Top Banner
1 QB50 Sensor Selection Working Group (SSWG) Final Report 19 March 2012 Editor: Prof. Alan Smith Mullard Space Science Laboratory (MSSL) University College London (UCL) Holmbury St. Mary Dorking, Surrey RH5 6NT United Kingdom
82

QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

Oct 09, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

1  

     

QB50   

Sensor Selection Working Group  

(SSWG)  

Final Report  

19 March 2012    

Editor:  

Prof. Alan Smith Mullard Space Science Laboratory (MSSL) University College London (UCL) Holmbury St. Mary Dorking, Surrey RH5 6NT United Kingdom 

   

Page 2: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

2  

SSWG Membership  

A. Smith (Chairman, Mullard Space Science Laboratory, UK) T. Beuselinck (RedShift BVBA, Belgium) J. F. Dalsgaard Nielsen (Aalborg University, Denmark) J. De Keyser (Belgian Institute for Space Aeronomy, Belgium) A. Gregorio (University of Trieste, Italy) D. Kataria (Mullard Space Science Laboratory, UK) V. Lappas (Surrey Space Centre, UK) F. J. Lübken (Institute for Atmospheric Physics, Germany) J. Moen (University of Oslo, Norway) S. Palo (University of Colorado, USA) R. Reinhard (von Karman Institute, Belgium) A. Ridley (University of Michigan, USA) J. Rotteveel (Innovative Solutions In Space, Netherlands) G. Schmidtke (Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques, Germany) T. Schmiel (TU Dresden, Germany)    

Page 3: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

3  

Table of Contents  

1.  Introduction ........................................................................................................................... 4 

2.  The QB50 Project .................................................................................................................... 5 

3.  Science Context ..................................................................................................................... 10 

4.  In‐situ measurements in the lower thermosphere – other projects ........................................ 13 

4.1  Past satellites in highly elliptical orbits ............................................................................... 13 

4.2  The Drag and Atmospheric Neutral Density Explorer (DANDE) ............................................ 20 

4.3  Low‐Flying Spacecraft (LFSC) Daedalus ................................................................................ 21 

4.4  Sounding Rocket experiments ............................................................................................ 22 

4.5  Armada .............................................................................................................................. 26 

5.  QB50 Candidate Sensors ........................................................................................................ 28 

5.1  Introduction ....................................................................................................................... 28 

5.2  Ion and Neutral mass spectrometer .................................................................................... 29 

5.3  FIPEX: In‐situ Atomic Oxygen Measurement in Low‐Earth Orbit .......................................... 32 

5.4  Multi‐Needle Langmuir Probe ............................................................................................. 37 

5.5  Magnetoresistive magnetometer ........................................................................................ 40 

5.6  Accelerometer .................................................................................................................... 43 

5.7  GPS receiver ....................................................................................................................... 46 

5.8  Laser Retroreflector ............................................................................................................ 52 

5.9  Thermistors/thermocouples ............................................................................................... 53 

5.10  Q‐BOS (Bolometric Oscillation Sensor) .............................................................................. 56 

5.11  Silicon Detector ................................................................................................................ 59 

5.12  Spherical EUV and Plasma Spectrometer (SEPS) ................................................................ 63 

5.13  WINCS .............................................................................................................................. 68 

5.14  Sensor Resource Summary ............................................................................................. 70 

6.  QB50 CubeSat physical constraints and payload architecture ....... Error! Bookmark not defined. 

7.  Selection ............................................................................................................................... 71 

8.  Recommendations ................................................................................................................ 74 

9.  Baseline sensor package configurations ................................................................................. 75 

10.  References ......................................................................................................................... 76 

11.  Acronyms .......................................................................................................................... 77 

12.  Contributors ...................................................................................................................... 81 

   

Page 4: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

4  

1. Introduction  

The QB50 Sensor Selection Working Group met on four occasions: 3 March 2011, 4 May 2011, 16-17 June 2011, and 26 July 2011. All meetings were held at the von Karman  Institute  for Fluid Dynamics, Rhode‐St‐Genèse, near Brussels, Belgium. The results of the working group were reported on 27 July 2011 at the 2nd QB50 workshop and then to the QB50 Steering Committee on the same day. 

The  task of  the SSWG was  to  identify optimal sensor package options  for  the network part of  the QB50 mission  taking  into  consideration:  scientific  objectives;  potential  science  instruments,  their availability  and  their heritage;  the  very  limited  spacecraft  resources of CubeSats;  and  the  limited available financial resources.   

The  SSWG  remained  cognisant of  the  overall QB50 mission objectives  and  recognised  that  these were perceived differently by the variety of stakeholders  including EC, the Science Community and CubeSat providers. The group also recognised the importance of the science context both in terms of what were  the  key  scientific  issues  to  be  addressed,  and  also what missions  have  flown  or  are proposed for this area of endeavour.  Given  the  CubeSat  nature  of  the  mission,  accommodation  constraints  for  any  selected  sensor package were  naturally  important  and  given  high  priority  in  discussions. A wide  range  of  sensor options were  considered with  additional options being  introduced  as  they became  known  to  the group. Expert advice was sought where appropriate and budgetary considerations were included in the SSWG deliberations.   Inputs  were  received  from  a  wide  variety  of  sources  including  other  QB50  working  groups, commercial organisations,  science  groups,  and potential  instrument providers. Meetings  included teleconference sessions and presentations.  This report outlines the QB50 project, provides science context, describes earlier missions and future mission proposals in this area and then goes on to describe the science instrument options that were considered. A  brief  description  of  the  payload  architecture  and  payload  interface  requirement  is then followed by the selected payload options and other recommendations. 

This report was compiled from numerous inputs (attributed below) and edited by A. Smith.  

   

Page 5: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

5  

2. The QB50 Project R. Reinhard, VKI 

QB50  is  a network 50 CubeSats  in  a  ‘string‐of‐pearls’  configuration  that will be  launched together  in the  first half of 2015 by a single rocket, a Shtil‐2.1,  from Murmansk, Northern Russia into a circular orbit at 320 km altitude, inclination 79°. The 50 CubeSats will comprise about 40 atmospheric double CubeSats and about 10 double or triple CubeSats for science and  technology  demonstration. All  40  atmospheric  double  CubeSats  and most  of  the  10 double  and  triple CubeSats  for  In‐Orbit Demonstration  (IOD CubeSats) will  carry  a  set of standardized  sensors  for  multi‐point,  in‐situ,  long‐duration  measurements  of  key parameters and constituents in the largely unexplored lower thermosphere and ionosphere. These  multi‐point  measurements  will  allow  the  separation  of  spatial  and  temporal variations. Due to atmospheric drag, the CubeSat orbits will decay and progressively  lower and lower layers of the thermosphere/ionosphere will be explored without the need for on‐board propulsion. The mission lifetime of individual CubeSats is estimated to be about three months.  QB50 will also study the re‐entry process by measuring a number of key parameters during re‐entry,  e.g.  CubeSat  on‐board  temperature  and  deceleration.  The  re‐entry  process will also be studied by comparing predicted (using a variety of atmospheric models and different trajectory  simulation  software  tools and CubeSat ballistic coefficients) and actual CubeSat trajectories  and  orbital  lifetimes,  and  by  comparing  predicted  and  actual  times  and latitudes/longitudes of atmospheric re‐entry.  

The  initial  total  network  size  in  orbit  is  determined  by  the  deployment  sequence, deployment speed and direction, and can be selected anywhere between 500 and 5000 km. It  is  currently  planned  to  deploy  one  CubeSat  every  orbit,  i.e.  every  86  minutes.  All deployment will preferably  take place on  the dayside of  the orbit. The deployment speed will  be  2‐3 m/s  and  the  deployment  direction  will  be  uncontrolled.  The  initial  distance between  individual CubeSats will be  between  a  few  tens  and  a  few hundred  kilometres. Orbital  modelling  has  shown  that  due  to  density  variations  along  the  orbit  and  small differences  in  the  CubeSat  ballistic  coefficients  the  separation  distance  will  change, eventually leading to a non‐uniform distribution of CubeSats all the way around the Earth. In this way, the CubeSats will be able to explore temporal and spatial variations over a wide range of scale sizes, from a few tens of kilometres in the beginning to about 1000 km after a month.  

A single CubeSat  is simply too small to also carry sensors for significant scientific research. Hence,  for  the  universities  the main  objective  of  developing,  launching  and  operating  a CubeSat  is  educational.  However,  when  combining  a  large  number  of  CubeSats  with identical sensors  launched at the same time  into a network,  in addition to the educational value, fundamental scientific questions can be addressed which are inaccessible otherwise. Networks of CubeSats have been under discussion  in  the CubeSat  community  for  several years, but so far no university, institution or space agency has taken the initiative to set up and coordinate such a powerful network. CubeSat reliability is not a major concern because the network can still fully achieve its mission objectives even if a few CubeSats fail. 

Page 6: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

6  

 QB50  has  been  selected  as  the  first  large‐scale  CubeSat  network  in  orbit  because  a  network  of CubeSats  in  the  lower  thermosphere as  compared  to networks  in higher orbits has  the  following advantages 

- The  lifetime of a CubeSat  in  the envisaged  low‐Earth orbit will only be  three months,  i.e. much less than the 25 years stipulated by international requirements related to space debris (Code of Conduct), 

- A  low‐Earth  orbit  allows  high  data  rates  because  of  the  short  communication  distances involved, 

- In  their  low‐Earth orbits,  the CubeSats will be below  the  Earth’s  radiation belts, which  is advantageous  because  CubeSats  use  low‐cost  COTS  components which  are  not  radiation hardened, 

- The orbit of  the  International Space Station  (ISS)  is maintained between 335 km  (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats is launched into an orbit that is above that of  the  ISS  there  is a danger of collision with  the  ISS when  the orbits of  the CubeSats decay due to atmospheric drag. If the  initial orbit of the CubeSats  is below 330 km there  is no danger of collision.  

 

For a network of CubeSats in the lower thermosphere/ionosphere the short mission lifetime is not a deterrent as  for a university  the primary purpose of a CubeSat  is educational and  the educational objectives can be fully achieved even if the orbital lifetime is short. 

The  lower  thermosphere/ionosphere  (90‐320  km)  is  the  least  explored  layer  of  the atmosphere. Five Atmospheric Explorers were flown by NASA from 1963 until 1981 in highly elliptical orbits (typically: 200 km perigee, 3000 km apogee); they carried experiments for in‐situ measurements but the time spent in the region of interest below 320 km was only a few tens of minutes. Nowadays, sounding rocket flights provide the only in‐situ measurements. While they do explore the whole lower thermosphere, the time spent in this region is rather short  (a  few  minutes),  there  are  only  a  few  flights  per  year  and  they  only  provide measurements along a single column. Powerful remote‐sensing instruments on board Earth observation satellites  in higher orbits (600–800 km) receive the backscattered signals from atmospheric constituents at various altitudes. While  this  is an excellent  tool  for exploring the lower layers of the atmosphere up to about 100 km, it is not ideally suited for exploring the lower thermosphere because there the atmosphere is so rarefied that the return signal is weak. The same holds  for remote‐sensing observations  from the ground with  lidars and radars.  The  multi‐point,  in‐situ  measurements  of  QB50  will  be  complementary  to  the remote‐sensing  observations  by  the  instruments  on  Earth  observation  satellites  and  the remote‐sensing observations from the ground with lidars and radars.  Space agencies are not pursuing a multi‐spacecraft network for in‐situ measurements in the lower  thermosphere  because  the  cost  of  a  network  of  50  satellites  built  to  industrial standards would be extremely high and not justifiable in view of the limited orbital lifetime of only a few months. No atmospheric network mission for in‐situ measurements has been carried  out  in  the  past  or  is  planned  for  the  future.  A  network  of  satellites  for  in‐situ measurements  in  the  lower  thermosphere  can  only  be  realised  by  using  very  low‐cost satellites, and CubeSats are the only realistic option.  

Page 7: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

7  

Interest to participate in QB50 by signing a Letter of Intent (LoI) has been expressed by over 90 universities all over  the world. This  includes universities  in 30 European countries and universities in Argentina, Australia, Brazil, Canada, Chile, China, Ethiopia, India, Israel, Peru, Puerto Rico, Russia, Singapore, South Korea, Taiwan, Turkey, Ukraine, USA and Vietnam. For many of these countries, the CubeSats that will participate in QB50 will be their first satellite in  orbit  and  a matter  of  national  prestige.  QB50 will  eventually  involve well  over  1000 people  from all over  the world: 50 CubeSat  teams of 10‐20  students and engineers each, numerous atmospheric scientists, instrument, orbital dynamics and ground station experts, legal experts, as well as industry and space agency representatives.  

For QB50, double‐unit CubeSats are foreseen, with one half (the ‘functional’ unit) providing the usual satellite functions and the other half (the  ‘science’ unit) accommodating a set of standardised sensors for lower thermosphere/ionosphere and re‐entry research. University teams  are  free  to use  any  space  left  in  the  ‘functional’ unit of  the double CubeSat  for  a technology package or  a  sensor of  their own  choice.  In  addition  to  the  40  ‘atmospheric’ double CubeSats, up  to 10  ‘special’ double or  triple CubeSats  for  science and  technology demonstration will be selected. Some of  the special  IOD CubeSats can also accommodate either  the  Set  1  or  Set  2  standard  sensor  package  (see  Chapter  10).  If  less  than  10  IOD CubeSats are selected, the number of atmospheric double CubeSats can be higher so that the total of 50 CubeSats  is maintained.  If  less than 40 atmospheric CubeSats are selected, the number of special IOD triple or double CubeSats can be higher so that again the total of 50 CubeSats is maintained.  

All  50  CubeSats  will  be  launched  together  on  a  single  launch  vehicle,  a  Russian  Shtil‐2.1,  from Murmansk  in  Northern  Russia  into  a  circular  orbit  at  320  km  altitude,  inclination  79°.  Due  to atmospheric drag, the orbits of the CubeSats will decay and progressively lower and lower layers of the thermosphere will be explored without the need for on‐board propulsion, perhaps down to 90 km. The maximum achievable orbital altitude for a 230 kg payload  is 320 km for a circular orbit.   If fewer  than  50  CubeSats  are  proposed  and  selected  or  if  the  deployment  system  is  lighter  than currently estimated (80‐100 kg) the orbital altitude can be increased slightly (but not above 335 km, the lowest perigee of the ISS), extending the lifetime. 

The initial total network size in orbit is determined by the deployment sequence and the separation speed and direction. The optimal CubeSat deployment scenario  is currently under study, bearing in mind 

- Launch vehicle and deployment system constraints, - The need to identify each CubeSat individually as soon as possible after deployment, - The need to establish a telecommunications link between the various CubeSats and ground 

stations as soon as possible after deployment, - The need to mitigate the risk of collisions between the CubeSats and between the CubeSats 

and  the  third  stage/deployment  system assembly after each  full orbit when  the CubeSats return to the original point of release, 

- The need  to  achieve  spreading of  the  CubeSats  all  the way  around  the  Earth  as  soon  as possible after deployment. 

 

Page 8: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

8  

Regarding ground stations, the current situation is typically as follows: A university builds a CubeSat and launches it into low‐Earth orbit. It also builds or already has available a ground station to track the CubeSat and enable uplink/downlink telecommunications. The period in a low‐Earth orbit (about 600 km altitude)  is typically about 90 minutes, but the duration of a satellite pass over the ground station is very short and varies from approximately 10 minutes in the best case to no coverage at all for most of the 16 daily orbits. When supporting only one satellite project the ground station is not in operation 97 % of  the  time. This  is highly  inefficient and often, despite on‐board data  storage capability, a limiting factor in mission science return.  For very  low‐Earth orbits  (150‐300 km altitude) as envisaged for QB50 the situation  is a  lot worse. The following table illustrates the problem  

Orbital altitude  

Duration of the longest pass 

Daily coverage by a  single ground station 

600 km           10 min                3 % 300 km             5 min                0.7 % 150 km             2.5 min                0.25 % 

Moreover,  there  are  sometimes mission  critical  operations  requiring  uninterrupted  coverage  for longer  than  a  single  pass  and, worst  of  all,  in  the  case  of  an  on‐board  emergency,  there  is  no immediate access to the satellite. The situation would dramatically improve if the satellite could be tracked by numerous other ground stations along its track.  An  international network, the Global Educational Network for Satellite Operations (GENSO),  is now being set up. The QB50 launch is currently planned for April 2015. By that time, GENSO will be fully operational.  It will  eventually  comprise more  than  150  ground  stations  in  different  parts  of  the world, providing a vastly improved uplink and downlink capability for all CubeSats. The international QB50  network  in  orbit will  be  the  first major  user  of  the  international  GENSO  network  on  the ground.  

Parallel  ‘QB50 Mission Control Centres’ will be set up at VKI, Stanford  in the US and NPU  in China with the following real‐time functions for all 50 CubeSats 

- Comparing predicted with actual trajectories, using different trajectory simulation software tools, atmospheric models and CubeSat drag coefficients, 

- Monitoring the status and health of the 50 CubeSats and the deployment system, - Displaying which  ground  station  is  in  contact with which  CubeSat  and  displaying  the  link 

quality, - Predicting  and  continuously  updating  the  approximate  time  and  latitude/  longitude  of 

atmospheric re‐entry for the 50 CubeSats.  

The CubeSat teams will be in charge of the operations of their CubeSats and are expected to submit all  science  data,  key  housekeeping  data  and  appropriate  documentation  to  the  QB50  Data Processing and Archiving Centre  (DPAC) within 6 months after  the end of  the mission. The Centre will be located in the Belgian User Support and Operation Centre (BUSOC) in the Belgian Institute for Space Aeronomy (BIRA) in Brussels. The QB50 DPAC has the following tasks 

Page 9: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

9  

- Serving  as  the  single  point of  contact  between  the QB50  Project  and  the CubeSat  teams regarding science and housekeeping data, e.g. format specification, 

- Verification (checking for completeness) and cataloguing of the data submitted to DPAC by the CubeSat teams, 

- Support of  the CubeSat  teams  in producing  the necessary documentation describing  their data set, 

- Transfer of the data files into a uniform, user‐friendly format, - Handling of requests for data by the user community and providing clarifications to the user 

community if requested, - Archiving of all data and documentation 

 

The correlated evaluation of all QB50 science data, together with simultaneously obtained sounding rocket and remote‐sensing data, will be made in 2015 by the Institute for Atmospheric Physics (IAP) in  Kühlungsborn  in Northern Germany.  In  the  years  before  the  launch  of QB50,  IAP will  provide science support to the Project, for example, advice for the selection of the sensors for the science units of  the double CubeSats  and will  interface with  the DPAC on  specifying  the preferred, user‐friendly  formats  for  the  science  and  housekeeping  data.  About  9 months  after  the  end  of  the mission, IAP will receive all science data for scientific data analysis. Correlations of the data will be made and apparent discrepancies will be pointed out and analysed in cooperation with the CubeSat teams. 

Furthermore, the QB50 science data will be correlated with remote‐sensing observations from the ground by lidars and radars up to 110 km altitude and with in‐situ measurements by experiments on sounding  rockets  up  to  350  km  altitude,  if  such  data  are  available  and  are  provided  by  the experimenter teams. IAP have their own lidar and radar sites but data from the most important lidar and radar sites located in other parts of the world will also be used. The QB50 science data will also be correlated with the relevant remote‐sensing observations of the MLT region by Earth observation satellites in higher orbits (600‐800 km). IAP has the intention to organise 'lower thermosphere data analysis and correlation workshops' with all interested parties. 

 

 

   

Page 10: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

10  

3. Science Context A. Aruliah, UCL  

The  thermosphere  region  (90‐320  km  altitude)  to  be  explored  by  the  QB50  network  is  highly important for atmospheric studies, yet has the fewest direct measurements due to its inaccessibility. Observations are limited to a few minutes of a rocket flight, or radar and optical observations from a handful of  sites. The  rest of our  current understanding  comes  from  theoretical models and  semi‐empirical  models  that  use  interpolation  of  measurements  from  above  and  below.  The measurements  come  from  satellites  at  much  higher  altitudes  (400‐1000  km  e.g.  CHAMP  and Dynamics Explorer), and highly elliptical orbits (described in next section); and measurements from lower altitudes using lidars and riometers. The beauty of the QB50 network is that for the first time we will have simultaneous multi‐point global coverage of the  lower thermosphere for the 3 month period  lifetime  of  the  network.  (Note  that  in  order  to maximise  the  ground‐based  support  it  is important  to  consider  the  seasonal dependence of  the operation of  instruments,  such  as optical instruments that only operate during darkness.)  

The most widely used  semi‐empirical model of  the  thermosphere  is  the MSIS model, which gives neutral  particle  composition,  density  and  temperature.  This  is  extremely  valuable,  yet  is predominantly  based  on  observations  made  in  the  1970s  and  1980s  from  satellite  and  radar measurements. This should be compared with meteorological models that are continuously updated with observations from weather balloons, radars and satellites on an hourly basis. It is now predicted that the Sun  is coming out of a grand solar maximum phase. The  last solar minimum has been 2‐3 years  longer  than  average,  resulting  in unusually quiet  geomagnetic  conditions.  It  is  likely  that  a major  revision of  atmospheric models will  be necessary  to  allow  for what  are  the new  “average conditions” and ranges. This will have a knock‐on effect on the modelling of Space Weather and the success of forecasting for the use of the satellite and technology industry. 

