto de EADS-

ASTRIUM de Francia y UPM de España, donde el volumen del satélite es mayor, en gran

proporción, al de un CubeSat.

Nanosat01-INTA-España

El presente estudio, es sin lugar a dudas, el más importante en este aspecto, en el mundo,

considerando que es el primer experimento que se realiza directamente en el entorno real.

El proyecto nanosat01, surge después de una investigación de más

de cuatro (4) años, durante los cuales, se evaluaron diferentes

aspectos, como tipo de enlace, factibilidad, y razones de

transmisión, entre otros. El Ingeniero Ignacio Arruego, del INTA,

compartió con nosotros su experiencia al respecto.

El Nanosat01, enviado en noviembre de 2004 (aún en órbita),

tiene en su interior una comunicación óptica, usando el protocolo

y bus MIL-STD-1553 (protocolo serial con interfaz coaxial, usado en el interior de

aeronaves MIL, que significa de origen militar, y STD, que esta estandarizado), y el

SPI(que es un protocolo y bus serial universal de motorola, también usado para las

comunicaciones interiores de sistemas espaciales). El experimento dentro del Nanosat01,

usa un enlace difuso, y sus componentes, son LEDs, fotodiodos y filtros ópticos. Dichos

componentes son comerciales, de acuerdo con lo establecido en los nuevos diseños de la

tecnología satelital (COTS- Commercial Of-The-Shelf).

El experimento está basado en una conexión óptica entre el sistema de computación de

abordo (OBCS,) y una carga útil denominada Magnetómetro de tres ejes. Las señales del

magnetómetro, son codificadas y enviadas vía óptica al OBCS. Cuentaa con redundancia en

la conexión, es decir, también está cableada.

FIG 5 Tomada http://www.wireless.esa.int/optical/ febrero 2 de 2005, courtesy of INTA

El objetivo de gran importancia de este experimento, radica en la comprobación práctica de

los múltiples experimentos en tierra. Los datos que este experimento nos suministre, son de

vital importancia, para las correcciones de futuros experimentos.

EADS-ASTRIUM- Francia y UPM -España

El presente proyecto, es similar

al anterior, con la salvedad de

que aún no se encuentra en el

espacio. Lo que aquí se intenta,

es reemplazar todas las

comunicaciones interiores por

enlaces ópticos. Este

experimento cuenta con altos

sistemas, tanto de computación como hardware, y con un “armazón” (satélite de pruebas),

donde se introducen sus experimentos.

1.4.2. Ventajas

Entre las ventajas más representativas que se pueden encontrar al utilizar este tipo de

tecnología, tenemos:

- Reducción de masa en el interior del satélite. Con la reducción de los componentes

de cableado, como los mismos cables y conectores, se está haciendo un aporte

importante en la masa del satélite.

- Ordenamiento interior: El panorama interior del satélite, después de aplicada esta

tecnología, da impresión de limpieza y orden.

- Aumento en la velocidad de transmisión de datos: Como veremos posteriormente,

los enlaces ópticos son más rápidos que los convencionales, ya que, el canal óptico

sufre menos errores.

Fig 6,Validation of the optical demonstrators in a satellite mock-upCourtesy of EADS-ASTRIUM Tomada de http://www.wireless.esa.int/optical/ febrero 2 de 2005

- Desempeño del sistema: Al mejorar las variables anteriores, es evidente que se está

mejorando el desempeño del sistema en general, es decir, del satélite.

1.4.3. Desventajas

Entre las de desventajas que podemos encontrar, con la tecnología actual, se pueden

destacar las siguientes:

- Costos: Es razonable que los costos se eleven debido a que se está reemplazando

una técnica más económica; sin embargo, tales costos redundan en otros, como

fabricación y lanzamiento, los cuales, también pueden ser reducidos.

1.5. DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE LOS SATÉLITES

Esta sección, pretende introducir al lector en aspectos relevantes en el entorno en el cual se

va a desempeñar el sistema propuesto (picosatélite). Aspectos como órbitas, temperaturas,

efectos atmosféricos, eléctricos, mecánicos, electromagnéticos, harán parte del entorno

real.

1.5.1. Orbitas

Las órbitas en las que giran los satélites alrededor de la tierra, obedecen a las leyes de

Kepler; es decir; las orbitas de los satélites son elipses alrededor de la tierra. La línea que

une el satélite con la tierra describe áreas iguales en tiempos iguales; el cuadrado del

periodo de la órbita es proporcional al cubo de la distancia del foco. Además, las órbitas

obedecen a la ley de gravitación universal F= -GMm/r2,

Fig. 7, ejemplo de órbita satelital

Lar órbitas descritas alrededor tienen los siguientes parámetros:

- El eje semimayor y la excentricidad, son parámetros de forma y distancia.

- El ángulo de inclinación con respecto a la tierra, identifica la actitud que el satélite

debe tener para permanecer en la órbita. Se toma como referencia al plano

ecuatorial

Apogeo Perigeo

Satélite

Tierra

- El ángulo medido en dirección del movimiento cuando el satélite esta en el perigeo,

en l caso de una órbita elíptica.

- El tiempo de perigeo, es decir el tiempo que permanece más cerca de la tierra.

De acuerdo con la altura a la que se encuentre el satélite, se clasifican en:

- Órbitas Bajas (LEO): están aproximadamente entre 500 y 1000 kilómetros de la

tierra.

- Órbitas medias (MEO): están aproximadamente entre 6000 y 11000 kilómetros de

la tierra.

- Órbitas (GEO) aproximadamente a [3] 35787 kilómetros.

- Órbitas muy elípticas [3] (HEO) que se encuentran en alturas comparables con la

GEO, pero que se utilizan para cubrir zonas difíciles como polos.

1.5.2. Temperatura

Las Temperaturas en las órbitas satelitales alcanzan valores extremos, dependiendo de la

posición del satélite con respecto al sol. Se han registrado temperaturas a la sombra

inferiores a los –127 °C, y temperaturas de más de 150°C, cuando el satélite se enfrenta a

los rayos del sol. Considerar este aspecto es importante, por que se debe diseñar teniendo

en cuenta estos picos de temperatura, ya que los componentes deben operar adecuadamente.

Los procedimientos de pruebas de vacío, para CubeSats, involucran valores de temperatura

que van desde los –44°C hasta los 60°C. Recordemos que los CubeSats, se encuentran en

órbitas LEO.

1.5.3. Efectos atmosféricos

Se podría considerar que los efectos atmosféricos en las orbitas satelitales son nulas, pero

en realidad, existen muchos factores atmosféricos que, aún a esa altura, afectan los sistemas

satelitales. Existe una fuerza de fricción atmosférica que promueve una desaceleración en

los vehículos de lanzamiento y, en los satélites de órbitas bajas (como por ejemplo en los

CubeSats).

1.5.4. Efectos eléctricos y magnéticos

Como se muestra en la referencia [12], en

los últimos 30 años se han contemplado

efectos electromagnéticos de altas

energías como las Gamma, X y

Ultravioleta, en las comunicaciones

satelitales. Esto debe ser así, ya que si

estos fenómenos no se consideran, los

errores y las imprecisiones en las

comunicaciones satelitales serían muy

frecuentes. Es importante en el diseño de un sistema satelital, en especial de un segmento

espacial, considerar los efectos electromagnéticos del entorno, para así determinar qué

componentes tienen mayor inmunidad a tales fuentes de error. La mayoría de los efectos

eléctricos, magnéticos y electromagnéticos, son producidos por la radiación propia de los

planetas, y en especial del sol, además de los efectos atmosféricos debidos al rozamiento,

mostrados en la sección anterior.

La más grande fuente de error en las comunicaciones intersatelitales e intrasatelitales, es el

plasma, que está conformado por iones. Es por esto, que las pruebas hechas en tierra a las

comunicaciones internas del nanosat01 incluían, entre otras, pruebas con rayos gamma y

protones.[11]

Fig 8. Fotografía de una Aurora Boreal Tomada el 15 de marzo de 2005 de http://biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/126/htm/sec_8.htm

2. CONEXIONES ÓPTICAS AL INTERIOR DE PICOSATÉLITES

El presente capítulo, es el cuerpo del proyecto de grado. Aquí se establecerán parámetros

que involucren, si no todos, la mayoría de los aspectos que se deben tener en cuenta para la

realización de un proyecto de este tipo. Es en esta etapa del documento donde se muestran

novedades en la tecnología espacial en nuestro país, ya que el presente estudio, es el

primero en Colombia que involucra las dos tecnologías mencionadas, y, al no encontrar

antecedentes en otros países, se puede afirmar, que es el primero del mundo.

Esta parte del documento enmarcará el proyecto en un experimento base, en el cual se

explicarán cada una de las señales. Además, dará a conocer al lector, técnicas propias

acerca de este tipo de conexiones, con criterios propios del autor.

2.1. EXPERIMENTO BASE (ADCS-OBCS)

Par lograr establecer una aplicación real de esta tecnología dentro de un entorno real, se ha

diseñado un experimento base que representa el mínimo criterio de éxito del proyecto. Se

considera que el mismo, puede dar pautas para hacer una generalización que conlleve a

reemplazar todas las conexiones de este tipo en el interior de picosatélites. Como veremos,

en esta clase de conexiones (la del experimento base), se involucran todos los aspectos que

tienen las demás conexiones del pico-satélite, tales como buses, conectores, protocolos,

velocidades, etc. Esto permitirá hacer la generalización que se mencionó en líneas

anteriores.

A continuación, se describirán los dos “módulos” a interconectar, con el fin de establecer

sus señales. Se iniciará con la descripción del subsistema de control y determinación de

actitud del satélite (ADCS), y en seguida, con el sistema de computación de abordo

(OBCS). Una vez finalizada esta descripción, se establecerán las señales a transmitir, y el

medio actual por el cual se realiza. Luego, se determinará la descripción de los

protocolos, y finalmente, se mostrará un diagrama de bloques que defina esquemáticamente

la idea del experimento.

2.1.1. ADCS

El sistema de determinación de actitud y control del Cubesat, es el

encargado, como su nombre lo indica, de determinar y controlar la

disposición del satélite en la orbita, es decir, se encargará de

corregir pequeños cambios en la inclinación (y en algunos casos

altitud), que en un evento especial el satélite adopte, y de no ser así,

el satélite perdería la órbita diseñada. Fig 9, Sensor Solar, tomada de http://citizen-explorer.colorado.edu/systems/ADCS/ADS_Components.php#css el 23 de marzo de 2005

Los ADCS en los CubeSats tienen los siguientes componentes para cumplir con las

funciones establecidas. (Estos pueden variar de acuerdo con la misión de cada CubeSat, sin

embargo se mostrarán los elementos mínimos con los que el sistema debe contar). Para la

determinación de la actitud, se considera un sensor llamado magnetómetro (electro-

magnetómetro) de tres ejes, el cual mide la intensidad y dirección del campo magnético.

Se puede usar en la determinación de la actitud del satélite, porque el campo magnético de

la tierra es conocido en todos sus puntos. Al comparar la lectura del sensor, con el modelo

magnético llamado Campo de Referencia Geomagnético Internacional (IGRF), la actitud

del satélite se puede determinar.

Existen otros componentes que también se pueden usar, para determinar la actitud del

satélite, tales como sensores solares (fig 8). Estos miden el ángulo con respecto al sol y los

compara con la actitud programada (Es una especie de seguidor de luz). [13]. Para la

correcciones de los cambios sensados por los componentes anteriores, están los

componentes de control. Los dispositivos más usados son unas inductancias (coils), que

usan el campo magnético de la tierra para producir un torque, y de esta maner,a corregir la

actitud. El principio es elemental, ya que se hace fluir una pequeña corriente por estas

inductancias (coils), creando así un campo magnético propio que reacciona con el campo

geomagnético. Regularmente, se usan tres “coils” para realizar el control. En algunas

ocasiones, se utilizan una pequeñas ruedas que se mueven, y al utilizar su momentum, se

puede provocar un cambio en la actitud del satélite.

El diagrama de bloques del sistema de actitud y control que se muestra a continuación,

obedece al básico, y será el utilizado para el Experimento base.

Magnetómetro ADC

DACHilos Magnéticos (i d t i )

Fig. 10. ADCS básico

SIS POT

2.1.2. OBCS

El sistema de computación de abordo, es el cerebro del satélite, y está compuesto

principalmente por un micro-controlador comercial. Este se encarga básicamente de

comparar datos recibidos de los demás sistemas (ADCS, Térmico, Comunicaciones, etc),

analizarlas (compararlas con las programadas,) y responder a los datos de entrada, con

datos que establezcan alguna acción. Como estos componentes son comerciales, el sistema

de comunicación, así como los demás “módulos”, es serial y de muy poca complejidad.

Los buses y protocolos usados con mayor frecuencia, son I2C, RS232 y Rs485,

dependiendo de la complejidad de los datos a tratar. Estos serán expuestos con mayor

detalle, en la sección de protocolos.

2.1.3. Señales interconectadas entre ADCS y OBCS

Para que el sistema de determinación de actitud y control del satélite, pueda operar, debe

enviar al sistema de computación la señal del magnetómetro. Está señal es básicamente

una palabra que indica en que actitud está el satélite. Existe otra señal que interconecta

estos dos sistemas, y, es la que envía el sistema de computación a los tres hilos magnéticos

para hacer las correcciones pertinentes. La señal llega al sistema de potencia de los hilos

magnéticos, y dependiendo de la palabra que se envié desde el computador de abordo, se

hará fluir determinada corriente por cada una de ellas.

2.1.4. Protocolos de las comunicaciones de abordo

Como los componentes utilizados para la fabricación de CubeSats, deben ser comerciales

(COTS), los protocolos para las comunicaciones también deben ser generales. Por esta

ADCS OBCS

Fig. 11. conexiones entre el ADCS y el OBCS

razón, los protocolos utilizados, para la intercomunicación de módulos dentro de de

picosatélites, son muy sencillos y convencionales como I2C, Rs232 e IrDA. A

continuación se repasarán dichos protocolos:

El bus I2C, consiste en dos líneas activas y una línea de tierra, las cuales son bi-

direccionales, y son llamadas SDA y SCL. La SDA es la línea serial de datos (Serial Data

line), y la SCL es la línea de reloj serial (Serial CLock Line). Como se puede apreciar, este

protocolo será síncrono, ya que cuenta con una línea de reloj. El protocolo para

comunicaciones I2C esta descrito de la siguiente manera:

- El inicio de la transmisión está dado por un bit (I)con el dato “0” lógico en el SDA.

- El dato siguiente está formado por una palabra de 7 bits, que determina la dirección

del dispositivo a operar.

- El siguiente bit establece si es de lectura o escritura R/W, si es de lectura, se fija un

“0” , y si es de escritura un “1”.

- El siguiente bit, es el de acuse de recibo ACK’, es decir, esta señal será baja “0” si

se desea transmitir un dato y será alta “1”, si se desea terminar la comunicación (P).

- Si el bit anterior es “0” a continuación va una palabra de datos de ocho bits que se

detendrá cuando el bit ACK’ cambie a nivel alto.

A continuación se muestra la trama que fija el protocolo.

I DIRECCIÓN

Bit·6...Bit·0 R/W ACK’

DATO A

Bit·7...Bit·0 ____

ACK...............

DATO N

Bit·7...Bit·0 ____

ACK P

Figura 12, trama protocolo I2C

Existen dos tipos de buses que soportan el protocolo RS232. Uno es el DB25 de 25 pines,

y muy pesado para ser incluido en un satélite; y el DB9 de nueve pines que involucra todas

las señales presentes en el protocolo. Este protocolo, es mucho más complejo que el I2C,

pero puede ser simplificado para que pueda ser comparable con este, interconectando

algunas de las señales. A continuación veremos el protocolo y su simplificación.

Las señales presentes en el protocolo RS232 son:

De entrada

- RxD-que recibe los datos

- CTS- que es la señal que permite enviar (Clear To Send)

- DSR- Indica que el equipo de datos esta listo (Data Set Ready)

- DTR- Indicador de que el terminal está listo (Data Terminal Ready)

De salida :

- TxD- para transmitir los datos

- RTS- solicitud para enviar datos (Request To Send)

- DCD- Detector de la portadora

Y la señal de tierra :

El protocolo RS232 para enviar un dato será :

- Con la señal DSR y DTR alta se solicita autorización para enviar, es decir, se pone

la señal RTS alta “1”.

- El receptor envía la señal que esta listo fijando la señal CTS en alta “1”.

- El transmisor envía la línea de datos a la velocidad establecida por la línea TxD.

- Cuando culmina la transmisión, el receptor pone la señal CTS baja “0”.

El Protocolo RS232 para recibir datos:

- Con la señal DSR y DTR alta se recibe una solicitud para recibir datos RTS alta

“1”.

- Se acepta el envió fijando la señal CTS alta “1”.

