Sistemas de satélite

MARCO HISTORICO
A principios de 1960 la American Telephone and Telegraph Company (AT&T) publicó unos estudios,
indicando que unos cuantos satélites poderosos, podían soportar más tráfico que toda la red AT&T de larga
distancia. Sin embargo por lo que AT&T era un proveedor de servicios, los reglamentos del gobierno le
impedían desarrollar los sistemas de satélite.
A través de los años, los precios de los servicios de comunicación por satélite se han vuelto más accesible; en
la mayoría de los casos los sistemas de satélite ofrecen más flexibilidad que los cables submarinos, cables
subterráneos, radio de microondas línea de vista o sistemas de fibra óptica.
Esencialmente, un satélite de comunicaciones es un repetidor de radio en el cielo (transponder). Un sistema de
satélite consiste de un transponder, una estación basada en tierra, para controlar su funcionamiento y una red
de usuario, de las estaciones terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y recepción de tráfico
de comunicaciones, a través del sistema de satélite. Las transmisiones de satélite se catalogan como bus o
carga útil. La de Bus incluye mecanismos de control que apoyan la operación de carga útil. La de carga útil es
la información del usuario que será transportada a través del sistema.
El tipo más sencillo de satélite es el reflector pasivo, un dispositivo que simplemente rebota una señal de un
lugar a otro. La Luna se convirtió en el primer satélite pasivo a finales de los años 40. En 1956 se estableció
un servicio de transmisión, entre Washington y Hawaii y, hasta 1962 ofreció comunicaciones de larga
distancia confiables. El servicio estaba limitado sólo por la disponibilidad de la Luna.
En 1957, Rusia lanzó el sputnik I , el primer satélite terrestre activo. Un satélite activo es capaz de recibir,
amplificar y retransmitir información de y a las estaciones terrestres. Sputnik I, transmitió información
telemétrica por 21 días. Más adelante en el mismo año, Estados Unidos lanzó el explorer I el cual transmitió
información telemétrica por casi 5 meses.
En 1958, la NASA lanzó el Score, un satélite con forma cónica de 150 libras. Con una grabación a bordo,
Score emitió el mensaje navideño del presidente eisenhower. Fue el primer satélite artificial usado para
retransmitir las comunicaciones terrestres. Score recibía transmisiones de las estaciones terrestres, las
almacenaba en cinta magnética y las emitía a las estaciones terrestres más adelante en su orbita.
En 1960 se lanzó Echo, que era un globo de plástico de 100 pies de diámetro, con una capa de aluminio,
reflejaba pasivamente las señales de radio desde una antena terrestre grande, era confiable pero requería de
transmisores de extremadamente alta potencia en las estaciones terrestres.
En 1962 se lanzó a Telstar I el primer satélite que recibía y transmitía simultáneamente. Duró tan sólo unas
pocas semanas. Telstar II era idéntico a su antecesor pero estaba hecho más resistente a la radiación.
SATELITES GOESTACIONARIOS
Son satélites que giran en un patrón circular, con una velocidad angular igual a la de la Tierra.
Consecuentemente, permanecen en una posición fija con respecto a un punto específico en la tierra. Una
ventaja obvia es que están disponibles para todas las estaciones de la Tierra, dentro de su sombra, 100% de las
veces. La sombra de un satélite incluye a todas las estaciones de la Tierra que tienen un camino visible a él y
están dentro del patrón de radiación de las antenas del satélite. Una desventaja obvia es que a bordo, requieren
de dispositivos de propulsión sofisticados y pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de órbita
de un satélite geoestacionario es de 24 horas, igual que la Tierra.
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Syncom I lanzado en 1963, fue el primer intento de un satélite geoestacionario, se perdió durante la colocación
en órbita. Syncom III fue utilizado para transmitir los juegos olímpicos de 1964, desde Tokio.
En 1964, se estableció una red de satélite comercial global conocida como Intelsat (Organización satelital para
telecomunicaciones Internacionales), es propiedad y operada por un consorcio de más de 100 países.