The key features of the 90‐320 km altitude region are: 

• Sharp  increase  in  temperature  with  height:  The mesopause  is  the  coldest  layer  of  the atmosphere.  For  a  long  time  it was  considered  to  be  a  single  layer  at  85  km  but  recent analysis  of  the  TIMED  satellite  observations  has  shown  a  double  layer  (Xu  et  al.,  2007). Above  the  mesopause  the  temperature  rises  rapidly  until  around  300‐400  km  when  it becomes  a  constant  value  (an  isotherm).  Below  the  turbopause  (~100  km)  there  is  a homogeneous mix of the chemical composition, but above this altitude molecular diffusion dominates and the density of each chemical drops off exponentially according to  its mass. This causes a rapid decrease in density with altitude and a change in chemical composition. Regions of sharp changes  in parameters require detailed measurements  in order to model them correctly. 

• Planetary  waves,  tides  and  atmospheric  gravity  waves:  Solar  heating  of  the  Earth’s atmosphere  creates  regions of high  and  low  temperature,  and  consequently  variations  in chemical  composition and density. Planetary waves and  tides  are a  range of atmospheric motions  labelled  according  to  their  spatial  extent  and  period,  and  they  have  a  global influence. Thus planetary waves have wavelengths of  the order of  the radius of  the Earth. Tides are harmonics of the daily 24 hour heating cycle, with the 24 and 12 hour tides being dominant.  At  the  other  extreme,  AGWs  have wavelengths  of  the  order  of  kilometres  to 

Page 11: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

11  

hundreds of kms, and these are generated by localised atmospheric perturbations, typically caused by thunderstorms, the irregular shape of mountain ranges and auroral activity. These atmospheric motions transport energy and momentum both horizontally and vertically, and across magnetic  field  boundaries.  Tides  are  a  dominant  feature  of  the mesosphere  and lower thermosphere. AGWs are critically important in lower atmosphere models, and are of increasing  interest  in upper atmosphere studies. A chain of cubesats would allow accurate in‐situ measurement of the frequency composition of atmospheric perturbations. 

• The  E‐  and  F‐region  dynamos  at  altitudes  ~120  km  and  ~300  km:    There  is  a  global  Sq current system in the E‐region caused by the tidal movement of charged particles across the Earth’s magnetic field  lines. Figure 3.1 from Matsushita (1968) shows the global Sq current system  from  69 world‐wide magnetometer  stations using measurements  collected during the period of  the  first  International Geophysical Year  in 1957. Two other main  features of the E‐region dynamo are the equatorial and auroral electrojets. The equatorial electrojet is a band along the equator on the dayside of fast moving charged particles in the E‐region. The auroral electrojets are equivalent bands circling the north and south poles (see next point). These are all strong  features  that appear as perturbations  in ground‐based magnetometer measurements  of  the  Earth’s  magnetic  field.  However,  the  limitation  of  ground‐based observations is that they integrate the magnetic perturbation from currents at all heights. In‐situ measurements of currents in the E‐region have not been done since the highly elliptical orbit satellites 1960s and 1970s.  

• Auroral regions: The ionosphere within the auroral regions (poleward of 70˚ latitude) bears the clear signatures of a projection of the magnetosphere. Ionised particle energies indicate their origins within  the magnetosphere  (e.g. cusp,  tail or  lobe). Heating by auroral particle 

Figure 3.1 From Matsuhita (1968)

Page 12: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

12  

precipitation; or resistive heating by currents (Joule heating) driven by the magnetospheric dynamo,  are  the  main  energy  sources  in  the  auroral  region  after  solar  heating.  The magnetospheric dynamo is at least an order of magnitude larger than the Sq current system. One important consequence of auroral particle precipitation is the production of nitric oxide ions  from high energy particles  that penetrate deep  into  the atmosphere. These go on  to destroy ozone which protects the Earth’s surface from UV radiation. Another consequence is radio blackout from solar flares, where precipitation  increases  ionospheric density so much that HF  radio waves  are  absorbed.  This  is highly dangerous  for  communications on  cross polar  aircraft.  Even  on  a  day  to  day  basis,  the  variability  of  the  auroral  ionosphere  is considerable and persistent, which makes GPS unreliable even under geomagnetically quiet conditions.  Standard GPS  systems use  fairly  simple models of  the  ionosphere  since other sources  of  error  are  considered  to  be  greater.  The  global  coverage  of  the  ionosphere provided by the QB50 network would be extremely valuable  in  improving the modelling of small‐scale structures and temporal variation of the ionosphere. Multi‐satellite observations (e.g., the 4 Cluster spacecraft) have shown their value in distinguishing temporal and spatial variations. 

   

Page 13: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

13  

4. In­situ measurements in the lower thermosphere – other projects 

4.1  Past satellites in highly elliptical orbits R. Reinhard, VKI 

NASA  has  launched  92  Explorer  satellites,  10  of which made  in‐situ measurements  in  the  lower thermosphere, most importantly, NASA’s five Atmospheric Explorers (AE) and the Dynamics Explorer 2. As the lifetime of a satellite in the lower thermosphere in a circular orbit is relatively short due to atmospheric drag all  satellites  listed below were  in highly elliptical orbits. These orbits, however, have the disadvantage that the time spent during each orbit in the lower thermosphere is only ~10 minutes out of an orbital period of ~2 hours. 

In  the  1960s,  NASA  also  launched  four  spheres,  each  3.65 m  in  diameter,  to  determine  the  air density  at  orbital  altitude  by  tracking  the  orbits  of  the  spheres  from  the  ground.  These  were:  Explorer 9, AD‐A  (Explorer 19), AD‐B  (Explorer 24) and AD‐C  (Explorer 39). They were all  launched into similar orbits with perigees around 600 km and apogees around 2500 km. The decay of  their orbits  due  to  atmospheric  drag was  tracked  until  they  burnt  up  in  the  atmosphere  at  ~100  km altitude. 

Missions with perigees  in  the  thermosphere whose primary objective was  to  study  the  radiation belts (natural or artificial) or to determine the flux of micrometeorites are not included below. 

Atmospheric Explorer A (Explorer 17) Orbit: 255 x 916 km      inclination: 57.6° Launch date: 2 April 1963    re‐entry: 24 November 1966 Satellite mass: 183.7 kg      shape: spherical, diameter 95 cm  Scientific payload 

• 2 neutral mass spectrometers • 2 Langmuir probes to measure ion concentration and electron temperature • 4 pressure gauges to measure the total neutral particle density 

Atmospheric Explorer B (Explorer 32) Orbit:  276 x 2725 km      inclination: 64.7° Launch date:  25 May 1966    re‐entry: 22 February 1985 Satellite mass: 224.5 kg      shape: spherical, diameter 89 cm  Scientific payload 

• 2 neutral mass spectrometers • Ion mass spectrometer • 3 pressure gauges • 2 Langmuir probes • Optical and radio/radar tracking of the spherical satellite near perigee to determine air 

density 

Atmospheric Explorer C (Explorer 51) Orbit:  149 x 4294 km      inclination: 68° 

Page 14: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

14  

Launch date: 16 December 1973  re‐entry:  12 December 1978 Satellite mass: 658 kg      shape: multi‐sided polyhedron  Scientific payload 

• Open‐source neutral mass spectrometer • Closed‐source neutral mass spectrometer • Magnetic ion mass spectrometer • Bennett ion mass spectrometer • Cold cathode ion gauge • Low‐energy electrons • Atmospheric density accelerometer* • Neutral atmosphere temperature • Cylindrical electrostatic probes • Capacitance manometer • Photoelectron spectrometer • Retarding potential analyser/drift meter • EUV Spectrometer • 3 single‐axis accelerometers (miniature electrostatic analysers; the drag was determined 

from the electrostatic force required to re‐centre a proof mass) 

Atmospheric Explorer D (Explorer 54) Orbit:  154 x 3816 km      inclination: 90.1° Launch date: 6 October 1975    operations terminated: 29 January 1976 Satellite mass: 681 kg      re‐entry: 12 March 1976 shape: multi‐sided polyhedron  Scientific payload 

• Cylindrical electrostatic probe • Atmospheric density accelerometer* • Photoelectron spectrometer • Retarding potential analyser/drift meter • Open‐source neutral mass spectrometer • Neutral atmosphere composition • Neutral atmosphere temperature • Magnetic ion mass spectrometer • Low‐energy electrons 

Atmospheric Explorer E (Explorer 55) Orbit: 156 x 2983 km      inclination: 19.7° Launch date: 19 November 1975  re‐entry: 10 June 1981 Satellite mass: 735 kg      shape: multi‐sided polyhedron  Scientific payload 

• Cylindrical electrostatic probe • Atmospheric density accelerometer* • Photoelectron spectrometer • Retarding potential analyser/drift meter • Open‐source neutral mass spectrometer • Neutral atmosphere composition • Neutral atmosphere temperature 

Page 15: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

15  

• Bennett ion mass spectrometer • EUV Spectrometer 

Energetic Particle Explorer D (EPE­D) (Explorer 26) Orbit: 171 x 8545 km      inclination: 18.1° Launch date: 21 December 1964  telecommunications failed on 26 May 1967   Satellite mass: 45.8 kg  Scientific payload 

• 6 solid state electron and proton counters • 2 plastic scintillation counters, one omni‐directional  (p: 40‐110 MeV, e: >4 MeV), the other 

unidirectional (p: >5.2 MeV, e: >0.5 MeV) • Boom mounted biaxial fluxgate magnetometer • Low‐energy proton/electron scintillation detector 

S­Cubed A (Explorer 45) Orbit:  224 x 27031 km      inclination: 3.5° (San Marco platform launch) Launch date: 15 November 1971  re‐entry: 10 January 1972 Satellite mass: 52 kg       operations terminated: 30 September 1974  Scientific payload 

• 2 channel electron multipliers with electrostatic analysers • 2 solid state particle telescopes to measure the flux of electrons, protons and selected ions • Magnetic spectrometer followed by 4 solid state detectors to measure electrons in the range 

35‐560 keV • Triaxial fluxgate magnetometer mounted on a 76 cm long boom • 2 perpendicular search coil magnetometers mounted on a 61 cm long boom • DC/AC electric field instruments, two 14 cm diameter metal spheres (mounted on the ends 

of 2 booms) with a centre‐to‐centre separation of 5 m 

Magsat (Explorer 61) Orbit:  352 x 578 km      inclination: 96.8° Launch date:  30 October 1979    re‐entry:  11 June 1980 Satellite mass: 158 kg  Scientific payload 

• 2 magnetometer sensors on a 6 m long boom behind the satellite • Vector fluxgate magnetometer • Scalar magnetometer (2 dual‐cell caesium vapour sensor heads) 

Dynamics Explorer 2 (DE­2) (Explorer 63) Orbit: 309 x 1012 km      inclination: 90° Launch date: 3 August 1981    re‐entry:19 February 1983 Satellite mass: 420 kg      shape: short polygon  Scientific payload 

• Triaxial fluxgate magnetometer • Vector  electric  field  instrument,  six  11 m  long  booms  (9 m  insulated,  outer  2 m  active), 

distance between the midpoints of the 2 m active elements 20 m • Quadrupole neutral/ion mass spectrometer 

Page 16: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

16  

• Retarding potential quadrupole neutral/ion mass spectrometer • Ion drift meter to measure horizontal and vertical ion drift velocities with an accuracy of 50 

m/s • Retarding potential analyser • Low‐altitude plasma instrument, an array of 15 parabolic electrostatic analysers to measure 

positive ions and electrons 5 eV‐32 keV • Langmuir  probe  to  measure  electron  temperature  and  electron/ion  concentration  and 

satellite potential 

FAST (Explorer 70) Orbit: 350 x 4175 km      inclination: 83° Launch date: 21 August 1996    operations terminated: 1 May 2009 Satellite mass: 191 kg      shape: cylindrical  Scientific payload 

• electric field instrument • Langmuir probe • Fluxgate magnetometer • Search‐coil magnetometer • Electrostatic analyser • Time‐of‐flight energy mass analyser 

Space Technology 5 (ST5) 3 satellites in a ‘string‐of pearls’ configuration Orbit: 300 x 4500 km  inclination: 105.6° Launch date: 22 March 2006  operations terminated: 30 June 2006 Satellite mass (each): 25 kg  shape: 8‐sided cylinder Spin stabilised at 20 rpm   height: 48 cm, diameter: 53 cm  New technologies tested  

• Cold gas microthruster • Miniaturised X‐band transponder (100 kbps) • Variable emission coatings for thermal control • Highly‐sensitive magnetometer on a boom • Operations  of  all  3  spacecraft  as  a  single  constellation  rather  than  operating  them 

individually  The  San Marco  Programme was  a  collaborative programme between  the  Italian Centro Ricerche Aerospaziale  (CRA) and NASA.  In this programme, a total of five satellites were  launched which all made  in‐situ measurements  in  the  lower  thermosphere.  The  satellites  were  launched  on  Scout rockets. The first launch was from the Wallops Flight Facility in the US, the other four from the San Marco platform, a former oil platform. It was towed to an equatorial location off the coast of Kenya which, when combined with an easterly firing, provided the most energetically favourable launch. 

The ‘atmospheric drag density accelerometer’ was flown on San Marco 2, 3, 4 and D/L. The drag was determined by measuring the displacement in three directions of the spacecraft outer shell subject to atmospheric drag with respect to the heavy inner structure (electronics, batteries, etc.). The outer shell was connected to the inner structure through a series of flexible arms. An elastic drag balance 

Page 17: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

17  

system was able  to detect  the displacement of  the outer  shell,  subject  to  the aerodynamic  force, with respect to the  inner body both  in value and direction, resolving any relative translation along three mutually orthogonal  axes.  The  translation of  the  elastic  system was  changed  into  voltages. From the drag at orbital altitude the ambient air density was derived. 

San Marco 1 Orbit: 198 x 846 km      inclination: 37.8° Launch date: 15 December 1964  re‐entry: 13 September 1965   Satellite mass: 115.2 kg  Scientific payload 

• Spherical ion probe to study positive ion composition and temperature • Electron‐content beacon, a high‐frequency radio transmitter to study ionospheric effects on 

long‐radio radio transmissions  

San Marco 2 Orbit: 135 x 498 km      inclination: 2.9° Launch date: 26 April 1967    re‐entry: 14 October 1967 Satellite mass: 129.3 kg      shape: spherical, diameter: 66 cm  Scientific payload 

• Atmospheric drag density accelerometer • Electron‐content beacon, a high‐frequency radio transmitter to study ionospheric effects on 

long‐radio radio transmissions 

San Marco 3 Orbit: 226 x 723 km      inclination: 3.3° Launch date: 24 April 1971    re‐entry: 29 November 1971 Satellite mass: 163.3 kg      shape: spherical, diameter: 75 cm  Scientific payload 

• Atmospheric drag density accelerometer • Omegatron  mass  spectrometer    to  measure  the  density  and  temperature  of  N2    (US 

provided) • neutral mass spectrometer to measure the density of N2, O2, O, Ar, He (US provided) 

San Marco 4 Orbit: 232 x 905 km      inclination: 2.9° Launch date: 18 February 1974    re‐entry: 4 May 1976 Satellite mass: 164.0 kg      shape: spherical, diameter 75 cm  Scientific payload 

• Atmospheric drag density accelerometer • Omegatron  mass  spectrometer    to  measure  the  density  and  temperature  of  N2    (US 

provided) • neutral mass spectrometer to measure the density of N2, O2, O, Ar, He (US provided) 

San Marco D/L Orbit: 263 x 615 km      inclination: 3° Launch date: 25 March 1988    re‐entry: 6 December 1988 

Page 18: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

18  

Satellite mass: 273.0 kg      shape: spherical, diameter: 96.5 cm  Scientific payload 

• Drag balance and air density • Retarding potential analyser/drift meter to determine the  ion velocity, plasma density and 

temperature (US provided) • Retarding  Potential  Quadrupole  (RPQ)  mass  spectrometer  to  determine  neutral  winds, 

neutral particle temperatures and the concentration of selected gases (US provided) • 3‐axis electric field instrument (US provided) • Airglow Solar Spectrometer Instrument (20‐700 nm) 

Azur  (NASA/German BMWF collaborative) Orbit: 387 x 3150 km      inclination: 103° Launch date: 7 November 1969  telemetry system malfunctioned early July 1970 Satellite mass: 70.7 kg  Scientific payload 

• Fluxgate magnetometer on a 80 cm long boom • 2 telescopes, stack of 7 silicon detectors (p: 1.5‐104 MeV, α: 6‐19 MeV) • Proton solid state detector (p: 0.25‐13.5 MeV, α: 2‐6.4 MeV) • Proton/electron detector (p: 20‐72 MeV, e: >1.5 MeV) • 4 Geiger tube electron counters (p: >0.7 MeV, e: >40 keV) • 2 Geiger Mueller counters (p: >12 MeV, e: >0.7 MeV) 

Aeros­A  (DLR/NASA collaborative) Orbit: 223 x 867 km      inclination: 96.9° Launch date: 16 December 1972  re‐entry: 22 August 1973 Satellite mass: 125.7 kg      shape: cylindrical  Scientific payload 

• Quadrupole neutral/ion mass spectrometer • Quadrupole  mass  spectrometer  to  determine  the  total  gas  density  and  the  kinetic 

temperature and density of molecular nitrogen • Retarding potential analyser to determine plasma density • Impedance probe for measuring electron concentration (this experiment malfunctioned on 

Aeros‐A) • EUV Spectrometer 

Aeros­B (DLR in Germany) Orbit:  217 x 879 km      inclination: 97.4° Launch date: 16 July 1974    re‐entry:  25 September 1975 Satellite mass: 125.7 kg      shape: cylindrical  Scientific payload 

• Quadrupole neutral/ion mass spectrometer • Quadrupole  mass  spectrometer  to  determine  the  total  gas  density  and  the  kinetic 

temperature and density of molecular nitrogen • Retarding potential analyser to determine plasma density • Impedance probe for measuring electron concentration • Atmospheric drag analysis by tracking the satellite near perigee • EUV Spectrometer 

Page 19: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

19  

BremSat 1 (ZARM/University of Bremen in Germany) Initial orbit: 344 x 363 km  inclination: 56.9° Launch date: 3 February 1994  re‐entry*: 12 February 1995 Satellite mass: 63 kg  shape: 12‐sided prism 

diameter: 48 cm, height: 52 cm * satellite transmitted data until 110 km orbital altitude  Scientific payload  

• Measurement of density distribution and dynamics of dust particles • Measurement of atomic oxygen • Measurement of deceleration and temperature during satellite re‐entry • Magnetometer • gyroscope 

Taiyo (“Sun”) (Institute for Space and Aeronautical Science (ISAS) in Tokyo Orbit: 249 x 3129 km      inclination: 31.5° Launch date: 24 February 1975    re‐entry: 29 June 1980 Satellite mass: 86 kg      shape: octagonal  Scientific payload 

• Bennett ion mass spectrometer to measure O, He, H • Electron density measurement • Electron temperature • Retarding potential analyser 

   

Page 20: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

20  

Figure 4.2.1: CU students preparing DANDE for testing.

Table 4.2.1: Minimum success science requirements.

4.2  The Drag and Atmospheric Neutral Density Explorer (DANDE) S. Palo, M. Pilinski, K. Kemble, University of Colorado 

The need to accurately predict satellite positions  is a  leading aspect of space situational awareness and presents  increased challenges  in  the  specification of  the  spacecraft environment  in  low earth orbit.    Atmospheric  drag  is  the  most  important  environmental  perturbation  for  low  orbiting spacecraft and  the most difficult one  to model and predict precisely.   The  goal of  this mission  is 

therefore a method for the characterization of satellite drag through the use of a dual‐instrument in‐situ approach.  The elements of this method include a novel acceleration measurement suite and a small Wind and Temperature Spectrometer (WTS) in order to measure both atmospheric density and wind.    The  spacecraft  structure  is  also  a  part  of  this  measurement  system  as  it  houses  the instruments and interacts directly with the atmospheric gas.  Accordingly, requirements on the level of cross‐sectional area variation were derived  from  the science analysis.    In order  to evaluate  this approach  in  orbit,  students  at  the  University  of  Colorado  at  Boulder  have  developed  a  small spacecraft called the Drag and Atmospheric Neutral Density Explorer (DANDE).  This small, spherical satellite addresses important needs of the defence and civilian community by measuring quantities which are crucial to the determination of atmospheric drag on spacecraft.  DANDE is a collaborative project  between  the  Colorado  Space  Grant  Consortium  and  the  Aerospace  Engineering  Science department.  Top  level  science  requirements,  defined  for  the  atmospheric  measurements,  are presented in Table 4.2.1.   

The  DANDE  spacecraft  addresses  the  aforementioned measurement  challenges  in  its  design  (by having a determined coefficient of drag, cross‐sectional area, and by allowing for the removal of the effects of in‐track winds).  In January of 2009, the satellite team won the national University NanoSat Program (UNP) (Franke et al. 2006) competition and was the first University NanoSat winner with a mission  focused  entirely on  collecting  scientific measurements.    The  spacecraft  is under 50  kg  in mass  and  46  cm  in  diameter  conforming  to  EELV  Secondary  Payload  Adapter  (DoD,  2001) requirements.   The primary  instruments, accelerometers and WTS, are aligned  together  to enable velocity vector scanning  in the nominal attitude state.   The  instrument  locations and relative sizes are shown in the left panel of Figure 4.2.2. 

