Respuesta relativamente corta

Cospas-Sarsat: Factible pero...

Es posible, pero hay muchos elementos individuales involucrados. Es una cuestión de probabilidad que la mayoría de las veces habrá una combinación que impida que el enlace funcione. Si sabe qué hacer y se asegura de garantizar una buena línea de visión directa (LOS), es posible que pueda evitar algunas de estas combinaciones. No puede funcionar bajo el agua.

Los parámetros que pueden atenuar la señal que llega al receptor de satélite son de diferente origen:

• El diseño de la aeronave en sí (materiales compuestos o aluminio, número de ventanas, ...)
• El lugar del accidente (cañón, árboles,...)
• El uso del transmisor (posición, proximidad de la ventana, superficie metálica o interferencia de desechos, proximidad del cuerpo, ...)

No estoy al tanto de los resultados de los experimentos para usar un PLB dentro de un contenedor metálico como la cabina de un avión comercial. Todavía es posible evaluar la pérdida del canal de RF en diferentes configuraciones y ver si la señal puede llegar al receptor con el nivel mínimo requerido.

Como se explica en las siguientes secciones sobre los satélites Sarsat del servicio SAR internacional en 406 MHz:

• El umbral de recepción de la señal por parte del receptor es de 161 dBW.
• Con una potencia inicial de 7 dBW (5 W), la atenuación debe ser como máximo de 168 dB
• En buenas condiciones podemos esperar una atenuación de "solo" 148,1 dB. Dicha señal 12,9 dB más fuerte que el umbral se puede detectar fácilmente.
• En condiciones degradadas podemos experimentar una atenuación de 177,5 dB. Al estar 9,5 dB por debajo del umbral, esta señal no se detecta.

La transmisión en interiores pone al sistema en sus límites de capacidad de detección (una unidad S-meter es de 6 dB).

^{Señal débil en un medidor S, la unidad S es de 6 dB ( fuente )}

Se deben tener en cuenta muchas causas de atenuación pequeñas que, cuando se suman, pueden evitar que el enlace funcione, por lo que esta respuesta es larga.

PUNTO LLC

La solución SPOT LLC que menciona es una iniciativa de mensajería comercial que funciona en 1,6 GHz, fuera del sistema Cospas-Sarsat. Mayor frecuencia significa mayor atenuación. La salida RF limitada de 0,4 W también debilita la señal. Es muy poco probable que SPOT pueda funcionar dentro de la cabina.

Detalles

Introducción: principios de PLB

El PLB de emergencia opera en 406 MHz. La frecuencia civil anterior de 121,5 MHz ya no es monitoreada por los satélites SAR, pero puede usarse (además de la señal real a 406 MHz) como guía de referencia para el equipo SAR. Se les informa sobre si esta función de búsqueda está activa o no mediante el mensaje enviado por el PLB.

• La potencia de salida del PLB es de 5 W (equivalencias: 7 dBW 37 dBm) a 406 MHz, en polarización vertical.

• De C/S T.004 , el rendimiento del sistema de satélite es:

  1. Una " probabilidad mejor que el 95% para proporcionar una solución válida (identificación de 15 hexa proporcionada) para una baliza que transmite con una potencia de salida de 37 dBm (con una antena de látigo) y para satélites con elevación superior a 5 °) "
  2. Una " probabilidad superior al 95% para proporcionar una ubicación Doppler con una precisión superior a 5 km "

• No hay satélites enteramente dedicados al servicio SAR, sino que se transportan receptores de señales de socorro como una de las cargas útiles a bordo de los satélites. El sistema está formado por dos constelaciones:

  1. Constelación GEOSAR, órbita terrestre geoestacionaria SAR. Estos satélites están en posiciones fijas, 36.000 km sobre el ecuador, y cubren el globo excepto las regiones polares.

  2. LEOSAR, SAR en órbita terrestre baja. Satélites en casi polar (alrededor de 85 °). LEOSAR está formado por dos subconstelaciones: los satélites Sarsat que orbitan a 850 km y los satélites Cospas que orbitan a 1000 km. ^{( Fuente )}
     
     
     

• Se planea que una tercera constelación opere a una altitud mayor que LEOSAR (MEOSAR, actualmente no completamente desplegado).

