Análise e Otimização de Constelações de Satélites Estudo sobre Mecânica Orbital e Impacto de Falhas

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma constelação de pequenos satélites do tipo CubeSats voltada ao monitoramento ambiental, considerando sua aplicabilidade diante do cenário atual de intensificação das mudanças climáticas e eventos extremos. O objetivo principal foi estabelecer uma configuração padronizada de constelação que atenda às necessidades específicas do território brasileiro, promovendo eficiência e interoperabilidade entre missões. O problema central identificado foi a inexistência, no Brasil, de um modelo consolidado para uso de CubeSats nesse tipo de monitoramento, o que dificulta a continuidade operacional e o aproveitamento de sinergias entre diferentes missões espaciais. A metodologia adotada baseouse em simulações de órbitas realizadas no software STK 11 (Systems Tool Kit), considerando diversos parâmetros como altitude, inclinação, RAAN (ascensão reta do nó ascendente) e massa dos satélites. Foram aplicados dois modelos de propagação orbital: o modelo simplificado de dois corpos, baseado na gravitação universal de Newton, e o modelo HPOP (High Precision Orbit Propagator), que inclui perturbações causadas por corpos celestes como a Lua e o Sol, além de arrasto atmosférico e pressão de radiação solar. A análise de dados orbitais foi realizada com apoio de rotinas programadas em Python, permitindo a identificação de excedentes nos tempos de revisita e a organização desses dados em períodos de 90 dias. A configuração final da constelação considerou as latitudes de cidades-alvo como Macapá (0°), Natal (-5,79°) e Uruguaiana (29°), além de Alcântara e Cuiabá como plataformas de coleta de dados. Foram definidos três grupos de satélites, organizados em planos orbitais distintos: dois satélites em dois planos para Macapá, seis satélites para Natal e dez para Uruguaiana, totalizando 18 satélites, com o objetivo de garantir revisitas com intervalo inferior a 60 minutos. Os resultados demonstraram que, em um cenário ideal, os requisitos foram atendidos; no entanto, ao introduzir perturbações reais, observou-se o agrupamento dos satélites em determinadas regiões do globo após 180 dias de operação, causado principalmente pelo arrasto atmosférico, o que aumentou o tempo entre revisitas e comprometeu a cobertura contínua. Simulações de falhas operacionais evidenciaram que a perda de satélites, especialmente de um plano orbital completo, ampliava significativamente os tempos de revisita. A solução proposta foi a inclusão de 1 a 2 satélites intermediários após o período crítico, posicionados estrategicamente para restaurar a cobertura, evitando missões de lançamento exclusivas. Conclui-se que a constelação proposta é funcional e robusta, apresentando desempenho satisfatório frente às condições reais de operação e com soluções viáveis para mitigar falhas. O trabalho contribui com a padronização de futuras constelações nacionais e reforça o potencial do uso de CubeSats como ferramenta de vigilância ambiental. Entre as próximas etapas estão o desenvolvimento de modelos matemáticos preditivos que dispensem novas simulações, a ampliação da cobertura para a região amazônica e a submissão do projeto a congressos internacionais