Medida del campo geomagnético en órbita baja con sensores magnéticos COTScaracterización, calibración en vuelo y validación de los sensores

Resumen

OBJETIVOS En el marco de la observación de la Tierra desde plataformas espaciales españolas, se estudian los datos magnéticos de NANOSAT-1B desde julio de 2009 hasta diciembre de 2014. Se persigue desarrollar unas técnicas de laboratorio y una metodología de calibración magnética en tierra y en vuelo, de aplicabilidad para pequeños satélites de demostración tecnológica dotados de instrumentación magnética con componentes comerciales (COTS, Commercial Off-The-Shelf). Se hace un estudio de la degradación de los sensores COTS para verificar su adecuación en misiones de demostración. MOTIVACIÓN 1. No existe en España una instalación de referencia para la calibración de sensores magnéticos y la medida de propiedades magnéticas de plataformas embarcadas. 2. Las ventajas de los sensores comerciales para vuelo son el bajo coste, la continuidad o la rápida disponibilidad pero conllevan el riesgo de fallo (radiación, alto vacío, temperaturas extremas), por lo que han de ser validados para espacio. 3. El posicionamiento de los sensores dentro del cuerpo del satélite supone una importante simplificación, pero se pierde control de la limpieza magnética. Una adecuada calibración en vuelo puede contrarrestar este problema. 4. La cantidad de pequeños satélites en órbita puede suponer una importante base de datos para el estudio y modelización de fenómenos solares extremos con cobertura global. METODOLOGÍA Para la calibración en tierra se adaptan nuevas técnicas experimentales e instrumentación al Laboratorio de Magnetismo Espacial del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA): cribado de los componentes COTS, limpieza magnética, alineación con las bobinas, mesas rotatorias, técnicas de desimanación y software original para el control de la instrumentación. Para el tratamiento de datos en vuelo se implementan: métodos de data mining, algoritmos iterativos para la calibración en órbita (método V_SCAN), modelos de campo magnético terrestre (World Magnetic Model, (McLean et al., 2004; Maus et al., 2009)) y algoritmos de calibración en órbita basados únicamente en datos de los magnetómetros (método TWOSTEP (Alonso & Shuster, 2002-a,b,c)). Se estudia la degradación de los COTS analizando la calibración en órbita para verificar el funcionamiento de los componentes en las condiciones de la órbita baja terrestre para tiempos de vida útil de cinco años. Se analizan las medidas magnéticas durante una eyección de masa coronal para tratar de verificar que su detección ha tenido lugar, respaldando los resultados con lo registrado por los observatorios magnéticos de la red Intermagnet (www.intermagnet.org). RESULTADOS La calibración del instrumento magnético vectorial de NANOSAT-1B (ganancias, offset, no ortogonalidad y ángulos de Euler): apantallamientos por debajo de 1/10000, precisiones de 7 nT y error en la alineación de 1 - 2 °; capacidad de medida en un rango de +/- 60000 nT, resolución de 10 nT, no ortogonalidad por debajo de los 2.30 ° y control de la temperatura de +/- 0.5 °C en un rango de -5 a 38 °C. La calibración en órbita arroja un margen de error con precisión de hasta 25 nT, dispersión típica de en torno a los +/- 500 nT y error en el factor de escala del orden del 1 %. Se demuestra que no es posible alcanzar una determinación absoluta de la orientación del satélite utilizando únicamente medidas magnéticas. La degradación de los sensores magnéticos COTS utilizados se encuentra entre los 30 y 100 nT/año, con una evolución del error en el factor de escala de 0.69 %/año. Se ha podido discriminar una señal de entre 87 y 110 +/- 15 nT correspondiente a la eyección de masa coronal del 10 de marzo de 2011. CONCLUSIONES 1. Se consigue desarrollar y mejorar una metodología para la calibración en tierra y en órbita de sensores magnéticos vectoriales, sirviendo al sistema de control de actitud y cumpliendo objetivos científicos moderados. 2. Se validan los sensores magnéticos COTS para misiones de 5 años.