- Se reciben los datos por la línea RxD.

- Cuando culmina la transmisión fijando la señal RTS baja “0”

_________________________ Emisor ===== Receptor

____________________________________ CTS <- | | <- RTS

TXD -> | | 1 | 0 0 | 1 | 0 | 1 1 | 0 | -> RXD Inicio Parada

_____________________________________

Fig. 13 Protocolo RS 232

El protocolo IrDA (Infrared Data Association), es importante para la comunicación por

infrarrojo, es por esta razón que será incluida en el estudio. Este estándar es usado en tierra,

ya que no existen experiencias en el espacio, sin embargo, se puede considerar el uso de los

protocolos que utilizan este estándar, ya que brindan ciertas ventajas y similitudes frente a

los alámbricos I2C y RS232 mencionados.

IrLAP (Infrared link access protocol). Este protocolo contempla

una modulación por pulsos, que dadas las características de la

luz es conveniente, y genera la menor cantidad de errores en la

comunicación. Es similar en términos generales al cableado I2C,

esto, si consideramos que tiene un bit de inicio, una palabra de

datos y un bit de parada. La diferencia radica, en que esto bits

están modulados por pulsos (Ver fig 14). Como se observa, este

protocolo es fácil de implementar dada su baja complejidad.

Fig 15 Comparación entre una palabra UART e IR, http://www.hw.cz/english/docs/irda/irda.html

Fig 14 Dispositivo de comunicación IR http://www.hw.cz/english/docs/irda/irda.html, marzo 18 2005

2.1.5. Diagrama de bloques

En el presente diagrama de bloques se indicará funcionalmente, cómo se orienta la

conexión entre el OBCS y el ADCS, y es el siguiente paso, en la formulación de la etapa de

diseño.

Fig. 16. Diagrama de bloques de la conexión óptica.

ADCS

OBDS Interfaz

Óptica Tx, Rx

Interfaz Óptica Tx, Rx

Medio línea de

2.2. ESPECIFICACIONES

En esta sección, se incluirán aspectos más aproximados a los requerimientos del

experimento base, y del mismo proyecto. Para ello, se han considerado aspectos esenciales

del entorno, en el que va a residir el experimento. Seguidamente, se mostrarán criterios de

diseño que el autor consideró pertinentes, y que se ajustan al criterio de éxito del proyecto.

2.2.1 De entorno

El entorno juega un papel determinante en el diseño espacial. Contar con aspectos como

Temperatura y condiciones de vacío, comportamiento frente a fenómenos de campos

electromagnéticos, condiciones magnéticas y efectos mecánicos; son muy importantes para

seleccionar dispositivos funcionales en el diseño.

Temperatura

La temperatura en las órbitas bajas (400-700 Km) está entre los siguientes rangos, desde –

75 °C hasta +155°C., lo que indica que, gracias al sistema térmico que debe tener el

satélite, los componentes deben soportar temperaturas entre –30°C y 70°C, para que puedan

ser usados en el espacio.

VACIO

A 600 kilómetros, se considera que la atmósfera está muy reducida por lo que los

componentes deben soportar presiones de 10exp-5 torricelis.

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

Existe intervención de campos electromagnéticos, en las comunicaciones y transmisiones

de datos, que pueden introducir errores en las mismas. Este aspecto, debe ser tenido en

cuenta, ya que en el proyecto se van a transmitir datos.

CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA

Al igual que en la tierra, a 600 Km existe una pequeña atracción de la tierra. Esto genera

una fuerza que puede deformar algunos componentes. Considerando los tamaños que se

van a manejar en el presente proyecto, se consideró esta variable despreciable.

MECÁNICOS

Por considerar que estos afectarán únicamente a la estructura y componentes de mayor

tamaño, y que no intervienen en las comunicaciones, este aspecto se consideró únicamente

para fijar el lugar en el que estarán dispuestos. (Garantizar la línea de Vista)

2.2.2. Para el diseño-Criterios de Diseño.

Especificaciones generales y descripción del sistema.

El sistema denominado interfaz óptica, estará compuesto de un módulo transmisor y un

módulo receptor, cuya función fundamental, es reemplazar las conexiones alámbricas

dentro de un cubo de 10 cm de lado y capacidad de un litro, obtenido de la generalización

del experimento base entre el sistema de computación de abordo y el de control y

determinación de actitud. El modulo transmisor, estará compuesto esencialmente por un

dispositivo óptico transmisor y un modulador de las señales eléctricas, para que los datos

sean convertidos en luz. El detector estará compuesto por un dispositivo óptico, receptor

(sensor), sintonizado a la frecuencia correspondiente a la del transmisor, y un demodulador

para convertir en señal eléctrica, la señal recibida del transmisor asociado.

El sistema transmisor-receptor, toma una señal del ADCS del satélite, y la envía al OBCS

por medio óptico; ésta función, también será invertible..

Dispositivo a diseñar:

- Interfaz óptica para comunicaciones entre módulos de un picosatélite de 1 Kg de

masa y un litro de capacidad.

Especificaciones del dispositivo:

- Alcance mínimo de 1 cm en línea de vista

- Alcance máximo de 10 cm en línea de vista.

- Tolerancia de mínimo 7.5° en línea de vista.

- Láser con frecuencia en la región de luz visible o IR.

Especificaciones del sistema (Interfaz óptica)

- Compuesto por dos dispositivos (Transmisor y receptor)

- Distancia mínima entre los dispositivos 1 cm

- Distancia máxima entre los dispositivos 10 cm

- Tolerancia mínima de 7.5°

Justificación de las especificaciones:

MASA

La masa especificada, obedece a las mediciones de masa del cableado existente, y al

criterio del diseñador, fundamentado en reducir la masa de las componentes cableadas a la

mitad, es decir, que la interfaz óptica que reemplace una conexión alámbrica, sea, máximo

la mitad del cable a eliminar. Esto, basado en las mediciones de masa de los buses actuales,

realizadas por el diseñador de este proyecto.

El criterio de mínimo éxito para esta especificación, se dará al lograr mantener por debajo,

la masa del cable a reemplazar.

Volumen

El volumen especificado, esta dado por las mediciones del volumen del cableado existente,

y el criterio del 20%. Este criterio, significa que la reducción del volumen ocupado por

concepto de conexiones ópticas, debe ser la quinta parte del empleado con conexiones

alambricas. Con base en las mediciones de densidad de volumen de un bus RS232

convencional.

El criterio de mínimo éxito para está especificación, estará satisfecho si se logra mantener

el volumen dentro de 545mm3 y 1084mm3.

Distancia

La distancia especificada, se obtuvo luego de evaluar las distancias mínimas, máximas y

promedio de las conexiones dentro del cubesat, como también la geometría propia del cubo

de 10 Cm de lado. Se determinó que la distancia máxima dentro del cubo, es de 10*√3 cm,

sin embargo, esta distancia, difícilmente es alcanzada en línea recta, por lo que se

estableció como máxima distancia interna, la longitud de una arista del cubo, es decir, 10

cm.

La mínima distancia conectada es de 15 mm, por lo que al fijar el 10 mm la mínima

distancia, se cumple con ésta y con el promedio.

El ángulo de detección se determinó considerando la dispersión del láser, y el movimiento

que pudieran experimentar los módulos dentro del CubeSat, con el fin de garantizar una

atenuación de los errores de la conexión óptica inalámbrica.

Precio

Este ítem, es bastante importante, ya que si bien es cierto, como se muestra en el cuadro 1,

el precio interfaz óptica Vs. precio por longitud de cableado, no muestra ninguna reducción

en este aspecto. Por el contrario, tiende a ser más costosa, sin importar su configuración.

La realidad, es que, no solamente el costo de las conexiones alambricas es el que interviene

en un cubesat, sino que, el lanzamiento de cada gramo, también tiene un costo. Teniendo en

cuenta lo anterior, y considerando los costos por lanzamiento de un gramo al espacio

(relación directa), se establece como valor máximo a pagar, por un dispositivo óptico, la

suma de US$40.

Cableado Ópticos (IR)

Costo 10 mm US$0.8 US$10

Costo 100 mm US$0.8 US$14

Costo 1000 mm US$0.8 US$25-US$40

Cuadro 1. Costos por diferentes tecnologías

Costo lanzamiento 1 Kg Costo Lanzamiento gr

(fines del estudio)

Costo Promedio componentes

ópticos COTS

US$40000 US$40 US$20

Cuadro 2, Tabla costos de una misión satelital, por lanzamiento

2.3. EVALUACIÓN TECNOLÓGICA

Esta sección incluirá el estudio de los aspectos que dieron pie a la elección de la tecnología

óptica inalámbrica, sobre la cableada y la fibra óptica. Además, en la parte óptica

inalámbrica, se hará un análisis sobre la conveniencia de usar láser ó infrarrojo.

Inicialmente, se mostrará la evaluación de la conexión tradicional, con el fin de establecer

aspectos para mejorar. Seguidamente, se analizarán las ventajas y desventajas de usar

radiofrecuencia y, finalmente, se entrará a evaluar la tecnología objeto de este proyecto: La

óptica inalámbrica.

2.3.1. Alámbrica-actual

La intención del presente proyecto, es eliminar las conexiones alambricas en el interior de

picosatélites, para ello, es necesario evaluar en primera instancia la tecnología existente,

para establecer puntos en los cuales se evidencie una mejoría. A continuación, algunas

características de este tipo de conexión en el interior de CubeSats, que justifican el cambio.

Las conexiones que en la actualidad ostentan los CubeSats, están compuestas por

conectores tradicionales como buses RS232, buses I2C, alambres aislados sencillos y como

el CubeSat system bus. Este último es un sistema modular (similar al LEGO y Armatodo

pero con líneas conductoras), dispuesto de manera vertical, por el que se puede transmitir

desde y hacia cualquier módulo del sistema CubeSat.

Las longitudes de los cables de los buses RS232, I2C y los sencillos, están entre 20 y 120

mm, y dependiendo de la misión del CubeSat, tales conexiones pueden ascender a 20 buses.

Además de estos conectores, encontramos el CubeSat System bus, el cual tiene conectores

entre 15 y 25 mm, dependiendo de las conexiones. Por ser modular, este bus es genérico y

tiene 25 líneas (ver fig 17 tomada del manual del Usuario CubeSat Kit). Todos los buses de

conexiones Cubesat, se encuentran estandarizadas en 9, 15 y max 25 pines, por lo que la

masa no es sencillamente la línea, sino, la suma de las que el bus tenga.[17] En la figura 18

se muestra un ejemplo de arquitectura Cubesat tomado de la referencia [17]. En ella, se

muestran los buses y sus conexiones

,

Según las referencias [19], [20], [21], [22] y [23] la masa de los cables y conectores del

cubesat, están entre 40 y 100 gramos; masa que, comparada con la de una carga útil, (Micro

cámara 15gr, GPS 30gr), es bastante considerable.

La tasa de transmisión típica, es 9600 bps, lo cual es relativamente bajo, teniendo en cuenta

los sistemas de computación actuales.

Los problemas asociados a este tipo de conexión son los siguientes:

- Transmisión de datos relativamente lenta, por lo que se hace necesario la utilización

de muchas líneas (9,15,25)

- La masa de los dispositivos conductores y los conductores asociados es alta y muy

difícil de reducir, por que al hacerlo se aumenta más el efecto piel, a través del

conductor, y con ello, la interferencia.

Fig 17, Cubesat System Bus Tomada del manual cubesat , ejemplo de configuración pag. 12 abril 23 2005

Fig 18. Diagrama del sistema de cableado

- Por lo anterior, el volumen también es considerable y, además, provoca desórdenes

visibles dentro de los satélites (Fig. 19)

- Es una tecnología tradicional, que tiende a desaparecer, por la tendencia a la

miniaturización.

- Las únicas ventajas que ofrecen estas conexiones, son, que garantizan la conexión

sin importar el movimiento, y que, su costo es muy bajo.

2.3.2. Inalámbrica

En esta sección se incluirá el análisis de dos formas de conexiones inalámbricas; una de

ellas es la de radiofrecuencia y la otra óptica. Se mostrarán las ventajas y desventajas de

cada una de ellas, empezando por la de radiofrecuencia. El objetivo es proporcionar las

bases para una buena selección, en la manera de reemplazar las interconexiones.

2.3.2.1. Radiofrecuencia

Los sistemas inalámbricos usando radiofrecuencia son muy útiles en las

telecomunicaciones actuales, sin embargo; las distancias usadas son muy grandes, dadas las

características de radiación de este tipo de sistemas. A continuación el autor tratará de

evaluar la factibilidad de usar este tipo de enlace en el interior de vehículos espaciales y

específicamente de picosatélites (CubeSats), por cuanto son el objeto de este proyecto.

Fig. 19 Desorden por concepto de cableado en CubeSats Tomada de 1 abril 2005

Según la literatura de David Pozar [24], los sistemas RF inalámbricos, no requieren línea de

vista, cuando la distancia es muy pequeña, debido a que las frecuencias de radio se

propagan radialmente.

Un sistema inalámbrico por radiofrecuencia, tiene fundamentalmente los siguientes

componentes:

- Antena: Es usada para la recepción y transmisión de las ondas de radiofrecuencia.

- Amplificador: Como la señal percibida por la antena es muy tenue, en muchas

oportunidades, es necesario adicionar un amplificador para hacerla útil.

- Modulador, demodulador: El modulador, es usado para transmitir una señal de

radiofrecuencia adecuadamente por un medio. Para conocer la información que

viene transmitida y modulada, es necesario demodular esta señal.

- Filtros: El ruido es uno de las principales fuentes de error y, se debe en gran parte a

frecuencias parásitas. Para atenuar estos efectos, se hace necesario el uso de filtros.

Las siguientes figuras, mostrarán una configuración de radiofrecuencia común, utilizando

los componentes anteriormente descritos.

Modulador Filtro de frecuencia internedia

Mixer Filtro de

pasabanda AMP

antena

Fig. 20. Transmisor Básico

Entrada de datos

DeModuladFiltro de frecuenci

Mixer

Filtro de pasaband AMP

anten

Fig. 21. Receptor

AMP

Salida de datos

Los sistemas de radiofrecuencia inalámbricos, tienen algunos problemas ya que fueron

descartados como alternativa para el proyecto. Algunas de las desventajas que presentan

estos tipos de sistemas son:

- Muchos componentes. Si se quiere reemplazar una conexión de muy corta distancia

con este tipo de enlace, debido a la magnitud de los componentes electrónicos, sería

muy difícil.

- Volumen y masa: Debido a que tiene muchos componentes la reducción por este

concepto, es nula y, en algunos tipos de modulación, mucho mayor.

- Errores: Las fuentes de error (interferencia), son muy altas en este tipo de enlace, ya

que la cantidad de componentes aumenta la posibilidad de incluir cada vez más

ruido. Por ejemplo: Al intentar reducir el ruido poniendo más filtros.

- En el espacio tienen poco desempeño: Considerando que los enlaces en el espacio,

especialmente en los picosatélites, son definitivos, es decir, no se pueden

reemplazar, se deben establecer enlaces muy confiables, y los de RF no lo son.

- Ruido por temperatura: Los materiales con los que son fabricados estos

componentes, tienen variaciones que pueden intervenir en el desempeño de cada

componente; aspecto que puede producir ruido en el interior del mismo sistema, es

decir, introducir ruido no externo.

- Sub-utilización: Los diseños de los sistemas de radiofrecuencia comerciales, están

dispuestos para cubrir grandes distancias, por lo que sería inconveniente tratar de

usarlos en sistemas que contengan distancias tan cortas como los CubeSats.

Podemos destacar algunas ventajas, como son :

- Costos: Los costos de los componentes son bajos, aunque la relación beneficio -

costo no lo es, debido a las variables mencionadas anteriormente

- Sistemas de fácil uso: Los módulos RF, son de fácil utilización, y pueden permitir

la caracterización de los mismos con mayores recursos.

2.3.2.2. Óptica

En la evaluación óptica se consideraron dos tipos de enlaces: El Infrarrojo y el laser. A

continuación, se mostrarán las ventajas de cada uno de ellos, con el fin de establecer pautas

para la selección tecnológica óptica.

2.3.2.2.1. Infrarrojo (IR)

Los sistemas de transmisión de datos por infrarrojo, son unas de las formas para realizar

una comunicación usando componentes ópticos. Como se indicó, en secciones anteriores, el

sistema infrarrojo ofrece ciertas características en sus componentes que pueden hacer viable

la utilización de estos, en sistemas ópticos inalámbricos de manera eficiente. A

continuación se mostrarán las ventajas y desventajas de este enlace, para de esa manera

determinar elementos de juicio, para su selección, ó su rechazo.

Entre las ventajas que pueden tener relevancia en conexiones espaciales de los

componentes IR, encontramos las siguientes:

- Pocos componentes: Los componentes necesarios para realizar una conexión óptica

inalámbrica, son muy pocos y cada vez más pequeños, por lo que se ajusta a los

requerimientos de masa y volumen del proyecto.

