Objetivo da Missão

O Projeto visa capacitar estudantes envolvidos no projeto, que poderão utilizar os conhecimentos adquiridos em vários setores da sociedade brasileira, o que poderá potencializar outros desenvolvimentos correlacionados no setor espacial, qualificar no espaço os componentes e os equipamentos que serão utilizados no satélite; vai testar concepções e arquiteturas de projetos utilizados no desenvolvimento dos subsistemas que compõem o satélite.

Capacidades da Missão

O ITASat-1 está equipado com um transponder do Sistema de Coleta de Dados (DCS), um receptor GPS (Sistema de Posicionamento Global), uma câmera denominada Cam e o DCX-2 (Experimento de Comunicação-2).

O transponder DCS foi desenvolvido em uma versão miniaturizada, de modo a se adequar às restrições de tamanho e consumo de energia de um CubeSat. Por ser compatível com o atual Sistema Brasileiro de Coleta de Dados, esse transponder pode coletar dados de mais de 900 Plataformas de Coleta de Dados (PCDs) espalhadas pelo território brasileiro e pelas áreas costeiras, oferecendo informações sobre qualidade da água, níveis oceânicos, composição do ar e migração animal.

A Cam é uma câmera comercial NanoCam C1U, que opera na faixa visível do espectro, tendo como principal objetivo validar o desempenho do sistema de controle de atitude.

O DCX-2 foi proposto pela comunidade brasileira de radioamadores como um experimento para prover um canal de comunicação com rádios amadores ao redor do mundo. O experimento possui três modos de operação — Beacon, Transponder e Store and Forward — permitindo a transmissão de diferentes tipos de mensagens nas faixas de UHF/VHF (Ultra High Frequency e Very High Frequency, respectivamente) para diversos receptores.

Especificações de Desempenho

A câmera Cam possui um sensor colorido de 3 megapixels com lente de 35 mm, oferecendo resolução espacial de 60 m por pixel a 650 km de altitude. O sensor CMOS colorido no formato 4:3 fornece imagens de 2048 × 1536 pixels em padrão RGB Bayer de 10 bits.

O ITASat-1 mantém uma órbita circular heliossíncrona a 575 km de altitude e inclinação de 98°, com hora local do nó descendente (LTDN) às 10h30.

Espaçonave e Componentes de Hardware

O ITASat-1 possui arquitetura CubeSat 6U, com massa de 5,2 kg. O barramento do CubeSat 6U inclui dois OBCs (computadores de bordo): um dedicado ao subsistema de tratamento de dados de bordo (OBDH) e outro ao subsistema de determinação e controle de atitude (ADCS).

O OBDH utiliza um computador comercial de alto desempenho baseado em ARM Cortex-M3, executando um sistema operacional embarcado de tempo real (FreeRTOS).
O computador do ADCS é baseado em um ARM7 MCU, que se conecta diretamente aos sensores (sensores solares, giroscópio e magnetômetro) e atua sobre os atuadores (magnetotorqueadores e rodas de reação).

A espaçonave inclui também os subsistemas de Telemetria e Telecomando (TMTC), Estrutural e Térmico (STS) e de Energia e Suprimento de Potência (EPS).

Painéis solares estão instalados em cinco faces do CubeSat, gerando 6 a 7 W de potência no total, enquanto a sexta face abriga a câmera. A energia é armazenada em baterias de íons de lítio.

ITASat-1 (Instituto Tecnológico de Aeronáutica Satellite-1)

O ITASat-1 é o primeiro microssatélite universitário e tecnológico do Brasil, financiado pela Agência Espacial Brasileira (AEB) no âmbito do Programa de Desenvolvimento e Lançamento de Satélites Tecnológicos de Pequeno Porte.
Seu desenvolvimento e operação representam uma importante oportunidade de formação e capacitação de estudantes brasileiros em tecnologia espacial, além de permitir o teste em órbita de novos componentes e tecnologias para futuras missões nacionais.

O projeto conta com coordenação técnica do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e coordenação acadêmica do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) — ambos localizados em São José dos Campos (SP). O ITA é responsável pelo projeto, construção, testes e operação do ITASat-1.

Outras universidades participantes:

• Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP)
• Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)
• Universidade Estadual de Londrina (UEL)
• Universidade de Brasília (UnB)
• Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
• Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (FEG-UNESP)
• Technische Universität Berlin (TUB), Alemanha — com o experimento ISL e intercâmbio de estudantes.

O projeto ITASat teve origem em 2005, com o objetivo de treinar e formar estudantes por meio do desenvolvimento de um produto espacial. O projeto visa motivar alunos de diferentes áreas a trabalhar de forma multidisciplinar, desenvolvendo competências tanto nas universidades quanto na indústria espacial brasileira.

