Capitulo 1 Satelites

8/3/2019 Capitulo 1 Satelites

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Capitulo 1 UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANASatlites

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Capitulo 1

Satlites1.1 ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIN POR

SATLITE

Un sistema satelital se comporta como una estacin repetidora situada en el

espacio al que se conectan estaciones terrestres por medio de enlaces de microonda.

Dado que las microondas viajan en lnea recta, como un fino rayo a la velocidad

de la luz, no debe haber obstculos entre las estaciones receptoras y emisoras, por la

curvatura de la Tierra, las estaciones localizadas en lados opuestos del globo no pueden

conectarse directamente, sino que han de hacerlo va satlite como se muestra en la

figura 1.1.


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Figura 1.1 Esquema bsico de una comunicacin satelital

Fuente: Observatorio Unal, Satlites artificiales,www.observatorio.unal.edu.co/miembros/docentes/grek/satelite.html

Una estacin terrena que est bajo la cobertura de un satlite le enva una seal

de microondas, denominada enlace ascendente. Cuando la recibe, el transpondedor del

satlite simplemente la retransmite a una frecuencia ms baja para que la capture otra

estacin, esto es un enlace descendente. El camino que recorre esa comunicacin,

equiparndolo con la longitud que ocupara un cable, es de unos 70 mil km, lo cual

equivale, ms o menos, al doble de la circunferencia de la Tierra, y slo le toma

alrededor de 1/4 de segundo cubrir dicha distancia.

SUBSISTEMAS DE LOS SATLITES

Un satlite de comunicaciones comprende un conjunto de tecnologas que se

agrupan para un fin: proporcionar una plataforma de retransmisin, normalmente en la

rbita geoestacionaria. Cada tecnologa, o varias de ellas, constituye un subsistema, y la

conjuncin de subsistemas formar el satlite. En la tabla 1 se presentan lossubsistemas de un satlite tpico de comunicaciones, con su funcin y principales

caractersticas cuantitativas.

Subsistemas de Satlite

Subsistema FuncinPrincipalesCaractersticasCuantitativas


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Comunicaciones

TranspondedoresAntenas

Recibir, amplificar, procesar,

y retransmitir seales;capturar y radiar seales.

Potencia del Transmisor,ancho de banda, G/T,

ancho de haz, orientacin,ganancia, saturacin de densidadde flujo de portadora

EstructuraSostiene al satlitedurante el lanzamientoy el entorno orbital

Frecuencias de resonancia,fuerzas estructurales

Control deAltitud

Mantiene las antenas apuntadasa las estaciones terrestres y lasclulas solares al sol

Tolerancias de role, pitch y yaw

Control Trmico

Mantiene los rangos detemperatura adecuados durantela vida del satlite, con y sineclipses

Rango de temperatura media

del satlite y rangos paracomponentes crticos

Propulsin

Mantiene la posicin orbital,controla las correcciones dealtitud,cambios orbitales y despliegueenla rbita inicial

Impulso especfico, masa depropelente y aceleracin

TT&C

Monitoriza el estado del satlite

sus parmetros orbitales, ycontrola sus operaciones

Precisin de medidas de velocidady posicin, nmero de puntos

de telemetra y nmero decomandos

Satlite CompletoProporcionar operaciones decomunicaciones satisfactoriasen la rbita deseada

Masa, potencia primaria, tiempode vida,fiabilidad, nmero de canalesy tipos de seales

Tabla 1. Subsistemas de un satlite

Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, subsistemas de un satlite,

http://www.upv.es/satelite/trabajos/pracGrupo2/intro/subsiste.html

Al disear un satlite es primordial conocer exactamente su peso, pues esto es de

gran importancia al ponerlo en rbita. Cada uno de los subsistemas del satlite supone

un porcentaje de masa respecto al total. La masa total de transpondedores y antenas se

denomina carga til. Se define el factor u como la relacin entre el peso de la carga de


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comunicaciones y la masa en seco del satlite en rbita. Sus valores varan de 0.25

a0.30, obteniendo mayores valores en satlites estabilizados en Tres Ejes.

Figura 1.2 Subsistemas de un satlite

Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, misiones interplanetarias S.O.H.O.,

1995, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo2_99.00/misiones/soho/soho.html

ORBITAS DE SATLITES

1.3.1 LEYES DE KEPLER

7. Subsistema de propulsin8. Subsistema de estructura9. Paneles de esquina10. Paneles laterales11. Subsistema de antena12. yugo

1. panel osr2. plataforma superior3. panel superior4. panel inferior5. subsistema trmico


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Un satlite permanece en rbita porque las fuerzas centrfugas causadas por su

rotacin en torno a la Tierra se equilibran con la atraccin gravitacional de sta.

