APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

Este trabajo de fin de grado forma parte del IEEE Open-PocketQube Kit, que es una iniciativa educativa propuesta por el profesor Adriano Camps y patrocinada por el IEEE GRSS con el objetivo de desarrollar un kit de PocketQube de código abierto para reducir la barrera de entrada a organizaciones e instituciones interesadas en el espacio. En el proyecto se están desarrollando y probando tres cargas útiles diferentes: una cámara VGA, un sistema de monitoreo de RFI de banda L y un sistema de monitorización de RFI de banda K. El TFG comprende la implementación del Sistema de Determinación y Control de Actitud (ADCS), que determina la orientación del satélite en el espacio y realiza las funcionalidades para controlarlo. Además, se realizarán ciertas pruebas, incluyendo la caracterización de las propiedades de masa y la prueba de las funcionalidades del ADCS. Además, también contiene las pruebas ambientales, que se realizan para verificar que el satélite es capaz de ser lanzado al espacio. Las pruebas incluyen las pruebas de vacío térmico, que simulan las temperaturas extremas en el espacio, y las pruebas de vibración, que simulan las vibraciones del cohete durante la fase de lanzamiento.

This bachelor's thesis is part of the IEEE Open-PocketQube Kit which is an educational initiative proposed by professor Adriano Camps, and sponsored by the IEEE GRSS society to develope an open-source PocketQube kit to reduce the entry barrier to organizations and institutions interested in space. In the project three different payloads are being developed and tested: a VGA camera, a L-band and a K-band RFI monitoring system. This bachelor's thesis comprehend the implementation of the Attitude Determination and Control System (ADCS) which determines the behavior of the satellite in the space and conducts the functionalities to control it. Furthermore, certain tests will be conducted including the mass properties characterization and testing of the ADCS functionalities, will be performed. Moreover, it also contains the environmental testing, which is conducted to verify that the satellite is capable being launched in the space. The tests include the Thermal vacuum tests which simulates the extreme temperatures in the space, and the vibration tests which simulate the vibrations of the rocket during the launch phase.

The reduction in size of satellite platforms has democratized access to space, significantly increasing the number of small satellites orbiting the Earth. These platforms offer advantages over traditional monolithic missions, but their reduced size constrains performance and limits mission capabilities. This dissertation addresses the novel concept of Federated Satellite Systems (FSS) as a cooperative strategy among small satellites, evaluating the deployment of FSS among PocketQubes. It contributes to the PoCat-Lektron mission conducted at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) NanoSatLab, accepted in the Fly Your Satellite (FYS) program. The contribution is focused on the two main FSS protocols (OSADP and FeDeCoP) and their integration with the On-Board Computer (OBC) and Communications modules. Additionally, this dissertation presents an extension of the Distributed Satellite System Simulator (DSS-SIM), which is currently being developed and maintained at i2CAT, enhancing its capabilities by enabling the integration of hardware-in-the-loop into the simulation tool.

La reducción del tamaño de las plataformas de satélites ha democratizado el acceso al espacio, aumentando considerablemente el número de pequeñas plataformas en órbita alrededor de la Tierra. Estas plataformas ofrecen ventajas frente a las misiones monolíticas tradicionales, pero su reducido tamaño restringe el rendimiento limitando las capacidades de las misiones. Esta tesis aborda el novedoso concepto de Sistemas de Satélites Federados (FSS) como estrategia cooperativa entre pequeños satélites, evaluando el despliegue de FSS entre PocketQubes. Contribuyendo a la misión PoCat-Lektron llevada a cabo en el NanoSatLab de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), y aceptada en el programa Fly Your Satellite (FYS). La contribución se centra en los dos protocolos principales del FSS (OSADP y FeDeCoP) y su integración con el ordenador de a bordo (OBC) y los módulos de comunicaciones. Además, esta tesis presenta una extensión del Simulador de Sistemas de Satélite Distribuidos (DSS-SIM), que actualmente se está desarrollando y manteniendo en i2CAT, mejorando sus capacidades al permitir la integración de hardware-in-the-loop en la herramienta de simulación.