• Si bien es probable que GEOSAR sea el primero en detectar la activación de PLB debido a su LOS permanente, LEOSAR proporcionará la mejor detección debido a la distancia más corta al dispositivo.

Me centraré en la carga útil de LEOSAR/Sarsat, que ofrece las mejores posibilidades para la detección de una señal PLB parcialmente bloqueada por obstáculos impermeables a RF.

Cargas útiles de Sarsat

Los satélites que llevan una carga útil LEOSAR Sarsat son NOAA 15 (Sarsat 7), NOAA 18 (Sarsat 10), NOAA 19 (Sarsat 12). Otros están programados para estar activos en el futuro (es posible que algunos ya lo estén, no lo he comprobado). Están equipados con un receptor SAR (procesador de búsqueda y rescate, SARP). Los satélites Sarsat se pueden rastrear en N2YO.com .

De acuerdo con el estándar de puesta en marcha del segmento espacial LEOSAR de Cospas-Sarsat - C/S T.004 , un SARP-2 tiene una sensibilidad de -161 dBW y un SARP-3 -164 dBW (eso es alrededor de 60 attovatios en comparación con un teléfono celular ). : -134 dBW, 1.000 veces menos sensible).

¿Se puede entregar esta pequeña cantidad al SARP desde el interior de una cabina?.. Se trata de conocer la potencia inicial, y determinar la pérdida a lo largo del trayecto de la onda hasta que la señal llega al receptor.

La potencia generada por el amplificador del transmisor es de 5 W o 7 dBW. 161 dBW en el receptor significa recibir una señal de 1 W que ha sido atenuada en 161 dB. Si ya tenemos 7 dBW en la fuente, podemos soportar una atenuación máxima de 168 dB.

Inventario principal de pérdidas

Pérdida de propagación en vista directa

La parte más importante de la señal se perderá en la atmósfera entre la antena del PLB y la antena del SARP.

^{Pérdida por distancia}

La pérdida depende de dos factores: la distancia y la longitud de onda. Ambos factores limitan el área de la antena receptora en comparación con toda la esfera del frente de onda y, en consecuencia, la porción de energía recibida también es menor.

• Utilizando el modelo de propagación ITU-R P.525 (propagación en espacio libre).
• Distancia = 850 km, f = 406 MHz.
• Asumiendo antenas isotrópicas por el momento.
• Según el modelo, la pérdida (dB) es:
  Lbf = 20 log(4πd/λ)
. = 32.4 + 20 log(f) + 20 log(d)
. = 32.4 + 20 log(406) + 20 log(850)
. = 143 dB

La señal que salió de la antena PLB llega a la antena SARP -143 dB más débil, suponiendo la mejor alineación de antena. Pero este nunca es el caso, porque cuando está en una órbita polar, es poco probable que el satélite esté exactamente por encima de la baliza.

Desalineación de la antena receptora

Habrá un ángulo entre el nadir del SARP y la baliza. Este ángulo fuera del nadir depende de la trayectoria real del satélite para la órbita actual:

^{Objetivo fuera del nadir}

La ganancia de la antena varía según este ángulo. Sarsat-TIROS SARP Antena receptora (UDA) Patrón de ganancia:

^{Ganancia de antena UDA en diferentes ángulos fuera del nadir ( fuente )}

Asumiendo que la polarización es favorable (RHCP), la ganancia puede variar entre +2 dB y -10 dB. Tenga en cuenta que:

• La ganancia es mejor cuando el ángulo fuera del nadir es grande. Es probable que esto compense la mayor distancia a la baliza.

• Asumiré una longitud de enlace f 850 km, pero la longitud real es mayor cuando la baliza no está directamente en el nadir del satélite.

Ahora deberíamos trabajar con la distribución de probabilidad de la desalineación de las antenas LEOSAR para tener la gama completa de posibilidades y su probabilidad (por ejemplo , simulación Monte-Carlo ). Para simplificar, usemos un mal caso: -4.4 dB (esto no es lo peor posible). Pérdida hasta ahora: -147,4 dB (-143 - 4,4).

Atenuación debida al alimentador y al duplexor

En el satélite, el SARP está conectado a una antena a través de un duplexor para aislar la antena de enlace ascendente SARP de la señal de enlace descendente SARR (repetidor SAR utilizado en modo local, no detallado aquí):

^{Hardware en el satélite Sarsat ( fuente )}

La pérdida del duplexor + alimentador es de -1,6 dB. Pérdida hasta ahora: -149 dB (-147,4 - 1,6).

