Sistemas de comunicaciones vía satélite

Ricardo Saiz Villoria

 

La serie de satélites OSCAR (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio) fue iniciada por los radioaficionados para experimentar en su seguimiento y para estudiar la propagación. Desde unos primeros satélites que transmitían débiles señales, estaban alimentados por baterías y tenían una vida muy corta se ha avanzado hasta complejos sistemas que proporcionan comunicaciones fiables y sirven también como herramienta educativa y demostración viva de la tecnología.

En 1969 se fundó la Radio Amateur Satellite Corporation (AMSAT) para concentrar los esfuerzos de los radioaficionados interesados en el programa OSCAR, que había comenzado once años antes. Casi todos los satélites de aficionado han recibido, una vez en servicio, un número de la serie OSCAR, además del nombre que sus constructores hubiesen puesto al proyecto.

AMSAT ha construido y puesto en órbita numerosos satélites y también ha asesorado a agencias gubernamentales y empresas que querían incluir equipos de radioaficionado en su satélite. El trabajo de AMSAT se basa en la labor de sus voluntarios, donaciones privadas y ayudas de gobiernos (únicamente una persona cobra un sueldo como administrativo). Muchos de esos voluntarios son técnicos de telecomunicaciones o aeronáutica que dedican parte de su tiempo a esta afición. Se ha conseguido reducir drásticamente el principal coste, el del lanzamiento, al ofrecer a cambio el conocimiento acumulado por AMSAT en forma de asistencia técnica. Es habitual el uso de materiales "surplus" o donados por la industria. Los proyectos han contado siempre con la colaboración de radioaficionados de todo el mundo en el diseño, la construcción y el control del satélite una vez en órbita.

En este documento se expone la ficha técnica de todos los satélites de radioaficionado ordenados cronológicamente. Se resaltan aquellos que supusieron un avance más importante. La explicación se extiende en el proyecto Fase 3D, el más importante de todos. Por último se habla del segmento terrestre, es decir, de los equipos que utilizan los radioaficionados para operar desde sus hogares.

Los inicios: Fase 1

En 1958, cuando EEUU acababa de lanzar su satélite, el Explorer I, un grupo de radioaficionados, el denominado Proyecto OSCAR, se planteó el reto de construir el suyo propio. El 12 de Diciembre de 1961 el OSCAR I alcanzó una órbita de 372 x 211 km con 81,2 grados de inclinación y un periodo de 91,8 minutos viajando como carga secundaria en un cohete de la USAF lanzado desde la base aérea de Vandenberg, California. Era el primer satélite no gubernamental y también la primera vez que se lanzaban dos en un mismo cohete.

De construcción casera, era un cubo de 4,5 kg de peso con una antena monopolo. El transmisor, de 140 mw, enviaba continuamente el saludo "HI HI" en morse con modulación CW en la popular banda de 2 metros (144,983 MHz). La velocidad de la manipulación estaba dada por un sensor térmico, informando así de la temperatura en el interior. Tras 21 días se agotaron las baterías, y un mes después reentró en la atmósfera. 570 radioaficionados de todo el mundo enviaron informes de recepción.

Poco después, en Junio de 1962, se lanzó el OSCAR II, también junto a un satélite militar. Era muy similar al OSCAR I, si bien poseía un sencillo sistema pasivo de refrigeración y una medida más precisa de la temperatura. Tuvo el mismo final que su predecesor.

El OSCAR III, lanzado en 1965, supuso un cambio cualitativo por dos motivos: fue el primero en obtener energía de paneles solares y en proporcionar un enlace de comunicaciones gracias a su transpondedor lineal. Su órbita era más alta, de 900 km y periodo de 102,7 minutos. El transpondedor operaba en los extremos de la banda de 2 m (144-146) con un ancho de banda de 50 KHz. Fue utilizado por más de 1000 radioaficionados durante los 18 días que funcionó, aunque las balizas continuaron transmitiendo durante varios meses.

En 1965 se lanzó también el OSCAR IV, esta vez hacia una órbita geoestacionaria. Debido a un fallo en el cohete tomó una órbita de 29120 x 168 km con 26,8 grados de inclinación y periodo de 587,5 minutos. Al ser tan baja y excéntrica no pudo ser utilizado tanto como habría sido posible. Pesaba 18,1 kg y poseía cuatro antenas monopolo. Tenía un transpondedor de 10 KHz y 3w de potencia en modo J (145 → 435) que funcionó durante 85 días y permitió por vez primera un contacto entre EEUU y la URSS.