Page 21: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

21  

 

Figure  4.2.2:  DANDE  spacecraft  assembly  with  one  hemisphere  removed  (left).The  DANDE spacecraft showing spin orientation (right). 

Table 4.2.2: SWAP envelope of the DANDE instruments.

Accelerometer Subsystem

Wind and Temperature Spectrometer

type modulated drag signal

electrostatic deflection analyzer

mass 1.3 kg 1.6 kg volume 10.2 x 11.4 x

6.4 cm 10.2 x 10.2 x 7.6 cm

power 4.9 W 2.2 W data rate 0.07 Mbits/day 6.99

Mbits/day  

DANDE is spin stabilized around the orbit normal vector, meaning the instruments aligned with the ``equator'' of the spinning sphere will scan the velocity vector at a predicable rate.  At the worst case solar maximum density conditions and a nominal 350 km circular, near‐polar orbit, the spacecraft is expected to spend approximately 3 months in orbit before re‐entry (Wilde 2008). 

In  order  to  fully  characterize  spacecraft  drag equation, the spacecraft velocity will be estimated using radar tracking and orbit determination while the acceleration forces will be measured using the unique  accelerometer  system  developed  at  the University of Colorado, Boulder (Pilinski 2009).  The in‐situ  horizontal  wind  vector  will  be  measured using  the  DANDE  Wind  and  Temperature Spectrometer  (Pilinski  2009).    In  addition  to measuring  drag  with  accelerometers,  the spacecraft  will  be  tracked  by  radar  and  orbit‐averaged drag acceleration will be generated from orbital  fitting  for  validation  of  the  accelerometer 

measurements.  Table 4.2.2 summarizes the SWAP envelopes of the two instruments carried by the DANDE spacecraft. DANDE is due for launch in mid 2012. 

4.3  Low­Flying Spacecraft (LFSC) Daedalus  Theodoros Sarris, Democritus University of Thrace  In  the  framework  of  the  ESA‐Greece  Task  Force  Programme,  the  LFSC‐Daedalus mission  for  the exploration of  the upper atmosphere was  studied by a  consortium of  institutes,  led by  the Space Programmes Unit of the Athena Research Centre in Athens. The mission goals of LFSC‐Daedalus are to  perform  multi‐point,  in‐situ  measurements  in  the  largely  unexplored  lower thermosphere/ionosphere.  

Page 22: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

22  

LFSC‐Daedalus comprises a main satellite, equipped with  state‐of‐the‐art  instruments  for electrodynamics measurements, and  four CubeSats accommodated  in  PPODs  onboard  the  main satellite. The main satellite is launched into a highly elliptical polar orbit, with  inclination of 80o perigee at 150 km; various apogee altitudes between 1000 and  10,000  km  have  been  examined  through  a trade‐off  analysis  considering  mission  lifetime, radiation  and  launch  costs.  During  the  mission lifetime the main satellite performs four ‘excursions’ 

down  to  a  perigee  of  120  km,  using  its  cold‐gas propulsion  system.  At  each  of  these  ultra‐low perigee passes a CubeSat is released. Thereafter, the perigee of  the main  satellite  is  raised again  to  safe 

altitudes. The perigee altitudes of the CubeSats gradually decay due to atmospheric drag, providing second point measurements down to 95‐100 km altitude, where it is expected to stop operating.   

In order to achieve two‐point measurements, which are critical in studies involving the gradients of field‐aligned  currents  and  the  response  of  the thermosphere  and  ionosphere  to  energy  inputs from above, conjunctions along  the same  flux  tube are  required  between  the  main  satellite  and  the sub‐satellites. As the different perigee altitudes and drag  coefficients  between  LFSC  and  the  sub‐satellites  lead to different orbital periods, extensive simulations were performed in order to identify the number  and  frequency  of  conjunctions;  this 

involved tracing the field lines through each location of  the main  satellite and  recording  instances when the  field  lines  passed  within  the  vicinity  of  the 

CubeSat.  These  simulations  have  shown  a  considerable  amount  of  conjunctions,  establishing  the impact that such a mission would have in resolving key questions in MLTI science. 

4.4  Sounding Rocket experiments  F.‐J. Lübken, IAP, Kühlungsborn, Germany  Stratospheric balloons can reach altitudes up to about 45 km. Above that altitude, sounding rockets are  the only means  for  in‐situ exploration of  the MLT  region  (Mesosphere/Lower Thermosphere). Sounding rockets are also used  for UV or X‐ray astronomy which requires being above the bulk of the  Earth  atmosphere,  or  for  carrying  out  experiments  under  microgravity  conditions.  These applications  are  presumably  of  less  relevance  for QB50.  Sounding  rockets  are  advantageous  for some  research due  to  their  low cost and  their ability  to conduct  research  in areas  inaccessible  to either balloons or satellites. Furthermore, the lead time for experiments is very short and payloads can  be  developed  in  only  about  six  months.  Sounding  rockets  are  also  used  as  test  beds  for equipment that will be used later in more expensive satellite missions. The smaller size of a sounding rocket  also makes  launching  from  temporary  sites  possible  allowing  for  field  studies  at  remote locations, even in the middle of an ocean or at high latitude Antarctic sites.  

Fig 4.3.1 Main LFSC‐Daedalus satellite and released CubeSat 

Fig 4.3.2 Orbits of main satellite (green) and released CubeSat (red) 

Page 23: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

23  

The  rockets  are used  to  carry  scientific  instruments or microgravity payloads  to  altitudes  ranging from a few tens to appr. 1500 km altitude. The first sounding rocket carrying a scientific payload (a cosmic ray detector) was the Aerobee A‐5 launched on 5 March 1948 reaching an altitude of 117 km. Since  then,  an  estimated  1000  sounding  rockets  have  been  launched with  apogees  >120  km. Of these 1000 sounding rockets, approximately 500 were used for the  in‐situ exploration of the  lower thermosphere/ionosphere.  Nowadays,  each  year  about  30  sounding  rockets  are  launched  with apogees in the MLT region.   The  rockets can be divided  into  two parts:  the payload and  the  solid‐fuel  rocket motor. After  the launch, when the motor has used up  its fuel,  it separates from the payload and falls back to Earth. The payload continues  into space and begins making measurements. The  rockets are  launched on parabolic  trajectories;  the  total  flight  time  is  typically  10‐30 minutes. Most  of  this  time  is  spent around apogee.  The payload mass on sounding rockets ranges from a few kg up to some hundred kg which includes one  or  several  scientific  experiments,  an  electrical  power  subsystem,  on‐board  data  handling, housekeeping, a telecommunications subsystem, and sometimes sea or land recovery system for the payload.  Instruments  on  sounding  rockets  provide measurements  in  the  lower  thermosphere/ionosphere along  a  single  column  (nearly  vertical  profile)  during  their  ascent  and  descent  phases.  It  takes  a sounding  rocket  and  the  separated  payload  only  a  few  minutes  to  traverse  the  lower thermosphere/ionosphere  (100‐300  km)  during  its  ascent  and  another  few  minutes  during  its descent. The  instruments on board  the payload make measurements are only during a  fraction of this  traversal,  i.e.  in  the  region  of  highest  interest  as  defined  by  the  scientific  objectives  of  the mission. Up to now, the total measurement time offered by all appr. 500 sounding rockets for in‐situ measurements in the lower thermosphere/ionosphere taken together over the last 60 years is only on the order of one day.  Microgravity payloads are equipped with a parachute which is opened at lower altitudes allowing a soft landing. The payload can then be recovered and investigated and data stored on board can be analysed.   Compared with QB50 CubeSats, payloads on  sounding  rockets  for  in‐situ exploration of  the  lower thermosphere/ionosphere have the following advantages  

- large payload carrying capability, allowing to fly a much wider range of experiments, - no power limitations as  the battery size is determined by the requirements of the payload, - a high data rate (20 Mbps or more) and, therefore, excellent temporal and spatial resolution, - experiments can be modified (improved or repaired) until shortly before the launch, - quick  turnaround  time which  allows  to modify  and  adapt  the  payload  for  the  next  flight 

according to new results. It takes only a few years from project start until scientific data are available which makes sounding rocket experiments an ideal tool for students.  

 and the following disadvantages  

- short measurement time in the region of interest, - measurements  only  along  a  single  column  (vertical  profile),  i.e.  no  measurements  as  a 

function of latitude or longitude, - no multi‐point measurements. 

 

Page 24: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

24  

Instruments for exploring the lower thermosphere/ionosphere on sounding rockets  There  are  a  large  range  of  instruments  which  have  been  employed  on  sounding  rockets.  The following list provides only a tentative and incomplete overview. Some of these instruments are still under development and have not been flown yet. However, they are of interest for QB50. 

• Neutral mass and ion mass spectrometer • Magnetometer for magnetic field measurements • Langmuir probe for electron temperature and density measurements • Particle  detectors  for  charged  particles  and,  since  recently,  also  for  neutral  particles, 

including spectral mass information (e. g. ECOMA, MASS) • Measurement of total density and its fluctuations (e. g. CONE) • Resonance  lamps  for  the detection of  reactive  trace gases  (atomic oxygen, water vapour, 

etc.) • PHLUX (Pyrometric heat flux experiment) • FIPEX (Flux‐Φ‐Probe EXperiment) for measuring atomic oxygen and other gases  • Wind measurements by ground tracking of a luminescent cloud created in the MLT region.  • Tracking foil clouds or falling spheres to measure winds and neutral densities • Measurements of plasma components (electrons, protons) at various energies • Electric field measurements, AC and DC components  • Absolute electron density measurements by Faraday rotation  • Plasma diagnostic probe for electron perturbation measurements • Multi‐spectral imaging of  noctilucent clouds • MASS (Mesospheric Aerosol Sampling Spectrometer) 

 Tables 4.3.1 and 4.3.2 provide a  list of some examples of sounding rocket motors and  launch sites used today. The list is not exhaustive and does not claim to be complete.   Country  

 Sounding rocket 

Number  of stages 

 apogee 

 payload 

Brasil  VS‐30/Orion  2    434 km     VSB‐30  2    270 km  400 kg   VS‐40  2    650 km  500 kg Canada  Black Brant V  1    250 km  270 kg   Black Brant IX      450 km  170 kg   Black Brant X  3  1300 km    68 kg   Black Brant XI  3    590 km  250 kg   Black Brant XII  4  1500 km  135 kg India  RH‐300 Mk II  1       RH‐560 Mk II  2    334 km  100 kg Japan  S‐310  1    210 km    50 kg   S‐520  1    300 km  100 kg   SS‐520  2  1000 km  140 kg Russia  MR‐20      250 km  130 kg USA  Nike‐Improved Orion  2    190 km    68 kg   Castor 4B (used for MAXUS)  1    720 km  850 kg   Terrier Malemute  2    700 km    90 kg   Terrier‐Improved Orion  2    200 km    45 kg   Terrier Lynx  2    380 km    50 kg   Terrier Oriole  2    340 km  360 kg Table 4.3.1: Examples of sounding rocket motors in use today reaching a ceiling > 120 km.  

Page 25: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

25  

 

Table 4.3.2: Active launch sites for sounding rockets reaching a ceiling >120 km, ordered by latitude, most commonly used launch sites in bold     

 Country 

 

 Launch site 

 Location 

Norway  Andøya Rocket Range  69.29°N,   16.02°E Sweden  Esrange  67.89°N,   21.10°E USA  Poker Flat Research Range  65.13°N, 147.48°W Russia  Plesetsk Cosmodrome  62.71°N,   40.29°E USA  Kodiak Launch Complex  57.44°N, 152.34°W Russia  Yasny Cosmodrome  51.21°N,   59.85°E Russia  Kapustin Yar Cosmodrome  48.58°N,   46.25°E Kazakhstan  Baikonur Cosmodrome  45.96°N,   63.35°E China  Jiuquan Satellite Launch Center  41.12°N, 100.46°E China  Taiyuan Satellite Launch Center  39.14°N, 111.97°E USA  Wallops Flight Facility  37.85°N,   75.48°W USA  Vandenberg Air Force Base  34.77°N, 120.60°W Pakistan  Tilla Satellite Launch Center  33.40°N,   73.30°E Israel  Palmachim Air Force Base  31.88°N,   34.68°E Japan  Uchinoura Space Center  31.25°N, 131.08°E Japan  Tanegashima Space Center  30.39°N, 130.97°E USA  Cape Canaveral Air Force Station  28.47°N,   80.56°W China  Xichang Satellite Launch Center  28.25°N, 102.03°E Pakistan  Sonmiani Satellite Launch Center  25.19°N,   66.75°E India  Satish Dhawan Space Centre  13.74°N,   80.24°E India  Thumba Equatorial Rocket  

Launching Station   8.53°N,   76.87°E 

Brazil  Alcântara Launch Center    2.32°S,    44.37°W 

Page 26: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

26  

4.5  Armada A. Ridley, University of Michigan 

Armada is a proposed NanoSat constellation mission to study the thermosphere reaction to energy input across all scales.  It  is a collaboration between UM, NRL, GSFC, SNC, Wallops, UC, UAF, NOAA and APL 

Armada’s science objectives are: 

• To  determine  the  interplay  between  local,  regional  and  global  scales  in  defining  the thermospheric response to magnetospheric inputs. 

– How  does  the  plasma‐neutral  coupling  drive  thermospheric  change  over  various scales? 

– What part of the thermospheric response occurs  in the form of propagating waves and how do the waves and mean circulation mutually interact? 

• To quantify how winds and composition conspire to produce the observed density response over regional and global scales. 

– What  is  the  relative  importance of  thermal expansion, upwelling and advection  in defining total mass density changes? 

– How  do  neutral winds,  temperature  and  composition  serve  as  drivers  for  global ionospheric variability? 

• To  understand  how  ions  and  neutrals  interact  to  produce  meso‐scale  structures  and dynamics 

– What  are  the  in‐situ  processes  that  lead  to  neutral  and  plasma  structures characteristic of the low‐latitude ionosphere? 

– How do upward propagating tides and planetary waves contribute to the variability of the low latitude IT system? 

 Armada will  comprise  a  constellation  of  48  nano‐satellites  each  of mass  <6  kg  deployed  into  6 orbital  planes with  equal  numbers  of  satellites  in  each.  Each  satellite will  carry  an  identical  and highly effective instrument suite which will thereby provide global coverage and allow investigation of the evolution of the thermosphere. 

Figure  4.5.1.  shows  an  Armada  satellite  with  deployed  solar panels.  Aerodynamic  forces  will  provide  functional  redundancy with  attitude  control  and  give  additional  power. Note  the  front end point into the RAM direction. 

Attitude  Determination  and  Control  will  be  provided  with momentum wheels, magnetic torquers, sun sensors, a star tracker and a GPS.  Fig 4.5.1 Armada 

satellite  

Page 27: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

27  

Communications will be S‐Band for downlink and UHF for uplink. 

The Armada  science  payload will  be  the GSFC/NRL Wind  Ion Neutral  Composition  Suite  (WINCS) which will measure: 

• Neutral density, temperature and wind 

• Ion density, temperature and drift 

• Ion and neutral composition 

A  single  deployment  vehicle will  insert  the  NanoSats  into  their  orbits  and  planes,  each with  an inclination of between 81  and 83.5°. The nominal mission  lifetime  is 2  years  and  the  initial orbit height will be ~ 500 km, (slightly elliptical). 

Deployment will  involve the release 8 satellites at the same time with 3 m/s delta‐V, spaced out  in angle,  giving  slightly  different  orbital  periods.  5 maneuvers  will make  slight  adjustments  to  the inclination  providing  angles  of:  81.0°,  81.8°,  82.2°,  82.3°,  82.7°,  83.5°.  This  allows  complete longitudinal deployment in ~1 year and yet keeps 2 planes within ~10° over the entire mission.  82° is  chosen  to maximize  the  amount  of  time  on  the  auroral  oval. By  putting  the  planes  at  slightly different inclinations they precess at different rates, slowly spreading them out. 

One of  the most challenging aspects of Armada  is how  to get all of  the data down  to  the ground. Each satellite generates roughly 300 MB/day, or almost 15GB/day across the constellation. On‐board data compression will be essential. The situation is also mitigated with 32 GB of onboard storage, so data can be cached for ~100 days. It will be possible to download 6s averages for entire mission and higher cadence data for events. NRL has developed autonomous, low cost ground stations to handle constellations like this. These can be distributed strategically to allow near real‐time downloading of data. 

   

Page 28: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

28  

5. QB50 Candidate Sensors 

5.1  Introduction Information  regarding  sensor  technologies was  gathered by  the  SSWG  and  is presented below  in terms of potential QB50 payload instruments. The technologies covered were: 

• Accelerometer • Energetic Particle Sensors • FIPEX (atomic oxygen sensor) • GPS • Ion Mass Spectrometer • Langmuir Probe • Laser Retroreflector • Magnetometer • Neutral Mass Spectrometer • Spherical EUV and Plasma Spectrometer (SEPS) • Thermal Sensors (Incl. Bolometric Oscillation Sensor) • Wind Ion Neutral Composition Suite (WINCS – on proposed Armada mission) 

 The information covers the following aspects: 

• Scientific justification • General description and principle of operation • Performance • Mass • Power • Data rate • Operations and Commanding • Special requirements • Heritage (e.g. Technology Readiness Level) • Cost • Development schedule 

Information on mass, power, data rate, TRL and cost are summarised in Table 5.14.1 

   

Page 29: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

29  

5.2  Ion and Neutral mass spectrometer  D. Kataria, MSSL 

Science case Atmospheric  variables are often derived using assumptions about  the  composition and  the mean molecular mass. However, localized composition changes can change production and loss processes and be the cause of anomalous measurements that are derived from mean molecular masses. For example,  above  300  km  atomic  oxygen  is  the  dominant  neutral  constituent. Heating  that  causes upwelling of molecular N2 and O2  increases  recombination and changes  the mean molecular mass resulting  in  an overestimation of  the  ion  temperature,  amongst other  variables measured by  ISR radars.  In‐situ measurements carried out by QB50 of  the density and composition of  the  ions and neutral particles and their spatial variation will provide key measurements for significantly improved determination of atmospheric variables and provide key inputs for atmospheric models. 

Description The Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS)  is a miniaturised analyser designed for sampling of low  mass  ionised  and  neutral  particles  in  the  spacecraft  ram  direction  with  the  instrument resolutions optimised for resolving the major constituents in the lower thermosphere, i.e., O, O2, N2.  

The  key  sensor  components  consist  of  a  collimator/ion  filter,  an ioniser  and  a  charged  particle  spectrometer.  Particles  enter  the aperture  into  the  ion  filter  region where  charged particles  can be rejected. This  is  followed by a  series of baffles  for collimation and further  charged  particle  suppression.  Collimated  neutral  particles are  subsequently  ionised  in  the  ionizer by  a 50 eV  electron beam followed  by  mass  selection  in  the  analyser.  With  an  energy resolution of 3%,  the analyser will provide  clean  separation of  the major constituents. The  spectrometer  can be operated  in different modes, optimised for ions or neutral particle analysis.  

Performance Of the two critical components, the ionizer and the analyser, proof‐of‐concept/prototype  devices  have  been  breadboarded  and  are undergoing detailed  testing.  Figure 5.2.2  shows  the prototype of the  miniaturised  analyser  (in  gloved  hand)  along  with  MSSL’s conventional,  albeit  state‐of‐the‐art,  plasma  analyser. Furthermore, ChaPS  (Charged Particle  Spectrometer), a  complete charged  particle  instrument,  has  been  developed  for  in‐flight demonstration on  TechDemoSat,  a UK  technology demonstration satellite  to be  launched  in  the  first quarter of 2013. Performance characteristics of ChaPS are given in Table 5.2.1.  

Calibration Performance  “standardisation”  (performance  characterisation  and  calibration,  including  thorough characterisation of performance variability) of the sensors across the network  is a key requirement for QB50. MSSL has  considerable expertise with  calibration and qualification of  large numbers of sensors  and  the  instrumentation  activities  are  supported  by  state‐of‐the‐art  characterisation  and 

Figure 5.2.1: Schematic of the principle  of  working  of  the INMS 

Figure 5.2.2: Miniaturised charged particle  analyser  along  with  the Improved Plasma Analyser  

Page 30: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

30  

Figure 5.2.3: Photo of the ChaPS instrument.  

calibration facilities for this as well as qualification facilities including vibration and thermal vacuum. For example, MSSL supplied 10 analysers each for Cluster 1 and 2 and recently celebrated 10 years of  successful  operation  of  the  analysers  in  space with  all  10  instruments  continuing  to  provide excellent performance. The  INMS sensors will be calibrated before delivery and will  include cross‐calibration of the sensors across the network.  