PATRONES ORBITALES
Una vez proyectado, un satélite permanece en órbita debido a que la fuerza centrífuga, causada por su rotación
alrededor de la Tierra, es contrabalanceada por la atracción gravitacional de la Tierra. Tres satélites
igualmente espaciados podrían cubrir toda la zona del planeta, menos las áreas no pobladas de los polos Norte
y Sur.
Cuando un satélite gira en una órbita arriba del ecuador se llama órbita ecuatorial. Cuando un satélite gira en
una órbita que lo lleva arriba de los polos norte y sur, se llama órbita polar. Cualquier otro trayecto, se llama
órbita inclinada.
Para orientar una antena desde una estación terrena hacia un satélite, es necesario conocer el ángulo de
elevación y el azimut. Estos se llaman ángulos de vista.
Angulo de elevación
Es el formado entre la dirección de viaje de una onda radiada desde una antena de estación terrena y la
horizontal, o el ángulo de la antena de la estación terrena entre el satélite y la horizontal. Como con cualquier
onda propagada a través de la atmósfera de la Tierra sufre absorción y, también, puede contaminarse
severamente por el ruido.
Azimut
Es el ángulo de apuntamiento horizontal de una antena. Normalmente se mide en una dirección, según las
manecillas del reloj, en grados del norte verdadero. El ángulo de elevación y el azimut dependen ambos, de la
latitud de la estación terrena y la longitud de la estación terrena, así como el satélite en órbita.
Clasificaciones orbitales y espaciamiento
Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y satélites
estabilizadores de tres ejes. Los satélites spinner, utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para
proporcionar una estabilidad de giro. Con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo permanece fijo en relación a
la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema interno proporciona una estabilización de giro.
Los satélites geoestacionarios deben compartir un espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un
arco específico, en una órbita geoestacionaria. Cada satélite de comunicación se asigna una longitud en el arco
geoestacionario, aproximadamente a 22.300 millas, arriba del ecuador. Los satélites trabajando, en o casi en la
misma frecuencia, deben estar lo suficientemente separados en el espacio para evitar interferir uno con otro.
Hay un límite realista del número de estructuras satelitales que pueden estar estacionadas, en un área
específica en el espacio. La separación espacial requerida depende de las siguientes variables:
• ancho del haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas del satélite
• frecuencia de la portadora de RF
• técnica de codificación o de modulación usada
• límites aceptables de interferencia
• potencia de la portadora de transmisión
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Las frecuencias de la portadora más comunes, usadas para las comunicaciones por satélite, son las bandas 6/4
y 14/12 GHz. El primer número es la frecuencia de subida (ascendente) (estación terrena a transponder) y el
segundo numero es la frecuencia de bajada (descendente) (transponder a estación terrena). Diferentes
frecuencias de subida y de bajada se usan para prevenir que ocurra repetición. Entre más alta sea la frecuencia
de portadora, más pequeño es el diámetro requerido de la antena para una ganancia específica. La mayoría de
los satélites domésticos utilizan la banda de 6/4 GHz. Desafortunadamente esta banda se utiliza para los
sistemas de microondas terrestres. Se debe tener cuidado cuando se diseña una red satelital para evitar
interferencia con enlaces de microondas.
