REVISTA INNOVACIÓN Y SOFTWARE Vol. 5 Nº. 1 Marzo – Agosto 2024 ISSN Nº 2708-0935
RECIBIDO 10/08/2023 ● ACEPTADO 05/11/2023 ● PUBLICADO 30/03/2024
RESUMEN
En esta investigación se presenta el diseño y construcción de una estación terrena de bajo costo,
compuestas por una antena Yagi , Amplificador de bajo ruido (LNA) y un nodo receptor LoRa que
permite recepción de señales de CubeSats basadas en tecnología LoRa, para lo cual se emplearon
Pablo Anibal Lupera Morillo
Escuela Politécnica Nacional. Quito,
Ecuador.
pablo.lupera@epn.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-0416-4980
gary.flores@epn.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-3815-7866
darwin.mena@epn.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-1186-4448
David Benalcazar Rojas
Escuela Politécnica Nacional. Quito,
Ecuador.
david.benalcazar@epn.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-5174-9482
ARK: ark:/42411/s15/a116
DOI: 10.48168/innosoft.s15.a116
PURL: 42411/s15/a116
henry.llumiquinga@epn.edu.ec
Santiago Sandobalin Guaman
Escuela Politécnica Nacional. Quito,
Ecuador.
santiago.sandobaling@epn.edu.ec
ericsson.lopez@epn.edu.ec
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conceptos de diseño general de antenas y amplificadores electrónicos y se comprobó el diseño
mediante pruebas de laboratorio de características eléctricas, radiación de señal y respuesta en
frecuencia con lo que se pudo recibir datos de telemetría de los satélites CubeSat LoRa.
Palabras claves:
Bajo costo, estación terrena LoRa, CubeSat, recepción LoRa, satelital.
ABSTRACT
This research article presents the design and construction of a low-cost ground station, consisting
of a Yagi antenna, Low Noise Amplifier (LNA), and a LoRa receiver node, enabling the reception
of CubeSat signals utilizing LoRa technology. The design incorporates general antenna and
electronic amplifier design concepts and was validated through laboratory tests assessing elec-
trical characteristics, signal radiation, and frequency response. This setup successfully received
telemetry data from LoRa-based CubeSat satellites.
Keywords:
CubeSat, low cost,LoRa ground station, LoRa reception, satellite.
INTRODUCCIÓN
Los últimos avances en materia espacial y satelital emplean nuevas plataformas de
comunicación [1], permitiendo que satélites investigativos y de desarrollo, como son los CUBESAT
y los PICOSAT, usen dichas plataformas de largo alcance y empleadas en internet de las cosas
(IOT). Una de estas plataformas es Lo-Ra cuyo nombre significa cobertura de largo alcance (LOng
RAnge) y que es un estándar de red inalámbrica basado en la modulación de espectro ensanchado
de CHIRP (Compressed High Intensity Radar Pulse) en una señal cuya frecuencia aumenta o
disminuye con el tiempo [2].
En la actualidad varios desarrollos espaciales hacen uso de estas tecnologías, uno de los más
recientes es el ideado por Julián Fernández, un adolescente que propuso la idea de enviar un
PicoSat de 250 gramos que emplea la tecnología LoRa y de código abierto, para logar
comunicaciones con satélites pequeños de experimentación. Para ello creó la empresa FOSSAAT
[3] y con el apoyo de start ups y crowfunding, permitió poner en el espacio a FossaSat-1, el 12
de junio de 2019, el primer satélite LoRa basado en el estándar PocketQube para CubeSat que
tienen un tamaño de 5x5x5cm. Ésta primera experiencia permitió que miles de datos de
telemetría sean recibidos por estaciones terrenas en muchas partes del planeta [4].
Se ha constatado en investigaciones previas sobre comunicaciones satelitales [5] que la
utilización de componentes económicos, previamente validados en entornos de laboratorio y
posteriormente implementados en la recepción de señales satelitales, ha arrojado resultados
sumamente efectivos. Basándonos en estas premisas, se ha concebido un sistema que reúna
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tanto las especificaciones requeridas para la recepción de datos LoRa como la ventaja de emplear
componentes de bajo costo.
