Estaciones terrenas para CubeSats

Uno de los componentes más importantes de una misión CubeSat es la estación terrena, es decir, el equipo en tierra para comunicarse con el satélite. La estación terrena forma parte del sistema de Telemetría, Rastreo y Mando, y consta del hardware y software necesario para rastrear, recibir datos de telemetría, controlar al CubeSat y descargar los datos de la misión.

Muchas misiones CubeSat menosprecian la importancia de la estación terrena y se concentran únicamente en el segmento espacial suponiendo que el desarrollo de la estación terrena es trivial. Esto es totalmente erróneo: La estación terrena debe considerarse seriamente desde el principio del desarrollo de una misión CubeSat ya que una vez que el satélite está en órbita, la estación terrena es el único vínculo que tenemos con el satélite y en consecuencia lo único que nos puede dar evidencias de que el CubeSat está funcionando correctamente.

Además, no sólamente es importante contar con una estación terrena que opere de acuerdo al sistema de comunicación de CubeSat, sino que es necesario contar con operadores entrenados que se puedan comunicar con el CubeSat efectivamente. Típicamente el satélite solo pasa una pocas veces al día por una localidad y solo se puede establecer comunicación con él durante unos minutos, por lo que un requisito indispensable para garantizar el éxito de la misión es contar con el equipo humano capaz de establecer dicha comunicación.

Consideraciones para el diseño de una estación terrena para una misión CubeSat

El diseño de la estación terrena para una misión CubeSat depende de varios factores entre los que están las frecuencias de comunicaciones, el tipo de órbita, la tasa de transmisión de los datos, el tipo de modulación de las señales y la potencia de transmisión del satélite. Debido a sus limitaciones de tamaño, peso y potencia (SWaP por sus siglas en inglés), los CubeSats, sobre todo los de 1U, no están estabilizados, por lo que típicamente utilizan monopolos o dipolos como antenas, con patrones de radiación omnidireccionales. Esto, aunado a la poca energía que pueden captar en la limitada superficie disponible para celdas solares, hace que la potencia de transmisión sea en la mayoría de los casos inferior a 1W. Asimismo, típicamente los CubeSats operan en las frecuencias de radioaficionados en la bandas de VHF y UHF del espectro electromagnético y emplean el protocolo AX.25 con tasas de transmisión que no superan los 9,600 bps. En estas condiciones es necesario hacer los cálculos de enlace para garantizar la adecuada comunicación con el satélite y caracterizar los componentes de la estación terrena.

Los componentes típicos de una estación terrena de una misión CubeSat son los siguientes:

· Antena(s)
· Amplificador de bajo ruido LNA
· Rotores con control de azimut y elevación para orientar la antena
· Control de los rotores de la antena
· Módem o Controlador de Nodo de Terminal (TNC)
· Amplificadores de potencia
· Computadora
· Fuentes de poder
· Software de control de los rotores de la antena
· Software para predecir la posición orbital del satélite

Consideraciones para el diseño de una estación terrena para una misión CubeSat

Los componentes típicos de una estación terrena de una misión CubeSat son los siguientes:

· Antena(s)
· Amplificador de bajo ruido LNA
· Rotores con control de azimut y elevación para orientar la antena
· Control de los rotores de la antena
· Módem o Controlador de Nodo de Terminal (TNC)
· Amplificadores de potencia
· Computadora
· Fuentes de poder
· Software de control de los rotores de la antena
· Software para predecir la posición orbital del satélite

Diagrama típico de una estación terrena para misiones CubeSat.

En algunos casos, el módem puede ser un módulo de software implementado en un Radio Definido por Software (SDR por sus siglas en inglés). Las frecuencias de comunicaciones típicas están en la banda de 70 cm (UHF) para la transmisión y 2m (VHF) para la recepción.

Alternativas para desarrollar una estación terrena para una misión CubeSat

Existen muchas alternativas para desarrollar una estación terrena para una misión CubeSat. Éstas van desde la adquisición de sistemas completos hasta el desarrollo de a partir de kits comerciales. El precio para desarrollar una estación terrena fluctúa entre los 30,000 y los 60,000 dólares, dependiendo de los tipos de componentes que se utilicen.

