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  • URJC Jess Gabriel Galindo Rian

    VIGILANCIA ESPACIAL

    Sistemas de Telecomunicacin para la Aeronavegacin

  • Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial

    URJC 1

    ndice

    1. Introduccin 2

    2. Antecedentes 3

    3. Objetivos 5

    4. Funcionamiento 6

    4.1 Sensores de vigilancia 6

    4.2 Sensores de seguimiento 7

    4.3 Localizacin de los subsistemas que conforman

    el sistema de vigilancia SST 9

    4.4 Fuentes de error 11

    5. Planificacin y desarrollo 12

    5.1 Flujo de informacin 12

    5.2 Anlogo estadounidense 13

    6. Aplicaciones actuales y futuras 14

    7. Bibliografa 16

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    URJC 2

    1. Introduccin

    Para abordar el trabajo con propiedad haremos una breve introduccin donde

    analizaremos brevemente qu es un radar y el mbito de aplicacin elegido, en nuestro

    caso, el espacial.

    Para definir qu es un radar (acrnimo de RAdio Detection And Ranging) podemos acudir

    diversas fuentes, la ITU7, el IEEE7, etc. Ambas fuentes nos dan una definicin muy

    tcnica, pero de forma genrica podemos definirlo como un instrumento que identifica la

    presencia de un objeto y determina la distancia a la que se halla, mediante la emisin de

    ondas especiales de altsima frecuencia reflejadas en l.

    Una vez comprendida la idea funcional del radar analizaremos el mbito de aplicacin en

    el que se va a desarrollar nuestro sistema, el espacial.

    Es bien sabido que el sector espacial se trata de un sector puntero en tecnologa e

    innovacin por lo que cualquier actividad desarrollada en l se adapta a una serie de

    requisitos especiales tanto funcionales como estructurales, ya que subyacen tras ellos

    motivos econmicos, polticos, estratgicos, etc.

    El trabajo se centrar en analizar la funcin que desarrolla el uso del radar en el espacio,

    principalmente, el sistema que existe actualmente de vigilancia espacial el SST.

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    URJC 3

    2. Antecedentes

    Las aplicaciones del radar han sido han sido tradicionalmente y son hoy unas de los

    sistemas ms usados en la vigilancia area, terrestre y espacial. Su uso se remonta a inicios

    del siglo 20, cuando Christian Hulsmeyer patent en 1903 el Telemobiliskop o

    dispositivo remoto de visin de objetos. Con el transcurso de la historia fueron surgiendo

    numerosos dispositivos capaces de detectar objetos a mucha mayor distancia hasta que

    en 1935 se construy el primer radar completo con altos rangos de alcance y buenas

    prestaciones respecto al tiempo de respuesta.

    Telemobiliskop de Christian Hulsmeyer

    Paralelamente la carrera espacial estuvo en su mximo auge, lanzando aeronaves al

    espacio y poniendo en rbita a miles de satlites para diversas misiones.

    El resultado de estos lanzamientos ha sido que se ha llegado a obtener una concentracin

    de satlites alrededor de la Tierra bastante considerable. Muchos de estos satlites estn

    inactivos u orbitan deliberadamente sin control pudiendo dar lugar a colisiones con otros

    satlites que a su vez generaran trozos de satlites que seguiran orbitando

    descontroladamente, con probabilidades de colisin.

    Desechos en la rbita terrestre.

    Este efecto se le conoce como el sndrome de Kessler o cascada de ablacin. Este

    fenmeno fue descrito por un consultor de la NASA, Donald J. Kessler, el cual describe

    que este efecto es especialmente peligroso debido al efecto domin, ya que como se ha

    comentado, la innumerable cantidad de objetos estelares que hay actualmente en rbita

    podran hacer peligrar la utilizacin de las rbitas de la Tierra.

