Estação de terra: antenas, rádio e receção de telemetria

O que a estação tem de fazer

A estação de terra é metade da missão. Recebe telemetria em tempo real, regista tudo com marca temporal e dá à equipa informação suficiente para decidir. Não é um portátil com um adaptador: é um sistema com antena, rádio, alimentação e software testados em conjunto.

Os requisitos típicos são modestos: alcance de 2 a 5 km, débito de 1 a 10 kbit/s, autonomia de várias horas e registo redundante. O que falha raramente é o alcance. Falham os cabos, os conectores e a configuração do software feita à pressa.

Algumas equipas acrescentam um canal de comando para pedir reenvio de dados ou mudar a taxa de transmissão. É útil, mas duplica o risco: um comando mal recebido pode silenciar o transmissor. Só se implementa depois de a descida estar estável e testada.

Antenas: do dipolo à Yagi

A antena é o elemento que mais muda o resultado. A 868 MHz, um dipolo de meia onda mede cerca de 17,3 cm e um monopolo de quarto de onda cerca de 8,6 cm. Ambos são omnidirecionais e adequados quando a posição do CanSat é incerta.

Uma Yagi de cinco elementos alcança 8 a 10 dBi e concentra a energia num feixe estreito. Ganha-se alcance e perde-se tolerância à rotação: se o CanSat sai do feixe, a ligação cai. Para um voo com deriva imprevisível, a antena omnidirecional é mais segura.

O cabo conta mais do que parece. Cinco metros de RG58 a 868 MHz perdem 2 a 3 dB, o que é metade da potência. Um cabo curto e grosso, ou a antena montada diretamente no recetor, evita desperdiçar o ganho conquistado com dificuldade.

A altura da antena vale mais do que o ganho em muitos cenários. Cinco metros acima do solo afastam a antena da vegetação e melhoram a linha de vista para o ponto de queda. Cada metro conta quando o CanSat está deitado no chão, a transmitir a pouca altura.

Rádio e modem

O modem define o compromisso entre alcance e débito. LoRa com spreading factor 7 entrega cerca de 5,5 kbit/s e sensibilidade de -123 dBm; com fator 12 desce a 293 bit/s e ganha 12 a 14 dB. Para telemetria lenta, o fator alto compensa.

A potência de transmissão está limitada por regulamento e por bateria. Em 868 MHz, 14 dBm são comuns e 25 mW ERP é o teto típico em várias subfaixas. Aumentar potência sem melhorar antena é a forma mais cara de ganhar pouco.

O recetor deve ficar longe de fontes de ruído: inversores, carregadores e o próprio portátil. Um SDR ligado por USB ao computador capta ruído do barramento e perde sensibilidade. Cabo blindado e filtro de modo comum resolvem boa parte do problema.

A escolha entre FSK e LoRa depende do que se quer proteger. FSK dá débito e latência baixa, mas exige relação sinal-ruído melhor. LoRa troca débito por sensibilidade e resiste a interferência estreita, o que num ambiente urbano ou junto a estradas faz diferença.

Orçamento de ligação

O cálculo é simples e faz-se antes do voo. Some potência de transmissão e ganhos, subtraia perdas de cabo e espaço livre, e compare com a sensibilidade do recetor. A margem deve ficar acima de 20 dB para acomodar chuva, vegetação e desalinhamento.

A perda de espaço livre a 868 MHz é de 97 dB a 2 km e de 103 dB a 4 km. Com 14 dBm, duas antenas de 2 dBi e 3 dB de perdas, chega-se a -82 dBm no recetor a 2 km, o que deixa 41 dB de margem sobre -123 dBm.

A margem não é constante. Com o CanSat no solo, entre vegetação, perdem-se 10 a 20 dB. Com a antena mal polarizada, a perda pode chegar a 20 dB. O orçamento serve para saber quanto se pode perder antes de a ligação desaparecer.

Software de receção e registo

O software tem três funções: descodificar, mostrar e gravar. A gravação é a única obrigatória. Um ficheiro com marca temporal, quadro bruto e valores descodificados permite refazer toda a análise mesmo que a interface falhe a meio.

• Registo em bruto, sem perda, com data e hora do sistema.
• Sincronização de tempo por GPS ou NTP, para alinhar com o registo de bordo.
• Indicadores visíveis de RSSI, SNR e contagem de quadros perdidos.
• Exportação para CSV sem transformações pelo caminho.

Convém ter dois registos independentes: o portátil e um gravador autónomo, como um módulo com cartão SD. Se o portátil reiniciar ou a aplicação fechar, o segundo continua a gravar. O custo é baixo e a diferença faz-se no dia em que tudo corre mal.

Operação no dia do voo

A estação monta-se antes de o CanSat estar pronto. Mastro de 4 a 5 m, antena apontada, cabos presos, alimentação ligada e registo a correr. Testa-se com o transmissor a 100 m e confirma-se a taxa de quadros recebidos antes de qualquer integração.

Durante o voo, a equipa regista hora, altitude, RSSI e observações. Comentários em voz num gravador poupam horas de interpretação depois. Se a ligação cair, anota-se o instante e a última posição conhecida, em vez de mexer na antena às cegas.

Após o embate, a estação procura o beacon e mede a força do sinal em pontos diferentes do terreno. Essa informação, cruzada com o último fix, reduz a área de busca de quilómetros para centenas de metros.

A distância entre a estação e a zona de lançamento deve ser decidida no planeamento, não no dia. Perto demais, o recetor satura com o sinal forte do CanSat a poucos metros; longe demais, perde-se margem. Dois a três quilómetros é uma faixa confortável para potências baixas.

Erros que custam a missão

Os erros repetem-se. Antena mal cortada, conector mal soldado, taxa de transmissão errada, ficheiro a gravar no diretório temporário. Nenhum é exótico, e todos aparecem no ensaio se o ensaio for feito com o sistema completo.

A ligação entre a estação e a cadeia de bordo descrita em sensores e telemetria tem de ser testada com a trama real, não com texto de exemplo. E nenhuma antena se liga sem verificar o regulamento de frequências e licenças em vigor.