IMPLEMTACION DE UNA ESTACION DE TELEMETRIA SATELITAL EN LA ZONA SELVATICA DEL GUAVIARE COLOMBIA

1. CONCEPTOS BASICOS

Comunicación satelital

1.1 Sistema satelital

Los satélites artificiales de comunicaciones son un medio apto para emitir señales de radio en zonas amplias o poco desarrolladas, esto es debido a que no presentan problemas de interferencia con objetos tales como: edificios, árboles, cerros, etcétera.

Éstos pueden utilizarse como enormes antenas suspendidas en el espacio. El primer satélite de comunicaciones, el Telstar 1, se puso en órbita en 1962 y se utilizó principalmente para retransmitir televisión, teléfonía y datos de comunicaciones a alta velocidad.

En el diseño de un satélite, no sólo se trata de construir una máquina, sino también de conseguir que, a pesar de sus delicados sistemas electrónicos, sea capaz de resistir los rigores y presión de un lanzamiento, las ondas acústicas durante el mismo y sobre todo funcionar en el ambiente del espacio, donde las temperaturas fluctúan entre los 200° C bajo cero, durante periodos de sombra, y 200° C a la luz del Sol [VII]. El diseño de los satélites ha evolucionado desde aquellos años del Sputnik I, lanzado en el año de 1957, hasta la actualidad. El paso del tiempo y los logros en las tecnologías han proporcionado instrumentos más precisos, sistemas de provisión de energía eléctrica más potentes y componentes de menor peso, para el diseño de nuevos satélites, pero en esencia nohan cambiado mucho.

Los satélites pueden dividirse de manera conveniente en dos elementos principales:

a) la carga útil

b) la plataforma.

La carga útil es la razón de ser del satélite, es aquella parte del satélite que recibe, amplifica y retransmite las señales con información útil; pero para que la carga útil realice su función, la plataforma debe proporcionar ciertos recursos, tales como:

Orientar en la dirección correcta a la carga útil.

Proporcionar a la carga útil la operatividad y confiabilidad sobre cierto periodo de tiempo especificado.

Dar soporte para que los datos y estados de la carga útil, y elementos que conforman la plataforma, sean enviados a la estación terrestre para su análisis y mantenimiento.

Controlar los parámetros de la órbita del satelital. Fijar la carga útil a la plataforma en la cual está montada.

Proveer de una fuente de energía que permita la realización de las funciones programadas.

Componentes de sistema satelital

Un sistema satelital contiene los siguientes componentes: Estaciones terrenas para el envío de información al satélite, el transpondedor del satélite y por último, una estación terrena para la recepción de los datos repetidos por medio del satélite. Tal como se puede ejemplificar en la Figura 1

Estación terrena

Una estación terrena consiste en una serie de equipos interconectados entre sí, de los cuales el más representativo y conocido es su antena. El término estación terrena es utilizado indistintamente para indicar todo equipo o terminal que se comunica desde la Tierra con un satélite, sin importar si está fijo en algún punto, o si está instalado en un barco, avión, o cualquier vehículo terrestre. En la Figura 2 se muestra un diagrama a bloques genérico de una estación terrena.

Transponder

Un Transponder, es un dispositivo repetidor empleado en aeronáutica para el sistema de radar. Aunque el Transponder de un satélite es muy diferente, el término sigue en uso dado que las señales son repetidas o retransmitidas por éste hacia la Tierra. El término surge de la fusión de las palabras Transmitter (Transmisor) y Responder (Contestador/Respondedor).

Un típico Transponder satelital consta de un filtro pasa-banda o BPF, un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un convertidor de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida.

La Figura 3 muestra un diagrama a bloques simplificado de un Transponder satelital. Este transponder es un repetidor de RF (Radio Frecuencia) a RF.

Otras configuraciones de transponder son los repetidores de Frecuencia Intermedia o IF (por sus siglas en inglés), y de banda base, semejantes a los utilizados en los repetidores de microondas. La etapa BPF limita el ruido de la entrada del LNA (un dispositivo normalmente utilizado como LNA, es un diodo túnel).