Characteristic   

Key view direction  Spacecraft Ram 

Energy range  0.1 to 28 eV 

Energy resolution   <3 % 

Elevation resolution  5° 

Azimuth resolution  5° 

Geometric factor  ~1x10‐6 cm2 sr eV/eV 

Time for full distribution  1 s 

Table 5.2.1: Performance characteristics of ChaPS 

Operations and Commanding The control and overall operation of  the  instrument will be  carried out  through  simple  command sequences  executed  by  the  CubeSat  on‐board  computer/microcontroller.  It  is  envisaged  that  in‐flight, the INMS will have two modes, standby and science, with the data handing and control carried out over the I2C interface, nominally operating at 100 kHz clock speed. All the parameters required for control and operation of the instrument will be contained within the command. During in‐flight operations,  it  is  expected  that  several  such  sequences  would  be  stored  in memory  and  run  at different  times  in  an  orbit  over  a  chosen  time  scale  and  the  data  acquired  stored  on‐board  for downlink. 

Special requirements Key  requirements  for  the  INMS  is accommodation of  the  sensor  such  that  its aperture  views  the spacecraft ram direction and for the CubeSat to provide attitude control to within ±10° with pointing knowledge of ±5°. This will require a clear face of the CubeSat with no solar panels. INMS will use the 3.3V and 5V available from the CubeSat bus for powering the  instrument and the  I2C  interface for command and control.  

Heritage MSSL has long been recognized as a centre of excellence in the provision  of  instrumentation  for  space missions  and  exploiting  the  data returned by them with  involvement  in all major missions conducted since the 1970's by ESA and NASA. One of  the key areas of expertise  is  in  the provision  of particle  instruments.  The  laboratory  is  currently  developing highly miniaturised  low‐energy particle analysers, sensors that are  ideally suited for CubeSat missions and as described above, has recently built the ChaPS  instrument  shown  in  Figure 5.2.3  for  in‐flight demonstration on the UK’s TechDemoSat mission. The  ion  sensor on ChaPS meets all  the requirements of  the QB50 mission  for  studies of  the  ion environment. ChaPS has been built  and calibrated and has successfully undergone vibration and thermal vacuum testing, placing it currently at TRL 7/8. The instrument is scheduled for delivery in February 2012 with launch in Q1 2013. 

Page 31: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

31  

Development schedule 

The schedule for the development of the INMS is provided in Table 5.2.2 

Table 5.2.2: Schedule for the development of the INMS 

 

   

No.  Development activity  Time [months] 

1  Development of Ion sensor  Completed 

2  Ionisation source proof‐of‐concept testing  Completed 

2  Ionisation source breadboard development  2 

3  Development of INMS prototype  6 

4  Development of flight sensor  4 

5  Production  and calibration of flight sensors  6‐9 

Page 32: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

32  

5.3  FIPEX: In­situ Atomic Oxygen Measurement in Low­Earth Orbit T. Schmiel, S. Fasoulas, A. Weber, TU Dresden 

Science case FIPEX of TU Dresden (Flux‐Φ‐Probe‐Experiment) is able to distinguish and measure the time‐resolved behaviour of atomic and molecular oxygen as a key parameter of the  lower thermosphere. Atomic oxygen  is  the dominant  species  in  these  regions  and  therefore  its measurement  is  crucial  in  the validation of atmosphere models. Moreover, erosion of spacecraft surfaces due to  interaction with atomic oxygen is a serious concern and merits in‐situ study in its own right.  

 

Figure 5.3.1 Sketch of FIPEX sensor principle with a third reference electrode (Schmiel, 2009; Hammer et al 2009) 

Description The measurement  is based on  solid oxide electrolyte micro‐sensors. The working principle of  the developed  oxygen  sensors  as  shown  in  Figure  5.3.1  is  based  on  the  ion  conductivity  of  ceramic materials.  For  oxygen  conducting  solid  state  electrolytes,  e.g.  yttrium‐doped  zirconia,  the conductivity  starts at high  temperatures and  so  the  sensor operates at an elevated  temperature, heated  by  an  electrical  resistance.  Oxygen  is  “pumped”  from  one  electrode  to  the  other  by  an applied direct voltage and in accordance with Faradays’ law; the measured current is proportional to the mass flux by electrolysis. To distinguish between atomic oxygen (O) and molecular oxygen sensor elements with different cathode materials are used.  

The design of the FIPEX sensor element as developed for the CubeSat SOMP is simple and compact with a relatively low power consumption (operating only one sensor at a time) and high sensitivity in high vacuum conditions. The sensor geometry is 20x3.5x0.5mm with a heater power of less than 1.6 Watts  at 660°C.  Figure 5.3.2  shows  the  sensor  for  SOMP  and  its  integration  into  the  sensor unit periphery leading to a complete unit mass of 15 g (without electronics and harness). See Table 5.3.1 for the key design parameters used for the design of the CubeSat SOMP.  

Sensor unit   Dimension  36 x 30 x 12 mm³ No. of sensors  2 Type of sensors  Atomic Oxygen Mass  15 g (excluding harness) Field of View  ~180 deg (free flow) 

Page 33: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

33  

Heating Power  < 1.6 W Electronic / PCB   

Sensor  1 + 1 spare, no parallel operation Dimension#1  80 x 100 x 10 mm³ Power (includes sensor heating power) 

12  V: 2700 mW#2 5 V:    100  mW 3.3 V: 200  mW 

Mass  70 g (excluding harness) 

Table 5.3.1 Characteristic of the SOMP FIPEX Experiment (based on CDR report, Deckert et al 2011) 

#1 Different dimension like PC/104 is possible;  

#2 This special power  line  is available  in the SOMP CubeSat bus. Alternatively this power  line can be included in payload electronics for about 15 g extra mass. In this case a 8 V or the 5 V power line is used instead. 

 

        

Figure 5.3.2 Oxygen sensor for CubeSat SOMP (left) (Hammer et al 2009) and the sensor unit (right) 

 

Performance FIPEX  is  able  to  distinguish  and  measure  atomic  and  molecular  oxygen  at  very  low  ambient pressures. A  typical characteristic of different oxygen sensors  in ultra high vacuum can be seen  in Figure 5.3.3a.  It  is possible  to measure oxygen partial pressures down  to 10‐10 mbar  (e.g. particle density 106 atoms/cm³) with a resolution of better than 2x10‐10 mbar (Schmiel 2009). A typical result of the difference in densitites between atomic and molecular oxygen, taken during the flight of FIPEX on the ISS mission is depicted in Figure 5.3.3b. 

For development and calibration,  the Atomic Oxygen Exposure Facility of  the TU  institute  is used, that can produce high vacuum conditions down to 10‐9 mbar total pressure. The residual species are determined  by  a  SEV  quadrupole mass  spectrometer.  For  the  simulation  of  the  atomic  oxygen environment, microwave induced oxygen plasma dissociated to atomic oxygen is expanded through a small aperture into the test chamber.  

Page 34: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

34  

Figure 5.3.3a Typical characteristics of different oxygen sensors in ultra high vacuum (Schmiel 2009) 

Figure 5.3.3b Difference in density between atomic (above) and molecular (below) oxygen taken during the flight of FIPEX on the ISS mission, data taken on 23‐24th April 2008 (Schmiel 2009) 

Operations and Commanding The commanding and data handling requirements for FIPEX  are not demanding. FIPEX is controlled by an MSP430 micro controller that is linked to the central data handling and control of the CubeSat. There  are  no  special mode  requirements  for  FIPEX  and  so  no  special  or  complex  commanding requirements. There will be a measurement mode and a standby/safe mode. If not in use the sensor can be deactivated. It is only necessary to be able to set a schedule for measurement and verify the correct functionality through appropriate housekeeping. Direct commanding  is not required during normal operation. The assumed data rate for one sensor will be about 16 kByte per hour.   It  is not required that FIPEX measures the whole time. 

 

 

Page 35: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

35  

Special requirements The  FIPEX design  for  SOMP  assumes  that  a 12 V power  line  is  available, which  is not  a  common power line for CubeSats. Alternatively, this can be included in the sensor electronics. Additionally, it is  assumed  that  a  battery  is  provided  by  the  CubeSat  bus  which  is  able  to  buffer  peak  power consumption  during  heating  of  the  sensor  elements.  If  not  available  for QB50,  a  battery  can  be included in the sensor electronics. The sensor needs to be in free flow and to determine the actual flux,  the  attitude of  the  satellite with  respect  to  its direction of motion needs  to be  known.  For SOMP the required accuracy of attitude determination is 5°. 

Heritage  FIPEXonISS was  an  experiment  launched  on  STS‐122  (1E)  Shuttle  flight  on  7  February  2008  and deployed on  the Columbus External Payload Facility on  the platform EuTEF  (European Technology Exposure  Facility).  It  provided  measurements  of  the  time‐resolved  behaviour  of  atomic  and molecular oxygen. The next natural step would be a temporally and spatially resolved measurement which  is  possible  with  QB50.  FIPEX  on  QB50  consists  of  three  parts:  sensors,  sensor  unit  and electronics.  Due  to  the  heritage with  FIPEXonISS,  the  experiment  has  a  TRL  of  9.  Based  on  the experience of the ISS experiment, the design was changed to the requirements of the SOMP mission. The SOMP design has currently a TRL 6. TRL 8 will be reached in the autumn of 2011. The launch is planned for the beginning of 2012. The TRL are summarized in Table 5.3.2. 

Part  Heritage  TRL 

Sensor  Sensor principle: FIPEXonISS [2] Sensor typ: 

TRL 9 TRL 8 

Sensor unit  Possible: FIPEXonISS [2],                 CubeSat SOMP [4] 

TRL 9 TRL 6 

Electronics  Possible: FIPEXonISS [2],                 CubeSat SOMP [4] 

TRL 9 TRL 6 

Table 5.3.2 Technology Readiness Level (TRL) and Heritage  

Figure 5.3.4 Test PCB for FIPEX electronics (130 x 90 x 10mm³) 

 

 

 

 

Page 36: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

36  

 

Development schedule QB50  is  likely  to  have  different  requirements  for  FIPEX  than  SOMP  and  the  development work packages are shown in Table 5.3.3 below. 

No.  Work Package Name  Time 

[month] 

Remarks 

1  Development of an Engineering Model for FIPEXonQB50, 

including: 

− Clarification of Requirements 

− Adaptation for mass production 

− Adaptation of the sensors to the orbital height 

− Adaptation of sensor unit according to QB50 

requirements 

− Adaptation of measurement electronics  

Assembly of Engineering Model 

2‐9  depending on adaptation 

effort and requirements 

2  Qualification of Housing and Electronics 

(Vibration, Thermal, …) 

3  if required due to design 

changes or launcher 

specification 

3  Manufacturing of Flight Hardware 

(Reproduction of EM) 

4‐5  includes FM electronics 

and housing but EM sensor 

4  Production of the sensors, calibration 

(delivery of flight sensors shortly before final integration) 

6‐8  for assumed 70 sensors,  

Table 5.3.3 FIPEX Development Schedule    

Page 37: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

37  

 

5.4  Multi­Needle Langmuir Probe T. A. Bekkeng and J. Moen, University of Oslo 

Science case The University of Oslo multi‐Needle Langmuir Probe system can provide absolute electron density measurements at ~1 m spatial resolution  for a 320 km orbit, and thereby map regions of F‐region plasma  turbulence  of  particular  relevance  for  communication  and  GNSS  signals  in  polar  and equatorial regions. A Langmuir probe will provide an absolute measurement of plasma density and so provide a means of cross‐calibration for an ion‐mass spectrometer. 

Description The m‐NLP system consists of one DAQ PCB (80.00 x 82.60 mm, but can easily be adapted to PC104 standard size), and four thin booms to support the probes, as seen in Figure 5.4.1. 

 Figure 5.4.1: Three of the four probes incl. booms shown, mounted in the CubeSTAR CubeSat. 

 The signal flow in the m‐NLP system is shown in Figure 5.4.2. 

 Figure 5.4.2: Block diagram of the instrument signal flow 

All four probes are biased at different bias potentials, with respect to the platform potential. 

Performance Current measurement range 3 decades (i.e. 1 nA to 1 µA), but adjustable by in-flight

automatic gain control Electron density range 108 m-3 to 1012 m-3 (adjustable to match mission

requirements)

Page 38: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

38  

Accuracy 16 bit raw data, but downsampled to 8 / 10 / 12 bit data product

Sampling rates Up to 7 kHz, adjustable by uploadable selection commands Table 5.4.1 Langmuir Probe performance summary 

 

Calibration strategy and in­orbit approach Pre‐flight  calibration  is  done  by  EGSE  equipment  supplied  by  the  University  of  Oslo.  In‐orbit calibration  is done by running sweeps on all probes  i.e. once a week,  to calibrate  for effects  from probe contamination etc. 

Data rates and options and operational modes Mode: Complete scientific coverage  On‐board processed: 100% Duty cycle: 

~1.25 MB per orbit 

Mode: Partial scientific coverage On‐board processed: 25% Duty cycle: 

~312.5 kB per orbit 

Mode: Irregularity survey mode 100% Duty cycle 

8.6 kB per orbit

Table 5.4.2 Langmuir Probe data rates and modes 

Required commanding The following commands must be sent over the I2C bus: 

• Selection of which operational mode to be active 

• DNEL signal to ensure proper storing of measurement data before system power down 

Any special requirements – thermal stability, booms and mechanisms, … Four  spring‐loaded booms  to  support  the probes have  to be placed, optimally, at  the end of  the CubeSat  facing  the direction of  flight. To avoid wake effects,  the CubeSat should have an attitude control within ±25° along the axis of motion. 

Heritage (TLR with evidence) The m‐NLP  system has been  flown  successfully on  four  sounding  rockets between Dec. 2008 and Dec. 2010. For all four flight the m‐NLP system provided high quality data of electron density, and a one second sample of data is shown in Figure 5.4.3, showing small‐scale density structures. 

 Figure 5.4.3. One second of electron density data from the ICI‐2 campaign 

Page 39: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

39  

 The TRLs for the different parts of the m‐NLP system are given in Table 5.4.3. 

Electronics  Probes BoomsTRL 6 ‐ System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment (ground or space)  

TRL 6 ‐ System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment (ground or space)  

TRL 3 ‐ Analytical & experimental critical function and/or characteristic proof‐of‐concept   

Table 5.4.3 Langmuir Probe sub‐system TRLs  

Development schedule None of the parts used in the system design have significant lead times 

Development stages, sounding rocket version of the instrument, serving as the prototype for the satellite version Version  two of  the mNLP system  for sounding  rocket  (8‐NLP), ready for final integration 

August 2011

Launch 1 of the 8‐NLP system  ICI‐3  sounding  rocket,  Dec.  2011, Svalbard 

Launch 2 of the 8‐NLP system  NASA  36.273  MICA  Sounding  rocket, Poker Flat, Alaska 

Table 5.4.4 Langmuir Probe general development milestones  

Development stages, CubeSat version Breadboard model of preamplifier stage  November 2010Testing of probe prototype in ESTEC plasma chamber February 2011PCB design and production Finalized August 2011 FPGA programming  Finalized October 2011 Functional tests  January 2012Environmental / vibration testing  Finalized  by  the  end  of  1st  quarter  of 

2012 Launch of mNLP system on the CubeSTAR CubeSat 2013

Table 5.4.5 Langmuir Probe QB50 specific development milestones 

All subsystems have been partly of fully tested on prototype level, except of the on‐board memory for the experiment.  

   

Page 40: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

40  

5.5  Magnetoresistive magnetometer  P. Brown, Imperial College London 

The main science goals of the magnetometer are the detection of Equatorial Spread F events which are  typically  accompanied  by  field  enhancement  across  regions  of  low  electron  density.  It  is envisaged  that  the  magnetometer  would  also  provide  context  information  for  the  particle measurements and could be used as an input for spacecraft attitude determination. 

Description The sensors are implemented as plastic or ceramic packages and co‐located with drive electronics in a potted sensor head ideally at the end of a rigid boom. The sensor head has a mass of around 20 g and 10 cm3 volume. This  is within the typical payload resource envelope of a CubeSat mission and may  be  compared with  a  200  g  fluxgate  sensor  encompassing  a  volume well  over  100  cm3.  The sensor delivers the three components of the magnetic field (nominally in the range 0‐10 Hz although up to 100 Hz is possible) plus a temperature measurement. Ideally, two three‐axis sensors would be included  for  differential  (‘gradiometer’)  measurements  of  the  platform‐generated  field.  The outboard (OB) sensor  is mounted at the end of the boom and the  inboard (IB) sensor fitted at the base of  the boom or directly on  the magnetometer electronics  card. The  sensors  connect  to  the electronics card via a lightweight harness. 

Each single axis sensor is implemented as a Wheatstone bridge. The bridge output voltage varies in response  to  a  change  in  current  flow modulated  by  the  field  dependent  resistance.  The  control electronics  is  implemented as a closed  loop system featuring dedicated bipolar driving. The closed loop  control  improves  the  overall  linearity  and  limits  sensitivity  drift.  The MR  driver  ensures  the sensor maintains  low noise operation by holding the sensor at  its optimum position on the sensor transfer function.  

Figure  5.5.1  shows  the  exposed  miniaturised  sensor  head  and  an  example  of  a  complete magnetometer  (PC104 PCB, sensor harness and enclosed sensor head, protected by an Aluminium housing) as implemented for a 3U CubeSat mission. Other configurations are possible depending on specific mechanical  requirements. The  sensor head houses  the AMR  sensors and associated drive circuitry implemented as a thick film hybrid on a LTCC substrate. The drivers are included in the head to  limit  power  loss  in  the  sensor  harness.  The  sensor  is  typically  potted  in  epoxy  to  protect  the sensor components and provide thermal and mechanical stability.  

 

Figure 5.5.1 Left: Miniaturised magnetometer sensor head; Right: Complete magnetometer 

Page 41: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

41  

The  magnetometer  requires  a  single  electronics  card  compatible  with  a  standardised  CubeSat platform of dimension 9 cm by 9.6 cm and 1 cm height clearance either side. Options to reduce the electronics volume envelope are possible if common control, power and data processing electronics are envisaged. 

The  instrument  summary  is  shown  in  Table  5.5.1.  The  instrument  cadence  and  duty  cycle  are dependent  on  the  requirements  of  the  specific  configurations  but  the  sensor  measurement bandwidth is between 0‐200 Hz and the instrument hardware configuration is compatible with both always‐on and duty cycled operations. 

Characteristic  Requirement 

Mass  15 g (sensor – includes un‐potted Aluminium mount) 25 g (sensor –potted) 80 g (electronics) 12 g (1 m harness) 

Power  240 mW (attitude mode), 500 mW (science mode) Volume  Sensor head 10 cm3, Electronics 173 cm3 (9 cm x 9.6 cm x 2 cm) Sensitivity  10 nT (attitude mode), <2 nT (science mode) Cadence  1 vector/s (attitude mode), 10 vectors/s (science mode)* Telemetry  <100 bits per second Mechanical  A rigid boom of dimension at least 30cm is desirable in order to limit 

spacecraft contamination of the magnetometer measurement Pointing  No active requirement but attitude knowledge required to recover 

magnetic vector direction. Noise Density  150 pT Hz‐½ at 1 Hz Temperature   ‐50°C to +120°C

 *Other cadences possible 

Table 5.5.1 Magnetometer summary 

Calibration Imperial’s 3‐axis, high quality Helmholtz coil calibration facility allows us to calibrate the sensor head against a high end fluxgate sensor on the ground. We will perform this calibration before delivery, including a  characterisation of  temperature effects,  in order  to maximise  the precision of  the on‐orbit data. 

Performance The instrument has a sensitivity of better than 2 nT and a Noise Spectral Density (NSD) of less than 150 pT/√Hz above 1 Hz. Offset drift is of order 1 nT/oC. This is expected to improve following further technical developments on the sensor design. 

Special requirements A boom of  length >20 cm  is required. Solar panels should be wired so as to minimise the magnetic field at the magnetometer. 

The unit requires one digital (3.3 or 5 V) and one analogue (12 V or 15 V) line. The data interface to the bus can be either analogue or digital depending on specific requirements. The  implementation shown above has an SPI digital interface incorporating a 24‐bit ADC sampling each component at 16 Hz. The instrument range is ±50,000 nT. The ADC includes several IO lines and these will be utilized 

Page 42: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

42  

to  implement  the  command  and  control  lines  from  the  spacecraft  on‐board  computer.  Imperial College  can  verify  CubeSat  interfaces  through  test  with  a  development  board  (Pumpkin  Inc www.cubesatkit.com). 

Heritage The  Imperial  College  London  Space  and  Atmospheric  Physics  group  has  a  long  heritage  in  the provision of magnetometer hardware for space science missions. The development of a space‐grade solid  state magnetometer  has  been  undertaken  as  part  of  a  UK/ESA  funded  research  program resulting  in  a  design  of  a  tri‐axial magnetometer  using  sensors  based  on  Anisotropic Magneto‐resistance (AMR). The first magnetometer flight model was recently delivered for integration on the NSF  CINEMA  CubeSat  which  is  due  for  launch  in  summer  2012  and  is  currently  undergoing  an environmental test campaign. The magnetometer is currently at TRL 6. 

   

Page 43: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

43  

5.6  Accelerometer  T. Beuselinck, Redshift 

Accelerometer data together with an understanding of the drag coefficient (known from geometry, orientation  and  temperature  etc.)  and ballistic  coefficient  enables  the  calculation of  atmospheric density. 

