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UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIAREGIONAL - LA PAZ

PROGRAMA DE CURSOS DE ACTUALIZACION

LIC. RENE I. LOPEZ RAMOS

SEPTIEMBRE - 2015

SISTEMAS SATELITALES

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MODULO I

TEMA 1 : INTRODUCCION

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1.1 HISTORIA DE LAS COMUNICACIONES POR SATELITE

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Historia de un satélite. Los satélites artificiales nacieron durante la

guerra fría en el año 1948-1955 entre los Estados Unidos y La Unión Soviética, que pretendían ambos llegar a la Luna y a su vez lanzar un satélite a la órbita espacial. La era espacial comenzó en 1946, cuando los científicos comenzaron a utilizar los cohetes capturados V-2 alemanes para realizar mediciones de la atmósfera. Antes de ese momento, los científicos utilizaban globos que llegaban a los 30 km de altitud y ondas de radio para estudiar la ionosfera. Desde 1946 a 1952 se utilizó los cohetes V-2 y Aerobee para la investigación de la parte superior de la atmósfera, lo que permitía realizar mediciones de la presión, densidad y temperatura hasta una altitud de 200 km.

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La idea de colocar objetos en el espacio en órbitas alrededor de la tierra ocurrió

después de finalizar la Segunda Guerra Mundial. En 1945 un oficial de radar de la

RAF (Real Fuerza Aérea), llamado Arthur C. Clarke, escribió un artículo en

la revista Wirelees World que hablaba de colocar tres repetidores separados 120°

entre sí, a una distancia de 36000 Km de la Tierra. En la figura siguiente se

muestra la idea de Arthur C. Clarke con tres satélites geoestacionarios capaces de

dar cobertura a todo el planeta Tierra y mantenerlo comunicado a través de las radio

comunicaciones. Pero para esa época no existían los medios necesarios para colocar

un satélite ni siquiera en la orbita más baja.

Historia de un satélite.

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LA IDEA DE ARTHUR C. CLARKE

En 1945 Arthur C. Clarke sugirió la posibilidad de colocar satélites artificiales en una órbita tal que al observarlos desde un punto sobre la superficie de la Tierra parecería que no se moviesen, como si estuviesen colgados en el cielo, sugería un sistema de comunicaciones formado por tres estaciones espaciales de cobertura global en órbita geoestacionaria. Los satélites no cambiarían, aparentemente, de posición. Casi la totalidad del mundo habitado se podría intercomunicar por radio con sólo tres satélites colocados en esa órbita. A esta órbita sugerida por Clarke se le denomina Cinturón de Clarke u Orbita Geoestacionaria o Geosíncrona. ¿Cómo sería posible lograr que los satélites estuviesen aparentemente sin movimiento, si los satélites deben moverse a gran velocidad, para no perder altura y caer hacia la Tierra, atraídos por ella? La Tierra gira sobre su propio eje, completando una vuelta cada 24 horas, entonces, para un observador sobre un punto fijo de la Tierra, se produce la ilusión de que el satélite no se mueve. La idea de Clarke era muy buena y debían cumplirse varios requisitos para que el satélite fuese en verdad fijo con respecto a la Tierra, es decir geoestacionario. Requisitos para que un satélite se considere geosíncrono:    1) Que esté en Órbita Geoestacionaria, es decir a una altura de 35,788 Kms. Aproximadamente a  36,000 Km.    2) Que la velocidad  a la que el satélite se mueva sea constante: 3075 metros/segundo.    3) Que la órbita sea circular alrededor de la Tierra.    4) Es importante considerar las:            a) Leyes de Isaac Newton:                    1) Fuerza de Atracción (inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa y                        directamente proporcional a las masas)                    2) Si a un cuerpo se le aplica una fuerza (acción) éste responde con una reacción igual y de sentido contrario.             b) Leyes de Kepler y muchos otros principios. En teoría el número de órbitas en las que se puede colocar un satélite es infinito, pero la que más se utiliza es la geoestacionaria o Cinturón de Clarke. Actualmente el Cinturón de Clarke es la órbita más congestionada.

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COBERTURA TOTAL DE LA TIERRA CON TRES SATELITES EN LA ORBITA GEOESTACIONARIA

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El primer satélite espacial artificial en ponerse en órbita fue el Sputnik, el cual llevaba

consigo un radio faro que emitía señales en el orden de los 20 y 40 Mhz. En el año de

1958 el presidente norteamericano Eisenhower grabó un mensaje de navidad el cual

fue transmitido desde el espacio gracias al proyecto SCORE.