Johannes Kepler descubri las leyes que gobiernan el movimiento de los satlites

(aplicables a los satlites con respecto a la tierra). Las leyes del movimiento planetario

describen la forma de la rbita, las velocidades del planeta y la distancia de un planeta

con respecto al Sol.

Las propiedades fundamentales de las rbitas son resumidas por las tres leyes:

La rbita de cada planeta (satlite) es una elipse con el sol (tierra)en uno de sus focos. El punto de la rbita en el cual el planeta est ms cerca del

sol se denomina perigeo, y el punto donde est ms lejos del sol se le denomina

apogeo.

Figura 1.3 Orbita de un satlite

Fuente: David P. Stern, Las tres leyes de Kepler del movimiento planetario,

www.phy6.org/stargaze/Mkepl3laws.htm

Como la masa de la Tierra es mucho mayor que del satlite, el centro de

masa siempre coincide con el centro de la Tierra. Las propiedades geomtricas de la

elipse se suelen referir a uno de los focos como el que est en el centro de la Tierra.

La lnea que une al Sol con un planeta barre reas iguales enintervalos iguales de tiempo como se ve en la figura 1.4 .


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Figura 1.4 Orbita elptica

Fuente: David P. Stern, Las tres leyes de Kepler del movimiento planetario,

www.phy6.org/stargaze/Mkepl3laws.htm

El cuadrado del tiempo de revolucin de un planeta, divididoentre el cubo de su distancia promedio al Sol, es un nmero igual para todos los

planetas.

3/2A P Donde:

A es una constante (en Km), para el caso de la Tierra A = 42241.0979 es el semieje mayor (en Km)

P es el perodo de un da solar en la Tierra

9972.0min1440

min1436

e

s

t

tP

1.3.2

ORBITASLos satlites asncronos giran en torno a la Tierra en rbitas elpticas o circulares.

En una rbita circular, la velocidad de rotacin es constante; sin embargo, en rbitas

elpticas la velocidad depende de la altura del satlite sobre la Tierra. Es mayor cuando

el satlite est cerca de la Tierra que cuando est ms lejos.


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Si el satlite describe su rbita en la misma direccin que la de rotacin de la

Tierra (en el sentido de las manecillas del reloj) y su velocidad angular es mayor que la

de la Tierra, la rbita se llama prgrada o posgrada. Si su rbita tiene direccin

contraria a la de rotacin de la Tierra, o a misma direccin, pero con una velocidad

angular menor que la de la Tierra, la rbita del satlite es retrgrada.

La mayora de los satlites asncronos gira en torno a la Tierra con rbitas

prgradas. Por consiguiente, su posicin cambia en forma continua con respecto a un

punto fijo de la Tierra. Por lo mismo, los satlites asncronos se deben usar cuando estn

disponibles, lo cual puede ser slo de 15 minutos por rbita. Otra desventaja de stos

satlites es la necesidad de equipo complicado y costoso de rastreo en las estacionesterrestres para poder localizar al satlite cuando se avista en cada rbita, y entonces

enganchar la antena al satlite y seguirlo a medida que va pasando. Sin embargo una

gran ventaja de los satlites orbitales es que no se requieren a bordo cohetes de

propulsin para mantenerlos en sus rbitas respectivas.

1.4 Tipos de satlites de comunicaciones

Un satlite acta bsicamente como un repetidor situado en el espacio: recibe lasseales enviadas desde la estacin terrestre y las reemite a otro satlite o de vuelta a los

receptores terrestres. En realidad hay dos tipos de satlites de comunicaciones:

Satlites pasivos. Se limitan a reflejar la seal recibida sin llevar acabo ningn otro tipo de actuacin sobre ella; se comportan como una especie de

espejo en el que rebota la seal.

Satlites activos. Amplifican las seales que reciben antes de

reemitirlas hacia la Tierra. Son las ms habituales.

1.4.1 Los satlites y sus rbitasUna manera sencilla de diferenciar los diversos sistemas de satlites es por la

altura a la que se encuentran. Tambin es un factor clave para determinar cuantos

satlites necesita un sistema para conseguir una cobertura mundial y la potencia que

debe tener. Dado cierto ancho de haz de la antena del satlite, el rea de cobertura del


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mismo ser mucho menor estando en una rbita de poca altura que estando en otra de

mayor altura. Sin embargo, la potencia necesaria para emitir desde un rbita baja es muy

inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la rbita.

TIPOS DE RBITAS

Los expertos en satlites utilizan cuatro trminos bsicos para describir las

diversas altitudes, que son los que son : GEO, MEO, LEO y HALE .

