Diseño, implementación y validación experimental de un sensor de Sol analógico para nanosatélites tipo CubeSat

Abstract

El desarrollo de sistemas de determinación de orientación para nanosatélites tipo CubeSat requiere sensores capaces de estimar la dirección de incidencia de la radiación solar, considerando las restricciones de espacio, consumo energético y capacidad de procesamiento de estas plataformas. Entre las alternativas disponibles se encuentran los sensores solares basados en fotodiodos, cuyo funcionamiento permite relacionar la distribución de la radiación incidente con la dirección del Sol. En este trabajo se propone el diseño, implementación y validación experimental en tierra de un sensor de Sol analógico, basado en un arreglo de cuatro fotodiodos en forma de cruz y una apertura geométrica, con el propósito de estimar las componentes angulares de la dirección solar.

El sensor presenta una arquitectura que integra los fotodiodos, una etapa de acondicionamiento analógico y un microcontrolador de bajo consumo encargado de adquirir y procesar las señales. A partir de las mediciones de los detectores opuestos, se calculan las componentes normalizadas Sx y Sy, las cuales permiten relacionar las respuestas eléctricas con los ángulos de incidencia solar y reducir la influencia de variaciones comunes en la intensidad de la radiación. Asimismo, se desarrolla un modelo geométrico en MATLAB para analizar el comportamiento del sensor, estimar su campo de visión y predecir sus intervalos de operación.

La evaluación experimental se realizó mediante un banco de pruebas en tierra, con barridos angulares que permitieron obtener curvas de calibración y analizar la sensibilidad, la respuesta angular y el error respecto a una referencia inercial. Los resultados experimentales se utilizaron para caracterizar el comportamiento del prototipo y compararlo con las predicciones del modelo geométrico, identificando las regiones de operación útil y las limitaciones asociadas con el procedimiento de medición, la alineación del sistema y la sincronización de los datos.

En conjunto, el trabajo establece una metodología para el diseño, modelado y caracterización experimental de un sensor solar orientado a aplicaciones en nanosatélites CubeSat. Los resultados permiten evaluar la viabilidad del enfoque propuesto y proporcionan una base para futuras mejoras, entre ellas la validación independiente de las curvas de calibración, la automatización del banco de pruebas y la evaluación bajo condiciones ambientales más exigentes, con miras a su posible integración en sistemas de determinación y control de orientación.