AUTOMATIZACIÓN TOTAL DE UNA ESTACIÓN DE RADIO- AFICIONADO PARA SEGUIMIENTO DE SATÉLITES DIGITALES.

Por J. Romualdo Fdez. Tapioles (EA5XE)

La mayoría de satélites para radioaficionado digitales giran alrededor de la Tierra en una órbita baja, entre 1000 y 3000 Km.. . Esto es así fundamentalmente porque su tamaño y potencia son muy pequeños. El tremendo coste ha hecho hasta la fecha prohibitivo el que podamos disfrutar de otros mas potentes. Por ello, y porque la señal que ponen es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, si estuviesen mas lejos no podríamos recibirlos. Así pues su cercanía hace que giren muy rápido alrededor de la Tierra, completando una órbita en una hora y media o dos horas, lo que a su vez nos lleva a la circunstancia de que recorren el arco de cielo que tenemos a la vista, de horizonte a horizonte, en tan solo unos quince minutos. En órbita polar los tenemos pues a nuestro alcance durante seis u ocho veces al día, el resto de los pases los realizan por encima de otras partes del planeta.

Así pues, nos encontramos con la circunstancia de que un satélite que se desplaza a lo largo de las veinticuatro horas del día recorriendo el horizonte de todo el planeta, y lanzando ingentes cantidades de datos todo el tiempo, nos pasa por encima en horarios previsibles, pero muy variables y a veces intempestivos.

Es cierto que podemos prever gracias al uso de los ordenadores su trayectoria y horario con toda precisión, pero no menos cierto que nuestras antenas han de apuntarle durante toda su trayectoria, que varia de un pase al siguiente, y que nuestro receptor ha de variar su frecuencia constantemente a fin de corregir el llamado efecto doppler.

Una forma de hacer el seguimiento es manualmente, lo cual como fácilmente se puede comprender es complicado, pues son muchas cosas las que hay que atender a la vez y además es una esclavitud, pues debido a la caducidad de los archivos y mensajes que el satélite transporta y nuestro temor a perder su contenido cuando muchas veces lo tenemos a medio completar, hemos de asistir a pases a horas intempestivas, cuando no incompatibles con nuestras obligaciones.

Todo ello se puede solucionar recurriendo a la instalación de una estación de seguimiento automático de satélites, que es el sueño de la mayoría de radioaficionados que nos dedicamos a esta actividad tan apasionante.

Para ello necesitamos varios elementos que vamos a enumerar a continuación para después entrar en los detalles.

1º.- Necesitamos el ordenador, por supuesto, donde van a quedar almacenados los datos recogidos, el módem con la TNC correspondiente, o en su caso DSP, que son el interface entre el medio analógico que supone el transceiver y el digital.

El ordenador necesario puede ser un sencillo AT si se trabaja con los programas PB-PG, o un 386 o superior si se trabaja con el WISP bajo Windows.

2º.- Un sistema de ANTENAS adecuado dada la poca potencia de los emisores del satélite y su lejanía.

3º.- EQUIPOS.- Necesitaremos también que el receptor que usemos tenga toma de CAT, es decir, que el acceso al sistema de ordenador que controla sus frecuencias y modos, sea accesible externamente. Como se comprenderá, este sistema solo lo tienen los transceiver de mas alta gama.

4º.- El dispositivo real de seguimiento automático, el que será capaz de mandar las órdenes pertinentes a los rotores para que se muevan en todo momento y encaren al satélite y a la emisora para que esté también en todo momento en la frecuencia adecuada.

5º.- Por último un rotor doble azimut-elevación, o dos rotores compatibles para seguimiento (no valen todos). En el primer caso ya está prevista una toma en el mando del rotor para conectar un cable que irá al sistema de seguimiento, en el segundo hemos de modificar los mandos.

LAS CAVILACIONES.-

Tras varios meses de hacer a mano el seguimiento de los satélites digitales y probar distintas soluciones mas o menos ingeniosas para simplificar el tracking y tunning, me di cuenta de que la única solución era automatizar totalmente la estación. Pero explico un poco mi experiencia a fin de que pueda ser útil a quien siga mis pasos.