La salida del LNA alimenta un convertidor de frecuencia (un oscilador de desplazamiento y un BPF), que se encarga de convertir la frecuencia de subida, de banda alta a una frecuencia de bajada, de banda baja. El amplificador de potencia de bajo nivel, que es comúnmente un tubo de ondas progresivas (TWT), amplifica la señal de RF para su posterior transmisión por medio de la bajada a los receptores de la estación terrena.

También pueden utilizarse amplificadores de estado sólido (SSP), los cuales en la actualidad, permiten obtener un mejor nivel de linealidad que los TWT. La potencia que pueden generar los SSP, tiene un máximo de alrededor de los 50 Watts, mientras que los TWT pueden alcanzar potencias del orden de los 200 Watts.

Ángulos de vista

La orientación de la antena, de una estación terrena, hacia un satélite geoestacionario es realizada ajustando dos ángulos, el de elevación y el de azimut (ver Figura 3). Estos se llaman ángulos de vista y son medidos tomando como referencia a la línea sobre la cual tiene ganancia máxima. Tanto el ángulo de elevación, como el Azimut, dependen de las coordenadas geográficas de la estación terrena y de la posición orbital del satélite. A continuación se definirá cada uno de estos ángulos.

Angulo de elevación: El ángulo de elevación es el ángulo formado entre la dirección de viaje de una onda radiada desde una antena de estación terrena y la horizontal, o el ángulo de la antena de la estación terrena entre el satélite y la horizontal. Entre más pequeño sea el ángulo de elevación, mayor será la distancia que una onda propagada debe pasar por la atmósfera de la Tierra. Como cualquier onda propagada a través de la atmósfera de la Tierra sufre absorción y también puede contaminarse severamente por el ruido. De esta forma, si el ángulo de elevación es demasiado pequeño y la distancia de la onda que está dentro de la atmósfera de la Tierra es demasiado larga, la onda puede deteriorarse hasta el grado que proporcione una transmisión inadecuada. Generalmente 5° es considerado como el mínimo ángulo de elevación aceptable.

Azimut: Se define como el ángulo de apuntamiento horizontal de una antena. Se toma como referencia el Norte como cero grados, y si continuamos girando en el sentido de las agujas del reloj, hacia el Este, llegaremos a los 90° de Azimut. Hacia el Sur tendremos los 180° de Azimut, hacia el Oeste los 270° y por último llegaremos al punto inicial donde los 360° coinciden con los 0° del Norte.

fig 3

Para poder obtener los datos antes mencionados existen diversos métodos, pero para tener una clara idea de cómo se hace el cálculo se realizará un ejemplo, tomando como base el método matemático de obtención de los parámetros antes mencionado. Para hacer el cálculo se necesitarán algunos parámetros obtenidos con anterioridad, los cuales son la longitud (posición del satélite) y las coordenadas donde se encuentre ubicada la estación receptora. Para nuestro caso tomaremos un enlace desde la zona selvática del Guaviare Colombia coordenadas 1.117788, -73.260012, ó 1.117788 latitud Norte y 73.260012 longitud Oeste, al satélite GOES 12 con longitud 75 Oeste.

Satélite GOES 12Angulo de elevación 87,56ºDistancia hasta el satélite 35790.89Tardanza de la señal 238.61ms (Uplink+Downlink)Angulo de declinación -0.20ºAngulo de la montura polar 182.05ºAzimut 237.29º

Telemetría satelital

Telemetría es un vocablo que proviene de las palabras griegas τῆλε (tele), que quiere decir a distancia, y la palabra μετρον (metron), que quiere decir medida.

Una de las aplicaciones más útiles, actualmente, de la telemetría satelital es el Sistema de Posicionamiento Global o GPS (por sus siglas en inglés), el cual permite saber la posición de un objeto, persona, vehículo o nave, con una precisión hasta de centímetros. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, de tal modo que mide la distancia al satélite mediante "triangulación". Este sistema es ampliamente utilizado en diversos proyectos de conservación de fauna, alarmas, construcción, entre otros.

2. INSTALACION DE LOS COMPONENTES2.1 instalación de la torre.

Esta torre es de sección triangular B-35 (35 cm por lado), totalmente galvanizada, atirantada, de una altura de 3 m sobre el nivel del piso. Para suspenderla se debe de disponer de una base metálica, que se debe fijar a un cimiento de concreto armado, con una formulación de concreto (f’c) = 200 kg/cm2, además del cimiento es necesario emplear tres tirantes de cable de acero galvanizado, que se colocarán desde la parte superior de la torre a algún punto firme del suelo. Es altamente recomendable instalar en la torre un pararrayos tipo corona, de 120 cm de longitud, el cual deberá ir a un electrodo de carbón y bobina de cobre; esto es necesario para proporcionar una ruta de baja impedancia hacia la tierra. En la Figura 4 se muestra el detalle de la instalación del pararrayos de la torre.