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    URJC 4

    Muchas misiones tienen en cuenta este efecto por lo que se estn diseando de forma que

    los satlites o aeronaves se desechen al final de su vida til sin causar daos sobre otros

    objetos, ya sea disminuyendo su rbita hasta reentrar en la atmsfera terrestre y fundirse,

    como aumentar su rbita hasta las llamadas rbitas cementerio las cuales estn por

    encima de la geoestacionaria (36000 km) y as no influyen en otras misiones.

    La basura espacial por tanto, se ha convertido en una preocupacin cada vez mayor en

    estos ltimos aos y en la actualidad, segn el informe de la Oficina del Programa de la

    NASA de Restos Orbitales se estima que existen cerca de 16600 escombros de satlites

    y cohetes orbitando nuestro planeta.

    Debido a esta falta de control sobre los objetos que orbitan, si quisiramos realizar alguna

    misin deberamos tener en cuenta sus movimientos para no colisionar y perder el trabajo

    realizado. Por ello, ha surgido la necesidad de controlar la basura espacial existente y para

    ello se ha desarrollado el radar espacial.

    Evolucin de los objetos que orbitan a la Tierra

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    3. Objetivos

    Como hemos observado en el apartado anterior, el incremento exponencial de la basura

    ha dado lugar al desarrollo y construccin del radar espacial, cuyo objetivo principal es

    el estudio y medida de todos estos objetos, para evitar colisiones y por consiguiente

    prdidas econmicas, tecnolgicas e incluso humanas.

    La construccin del radar espacial est enmarcado dentro de un programa llamado

    Conocimiento del Medio Espacial impulsado por la ESA. Dentro de este programa,

    el departamento encargado de su gestin es el departamento de Space Situational

    Awareness (SSA), compuesto a su vez por la seccin Space Surveillance and Tracking

    (SST) que es la que toma el papel ms importante en el radar espacial ya que es la

    encargada de controlar todos los movimientos y resultados de su anlisis.

    Aadir por ello que los objetivos generales de este programa son:

    Evaluacin de las mejoras necesarias para mejorar los sistemas desarrollados en la

    fase preparatoria del programa.

    Desarrollo de sistemas de vigilancia y seguimiento espacial.

    Investigacin y desarrollo en las reas de vigilancia ptica. Ya que los sistemas

    pticos son muy utilizados para la instrumentacin de observacin.

    Investigacin y desarrollo de los aspectos de seguridad del sistema de vigilancia y

    seguimiento espacial.

    Mejora y explotacin de la infraestructura desplegada.

    Apoyo tcnico especfico a las actividades de vigilancia y seguimiento espacial.

    Todos estos objetivos fundamentan las bases de funcionamiento del radar espacial.

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    4. Funcionamiento

    El desarrollo de los sistemas de SST implica tecnologas con altas exigencias para

    asegurar unos requisitos operativos.

    Los sistemas de radar espacial que se usan, llevan el fin de detectar objetos en

    movimiento rpido en rbitas terrestres. Para ello se desarrollan sistemas de arrays de

    antenas, amplificadores de bajo ruido, algoritmos de deteccin, etc,

    El procesamiento de los datos en estos sistemas empieza por, una vez se detecta un objeto

    hay que catalogarlo para partir de una referencia nominal. Una vez identificado se

    calcula la rbita con la conversin de los puntos medidos y por ltimo se hace una

    correlacin, ya que necesitamos saber si el objeto es uno ya visto o un objeto nuevo,

    comparando la rbita medida y la catalogada.

    Como estamos haciendo el tratamiento de datos espaciales necesitaremos sensores para

    medir esos datos. Los sistemas que existen actualmente en cuanto a la vigilancia y

    seguimiento espacial se dividen en dos amplios grupos, sensores de vigilancia y sensores

    de seguimiento.

    Sensores de vigilancia

    El sensor de vigilancia es el pilar principal de estos sistemas. Proporciona los datos

    necesarios para la catalogacin del objeto y su posterior correlacin, en los subsistemas

    correspondientes.

