Canarias firma la electrónica de la futura generación de satélites

El IUMA-ULPGC lidera la fabricación de circuitos para comprimir imágenes hiperespectrales, altamente demandados por la Agencia Espacial Europea y empresas de sector aeroespacial

De izquierda a derecha, Antonio Sánchez, Martin Gervais (Universidad de La Sorbona, París), Roberto Sarmiento, Samuel Torres, David Nielsen, Felipe Machado y Thimothée Moulin (La Sorbona).

De izquierda a derecha, Antonio Sánchez, Martin Gervais (Universidad de La Sorbona, París), Roberto Sarmiento, Samuel Torres, David Nielsen, Felipe Machado y Thimothée Moulin (La Sorbona). / Andrés Cruz

Las Palmas de Gran Canaria

Canarias está a la cabeza en Europa en el diseño de la electrónica de la futura generación de satélites espaciales, gracias a la labor científico-tecnológica que viene desarrollando desde hace 15 años, bajo la batuta del catedrático de Tecnología Electrónica Roberto Sarmiento, el grupo de investigación de Diseño de Sistemas Integrados (DSI) del Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada (IUMA) de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), en torno al diseño de sistemas integrados electrónicos embarcados en satélites o naves espaciales, con una amplia experiencia en circuitos para comprimir imágenes hiperespectrales, un campo en el que gozan del mayor reconocimiento internacional. Ello ha hecho que los circuitos electrónicos (IPs) que utiliza la industria espacial europea lleven su firma, y actualmente lideran proyectos financiados por la Agencia Espacial Europea (ESA), la Unión Europea, y las principales empresas del sector aeroespacial, tales como Thales Alenia Space, Sener, GMV, Airbus o Teletel.

Teledectección

Tal y como señala el investigador del IUMA, Roberto Sarmiento, el escenario actual de la teledetección está definido por el crecimiento exponencial del uso comercial de satélites en órbita baja; el aumento de la demanda de sistemas de bajo costo para computación espacial de alto rendimiento (HPSC) y comunicaciones que utilizan hardware comercial; y la expansión de la big data de teledetección. En la apuesta actual por el lanzamiento de satélites más pequeños (smallsats y particularmente cubesats), los grandes retos giran en torno a subsanar la ingente cantidad de información adquirida a bordo del satélite (de gibabytes por día a terabytes por día); las limitaciones del ancho de banda de conexión del satélite (downlink), que está casi saturado en este momento; y la demanda de procesamiento de la información en tiempo real. «Mucha información adquirida a bordo es inútil, ya sea porque es redundante o porque no incluye la información correcta como escenas nubladas, por ejemplo», indicó Sarmiento.

El objetivo último es que los usuarios puedan recibir directamente información personalizada casi en tiempo real desde el satélite a través del terminal móvil , por ejemplo, de forma que «el tiempo necesario para conectar el satélite al usuario final» puede reducirse de días a minutos, superando así el principal «cuello de botella» del servicio de información de teleobservación para aplicaciones urgentes. «La función de los satélites inteligentes de teleobservación es proporcionar servicios de información de teledetección tipo GPS para mejorar la eficiencia de las imágenes de teledetección y la utilización de los datos de teleobservación».

CHIME

En este contexto, el grupo de Diseño de Sistemas Integrados del IUMA, constituido, además de por el profesor Sarmiento, por los investigadores Antonio Sánchez, Felipe Machado, Samuel Torres y David Nielsen, participan en la Misión de Imágenes Hiperespectrales de Copérnico (CHIME), de la Agencia Espacial Europea (ESA), una de las seis nuevas misiones destinadas a ampliar la gama actual de misiones Sentinel. CHIME constará de dos satélites, diseñados para proporcionar imágenes hiperespectrales sistemáticas que se pueden utilizar para cartografiar los cambios en la superficie terrestre y apoyar las prácticas agrícolas sostenibles.

Los satélites CHIME serán construidos por un consorcio industrial formado por 44 empresas de 17 países. El contratista principal es Thales Alenia Space France (TAS-F); el instrumento CHIME será construido principalmente por la empresa OHB Systems Alemania, y la empresa AMOS de Bélgica desarrollará el espectrómetro, que es la parte principal de la cámara hiperespectral.

El Instituto de Microelectrónica Aplicada de la ULPGC tiene la llave contra la saturación de datos y ancho de banda en el espacio

En esta misión, los investigadores del IUMA-ULPGC participan en el desarrollo de los circuitos de compresión y procesamiento de las imágenes hiperespectrales capturadas a bordo. Este trabajo lo desarrollan junto con la empresa Thales Alenia Space en sus sedes en España y en Francia.

Para ver el alcance de su trabajo, cabe destacar que será la primera vez que en las misiones de la ESA se incluya un algoritmo inteligente que es capaz de detectar las nubes y hacer una compresión selectiva dependiendo de si cada pixel capturado tiene presencia de nubes o no. «Dado que la superficie de la tierra está cubierta en aproximadamente un 50% de nubes, esto significará un gran ahorro de ancho de banda en la comunicación del satélite y la estación terrena», explicó Roberto Sarmiento. El desarrollo final se realizará sobre un circuito programable (FPGA) que es tolerante a la radiación espacial.

EROSS

El proyecto europeo EROSS – IOD (European Robotic Orbital Support Services In Orbit Deonstratior) incluye un consorcio de 12 empresas -entre ellas las españolas Sener Aeroespacial y GMV Aerospace & Defence-, en el que participa como único grupo universitario el de Diseño de Sistemas Integrados del Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada de la ULPGC. El objetivo de esta misión es realizar un satélite, denominado Servicer, que permite una amplia gama de servicios de apoyo a otros satélites, tales como reparación, repostaje, desorbitado, etcétera. En la fase actual del proyecto se realizará una demostración en órbita que incluyen el lanzamiento de un satélite principal (que proporciona los servicios) y un satélite auxiliar (satélite cliente). Ambos se lanzarán en 2026 y el sistema final estará en funcionamiento de prueba entre 2027 y 2028.

