Sistema de posicionamiento globalEl sistema global de navegación por satélite (GNSS) permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El sistema GPS está constituido por 24 satélites y utiliza la triangulación para determinar en todo el globo la posición con una precisión de más o menos metros.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20 200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.

La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.

Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado Galileo.

A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, prevén que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían ocho en órbita.

HistoriaLa armada estadounidense aplicó esta tecnología de navegación utilizando satélites, para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas observaciones de posiciones actualizadas y precisas. Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial.

Las actualizaciones de posición, en ese entonces, estaban disponibles cada 40 minutos y el observador debía permanecer casi estático para poder obtener información adecuada.

Posteriormente, en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados con base en una referencia de tiempo determinado.

En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveía datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), en lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de navegación), posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS.

Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad operacional total» en abril de1995.

En 2009, el gobierno de los Estados Unidos ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.

Características técnicas y prestaciones

Operadora de satélites controlando la constelación NAVSTAR-GPS, en la Base

Aérea de Schriever.

Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS mediante un

cohete Delta.

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

Segmento espacial

Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)

Altitud: 20 200 km

Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)

Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).

Vida útil: 7,5 años

Segmento de control (estaciones terrestres)

Estación principal: 1

Antena de tierra: 4

Estación monitora (de seguimiento): 5, Colorado Springs, Hawái, Kwajalein, Isla de

Ascensión e Isla de Diego García

Señal RF

Frecuencia portadora:

Civil – 1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).

Militar – 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.

Nivel de potencia de la señal: –160 dBW (en superficie tierra).

Polarización: circular dextrógira.

Precisión

Posición: oficialmente aproximadamente 15 m (en el 95 % del tiempo). En la realidad un GPS

portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de entre 2,5 y 3 metros

en más del 95 % del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende

de 1 a 2 metros.

Hora: 1 ns

Cobertura: mundial

Capacidad de usuarios: ilimitada

Sistema de coordenadas:

Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84).

Centrado en la Tierra, fijo.

Integridad: tiempo de notificación de 15 minutos o mayor. No es suficiente para la aviación

civil.

Disponibilidad: 24 satélites y 21 satélites. No es suficiente como

medio primario de navegación.

Evolución del sistema GPS

Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas.

Incorporación de una nueva señal en L2 para uso civil.

Adición de una tercera señal civil (L5): 1176,45 MHz

Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para

servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).

Mejora en la estructura de señales.

Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de –154 dB).

Mejora en la precisión (1-5 m).

Aumento en el número de estaciones de monitorización: 12 (el doble)

Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo

El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en tres etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:

Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.

Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.

Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios

hasta 2030.

Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora

precisa como servicio internacional.

El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento IPS-2 se refiere a Inertial Positioning System, sistema de posicionamiento inercial, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones a tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, un sensor inercial, sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena.

Funcionamiento

Receptor GPS.

La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite (si debe o no ser considerado para la toma de la posición), su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc.

Mediante la trilateración se determina la posición del receptor:

Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la

superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la

distancia total hasta el receptor.

Obteniendo información de dos satélites queda determinada una

circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se

encuentra el receptor.

Teniendo información de un cuarto satélite, se elimina el inconveniente de la falta de

sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en

este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta

(latitud, longitud y altitud).

Fiabilidad de los datosDebido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.

Si se capta la señal de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95 % del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 % de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta de los receptores (celulares, vehículos, etc.).

Fuentes de errorLa posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante actual, la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal.

Al introducir el atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden meter la diferencia a 1 % de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.

La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1 % de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la tabla).

Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dió por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores.1

Fuente Efecto

Ionosfera ± 3 m

Efemérides ± 2,5 m

Reloj satelital ± 2 m

Distorsión multibandas ± 1 m

Troposfera ± 0,5 m

Errores numéricos ± 1 m o menos

Retraso de la señal en la ionosfera y la troposfera.

Señal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.

Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.

Número de satélites visibles.

Geometría de los satélites visibles.

Errores locales en el reloj del GPS.

DGPS o GPS diferencial

Estación Leica de referencia DGPS.

