System of reception of satellite information based=
on SDR
Mónica Zabala.[1], Gary Cabeza. [2], Mayra Pacheco. [3], Byron Casignia. [4]. & Alejandra Ońate. [5]
Recibido: 27-03-2019 / Revisado: 25-04-209 /Aceptado: 19-05-=
2019/
Publicado: 05-06-2019
=
The implementation of a satelli=
te information reception system based on SDR starts from the fact of imitat=
ing the Outernet service, which is to provide basic information on meteorol=
ogy, news, sports, etc, through the constellation of cubesats, the disadvantage that presents outhernet is that the reception of information is in =
real time according to the satellites period, to solve this problem is pro=
posed a satellite information reception system designed in three phases. Th=
e tracking phase consist in the antennas design knows as Double Cross and T=
urnstile which are used to receive information from the NOAA meteorological=
satellites and yagi to obtain telemetry information from the CubeSat=
of the OSCAR-AMSAT family, both of them are evaluated respect to the perfo=
rmance in different proposed scenarios. The scenarios are governed by diver=
se climatic factors and indoor and outdoor places around the city of Riobam=
ba, the information received is decoded using the USB RTL-SDR dongle in con=
junction with free software WxtoImg, SDRsharp, Orbitron and FOX Telemetry Analysis Tool. The second =
and third phase consists of the storage and distribution through a WEB serv=
er to a LAN network. The satellite images with different SNR are obtained a=
ccording to each scenario, the Double Cross antenna is the most reliable in=
design and reception compared to the Turnstile antenna in an open environm=
ent and away from local contamination by various communication systems, wit=
h respect to the OSCAR-AMSAT satellites the yagi designed antenna works correctly in order to dow=
nload telemetry information.
|
|
Keywords.
Resumen.
La impl=
ementación
de un sistema de recepción de información satelital basado en SDR parte desde el hecho de imitar el servic=
io de Outernet el cual es brindar información básica de
meteorología, noticias, deportes, entre otras, a través de la constelación =
de cubesats, la desventaja que presenta outhernet
es que la recepción de información en tiempo real de acuerdo al periodo del
mismo, para solventar este problema se propone un sistema de recepción de
información satelital diseńado en tres fases, la primera de tracking se dis=
eńa antenas
Double Cross, Turnstile y yagi para evaluar el rendimiento en diferentes escena=
rios
propuestos, las dos primeras son utilizadas a la recepción de información de
los satélites meteorológicos NOAA y la tercera para la obtención de informa=
ción
de telemetría de los CubeSat de la familia
OSCAR-AMSAT. Los escenarios propuestos se rigen a factores climáticos diver=
sos
y lugar de recepción dentro y fuera de la ciudad de Riobamba, la informació=
n recibida
es decodificada utilizando el dongle USB RTL-SDR en conjunto con software l=
ibre
WxtoImg, SDRsharp, =
Orbitron y FOX Telemetry =
Analisys Tool, la la segu=
nda y
tercera fase, consiste en el almacenamiento y distribu=
cion
a través de un servidor WEB a través de una red LAN. Se obtiene las imágene=
s satelitales
con diferente SNR de acuerdo a cada escenario, resulta la más fiable en dis=
eńo
y recepción la antena Double Cross en comparaci=
ón con
la antena Turnstile en un ambiente abierto y al=
ejado
de la contaminación local por diversos sistemas de comunicación, respecto a=
los
satélites OSCAR-AMSAT la antena yagi diseńada
funciona correctamente en la descarga de información de telemetría
Palabras
Claves. Tecnolo=
gías
y Ciencias de la Ingeniería, Telecomunicaciones, Comunicaciones Satelitales,
Antenas omnidireccionales, Teledetección, Telemetría, =
National
Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), CubeSat,
RTL-SDR.
.
Introducción
Actualmente los sistemas =
de
radiofrecuencia utilizados para el envío y transmisión de información permi=
ten
la difusión de servicios a zonas remotas con escasas de infraestructura de
telecomunicaciones permitiendo así la inclusión de sectores a la era digita=
l.