Por razones prácticas, a las bandas de frecuencias más comunes para el servicio por satélite se les designa por
fabricantes de equipos, operadores de satélites y usuarios por medio de letras empleadas originalmente para
radar, aunque no son utilizadas oficialmente por la UIT. Las principales bandas para los servicios por satélite
son:
Banda
L
Ejemplos de atribución (GHz)*
1.525 − 1.71
1.99 − 2.20**
Designación alternativa
Banda de 1.5 GHZ
Banda de 2 GHz
2.5 − 2.69
3.4 − 4.2, 4.5 − 4.8,
Banda de 2.5 GHz
Banda de 4/6 GHz
5.15 − 5.25, 5.85 − 7.075
7.2 − 8.4
10.7 − 13.25, 13.75 − 14.8
27.0 − 31.0
50 − 51
Banda de 5/7 GHz
Banda de 7/8 GHz
Banda de 11/14 GHz
Banda de 30 GHz
Banda de 50 GHz
S
C
X
Ku
Ka
V
*A frecuencias más bajas se utiliza otra forma de designaciones y abreviatura
** A partir del 1º de Enero del 2000
Patrones de radiación
El área de la Tierra cubierta por un satélite depende de la ubicación del satélite en su órbita geosíncrona, su
frecuencia de portadora y la ganancia de sus antenas. Los ingenieros satelitales seleccionan la frecuencia de
portadora y la antena para un satélite, en particular, para concentrar la potencia transmitida limitada en un área
específica de la superficie de la tierra. La representación geográfica del patrón de radiación de la antena de un
satélite se llama huella. Las líneas de contorno representan los límites de la densidad de potencia de igual
recepción.
El patrón de radiación de una antena de satélite se puede catalogar como de punto, zonal o tierra. Los patrones
de radiación de las antenas de cobertura de Tierra tienen un ancho de haz de casi 17º e incluyen la cobertura
de aproximadamente un tercio de la superficie de la tierra. La cobertura zonal incluye un área de menor a un
tercio de la superficie de la Tierra. Los haces de puntos concentran la potencia radiada en un área geográfica
muy pequeña.
Reutilizar
Cuando se llena una banda de frecuencia asignada, se puede lograr la capacidad adicional para reutilizar el
espectro de la frecuencia. Incrementando la ganancia de una antena, el ancho del haz de la antena también se
reduce. Por lo tanto, diferentes rayos de la misma frecuencia pueden ser dirigidos a diferentes áreas
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geográficas de la Tierra. Esto se llama reutilizar la frecuencia. Otro método para reutilizar la frecuencia es
usar la polarización dual. Diferentes señales de información se pueden transmitir a diferentes receptores de
estaciones terrestres utilizando la misma banda de frecuencias, simplemente orientando sus polarizaciones
electromagnéticas de una manera ortogonal (90º fuera de fase).
MODELOS DE ENLACE DEL SISTEMA SATELITAL
Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una subida, un transponder satelital y
una bajada.
Modelo de subida
El principal elemento dentro de esta sección es el transmisor de la estación terrena. Un típico transmisor de la
estación terrena consiste de un modulador de IF, un convertidor de microondas de IF a RF, un amplificador de
alta potencia (HPA) y algún medio para limitar la banda del último espectro de salida (por ejemplo, un filtro
pasa−bandas de salida).
El modulador de IF convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia intermedia modulada en
FM, en PSK o en QAM. El convertidor (mezclador y filtro pasa−bandas) convierte la IF a una frecuencia de
portadora de RF apropiada. El HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia de salida
para propagar la señal al transponder del satélite. Los HPA comúnmente usados son klystons y tubos de ondas
progresiva.
Transponder
Consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BFP), un amplificador de bajo ruido de entrada
(LNA), un traslador de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa−bandas de
salida. El del diagrama es un repetidor de RF a RF. Otras configuraciones de transponder son los repetidores
de IF, y de banda base, semejantes alos que se usan en los repetidores de microondas. El BFP de entrada
limita el ruido total aplicado a la entrada del LNA (diodo tunel). La salida del LNA alimenta a un traslator de
frecuencia (un oscilador de desplazamiento y un BFP), que convierte la frecuencia de subida de banda alta a
una frecuencia de bajada de banda baja. El amplificador de potencia de bajo nivel, que es comúnmente un
tubo de ondas progresivas, amplifica la señal de RF para su transmisión por medio de la bajada a los
receptores de la estación terrena. Cada canal de RF del satélite requiere de un transponder por separado.
Modelo de bajada
Un receptor de estación terrena incluye un BFP de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF.