Equipo de campo realizando levantamiento de información sísmica usando un receptor GPS Navcom SF-

2040G StarFiremontado sobre un mástil.

El DGPS (Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada. Se concibió fundamentalmente debido la introducción de la disponibilidad selectiva (SA).

El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sí. Los errores están fuertemente correlacionados en los receptores próximos.

Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posición basándose en otras técnicas, recibe la posición dada por el sistema GPS, y puede calcular los errores producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él, y así estos pueden, a su vez, corregir también los errores producidos por el sistema dentro del área de cobertura de transmisión de señales del equipo GPS de referencia.

En suma, la estructura DGPS quedaría de la siguiente manera:

Estación monitorizada (referencia), que conoce su posición con una precisión muy alta.

Esta estación está compuesta por:

Un receptor GPS.

Un microprocesador, para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura

del mensaje que se envía a los receptores.

Transmisor, para establecer un enlace de datos unidireccional hacia los receptores de los

usuarios finales.

Equipo de usuario, compuesto por un receptor DGPS (GPS + receptor del enlace de datos

desde la estación monitorizada).

Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS. Las más usadas son:

Recibidas por radio, a través de algún canal preparado para ello, como el RDS en una emisora

de FM.

Descargadas de Internet, o con una conexión inalámbrica.

Proporcionadas por algún sistema de satélites diseñado para tal efecto. En Estados

Unidos existe el WAAS, en Europa elEGNOS y en Japón el MSAS, todos compatibles entre sí.

En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones:

Una corrección directamente aplicada a la posición. Esto tiene el inconveniente de que

tanto el usuario como la estación monitora deberán emplear los mismos satélites, pues las

correcciones se basan en esos mismos satélites.

Una corrección aplicada a las pseudodistancias de cada uno de los satélites visibles. En

este caso el usuario podrá hacer la corrección con los 4 satélites de mejor relación señal-

ruido (S/N). Esta corrección es más flexible.

El error producido por la disponibilidad selectiva (SA) varía incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envía de correcciones, también se envía el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias. Por tanto, el receptor deberá hacer algún tipo de interpolación para corregir los errores producidos.

Si se deseara incrementar el área de cobertura de correcciones DGPS y, al mismo tiempo, minimizar el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estaríamos hablando del GPS diferencial de área amplia.

Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a:

Disponibilidad selectiva (eliminada a partir del año 2000).

Propagación por la ionosfera - troposfera.

Errores en la posición del satélite (efemérides).

Errores producidos por problemas en el reloj del satélite.

Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 1000 km. Las precisiones que manejan los receptores diferenciales son centimétricas, por lo que pueden ser utilizados en ingeniería.çç-permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros.

Vocabulario básico en GPS

Integración con telefonía móvilActualmente dentro del mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnología GPS dentro de sus dispositivos. El uso y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este tipo de dispositivos, así como nuevos modelos de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios Basados en la Localización (LBS).

Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos cercanos sobre un mapa base. Para ello basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian) y permitir ser localizado por otros.

GPS y la teoría de la relatividad

Variación del tiempo en picosegundos según la altura de la órbita debido a los efectos relativistas

Los relojes en los satélites GPS requieren una sincronización con los situados en tierra para lo que hay que tener en cuenta la teoría general de la relatividad y la teoría especial de la relatividad. Los tres efectos relativistas son: la dilatación del tiempo, cambio de frecuencia gravitacional, y los efectos de la excentricidad. La desaceleración relativista del tiempo debido a la velocidad del satélite es de aproximadamente 1 parte de 1010, la dilatación gravitacional del tiempo hace que el reloj del satélite alrededor de 5 partes entre 1010 más rápido que un reloj basado en la Tierra, y el efecto Sagnac debido a rotación con relación a los receptores en la Tierra. Si no se tuviese en cuenta el efecto que sobre el tiempo tiene la velocidad del satélite y su gravedad respecto a un observador en tierra, se produciría un corrimiento de 38 microsegundos por día, que a su vez provocarían errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.2

La relatividad especial y generalDe acuerdo con la teoría de la relatividad, debido a su constante movimiento y la altura relativa respecto, aproximadamente, un marco de referencia inercial no giratorio centrado en la Tierra, los relojes de los satélites se ven afectados por su velocidad. La relatividad especial predice que la frecuencia de los relojes atómicos moviéndose a velocidades orbitales del GPS, unos v = 4 km/s, marcar más lentamente que los relojes terrestres fijos en un factor

de  , o resultar un retraso de unos 7 ms/día, siendo c = velocidad de la luz en el vacío.