El primer satélite activo colocado en órbita fue el Telestar 1, en el año de 1962,

también fue el primer satélite comercial a cargo de American Telephone and Telegraph.

Un año después le seguiría el Telestar 2. Las estaciones terrestres estaban colocadas en

Estados Unidos, Inglaterra y Francia.

En 1964 el mundo se sobrecogió al poder ver en vivo la ceremonia de apertura

de los juegos olímpicos en Japón, gracias al satélite Syncom 3. En 1964 el presidente

Kennedy invitó a los distintos países a conformar una asociación en pro de la paz, esto

fue de gran interés para los países que formaron el consorcio llamado INTELSAT, y

así en 1965 pusieron en órbita su primer satélite, el INTELSAT 1, mejor conocido como

Early Bird, el cual contaba con 240 circuitos telefónicos y estuvo en servicio durante

cuatro años, en la actualidad INTELSAT cuenta con 32 satélites en órbita.

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El origen de los satélites artificiales está íntimamente ligado al desarrollo

de los cohetes

El primer satélite artificial, el Sputnik 1, fue lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957.

El Sputnik 2, segundo satélite en órbita y también el primero en llevar a un animal a bordo.

HISTORIA DE LOS SATÉLITES

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La Unión Soviética, desde el Cosmódromo de Baikonur, lanzó el primer satélite artificial de la humanidad, el 4 de octubre de 1957; marcando con ello un antes y después de la carrera espacial, logrando que la Unión Soviética, liderada por Rusia, se adelantara a Estados Unidos en dicha carrera. Este programa fue llamado Sputnik, el cual al momento de colocarse exitosamente en órbita, emitió unas señales radiales en forma de pitidos, demostrando el éxito alcanzado por los científicos soviéticos. Este programa fue seguido por otros logros rusos, como los programas Sputnik 2 y 3. Cabe señalar que en el Sputnik 2, la Unión Soviética logró colocar en órbita el primer animal en la historia, la perra llamada Laika.

PRIMER SATELITE ARTIFICIAL

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El primer satélite activo que se puso en órbita fue el Courier, de propiedad estadounidense (lanzado en 1960), equipado con un paquete de comunicaciones.

En 1963, en Estados Unidos de América se fundó la primera compañía dedicada a telecomunicaciones por satélite (COMSAT)

En agosto de 1964 se formó el consorcio internacional INTELSAT

En la década de los años 70, se crearon sofisticados prototipos de vehículos

espaciales para comunicaciones y

meteorología.

HISTORIA DE LOS SATÉLITES

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Reglamentación de organismos registrados. Existen diversos organismos encargados de la normalización y la reglamentación de los

sistemas de comunicaciones vía satélite.

La normalización es el conjunto de reglas de no obligado cumplimiento, llamadas recomendaciones (por ejemplo, la norma GSM se aplica de forma distinta en EE.UU.,

Europa y Japón). Entre los organismos de normalización destacan:

ETSIT (CEPT) en Europa.

FCC (Federal Communications Commision) en EE.UU. La reglamentación, por otra parte, es el conjunto de reglas de obligado cumplimiento,

como las autorizaciones de posiciones orbitales, frecuencias, coberturas, etc. De la

reglamentación se encarga la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones o

ITU), organismo internacional dependiente de la ONU. Dentro de la UIT se distinguen

varios organismos:

IFRB (International Frequency Registration Board), encargada del registro de

las posiciones orbitales.

CCIR (Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones), actualmente

ITU-R, encargado de los estudios técnicos y recomendaciones relacionados con

la radio.

CCITT (Comité Consultivo Internacional de Teléfonos y Telégrafos), actualmente ITU-T, encargado de la telefonía.

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1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE

UTILIZAR COMUNICACIONES

POR SATELITE

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p Ventajas:

g Los satélites tienen la misma velocidad angular que la tierra, con lo que pueden establecer radioenlaces con estaciones terrenas cuyas antenas apuntan a un punto fijo en el cielo.

g La elevada altitud de la órbita posibilita que 3 satélites sean suficientes para cubrir toda la superficie terrestre.

Satélites Geoestacionarios

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p Desventajas:g Las zonas de servicio de los satélites

(footprints) son muy grandes, con lo que se malgasta parte de ella en regiones indeseadas como océanos, zonas poco pobladas, etc.

g Debido a la elevada altitud de la órbita, las pérdidas por atenuación son considerables. No es posible diseñar terminales portátiles de bolsillo.

g También a causa de la distancia, el retardo de propagación es lo suficientemente elevado

g Al ser la órbita ecuatorial, la cobertura empeora notablemente con la latitud.