Description The  candidate  accelerometer  for QB50  is  inevitably  constrained  by  available  technologies. Most high‐accuracy accelerometers for space use have been based on the Honeywell QA‐3000 series (or lower‐cost QA‐2000 series) acceleration sensor. Although this sensor  is very accurate and stable  it cannot be considered to be a quasi‐steady accelerometer in itself. Although the noise of this sensor is higher than the atmospheric drag signal that is to be measured in a typical space mission the very symmetrical nature of  this noise allows  the  recovery of  significant measurements using analog or digital  filters. However, also  the bias drift of  this sensor  is higher  than  the signal  to be measured. Some strategies have been used to overcome this problem (e.g. by periodically rotating each sensor over 180°or by continuously rotating the sensor to be able to remove a slowly drifting bias drift) with various success. A similar strategy  is to be used by the DANDE mission, where the full spacecraft  is rotated. RedShift has used a similar strategy to successfully extract very low‐frequency acceleration information  from  the  Foton  accelerometer measurements  based  on measurements  of  the  (non‐controlled) attitude of this spacecraft.  

MEMS sensors offer an appealing alternative  to  the Honeywell sensor  (much smaller,  lower mass, lower  power).  However,  up  to  recently  these  sensors  could  not match  the  performance  of  the Honeywell sensor. Recent developments claim  to match or exceed some of  the Honeywell sensor specifications,  but  these  sensors  have  not  yet  been  used  in  space.  Therefore,  a  dedicated  test campaign would be required to evaluate such sensors for the QB50 application (e.g. using droptower or parabolic flight testing). In addition, these sensors exhibit an important temperature dependency. Therefore, besides thermal compensation (by post‐processing), active thermal control is expected to be necessary.  

Performance Based on the available orbit  information RedShift estimates that the drag experienced by a typical QB50  CubeSat  (without  any  drag‐enhancing  devices,  e.g.  without  deployable  solar  panels)  will fluctuate (within each orbit) between 0.5 µg and 2 µg (in ram direction at 320 km) to >1000 µg at 120 km. The expected fluctuations are due to normal atmospheric density variations in the orbit. In order  to acquire  scientifically useful data much  smaller  fluctuations need  to be measured  (target resolution 50 ng, target accuracy ±100 ng). These fluctuations cannot be reliably measured with any currently  available  off‐the‐shelf  acceleration  sensor.  In  order  to  measure  significant  signals  a strategy similar to the DANDE mission could be used (increase the CubeSat drag by using deployable items, rotate the sensor or the whole CubeSat around an axis perpendicular to the orbit plane) at the  cost of very  stringent  requirements on  the  spacecraft design  (e.g. attitude measurement and control  systems  performance).  This  seems  out  of  scope  for  the  QB50  project.  Even  if  this  was possible  the  additional  constraints  (e.g.  low  data  downlink  volume)  would  lead  to  even  more stringent requirements (e.g. a fixed pre‐defined angular rate ‐or alternatively high angular stability‐in order  to  allow  for  accurate  in‐flight data processing  and  acceleration  signal  recovery). Moreover, 

Page 44: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

44  

based on RedShift experience  the measured  signal  could be  contaminated by other  sources  than atmospheric  drag  (e.g.  the  Honeywell  sensor  based  devices  that  RedShift  built  are  sensitive  to magnetic fields, corresponding to a signal of 1 µg amplitude for the Earth magnetic field variations in orbit). This kind of error in the measurement signal can be interpreted as a scientific result and could be  impossible to correct  for  if only a  limited amount of downlink data  (the result of extensive on‐board  processing)  is  available.  Although  on‐board  data  processing  is  certainly  possible  RedShift knows of  several examples where  this  failed  (although  the device had been extensively  tested on ground the output of a German accelerometer saturated in flight).  

Note  that  a  sensor  located out of  the  spacecraft COG will  also measure  accelerations  caused  by attitude  changes  (rotations)  and  by  attitude  control  system  actions  (typically  up  to  100µg).  If mechanisms  are  active  in  the  spacecraft  the  sensor  will  measure  vibrations  (typically  mg‐level amplitude at higher frequencies). In ground tests also it is almost impossible to prevent higher‐level vibrations. Therefore any accelerometer requires a significant dynamic range. 

Based on this discussion RedShift proposes to trade‐off between two strategies:  1. Using a 1‐axis Honeywell‐type servo‐accelerometer in a rotating CubeSat  2. Using a 3‐axis MEMS sensor set‐up without CubeSat attitude constraints  

Table 5.6.1 Option 1: Servo‐accelerometer based solution. All values are estimates 

Scientific relevance to QB50 objectives

Measuring the atmospheric drag experienced by a CubeSat by using a micro-accelerometer allows the study of the Earth atmosphere density distribution.

Description – including principle of operation

Typical 1-axis micro-accelerometer design based on the Honeywell QA-2000 servo-accelerometer sensor (or similar non-ITAR item).

Performance – sensitivity, range, accuracy etc.

• Typical target measurement range: >±100 µg (internal device range >± • Typical target resolution: 50ng • Typical target accuracy: <±100ng

Calibration – strategy and in-orbit approach

On-ground calibration on test jig

Mass 0.2 kg Volume 100mm x 100mm x 30mm Power – equivalent primary power together with secondary power per LV power rail

1W total required power rails: +15V: <500mW -15V: <500mW +5V: <100mW +3.3V: <500mW

Data rates and options 500kByte per day Operational modes On / Off Required commanding On / Off, angular rate Any special requirements – thermal stability, booms and mechanisms, …

Adapted mission strategy: • increase the drag using deployable items • rotate CubeSat around axis perpendicular to orbit plane at constant angular rate

Heritage (TRL with evidence)

Accelerometer: TRL 7 (several Foton missions and one ISS payload subsystem) To be developed: On-board data processing and mission strategy constraints.

Availability Honeywell sensor: ITAR (alternative available) Cost Development: 250k€ Recurrent (per flight-qualified accelerometer): 15k€

Remark: non hi-rel, standard commercial electronics. Mission support: 150k€ (including support in post-mission data analysis)

Development schedule Development (up to qualification): 15 months Includes flight model manufacturing, starting after 6months.

Development risk – what are the risks and how are they to be mitigated.

Low development risk: Accelerometer (based on flight-proven design) Medium risk: Development of on-board data processing algorithm. High-risk: Adapted mission strategy implementation (by CubeSat developers)

Page 45: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

45  

 Scientific relevance to QB50 objectives

Measuring the atmospheric drag experienced by a CubeSat by using a MEMS accelerometer allows the study of the Earth atmosphere density distribution.

Description – including principle of operation

3-axis MEMS accelerometer design based on European sensor technology.

Performance – sensitivity, range, accuracy etc.

• Typical target measurement range: >±100 µg • Typical target resolution: 50ng • Typical target accuracy: <±100ng

Calibration – strategy and in-orbit approach

On-ground calibration on test jig, complemented with free-fall development testing and post-flight correction of low-frequency drift (using mathematical models of orbit and attitude dynamics).

Mass 0.05 kg Volume 50mm x 100mm x 30mm Power – equivalent primary power

0.35W total

Data rates and options 100kByte per day Operational modes On / Off Required commanding On / Off Any special requirements – thermal stability, booms and mechanisms, …

Adapted mission strategy: • increase the drag using deployable items (preferred) • active temperature control using thermo-electric cooling modules

Heritage (TRL with evidence)

No flight heritage

Availability European supplier Cost Development: 150k€ Recurrent (per flight-qualified accelerometer): 10k€

Remark: non hi-rel, standard commercial electronics Mission support: 150k€ (including support in post-mission data analysis)

Development schedule Development (up to qualification): 9 months Includes flight model manufacturing, starting after 6months.

Development risk – what are the risks and how are they to be mitigated.

High-risk: MEMS accelerometer without flight heritage (mitigated after dedicated tests)

Table 5.6.2 Option 2: MEMS Accelerometer based solution. All values are estimates 

Trade­off conclusions Option  1  has  the  advantage  of  an  existing  flight  heritage,  but  consumes  a  large  portion  of  the available resources (mass, volume, power) and imposes a dedicated attitude (mission strategy).  

Option 2  lacks flight heritage but shows great potential relating to reduction of mission resources. Considering  the  educational  nature  of  the QB50  project,  the  challenge  of  using  these  innovative sensors can be considered acceptable.  

Special requirements Note  the  potential  interference  from  other  CubeSat  elements  including  Attitude  Control  System jitter and EMC. 

Heritage  RedShift designed, built and operated  several high‐accuracy accelerometers  for  the Russian Foton spacecraft and was also  involved  in  the post‐flight data processing. Based on  this experience  the need for a low‐cost quasi‐steady micro‐accelerometer was identified and a first prototype of such a device has been demonstrated on Foton‐M3. The last few years this technology was not developed any further due to lack of funding. Although some recent developments could lead to a resumption of this development, this would not lead to a product in time for the QB50 project.    

Page 46: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

46  

5.7  GPS receiver  

5.7.1  Sérgio Cunha, University of Porto 

GPS receivers operate by measuring relative phases of signals transmitted by the GPS satellites situated in circular MEOs of approximately 26,000 km radius. The signals that can be measured are: 

• Pseudo‐ranges, obtained  from  the phase of a 1,023,000  chips per  second pseudo‐random binary sequence (PRBS) modulated over the carrier frequencies, which are L1 = 1575.42 MHz and 1227.60 MHz. The chip  length  in space  is about 300 m and receivers can measure this signal phase to an accuracy of few meters. The PBRS total length is roughly 300 km in space and  any  possible  ambiguity  regarding  which  multiple  of  the  sequence  length  is  being received is solved by information contained in a 50 bps message stream also modulated over the L1 carrier. 

• Carrier phases, obtained as the phase of the L1 and L2 carriers relative to a reference signal generated  by  the  receiver  and  common  to  all  satellite  tracking  channels.  These measurements  have  only  about  1  cm  error.  Although  lock  is  maintained  from  one measurement  to  the next,  there  is an ambiguity  in  the  initial  integer number of cycles  for each consecutive set of epochs without  loss of  lock.  It  is not possible  to solve  this  integer ambiguity from other measurements (only bound this  integer value) using  information  just from one satellite and one epoch, given the short period (one wavelength, of size 19 cm for L1 and 24 cm  for L2). Carrier phases are used  to smooth the pseudo‐range measurements from epoch to epoch, reducing the error of the  latter to about one meter. Maintenance of lock  between  epochs  is  very  important  for  carrier  phase  measurements,  which  implies operating the receiver continuously during a period of measurements. 

• The Doppler measurement is the instantaneous frequency offset from the L1 and L2 carriers relative to the frequencies generated from the clock of the receiver. Solving simultaneously for  the  receiver  clock  drift,  it  allows  computing  the  instantaneous  vector  velocity  of  the receiving antenna. The measurements are not exactly instantaneous, as the tracking loop of the receiver contains filters that integrate over some period of time. However, this period is in  the  order  of magnitude  of  one  to  ten milliseconds, which  for  the  purpose  of what  is addressed here is negligible and can be considered instantaneous. 

Positioning with GPS The most  common way  of  using  a GPS  receiver  is  in  stand‐alone mode,  computing  position  and velocity estimates together with the respective timestamps (PVT estimates) from the pseudo‐range and Doppler measurements. The accuracy of the position estimates  is  in the order of a few meters (say, 10 m); the accuracy of velocity estimates is in the order of centimetres per second. Such error has  several components: atmospheric delay  (which  is  the most  significant near  the  surface of  the Earth,  having  less  impact  in  orbit),  GPS  satellite  orbit  and  clock  uncertainties  and  pseudo‐range/Doppler measurement  noise.  It  is  relevant  to mention  that,  except  for  the measurement noise,  these  errors  have  significant  low  frequency  components.  Therefore,  low‐pass  filtering will have almost no effect in containing them. 

The next step to improve accuracy with GPS is differential positioning with pseudo‐ranges. Through this method,  two GPS  receivers  located at a distance much  closer  than  the distance between  the receivers and the GPS satellites exchange measurements (in this case, pseudo‐ranges). The common part of the errors affecting both receivers  is cancelled out, enabling the computation of the vector arm between them with an accuracy of about half a meter. The error source dominating now is the pseudo‐range measurement noise, which has a broad spectrum, and  the differences between  the GPS  orbit  and  atmospheric  errors  as  seen  by  the  two  receivers.  The  later  exhibit  low  frequency components and are more significant with the distance between receivers. 

Page 47: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

47  

Further  accuracy  can  be  obtained  by  processing  the  carrier  phase measurements  in  differential mode. One simple procedure is to compute the evolution of the vector arm between receivers from one epoch to the next. The error of such estimate is in the order of one centimetre for epochs that are  close  in  time.  They  contain  a  low  frequency drift, due  to GPS  satellite  ephemeris  errors  and atmospheric  perturbation  changes.  The  absolute  relative  arm  between  receivers  can  also  be computed from the carrier phase measurements. This implies solving an integer ambiguity problem in search for the unique differential position and, simultaneously, the number of full cycles added to the measurements of each GPS satellite that will result in the minimal residuals, in the vicinity of the pseudo‐range  differential  solution.  When  the  two  receivers  are  at  close  range,  this  produces absolute  vector  arm  measurements  with  an  accuracy  of  one  centimetre.  At  longer  distances, atmospheric  perturbations  make  this  procedure  harder.  However,  the  use  of  multiple  epochs enables the solution of these uncertainties, producing not only accurate measurements, but also a characterization of the atmosphere in terms of propagation delay. Although short distance between receivers means  tens of  kilometres  for  land based  applications,  the  impact of  the  atmosphere  is much less significant in orbit, allowing to extend this limit to thousands of kilometres. 

Differential  GPS  processing  implies  co‐registration  of  data  from  two  (or more)  receivers.  Carrier phase  positioning,  besides  measuring  and  transmitting  the  raw  measurement  including  carrier phases,  requires  also  that  the  centre  of  phase  of  the  antennas  are  known.  If  this  centre  is  not independent of the angle of sight, which  is the case for most antennas, then the receiver antenna attitude has also to be known (a few degrees of attitude error is acceptable). 

Velocity and acceleration derived from GPS Roughly  speaking,  in order  to  study  the density of  the atmosphere  in  low Earth orbit one has  to estimate the acceleration suffered by the body in orbit. If it is a measurement of the instantaneous velocity that is sought, then it is better to compute it from Doppler measurements. 

However, when the average velocity between two instants is sought, it is better to compute it from position differences.  In this case, more accurate relative position estimates provide better average velocity  estimates.  This  calls  for  carrier‐phase measurements.  Even  in  a  stand‐alone  setup  (non‐differential),  it  is  standard procedure  to use  carrier‐phase measurements  to  smooth  the pseudo‐range measurements. For average velocity estimations, tracking the carrier‐phase between epochs will  lower  the measurement  noise  (from  the meter  level  to  the  decimetre  or  centimetre  level). However, these measurements will still suffer from the variations of the atmospheric perturbations and from ephemeris errors. In differential mode, these errors are reduced  in the proportion of the distance to the reference station  (which could be another satellite), relative to the distance to the GPS satellites. This accuracy applies to the differential measurement between the two stations. 

In any case, there is no need for carrier‐phase ambiguity resolution (absolute position errors in the 10 meter range are acceptable for accurate velocity determination). Therefore, the value added by using double  frequency  receivers  for velocity determination  is  ionospheric perturbation variations estimation and the availability of more measurements per epoch. 

Similarly, the most accurate average acceleration estimates are obtained from double differences of positions and not single differences of Doppler derived velocities. Considering that time intervals Δt of 10 or more seconds separate  the sample  times of  these double differences,  it can be assumed that  each  position  measurement  error  (excluding  atmospheric  perturbations)  is  sufficiently independent. Therefore, the accelerating error  is roughly estimated as being given by Δa = 2σ/Δt2, where σ = 1 meter  (or more) for pseudo‐range based position estimates and σ = 1 centimetre for carrier phase based measurements. Therefore, using carrier phases with Δt = 10 seconds will provide an acceleration estimate  in  the order of 20 mgal and Δt = 5 minutes will provide an acceleration estimate in the order of 0.02 mgal.  

Page 48: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

48  

This error estimate only considers the receiver noise. The acceleration accuracy is further degraded by  the double differences of  the position errors  induced by  ionosphere and ephemeris errors,  the first one being dominant. In LEO orbits, few minutes are enough for the ionospheric errors to start to de‐correlate,  affecting  the  acceleration  estimation  error.  This  error  is  reduced when  the  data  is processed  in  differential mode,  against  another  receiver.  In  this  case,  it  is  the  accuracy  of  the differential acceleration that  is  improved. It  is also reduced  if double frequency receivers are used, as the ionospheric delay can be estimated from the comparison of the L1 and L2 measurements. 

Accuracy needs for atmospheric studies Atmosphere  density  studies  based  on  satellite  acceleration measurements  in  the  Thermosphere requires acceleration estimates of 0.1 mgal over periods of 10 to 20 minutes. This is only compatible with  carrier phase based acceleration measurement,  in differential mode. This  requires operating the  receiver  continuously  (to  avoid  losses of  lock),  registering  raw data every 15  seconds, during periods of 30 minutes or more  (e.g. half an orbit or one complete orbit).  In  this case,  there  is no need  for  precise  absolute positioning,  avoiding  the  burden of  ambiguity  resolution  (which would require  in  practise  double  frequency  receivers).  Ionospheric  delays  could  be  better  estimated  by double frequency receivers, but differential processing between receivers and the use of ionospheric delay estimates from GNSS augmentation systems can also mitigate this problem. 

Ionosphere  tomography  requires dual  frequency  receivers, as  it  compares  the delay between  the two frequencies to estimate the ionosphere delay. It involves registering carrier phases without loss of  lock  (continuous  operation)  for  periods  compatible  with  those  stated  above  for  atmosphere density studies. 

Receiver types There  are  several  types  of  GPS  receivers.  Disregarding  those  employed  for  space  high‐end operations of  those  for military  application,  attention  is drawn  to  two  significant  types:  geodetic type  receivers and mass market  receivers. Geodetic  receivers are mostly concerned about precise positioning.  They  are  usually  double  frequency  receivers,  providing  trustworthy  carrier  phase measurements. They also use  the  full bandwidth of GPS  spectrum  (10 MHz),  requiring  the use of double  frequency  GPS  antennas  with  compatible  bandwidth.  These  receivers  tend  to  favour precision, which make  them more  subject  to  losses of  lock due  to  signal blockage. Therefore  the antennas quality is a concern (including maintenance of good RHCP in both frequencies to mitigate multipath from the surface of the Earth). 

Mass market receivers are mostly concerned to bounding the position error to 10 meters. They are single  frequency  receivers,  tracking  the  coarse  acquisition  signal  and  thus  requiring  a  1  MHz bandwidth  only.  Carrier  phase  measurements,  if  present,  are  many  times  noisy  (there  are exceptions). They provide fast reacquisition times, especially after short time losses of lock. 

Space operation imposes further constraint on the GPS receivers. First, COCOM restrictions must not be applied, short‐listing the set of available devices. Furthermore, LEO satellites have  linear speeds that  largely  exceed  those  of  the  GPS  receivers,  requiring  the  tracking  loops  in  the  receiver  to withstand  and  search within  a  higher  Doppler  shift  range.  GPS  receivers  for  small  satellites  are mostly  adaptations  of mass market  receivers,  although  specific  designs  are  now  available.  The number of options in the market is low.  

Data rate The data volume of a GPS receiver performing sporadic time, position and velocity estimates just for satellite orbit estimation  is  insignificant. In fact, used just for this purpose, the GPS receiver can be used with a very low duty cycle, producing an order of magnitude of 100 bytes every many minutes. When  performing measurements  for  other more  demanding  applications,  the  case  is  different. Assuming  full  raw measurement  acquisition  (pseudo‐range,  carrier  phase  and Doppler)  every  15 seconds (for a period of several consecutive minutes), a receiver can produce the equivalent to 200 

Page 49: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

49  

bytes per  second  (data  converted  from  specific  receiver protocol  to  a more  compact  format,  yet without  compression).  This  volume  can  be  further  reduced  by  compression,  although  going significantly below 50 bytes per second is not to be expected.  

Power consumption  A representative value for power consumption of mass market GPS receivers today  is 0.2 W (value for continuous operation). Older  receivers  tend  to consume a bit more, going up  to 0.5 W. Space ready  receivers  tend  to  comply  with  this  order  of magnitude.  Geodetic  grade  receivers  usually require a bit more power, a figure in the order of 1.5 W to be considered a general value. 

In a case, it is not foreseen that a GPS receiver can be operated with a high duty cycle in a CubeSat. If used for tracking, synchronization and orbit determination purposes only, it can be switched on for a few seconds (a couple of minutes in case of a cold start) and be switched off for several minutes. If used for more demanding applications, it might be required to operate continuously during a certain period of  time. Accordingly,  the  interval between periods of continuous operation will have  to be large. 