El efecto de desplazamiento de frecuencia gravitacional sobre el GPS, la relatividad general predice que un reloj más cercano a un objeto masivo será más lento que un reloj más alejado. Aplicado al GPS, los receptores están mucho más cerca de la Tierra que los satélites, haciendo los relojes del GPS ser más rápido en un factor de 5 × 10 -10, o alrededor de 45,9 ms/día.

Al combinar la dilatación del tiempo y desplazamiento de frecuencia gravitacional, la discrepancia es de aproximadamente 38 microsegundos por día, una diferencia de 4,465 partes de 1010.3 Sin corrección, los errores en la pseudodistancia inicial se acumularía aproximadamente unos 10 km/día. Este error en la pseudodistancia inicial se corrige en el proceso de resolución de las ecuaciones de navegación. Además las órbitas de los satélite son elípticas, en lugar de perfectamente circulares, lo que causa que los efectos de la dilatación del tiempo y desplazamiento de la frecuencia gravitacional varíen con el tiempo. Este efecto excentricidad hace que la diferencia de velocidad de reloj entre un satélite GPS y un receptor aumente o disminuya en función de la altitud del satélite.

Para compensar esta discrepancia, al patrón de frecuencia a bordo de cada satélite se le da una tasa de compensación antes del lanzamiento, por lo que marcha un poco más lento que la frecuencia de trabajo en la Tierra. Concretamente, trabaja a 10.22999999543 MHz en lugar de 10,23 MHz4 Dado que el reloj atómico a bordo de los satélites GPS se ajusta con precisión, hace que el sistema sea una aplicación práctica de la teoría científica de la relatividad en un ambiente del mundo real.5 Friedwardt Winterberg propusó colocar relojes atómicos en satélites artificiales para poner a prueba la teoría general de Einstein en 1955.6

Distorsión de SagnacEl procesamiento de la observación GPS también debe compensar el efecto Sagnac. La escala de tiempo del GPS se define en un sistema inercial, pero las observaciones se procesan en un sistema centrado en la Tierra, fijo a la Tierra (co-rotación), un sistema en el que la simultaneidad no está definida de forma única. Se aplica una transformación de Lorentz, pues, para convertir del sistema de inercia al sistema ECEF. El recorrido señal resultante de corrección de tiempo tiene signos algebraicos opuestos de los satélites en los hemisferios celestes oriental y occidental. Haciendo caso omiso de este efecto se producirá un error de este a oeste en el orden de cientos de nanosegundos, o decenas de metros de su posición.7

AplicacionesCiviles

Un dispositivo GPS civil Swiss Gadget 760GS colocado en parabrisas y mostrando

datos de navegación vehicular libre

Navegador GPS de pantalla táctilde un vehículo con información sobre la ruta, así

como las distancias y tiempos de llegada al punto de destino.

Navegador con un software libre de navegación (Gosmore) usando mapas libres

de OpenStreetMap.

Navegación terrestre (y peatonal), marítima y aérea.

Bastantes automóviles lo incorporan en la actualidad, siendo de

especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a

la grúa.

Teléfonos móviles

Topografía y geodesia.

Construcción (Nivelación de terrenos, cortes de talud, tendido de tuberías,

etc).

Localización agrícola (agricultura de precisión), ganadera y de fauna.

Salvamento y rescate.

Deporte, acampada y ocio.

A.P.R.S. Aplicación parecida a la gestión de flotas, en modo abierto para Radioaficionados

Para localización de enfermos, discapacitados y menores.

Aplicaciones científicas en trabajos de campo (ver geomática).

Geocaching, actividad deportiva consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros

usuarios.

Para rastreo y recuperación de vehículos.

Navegación deportiva.

Deportes aéreos: parapente, ala delta, planeadores, etc.

Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los

GPS Garmin).

Sistemas de gestión y seguridad de flotas.

Navegación terrestre, aérea y marítima.

Guiado de misiles y proyectiles de diverso tipo.

Búsqueda y rescate.

Reconocimiento y cartografía.

Detección de detonaciones nucleares.

Los satélites GPS ( Global Positioning System) son unos satélites que giran alrededor de la tierra y emitiendo señales a nuestros receptores GPS permiten a estos últimos una localización muy exacta de nuestra situación sobre al superficie de la tierra al resolver unas ecuaciones a partir de los datos de cuatro de estos satélites.

Estos 24 satélites siguen unas orbitas que los llevan a dar una vuelta a la tierra cada 12 horas , a una altitud de unos 20000 km de la superficie de la tierra y una velocidad orbital de unos 3,87 km/s ( unos 14.000 km/h) . no son satélites geoestacionarios , como popularmente se cree . los receptores de GPS determinan su posición triangulando a partir de las señales de tiempo que reciben de varios satélites.

Para este correcto posicionamiento es indispensable una sincronización correcta de los relojes de estos satélites con los relojes de la superficie de la tierra. Estos satélites disponen de relojes atómicos muy precisos y que en principio no atrasan ni adelantan perceptiblemente, pero la relatividad leds juega una mala pasada.

Por culpa de estos efectos que predice la relatividad general de Einstein, que los relojes de los satélites adelantan respecto a los que están en tierra.

Después de lanzar el primer satélite en 1977 y 20 orbitas se observó que el reloj del satélite era 442,5 partes de 1012 más rápido que otro idéntico de la superficie terrestre, que lo llevan a 38000 nanosegundos por día de adelanto.

Este es el adelanto que sufren los relojes en órbita ( o el retraso que sufren los relojes en la superficie terrestre) y debe ser corregido en los satélites para un correcto posicionamiento.

Veamos si este retraso coincide con lo predicho por la relatividad:

Para hacer los cálculos habitualmente se usa como aproximación aceptable por separado la dilatación temporal por la velocidad producida por la gravedad, pero para conseguir una precisión mayor debemos usar la métrica de Schwarzschild.

Una vez simplificada y despejada

(dT )2=(dt )2(1− 2GM

r c2− v2

c2 )

Este tiempo dT será el tiempo transcurrido en un punto determinado del espacio , mientras que dt será el tiempo transcurrido en un lugar muy alejado de las masas de modo que no se ve afectado por la gravedad, además en reposo respecto a esa masa gravitatoria ( la tierra ene este caso)

Sustituyendo dT por el tiempo de un día y el resto de valores correspondientes conocidos, y haciendo raíz cuadrada sale para el satélite un atraso (dT-dt) de 2.1730x10−5 segundos al día respecto a un punto sin gravedad, mientras que para la superficie de la tierra en el paralelo 40 , este retraso (dT-dt) es de 6.0249x10−5 segundos

La diferencia entre el ritmo de funcionamiento de los relojes según la RG debería ser entonces la diferencia de estos valores, es decir: 3.8520x10−5 segundos por dia,o seaunos38500 nanosegundos.

Esto coincide perfectamente con gran precisión con el desfase observado y es considerado una de las mejores pruebas de la corrección de la teoría de la relatividad.

Para quien quiera probarlo le dejo los valores que necesita para hacerlo:

Antes de entrar en materia, creemos que es necesario entender una serie de hechos básicos sobre tecnología espacial para luego discutir en detalle los sistemas de navegación por satélite.

Un satélite es transportado a su órbita abordo de un cohete capaz de alcanzar la velocidad suficiente requerida para no verse influenciado por el campo gravitatorio terrestre.

Una vez conseguido esto, es virtualmente posible conseguir cualquier plano o altitud de la órbita mediante la utilización de modernos cohetes. El plano de la órbita se denomina inclinación. Este parámetro se ilustra en la figura: VELOCIDAD DE LA ÓRBITA:

Un satélite puede permanecer en su órbita sólo si su velocidad es lo suficientemente mayor como para vencer la gravedad y menor que la requerida para escapar de la gravedad. La velocidad del satélite es pues como un compromiso entre esos dos factores pero ha de ser absolutamente precisa para la altitud elegida. 

