Contribution to the development of pico-satellites for Earth observation and technology demonstrators

Abstract

The submitted Ph.D. thesis is a contribution to the development of pico-satellites and nano-satellites for Earth Observation and Technology Demonstrators. Development of satellites with a mass from 1 kg up to 10 kg has really boosted during the past 15 years offering large costs reduction with respect to conventional (larger) satellites at compromised performances. However, these performances are increasing step by step, and their potential is about to explode. With 1.3 kg and a volume of 1 liter, 3Cat-1 is the first pico-satellite class satellite with up to seven different payloads on board: a harvesting energy powered beacon, a new topology solar cells, an optical sensor, a Geiger counter, a mono-atomic MEMS oxygen detector, a graphene transistor, and a Wireless Power Transfer experiment. Additionally, many main subsystems like the Electrical Power, the Attitude Determination and Control, and the Communication subsystems have been developed during this PhD. A description of each subsystem and how they have been integrated under these constrains are described in this PhD Thesis report. In the subsystems and in the experiments there are novel concepts and designs that will be explained. Some have been already published in the technical and scientific literature, others will be in the near future.

Tesi doctoral és una contribució al desenvolupament de pico-satèl.lits per a observació de la Terra i demostradors tecnològics. El desenvolupament de satèl¿lits amb massa d'entre 1 kg i 10 kg ha crescut ràpidament durant els darrers 15 anys, oferint importants reduccions de cost respecte els satèl.lits més convencionals (i més grans) amb unes prestacions menors però al mateix temps, acceptables. No obstant, aquestes prestacions estan millorant pas a pas, i el seu potencial a prop d'explosionar. Amb una massa de 1.3 kg i un volum d'un litre, el 3Cat-1 és el primer pico-satèl.lit de la seva categoria equipat amb set diferents càrregues útils a bord: un senyal de radio-balisa alimentat amb energia provinent d'un sistema recol.lector d'energia ambient, una nova topologia de cel.les solars, un sensor òptic, un comptador Geiger, un detector MEMS d'oxigen atòmic, un transistor de grafè, i un experiment de transmissió d'energia per acoblament inductiu. A més a més, molts dels subsistemes com ara el d'energia elèctrica, control i determinació d'actitud, i el subsistema de comunicacions han estat desenvolupats durant aquesta Tesi doctoral. Una descripció de cada subsistema, i com han estat integrats en condicions d'espai, massa i energia reduïdes, s'explica en aquest document. En els subsistemes i en els experiments hi ha nous conceptes i dissenys explicats. Alguns han estat ja publicats en la literatura científica mentre que altres ho seran en un futur proper