5.7.2  Jens  Frederik Dalsgaard Nielsen 

Science case GPS and GPS solutions to be used on‐board a number of the QB50 cubesats may have an operational as well as scientific purpose. RTK (Real Time Kinematic) GPS is an advanced GPS receiver which can deliver extra ordinary high accuracy – less or equal to 10 cm. In general, there are three intervals of GPS  accuracy:  low  accuracy  (>=  10m), med  accuracy  (>=1‐2m)  and  high  accuracy  (>=5cm).  For ionosphere  observations  (density,  drag)  high  accuracy may  be  preferred.  In many  cases medium accuracy  is  believed  to  fulfil most  demands.  Low  accuracy  does  not  have  relevance  for  primary observations  and  results  but  may  be  feasible  for  localization  and  time  stamping  on  scientific observations.  Less  than  RTK  accuracy  is  questionable  as  reference  for  some  experiments where altitude is of highest importance. Other experiments as magnetic field observations will benefit very much even from non RTK GPS systems. 

Description In 2011,  there were approx 30 GPS  satellites at an altitude of 20000 km  in operation. Every GPS satellite carries out two orbits/24 hours providing 100% GPS coverage. Each satellite transmits GPS signals on a number of channels, each with their quality and usage. Not all channels can be decoded by  everybody.  Different  channels  may  have  different  applications.  GPS  is  a  triangulation‐based system based on regular reception of position and  time  from a number of GPS satellites based on timing of received GPS “messages” from different satellites. Depending on different approaches for real time analysis of the GPS signal, very different accuracies can be obtained. Space qualified non‐RTK GPS devices may have accuracy up  to 1‐5 m  range whereas RTK GPS  receivers may  reach cm accuracy. 

Performance GPS  receivers normally deliver position and  time  information with  rates of 1  to 5 Hz. The highest precision of GPS can be achieved by Carrier‐Phase Enhancement (CPGPS) enhancement of GPS – RTK GPS – which analyses the phase of the received radio signal from the GPS satellites. The wavelength is about 0.19 m.  It  is claimed  that accuracies about 1 %  is reachable, meaning a position accuracy about 0.0019 m. One problem with CPGPS (aka RTK GPS) is the lack of knowledge of which wave you are within so position may be of multiple of 0.19 m wrong. CPGPS  receivers are known  to obtain 

Page 50: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

50  

accuracies up to mm  in extreme  implementations – but more normal are  in cm range. Non CPGPS space qualified receivers may operate in m range accuracy. Time obtained from a GPS will be within 10/100 ns to 1 µs accuracy – the former accuracies from CPGPS systems. In real operation 100 ns is considered as  the  limit. DLR Phoenix‐XNS has accuracy within 1 m. The mass, power nad  volume required for the DLR Phoenix non RTK are 20 g, 0.85 W and 50 cm3.  

Calibration  

The only calibration  to be carried out  is the  initialization. A cold  initialization  (meaning no seed of position and time) may take up to 15 minutes. A warm start with a priori position and time may take 30  seconds  (from  DLR  Phoenix  module  and  AlCatel  Topstar  3000).  During  calibration  and  in operations  in general the patch GPS antenna shall point “upwards”. A tolerance for this pointing  is normally within +/‐ 30°.  

Data rates 

The DLR Phoenix operates with a baudrate of 9k6 to 57k4 using the NMEA plus protocol.  

 Operational modes  

After initialization, Phoenix can deliver NMEA encoded data with up to 5 Hz. Communication is by an RS232  interface and there are a  number of  options depending on the specific model.   Operations will consist of: 

1. Switch GPS on 

2. Set configuration parameters by RS232 interface 

3. Set predicted position and time for a fast warm start‐up 

4. Wait: warm startup <= 30 seconds, cold startup up to 15 minutes 

5. Switch off  

Special requirements  For proper operation the GPS antennas must “point up  in space” within some tolerances. For that, an effective active attitude control system (ADCS) is necessary. The commercial suppliers mentioned above do not clearly give pointing accuracies but it is expected that upward pointing must be within +/‐ 30° and this attitude must be maintained during the  initial as well operational phase. Antennas will be patch antennas with a coverage area that is compatible with a 2 unit cubesat although solar cell panels may conflict with side panel  location. This will depend whether all surface of the QB50 CubeSats will be available. 

Heritage The Phoenix GPS has been flown on the Prisma formation flying mission and  is still  in operation.  It has also flown on Proba‐2.   

Cost Indicative price  for Phoenix‐XNS  including  LNA and patch antenna  is €12000 and €10000 without antenna system. The price is for non commercial research use by universities. The price is open for negotiation for QB50 depending on quantity and does not cover thermal and vacuum testing as well 

Page 51: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

51  

as inspection by a space inspection certified company. If DLR are requested it will be carried out by an external company. The DLR supplied antenna may be to big 8cm x 8 cm x 2.5cm but DLR states that smaller antennas can be used. 

Development schedule and risk The units are ready to purchase although the Interface SW has to be developed. There  is no major risk on the HW part. Major risk may be in SW development but is not critical.  

   

Page 52: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

52  

5.8  Laser Retroreflector  Zoran Sodnik, ESTEC 

In Satellite Laser Ranging (SLR) a global network of stations measures the  instantaneous round trip time of flight of ultrashort pulses of light to satellites equipped with special reflectors. This provides instantaneous range measurements at millimetre  level precision (standard  is 25 mm) which can be accumulated to provide accurate orbits and a host of important science products. From a sequence of  distance measurements,  using  orbital  dynamics  calculations,  the  orbital  parameters,  including altitude  and  velocity  can  be  derived.  SLR  is  the most  accurate  technique  currently  available  to determine  the  geocentric  position  of  a  satellite  in  Earth  orbit.  The  International  Laser  Ranging Service  (ILRS) has been formed by the global SLR community to enhance geophysical and geodetic research activities (http://ilrs.gsfc.nasa.gov). The laser ranging services are provided by the ILRS free of charge. 

NASA’s  next  generation  SLR  station,  currently  under  development,  is  fully  automated  and unmanned.  It will operate 24 hours a day and will provide subcentimetre position precision to the full suite of satellites  in Earth orbit. The SRL2000 design  is expected to greatly reduce the costs for station construction, operations and engineering maintenance. 

Corner Cube Retroreflectors  (CCR) are passive devices  that are used  to  reflect back a  laser beam originating from a ground laser ranging station for the purpose of measuring the distance from the ground station to a satellite, in the case of QB50 to a CubeSat. A set of three mutually perpendicular reflective surfaces, placed to form the corner of a cube, work as a corner cube retroreflector. CCRs are completely passive and require no power. They can be purchased from many suppliers. Edmund Optics, for example, use CCRs fabricated from Schott N‐BK7 glass, a borosilicate crown optical glass which has high homogeneity,  low bubble and  inclusion content. They come  in different sizes. For a 320  km orbit,  a CCR with  a diameter of 12.7 mm  is probably  sufficient.  Its housing has  an outer diameter of 31.75 mm and a height of 18.08 mm. The mass of a CCR including its housing is less than 50 g. The CCR can be flush mounted on one side of the CubeSat. The cost is about 200 € per CCR. 

With a single CCR the angle between the retroreflector face and the ground station cannot be larger than ~45°. Therefore, some CubeSats may not be visible or not be visible during the whole pass of the tracking station. With ± 25° control in roll angle and more accurate control alignment to the ram direction, two laser retroreflectors should be adequate. 

From  ESA’s  Optical  Ground  Station  (OGS)  on  Tenerife,  Spain,  the  QB50  CubeSats  can  also  be detected via its liquid nitrogen cooled CCD camera by tracking the CubeSats with the telescope. 

   

Page 53: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

53  

5.9  Thermistors/thermocouples Z. Várhegyi, VKI 

Science case The  surface  of  the  satellite  reflects  the molecules  of  the  surrounding  atmospheric  environment. These molecules form a reflected beam, which modify the properties of the surrounding atmosphere in the vicinity of the spacecraft.  

The  reflected  beam  properties  are  largely  influenced  by  the  surface  temperature,  therefore  the accurate  knowledge  of  surface  (sensor)  temperature  is  essential. Depending  on  the  position  and orientation of sensors, the reflected beam alters the measured velocity, density, kinetic temperature and concentration of species compared to the undisturbed environment. In general, modeling of the flow field around the satellite is necessary to reconstruct the undisturbed (free stream) values from the values measured with the sensors. Flow field modeling is also a key step in accurate prediction of momentary drag coefficient of the satellites in order to retrieve atmospheric density from accurate trajectory measurements such as radar or GPS. 

Some of the instruments may require temperature measurements for temperature compensation of their reading due to the temperature‐dependent working principle. Thermal/power management of the satellite also requires temperature measurements of the surface and onboard equipment. 

Description The  following  sensors  are  candidates:  thermistors,  resistance  temperature  detectors,  and integrated‐circuit  temperature sensors. All of these sensors are small, analog, and commercial off‐the‐shelf electronic components. The range of voltage, current and power makes them suitable for use  on  CubeSats.  For  the  interpretation  of  drag  measurements  a    ±1°  accuracy  in  surface temperature measurement is needed. 

Thermistors:    thermistors  are  thermally  sensitive  resistors  made  of  semiconductor  materials. Resistivity of the sensor is a known function of temperature. The sensor, as a usual resistor, has two legs. Measuring the resistance of the sensor, connected to a Wheatstone bridge, and then digitizing the output voltage by A/D conversion makes it possible to calculate the temperature of the sensor. 

Resistance  temperature  detectors  (RTD):  these  sensors  have  the  same  working  principle  as thermistors but use metallic materials. Thin film platinum resistors are one example. 

Integrated‐circuit  temperature  sensors:  these  sensors  are  transistors with  three  legs, designed  to have a voltage output  linearly dependent of  temperature  if  the  input  is  fixed. The output  can be directly digitized by an A/D converter. 

Performance Sensor  Range [°C]  Resolution [°C]  Sensitivity  Range   Primary Power Thermistors  ‐55 ‐ +150   ±0.05  –  ±0.2   nonlinear  4300 steps  2‐40 mW RTDs  ‐50 ‐ +500   ±0.15 ‐   3850 ppm/C  3667 steps  3‐10 mW IC temp. Sensors  ‐50 ‐ +150   ±0.5 ‐  ±2  5‐10 mV/C  400 steps  max. 0.5 mW  

Table 5.9.1 Temperature sensor performance and power summary 

 

Page 54: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

54  

Calibration Calibration  of  temperature  sensors  must  include  temperature  characteristics,  time  response, thermal  resistance  of  mounting,  noise/power  supply  sensitivity  and  ageing.  Calibration  of  un‐mounted sensors is possible with high precision in an oil bath. Calibration of mounted sensors can be done the same way or in tempered air in contact with solid masses of known temperature and large thermal inertia. In‐flight calibration is only qualitatively possible with cross‐calibration and reference to a thermal model. 

Mass and Volume Part  mass/sensor [g]  volume/sensor [mm3] Sensing element  1  5x3x3 incl. mounting Cables, soldering  5  dia. 1 x 100 x 2 or 3 cable Electronics  5  10x10x3 Mounting  balance  included above Total  15 g   

Table 5.9.2 Temperature sensor mass and volume 

Data rates and options For surface temperature measurements, at least one temperature sensor per side is recommended. Altogether  12  sensors  provide  cross‐check  on  each  side  and  good  coverage.  The minimal  time interval  of  significant  change  in  side  temperature  is  determined  by  the  angular  velocity  of  the satellite attitude. As a worst case scenario, 5 Hz  is taken. Although none of the above temperature sensors  are  expected  to  have  a  time  constant  smaller  than  1  s,  this  angular  motion  may  be recoverable  by  transfer  functions,  if  needed.  Worst  case  situation  can  be  encountered  after deployment,  during/after  antenna  or  boom  opening,  after  collision,  in  case  of  attitude  control system malfunction,  and  approaching/during  re‐entry.  For  the  5 Hz worst  case  angular  speed,  a sampling  frequency of 10 Hz  is necessary  (reaching  the Shannon  limit).  In nominal conditions,  the sampling time interval can change between 1 and 100 s, depending on the actual angular rate of the attitude motion. The resolution of the sensors can be captured by a 12 bit A/D converter, producing 1.5  byte  data  per  measurement/channel.  In  order  to  optimize  the  collected  amount  of  data, adaptation  of  the  sampling  interval  to  the  angular  rate  is  recommended.  This  can  be  done automatically  or  by  ground  command.  Parallel  with  the  reduction  of  sampling,  digital averaging/filtering can be easily realized. 

Table  5.9.3  summarizes  the  data  rates  of  12  sensors, with  a  12  bit A/D  conversion  for  different sampling times. 

 Sampling  interval [s] 

Resolvable angular rate [°/s]  Data  rate [byte/s] 

Data  collected  in  100 minutes [kB] 

0.1  1800  180  1080 0.2  900  90  540 0.4  450  45  270 0.8  225  22.5  135 1.6  113  11.3  67.5 3.2  56  5.63  33.8 6.4  28  2.81  16.9 12.8  14  1.41  8.4 25.6  7  0.70  4.2 51.2  4  0.35  2.1 102.4  2  0.18  1.1 

Page 55: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

55  

Table 5.9.3 Temperature sensor data rates 

Operational modes Data  collection  rate  together with  averaging  or  filtering  should  be  selected  per  channel  or  on  a grouped basis. 

Required commanding Power voltage supply for the sensors and A/D converters should be switched on/off. Data collection rate together with averaging or filtering should be selected per channel or on a grouped basis. 

Special requirements Nearby  power  dissipative  elements  should  be  avoided  or  their  influence  on  temperature measurement  should  be  carefully  modeled.  Quantitative  characterization  of  the  surrounding thermal structure  in terms of thermal coefficients and surface radiative properties  is necessary for post‐flight heat flux history reconstruction.  

Heritage Sensor  Flight heritage Thermistors  yes [1],[2] RTDs  yes [3] IC temp. sensors  yes [4] Table 5.9.4 Temperature sensor heritage [1]: AAUSat, http://www.cubesat.auc.dk/dokumenter/ADC‐report.pdf [2]: Measurement specialties, http://www.meas‐spec.com/ [3]: SEEDS satellite, http://cubesat.aero.cst.nihon‐u.ac.jp/english/seedsdetail_e.html [4] Compass‐1, http://www.raumfahrt.fh‐aachen.de/compass‐1/publications.htm 

Development schedule Sensors and associated electronics are available on the market as COTS products. Their cost is small and the application in CubeSats is widespread, adaptation is straightforward with little risk. 

   

Page 56: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

56  

5.10  Q­BOS (Bolometric Oscillation Sensor)  M. van Ruymbeke, Royal Observatory of Belgium 

Science case The bolometer will measure  the  radiative and  thermal  fluxes as well as  the ambient  temperature with a very large dynamical range. The science goals can be summarized as:  

• Provide in‐situ measurements of radiative fluxes at selected wavelengths (Visible, IR). Since the  IR flux from the Earth will vary due to the changes  in albedo, cloud coverage, aerosols etc, detection of radiative flux variations with a very high dynamical range will yield valuable information on the Earth’s energy balance. 

• Study  gas‐surface  interactions.  One  of  the  strongest  sources  of  uncertainty  in  the determination satellite drag (i.e. atmospheric density) in rarefied environment of drag is due to  the  interaction  of  gas  particles  with  the  surface  as  the  molecules  exchange  angular momentum and energy with the surface. 

• Flow  field modeling  is  also  a  key  step  in  accurate  prediction  of  drag  coefficient  of  the satellites  in  order  to  retrieve  atmospheric  density  from  accelerometers  or  accurate trajectory determination using radar, GPS and/or laser reflectors. The surface of the satellite reflects the molecules of the surrounding atmospheric environment. These molecules form a reflected beam, which modify the properties of the surrounding atmosphere  in the vicinity of  the  spacecraft.  The  reflected  beam  properties  are  largely  influenced  by  the  surface temperature,  therefore,  the  accurate  knowledge  of  surface  (where  the  sensor  is) temperature is essential. Depending on the position and orientation of sensors, the reflected beam  alters  the  measured  velocity,  density,  kinetic  temperature  and  concentration  of species  compared  to  the undisturbed environment.  In general, modeling of  the  flow  field around  the satellite  is necessary  to  reconstruct  the undisturbed  (free stream) values  from the values measured with the sensors.  

Some of the instruments may require temperature measurements for temperature compensation of their reading due to the temperature‐dependent working principle. Moreover, the monitoring of the thermal  state  will  help  to  identify  and  correct  unpredicted  signals  from  other  instruments. Thermal/power  management  of  the  satellite  also  requires  temperature  measurements  of  the surface and on‐board equipment. 

Description Thermistors  are  used  in  a  Wheatstone  bridge  arrangement  to  provide  extremely  precise temperature  measurements.  The  thermistors  are  small  in  dimension  and  the  required  voltage, current and power are  suitable  for use on CubeSats. Temperature differences as  small as  few µK have been measured on the ground and can be expected to be measured in space.  

Page 57: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

57  

Figure 5.10.1: Example of Thermistors bridge recording temperature with a µK precision in an 

underground laboratory. 

Performance By  configuring  the  thermistors  as  bolometers,  radiative  flux  measurements  can  be  made.  The proposed  bolometer  adapted  to  the  CubeSat  could  be  a  8  channels  system  which  can  register simultaneously  at  a  given  sampling  rate  (typically  10  s)  the  thermometric  and/or  optometric signatures  from  the  four  faces of  the CubeSat.  It consists of a mass placed on  the exterior of  the satellite (at ambient temperature) and attached to the body of the satellite by a thermal shunt. The re‐emitted radiative energy of the small mass is measured along with the gradient of temperature in the  shunt, which provides  the  conductive heat  flux. The  sum of both  corresponds  to  the  incident radiative  flux. With 8 sensors, 6  fluxes  in  the 3 directions can be obtained and, using  the  satellite orientation in space (with respect to the Earth and the Sun), the total amplitude and direction of the incident flux coming from the Earth and from the Sun can be obtained. A complexity is added as the incidence angle modulates  the  incidence  flux. The  final design of  the proof mass and  the mission scenario/satellite orientation will be modulated when this is known.  

We assume the electronics, the thermistors, the attachment hardware and cables to be ~20 g for 8 channels. The proof mass would be typically at the  level of few grammes per channel,  leading to a total mass of typically 40 g for the whole instrument. The total mass will depend on the geometry of the  proof  mass  and  the  exact  number  and  positions  of  the  different  small  sensors.  A  simpler arrangement  would  be  a  device  with  a single  sensor  based  on  a  two‐channel  measurement (temperature and/or irradiance variations). Nearby power dissipative elements should be avoided or their influence on temperature measurement should be carefully modeled. 

Part  Description  Performance  Mass  Volume  Power  number 

thermistor  sensor 

Range from ‐55 to +155°C relative: 10µ°C absolute:0.2°C 

0.1g  3mm³  0  8 

cable & assembling  connection   10g +10g 

100x1mm3  0  17 

electronics data acquisition system TBC 

Range from ‐40 to +125°C  22 bits  8 channels  0.1s to 60s 

15g  40x40x7mm3  17mW (3.4V/5mA) 

communication  Rs422 TBC from 9.6k to 115kbits/s 

    TBC  1 

Table 5.10.1 Technical characteristics of the Bolometer 

Page 58: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

58  

Operations and Commanding For a nominal  configuration, monitoring  the  temperature of  the 4  faces of  the CubeSat,  the data from the output channels will be recorded simultaneously at a period of 10 s leading to a rate of 24 Bytes/10  s.  Lower  sampling  rates  could  be  considered.  Pre‐flight  calibration will  be  necessary  to convert  the measured  thermistor  values  into  absolute  temperatures.  Calibration  of  temperature sensors must  include  temperature characteristics,  time  response,  thermal  resistance of mounting, noise/power supply sensitivity and ageing. Calibration is possible with high precision by contact with solid masses of known  temperature and  large  thermal  inertia. Ageing patterns of  thermistors are sufficient for ground‐based calibration application prior to observation in orbit. 

Special requirements Quantitative  characterization  of  the  surrounding  satellite  thermal  structure  in  terms  of  thermal coefficients  and  surface  radiative  properties  is  necessary  for  post‐flight  heat  flux  history reconstruction.  

Heritage  The design of  the bolometer  is  very  simple  and does not  require  any deployment or mechanical parts. The hardware parts exist and are space qualified. It must be noted that space qualification will change  the masses given above as  it will require specific non‐miniaturized and adapted hardware. The  simplicity  of  the measurement method  (already  proven  on  a  space mission),  allows  a  large flexibility  to modify/adopt  the  configuration of  the  sensors, on  a best‐efforts basis,  linked  to  the available resources and scientific objectives. Table 5.10.1 summarizes the mass, power, volume, data volume/rates, commands, and characteristics. The proposed approach for the bolometer is a direct heritage of  the BOS on board  the PICARD satellite  (Figure 5.10.2). The BOS signal  integrates solar, Earth  and  satellite  irradiative  energy  induction,  in  addition  to  the  conductive  flux  through  the thermal shunt, with absorption and emission of radiation of the black and white front faces.  

Figure 5.10.2 BOS onboard the PICARD satellite 

   

Page 59: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

59  

5.11  Silicon Detector  M. Messerotti and A. Gregorio, University of Trieste 

Scientific relevance to QB50 objectives The  Silicon  Drift  Chamber  (SDC)  described  here  is  a  silicon  detector  to  monitor  the  radiation environment in order to build a map of the flux of radiation impinging on the instrument. This device is the one that has been chosen to be used on AtmoCube, the CubeSat produced by the University of Trieste. AtmoCube is one of the CubeSats that is supposed to fly on board the Vega Maiden flights in early 2012.  

