LABORATORIO DE TECNOLOGÍAS Y ARQUITECTURAS EMBARCABLES EN SATÉLITE PRÁCTICA 4a. SENSORES Nombre:... 1. INTRODUCCIÓN La instrumentación embarcada en los satélites consta básicamente de sensores (magnetómetros, cámaras, detectores de partículas, antenas, etc..). Por otra parte, las estaciones de tierra utilizan las antenas para el seguimiento de los vehículos espaciales. Tanto los sensores, como las antenas que forman los sistemas de transmisión y recepción de las estaciones de tierra, tienen un campo de visión limitado, por un lado debido a las restricciones físicas de los dispositivos (ángulo de apertura, potencia) y por otro lado por la rotación de la Tierra y la órbita que describe el vehículo espacial. Debido a estas restricciones, el seguimiento de los satélites puede requerir un conjunto de estaciones de tierra distribuidas a lo largo de la geografía terrestre. Para el caso de un satélite en órbita geoestacionaria, sólo haría falta una única estación de tierra. En ciertas ocasiones, dependiendo de la órbita, habrá parte de la trayectoria del satélite que no sea cubierta por ninguna estación de tierra, entrando el satélite en una zona de sombra. En la franja de tiempo en la que no se dispone de comunicación con la Tierra, el vehículo deberá adoptar medidas de almacenamiento temporal (figura 1.1). Estación 1 Estación 4 Estación 2 Estación 3 Figura 1.1. Estaciones de seguimiento vs satélite Pero a su vez, los sensores (como por ejemplo antenas) que se encuentran a bordo del satélite también tienen su campo de visión, que dependerá, como se ha comentado anteriormente no solo de las limitaciones físicas de los sensores sino también de la órbita descrita (figura 1.2). Un satélite a 300 km de altitud no tiene el mismo campo de visión que un satélite colocado en órbita geoestacionaria.
Figura 1.2. Cobertura de un sensor a bordo de un satélite Por tanto, a la hora de planificar una misión, es muy importante conocer la órbita que va a describir el vehículo y el seguimiento que se va a poder realizar desde tierra. Si hay zonas de sombra en la trayectoria, se podrá conocer cuánto tiempo permanece sin contacto con tierra y hacer, por tanto, una previsión de la memoria de almacenamiento temporal que se precisa. En la presente práctica se va a estudiar el concepto de cobertura en misiones espaciales. 2. SIMULACIÓN CON STK 2.1. Creando estaciones Con STK se pueden definir estaciones de tierra, lugares de lanzamiento o estaciones de seguimiento a lo largo de todo el globo terrestre. 1. Pulse el icono insertar que se encuentra la barra de herramientas y seleccione Facility. Cambie el nombre de la estación con un simple click o con el menú Rename y llámela Santiago. 2. Con el nombre de la estación resaltado, haga click derecho y seleccione Browse Properties y a continuación seleccione el apartado Basic en el menú de propiedades que se despliega. Se abrirá una ventana de propiedades básicas en las que se define principalmente la posición de la estación de tierra (figura 2.1). Para la estación de Santiago de Chile, introduzca los datos de la tabla 1. Tabla 1. Datos de la estación terrena Nombre Latitud Longitud Altitud Breve descripción Santiago -33.15137º -70.6683º 703.2 m Estación de seguimiento Departamento de Automática 2
Figura 2.1. Propiedades básicas de la estación de tierra 3. Cuando haya finalizado, pulse el botón de OK. En la ventana del mapa terrestre, le habrá aparecido la estación de tierra localizada en las coordenadas facilitadas (figura 2.2). Figura 2.2. Estación de Santiago de Chile 4. Puede cambiar las propiedades gráficas (color, tipo de marcador) de la estación, pulsando con el botón derecho sobre la estación resaltada y seleccionando la sección Graphics 2D en el menú que se despliega. Departamento de Automática 3