La primera tarea de AMSAT tras su fundación en 1969 fue buscar una oportunidad para lanzar el OSCAR 5. Después de los cuatro primeros lanzamientos a bordo de cohetes de la USAF, en 1970 surgió la posibilidad de utilizar un vehículo de la NASA.

El OSCAR 5 había sido construido por estudiantes de la universidad de Melbourne, Australia. Pesaba 17,7 kg, 9 de ellos por las baterías, su única fuente de energía. Desde su órbita circular de 1400 km transmitió su telemetría en 145 MHz con 50 mw y en 29 MHz con 250 mw durante algunas semanas. Fue el primero en ser controlado remotamente y en estabilizar su orientación con dos imanes que se alineaban con el campo magnético terrestre.

Transpondedores lineales

Los transpondedores funcionan a través de dos bandas de radioaficionado, recibiendo en una y transmitiendo en otra. Las más utilizadas son 21, 29, 145 y 435 MHz y 1,2, 2,4 y 24 GHz. Es interesante el hecho de que frecuencias de HF pueden atravesar la ionosfera. El ancho de banda varía entre 40 y 250 KHz y la potencia suele ser de 1 w. Cada persona que quiere acceder debe buscar un hueco libre dentro de la banda pasante. En teoría se podría emplear cualquier modulación, pero para aprovechar mejor el espectro se usan SSB para voz, CW (morse) o bien modulaciones digitales de banda estrecha.

Transpondedor inversor en modo J del FO-29:

 

 

La configuración de frecuencia ascendente y descendente del satélite se denomina “modo”. Los más habituales son el A (145→29), T (21→145), J (145→435), B (435→145), S (435→2400), etc.

Fase 2

Estos cinco primeros experimentos, de órbita baja y vida corta, se engloban en la llamada Fase 1. En 1972 llegó un cambio cualitativo, la Fase 2, en la forma del OSCAR 6, que durante cuatro años y medio tuvo funcionando un transpondedor de 1 w de potencia y 100 KHz de ancho de banda en modo A y un sistema de almacenamiento y reenvío de mensajes (store-and-forward) de morse y radioteletipo (RTTY) denominado Codestore. Su órbita era circular de 1450 km. Poseía antenas de cuarto de onda para 144 y 435 y un dipolo de media onda para 29 MHz. Cesó sus operaciones en 1977 debido al fallo de las baterías.

Aqui debemos detenernos y hacer un poco de memoria ya que nadie  recuerda quien realizo la primera comuniucacion bilateral entre dor radioaficionaods y a travez de un satelite.

Cuando se lanzo el OSCAR 6 tuvo un problema y las baterias del mismo quedaron descargadas,por tal razon estuvo inactivo por unos dias hasta completar la carga y comprobar su estado;En ese momento (30/10/72) fue activado el transpondedor desde la estacion de control en Sud Africa  y estando el OSCAR 6 sobre la Antartida, a los minutos de encendido se establecio el primer QSO entre PY2CSS y LU1DMA(01:25 a 01:27 Hs GMT) entre 144 y 29 Mhz,  siendo este el primer QSO CONFIRMADO del mismo.

En 1974 se puso en órbita el Fase 2B u OSCAR 7. Posee cuatro balizas de morse, en 29, 145, 435 y 2400 MHz, y dos transpondedores lineales, uno de modo A con 1,3 w y otro en modo B de 8 w. Fue el primero en incorporar un sistema de control para la carga de las baterías. Éstas fueron fallando al quedar las células en cortocircuito y reducirse la tensión, hasta que en 1981 se apagó por completo. Sin embargo en Junio de 2002 fue escuchado de nuevo. Alguna de las células ha pasado a estar en circuito abierto, de forma que cuando es iluminado por el sol puede funcionar. Se han podido realizar de nuevo contactos a través del transpondedor de modo B.