Nuevamente, el BFP limita la potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo altamente
sensible con poco ruido. El convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezclador/pasa−bandas que
convierte la señal de RF recibida a una frecuencia de IF.
Enlaces cruzados
Ocasionalmente, hay una aplicación en donde es necesario comunicarse entre satélites. Esto se realiza usando
enlaces cruzados entre satélite o enlaces intersatelitales (ISL). Una desventaja de usar un ISL es que el
transmisor y receptor son enviados ambos al espació. Consecuentemente, la potencia de salida del transmisor
y la sensibilidad de entrada del receptor se limitan.
FUNCIONAMIENTO BASICO DE UN SATELITE
Un satélite puede dividirse en dos partes fundamentales para su operación: el conjunto de equipos y antenas
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que procesan las señales de comunicación de los usuarios como función substancial, denominado carga útil o
de comunicaciones, y la estructura de soporte con los elementos de apoyo a dicha función, denominada
plataforma.
La carga útil tiene el amplio campo de acción de la cobertura de la huella del satélite y del empleo de las
ondas de radio en una extensa gama de frecuencias que constituyen la capacidad de comunicación al servicio
de los usuarios, en tanto que la acción de los elementos de la plataforma no se extiende fuera de los límites del
propio satélite, salvo en la comunicación con el centro de control.
La estructura de la plataforma sirve de soporte tanto para sus demás elementos como para la carga útil. Debe
tener la suficiente resistencia para soportar las fuerzas y vibraciones del lanzamiento y a la vez un peso
mínimo conveniente. Está construida con aleaciones metálicas ligeras y con compuestos químicos de alta
rigidez y bajo coeficiente de dilatación térmica.
Los sistemas de propulsión pueden incluir un motor de apogeo que permite al satélite llegar a su orbita de
destino después de ser liberado por el vehículo de lanzamiento si este no lo hace directamente. Los satélites
pueden emplear propulsantes liquidos, gas o iones. En los satélites geoestacionarios típicos los propulsantes
químicos requeridos para conservar su posición durante su vida útil representa el 20 o 40% de masa adicional
a la de nave sin combustible.
El subsistema de control de orientación está constituido por las partes y componentes que permiten
conservar la precisión del apuntamiento de la emisión y recepción de las antenas del satélite dentro de los
límites de diseño, corrigiendo no sólo las desviaciones de estas por dilatación térmica e imprecisión de
montaje, sino de toda la nave en su conjunto.
El subsistema de energía está constituido generalmente por células solares que alimentan los circuitos
eléctricos de la nave, las baterías que aseguran el suministro durante los eclipses y los dispositivos de
regulación.
El subsistema de telemetría permite conocer el estado de todos los demás subsistemas. Utiliza un gran
número de sensores que detectan o miden estados de circuitos y variaciones de temperatura, presión, voltaje,
corriente eléctrica, etc., convierte esa información en datos codificados y los envía en secuencia al centro de
control a través de un canal especial de comunicación, se repite esto en intervalos de tiempo iguales.
El sistema de telemando permite enviar órdenes al satélite desde el centro de control a través de un canal de
comunicación dedicado que se activa cuando éstas se transmiten. Los comandos pueden tener efecto tanto
sobre la carga útil como sobre la plataforma y solo son admitidos por el satélite mediante códigos de
seguridad que evitan su acceso ilegítimo.
Para evitar variaciones de temperatura extremas en los componentes del satélite, fuera de las toleradas por el
sistema, el subsistema de control térmico emplea conductores de calor y radiadores que lo disipan fuera de
la plataforma. También protege contra el frío intenso por medio de calefactores eléctricos y emplea materiales
aislantes para lograr el equilibrio térmico requerido dentro de la nave.
PARAMETROS DEL SISTEMA SATELITAL
Potencia de transmisión y energía de Bit.
