Cómo optimizar el potencial de una constelación de pequeños satélites
7 de septiembre de 2020
La correcta coordinación y gestión de una constelación de pequeños satélites es la clave de su éxito. No es necesario pensar en megaproyectos como Starlink, la constelación de comunicaciones de SpaceX que prevé llegar a contar con 42.000 satélites, pues incluso en misiones de dimensiones más reducidas existen algunos retos habituales que analizamos en este artículo.
¿Por qué son necesarias las constelaciones de satélites?
Cada misión tiene sus características. En ocasiones puede ser suficiente con un satélite para desarrollar un proyecto en el espacio, pero hay determinados servicios que un solo pequeño satélite no tiene capacidad para prestar. Ahí se hace necesario contar con una constelación, una agrupación de satélites que trabajen de forma coordinada para ofrecer determinados servicios a nivel global o en extensas áreas geográficas.
Vayamos paso a paso. En una órbita terrestre baja (LEO), un satélite completa unas 14 o 15 órbitas polares cada día, pero no siempre sobre la misma zona (esto solo sucede en órbitas ecuatoriales), sino que el movimiento de rotación de la Tierra hace que el satélite complete un ‘barrido’ por toda la superficie terrestre, con lo que cada paso es diferente al anterior. Al mismo tiempo, existen ciclos de órbitas que se repiten cada cierto tiempo. Cuando se diseña la misión, por ejemplo, se puede prever que un satélite pase cada siete días por la misma región y que su recorrido posterior hasta volver a esa zona una semana después sea idéntico al anterior. En ese caso, el satélite repetiría cada siete días ese ciclo de órbitas permitiendo observar la misma zona periódicamente.
Ese ‘barrido’ puede ser un factor a favor en algunas misiones, como en proyectos de observación de la Tierra en los que los cambios sean muy lentos y progresivos. Pensemos en su uso para monitorización de cultivos, deshielo, desertificación… Si el ciclo de órbitas es de siete días, cada semana obtendrás imágenes exactas y comparables de cada localización por la que pase el satélite. Para otros servicios, como podría ser el control de tráfico portuario (por mencionar otra misión de observación de la Tierra), que exige imágenes más frecuentes, ese período de espera es demasiado grande, por lo que no sería una misión viable con un solo satélite.
En otros proyectos, en función de la localización exacta de los dispositivos, sensores o estaciones terrenas que se comunican con los satélites para transmitir o recibir información, ese ‘barrido’ puede hacer que solo se pueda contactar con el satélite dos veces al día, cada doce horas. En el mejor de los casos, en órbitas polares y con dispositivos, sensores o estaciones terrenas situados muy cerca de los polos, esa espera podría pasar de esas doce horas a tan solo una hora y media.
Ahora pensemos en términos de constelaciones de pequeños satélites. Si es necesario reducir esos plazos de tiempo hasta minutos e incluso segundos, es imprescindible contar con más satélites que trabajen de forma coordinada.
¿Cómo se define el número de satélites de una constelación?
Durante la fase inicial de diseño de misión, es el momento de decidir cuántos satélites va a tener la constelación. Lo primero es conocer los requisitos del proyecto, con algunas preguntas básicas:
- ¿A qué áreas geográficas va a dar servicio la constelación?
- ¿Cada cuánto tiempo van a recibir y transmitir información los satélites?
No es lo mismo un servicio para un único país y con una latencia de horas en el acceso a los datos que una misión que abarque todo el planeta y con un acceso a la información en cuestión de minutos o segundos.
El diseño de misión incluye un análisis de órbitas para seleccionar la más idónea y proyectar con exactitud cuántos satélites serán necesarios para cumplir los requisitos del proyecto y prestar el servicio. Para apoyar este proceso existen herramientas de software específicas para la realización de simulaciones y para la posterior toma de decisiones.
En esa fase de diseño también se puede tener en cuenta la posibilidad de que los satélites de una constelación transmitan información entre ellos, directamente en el espacio, sin puntos intermedios. De esa forma, por ejemplo, se puede hacer llegar la información de varios satélites a aquel que tenga un mejor acceso a la estación terrena, para que descargue todos los datos a través de un enlace de alta velocidad. Es una forma más de reducir los tiempos de espera y de optimizar la coordinación de una constelación de pequeños satélites.
¿Cómo afecta a una misión la elección y el número de estaciones terrenas?