AMSAT-OSCAR 7:

 

 

El fase 2D fue lanzado en 1978 y tomó el nombre de OSCAR 8. Transportaba un sistema de reenvío de mensajes similar al del OSCAR 7 y además dos transpondedores de 100 KHz cada uno, en modo A y modo J y balizas de telemetría en 435 y 29. Funcionó durante 6 años, hasta que fallaron las baterías.

Los primeros satélites soviéticos, Radio Sputnik RS-1 y RS-2, fueron lanzados en 1978. En sus 40 kg de peso incorporaban un sistema Codestore similar a los de OSCAR 6 y 7 y un transpondedor lineal en modo A, además de la baliza de telemetría.

Fase 3 y posteriores

 

La Fase 3 significaba el paso a órbitas altamente elípticas, con un apogeo que alcanza o supera los 36000 km de la órbita geoestacionaria. Ofrecen unas pasadas muy largas cubriendo una gran superficie. Posteriormente se han seguido lanzado muchos otros satélites en órbitas circulares bajas.

La Fase 3 inició su desafortunada andadura en 1980 con un fallo en el cohete de lanzamiento. El satélite fase 3A, que poseía un transpondedor en modo B, no alcanzó la órbita y por tanto no recibió numeración OSCAR.

Plano de la órbita del Fase 3B o AO-10

La Universidad de Surrey (Reino Unido) inició su carrera con el UoSAT-OSCAR 9 en 1981. Fue colocado en órbita LEO heliosíncrona de 538x541 km y 97 grados de inclinación. Fue el primero en llevar un ordenador de control o IHU (Internal Housekeeping Unit). Su misión era científica y no llevaba transpondedores, sólo una baliza de banda S (2400 MHz).

También en 1981 se lanzaron los soviéticos Radio Sputnik (RS) 3, 4, 5, 6, 7 y 8 y el Iskra 1. El 3 y el 4 eran experimentales y no llevaban equipos de radioaficionado, pero los restantes tenían transpondedores de modo A. El 5 y el 7 tenían a la vez un sistema ROBOT, un computador que respondía a llamadas de morse en CW. El Isrka 1 tenía un transpondedor de 21 a 29 MHz.

Al año siguiente se lanzaron los ISKRA-2 y 3 desde la estación espacial Salyut 7 de la URSS. Eran esferas de 60 cm de diámetro y 28 kg de peso que transmitieron telemetría durante algunos meses.

 

Otro récord de longevidad, el AMSAT-OSCAR 10 (Fase 3B), fue lanzado en 1983 y continúa semioperativo. Fue el primero en llevar un sistema de propulsión. Al separarse del cohete colisionó con éste y no pudo alcanzar la órbita Molnya sino otra que cruzaba los cinturones de Van – Allen. Por ese motivo en 1986 falló el ordenador. Afortunadamente se había diseñado de forma que el transpondedor de modo B quedase activado por defecto, y así continúa ahora.

La Universidad de Surrey construyó y lanzó en 1984 el UoSAT-OSCAR 11. Hoy en día, semioperativo, transmite telemetría en 145 y una baliza sin modular en 2400.

La asociación japonesa JARL lanzó su primer satélite, el Fuji-OSCAR 12 (JAS-1a) en 1986. Tenía un transpondedor en modo B. Falló en 1989 debido a las baterías.

La URSS lanzó en 1987 el RS10/11, que en realidad formaban parte del satélite de navegación Cosmos. Ambos tenían transpondedores en modos T y A que fueron muy populares por la facilidad de su acceso.

AMSAT aprovechó en 1988 el primer vuelo del Ariane 4 para conseguir un lanzamiento barato para el Fase 3C, más tarde AMSAT-OSCAR 13. Alcanzó con éxito una órbita de 57º de inclinación, si bien sufrió unas perturbaciones que fueron bajando el perigeo hasta que reentró en la atmósfera en 1996. Llevaba cuatro balizas y transpondedores en modo B y S.

En 1990 el Ariane transportó seis microsatélites: UO-14, UO-15, AO-16, DO-17, WO-18, y LO-19. El UO-14 tiene un receptor de 145 y un transmisor de 435 que fueron dedicados a comunicaciones digitales de almacenamiento y reenvío mediante AFSK 1200 hasta que falló el computador y se reconfiguró como repetidor de FM, función que sigue cumpliendo. La electrónica del UO-15 falló poco después del lanzamiento. El AO-16 sigue aún activo como repetidor de paquetes (digipeater) en modo J. DOVE-OSCAR 17 transmitió telemetría en packet AFSK 1200 en 145 hasta que falló en 1998. El WO-18 tenía un sistema de almacenamiento y reenvío de mensajes que operaba en modo J a 1200 baudios y una baliza de morse en CW. El LO-19 era similar al WO-18, si bien su baliza de CW sigue funcionando.

