Ingenier

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Ingeniería de Sistemas Espaciales
aplicación al desarrollo de picosatélites de uso
científicoLeón J. Restrepo Quirós 1, 2, 3
, Ing. , Jorge Iván Zuluaga Callejas, Dr. 1
300 años

• 1 Grupo de Investigación en Modelamiento y
  Simulación Computacional,
• Facultad de Ingenierías Universidad de San
  Buenaventura, Medellín
• 2 IEEE, CS, ComSoc, AESS
• 3 Red de Astronomía de Colombia

2
Resumen

• Se presentan en este trabajo posibles
  metodologías de Ingeniería aplicables al
  desarrollo de tecnología aeroespacial y casos de
  estudio como el de Libertad-1, de uso de
  metodologías de Ingeniería y estándares IEEE.
  La Ingeniería Aeroespacial basa su trabajo en
  metodologías conocidas de Ingeniería de Sistemas,
  adaptadas según la experiencia, necesidades y
  políticas propias de la institución que las
  aplica. Las metodologías traen asociado el uso
  de estándares internacionales que buscan asegurar
  un apropiado ciclo de desarrollo y del producto
  final. Se discuten aquí también algunas de
  las actividades en curso y que son
  complementarias al desarrollo de este
  proyecto, a saber, la aplicación de una
  metodología para el desarrollo de
  picosatélites de uso científico, la
  elaboración de un Plan de Desarrollo
  Aeroespacial de alcance departamental y el uso
  de modelos de realidad virtual en la
  investigación en el área.

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Contenido

• I Introducción
• II El país frente al tema espacial
• III Historias de satélites
• IV Posibles aplicaciones de los CubeSat
• V Ingeniería de Sistemas Espaciales
• VI Aplicaciones al desarrollo de picosatélites
  de uso científico
• Reconocimiento
• Referencias

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I Introducción

• El Gobierno de Colombia viene realizando acciones
  para insertar el país en el desarrollo de
  tecnologías aeroespaciales.
• Instituciones educativas están adelantando
  proyectos propios o de manera asociativa en
  diversos campos del conocimiento espacial.
• Universidades en el mundo desarrollan
  picosatélites, la mayoría como pruebas de
  concepto y funcionalidad tecnológica.
• Es pertinente estudiar la utilidad de los
  picosatélites como herramientas de uso científico
  más allá de su aplicación en investigación
  formativa, aplicando para su desarrollo
  metodologías de Ingeniería apropiadas para su
  ámbito y alcance.

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II El país frente al tema espacial

• Colombia no ha ratificado los cinco Tratados de
  Naciones Unidas que regulan el Espacio
  Ultraterrestre, ni las Cinco Declaraciones y
  Principios Legales.
• Colombia fue hasta julio de 2006 Secretaría
  Pro-Tempore de la IV Conferencia Espacial de las
  Américas (SP IVCEA)

• DECRETO No. 2442 de Julio 18 de 2006 por el cual
  se crea la Comisión Colombiana del Espacio.
• Se declara que los asuntos del espacio son de
  interés nacional.
• La Secretaría llamó a estudiar el uso de los
  picosatélites CubeSat para el desarrollo de las
  ciencias y tecnologías del espacio en la región
  latinoamericana.

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III Historias de Satélites
En 2002 los astronautas del transbordador
espacial liberaron un par de pequeños satélites
unidos entre sí por un cable dentro del programa
MEPSI (MEMS-based PICOSAT Inspector, financiado
por la agencia militar DARPA). Los satélites
estuvieron libres durante tres días como
demostración del uso de nanotecnología en
sistemas espaciales. Hicieron lanzamientos
posteriores en el shuttle y en cohetes Atlas.
(imágenes propiedad del programa MEPSI)
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Historias de Satélites
El Space Flight Laboratory de la University of
Toronto desarrolló para su lanzamiento en 2003 el
CanX-1, dentro de un programa para la
investigación y educación de estudiantes de
posgrado, con la misión de verificar la
funcionalidad de diversas tecnologías
electrónicas nuevas en orbita espacial. Trató de
demostrar la alta capacidad del artefacto de
incorporar cargas útiles y subsistemas
experimentales como el CMOS Image, una
computadora central ARM7, un receptor de GPS y un
sistema de control de actitud de activación
magnética.
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Libertad-1
Historias de Satélites
Raul Joya Olarte.Director Proyecto
Ivan Rodrigo Luna. Director Técnico
César Fernando Valero S. Diseño de
Telemetria.Comunicaciones.Antenas.Estación
TerrenaIntegración e Ingeniería Codesarrollo
sistema de despliegue
Andres Alfonso Caro Desarrollo en "Salvo
RTOS".Codesarrollador comunicacionesTelemetría
Paul Nuñez R.Diseño y simulación sistema de
orientación y estabilización.Diseño de sistema
de despliegue de antenas
Miguel Ariza.Desarrollo Sistema de Potencia.
Codesarrollo sistema de despliegue
Liza Pinzón.Simulación sistema de orientación y
estabilización "Cubesim"
Josiph Toscano Casadiego.Soporte Baterias
Auxiliar Centro de Control
Equipo de Trabajo, Programa Colombia en Órbita -
Universidad Sergio Arboleda
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IV Posibles aplicaciones de los CubeSat

