Segmento terreno

Definición

El segmento terreno es todo lo que en la Tierra opera una nave: antenas y radios, la red que las enlaza, el software que planifica los pases, decodifica las tramas y archiva la telemetría, y los operadores. En una misión pequeña suele ser la parte que el equipo subestima, aunque cada byte de la misión pasa por ella.

Estaciones y redes

Una estación típica en banda de aficionado para un PocketQube de UHF combina una antena Yagi cruzada sobre un rotor de azimut y elevación, un amplificador de bajo ruido (LNA) en el mástil, una radio definida por software y un ordenador que orienta la antena según los elementos orbitales actualizados y sintoniza el receptor para corregir el Doppler. Las antenas omnidireccionales, como las hélices cuadrifilares o los torniquetes, no necesitan rotor, pero renuncian a unos 11 dB de ganancia.

Ninguna estación ve mucho tiempo un satélite en órbita baja, así que las misiones en bandas de aficionado dependen de redes. SatNOGS, el proyecto Satellite Networked Open Ground Station de la Libre Space Foundation, enlaza cientos de estaciones voluntarias mediante un planificador y una base de datos abiertos[1]. Para cada observación archiva una imagen de cascada del espectro recibido, una grabación de audio, las tramas demoduladas y, cuando existe un decodificador, la telemetría decodificada[2]. Demoduladores abiertos como gr-satellites[3] y decodificadores declarativos escritos en Kaitai Struct[4] permiten a cualquiera convertir esas grabaciones en datos.

El segmento terreno de Grizu-263A

Grizu-263A se operó desde la estación de ZBEÜ en la Universidad Bülent Ecevit de Zonguldak, la estación 1184 de SatNOGS (localizador Maidenhead KN51vk, 41,452° N, 31,762° E, 120 m, máscara de elevación de 10°), puesta en servicio en diciembre de 2019 recibiendo telemetría con tramas KISS del CubeSat CHOMPTT[5]. Radioaficionados con licencia supervisaron a los operadores estudiantes, con el apoyo de TAMSAT, la asociación nacional de satélites de aficionado. Los formatos de telemetría se publicaron sin cifrar, y su decodificador Kaitai en la base de datos de SatNOGS decodificaba automáticamente los 31 campos de telemetría[6], de modo que estaciones de todo el mundo aportaron datos durante 21 meses.

Sensibilidad de la estación

La figura de mérito de una estación receptora es la G/T, la ganancia de la antena dividida por la temperatura de ruido del sistema. Según la cascada de Friis[7], un LNA en la antena impide que la pérdida del cable añada su ruido con todo su peso:

Cadena de recepción	Ganancia (dBi)	Temperatura del sistema (K)	G/T (dB/K)	Margen a 30° (dB)	Elevación útil mínima
Yagi cruzada, LNA en el mástil, 20 m de cable de baja pérdida	13	200	−10,0	+7,1(margen positivo)	5°
Yagi cruzada, LNA en interior tras el mismo cable	13	366	−12,6	+4,5(margen positivo)	13°
Yagi cruzada, sin LNA	13	1607	−19,1	−2,0(el enlace no cierra)	42°
Omnidireccional (QFH o turnstile), LNA en la antena	2	370	−23,7	−6,6(el enlace no cierra)	Nunca
Omnidireccional, sin LNA	2	1463	−29,7	−12,5(el enlace no cierra)	Nunca

Cascada de Friis con temperaturas de antena supuestas de 150 K (Yagi mirando al cielo) y 300 K (antena omnidireccional que también ve el suelo caliente), LNA con factores de ruido de 0,5–0,8 dB y 20 dB de ganancia, y un factor de ruido de 6 dB para un SDR de bajo coste.

En UHF el cielo es silencioso comparado con HF, pero no mudo: el ruido galáctico y el artificial elevan la temperatura de antena, sobre todo en las ciudades[8]. El artículo sobre G/T recorre la cascada término a término.