Según (MINTEL, 2018) el Ministro de Telecomunicaciones y =
de la
Sociedad de la Información, expuso que no cabe duda que la transformación
digital es necesaria para encajar en la era del conocimiento, en la que
vivimos. Sin embargo, a pesar de l=
as
actuales inversiones ejecutadas por los organismos internacionales en coordinación con los públicos se pretende expand=
ir
el acceso a la banda ancho móvil en el territorio nacional (Expreso, 2018). De esta manera=
se plantea
reducir la brecha digital como una de las fases del plan nacional de
telecomunicaciones presentado por el ministerio (MINTEL, 2019). El desarrollo de la indus=
tria aeroespacial
permite contar con servicios de alta calidad enfocados al estudio y monitor=
eo
del espacio utilizados en diversas áreas de investigación y enseńanza
considerando las ventajas que ofrece respecto a otros sistemas de comunicac=
ión
terrestres. La implementación de constelaciones de satélites en las diferen=
tes
órbitas permite ofrecer diversos servicios en tierra con sistemas de recepc=
ión
especializados de alto costo. En la actualidad por la disponibilidad de
hardware y software libre es posible construir el receptor para decodificar=
la
información de ciertos satélites que transmiten en forma libre y por broadc=
ast
evitando gastos excesivos con resultados aceptables trabajos realizados. En
ecuador este tipo de iniciativas se han ejecutado ya a través de proyectos =
de
implementación de receptores multibanda de bajo costo para recepción de
imágenes satelitales (Flores, G. & et al. , 2=
018) con el objetivo de capta=
r un rango
de frecuencias de operación satelital para su posterior decodificación y
utilización de información para diversos fines como lo demuestra el
Observatorio Astronómico de Quito que a través de la implementación de
receptores de bajo costo captan seńales de los satélites NOAA para la
caracterización de sitios astronómicos (Flores, G=
. &
et al. , 2018). Uno
de los servicios gratuitos es Outernet que se c=
rea como
alternativa para la transmisión de paquetes de tamańo establecido que conti=
ene
información multimedia, radio, meteorológico, entre otras, sobre un ancho de
banda limitado; para su recepción por medio de la tarjeta propia del fabric=
ante
denominado dreamcatcher (Outernet, 2018). El objetivo del proyecto=
es
brindar una solución similar a ésta arquitectura, pero considerando la
información de los satélites meteorológicos de acceso libre NOAA (
Desarro=
llo.
Un
satélite es un objeto artificial diseńado y construido en tierra, ubicado en
órbitas específicas de acuerdo a la misión y requerimientos de funcionamien=
to
del servicio. La principal función es transmitir información hacia el segme=
nto
terrestre para su procesamiento y almacenamiento. El conjunto de satélites =
es
considerado una constelación con un propósito específico que de acuerdo a su
ubicación y velocidad respecto a la tierra determinará su periodo de
traslación, cobertura y fin. La arquitectura está conformada del segmento
espacial que se compone del vehículo espacial o satélite, el segmento de
control que su función es comunicarse con el satélite y controlar los parám=
etros
de operación a través del monitoreo de mensajes de Telemetría y el control =
y rectificación
de funcionamiento por medio de enlaces Telecomando y
Control. Finalmente, el segmento de usuario engloba todas las aplicaciones =
en
tierra (Maral G., 2009). Un CubeSat
se considera a cualquier satélite que pese menos de 300 kg que debe cumplir=
con
criterios específicos que controlan factores como la forma, tamańo y peso q=
ue
se basan en la unidad estándar de CubeSat denom=
inado 1U.
1U CubeSat es
un cubo de 10 cm con una masa de aproximadamente 1 a 1.33 kg.
Outernet es un proyecto que se basa en una red global
que actualmente se encuentra en desarrollo por la organización sin fines de
lucro MDIF (Media Development Investment
Fund), esta organización con sede en los Estado
Unidos de América se estableció en el ańo de 1995. Su objetivo es la proveer
transmisión multimedia a receptores pequeńos y portátiles de bajo costo de =
tasa
de transmisión baja aproximada de 10 Mbytes
permitiendo el acceso a información multimedia de radiodifusión, informació=
n de
emergencias, educación, noticias, datos meteorológicos entre otras, sin la
necesidad de registro ni tarifas recurrentes facilitando así una nueva
plataforma de comunicación accesible para todos (MDIF, 2=
019).
RTL-SDR es un
dispositivo USB fácil de usar y de muy bajo costo que recibe seńales de rad=
io
RF (Radio Frecuencia). Originalmente, estos dispositivos estaban diseńados =
para
ser utilizados como receptores DVB-T (Digital Video Broadcast-Terrestial), pero puede operar SDR genéricos, es deci=
r solo
como receptores, configurándolos en modos diferentes siendo capaces de reci=
bir
cualquier seńal en el rango que generalmente es de 25 MHz a 1.75 GHz (Stewart
B. & et al., 2015) las
cuales son convertidas en banda base, las digitaliza y el dispositivo envía
muestras de la seńal de banda base a través de su interfaz USB hacia el sof=
tware
de procesamiento digital seleccionado.