En la actualidad existen varios satélites LoRa que se encuentran rotando a la tierra en una
órbita baja LEO (acrónimo del inglés Low Earth Orbit) donde sus distancias oscilan cerca de los
400 km. [6] y sus tiempos de rotación por los polos es cercana a los 92 minutos, por lo que
diariamente se pueden obtener varios pases sobre la estación terrena instalada en tierra, sin
embargo, no todos los pases tienen las mejores características para poder recibir los datos, por
lo que se limita a uno o dos pases diarios del satélite que permiten recibir correctamente los
datos.
Para poder captar a esos satélites, una de las cosas a tomar en cuenta es saber los pases del
satélite con sus horarios exactos para apuntar las antenas directivas y con ello captar los datos
que se transmiten desde más de 400 km de distancia. Adicionalmente la señal a recibir suele ser
muy débil debido a las atenuaciones atmosféricas, las perdidas por distancia, zona de Fresnel y
apuntamiento.
Para lograr que estos paquetes LoRa sean recibidos con éxito en tierra se requiere de una estación
terrena [7] [8]receptora, que cuente con un sintonizador que procese las señales con
protocolo LoRa y además de un amplificador de bajo ruido (LNA) conectado a una antena de alta
ganancia, que esté diseñada para trabajar a la frecuencia de transmisión del satélite receptado.
En el presente estudio se propone el diseño, construcción y pruebas de una estación terrena para
CubeSat que apliquen tecnología IoT- LoRa con dispositivos de bajo costo, por cuanto cada vez
son más instituciones de estudio e investigación al igual que universidades las que requieren
contar con estaciones terrenas para CubeSat.
La estación consta de un módulo LoRa de desarrollo que posee un procesador ESP32[9] con
varios pines de entrada y salida multiprósito y cuyo precio no supera los 45 USD, de igual
manera se emplea un LNA[10] de diseño propio y cuyo costo en materiales es menor a los
30 USD y se complementa con una antena tipo Yagi diseñada específicamente para trabajar a
las frecuencias de los CubeSat con tecnología LoRa y que es de construcción propia, hecha
con tubos de aluminio y materiales comunes.
Materiales y métodos
El presente estudio se empleó el diseño electrónico al igual que el diseño y simulación de antenas,
también con los diseños planteados se hizo las pruebas de laboratorio y en campo para determinar
el acertado desempeño de la estación terrena LoRa, con lo que se puedo construir la primera
estación terrena para CubeSat-LoRa de Ecuador.
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Para entender la manera como se envían las señales desde estos satélites LoRa, es necesario
definir de que se trata el protocolo LoRa.
LoRa, que se aplica a comunicaciones con Largo Alcance emplea un tipo de modulación en
radiofrecuencia patentado por Semtech [6][10], que, por emplear una modulación de espectro
ensanchado, permite atravesar obstáculos y que en transmi-siones abiertas ofrece grandes
coberturas por su mayor sensibilidad de recepción con ni-veles muy bajos de señal [2]que entre
sus principales características se encuentran:
• Alta tolerancia a las interferencias
• Alta sensibilidad para recibir datos (-168dB)
• Basado en modulación chirp
• Bajo consumo para nodos, hasta 10 años con una batería
• Largo alcance, 10 a 20 km para enlaces en tierra
• Baja transferencia de datos (hasta 255 bytes)
• Conexión punto a punto
• Frecuencias de trabajo: 915MHz- América, 868MHz – Europa,433MHz - Asia (en el caso
de los CubeSat es la frecuencia más empleada).
Todo esto hace a la tecnología LoRa ideal para conexiones a grandes distancias y para redes de
IoT que se pueden utilizar en ciudades inteligentes, lugares con poca cober-tura celular o redes
privadas de sensores o actuadores.
LoRaWAN es protocolo de red que usa la tecnología LoRa, para redes de baja potencia y área
amplia, LPWAN (Low Power Wide Area Network) empleado para comunicar y administrar
dispositivos LoRa con uso del internet [11]. El protocolo LoRa-WAN se emplean dispositivos
denominados gateways y nodos:
Los gateways con sus antenas son los encargados de recibir y enviar información a los nodos y a
su vez permitir la comunicación en la nube o internet.
Nodos o dispositivos: son los elementos finales que envían y reciben información hacia el Gateway
haciendo uso de la antena [12].
Con la comunión de gateways y nodos sumados al uso de internet se tiene un sistema que ofrece
muchas prestaciones y aplicaciones, así como bondades en comunicación a grandes distancias,
con bajo consumo en energía y con niveles de señal muy pequeños [12].