Empecé usando un Alinco bibanda, modificado para 9600. El asunto no fue fácil. A los equipos que modulan en fase y no en FM pura, hay que atacar con la señal de 9600 en el PLL, pues no llevan varicap. Pero como el módem siempre saca portadora, vuelve loco al PLL y lo desplaza lo suficiente para que no funcione a 9k6. Uno a oído no nota nada, ni se mueve la frecuencia en el dial, pero o se enmudece el módem o no funciona. Afortunadamente hay dos formas de enmudecer el módem cuando no esta mandando paquetes: o usando una eprom a la que se ha rellenado de unos el espacio vacante, o haciendo una modificación que consiste en enlazar con un hilo ciertas patillas de la eprom de la TNC a la eprom del módem.

Luego estaba el tema de que en Rx la frecuencia del satélite varia por efecto doppler lentamente, mientras que los saltos del equipo son de 5 en 5 Kc. Ademas hay que cambiar de subbanda el equipo cada vez que deseas corregir la frecuencia, todo un engorro.

Por un cajón encontré un antiguo conversor de la Microvawe, de 432 a 28. Tras repararlo pensé que podía ser buena solución el usarlo para recepción junto con mi TS-50 de Kenwood. Por aquel entonces yo ya sabia lo suficiente sobre modificaciones de equipos como para acometer la de mi TS-50 sin mayores problemas, aunque por lo reducido de las dimensiones el asunto se presentaba como una operación de microcirugía. Un amigo me sugirió llevar el equipo a un tío suyo, relojero, capaz de hacer soldaduras en sitios increíbles, pero mi impaciencia pudo mas y aquella misma tarde pude hacer ya el seguimiento de los satélites haciendo el tunning suavemente desde el dial de mi Kenwood.

Hice muchas mas pruebas antes de decidirme por gastar el dinero en los equipos que lo solucionan todo. Así modifiqué a 9k6 todo aquello que cayó en mis manos. La idea era conseguir una gran anchura de banda con la sensibilidad suficiente para que no fuese necesario hacer tunning. Pero sensibilidad y selectividad suelen estar reñidas y la solución nunca llego a ser satisfactoria. Solía dejar por la noche en marcha el sistema, con las antenas apuntando hacia donde el satélite debía permanecer mas tiempo, pero los datos que recogía con este sistema eran siempre muy pocos.

Y es que los satélites tienen horarios que aunque previsibles, suelen ser intempestivos. El protocolo que emplean esta pensado para que todos puedan aprovecharse de los datos que los demás piden. Pero cada vez que alguien sube algo interesante, las estaciones, en su mayoría automatizadas, suelen pedirlo en las primeras pasadas. Si no estas alerta y pierdes esas ocasiones luego te quedas solo pidiéndolo,y si es un archivo un poco largo, es casi seguro que caducará antes de conseguirlo.

Llegado pues a la conclusión de que la modalidad requiere de la absoluta automatización de la estación, y como el gasto es importante, uno debe estar seguro de que esta modalidad le satisface a uno plenamente, y como este era desde luego mi caso, me puse manos a la obra.

LAS ANTENAS.-

Los satélites, situados a varios miles de kilómetros en órbita alrededor de la Tierra, transmiten con un par de watios de potencia en la banda de 430 Mhz. Es necesaria pues una antena de alta ganancia, buen cable de bajada y si esta es un poco larga incluso la ayuda de un buen "previo" a pie de antena. Tenerlo todo es desde luego lo mejor, pero uno se pregunta siempre cual es la mínima y mas rentable combinación necesaria.

Esto depende desde luego de las condiciones particulares de cada cual. Yo soy partidario, si la bajada es corta de usar buen cable, tipo cerflex o aircom, antes que previo, pero si la bajada es larga quizás se deba acudir al previo pie de antena. Un buen previo vale unas treinta mil pesetas, lo mismo que treinta metros de un buen cable, pero un previo puede proporcionarnos una señal en Rx similar en calidad a la que tendríamos con la antena pegada al equipo y el cable, por bueno que sea, va perdiendo, sin embargo el cable nos proporciona una mejora muy importante en Transmisión, si es que vamos a transmitir en esa banda, lo cual también nos puede evitar la necesidad de adquirir un amplificador de potencia.

