1: Introducción a los satélites LEO: los Cubesat
En el que se te cuenta todo lo que deberías saber sobre los LEO y los Cubesat, y se te muestra toda la información sobre satélites que encontrarás en la web de AMSAT.
Introducción
Vamos a explicar aquí todo lo que deberías saber sobre la operación en satélites LEO (Low Earth Orbiting Sattelites), los satélites de órbita baja, y especialmente sobre los microsatélites denominados Cubesat, un modelo propuesto por el catalán, Jordi Puig Suari, profesor de Cal Poly (Universidat Politécnica de California), junto con Bob Twiggs, profesor de la Universidad de Stanford. Estos pequeños satélites giran muy cerca de la superficie terrestre y eso los hace muy baratos de colocar en órbita, porque su cohete lanzador no necesita alcanzar los 36.000 km de altitud de los geoestacionarios (GEO).
Los satélites llamados GEO necesitan esta tremenda altitud para permanecer estables sobre el mismo punto de la Tierra, girando perfectamente sincronizados con ella, y eso encarece enormemente su fabricación y su lanzamiento. De ahí el gran éxito de los diminutos Cubesats, e incluso de los Picosatélites, aún más pequeños, de los que con un solo cohete se pueden lanzar varias docenas, incluso se ha llegado a lanzar un centenar de una vez.
A lo largo de este capítulo, pasaremos revista a todas las características principales que los caracterizan, así como las antenas que equipan y, en consecuencia, plantearemos las antenas que necesitamos para recibirlos, los equipos adecuados para operar con ellos, que en FM no necesitan tener nada especial, así como los obstáculos que se nos presentan para conseguir QSOs a través de ellos y cómo superarlos uno a uno, lo que es mucho más fácil de lo que parece, con tan solo tener en cuenta cuatro cosillas imprescindibles para alcanzarlos.
Las órbitas de los LEO
Los LEO dan vueltas a la Tiera a una altitud entre unos 500 y 1500 km, siendo los 500 km la mínima altitud necesaria para circular sin verse frenados, para lo que tienen que circular algo por encima de la última capa de la ionosfera, la capa ionizada F2 (que alcanza los 400 km), la que nosotros utilizamos para hacer DX, un problema que sí tiene la estación espacial (ISS = International Space Station), que gira solamente a 450 km de altitud y debe ser acelerada periódicamente por un lanzador ruso para mantenerse en su órbita.
La distancia determina la potencia necesaria
Al comparar las diferencias entre un satélite LEO y un GEO, descubriremos que, si escogemos por ejemplo un LEO que orbite a 560 km de altitud, su órbita se encuentra nada menos que 64 (36.000/560) veces más cercana que la de un GEO (figura 1), de modo que operar con cualquier GEO exige aumentar la potencia equivalente radiada nada menos que en +36 dB en la estación base para alcanzarlo con la misma señal que la que recibe un LEO, porque se encuentra a una distancia que hemos tenido que doblar 6 veces para alcanzarlo (64 = 26). Y cada vez que se dobla la distancia, debemos cuadriplicar la potencia (+6 dB) para conseguir mantener la misma señal en el receptor.
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| Figura 1: Un GEO se encuentra a 64 veces la distancia de este LEO |
Esa mayor potencia radiada es relativamente fácil de conseguir en una estación terrena, pero cuesta mucho conseguir los +36 dB en la transmisión desde un GEO, que está alimentado por sus paneles solares y dispone de una batería para mantenerlo en funcionamiento cuando no está iluminado por el Sol, porque se encuentra en eclipse y, por tanto, en la oscuridad, lo que sucede durante unas 1,5 horas diarias aproximadamente.
Órbitas casi polares y casi circulares
A diferencia de los GEO que giran en órbitas ecuatoriales y que, en consecuencia, no son capaces de visualizar toda la Tierra, porque no alcanzan polos gegráficos, los LEO se colocan con órbitas casi polares, es decir, la mayoría de ellos tienen órbitas cuyo plano forma un ángulo recto respecto al plano del ecuador, algo más de 90º, ángulo que se denomina “inclinación” y que se mide en el cruce de la órbita ascendente (de Sur a Norte) con el plano ecuatorial (figura 2).
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| Figura 2: La inclinación de un LEO
es generalmente α > 90º |
Aunque todas sus órbitas, como ya descubrió Kepler en su día, son realmente elípticas, las de los LEO son casi circulares porque tienen una excentricidad muy pequeña (solo alguna diezmilésima), y la altitud a la que evolucionan sobre la superficie terrestre (descontando las montañas altas como el Everest) se puede considerar prácticamente constante.