Metodología
Se plantea un
sistema de recepción de imágenes satelitales e información de telemetría de=
los
satélites NOAA y OSCAR-AMSAT, se construye antenas basado en los parámetros=
de
transmisión. Para la demodulación de la información se utiliza el SDR en co=
njunto
con software SDRsharp (RTL-SDR=
, 2019) y WxtoImg (WmtoImg,
2019)
para visualización de las imágenes. En el caso del satélite OSCAR-AMSAT será
necesario el software FOX1 Telemetry Analys Tool disponible en (Amateur=
Radio
in Space, 2019). <=
o:p>
Figura 1. Esquem=
a de implementacion
del sistema de recepción de información satelital
Antenas
ˇ&nb=
sp;
Yagui
Para la recepción de la telemetría de la familia d=
e los
satélites OSCAR-AMSAT el AO-85, AO-91 y AO-92 se utiliza una antena yagi con frecuencia de operación de 437 MHz en la ban=
da
UHF, el diseńo de la antena consta de 5 directores, 1 reflector adicional y=
un dipolo.
Para encontrar la longitud de cada elemento y la separación a detalle en (<=
/span>Cabezas
G., 2018).
Esta es una de las antenas más simples y económicas
que se puede realzar para la recepción de las imágenes en formato APT (Automatic Picture Transmision),
presenta un diagrama de radiación omnidireccional (Cabezas
G., 2018), lo que benefic=
ia
en la captación de la seńal desde el satélite, a diferencia de las antenas
directivas.
ˇ&nb=
sp;
Double Cross
La antena Double Cross posee un diagrama=
de
radiación que presenta un área de cobertura de media esfera el cual permite=
que
la recepción de la seńal de los satélites sea mucho mejor. Para el correcto=
funcionamiento
de esta antena se debe de considerar dos parámetros fundamentales los cuales
son la frecuencia de trabajo y la polarización (Cabezas G., 2018).
Sistema de recepción de
información satelital
El sistema=
se
plantea en 3 fases (Ver Figura. 2):
Figura 2.<=
/b> Sistema
de Recepción de información satelital
En la Figu=
ra. 3
se observa la primera fase de la implementación la cual es el tracking
satelital el cual consta del diseńo y construcción de antenas, configuración
del RTL-SDR y decodificación de imágenes satelitales.
Figura 3. Subsistema de Tracking
El aporte =
de la
propuesta es el almacenamiento de la información decodificada en un sistema=
de
gestión base de datos para la creación sitio web de publicación. La
implementación esta esquematizado en Figura. 4, se realiza en WAMP-SERVER, =
para
mayor detalle de la implementación verificar en (RADIO D=
IGITAL
URE, 2016).
Figura 4. Subsistema de almacenamiento web
ˇ =
Fase III: Distribución de datos
Una
vez implementado el servidor es posible la distribución y acceso a la
información satelital decodificada por medio una interfaz de interacción co=
n el
usuario o portal web (Ver Figura. 5) para descargar la información de inter=
és.
Figura 5. Interfaz w=
eb
Resultado=
s
Se propone escenarios de prueba de diferentes
condiciones bajo el cual se pone a prueba el rendimiento de las antenas
construidas y el nivel de SNR en el receptor y así determinar cuáles de ell=
as son
las mejores condiciones para la recepción de la seńal.
En
la Figura. 6 se muestra la imagen del día 28 de mayo del 2018 tomada a las
18:03 horas en ausencia de lluvias y cielo despejado, la imagen muestra rui=
do después
de 10 minutos de la recepción.
Figura
6. NOAA 15, 28 de mayo-2018 Antena Double Cross Ausencia de lluvia=
El software W=
xtoImg
permite aplicar filtros de color, la herramienta es Multi Spectral
Analysis (MSA) con esto se consigue mejorar la
calidad de las imágenes asignando coloración a la nubosidad, tierra y mar c=
omo
se observa en la Figura 7.
Fi=
gura
7. Imagen con MSA de NOAA 15 del 28 de mayo 2018
Bajo estas condiciones de cielo
despejado y en ausencia de lluvia se obtuvo una imagen legible, con un SNR =
de
26 dB como se observa en el análisis de espectro en la Figura 8. Los nivele=
s de
seńal teóricos para la recepción de una buena seńal son entre 10 - 31,024 d=
B por
lo tanto con un nivel de 26 dB la imagen es considerablemente buena.