Satélites Geoestacionarios

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Desventajas de las Orbitas Geosíncronas.  Las altitudes superiores de los satélites geosíncronos

(GEO) introducen tiempos de propagación más largos. El retardo de propagación del viaje redondo entre dos estaciones terrenas  por medio de un satélite  geosíncrono es de 500 ms. a 600 ms.

  Los satélites geosíncronos requieren de alta potencia

de transmisión y receptores más sensibles debido a las distancias más grandes y mayores perdidas de trayectoria.

  Se requieren de maniobras especiales de alta precisión

para colocar un satélite geosíncrono en orbita y mantenerlo. Además se  requieren motores de propulsión a bordo de los satélites para mantenerlos en sus órbitas  respectivas.

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1.3 ORBITAS

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Clasificación por centro

Órbita galactocéntrica: órbita alrededor del centro de una galaxia. El Sol terrestre sigue éste tipo de órbita alrededor del centro galáctico de la Vía Láctea.

Órbita heliocéntrica: una órbita alrededor del Sol. En el Sistema Solar, los planetas, cometas y asteroides siguen esa órbita, además de satélites artificiales y basura espacial.

Órbita geocéntrica: una órbita alrededor de la Tierra. Existen aproximadamente 2.465 satélites artificiales orbitando alrededor de la Tierra.

Órbita areocéntrica: una órbita alrededor de Marte.

Órbita de Mólniya: órbita usada por la URSS y actualmente Rusia para cubrir por completo su territorio muy al norte del Planeta.

ORBITA

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• Los satélites que vuelan a grandes alturas se llaman GEO (órbita Terrestre Geoestacionaria).

• La ITU asigna la posición orbital para evitar interferencia. Son ubicados separados por lo menos 2° del plano ecuatorial de 360°.

• En 1962, se lanzo el 1er satélite de comunicaciones artificial “Telstar”.

• Estos satélites son bastante grandes, pesan del orden de 4000 kg y consumen muchos kilowatts de electricidad.

ORBITA GEOESTACIONARIA

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ORBITA GEOESTACIONARIA

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• Los satélites MEO (Órbita Terrestre Media) se encuentran a altitudes mucho más bajas, entre los dos cinturones de Van Allen.

• Estos satélites se desplazan lentamente y tardan alrededor de seis horas para dar la vuelta a la Tierra.

• Contiene 24 satélites GPS (Sistema de

Posicionamiento Global) que orbitan a cerca de 18.000 km, no utilizados para comunicaciones.

ÓRBITA TERRESTRE MEDIA

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SATÉLITES DE ÓRBITA TERRESTRE MEDIA

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• Se encuentran localizados en una altitud más baja. Se denominan como satélites LEO (Órbita Terrestre Baja).

• Se tienen sistemas para Comunicación de Voz y Servicio de Internet:

- Comunicación de voz : Iridium, Globalstar

- Servicio de Internet : Teledesic

ÓRBITA TERRESTRE BAJA

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ÓRBITA TERRESTRE BAJA

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Clasificación por excentricidad

Órbita circular: una órbita cuya excentricidad es cero y su trayectoria es un círculo.

Órbita de transferencia geosíncrona: una órbita elíptica cuyo perigeo es la altitud de una órbita baja terrestre y su apogeo es la de una órbita geosíncrona.Órbita de Molniya: una órbita muy excéntrica con una inclinación de 63,4º y un período orbital igual a la mitad de un día sideral (unas doce horas).Órbita tundra: una órbita muy excéntrica con una inclinación de 63,4º y un período orbital igual a un día sideral (unas 24 horas).

Órbita hiperbólica: una órbita cuya excentricidad es mayor que uno. En tales órbitas, la nave escapa de la atracción gravitacional y continua su vuelo indefinidamente.

Órbita parabólica: una órbita cuya excentricidad es igual a uno. En estas órbitas, la velocidad es igual a la velocidad de escape.

ORBITA

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Clasificación por sincroníaÓrbita síncrona: una órbita donde el satélite tiene un periodo orbital igual al periodo de rotación del objeto principal y en la misma dirección.Órbita semisíncrona: una órbita a una altitud de 12.544 km aproximadamente y un periodo orbital de unas 12 horas.Órbita geosíncrona: una órbita a una altitud de 35.768 km. Estos satélites tienen una inclinación cero respecto a la línea del ecuador.