Los repetidores de FM funcionan como los terrestres, es decir, se activan por portadora y sólo puede transmitir una persona a la vez. La ventaja es la gran calidad del audio. La subida es en 145 y la bajada en 435. Pueden utilizarse con un simple walkie-talkie.

Fuji-OSCAR 20 o JAS-1b fue lanzado en 1990. Posee un transpondedor de 100 KHz en modo B, actualmente en funcionamiento, y un BBS (Bulletin Board System) no operativo.

 

Radio Sputnik/AMSAT-OSCAR RS-14/AO-21, lanzado en 1991, era en realidad parte del satélite de exploración geológica INFORMATOR-1. Cuando finalizó la labor científica de éste, todo el vehículo fue apagado. RS-14/AO-21 contenía un repetidor digital de voz o "loro" que era usado para retransmitir mensajes.

RS12/13, lanzado en 1991, poseía transpondedores en modo T y A. Era muy popular por su fácil acceso. En 2002 cesó toda operación, presumiblemente debido a una tormenta solar.

Desde 1991 sigue funcionando en modo B en FSK 9600 el BBS del UoSAT-OSCAR 22.

El KO-23, una versión mejorada del UO-22, fue lanzado en 1992. No operativo.

El satélite francés Arsene-OSCAR 24 fue puesto en órbita elíptica ecuatorial en 1993. Su digipeater en modo B en AFSK 1200 falló desde el principio pero el transpondedor en modo S funcionó algunos meses.

El KO-25, lanzado en 1993, es muy similar al KO-23. Tampoco está operativo.

El italiano OSCAR 26 (1993), similar al AO-16, tiene operativo su digipeater en modo J.

El AO-27, lanzado en 1993, mantiene activo su repetidor de FM en modo J.

En 1994 se lanzó el Radio Sputnik 15, cuyo transpondedor en modo A sigue activo.

En colaboración con la Universidad de Surrey, Portugal lanzó el PoSAT-OSCAR 28, similar al KO-23, en 1993. Hoy en día operativo pero no abierto a radioaficionados.

La JARL lanzó en 1996 el JAS-2 o Fuji-OSCAR 29 (FO-29), similar al FO-20 y hoy activo.

Para conmemorar el 40 aniversario del Sputnik I en 1997 cosmonautas rusos lanzaron manualmente desde la estación MIR el Sputnik-40 o RS-17. Transmitió una baliza durante los 55 días que duró la carga de las baterías.

Desde finales de la década de 1990 universidades y centros de investigación de diversos países han construido y lanzado pequeños satélites que llevaban abordo algún equipo para radioaficionados, habitualmente repetidores de FM o simple telemetría. En su mayoría no supusieron un avance significativo en lo que se refiere a radioafición y muchos de ellos funcionaron durante un corto espacio de tiempo o lo hacen esporádicamente. Por estos motivos son simplemente nombrados sin entrar a comentar sus características.

Thai-Microsatellite-OSCAR 31, 1998. Gerswin-OSCAR 32, 1998. SEDSat-OSCAR 33, 1998. PANSAT-OSCAR 34, 1998 (experimento fallido de DSSS). RS-18 (similar a RS-17), 1998. SUNSAT-OSCAR 35, 1999. UoSAT-OSCAR 36, 1999. Arizona State-OSCAR 37, 2000. OPAL-OSCAR 38, 2000. StenSAT, 2000. Thelma and Louise (alias Thunder and Lightning), 2000. Weber-OSCAR 39, 2000. AMSAT-OSCAR 40 (Fase 3D), 2000 (se expone en otro apartado). SaudiSat-OSCAR 41, 2000.

Malaysian-OSCAR-46 (TiungSAT-1), lanzado en 2000, tiene operativa su BBS en FSK con 38400 baudios de bajada en modo J.

