Los satélites de órbita baja y vos: recibiéndolos desde casa

Cuando aún era un niño, todo lo que ocurría en el espacio me interesaba por demás. Entender como las ondas de radio, provenientes de satélites como los de televisión, telecomunicaciones, meteorología llegaban a la tierra era algo sorprendente. Al menos, visto desde la inexperiencia de mis retinas.

Desde siempre, y teniendo un padre radioaficionado fue sencillo para mi poder entender un poco más acerca de estos pedazos de hojalata que giran alrededor del planeta. En casa abundaba la literatura técnica de radio, electrónica, telecomunicaciones y demás. Por sobre todo, las revistas de radioaficionados de los 80-90, donde las telecomunicaciones eran furor. Muchas de ellas hablaban acerca de los satélites de órbita baja, y tantas otras (de mediados de los 90) del primer satélite Argentino: El LUSAT-1. No voy a extenderme hablando de este genial satélite pero creanme que leer esas historias en mi juventud fue algo que marcó mi vida, mas sabiendo que tenía la posibilidad de tal vez escuchar esa baliza de CW o alguna portadora de dos radioaficionados comunicando.

Investigando, encontré información muy valiosa de los satélites meteorológicos de órbita baja, conocidos por su identificación NOAA-xx, donde XX es un número que identifica a cada satélite en particular. Actualmente tenemos NOAA-15, NOAA-18 y NOAA-19 en funcionamiento, y recorren la tierra a una altitud de aproximadamente 850KM con un periodo orbital de 100-105 minutos (dan la vuelta al mundo en menos de dos horas).

Estos satélites están equipados con diversos sensores y cámaras que captan al mundo desde allí arriba, a través de un sistema de transmisión analógica llamado APT (Automatic Picture Transmission). Sin adentrarnos en mucho detalle técnico acerca de esta tecnología, APT se basa en transmitir dos canales de imágenes (Video A/B), información de telemetría e información de sincronización. Toda esta información se transmite en 137Mhz, con 24khz de ancho de banda a 4096 baudios y 5 watts de potencia, algo realmente muy lento pero impresionante por sus resultados.

Toda esa información viaja codificada como audio (tal cual hacían los modems telefónicos) y un software se encarga de decodificar esa información, y haciendo uso de la telemetría y la información de sincronización, lograr una imagen perfecta.

Mis primeras recepciones

Comencé mis primeros experimentos por el 2005, cuando tenía 14-15 años de edad. Utilizando un receptor de VHF, casi siempre un Yaesu FT-2400 base o un handy Yaesu FT-51r con una antena vertical, fabricada para 144Mhz y una computadora de escritorio con una placa de sonido, un Pentium III de 550Mhz.

Problemas!

“Cuando escucharé el satélite? Puedo predecirlo? Como ajusto las órbitas?”

A esas preguntas, existía un software que solucionaba este problema. El aún vigente y genial Orbitron:

Orbitron es un software gratuito que permite predecir la órbita de los satélites utilizando elementos Kepler. Éstos elementos no son mas que archivos de texto con información calculada de las órbitas de los satélites. Todo el tiempo se actualizan para corregir la predicción, y que ésta sea lo mas exacta posible. Pero… De donde obtenias los keplers? De los BBS!

Además de eso también tiene una función muy buena, que es el ajuste automático de Doppler.

Al ser el satélite, un elemento que transmite información y se va desplazando a lo largo de una órbita, la frecuencia recibida desde un lugar inmovil, va variando para arriba o para abajo, conforme el elemento se mueve. Orbitron realiza cálculos en función de la altitud y posición del satélite, para informarnos la frecuencia real de recepción desde nuestro receptor.

Bien! Gracias a Orbitron ya puedo calcular mis órbitas y descubrí que también puedo ajustar la frecuencia conforme al doppler que voy teniendo en ese instante.

Cuando escuche el satélite… ¿Que tengo que hacer? ¿Como decodifico esa información?”

Ese fue otro gran interrogante. Teniendo todo ajustado a la frecuencia del satélite, sabiendo cuando y en que forma va a ocurrir la recepción, ¿que tengo que hacer luego?