In recent years, the agricultural sector has faced major challenges due to climate variability. Droughts and floods are severely affecting harvests, even altering the properties of farmland. Rising global temperatures also have a direct impact on soil moisture. This is why it is so important today to obtain accurate information on soil moisture down to the root zone in a practical way. P-band is well suited for remote sensing of Root Zone Soil Moisture (RZSM) thanks to the improved penetration depth, as compared to shorter wavelengths. Unfortunately, the P-band spectrum is very crowded with communications signals, and standard radar or radiometric measurements are not always possible. Therefore, the use of Signals of Opportunity (SoOp) at P-band, i.e. existing radio frequency signals or emissions originally intended for other purposes, as a source of information for remote sensing is the solution that this work aims to explore. This Master Thesis investigates the potential P-band SoOp, evaluates their suitability for remote sensing of RZSM, and experimentally demonstrates how to retrieve RZSM information from a crop field with reflectometry measurements using the most promising SoOp option.

En los últimos años, el sector agrícola se ha enfrentado a grandes retos debido a la variabilidad climática. Las sequías e inundaciones están afectando gravemente a las cosechas, alterando incluso las propiedades de los campos de cultivo. El aumento de la temperatura global también tiene un impacto directo en la humedad del suelo. Por eso es tan importante hoy en día obtener de forma práctica información precisa sobre la humedad del suelo hasta la zona de las raíces. La banda P es muy adecuada para la teledetección de la humedad del suelo en la zona radicular (RZSM) gracias a su mayor profundidad de penetración, en comparación con longitudes de onda más cortas. Desgraciadamente, el espectro de la banda P está muy saturado de señales de comunicaciones, y no siempre es posible realizar mediciones con radares convencionales o mediante radiometría. Por tanto, el uso de Señales de Oportunidad (SoOp) en banda P, es decir, señales de radiofrecuencia existentes o emisiones originalmente destinadas a otros fines, como fuente de información para teledetección es la solución que este trabajo pretende explorar. Este Trabajo de Fin de Máster investiga las potenciales SoOp en banda P, evaluando su idoneidad para la teledetección de la RZSM, y demuestra experimentalmente cómo obtener información de la RZSM de un campo de cultivo con medidas de reflectometría utilizando la opción de SoOp más prometedora.

The space industry has grown in recent years, leading to advancements in satellite constellations communications. In such environments, communications can suffer from intermittent link availability and poor connection quality. Disruption/Delay Tolerant Networks (DTNs) address these challenges, with the Bundle Protocol (BP) as a key protocol based on a store-and-forward algorithm. The Distributed Satellite Systems Simulator (DSS-SIM) aims to simulate satellite constellations but lacks the capability to simulate DTNs. This project focuses on integrating the BP into DSS-SIM to enable DTN simulation. Instead of starting from scratch, the objective is to create an interface that allows the simulation of existing BP developments that have been tested in real conditions and are well-maintained. Due to its lightweight and open-source nature, µD3TN was selected for integration. This ensures DSS-SIM remains up-to-date and provides a tool for performance testing and validation, identifying potential issues, and optimizing satellite communication technologies for both current and future implementations.

La industria espacial ha avanzado significativamente, mejorando las comunicaciones para constelaciones de satélites. En estos entornos, las conexiones pueden ser intermitentes y de baja calidad. Las Redes Tolerantes a la Disrupción/Retardo (DTN) abordan estos desafíos, con el protocolo Bundle (BP) como componente clave basado en el algoritmo de almacenamiento y reenvío. El Simulador de Sistemas de Satélites Distribuidos (DSS-SIM) busca simular redes de satélites, pero no cubre DTNs. Este proyecto tiene como objetivo integrar el BP en el DSS-SIM para permitir esta simulación. En lugar de comenzar desde cero, se creará una interfaz para incorporar soluciones BP probadas y bien mantenidas. Se ha elegido µD3TN por su ligereza y código abierto, asegurando que el DSS-SIM se mantenga actualizado y sea útil para pruebas, validación y optimización de tecnologías de comunicación por satélite.