The  Earth's  atmosphere  and  magnetosphere  allow  adequate  protection  of  the  humans  on  the ground, but astronauts  in space are subject to potentially  lethal doses of radiation. The  interaction of high‐energy particles with living cells, measured as radiation dose leads to chromosome damage and,  potentially,  cancer.  Large  doses  can  be  fatal  immediately;  high  energy  solar  protons  are particularly hazardous. Radiation  risk estimations at altitudes around 350  to 600 km appear  to be one of the basic scientific problems in the planning and design of manned and un‐manned missions.  

The SDC will be able to sample both particles and photons in selected energy sub‐bands over a wide range of  altitudes,  ranging  from  about 350  to 1200  km.  In principle,  this  should  allow both  flare effects detection  and  Earth  inner  radiation environment mapping. Note  that  this will be  the  first time  a  Silicon Drift Detector will  be  used  in  the  space:  it  could  be  considered  a  very  important possibility to test its behaviour on board a space mission. 

Description The SDC  is a detector  realized on high‐resistivity n‐doped silicon substrate, having a surface of ~2 cm2  and  a  thickness  of  300  µm.  SDC  is  particularly  suited  for  low‐noise  spectroscopy,  given  its working principle based on the “transverse depletion” concept, i.e. the possibility to deplete a large silicon wafer (e.g. n type) via a small n+ electrode (the anode) that is positively biased with respect to a  set of p+ diodes  (field electrodes or  cathodes) placed on both  surfaces of  the wafer. The  small dimensions of the collecting electrode ensure low capacitance and hence low noise and good energy resolution. The measurement energy range extends up to 70 keV. The expected rate of events due to charged particles is of the order of 4 Hz at the Earth’s poles. It should be noted that this is a small and  simple  SDC.  Being  the  very  first  silicon  drift  chamber  in  space, we  have  decided  to  use  the easiest design but this  implies worse position and energy resolutions. A picture of the SDC and  its schematic working principle is given in Figure 5.11.1. 

   

Figure 5.11.1 A  large area (56 cm2) SDC developed for the ALICE at LHC (left) and a schematic illustration of the charge transport in an SDC (right) 

 

Page 60: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

60  

The SDC  sensor and  the  read‐out electronics are both mounted onto an ad hoc designed printed circuit board, fitting the available space inside the satellite. The estimated power consumption of the complete read‐out electronics  is of the order of 0.5 W. Tests are ongoing on the detector and the read‐out electronics which  are under development  at  INFN  (Istituto Nazionale di  Fisica Nucleare) laboratories in Trieste. 

A  linearly  varying  potential  is  applied  to  the  field  electrodes.  When  an  ionizing  event  creates electron‐hole pairs inside the silicon substrate, holes are rapidly swept across the substrate towards the p+ electrodes, while electrons are collected in the potential minimum created by the symmetric bias in the middle of the wafer and drift under the action of the constant drift field toward the low capacitance anode. The design of the SDC includes an integrated voltage divider (realized via lightly doped  p+  implants),  so  that  no  external  connections  (apart  from  the  “High  Voltage”  and  the “Reference”  connections  for  the  first and  the  last drift electrode) are needed  to provide  the drift field. 

The SDC is read‐out via a low‐noise front‐end chain based on a Charge Sensitive Preamplifier, a semi‐Gaussian shaper with adjustable peaking time and a peak detector. The output of the peak detector is used also to feed two low offset comparators: the first one detects higher energy events (over 70 keV), whereas  the  second one generates a  trigger  signal  for  starting  the energy measurement  for particles with energies lower than 70 keV.  The analog signals are converted with an 10‐bit ADC and data are stored  in the FPGA which hosts the "brain" of the spectro‐dosimeter. The SDC sensor and the read‐out electronics are both mounted onto an ad hoc designed printed circuit board, fitting the available space inside the satellite.  

Performance Being a single anode device, no measurement will be performed on  the position of  the  impinging particle. The measurement energy range extends up to 70 keV, with a resolution of the order of 2.5 

keV ΔEFWHM. More  sophisticated  (multi‐anode) SDCs and  read‐out electronics  systems can provide better energy and position resolution.  

Calibration Silicon  drift  chambers  can  provide  an  internal  calibration measurement  but  the  device  proposed here  is  not  implementing  this  possibility.  The  calibration  of  the  device  depends  mainly  on  its temperature. Once the device is characterized on ground, a thermal sensor should be used to verify and estimate the resolution.   

Mass and Volume The mass of  the  full device  is of  the order of 80 g. The SDC developed  for  the AtmoCube can be 

located on two electronics boards that fit the Cubesat standards (about 10 cm×10 cm) and may be compatible with the pc104/pc104 plus standards. The height of these boards is of the order of 2 cm. A  dedicated  window  on  the  satellite  structure  (for  example  a  thinning  of  the  aluminum  in correspondence  of  the  detector),  should  be  foreseen  in  order  to  allow  the  particle  flux measurement.  

Power  The potential  to be applied  to  the voltage divider  is 600 V  (corresponding  to a drift  field of ~600 V/cm) and the current flowing in the divider is of the order of 20 µA, so that the power consumption 

Page 61: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

61  

associated with the sensor bias is of the order of 12 mW. The estimated power consumption of the complete read‐out electronics is 0.5 W.  

Data rates and options The expected rate of events due to charged particles at  low altitude  is of the order of 4 Hz at the poles. The SDC is producing 512 bytes per measurement. By considering an acquisition sampling rate of the order of 5 Hz, this corresponds to a data rate of the order of 20 kbps.  

Operational modes The  SDC  considered  here  has  few  operational modes:  on/off, measurement  start  and  stop,  data read. More  sophisticated  silicon drift chambers can provide a calibration measurement but  this  is not implemented here.   

Special requirements  Silicon devices show better performance at low temperature even if the SDC can still work at room temperatures. Keeping the temperature below 0° C makes the device more stable while above this temperature the accuracy of the measurement becomes dependent on the temperature  itself (see Figure 5.11.2 below). 

 

Figure 5.11.2  Energy resolution of the SDC as a function of the temperature 

Heritage  The INFN team in Trieste that developed this device has a well‐known and recognized experience in silicon detector development and, in particular, on Silicon Drift Chambers that are implemented also on the Alice experiment at LHC (see references at the end of this report).  

Availability The SDC  is not a commercial device and was developed  for  the AtmoCube mission. This does not exclude  the possibility of using  it on additional missions,  indeed we  consider AtmoCube as a  test bench for this detector on future space missions. Full documentation will be ready in a short while as part of the package to be delivered to ESA for AtmoCube. Better performance in terms of spatial and energy resolution can be achieved by  improving the type of detector and the read‐out electronics. This would require an additional implementation period that depends upon the new requirements. If the device should be produced on a larger scale (tens of nanosatellites), the situation needs to be discussed and agreed directly with INFN that could eventually enter in a collaboration.  

Page 62: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

62  

Cost The full cost for supply of the SDCs for QB50 could range from 100 to 160 k€ depending upon the number produced.  

Development schedule The first detector should be ready to be used on AtmoCube in a few months. If a similar detector is chosen,  the development phase will be  completed and a  larger number of  SDCs only need  to be produced.   An  improvement  in  the detector performance  can  require  an  additional development phase that needs to be estimated. It should be noted that the INFN team has a wide experience  in this  field and  slightly different  chambers with better energy and position  resolution already exist. With further development, the power consumption could be reduced to <300 mW. 

Development risk  The development of the AtmoCube detector is at the very end and in a few months it will be ready to be fully tested and verified. Up to now, we had no major problems  in its development and tests but this will be only clear once the detector will be working in space. The only risk could be related to  the availability of a  large number of  sensors  that  requires an ad‐hoc production of  the  silicon devices  and  the  implementation of  the  read‐out  systems.  INFN  is not  an  industry but  a  research institute  that  is used  to working also on a  large numbers of devices but  the necessary manpower should be planned ahead and dedicated to this purpose.  

   

Page 63: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

63  

5.12  Spherical EUV and Plasma Spectrometer (SEPS) R. Brunner, W. Konz, G. Schmidtke, IPM 

General description and objectives In  the  thermospheric/ionospheric  (T/I)  altitude  regime  of  the  QB50  mission  the  solar  extreme ultraviolet  (EUV)  irradiance  is  the  primary  energy  input  driving  most  of  the  versatile  physical processes  ending  in  the  heating  of  the  electrons,  ions  and  neutral  particles.  For  this  reason,  the objectives of SEPS are: 

• temporal variability and the absorption of the EUV photons • energy and altitude distribution of the thereby generated photoelectrons 

 SEPS operation shall also contribute to the QB50 science objectives by measuring electron,  ion and neutral particle temperatures and densities.  

In the flow diagram of Figure 5.12.1 the SEPS objectives (filled rectangles) and related SEPS modes of operation  are  visualized  schematically.  These  measurements  will  be  well  supported  and  inter‐compared  by  other  QB50  experiments  such  as  Neutral  Mass  Spectrometer  (NMS),  Ion  Mass Spectrometer (IMS)), FIPEX instrument, Multi‐Needle Langmuir Probe (m‐NLP) and GPS Receiver. 

Figure 5.12.1  Flow graph of the SEPS objectives contributing to T/I aeronomy  <320 km altitude and correlated operational modes of SEPS 

Functional description of the sensor SEPS The SEPS sensor consists of three  isolated spheres/electrodes, each connected to sensitive floating electrometers  and  voltage  sources,  each  (Figure  5.12.2).  By  setting  different  potentials  to  the electrodes  (metallic  sphere,  inner  grid  and  outer  grids),  measurements  of  the  ambient  plasma parameters  and  of  the  extreme  ultraviolet  radiation  can  be  performed.  This  way,  several measurement modes  are  possible:  Langmuir‐  (LM),  Plasma  Shielded  Langmuir‐  (PSLM), Retarding Potential Analyzer Electron‐ (RPAEM), Retarding Potential Analyzer Ion‐ (RPAIM), Extreme Ultraviolet 

Page 64: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

64  

Radiation‐ (EUVRM) and EUV Occultation‐Mode (EUVOM). The latter one will strongly depend on the measurement velocity and performance of the electronics for the EUVRM and on the orientation of the corresponding CubeSat. All these modes are potential candidates for the CB50 mission.  

Mode Electrode 1 (sphere)

Electrode 2 (inner grid)

Electrode 3 (outer grid)

Langmuir (LM) +8…-8 +8…-8 +8…-8 Plasma shielded Langmuir (PSLM) +20…-70* Vpl Vpl RPA plasma electron (RPAEM) +20 +10…-70* Vpl RPA plasma ion (RPAIM) -20 +70*…-10 Vpl EUV (EUVRM) +70…-70* -50 +50 EUV Occultation (EUVOM) +70…-70* -50 +50

Table 5.12.1. Different operational modes of SEPS sensor. * 30 V for example for QB50  In the Langmuir Mode (LM) for example, the shape of the measured current signals are very similar to the  typical shape of standard Langmuir probes.  In addition,  the sensor can be kept  in a neutral behaviour with respect to the plasma environment by setting the potential of the electrodes 2 and 3 (inner and outer grid) to the value of the plasma potential (Plasma Shielded Langmuir Mode, PSLM). PSLM is providing the advantage over the LM that a larger energy range can be monitored without increasing  the  detection  currents  significantly  and,  hence  without  disturbing  the  spacecraft potential.  

Figure 5.12.2‐a: The SEPS sensor (schematics) 

b: SEPS engineering model 

EUV measurements at several photon energies between 20‐160 nm and plasma measurements, as have been carried out at the BESSY synchrotron, at the IPM test chamber and at the ESTEC plasma chamber also in comparison with Langmuir probes, show characteristic features as expected. 

Typical deduced plasma parameters are listed in Table 5.12.2. The EUV indices are parameters useful as inputs for models or services for space weather analysis.  

Page 65: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

65  

Deduced parameter  Derived from measurement modes 

ηe, η

i   Electron density, ion density 

Te   Plasma temperature 

Еe, Е

i   Energy distribution of electrons and ions 

Vsc, Vpl   Spacecraft potential, plasma potential 

EUV   EUV spectra, important range ~ 6 – 70 eV, rough resolution 

EUVTEC, EUV

therm, 

EUVsolar activity

 … Several deduced indices like 

EUV total electron content, EUV solar activity etc. 

Table 5.12.2: Parameters which can be deduced from SEPS measurements 

Adaption of SEPS to QB50 requirements and current status of development 

The design and manufacturing of the Development Model (DM) have been finished at TRL 5. In view of the science objectives  in Section 1.1,  it  is proposed to  install two or three SEPS sensors onboard QB50 satellites by operating SEPS in selected modes, each to derive specific aeronomic parameters. The following modes of operation are relevant: 

1. RPA Electron‐Mode: Temperature, density and photoelectron distribution  2. RPA Ion‐Mode: Density and temperature  3. EUV‐Mode: Total EUV irradiance variability 4. Langmuir‐Mode: Electron temperature 5. Plasma Shielded Langmuir‐Mode: Electron temperature  6. SEPS Testing‐Mode: Testing SEPS capabilities. 

This  set  of  SEPS  sensors  onboard  the  QB50  satellite  network  would  allow  to  investigate  the variability of T/I parameters  in view of the transfer of solar energy by photoelectrons with altitude over  three  solar  rotations.  In  addition,  it  would  offer  the  chance  to  study  the  influence  and propagation of  space weather events  in  the T/I  system at  the given altitude  regime  from 320 km down to about 100 km, a region that is barely accessible. 

In order to realise the proposed installation of two or three SEPS sensors the EM (see Table 5.12.3) has to be adapted to the QB50 interfaces. However, since it is expected that the full range of  ±70 V will not be available, the corresponding  limitations of the measurements will be discussed  in more detail. For example, if the voltage range available will be   ±30 V most of the integral photoelectron flux will be measured and the most important energy range from 0 eV to 30 eV will be resolved. The sensor could be integrated into a QB50 CubeSat as shown in Fig. 5.12.7.  

Page 66: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

66  

Figure 5.12.7. Proposed location/configuration for sensor SEPS 

For  the  sensor  electronics,  the  estimated  power  consumption  is  below  2.4  W  for  continuous operation (without considering the efficiency of DC/DC converter). All three electrometers will need their own power supply for floating potential measurements. The medium power consumption over one orbit can be optimized by defining optimal operation conditions with a duty‐cycle concerning power and scientific minimal requirements (< 1.0 W).  

Further options reducing power consumption: 

- by reducing the voltage of scan generator electronics (50 V to 30 V) - stop gap solution: cancel of electrometer unit 3 (elimination of power C and Electrometer 3, 

reduction of data volume of about 30%)  

Special thermal stability  is not necessary, an operation within 0  ‐ 40 °C for example  is no problem. The  sensor does not need  special pointing  stability during measurement; on  the other hand,  the knowledge  about  the  orientation  in  space  should  be  available  for  correction  calculation  of  the analysis. 

Page 67: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

67  

Figure 5.12.8: SEPS electronic interface. All three electrometers will need their own power supply for floating potential measurements. 

Values for the QB50 network 

Sensor mass    < 110 g 

Sensor dimension  50 x 50 x 75 mm 

Mass of PCB electronics  ~ 200 g (TBC) (without DC/DC converter and electronic box) 

Data rate  ~ 10 kbit/s (depending on level of pre‐analysis and mode operation) 

Sensor orientation  preferable in ram direction (angular independent)  

Electrometer   10 pA – 10 µA, 16 bit A/D 

Electrical potential range  ± 30 V, ~ 5 mV resolution 

Power consumption   ~ 2.4 W max. (continuous operation), < 1.0 W (in normal operation with duty‐cycle)  Table 5.12.4: SEPS specifications 

For  the QB50  application,  the  sensor  has  to  be  adapted  in  its  size  and  its  electronics  has  to  be redesigned  with  commercial  electronic  parts.  The  estimated  development  time  frame  for  these activities will be 12‐15 months. 

   

Page 68: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

68  

5.13  WINCS A. Nicholas, NRL 

The Winds‐Ion‐Neutral Composition Suite  (WINCS)  instrument was designed and developed  jointly by the Naval Research Laboratory (NRL) and  NASA/Goddard  Space  Flight  Center  (GSFC)  for ionosphere‐thermosphere  investigations  in  orbit  between  120  and  550  km  altitude.  The  three WINCS instruments are: the  Wind  and  Temperature  Spectrometer  WTS,  the  Ion‐Drift  and  ion temperature Spectrometer IDTS, and the Neutral and Ion Mass Spectrometer NMS/IMS. The WINCS design provides the following measurements in a single package with a low size, weight, and power: 7.6 x 7.6 x 7.1 cm outer dimensions, 0.8 kg total mass and < 2 W total power: neutral winds, neutral temperature, neutral density, neutral composition,  ion drifts,  ion temperature,  ion density and  ion composition.  

Science Goals 1. Characterize  neutral  atmosphere  composition,  winds  and  temperatures  at  spacecraft 

altitude for analysis of global mass coupling, energy deposition, and momentum transfer. 2. Characterize  plasma  density,  temperature,  and  drifts  for  studies  of  ion‐neutral  coupling, 

electric field morphology, and regional heating phenomena. 3. Address  optimal  ingestion  of  thermospheric  space  weather  data  into  climatological  and 

general circulation models.   (a)  (b) (c) 

   

 

(f)      

 

(e)     

 

Figure 5.13.1. Panel (a) layout of the three spectrometers on WINCS on 3 square openings shown with overall cube dimensions 7.6 x 7.6 x 7.1 cm. WTS and IDTS are paired off in two spectrometer modules WTS1/IDTS1 and WTS2/IDTS2 with mutually perpendicular  fields of view as shown by the  two pairs of  long slits. The GEMS NMS/IMS pair aperture  is at  the  lower  left. An exploded view of the  instrument  is shown  in panel (b). Panels (c) through (e) show the focal plane array, WINCS electronics stack and the stack mounted in the electronics enclosure base 

Sensor Concept The WINCS  suite  of  spectrometers  is  based  on  the  small  deflection  energy  analyzer  (SDEA), which  allows  for  a  series  of measurements  to  be made  over  an  angular  space  for  a  set  of discrete energy  ranges. This combination of energy and angular measurements allows one  to 

Page 69: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

69  

 

Instrument Parameter Range Resolution

WTS Density 103‐1010 cm‐3 <3%WTS Temperature 100‐5000 K <1%WTS Wind +/‐ 2000 m/s 16 m/s

GEMS NMS Composition 103‐1010 cm‐3 <3%

IDTS Density 103‐107 cm‐3 <3%IDTS Temperature 100‐5000 K <1%IDTS Drift +/‐ 2000 m/s 16 m/s

GEMS IMS Composition 103‐107 cm‐3 <3%

Table 5.13.1. WINCS Measurement Capabilities

Ions

Neutrals

        

Mass 800 gPower 2W (6‐8 V)Volume 7.6 x 7.6 x 7.1 cm

Telemetry (Raw) 23 kbpsPointing 2° of RAM

Knowledge <.0.1°

Table 5.13.2. Bus Requirements

  

Sensor#

AnodesBits/

ChannelSteps/

ChannelBits per Sample

WTS Horizontal 16 16 20 5120

WTS Vertical 16 16 20 5120

IDTS Horizontal 16 16 20 5120

IDTS Vertical 16 16 20 5120

Mass Spec. 1 10 200 2000

Housekeeping N/A N/A N/A 240

Total 22720

Table 5.13.3. WINCS Suite Raw Data

  

   

measure the density, winds (drifts) and temperature of  local neutrals (and  ions).   Figure 5.13.2 depicts  the sensor viewing geometry. Table 5.13.1  lists  the WINCS observables, while  the bus and data requirements are listed in Tables 5.13.2 and 5.13.3 respectively.   

Figure  5.13.2.  In  a  satellite  moving  to  the  right  with  velocity  VS,  ambient  atoms  and molecules pass the entrance aperture to form a pattern at the detector plane, as shown by the flux contour rings. The center of the flux pattern corresponds to the peak of the angular distribution of the particle flux, determined by the wind velocity W. Measuring the energy distribution at a  known angle on detector gives  the magnitude of VT and  knowledge of angle yields W. 

 

Page 70: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

70 

 5.14

Sensor Resou

rce Summary: Tab

le 5.14.1  

Sensor 

Science area 

Mass 

(g) 

Power 

(mW) 

Volume (cm

3 )Accom

mod

ation 

Bytes/s

Unit 

Cost 

( k€) 

Dev.

cost  

(k€)

TRL

Commen

ts 

Neu

tral M

ass 

Spectrom

eter 

Low m

ass ne

utrals 

450 

500 

645 

  

16 

60

4  

Ion Mass 

Spectrom

eter 

Low m

ass ions 

450 

500 

645 

  

16 

230

4  

WINCS

 Ch

aracterise ions 

and ne

utrals 

800 

2000

 410 

7.6 x 7.6 x 7.1 

2875

 500 

 

FIPEX 

Atomic and

 molecular oxygen 

70 

3000

 3.6 x 3.0 x 1.2

+ 8 x 10

 x 1 

Req. 12V

 pow

er or 

15g additio

nal m

ass 

4.4 

4.0 

120

6‐9 

2 sensor pack 

Lang

mui

r Pro

be

Abs

olut

e el

ectro

n de

nsity

12

0 40

0-10

00

66.1

4

boom

s of l

engt

h 10

-17

cm

R

aw: 2

31

Proc

: 1.6

3.