    La diferencia principal entre los sensores de vigilancia y de seguimiento, es que el sensor

    de vigilancia detecta objetos de forma pasiva (intuitivamente puede ser "activa), es decir,

    se encuentra a la espera de que un objeto pase por su zona de deteccin, la cual es muy

    amplia, por eso se emplean infraestructuras terrestres enormes. Una vez detectado, los

    datos pasan al sistema de catalogacin.

    Con este mtodo se crea una especie de barrera la cual al ser atravesada hace activar al

    radar y desencadena los sistemas siguientes. La precisin de estos sensores no es muy

    elevada, pero principalmente se debe a que su funcin no exige mucha ms precisin en

    las medidas. Principalmente la precisin en las medidas es tal que utilizando solamente

    los sensores de vigilancia es suficiente para dar un aviso fiable, tras haber realizado las

    pertinentes medidas, de posibles colisiones entre satlites operativos o principalmente de

    basura espacial con satlites en funcionamiento. Una vez dada la advertencia llega el

    turno de los sensores de seguimiento cuya precisin es mayor y se encargan de seguir

    paso a paso el movimiento de los objetos para proporcionar la informacin necesaria a

    los operadores de satlites para planificar sus maniobras y evitar as la colisin.

    Las antenas utilizadas como sensores de vigilancia son antenas situadas en diferentes

    partes del mundo, las cuales proporcionan innumerable informacin del espacio, y que el

    departamento de SSA se encarga de analizar.

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    Aadir adems que el tamao de los objetos detectados depende de la antena con la que

    medimos, por ello uno de los principales aspectos a mejorar, como comentaremos ms

    adelante, es la precisin de medida de objetos pequeos.

    Antena nica detecta satlites ms grandes, ms antenas detectan objetos ms pequeos

    Sensores de seguimiento

    Los sensores de seguimiento generalmente tienen un campo de visin pequeo, ya que

    necesitan mantener focalizado el objeto a seguir. Son generalmente sensores muy

    direccionales ya que, como se ha comentado, si deseamos tener una alta precisin de los

    objetos en su movimiento debemos disminuir la visin perifrica y focalizar toda la

    energa en un punto.

    El problema principal de estos sensores es que debido a ese pequeo campo de visin, si

    el objeto se mueve a muy altas velocidades y adems en rbitas altas podemos llegar a

    perderlo y dejar de seguirlo, esto hace que este tipo de sensores sea muy ineficiente. Por

    ello, generalmente con una lectura inicial del radar de vigilancia, suele ser suficiente para

    estudiar el caso, aunque con unos errores muy altos.

    Sistema de aviso de colisin

    Cuando el radar da el aviso de posible colisin, salta en denominado Collision Warning

    Service (CRASS). Es una herramienta de evaluacin de riesgos, la cual es el ncleo del

    sistema. La aplicacin de este servicio permite a los usuarios acceder a los resultados de

    los clculos. Hay diferentes usuarios los cuales pueden acceder a dicho sistema para

    estudiar la situacin y tomar las respectivas medidas.

    Los principales usuarios de la aplicacin son:

    Cliente: Son los usuarios que estn interesados en el acceso al anlisis de

    conjunciones para ciertos objetos de inters (astronaves en funcionamiento).

    Administrador: Son los usuarios responsables de la configuracin y

    mantenimiento de la aplicacin.

    Gerente del servicio: Son los usuarios cargo de la actividad de vigilancia diaria

    y de las ejecuciones de anlisis conjunto.

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    Las previsiones del sistema, teniendo en cuenta los riesgos de colisin y basndose en las

    probabilidades, las genera con una antelacin de 7 das.