Margen de pérdida restante

Teníamos un presupuesto para una pérdida de -168 dB, hemos usado -149 dB. El margen hasta que la señal PLB se pierde por el SARP es de 19 dB, suponiendo que estamos en esta configuración:

1. PLB es al aire libre.
2. El LOS está completamente despejado, sin follaje, sin techo, etc.
3. La antena PLB no tiene ganancia/pérdida (0 dB de ganancia).
4. La antena PLB es vertical, este es el uso normal del dispositivo SAR.
5. Las impedancias de la etapa de salida de RF y la antena PLB coinciden (sin SWR) .
6. No hay pérdida atmosférica (espacio libre)

Pérdidas adicionales

Es hora de revisar la suposición hecha hasta aquí y tener en cuenta los efectos adicionales que se encuentran cuando el PLB se usa desde la cabina de un avión accidentado.

1. PLB es al aire libre.

   • En realidad, el PLB está detrás de una ventana de la cabina.

   • De Arkema :
     " La mayoría de las formulaciones de láminas de plexiglás incoloro transmiten fácilmente la transmisión estándar, la televisión y la mayoría de las ondas de radar del espectro electromagnético ". Se puede suponer que las ventanas (incluida la hoja de protección interna) no bloquean la señal PLB. Pérdida = 0 dB.

   • En la cabina, se producirán numerosos reflejos en la pared y, debido al espacio cerrado con solo ventanas pequeñas, es probable que las señales reflejadas interfieran globalmente de manera destructiva (falta de coincidencia de fase) con la señal original.

   • Si el PLB se desplaza, incluso en una pequeña cantidad, los reflejos cambian. La energía de RF en realidad varía continuamente, creando un efecto de desvanecimiento . Las reflexiones se han estudiado en entornos de alguna manera comparables, para frecuencias UHF. Si bien la frecuencia fue un poco más alta y el entorno era simple, podemos usar los resultados para un orden de magnitud aproximado: ^{Pérdida de señal RFID (915 MHz) debido a reflejos ( fuente )} El desvanecimiento espacial es visible, a algunas distancias las señales reflejadas suman, en otras restan. Esta pérdida también se conoce como efecto multicamino . La señal puede atenuarse 10 dB o más en comparación con el espacio libre.
     
     
     
     

   • Cada reflejo tiene también el potencial de cambiar la polarización. Ver siguiente punto.

2. La antena PLB es vertical, este es el uso normal del dispositivo SAR.

   • La polarización de la antena del transmisor y del receptor debe coincidir o se produce una atenuación. La polarización de una antena describe el plano en el que se transmite el campo eléctrico. Para una antena simple, hecha de un solo elemento activo, el campo eléctrico se envía en el plano del elemento: ^{Ondas polarizadas vertical y horizontalmente ( fuente )}
     
     
     

   • La polarización vertical crea menos reflexión en el suelo, que suele ser lo que se desea, por lo que un PLB crea una polarización vertical, pero solo si la antena se mantiene vertical; de lo contrario, la polarización seguirá la orientación de la antena.

   • Para hacer frente a las polarizaciones verticales y horizontales lineales, y todo lo demás, la antena SARP está diseñada para ser polarizada circularmente y puede recibir ambas en buenas condiciones, pero no en condiciones óptimas:
     

     Las antenas polarizadas linealmente funcionarán con antenas polarizadas circularmente y viceversa. Sin embargo, habrá una pérdida de hasta 3 dB en la intensidad de la señal. En situaciones de señal débil, esta pérdida de señal puede afectar las comunicaciones ( fuente ).

   • La antena del satélite debería ser así: ^{Antena helicoidal, polarizada circularmente ( fuente )}
     
     
     

3. El LOS está completamente despejado, sin follaje, sin techo, etc.

   • De hecho, si hay un obstáculo metálico en LOS y no hay posibilidad de reflejos (ningún agujero en la cabina metálica), no se transmite ninguna señal. Esto podría suceder si el PLB estuviera rodeado de escombros metálicos de los restos del avión.