Este trabajo tiene como objetivo la estimación de la humedad del suelo utilizando técnicas avanzadas de aprendizaje automático. La predicción precisa de la humedad del suelo es crucial en diversos campos como la gestión agrícola, el monitoreo ambiental y la planificación de recursos hídricos. Sin embargo, debido a la complejidad inherente de las interacciones entre los diferentes factores que afectan la humedad del suelo, como las condiciones meteorológicas, la vegetación y la evapotranspiración, la estimación precisa es un reto considerable. Por ello, en este estudio se han empleado múltiples arquitecturas de redes neuronales con el fin de abordar este problema desde diferentes enfoques. El primer modelo explorado es una red multimodal basada en transformers, una arquitectura avanzada que se ha mostrado particularmente efectiva en tareas de procesamiento secuencial y de serie temporal. En esta red, se combinan tres fuentes de datos: datos meteorológicos, índices de vegetación (NDVI) y datos de evapotranspiración, que son procesados conjuntamente para capturar las relaciones complejas entre las diferentes variables que afectan la humedad del suelo. Sin embargo, los resultados iniciales no fueron satisfactorios, mostrando problemas relacionados con la memoria de las predicciones pasadas, lo que llevó a plantear posibles mejoras en la estructura del modelo. En un segundo enfoque, se adoptó una estrategia de división del problema en submodelos individuales, es decir, se diseñaron redes neuronales independientes para predecir la humedad en cada sonda de manera específica. Este enfoque simplifica la tarea de predicción al reducir la complejidad del modelo para cada red individual. Aunque los resultados fueron ligeramente mejores que en el modelo basado en transformers, se observó que la falta de memoria a largo plazo en estos modelos seguía afectando el rendimiento, especialmente en la capacidad para capturar patrones temporales complejos. Finalmente, se desarrolló un tercer modelo más sencillo, basado en una red neuronal densa con dos capas ocultas y técnicas de regularización, como Dropout y L2. Esta red mostró un rendimiento más consistente en términos de aprendizaje, aunque aún presentaba un cierto grado de ruido en las predicciones. Para mitigar este efecto, se aplicaron varios filtros de suavizado, como el filtro de media móvil y el filtro gaussiano, lo que permitió mejorar la calidad de las predicciones, aunque no se eliminó completamente el problema. A lo largo de este trabajo, se ha llevado a cabo un análisis detallado del rendimiento de los diferentes modelos, destacando las ventajas y limitaciones de cada uno. En particular, se ha identificado que la memoria de las predicciones anteriores es un factor clave que debe ser abordado para mejorar la precisión de las estimaciones de humedad del suelo. Además, el uso de técnicas de regularización y el suavizado de las predicciones han demostrado ser herramientas útiles para mejorar la estabilidad del modelo y reducir el sobreajuste.

Aquest treball té com a objectiu l'estimació de la humitat del sòl utilitzant tècniques avançades d'aprenentatge automàtic. La predicció precisa de la humitat del sòl és crucial en camps com la gestió agrícola, el monitoratge ambiental i la planificació de recursos hídrics. No obstant això, degut a la complexitat inherent de les interaccions entre els diferents factors que afecten la humitat del sòl, com ara les condicions meteorològiques, la vegetació i l'evapotranspiració, l'estimació precisa és un repte considerable. Per això, en aquest estudi s'han emprat múltiples arquitectures de xarxes neuronals amb la finalitat d'abordar aquest problema des de diferents enfocaments. El primer model explorat és una xarxa multimodal basada en transformers, una arquitectura avançada que ha demostrat ser particularment efectiva en tasques de processament seqüencial i de sèries temporals. En aquesta xarxa es combinen tres fonts de dades: dades meteorològiques, índexs de vegetació (NDVI) i dades d'evapotranspiració, que són processades conjuntament per captar les relacions complexes entre les diferents variables que afecten la humitat del sòl. Tanmateix, els resultats inicials no van ser satisfactoris, mostrant problemes relacionats amb la memòria de les prediccions anteriors, cosa que va portar a plantejar possibles millores en l'estructura del model. En un segon enfocament, es va adoptar una estratègia de divisió del problema en submodels individuals, és a dir, es van dissenyar xarxes neuronals independents per predir la humitat a cada sonda de manera específica. Aquest enfocament simplifica la tasca de predicció en reduir la complexitat del model per a cada xarxa individual. Tot i que els resultats van ser lleugerament millors que en el model basat en transformers, es va observar que la manca de memòria a llarg termini en aquests models continuava afectant el rendiment, especialment en la capacitat de capturar patrons temporals complexos. Finalment, es va desenvolupar un tercer model més senzill, basat en una xarxa neuronal densa amb dues capes ocultes i tècniques de regularització, com ara Dropout i L2. Aquesta xarxa va mostrar un rendiment més consistent en termes d'aprenentatge, tot i que encara presentava un cert grau de soroll en les prediccions. Per mitigar aquest efecte, es van aplicar diversos filtres de suavització, com ara el filtre de mitjana mòbil i el filtre gaussià, que van permetre millorar la qualitat de les prediccions, tot i que no es va eliminar completament el problema. Al llarg d'aquest treball s'ha fet una anàlisi detallada del rendiment dels diferents models, destacant els avantatges i limitacions de cadascun. En particular, s'ha identificat que la memòria de les prediccions anteriors és un factor clau que cal abordar per millorar la precisió de les estimacions d'humitat del sòl. A més, l'ús de tècniques de regularització i el suavitzat de les prediccions han demostrat ser eines útils per millorar l'estabilitat del model i reduir el sobreajust.