WXToIMG es la respuesta! WXToIMG es un shareware que permite decodificar la señal, los canales de video, y lograr una imagen real del planeta, desde los ojos del satélite. Además, permite hacer algunos “enhacements” para lograr mejores fotos.

¡Acá estoy recibiendo mi primer imagen!

Probablemente pensarán… ¡pero que carajos es esa imagen! Pero a mis 15 recién cumplidos años, eso era fascinante, increíble, de otro planeta. Los nervios, la emoción, la falta de aire, no podía para de saltar de la emoción. Estuve un buen rato así de exaltado hasta que pude tranquilizarme y analizar lo que estaba viendo. Desde ya, la imagen fue malísima, muchísimo ruido en la banda, poca señal del satélite lograron que la foto salga así de fea. Me tomó algunos meses terminar de comprender los fallos que tenía. En principio, la antena que estaba utilizando no era la adecuada. Pues una antena vertical no tiene ganancia en las partes que mas interesan al trabajar con satélites.

Si analizamos el patrón de radiación de una antena tipo ground-plane como con la que yo contaba en ese entonces, veremos que casi no tiene ganancia en ángulos elevados (donde uno mas se beneficia por la pasada de un satélite.

El receptor tampoco era el adecuado. Los satélites NOAA trabajan en 137Mhz con un ancho de banda de 24Khz, pero la mayoría de los equipos de radioaficionado de esa época, tienen un ancho máximo de 15khz. Por ende, estaba perdiendo muchísima información por no contar con esos 9Khz extra (4.5Khz de cada lado de la frecuencia central)

Como nota al margen, pueden ver el desplazamiento de la telemetría (los cuadros en escala de grises a los laterales de la imagen) debido al doppler, ya que estos equipos de radioaficionados tienen un “step-size” de 2.5khz minimo, Y de correrme 2.5khz me estaría moviendo mucho en la frecuencia, arriesgándome a perder aún más información.

Pasaron muchos años intentando mejorar el setup que tenía pero no logré fotos mucho mejores que esa. Creo que ésta fue la mejor imagen que conseguí:

Lo nuevo

Hace algunos años, los receptores SDR se pusieron de moda. Un receptor SDR, como su nombre indica, permite hacer radio definida por software. Esto quiere decir, que uno cuenta con un receptor de amplísimo ancho de banda, todos los modos concebibles y un rango de frecuencias muy ancho para trabajar de corrido. Es así, que una persona escribió una librería para poder utilizar un receptor de televisión digital, basado en un Realtek RTL2832U como receptor SDR. De esa manera por 5-10 dólares podemos comprar un receptor como ese y utilizarlo para nuestros experimentos.

Estos receptores funcionan de 1 a 1800 Mhz aproximadamente, dependiendo del driver que se utilice. El receptor es extremadamente sensible y permite trabajar en cualquier modo, realmente es increíble.

También se encuentran en el mercado algunas placas mas profesionales como la BladeRF que tiene un receptor mas sensible, y además de recibir, puede transmitir. Con ese receptor, podemos montar nuestra estación y recorrer las bandas, podemos encontrar muchas cosas variadas! Distintos sonidos, alarmas, balizas, la policía local, bomberos, etc.

Es tanto lo que se popularizaron estos receptores, que han ido apareciendo muchos subreddits al respecto como RTLSDR para charlar acerca de los experimentos que uno realiza con SDR, y Signal Identification que es un subreddit específico para identificar señales que encontramos en el espectro.

Como recibir satélites de órbita baja

Con esta nueva tecnología, la recepción de satélites disminuyó sus costos a algo ínfimo, como los 8 dólares de un receptor SDR y tal vez, 200 pesos argentinos para fabricar la antena.

Voy a intentar desglosar lo necesario para poder construir nuestra estación de recepción.

Software:

• Orbitron: http://www.stoff.pl/ para la predicción de los satélites. También podemos utilizar http://www.n2yo.com/ un website que hace lo mismo, pero online.
• SDRSharp: http://airspy.com/download/ el software de recepción, con el cual aprovechamos nuestro dongle SDR.
• WXToIMG: http://wxtoimg.com/ el software de decodificación de señales de satélites meteorológicos.