    El algoritmo de deteccin se aplica a cualquier rbita, y las estimaciones de riesgo que se

    realizan, tienen en cuenta de manera conjunta a la seccin transversal del satlite, la

    geometra, los datos y covarianzas del error de la rbita de ambos objetos espaciales

    afectados (satlite-satlite, satlite-basura, etc). Para un conjunto de objetos identificados,

    las rbitas operacionales, la covarianza y las propiedades del objeto pueden ser

    proporcionados por los usuarios. Se suelen usar tcnicas de interpolacin para estos

    archivos proporcionados, como las efemrides y las covarianzas.

    El sistema usa una serie de parmetros establecidos para sus clculos regulares que son:

    La frecuencia de ejecucin: cuntas veces se ejecuta el sistema por da. Durante

    el periodo de revisin de servicio, este parmetro se establece en 1 (el CRASS se

    ejecutar una vez por da para cada objeto seleccionado).

    Tiempo de ejecucin: es el momento del da en el que se va a realizar la primera

    ejecucin del motor computacional. Todas las ejecuciones (para todos los objetos)

    se ejecutarn una despus de la otra. El tiempo de ejecucin se establece a las

    03:00:00 GMT, el cual est pensado para que se ejecute justo despus de la

    actualizacin del archivo TLE en la web de Space Track (02:34:00 UTC), que es

    un archivo TimeLine-Element.

    Intervalo de pronstico: Este parmetro se establece en 7 das.

    Lapso de tiempo de obsolescencia: Es un parmetro que determina el margen por

    el cual una posible colisin deja de ser peligrosa. Generalmente, este parmetro

    se establece en 30 das.

    Definicin del elipsoide de conjuncin: Es una rbita elipsoidal que se toma como

    referencia a la hora de realizar seguimientos de posibles colisiones. Se define este

    parmetro porque puede que un objeto cumpla las condiciones de colisin, pero

    que su rbita no sea elipsoidal terrestre por lo que seguira su camino sin chocar

    con otros objetos, (meteoros, cometas, etc). Slo los objetos que penetran en este

    elipsoide se consideran en la evaluacin del riesgo de colisin. El elipsoide se

    define por la longitud de sus semiejes en el radial, y sus direcciones transversal

    (u, v, w). El elipsoide se define generalmente por u = 10,0 km, v = 25,0 km y

    w = 10,0 km.

    Distancia de aviso predeterminada: El protocolo de alerta se activa si se viola este

    lmite. Las situaciones ms cercanas a este lmite se marcan en los archivos de

    salida. Este parmetro se establece en 0,3 km.

    Probabilidad advertencia por defecto: El protocolo de alerta se activa si se supera

    este umbral. Las situaciones que superen este umbral se marcan en los archivos

    de salida. Este parmetro se establece en 0,0001.

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    Localizacin de los subsistemas que conforman el sistema de vigilancia SST

    Vigilancia Seguimiento

    Sensores

    pticos OLS: Granada, Espaa

    Starbrook: Troodos, Chipre

    TFRM: Lleida, Espaa

    ZimSMART:Zimmerwald, Suiza

    GRAZ SLR: Graz, Austria

    Matera MLRO: Matera, Italia

    OGS: El Teide, Espaa

    TAROT: Chile y Francia

    ZIMLAT: Zimmerwald, Suiza

    Sensores

    radar Croce del Nord: Medicina, Italia

    RAF Fylingdales: Fylingdales, Reino Unido

    GRAVES: dos en Francia

    CAMRa: Chilbolton. Reino Unido

    EISCAT: Noruega y Finlandia

    TIRA: Wachtberg, Alemania

    Tambin hay cmaras de grabacin y diferentes centros de anlisis de datos que son:

    Webcams OGS, Estacin de Tierra ptica de la ESA

    Observatorio Astronmico de La Sagra (OLS)

    Observatorio de Zimmerwald

    Centros de anlisis Centre dOrbitographie Oprationnel (COO): Francia

    German Space Operations Centre (GSOC) y ESAs Space Debris Office: Alemania

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    El Telescopio Fabra-ROA en Montsec (TFRM)

    Antena EISCAT, Suecia

    Imgenes del sensor instalado en 2012 Espaa

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    Fuentes de error

    Como cualquier otro sistema de teledeteccin, la seal de las antenas puede verse afectada

    por distintas fuentes de error.

