Evaluación de una Estación Terrena Basada en SDR para la Optimización de Comunicaciones con CubeSats en Escenarios de Baja y Media Altitud

Abstract

Las comunicaciones entre estaciones terrestres y CubeSats enfrentan limitaciones signi- ficativas debido al uso de transceptores tradicionales de hardware fijo que no permiten

adaptacio ́n dina ́mica a condiciones cambiantes del canal, interferencias o requisitos de misio ́ n, resultando en baja eficiencia espectral y vulnerabilidad a interferencias en las congestionadas bandas amateur. Esta investigacio ́n evaluo ́ una estacio ́n terrena basada en Radio Definido por Software (SDR) para determinar su impacto en la optimizacio ́n de comunicaciones con CubeSats en o ́rbitas LEO y MEO, mejorando el uso del ancho de banda, la calidad de la sen ̃ al y la resistencia a interferencias. La metodolog ́ıa empleada combino ́ simulacio ́n computacional y modelado matema ́tico, evaluando tres esquemas de modulacio ́n (BPSK, QPSK, 8-PSK) bajo diferentes condiciones de SNR, altitud orbital (200-1200 km) y niveles de interferencia, caracterizando adema ́s el desempen ̃o de antenas Yagi y arrays de parches mediante ana ́lisis de patrones de radiacio ́n y para ́metros S. Los

resultados demostraron una mejora del 48 % en eficiencia espectral usando QPSK adap- tativo (1.48 bits/s/Hz), mantenimiento de SNR superior a 15 dB hasta 600 km con solo

1W de potencia, ganancia de antena de 12.3 dBi, y mejoras de 10-15 dB en resistencia a interferencias mediante te ́cnicas de mitigacio ́n adaptativas. La discusio ́n revelo ́ que estos resultados superan consistentemente a sistemas tradicionales mientras operan a menos del 20 % del costo. Se concluye que la tecnolog ́ıa SDR transforma fundamentalmente

las comunicaciones CubeSat, democratizando el acceso a capacidades satelitales avanza- das y estableciendo un nuevo paradigma para futuras misiones espaciales educativas y

cient ́ıficas.

Communications between ground stations and CubeSats face significant limitations due

to the use of traditional fixed-hardware transceivers that do not allow dynamic adapta- tion to changing channel conditions, interference, or mission requirements, resulting in

low spectral efficiency and vulnerability to interference in congested amateur bands. This research evaluated a Software-Defined Radio (SDR) based ground station to determine

its impact on optimizing communications with CubeSats in LEO and MEO orbits, im- proving bandwidth usage, signal quality, and interference resistance. The methodology

employed combined computational simulation and mathematical modeling, evaluating

three modulation schemes (BPSK, QPSK, 8-PSK) under different SNR conditions, orbi- tal altitude (200-1200 km) and interference levels, also characterizing the performance

of Yagi antennas and patch arrays through radiation pattern analysis and S-parameters. The results demonstrated a 48 % improvement in spectral efficiency using adaptive QPSK (1.48 bits/s/Hz), maintaining SNR above 15 dB up to 600 km with only 1W power, antenna gain of 12.3 dBi, and 10-15 dB improvements in interference resistance through adaptive mitigation techniques. The discussion revealed that these results consistently outperform traditional systems while operating at less than 20 % of the cost. It is concluded that SDR technology fundamentally transforms CubeSat communications, democratizing access to advanced satellite capabilities and establishing a new paradigm for future educational and scientific space missions.