Casi todo el mundo utiliza antenas cruzadas y polarización circular. En 430 Mhz. suelen ser de 20+20 elementos, espaciado corto y en 2 metros de 10+10 elementos. Son robustas y manejables. Pero yo ya tenia una antena de 21 elementos espaciado largo para 430 Mhz. Una antena enorme, usada en polarización vertical en mi empeño en llegar en UHF a mi BBS, distante 60 Kms. y fuera del alcance visual. Como nadie me explicó convincentemente el por qué de la necesidad de la polarización circular y un amable amigo me dejó una, la instalé con una bajada idéntica a la de 21 elementos, puse un buen conmutador y llegué a la conclusión de que al menos para los Kitsats, mi antena rendía mas que la cruzada. Un alivio, pues la señal, con 20 metros de bajada de RGU-213 era suficiente, aunque algo justa, para evitarme la necesidad de adquirir un previo.

Hay que tener una cosa mas en cuenta, de tipo mecánico. Una antena, tan larga como la mia, si no se separa lo suficientemente de la torreta, puede tropezar con los vientos de la misma al ponerse vertical para seguir a algún satélite que pasa por el zenit. Es además excesivamente direccional, por lo que no soporta casi ningún error en el seguimiento, lo que nos lleva a una instalación muy minuciosa con frecuentes subidas a la torreta. Curiosamente donde mas crítica se muestra es en el calibrado del rotor de azimut.

En transmisión en la banda de dos metros personalmente uso la que tenia, una cubica de seis elementos en polarización vertical. Tanto con ella como con las cruzadas se entra en los satélites con potencias de tan solo tres o cuatro watios, por lo que prácticamente cualquier antena nos puede servir. He de añadir que cuando uno se hace miembro de AMSAT, la asociación que aglutina a los que trabajamos satélites, uno se compromete seriamente a limitar la potencia en beneficio de todos. Y además, por si uno quiere hacer trampa, es posible analizando la telemetría saber la señal que cada uno pone en el satélite y por tanto la que se pone en punta de antena.

LOS EQUIPOS.-

Puestos a automatizar la estación, es imprescindible que el equipo a usar tenga entrada de CAT, es decir, pueda ser controlado por el ordenador. Esto es así porque por efecto Doppler, la frecuencia que nos manda el satélite no siempre es la misma, depende de la velocidad con que se va acercando o alejando de nuestra estación, y por lo tanto requiere de un ajuste continuo. De esto se pueden encargar diversos programas de ordenador, pero es necesario que estos datos sean entrados al equipo para que los corrija.

Todas las principales marcas tienen equipos estrella multimodo y con CAT. Sus diferencias cubren el arco de preferencias de cada cual, así que me limitaré a dar una ligera idea de sus características y dejaré que cada uno adopte la decisión que crea oportuna.

Los equipos mas usados son el ICOM IC-970, el Kenwood TS-790 y el Yaesu FT-736R.

Todos ellos son equipos que vienen de fábrica con módulos para las bandas de 144 y 430 Mhz, pero que pueden ampliarse adquiriendo nuevos módulos, a tres o cuatro bandas, segun los casos.

Del Icom nada que objetar. Da 100 watios en las dos bandas y posee todo lo que se puede desear y aun mas. El unico inconveniente, que no es pequeño es que su valor casi duplica al de cualquiera de las otras dos marcas.

El Kenwood y el Yaesu están emparejados en precio (sobre 350.000 pts en este momento). Las diferencias entre uno y otro son que el Kenwood tiene 50 Watios y doble display, el Yaesu solo 25 watios y display único, sin embargo es este último muy sensible en Rx, pues en UHF tiene un Gaas-Fet de entrada. Cuidado con la sensibilidad de los equipos que suele estar reñida con la selectividad. La elección o búsqueda de un compromiso debe pasar por evaluar la zona donde uno vive. Si es una gran ciudad es mas importante un buen rechazo de frecuencias imágenes y una buena selectividad aunque perdamos en sensibilidad, todo lo contrario de si vivimos en una zona rural en donde los campos magnéticos provocados por otras emisiones van a ser muy escasos.