Fi=
gura
8. Análisis de espectro NOAA 15
ˇ =
Escenario 2.- Antena Double Cross=
en
presencia de Fuertes Lluvias
En
la Figura 9 capturada el día 23 de mayo del 2018 a las 17:30 horas presenta
ruido en exceso debido a la presencia de lluvias y viento fuerte durante la
recepción provocando la inestabilidad de la antena, se puede observar que,
debido a la lluvia, la imagen muestra densa concentración de nubes.
Fi=
gura
9. NOAA 18, 23 mayo 2018 Antena Double Cross Lluvia Fuerte
En la Figura 10 se observa el análisis del espectr=
o de
la seńal recibida bajo estas condiciones climáticas y se puede notar que el=
SNR
es de 10 dB el cual es inferior al del escenario 1 y este nivel de SNR se
encuentra en el margen inferior del nivel teórico analizado anteriormente p=
or
lo que se justifica la mala calidad de la imagen.
ˇ =
Escenario 3.- Antena Turnstile en=
Ausencia
de lluvias
La
principal desventaja de la antena Turnstile es =
la escasa
ganancia, en la Figura 11 se muestra que la antena no es capaz de capturar =
una
imagen amplia sin ruido, sólo capta la seńal del satélite por alrededor de =
2 o
3 minutos pasado ese tiempo solo captura interferencias y ruido.
Fi=
gura
11. Imagen con antena Turnstile en ausencia de lluvi=
a
Figura 12. Imagen Filtro M=
SA
antena Turnstile en ausencia de lluvia
El
análisis del espectro de la imagen durante los 3 minutos de recepción se
muestra en la Figura. 13 el cual indica un nivel de SNR de 26 dB igual al q=
ue
la antena Double Cross a diferencia de que la
recepción de esta última dura más tiempo por lo que la imagen es mucho más
amplia y con menos ruido. De igual manera este nivel de seńal es muy bueno =
y se
encuentra dentro del rango teórico.
ˇ =
Escenario 4.- Antena Turnstile con
Fuertes Lluvias.
En la Figura. 14 se observa la
presencia de ruido en la imagen la antena Turnstile
tiene problemas con respecto a la ganancia y solo es capaz de recibir las
seńales satelitales por no más de 3 minutos.
En
cuanto al análisis del espectro bajo estas condiciones, se observa que la
relación seńal a ruido es de solo 10 dB muy inferior al escenario anterior =
de
la misma antena, con este nivel de SNR no es posible obtener una buena imag=
en porque
se encuentra en el límite teórico inferior calculado anteriormente, por est=
as
razones se determina que esta antena no funciona correctamente bajo estas
condiciones climáticas.
ˇ =
Escenario 5: Fuera de la ciudad.<=
/span>
La recepción de la imagen tomada el 3 de junio del
2018 a las 16:17 horas de Ecuador en el refugio del Volcan Chimborazo, bajo
buenas condiciones climáticas, cielo despejados y ausencia de lluvias además
considerando un factor importante el cual es la lejanía a otras posibles
interferencias. Las pruebas se hicieron con la antena Double Cross ya que en
experimentos anteriores esta demostró un mejor rendimiento
En las Figura 16 - 17 se puede observar que la ima=
gen
mejoro considerablemente, existe menos ruido y se recibe imágenes de mayor
cobertura cubriendo territorio colombiano, venezolano y brasileńo.
Además, en la Figura 16 se observa el análisis de
espectro con un SNR de 29 dB el cual es el mejor SNR obtenido con los satél=
ites
NOAA y además es el que más se acerca al límite superior de 31,024 dB
calculado.
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
Para la adquisición de seńales de los satélites NOAA y
OSCAR-AMSAT es necesario la construcción de una estación terrena que consta=
de
antenas diseńadas de acuerdo a las características de operación del sistema=
de
comunicación satelital, así como de un decodificador de la seńal que se rea=
liza
a través de la tecnología SDR para el posterior procesamiento a través de
software libre en el ordenador.