Órbita geoestacionaria: una órbita geosíncrona con inclinación cero. Para un observador en el suelo, el satélite parecería un punto fijo en el cielo.Órbita cementerio: una órbita a unos cientos de kilómetros por encima de la geosíncrona donde se trasladan los satélites cuando acaba su vida útil.Órbita areosíncrona: una órbita síncrona alrededor del planeta Marte con un periodo orbital igual al día sideral de Marte, 24,6229 horas.Órbita areoestacionaria: una órbita areosíncrona circular sobre el plano ecuatorial a unos 17.000 km de altitud. Similar a la órbita geoestacionaria pero en Marte.Órbita heliosíncrona: una órbita heliocéntrica sobre el Sol donde el periodo orbital del satélite es igual al periodo de rotación del Sol.

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Órbita Terrestre Geosíncrona. (GEO )

Satélites de Órbita Terrestre Media (MEO)

Satélites de Órbita Terrestre de Baja Altura

(LEO)

Plataformas de Gran Altitud y Resistencia

(HALE)

Estos orbitan a 35848 kilómetros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotación del satélite es exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la superficie del planeta. La mayoría de los satélites actuales son GEO.

Se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150 kilómetros. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y se utilizan para posicionamiento (GPS).

Prometen un ancho de banda extraordinario y una latencia reducida. Los LEO orbitan generalmente por debajo de los 5035 kilómetros, y la mayoría de ellos se encuentran mucho más abajo, entre los 600 y los 1600 kilómetros.

Son básicamente aeroplanos alimentados por energía solar o más ligeros que el aire, que se sostienen inmóviles sobre un punto de la superficie terrestre a unos 21 kilómetros de altura.

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ORBITAS Y ALTURA DE LOS SATELITES EN EL ESPACIO ALREDEDOR DE LA TIERRA

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Clasificación de los satélites según su peso

Grandes satélites: cuyo peso sea mayor a 1000 kg

Satélites medianos: cuyo peso sea entre 500 y 1000 kg

Mini satélites: cuyo peso sea entre 100 y 500 kg

Micro satélites: cuyo peso sea entre 10 y 100 kg

Nano satélites: cuyo peso sea entre 1 y 10 kg

Pico satélite: cuyo peso sea entre 0,1 y 1 kg

Femto satélite: cuyo peso sea menor a 100 g

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1.4 SATELITESGEOESTACIONARIOS

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ÓRBITA GEOESTACIONARIA.En esta órbita se encuentran los satélites conocidos como satélites Geoestacionarios (GSO), se encuentra aproximadamente a 36,000 Km, de la Tierra, la que se conoce como arco satelital, estos satélites mantienen un punto de coordenadas fijo con respecto a la Tierra, esto permite cubrir una región. Estos satélites giran junto con la Tierra, se encuentran sobre la línea imaginaria del Ecuador. Estos satélites pueden transmitir Datos, Voz, Radiocomunicación, Telefonía, Vídeo, TV.

SATÉLITES GEOESTACIONARIOSSon todos los Satélites Artificiales que están situados en órbita a 35.812 Km (22.247 millas) aproximadamente, este es el lugar donde las fuerzas de gravedad y las espaciales están en equilibrio y giran sobre el Ecuador, además de mantener un punto de coordinadas fijo con relación a la tierra ya que el giro es sin perder este punto.ARCO SATELITAL El arco satelital es donde se encuentran ubicados todos los satélites geoestacionarios, estos están sobre la línea imaginaria del Ecuador a 36000 Km aproximadamente de la tierra.TRANSPONDEREs un dispositivo que forma parte del satélite, el cual cuenta con varios Transponders en su interior, estos son capaces de recibir el mensaje, lo desglosa, amplifica y lo transmite al receptor, el cuál hace una serie de ajustes con la polaridad, tiene la capacidad de transformar el mensaje de digital a analógico y de analógico a digital los satélites tienen 12 Transponders verticales y 12 horizontales.Tiene como función principal la de amplificar la señal que recibe de la estación terrena, cambiar la frecuencia y retransmitirla nuevamente a una o varias estaciones terrenas, con una cobertura amplia. La función de un transponder es recoger la señal entrante de la antena receptora, esta señal es amplificada por un LNB (amplificador de bajo ruido), el que incrementa la señal sin admitir ruido. A la salida del LNA la señal es pasada a un convertidor de frecuencia que reduce la señal a su frecuencia descendente. La señal descendente pasa para su amplificación final a un amplificador de alta potencia (HPA) (usualmente de 5 a 15 watts), el que tiene un tubo de ondas progresivas (TWT) como amplificador de salida. Una vez concluido el proceso la señal es pasada a la antena descendente y se realiza el enlace descendente con la estación receptora.Transponder tipo N: Transponder angosto con un ancho de banda de 36 MHz en banda C (6/4 GHz).Transponder tipo W: Transponder ancho de banda de 72 MHz en banda C (6/4 GHz).Transponder tipo Ku: Transponder de 54 o 108 MHz ancho de banda en banda Ku (14/12 GHz).

