Lineamientos comunes para el sistema de telemetría y telecomando de un satélite.

Los sistemas de telemetría y telecomando proveen la capacidad esencial para efectuar el monitoreo y control del funcionamiento de un satélite una vez en órbita. Cuando la nave se encuentra fuera del alcance de los operadores en tierra, estos dos subsistemas se convierten en los ojos y las manos a distancia para manipular los subsistemas propios del satélite, fundamentales en la operación óptima y con los mejores resultados de sus cargas útiles.

Los parámetros de telemetría describen el estado, configuración y condiciones tanto de la carga útil como de los subsistemas del satélite, mientras que las instrucciones o comandos se establecen como resultado de dichos parámetros de telemetría para control y operación de la misión en su conjunto, así como la administración de los recursos en órbita.

Los sistemas de telemetría y telecomando deben convertirse en referente en niveles de integridad y confiabilidad, con un máximo de flexibilidad para responder en caso de fallas durante la operación en órbita, y ser los últimos sistemas en permanecer funcionando en un caso de falla total.

Es conveniente que los requerimientos básicos a considerar en el diseño del sistema de telemetría correspondan a los objetivos siguientes:

  • Proveer el máximo de información respecto a los subsistemas del satélite.
  • Operar con un alto grado de confiabilidad.
  • Asegurar una alta integridad y coherencia de los datos producidos.
  • Caracterisarse por un alto grado de flexibilidad en su configuración.
  • Requerimientos mínimos de energía.
  • Requerimientos mínimos en cuanto a costos de equipamientos terrestres compatibles, incluyendo la localización y caracterización de la frecuencia recibida, adecuados al perfil técnico de los usuarios de las estaciones terrenas.

Para el diseño del sistema de telecomando se deben considerar ciertos atributos complementarios, a fin de proveer control comprensible y ejecutivo sobre un amplio rango de configuraciones y funciones del vehículo espacial. Luego entonces, los objetivos en su diseño deben considerar:

  • Proveer un máximo de control sobre los sistemas del satélite.
  • Operar con un alto grado de confiabilidad.
  • Control con un alto grado de integridad y seguridad contra operaciones de intrusos y/o ilegales.
  • Caracterisarse por un alto grado de flexibilidad en su configuración y con una alta tolerancia a fallos.
  • Requerimientos mínimos de energía.

Ahora bien, el cumplimentar estos objetivos requiere de un análisis sobre las características de cada misión en particular, y por ello las soluciones varían de caso en caso. Adicionalmente, la tecnología es un elemento que incide directamente en las variables del sistema.

Por ejemplo, para el satélite UoSAT-1 de la Universidad de Surrey, el diseño estableció la necesidad de transmitir en un rango de 6 velocidades distintas, medidas en bps. La idea era facilitar que un mayor número de universidades puderian compartir los datos obtenidos en el experimento. Sin embargo, para el satélite UoSAT-2 se estableció que los costos en electrónica se habían reducido con respecto al momento del diseño del primero, y que por lo tanto mas universidades podrían conseguir el equipamiento requerido para la estación terrena, en el rango mas alto de velocidad de transmisión. Con ello, el diseño se simplificó en el vehículo para un rango menor en las transmisiones, con el consecuente ahorro en peso y consumo de energía.

En el caso de que la órbita del satélite no sea geoestacionaria, es necesario considerar el rango de distancias y de velocidades que la nave tendrá con respecto a la estación terrena. El proceso para localizar y seguir en su trayectoria a un satélite desde una estación terrena se conoce como seguimiento de portadora (carrier tracking). Una vez aseguradas las transmisiiones (lock), el sistema de telemetría determina el rangro entre distancias con línea de vista y la velocidad radial del satélite, que converge en un cambio de frecuencia en la transmisión y recepción, conocido como efecto doppler.

Satex 1 Doppler effect
Satex 1 Doppler effect

Para el caso del Satex 1, el sistema de telemetría se diseñó basado en cuatro antenas: una antena Yagi para transmitir instrucciones desde la estación terrena, los cuales serían recibidas en el Satex mediante una antena monopolo (Uplink); mientras que en contraparte, la transmisión desde el satex utilizaría nuevamente una antena Yagi, y la recepción en la estación con una monopolo (Downlink). Para que la coherencia de la transmisión no fuera afectada por el efecto Doppler, se planteó como solución sincronizar dos VCO (Voice Carry Over).

Satex 1 Link parameters summary
Satex 1 Link parameters summary

Otra técnica involucra un proceso conocido como coherencia bidireccional (two-way-coherent). Se supone la frecuencia de comunicación desde el satélite (de bajada o downlink) en relación a la frecuencia de transmisión hacia el satélite (subida o uplink), buscando la sincronización de sus fases. Inicialmente el satélite busca y valida la frecuencia para la conexión de subida mediante los parámetros predeterminados, en base a lo cual el sistema de Telemetría establece la frecuencia de bajada dentro del rango establecido. Este proceso no permite por si solo asegurar al satélite con la estación terrena, pero lo agiliza, puesto que la supuesta frecuencia de bajada realmente se conoce.

La determinación de la distancia entre un satélite y una estación terrestre normalmente se logra mediante el uso de tonos o pseudo-código. El tono o código se modula a la frecuencia de subida y cuando el satélite lo reconoce, el subsistema de Telemetría añade el mismo tono o código para el enlace descendente. El segmento de comandos puede entonces calcular el tiempo de ida y vuelta utilizado en el proceso y calcular la distancia entre la estación terrena y el satélite. Una vez establecida, la ubicación real del satélite se puede determinar mediante el uso de la información que señala del satélite para determinar el azimuth del satélite y los ángulos de elevación

Una vez garantizada la coherencia de los datos a transmitir, se estima conveniente contar con un sistema de almacenamiento de dichos datos, a fin de optimizar la ventana o lapso de tiempo en que la transmisión será factible. Esta función puede ser responsabilidad del subsistema de telemetría, o de cada subsistema y/o de la computadora a bordo, dependiendo de la misión. En particular, si se trata de un vehículo geoestacionario con transmisiones inmediatas, la necesidad de un almacén de datos podría soslayarse. Otra posiblidad es que el vehículo forme parte de una constelación de satélites, que permita la intercomuniación entre ellos hasta abrir una ventana de transmisión de datos hacia una estación terrena.

Las frecuencias típicas para los sistemas de telemetría incluyen la banda S (2.2 – 2.3 Ghz), la banda C (3.7 – 4.2 GHz) y la banda Ku (11.7 – 12.2 GHz).

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