   • De lo contrario, existe un volumen (la zona de Fresnel ) entre el transmisor y el receptor que debe estar libre de obstáculos. Esta zona es un elipsoide alrededor del LOS. Si hay obstáculos, habrá difracción y reflexión. La difracción dispersa la señal (no es necesario tener esquinas afiladas) y la reflexión la desvía, lo que podría ser un efecto positivo cuando no hay una LOS clara.

   • Vegetación densa o follaje denso en LOS: hay agua en las plantas, se produce una pérdida, normalmente superior a 0,1 dB/ma 406 MHz. Podemos usar modelos para evaluar la atenuación: ^{(Fuente, página 155)} Ejemplo: El avión se estrelló en un bosque. La aeronave está rodeada de árboles de 25 m, excepto en el sentido de procedencia. Los satélites bajos en el horizonte no serán accesibles: los satélites GEOSAR sobre el ecuador generalmente están bajos en el horizonte cuando se ven en latitudes medias, y algunas órbitas de LEOSAR quedarán ocultas por los árboles debido a la pérdida superior a -15 dB tan pronto como el la profundidad del follaje es de 50 m (profundidad inclinada). Esta profundidad se puede encontrar rápidamente, dejando un pequeño campo de visión libre desde una ventana (aunque sería más grande para el parabrisas):
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     ^{Zanja de árboles creada por un aterrizaje forzoso en un bosque}

4. La antena PLB no tiene ganancia/pérdida (0 dB de ganancia).

   • Este es probablemente el caso de muchos PLB. La antena PLB parece ser un látigo acortado de 1/4 λ. Las antenas se miden frente a una antena perfecta hipotética (antena isotrópica), y la relación de amplificación se expresa en dBi (dB en comparación con isotrópica). dBi y dB son equivalentes en la discusión actual ya que la antena isotrópica tiene una ganancia de 0 dB.

5. Las impedancias de la etapa de salida de RF y la antena PLB coinciden (sin SWR) .

   • Para que la corriente que sale del amplificador PLB RF sea radiada completamente por la antena, la impedancia de salida del PLB y la impedancia de la antena deben ser iguales. Tan pronto como hay un desajuste, una parte de la corriente de RF no se convierte en una onda electromagnética y regresa al amplificador, mezclándose con la corriente que fluye en la otra dirección. El resultado es la aparición de ondas estacionarias en el dispositivo PLB. La relación de SW se llama inteligentemente relación SW (SWR) . Los PLB tienen una ROE inferior a 1,5 o 2 en sus especificaciones. La pérdida correspondiente es de 0,2 y 0,5 dB. No tanto.

   • La impedancia de la antena varía mucho en cuanto la antena no se encuentra en un espacio libre. Una causa común es que una parte del cuerpo (que contiene agua) esté cerca de la antena o tocándola. Esto podría conducir fácilmente a una pérdida de 10 dB. La eficiencia radiativa de la antena (ganancia) también sufre: tocar la antena es como deformarla. Se modifican sus características. Por ejemplo, ya no está optimizado para que la frecuencia de la señal irradie. Entonces, además de la apariencia SW, la corriente que llega al radiador también se convierte mal en ondas. En su escenario, es importante usar el PLB según lo previsto, sin obstrucciones en la antena.

6. No hay pérdida atmosférica (espacio libre).

   • Este es otro efecto difícil de estimar, ya que varía con la hora del día, los aspectos meteorológicos y la actividad solar.

   • El oxígeno y el vapor de agua juegan un papel importante. De ITU-R P.676-10 : ^{Atenuación en dB por km ( fuente )} Parece que para UHF la absorción es bastante limitada, así que ignorémosla.
     
     
     
     

   • Otras pérdidas se deben a actividades eléctricas esporádicas en la ionosfera. Son más difíciles de estimar y se traducen en ruido en lugar de atenuar la señal recibida por el SARP. También habría que considerar otros elementos, como la capacidad del SARP para rechazar el ruido.

   • Las anomalías de la ionosfera podrían potencialmente introducir errores en la localización Doppler.