Una de las soluciones de bajo costo para desarrollar estaciones terrenas para CubeSats la proporciona SatNOGS (www.satnogs.org), una organización de jóvenes griegos que promueve la cooperación para el rastreo y control de misiones CubeSat. La página web SatNOGS proporciona toda la información necesaria para la construcción y operación de la una estación terrena para operar una misión CubeSat, incluyendo las antenas, el receptor en tierra, la conexión a Internet, así como el software. El sistema de seguimiento para las antenas se puede imprimir en una impresora 3D y está impulsado por motores de paso.

Asimismo, SatNOGS ofrece la opción de incorporar una estación terrena a una red global de estaciones terrestres geográficamente dispersas que pueden operar cooperativamente de manera remota y así ampliar la capacidad de comunicación de las misiones. Existen un gran número de estaciones terrenas compatibles con SatNOGS en todo el mundo, operados por escuelas o individuos.

GENSO

Otra opción de red cooperativa de estaciones terrenas para misiones de satélites pequeños, particularmente CubeSats es la Red para la Educación Global para las operaciones de satélites (GENSO por sus siglas en inglés). GENSO tiene como objetivo aumentar el aprovechamiento de las misiones espaciales educativas mediante la formación de una red mundial de radioaficionados que operen estaciones terrestres y satélites educativos a través de interactuar con un software estandarizado con los centros de control.

Cómo funciona GENSO

El sistema GENSO es un estándar software de red que permite a un usuario comunicarse con un satélite mediante el uso de una estación terrestre remota que tiene línea de vista con la nave espacial. Las comunicaciones entre el equipo cliente y el servidor de la estación terrestre se llevan a cabo a través de Internet. Hay tres componentes principales en el sistema GENSO:

GSS - Ground Station Server (Servidor de Estación Terrena)

MCC -Mission Control Client (Cliente de control de la misión)

AUS - Es un servidor de autenticación que media la comunicación entre MCC y GSSs en la red GENSO.

Los operadores de la estación terrestre ejecutan el Ground Station Server (GSS) y los controladores de la misión ejecutan la Mision Control Client (MCC). El acceso seguro está garantizado por la aplicación GENSO Authentication Server (AUS) que asegura en todo momento que los participantes tienen permiso para acceder a los datos.

Durante un paso del satélite, la estación terrestre recibe los datos del satélite, los cuales son almacenados localmente por el GSS. Una vez que esto sucede, el GSS notifica al AUS que reenvia la notificación a MCC para permitir que el MCC obtenga los datos directamente del GSS.

El AUS es el núcleo central de la red. Este elemento central proporciona la necesaria cohesión y arbitra los servicios del sistema. Está actualmente bajo el control del nodo de operaciones de la ESA en la Universidad de Vigo. La estación de seguridad se encuentra en el Cal Poly de San Luis Obispo, California. La función del AUS es la de validar la identidad del GSS y MCC cuando acceden al sistema, mantener actualizadas las listas de atributos y el estado de todas las estaciones terrestres GENSO y sus satélites y distribuir esas listas a las instancias de GSS y MCC.

El lector que desee obtener más información sobre GENSO puede consultar:

www.esa.int/Education/Global_Educational_Network_for_Satellite_Operations

Localización de estaciones GENSO alrededor del mundo

El pertenecer a una red como GENSO puede ser una gran ventaja para una misión CubeSat ya que permite aprovechar estaciones remotas distribuidas en todo el mundo para monitorear al satélite y descargar datos de la misión. De esta manera no estamos limitados a comunicarnos con el satélite únicamente cuando pase por nuestra localidad y a la vez podemos aprender sobre el desempeño de otras misiones CubeSat.

Como hemos visto, la estación terrena es una parte esencial de una misión CubeSat, por lo que su desarrollo debe llevarse a cabo con la misma seriedad que el segmento espacial. La estación terrestre se puede implementar en las etapas tempranas del desarrollo de un proyecto CubeSat para empezar a operarla y aprender a rastrear otros satélites. Con el tiempo la estación se puede mejorar para incorporarle más funciones y ampliar sus capacidades de comunicación y rastreo y convertirla en una herramienta de investigación y educación espacial.