ˇ&nb=
sp;
Los niveles de seńal en el receptor teóricos calculados d=
an
un valor aproximado de SNR mínimo de 10 dB y máximo de 31.024 dB lo que nos=
da
una referencia para las pruebas establecidas, las cuales se proponen 6
escenarios en diversas condiciones climáticas para evaluar el rendimiento y=
versatilidad
de las antenas. Para la recepción de las imágenes satelitales del satélite =
NOAA
se evalúa la antena Double Cross y Turnstile comparando su rendimiento en la recepción d=
e la
seńal, en ambos casos se obtienen valores similares de 26 dB en ausencia de
lluvias y 10 dB con fuertes lluvias, sin embargo la antena Double
Cross muestra mayor tiempo de conexión con el satélite en un intervalo de 5=
-6
minutos mostrando una cobertura mayor a diferencia de la antena Turnstile que mantuvo un tiempo de conexión de 4 minu=
tos
esto se debe principalmente a la ganancia que presenta, lo cual la hace una
antena con poca confidencialidad en recepciones de imágenes en formato APT.=
ˇ&nb=
sp;
En lugares altos, despejados y poco saturados por los dem=
ás
sistemas de comunicación inalámbricos, la antena Doubl=
e
Cross presenta mejor rendimiento obteniendo una SNR de 29 dB siendo este el
mejor obtenido respecto a los demás escenarios, como es el caso del escenar=
io
en las faldas del volcán Chimborazo ubicado aproximadamente a 4386 msnm,
ˇ&nb=
sp;
El servicio de Outernet es pr=
opiedad
de la empresa estadounidense del mismo nombre con infraestructura propia de
software y hardware para la recepción de información satelital de su
constelación, sin embargo, por la limitación del acceso a estos recursos se
opta por utilizar RTL-SDR y software libre como alternativa para la creació=
n de
una estación terrena propia proponiendo un servicio similar al de Outernet. El dispositivo RTL-SDR sirve para la recepc=
ión de
las imágenes satelitales sus características son óptimas para este tipo de
trabajos y además reducen drásticamente la infraestructura del hardware que=
hoy
en día son utilizadas en la meteorología, adicional a esto su precio es
accesible, así que para radioaficionados que se estén iniciando en este tema
este dispositivo es una buena herramienta, pero hay que tener en cuenta
restricciones de uso.
Referencias
bibliográficas.
=
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de Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información. (2018). MINTEL
promueve el desarrollo del país, a traves de la reduccion de la brecha digi=
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la-brecha-digital-y-la-apropiacion-de-las-tic/
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pace, (2019).
FoxTelem Software for Windows, FOX Telemetry Decoder. Disponi=
ble
en: https://www.amsat.org/foxtelem-software-for-windows-mac-linux/
=
[15] Cabezas
G., (2018). Análisis e Implementación del Servicio de Outernet por Medio de
Micro Satélite para la recepción de Información en el Laboratorio de Microo=
ndas
y Comunicaciones de la Facultad de Informática y Electrónica, Tesis pregrad=
o,
Escuela de Ingeniería en Telecomunicaciones y Redes, ESPOCH, Riobamba, Ecuador.
=
[16] Cabezas
G., (2018), Análisis e Implementación del Servicio de Outernet por Medio de
Micro Satélite para la recepción de Información en el Laboratorio de Microo=
ndas
y Comunicaciones de la Facultad de Informática y Electrónica, Tesis pregra=
do,
pp. 44 46, Escuela de Ingeniería en Telecomunicaciones y Redes, ESPOCH,
Riobamba, Ecuador.
=
[17] Cabezas
G., (2018), Análisis e Implementación del Servicio de Outernet por Medio de
Micro Satélite para la recepción de Información en el Laboratorio de Microo=
ndas
y Comunicaciones de la Facultad de Informática y Electrónica, Tesis pregrad=
o,
pp. 47 51, Escuela de Ingeniería en Telecomunicaciones y Redes, ESPOCH,
Riobamba, Ecuador.
=
[18] RADIO
DIGITAL URE. (2016). Foro de la Vocalěa de Radio Digital. https://radiodigi=
tal.ure.es/foro/viewtopic.php?t=3D333.
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Zab= ala, M., Cabeza, G., Pacheco, M., Casignia, B., & Ońate, A. (2019). Sistema de recepción de información satelital basado en S= DR. Ciencia Digital, 3(2.6), 446-463. https://doi.org= /10.33262/cienciadigital.v3i2.6.591
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de
Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes, Riobamba Ecuador, m=
_zabala@espoch.edu.ec
[2]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y
Electrónica, Escuela de Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Rede=
s, Riobamba
Ecuador, garyact26@hotmail.com
[3] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de
Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes, Riobamba Ecuador, <=
/span>mayra.pacheco@espoch.edu.ec
[4] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de
Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes, Riobamba Ecuador, b=
casignia@unach.edu.ec
[5] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de
Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes, Riobamba Ecuador, <=
span
class=3DSpellE>monate @espoch.edu.ec
www.cie=
nciadigital.org =
Vol.
3, N°2,6 p. 446-463, abril - junio, 201