El Yaesu lleva la fuente de alimentación incorporada y le caben módulos para cuatro bandas, al Kenwood solo para tres. De tamaño y peso son bastante similares. El Yaesu dispone de indicador del discriminador, que permite saber la frecuencia del corresponsal o del satélite.

Ninguno de estos equipos sale de fábrica preparado para los 9k6, aunque se dice que no tardarán mucho en hacerlo. No obstante existen modificaciones muy experimentadas que nos dicen como hemos de hacer, paso a paso las tomas necesarias.

Un asunto muy interesante es sustituir el filtro de 12,5 o 15 Kc que traen por uno de 20 Kc. Ese aumento del ancho de banda procura un mejor rendimiento. En mi caso el filtro sustituido en mi Yaesu 736R es el Narrow, de 7,5 Kc por el de 20 Kc. Es interesante que las modificaciones te las den hechas a fin de no perder la garantía del equipo. En el Kenwood 790 se debe también eliminar un transistor que provoca un chasquido en F.I. cada vez que el equipo cambia de frecuencia, lo que provoca mucha pérdida de datos cada vez que varia el doppler, que es casi continuamente pues se suele hacer de 100 en 100 c/s.

SISTEMAS DE SEGUIMIENTO AUTOMÁTICO

Cinco son los mas conocidos sistemas de seguimiento actualmente. El SatTrak , el TrakBox, el KCT/T, el ON1AIG y el WB5IPM. Aparte hay otro buen número de sistemas en la mayoría de los casos elaborados por radioaficionados que pueden tener una perfecta utilidad y validez pero que no describiremos aquí por ser muchos y menos conocidos.

Los tres primeros son digamos sistemas mas profesionales y completos, mientras que los dos últimos son tarjetas para hacerse uno mismo, muy económicas y con algunos inconvenientes.

El SatTrak y el TrakBox son ordenadores independientes, tienen su propia caja, display y sistema de entrada de datos. De ellos el mas conocido es el Trakbox, se comercializa en Kit y su valor sobre las 70.000 pts.

El KCT/T, que es quizás el sistema mas extendido a nivel mundial es una tarjeta de expansión conectable a un Slot del PC. Su valor sobre las 45.000 pts.

Cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes, o por mejor decir, una utilidad característica para cada forma de hacer satélites. Así por ejemplo el TrakBbox es muy útil para aquellos que sin tener ordenador o conocimientos informáticos quieren trabajar satélites de fonía, pues pueden introducir los parámetros y conocer el horario y dirección de los satélites sin necesidad de conocimientos informáticos. Tiene sin embargo el inconveniente de un mayor precio y de que al ser un proyecto de radioaficionados para radioaficionados, se suministra en KIT. (En la actualidad un grupo de japoneses proyecta el suministro de unidades montadas y probadas, tambien AMSAT UK dispone de algunas unidades ya montadas).

El KCT, muy conocido y apreciado por los radioaficionados de todo el mundo, requiere la utilización de un slot del ordenador y el uso por tanto del mismo nos dediquemos a satélites digitales o a los de fonia.

La tarjeta de ON1AIG y la de WB5IPM pueden realizarse por menos de 2.000 pts.

La de ON1AIG, colega muy activo en los Kitsats, utiliza la tensión que viene del motor del rotor (mas tarde se explica esto) y que indica su posición, para elaborar unas palabras de 8 bits que son introducidas en el PC por el port paralelo. Tiene la ventaja de que por un port serie se puede también controlar el doppler, y el inconveniente de que el bucle de la posición del rotor se cierra en el ordenador, de forma que si este se "cuelga" mientras está mandando una orden de movimiento, podría ocurrir que se siguiese mandando tensión indefinidamente aunque los mismos hubiesen llegado al final de su recorrido, con el consiguiente peligro para la vida del rotor.

La tarjeta de WB5IPM cierra el bucle en la propia tarjeta, por lo que los rotores no corren peligro aunque se "cuelgue" el ordenador. También usa el port paralelo y no controla el Doppler, aunque se puede usar el RadioDrv para esto por un port serie. La ultima versión del Wisp esta preparada para controlarlo directamente.

LOS ROTORES

(Como ahorrar 75.000 pts.)

