INTRODUCCIÓN AL SEGUIMIENTO POR RADIO DE SATÉLITES.

Este artículo ha sido publicado en la revista de Astronomía, septiembre de 2000.

Actividad desconocida entre las asociaciones astronómicas, el seguimiento por radio de satélites artificiales se puede convertir en una faceta de gran interés por las grandes perspectivas que tiene para la divulgación y la experimentación en tecnologías  espaciales. En pleno día y con condiciones meteorológicas adversas, es posible seguir a varios satélites mediante las señales que emiten bien para ensayar las fórmulas de Kepler y determinar, en una primera aproximación, los parámetros orbitales básicos, bien para obtener imágenes de la Tierra en directo desde el espacio.

Existen muchos sistemas de satélites caracterizados por sus frecuencias, codificación, tipo de órbita y aplicaciones. Los sistemas habituales requieren antenas controladas por rotores o parabólicas de alta ganancia con sus respectivos receptores, conversores, decodificadores… técnicas costosas y complicadas para un principiante. No obstante, tenemos a nuestra disposición el sistema de comunicación denominado APT(transmisión automática de imágenes) a bordo de algunos satélites. La técnica APT es tan sencilla y económica que permite introducirse en el apasionante mundo de los satélites y experimentar aquella emoción que sintieron en 1957 quienes escucharon el “bip-bip” del primer Sputnik. Al mismo tiempo, nuestra estación de seguimiento artesanal tiene una utilidad práctica como es la observación del planeta y la obtención de imágenes meteorológicas en tiempo real.

Como se observa en la tabla, los satélites que transmiten en formato APT no son numerosos, pero si suficientes como para tener un seguimiento diario. Con una potencia de tan sólo cuatro watios, transmiten a una frecuencia de 137 Mhz en VHF de forma analógica tanto en FM como en AM. Como veremos, estas características determinan el sencillo equipo necesario en tierra al no necesitar de equipos profesionales. Estos satélites están situados en órbita heliosíncrona, es decir, con una posición constante respecto al Sol, para aprovechar la iluminación uniforme; esto se logra colocándolos en órbitas polares a unos 800 kilómetros de altura. Los pasos sobre el horizonte suelen durar unos 15 minutos y éstos se producen seis veces a los largo de 24 horas. Como es lógico, giran en el mismo sentido pero por causa de la rotación terrestre, tienen inversión de rotación y tres veces se les sigue en dirección norte-sur para aproximadamente 12 horas más tarde seguirlos tres veces en dirección sur-norte. Además, en condiciones favorables de visibilidad se pueden observar sus desplazamientos por el cielo.

Los satélites con sistema APT se utilizan para la observación de la Tierra, pero al contrario que los geostacionarios GOes o Meteosat que utilizan sistemas de vídeo, los NOAA o los MET utilizan radiómetros multiespectrales que efectúan barridos coninuos de la superficie de la Tierra. Sus señales se reciben en forma de audio y sobre la portadora modulada en frecuencia se transmite la información modulada en amplitud, cuyas variaciones corresponden a diferentes niveles de grises. En nuestra estación de seguimiento necesitamos de los siguientes elementos:  

ANTENA. La idónea es la yagui direccional y por tanto, gobernada en altura y acimut mediante rotores con sus respectivos controladores. No obstante, se puede utilizar satisfactoriamente, como es nuestro caso, la antena denominada “doble V”. Este tipo de antena está diseñada para recibir la señal desde cualquier punto sobre el horizonte donde se encuentre el satélite.

PREAMPLIFICADOR. No es indispensable pero sí aconsejable al aumentar la sensibilidad de la antena y poder enviar una señal más estable al receptor, favoreciendo la obtención de imágenes de mayor calidad. 

RECEPTOR. Tiene que cubrir la banda de 137 Mhz y ser modulado en FM. Los idóneos son los que poseen un ancho de banda de 30 khz, no obstante, se puede utilizar otro tipo de receptores si bien la definición de las imágenes será menor.

DECODIFICADOR. Hasta hace poco se utilizaban circuitos comparadores que funcionaban asimismo como interface entre el receptor de radio y el ordenador. En la actualidad, se utilizan con excelentes resultados las propias tarjetas de sonido del ordenador. Tanto unas como otras convierten la señal analógica de audio a digital para que el PC pueda interpretarlas.

