De un TLE a una ventana de contacto
El mapa del caso de estudio de apsis responde a una pregunta concreta: ¿cuándo es la próxima ventana de contacto entre la ISS y las estaciones de la ESA en Cebreros y Maspalomas? Entre “descarga los datos orbitales” y “la antena debe apuntar aquí a las 18:43 UTC” hay unos cuantos pasos que casi nunca se explican. Este es el pipeline completo, tal y como lo ejecuta apsis.
Dos líneas que describen una órbita
Un TLE (two-line element set) es exactamente lo que dice el nombre: dos líneas de 69 caracteres que codifican la órbita de un satélite como elementos keplerianos medios, más un término de rozamiento y una época, ajustados por la red de vigilancia espacial de Estados Unidos a sus observaciones de seguimiento. El número de catálogo identifica el objeto; la ISS es el 25544.
La época es la parte que la gente subestima. Un TLE no es una descripción permanente de una órbita. Es una instantánea que empieza a envejecer en el momento en que se publica: en órbita baja, el rozamiento atmosférico varía con la actividad solar y el error de posición crece a razón de kilómetros por día. Para la ISS, que hace reboosts con regularidad y vuela por el aire más denso que tolera un satélite, aparecen elementos frescos varias veces al día. apsis refresca su catálogo desde CelesTrak cada dos horas y trata un TLE cambiado como un evento al que merece la pena reaccionar.
SGP4, el propagador que usa todo el mundo
Los TLE solo tienen sentido junto al modelo analítico para el que fueron ajustados: SGP4. No es un integrador numérico. Es una teoría en forma cerrada que captura los efectos seculares del achatamiento terrestre (el término J2 es la razón de que las órbitas precesen) y un modelo de rozamiento simplificado. El intercambio es precisión por velocidad: la posición solo es buena a unos pocos kilómetros, pero una evaluación cuesta microsegundos, así que barrer dos días enteros de trayectoria para cada par de satélite y estación sale barato. apsis lo llama a través de skyfield, que envuelve la implementación de referencia.
De una órbita a un cielo local
SGP4 devuelve la posición en un sistema de referencia inercial, y a una estación terrestre los sistemas inerciales le dan igual; lo que le importa es hacia dónde apuntar. Así que la posición se convierte a coordenadas topocéntricas relativas a la estación: azimut (dirección de brújula) y elevación (ángulo sobre el horizonte). La elevación es el número que decide todo lo que viene después.
La máscara de elevación
En teoría una estación ve un satélite en cuanto asoma por el horizonte geométrico. En la práctica los primeros grados no sirven: la señal roza cientos de kilómetros de atmósfera, el terreno y los edificios estorban, y muchas antenas ni siquiera pueden seguir tan bajo. Las operaciones ponen un suelo a la elevación útil, la máscara de elevación. apsis usa 10 grados.
Los números detrás de la máscara son brutales. A 10 grados de elevación la ISS está a unos 1.500 km en línea de visión. En una culminación justo sobre la vertical, a 420 km.
Un pase es simplemente el intervalo en el que la elevación se mantiene por encima de la máscara: empieza en el AOS (adquisición de señal), culmina en el punto más alto y termina en el LOS (pérdida de señal). La elevación máxima es la métrica de calidad de un pase. Uno que culmina a 15 grados es corto y lejano; uno a 75 grados pasa casi por la vertical y da la ventana más larga y limpia. Por eso el plan de pases del visor colorea la columna de elevación.
Por qué los pases llegan en racimos
La ISS completa una órbita en unos 93 minutos, unas 15,5 al día. Mientras vuela, la Tierra gira debajo, así que cada ground track sucesivo cae unos 23 grados de longitud más al oeste. Visto desde una estación fija el resultado es un ritmo, no un reparto uniforme: unas cuantas órbitas consecutivas pasan a la vista (un pase corto cada hora y media), luego la geometría se sale de rango y la estación no ve nada durante alrededor de medio día, hasta que el patrón vuelve. Si el plan del mapa muestra un racimo de pases mañana por la mañana y nada esta noche, es la mecánica funcionando.
Qué hace apsis con todo esto
Un job programado descarga TLE frescos cada dos horas. Cuando los elementos cambian de verdad, un evento de outbox dispara el recálculo de cada par afectado de (satélite, estación terrestre): skyfield encuentra los eventos de AOS, culminación y LOS por encima de la máscara de 10 grados en un horizonte deslizante de 48 horas, y los pases resultantes, ground tracks incluidos, acaban en PostGIS listos para servirse como GeoJSON. Predecir más lejos añadiría sobre todo error, porque todo se recalcula igualmente con el siguiente cambio de TLE.
La maquinaria de scheduling y outbox tiene su propio artículo, y la implementación completa es open source en github.com/aJustDev/apsis.