Los LEO abarcan toda la superficie terrestre
Puesto que la tierra gira alrededor de su eje N-S, mientras la órbita de los LEO permanece constante en el espacio, los LEO en latitudes medias pueden ser vistos por lo menos un par de veces al día desde todos los puntos de la superficie terrestre, en grupos de tres pases seguidos, puesto que cada vuelta suya se completa en alrededor de 90 minutos, lo que representa que llegan a dar alrededor de la Tierra algo más de unas 15 vueltas completas cada día y no queda ningún rincón del mundo fuera de su alcance.
El primer pase de cada tripleta acostumbra a ser muy bajo sobre el horizonte y de corta duración (< 10º), mientras que el pase intermedio (unos 90 minutos más tarde) pasa generalmente con una buena elevación (en un 90% de los pases por debajo de 60º) y con una duración suficiente (alrededor de 9-11 minutos) para permitir una buena operativa. Finalmente, el tercer pase de la tripleta acostumbra a ser menos operable con una elevación más bien baja y una duración muy corta (figuras 3 y 4).
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| Figura 3: Triple pase ascendente | Figura 4: Triple pase descendente |
Nosotros, para intentar contactos con mayores garantías y tranquilidad, escogeremos preferentemente el pase central de cada tripleta de pases ascendentes o de los descendentes, puesto que hasta que no tengamos una buena práctica operativa, no seremos capaces de aprovechar el corto espacio de tiempo que nos proporciona el primer y el tercer pase accesible de la tripleta por su escasa elevación.
Dos estados: iluminación permanente y eclipse
Teniendo en cuenta que su órbita permanece bastante estable en el espacio, como vemos en la figura 5, a lo largo de un año de funcionamiento (si no ha muerto), un LEO experimenta dos estados totalmente diferentes, puesto que a lo largo de las cuatro estaciones del año, o más bien cuatro trimestres, se encontrará en dos estados muy diferentes: un par de estaciones (o mejor trimestres) conseguirá estar permanentemente iluminado y obtener la máxima energía del Sol, mientras que durante las otras dos estaciones o trimestres, en cada órbita pasará por un eclipse porque pasará por la noche detrás de la Tierra y se quedará sin iluminación solar durante algo menos de media órbita.
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| Figura 5: Dos estados: Iluminación permanente o eclipse en cada órbita |
El paso por un “eclipse” obliga a que la batería tenga que mantener en funcionamiento todos los sistemas del satélite y éste se vea obligado a reducir su consumo al mínimo posible para limitar la descarga de la batería y, en esos momentos, cuando se encuentra en la oscuridad, normalmente suelen desconectar cualquier transponedor situado a bordo de un Cubesat e incluso reducir la potencia de transmisión de la telemetría.
El Cubesat típico
El modelo que propuso Jordi Puig Suari consiste en un cubo de 10 x 10 x 10 cm y un peso total inferior a 1 kg /figura 6), porque eso permite estandarizar el cajón lanzador con muelles, llamado P-POD (Poly-PicoSatellite Orbital Deployer), aunque también este cajón puede lanzar Cubesat dobles (2U) y triples (3U), pues en el mismo lanzador simultáneo caben hasta 6 unidades, aunque supongo que debe haberlos incluso más largos.
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| Figura 6: Modelo estándar de Cubesat 1U |
Tal como se ve en la figura 6, normalmente un Cubesat consta de 4 paneles solares situados en las caras laterales del cubo y perpendiculares a los ejes X-X’ e Y-Y’, mientras que en las caras perpendiculares al eje Z-Z’ suelen encontrarse las antenas, normalmente dipolos desplegables de flexo que se sueltan después del lanzamiento
Una buena “actitud”
Se llama “actitud” la posición más estable que se intenta que alcance cualquier satélite en el espacio en relación con el eje de la tierra. Normalmente se pretende que con el tiempo deje de dar tumbos y se estabilice realizando un lento giro alrededor del eje Z-Z’ (figura 6), de forma que este eje quede lo más paralelo posible al eje de la Tierra.
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| Figura 7: Eje Z-Z’ paralelo a N-S | Figura 8: Insolación máxima promedio en caras X-X’ e Y-Y’ |
Esta actitud tiene la ventaja de que los paneles solares, situados en las caras laterales del cubo reciben, independientemente de la estación, la mayor insolación posible (figura 8), sumando en promedio la iluminación verano/invierno, mientras que en los equinoccios de primavera/otoño quedarán bastante perpendiculares a los rayos solares.