    Clutter: efectos atmosfricos, o puntuales, como pjaros, que pueden afectar a las medidas.

    Viento solar: El viento solar es una corriente de partculas cargadas expulsadas de la superficie del sol por la radiacin emitida. Esta corriente de partculas interfiere

    en el campo de visin de nuestras antenas generando un ruido en las medidas.

    Ionosfera: La Ionosfera es la fuente de error ms importante en este tipo de seales. stas atraviesan la ionosfera que genera un retardo en la seal y por tanto

    una desviacin en las mediciones. Existen diferentes procedimientos de

    modelizacin del error y as calcularlo en las medidas.

    Errores debidos a la relatividad: debido a las altas velocidades de los satlites el tiempo en los satlites corre ms despacio que en la tierra, y habr que tenerlo en

    cuenta a la hora de realizar previsiones de rbita ya que cuando el satlite recibe

    la seal, al estar en un potencial gravitatorio mayor que la antena, las seales sern

    recibidas ms lentamente que cuando fueron emitidas (y viceversa).

    Ruido Trmico o de Johnson: depende de la temperatura y del ancho de banda utilizado en la seal. Es inevitable y con una densidad espectral de potencia

    constante.

    Interferencias: posibles interferencias de otros sistemas.

    Todos estos errores pueden afectar a la seal que reciba la antena. Por lo general los

    errores suelen presentar un comportamiento conocido por lo que su filtrado es un proceso

    necesario para poder obtener los datos necesarios para el anlisis de las situaciones de los

    objetos espaciales.

    Interferencias en las antenas

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    5. Planificacin y desarrollo

    Hemos analizado el funcionamiento del sistema que desarrolla el SST, viendo los

    diferentes sensores y sistemas que lo conforman. Ahora hablaremos del flujo de

    informacin que se tiene, quin se encarga de ello y qu servicios se obtienen de este

    anlisis.

    Flujo de informacin

    La informacin se recoge mediante los diferentes sensores que se han comentado,

    situados en diferentes partes del mundo, y para su procesado sigue una serie de pasos

    marcados. Esta informacin, se enva al segmento del SST encargado tanto de la

    catalogacin como de su correlacin.

    Segmento SST

    El cometido principal de esta seccin es el catalogado de los objetos. Cualquier

    informacin pasa por sus manos para poder introducirla en la base de datos del catlogo,

    y para ello hay que:

    1. Reconstruir la rbita desde los sensores; determinacin de la rbita, filtrado de

    errores

    2. Correlacin de la informacin; comprueba si un objeto ya est dentro del catlogo.

    3. Monitorizar la informacin para poder acceder a ella siempre que sea necesario.

    Equipo SST

    El centro de operaciones del SST est en Espaa, en la ESAC (European Space

    Astronomy Centre) y se le llama el SSTC (SST Center). Est compuesto por multitud de

    cientficos e ingenieros de toda Europa.

    Ya que la vigilancia espacial es una preocupacin mundial, el SSTC trabaja en estrecha

    colaboracin con socios internacionales. La ESA tiene un largo historial de cooperacin

    tcnica y acuerdos, con organismos de fuera de Europa; la disponibilidad de canales

    internacionales, como los datos proporcionados por la Fuerza Area de Estados Unidos,

    aade en gran medida capacidades al SSTC.

    Centro de la ESAC en Espaa

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    URJC 13

    Anlogo estadounidense

    Como cualquier sistema, EEUU tiene su propio radar de vigilancia espacial. La red

    encargada de esto es la SSN (Space Surveillance Network), anloga al SSA europeo. La

    SSN a da de hoy a rastreado ms de 26000 objetos que orbitan a la Tierra, usando el

    sistema GEODSS (Ground based Electro Optical Deep Space Surveillance), compuesto

    por ms de 15 bases de sensores repartidas por todo el mundo. Realiza 80000 vistas por

    satlite al da.