Línea de fondo

Recapitulemos las pérdidas que hemos comentado:

 - Impedance mismatch / SWR:                 -0.5 dB
 - Transmitter antenna gain:                 +0 dB
 - Reflection in the cabin:                  -0 to -10 dB (center).
 - Cabin window:                             -0 dB
 - Fresnel obstruction and trees:            -0 to -15 dB
 - Free space loss:                          -143 dB
 - Absorption by atmosphere gases            -0 dB
 - Other propagation losses:                 Not evaluated.
 - Off-nadir angle:                          -0 to -4.4 dB
 - Linear to circular polarization mismatch: -3 dB
 - Satellite duplexer:                       -1.6 dB

                               Acceptable:   -168   dB
                               Best case:    -148.1 dB
                               Worst case:   -177.5 dB

El peor de los casos se presenta cuando:

• El PLB experimenta el nivel más alto de ondas reflejadas. Esto se puede eliminar estando muy cerca de la ventana y protegiendo el resto de la cabina con algo metálico, pero no demasiado cerca.

• El elipsoide de Fresnel está bloqueado por árboles. No hay mucha libertad aquí. Se espera que LEOSAT tenga órbitas con suficiente elevación para estar fuera de los obstáculos. Si el avión está realmente cubierto por un follaje profundo, no hay muchas posibilidades de que el enlace sea exitoso.

• El avión está en el nadir del satélite. La antena SARP está optimizada para ubicaciones fuera del nadir (no hay certeza de que las ubicaciones fuera del nadir estén mejor atendidas, debido a la mayor distancia oblicua, que sería necesario verificar). Lástima si el avión está en un bosque.

Tenga en cuenta que llevar un localizador personal no causa un problema de seguridad, ya que no transmite antes de activarse. La activación será manual (generalmente para PLB) o detectando una gran aceleración (parece limitada a ELT). No sé si los de seguridad del aeropuerto te dejarán embarcar con un transmisor. Debería ser más fácil persuadir a los pilotos.

Caso de un dispositivo SPOT

En comparación con los numerosos documentos que describen el servicio SAR financiado por los gobiernos en 406 MHz, SPOT es una solución más confusa.

Esto no está relacionado con SPOT , la familia de satélites de observación construida por Astrium. GEOS IERCC (Centro Internacional de Coordinación de Respuesta a Emergencias) no tiene ningún vínculo con la familia de satélites GEOS lanzada por la Nasa hace algunas décadas. Tampoco es GOES , los satélites geoestacionarios que soportan GEOSAR.

Globalstar es una gran empresa de telefonía satelital propietaria de satélites. SPOT LLC es una subsidiaria de Globalstar que proporciona enlaces de datos satelitales y conjuntos relacionados para mensajería y comunicaciones de voz. GEOS-Alliance ha lanzado un servicio de asistencia de propiedad privada basado en las capacidades de SPOT. Los servicios de GEOS-Alliance se venden en línea ya través de minoristas.

Desde el sitio web de SPOT:

SPOT Gen3 proporciona tecnología de notificación de emergencia y mensajería basada en la ubicación que le permite comunicarse desde ubicaciones remotas en todo el mundo. Ofrece opciones de intervalo de seguimiento personalizado, seguimiento activado por movimiento, batería de larga duración y más.

En breve:

• En lugar de comprar un transmisor SAR y luego tener el servicio gratis, el suscriptor de GEOS-Alliance recibe un transmisor y paga una tarifa anual.

• En lugar de tener el dispositivo SAR conectado a las organizaciones SAR de todo el mundo a través de LUT y MCC/RCC , el suscriptor está conectado a GEOS, que llama a los servicios de emergencia locales en su nombre.

La tecnología detrás:

• SPOT/Globalstar parece utilizar la nave espacial LEO a 1.414 km en lugar de los 850 km de Sarsat, con una inclinación de 52° en lugar de 85°, lo que significa que su cobertura podría reducirse.

• Los mensajeros SPOT están limitados a 0,4 W en lugar de 5 W para Sarsat, tal vez debido a las regulaciones, ya que pueden usarse sin señalar una situación de emergencia.

• La frecuencia de Globalstar utilizada es de 1,6 GHz, en lugar de los 406 MHz de Sarsat.

Parece que estas tres diferencias técnicas no van a hacer que los dispositivos SPOT sean tan eficientes como Sarsat:

• Usando el mismo ITU-R P.525 : Lbf = 20 log(4πd/λ) da una pérdida de espacio libre de 159 dB por adelantado, para compararse con los 143 dB para Sarsat (diferencia: -16 dB).
• 0,4 W = -4 dBW en lugar de 7 dBW para Sarsat (diferencia: -11 dB).
• Podemos agregar una pérdida de 1 dB para la absorción atmosférica en esta frecuencia.

