Una exploración de las tendencias tecnológicas del desarrollo de nanosatélites y su impacto en el sector espacial. Los nuevos actores del desarrollo espacial son las empresas privadas y están generando aplicaciones no antes vistas que seguramente cambiarán nuestra perspectiva del espacio.

1. 1
Tendencias en nanosatélites
Carlos Duarte
@karlozduarte
Querétaro, Qro. 11 de noviembre de 2017
Taller de diseño de Femtosatélites

2. Objetivo de la presentación
Explorar las tendencias
en el desarrollo de
satélites pequeños y
sus implicaciones en el
sector espacial

3. Contenido
• Cambios recientes en el sector espacial
• ¿Qué está impulsando el desarrollo de los pequeños satélites?
• El estándar CubeSat
• Algunas empresas líderes en desarrollo de nanosatélites
• Tendencias de los nanosatélites
• Retos del desarrollo de nanosatélites
• Conclusiones

4. El sector espacial está cambiando drásticamente

5. OldSpace
• Dominado por contratistas militares
• Costo más sobreprecio
• Enormes equipos de trabajo (del
orden de miles de personas)

6. NewSpace
Empresas pequeñas, jóvenes
emprendedores
Contratos comerciales de precio fijo
Rápido ciclo de desarrollo
Tecnología Comercial (COTS)

7. Presupuesto de la NASA como porcentaje del gasto federal
de Estados Unidos
Fuente: White House Office of Management of Budget

8. Empresas nuevas formadas
Fuente: Trackxn ´NewSpace Report, diciembre 2016

9. Número de rondas e inversión total

10. NewSpace en México

11. NewSpace en México
LP Bond
Asociaciones universitarias:
• Asociación Aeroespacial de la Facultad de
Ingeniería de la UNAM
• Asociación Aeroespacial de la ESIME
Ticomán del IPN
• UNAMSpace

12. Satélites pequeños
100 Kg- 500 Kg
Minisatélite
10 Kg- 100 Kg
Microsatélite
1 Kg- 10 Kg
Nanosatélite
100g a 1kg
Picosatélite
< 100 g
Femtosatélite
En general, cualquier satélite de menos de 500 kg es considerado “pequeño”

13. ¿Qué está impulsando el desarrollo de nanosatélites?
• Convergencia de TIC´s y
espacio
• Miniaturización de
componentes
• Desarrollo de MEMS
• Uso de COTS

14. Ley de Moore en electrónica de consumo
1990
Mac II fx, Costo: $10,000 US Dlls
Peso: 12 Kg
Memoria 10 MB
Procesador 40 MHz
2017
MacBook Air, Costo: $ 1,000 US Dlls
Peso: 1.5 Kg
Memoria: 16 GB
Procesador 2.2 GHz
10 veces más barata
10 veces más liviana
100 veces más poderosa

15. Ley de Moore para sensores espaciales
2006
Sensor digital de sol, TNO
475 g
2017
Sensor digital de sol, nanoSSOC-D60,
The CubeSat Shop
6.5 g
Mejora de 1000 veces
en el desempeño/precio

16. Mejoras en la tecnología de pequeños
satélites (90´s a la fecha)
Potencia
• La eficiencia de la conversión
fotovoltaica ha aumentado de 18% a
28%
• Eficiencia de los convertidores DC/DC
ha aumentado de 86% a 93%
• Los switches FET tienen casi cero
resistencia
• Las baterías de Li-Ion han mejorado
considerablemente los niveles de
almacenamiento de energía

17. Sistemas de RF
• Mejores y más rápidas herramientas de
modelado y diseño
• La eficiencia DC a RF de los
amplificadores de estado sólido ha
aumenta de 30% a 50%
• Mejor codificación de canal FEC los
requimientos Eb/N0 en más de 2 dB
• Evolución de las bandas VHF a la S y
ahora a la X para los enlaces de las cargas
útiles
Mejoras en la tecnología de pequeños
satélites (90´s a la fecha)

18. Control de orientación y tecnologías de
cómputo
• Capacidad de cómputo a bordo ha aumentado
en dos órdenes de magnitud
• Capacidad de almacenamiento ha aumentado
en 3 órdenes de magnitud (mejor que la Ley
de Moore)
• Los eficiencia energética del cómputo
MIPS/Watt ha aumentado en 2 órdenes
magnitud (Ley de Moore)
• Disponibilidad de sensores dedicados a
satélites pequeños
• Disponibilidad de ruedas de reacción para
satélites pequeños
Mejoras en la tecnología de pequeños
satélites (90´s a la fecha)

19. Mejoras en la tecnología de pequeños satélites
(90´s a la fecha)
Propulsión
Sistemas miniatura en una gran
diversidad de configuraciones y
tecnologías de propulsión
A partir de las regulaciones para de-
orbitar, es seguro que la tecnología de
propulsión evolucionará muy rápidamente