2.2 Instalación de la antena Yagi.

La antena es el dispositivo de la PCD que envía los datos obtenidos de los sensores ya procesados al satélite. Esta antena debe tener ciertas características para su correcta operación tales como: ser una antena del tipo YAGI, operar a una frecuencia de 401.8 MHz, tener una impedancia de entrada de 50 Ohm y una ganancia de 10 dB, con lo cual se proporcionan niveles de señal óptimos para el satélite GOES. Su diseño consiste en dos cuadraturas escalonadas, con cinco elementos montados sobre un brazo común de aluminio, con una longitud de 110 cm. Esta antena se deberá colocar en la punta de la torre y se deberá orientar de acuerdo a la localización del satélite asignado para la transmisión, en nuestro caso el GOES 12 y cuyos valores ya se habían calculado anteriormente.

La instalación de esta antena se ejemplifica en la Figura 5.

El diagrama de radiación de nuestra antena se especifica en la figura 6

fig. 6 a

fig.6 b

2.3 Instalación de la antena GPS.

Esta antena provee al dispositivo encargado de la sincronización de la hora y de la señal necesaria para poder llevar a cabo dicho proceso. Está diseñada para operar a una frecuencia central de 1,575.42 MHz, con una impedancia de salida de 50 Ohm y una ganancia nominal de 28 dB. Estos parámetros garantizan una señal óptima, misma que se requiere en los dispositivos de transmisión; esta antena debe estar libre de interferencias físicas.

2.4 Instalación del Panel Solar.

El panel proporciona la energía requerida para el correcto funcionamiento de la PCD; éste deberá estar montado en la torre, en una sección donde no se produzca interferencia con la antena Yagi. El panel deberá estar orientado de

tal manera que capte la mayor cantidad de luz solar. Éste proporciona la energía suficiente para el correcto funcionamiento de la PCD durante el día, el voltaje proporcionado es mayor o igual a 14 V y 40 W, mientras que a través del sistema de control de voltaje, el cual será explicado más adelante, se carga una batería de 12 V y 40 Ah.

2.5 Transmisor Satelital.

El transmisor satelital es un dispositivo que se encarga de transmitir una cadena de caracteres a un satélite, que generalmente es un GOES, de tal manera que los datos sean aceptados por el satélite, para su retransmisión a una estación terrena. Para ello el transmisor debe contar conciertos requisitos.

1. Certificados. Los certificados son documentos expedidos por los organismos reguladores, los cuales se encargan de reglamentar el uso que se le da al ancho de banda de un satélite. En estos se demuestran que las pruebas a las que se sometieron los transmisores fueron exitosas.

2. ID. El Identificador (ID) de un transmisor satelital es un conjunto de caracteres único que es asignado por el organismo encargado del manejo del satélite al cual queremos enviar la información. Este identificador es otorgado a instituciones de carácter público a través del SMN (Servicio Meteorológico Nacional), el cual a su vez lo solicita a NESDIS (National Environmental Satellite, Data, and Information Service), organismo que analiza la petición del ID y de acuerdo a sus métodos de selección determina si esa petición procede o no.

2.6 el Datalogger

Datalogger. Un Datalogger o registrador de datos, es cualquier dispositivo que se puede utilizar para almacenar datos. Esto incluye a muchos dispositivos de adquisición de datos, como tarjetas insertables o sistemas de comunicación en serie que utilizan una computadora como sistema de grabación de datos en tiempo real.

Para nuestro case se ha implementado el Datalogger CR850, cuya especificaciones son las siguientes

Datalogger Serie-CR200 / Sensor inalámbrico

La configuración de canales de entrada y ensamblado del datalogger serie-R200 es óptima para medir uno o dos sensores; la serie-CR200 no es compatible con módulos de expansión de canales o termopares.