- Costo: Día a día, el costo de tales componentes, es menor y, además, se consiguen

fácilmente en el comercio.

- Inmunidad al ruido: Cuando se hace una transmisión usando componentes

infrarrojos, debido a su frecuencia, el ruido afecta la transmisión de datos en muy

baja escala, lo cual se convierte en una considerable ventaja, si contemplamos el

entorno en el que se va a desempeñar.

- Velocidad de transmisión: Debido, nuevamente, a la frecuencia del infrarrojo los

datos pueden ser transmitidos a una mayor tasa, lo cual se convierte en una ventaja

frente a los cableados y a los enlaces por radiofrecuencia.

Dadas las distancias propuestas para el presente proyecto (15 y 120 mm), las

desventajas que ofrecen estos componentes son mínimas y quizás, hacen parte de las

especificaciones. Entre las desventajas que podríamos encontrar están:

- Atenuación: En conexiones de gran tamaño, la luz, debido a la atmósfera, tiende a

dispersarse, lo que, dada una línea de vista sería perjudicial para el enlace.

- Interferencia Luz: La luz visible puede crear, con un mal filtro, desordenes en la

información; es decir, puede introducir en la transmisión datos inexistentes.

- Interferencia de objetos: Al ser un enlace de línea de vista, un cable suelto o

cualquier objeto podría interferir en la comunicación, generando errores.[25]

Fig. 22. longitudes de onda

espectro electromagnético Tomada

http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/ir/infrare

d.html 15 abril 2005

2.3.2.2.2. Láser

Otros componentes ópticos que se vienen utilizando en las conexiones ópticas, son los

láseres. Esta tendencia obedece a las características que ellos tienen, que los hacen

ventajosos frente a otros sistemas ópticos.

- Frecuencias más altas: Los rayos láser, de luz visible (Rojo, Verde, Azul), tienen

frecuencias muy altas. Esta característica es fundamental en la velocidad de

transmisión, la inmunidad al ruido eléctrico e infrarrojo.

- Los componentes son cada vez más pequeños y requieren menos potencia, aspecto

de gran importancia en los sistemas satelitales.

- El costo, aunque es alto en comparación con el IR resulta competitivo si se compara

el factor beneficio - costo, realizado en la sección de especificaciones.

Las desventajas son similares a las de los infrarrojos y obedecen esencialmente, a

interferencia de la luz; sin embargo en los láseres, ésta es menos notoria.

Fig. 23. longitudes de onda luz Visible

El presente cuadro muestra de manera resumida, la selección tecnológica, con el fin de

aclarar de manera precisa, cuál fue el resultado de dicha selección.

Enlace .

Característica

CABLEADO

No óptico

RF IR LASER

Velocidad de

transmisión

Dependiendo el

protocolo hasta

2Mbps en

Rs449 3

En la actualidad

utilizando

BLUETOOTH

2.1Mbps4

Dependiendo la

distancia

usando el

componente

IrDA

TFDU8108

16Mbps5

Creciente

usando VCSEL

0.64Tbps6

Inmunidad No Poca Alta Alta

3 http://gsyc.escet.urjc.es/docencia/asignaturas/itig-transmision_datos/transpas/node3.html 28 abril 2005 4 pc-news.com, abril 28 de 2005, www.pc-news.com/detalle.asp?sid=&id=4&Ida=1564 5 http://www.vishay.com/ir-transceivers/ 28 de abril de 2005 6 Pag 3 de “High-density optical interconnects within large scale systems”, Berger, Chrstoph

Ruido eléctrico

Acción frente a

obstáculos

No aplica Depende de la

frecuencia, en la

mayoría de los

casos es muy

relevante*

Interferencia Interferencia

Costo de

implementación

Muy baja Baja Media Media

Tamaño de los

dispositivos

Dispositivos a

reemplazar- alto

Alto Medio Depende de la

frecuencia laser,

tiende a ser bajo

Cantidad de

componentes

Pocos Muchos Pocos Pocos

Fig. 24. Comparación tecnológica *las frecuencias bajas pueden rodearlos

Considerando los anteriores parámetros, los enlaces preseleccionados son:

Óptico Infrarrojo y Óptico Láser.

En Secciones posteriores se tratará de establecer nuevas pautas para comparar estas dos

tecnologías; sin embargo, inicialmente se diseñará con IR, teniendo en cuenta la economía

de sus componentes.

2.4. SELECCIÓN DEL TIPO DE ENLACE

En esta sección se tratarán los tipos de enlaces para las conexiones ópticas posibles. La

finalidad de esta sección, es establecer ventajas y desventajas de cada una de ellas y

justificar el uso del enlace de línea de vista en el proyecto. Para lograr lo anterior, se

iniciara por, precisamente, el enlace de línea de vista, enseguida estará el difuso y

finalmente, el semi-difuso. Al final se enmarcará cada tipo de enlace en el proyecto, con el

fin de mostrar claramente sus ventajas.

2.4.1. Línea de vista

Este tipo de enlace sugiere, como lo indica su nombre, que los componentes ópticos,

presentes en la comunicación, estén libres de obstáculos, para que la comunicación sea

exitosa. Así mismo, la potencia del transmisor depende de la sensibilidad del sensor, es

decir; entre más sensible sea el sensor, menos potente puede ser el transmisor.

Esta configuración no admite movilidad, por lo que muchas veces, es necesario hacer una

transmisión de prueba, para lograr establecer que sea exitosa.

Los enlaces de línea de vista, pueden lograr cubrir grandes longitudes, siempre y cuando no

existan obstáculos sólidos que interfieran en la transmisión.

Este tipo de enlaces tienen cierto grado de tolerancia, es decir; no es necesario que el

receptor este exactamente en la misma línea del transmisor, obviamente, esto depende del

ángulo de apertura del receptor, de la dispersión de la luz o IR; aspectos asociados a la

potencia y sensibilidad de los componentes.

Las ventajas que ofrece este tipo de enlaces se son:

- Potencia: al tener esta disposición se garantiza, de alguna manera, que la potencia

enviada sea usada en su mayoría, es decir; que la luz o IR transmitid(a/o), sea usado

(a), en una gran proporción.

- Velocidad: Con esta configuración, se pueden lograr velocidades muy altas que

permitirían hacer mejor uso de los componentes.

- Tamaño de los componentes: Los componentes pueden reducir su tamaño ya que: la

potencia es baja y los ángulos de apertura de los componentes pueden ser menores.

- Precio: El costo de este tipo de dispositivos, es más económico que en otros tipos de

enlaces.

- Inmunidad a la interferencia: Al transmitirse solo a un receptor no existe

interferencia con otro datos

Las desventajas que presentan el uso de este tipo de enlace son:

- Tiene muy poca movilidad: Esto puede convertirse en un problema dado que el

satélite puede experimentar golpes fuertes y grandes turbulencias en órbita.

- Se limita a la mono-transmisión: Al tener línea de vista es difícil que la

comunicación se pueda establecer entre tres o más módulos.

2.4.2. Difuso

Este tipo de enlace aprovecha la propiedad de reflexión de las ondas electromagnéticas.

Este tipo de enlace consiste en que un transmisor emite haces de luz o IR en diferentes

ángulos para que lleguen a diferentes receptores. Para que este tipo de enlace sea posible es

Fig. 25 Enlace de Línea de Vista

necesario que tanto el transmisor como los receptores se encuentren al interior de una

superficie reflectora, es decir este tipo de enlace es muy difícil al aire libre.

Este sistema permite una mayor tolerancia de los sistemas receptores ya que el transmisor

hace una transmisión en la que puede corregir ángulos.

Las ventajas que el enlace difuso ofrece son:

- Capacidad de transmisión: Puede transmitir más datos por que tiene más receptores.

- Ofrece los mismos componentes que los utilizados en línea de vista.

- El costo es bajo, dado que no se usan más componentes.

Entre las desventajas encontramos:

- La velocidad de transmisión es más lenta que en el enlace anterior ya que se

requiere introducir redundancia en la transmisión para reducir la probabilidad de

error.

- Interferencia: Los errores por concepto de interferencia son abundantes dado que, al

manejarse ángulos, algunos receptores pueden tomar datos que en realidad iban

dirigidos a otro.

Fig. 26 Enlace Difuso

- Demanda más potencia: considerando que en toda reflexión existe algo de

absorción, el porcentaje de la potencia transmitida es mucho menor que la enviada y

además para que llegue al transmisor necesita haces de Luz o IR más potentes.

2.4.3. Semi-difuso (Quasi-difuso)

Este tipo de enlace es una combinación entre el difuso y el de línea de vista. Se utilizan

conceptos de ambas partes y se tratan de usar las ventajas de cada uno de ellos y de

minimizar las desventajas.

El enlace Semi-Difuso, consiste en un elemento transmisor y varios receptores, con la

salvedad de que en este caso se emite a un sistema altamente reflector que orienta

directamente al receptor, es decir, se emite en ángulos determinados un haz y este es

reflejado hacia el receptos asociado. El transmisor debe estar en línea de vista con el

reflector al igual que los receptores.

La movilidad en este caso depende de la sensibilidad de los receptores al igual que en el

caso de línea de vista.

Fig. 27 Enlace Semi- Difuso

Las ventajas que podemos encontrar en este tipo de enlace son:

- Potencia de transmisión media: si bien es cierto que la potencia de transmisión en

mayor en este caso que en el de línea de vista, también es cierto que es menor que la

potencia demandada en el caso difuso.

- Velocidades medias: las velocidades en este caso son muy cercanas a las de línea de

vista, sin embargo al recorrer el doble de la distancia que en este, necesita un poco

mas de tiempo (muy poco) para establecer el enlace.

- Mayor cantidad de datos: Dado que tiene más velocidad que el difuso y que tiene

varios receptores el flujo de datos es mayor en este caso que en cualquiera de los

dos mencionados anteriormente.

Las desventajas del enlace Semi-difuso son:

- Mayor cantidad de componentes: Se requiere de un reflector que se convierte en un

elemento extra.

- Interferencia: al igual que en el caso difuso, se pueden presentar errores por

interferencia dado que existen muchos receptores.

- Se incrementan costos: al usar un componente extra los costos por este concepto se

aumentan.

- Las líneas de transmisión deben estar libre de obstáculos.

A continuación se muestra el cuadro comparativo, de acuerdo con las características

propias de cada enlace, que definen cual tipo de enlace será usado. Para hacer la evaluación

se utilizaron símbolos que los comparen entre ellos como mayor que, menor que igual. Los

identificadores para cada caso se muestran en el cuadro.

Tipo de Enlace--

Característica

LINEA DE VISTA

LV

DIFUSO

D

QUASI DIFUSO

QD

Velocidad LV>D

LV>QD

D<LV

D<QD

QD<LV

QD>D

Potencia (Demanda) LV<D

LV<QD

D>LV

D>QD

QD>LV

QD<D

# de componentes LV=D

LV<QD

D=LV

D<QD

QD>LV

QD>D

Costo LV=D

LV<QD

D=LV

D<QD

QD>LV

QD>D

Datos Transmitidos LV<D

LV<QD

D>LV

D=QD

QD>LV

QD=D

Interferencia No hay Sí Sí

Movilidad No Sí Sí

Fig 28. Cuadro comparativo entre tipos de enlaces.

Dadas las características del experimento base y las necesidades primarias de este proyecto

se seleccionó el enlace de línea de vista. El autor considera este tipo de enlace suficiente

para las conexiones de los CubeSats, teniendo en cuenta las distancias y la arquitectura

actual.

2.5. EXPERIMENTACIÓN PREVIA AL DISEÑO

Los procedimientos experimentales que se mostrarán a continuación pretenden mostrar,

usando elementos comerciales, el funcionamiento de los protocolos comerciales (I2C y

RS232), en las condiciones en las que se encontrará el satélite y en sí el experimento base

entre el sistema de actitud y control y el sistema de computación de abordo. Para esta serie

de pruebas se usaron microcontroladores Atmel de la familia 80C51 que dadas sus

características, permiten ser usados en entornos espaciales, este caso lo vimos en el satélite

YAMSAT enviado por Taiwán.

Ahora bien, esta serie de experimentos consta de dos microcontroladores Atmel 80C51 uno

hará el papel del sistema de computación de abordo OBCS, el cual estará programado para

reaccionar dependiendo de las diferentes señales que reciba; y el otro tendrá la función de

simular el sistema de control y determinación de actitud del CubeSat. La justificación del

uso de este tipo de microcontroladores esta dada por su versatilidad, su funcionalidad

(cuentan con un puerto UART), sus rangos de operación, las tasas de transmisión, su

facilidad de programación (C, Assembler) y sobretodo, su bajo costo.

Los objetivos de esta serie de experimentos son:

- Observar el comportamiento de una transmisión IR usando los protocolos

existentes.

- Probar la reducción de masa y volumen en este pequeño experimento

- Observar el desempeño de la transmisión en condiciones de vacio y temperatura,

cercanas a las reales.

- Detectar las posibles fuentes de error en la comunicación.

- Dar soporte a las teorías del autor en cuanto a la viabilidad de su uso.

2.5.1. Utilización de protocolos

Esta sección mostrará aspectos de transmisión de datos programados en los

microcontroladores y transmitidos serialmente usando los protocolos I2C y Rs232 en su

más básica configuración, es decir utilizando la menor cantidad de elementos (cables),

siguiendo los estándares IrDA, es decir, usando transmisión infrarroja. Para ello se

establece una distancia variable de 20 a100 mm, y se establecerá el siguiente protocolo.

- Programación metódica de microcontroladores: para esto se establece que

microcontrolador tendrá la función del sistema de computación, y cual la del

sistema de control y determinación de actitud.

- Conexión de la interfaz óptica: Con los protocolos a probar y con una configuración

diseñada, de manera tal que se cumpla con el requerimiento de distancia máxima

(100mm)

- Montaje en sistema fijo: Para limitar los errores por conexiones se deben fijar los

componentes en baquelitas.

- Garantizar línea de vista: se deben fijar, el emisor y el transmisor en línea de vista.

- Las pruebas se harán haciendo variaciones de menor a mayor y viceversa, es decir,

por ejemplo, las distancias irán de 20 a 100mm y de 100 a 20mm. Con pasos de 10

mm.

La siguiente es la prueba de un mono enlace que permitirá establecer el alcance del diseño

de la interfaz y las pruebas con los protocolos RS232 e I2C.

El voltaje de alimentación del diodo infrarrojo fue fijado en un valor nominal de 5.06 V

DISTANCIA VOLTAJE/RECEPTOR

(V)

CORRIENTE MÓDULO

(mA)

POTENCIA

(W)

0 5.02 150 0.75

1 5.01 150 0.75

2 4.97 150 0.75

3 3.86 150 0.75

4 2.996 150 0.75

5 2.078 150 0.75

6 1.593 150 0.75

7 1.299 150 0.75

8 1.035 150 0.75

9 0.852 150 0.75

10 0.750 150 0.75

Tabla 1. Medición corriente y voltajes módulo experimental.

Resultados previos.

La prueba anterior muestra que la distancia máxima alcanzable con el diseño actual es de

40 mm, aspecto que supera en el doble la distancia media en el interior de un cubesat entre

módulos, la cual estaba establecida entre 15 y 20 mm.

La prueba anterior permite limitar las pruebas siguientes a estas distancias para hacerlas

más adecuadas a los requerimientos del cubesat.

Es claro que el diseño previo no alcanza los máximos esperados, sin embargo, el diseño

incluye una etapa de amplificación que puede ser ajustada con las variaciones encontradas

en distancias superiores a 50 mm, con la inclusión de un par de elementos resistivos que

permitan garantizar la resistencia adecuada.

A continuación se muestra el ajuste que se debería hacer para superar la distancia de 50

mm, usando la etapa de amplificación (en el receptor).

Amplificación actual. Configuración modificada

Fig. 29. Circuito seguidor Fig. 30. Circuito Comparador

El voltaje de referencia del circuito modificado estará en 0.7 voltios, dado que en 100 mm

el voltaje percibido es 0.750, de esta manera se garantiza que con voltajes estarán en los

niveles lógicos que el sistema requiere para su correcto funcionamiento.

El voltaje de referencia será obtenido mediante el uso de una configuración “divisor de

voltaje” con un par de resistores comerciales con impedancia superior a 10K.

Conclusiones.

- La interfaz que será utilizada en la experimentación satisface los requerimientos de

las distancias medias del cubesat.

- Una pequeña modificación en el circuito amplificador puede permitir el cubrimiento

de mayores distancias.

- Se considera que la interfaz puede ser usada en las pruebas diseñadas y que se

presentan a continuación.

2.5.1.1. RS232

Los objetivos de esta prueba son:

- Demostrar la viabilidad del uso de este protocolo usando los estándares de uso de

Infrarrojo.