V=K/(sqrt(r+a)) Km/s

 

Dónde:

V=a velocidad de la órbita en kilómetros por segundo.a=altitud de la órbita sobre la superficie de la tierra, en Km.r=el radio medio de la tierra, aproximadamente 6371Km.K=630

Aunque la tierra no es perfecta y su radio puede variar, vamos a tomar que posee un valor de 6371Km. La velocidad de un satélite con altitud de 200 Km necesitará una V=177Km/s.

La velocidad para un satélite con una altitud de 1075km será de V=7.3km/s (satélite TRANSIT). 

PERIODO DE LA ÓRBITA:

El periodo que posee un satélite viene dado por la siguiente fórmula: 

P=K(r+a/r)3/2 minutos

donde  P=periodo de una órbita en minutos.a=altitud de la órbita sobre la superficie terrestre.r=radio medio de la tierra.K=84.49.

El periodo para un satélite cuya altitud es de 200 Km es: P=88.45 minutos.

Comunicación por Satélites 

INTRODUCCION  

A principios de 1960, la American Telephone and Telegraph Company (AT&T) publicó estudios, indicando que unos cuantos satélites poderosos, de diseño avanzado, podian soportar más tráfico que toda la red AT&T de larga distancia. El costo de estos satélites fue estimado en solo una fracción del costo de las facilidades de microondas terrestres equivalentes. Desafortunadamente, debido a que AT&T era un proveedor de servicios, los reglamentos del gobierno le impedían desarrollar los sistemas de satélites. Corporaciones más pequeñas y menos lucrativas pudieron desarrollar los sistemas de satélites y AT&T continuó invirtiendo billones de dólares cada año en los sistemas de microondas terrestres

convencionales. Debido a esto los desarrollos iniciales en la tecnología de satélites tardaron en surgir. 

A través de los años, los precios de la mayoría de los bienes y servicios han aumentado sustancialmente; sin embargo, los servicios de comunicación, por satélite, se han vuelto más accesibles cada año. En la mayoría de los casos, los sistemas de satélites ofrecen más flexibilidad que los cables submarinos, cables subterráneos escondidos, radio de microondas en línea de vista, radio de dispersión troposférica, o sistemas de fibra óptica. 

Esencialmente, un satélite es un repetidor de radio en el cielo (transponder). Un sistema de satélite consiste de un transponder, una estación basada en tierra, para controlar el 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 satélites 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. Aunque en los últimos años los nuevos servicios de datos y radioemisión de televisión son más y más demandados, la transmisión de las señales de teléfono de voz convencional (en forma analógica o digital).  

SATELITES ORBITALES 

Los satélites mencionados, hasta el momento, son llamados satélites orbitales o no síncronos. Los satélites no síncronos giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite está girando en la misma dirección de la rotación de la Tierra y a una velocidad angular superior que la de la Tierra, la órbita se llama órbita progrado. Si el satélite está girando en la dirección opuesta a la rotación de la Tierra o en la misma dirección, pero a una velocidad angular menor a la de la Tierra, la órbita se llama órbita retrograda. Consecuentemente, los satélites no síncronos están alejándose continuamente o cayendo a Tierra, y no permanecen estacionarios en relación a ningún punto particular de la Tierra. Por lo tanto los satélites no síncronos se tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo, como 15 minutos por órbita. Otra desventaja de los satélites orbitales es la necesidad de usar un equipo costoso y complicado para rastreo en las estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe localizar el satélite conforme está disponible en cada órbita, y después unir su antena al satélite y localizarlo cuando pasa por arriba. Una gran ventaja de los satélites orbitales es que los motores de propulsión no se requieren a bordo de los satélites para mantenerlos en sus órbitas respectivas. 

SATELITES GEOESTACIONARIOS 

Los satélites geoestacionarios o geosíncronos 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 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, se requieren de dispositivos de propulsión sofisticados y pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de órbita de un satélite geosíncrono es de 24 h. igual que la Tierra. 

