Misión al planeta Tierra: CYGNSS

¿Cómo os quedáis si os decimos que estamos a punto de medir los vientos oceánicos usando las señales GPS? Pues sí, ya que un proyecto está a punto de ser enviado allí arriba para ello, para proporcionarnos una nueva perspectiva de los ciclones tropicales, y sus sucedáneos.

La técnica para medir vientos desde el espacio se llama dispersometría o difusometría, y actualmente se basa en instrumentos activos similares a un radar, que emiten pulsos de microondas y reciben la reflexión de estos mismos pulsos cuando rebotan en la superficie marina, derivando con ello tanto la velocidad como la dirección del viento en la superficie oceánica. Esta técnica es una de las más necesarias en cuanto a predicción de tormentas grandes, y recientemente, la agencia hindú ISRO ha lanzado un nuevo satélite para continuar esta base de datos. Con el tiempo, están apareciendo otras técnicas que deben demostrarse, que serán complementarias a la de la dispersometría por radar. Actualmente, el punto débil de esta técnica es que la enorme precipitación que ocurre en las regiones alrededor del ojo de la tormenta evita que los pulsos de microondas alcancen la superficie oceánica, por lo que se necesita otro método. De ahí que se recurra al uso de las señales de los satélites GPS.

¿Qué es una señal GPS? Básicamente, se trata de una emisión de radio que lleva insertada un código de tiempo (procedente de un reloj atómico enormemente exacto) que se corresponde al momento en que esta señal fue transmitida. Para una determinación fiable y precisa de una localización, hacen falta como mínimo tres señales independientes de cuatro satélites independientes. Creado inicialmente con propósitos militares, el sistema de posicionamiento global (actualmente GNSS, Sistema Global de Navegación por Satélite) está compuesto de varias constelaciones: la estadounidense GPS, el sistema ruso GLONASS, el sistema chino BeiDou, el sistem regional hindú IRNSS y el europeo Galileo (el único 100% civil actualmente). En realidad, transporte lo que transporte, las señales GPS son lo que son: una emisión de radio, y como tal, está sujeta a los efectos atmosféricos, oceánicos, etc. Aunque el primer satélite en usar un receptor GPS para su geolocalización sobre la Tierra fue el oceánico TOPEX/Poseidon, el primero en usar científicamente estas señales fue el alemán CHAMP, en cuanto a sondeos de la alta atmósfera se refiere, algo que ha continuado el tándem GRACE desde el 2002 hasta la fecha. Tan rápida ha sido su implantación que los dos satélites meteorológicos europeos MetOp portan un sistema similar operacional. Con el tiempo, se ha investigado en nuevas formas de usar las emisiones GPS

para la ciencia, y la dispersometría fue uno de ellos. Dado que muchas de estas señales están desaprovechadas, las que rebotan en la superficie oceánica son distorsionadas por los efectos de la velocidad del viento y, como poseen una frecuencia distinta a la de los instrumentos activos, son capaces de atravesar las enormes concentraciones de precipitación en las zonas próximas a la pared del ojo de un huracán o similar. Tras mucho desarrollo, al fin hay una misión lista para llevar esta dispersometría por GNSS desde el espacio, pero… ¿con un satélite?, no, con ocho.

Encuadrado en el programa Earth System Science Pathfinder, que ha dado otras misiones como GRACE y OCO-2, es la primera de toda una serie de proyectos denominada Earth Venture, que usará tanto misiones completas como instrumentos para realizar ciencia innovadora. Como la primera de estas misiones, CYGNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite para Ciclones) es una prueba de concepto para comprobar que este método de medición funciona, tomando por el camino datos imposibles de obtener usando otras técnicas. Como hemos dicho, son ocho los satélites, porque para tomar las mediciones necesarias un único satélite se quedaría corto, mientras una constelación ofrece una mayor oportunidad de muestreo en el dinámico ambiente de una tormenta tropical.

A diferencia de muchas de las misiones que hemos relatado en esta Crónica, los ocho satélites CYGNSS son pequeños microsatélites, con medidas de 51 centímetros de largo, 59 de ancho y 22 de alto, y una vez desplegados en el espacio, una envergadura de 160 centímetros. Tienen forma triangular, más estrecha en el lado terrestre, y más ancho en el espacial, contando en su interior con todo lo necesario para funcionar en un paquete completamente integrado. Todos los elementos son de amplia herencia, usados en muchas misiones, tanto de órbita terrestre como de espacio profundo. Eso sí, la redundancia es funciona o selectiva. El poco espacio obliga. Su ordenador está centralizado en el procesador de doble núcleo LEON3 FT, y a su alrededor se ha construido la arquitectura Centaur, para