2.2. Sensores Se pueden colocar sensores tanto en satélites como en las estaciones terrenas. Para ello resalte el objeto en el que quiere colocar el sensor y a continuación pulse el icono insertar y seleccione sensor. Por ejemplo, para colocar un sensor en la estación de Santiago los pasos serían los siguientes: 1. Seleccione la estación de Santiago y pulse el icono. Al igual que con el resto de los objetos, puede cambiar el nombre con hacer un simple click sobre él. Llámelo Uplink. 2. Abra la ventana de propiedades básicas. En dicha ventana puede seleccionar el tipo de sensor, su orientación y otras propiedades. 3. En la pestaña de definición seleccione como tipo de sensor, cono simple (simple conic), y en el campo de ángulo de cono ponga 45º (figura 2.3). Figura 2.3. Propiedades básicas del sensor 4. Seleccione ahora la pestaña de orientación (pointing) y seleccione un sensor con orientación fija (fixed) y una elevación de 90º. Se entiende por elevación, el ángulo que describe el sensor con respecto al horizonte. Una elevación de 90º supone que el sensor está perpendicular al suelo. 5. Pulse OK. Le habrá aparecido sobre el mapa la zona de visibilidad para el sensor creado (figura 2.4). Esta zona de visibilidad está dada por una serie de condiciones que pueden modificarse en la ventana de propiedades gráficas. Departamento de Automática 4
Figura 2.4. Zona de visibilidad para la estación de tierra 6. Haga doble click sobre el sensor y seleccione Graphics 2D. Dentro de la ventana de propiedades gráficas, pulse sobre la sección de proyección (projection) y seleccione una altitud mínima de 0 km y una altitud máxima de 1000 km, siendo el paso de '1'. Comprobará como la zona de visibilidad se reduce considerablemente. La altitud máxima de la proyección deberá elegirse acorde con los parámetros orbitales. Para el ejemplo, ajuste la proyección a la altitud del satélite DAMA 3 - Project Altitude Object. Vamos a añadir a continuación un sensor a un satélite, para ello, cree un satélite llamado DAMA3 con los parámetros recogidos en la tabla 2. Tabla 2. Datos del satélite DAMA3 Elemento orbital Valor Tiempo de inicio (Start Time) Fecha Actual 00:00:00.00 Tiempo de parada (Stop Time) Fecha Actual 04:00:00.00 Paso temporal (Step Size) Propagador (Propagator) 60.00 segundos J4 Perturbation Época orbital (Orbit Epoch) Fecha Actual 00:00:00.00 Tipo de coordenadas (Coordinate Type) Sistema de coordenadas (Coordinate System) Semieje mayor (Semimajor Axis) Clásico J2000 Excentricidad (Exccentricity) 0.0 7163.137 km Inclinación (Inclination) 98.50º Departamento de Automática 5
Tecnologías y Arquitecturas Embarcables en Satélite Elemento Orbital Valor Argumento del perigeo (Argument of Perigee) 0.0º Longitud del nodo ascendente (Lon. Ascn. Node) 124.38º Anomalía verdadera (True Anomaly) 0.0º Añada un sensor al satélite llamado Downlink, de tipo simple, con un ángulo de 45º, fijo y con una elevación de 90º. En el mapa (figura 2.5), aparecerán reflejados el satélite y la estación de tierra y la visibilidad de sus sensores. Pulse Play y observe como varía la visibilidad del sensor del satélite a lo largo de la animación en la descripción de su órbita. Sólo cuando contacto visual entre ambos sensores (Uplink y Downlink), el satélite y estación de tierra podrán establecer contacto. Figura 2.5. Zonas de visibilidad de la estación de tierra y del satélite Puede utilizar la opción de visualización STK/VO para observar en tres dimensiones las zonas de visibilidad de los sensores. En la figura 2.6 se muestra un ejemplo para el satélite. Figura 2.6. Visibilidad del sensor del satélite empleando STK/VO Departamento de Automática 6