Diseño: es el más pequeño y económico de nuestros dataloggers. El modelo CR216 incluye una radio spread spectrum, que permite utilizarlo como si fuera un sensor inalámbrico.

Aplicaciones ideales: sensor inalámbrico, medidas viento, hidrología, acuacultura, calidad aguas u otras aplicaciones que incluyan uno o tres sensores.

Modelos disponibles: CR200 (sin radio), CR216 (radio 2.4GHz), CR295 (soporta comunicaciones con satélite GOES)

Opciones alimentación: para el CR200 y CR216, una batería de 12V 7Ah, o de 12V 0.8 Ahr recargables por placa solar o adaptador a 220Vac.

Incluye regulador de carga en el propio datalogger. Para el CR295 serían adecuadas baterias de 12V de 12 Ahr o 24 Ahr Visualización y recogida de datos in-situ: PC portátil o PDA

3. SENSORES DEL SISTEMA

NI PXIe-4353 Módulo de Entrada de Termopares de 32 Canales, 24 Bits

Características

32 canales de entrada de termopar; 8 canales integrados de compensación de unión fría; precisión de 0.3 °C

Velocidad de muestreo de 90 S/s/canal en modo de alta velocidad; velocidad de muestreo de1 S/s/canal en modo de alta resolución

Aislamiento de seguridad de canal a tierra de 300 Vrms CAT II Canales auto-cero para compensación de error de desfase; detección de

termopares abiertos Disparo y sincronización de múltiples dispositivos vía PXI Express Software controlador NI-DAQmx y software interactivo NI LabVIEW

SignalExpress LE para registro de datos

Sensor de presión P3298

El sensor de presión P3298 del fabricante alemán TECSIS está pensado para la medida de presión en aplicaciones donde estos valores son extremadamente altos, llegando a alcanzar valores de hasta 15000bar.

 Su formato es el de un sensor de presión convencional, pero con un revestimiento y refozado de material en acero inoxidable que hace posible el soportar esos altos valores de presión. Cuenta con rosca hembra estándar, aunque hay otras alternativas bajo petición.

Características principales:

Rango: Hasta 15000bar. Linealidad: 0.5%. Salida: 4-20mA o 0-10V. Temperatura: -20 a +80ºC.

Sensor Capacitivo de Nivel de Acero Inoxidable Serie R

El sensor de nivel de líquido R-Series de acero inoxidable está diseñado específicamente para su uso con líquidos agresivos o corrosivos, incluyendo agua salada, refrigerante, ácidos y líquidos basados en productos químicos.

El sensor cuenta con un SAE 5-perno patrón de montaje y se fabrica a su requerimiento longitud a medida hasta 500 mm (para más requisitos de longitud de sensores por favor visite la página del sensor de nivel de líquido de acero inoxidable Rxl ).

El sensor proporciona un 0-5V salida analógica totalmente configurable, que normalmente se calibra 0,25V vacío, 4.75V completo. Cada sensor viene calibrado de fábrica de su tipo de líquido (o equivalente).

Con un amplio rango de temperaturas de funcionamiento de -40 °C a +125 °C, el sensor de nivel de líquido R-Series de acero inoxidable es muy adecuado para una variedad de aplicaciones industriales, militares, los deportes de motor y automoción.

Características y ventajas:

SAE 5-Bridas de montaje sanitaria Custom fabricado para sus requisitos de longitud exactas Disponible hasta 500mm de largo (opcionalmente Sensor Rxl hasta

1500mm) Construcción de acero inoxidable Adecuado para su uso con agua salada, agua dulce, líquido de

refrigeración, los ácidos y los líquidos basados en productos químicos. Por favor, póngase en contacto con nosotros para confirmar la compatibilidad con líquidos especializados

Tecnología capacitiva de estado sólido - sin piezas móviles

Salida analógica 0-5V (configurable) Calibrado en la fábrica -40 °C a +125 °C Temperatura de funcionamiento

4. CABLEADO DE LOS DISPOSITIVOS INSTALADOS EN LAS PCD

Una vez que los dispositivos han ocupado su lugar correspondiente en la PCD, es necesario realizar las interconexiones, las cuales se efectúan con diversos tipos de conectores en función de la señal a transportar, de la configuración y del equipo a conectar. A continuación se presentan las configuraciones del cableado de las PCD.