GEO

Abreviatura de rbita Terrestre Geosncrona. Los satlites GEO orbitan a 35848

kilmetros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotacin del satlite es

exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de lasuperficie del planeta. La mayora de los satlites actuales son GEO, as como los

futuros sistemas Spaceway, de Hughes, y Cyberstar, de Loral. Esta rbita se conoce

como rbita de Clarke, en honor al escritor Arthur C. Clarke, que escribi por primera

vez en 1945 acerca de esta posibilidad.

Los GEO precisan menos satlites para cubrir la totalidad de la superficie

terrestre. Sin embargo adolecen de un retraso (latencia) de 0.24 segundos, debido a la

distancia que debe recorrer la seal desde la tierra al satlite y del satlite a la tierra. As

mismo, los GEO necesitan obtener unas posiciones orbitales especficas alrededor del

ecuador para mantenerse lo suficientemente alejados unos de otros (unos 1600

kilmetros o dos grados). La ITU y la FCC (en los Estados Unidos) administran estas

posiciones.

MEO

Los satlites de rbita terrestre media se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150

kilmetros. A diferencia de los GEO, su posicin relativa respecto a la superficie no es

fija. Al estar a una altitud menor, se necesita un nmero mayor de satlites para obtenercobertura mundial, pero la latencia se reduce substancialmente. En la actualidad no

existen muchos satlites MEO, y se utilizan para posicionamiento.

LEO

Las rbitas terrestres de baja altura prometen un ancho de banda extraordinario y una

latencia reducida. Existen planes para lanzar enjambres de cientos de satlites que

abarcarn todo el planeta. Los LEO orbitan generalmente por debajo de los 5035


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kilmetros, y la mayora de ellos se encuentran mucho ms abajo, entre los 600 y los

1600 kilmetros. A tan baja altura, la latencia adquiere valores casi despreciables de

unas pocas centsimas de segundo.

Tres tipos de LEO manejan diferentes cantidades de ancho de banda. Los LEO

pequeos estn destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda (de decenas a

centenares de Kbps), como los buscapersonas, e incluyen a sistemas como OrbComm.

Los grandes LEO pueden manejar buscapersonas, servicios de telefona mvil y algo de

transmisin de datos (de cientos a miles de Kbps). Los LEO de banda ancha (tambin

denominados megaLEO) operan en la franja de los Mbps y entre ellos se encuentran

Teledesic, Celestri y SkyBridge.HALE

Las plataformas de gran altitud y resistencia son bsicamente aeroplanos alimentados

por energa solar o ms ligeros que el aire, que se sostienen inmviles sobre un punto de

la superficie terrestre a unos 21 kilmetros de altura. No se habla mucho de ellos y en la

actualidad constituyen fundamentalmente un proyecto de investigacin. Un ejemplo de

HALE que utiliza globos estacionarios es Skystation.

Figura 1.5. Orbitas de los Satlites

Fuente: TELEDESIC, Sistemas de satlites, http://www.upv.es/satelite


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/trabajos/pracGrupo17/sistemas.html

1.5 ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIN DE FRECUENCIAS DESATLITES.

Los satlites a casi la misma frecuencia deben tener una separacin suficiente en

el espacio para evitar interferir entre s. Hay un lmite realista de la cantidad de satlites

que pueden estacionarse en determinada rea del espacio. La separacin espacial

requerida depende de las siguientes variables:

a) Anchos de banda y lbulos laterales de radiacin de las antenas,tanto de la estacin terrestre como del satlite.

b) Frecuencia de portadora de RF.c) Lmites aceptables de interferencia.d) Potencia de la portadora de transmisin.

Figura 1.6 Separacin de los satlites

Fuente: Mapping interactivo, Empleo del gps en la precisin,

Se requiere una separacin espacial de 3 a 6 grados, que depende de estas

variables.


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Las frecuencias de portadora ms comunes que se usan en comunicaciones va

satlite son las bandas de 6/4 y de 14/12 GHz. El primer nmero es la frecuencia de

enlace de subida (estacin terrestre a transpondedor), y el segundo es la frecuencia de

enlace de bajada (transpondedor a estacin terrestre).

Mientras mayor sea la frecuencia de la portadora, el dimetro necesario de la

antena es menor, para una ganancia dada. La mayora de los satlites domsticos usa la

banda de 6/4 GHz. Desafortunadamente, esta banda tambin se usa mucho e sistemas

terrestres de microondas. Se debe tener cuidado al disear una red satelital, para evitar

interferencias con otros enlaces existentes de microondas.