This bachelor's thesis focuses on the design of the solar panels to Cube-Cat-8, the upcoming satellite that UPC will send into space to analyse aurora borealis. In the NanoSatLab laboratory, I have carried out numerous designs, seeking to maximise the surface area of solar cells while simultaneously respecting the structural design of the satellite. To choose the best design, I conducted comparative vibration analyses to assess the structural performance of different designs and select the one that yielded the best results. Additionally, I performed two tests on solar cells, involving the verification of their operation and measurement of short-circuit current under AM0 conditions. Finally, in the last phase of the work, I focused on the design of electrical schematics for the realization of PCBs and thus ensure an efficient interconnection of the system to contribute to the success of the mission.

Este trabajo de fin de grado se centra en el diseño de los paneles solares destinados al Cube-Cat-8, el próximo satélite que la UPC enviará al espacio con el objetivo de analizar auroras boreales. En el UPC NanoSatLab, he realizado numerosos diseños, buscando maximizar tanto como fuera posible la superficie de las células solares, pero respetando al mismo tiempo el diseño estructural del satélite. Para elegir el mejor, realicé análisis de vibraciones comparativos para evaluar el rendimiento estructural de los diferentes diseños y seleccionar el que ofrecía mejores resultados. Además, llevé a cabo dos pruebas de células solares, consistentes en verificar su funcionamiento y medir la corriente en cortocircuito en condiciones de AM0. Finalmente, en la última fase del trabajo, me centré en el diseño de los esquemáticos eléctricos para la realización de las PCBs y asegurar así una eficiente interconexión del sistema para contribuir al éxito de la misión.

In the context of the 3Cat-8 mission, a CubeSat standard nanosatellite under development at the NanoSat Lab (UPC), the conception, design, and measurement of a prototype have been carried out. This prototype includes one of the essential elements for communications: the antennas. Designed to be placed on one of the external faces of the spacecraft, this structure aims to group the resonant elements for the L1 band for GNSS-Reflectometry, as well as the S-band for data uplink and downlink, and the X-band for data downlink. The technology used to implement these components has been microstrip antennas due to their compact and lightweight nature. However, the proper development has been affected by external limitations, ultimately leading to the exclusion of the S-band in the measured prototype, which has been replaced by COTS antennas.

En el contexto de la misión 3Cat-8, un nanosatélite del estándar CubeSat en desarrollo en el NanoSat Lab (UPC), se ha llevado a cabo la concepción, diseño y medición de un prototipo que incluye uno de los elementos imprescindibles para las comunicaciones: las antenas. Esta estructura, diseñada para ser colocada en una de las caras externas del satélite, tiene como objetivo agrupar los elementos resonantes de la banda L1 para Reflectometría GNSS, banda S para la subida y bajada de datos, y banda X para la bajada de datos. La tecnología utilizada para implementar estos componentes ha sido la de antenas microstrip, debido a su naturaleza compacta y ligera. Sin embargo, el correcto desarrollo se ha visto afectado por limitaciones externas, provocando finalmente la exclusión de los modelos de banda S en el prototipo mesurado, y su reemplazo por antenas COTS.