CLASIFICACIONES ORBITALES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIONES DE FRECUENCIA  

Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites espinar, 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 geosíncronos deben compartir espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un arco específico, en una órbita geoestacionaria, aproximadamente a 22,300 millas, arriba del Ecuador. La posición en la ranura depende de la banda de frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites trabajando, casi o 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.

Generalmente, se requieren de 3 a 6º de separación espacial dependiendo de las variables establecidas anteriormente. 

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 número 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 la portadora, más pequeño es el diámetro requerido de la antena para una ganancia específica. La mayoría de los satélites domésticos utilizan la banda 6/4 GHz. Desafortunadamente, esta banda también se usa extensamente para los sistemas de microondas terrestres. Se debe tener cuidado cuando se diseña una red satelital para evitar interferencia de, o interferencia con enlaces de microondas establecidas. 

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 componente dentro de la sección de subida satelital, es el transmisor de 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 se convierte la 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 onda progresiva. 

Transponder Un típico transponder satelital consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un traslador de frecuencias, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida. Este transponder es un repetidor de RF a RF. Otras configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de banda base, semejantes a los que se usan en los repetidores de microondas. 

Modelo de bajada Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. Nuevamente, el BPF limita la potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de diodo túnel o un amplificador paramétrico. 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 aplicaciones en donde es necesario comunicarse entre satélites. Esto se realiza usando enlaces cruzados entre satélites o enlaces intersatelitales (ISL). Una desventaja de usar un ISL es que el transmisor y receptor son enviados ambos al espacio. Consecuentemente la potencia de salida del transmisor y la sensibilidad de entrada del receptor se limitan. 

4. Inmarsat y otros sistemas de satélites.

4.1. Introducción.

La primera serie de satélites usados por INMARSAT, comenzando en 1982, fue posible gracias a la intervención de varias fuentes como COMSAT (Programa MARISAT), ESA (Programa MARECS) e INTELSAT (Programa ISV-MCP).

MARISAT y MARECS fueron los precursores de los servicios de demostración y el MCP posibilitó comunicaciones marítimas mediante la incorporación de un módulo especial para esa función en la serie INTELSAT V-A (modificación de la serie V), dicho módulo era similar al ofrecido por MARISAT.

4.2. COSPAS-SARSAT.

4.2.1. Introducción.

Los satélites de INMARSAT III cuentan con un sistema SAR (Búsqueda y Rescate) a bordo, el sistema COSPAS-SARSAT es actualmente el máximo exponente en lo que a búsqueda y rescate vía satélite se refiere.

4.2.2. El sistema.

COSPAS-SARSAT es un sistema internacional de búsqueda y rescate consistente en una constelación de satélites con cobertura global dispuestos en órbita polar (entre 800 y 1000 Km de altitud) y en una red de estaciones terrestres que envían señales de alerta o informaciones de localización a las autoridades encargadas de las labores de rescate ya sea por tierra, mar o aire.

Nace de la unión SARSAT (Search And Rescue Satellite-Aided Tracking) y su homólogo soviético COSPAS (acrónimo ruso de Sistema Espacial para la Búsqueda de Buques en Peligro).

Este programa conjunto está esponsorado por Canadá (pionera en 1982), Francia, Estados Unidos y el propio COSPAS soviético.

4.2.3. Participantes.

Hay 28 países y organizaciones participantes en el funcionamiento del sistema, entre ellos están las 4 partes del acuerdo COSPAS-SARSAT (Canadá, Francia, Rusia y Estados Unidos), 14 proveedores de segmentos terrestres, 8 países usuarios y 2 organizaciones participantes, los países adicionales están en proceso de integración.

Las organizaciones son the International Maritime Organization (IMO), the International Civil Aviation Organization (ICAO), the International Telecommunication Union (ITU), the International Chamber of Shipping (ICS), the International Radio Maritime Committee (CIRM) and the International Federation of Air Line Pilots Associations (IFALPA).

4.2.4. Funcionamiento.

Actuando como repetidores de comunicaciones, los satélites COSPAS-SARSAT reciben señales de alerta emitidas por:

Radiobalizas marítimas de emergencia e indicadoras de posición (EPIRBs).

