Cubesats en órbita lunar y más allá: ¿cómo funciona la comunicación?

Entonces, primero comparemos las distancias. Su satélite LEO promedio se coloca en órbita a unos 600 km de distancia. La distancia a la Luna es de 384000 km. Eso es 640 veces más lejos. Usando$r^2$pérdidas, y la conversión a decibelios, que es una pérdida adicional de 56 dB. Por supuesto, una estación terrestre debe poder comunicarse en LEO más allá de la parte superior, así que supongamos que está en el horizonte a esa distancia. Voy a estimar esa distancia al horizonte en unos 3000 km. Eso reduce la diferencia en los requisitos de potencia a solo 42 dB de diferencia. Entonces, ¿es eso factible para una estación de radioaficionados?

La mayoría de los cubesats son construidos por estudiantes u otros aficionados y utilizan las frecuencias de radioaficionados para comunicarse. En realidad, hay una hazaña bastante común para probar una estación de radioaficionado que implica apuntar una antena a la Luna e intentar comunicarse con otras personas. En su mayor parte, las velocidades de transmisión de datos son bastante bajas, pero una estación grande puede hablar usando el código Morse, que puede ser bastante rápido. En realidad, esto es un poco más difícil que hablar con un satélite que orbita alrededor de la Luna, por un par de razones. En primer lugar, la Luna no refleja toda la energía de vuelta a la Tierra, y luego hay que tener en cuenta la pérdida de señales en el camino bidireccional. Entonces, en teoría se puede hacer, así que, ¿cómo lo haces?

En primer lugar, deberá utilizar una velocidad de datos inferior a la del satélite LEO. Si reduce la velocidad en 16, se trata de una ganancia de 12 dB. Si usa un preamplificador/amplificador, puede obtener otros 20 dB más o menos. Y luego, el uso de antenas de mayor ganancia lo llevará al resto del camino, hasta la ganancia adicional requerida de 42 dB. Las tasas de datos más bajas podrían compensarse por el hecho de que tiene una comunicación casi constante durante 12 horas cada día. Alternativamente, podría usar una frecuencia más alta y una antena parabólica, lo que le permitirá obtener una ganancia mucho mayor, y podría garantizarse una hazaña similar.

La conclusión es que este es un problema factible, aunque sería un poco complicado de manejar. Primero debe probarse haciendo rebotar una señal en la Luna y verificando que escuche el eco. Esto debe hacerse usando la misma modulación con la que planeas escuchar. Si logras esto, deberías estar listo para comenzar.

Sí, se está investigando. Por ejemplo, este documento JPL describe un diseño para una antena parabólica con un diámetro de 50 cm que se puede plegar y guardar en 1,5 U y proporciona una ganancia de 42 dB.

Otro enfoque es el reflectarray, una antena que utiliza un panel plano en lugar de un plato, con estructuras en el panel que parecen lentes de Fresnel para enfocar las ondas de radio.

JPL también está investigando esto .
MMA Design está trabajando en un reflectarray de 1 m de diámetro, paquetes en 1U, también ganancia en la región de 40 dB. Este diseño combina la antena con el panel solar:

Creo que las comunicaciones Tierra - Luna con un CubeSat en órbita lunar son factibles, aunque requeriría mucho esfuerzo.

Cerrar el enlace es un compromiso entre la frecuencia operativa, la potencia disponible en el satélite y el volumen en el satélite disponible para la antena (cuanto mayor sea la frecuencia, mayores serán las pérdidas de trayectoria, menor será la antena).

¿Cómo se supone que funciona la comunicación con un cubesat a distancias tan largas?

En su mayoría de la misma manera, excepto por el camino muy largo, lo que significa pérdidas muy altas. El seguimiento de la nave espacial sería menos exigente en términos de velocidad, pero más exigente en términos de precisión de puntería.

¿Se ha investigado o propuesto para cubesats de 1U?

No lo creo, hasta ahora solo se han considerado cubesats de 3U o (preferiblemente) de 6U para misiones más allá de LEO.

¿Hay algún requisito especial sobre frecuencias, antenas, consumo de energía...?

Básicamente, necesitaría un muy buen mecanismo de apuntamiento, una antena muy directiva y de alta ganancia, y un muy buen amplificador de bajo ruido. Lo cual es algo poco común para la estación terrestre habitual del patio trasero.

¿De qué debe ocuparse si desea utilizar su estación terrestre de hobby para algo como esto, si ya está funcionando para cubesats en LEO?

Las respuestas a las preguntas anteriores son todos los puntos que requieren un poco de esfuerzo.