Para la conexión de la antena Yagi con el Transmisor Satelital HDR GOES, de la marca SEIMAC, es necesario un conector tipo N, el cual es mostrado en la Figura 24. En éste se adapta una línea de conexión de cable RG 213U (tipo coaxial, de baja pérdida, empleado en la conexión de distintas antenas por sus características) de la antena Yagi, hasta un protector contra sobrevoltajes, de ahí se debe utilizar un cable tipo RG 58U (tipo coaxial, de baja pérdida, con características similares al RG 213U para conexiones de antenas) el cual se conecta al transmisor satelital.

La antena GPS tiene un cable integrado diseñado especialmente para este tipo de sistemas, el cual culmina con un conector tipo MCX, que conecta directamente al transmisor satelital. Finalmente, para la conexión con los sensores es necesario un cable de baja pérdida, por tal motivo se recomienda un cable Alpha AWG (American Wire Gauge) con calibre 20.

En la Figura 7 se muestra la configuración esquemática de las conexiones que transportan algún flujo de datos del transmisor SEIMAC.

fig 7

Para la conexión de la antena Yagi, el cable utilizado hasta el protector contra sobre voltajes con el transmisor OTT HDR GOES/METEOSAT es del mismo tipo que el descrito anteriormente, a partir de la protección, el cable que continúa es del tipo RG 316U el cual es de diámetro menor a los calibres empleados con anterioridad, de cobre chapado en plata, de baja pérdida y por sus características ideal para conexiones de antenas.

Para la antena GPS, su conexión es similar a la del transmisor SEIMAC. La comunicación del transmisor con el datalogger emplea serial RS-232. Con esta configuración los sensores de temperatura, presión y nivel, van conectados al datalogger, el cual almacena la información obtenida de los sensores para su posterior envío.

Diagrama de las PDA

A…Presión

B…Temperatura

Presión Psi tanques de almacenamiento

Sensor de temperatura

Alimentación

Batería 12v Regulador 12v

Panel solar

Transmisor GOES

Antena GPS

Antena Yagui

L…Entrada alimentación Entrada alimentacion

M…Salida alimentación

COM 1 Puerto RS232

C….Nivel

Sensor de nivel

Datalogger

Salida de datos

5. CONFIGURACIÓN DEL DATALOGGER

En primer lugar de importancia, el Datalogger va conectado de la siguiente manera

a) Puerto A. Este puerto de datos fue configurado, vía software, para recibir la señal proveniente del sensor de presión ubicado en los tanques de crudo modelo P3298 del fabricante alemán TECSIS.

b) Puerto B. Este puerto de datos fue configurado, vía software, para recibir la señal del sensor de temperatura de los tanques de crudo modelo NI PXIe-4353 Módulo de Entrada de Termopares de 32 Canales, 24 Bits

c) Puerto C. este puerto de datos fue configurado, vía software, para recibir la señal del sensor de nivel de los tanques de crudo. Este sensor es un sensor capacitivo de acreo inoxidable de larga duración y resistente a materiales corrosivo.

d) Puerto L. Este puerto cumple la función de entrada de alimentación de 12 VCD. Este voltaje regulado es suministrado por un controlador de carga, que recibe energía del panel solar o en su defecto de la batería.

e) Puerto M. Este canal funciona como salida de alimentación de ±12 VCD y de +5 VCD.

f) Puerto COM 1. Este es un puerto serial (RS-232) que es utilizado tanto para la comunicación con el transmisor satelital, como para la configuración del Datalogger a través de una computadora.

En segundo orden de importancia se encuentra el transmisor satelital, el cual va interconectado con los siguientes dispositivos:

a) A través de su puerto de alimentación, recibe 12 VCD del regulador de voltaje.

b) Por su puerto serial, se lleva a cabo el intercambio de información entre el datalogger y el transmisor. Si a este puerto conectamos una computadora se puede configurar alguno de los parámetros de transmisión.

c) Por medio de su puerto con conector MCX, recibe información de la antena GPS, para sincronizar el reloj interno del transmisor con el Tiempo Universal Coordinado que manejan los satélites, o UTC por sus siglas en inglés.

d) Dispone también de un puerto, con un conector tipo SMA, para la conexión entre el transmisor y la antena Yagi, a través del cual se envía el flujo de datos para transmisión al satélite.