    Los softwares que utiliza sta red son:

    Para seguimiento

    o Project Space Track

    Para catalogado:

    o Joint Space Operations Center (JSOC)

    o Discos Database and Web Interface (Usado tambin por la unidad de SSA)

    Softwares para Windows, Lunix y Mac

    o MASTER 2009. Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment

    Reference

    o PROOF 2009. Program for Radar and Observation Forecasting

    Bases de observacin de la red SSN

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    URJC 14

    6. Aplicaciones actuales y futuras

    Aplicaciones actuales

    Observar reentradas

    Una aplicacin del sistema SST es detectar cuando grandes piezas de desechos espaciales

    reentran en la atmsfera. Si estas piezas son lo suficientemente grandes, podran

    potencialmente sobrevivir, y golpear la superficie de la Tierra suponiendo un riesgo para

    las personas, la industria y las infraestructuras nacionales. Con la informacin correcta

    que genera el sistema SST sobre las predicciones de rbitas, se pueden dar advertencias

    a los gobiernos nacionales de la posibilidad de choque para que puedan tener una

    respuesta equilibrada frente a esta amenaza y garantizar el nivel de seguridad necesario.

    Adems una vez desaparecido el satlite puede darse de baja del catlogo.

    Impulsar la ciencia de CubeSats

    Satlites en miniatura para investigacin cientfica, cuyas caractersticas lo hacen muy

    favorable al medio espacial, y debido a su pequeo tamao no causan muchos problemas

    de colisiones.

    Colisin de objetos

    Como se ha tratado en el trabajo una de las aplicaciones que est teniendo el sistema de

    radar espacial es evitar la colisin de satlites.

    Seguimiento de astros

    Otra aplicacin de este sistema de vigilancia (podra derivarse del punto anterior, desde

    el punto de catalogacin y seguimiento), es el seguimiento de cometas, meteoritos, para

    tener controlado el permetro alrededor de la Tierra.

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    URJC 15

    Aplicaciones futuras y sistemas mejorados

    En la actualidad los sistemas de vigilancia espacial se estn viendo limitados por la

    deteccin de objetos pequeos. Las lneas de investigacin actuales estn desarrollando

    sistemas capaces de detectar objetos de hasta 1cm (0.39 inch) con mucha mayor precisin.

    Un sistema innovador y en completo desarrollo que est dando muy buenos resultados es

    el Space Fence, un programa desarrollado por la Lockheed Martin, para la Fuerza Area

    de EEUU. Este sistema se basa en los mismos principios de funcionamiento que el sistema

    actual; deteccin, catalogacin y seguimiento.

    El Space Fence utiliza radares de Banda S (rango de frecuencias que va desde 1,5 a

    5,2 GHz), la mejora del sistema como la mayor frecuencia de onda de los radares que usa

    el sistema, permitir la deteccin de satlites, microsatlites, y tambin de restos o basura

    espacial mucho ms pequeos que los que detectan los sistemas actuales.

    Este sistema reemplazar al sistema estadounidense de Vigilancia Espacial establecido

    en los aos 60. Se espera que entre en funcionamiento a partir de 2017.

    En Europa el sistema de SST sigue siendo el primer servicio de vigilancia espacial.

    Space Fence

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    URJC 16

    7. Bibliografa

    1. Introduction to radar systems 2ed. Skolnik.

    2. Radar: http://es.wikipedia.org/wiki/Radar

    3. Historia: http://www.unicrom.com/art_historia_radar.asp

    4. Radar: http://www.ajzanier.com.ar/radar.htm

    5. Basura espacial: http://es.wikipedia.org/wiki/Basura_espacial

    6. CRSS: https://sst.ssa.esa.int/cwbi/general/coll_warn_service.xhtml

    7. Viento solar: https://guateciencia.wordpress.com/tag/viento-solar/