- + Vin

Vout - +

VinVout Vref

- Establecer fuentes de error.

- Evidenciar problemas de comunicaciones.

- Caracterizar este tipo de conexión en un sistema sencillo.

El procedimiento para este experimento estará dado por los siguientes pasos:

- Transmisión vía infrarrojo de usa serie de datos programados en los

microcontroladores que simularán los módulos espaciales.

- Registro de los posibles errores mediante comparación. En la memoria interna de

los microcontroladores estará la secuencia programada de transmisión de datos el

cual será comparado por el receptor para generar una estadística de error.

- El procedimiento anterior se hará para cada longitud medida de 20 a 100 mm, con

pasos de 10mm, y con 36 datos programados.

Distancia entre

transmisor y emisor

(mm)

Datos enviados Datos errados (%) Datos correctos (%)

00 36 0 100

20 36 0 100

30 36 0 100

40 36 13.9 86.1

50 36 33.3 66.6

60 NA

70 NA

80 NA

90 NA

100 NA

Total 180 14.2 85.9

TABLA 2. Tabla de variación de distancia a temperatura ambiente (aplicable a los

protocolos Rs232, I2C, pruebas de vacío y temperatura.)

Resultados

Como se esperaba, considerando los criterios de la etapa introductoria, la distancia óptima

para la transmisión y recepción, utilizando el protocolo RS232, es inferior a 50mm sin

embargo en los primeros 30 mm no se presentan errores en la transmisión y en 40 y 50 mm

los errores no superan el 20%.

Conclusiones

- Se garantiza una perfecta comunicación para distancias inferiores a los 40 mm

- Se garantiza una buena transmisión para distancias entre 40-50mm

- No se garantiza la transmisión para longitudes sobre 50 mm, a menos que se realice

la modificación circuital propuesta al inicio del capítulo.

2.5.1.2. I2C

Los objetivos, volúmenes de transmisión, el procedimiento y el registro de datos será

similar al usado en el protocolo anterior, con la salvedad de que el protocolo cambia.

Distancia entre

transmisor y emisor

(mm)

Datos enviados Datos errados (%) Datos correctos (%)

00 36 0 100

20 36 0 100

30 36 0 100

40 36 5.6 94.4

50 36 19.4 80.6

60 NA

70 NA

80 NA

90 NA

100 NA

Total 180 5 95

TABLA 3. Tabla de variación de distancia a temperatura ambiente (aplicable al protocolo

I2C)

Resultados

Los resultados obtenidos, al utilizar el protocolo I2C, muestra menos errores y permite

alcanzar de manera óptima mayor distancia que el protocolo anterior.

El consolidado de error, tras la transmisión de 180 datos, de 8 bit cada uno es del 5%.

Conclusiones

- Se puede garantizar una excelente comunicación para distancias iguales o menores a

50 mm.

- No se garantiza ninguna transmisión para distancias superiores a 50 mm, a menos

que se realicen los ajustes propuestos al inicio del capítulo.

2.5.2. Pruebas de vacío y temperatura

Vacío


- Observar el comportamiento de la conexión IR en un entorno de presión escasa.

- Evaluar y comparar los errores que se pudieran originar por esta prueba.

El procedimiento a seguir será:

- Introducir el simulador del experimento base en una cámara de vació (10^-5 torr).

- Hacer la transmisión de datos usando el protocolo que mejor resultados haya

mostrado en la prueba anterior.

- Hacer variaciones de distancia para establecer errores por este concepto.

- Realizar mediciones de voltaje y corriente para caracterizar el modelo

Además de lo esperado en el enunciado de la prueba y gracias a la colaboración del

profesor Hernán Sánchez de la Universidad Nacional, se registró la temperatura superficial

de los módulos (especialmente de los microcontroladores), ya que es posible que al estar

este, en condiciones de vacío la refrigeración será mínima.

De acuerdo con lo anterior se priorizó en esta prueba y se registraron algunas mediciones

tras una hora y media de pruebas con los siguientes resultados.

A la izquierda se muestra la cámara de vacío

del laboratorio de películas delgadas de la

Universidad Nacional, lugar donde se

realizaron las pruebas.

Fig. 31. Cámara de vacío

Seguidamente se introdujo el circuito con el protocolo RS232 (por tener mayor cantidad de

señales) y se procedió a hacer vacío, con una bomba de prevacío, hasta 10Exp-2 torrs;

seguidamente se activó la bomba de vacío y se logro una presión del orden de 10Exp-4torr;

Unos minutos después la presión en el interior de la cámara logro 6.5*10exp-5 torrs;

seguidamente se polarizó el circuito y se procedió con el registro de los datos.

La tabla mostrada a continuación es un fragmento de los primeros 13 minutos de la

medición de la temperatura en el circuito.

Tiempo (min) Temperatura (ºC) 0 24,4 1 24,8 2 30,2 3 35,4 4 40,6 5 45,2 6 48,4 7 50,6 8 55,6 9 64,3

10 69 11 71 12 71 13 71,5

Tabla 4. Fragmento Vacío- temperatura

Fig 32. Circuito Rs232 en el interior de la cámara de vacío

Como se puede apreciar en la gráfica el circuito se calienta rápidamente hasta una

temperatura máxima aproximada de 75ºC, donde se estabiliza; considerando esto se

observa el funcionamiento del circuito el cual termina de transmitir todos los datos sin error

como se muestra en la tabla 5.

Módulo RS232

Condiciones Vacío 10Exp-2 Vació 8,2*10exp-5* aprox

Datos enviados 36 36

Datos errados 0 0

Tabla 5. Reporte sistema RS232 inalámbrico en vacío

Al apagar el circuito se observa un enfriamiento del circuito, un poco más lento que el

calentamiento los datos están dados por la siguiente tabla (fragmento).

Tiempo (min) Temperatura (ºC) Tiempo (min) Temperatura (ºC) 1 74,5 8 24,682 69,9 9 24,593 53,2 10 24,574 46 11 25,265 37,2 12 25,546 27,7 13 26,127 24,69 14 26,12

Tabla 6. Enfriamiento circuito RS232

Fig 33. Comportamiento de la temperatura

Variación de temperatura del circuito modelo en el vacío

020406080

0 20 40 60 80

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

ºC

Serie1

La siguiente grafica muestra como la pendiente en el enfriamiento es menor que en el

calentamiento, sin embargo mantiene una temperatura por encima de la del ambiente

registrada antes de introducirlo en la cámara.

Los cambios en la temperatura afectan directamente los elementos ópticos del sistema

logrando que el voltaje de emisión se reduzca casi en un voltio y el de recepción

experimente ruido.

Tiempo (min)

Voltaje emisor (V)

0 0 1 3,755 3 3,22 5 3,06 7 2,854 9 2,609

11 2,401 13 2,399 15 2,398

Tabla 7. Datos voltaje emisor.

Fig. 34. enfriamiento módulo RS232

Cambio de temperatura módulo apagado vacío

0

20

40

60

80

0 5 10 15Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(º

C)

Serie1

Como se observa en la gráfica de abajo el voltaje de emisión cae por debajo de los tres

voltios; recordemos que el voltaje típico utilizado es 3,8V

A continuación se muestra otra gráfica en la que se puede apreciar que el cambio en el

voltaje obedece a la temperatura generada por el mismo circuito; esto se concluye al

observar la alta linealidad existente.

Finalmente se observó la temperatura y la acción del circuito al entrar en contacto con el

aire, inicialmente sufrió una subida de temperatura la cual fue disminuyendo lentamente

hasta entrar en equilibrio térmico con el ambiente, a continuación se observa la cámara

destapada y el fin de la prueba.

Fig. 35. Voltaje del emisor en el vacío

Fig. 36. Linealidad del voltaje respecto de la temperatura en vacío

Voltaje en el emisor en vacío

0

24

6

0 20 40 60 80

Tiempo (min)

Volta

je (V

)

Serie1

Voltaje emisor Vs Temperatura- Vacío

0

2

4

0 20 40 60 80

Temperatura (ºC)

Volta

je (V

)

Serie1

Conclusiones de la prueba de vacío

De las pruebas de vacío anteriormente descritas de puede concluir que:

- Se demostró experimentalmente la operación del sistema en vacío ya que el circuito

no sufrió ningún daño después de estar 2 horas en el interior de una cámara de

vacío, con una presión inferior a los 9*10Exp-5 torrs.

- Se evidenció la acción del calor en la operación de los componentes ópticos.

- Se logro determinar cual será la temperatura de operación de estos dispositivos en

el entorno real.

- La temperatura media de operación del sistema se estableció en 75ºC de acuerdo

con las mediciones de vacío y es debida básicamente a la radiación propia.

- El sistema operó sin reflejar ningún error en la transmisión de los datos

programados, obviamente manteniendo la línea de vista.

Fig. 37. Fin de la prueba de vacío

- Se consideran como logros los resultados de las anteriores pruebas por cuanto,

verificó su funcionamiento y evidencia la temperatura de operación.

Temperatura

Los objetivos de esta prueba son los siguientes:

- Determinar las variaciones en las características de sensibilidad y potencia óptica,

mediante la evaluación del error, en diferentes condiciones de temperatura.

- Observar el comportamiento de la comunicación en situaciones de temperatura por

debajo de 0°C

- Observar el comportamiento de la comunicación en situaciones de temperatura por

encima de 50°C

- Analizar los resultados, realizar comparaciones y emitir conclusiones que permitan

evidenciar los efectos causados.

El procedimiento para esta prueba será:

- Introducir dentro de una cámara de temperatura (Horno) el circuito simulador del

experimento base, y someterlo a diferentes temperaturas dentro del rango –30°C y

70°C

- Evidenciar los errores y las distancias apropiadas.

- Realizar mediciones de voltaje y corriente para determinar su comportamiento y

poder realizar su caracterización.

Resultados

Los resultados de las pruebas de temperatura, previamente verificados los límites de

funcionamiento de los componentes a usar (según datasheets), se muestran a continuación

divididos en: temperaturas bajo 0°C y temperaturas sobre 40°C.

Temperaturas bajo 0°C

En este campo se hicieron mediciones en tres temperaturas, -30°C,-20°C y –10°C y se

puede considerar en el rango la de 0°C; para un total de cuatro registros.

Resultados -30°C

Los resultados de esta prueba están caracterizados por un gran

desempeño, es decir, el circuito de prueba diseñado satisface los

máximos de distancia sin ninguna modificación, además la corriente

del modelo se reduce hasta en 10mA, en comparación con la de

temperatura ambiente.

La siguiente tabla es la memoria de las pruebas hechas a esta temperatura.

Distancia Voltaje receptor

(Emisor 3.650V) (V)

Corriente

receptor (mA)

Datos

enviados

Datos

errados

0 5,03 41,9166667 36 0

1 5,03 23,952381 36 0

2 4,95 16,3907285 36 0

3 4,52 11,0243902 36 0

4 4,01 8,03607214 36 0

5 3,720 7,15384615 36 0

6 3,540 6,32142857 36 0

7 3,450 5,75 36 0

8 3,01 4,85483871 36 0

9 2,830 4,4778481 36 0

10 2,760 4,21374046 36 1

Fig.38. Termómetro a –30°C – prueba temperatura

Tabla 8. Registro de datos medición de temperatura a -30ªC

-20ºC Distancia Voltaje receptor

(Emisor 3.640V) (V)

Corriente receptor

(mA)

Datos enviados Datos errados

0 5,03 41,9166667 36 0

1 5,02 21,826087 36 0

2 4,89 15,5238095 36 0

3 4,41 10,0227273 36 0

4 3.875 7,64299803 36 0

5 3,545 6,44545455 36 0

6 3,380 5,68067227 36 0

7 3,358 5,41612903 36 0

8 2,880 4,5 36 0

9 2,790 4,1641791 36 0

10 2,620 3,85294118 36 1

Fig. 39 grafica de separación Vs distancia a -30ºC

Fig. 40 grafica del comportamiento de la corriente a -30ºC

Mediciones en temperatura -30°C- longitud Vs Voltaje (receptor)

0,0002,0004,0006,000

0 5 10 15

distancia (cm)

Volta

je (V

)

Serie1

Mediciones en temperatura -30°C longitud vs Corriente (A)

0

0,05

0 5 10 15

Distancia (cm)

Cor

rient

e (A

) Serie1

Tabla 9. Registro de datos medición de temperatura a -20ºC

Mediciones en temperatura -20°C- longitud Vs Voltaje (receptor)

0,0002,0004,0006,000

0 5 10 15

Distancia (cm)

Volta

je (V

)

Serie1

Mediciones en temperatura -20°C longitud vs Corriente (mA)

01020304050

0 5 10 15

Distancia (cm)

Cor

rient

e (m

A)

Serie1

Fig. 41 grafica de separación Vs distancia a -20ºC Fig. 42 grafica del comportamiento de la corriente a -20ºC

-10°C Distancia Voltaje receptor

(Emisor 3.630V)

(V)

Corriente receptor

(mA)


0 5,03 34,45205479 36 0

1 5,02 19,45736434 36 0

2 4,89 14,38235294 36 0

3 4,72 9,833333333 36 0

4 3.95 7,452830189 36 0

5 3,34 5,75862069 36 0

6 3,069 5,014705882 36 0

7 2,789 4,426984127 36 1

8 2,5 3,846153846 36 5

9 2,380 3,525925926 36 5

10 2,05 2,971014493 36 7

Fotografía 1. Memoria pruebas de temperatura bajo cero

Fig. 43 grafica de separación Vs distancia a -20ºC Fig. 44 grafica del comportamiento de la corriente a -20ºC

M e d ic io n e s e n te m p e ra tu ra -1 0 °C - lo n g i tu d V s V o l ta je (re c e p to r )

0

2

4

6

0 5 1 0 1 5

D is t a n c ia ( c m )

Volta

je (V

)

S e r ie 1

Me dicione s e n te m pe ra tura -10°C longitud vs Corriente (rece ptor)

020

40

0 5 10 15

Dis tancia (cm )

Cor

rient

e (m

A)

Serie1

Tabla 10. Registro de datos medición de temperatura a -10ºC

0°C


(Emisor 3.620V)

(V)

Corriente receptor

(mA)


0 5,03 34,21768707 36 0

1 5,01 16,42622951 36 0

2 4,94 9,88 36 0

3 3,850 6,31147541 36 0

4 2,670 3,657534247 36 0

5 2,01 2,392857143 36 2

6 1,48 1,591397849

7 1,28 1,319587629

8 0,920 0,836363636

9 0,820 0,713043478

10 0,740 0,601626016

Conclusiones sobre las pruebas bajo 0ºC

De los resultados anteriores se puede concluir que:

- El sistema puede desenvolverse sin dificultad y de manera óptima en un entorno

bajo las anteriores condiciones de temperatura.

- Tanto el diodo emisor como el foto-receptor tienden a mejorar su funcionalidad en

temperaturas por debajo de 0ºC.

Tabla 11. Registro de datos medición de temperatura a 0ºC

Mediciones en temperatura 0°C- longitud Vs Voltaje (receptor)

0246

0 5 10 15

Distancia (cm)

Volta

je (V

)

Serie1

Mediciones en temperatura 0°C longitud vs Corriente (receptor)

0

20

40

0 5 10 15

Distancia (cm)

Cor

rient

e (m

A)

Serie1

Fig. 45 grafica de separación Vs distancia a 0ºC Fig. 46 grafica del comportamiento de la corriente a 0ºC

- Entre menor sea la temperatura menos errores se detectaron en el módulo de

comunicación RS232.

- Se logran mayores distancias de operación con menos elementos y por consiguiente

menor masa.

A continuación se mostrarán los resultados de las pruebas hechas por encima de los 20°C

La Imagen que vemos a la izquierda

corresponde al montaje que se hizo en la

prueba de temperatura para valores por

encima de los 20ºC,

Esta imagen muestra el circuito básico;

la imagen siguiente muestra el módulo

RS232, durante las pruebas.

Fotografía 2. Registro de la prueba de temperatura a 70ºC

Fotografía 3. Registro de la prueba de temperatura módulo RS232

40°C


(Emisor 3.6880V)

(V)

Corriente receptor

(mA)


0 5,03 18,62962963 36 0

1 4,99 9,98 36 0

2 3,801 5,492774566 36 0

3 2,580 3,035294118 36 1

4 1,980 1,948818898 36 5

5 1,360 1,261595547

6 1,06 0,905982906

7 0,940 0,74015748

8 0,720 0,517985612

9 0,480 0,324324324

10 0,385 0,226470588

Los resultados que se mostrarán a continuación son muy importantes por que muesran la

temperatura alta extrema y, además, está cerca de la temperatura de operación obtenida en

las pruebas de vacío.

Con los siguientes resultados se podrán emitir conclusiones respecto de la operación del

sistema.