Uso Del Protocolo Lora En Picosatélites
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En las comunicaciones CubeSat se envían de pequeños volúmenes de información y se requiere
que se puedan recibir y decodificar cuando las señales presenten niveles muy bajos, por lo que
se emplea LoRa[4],[1] y de acuerdo a los primeros resultados obtenidos en recepción a nivel
mundial, se han logrado comunicaciones exitosas.
Con el primer lanzamiento de un Picosatélite LoRa en el 2019, varios investigadores entusiastas
se organizaron para recibir esos datos, y crearon la plataforma TinyGS, que es una red abierta
de estaciones terrestres distribuidas por todo el mundo para recibir y operar satélites LoRa,
sondas meteorológicas y otros objetos voladores.
Inicialmente TinyGS nació bajo el nombre ESP32 Fossa Groundstation, desarrollado con la
finalidad de recibir las señales para el satélite FossaSAT-1 LoRa, en noviembre del 2019.
Actualmente, la red está abierta a cualquier satélite LoRa y también para otros objetos
voladores que transmitan con una modulación en radio como FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa y
OOK. con lo que el proyecto pasó a llamarse TinyGS.
La plataforma TinyGS cuenta, a octubre del 2023, con 4391 miembros de los cuales existen 1377
estaciones activas alrededor del mundo. La plataforma cuenta con una página web donde se
muestran las estaciones terrenas y sus ubicaciones en el mapa, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Mapa de estaciones satelitales LoRa a nivel mundial a octubre 2023 (TinyGS).
Componentes del sistema receptor LoRa
El sistema de recepción como indica el diagrama de la Figura 2, está formado por una antena de
recepción directiva y de alta ganancia, un amplificador de bajo ruido LNA, un nodo LoRa que en
esta investigación emplea el microprocesador ESP32 y que a través de su conexión WIFI sube los
datos usando el internet, hacia la plataforma de TinyGS.
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Figure 2. Diagrama de elementos necesarios en la Estación Terrena LoRa.
Para determinar la ubicación de los diferentes satélites LoRa con sus efemérides en tiempo
real y las predicciones de los futuros pases con las mejores características para recepción de
señal con sus ángulos de elevación , azimut y distancias, se hace uso de predicciones online como
del sitio web https://www.n2yo.com, donde se puede obtener los datos del satélite LoRa de
interés, en tiempo real, el tracking y la predicción de los mejores pases indicando el nivel de señal
esperada, como se muestra en el ejemplo de la Figura 3 para el satélite LoRa ruso, llamado
NORBI.
Figura 3. Tracking Sat. NORBI de www.n2yo.com
Se realizó un análisis de varios satélites LoRa activos desde su fecha de lanzamiento, la potencia
con la que transmiten sus señales a tierra y la frecuencia que emplean para transmitir los datos
en los canales LoRa, tal como se indica en la Tabla 1 de resumen.
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Tabla 1. Satélites LoRa, frecuencias y Potencias de Downlink (obtenidos de la plataforma TinyGS)
Fecha de
lanzamiento
Satélites LoRa
Nombre del
Satélite
Frecuencia
(MHz)
Potencia (mW)
27-09-2020
NORBY
436.703
2000
22-04-2021
FEES
437.2
500
13-01-2022
SATLLA-2B
437.25
63
13-01-2022
FossaSat-2E2
401.7
158
Se pudo determinar que el satélite con mayor potencia de transmisión es el satélite Ruso NORBI,
que la mayoría del tiempo transmite con una señal de 2000 mW y a veces eleva su potencia hasta
a los 7000 mW, según se publica en la plataforma TinyGS.
Antena Yagi en la Banda de los 430 Mhz
Para garantizar que las señales enviadas por los satélites LoRa sean captadas, se propuso el
diseño de una antena Yagi [14] directiva, que es la antena que posee mejores características
directivas que una dipolo o cuarto de lambda, que ayude a captar estas señales muy débiles
provenientes del espacio desde el CubeSat y que a su vez tenga una gran ganancia.