En 2001 se lanzaron desde Kodiak, Alaska, cuatro satélites: Starshine 3, PICOsat, PCSat y Sapphire en un proyecto conjunto de la NASA y el DoD. El Starshine-OSCAR-43 posee 1500 espejos de aluminio y es observable a simple vista. La telemetría de packet FSK a 9600 en 145 no está operativa. El PCsat o Nav-OSCAR 44 es un digipeater de APRS a 1200 baudios en 145 orientado a estaciones móviles y portátiles. Está operativo aunque con problemas en las baterías. El Nav-OSCAR 45 (Sapphire) no está operativo.

Radio Sputnik 21 Kolibri fue lanzado en 2002 desde la ISS. Transmitía una baliza de telemetría en CW 435 MHz. Funcionó mediante baterías hasta que reentró en la atmósfera.

BreizhSAT-OSCAR 47 y 48 (IDEFIX) fueron lanzados en 2002. Eran dos picosats de AMSAT-Francia, alimentados por baterías. Transmitieron mensajes de voz digitalizados en 145 y 435 FM y telemetría en BPSK a 400 baudios. Funcionaron 32 y 14 días.

El Alemán OSCAR-49 posee un digipeater activo de 9600 FSK en modo J para APRS.

 

No debemos olvidar la actividad en las lanzaderas de la NASA y las estaciones espaciales MIR y ISS. Desde 1983 los astrounautas han empleado equipos de 145 FM para realizar contactos breves con radioaficionados anónimos. En la MIR estuvo funcionando un buzón de mensajes en packet en 145 y un repetidor de FM en 435 y se realizaron transmisiones de televisión de barrido lento (SSTV). En la ISS se han instalado antenas previendo una extensión a HF y UHF de las operaciones en 145 FM.

Estación de tierra para transpondedores

El objetivo de los OSCAR es que sean utilizados por el mayor número posible de personas, y por lo tanto el equipamiento necesario es el habitual en las estaciones de radioaficionado. Es en el sistema radiante donde puede ser necesaria una mayor inversión en forma de antenas directivas y rotores con elevación, si bien en muchos casos basta con una instalación mucho más simple.

En algunos casos, como en el RS12/13, bastaba con un dipolo de hilo de HF y una antena vertical de baja ganancia (para que el lóbulo de radiación cubra ángulos altos) de 145:

 

 

Sin embargo los satélites con órbitas más alejadas precisan antenas de mayor ganancia, típicamente yagis con rotor de azimut y a ser posible de elevación. Es deseable que tengan polarización circular:

De izquierda a derecha: yagi de 435, parábola de 2400, helicoidal de 1200 y yagi de 145.

Los equipos de radio son los comunes entre los radioaficionados. Pueden emplearse dos equipos monobanda o uno multibanda. En el primer caso, y en el segundo si es full-duplex, uno puede recibir a la vez que transmite y oírse a sí mismo en la bajada del satélite.

 

Yaesu FT-290R, transceptor multimodo de 145 MHz

 

Kenwood TS-2000, transceptor multibanda multimodo de HF-145-435 MHz.

No se encuentran transceptores de SSB para frecuencias superiores a 1200 MHz. Para operar en esa banda y superiores se utilizan transverters o conversores junto con equipos de 435, 144 o incluso 28 MHz.

La PIRE necesaria puede estar entre 100 y 1000 w, lógicamente dependiendo de la distancia y de la frecuencia.

En bandas de 145 y superiores las pérdidas de la bajada de cable de la antena al receptor pueden suponer un problema. A no ser que el coaxial sea de bajas pérdidas y la tirada corta, se hace necesario instalar un preamplificador de bajo ruido tan cerca de la antena como sea posible.

Para el seguimiento de los satélites se cuenta con innumerables programas para PC. Algunos también controlan el transceptor de radio para corregir el doppler y los rotores para mantener las antenas apuntadas.

 

 

Wxtrack

 

 

 

Sistemas de comunicaciones digitales

Si bien siempre se han podido emplear los transpondedores lineales para retransmitir modulaciones digitales (radioteletipo o CW), lo interesante es que el satélite realice una función más activa, permitiendo almacenar información y así comunicar zonas sobre las que nunca pasa a la vez. El OSCAR 6 ya tenía un primitivo sistema de almacenamiento y reenvío o store&forward (s&f), aunque el radioteletipo es poco fiable porque no garantiza la integridad de la información. Los radioaficionados han venido utilizando desde finales de los años 70 el protocolo AX.25, conocido popularmente por “packet-radio”, que permite la compartición del canal y la corrección de errores. En 1990 se comenzó a incorporar en los satélites.