Durante os anos, o projeto passou por diversas mudanças — desde um microssatélite de 100 kg até a atual configuração de CubeSat 6U, projetada, montada e testada com sucesso.

O lançamento ocorreu em dezembro de 2018, e desde então o ITASat vem sendo rastreado e operado pela equipe de controle em solo.

Bus

Desenvolvido como um CubeSat 6U, o ITASat foi projetado para servir como plataforma para futuras missões. Os principais aspectos considerados foram:

• Ênfase em Engenharia de Sistemas e nas etapas de Montagem, Integração e Testes (AIT)
• Uso de equipamentos COTS (Commercial-Off-The-Shelf)
• Modularidade em hardware e software
• Desenvolvimento de placas de interface elétrica e mecânica
• Capacidade de operação do satélite.

O foco em Engenharia de Sistemas, AIT, desenvolvimento de software e atividades de Verificação e Validação (V&V) permitiu concluir o CubeSat em dois anos. Para cumprir esse prazo, a maior parte dos subsistemas utilizou soluções COTS, especificadas de diferentes fornecedores, exigindo grande esforço da equipe para garantir compatibilidade entre todos os componentes.

O barramento 6U é composto pelos subsistemas convencionais de uma plataforma espacial, com destaque para dois OBCs — um dedicado ao OBDH e outro ao ADCS.

STS (Subsistema Estrutural e Térmico)

A estrutura interna do CubeSat reserva 2U para cargas úteis e 4U para a plataforma. O controle térmico é passivo.

EPS (Subsistema de Energia e Potência)

Baseado em uma solução COTS, o EPS fornece 40 Wh / 2600 mAh de autonomia com baterias de íons de lítio, linhas de potência reguladas (5 V e 3,3 V) e não reguladas (tensão da bateria – até 16,8 V).
Painéis solares fixos em cinco faces utilizam células de tripla junção com eficiência de 28%, gerando 6 a 7 W em média na órbita do ITASat.

OBDH (On-Board Data Handling)

Computador ARM-Cortex M3 executando FreeRTOS, com:

• MCU de 32 bits, baixo consumo
• 256 kB de EEPROM
• 4 MB de flash e 2 MB de SRAM
• Proteção SEU por EDAC em FPGA e proteção SEL
• MicroSD até 2 GB
• Interfaces GPIO, I2C, SPI, CAN e UART
• Testes de vibração, vácuo térmico e radiação (TID @ 20 krad, SEE @ 60 MeV)

O software embarcado foi totalmente desenvolvido pela equipe, em arquitetura modular por camadas, permitindo trabalho colaborativo e integração de bibliotecas e drivers externos.

ADCS (Attitude Determination and Control System)

Controlador baseado em ARM7 MCU, conectado aos sensores (solar, giroscópio, magnetômetro) e atuadores (magnetotorqueadores e rodas de reação). Implementa três modos de controle de atitude:

1. Controle B-dot para desaceleração (detumbling);
2. Controle magnético, alinhando o satélite ao campo magnético terrestre;
3. Controle três eixos, combinando rodas de reação e magnetotorqueadores.

TMTC (Telemetria e Telecomando)

Canal de subida (uplink) em UHF, taxa de 1200 bit/s, modulação AFSK.
Dois canais de descida (downlink):

• VHF, 1200–9600 bit/s, modulação BPSK, 22 dBm
• S-band, até 144 kbit/s, modulação BPSK, potência ajustável 27–33 dBm

As rádios UHF/VHF estão integradas em uma única placa, utilizadas para comando, controle e transmissão de dados de carga útil. O transmissor em S-band é dedicado a dados científicos de maior volume.

Payloads

Transponder DCS (Data Collection System)

Desenvolvido pelo INPE/CRN (Natal), com tecnologia atualizada e miniaturização para CubeSat. Compatível com o Sistema Brasileiro de Coleta de Dados, o transponder permite ao ITASat (5,2 kg) desempenhar a mesma função dos satélites SCD-1 e SCD-2 (115 e 117 kg, respectivamente).
Coleta dados de mais de 900 PCDs, com informações sobre qualidade da água, níveis fluviais, ar e migração animal.
Mais informações: http://sinda.crn.inpe.br/PCD/SITE/novo/site/index.php

Receptor GPS

Desenvolvido pela UFRN e pelo IAE/DCTA, tendo voado anteriormente em um foguete VSB-30. Para integração ao padrão CubeSat, foram criadas interfaces mecânicas e elétricas específicas.

