La importancia del segmento terrestre y su papel ante el gran desarrollo satelital – José Alberto Ramírez

Introducción

El segmento terrestre es el componente esencial que asegura la operatividad y el mantenimiento de la salud y la posición orbital precisa de un satélite geoestacionario (GEO) o satélites posicionados en la órbita baja terrestre (LEO), además de realizar funciones críticas como: seguimiento, bajada de la telemetría y envío de comandos. Su función esencial radica en garantizar la continuidad, la seguridad y la rentabilidad de los activos orbitales a lo largo de su vida útil. Esto requiere la gestión integrada de complejas disciplinas de ingeniería, desde la propulsión y la dinámica orbital hasta coordinación del espectro de frecuencias y el cumplimiento regulatorio nacional e internacional. La órbita GEO es muy utilizada para brindar servicio fijo por satélite, ya que los satélites parecen estar fijos en el cielo, permitiendo a los usuarios en tierra utilizar antenas terrestres fijas orientadas hacia los satélites deseados. El segmento terrestre abarca muchas áreas de la ingeniería, que de manera coordinada logran mantener a los satélites operativos y en condiciones de brindar servicios de telecomunicaciones, observación de la Tierra, navegación, etc.

I. Las áreas de la ingeniería presentes en el segmento terrestre

El área de dinámica orbital es una de las áreas fundamentales que determinan la duración y el cumplimiento regulatorio de la misión, al asegurar que el satélite permanezca dentro de su posición orbital determinada y asignada en coordinación por los organismos regulatorios nacionales e internacionales. Otra sección importante es la de nave espacial, la cual es responsable de monitorear y mantener el estado operativo de los subsistemas de la plataforma o bus del satélite, garantizando que los equipos principales a bordo de los satélites puedan operar de forma correcta y continua. De igual forma, existe otra área muy importante para la correcta operación de los satélites en órbita, la parte del seguimiento, la telemetría y el comando. Esta área se encarga de operar la interfaz de comunicación bidireccional (Tierra-Espacio/Espacio-Tierra), garantizando que la información del estado de salud del satélite fluya de forma continua (telemetría), y que las instrucciones de los operadores se lleven a cabo de manera correcta y segura (comando). En la Figura 1 se muestra un diagrama a bloques de las operaciones del segmento terrestre.

II. La infraestructura terrestre

La infraestructura terrestre es fundamental en la operación de los sistemas satelitales actuales. Desde el lanzamiento del primer satélite artificial de la Tierra (Sputnik), ha sido necesaria la infraestructura terrestre para su operación. Básicamente, la infraestructura se compone de la sección de banda base (BB), frecuencia intermedia (FI) y radiofrecuencia (RF), lo que proporciona la base crítica de soporte para el segmento satelital. Su correcto funcionamiento y servicio ininterrumpido son críticos para mantener en correcto funcionamiento a los satélites.

Dado que el segmento terrestre estará recibiendo y transmitiendo señales en diferentes espectros de frecuencias, es necesaria la coordinación nacional e internacional del uso de las frecuencias para actividades de telemetría, seguimiento y comando. Actualmente, el ente regulador en México es la CRT –Comisión Reguladora de Telecomunicaciones– y a nivel internacional es la UIT –Unión Internacional de Telecomunicaciones–. En la Figura 2 se muestran la sección de banda base y de radiofrecuencia del segmento terrestre.

III. El sistema de seguimiento, telemetría y comando

Una parte esencial del segmento terrestre es el seguimiento, la bajada de la telemetría y el envío de comandos. Esta parte cumple funciones críticas, entre ellas la adquisición, el registro y la interpretación de datos sobre el estado operativo del o los satélites de interés. Con la información recibida, es posible tomar decisiones críticas que impactan directamente en el funcionamiento de los satélites. Los parámetros vitales que se monitorean son principalmente: temperaturas, niveles de voltaje, corrientes, presiones, el estado de todos los subsistemas y el comportamiento del satélite en su órbita. Por otro lado, está el constante seguimiento de los satélites. El objetivo es conocer, con precisión, en dónde exactamente se encuentra el o los satélites en su órbita. La información es crítica para el plan de maniobras de ajuste de posición.