La antena Yagi [14][15]propuesta y diseñada, está compuesta por 5 directores y posee una
ganancia teórica de 16.8 dBi. Está sintonizada a la frecuencia central de 436.7 MHz y presenta
una impedancia de 50 Ohms [15]. Esta frecuencia coincide con la de transmisión del satélite ruso
NORBI, que ostenta la mayor potencia de emisión entre los satélites activos. Esta elección asegura
la recepción efectiva al orientar la antena hacia el satélite que emite la señal más robusta.
La antena se simuló en el software MMANA-GAL, para obtener los datos teóricos y optimizados
con los que se la construyó. Posteriormente se hizo las pruebas en el laboratorio de Alta
Frecuencia de la Escuela Politécnica Nacional de Quito, con el equipo analizador de redes de marca
KEYSIGHT modelo N9916A, de donde se obtuvieron los resultados descritos en la Tabla 2.
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Tabla 2. Magnitudes de la Antena Yagi diseñada a las frecuencias de transmisión de varios CubeSat-
LoRa.
FRECUENCIA [MHz]
PARÁMETRO
SIMULADO
MEDIDO
436.703
R [Ohms]
43.71
53.3
ROE (a 50 Ohms)
1.18
2.1
437.2
R [Ohms]
43.96
51.5
ROE (a 50 Ohms)
1.16
1.79
401.7
R [Ohms]
29.01
30.6
ROE (a 50 Ohms)
3.8
1.86
Figura 4. Diagrama de radiación de la antena Yagi diseñada y simulada.
Los diagramas de radiación obtenidos mediante la simulación ofrecen una visualización clara de
los lóbulos y las pautas de radiación correspondientes a los cortes realizados en los planos
horizontal y vertical. Estos aspectos se detallan en la Figura 4. En lo que respecta al campo lejano
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de la antena, se destacan las características más óptimas en términos de directividad y ganancia
para la aplicación diseñada.
Amplificador de Bajo Ruido LNA
Para garantizar que la débil señal que envían los CubeSat LoRa sea receptada correctamente, se
requiere un amplificador de bajo ruido (LNA), para alcanzar los niveles mínimos que permitan
decodificar las señales.
Estos amplificadores de bajo ruido (LNA) están disponibles en versiones comerciales que
prometen amplificaciones superiores a los 23 dB. Sin embargo, la calidad y el ancho de banda no
están garantizados en dichas versiones, y además, se debe considerar el costo adicional
relacionado con la importación. Adicionalmente, si se opta por un LNA de una marca
comercialmente reconocida, el precio se incrementa aún más. Dado que el objetivo del proyecto
era desarrollar un sistema de bajo costo, se tomó la decisión de diseñar el circuito por completo
en lugar de utilizar componentes comerciales. Como elemento principal del circuito LNA se empleó
el chip amplificador PSA4-5043+ del fabricante Mini-circuits, que posee excelentes características
para las frecuencias de trabajo en la banda de los 400 a 500 MHz [10]. Con una Ultra Low Noise
Figure 0.65 dB, Gain 22.1 dB, trabajando a +5V tiene un consumo de corriente de 56mA.
Se añadieron al diseño del circuito LNA, un regulador de voltaje y un circuito BIAS-TEE [7] así
como un led indicador de polarización y los filtros de aterrizaje y pasa banda [7], el diagrama
completo se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Circuito LNA diseñado usando el dispositivo PSA4-5043+
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Nodo LoRa a 433 MHz
Se utilizó un módulo de desarrollo denominado LoRa HETEC 32 WIFI. Este módulo presenta una
placa que incorpora un procesador ESP32 y una pantalla OLED de 0,96 pulga-das. Además,
dispone de conectividad WiFi y un conector SMA para la antena. El módulo opera con la
modulación LoRa en la banda de frecuencia de 433 MHz, tal como se señala en la Figura 6. Es
importante mencionar que este módulo tiene un coste inferior a los 45 dólares estadounidenses.
Para habilitar el funcionamiento del dispositivo ESP32 y permitir el envío de datos a la plataforma
TinyGS, se utiliza el software de código abierto disponible en el siguiente enlace:
https://github.com/G4lile0/tinyGS. Este software proporciona la funcionalidad necesaria para que
el ESP32 se integre con la plataforma TinyGS y pueda transmitir datos de manera efectiva.
Figura 6. Módulo ESP32-OLED- LoRa.