3Cat-8 is a mission based on a 6U satellite developed by the UPC NanosatLab group (technical University of Catalonia). The main goal of the satellite is for academic purposes and for ionospheric research. The satellite is composed in different subsystems. This Final degree thesis is focused on the communication subsystem, designing and implementing the S-band and X-band communication system.

3Cat-8 es una misión basada en un satélite 6U, desarrollado por el NanosatLab de la UPC (Universidad politécnica de Cataluña) Los Principales objetivos de este satélite son académicos para investigar sobre la Ionosfera. El satélite está dividido en diferentes subsistemas, este TFG está enfocado a la parte de Comunicaciones, más concretamente, al diseño e implementación del sistema de comunicaciones de banda X y banda S.

Despite the great advances that have been made in space exploration over the past century, the number of unknowns that remain to be resolved is still very large. The need for new discoveries and the validation of theories drives the continuous development of new technologies and the improvement of existing ones. Space weather and heliophysics are an important space exploration area that allow to understand the interaction between stars and planets as well as the universe and its origins. In the space weather field there are many different phenomena to study, with one notable event being the aurora borealis. These phenomena are a visible consequence of the interactions between our planet and the Sun, thus, they have important relevance for the scientific community. While the origin of auroras is relatively well understood, there are a lot of properties and effects whose origin is still unknown and which can give important insights to the field. The objective of this thesis is to contribute to the advancement of technology used in sounding rocket missions aimed to studying auroras. This project centers on the redesign of the hardware used in a high-frequency electric field detector as well as the implementation of a real-time data acquisition system focusing on the ground-segment software. The thesis has been carried out in the code 673 of the heliophysics division of NASA Goddard Space Flight center.

A pesar de los grandes avances que se han logrado en la exploración espacial durante el último siglo, la cantidad de incógnitas que aún deben resolverse es todavía muy grande. La necesidad de nuevos descubrimientos y la validación de teorías impulsa el continuo desarrollo de nuevas tecnologías así como la mejora de las ya existentes. El clima espacial y la heliofísica son áreas importantes de exploración espacial que permiten entender la interacción entre estrellas y planetas, así como el universo y sus orígenes. En el campo del clima espacial, hay muchos fenómenos diferentes para estudiar, y entre ellos se encuentran las auroras boreales. Estos fenómenos son una consecuencia visible de las interacciones entre nuestro planeta y el Sol, por lo tanto, tienen una relevancia importante para la comunidad científica. Aunque su origen es conocido, hay muchas propiedades y efectos aún desconocidos y que pueden aportar descubrimientos importantes para la ciencia. El objetivo de esta tesis es contribuir al avance de la tecnología utilizada en misiones de cohetes de sondeo destinadas al estudio de las auroras. Este proyecto se centra en rediseñar el hardware utilizado en un detector de campo eléctrico de alta frecuencia, así como en la implementación de un sistema de adquisición de datos en tiempo real centrado en el software del segmento terrestre. La tesis se ha llevado a cabo en el código 673 de la división de heliofísica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.

This project focuses on the development of a versatile and adaptable ground station, that can be fully operated remotely, so as to meet the mission requirements of the 3Cat-4 satellite. This ground station, has been constructed at the Observatori Astronòmic del Montsec (OAdM) in Lleida, Spain, aims to provide efficient and reliable communication and data transfer capabilities for the satellite, enabling effective command and control operations. The design incorporates provisions for future mission expansions, ensuring scalability and adaptability. By constructing this advanced remotely operated ground station, the project aims to enhance satellite communication capabilities and contribute to the global network of nanosatellite gound control stations.