Esta buena actitud se puede conseguir de dos formas distintas, que dependen del tamaño del satélite:
- Por medios “activos”: los Cubesats más grandes disponen de sensores del campo magnético de la Tierra y utilizan electroimanes activos que se accionan sincrónicamente para estabilizarlos y proporcionarles la actitud y la rotación deseada con el ángulo correcto respecto al campo magnético terrestre.
- Por medios “pasivos” (figura 9): los más pequeños utilizan un sistema que consiste en pintar a un lado de cada cara una franja brillante y reflectante, y otra oscura y absorbente en el otro lado de la misma cara. La pintura brillante reflectora recibe más impulso fotónico que la pintura negra absorbente y el resultado es un ligerísimo par de fuerzas de giro que impulsa la rotación del satélite, de modo que con el tiempo se pone a girar poco a poco en la posición deseada.
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| Figura 9: Tira oscura y otra brillante |
Este sistema lleva a la actitud correcta de un modo mucho más lento, pero producirá finalmente un giro estabilizador que seguiría acelerándose indefinidamente, si no fuera porque también se colocan en su interior unas barras ferromagnéticas que frenan esa aceleración mediante la interacción con el campo magnético terrestre, de modo que finalmente alcanzan una velocidad de giro estable muy lenta de más o menos alguna vuelta por minuto.
El seguimiento al día con AMSAT (AMateur SATtelit)
Para operar con satélites, necesitamos estar bien informados sobre su estado y funcionamiento, y en las páginas de la asociación norteamericana AMSAT (www.amsat.org) se encuentra la mejor información disponible y puesta al día sobre satélites. ¿Que está en inglés? Para navegar por esa página y encontrar esa información no nos hace falta conocer más que las cuatro típicas palabras inglesas que todo radioaficionado tiene que haber oído alguna vez. La figura 10 muestra la página de entrada a su web y, justo en el centro, aparecen las palabras mágicas: “Satellite Info”.
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| Figura 10: La web de AMSAT: www.amsat.org |
Satélites con transponedor de FM
No son demasiados los que equipan un transponedor en FM, porque la lista de satélites activos es más bien corta y se encuentra fácilmente, clicando primero en “Satellite info” y luego en la opción central ”Communications Satellites” (figura 11). En primer lugar aparecen listados precisamente los satélites que en ese momento disponen de un repetidor en banda cruzada que opera con un solo canal de FM y, por supuesto, también a continuación aparece la lista completa de satélites que utilizan transponedores lineales de banda ancha y que son aptos para comunicar en SSB y CW, pero esa es otra historia en la que profundizaremos en otro capítulo.
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| Figura 11: Satélites con transponedor de FM en www.amsat.org |
Entre paréntesis a veces se especifica cuándo el transponedor está operativo, porque la energía de la batería es limitada y algunos solamente se pueden utilizar cuando NO están en eclipse (en la oscuridad,) porque no disponen de suficiente energía para la transmisión, si sus paneles solares no están iluminados por el Sol.
Clicando en cada uno de los nombres de los satélites, normalmente se accede a una página en que están detalladas las frecuencias operativas de entrada y salida del satélite y su horario, con las que podremos sintonizar el equipo o equipos que vayamos a utilizar, aunque como veremos más adelante, en los programas de seguimiento ya contienen integradas y puestas al día las frecuencias de casi todos los conocidos hasta la fecha, para que puedan corregir automáticamente el efecto Doppler sobre la marcha en tiempo real, efecto que explicaremos más adelante.
¿Están vivos todos ellos?
La muerte por silencio total es muy habitual en el mundo de los satélites, porque el espacio es un ambiente terriblemente hostil por culpa de la radiación cósmica, que destroza las CPUs y las memorias, de modo que cualquier Cubesat puede dejar de funcionar en cualquier momento. Así que lo primero que nos interesa saber es si han sido oídos recientemente y, para ello, antes que nada, debemos comprobar su actividad actual, clicando en la segunda opción “Current Status” (estado actual) (recuadro en rojo en la figura 12), en la que encontramos la información más actualizada proporcionada por operadores que han informado que lo han escuchado en los últimos 6 días, tal como se muestra en la figura 12 y que incluye todos los satélites activos.