2.3. Calculando los accesos STK permite calcular en qué momento se entra en la zona de visibilidad de un sensor. En el ejemplo que nos ocupa, vamos a ver en qué momento entra el satélite DAMA3 en la zona de visibilidad de la estación de Santiago de Chile. 1. Seleccione el objeto para el cuál va a calcular el acceso (Downlink). Pulse con el botón derecho y seleccione del menú Sensor Tools la opción Access del menú desplegable que aparece (figura 2.7). Figura 2.7. Ventana para el cálculo de accesos 2. En la ventana de Accesos seleccione como objeto Uplink asociado Santiago y pulse el botón Compute. En la ventana del mapa se resaltarán las porciones de trayectoria en las que el satélite permanece en la zona de visibilidad de la estación (figura 2.8). Figura 2.8. Cobertura de los sensores de la estación de tierra y del satélite Departamento de Automática 7
3. En la ventana de Accesos, pulse el botón de Reports (figura 2.9). Como puede observar, durante el período de animación indicado, el satélite entra en la zona de cobertura de la estación por primera vez a las 12:58:18.890 y permanece en la zona de cobertura más de dos minutos. Figura 2.9. Accesos a la estación de Santiago Departamento de Automática 8
3. PRÁCTICAS Práctica 1 Partiendo de la figura 3.1, calcule de forma analítica a qué longitud entra el satélite en la zona de visibilidad de la estación de tierra, suponiendo que ésta se encuentra a 0º de longitud y 0º de latitud. El ángulo de apertura del sensor de la estación de tierra es de 30º. 60º Ra = 6678 km RT=6378 km α Figura 3.1 Compruebe que el resultado es correcto calculando los accesos sensor-satélite. Nota: Teorema de los senos a b = = sen A sen B c sen C b A C a B c Departamento de Automática 9
Práctica 2 Cree un satélite en órbita geoestacionaria a 0º de longitud. A continuación, incorpore un sensor de cono simple con una apertura de cono de 30º. Del resultado obtenido, deduzca cuántos satélites serían necesarios como mínimo para cubrir todo el Globo y a qué longitud los colocaría. Práctica 3 Se desea hacer el seguimiento de un satélite, cuya órbita viene dada por los siguientes parámetros: Parámetro Período Valor Inclinación 45º Excentricidad 0º 43200 s De las siguientes estaciones de seguimiento indique cuáles permiten hacer el seguimiento del satélite si todas ellas disponen de un sensor de cono simple de 45º. Práctica 4 Nombre Latitud Longitud Altitud Sí/No Perth -31.8º 115.8833º 0 m TTSA 76.515194º -68.5956º 131.3 m Santiago -33.15137º -70.6683º 703.2 m Tyuratam Baikonur 45.6º 63.4º 0 m Wallops 37.9468º -75.4601º 25.806m Madrid 40.2414º -4.248100º 0 m Whitesands 34.5º -105º 0 m a. Partiendo de las estaciones de seguimiento elegidas en la práctica anterior, indique durante qué momentos de la órbita no se encuentra en la zona de visibilidad de las estaciones y cuánto dura ese momento. Departamento de Automática 10
b. Suponiendo que la velocidad de adquisición de datos es de 128 kbps, calcule cuánta memoria sería necesaria para no perder los datos recogidos por la instrumentación de a bordo mientras dure el período de sombra, en el peor de los casos. c. Use la base de datos de estaciones (Facility Database) en el menú de herramientas para localizar el resto de las estaciones que nos permitan hacer el seguimiento total del satélite a lo largo de toda su órbita. Práctica 5 a. Repita la práctica 4-c del módulo 1 (Molniya), indicando cuántos satélites harían falta para tener cobertura en las latitudes altas, si los satélites estuvieran dotados de un sensor de cono simple de 45º de apertura. Departamento de Automática 11