La técnica MSPA (Multiple Spacecraft Per Aperture) es uno de los métodos de seguimiento de satélites que se realizan en la red de estaciones del CEIT. La telemetría, el seguimiento y el comando (TT&C) son una parte esencial de cualquier misión espacial. Comprende todas las acciones y procesos necesarios para mantener la salud del satélite. Por regla general, un satélite tiene un transpondedor de TT&C dedicado a bordo, mientras que, en tierra, una estación de TT&C emplea una banda base para facilitar las comunicaciones de TT&C.

Las redes de estaciones suelen contener un número limitado de antenas y bandas base. Esto es debido a la gran inversión de capital que implican. En la actualidad, el número de satélites activos y previstos en el espacio supera con creces las antenas disponibles. Y este problema es mayor si hablamos de espacio profundo.

La técnica conocida como MSPA (Multiple Spacecraft Per Aperture) permite la comunicación con varios satélites a través de una sola antena. En esta estrategia, la antena apunta y sigue directamente a un satélite primario, ese seguimiento es denominado como Main Track, mientras que el seguimiento de los otros satélites no es directo y son designados como Shadow Track. Al no tener un apuntamiento directo solo es posible seguirlos si se encuentran dentro del haz de la antena, es decir, a menos de la mitad del ancho de haz de potencia media del satélite primario. Por lo tanto, los satélites secundarios pueden experimentar una pérdida de 3dB en la relación señal-ruido en el peor de los casos.

Condiciones y limitaciones para utilizar MSPA

La condición principal para poder utilizar esta técnica es que los satélites secundarios no excedan la mitad del ancho de haz de potencia media. El ancho de haz a 3dB para antenas parabólicas se puede aproximar con la siguiente ecuación:

θ_3dB=70(c/fD)

Donde c es la velocidad de la luz, f es la frecuencia central del satélite principal y D el diámetro de la antena.

En la dirección θ con respecto al satélite primario, la ganancia de la antena está relacionada con θ_3dB por la ecuación:

G(θ) = G_max – 12(θ/ θ_3dB)²

La ganancia máxima de la antena es dada por la ecuación:

G_max=η(πDf/c)² = η(π70/ θ_3dB)²

Donde η es la eficiencia de la antena.

Las tres ecuaciones anteriores muestran que la ganancia de la antena y el ancho del haz varían de forma inversa. El ancho de haz puede aumentar si disminuye la ganancia de la antena. Por lo tanto, es necesario hacer una compensación entre el ángulo MSPA máximo y el diámetro de la antena respecto al balance de enlace Link Budget.

Definimos el radio del haz como la distancia de separación máxima entre el satélite primario y el secundario:

R=S θ_3dB / 2

Donde S es el Slant Range, esto es, la distancia en la dirección relativa entre la antena y el satélite.

Por lo tanto, el principal reto para operar con MSPA dependerá del tipo de órbita que tengan los satélites. Cuanto más baja sea la órbita de los satélites el radio de haz será más pequeño debido a un slant range más corto y por lo tanto, será necesario utilizar diámetros de antena más pequeños con la reducción de ganancia asociada o utilizar frecuencias más bajas. Así pues, la técnica MSPA a día de hoy se utiliza con más frecuencia en espacio profundo o en órbitas altamente elípticas (HEO).

Hay que tener en cuenta que el slant range suele ser varias magnitudes superiores a la altitud del satélite, dependiendo del ángulo de elevación del paso del satélite. El slant range solo es igual a la altitud del satélite cuando éste se encuentra directamente sobre la antena de seguimiento, es decir, con un ángulo de elevación de 90 grados.

En cualquier caso, cualquier misión puede aprovechar la técnica MSPA siempre que la separación entre los satélites cumpla las condiciones descritas. De hecho, este tipo de técnica se está estudiando a fondo en la actualidad en las mega constelaciones de orbita LEO, donde cientos de satélites comparten orbitas similares y están muy cerca unos de otros, como es el caso de Starlink, OneWeb, Amazon’s Kuiper, LeoSAt, Telesat. 

Técnicas de MSPA

En la actualidad existen varias técnicas de MSPA. Aún se están estudiando y por lo tanto su implementación es un poco difusa, es porque ello que el CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems) está aún estandarizando estos métodos. A continuación, os vamos a comentar la técnica que utilizamos en la red de estaciones del CEIT.

Single Uplink MSPA: Este método proporciona el enlace ascendente únicamente al satélite principal y por lo tanto, solo este satélite podrá operar en modo coherente bidireccional (two-way) con soporte de ranging, mientras que los otros satélites operaran en modo no coherente unidireccional (one-way). La principal ventaja de este sistema es que es muy simple de implementar ya que cada canal trabaja de forma independiente y la operación es muy similar a las prácticas actuales. La telemetría se encamina a través de cadenas de enlace descendente separadas. Durante las operaciones rutinarias estas cadenas están nominalmente configuradas para el mismo satélite y proporcionan redundancia. Sin embargo, durante las operaciones MSPA, una cadena estará configurada para el main track y las otras cadenas para los satélites shadow track.

Esta es la técnica más usada a día de hoy. Se ha utilizado recientemente en las misiones de espacio profundo Mars Odyssey, Mars Reconnaissance orbiter (MRO), Mars Express y ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) entre otras. La única misión de espacio no profundo donde se está realizando MSPA es la misión CLUSTER, la cual lleva utilizando dicha técnica desde 2014.

Desde la red de estación del CEIT se está dando soporte a la misión CLUSTER, proporcionando los servicios de MSPA en las temporadas en la que se cumplen las condiciones para este evento. En dicha misión se siguen dos satélites a la vez, pero debido a la versatilidad de la configuración de las antenas del CEIT es posible llegar a seguir hasta cuatro satélites con la misma antena.

La técnica MSPA que ejecutamos en el CEIT es la más usada ya que no requiere cambios en la estación o en los satélites. En la actualidad se están estudiando otras que requieren cambios en los transpondedores de los satélites y en los equipos de transmisión y recepción de las bandas base de las estaciones terrenas que permitirán recibir y enviar datos a varios satélites de forma simultánea. Estas técnicas utilizan conceptos de telecomunicaciones como la multiplexacion de datos en tiempo, fase o código (TDMA, FDMA y CDMA).

La técnica MSPA aún está en desarrollo, pero permite el seguimiento de varios satélites gracias a la versatilidad y aprovechamiento de los equipos de las estaciones terrenas. Es por ello que en los planes a futuro de la NASA y la ESA se ha marcado esta técnica como una de las principales guías de desarrollo. Todo apunta a que en el futuro la mayoría de las constelaciones y misiones interplanetarias serán controladas con el uso de MSPA.

Jorge Montes Fernández