Câmera (Cam)

Câmera comercial de observação na faixa visível (GomSpace NanoCam C1U), sensor colorido de 3 MP com lente de 35 mm e desempenho de 60 m/pixel a 650 km de altitude.

DCX-2 (Experimento de Comunicação-2)

Proposto pela comunidade de radioamadores, com três modos:

1. Beacon – transmissão periódica de até 10 mensagens armazenadas;
2. Transponder – retransmissão em VHF de sinais recebidos em UHF;
3. Store and Forward – armazenamento e posterior retransmissão de mensagens UHF em VHF, permitindo comunicação entre diferentes regiões do globo.

Lançamento

O ITASat-1 foi lançado em 3 de dezembro de 2018, às 18:34:05 GMT, durante a missão SSO-A SmallSat Express da Spaceflight, a bordo de um foguete Falcon-9 Block 5 da SpaceX, a partir da Base Aérea de Vandenberg (Califórnia).

A missão transportou 64 cargas úteis, sendo o maior lançamento compartilhado de satélites já realizado por um veículo norte-americano até então. O primeiro estágio do Falcon-9 foi reutilizado pela terceira vez e pousou com sucesso na plataforma “Just Read the Instructions”, no Oceano Pacífico.

Órbita: heliossíncrona circular, 575 km de altitude, 98° de inclinação, LTDN 10h30.

References

1) Lidia Hissae Shibuya Sato, Luis Eduardo Vergueiro Loures da Costa, Jonas Bianchini Fulindi, Helio André dos Santos, Linélcio dos Santos Paula, Emerson Henrique Silva de Oliveira, Jéssica Garcia de Azevedo, Breno Aparecido Crucioli, Denis Guilgim Vieira, Valdemir Carrara, Ana Carolina di Iorio Jeronymo, Rafael Barbosa Januzi, Daniel Hideaki Makita, Willer Gomes dos Santos, Pedro Kukulka de Albuquerque, Maria de Fátima Mattiello-Francisco, "The ITASAT – The Lessons Learned from the Mission Concept to the Operation," Proceedings of the 33rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, August 3-8, 2019, Logan, UT, USA, SSC19-WKI-01, URL: https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=4350&context=smallsat

2) Lidia Hissae Shibuya Sato, Osamu Saotome, Christina Timm, David Fernandes, Wilson Yamaguti, "ITASAT-1: Brazilian university microsatellite for payload test and validation in Low Earth Orbit," 8th IAA (International Academy of Astronautics) Symposium on Small Satellites for Earth Observation, Berlin, Germany, April 4-8, 2011, URL: http://media.dlr.de:8080/erez4/erez?cmd=get&src=os
/IAA/archiv8/Presentations/IAA-B8-0601_v2-1.pdf

3) Valdemir Carrar, Rafael Barbosa Januzi, Daniel Hideaki Makita, Luis Felipe de Paula Santos, Lidia Shibuya Sato, "The ITASat CubeSat Development and Design," Journal of Aerospace Technology and Management, Vol.9, No 2, pp.147-156, São José dos Campos, Brazil, April/June 2017, URL: http://www.scielo.br/pdf/jatm/v9n2/2175-9146-jatm-09-02-0147.pdf

4) Stephen Clark, "Spaceflight's 64-satellite rideshare mission set to last five hours," Spaceflight Now, 3 December 2018, URL: https://spaceflightnow.com/2018/12/03
/spaceflights-64-satellite-rideshare-mission-set-to-last-five-hours/

5) Stephen Clark, "Spaceflight preps for first launch of unique orbiting satellite deployers," Spaceflight Now, 23 August 2018, URL: https://spaceflightnow.com/2018/08/23
/spaceflight-preps-for-first-launch-of-unique-orbiting-satellite-deployers/

6) Jeff Foust, "Spaceflight gears up for dedicated Falcon 9 launch," Space News, 6 August 2018, URL: https://spacenews.com/spaceflight-gears-up-for-dedicated-falcon-9-launch/t).

7) "Spaceflight SSO-A: SmallSat Express Mission," SpaceX, 3 December 2018, URL: https://web.archive.org/web/20181204085402/https://www.spacex.com/news/2018/12/03/spaceflight-sso-smallsat-express-mission

8) "Spaceflight - Introducing SSO-A: The smallsat express," Spaceflight, 3 December 2018, URL: http://spaceflight.com/sso-a/

9) "Statement from Spaceflight, the Mission Manager, Launches 64 Satellites on First Dedicated Rideshare Mission," Satnews Daily, 4 December 2018, URL: http://www.satnews.com/story.php?number=270036615