0246

0 5 10 15

Distancia (cm)

Volta

je (V

)

Serie1


0

10

20

0 5 10 15

Distancia (cm)

Cor

rient

e (m

A)

Serie1


70°C


(Emisor 3.759V)

(V)

Corriente receptor

(mA)


0 5,04 15,27272727 36 0

1 4,79 7,983333333 36 0

2 2,945 3,969002695 36 0

3 1,844 1,603478261 36 5

4 1,284 0,867567568

5 0,997 0,651633987

6 0,786 0,497468354

7 0,736 0,457142857

8 0,520 0,288888889

9 0,415 0,2075

10 0,392 0,111363636

Conclusiones de las pruebas de temperatura sobre 20ºC

De la experiencia anterior se pueden emitir las siguientes conclusiones:

- Se logra satisfacer la distancia promedio de conexión en el satélite sin ninguna

modificación.



0246

0 5 10 15

Distancia (cm)

Volta

je (V

)

Serie1


0

10

20

0 5 10 15

Distancia (cm)

Cor

rient

e (m

A)

Serie1


- Las distancias esperadas no son satisfechas, sin embargo al hacer una modificación

de la referencia en el amplificador operacional se puede lograr cubrir la distancia

máxima.

- Al módulo RS232 llegan muchas señales externas que intervienen en la

comunicación y producen mayor cantidad de error, aún sobre el umbral.

- Pese a que el circuito de prueba no permite concluir que, el la interfaz es óptima en

temperaturas altas; sí, se pueden hacer modificaciones al circuito para que esto sea

posible.

- Se debe hacer un ajuste del circuito para garantizar su operación en temperaturas

altas.

A continuación se hace una interpretación de los resultados, revisando cada una de las

temperaturas y algunas variables que permitirán caracterizar la solución.

Se tomo la distancia típica de 40mm para hacer el análisis.

A 4 cm TEM °C Voltaje (R) Corriente (R) Voltaje (E)

-30 4,01 8,036 3,65-20 3,875 7,64 3,64-10 3,695 7,45 3,630 2,67 3,68 3,6240 1,98 1,95 3,68870 1,284 0,8675 3,759

Tabla 14. Análisis de datos a 40 mm

Como se observa en la anterior tabla de datos y como se muestra en la siguiente grafica el

voltaje en el receptor decrece rápidamente cuando se hace una aproximación a 0ºC y

continua su decrecimiento casi linealmente a medida que la temperatura aumenta.

Con la corriente ocurre algo muy

similar a que ocurrido con el

voltaje, es decir, la detección se

hace mas complicada a medida

que la temperatura crece. Lo

anterior se puede justificar si se

considera el ruido térmico y la

acción de la corriente oscura.

El voltaje en el emisor es una variable que se tuvo en cuenta porque, si bien es cierto su

variación es mínima, está interviene directamente en el consumo de potencia del circuito.

Grafica temperatura- Voltaje (receptor) Vs temperatura

0

2

4

6

-50 0 50 100

Temperatura °C

Volta

je (V

)

Serie1

Fig. 51. Variación del voltaje en el receptor

Grafica temperatura- corriente (receptor) Vs temperatura

02468

10

-50 0 50 100

Temperatura (°C)

Corr

ient

e (m

A)

Serie1

Fig 52. Comportamiento de la corriente en el receptor

G ra fic a te m p e ra tu ra - V o lta je (e m is o r) V s te m p e ra tu ra

3 ,5 53 ,6

3 ,6 53 ,7

3 ,7 53 ,8

-5 0 0 5 0 1 0 0

T e m p e ra tu ra (°C )

Volta

je (V

)

S e rie 1

Fig. 53. Comportamiento del voltaje en el emisor

Conclusiones generales prueba de temperatura.

De los resultados anteriores se pueden emitir las siguientes conclusiones:

- Se satisface el mínimo criterio de éxito de la prueba, el cual consistía en satisfacer

por lo menos la distancia media de las interconexiones en el interior del satélite.

- El circuito permite caracterizar de manera óptima el diseño futuro, por cuanto da

pautas relevantes como mínimos de operación en condiciones de temperatura

extrema, que pueden coadyuvar en su optimización.

- Tanto la distancia como la temperatura permiten la intromisión de error en una

comunicación como la RS232, aspecto que puede ser corregido haciendo

variaciones en la referencia.

Masa, volumen, radiación gamma y de protones

Las prácticas descritas a continuación fueron realizadas con el fin de establecer parámetros

muy importantes para el proyecto como masa, volumen, y fuentes de error debido a

radiación solar y cualquier otra que se pudiera presentar en las condiciones atmosféricas en

las que se desenvolvería el Cubesat.

2.5.3 Medición de masa

Esta prueba es muy importante por que permite comparar la masa de la tecnología

propuesta con la masa actual, y de esta manera evidenciar o refutar la factibilidad en este

aspecto de la utilización de la tecnología óptica inalámbrica.


- Evidenciar la reducción de masa, mediante el uso de componentes ópticos para las

comunicaciones interiores del cubesat.

- Comparar los resultados y mostrar donde se presenta la reducción de masa.

- Emitir conclusiones importantes que justifiquen el uso de la tecnología óptica

inalámbrica al interior de pico-satélites.

El procedimiento para realizar esta prueba es muy sencillo, y se describe a continuación.

Mediante el uso de una balanza con precisión de al menos 0.1 gramos, se pesan la cantidad

suficiente de elementos con los que se completen un (1) gramo; en seguida, y considerando

que todos los componentes (de una misma clase) son “de igual masa”, se procede a dividir

en el numero de componentes y así establecer la masa de cada uno de ellos.

Este procedimiento se hace con cada componente que sea requerido para la interfaz óptica.

Estos componentes son:

- Diodo IR emisor. QED233/4, Fairchild semiconductor ®

- Fototransistor de silicio. SDP8406, Honeywell ®

- Resistencias genéricas tolerancia 5%

- Transistor 2N2222A, Fairchild semiconductor ®

Elemento Cantidad necesaria

para 1 gramo

Masa por elemento Cantidad de elementos

en la interfaz (Rs232)

Diodo IR

QED233/4

4 0.25g 3

0.75

Fototransistor

SDP8406

10 0.1g 3

0.3

Resistencias 7 0.14g 6

0.84

Transistor

2N2222A

5 0.2g 3

0.6

Total 2.49g

Tabla 15. Medición de masa Rs232

Las mediciones de masa para la interfaz óptica arrojó una masa neta de 2.49g sin embargo

a este valor se le debe añadir 1 gramo que masa el elementos amplificador. Este elemento

es el OP Lm324 de national.

De esta manera la masa total de la interfaz será de 3.49g

Elemento Cantidad necesaria

para 1 gramo

Masa por elemento Cantidad de elementos

en la interfaz (I2C)

Diodo IR

QED233/4

4 0.25g 1

0.25g

Fototransistor

SDP8406

10 0.1g 1

0.1g

Resistencias 7 0.14g 2

0.28g

Transistor

2N2222A

5 0.2g 2

0.4g

Total 1.03g

Tabla 16. Medición de masa I2C

Fotografía. 4. Memoria de la prueba de masa de componentes ópticos

Las mediciones de masa para la interfaz óptica arrojó una masa neta de 1.03g sin embargo a

este valor se le debe añadir 0.5 gramos que masa el elementos amplificador. Este elemento

es el OP Lm741 de national.

De esta manera la masa total de la interfaz será de 1.53g.

A continuación se muestran los resultados de las mediciones de masa de los componentes

alámbricos.

Fotografía 5. Memoria de la medición de masa componentes alámbricos.

Componente Dimensiones Cantidad Total Rs232 Total I2C

BUS I2C Longitud mínima de

4 cm

1 Densidad lineal

(0.18grm/cm)

0.72g

BUS DB9 Longitud mínima de

4 cm

1 Densidad lineal (0.28

grm/cm)

3.61gr

Conector I2C 2 0.5gr

1g

Conector DB9 2 5gr

10g

TOTAL 11.2gr 1.72gr

Tabla 17. Masa de las componentes alambricas usuales.

Resultados

Como es claramente apreciable siempre ocurre una reducción de masa, cuando se usa la

interfaz óptica. También es cierto que para distancia mayores este hecho será más

significativo. En las graficas siguientes se muestran aspectos que ponen en evidencia la

reducción en el uso de masa.

Crecimiento de masa protocolo I2C

01234

0 5 10 15

Separación (cm)

Mas

a (g

rm)

Serie1

Fig. 54. Relación masa-distancia I2C

Aumento masa protocolo RS232

1111,5

1212,5

1313,5

0 5 10 15

Separación (cm)

Mas

a (g

rm)

Serie1

Fig 55. Relación masa-distancia Rs232

Como se observa en las gráficas anteriores el crecimiento de la masa es directamente

proporcional con el aumento de la longitud, en el caso cableado; para el caso óptico la masa

permanece constante sin importar la distancia.

Las graficas siguientes muestra el porcentaje de masa no utilizada por las conexiones

ópticas.

Cantidad porcentual de la mínima masa utilizada I2C

UsadaAhorro

Fig. 56 comparación de la masa requerida en una conexión óptica I2C

Como se observa en las gráficas anteriores la masa de una conexión óptica es al menos del

11,6% de la masa de una conexión alámbrica. Además, se puede lograr una masa del 49%

de la masa alámbrica si la separación entre los módulos a interconectar crece.

Algo similar, pero más significativo ocurre con el protocolo RS232.

Cantidad porcentual de la mínima masa utilizada RS232

Usada

Ahorro

Fig. 57. Comparación de la masa requerida en una conexión óptica RS232

Es claro que utilizando este protocolo la masa por conexión es mucho más baja que en el

protocolo anterior, claro está si lo comparamos con la masa de una conexión alámbrica la

masa de la conexión óptica está entre el 68% y el 73%.

Cantidad porcentual de la máxima masa utilizada I2C

UsadaAhorro

Cantidad porcentual de la máxima masa utilizada RS232

UsadaAhorro

Conclusiones.

- El criterio de mínimo éxito de esta prueba fue satisfecho a cabalidad, ya que se

esperaba una no reducción de la masa y se logro una reducción de la masa en ambos

casos.

- Al usar una conexión óptica la masa representa al menos el 11.6% menos que la

utilizada con una conexión alámbrica.

- La masa en gramos se reduce en mínimo 0.20 que es la masa equivalentes de dos

foto-detectores.

- Entre mas líneas sean reemplazas la masa es menor que con la conexión alámbrica,

llegando a ahorrar más de 6 gramos en el protocolo RS232

- Considerando los resultados anteriores es posible reducir las conexiones (datos), en

el interior de los cubesat, a conexiones ópticas y lograr reducir la masa del cubesat

para que sea incorporado un sistema extra ó carga útil para la experimentación.

2.5.4. Medición de volumen

La importancia de esta prueba es alta debido a que hace parte de los objetivos propuestos, y

además permite evaluar la optimización de las conexiones ópticas, en cada uno de los

protocolos, frente a las conexiones alambricas.


- Evidenciar la optimización del volumen, mediante el uso de componentes ópticos

para las comunicaciones interiores del cubesat.

- Comparar los resultados y mostrar donde se presenta el mejoramiento y por que es

óptimo.

- Emitir conclusiones importantes que justifiquen el uso de la tecnología óptica

inalámbrica al interior de pico-satélites.

El procedimiento para realizar esta prueba es muy sencillo, y se describe a continuación.

Utilizando la información contenida en los datasheet de los elementos a usar y siguiendo

algunos principios geométricos, se puede establecer fácilmente cual es el volumen ocupado

por cada uno de estos componentes.

Este procedimiento se hace con cada componente que sea requerido para la interfaz óptica.

Estos componentes son:

- Diodo IR emisor. QED233/4, Fairchild semiconductor ® Ver Datasheet anexo D

- Fototransistor de silicio. SDP8406, Honeywell ® Ver Datasheet anexo E

- Resistencias genéricas tolerancia 5%

- Transistor 2N2222A, Fairchild semiconductor ® ver Datasheet anexo F

Elemento Dimensiones Volumen por elemento Cantidad de elementos

en la interfaz (Rs232)

Diodo IR

QED233/4

Forma cilíndrica

Diámetro (4.95mm)

Longitud (7.75mm)

V = (π*R2)*L

149.14305mm3

3

447.42915mm3

Fototransistor

SDP8406

Forma rectangular

Largo (4.45mm)

Ancho (1.52mm)

Alto (5.72mm)

V= (l*a*h)

38.69008 mm3

3

116.07024mm3

Resistencias Forma cilíndrica

Diámetro (2.21mm)

Longitud (7 mm)

V = (π*R2)*L

26.851805mm3

6

161.11083mm3

Transistor

2N2222A

Forma semicilíndrica

Diámetro (4,32mm)

Longitud (4,32mm)

V = (π*R2)*L/2*

31.66009mm3

3

94.98027mm3

TOTAL 819.59049mm3

Tabla 18. Medición de volumen Rs232

Elemento Dimensiones (mm) Volumen por elemento

aprox. (mm3)

Cantidad de elementos

en la interfaz (I2C)

Diodo IR

QED233/4

Forma cilíndrica

Diámetro (4.95mm)

Longitud (7.75mm)

V = (π*R2)*L

149.14305mm3

1

149.14305mm3

Fototransistor

SDP8406

Forma rectangular

Largo (4.45mm)

Ancho (1.52mm)

Alto (5.72mm)

V= (l*a*h)

38.69008 mm3

1

38.69008mm3

Resistencias Forma cilíndrica

Diámetro (2.21mm)

Longitud (7 mm)

V = (π*R2)*L

26.851805mm3

2

53.70361mm3

Transistor

2N2222A

Forma semicilíndrica

Diámetro (4,32mm)

Longitud (4,32mm)

V = (π*R2)*L/2*

31.66009mm3

2

63.32018mm3

TOTAL 304.85692mm3

Tabla 19. Medición de Volumen I2C *calculo aprox

El volumen de comparación será el usado en los CubeSats y están compuestos por el cable

y los conectores de extremos. Para calcular este valor se consideró el BUS I2C cilíndrico de

diámetro 3mm y la longitud mínima de 40 mm, también el bus DB9 de 7mm de diámetro y

de igual longitud; los conectores evaluados fueron para I2C rectangular de longitud, 4mm;

Ancho 4mm; y Alto 7mm; para el Rs232 se evaluó el DB9 Básico con las siguientes

dimensiones (largo 14mm, ancho 10mm, alto 7mm).

Fig. 58. Memoria de la medición de las dimensiones del cableado

De esta manera se realizó la siguiente tabla.

Componente Dimensiones Cantidad Total Rs232 Total I2C

BUS I2C Forma cilíndrica

Diámetro (3mm)

Longitud (40mm)

1 V = (π*R2)*L

282.744mm3

BUS DB9 Forma cilíndrica

Diámetro (7mm)

Longitud (40mm)

1 V = (π*R2)*L

1539.384mm3

Conector I2C Forma rectangular

Largo (4mm)

Ancho (4mm)

Alto (7mm)

2 V = l*a*h

224mm3

Conector DB9 Forma rectangular

Largo (14mm)

Ancho (10mm)

Alto (7mm)

2 V = l*a*h

1960mm3

TOTAL 3499.384mm3 506.744mm3

Tabla 20. Calculo de volumen de los componentes alámbricos a partir de mediciones de

componentes geométricas.

Resultados:

Los resultados de las pruebas, mediciones y cálculos anteriores soportan de manera

consistente la teoría del autor, en cuanto a que sí se optimiza el volumen usando

componentes ópticos, los siguientes diagramas comparativos de los resultados permiten

emitir conclusiones positivas sobre la teoría.

En el caso del protocolo I2C los resultados no son tan dicientes, pues aunque se supera muy

tempranamente el ahorro en volumen, este no es tan significativo.

Crecimiento Volumen Vs Longitud I2C

0200400600800

1000

0 50 100

Longitud (mm)

Volu

men

(mm

3)

Serie1

Fig. 59. crecimiento del volumen ocupado Vs longitud en el protocolo I2C

Se puede concluir de esta prueba que el uso de este protocolo es óptimo, utilizando

conexiones ópticas, cuando las longitudes a interconectar superan los 40 mm; es decir, para

conexiones de poca longitud no se hace ningún ahorro de volumen.

El caso del protocolo Rs232 mostrado a continuación permite establecer que siempre es

posible utilizar un enlace óptico cuando se use este protocolo.

Crecimiento Volumen Cableado RS232

0

2000

4000

6000

0 50 100

Longitud (mm)

Volu

men

(mm

3)

Serie1

Fig. 60. Gráfica del crecimiento del volumen con respecto a la longitud

Como se observa en la gráfica anterior a medida que se aumenta la longitud del bus Rs232,

el volumen ocupado es mayor, sin embargo siempre es mejor la conexión óptica

inalámbrica, por que desde los 20mm hasta los 90mm el volumen es constante

(819.59049mm3).