Este proyecto se centra en el desarrollo de una estación terrestre versátil y adaptable, que pueda ser operada completamente de forma remota, para cumplir con los requisitos de la misión del satélite 3Cat-4. Esta estación terrestre, construida en el Observatori Astronòmic del Montsec (OAdM) en Lleida, España, tiene como objetivo proporcionar capacidades eficientes y confiables de comunicación y transferencia de datos para el satélite, permitiendo operaciones efectivas de comando y control. El diseño incorpora disposiciones para futuras expansiones de la misión, asegurando escalabilidad y adaptabilidad. Mediante la construcción de esta avanzada estación terrestre operada de forma remota, el proyecto tiene como objetivo mejorar las capacidades de comunicación de satélites y contribuir a la red global de estaciones de control terrestre de nanosatélites.

The project developed in this thesis consists of the assembly, integration, verification and testing of the different subsystems of a PocketQube (Electrical Power Supply, Altitude Determination and Control System, On-Board Computer and Communications System). In this thesis, after a soldering training, the different PCBs of the PocketQube have been assembled.Subsequently, different tests have been designed and executed in order to verify the correct behaviour of the PCB, first electrically and then functionally. Lastly, the payloads had been integrated and tested as a whole in an Electrical Ground Support Equipment.

El proyecto desarrollado en este trabajo de fin de grado consiste en el ensamblaje, integración, verificación y prueba de los diferentes subsistemas de un PocketQube (Electrical Power Supply, Altitude Determination and Control System, On-Board Computer and Communications System). En este trabajo de fin de grado, después de realizar un entrenamiento de soldadura, se han ensamblado las diferentes PCB del PocketQube. Posteriormente, se diseñaron y llevaron a cabo diferentes tests para verificar el correcto funcionamiento de las PCB, primero a nivel eléctrico y luego funcional. Por último, se integraron y probaron las placas como un todo utilizando el Electrical Ground Support Equipment

This thesis is devoted to the study of the radio communication blackout effect, produced in spacecrafts during its atmospheric re-entry. This phenomenon is produced by plasma, which is caused by atmospheric friction. The main challenge is to adapt an ionospheric propagator in Matlab to reproduce the spacecraft re-entry situation, to analyse the propagation of the electromagnetic waves through the plasma and to investigate and apply different mitigation techniques, which includes the creation of magnetic fields and the use of higher frequencies. As a result of the project, the behaviour of an electromagnetic wave has been characterized passing through three different plasma layers which simulated the plasma present at three different altitudes. Moreover, the introduction of mitigation techniques is also represented in the results.

Aquest treball està dedicat a l'estudi de l'efecte Blackout en comunicacions de radio, produït en les naus espacials durant la seva reentrada atmosfèrica. Aquest fenomen és produït pel plasma que es genera degut a la fricció atmosfèrica. El principal repte és adaptar un simulador de propagació d'ones electromagnètiques a la ionosfera programat en Matlab per a reproduir la situació de reentrada d'una nau espacial, analitzar la propagació de les ones electromagnètiques a través del plasma i investigar i aplicar diferents tècniques de mitigació, que inclouen la creació de camps magnètics i l'ús de freqüències més altes. Com a resultat del projecte, s'ha caracteritzat el comportament de la propagació d'una ona electromagnètica en travessar tres capes de plasma diferents que simulen el plasma present a tres altituds diferents. A més, la introducció de tècniques de mitigació també està representada en els resultats.

In this TFG, the following tasks will be conducted: 1- Interfacing payload and other sensors with an STM32 microprocessor acting as On Board Computer (OBC) of a PocketQube 2- Environmental Tests of the payload (Thermal and Vaccuum Chamber and Shake table test) 3- Electrical and functional haracterization of payload wrt different types of radio frequency interfences.

En este TFG, se llevarán a cabo las siguientes tareas: 1- Interconectar la carga útil y otros sensores con un microprocesador STM32 que actúa como Computadora a Bordo (OBC) de un PocketQube. 2- Realizar pruebas ambientales de la carga útil (pruebas de temperatura y vacío en una cámara y pruebas en una mesa de vibraciones). 3- Caracterizar eléctrica y funcionalmente la carga útil con respecto a diferentes tipos de interferencias de radiofrecuencia.