Hay rotores especialmente pensados para el seguimiento de satélites, son los mas utilizados por los radioaficionados que se dedican a esta actividad. En ellos suele venir en un solo cuerpo el rotor de azimut y el de elevación, con lo que el sistema entero puede instalarse en la puntera de un mástil. El mando viene también preparado para manejo manual o automático y las tarjetas especializadas, como la Kansas City Tracker / Tunning (KCT/T) ya traen un cable para conectar directamente al mando de ese rotor y poner la estación a funcionar sin mas problemas.

Pero estos rotores, tipo Yaesu o Kempro 5400, cuestan por encima de las 140.000 pts. Y ocurre que la mayoría ya disponemos de un rotor de azimut de forma que utilizándolo para el movimiento horizontal, solo necesitaríamos adquirir un rotor de elevación, tipo Yaesu o Kempro 500 (a mitad de precio que el antes mencionado) para completar el sistema. Pues bien, esto y mucho mas, como a continuación se verá es perfectamente factible.

Para que los mandos de los rotores funcionen en automático, obedeciendo las ordenes que reciben del sistema de tracking, es necesario hacerles unas modificaciones muy simples. En resumidas cuentas se trata de poner unos relés que serán activados por el controlador de la misma forma que haríamos manualmente con las llaves de actuación. Estas modificaciones están muy bien explicadas con los esquemas que trae la placa KCT/T.

En lo personal, cuando llegué a este punto me di cuenta que los mandos para controlar rotores son muy sencillos de hacer y ademas a un coste muy reducido. Antes de hacer las modificaciones pertinentes en el interior de sendos mandos, pensé que seria mucho mas conveniente unificar ambos en una sola caja y a fin de no perder la operatividad decidí dejar los mandos manuales originales como estaban y hacer un control manual y automático completamente nuevo.

Fue también muy alentador en la idea el conocer, gracias a mi distribuidor que del valor de un rotor, el 50 % corresponde normalmente al motor y el 50 % restante al valor del mando. Es ademas perfectamente posible encargar sueltos los motores, ahorrándose de esa forma el valor de los mandos, al margen de la gran satisfacción que proporciona confeccionarselo uno mismo y además personalizado. El único inconveniente estriba en que los distribuidores tienen normalmente conjuntos siempre de mando-motor y si se desean por separado algunas de estas piezas, es necesario encargárselas al importador, que suele tardar de tres a cuatro meses en suministrarlo, dependiendo de cuando vaya a hacer su importación, pues no seria rentable pedir un motor suelto.

A continuación pasaré a describir como funciona y puede uno hacerse un mando para rotor.

CONSIDERACIONES.-

Hay fundamentalmente dos tipos de mando-motor. Los que usan en el mando un motor síncrono con el instalado en la base de la antena, y los que simplemente reciben una tensión del motor para conocer su posición.

Los primeros no sirven para el control automático. Son sin embargo los mas precisos y mas caros. Es necesario pues fijarnos al adquirirlo que sea del otro tipo, del que funciona gracias a una muestra de tensión. Nos centraremos pues en este modelo, que es además el mas abundante.

Este tipo de rotores tienen seis hilos para unir el mando con el motor. Tres de estos hilos llevan la corriente alterna de 24 voltios que aplicada a los arrollamientos del motor, que están distribuidos en estrella, lo hace girar en uno u otro sentido dependiendo del arrollamiento a donde se mande la tensión.

Los otros tres hilos suben desde el mando una tensión de 5 voltios que se aplica a los extremos de una resistencia existente en el motor, cuyo cursor se mueve acorde con el movimiento del motor. De esta forma la tensión que el cursor mandará al mando, oscilará entre 0 y 5 voltios dependiendo de su posición, formula de la que nos serviremos para saber en todo momento la orientación del motor.

