¡Recibiendo imágenes del Globo Terreste desde el RadioClub!
En esta ocasión, nos enorgullece presentar uno de los proyectos más fascinantes de la historia del RadioClub, ya no sólo por su complejidad técnica sino por los alucinantes resultados obtenidos: la recepción del transpondedor de LRIT del satélite GOES 16.
Los satélites GOES
Los satélites GOES, propiedad de la NOAA (agencia meteorológica estadounidense), conforman una flota de satélites geoestacionarios situados en latitudes cercanas a Estados Unidos. Se trata de un conjunto de satélites meteorológicos equipados tanto con instrumentos RADAR como con cámaras a diversas longitudes de onda (múltiples canales de infrarrojos y luz visible), cuya principal misión es la recolección de información y estudio de la atmósfera y la corteza terreste.
Cada satélite cuenta con instrumentos diferentes para la toma de datos e imágenes. El área de funcionamiento de estos sensores puede abarcar desde localizaciones precisas (mesoescala) hasta el globo terráqueo al completo. Actualmente, se recibe una imagen del globo cada 15 minutos e imágenes de estas otras zonas cada 10min. Estos horarios están sujetos a posibles cambios, pero, por norma general, tienden a permanecer constantes.
Si bien la flota de satélites GOES cuenta con más de medio siglo de historia, éstos se encuentran en continua renovación, al ser sustituidos periódicamente por modelos más modernos y con mejores capacidades. El objetivo de la NOAA es disponer siempre de dos satélites activos en órbita GEO: el GOES-East y el GOES-West. De este modo, se consigue una cobertura total del continente americano.
Los satélites pertenecientes a la generación actual de GOES están equipados con diversos transpondedores, principalmente situados en las bandas L y X, mediante los cuales se envían a la Tierra los datos correspondientes a telemetría. Además, cuentan con un sistema de conexión intersatelital, lo que les permite actuar como repetidores de otros satélites meteorológicos (Himarawi, Meteosat, etc.).
Nuestro reto
Uno de los transpodedores actualmente activos en los satélites GOES es aquel asociado a la transmisión de datos mediante el protocolo LRIT (Low Resolution Image Transmission). Éste funciona en banda L, en frecuencias cercanas a los 1,7GHz. A través del protocolo LRIT, se envían las fotografías de la corteza terrestre, tomadas tanto en bandas de infrarrojos como en longitudes de onda visibles. Es por ello que el acceso a este transpondedor resulta ser de especial interés para nosotros.
Si bien la recepción de estos satélites resulta un proyecto relativamente sencillo de llevar a cabo en países americanos, supone todo un reto a nivel de comunicaciones satelitales para localizaciones situadas en el continente Europeo. En nuestro caso particular, contando con nuestra estación base en Madrid (IN80dk), observábamos el satélite a tan solo 5º de elevación.
La comunicación con satélites observados a elevaciones excesivamente pequeñas traen consigo una serie de problemas no presentes en enlaces tradicionales con otros satélites geostacionarios:
Aumento del nivel de ruido: Debido al apuntamiento de nuestra antena hacia zonas cercanas a edificios y otras instalaciones humanas, captamos una temperatura de ruido centenares de veces superior a la correspondiente a un apuntamiento cenital. Además, al encontrarnos en una gran ciudad, este problema resulta especialmente importante
Aumento de las pérdidas básicas de propagación en espacio libre: Si bien la órbita geostacionaria se encuentra a unos 36.000Km de altitud, esta distancia se calcula de forma perpendicular al ecuador. El observar al satélite a tan poca elevación supone una longitud del enlace superior a los 42.000Km, aumentando así las pérdidas básicas de propagación en espacio libre.
Aumento de otro tipo de pérdidas y distorsión de la señal: Además de lo anteriormente comentado, cabe destacar que este incremento de distancia transcurre principalmente a través de la atmósfera terrestre, lo que acarrea un aumento en la atenuación y facilita la aparición de efectos como la rotación de Faraday (LRIT transmite en polarización lineal). A su vez, estos fenómenos pueden derivar en situaciones de fading.
Complejidad de montaje de la antena: Una de las decisiones tomadas con el fin de encontrar la configración de receptor óptima fue el uso de un reflector parabólico tipo offset. Debido a la geometría de rayos implicada en este diseño, fue necesario el montaje de dicha antena de forma invertida (con el foco superior a la antena), lo cual dificultó las tareas de apuntamiento.
Además, debemos sumarle a esto la frecuencia relativamente baja de funcionamiento (1,7GHz), lo que se traduce en una ganancia relativamente baja del reflector parabólico.
Sistema receptor
La cadena receptora utilizada resulta ser bastante tradicional. Los elementos básicos que la componen son los siguientes:
Antena: Se trata de un reflector parabólico descentrado de 1,2m de diámetro, iluminado por una bocina cónica de error de fase nulo (cantenna). Con el fin de lograr el mayor despejamiento posible, decidimos armar el conjunto encima de la caseta del ascensor de la terraza del Edificio A de la ETSIT.
Como se puede apreciar, el iluminador es una bocina de fabricación casera. Ofrece una polarización lineal, de acuerdo con las especificaciones del satélite, lo que obliga a optimizar el ángulo de polarización para lograr maximizar la potencia de la señal recibida. Para su construcción, bastó soldar un monopolo de \( \lambda/4 \) al vivo de un conector SMA hembra y atornillar el conjunto a la lata. Posteriormente, se sintonizó gracias al NanoVNA v2 del que dispone el RadioClub.
