Retos en comunicación con nanosatélites

Sea cual sea la razón de ser de un satélite (observación de la tierra, meteorología, navegación o telecomunicaciones), siempre se requiere algún sistema para manejarlo remotamente o para descargar la información que pueda recoger. De no contar con él, por valioso que fuese el satélite, al estar aislado de nosotros, pasaría a formar parte de la llamada basura espacial. Es por esta razón que las comunicaciones por radio (no vamos a tratar las ópticas en esta ocasión) resultan de vital importancia.

Algunas de las claves en el mundo de las comunicaciones son la órbita y las dimensiones de nuestro satélite. Los grandes satélites GEO (órbitas geoestacionarias) han dominado las telecomunicaciones comerciales y gubernamentales desde los años 60, pero en los últimos años una parte del mercado está realizando una transición a soluciones con costes más reducidos: nanosatélites en órbitas bajas (LEO). Los retos a los que se enfrentan estos últimos son muy diferentes de los de los GEO. En este artículo pretendemos hacer un repaso de los principales.

Lo primero que debemos tener en cuenta es la gran velocidad relativa a la que se mueven estos pequeños satélites. Esta velocidad es dependiente de la órbita: en el caso de los satélites geoestacionarios (a unos 36000 km de altura) la velocidad de la órbita coincide con la velocidad de la rotación de la Tierra aparentando ser puntos fijos desde un observador en la misma, mientras que los satélites en órbita baja (300 - 1500 km de altura) se mueven a casi 8 km/s. Por ejemplo, un servicio muy común para satélites geoestacionarios es la difusión de televisión. Por esta razón las antenas parabólicas están apuntadas a posiciones fijas en el cielo (a los satélites) y se mantienen estáticas. Sin embargo, para apuntar una antena de forma precisa a un satélite en órbita baja tenemos que corregir el apuntamiento de forma continua.

La buena noticia es que muchas aplicaciones con satélites en órbita baja no necesitan esa necesidad de apuntamiento continuo: depende de la direccionalidad de las antenas y de la banda del espectro de frecuencia a la que trabajan. Las llamadas antenas omnidireccionales transmiten y reciben con potencia similar en todas las direcciones, por lo que no necesitan apuntamiento, pero su eficiencia es menor porque se desperdicia mucha energía en direcciones en las que no deseamos emitir. Por ejemplo, la telefonía por satélite usa este tipo de antenas.

Por otro lado, las estaciones de seguimiento, desde las que se operan los satélites, suelen requerir de una buena calidad en el enlace para transmitir o recibir grandes cantidades de información. Por esta razón se utilizan antenas muy direccionales que además apuntan y siguen al satélite a su paso por encima de nuestras cabezas.

Otro de los problemas que conlleva la gran velocidad relativa de los LEO es el llamado efecto Doppler. Se presenta como un cambio de frecuencia aparente en la señal recibida debido a la velocidad relativa entre emisor y receptor. Es normalmente el receptor el encargado de corregir esa desviación, que depende además de si el satélite se acerca o aleja del mismo. Para entender mejor este fenómeno, conviene recordar lo que escuchamos cuando un tren o cualquier vehículo en marcha pasa cerca de nosotros. Se percibe un sonido más agudo cuando se está acercando, para luego volverse más grave en el momento que el vehículo nos sobrepasa y se aleja. En este caso las ondas son acústicas en lugar de electromagnéticas, pero la explicación es la misma.

Pero no todo son desventajas. Al encontrarse el satélite en una órbita más cercana a la Tierra, contamos con la ventaja de que las señales de radio se atenúan o pierden menos energía durante el trayecto al receptor. Sin embargo, esta ventaja se ve mermada por las restricciones impuestas a los nanosatélites en tamaño y peso. Estas se traducen en una menor generación de potencia, pues existe menos superficie dedicada a paneles solares, y también en menor capacidad de disipar el calor generado, ya que la radiación es el único método para liberar el exceso de temperatura al espacio. Por estas razones el equipo de comunicación a bordo debe optimizar el consumo eléctrico, contar con un diseño térmico adecuado y usar antenas más pequeñas o con geometrías más sencillas.

Por otra parte, la legislación que regula el uso del espectro de frecuencias tiene un impacto clave en las capacidades de comunicación de los satélites. Aunque se prevén mejoras en este sentido, el proceso de coordinación para poder utilizar un cierto ancho de banda en una determinada frecuencia sigue siendo muy costoso en términos temporales y económicos. En la mayoría de ocasiones ese proceso se inicia en etapas tempranas de diseño del nanosatélite. Obviando la ya mencionada potencia, la banda de trabajo que podamos obtener también tendrá un efecto sobre la tasa binaria que el sistema pueda alcanzar, limitando ciertas aplicaciones a distintas bandas de frecuencia. Por ejemplo, la transmisión de imágenes quedaría reservada a las bandas de frecuencia más elevadas, como la banda S (2.4 GHz) mientras que mensajes cortos podrían ser usados en UHF sin problemas.

Debido a que cada aplicación impone escenarios y requisitos muy diferentes, diseñar un equipo hardware desde cero para cada caso sería un proceso muy largo y caro. El uso de sistemas de radio definida por software (SDR) nos permiten paliar en gran medida este problema, ya que ofrecen la flexibilidad para adaptarse con facilidad a nuevas aplicaciones aprovechando tecnología ya probada con anterioridad. Pero dejaremos la SDR para otra ocasión.

El conocimiento de las condiciones del entorno en que deben operar los satélites es clave para diseñar los sistemas de comunicaciones que necesitan. Dada la importancia de estos sistemas, es primordial realizar un análisis de las necesidades de comunicación de cada satélite en fases tempranas de la misión teniendo en cuenta las necesidades específicas del servicio que ha de ofrecer. De este modo sentaremos la bases de una misión exitosa, con sistemas de comunicación robustos y eficientes que permitan cumplir a cada satélite con los objetivos para los que fue lanzado.