Resultados y discusión
Los datos que se reciben son de telemetría de los satélites LoRa e indican la potencia de
transmisión del satélite, la temperatura interna y externa del satélite en su vuelo, consumo de
energía, las caras del satélite que reciben energía solar en sus paneles, número de paquetes
de datos enviados, numero de resets del computador interno , entre otras cosas, los datos
recibidos y decodificados de la estación terrena son mostrados en la plataforma de TinyGS,
donde son graficado tal como se indica en la Figura 7.
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Figura 7. Ejemplo datos de telemetría recibida en la estación Terrena LoRa
La estación terrena instalada en Quito- Ecuador ha estado trabajando desde junio del 2021 y
lleva 1153 paquetes recibidos de varios satélites LoRa, que se encuentra a una distancia promedio
de 400 km. y se ha logrado una distancia máxima en la recepción de paquetes correctos de
1900 km y corresponde a la señal del satélite Norby cuando transmite a una potencia de 7000
mW.
Además, en el caso del satélite FossaSat-2E2, que transmite a una frecuencia de 401,7 MHz con
una potencia de emisión de tan solo 158 mW. A pesar de estas cifras relativamente bajas de
potencia de transmisión, se logró recibir la señal a una distancia de 804 km. Esto destaca la
eficacia de la comunicación, incluso con niveles de potencia de transmisión moderados y refleja
el buen desempeño de la estación terrena construida.
Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos se puede determinar que pese al bajo costo de los
implementos del sistema, los resultados son bastante óptimos si los comparamos con los de
sistemas profesionales que usan otras estaciones terrenas. Se pudo observar que la mayoría de
las recepciones exitosas de paquetes de datos LoRa provenientes del CubeSat ocurrieron cuando
estos pasaban en un ángulo de elevación relativo superaba los 20 grados con respecto a la
posición de la estación terrena.
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Este fenómeno se debe a la geografía de la ciudad de Quito, que está rodeada de montañas.
Estas montañas limitan la recepción de señales en ángulos de elevación más bajos. La estación
terrena forma parte de las 4391 estaciones instaladas mundialmente, de las cuales sólo 1377 son
activas, es decir sólo el 31,4% recibe datos, por lo que hay estaciones que pese a contar con
todos los equipos no han logrado recibir ningún paquete.
Hay que tomar en cuenta que varios paquetes no se han recibido correctamente, por cuanto, en
esta primera parte del proyecto se diseñó una antena que no cuenta con un sistema de
seguimiento automático, por lo que a futuro se planea hacer el apuntamiento automático.
La comunicación LoRa resultó ser muy efectiva en uso en satélites CubeSat, pues las distancias
alcanzadas superan los 1000 km y con una potencia de transmisión que no supera los 7000 mW.
Es decir, se reciben datos con un nivel de señal de -128dBm, en comparación con los sistemas
de recepción satelital tradicional, sería imposible recibir una señal exitosa con esos niveles de
señal.
Contribución de Autoría
Gary Fernando Flores Cadena: Conceptualización, Análisis formal, Investigación, Software,
Validación, Redacción - borrador original, Curación de datos, Escritura, revisión y edición. Pablo
Anibal Lupera Morillo: Conceptualización, Análisis formal, Investigación, Visualización,
Metodología, Software, Validación, Redacción - borrador original. Darwin Antonio Mena:
Conceptualización, Investigación, Visualización, Metodología, Software, Validación, Redacción -
borrador original, Curación de datos. David Benalcazar Rojas: Conceptualización, Análisis
formal, Investigación, Visualización, Metodología, Software, Validación, Redacción - borrador
original, Curación de datos. Henry Paul Llumiquinga Loya: Conceptualización, Análisis formal,
Investigación, Visualización, Metodología, Software, Validación, Redacción - borrador original,
Curación de datos, Escritura, revisión y edición. Henry Paul Llumiquinga Loya:
Conceptualización, Análisis formal, Investigación, Visualización, Metodología, Software,
Validación, Redacción - borrador original. Santiago Sandobalin Guaman: Conceptualización,
Análisis formal, Investigación, Visualización, Metodología, Software, Validación, Redacción -
borrador original, Curación de datos, Escritura, revisión y edición. Ericson Daniel Lopez
Izurieta: Visualización, Software, Validación, Redacción - borrador original, Curación de datos.
Conceptualización, Investigación, Metodología, Análisis formal, Supervisión.
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