PC y SOFTWARE. Indispensable para obtener las efemérides e paso de ls satélites y poder procesar las señales recibidas. No se requiere un ordenador ultramoderno y los programas son abundantes y asequibles.

Describiendo a grandes rasgos el proceso de recepción y tratamiento de la señal transmitida por un satélite del tipo órbita polar y la obtención de sus imágenes, se puede resumir en varios pasos: El primero consistiría en conocer el instante exacto en que nos sobrevuela, la dirección que lleva y el ángulo de elevación máximo con respecto a nuestra estación, necesario para poder trazar así su órbita en nuestro horizonte de una forma aproximada y poder orientar la antena. Para tener  estos datos y controlar la posición se puede utilizar un programa informático específico. Los llamados Satellite Tracking, son aplicaciones informáticas que hace entre otras muchas cosas el trazado y muestreo de la órbita del  satélite, con datos y gráficos respecto a una estación dada. Evidentemente esto no es automático, depende de muchas variables. Entre ellas están los datos orbitales en sí de cada satélite y se obtienen por ejemplo en Internet en el formato 2-líneas de NORAD, que no es más que un fichero de texto, que nos actualizan a diario. Estas  dos líneas son campos numéricos que representan valores como el número del satélite catalogado, excentricidad de la elipse, número de órbita, argumento del perigeo, inclinación… etc. Este fichero es interpretado por el software mostrando en tiempo real el movimiento orbital de los satélites, así como el resto de variables específicas de su movimiento. También se pueden introducir estos datos por teclado si se conocen.

Una vez resuelto el movimiento orbital del satélite, conocemos sus efemérides, el ángulo y la elevación, podemos realizar el segundo paso consistente en la sintonización de la frecuencia de transmisión en el receptor, conexión a la tarjeta de sonido, y la grabación y decodificación de la imagen. El enlace entre el receptor y la tarjeta de sonido de nuestro PC se realiza mediante la clavija de entrada de línea.  Lo que provoca que el ordenador “escuche” la señal del satélite, para que la convierta.

Seguidamente, se graba en formato de ficheros de onda .WAV y con la utilización de otro software decodificador podemos obtener varias imágenes a partir de esta señal. La problemática aumenta dependiendo del  resultado que queramos obtener, porque en realidad el proceso de análisis y muestreo de la señal se realiza línea a línea y píxel a píxel mediante la aplicación de un determinado algoritmo de decodificación, que además es distinto dependiendo del tipo de satélite. Ello engloba el conocimiento de parámetros configurables que formarán la imagen. Así, por ejemplo, dependiendo de esta configuración podemos obtener una imagen en el canal espectral de infrarrojos, una imagen de canal espectral visible o la combinación de ambas, gracias a la utilización de los dos canales logrando un aspecto de color.

Si analizamos la señal transmitida por los satélites NOAA, observamos que consta de dos mitades con distinta información, los canales A y B, conteniendo cada uno de ellos su propio haz de sincronismo, que es una serie de impulsos seguidos de un número de ciclos. Las dos medias líneas transmiten imágenes desde distintas regiones espectrales, visible e infrarrojo. La frecuencia de líneas es de 120 RPM o líneas por minuto, repartidas en periodos de ½ segundo, o sea dos medias líneas de ¼ de segundo cada una. Normalmente los canales 2 visible y 4 infrarrojo son mapedos en las medias líneas  de canales horarios A y B durante los pases diurnos, y los infrarrojos son transmitidos en formato negativo durante los nocturnos. Además en cualquier caso, se observa en el lado opuesto de la imagen una columna, típica para estos satélites, con campos consistentes en ocho líneas cada uno que se forman durante la transmisión.

Un aspecto más que resulta interesante de estas señales, es precisamente el momento en que el satélite cambia de transmitir durante el día a la noche o viceversa, porque en las imágenes que se obtienen, además de ser espectaculares puestas o salidas de Sol, se aprecia claramente el cambio de transmisión de visible a infrarrojo. Una posterior modernización de nuestra estación de seguimiento puede permitir un funcionamiento totalmente automático, obtener telemetría del propio satélite o recibir imágenes de la Tierra en alta resolución. Este puede ser un campo de estudio muy amplio que proporciona muchas posibilidades para toda asociación astronómica.