Hardware:

• Cualquier receptor SDR, del tipo dongle USB
• Una buena antena para estos casos.

Y… ¿Que antena es buena para estos casos?

Mi antena preferida por lejos, es la famosa antena cuadrifilar helicoidal de polarización circular derecha ¿Suena feo eh?

Hay muchas maneras de construir una antena cuadrifilar helicoidal (O QFH antenna). Mi favorita es la versión que se realiza con caños de cobre. Podemos encontrar un tutorial de fabricación es este enlace.

Mi antena QFH no quedó muy prolija, ya que no contaba con una herramienta para doblar los caños de cobre, así que las curvas las realicé con una pinza y un soporte.  Seguramente mas adelante realice una nueva versión mas prolija, pero funciona a la perfección.

El costo aproximado fue de 220 pesos, entre 5 metros de caño de cobre y un tubo de 2” de PVC, todo comprado en el Easy.

Utilicé el cable de mi dongle para hacer la linea de recepción desde la antena al receptor. Pueden ver la antena instalada en la terraza del edificio

Luego de algunas pruebas empecé a trabajar en la recepción, luego del trabajo, iba a casa y predecía alguna órbita que me sea de utilidad. Al vivir en Capital Federal, las emisoras de radio, sus armónicos y demás ruido eléctrico complican mucho el trabajo de recepción de satélites, pues la señal del satélite debe ponerse por sobre los ruidos con los que tengo que lidiar.

Recepción del NOAA-18

Viviendo en el campo, o en la costa, las imágenes son de mucho mejor calidad, mas limpias y mas largas. Aquí en la gran ciudad, los edificios tambien juegan muy en contra en pasadas que no tienen demasiada elevación. A mas elevación, mejor recepción tendremos.

¿Cómo funcionan los sensores de los satélites NOAA?

El sistema principal de imágenes de estos satélites se basa en un radiómetro AVHRR. El radiómetro es un scanner de barrido, de banda ancha, que mide la radiación en distintas zonas del espectro electromagnético, al obtener varias imágenes de la misma zona, en diferente longitud de onda, se puede hacer un análisis multiespectro para definir parámetros de meteorología, suelos, oceanos, etc. Por la naturaleza del sensor, no importa si el satélite está eclipsado o no (si está en luz del sol o en la oscuridad). En los satélites NOAA-15, 18 y 19 el sensor es un AVHRR/3 de 5 canales principales.

• Canal 1 – Visible
• Canal 2 – Infrarrojo cercano
• Canal 3a – Infrarrojo cercano
• Canal 3b – Infrarrojo medio
• Canal 4 – Infrarrojo lejano/térmico
• Canal 5 – Infrarrojo lejano/térmico

El problema de la elevación

A medida que el satélite recorre la superficie de la tierra, desde un punto fijo se puede calcular la elevación y su azimuth (en grados), que no es mas que el ángulo respecto a la tierra, y el ángulo respecto al norte.

Es muy importante tener en cuenta estos datos al realizar la recepción de un satélite, ya que si la elevación no es suficiente, tendremos problemas para escucharlo. Naturalmente, las imágenes recibidas empiezan y terminan en ruido, que es el momento en el que satélite tiene la mínima elevación receptible. De vivir en una ciudad capital, la elevación que tome el satélite es de vital importancia, teniendo en cuenta siempre, desde donde se intente recibir. Así también no hay que descuidar el azimuth del satélite (los grados, en direccion de las agujas del reloj respecto al Norte), ya que si tenemos una pasada que su azimuth coincide con un montón de edificios mas altos que nuestro punto de visión, tendremos una recepción de muy mala calidad hasta que el satélite tenga la suficiente elevación como para sobrepasar estos obstáculos, haciendo una recepción tal vez demasiado corta.

Palabras finales (por ahora)

Tal como habrán visto, se ha simplificado y mejorado sustancialmente la recepción de las señales de los satelites. Además de Internet, hoy tenemos a disposición tecnología a un precio irrisorio que nos permite jugar con esta maravilla de tecnología que pasa sobre nuestras cabezas.