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• Los satélites que vuelan a grandes alturas se llaman GEO (órbita Terrestre Geoestacionaria).

• La ITU asigna la posición orbital para evitar interferencia. Son ubicados separados por lo menos 2° del plano ecuatorial de 360°.

• En 1962, se lanzo el 1er satélite de comunicaciones artificial “Telstar”.

• Estos satélites son bastante grandes, pesan del orden de 4000 kg y consumen muchos kilowatts de electricidad.

SATÉLITES GEOESTACIONARIOS

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ORBITA GEOESTACIONARIA

36.000 Km.Plano delEcuador

ORBITA GEOESTACIONARIA

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…SATÉLITES GEOESTACIONARIOS...

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• La gravedad del sol, la luna y los planetas tiende a desplazar a los satélites de sus órbitas, lo cual se contrarresta con los motores turbo integrados, controlados por estaciones terrenas.

• Las antenas GEO estándar mide unos 10 metros o más.

• A los 15 años cuando se acaba el combustible de los motores, el satélite queda a la deriva.

…SATÉLITES GEOESTACIONARIOS...

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Órbitas geoestacionarias y geosíncronas

...SATÉLITES GEOESTACIONARIOS...

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• La ITU ha asignado bandas de frecuencia específicas a los usuarios de satélites. Las principales se muestran en la figura.

• La banda C fue la primera que se destinó al tráfico comercial por satélite. Tienen 2 canales para comunicación duplex.

...SATÉLITES GEOESTACIONARIOS...

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• Un satélite moderno tiene alrededor de 40 transpondedores, cada uno con un ancho de banda de 80MHz.

• Inicialmente la división de los transpondedores en canales era estática. El ancho de banda se dividía simplemente en bandas de frecuencia fijas (multiplexión por división de frecuencia) .

• Actualmente cada haz del transpondedor se divide

en ranuras temporales y varios usuarios se turnan para utilizarlo (multiplexión por división de tiempo).

SATÉLITES GEOESTACIONARIOS

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• Los primeros satélites geoestacionarios tenían un solo haz espacial, conocido con el nombre de huella.

• Ahora cada satélite está equipado con múltiples antenas y transpondedores. Cada haz descendente (haces reducidos) se puede concentrar en un área geográfica pequeña especifica. Efectúan transmisión simultanea.

SATÉLITES GEOESTACIONARIOS

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...SATÉLITES GEOESTACIONARIOS...

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Periodo del satélite (T) 23 hr, 56 min, 4 segRadio de la Tierra (r) 6,377 Km

Altitud del satélite (h) 35,779 KmRadio de la Órbita (d = r+h) 42,157 Km

Inclinación (respecto al ecuador) 0

Velocidad tangencial del satélite (v) 3.074 km/seg

Excentricidad de la órbita 0

PARÁMETROS DE UNA ÓRBITA GEOESTACIONARIA

PARAMETROS DE UNA ORBITAGEOESTACIONARIA

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SATÉLITES GEOESTACIONARIOS

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1.5 REGIONES DEDISTRIBUCION DE

SATELITES

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REGIONES DE DISTRIBUCION DE LOS SATELITES EN LA ORBITA GEOESTACIONARIA

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Espaciamiento entre los satélites:-          Los satélites geosincronos comparten un espacio físico (limitado) y un espectro de

frecuencias (también limitado)      dentro de un arco específico en una orbita geoestacionaria.

-          La posición en la ranura depende de la banda de frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites trabajando en o casi en la misma  frecuencia deben estar lo suficientemente  separados para evitar interferencias mutuas.

 -       Hay un límite en cuanto al número máximo de satélites que pueden estar estacionados en un área específica del espacio.

La separación espacial depende de:1.      Ancho de haz y radiación de los lóbulos laterales de la estación terrena y de las

antenas del satélite.2.      Frecuencia de la portadora de RF.3.      Técnica de modulación y codificación utilizada.4.      Limites aceptables de interferencia.5.      Potencias de la portadora.Dependiendo de estas variables se requieren de 2 a 6 grados de separación espacial 

como mínimo. Recuérdese de la sección 5.4 que:1o de arco = Perímetro/360  ≈ 266, 271.2146 Kms/360 = 739.6 Kms.

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ESPACIAMIENTO ENTRE SATELITES

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dBHdBV

G33

10

42000log10

2

3

2

3max 1212,

dBHdBV

GG

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MUCHAS GRACIAS