Para más información sobre la construcción del iluminador, se recomienda visitar el siguiente enlace.
Conjunto LNA + filtro: La siguiente etapa de la cadena transmisora se basa, como no podía ser de otra manera, en un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA). En nuestro caso optamos por utilizar un conjunto de LNA+Filtro comercializado por la empresa estadounidense Nooelec. La gran ventaja de esta pieza es la inclusión de un filtro SAW sintonizado a la zona de frecuencias dentro de la banda L donde trabajan tanto LRIT como HRPT. Este tipo de filtro se caracteriza por sus bajas pérdidas y su agudo y amplio rechazo a frecuencias adyacentes, lo que lo convirtió en el candidato ideal para este proyecto.
A pesar de que las especificaciones de este producto no se encuentran disponibles públicamente, mediciones realizadas indican a una ganancia del LNA de en torno a 40dB, con una figura de ruido inferior a 0,8dB.
SDR: Debido al ajustado presupuesto con el que contamos en el RadioClub, optamos por probar a utilizar un RTL-SDR, cuyo precio actualmente es inferior a los 30€. Si bien la frecuencia de trabajo se encuentra fuera de la banda de funcionamiento del SDR (1,7GHz vs. 1,6GHz), es posible obtener resultados decentes mediante la implementación de una buena refrigeración.
Raspberry Pi: Hardware utilizado para la implementación del desmodulador y descodificador de la señal. Para ello, se hizo uso del software de código libre goestools. Este sencillo pero completo programa permite optimizar de forma fácil el apuntamiento al satélite, para posteriormente encargarse de las tareas de descodificación y procesado de imagen pertinentes.
Funcionamiento
La primera vez en ejecutar el comando goesrecv (parte de la suit goestools anteriormente mencionada) se muestra por pantalla una serie de parámetros, actualizados en directo, relativos a la recepción del satélite. Entre ellos, se encuentran la cantidad de paquetes recibidos, cantidad de paquetes dañados y la tasa de error calculada en el algoritmo de Viterbi. Este último parámetro resulta de especial importancia a la hora de optimizar el receptor, tanto en lo referido a variables estructurales (localización o apuntamiento de la antena) como de la electrónica de RF (refrigeración del SDR, tensión de alimentación del receptor, filtrado de la corrient de alimentación, etc.).
Con una antena desapuntada o un sistema sin desplegar, la tasa de error del algoritmo de Viterbi se encontrará en torno a 2400. Según disminuya este valor, mejorará la calidad de la señal recibida, y se reducirá por tanto la cantidad de paquetes dañados o perdidos. A partir de valores en torno a 1500, se comenzarán a recibir paquetes enteros sin fallos, pero no será suficiente como para descodificar un fragmento de imagen. La tasa de error objetivo aquí ronda los 400-500, a partir del cual se garantiza la ausencia de pérdidas en los paquetes y la recepción de todas las imágenes de forma completa.
Tras tres días consecutivos optimizando la antena receptora sin conseguir tasas de error menores a 800, fue la mañana del viernes 18 de diciembre que logramos ver la luz al final del túnel. Gracias a la anexión de dos estructuras metálicas cercanas al iluminador para mejorar la eficiencia de iluminación del reflector nos fue posible alcanzar taras de error en el algoritmo de Viterbi de entorno a 460.
Una vez alcanzadas tasas de error suficientemente bajas, procedimos a ejecutar en segundo plano el software encargado de la descodificación y procesado de imagen (goesproc, parte de la suit goestools). Fue entonces cuando recibimos nuestras primeras imágenes.
Imágenes recibidas
Planeta completo
Canal de infrarrojos:
Canal 15 con precipitaciones:
Canal 9:
Color original:
Mesoscala 1
Infrarrojos:
Color original:
Mesoscala 2
Color original:
GIFs generados a modo de Time Lapse
Canal 8 planeta completo:
Mesoescala:
Cabe destacar que el sistema estuvo en funcionamiento durante apenas unas pocas horas, al estar siendo alimentado mediante una batería portátil. Esperamos poder realizar la instalación necesaria para llevar red eléctrica hasta el emplazamiento de la antena una vez se reanude el periodo lectivo.
Agradecimientos
Agradecer la colaboración a todos los miembros del RadioClub involucrados con el proyecto, entre los que se encuentran Nacho L. (por donar la Raspberry Pi necesaria), Javiyo, Jara y Santi Topografía (por ayudar a sacar la parabólica del olvido, darle una puesta a punto y subirla a la azotea), Santi, $anti y Silvia (por colaborar con el montaje de la parabólica en la azotea), A100 (por ayudar con el software) y Alberto Arana (por la increíble paciencia demostrada a la hora de apuntar la antena, tarea que aparentaba imposible).
Espero que este proyecto sirva, por un lado, para despertar el interés en los proyectos del RadioClub en el resto de socios y, a su vez, para darnos a conocer como asociación estudiantil y conseguir así acercarnos a posibles nuevos miembros interesados en la radio y las comunicaciones.
Líneas futuras
En caso de contar con los permisos de acceso necesarios a la vuelta del parón de Navidades, intentaremos automatizar el proceso de recepción de imágenes, desplegando así un servidor público a modo de archive donde se puedan consultar en directo.
El presi
mamado@EA1FID