ejercitar todas las operaciones de a bordo, y va acompañado por un grabador de datos de 4 GB empleando tecnología de memoria flash. Sus comunicaciones son mediante un sistema de banda-S, empleando un sistema bidireccional (emisión y recepción) conectado a dos antenas del tipo parche de microtiras, una en la parte inferior y otra en la superior. La energía la recibe del Sol, empleando las células solares colocadas por todas las superficies disponibles, tanto en los paneles frontal y trasero, inferiores, y sobre todo, los superiores, a los que van conectados los paneles desplegables. Estos

poseen tres secciones por panel, y emplean células de alta eficiencia, totalizando una superficie activa de 0.71 metros cuadrados, suficiente para alimentar los sistemas de a bordo, y al tiempo cargar las dos pequeñas baterías de ión-litio. Estabilizados en sus tres ejes, carecen de toda propulsión, empleando para ello un sistema de referencia inercial, un escáner estelar, tres ruedas de reacción acopladas a sistemas de descompensación magnética y un magnetómetro, además de sensores solares. En cuanto al control termal, emplea mantas multicapa, radiadores, y diversos tratamientos sobre varias de las superficies. La única carga útil de cada satélite se llama DDMI, Instrumento de Cartografía de Retraso Doppler. Está compuesto por el Receptor de Cartografía de Retraso, dos antenas receptoras GPS (en las superficies superior e inferior de cada satélite) y cinco receptores GPS, uno para la tarea habitual de posicionar el satélite alrededor de la Tierra, y otros cuatro para realizar el procesado de señal para las mediciones científicas. Cada receptor modificado generará un mapa de Retraso Doppler, y con los cuatro, se consigue extraer la velocidad del viento en superficie. Pero al ser una constelación, el resultado serán 32 de estos mapas de Retraso Doppler para conseguir mediciones de la velocidad del viento más exactas. Toda esta información será guardada en un grabador propio, con capacidad de 1 GB. La masa de cada satélite es de 24 kg.

Los ocho satélites serán elevados en un único vuelo, y dadas sus modestas dimensiones, pueden recurrir al célebre Pegasus-XL. Eso sí, para encajar, se ha construido un módulo dedespliegue en dos filas, cada una conteniendo cuatro de los microsatélites. Además, el viaje es de cuidado: de sus instalaciones de ensamblaje y pruebas han viajado a la base de la fuerza aérea de Vandenberg, para su integración con el cohete, y éste, en el avión de transporte Stargazer. Con todas las operaciones acabadas allí, volará a Cabo Cañaveral, a la espera del día de lanzamiento, fijado para el 12 de

diciembre. Ese día, el Stargazer despegará hacia la localización de lanzamiento, a unos 60 km. de la costa, y a una altitud de 11.800 metros. Tras esto, el Pegaus-XL será soltado, y tras cinco segundos de caída libre, arrancará el motor de su primera fase, iniciando su misión. La órbita para la constelación CYGNSS es una a 510 km. de altitud sobre la Tierra, con una inclinación de 35º con respecto al ecuador. Desde esta trayectoria tiene acceso a las regiones tropicales en las que surgen estos fenómenos meteorológicos. Tras la separación y despliegue, y después de 60 días de chequeos, su misión comenzará.

La separación de la constelación será de unos 45º entre cada satélite, aunque para cumplir sus requisitos puede ser mayor o igual a 20ª entre ellos. Con esta órbita y esta separación, la constelación cubrirá la superficie terrestre hasta una latitud de 38º, tanto norte como sur, y con un tiempo medio de regreso a una localización de siete horas, aunque con sobrevuelos próximos a esa misma zona cada tres horas. El objetivo es estudiar la relación entre las propiedades de la superficie oceánica (como el viento), la humedad atmosférica, la radiación solar entrante y saliente, y la dinámica del núcleo interno de la tormenta. Para ello, CYGNSS conseguirá medir la velocidad del viento en la superficie oceánica en todas las condiciones de

precipitación, y medirá esta misma velocidad del viento en superficie en la zona de los núcleos internos de los sistemas tropicales, con la suficiente frecuencia como para comprender su formación y rápida intensificación. El resultado final debe ser un mejor entendimiento de cómo se forman estas tormentas, si se refuerzan o no, y cuánto se refuerzan, para así contribuir a la mejora de los pronósticos meteorológicos acerca de los ciclones tropicales, y de el rumbo que éstos seguirán una vez formados.

Desde aquí celebramos las misiones innovadoras, solo que todavía estamos encadenados a la superficie oceánica. El año que viene, llega otro innovador al juego de la velocidad del viento, por parte de la ESA, y ya hablaremos de él.