Con qué frecuencia ve una estación al satélite

En una órbita heliosíncrona circular, el número y la duración de los pases dependen sobre todo de la latitud de la estación:

Latitud de la estación (°)	Pases por día	Contacto diario (min)	Pase medio (min)	Mayor intervalo sin contacto (h)
0	2,4	15	6,1	11,8
20	2,9	17	5,8	11,9
41,45	3,5	21	6,0	13,0
60	5,5	32	5,9	11,3
78,2	11,0	71	6,5	9,5

Propagación de diez días con rotación terrestre, movimiento de dos cuerpos y Tierra esférica. 41,45° es la latitud de la estación de ZBEÜ que siguió a Grizu-263A; 78,2°, la de Svalbard.

Las estaciones de latitud media reciben unos pocos pases por la mañana y otros por la tarde, separados por intervalos de medio día. Las estaciones polares ven casi todas las órbitas, por eso las redes comerciales las construyen cerca de los polos. El pase más largo de una órbita de 525 km dura unos 12 minutos sobre el horizonte y 7,7 minutos sobre una máscara de 10°.

• Elevación máxima 90°
• Elevación máxima 45°
• Elevación máxima 20°
• Elevación máxima 10°

Mostrar los datos como tabla

Tiempo desde la máxima aproximación (min)	Elevación máxima 90°	Elevación máxima 45°	Elevación máxima 20°	Elevación máxima 10°
−6	—	—	—	—
−4	9,0	8,2	5,1	1,7
−2	27,1	23,3	14,0	7,2
0	90,0	45,0	20,0	10,0
2	27,1	23,3	14,0	7,2
4	9,0	8,2	5,1	1,7
6	—	—	—	—

Doppler y apuntamiento

La portadora se desplaza unos ±10 kHz a 437 MHz durante un pase, más deprisa en la máxima aproximación; las antenas directivas también deben girar más deprisa en ese momento, lo que limita el seguimiento cenital con rotores lentos. El artículo sobre el Doppler cuantifica ambos aspectos.

Determinación de la órbita

Las estaciones terrenas apuntan y sintonizan a partir de los elementos de dos líneas (TLE) distribuidos desde el catálogo estadounidense. En naves ligeras y bajas como los PocketQubes, la precisión de los TLE se degrada entre actualizaciones porque el arrastre cambia más deprisa de lo que se renuevan los elementos[9], lo que se ve como un desplazamiento Doppler creciente en las cascadas. Ajustar las curvas Doppler de los pases observados refina la órbita y resuelve la identificación tras los despliegues masivos[5].

Aprovechar los datos abiertos

Una nave que transmite durante meses telemetría decodificable abiertamente deja un rico registro público. La revisión sobre PocketQubes enumera los análisis que permite[5]:

• Órbita e identidad. El ajuste Doppler de pases individuales refina la órbita y asocia las señales a objetos del catálogo.
• Velocidad de giro. La periodicidad de los desvanecimientos de la señal en las grabaciones de audio da un indicador radioeléctrico de la velocidad de giro, que puede contrastarse con la telemetría de los giróscopos y con el amortiguamiento magnético pasivo previsto.
• Actitud aproximada. Las corrientes de los paneles actúan como sensores solares gruesos; con un magnetómetro con el sesgo calibrado[10], los métodos de dos vectores dan una estimación de la actitud.
• Degradación. Las tendencias a largo plazo de las corrientes de los paneles, las tensiones de bus y las temperaturas cuantifican el envejecimiento del sistema de potencia y el entorno térmico.
• Decaimiento. El historial de TLE, junto con los índices de meteorología espacial, cierra el ciclo entre la previsión de vida y el resultado, como muestra la entrada sobre Grizu-263A.

Personas y procedimientos

La operación de una misión en banda de aficionado necesita operadores con licencia, una frecuencia y un formato de trama publicados, una orden fiable de apagado del transmisor y un calendario que sobreviva a los exámenes y las vacaciones. La planificación de pases, los procedimientos ante anomalías y un registro de cada orden deben figurar en un plan escrito antes del lanzamiento, no después del primer pase en silencio.