20. Mejoras en la tecnología de pequeños
satélites (90´s a la fecha)
Tecnologías de estructuras e
ingeniería mecánica
• Las herramientas de diseño y
modelado mecánico han evolucionado
por lo menos un orden de magnitud en
capacidad y velocidad
• Estructuras de materiales compuestos
• Desarrollo de tecnologías de
despliegue mecánico para satélites
pequeños

21. ¿Qué está impulsando el desarrollo de nanosatélites?
• Costo
• Lanzamiento más simple y barato
• Menores ciclos de desarrollo
• Capacidad de operar en constelaciones
– Confiabilidad
– Mayor cobertura
• Estándar CubeSat

22. El Standard CubeSat
• En 1999, un profesor de la Universidad de Stanford y otro del
CalPoly en San Luis Obispo, California crearon el Standard
CubeSat 1 U (10 x 10 x 11,5 cm 1,33 kg)
• Pueden ser ensablados para formar 2U, 3U, 6U;
• En general son lanzado como cargas secundarias de lanzamientos
de satélites mayors, con lo que reducen los costos de lanzamiento
significativamente
Fuente: State of the Satellite Industry Report, June, 2016.

23. Las especificaciones del estándar CubeSat son
de los tipos siguientes:Requerimientos generales
• Se refieren a cuestiones como la capacidad máxima de las baterías, el uso de
sistemas de propulsión, y el empleo de materiales peligrosos, entre otras cosas.
Requerimientos mecánicos
• Se refieren a la tolerancias en las dimensiones, masa y tipo de materiales de la
estructura, entre otras cosas.
Requerimientos eléctricos
• Se refieren a los sistemas de protección eléctrica para garantizar la seguridad del
CubeSat.
Requerimientos de operación
• Se refieren a las condiciones en las que debe operar el CubeSat, tales como el
inicio de transmisión de datos, el despliegue de antenas, páneles solares, etc.
Requerimientos de pruebas
• Se refieren a las pruebas a las que debe someterse el CubeSat para ser
calificado para vuelo por el vehículo de lanzamiento.
https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/56e9b62337013b6c06
3a655a/1458157095454/cds_rev13_final2.pdf

24. El P-POD, clave del éxito del standard CubeSat
Poly Picosat Orbital Deployer

25. Ley de Moore para CubeSats

26. Planet, empresa disruptiva

27. Diagrama esquemático de un Dove

28. Ficha técnica del Dove

29. Sistema de comunicaciones del Dove

31. Spire: enfocados a recolectar datos desde el
espacio

32. OneWeb
• OneWeb está
desarrollando una
constelación de 648
satélites para
proporcionar internet
de banda ancha a nivel
global

33. Tendencias de nano/microsatélites por
sector 1-50Kg
35
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

34. Tendencias de nano/microsatélite por aplicación
1-50Kg
36
Se espera que las aplicaciones de percepción remota y observación de la Tierra sean
las dominantes en el futuro
Las aplicaciones de comunicaciones están aumentando y representarán una porción pequeña del total
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

35. Tendencias de tamaño de nanosatélites
1-10Kg
37El tamaño está aumentando, debido a la demanda de mayor capacidad
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

36. Nano/Microsatélites lanzados 2000-2016
1-50 Kg
38
Los nanosatélites de 1-10 Kg aún es el favorito de los operadores, pero los de 11-50Kg y
mayores están aumentando de popularidad Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

37. Nano/Microsatélites lanzados en 2016
39
El número de vehículos que ofrecen lanzar Nano/Microsatélites al espacio está aumentando, sin
embargo aún hay una deficiencia de lanzamientos dedicados
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

38. Órbitas de Nano/Microsatélites
40
La órbita de la EEI ha sido favorecida por cuestiones de conveniencia . Al
diversificarse las oportunidades de lanzamiento, el uso de la órbita de la EEI
disminuirá
El 80% de los satélites que se lanzarán en los siguientes 3 años utilizarán la órbita
helio síncrona, en contraste del 39% en los 3 años anteriores
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

39. Pronóstico de lanzamiento de satélites pequeños (1-
50Kg)
Las proyecciones están
basadas en los planes futuros
de los desarrolladores
Indican que se requerirán
lanzar casi 2,400
nano/microsatélites de 2017 a
2023
Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

40. ¿Qué pasó en 2016?
Los retrasos en los lanzamientos
• Más de 100 satélites pequeños resultaron impactados por retrasos en 2016
SpaceX no lanzó satélites pequeños en 2016
• El vuelo de prueba de SHERPA se retrasó, lo que provocó que varios usuarios buscaran otras
alternativas de lanzamiento.
• Las constelaciones de observación de la tierra y percepción remota (Planet y Spire) representaron
casi la mitad de los lanzamientos de nano/microsatélites en 2016
• China lanzó el 13% de todos los lanzamientos de nano/microsatélites lanzados en 2016, superada
solamente por Estados Unidos (63%)