Para que exista comunicación, son necesarias dos partes. Por un lado, tenemos el segmento espacio, con los satélites en órbita, pero es importante tener en cuenta también el segmento terreno. En este punto, hay que determinar cuántas estaciones van a ser necesarias para recoger la información y dónde van a estar situadas. Esa decisión va a depender del tipo de servicio que se quiera dar.
Por ejemplo, en una misión de comunicaciones suele interesar tener más estaciones para reducir el tiempo de retardo desde que la constelación recibe un mensaje de un terminal en tierra hasta que se descarga esa información procedente del satélite. La ubicación de las estaciones determina que hablemos de minutos o de horas en los plazos de tiempo.
Todas las misiones deben contar como mínimo con una estación, ya sea propia o a través de redes de terceros. Es posible comprar todo el equipamiento necesario para montar estaciones terrenas propias o contratar un servicio de segmento terreno que utilice la infraestructura de un tercero. En este último caso, se comparte esa infraestructura, pero se ahorra en costes de licencias, instalaciones, gastos asociados…
¿Cómo es el proceso de lanzamiento de los satélites?
La irrupción del New Space ha aumentado de forma considerable el número de lanzadores disponibles en el mercado. Las posibilidades son cada vez más amplias, desde lanzamientos tradicionales en los que el cohete llega al punto elegido y pone en órbita los satélites hasta el uso de la Estación Espacial Internacional (ISS) como paso intermedio o el lanzamiento desde el cohete de un satélite nodriza que transporta varios y va poniendo cada uno en su posición.
A pesar de que existe una mayor oferta, en cada proyecto es necesario buscar un equilibrio entre lo que quieres hacer, las opciones que cubren tus requisitos (órbita, fiabilidad, coste…) y las oportunidades de lanzamiento. En paralelo, existe un proceso de coordinación internacional que puede imponer algunos cambios en el proyecto, como en el uso de frecuencias, que veremos en el siguiente apartado. Un proceso complejo que requiere de una gestión experta.
¿Cómo se coordinan las frecuencias para evitar interferencias?
La coordinación de frecuencias se realiza a través de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU). El organismo de las Naciones Unidas para las tecnologías de la información y la comunicación cuenta con una exhaustiva base de datos con todas las redes de satélites, para evitar interferencias y permitir que puedan desarrollar sus misiones de forma óptima.
Durante la fase de planificación del lanzamiento de un satélite, se realiza el proceso de coordinación internacional. Como las frecuencias son un recurso limitado, la información relativa al tipo o modelo del objeto que se va a lanzar al espacio debe ser publicada a través de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. De esa forma, otros países o empresas pueden analizar si puede interferir con alguno de los objetos actualmente en órbita.
¿Desde cuándo puede dar servicio una constelación de pequeños satélites?
No es necesario que la constelación esté completa para que empiece a prestar servicio. Lo habitual sería contar primero con una serie corta de satélites demostradores para probar en órbita la tecnología desarrollada y validar el diseño.
Con esa primera generación de pequeños satélites, se puede empezar a dar ya el servicio proyectado. La ventaja es que se puede escalar la misión (el número de satélites) en función de la evolución de la demanda del servicio.
¿Cómo se planifican los reemplazos de los satélites de una constelación?
Las constelaciones de pequeños satélites se renuevan de forma periódica. Lejos de ser un problema, es una oportunidad y una de las principales ventajas con respecto a los satélites convencionales. Esa actualización evita problemas de obsolescencia y permite contar con una tecnología siempre a la última en el espacio, con la posibilidad de modernizar, mejorar o ampliar los servicios que ofrece la constelación.
El reemplazo de los satélites de una constelación se suele plantear de dos formas distintas:
- Con repuestos ya preparados en tierra, de forma que estén listos para lanzar en cualquier momento, para que la sustitución sea casi inmediata.
- Con el lanzamiento de más satélites de los necesarios, con lo que algunos prestan el servicio y otros se encuentran ‘dormidos’ para el eventual caso de que uno de los otros pueda fallar. Existen incluso sistemas de propulsión que permiten activarlos en órbita y moverlos a su nueva posición. Lógicamente, no se puede realizar cualquier tipo de movimiento, pero en un mismo plano orbital es posible hacer que unos satélites de la constelación adelanten a otros o que se frenen hasta alcanzar la posición deseada.
La planificación, diseño, coordinación y operación de una constelación de pequeños satélites tiene algunos retos habituales que hemos visto en este artículo, pero estos son solo la punta del iceberg. Si buscas información más específica para tu misión en el espacio, te animamos a contactar con nuestro equipo y plantearnos tus preguntas.