Las frecuencias asignadas por la Conferencia Mundial Administrativa de Radio(WARC, de World Administrative Radio Conference) se resumen en la siguiente tabla:

Figura 1.7 Asignaciones WARC para frecuencias de satlites

Fuente: Luis Antonio Virues, Caractersticas de las comunicaciones por satlite,

2002, www.monografias.com/trabajos11/caracsat/caracsat.shtml


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Fogura 1.8 Banda de Frecuencias en GHz

Fuente: Luis Antonio Virues, Caractersticas de las comunicaciones por satlite,

2002, www.monografias.com/trabajos11/caracsat/caracsat.shtml

1.6 PATRN DE RADIACIN DE ANTENASSATELITALES: HUELLAS

El rea que cubre un satlite en la Tierra depende de la localizacin del satlite

en su rbita, su frecuencia de portadora y la ganancia de su antena. Los tcnicos de

satlites seleccionan la antena y la frecuencia de portadora para determinado satlite, demodo que concentre la potencia limitada de transmisin en un rea especfica de la

superficie terrestre. La representacin geogrfica del patrn de radiacin de la antena de

un satlite se llama huella, o a veces mapa de huella.

Una huella de un satlite es la zona, sobre la superficie terrestre, desde donde el

satlite puede recibir o hacia donde puede transmitir. La forma de la huella de un satlite

depende de su trayectoria orbital, su altura y el tipo de antena que se use. Mientras ms

alto est el satlite, podr abarcar ms superficie terrestre.

Figura 1.9 Huellas de una antena

Fuente: Satconxion, SatWide 1, www.satconxion.es/productos-servicios-satelite-

bidireccionales-europa-satwide1.php

La potencia efectiva transmitida se llama potencia irradiada efectiva isotrpica

(EIRP, de effective isotropic radiated power) y se expresa, en general, en dBm o dBW.


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Se traza un mapa de huella dibujando lneas continuas entre todos los puntos que tengan

EIRP iguales. Un mapa caracterstico de huella es una serie de curvas de nivel sobre un

mapa geogrfico.

Figura 1.10 Mapa de huella

Fuente: Satconxion, SatWide 1, www.satconxion.es/productos-servicios-satelite-

bidireccionales-europa-satwide1.php

La figura 1.10 de las curvas de nivel y los niveles de potencia de una huella

quedan determinados por el diseo de la antena de enlace de bajada, al igual que por el

valor de potencia de microondas generadas.

Los niveles de potencia de recepcin son mayores en las reas hacia las que

apunta la mira de la antena de bajada, y ms dbiles fuera de esas reas. Un plato de

antena receptora cerca de la orilla del rea de cobertura de un satlite debe ser mayor

que los que estn en el centro o cerca del centro del mapa de huella. Son necesarias

antenas de estacin terrestre con dimetros extremadamente grandes para recibir

emisiones satelitales en reas geogrficas a grandes distancias de la mira de la antena de

enlace de bajada.

Es posible disear antenas satelitales de enlace de bajada que puedan difundir

seales de microondas para cubrir reas sobre la Tierra cuyo tamao va desde ciudades

extremadamente pequeas hasta a un 42% de la superficie terrestre. El tamao, forma y

orientacin de estas antenas, y la potencia generada por cada transpondedor, determinan


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la cobertura geogrfica y los EIRP. Las distribuciones de radiacin de una antena

satelital se suelen caracterizar como localizados, zonales, hemisfricas o globales.

Figura 1.11 Haces de una antenaFuente: Rafael Herradon Diez, El enlace satelital, 1999,

www.euitt.upm.es/postgrado/satelite/Modulo_4_El_enlace_satelital.htm

Haces locales y zonales.- Los haces ms pequeos son los haces localizados, y

les siguen los haces zonales. Los localizados concentran su potencia en reas geogrficas

muy pequeas y, en consecuencia, suelen tener EIRP mayores que los que abarcan reas

mucho mayores.

Los haces localizados y los zonales cubren menos del 10% de la superficie

terrestre. Mientras mayor sea la frecuencia del enlace de bajada, un haz puede ser

enfocado con ms facilidad hacia una zona ms pequea.

Haces hemisfricos.- Las antenas de enlace descendente hemisfrico abarcan en

forma caracterstica hasta el 20% de la superficie terrestre

Haces globales.- Las distribuciones de radiacin de las antenas de cobertura

mundial o global son capaces de abarcar hasta un 42% de la superficie terrestre, que es

la visual mxima de cualquier satlite geosncrono. Los niveles de potencia son bastante

menores en los haces globales que en los localizados, zonales o hemisfricos, y sonnecesarios grandes platos receptores para detectar en forma adecuada emisiones de

video, audio y datos.

Rehso.- Cuando se llena una banda asignada de frecuencias, se puede obtener

una capacidad adicional rehusando el espectro de frecuencias. Se pueden dirigir distintos

haces de la misma frecuencia a distintas reas geogrficas de la Tierra. A esto se le llama

rehso de frecuencia.

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