radar espacial
DESCRIPTION
...TRANSCRIPT
-
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 5
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 6
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 7
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 8
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 9
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 10
El Telescopio Fabra-ROA en Montsec (TFRM)
Antena EISCAT, Suecia
Imgenes del sensor instalado en 2012 Espaa
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 11
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
URJC 12
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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.
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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
-
Telecomunicaciones para la Aeronavegacin Radar Espacial
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/