Si no me equivoco, eso ya es una diferencia de -28 dB en el receptor. Debe ser muy sensible, o gustarle a las antenas de alta ganancia para competir con el SAR operado por los gobiernos. Eso no va a funcionar desde dentro de la cabina de un avión con una LOS limitada y, a veces, parece que ni siquiera funciona bien en el espacio abierto.

Documentos de referencia

• C/S A.003 : Monitoreo y Reporte del Sistema Cospas-Sarsat
• C/S G.003 : Introducción al Sistema Cospas-Sarsat
• C/S G.004 : Glosario Cospas-Sarsat
• C/S G.006: Evaluación del Sistema Cospas-Sarsat
• C/S G.008 : Requisitos operativos para Cospas-Sarsat de segunda generación. Balizas de 406 Mhz
• C/S T.001 : Especificación para Cospas-Sarsat 406 MHz Distress Beacons
• C/S T.003 : Descripción de las cargas útiles utilizadas en el sistema Cospas-Sarsat LEOSAR
• C/S T.004 : Estándar de puesta en marcha del segmento espacial Cospas-Sarsat LEOSAR
• C/S T.011 : Descripción de las cargas útiles de 406 Mhz utilizadas en el sistema Cospas-Sarsat GEOSAR

Más documentación de Sarsat: sitio de Cospas-Sarsat

Tengo un SPOT Beacon que uso para aventuras ocasionales: principalmente vuelo en aviones pequeños y kayak. Pero es lo suficientemente pequeño, generalmente lo llevo conmigo cuando vuelo comercial.

Debido a que se conecta a los satélites, nadie necesita estar cerca para "escucharlo". Puedo presionar el botón SOS en casi cualquier lugar del mundo y pedir ayuda.

Hay algunas partes remotas del océano donde no hay una buena cobertura satelital (consulte el mapa de cobertura ), pero generalmente puede ayudar en una emergencia.

No sé si tal dispositivo funcionaría desde el interior de un avión comercial. Sé que he podido obtener señales de GPS presionando un receptor de GPS contra una ventana de la cabina, pero es lento adquirir el bloqueo de GPS. No sé si podría transmitir a la red satelital a través de la ventana de la cabina.

Estas balizas de localización personal en realidad funcionan a través del sistema Cospas-Sarsat de balizas internacionales de búsqueda y rescate, nada que ver con Iridium, que es un sistema comercial. Se sabe que transmiten una señal perfectamente bien a través de cosas como un gabinete de metal cerrado con llave en el sótano de una casa con la antena retraída y aun así solicitan ayuda, aunque en ese caso por error.

Los ELT normalmente no usan GPS. Hay dispositivos de informes de GPS más nuevos que sí usan GPS, aunque cuestan más. Trabajan en el interior de los vehículos porque la señal pasa por la ventana. Los aviones comerciales suelen tener 2 de ellos, uno en la cola y otro portátil en un casillero o contenedor delantero. Siéntase libre de traer una bolsa de ellos a bordo. No lo actives accidentalmente o cabrearás mucho a la gente. Están diseñados para trabajar en el agua y se activan automáticamente cuando se sumergen.

No, no pudieron. Las balizas EPIRB tienen un alcance muy corto, en el momento en que recibe una señal, también tendrá una señal de las balizas en, por ejemplo, el registrador de datos de vuelo.
Parece (como mucha gente) tener la impresión de que los receptores GPS envían su ubicación al satélite, que luego la envía a algún lugar a un centro de datos donde se puede recuperar. Esto es incorrecto. El dispositivo solo lee de la red satelital, calculando su posición en base a las señales de los satélites. Y luego utiliza un transmisor de radio de corto alcance o una red de telefonía celular para transmitir esa ubicación a las partes interesadas. Pero, por supuesto, en medio de la nada no hay torres de telefonía celular y una radio de corto alcance no ayuda si el destinatario más cercano está lejos.
En una pista de esquí eso no es problema, ya que estás en la civilización y no lejos de la ayuda. En medio del océano no sirve de nada.