• Entre las posibles aplicaciones, se han planteado
  en escenarios académicos ejemplos como los que
  siguen
• Como plataformas de observación de la Tierra
  (agricultura de precisión AER05, meteorología,
  botánica y oceanografía).
• Para sondear la ionosfera en sitio, frente a los
  mecanismos actuales de generación de modelos
  AER05 y respecto a la interacción de los
  equipos con el medio que lo rodea y su influencia
  en las comunicaciones, guiado y trayectoria
  NAS71.
• Como telescopios espaciales de poca apertura.
  Como telescopios dedicados para la observación de
  objetos en particular, sin las restricciones de
  tiempo de telescopio, en una órbita por encima
  del Hubble Space Telescope. SPA07
• Usándolos con nuevos materiales, o en su misma
  estructura probando posibles aislantes del calor
  y radiación o para contener cargas radioactivas o
  biológicas. NAS06

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V Ingeniería de Sistemas Espaciales

• La Ingeniería de Sistemas contempla diversas
  metodologías para el desarrollo de productos o
  aplicaciones, que pueden ser utilizadas en muchas
  áreas del conocimiento, estableciendo técnicas
  para la resolución de problemas científicos o
  tecnológicos.
• Localmente no se conoce una metodología extendida
  de manera general para el desarrollo de ingenios
  aeroespaciales, particularmente para satélites
  pequeños.
• Puig-Suari plantea como alternativas
  metodológicas de Ingeniería de Sistemas, para el
  desarrollo de satélites las estrategias evolutiva
  y espiral, según el grado de conocimiento de los
  objetivos PUI04.
• NASA y el DoD utilizan sendas adaptaciones del
  modelo lineal secuencial.
• La Universidad Sergio Arboleda trabajó con base
  en el modelo expuesto en LAR05 Space Mission
  Analysis and Design (SMAD)

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A Fases de desarrollo de un programa espacial
(según SMAD) y su posible aplicación local

• Exploración del concepto fase inicial del
  estudio, que da lugar a una amplia definición de
  la misión espacial y de sus componentes.
• Desarrollo detallado fase de diseño formal, que
  da lugar a una definición detallada de los
  componentes del sistema y en los programas más
  grandes, al desarrollo de pruebas de hardware o
  software.
• Producción y despliegue construcción de hardware
  y software de tierra y vuelo y lanzamiento de la
  primera constelación completa de satélites.
• Operaciones y respaldo operación cotidiana del
  sistema espacial, su mantenimiento y respaldo, y
  finalmente su desorbitación o recuperación en el
  final de la vida de la misión.

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Posibles aplicaciones de los CubeSat

• Inmersos en la capa F de la ionosfera, órbita
  polar heliosincrónica, pequeños y de poca masa,
  serán desventajas o ventajas?
• Durante el Seminario GNSS (Aeronáutica Civil,
  Bogotá D.C. 2005) se planteó por parte de las
  Universidades de San Buenaventura y de Antioquia
  la posibilidad de adelantar un proyecto de
  Inserción en el Uso de Tecnología Aeroespacial
  como herramienta en la investigación y la
  Docencia Universitaria a través de CubeSat kit.
• Se debe evaluar la aplicación que podría dársele
  a los picosatélites bajo criterios claros como
  beneficios potenciales, pertinencia, utilidad y
  costo.

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A1 Aplicación local

• Aproximación a un programa espacial para
  Antioquia y su área de influencia
• Educación
• Legislación y Procedimientos
• Ingeniería, Diseño y Seguridad Operacional
• Aplicaciones

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B Metodologías de la Ingeniería de Sistemas
Modelo lineal secuencial

• Según el ciclo convencional de ingeniería
• Ingeniería y modelado de sistemas,
• Análisis de requisitos,
• Diseño,
• Elaboración/generación de código,
• Pruebas y
• Mantenimiento

Ingeniería de Sistemas
análisis
diseño
elaboración
prueba
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de PRE98
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Modelo de construcción de prototipos
Escuchar al cliente
Construir / revisar maqueta

• Se construyen prototipos como mecanismo para la
  definición de requisitos.
• Comienza definiendo objetivos globales y
  requisitos conocidos.
• Aparece un diseño rápido que se centra en
  representar lo que es visible para el
  cliente/usuario

El cliente aprueba la maqueta
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de PRE98
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Modelo en espiral

• Como Modelo de proceso evolutivo (MPE) permite
  desarrollar versiones cada vez más completas del
  producto.

• Se desarrolla de manera incremental. En primeras
  iteraciones el resultado podría ser un modelo en
  papel o un prototipo durante las últimas se
  producen versiones cada vez más completas del
  sistema. Se divide en actividades
  estructurales o regiones de tareas.