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| Figura 12: “Current Status” = Estado operativo de los satélites |
En la parte superior aparece la fecha de los últimos 6 días y cada satélite dispone de una línea en la que están indicados, mediante recuadros “azules”, cuándo han sido oídos funcionando como repetidores, o bien con recuadros “amarillos” para indicar que solo se ha oído su telemetría, mientras que los recuadros “rojos” señalan los que no han sido oídos cuando debían. Los recuadros violetas son muy infrecuentes porque solo se aplican si algún astronauta ha sido escuchado operando como radioaficionado, lo cual actualmente rara vez sucede.
Las previsiones de los pases (efemérides en el argot)
El tercer elemento que necesitamos conocer para planificar nuestra operativa consiste en averiguar cuándo el satélite deseado estará a nuestro alcance y, para ello, en AMSAT podemos recurrir a la primera línea del desplegable de la figura 11 y que lleva por título “Pass Predictions” (previsiones de pases) y que se muestra en la figura 13.
Allí escogeremos el satélite que nos interesa en el desplegable “Show Predictions for:”; luego entraremos nuestro locator en “Gridsquare” y clicaremos en “Calculate Position” para que se rellenen las dos casillas con las coordenadas “Decimal Latitude” y “Decimal Longitude” de la cuadrícula de nuestra ubicación. Solo nos falta entrar la altitud de nuestra antena en metros sobre el nivel del mar en “Elevation in meters AMSL”, cifra que podremos obtener buscando con el puntero del ratón nuestro QTH en el programa Google Earth, descargable de Google.
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| Figura 13: Predicciones de pases (efemérides) |
Cliquemos sobre el recuadro “Predict” para que nos proporcione un listado de los próximos pases del satélite escogido, tal como se muestra en la figura 14, concretamente aquí por ejemplo para la estación espacial ISS, donde las columnas que más nos interesan son las enmarcadas en rojo, especialmente las encabezadas con las dos palabras “Maximum Elevation” y la hora de adquisición “AOS (hora UTC)”, aparte de la columna inicial con la fecha en la que supongo ya te habrás fijado.
Las predicciones solo las hace para unos cuantos días por delante y que dependen de la cifra colocada en el ángulo superior derecho (“Next = 10 Passes“) de la figura 13, que debe contener el número de pases siguientes a calcular, valor que se puede aumentar a voluntad para que las predicciones añadan algún día más.
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| Figura 14: Predicciones de los próximos pases de la ISS. |
Planificación del pase
Escogeremos la órbita que nos interese porque su máxima elevación nos convenga al no ser demasiado baja (< 10º) porque el satélite no se elevaría sobre el horizonte el tiempo suficiente para hacer un buen contacto, mientras que el 90% de las órbitas se encuentra por debajo de una elevación de 60º.
Escogeremos un pase que nos parezca el más adecuado para el diagrama de elevación de nuestra antena, como por ejemplo el del recuadro horizontal en rojo del día 22/03/2022 a las 00.35 UTC (noche del 21), que pasa con una máxima elevación de 45º por nuestro Sur-sudoeste (acimut 208º). Con estos datos, podremos planificar la trayectoria del pase, dibujando un gráfico que más o menos podría ser como el de la figura 15, utilizando los parámetros de esa órbita y calculando la hora del pase por el máximo de elevación sobre el horizonte, que será equidistante entre el momento de la AOS (“Adquisition of Satellite”) y del LOS (“Loss of satellite”) o sea su pérdida o desaparición bajo el horizonte.
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| Figura 15: Planificación gráfica del pase de la ISS |
Información del pase en tiempo real
Pinchando en la línea en letras azules de la cabecera de la figura 15 titulada “View the current location of ISS” nos aparecerá un mapa en el que se indica la posición y la trayectoria del satélite, pero hemos de reconocer que esa información en tiempo real que nos proporciona AMSAT (figura 57) es inútil y muy decepcionante, porque no nos sirve de nada para el seguimiento. Realmente lo que necesitaríamos sería que nos indicara la dirección del acimut y el ángulo de elevación en cada momento del pase, así como el área de cobertura vista desde el satélite y, desgraciadamente, la página de AMSAT no proporciona ninguna de todas estas informaciones vitales.
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| Figura 16: Mapa con la posición del satélite en tiempo real. |
Mucho me temo que esta deficiencia informativa se debe claramente a que están más interesados en que compres algún programa de seguimiento en su tienda, si quieres seguir el satélite en un mapa en tiempo real o conseguir realizar el seguimiento automático con tus antenas directivas. Pero eso tiene fácil arreglo y podréis comprobarlo en el siguiente capítulo..