Por otro lado, se encuentra la sección del envío de comandos, lo que implica el envío constante de instrucciones específicas para encender transpondedores, resetear la computadora de vuelo, cambiar los modos de operación de los subsistemas de servicio (potencia, comunicaciones, etc.) o de carga útil (transpondedores, cámaras, sondas, etc.), modificar la actitud o realizar correcciones orbitales. En la Fig. 3 se muestra una antena parabólica, parte del segmento terrestre para operaciones de seguimiento, telemetría y comando (TT&C, por sus siglas en inglés).

Dado el gran avance y desarrollo de los satélites artificiales, México, desde la academia, también hace grandes esfuerzos para desarrollar e implementar su propio segmento terrestre para la operación de sus propios satélites, desarrollados en las mismas universidades o en colaboración internacional. Por ejemplo, la UNAM, a través de su Unidad de Alta Tecnología (UAT) de la Facultad de Ingeniería (FI), ya cuenta con infraestructura terrestre para el control de satélites posicionados en la órbita baja terrestre (LEO), es decir, satélites que se encuentran posicionados a menos de 2,000 km de altura. La estación se llama ECXSAT (Estación de Control Satelital) y cuenta con capacidad para operar en distintos rangos de frecuencias (VHF, UHF, L, S y X), utilizadas a nivel internacional para el seguimiento, telemetría y comando (TT&C) de los satélites. En la Figura 4 se muestra una de las antenas de la estación terrestre para operar en las bandas de frecuencias VHF y UHF.

En la Figura 5 se muestra una imagen de la naciente estación de control satelital de la Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.

IV. Demanda de segmento terrestre para el creciente número de satélites en órbita LEO

En los últimos diez años, se ha incrementado exponencialmente el desarrollo y puesta en órbita de ciento o miles de satélites. El incremento del desarrollo de satélites se centra en los femto, pico, nano y microsatélites. Entonces, dos aspectos importantes que deberán tomarse en cuenta en la proyección e instalación de una estación de TT&C son: a) Considerar el menor costo posible. b) Operaciones confiables. Actualmente, existen estaciones terrestres como servicio, es decir, ofrecen a los dueños de los satélites comunicarse, descargar y procesar datos desde sus satélites mediante un pago por el uso de la infraestructura satelital terrestre, lo cual elimina la necesidad de construir sus propias estaciones terrestres satelitales. Existen muchas compañías a nivel mundial que ofrecen soluciones con estaciones terrestres con las características adecuadas para la operación de satélites en la órbita LEO.

V. Conclusiones

La necesidad del segmento terrestre para el seguimiento, recepción de telemetría y envío de comandos a los satélites, ante los crecientes lanzamientos de nuevos aparatos espaciales, ha aumentado no sólo en México, sino en todo el mundo. Desde luego, es importante mencionar que el sistema terrestre no es un tema trivial, es un sistema altamente especializado, donde la ingeniería de radiofrecuencia, banda base, etc., se entrelazan con la gran complejidad de la operación de los satélites en órbita, ya sea que se encuentren en la órbita geoestacionaria o en la órbita baja terrestre. Entonces, el éxito de la misión depende de la capacidad del segmento terrestre para cerrar el lazo de control con seguridad (validación de comandos) y precisión (determinación orbital basada en ranging y telemetría). Hay varios aspectos que tienen que tomarse en cuenta en la proyección del diseño del segmento terrestre. Hoy en día las constelaciones de cientos y miles de satélites son el presente de la era espacial, cuando muchos países y organizaciones de todos los niveles encuentran la puerta para atravesar la atmósfera y conquistar la parte del espacio que les corresponde por ser parte de la humanidad.

El doctor José Alberto Ramírez Aguilar es investigador en la Unidad de Alta Tecnología – UAT, Facultad de Ingeniería, UNAM. Correo: albert09@unam.mx

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Josué