41. • Dado que la mayor parte de los satélites pequeños
se van de ´aventón´ en misiones más grandes, es
difícil encontrar lanzamientos óptimos
• Los proveedores de lanzamiento tradicionalmente
se enfocan a lanzar cargas grandes porque son
más redituables.
• No hay servicios de lanzamiento especializados en
nanosatélites
Cuello de botella, el lanzamiento

42. Oportunidades de lanzamiento por
brokers/integradores
• Adaptive Launch Solutions (ALS)
• NanoRacks LLC
• Spaceflight Industries
• TriSept Corporation
• Tyvak Nanosatellite Systems Inc.

43. Algunos servicios de lanzamiento comercial que
aceptan satélites pequeños
• Delta IV (ULA/Boeing Launch Services)
• Falcon 9 (incluída la Dragon) (SpaceX)
• Falcon Heavy (SpaceX)
• Atlas V (ULA)/Lockheed Martin
• PSLV de ISRO

44. Los lanzamientos de nano/microsatellites
como cargas secundarias requieren de
adaptadores
EELV Secondary
Payload Adapter
(ESPA) se está
convirtiendo en un
estandard
46

45. SHERPA
Spaceflight Inc. ha propuesto un remolcador
espacial para el Falcon 9 de SpaceX llamado
Sherpa que sería capaz de transportar cargas
secundarias pequeñas a órbitas distintas a las de
la carga principal.
SHERPA incorpora sistemas de propulsión y
generación de energía para maniobrar y colocar a
las cargas secundarias en órbita.
La NASA firmó un contrato con Spaceflight para
lanzar hasta 24 cargas útiles en 2018 con
opciones para otras 24 en 2019 y 2020

46. 48
Sistema de
lanzamiento
Carga
útil
(Kg)
Fecha
planeada
de primer
vuelo
Precio Configuración
Electron 150 2017 $33K/kg Cohete de dos etapas lanzado desde tierra
Launcher One 300 2017 $33K/kg Lanzado desde aire
Kualzhou 1A 250 2017 57K/kg Cohete de 4 etapas lanzado desde tierra
Vector-R 28 2018 64K/kg Cohete de dos etapas lanzado desde tierra, tercera
etapa eléctrica opcional
LandSpace.1 400 2018 20K/kg Cohete de 4 etapas lanzado desde tierra
GOLauncher 2 44 2019 57K/kg Lanzado desde el aire con solido y líquido
Intrepid -1 376 Intrepid-
1
14K7kg Lanzado desde tierra, cohete híbrido de dos etapas
Nuevas ofertas de lanzamiento dirigidas a
nano/microsatélites

47. Space Launch System (NASA)
13 CubeSats de 6U
volarán en la misión
EM-1 en 2018

48. El futuro
IoT
Cómputo en la
nube
Big Data
Interacción con
UAVs

49. Oportunidades para conectar el IoT
Categoría 2016| 2017 2018 2020
Productos al consumidor 3,963.0 5.244.3 7,036.3 12,863.0
Empresarial: transversal a
la industria
1,102.1 1,501.0 2,132.6 4,381.4
Empresarial: Vertical
específico
1,316.6 1,635.4 2,027.7 3,171.0
Total 6,381.8 8,380.6 11,196.6 20,415.4
Fuente: Gartner (enero 2017)
Base instalada de unidades IoT por categoría (millones de unidades)

50. Tecnologías del futuro
• Sensores
– Cada vez más precisos y pequeños
• Comunicaciones
– Comunicación entre satélites para
coordinación y sincronización
• Autonomía
– Coordinación de constelaciones
– Tolerancia a fallas

51. Retos del desarrollo de nanosatélites
• Basura espacial
• Congestionamiento de órbitas
• Congestionamiento de frecuencias
• Regulación

52. Número de empresas que solicitan Advance Publication
Information (API´s) relacionadas con satélites pequeños a la
UIT
Una API es la indicación de la intención de una organización de lanzar una red
satelital, proporciona información como la identidad de la red satelital, fecha
de uso, información orbital y características de la red.
https://www.itu.int/newsarchive/wrc2000/presskit/how-sat.html

53. Conclusiones
• Los nanosatélites son un nicho
cada vez más importante del
sector espacial
• Sus capacidades y desempeño
está aumentando
• Su corto tiempo de desarrollo
permite que sirvan para probar
nuevas tecnologías

54. Conclusiones…cont
• Están incursionando cada
vez en aplicaciones más
diversas
• Conforme esta tendencia
continúe abrirá muchas
oportunidades para el futuro

55. ¡Muchas gracias!
duarte.carlos@aem.gob.mx
www.aem.gob.mx
www.educacionespacial.aem.gob.mx
www.aem.gob.mx/haciaelespacio