Suele ocurrir que hay mandos que a pesar de pertenecer a este sistema descrito, no disponen de instrumento de medida para visualizar la posición, sino que esta se fija mediante un mando y el motor gira hasta la posición seleccionada. En estos mandos lo que ocurre es que la tensión que nos manda el cursor sirve para activar un circuito comparador. De esta manera el mando ordenará girar al rotor hasta que las tensiones se igualen que es tanto como decir que está en la posición seleccionada. Este circuito, muy simple, abarata el mando, pues se ahorra el instrumento de medida a cambio de unos pocos componentes de bajo costo, y a la vez supone una comodidad para el operador que no ha de estar apretando una palanca hasta que la aguja indica que el rotor ha llegado al sitio. Pero nosotros hemos de prescindir de este mecanismo para hacer un mando que pueda controlar automáticamente al motor.

Creo que no es necesario insistir en las explicaciones, pues con el esquema que adjunto y las fotografías, podéis daros una idea muy clara de su construcción. Los cinco voltios de continua para la resistencia ajustable se obtienen de un sencillo integrado 7805.

Los condensadores para que arranque el motor de alterna tienen que ser de unos 100 mF y NO POLARIZADOS. Estos se pueden lograr conectando dos condensadores electrolíticos unidos por los polos positivos o negativos, en los polos sobrantes, del mismo signo, tendremos un condensador de la mitad de capacidad pero sin polaridad.

Los instrumentos de medida, en mi caso están sacados de un desguace y son dos miliamperímetros. Le puede utilizar prácticamente cualquier gama de instrumentos. Si son voltímetros se eliminará el shunt interno . Lo mas entretenido es rotular los instrumentos, que depende del gusto y minuciosidad de cada cual. En algunos casos es posible aprovechar al menos parte de la escala impresa, en otros es necesario hacerla nueva. Las divisiones y grados pueden tener un aspecto completamente profesional haciéndolos letras adhesivas de pequeño tamaño.

Esta tensión que nos manda el cursor de la resistencia, sirve además para mover la aguja del instrumento de medida que usaremos en el mando para conocer en todo momento la orientación de las antenas. La calibracion del instrumento es sencilla conectando una resistencia variable de 10 K. al extremo del terminal positivo del instrumento, de forma que aplicando los 5 v. a los que nos hemos referido, la aguja llegue justo a fin de escala.

CONCLUSIÓN

Al final, con unos u otros sistemas, salvados todos los inconvenientes, conectado todo y debidamente calibrado podemos disponer, si todo funciona debidamente, de una estación totalmente automatizada, que sin necesitar para nada de nuestra presencia se ponga en marcha momentos antes de la aparición de cada satélite, que dirija las antenas hacia él y lo siga a través del espacio, que ponga en la emisora la frecuencia adecuada y la varíe con arreglo al doppler, o sea, a la velocidad con la que el satélite se acerca o aleja a nuestra estación, que cambie la frecuencia de emisión con arreglo a lo que el satélite le mande, según la ocupación de unas u otras frecuencias de subida, e incluso que sea capaz de establecer unas prioridades en el caso de que varios satélites coincidan a la vez pasando por encima, prioridades que programaremos nosotros, por supuesto, según nuestras preferencias. O que desdeñe aquellos pases en los que el satélite no alcance una altitud mínima que nosotros le detallemos, o que desdeñe los pases cuando hayamos recogido todos aquellos datos que queríamos obtener... etc. etc. Antes del paso de cada satélite o al finalizar el mismo, o unas horas determinadas, podemos lanzar tambien diversos programas auxiliares, podemos encender equipos o preamplificadores, etc. etc.

Por fin, cuando el satélite haya pasado, las antenas se aparcarán o no, según lo deseemos, pues hay ocasiones en que preferimos que en reposo estén en aquella orientación en que menos resistencia van a oponer al viento, o se direccionarán hacia el BBS distante, el ordenador cargará el softward correspondiente y transmitirá hacia la red de tierra aquellos datos o mensajes que momentos antes ha bajado del satélite, para que otros radioaficionados puedan disfrutar también de ellos.

Hoy día, solo queda al poder de nuestra imaginación el grado de automatización que se puede alcanzar.

Hay mas, mucho mas, de lo que se podria hablar, pero creo que es suficiente de momento para que os hagais una idea bastante clara del tema. Naturalmente quedo QRV para aclararos cualquier duda que pueda surgir.

73 de Romualdo, EA5XE @ EA5VDR.EAV.ESP.EU & @ KO-23, KO-25