Los amplificadores de alta potencia usados en los transmisores de la estación terrena y los tubos de onda
progresiva usados de manera normal, en el transponder del satélite, son dispositivos no lineales; su ganancia
(potencia de salida contra potencia de entrada) depende del nivel de la señal de entrada. O sea conforme la
potencia de entrada se reduce a 5 dB, la potencia de salida sólo se reduce a 2 dB. Hay una compresión de
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potencia obvia. Para reducir la cantidad de distorsión de intermodulación causada por la amplificación no
lineal del HPA, la potencia de entrada debe reducirse (respaldarse) por varios dB. Esto permite que el HPA
funcione en una región más lineal. La cantidad de nivel de salida de respaldo de los niveles clasificados será
equivalente a una pérdida y es apropiadamente llamada pérdida de respaldo (Lbo).
Para funcionar lo más eficientemente posible, debe operar un amplificador de potencia lo más cercano posible
a la saturación. La potencia de salida saturada es designada Po(sat) o simplemente Pt. La potencia de salida de
un transmisor típico de estación terrena del satélite es mayor que la potencia de salida de un amplificador de
potencia de microondas terrena. Consecuentemente, cuando se trata de sistemas satelitales, Pt generalmente se
expresa en dBW (decibeles con respecto a 1W) en vez de dBm (decibeles con respecto a 1mW).
La mayoría de los sistemas satelitales modernos usan transmisión por desplazamiento de fase PSK, o
modulación de amplitud en cuadratura QAM, en vez de la modulación en frecuencia convencional FM. Con
PSK o QAM, la banda dase de entrada generalmente es una señal PCM codificada con multicanalización por
división de tiempo, la cual es digital por naturaleza. Además, con PSK o QAM, se pueden codificar varios bits
en un solo elemento de señalización de transmisión. Consecuentemente, un parámetro más importante que la
potencia de la portadora es la enrgía por bit Eb; Eb matemáticamente es
Eb = Pt Tb
En donde Eb = energía de un bit sencillo (julios por bit), pt= potencia total de portadora, y tb= tiempo de un
bit sencillo (segundos).
LAS AGENCIAS ESPACIALES Y LA INDUSTRIA AEROESPACIAL
Las agencias espaciales que desarrollaron los primeros ingenios y los sistemas de lanzamiento nacen
practicamente con la NASA en los EEUU, en 1958. El precursor de los satélites comerciales fue el proyecto
SCORE (comunicación de señales por equipos orbitales), preludio del primer satélite de comunicaciones
Early Bird, lanzado en abril de 1965.
La industria espacial Europea hace su aparición en el mercado mundial en 1962, con ESRO y la ELDO,
alcanzando concertaciones de esfuerzo al crearse en 1975 la AEE, Agencia Espacial Europea. Actualmente la
AEE contribuye a la existencia de una industria aeroespacial que ya es altamente competitiva frente a la
industria norteamericana.
Años
1972−79
Número de satélites
37
Ingresos (Millones de US$ 1988)
2000
Hughes Aircraft Company
Distribución
Por
Ford Aerospace services
Países
TRW
FRA
RU
ITAL
ALEM
EURO
empresas
90− 95
78
6900
100%
69.7%
59.6%
Matra Aeroespatiale
British Aerospace
Selenia
MBB
(total empresas Europeas)
−
−
−
−
−
9.6%
8.2%
0.9%
4.8%
23.5%
GE/RCA Astroelectronics
EEUU
Y
80−89
99
6400
23.8%
5.6%
4.3%
2.3%
36%
6
OTRO
−
6.8%
4.4%
LOS PROVEEDORES DE SEGMENTO ESPACIAL
PROVEEDOR
INTELSAT
SATELITES
INTELSAT V, VI
EUTELSAT
EUTELSAT I, II
FRANCE TELECOM
TELECOM 1 A, 1C
S.ES (Luxemburgo)
ASTRA 1 A, 1B
BSB
Marco Polo 1,2
INMARSAT
INMARSAT−2
TELESPAZIO
ITALSAT
HISPASAT
HISPASAT 1 A, B
INTERSPUTNIK
STATSIONAR
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