EUMETCAST, EL SISTEMA DE LAS NUEVAS POSIBILIDADES.

Este artículo ha sido publicado en la revista de Astronomía en abril de 2011.

Gracias a las nuevas posibilidades que nos ofrece el sistema EumetCast, del organismo meteorológico europeo por satélite Eumetsat, ya podemos observar la Tierra desde el espacio de una forma más asequible. Eumetsat ha revolucionado la técnica que hace posible la recepción de multitud de satélites de observación de la Tierra mediante la habitual parabólica de televisión. Tanto para los entusiastas de la meteorología o de la tecnología espacial, como para los profesionales del medio ambiente o los científicos dedicados al estudio de la climatología, el sistema EumetCast aprovecha la posibilidad de recibir en nuestro PC, mediante un receptor DVB común, una gran cantidad de imágenes de la Tierra así como de información climática.

 Antecedentes del APT y diferencias con el nuevo sistema.

Atrás ha quedado la romántica y didáctica, pero anticuada tecnología analógica que nos permitía recibir determinados satélites de observación mediante equipos de radio, estando subordinados además, a las horas de paso de los satélites sobre nuestro horizonte. Dicho sistema, el APT, surgió en los años 60 como innovación al no requerir grandes estaciones de seguimiento, resultando ideal para los países del tercer mundo al poder obtener imágenes satelitales con una resolución de 5 kms. El surgimiento del PC doméstico dos décadas más tarde, permitió asimismo que particulares, en especial los radioaficionados, pudieran recibir imágenes de satélites polares o incluso de los primeros Meteosat mediante la técnica Wefax. Pero EumetCast, ha cambiado la forma de observar la Tierra por satélite, de tal forma que todo interesado puede recibir imágenes de la Tierra con una resolución del kilómetro/píxel y de forma continuada. Ya no es necesario experimentar con la radiotecnia, la parabólica de televisión y la informática, da paso al análisis de datos científicos, de interés tanto para los profesionales que necesiten aplicar dicha información al medioambiente o a la climatología, como a los aficionados, que ya pueden hacer ciencia con los satélites.

 El sistema EumetCast.

 Es un sistema destinado a la captación y distribución de datos climáticos, imágenes y productos derivados procedentes de sensores remotos en tierra, en los océanos, en los hielos, en el aire o en el espacio dentro de una compleja red mundial, la GeonetCast, iniciativa del grupo de observación de la Tierra GEO, que, en el entorno de las Naciones Unidas, se basó precisamente en la experiencia europea. Asimismo, permite que usuarios interesados puedan acceder a una gran cantidad de datos e imágenes que constantemente transmiten diferentes satélites, como por ejemplo los Meteosat, el Metop, los NOAA, los GOES o los interesantes satélites chinos FengYun, entre otros. Para ello, se aprovecha las posibilidades del protocolo IP mediante el servicio multicast entre cliente y servidor. Multicast o multidifusión, es el envío de información en red a múltiples destinos simultáneamente. Así, Emetcast utiliza la multidifusión IP para distribuir la gran cantidad de datos que se genera a los grupos de receptores mediante un servidor instalado en Usingen, que se encarga de enviar los datagramas a alta velocidad, a un satélite geostacionario de televisión. En el fondo, el mecanismo es complejo, pero en la práctica resulta más sencillo de utilizar por parte de los usuarios, si bien, se reciben los datos en bruto y se requiere de su procesamiento.

¿Por qué se pueden recibir los datos en nuestro PC a través de la parabólica de televisión? Aquí entra en juego el formato estándar DVB, el utilizado en televisión digital. En el nodo ascendente, EumetCast combina el protocolo IP con los datos y se implementa con el formato DVB, que es un formato MPEG-2, resultando una combinación IP/DVB que es reenviado al satélite geostacionario de TV. De esta forma, resulta más fácil y económico para un usuario la adquisición del material necesario, al ser de fabricación estándar. Así, diferentes satélites de observación de la Tierra, tanto polares como geostacionarios, emiten sus datos a sus centros receptores y esto enlazan con la red de EumetCast, donde se comprimen, se encapsulan combinando los datos IP con el formato DVB, y se reenvían al geostacionario de TV, (en la actualidad y para Europa, el Eurobird-9), que lo devuelve en formato DVB-S/IP.