El sistema s&f comprende un ordenador con un sistema de ficheros en memoria RAM al que acceden estaciones de Tierra. Si varias personas solicitan un mismo fichero éste se transmite una única vez, sirviendo a ambas. El enlace ascendente es en 145 y el descendente en 435. Es el satélite quien indica cuándo puede transmitir cada uno, para evitar colisiones. Sólo la petición de conexión se realiza por ALOHA. La modulación es FSK a 9600 baudios.

Como estación de Tierra sirve la misma que para transpondedores lineales, aunque podrían valer antenas omnidireccionales. El equipo de radio es un transceptor de FM que tenga una respuesta en frecuencia muy plana, ya que si no causaría interferencia entre símbolos:

 

Yaesu FT-5100, transceptor doble banda full-duplex de FM

Tradicionalmente se han utilizados módems hardware específicos y de forma minoritaria procesadores DSP. En los últimos años la creciente potencia de los ordenadores personales ha permitido implementar módems que trabajan en tiempo real y utilizan la tarjeta de sonido como convertidor A/D y D/A.

Otros satélites funcionan como meros repetidores de paquetes, denominados “digipeaters”, o utilizan AX.25 para transmitir su telemetría. Suelen emplear modulación FSK de audio a 1200 baudios en FM como el packet terrestre, o en algunos casos PSK.

 

 

APRS

Bob Bruninga WB4APR, ingeniero del laboratorio de satélites de la escuela de posgraduados de la armada de EEUU, desarrolló el APRS o Automatic Possition Reporting System, una aplicación de posicionamiento geográfico mediante AX.25.

Diferentes programas para PC interpretan los paquetes y muestran sobre un mapa la ubicación de las estaciones, tal y como se ve en la imagen:

 

Se pueden colocar y mover objetos para informar de eventos especiales o situaciones de emergencia, así como difundir datos de estaciones meteorológicas o enviar mensajes.

Para facilitar una mayor actividad suelen trabajarse en 145 MHz con AFSK 1200. A la red de digipeaters terrestres se han sumado el satélite PCsat, construido por la US Navy bajo la dirección de Bob Bruninga, y también la estación espacial internacional (ISS).

 

PCsat

Fase 3D

El proyecto y su lanzamiento

Fase 3D ha sido el proyecto más ambicioso de AMSAT para ofrecer un medio de comunicación verdaderamente novedoso de cara al nuevo siglo. Su diseño y puesta en órbita (que se retrasó en numerosas ocasiones) llevaron diez años. En Noviembre de 2000 fue lanzado a bordo de un cohete Ariane 5, que lo colocó en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) y recibió el número 40 en la serie OSCAR (AO-40).

El objetivo era una órbita altamente elíptica de 47.000 km de apogeo, 63,4º de inclinación (Molnya) y periodo de 16 horas. Esto significa cubriría las zonas más pobladas del mundo (EEUU, Europa y Japón) con una elevación muy alta. Además el punto subsatélite repetiría su huella cada dos días, tiempo en el que recorrería tres órbitas. En su apogeo se movería muy lentamente para el observador terrestre, permitiendo incluso prescindir de rotor y apuntar las antenas manualmente cada media hora. Al cubrir casi un hemisferio terrestre posibilitaría las comunicaciones entre diferentes continentes. Por último, la inclinación en el plano Molnya proporciona una gran estabilidad. Las características de la órbita se sintetizan en la figura:

 

 

Cada segmento marcado sobre la curva indica un intervalo de 1 hora.

Un mes después del lanzamiento, al encender el motor que lo propulsaría a la órbita definitiva, se produjo una explosión en el depósito de combustible. A pesar de ello el daño no fue catastrófico y muchos circuitos y antenas no fueron afectados. El AO-40, aun con una capacidad mermada, sigue operativo. Tras el incidente se empleó el motor auxiliar de iones (arc-jet) para llevarlo a una órbita elíptica altamente estable de 58.793 km de perigeo, 1.023 km de apogeo y 8,7° de inclinación: