Desarrollo de técnicas de procesamiento de señales y análisis de cobertura de eventos GNSS-RO para el USAT-1

Abstract

La Radio Ocultación (RO) es una técnica de sensado remoto que se basa en el análisis de señales de radio emitidas por satélites GNSS y captadas por otros satélites, para obtener información detallada sobre las capas de la atmósfera terrestre que atraviesan dichas señales. Su principal fortaleza radica en su alta resolución vertical, su independencia de las condiciones meteorológicas (ya que funciona incluso con nubes, lluvia o tormentas), y su capacidad de ofrecer cobertura global. Estas características la convierten en una herramienta extremadamente valiosa para estimar variables atmosféricas clave como la presión, la temperatura y la humedad, con aplicaciones directas en meteorología y climatología. Para que un evento de RO ocurra, es necesario que exista una geometría particular entre al menos dos satélites: uno transmisor y uno receptor. En estos eventos, la línea de vista entre ambos debe quedar parcialmente bloqueada por la Tierra, de modo que la señal atraviese la atmósfera antes de llegar al receptor. Esta configuración se logra combinando satélites de órbita media o alta (como los satélites GPS en MEO) y satélites de órbita baja (LEO), que se encargan de recibir las señales afectadas por la atmósfera. A medida que la señal GNSS atraviesa la atmósfera, experimenta variaciones y aceleraciones de fase debido a las propiedades físicas del medio, el cual es dispersivo. El objetivo del procesamiento de RO es hacer un seguimiento preciso de la fase de la señal, ya que a partir de ella se derivan los parámetros físicos de interés. No obstante, estas variaciones son tan rápidas que los métodos de seguimiento convencionales, como los lazos de enganche de fase (PLL), no pueden ser utilizados: la señal puede superar aceleraciones de más de 2000 rad/s, mientras que los PLL típicos solo toleran hasta 300 rad/s. En este contexto, la tesis propone un nuevo esquema de seguimiento de señales de alta dinámica especialmente diseñado para eventos de radio ocultación en satélites de órbita baja. En lugar de utilizar un PLL tradicional, se implementa un filtro de Kalman, que permite las incertidumbres propias del sistema. Esta arquitectura no habí a sido previamente abordada en la literatura técnica para este tipo de aplicaciones entre satélites MEO y LEO, lo que marca un aporte original al área. El trabajo se centra en el USAT-I, un satélite universitario desarrollado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata, aunque el desarrollo propuesto es fácilmente extrapolable a cualquier satélite de características similares. Dado que no se dispone de muestras reales de señales GNSS-RO de libre acceso en bruto (nivel 0), se desarrolló además un simulador completo de eventos de radio ocultación, que permite generar señales sintéticas representativas, adaptables a distintas constelaciones (GPS, GLONASS, etc.) y a cualquier órbita de satélites LEO. Los resultados obtenidos muestran que el filtro de Kalman logra un seguimiento preciso de la fase de portadora en escenarios de alta dinámica. Esto permite extraer de manera confiable el Doppler en exceso, parámetro fundamental a partir del cual se calculan las variables atmosféricas mencionadas.