Así bien, se puede establecer que el volumen ocupado por la conexión inalámbrica esta

entre el 15% y el 31% del volumen ocupado por los componentes alámbricos. Es decir, se

experimenta un ahorro que está entre 69% y el 85% del volumen interior antes ocupado por

concepto de conexiones.

De está manera se satisface el criterio de mínimo éxito propuesto en este proyecto el cual

establecía que el volumen mínimo estuviera entre 545.9mm3 y 1084.7mm3. Claramente

819.59049mm3 no excede el tope máximo establecido por el autor como mínimo criterio de

éxito, para esta especificación.

De la prueba anterior se puede concluir que:

- La optimización del volumen es mayor a medida que la distancia es mayor.

- Si hay un ahorro en la cantidad de volumen ocupado por los componentes ópticos

frente a los componentes alámbricos.

- Se satisfizo el mínimo criterio de éxito que esta especificación tenía establecida.

RADIACIÓN CON RAYOS GAMMA Y PROTONES (INTA ESPAÑA 2004)

Gracias a pruebas realizadas en INTA (Instituto Nacional Tecnológico Aeroespacial) de

España y los contactos directos, Ing, Ignacio Arruego e Ing. Juan José Jiménez, es posible

incluir pruebas muy importantes, en este documento, que son muy difíciles de llevar a cabo

en nuestro país. Las pruebas alas que me refiero son las debidas a radiación de rayos

gamma y de protones, cuya influencia es muy relevante en las interconexiones ópticas

inalámbricas. A continuación se mostrarán, inicialmente una descripción de las pruebas,

luego los resultados facilitados por el laboratorio de opto electrónica de INTA y finalmente

un análisis de los mismos proferido por el autor del presente documento.

En las referencias [29] y [30] se encuentra con mayor detalle los puntos expuestos a

continuación.

2.5.5. Descripción prueba con rayos gamma (INTA ESPAÑA-2004)

Las fuentes de radiación en el espacio ultraterrestre se deben básicamente a la acción de

protones y rayos gamma, producidos específicamente por la radiación solar.

[29]Para las pruebas con radiación γ, INTA tubo que desarrollar un dispositivo que le

permitiera usar el “generador de radiación gamma CIEMAT (Madrid)”. Este consistió en

una cápsula cilíndrica hermética de metal, de 700mm de alto por 310mm de diámetro de la

base, donde serían ubicados los dispositivos a probar. Este dispositivo se diseño para que

fuera sumergido en un recipiente acuoso donde se generarían con Co-60 (Cobalto 60 es un

emisor de radiación especialmente gamma mayor información ver datasheet referenciado

[31]) la radiación gamma. Este elemento radioactivo, se puede modular en el reactor de

España, entre 0 y 60 Krad/h (es decir máximo 60000 unidades de radiación absorbida cada

hora) por cada fuente de Co-60.

El procedimiento fue básicamente introducir dentro del dispositivo desarrollado, una matriz

con LEDs y Fotodiodos y evaluar el comportamiento de estos dispositivos. Obviamente se

tomaron especiales medidas para hacer las pruebas de manera segura.

A continuación se muestran algunas imágenes de las pruebas realizadas en INTA, los

resultados obtenidos en ellas.

Resultados:

La “corriente oscura” es una corriente externa que se presenta en los componentes

fotosensibles (sensores ópticos) cuando no existe una señal incidente, es decir, cuando no

existe comunicación.

Como se observa en la figura, durante la irradiación, el efecto de esta corriente aumenta

causando incrementos hasta en tres ordenes de magnitud. La gráfica muestra el progreso de

Fig 62 – Piscina de prueba. El agua actúacomo un “escudo flexible” de la radiaciónpara prevenir que se afecte el exterior,además ayuda a fijar la tasa de dosisúnicamente aproximando o moviendo lasmuestras a ser irradiadas con los rayos gam.

Fig 61 – Cápsula de acero hermética la cualprotege el laboratorio del agua.

Figure 63 – Evolución en tiempo real de la “corriente oscura” durante la radiación (96 h) y después de la prueba

la irradiación dosis por dosis, hasta completar la dosis total y posteriormente los efectos

cuando se detiene la irradiación.

En la figura 64 se puede apreciar la curva característica de la evolución de la “corriente

oscura ” cuando es sometido a la radiación. Se observa claramente el aumento del efecto a

lo largo de la irradiación y lo más interesante es el efecto permanente que se mantiene en el

tiempo aun cuando la irradiación a terminado. (a.u. Unidades Absolutas- normalizadas)

La figura 65 muestra la evolución de la foto-sensibilidad del detector a lo largo de la

prueba. Este aspecto esta asociado inversamente al efecto de “corriente oscura”, de tal

manera que cuando se aumenta el efecto la foto-sensibilidad decrece. Al igual que en el

efecto de “corriente oscura”, la foto-sensibilidad se mantiene por debajo de la sensibilidad

inicial, lo que muestra una degradación en el componente debido a la radiación con rayos

gamma.

Las conclusiones más importantes de este experimento son:

- Se evidencia una clara influencia de los rayos gamma en los elementos foto-

detectores en lo referente a la inducción de la “corriente oscura”

- Se determinó una reducción en la foto-sensibilidad de los elementos causada por el

efecto anterior.

Figure 64 – evolución típica de la “Corriente oscura” durante la irradiación con rayos-γ

Figure 65 – Evolución Típica de la foto-sensibilidaddurante la irradiación con rayos-γ

- Se evidencia un efecto permanente, posterior a la irradiación con rayos gamma que

redunda en la reducción de sensibilidad de los componentes ópticos detectores.

2.5.6. Descripción de prueba de protones (INTA ESPAÑA-2004)

La prueba fue desarrollada con el the Cyclotron Research Center (CR) of the Catholic

University of Louvain-la-Neuve (UCL)- Bélgica, usando 52MeV con una radiación

2.5Exp8 protones/cm2*s. La prueba fue desarrollada en seis pasos logrando en cada uno de

ellos las siguientes dosis:

Paso Concentración (dosis)

1 1.500 1010 p/cm2

2 1.050 1011 p/cm2

3 6.450 1011 p/cm2

4 1.195 1012 p/cm2

5 1.745 1012 p/cm2

6 2.084 1012 p/c m2

En está prueba se utilizaron en una “galleta” de 10cm, 16 foto-detectores y 16 LED con el

fin de determinar los efectos de esta radiación, en los componentes ópticos. Este

experimento fue montado como se observa en la figura 66, tomada de los documentos de

los resultados facilitados por Juan José Jiménez de INTA-España.

Fig 66. Tabla de concentración protones por área, INTA-ESPAÑA

Figure 67 – Disposición de los elementos a ser irradiados con protones.Emisores (arriba) y detectores (abajo) irradiados (Izq). Emisores yDetectores para ser irradiados con el protector del PCB. (Der)

Los resultados de las pruebas muestran una degradación media en los componentes

emisores. Sin embargo, dependiendo el fabricante esta degradación varía. La degradación

en los detectores es menor en todos los casos, pero, alcanza a presentarse este efecto. Los

resultados de lo descrito anteriormente se pueden observar en las figuras 69 y 70 tomadas

por INTA y facilitadas por el Ing. Juan José Jiménez.

Com

o se Fig 69. Degradación de dos LEDs: ELD920 de Laser Roitner (Izq) y HE8811 de Hitachi (Der)

Fig. 68. Nombre de los elementos irradiados por INTA en Bélgica

observa la potencia óptica decrece con la concentración de radiación en ambos casos,

obviamente, de acuerdo con lo que se observa en uno más que en el otro. Al aumentar la

corriente de polarización directa se observa que las diferencias crecen.

En los detectores foto-sensibles se observa un grado de degradación que obedece a los

cambios en la concentración de protones por cm2. la figura 42 muestra la comparación

entre dos componentes foto-sensibles y la variación de la potencia percibida de acuerdo con

la concentración de protones.

Cu

ando se realizan aumentos en al corriente de polarización directa, la potencia óptica

percibida crece inversamente con la concentración de protones. Sin embargo el efecto es

menos significativo que en los emisores, es decir, la mayor probabilidad de error se va a

presentar en los componentes emisores, esto obviamente depende del dispositivo a usar.

La caracterización I-V realizada para un elemento emisor, evidencia una reducción en el

voltaje de umbral. Fig 71.

Fig 70. Ejemplo de la degradación de dos foto-receptores Hitachi : S5106 (Izq) and S3399 (Der)

Fig 71. Caracterización I-V (Corriente vs Voltaje) en emisores

En los receptores los efectos de “corriente oscura” aumentan con la concentración de

protones al mismo tiempo que, a causa de este efecto, se reduce la sensibilidad.

Conclusiones generales prueba de protones (INTA- España en Bélgica)

- Se evidencia una disminución en la sensibilidad de los elementos receptores entre

25% y 30%.

- La potencia óptica de los emisores decrece en promedio entre 20% y 30%.

- Las curvas de V-I cambian su pendiente con la concentración y además se observa

un cambio en el voltaje umbral, el cual decrece con la concentración de protones.

NOTA: Agradecimientos especiales a los Ingenieros Juan José Jiménez e Ignacio Arruego, del Instituto

Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA-España), por sus buenos oficios en la facilitación de los resultados

de las pruebas contenidas en esta sección que soportan experimentalmente algunas de las tesis del autor.

2.6. DISEÑO DE LA INTERFAZ ÓPTICA

En la presente sección y considerando los resultados de las pruebas anteriores, al igual que

la bibliografía concernientes, se presentará el diseño de la interfaz óptica que podría ser

aplicada al experimento base propuesto al interior del CubeSat. Inicialmente se mostrará un

diseño en diagrama de bloques y seguidamente su explicación y justificación.

2.6.1. Diagrama de bloques

El siguiente diagrama de bloques muestra la arquitectura básica de la interfaz óptica

2.6.2. Descripción y diagrama circuital

El diagrama de bloque arriba propuesto, muestra las partes de las cuales consta la interfaz

óptica que reemplazará, eventualmente, las conexiones alambricas. A continuación se hará

la descripción y se mostrará el diagrama circuital.

Circuito Diodo Infrarrojo

Circuito Potencia

Circuito Amplificador

Fig. 72 Diagrama de bloques emisor IR

señal

Circuito Fototransistor

Circuito Potencia

señal

Fig. 73 Diagrama de bloques Receptor IR

Emisor IR

Una vez realizadas las pruebas se estableció que la interfaz emisora estará conformada por

los circuitos de:

- Circuito Amplificador: el cual garantiza que la señal a ser trabajada tendrá los

niveles lógicos requeridos, es decir que los potenciales estarán sobre los mínimos

cuando se requiera un alto y bajo los máximos cuando se trate de un nivel bajo. Para

este propósito se seleccionó el amplificador operacional comercial de referencia

Lm324 en configuración seguidor no inversor. Se seleccionó este dispositivo dado

su bajo costo, su facilidad de uso y su adecuado desempeño para este propósito.

- Circuito de potencia: Dado el consumo de potencia que demanda el circuito del

diodo infrarrojo fue necesario incluir una etapa de potencia para el control del

mismo. Para esto se seleccionó el dispositivo de referencia 2N2222, dada su

velocidad de respuesta, costo y desempeño. La configuración usada fue como

interruptor.

- Circuito Diodo infrarrojo: este circuito es bastante sencillo ya que consta de un

dispositivo infrarrojo de referencia QED 233 de longitud de onda pico 940nm.

Tiene como ventajas la potencia de emisión, el bajo costo, facilidad de utilización y

voltaje de operación.

El esquema de la izquierda es el

diagrama circuital de la interfaz óptica

emisora:

- Fig, 74 Diagrama circuital emisor IR

R1

20

V1

5Vdc

0

R2

330

U1A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

0

0

V

Q1

Q2N2222

V34Vdc

D1

QED233

V

Receptor IR

El receptor IR fue diseñado para la distancia en la cual se va a implementar, por esta razón

y como resultado de las pruebas previas no fue necesario el uso de una etapa de potencia.

Así bien, solo se describirá, a continuación , el circuito del fototransistor.

- Este circuito consta básicamente de un fototransistor de referencia SDP8406 y fue

elegido por su alta sensibilidad, su rango de operación y los rangos de corriente

oscura que maneja (del orden de los nanoamperios)

El siguiente es el diagrama circuital de la interfaz óptica receptora:

- Fig. 75 Diagrama circuital receptor

U2PS25011

2

3

4

V

U3A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

V

V45Vdc

R3

400k 0

2.7. SIMULACIÓN INTERFAZ ÓPTICA

Una vez concluida la etapa de diseño y la etapa experimental se propone la siguiente

estructura interna del cubesat, la cual será simulada por dos módulos teniendo en cuenta sus

características prácticas y los datos contenidos en los datasheets de los elementos

correspondientes.

A continuación se muestran los resultados de las simulaciones de la interfaz óptica

empleadas en las pruebas de los protocolos RS232 e I2C, en los siguientes parámetros.

- Voltaje: se simula el comportamiento del voltaje en el receptor de la interfaz en el

tiempo.

- Corriente: se simula el comportamiento de la corriente en el receptor de la interfaz

en el tiempo.

- Se muestra la potencia del receptor y emisor.

- Se muestra la simulación de la intensidad de voltaje, corriente y potencia frente a la

longitud a la que se encuentren separados los elementos.

Simulaciones eléctricas

Las siguientes son las simulaciones

realizadas con el circuito diseñado para las

pruebas anteriormente descritas.

Diagrama Circuital

R1

20

V1

5Vdc

0

R2

330

U1A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

0

0

V

Q1

Q2N2222

V34Vdc

D1

QED233

V

La interfaz emisora consta, como se aprecia en el diagrama circuital de un amplificador

operacional, dos resistencias (330 Ohm y 20 Ohm), un transistor en conmutación 2n2222 y

un diodo infrarrojo QED233 de longitud de onda 940nm.

Modo alto

Como se observa en la

simulación la corriente que

fluye por el Diodo es

apreciablemente alta, dada la

baja resistencia. Sin embargo

se garantiza la operación del IR

con el voltaje nominal que esta

percibiendo de la fuente

Se mantienen los factores de

funcionamiento de cada uno de

los dispositivos.

La simulación mostrada a continuación evidencia una caída en el voltaje del dispositivo

infrarrojo debido básicamente a la resistencia de emisor del transistor.

U1A

LM324

-44.13nA

-44.90nA

1.206mA

-565.4uA

-639.9uA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

Q1

Q2N2222640.0uA

100.0mA

-100.7mA

0V

V

R2

330

9.759mA

4.000V

R1

20

90.91mA

0V

V34Vdc

44.13nA

V1

5Vdc101.2mA

V

3.221V

5.000V

0

D1

QED233

90.91mA

0

0

3.999V

0

1.818V

Fig. 76. Diagrama estado estable emisor IR

Fig. 77. Simulación estado alto

La simulación muestra una pequeña caída en el voltaje que activa el transistor, sin embargo

no es significativo para los fines del proyecto.

Modo bajo

Para la simulación del modo bajo se tomó un valor inferior a 100 mV para evidenciar

alguna actividad.

Como se observa en el estado estable

tanto las corrientes como los voltajes

son mínimos y considerados siempre

en nivel bajo.

La simulación muestra el mismo efecto que se presentaba en el nivel alto solo que a nivel

menor.

R1

20

35.21f A

0V5.000V

1.784nV D1

QED233

609.0e-18A

U1A

LM324

-45.76nA

-45.06nA

566.1uA

-565.7uA

45.06nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

V

0

V1

5Vdc566.1uA

0

R2

330

5.407pA

V340mVdc

45.76nA

0V

704.3f V

V

Q1

Q2N2222-782.7f A

6.225pA

-5.442pA40.61mV

40.00mV

0

0

Fig. 78. Diagrama estado estable emisor IR nivel bajo

Fig. 79. Simulación estado bajo

RECEPTOR IR

El receptor del sistema

consta de los siguientes

elementos, como se

puede apreciar en el

diagrama circuital: un

amplificador operacional

en modo seguidor con el

fin de aislar el opto acoplador del receptor de datos, una resistencia para garantizar los

valores bajos, y finalmente, un fototransistor conectado en modo conmutador.

Modo Alto

El siguiente diagrama circuital de estado estable muestra los voltajes y corrientes en modo

alto.

V

0

0

U3A

LM324

4.855pA

-88.87nA

566.0uA

-565.4uA

92.67nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

4.855V

R3

400k

12.14uA

V45Vdc

578.2uA

U2PS25011

2

3

4

4.316V

V

5.000V

Como se observa en el diagrama el voltaje en el emisor del fototransistor es cercano a los 5

voltios lo que indica un nivel lógico alto. Así bien la salida también muestra un nivel alto,

es decir, la salida del amplificador operacional.