Antonio Sánchez, Felipe Machado y Samuel Torres trabajan en el proyecto  EROSS.

Antonio Sánchez, Felipe Machado y Samuel Torres trabajan en el proyecto EROSS. / Andrés Cruz

Los investigadores de la división DSI del IUMA están a cargo del sistema de imagen y vídeo, que incluye el procesamiento y compresión de imágenes y vídeo en tiempo real, tanto en el satélite en sí como en el brazo robótico. «El satélite original, digamos que es el taller, tiene un brazo robótico realizado por inteligencia artificial, que puede capturar otros satélites, se acerca, los captura, y bien los desorbita, porque hay un problema grave en el espacio que es la basura espacial, o si tienen alguna avería poder cambiar alguna cosa puntual o administrarle energía para que siga funcionando. Tendrá cámaras en el propio satélite y en el brazo robótico, y nosotros en el IUMA hacemos los circuitos de compresión, tanto de imágenes como de vídeo».

Los investigadores del grupo DSI crean un algoritmo inteligente capaz de detectar nubes y comprimir imágenes de forma selectiva

En este sentido, Sarmiento aclaró que el subsistema de procesamiento de imágenes desempeña un papel central en la detección y seguimiento del satélite cliente. «Se encargará de generar la estimación de pose para ser procesada por la función de navegación para propagar la posición relativa y la actitud en el tiempo». Dependiendo de la distancia relativa, el procesamiento de imágenes proporcionará diferentes mediciones: una fase de largo alcance, donde las técnicas de centroide se utilizan para proporcionar mediciones de línea de visión una vez que se detecta el cliente; y fase de corto alcance en la que se utilizan técnicas basadas en modelos para derivar la pose relativa completa (posición/actitud) del cliente.

«Nosotros desarrollamos un circuito digital, que lo que hace es comprimir vídeos sobre la marcha, los guarda o los envía a la tierra en tiempo real prácticamente. Y lo mismo con la imagen hiperespectral, pero en vez de comprimir vídeos, comprime fotos. Un ejemplo de esto son las imágenes de la lava del volcán de la Palma, que se iban enviando prácticamente al momento para ver la evolución», apuntó Machado.

Imagen de un FPGA (circuito electrónico) fabricado para NanoXplore por los nvestigadores del IUMA.

Imagen de un FPGA (circuito electrónico) fabricado para NanoXplore por los nvestigadores del IUMA. / Andrés Cruz

«En el espacio tienes recursos hardware limitados, mucha menos potencia que la de un PC aquí. Los canales de transmisión también tienen un ancho de banda limitado, y generas tanta información ahí arriba que necesitas comprimirla antes de mandarla y ahí es donde entramos nosotros. No hay mucha gente que se dedique a este tema en concreto y si muchos interesados en mandar satélites al espacio con sensores que capturan mucha información y no tienen el conocimiento de cómo mandarla a la tierra sin perder información o la menos posible», concretó Antonio José Sánchez.

Sentinel 2

El grupo DSI del IUMA también participa en la misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) que desarrollará los próximos satélites de la misión Sentinel 2 de nueva generación (S2NG), que reemplazará, a principios de la próxima década, a la generación actual en funcionamiento (Sentinel-2A y Sentinel 2B, en órbita desde 2015 y 2017, respectivamente). Su objetivo es dar continuidad al seguimiento del crecimiento de las plantas y a los cambios cartográficos en la cubierta terrestre, así como en el seguimiento de los bosques del mundo más allá de 2030.

Esta misión, actualmente en fase de definición y predesarrollo, está dirigida por la empresa alemana OHB y va a mejorar las características de las imágenes adquiridas de manera significativa. «Con la próxima generación, será posible volver a visitar cada sitio cada tres días (cada 5 días en la actualidad) con una resolución de imagen considerablemente mejorada de hasta 5 metros (el doble mejor que la actual) y una precisión espectral aún mayor». Según ha señalado Stephan Holsten, jefe del Departamento de Misiones y Aplicaciones de Observación de la Tierra en el Predesarrollo de OHB, será «un gran avance tecnológico que permitirá a los agricultores, por ejemplo, planificar mejor el cultivo de sus campos, lo que contribuirá a una mayor seguridad alimentaria».

Los investigadores de la ULPGC participarán, junto con la empresa francesa EREMS y el principal contratista OHB, en el procesamiento en tiempo real y a bordo, de las imágenes tomadas por los satélites. «El satélite tomará imágenes en diferente longitud espectral y con resoluciones espaciales de 5, 10, 20 y 60 metros, lo cual es todo un reto para el procesamiento a bordo. Los Sentinel ya están proporcionando valiosos servicios para la agricultura y la silvicultura, así como para la protección contra el clima y los desastres naturales».

Thales Alenia Space

En cuanto a la empresa privada, son muchos los proyectos de innovación en los que colabora el grupo que dirige Roberto Sarmiento, entre ellos, el de Thales Alenia Space en España, en el que trabaja Samuel Torres. «El objetivo de este proyecto experimental es desarrollar un framework, una serie de herramientas para llevar redes neuronales al satélite que permitan, por ejemplo, controlar un sensor, la temperatura de operación, la dirección..., en definitiva, para hacer más autónomo los satélites». En este sentido, Torres avanzó que el objetivo último no es solo comprimir datos, «sino llegar al punto de que no haya necesidad de mandar estos datos a tierra, para que el satélite pueda funcionar de forma autónoma, darle más inteligencia», concluyó.

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