0 3.

25

6 4

prob

es

SEPS

EU

V p

hoto

ns

phot

oele

ctro

ns

310

1000

5

x 5

x 7.

5 +

10 x

10

x 5

See

fig 5

.12.

7 12

50

4.0

3

Mag

neto

met

er

Mag

netic

fiel

d 13

2 24

0-50

0 18

3 30

cm B

oom

12

with

10

vect

ors/

s 11

.1

50

5

Acc

eler

omet

er

Dra

g 50

35

0 5

x 10

x 3

1.2

10

150

3?

MEM

S ba

sed

GPS

D

rag;

ele

ctro

n co

lum

n de

nsity

20

85

0 50

A

ttitu

de c

ontro

l 1o ?;

an

tenn

a

22.5

(D

RL)

9

Prob

ably

not

sens

itive

en

ough

Ther

mal

sens

ors

Ther

mal

di

stur

banc

e:

Cal

ibra

tion

of o

ther

se

nsor

s

180

4.1

6 - 4

80

2 p

er su

rfac

e 18

0 fo

r 0.1

se

c sa

mpl

ing

0.5

9

12 se

nsor

s

Silic

on D

etec

tor

Map

radi

atio

n en

viro

nmen

t up

to

70 k

eV

80

500

400

Alu

min

ium

win

dow

Pr

ef.

belo

w 0°C

25

00

4

Q-B

OS

Rad

iativ

e flu

x G

as-s

urfa

ce

inte

ract

ion

40

17

4 x

4 x

0.7

Sens

ors o

n th

e ex

terio

r 2.

4 lo

w

9

8 se

nsor

s

Lase

r ret

rore

flect

or

Posi

tion

30

0 17

.3

Two

faci

ng E

arth

0

0.2

9

2 re

trore

flect

ors

Page 71: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

71  

6. QB50 CubeSat physical constraints and payload architecture The basic 1U CubeSat is considered to be: 

• 10 x 10 x 10 cm 

• 1 kg 

• 1 W orbit average power  Given the working hypothesis that the payload should occupy no more than a single unit, then these requirements  are  taken  as  general  constraints  to  payload  selection.  However,  the  orbit  power average  can  accommodate  higher  power  levels  for  shorter  times.  Instruments  with  high  power demands  will  not  operate  throughout  the  orbit.  It  is  anticipated  that  in  order  to  perform  the coordinated  scientific measurement  necessary,  operation  during  night‐time will  be  required.  The high  level of atmospheric drag and the need to align some sensors with the velocity vector means that very rapid control of the CubeSat attitudes will be necessary once released. The alignment shall be that the CubeSat long axis points in the direction of motion with the sensor package leading. 

Coordinated measurements will  require  time‐tagged  commands  executed  onboard  and  absolute knowledge of time to ~1‐10 ms (tbc).  It  is expected that the use of a  low‐performance GPS will be the chosen approach to deal with onboard time. 

   

Page 72: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

72  

7. Selection  For the 2U atmospheric CubeSats, a conceptual division  into a 1U platform and 1U sensor payload was  envisaged  as  the  maximum  that  could  be  expected  from  the  CubeSat  providers.  For  the atmospheric  CubeSats  it was  therefore  necessary  that  the  1U  constraints  be met  for  the  sensor package. Note, however, that power constraints could be met through operational constraints. 

Other selection criteria included: 

• Alignment with mission science theme • Appropriate sensitivity • Technical maturity • Production feasibility • Relative simplicity of operation • Relative simplicity of accommodation • Payload complementarity • Cost 

 Selection Categories 

Sensors or Sensor Packages were categorised as follows: 

• Not selected o Not appropriate o Not feasible within spacecraft resources available 

• Proposed as a Special  o Too expensive for multiple deployment o Not requiring a network deployment o Large element of technology demonstration 

• Selected 

• Still under consideration o Not essential but with significant value scientifically, cost not justified within QB50 

budget however some accommodation might be found if alternative funding is available 

Special sensors/sensor packages The resource requirements of the following sensors/sensor packages did not allow accommodation in a standard 2U atmospheric CubeSat in combination with other sensors, or the technology was not ready and the required development would not be funded in time, or the sensor was considered of lower  scientific priority. However, even  if  they  could only be  flown on one or  two CubeSats  they would  nevertheless  contribute  significantly  to  the  exploration  of  the  lower  thermosphere/ ionosphere  and  also  provide  technology  demonstration  opportunities.  The  PIs  of  these sensors/sensor packages are encouraged  to  submit proposals  for  the  category of 2U/3U  In‐Orbit‐Demonstration (IOD) CubeSats.  

• Magnetometer  • SEPS • WINCS 

Page 73: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

73  

• high‐precision GPS receivers • Silicon Drift Chamber  

Recommended for flight on QB50  

The following sensors were selected for the standard 2U atmospheric CubeSats.  

• Neutral Mass Spectrometer  

• Ion Mass Spectrometer 

• FIPEX sensors for atomic and molecular oxygen 

• Multi‐Needle Langmuir Probes 

• Laser Retroreflectors 

• Thermal sensors  

Unfortunately, various constraints prevent the accommodation of all these sensors on all 2U atmospheric CubeSats (for details see Section 9). Where possible, the selected sensors should also be included in appropriate 2U/3U IOD CubeSats.  

   

Page 74: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

74  

8. Recommendations 1. Overall it is not feasible to fly 50 2U CubeSats and 6 Specials due to mission constraints. It is 

therefore recommended that: 1.1 The total number of satellites shall be 50 1.2 The number of 2U/3U  IOD CubeSats  should not be more  than 10. Therefore,  the 

minimum number of 2U atmospheric CubeSats is 40. 1.3 Where possible, the 2U/3U IOD CubeSats should include a sensor package 

2. Simplicity should be the theme of the mission and should cover: 2.1 Payload operations 2.2 Sensor package interfaces 2.3 Lines of communication and management structures 

3. All  QB50  CubeSats  shall  be  subject  to  critical  review  and  selected  on  the  basis  of  an evidenced proposal. 

4. The  expectations  of  the  2U  atmospheric  CubeSat  providers  should  be  explicit  and unambiguous. Selection should require compliance to such expectations. 

These expectations include: 

4.1 Provision  of  mass  budget,  power,  specific  electrical  interface,  specific  data  and command interface, minimum 9.6 kbits/s UHF download. 

4.2 Attitude  control  (TBC  velocity  vector  5  deg,  1  deg  knowledge,  25  deg  roll),  GPS (position knowledge, onboard time), sensor accommodation with unrestricted field of view as appropriate. 

4.3 Integration of sensor elements into 2U CubeSat 4.4 Conformance with test, materials, handling, … 4.5 Very early in‐orbit commissioning 4.6 Delivery of sensor package data products in a defined format 4.7 Progress reporting and delivery on time 

5. Support  to  CubeSat  providers  should  be  given  through  workshops  and  general communications. 

6. Avoid ITAR restricted technologies where possible. 7. Separation of Functional Units and Sensor Units, while desirable  from a  logistics  sense,  is 

probably impractical and disadvantages CubeSat providers.  8. While an S‐band transmitter  is desirable  it was not  thought practical  to demand  this of all 

CubeSat providers and so a UHF/VHF communications package is foreseen with a maximum downlink of 9.6 kbits/s during contact. 

   

Page 75: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

75  

9. Baseline sensor package configurations Two  complementary  configurations,  equally  divided  across  the  2U  atmospheric  CubeSats,  are recommended: 

Set 1 : 20 x [NMS, FIPEX, Laser Reflectors, Thermal] 

• Mass: 760 gms 

• Power: 2.7 W (reduced to 1 W through operational constraints) 

• Volume: 770 cm3  

Set 2 : 20 x [IMS, Langmuir Probe, Laser, Reflectors Thermal] 

• Mass: 780 gms 

• Power: 1.5 W (reduced to 1 W through operational constraints) 

• Volume: 717 cm3  Additional numbers of both sets will be required for 2U/3U IOD CubeSats and/or where the number of 2U atmospheric CubeSats exceeds 40. It is anticipated that this will require an additional 3 of each set. The above numbers contain no margins which might be expected to be in the order of 30 ‐ 40%. The actual requirement to be placed upon CubeSat providers will depend upon an accommodation study.  Please note that the sensor sets proposed above are based on the recommendations of the sensor selection working group. This is, however, preceded by the corresponding details provided in the Call for Proposals which represents the current position.  

 

 

   

Page 76: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

76  

10. References Deckert, D., Hahn, R., Klier, A.,  Weber, A. Technical Summary CubeSat SOMP, interner Bericht, ILR, Technische Universität Dresden, ILR‐RSN P 10‐12, 2011. 

Dobbin, A. L.; Aylward, A. D.; Harris, M. J., Three‐dimensional GCM modeling of nitric oxide in the lower thermosphere, Journal of Geophysical Research, Volume 111, Issue A7, CiteID A07314, 2006 Matsushita, S., Sq and L Current Systems in the Ionosphere, Geophys. J. R. Astr. Soc, 15, 109‐125, 1968  DoD, Secondary Payload Planners Guide For Use On The EELV Secondary Payload Adapter, 2001 

Fasoulas, S.: Experimentelle und theoretische Charakterisierung einer hochenthalpen Stickstoffströmung  zur Wiedereintrittssimulation, Dissertation, IRS, Univ. Stuttgart, Feb. 1995 

Franke, S., Pilinski, M., Diaz‐Aguado, M., Forbes, S., and Hunyadi, G., “The University Nanosat Program from Concept to Flight: A Dual Student Program Perspective on What Works and What Does Not," Proceedings of the 20th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, UT, August 2006 

Hammer, F.,, Schmiel, T., Fasoulas, S.,, Messerschmid:, E.  From Space to Earth ‐ a Novel Solid Electrolyte Oxygen Sensor System for In‐Situ Measurement and Process Control, Advances in applied plasma science, Vol.7, 2009 

Pilinski, M. D., “An Innovative Method for Measuring Drag on Small Satellites", Proceedings of the 23rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, UT, August 2009 

Schmiel, T. Entwicklung, Weltraumqualifikation und erste Ergebnisse eines Sensorinstruments zur Messung von atomaren Sauerstoff im niedrigen Erdorbit, Dissertation, TU Dresden, Sierke‐Verlag, 2009 

Wilde, M., Mission Operations and Simulation for the DANDE spacecraft, Master's thesis, Institute of Astronautics, Technische Universitat at Munchen, 2008. 

Xu, J., H.‐L. Liu, W. Yuan, A. K. Smith, R. G. Roble, C. J. Mertens, J. M. Russell III, and M. G. Mlynczak (2007), Mesopause structure from Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics, and Dynamics (TIMED)/Sounding of the Atmosphere Using Broadband Emission Radiometry (SABER) observations, J. Geophys. Res., 112, D09102, doi:10.1029/2006JD007711.  

   

Page 77: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

77  

11. Acronyms 

AAUSAT  AAlborg University SATellite (a series of 1U CubeSats)  

ADC  Analog to Digital Converter 

AGW  Atmospheric Gravity Wave 

AMR  Anisotropic MagnetoResistance 

APL  Applied Physics Laboratory 

BESSY  Berliner Elektronenspeicherring‐Gesellschaft für Synchrotonstrahlung 

BIRA  Belgian Institute for Space Aeronomy (in Brussels) 

BOS  Bolometric Oscillation Sensor 

BUSOC  Belgian User Support and Operations Centre 

CCD  Charge‐Coupled Device 

CCR  Corner Cube Retroreflector 

CHAMP  CHAllenging Minisatellite Payload 

CHaPS  Charged Particle Spectrometer 

COCOM  COordinating COMmittee for multilateral export controls 

COG  Centre of Gravity 

CONE  COmbined measurements of Neutrals and Electrons 

COTS       Commercial‐Off‐The‐Shelf (components) 

CPU  Central Processing Unit 

DANDE  Drag and Atmospheric Neutral Density Explorer 

DLR  Deutsches Zentrum für Luft‐ und Raumfahrt (German Space Agency) 

DM  Development Model 

DNEL   Disconnect Non Essential Loads 

DPAC  Data Processing and Archiving Centre (in Brussels) 

ECOMA  Existence and Charge state of meteOric dust grains in the Middle Atmosphere 

EELV  Evolved Expendable Launch Vehicle 

EGSE  Experiment Ground Support Equipment 

EM  Engineering Model 

EMC  Electro‐Mechanical Cleanliness 

EUV  Extreme UltraViolet 

EUVOM  Extreme UltraViolet Occultation Mode 

Page 78: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

78  

EUVRM  Extreme UltraViolet Radiation Mode 

EuTEF  European Technology Exposure Facility 

FIPEX  Flux‐Ф‐Probe EXperiment 

FPGA  Field Programmable Gated Array 

GEMS  Gated Electrostatic Mass Spectrometer 

GENSO     Global Educational Network for Satellite Operations 

GNSS  Global Navigation Satellite System 

GPS  Global Positioning System 

GSFC  Goddard Space Flight Center 

IAP        Institute for Atmospheric Physics (in Northern Germany) 

IC  Integrated Circuit 

IDTS  Ion Drift and ion Temperature Sensor 

ILRS  International Laser Ranging Service 

IMS      Ion Mass Spectrometer 

INFN  Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 

INMS  Ion and Neutral Mass Spectrometer 

I/O  Input Output 

IOD    In‐Orbit Demonstration (CubeSats) 

IPM  Institut für Physikalische Messtechnik 

IR  InfraRed 

ISS  International Space Station 

ITAR  International Traffic in Arms Regulations 

LEO  Low‐Earth Orbit 

LFSC  Low‐Flying SpaceCraft 

LHC  Large Hadron Collider 

LM  Langmuir Probe 

MASS  Mesospheric Aerosol Sampling Spectrometer 

MCC       Mission Control Centre 

MEMS  MicroElectroMechanical Systems 

MEO  Medium‐Earth Orbit 

MLT  Mesosphere and Lower Thermosphere 

MLTI  Mesosphere, Lower Thermosphere and Ionosphere 

Page 79: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

79  

m‐NLP  multi‐Needle Langmuir Probe 

MSIS  Mass Spectrometer Incoherent Scatter (model of the atmosphere) 

MSSL       Mullard Space Science Laboratory (in the UK) 

NMS      Neutral Mass Spectrometer 

NOAA  National 

NPU      Northwestern Polytechnic University 

NRL  Naval Research Laboratory 

NSF      National Science Foundation (in the US) 

OGS  Optical Ground Station (in Tenerife) 

PHLUX  Pyrometric Heat fLUx eXperiment 

PVT  Position, Velocity and Time     

PSLM  Plasma Shielded Langmuir Mode 

RPA  Retarding Potential Analyser 

RPAEM  Retarding Potential Analyser Electron Mode 

RPAIM  Retarding Potential Analyser Ion Mode 

RTD  Resistance Temperature Detector 

SDC  Silicon Drift Chamber 

SDEA  Small Deflection Energy Analyser 

SEEDS          Space Engineering EDucation Satellite (a 1U CubeSat built by Nihon University, launched on 28 April 2008) 

SEPS  Spherical EUV and Plasma Spectrometer 

SLR  Satellite Laser Ranging 

SNC  Sierra Nevada Corporation 

SOMP  Student Oxygen Measurement Project 

SSC  Surrey Space Centre 

SSWG      Sensor Selection Working Group 

SWAP  Sun Watcher using Active Pixel system detector and image processing 

TBC  To Be Confirmed 

T/I  Thermosphere/Ionosphere 

TIMED  Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics 

TRL  Technology Readiness Level 

UAF  University of Alaska Fairbanks 

UC  University of Colorado (in Boulder) 

Page 80: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

80  

UHF  Ultra High Frequency 

UM  University of Michigan 

UNP  University Nanosat Program 

UV  UltraViolet 

VHF  Very High Frequency 

VKI       von Karman Institute for Fluid Dynamics 

WADIS  WAve propagation and DISsipation in the middle atmosphere 

WINCS  Wind Ion Neutral Composition Suite 

WTS  Wind and Temperature Spectrometer 

ZARM  Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation 

  (University of Bremen) 

   

Page 81: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

81  

12. Contributors  

Dr. Anasuya Aruliah, Atmospheric Physics Laboratory, Department of Physics & Astronomy, University College London, London WC1E 6BT, UK, [email protected]

Tom Beuselinck, Redshift Design & Engineering, Europark Noord 21A, 9100 Sint Niklaas, BELGIUM; [email protected] 

Dr. Raimund Brunner, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques, 791110 Freiburg, Germany; raimund [email protected] 

Prof. Tore André Bekkeng, Dept. of Physics, University of Oslo, P.O.Box 1048, Blindern, 0316 Oslo, Norway; [email protected] 

Dr. Patrick Brown, Imperial College London, London, UK; [email protected] 

Prof. Sérgio Reis Cunha – University of Porto, Faculty of Engineering, Rua Dr. Roberto Frias 4200‐465 PORTO, Portugal; [email protected] 

Prof.  Jens  Frederik  Dalsgaard  Nielsen,  Automation  & Control  Department  of  Electronic  Systems, Aalborg University, Fredrik Bajersvej 7C, 9220 Aalborg East, Denmark; [email protected] 

Prof. Stefanos Fasoulas, FIPEXonISS Principle Investigator, Professor for Space Transportation Technology, Universitat Stuttgart, Institute of Space Systems, 70569 Stuttgart, Germany; [email protected]‐stuttgart.de 

Prof. Anna Gregorio, University of Trieste  ‐ Physics Department;  INFN  ‐  Istituto Nazionale di Fisica Nucleare,  sez.  Trieste;  INAF  ‐  Istituto  Nazionale  di  AstroFisica,  OAT  –  Trieste,  via  A.  Valerio,  2  ‐ Trieste, I – 34127, Italy; [email protected] 

Dhiren  Kataria, Mullard  Space  Science  Laboratory, University College  London, Holmbury  St Mary, Dorking, Surrey, RH5 6NT, UK; [email protected] 

Kyle Kemble, Aerospace Engineering Sciences, University of Colorado at Boulder, Boulder, CO 80309‐0429, USA 

Dr.  Werner  Konz,  Fraunhofer  Institute  for  Physical  Measurement  Techniques,  791110  Freiburg, Germany; [email protected] 

Prof.  Vaios  Lappas,  Surrey  Space  Centre,  University  of  Surrey,  Guildford,  Surrey  GU2  7XH  UK;   [email protected] 

Prof. Franz‐Josef Lübken, Institute for Atmospheric Physics, Kühlungsborn, Germany;   luebken@iap‐kborn.de  Prof.  Mauro  Messerotti,  Astronomical  Observatory,  Via  G.  B.  Tiepolo,  11  34131  Trieste,  Italy; [email protected] 

Page 82: QB50 SSWG report 120319 - uppsagd · - The orbit of the International Space Station (ISS) is maintained between 335 km (perigee) and 400 km (apogee). If a network of many CubeSats

82  

Prof. Jøran Moen, Dept. of Physics, University of Oslo, P.O.Box 1048, Blindern, 0316 Oslo, Norway; [email protected] 

Dr.  Andrew  Nicholas,  Naval  Research  Laboratory,  USA,  +01‐202‐767‐2441; [email protected] 

Prof. Scott Palo, Aerospace Engineering Sciences, University of Colorado at Boulder, Boulder, CO 80309‐0429, USA; [email protected] 

Marcin  Pilinski,  Aerospace  Engineering  Sciences,  University  of  Colorado  at  Boulder,  Boulder,  CO 80309‐0429, USA 

Dr. Ruedeger Reinhard, Von Karman  Institute  for Fluid Dynamics  (VKI), Chaussée de Waterloo 72, 1640 Rhode‐Saint‐Genèse (Brussels), Belgium ; [email protected] 

Prof.  Aaron  J.  Ridley,  Dept.  of  Atmospheric,  Oceanic  and  Space  Science,  1416  Space  Research Building, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109 – 2143, USA; [email protected] 

Dr. Michel van Ruybeke, Royal University of Belgium ; [email protected]  

Prof. Theodoros Sarris, Democritus University of Thrace, Greece; [email protected] 

Dr.  Gerhard  Schmidtke,  Fraunhofer  Institute  for  Physical  Measurement  Techniques,  791110 Freiburg, Germany; [email protected] 

Dr.  Tino  Schmiel,  Faculty  of Mechanical  Engineering,  Institute  for  Aerospace  Engineering,  Space Systems and Utilization, Technische Universitat Dresden, Germany; tino.schmiel@tu‐dresden.de 

Prof. Alan Smith, Director, Mullard Space Science Laboratory, University College London, Holmbury St Mary, Dorking, Surrey, RH5 6NT, UK; [email protected] 

Zoran  Sodnik,  ESA  Optics  Section  (TEC‐MMO),  ESTEC,  P.O.Box  299,  Noordwijk,  The  Netherlands; [email protected] 

Zsolt  Várhegyi,  Aeronautics  &  Aerospace  Dept,  von  Karman  Institute,  Brussels,  Belgium; [email protected] 

Dr. Andreas Weber, Faculty of Mechanical Engineering,  Institute  for Aerospace Engineering, Space Systems and Utilization, Technische Universitat Dresden, Germany; andreas.weber@tu‐dresden.de