Un ejemplo puede ser los satélites NOAA de órbita polar, los cuales a unas horas determinadas “barren” con sus radiómetros la península ibérica. Una vez que alguno de estos satélites sobrevuela la península, la estación de recepción en Madrid o en Maspalomas, reenvía los datos a la estación que hace de servidor en  Usingen, cercano a la sede de Eumtesat en Darmstadt, donde son encapsulados y enviados por el canal de subida en formato IP/DVB al satélite de televisión Eurobird-9. En tierra y con la parabólica apuntando al Eurobird, podemos recibir, además de los diferentes canales de televisión, las imágenes del NOAA en el PC doméstico sin preocuparse del tracing.

 El equipamiento necesario.

 Veamos el equipo necesario para poder recibir EumetCast. Primeramente, claro está, la parabólica, la habitual de 80 cm. De diámetro tipo off-set que tanto decora las fachadas de los edificios. El LNB que acompaña a la parabólica nos sirve asimismo para nuestro cometido al ser del tipo universal, siendo el encargado de amplificar, demodular y convertir la señal para poder enviarla por el cable coaxial, de 30 metros de longitud máxima. Hay que tener en cuenta que la antena tiene que apuntar, en la actualidad y desde Europa, al satélite Eurobird-9, y que el LNB requiere de su ajuste de polarización; tanto para el apuntamiento como el ajuste suele ser crítico y quizás se requiera de un profesional antenista. En el interior, donde tenemos ubicado el PC, conectamos el receptor DVB, siendo aconsejable los modelos tipo PCI, ya que si bien los USB parecen ir bien, no son muy fiables al tener que soportar mucho tráfico. Hay que tener en cuenta que la tarjeta DVB tiene que ser un modelo capaz de soportar datos y que requiere de su configuración, tarea que puede resultar complicada. En cuanto al PC, debería tener mínimo 4G de RAM y si ello es posible, varios discos duros, a causa del gran volumen de datos que debe soportar. En el caso de no disponer de un PC potente, la mejor opción sería tener dos ordenadores conectados en red, de tal forma que uno esté dedicado en exclusiva a la recepción.

Por otra parte necesitamos la EKU, si bien, para el servicio mínimo o educativo no se requiere. LaEKU-USB es la llave codificada que se adquiere a Eumetsat para la identificación del usuario único. Cada receptor tiene su EKU acorde con su nombre y el  tipo de servicio solicitado según la política de uso de Eumetsat y permite la desencriptación de la información. Con respecto al software, es necesario el programa propietario Tellicast que también se adquiere a Eumetsat junto con la EKU. Tellicast es el programa capaz de recibir la señal DVB para almacenar los segmentos de datos IP y poder desencriptarlos. Finalmente necesitamos el software para el procesamiento de imágenes, recordemos que se requiere procesar los datos recibidos para obtener la información útil y las imágenes. Existen diversos programas que suelen ser de acceso libre, al menos para el servicio educativo, puesto que el software profesional requiere de inversión en tiempo y en dinero para la puesta operativa óptima.

 Alguna conclusión final.

 Es un hecho curioso de que la mayor parte de los usuarios de este sistema son aficionados a la meteorología o al espacio así como centros educativos, el resto son profesionales, universidades, empresas de servicios, aeropuertos, medios de comunicación y organismos oficiales como por ejemplo, los departamentos relacionados con el medio ambiente de las diferente comunidades autónomas.

EumetCast nos permite acceder a los diversos sensores remotos de diferentes satélites para poder seguir la evolución de nuestro planeta a gran escala, como por ejemplo la atmósfera, el placton, la vegetación, los vientos, los hielos, las temperaturas, el albedo, el ciclo del agua o el ozono. Los campos que se pueden abarcar son por tanto numerosos y van desde el medio ambiente, la hidrología, la climatología, la energía solar o el cambio climático.

Este sistema nos permite por tanto ir más allá, hacer ciencia con las posibilidades que nos ofrece la tecnología espacial a nuestro alcance. Así, los satélites de observación se hacen más asequibles al aficionado para el estudio de los diferentes campos de las ciencias de la Tierra.