Planificación
Análisis de riesgos
Comunicación con el cliente
Ingeniería

• Su complejidad y formalidad dependen de las
  características del proyecto. Para cada región
  se definen tareas de protección.

Construcción y adaptación
Evaluación del cliente
Adaptado por L.J. Restrepo Quirós de PRE98
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Aplicaciones en VR
Modelo de construcción de prototipos
Modelo en espiral
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C Las metodologías de uso conocido
NASA Estados Unidos
Estudios avanzados Final revisión del concepto
de la misión
DoD Estados Unidos
Análisis preliminar Control revisión de la
definición de la misión
Universidad Sergio Arboleda Colombia
Inicio
Exploración del concepto establecimiento de
necesidades, Análisis, establecimiento del
concepto, Desarrollo, Concluye con revisión
de requisitos del sistema
Definición revisiones de requisitos, definición
del sistema Control revisión del diseño
preliminar.
Análisis del diseño preliminar
Prueba de escritorio
Unidad del diseño de ingeniería
Demostración y validación revisión de la
definición del sistema, concluye con la revisión
del diseño preliminar
Diseño Final revisión del diseño crítico.
Modelo de vuelo
Pruebas
Desarrollo de ingeniería y manufactura revisión
del diseño crítico
Desarrollo revisión de aceptación del
sistema, revisión de preparación de la
misión Controlrevisión de la preparación
operacional Control lanzamiento
Lanzamiento
Decodificación de información
Producción y despliegue Control final lanzamiento
Operaciones y ayuda de mantenimiento
JOY07
LAR05
LAR05
Operaciones
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D Estándares de uso conocido en el ámbito
aeroespacial
Caso de estudio Department of Defense Estados
Unidos
DOD-STD-2167
DOD-STD-2168
DOD-STD-2167A
DOD-STD-2168
DOD-STD-7935A
DOD-STD-2167A
MIL-STD-498
IEEE/EIA 12207, 12207.0, 12207.1, 12207.2
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VI Aplicaciones al desarrollo de picosatélites de
uso científico

• Hasta donde se ha indagado el SMAD es aplicable
  al caso nacional, para la implementación de
  programas espaciales que con base en aplicaciones
  específicas de índole tecnológico, que permitan
  el desarrollo de planes continuados de trabajo.
• Es recomendable el uso de modelos de Ingeniería
  de Sistemas para adelantar programas de
  tecnología espacial en el caso colombiano. Dicho
  modelos deben incluir el uso intensivo de
  estándares internacionales y en particular para
  el desarrollo de software para aplicaciones
  espaciales del estándar IEEE/EIA 12207, Estándar
  para Tecnología de Información, de reconocido
  manejo en el ámbito aeroespacial.

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VI Aplicaciones al desarrollo de picosatélites de
uso científico

• Los autores recomiendan continuar con los pasos
  subsiguientes del desarrollo de este proyecto, a
  saber
• estudiar las posibles necesidades de
  picosatélites de uso científico en Colombia,
• escoger un caso de uso según criterios de
  pertinencia, continuidad en el trabajo,
  coherencia, beneficios potenciales y
  transdisciplinaridad y
• aplicar metodologías como las aquí expuestas para
  el análisis de sistemas del caso de uso que se
  seleccione.
• Actividades que se han desarrollado
  participaciones en Semana de la Ingeniería UdeA,
  Biblioteca EPM, Conferencias USB, UdeA, IEEE,
  Reuniones con investigadores UTEXAS,
  Participación en Simposio GNSS (idea de sondeo
  ionosférico).
• Puede tener valor agregado el uso de realidad
  virtual con fines didácticos y de investigación
  formativa en ciencias aeroespaciales,
  particularmente para la construcción de
  prototipos, comunicaciones con el cliente y
  comunidad.

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Conclusiones y síntesis

• Estado actual del proyecto en curso etapa de
  Análisis.
• Es importante trabajar hacia la construcción de
  un método para el desarrollo de productos en un
  programa espacial.
• Modelo lineal secuencial es el estándar de facto
  para desarrollos aeroespaciales.
• Normalmente los picosatélites son orientados a la
  educación se pueden considerar aplicaciones
  científicas.
• Aplicaciones científicas hay un espectro amplio
  de posibilidades, es necesario escoger una.

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Reconocimiento
Los autores agradecen el apoyo para la
realización de este trabajo a la Decanatura de
Ingenierías de la Universidad de San
Buenaventura, sede Medellín y a la Biblioteca de
las Empresas Públicas de Medellín. Especial
felicitación y agradecimiento por su colaboración
al Equipo de Trabajo del Programa Colombia en
Órbita de la Universidad Sergio Arboleda.
24
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?
25
Ingeniería de Sistemas Espaciales aplicación al
desarrollo de picosatélites de uso científico
Facultad de Ingenierías Universidad de San
Buenaventura Medellín, COLOMBIA Ciencia, Honor
y Fe
L. J. Restrepo Quirós (correspondencia teléfono
300-778-1618 e-mail leon.restrepo_at_
computer.org) J. I. Zuluaga Callejas (e-mail
jzuluaga_at_udea.edu.co).