U2PS25011

2

3

4

V

U3A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

V

V45Vdc

R3

400k 0

Fig. 80. Diagrama estado estable receptor IR nivel alto

La simulación muestra la perdida de voltaje en el modo alto.

Como se observa la perdida es de menos de 500 mV dato que se puede compensar

utilizando la alternativa en la configuración del amplificador, es decir fijar una referencia

para el nivel alto (modo comparador)

Nivel bajo

5.000V

V

V45Vdc

566.1uA

0

0

U2PS25011

2

3

4

18.36mV

U3A

LM324

-45.77nA

-45.06nA

566.1uA

-565.7uA

45.06nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUTV

R3

400k

45.91nA

18.98mV

En el diagrama anterior se puede evidenciar que se mantiene un nivel bajo cuando la

iluminación es nula, es decir, la longitud de onda con la cual se activa el fototransistor está

fuera del rango de ondas incidentes, por esta razón se mantiene un nivel bajo.

La simulación muestra un efecto en el que hay una pequeña diferencia en los voltajes a la

salida del transistor y a la salida del sistema, por ser ambos un nivel bajo no se requiere de

ningún tipo de compensación.

Fig. 81. Simulación estado alto

Fig. 82. Diagrama estado estable receptor IR nivel bajo

DIAGRAMA COMPLETO

El siguiente es el diagrama circuital completo en el cual se incluyen los componentes

anteriormente descritos.

U5A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

0

R5

330

R7

400K

0 U6A

LM324

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

V6

5VdcQ2

Q2N2222

0

U4PS25011

2

3

4

R6

20

Nivel Alto

El siguiente diagrama circuital de estado estable muestra la operación del sistema en estado

lógico alto con un voltaje de entrada de 4,5 voltios.

Fig. 83. Simulación estado bajo receptor

Fig. 84. Diagrama circuital de la interfaz completa

U4PS2501

110.7mA

-110.7mA

-12.14uA

12.14uA1

2

3

4

0

0

4.500V

0U6A

LM324

4.856pA

-88.87nA

566.0uA

-565.4uA

88.88nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

R7

400K

12.14uA

5.000V

3.529V

2.214V

4.316V

V6

5Vdc

122.5mA

R5

330

10.69mA 4.856V

V74.5Vdc 201.3pA Q2

Q2N2222808.4uA

120.6mA

-121.4mA

0

R6

20

110.7mA

0

4.316V

U5A

LM324

-201.3pA

-88.67nA

1.375mA

-565.4uA

-808.4uA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

Como se observa la señal a ser transmitida será de 4.316 voltios un poco menos de 200mV

menos de lo transmitido. Se puede establecer de esta forma que se mantiene un estado alto

en ambas partes del sistema “interfaz óptica”

Para mayor claridad se muestra a continuación la simulación es el tiempo de un nivel alto

de las señales de entrada y salida.

la simulación muestra la señal (cuadritos) que tiene en ese momento el diodo emisor y la

señal que percibe en receptos (círculos), como se observa la sensibilidad del receptor es alta

a corta distancia por lo que es capaz de transformar un nivel lógico alto débil en un muy

buen nivel lógico.

Fig. 85. Polarización en estado alto del sistema completo

Fig. 86. Simulación estado alto sistema completo

Nivel bajo

Como se observa en el siguiente diagrama de estado estable, los niveles de voltajes a la

salida del emisor son prácticamente nulos, sin embargo en el receptor se registra un valor

de mV (cerca de 20), lo que es debido a la sensibilidad al ambiente que tiene el

fototransistor.

U6A

LM324

-45.77nA

-45.06nA

566.1uA

-565.7uA

45.06nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

V6

5Vdc

1.132mA

V760mVdc45.75nA

U4PS2501

37.35e-21A

-37.35e-21A

-141.7pA

143.5pA1

2

3

4

Q2

Q2N2222-740.6f A

6.306pA

-5.565pA

U5A

LM324

-45.75nA

-45.06nA

566.1uA

-565.7uA

45.06nA

3

2

4

11

1+

-

V+

V-

OUT

0

747.0e-21V0

60.60mV

1.837nV

5.000V

18.36mV

18.98mV

V

0

R6

20

37.35e-21A

0

R5

330

5.565pA

60.00mV

V

R7

400K

45.91nA

El voltaje del receptor es mínimo comparado con los voltajes manejados en el nivel alto por

lo que se puede considerar que no crea ningún perjuicio al nivel lógico bajo,

Fig. 88. simulación nivel bajo sistema completo

Fig. 87. Polarización nivel bajo sistema completo

Simulaciones con tren de pulsos

Para caracterizar el circuito y observar los tiempos de cambio (bajo a alto; alto a bajo) se

puso como fuente un tren de pulsos.

A continuación se muestran los resultados de las simulaciones en lo referente al paso de

nivel bajo a nivel alto, tomando como referencia el 50% nominal de la señal para identificar

el cambio; así bien el nivel de tensión de evaluación será 2.5V.

Fig. 89. Simulación transición de nivel bajo a alto, interfaz

Como se observa en la simulación el tiempo de subida del circuito está en 8us lo que es

muy conveniente ya que si consideramos una tasa de transmisión de 960bps, el “ancho

temporal” de cada bit debe ser de 10.416ms y 8us es mucho menor que este valor; sin

embargo hace falta mirar el tiempo de transición de alto a bajo, el cual es mostrado a

continuación.

Fig. 90. Simulación transición de nivel alto a bajo, interfaz

Como se observa en la gráfica, especialmente en el nivel de tensión de 2.5V el tiempo de

bajada es de 0,28ms, hecho que está muy cercano y es comparable con el ancho del bit a

transmitir por lo que es probable que se produzca un error por este aspecto.

Cabe señalar que los elementos aquí simulados corresponden a modelos que no contemplan

todos las características de los dispositivos; por esta razón se tendrán en cuenta los

datasheet de los mismos y obviamente los resultados aquí mostrados.

Conclusiones de las simulaciones

De los resultados de las simulaciones anteriores se puede concluir que:

- El circuito mantiene los valores reales experimentales con los simulados con muy

pocas diferencias.

- Los tiempos de respuesta del circuito son acordes con los de la velocidad

transmisión de datos en cada uno de los protocolos

- El circuito completo de una línea satisface las necesidades del sistema.

Simulaciones ópticas

Las siguientes son las simulaciones de la longitud de onda infrarroja (940nm) y un lente

estándar para caracterizar la operación del diodo emisor de rayos infrarrojos. Para estas

simulaciones se utilizó la herramienta ZEMAX, versión demo.

Como se observa en la

simulación del lado

izquierdo a través de la lente

salen los rayos que estarán

siendo emitidos en un

ángulo máximo de 40º según

el datasheet.

Fig. 91. Simulación de los rayos emitidos por un LED IR de 940nm

En la siguiente simulación en render 3D se puede apreciar como los rayos salen en todas las

direcciones de las tres dimensiones.

Fig. 92. Render 3D LED IR de 940nm

La simulación

de la izquierda

muestra el

comportamiento

de la transmisión

con respecto al

ángulo de

incidencia,

vemos como

efectivamente

cuando el ángulo

es menor a 40º la

transmisión es

casi completa.

Fig. 93. Señal Transmitida Vs ángulo de incidencia LED IR de 940nm

Para establecer

cual es la

intensidad

radiada en una

superficie, se

colocó una

superficie de

prueba a 40 mm

cuyo espectro de

potencia

simulado es el

que se ilustra a la

izquierda

Fig. 94. Espectro de potencia transmitida por un LED IR de 940nm

Como se puede observar se forma una corona de aproximadamente 5 mm en donde se ve

claramente está concentrada la mayor cantidad de potencia óptica.

Una vez finalizada la caracterización del emisor sencillo se procedió a hacer un arreglo de

emisores, 25 en total (5x5), con el fin de establecer la interferencia que se pudiera

presentar.

Fig. 95. Arreglo de 25 LEDs IR de 940nm

El detector irradiado registra la siguiente potencia óptica.

Con el fin de evitar distorsiones se puso el detector a una distancia de 30 mm y lógicamente

la huella de cada detector es menor logrando que todos los leds conserven un espacio.

Fig. 96. Espectro de potencia del arreglo de 25 LEDs IR de 940nm

Conclusiones de las simulaciones ópticas (IR-940nm)

De los resultados de las simulaciones anteriores se puede concluir que:

- Se establece que la huella es de aproximadamente 5mm a 40mm de distancia por lo

que se hace necesario un sistema que límite la salida del ángulo, es decir que la

salida no sea de 40º sino que se reduzca a 15º para garantizar que no se presente

interferencia.

- Las simulaciones muestran que la longitud de onda seleccionada tiene una buena

aplicación en el sistema a diseñar.

- Se evidencia que la longitud óptima de separación, en la cual se optimiza la

potencia óptica irradiada esta entre 5 y 7.5 mm dada la forma de corono que

presenta el diodo.

Conclusiones generales de las simulaciones

Los resultados de las simulaciones tanto ópticas como eléctricas permiten emitir las

siguientes conclusiones:

- El comportamiento óptico y eléctrico son una excelente representación de las

condiciones reales.

- Las simulaciones dan vía libre al diseño de arreglos como los planteados en las

conexiones RS232.

- Las distancias promedio son satisfechas y se espera que con los ajustes al diseño se

pueda extender este cubrimiento.

2.8. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN

La solución propuesta, basada en los resultados de los capítulos anteriores, estará dada por

las siguientes características:

GENERALES

- Es una solución basada en la tendencia actual del uso de elementos comerciales

(COTS)

- Es una solución de bajo costo por que si bien es cierto el valor nominal es mayor

cuando se usan componentes ópticos los beneficios redundas en su economía.

- Se usan tantos módulos ópticos como líneas cableadas existen.

- No se propone reemplazar las conexiones de potencia del cubesat.

COMPONENTES ÓPTICOS

- Estarán dentro de una distancia máxima de 100 mm de separación, previos ajustes

del diseño.

- Se utilizará la línea de vista como enlace entre los componentes ópticos con un

ángulo de tolerancia de 18° de radio. (total 36°), sin embargo, dadas las

simulaciones de la huella, este ángulo se debe limitar a 7.5° (total 15°), para evitar

interferencia.

- El voltaje aplicado como alimentación a los componentes ópticos deberá ser de 5V

para una longitud superior a los 30 mm y de 3V a una longitud inferior, al utilizar

estos parámetros se optimiza el consumo de potencia eléctrica, por que no se

justifica una radiación alta para longitudes cortas.

- La temperatura óptima de operación de la interfaz óptica estará entre –50°C y 70°C,

según las pruebas de temperatura realizadas.

- La tasa óptima para la transmisión de datos se establece en 9600bps dados las

simulaciones del tiempo de respuesta de la interfaz óptica.

Caracterización de la arquitectura óptica en el cubesat

La distancia máxima ideal, en la que no se requieren elementos extras de amplificación y

obtenida una vez concluidas las practicas de laboratorio, es de 40 mm. Considerando está,

se cree que la arquitectura actual se podría mantener por que la distancia promedio en la

arquitectura actual es de 30 mm, valor que está por debajo del alcance de la interfaz óptica

diseñada.

Fig. 97. Arquitectura Cubesat actual

Manteniendo el promedio de la distancia entre módulos de los CubeSats actuales se nota

inmediatamente que la cantidad de módulos se limita a 5 tarjetas de 80mmX80mm, con una

separación de 30mm. Es claro que una reducción en las distancias redundaría en la

temperatura interna del satélite por lo que es conveniente una separación como la promedio

o superior.

Aunque la tecnología propuesta se aplica a la arquitectura actual sin ningún inconveniente

el autor propone con el fin de optimizar el espacio, dados los resultados en volumen

mostrados en el capitulo anterior, la siguiente arquitectura en la que se podrán incluir,

además de los módulos básicos, un número mayor de carga útil.

Fig. 98. Arquitectura Cubesat propuesta

La arquitectura propuesta por el autor, establece la posibilidad de incorporar seis (6)

módulos independientes del sistema de computación de abordo el cual deberá ir,

convenientemente, en la mitad de la estructura del cubesat, la razón de esta arquitectura es

básicamente aprovechar el espacio ahorrado mediante el uso de componentes ópticos y

garantizar la línea de vista entre los módulos y el sistema de computación de abordo.

Adicional a las razones anteriores, se crea la posibilidad de utilizar seis (6) módulos

grandes en cada una de las caras del cubesat y uno en la mitad del satélite. Según cálculos

realizados por el autor, la distancia promedio entre los módulos será de 35 a 40 mm,

aspecto que limita la interacción térmica de los módulos.

Arquitectura Actual Propuesta

Ventajas - Mantiene la

estabilidad de todos

los módulos.

- Es apropiada dados

los tipos de

conectores.

- Permite incorporar

más módulos.

- Permite optimizar el

espacio.

- La interacción

térmica se reduce.

- Con ciertas

condiciones, puede

ser ensamblado con

mayor facilidad.

- Es muy versátil

Desventajas - Tiende a ser obsoleta - Puede crear errores

y poco óptima.

- Es difícil realizar

mejoras por que es

poco versátil

en la línea de vista,

cuando el satélite sea

puesto en órbita.

Tabla 21. Comparación arquitectural

2.9. RESULTADOS FINALES

Esta sección muestra un pequeño resumen de los resultados de las pruebas experimentales,

de las simulaciones y de los diseños, con el fin de establecer pautas para la emisión de las

conclusiones finales.

Opciones Selección Resultados Conexiones internas RF, IR, láser y

Cableada IR - Bajo costo

- Alto desempeño - Minimiza el uso de

componentes - Es liviano - Es tecnología óptica

Enlace óptico Línea de vista, difuso y quasi-difuso.

Línea Vista - Mayor velocidad de transmisión

- Menor distancia a recorrer

- Minimiza el uso de componentes

- Demanda menor potencia

- Se pueden manejar mayores distancias

- Es bajo costo Protocolo RS232 e I2C RS232 e I2C - Los dos enlaces

permiten el uso de componentes ópticos

- En ambos casos hubo reducción de masa y volumen

- El protocolo RS232 evidencia mayor ahorro de masa y volumen

- El protocolo I2C evidencia menor posibilidad de error

y además el enlace múltiple.

Temperatura NA NA - Se estableció la operación del sistema entre los siguiente extremos de temperatura

- -30°C y 70°C Vacío NA NA - Se mostró la

operabilidad del sistema en condiciones de vacío

- Se determinó la temperatura media de operación del circuito en 75ºC en vacío

Masa NA NA - se registró un

ahorro de masa de por lo menos el 11.6%

- Se mostró la posibilidad de una reducción de masa de hasta 73%

Volumen NA NA - En el protocolo RS232 se logra una optimización del volumen hasta en un 85%

- Entre mayor sea la distancia a reemplazar mayor será la optimización del volumen

Radiación Gamma NA NA - Se evidencia un crecimiento en la corriente oscura, dependiente del nivel de radiación.

Prueba de Protones NA NA - Se evidencio una degradación de los componentes emisores que

obedece al material y al fabricante por que en algunos casos este no aparece.

- Hubo un desplazamiento del umbral en el emisor que dependía de la concentración de protones

- En el emisor se observó nuevamente un crecimiento en la corriente oscura que depende de la concentración de protones

Diseño Interfaz NA NA - Se realizó con componentes comerciales (COTS)

- El costo de diseño es bajo

- Evidencia una optimización tanto de masa como de espacio

- Está compuesto por pocos componentes

- Existe un total de 6 cajas negras, con funciones muy sencillas

Tabla 22. Resumen de resultados

3. CONCLUSIONES

Con base en los resultados de los experimentos, del análisis de las hojas técnicas de los dispositivos, del espacio interior del cubesat, de la investigación literaria y del proyecto en sí, se pueden emitir las siguientes conclusiones:

- Se identificaron muchos aspectos que pueden influir en la implementación de las

conexiones por medios ópticos en el interior de picosatélites, tales como temperatura, condiciones de vacío, radiación gamma, y efecto ionosférico.

- Se determinó como mejor enlace para realizar conexiones ópticas, el de línea de vista, al hacer consideraciones de distancias en cubesats.

- Se estableció que el infrarrojo soporta de manera óptima, las necesidades de un sistema cubesat, dado que su costo es relativamente bajo.

- Se evidenció una reducción en la masa utilizada por los componentes de la conexión óptica inalámbrica, frente a los cables tradicionales.

- Se observó mejor aprovechamiento del espacio, al utilizar componentes ópticos en las conexiones del satélite.

- Se demostró que la tecnología óptica inalámbrica, soporta protocolos sencillos de comunicación tales como RS232 e I2C.

- Se mostró que el sistema opera muy bien en condiciones de vacío. - Se encontró un sistema óptico inalámbrico que satisficiera las necesidades de

reducción en el uso de masa, aprovechamiento del volumen, requerimientos del entorno y niveles de tensión.

- Se recomienda, para el experimento base, crear redundancia en el entorno real para lograr establecer su efectividad y eficiencia.

- Se recomienda monitorear el experimento remotamente, con el fin de establecer fallas del dispositivo.

- Se recomienda, dadas las condiciones a posteriori, reemplazar todas las conexiones de comunicación interior en cubesats, por dispositivos útiles, de acuerdo con la misión del satélite.

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Matunaga, Saburo; Tokyo Tech CubeSat: CUTE-I, Design and Development

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[23] Fong, Chen-Joe; Lin, Albert; Shie, Allen; Yeh, Marco; Chiou, Wen-Chen;

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[30] Jiménez, Juan; Oter, J; Domínguez, J; Alvarez, M; Arruego, I; Guerrero, H;

Proton Radiation Effects in médium/large Area Photodiodes and high power

LED for Optical Wireless Links for Intra-Satellite Communications (OWLS)

RADiation and its Effect on Components and Systems (RADECS) Spain 2005

[31] Radioactive Material Safety Data Sheet, Stuart Hunt & Associates Ltd.

December 2001, www.stuarthunt.com/Downloads/RMSDS/Co60.pdf

5. ANEXOS

ANEXO A Diagrama esquemático del simulador del ADCS usando la interfaz óptica y el protocolo RS232

c1

1

2

LM324

U7

1234567

141312111098

B1

12Vdc

0

F T3

LM324

U6

1234567

141312111098

b

c

FD2

FD1

0

A1

B

a

C1

F T2

0

FD3

b1

AT89C51

5 6 8 97 201 2 3 4 14 15 16 17 18 1913121110

40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21

C

A 1 2

F T1

a1

ANEXO B Diagrama esquemático del simulador del OBCS usando la interfaz óptica y el protocolo RS232

B1

A

A1

LM324

U6

1234567

141312111098

b1

0

0

FT3

FT2

a

B

0

1

2

12Vdc

FD3

C

b

FD2

a1

c1

FD1

1 2

FT1

c

LM324

U7

1234567

141312111098

C1

AT89C51

5 6 8 97 20

1 2 3 4 14

15

16

17

18

19

13

12

11

10

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

ANEXO C

ANEXO C Diagrama Del circuito impreso diseñado para las pruebas experimentales

ANEXO D DATASHEET LED ANEXO E DATASHEET FOTODETECTOR ANEXO F DATASHEET TRANSISTOR 2N2222 ANEXO G DATASHEET LM324 ANEXO H REGISTRO FOTOGRAFICO MONTAJE MODULOS ANEXO I REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS TERMICAS ANEXO J REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE VACIO

ANEXO K PROGRAMA ASSEMBLER PROTOCOLO RS232 /* Este programa es un emulador del sistema de computación de abordo OBCS del Cubesat * en lo referente a las señales que comparte con el sistema de determinación de actitud y control (ADCS) * Este programa Simula la conexión usando el protocolo con interfaz RS232 * * * Vladimir Garcia - Abril 18, 2005 * * el microcontrolador usado es el Atmel 89C51 con un cristal de 12MHZ *la tasa de transmisión es de 9600 bps */ TXD1 EQU P1.0 /*Transmite por el pin 0 del puerto 1 */ RXD1 EQU P1.1 /*Recibe */ RTS EQU P1.2 /* SOLICITUD ENVIAR*/ SEND EQU P1.3 /*SI ENVIAR*/ RECIB EQU P1.4 /*RECIBIR*/ RRTS EQU P1.5 /*RECIBE SOLICITUD*/ INIT EQU P1.7 /*SEÑAL PARA INICIAR*/ /* la tasa de transmisión esta calculada dependiendo del cristal * la constante es calculada como: (((cristal/baud)/12) - 5) / 2 */ BITTIM EQU 45 /*(((11059200/9600)/12) - 5) / 2 el resultado es aproximadamente 45 */ UNO: LJMP INICIO /*Este es el programa principal*/ INICIO: NOP JNB INIT, INICIO MOV R3, #00000000B /*inicializa el registro 3 en ceros*/ MOV R2, #10101001B /* inicializa el registro 2 con los datos de prueba*/ MOV R4, #01010100B MOV R5, #36 /*LIMITA A 36 EL NUMERO DE DATOS*/ MOV P1, #00000000B NEXT: INC R2 INC R4 SETB TXD1 CLR RTS CLR RECIB TEMP1: NOP CALL DELAY3 JNB RRTS, TEMP1 /*espera por la solicitud de recepción*/ SETB RECIB /*acepta la recepción*/ LJMP getc OTRO1: CALL DELAY3 /*limpia el bit de aceptación*/ MOV P3, A XRL A, R4 JNZ AUMENT /*compara el dato recibido con el dato esperado*/ MOSTRAR:MOV P2, R3 /*MUESTRA LA CANTIDAD DE ERRORES EN EL PUERTO 2*/ NOP MOV A, R2 /*mueve al acumulador el contenido del registro 2 a transmitir*/ SETB RTS /*envia el bit de solicitud de envio*/ TEMP: NOP CALL DELAY3 JNB SEND, TEMP /*espera por la señal para iniciar envio*/ LJMP putc /*inicia transmisión*/ OTRO: CALL DELAY3 /*borra la señal de solicitud*/ NOP DJNZ R5, NEXT /*inicia proceso con un nuevo dato*/ RET AUMENT: INC R3 /*registro para detectar el número de errores*/ LJMP MOSTRAR

/* * subrutina para transmitir por TXD1 */ putc: CLR TXD1 CALL DELAY3 CLR RTS /*inicializa con el bit de inicio*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo para esta señal*/ aqui: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui MOV R1,#8 /*envia 8 bits*/ putc1: RRC A /*rota el acumulador para enviar bit por bit*/ MOV TXD1,C /*escribe el sig, bit empezando por el menos significativo*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo por cada dato*/ aqui1: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui1 DJNZ R1,putc1 /*escribe 8 bits*/ SETB TXD1 /*fija TXD1 en modo alto*/ RRC A /*Reestablece el contenido del ACC*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo por el bit de parada*/ aqui5: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui5 LJMP OTRO /* * Recibe un caracter desde la línea RXD1 y lo pone en A */ getc: NOP CALL DELAY3 CLR RECIB JB RXD1,getc /*espera por el bit de inicio*/ MOV R0,#BITTIM/2 /*espera la mitad del tiempo para medir en la mitad*/ aqui2: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui2 JB RXD1,getc /*se asegura de la validez del bit*/ MOV R1,#8 /*lee 8 bits*/ getc1: MOV R0,#BITTIM /*espera tiempo completo por cada bit del dato*/ aqui3: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui3 MOV C,RXD1 /*lee bit*/ RRC A /*rota el ACC para fijar el dato enviado*/ DJNZ R1,getc1 /*lee cada uno de los 8 bits*/ LJMP OTRO1 /*regresa*/ DELAY2: MOV R7, #11101101B MANTE1: CALL DELAY3 DJNZ R7, MANTE1 RETI DELAY3: MOV R6, #10D MANTE2: DJNZ R6, MANTE2 RETI END /* Este programa es un emulador del sistema de determinación de actitud y control (ADCS) * en lo referente a las señales que comparte con el sistema de computación de abordo OBCS del Cubesat * Este programa Simula la conexión usando el protocolo con interfaz RS232 * * * Vladimir Garcia - Abril 18, 2005 * * el microcontrolador usado es el Atmel 89C51 con un cristal de 12MHZ *la tasa de transmisión es de 9600 bps

*/ TXD1 EQU P1.0 /*Transmite por el pin 0 del puerto 1 */ RXD1 EQU P1.1 /*Recibe */ RTS EQU P1.2 /*SOLICITUD ENVIAR*/ SEND EQU P1.3 /*SI ENVIAR*/ RECIB EQU P1.4 /*RECIBIR*/ RRTS EQU P1.5 /*RECIBE SOLICITUD*/ INIT EQU P1.7 /*SEÑAL PARA INICIAR*/ /* la tasa de transmisión esta calculada dependiendo del cristal * la constante es calculada como: (((cristal/baud)/12) - 5) / 2 */ BITTIM EQU 45 /*(((11059200/9600)/12) - 5) / 2 el resultado es aproximadamente 45 */ /*Este es el programa principal*/ UNO: LJMP INICIO INICIO: NOP JNB INIT, INICIO MOV R5, #36 /*LIMITA A 36 EL NUMERO DE DATOS*/ MOV R3, #00000000B /*inicializa el registro 3 en ceros*/ MOV R2, #01010100B /* inicializa el registro 2 con los datos de prueba*/ MOV R4, #10101001B MOV P1, #00000000B NEXT: INC R2 INC R4 MOV A, R2 SETB TXD1 /*mueve al acumulador el contenido del registro 2 a transmitir*/ CLR RTS CLR RECIB SETB RTS /*envia el bit de solicitud de envio*/ TEMP: NOP CALL DELAY3 JNB SEND, TEMP /*espera por la señal para iniciar envio*/ LJMP putc /*inicia transmisión*/ OTRO: CALL DELAY3 /*borra la señal de solicitud*/ MOV A, #00000000B /*limpia el acumulador*/ TEMP1: NOP CALL DELAY3 JNB RRTS, TEMP1 /*espera por la solicitud de recepción*/ SETB RECIB /*acepta la recepción*/ LJMP getc /*inicia la recepción*/ OTRO1: CALL DELAY3 /*limpia el bit de aceptación*/ XRL A, R4 MOV P2, R3 JNZ AUMENT /*compara el dato recibido con el dato esperado*/ DJNZ R5, NEXT /*inicia proceso con un nuevo dato*/ JMP MOSTRAR AUMENT: INC R3 /*registro para detectar el número de errores*/ DJNZ R5, NEXT /*inicia proceso con un nuevo dato*/ JMP MOSTRAR MOSTRAR:MOV P2, R3 /*MUESTRA LA CANTIDAD DE ERRORES EN EL PUERTO 2*/ RET /* * subrutina para transmitir por TXD1 */ putc: CLR TXD1 CALL DELAY3 CLR RTS /*inicializa con el bit de inicio*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo para esta señal*/ aqui: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui MOV R1,#8 /*envia 8 bits*/ putc1: RRC A /*rota el acumulador para enviar bit por bit*/ MOV TXD1,C /*escribe el sig, bit empezando por el menos significativo*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo por cada dato*/ aqui1: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui1

DJNZ R1,putc1 /*escribe 8 bits*/ SETB TXD1 /*fija TXD1 en modo alto*/ RRC A /*Reestablece el contenido del ACC*/ MOV R0,#BITTIM /*espera un periodo completo por el bit de parada*/ aqui5: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui5 LJMP OTRO /* * Recibe un caracter desde la línea RXD1 y lo pone en A */ getc: NOP CALL DELAY3 CLR RECIB JB RXD1,getc /*espera por el bit de inicio*/ MOV R0,#BITTIM/2 /*espera la mitad del tiempo para medir en la mitad*/ aqui2: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui2 JB RXD1,getc /*se asegura de la validez del bit*/ MOV R1,#8 /*lee 8 bits*/ getc1: MOV R0,#BITTIM /*espera tiempo completo por cada bit del dato*/ aqui3: CALL DELAY2 DJNZ R0,aqui3 MOV C,RXD1 /*lee bit*/ RRC A /*rota el ACC para fijar el dato enviado*/ DJNZ R1,getc1 /*lee cada uno de los 8 bits*/ LJMP OTRO1 /*regresa*/ DELAY2: MOV R7, #111011010B MANTE1: CALL DELAY3 DJNZ R7, MANTE1 RETI DELAY3: MOV R6, #10D MANTE2: DJNZ R6, MANTE2 RETI END

ANEXO L PROGRAMA ASSEMBLER PROTOCOLO I2C /* Este programa es un emulador del sistema de determinación de actitud y control (ADCS) * en lo referente a las señales que comparte con el sistema de computación de abordo OBCS del Cubesat * Este programa Simula la conexión usando el protocolo con interfaz I2C * * * Vladimir Garcia - Abril 21, 2005 * * el microcontrolador usado es el Atmel 89C51 con un cristal de 12MHZ *la tasa de transmisión es de 9600 bps */ TRX1 EQU P1.0 /*Transmite por el pin 0 del puerto 1*/ CLK1 EQU P1.1 /*Recibe*/ INIT EQU P1.7 /*SEÑAL PARA INICIAR*/ /* la tasa de transmisión esta calculada dependiendo del cristal * la constante es calculada como: (((cristal/baud)/12) - 5) / 2*/ /*Este es el programa principal*/ INICIO: NOP JNB INIT, INICIO MOV R6, #36 /*LIMITA A 36 EL NUMERO DE DATOS*/ MOV R3, #00000000B /*inicializa el registro 3 en ceros*/ MOV R2, #01010100B /* inicializa el registro 2 con los datos de prueba*/ MOV R4, #10101001B NEXT: INC R2 INC R4 MOV A, R2 /*mueve al acumulador el contenido del registro 2 a transmitir*/ LJMP ENVIA /*inicia transmisión*/ VUELVE:MOV A, #00000000B /*limpia el acumulador*/ LJMP RECIBE /*inicia la recepción*/ VUELV1: XRL A, R4 JNZ AUMENT /*compara el dato recibido con el dato esperado*/ DJNZ R6, NEXT /*inicia proceso con un nuevo dato*/ JMP MOSTRAR AUMENT: INC R3 /*registro para detectar el número de errores*/ DJNZ R6, NEXT /*inicia proceso con un nuevo dato*/ JMP MOSTRAR MOSTRAR:MOV P2, R3 /*MUESTRA LA CANTIDAD DE ERRORES EN EL PUERTO 2*/ RET ENVIA: NOP CLR TRX1 SETB CLK1 ANTE1: NOP JNB CLK1, ANTE1 MOV R1, #8 EMITE: RRC A MOV C, TRX1 CLR CLK1 MOV R2, #4 ACA1: DJNZ R2, ACA1 SETB CLK1 DJNZ R1, EMITE SETB TRX1 LJMP VUELVE RECIBE: NOP JB TRX1, RECIBE

PREV: JNB CLK1, PREV JB TRX1, RECIBE MOV R1, #8 ANTES: NOP JNB CLK1, ANTES MOV C, TRX1 RRC A DJNZ R1, ANTES LJMP VUELV1 END /* Este programa es un emulador del sistema de computación de abordo OBCS * en lo referente a las señales que comparte con el sistema de determinación de actitud y control (ADCS) del Cubesat * Este programa Simula la conexión usando el protocolo con interfaz I2C * * * Vladimir Garcia - Abril 18, 2005 * * el microcontrolador usado es el Atmel 89C51 con un cristal de 12MHZ *la tasa de transmisión es de 9600 bps */ TRX1 EQU P2.0 /*Transmite por el pin 0 del puerto 1*/ CLK1 EQU P2.1 /*Recibe*/ SELEC EQU P2.7 /*SEÑAL PARA INICIAR*/ /* la tasa de transmisión esta calculada dependiendo del cristal * la constante es calculada como: (((cristal/baud)/12) - 5) / 2*/ /*Este es el programa principal*/ INICIO2: NOP JNB INIT, INICIO2 MOV R6, #36 /*LIMITA A 36 EL NUMERO DE DATOS*/ MOV R3, #00000000B /*inicializa el registro 3 en ceros*/ MOV R2, #01010100B /* inicializa el registro 2 con los datos de prueba*/ MOV R4, #10101001B NEXT2: INC R2 INC R4 MOV A, #00000000B /*limpia el acumulador*/ LJMP RECIBE2 /*inicia la recepción*/ VUELV12:XRL A, R4 /*compara el dato recibido con el dato esperado*/ JNZ AUMENT2 MOSTRAR2:MOV P3, R3 /*MUESTRA LA CANTIDAD DE ERRORES EN EL PUERTO 2*/ VUELVE2:MOV A, R2 /*mueve al acumulador el contenido del registro 2 a transmitir*/ LJMP ENVIA2 /*inicia transmisión*/ VUELV22:DJNZ R6, NEXT2 /*inicia proceso con un nuevo dato*/ MOV P3, R3 RET AUMENT2: INC R3 JMP MOSTRAR2 ENVIA2: NOP CLR TRX1 SETB CLK1 ANTE12: NOP JNB CLK1, ANTE12 MOV R1, #8 EMITE2: RRC A MOV TRX1, C CLR CLK1 MOV R2, #4 ACA12: DJNZ R2, ACA12 SETB CLK1 DJNZ R1, EMITE2 SETB TRX1 LJMP VUELV22

RECIBE2: NOP JB TRX1, RECIBE2 PREV2: JNB CLK1, PREV2 JB TRX1, RECIBE2 MOV R1, #8 ANTES2: NOP JNB CLK1, ANTES2 MOV C, TRX1 RRC A DJNZ R1, ANTES2 LJMP VUELV12 END

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