Transmisiones aéreas de localización de emergencia (ELTs). Radiobalizas de localización personal (PLBs).

Los satélites retransmiten las señales de alerta a estaciones terrestres denominadas (Local User Terminal) donde se procesa y determina la localización geográfica del accidente, esta información se envía al Centro de Control de Misiones (MCC) que se encarga de transmitir la posición y otras informaciones pertinentes al Centro de Coordinación de Rescates más apropiados (RCC).

La velocidad y precisión de estas comunicaciones incrementa significativamente las posibilidades de supervivencia de las víctimas del accidente en cuestión.

Hay 14 MCCs operativos situados en 14 paises y 6 MCCs bajo test en 6 paises, respecto a las LUTs cabe destacar la existencia de 29 operativas distribuidas en 17 países y 4 bajo test en 4 países.

4.2.5. Los satélites.

La configuración del sistema comprende cuatro satélites, dos COSPAS y dos SARSAT.

Los satélites soviéticos están situados en órbita polar a 1000 Km. de altitud y están equipados con instrumental SAR (Búsqueda y Rescate) a 121.5 y 406 MHz.

Los Estados Unidos contribuyen con dos satélites meteorológicos NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) situados a 850 Km. de altitud en órbita polar y equipados con instrumental SAR a 121.5 y 406 MHz apoyados por Canadá y Francia.

Cada satélite da una vuelta completa a la Tierra en 100 minutos aproximádamente a una velocidad de 7Km por segundo.

Los satélites obtienen imágenes del planeta barriendo zonas con un haz de 4000 Km de ancho.

4.2.6. Resultados.

Desde Septiembre de 1982 hasta Junio de 1995 el sistema COSPAS-SARSAT contribuyó al rescate de 5541 personas en 1800 sucesos SAR:

Accidentes aéreos: 1624 personas en 755 sucesos SAR. Accidentes marítimos: 3633 personas en 922 sucesos SAR. Accidentes terrestres: 284 personas en 123 sucesos SAR.

El sistema de 406 MHz fue utilizado en 500 de estos incidentes (2193 personas rescatadas), el sistema de 121.5 MHz se utilizó en el resto de los casos.

4.2.7. Nuevos desarrollos.

El concilio COSPAS-SARSAT está considerando el desarrollo del sistema GEOSAR con satélites de búsqueda y rescate en órbita geoestacionaria que incrementaría el potencial de los ya existentes en órbita polar.

Se ha desarrollado un D&E (Demostración y Evaluación) de GEOSAR .

4.3. GPS.

Inmarsat pretende crear un sistema de navegación (GNSS, Global Navigation Satellite System) totalmente independiente del sistema GPS (EE.UU.) y GLONASS (Rusia), y por tanto, constituiría una alternativa (civil) a ellos.

De hecho, el contratista de Inmarsat, ITT, ha señalado que un sistema global de navegación civil espacial puede ser desarrollado por menos de un millardo de dólares, una pequeña cantidad comparada con el coste del sistema GPS (6-10 millardos de dólares).

Los pasos a seguir hasta constituir la GNSS son los siguientes:

1. En los satélites Inmarsat-3 se incluye un transpondedor separado que gestiona las señales GPS, aumentando la integrabilidad de este sistema. Lo complementa.

2.3. Los 12 satélites del proyecto 21 de Inmarsat (Inmarsat-P, ICO) incluirán

antenas separadas, transpondedores y relojes atómicos así como otro instrumental necesario para proveer una amplia gama de servicios de navegación, pero no llegará a sustituir al GPS.

4. En un tercer paso, se constituirá la GNSS independiente de GPS.

Veamos el primer paso dado por Inmarsat para establecer una GNSS propia a partir de los satélites de Inmarsat 3. Concretamente, la tercera generación de Inmarsat se encarga de la integridad del sistema GPS mediante la técnica GIC (GPS Integrity Channel) , está basada en una red terrena que monitoriza los satélites y transmite a los usuarios los resultados, para lo que el uso de satélites geoestacionarios y los satélites de INMARSAT serán los encargados de llevarla a cabo.

Los satélites de INMARSAT III operarán a la misma frecuencia que la señal C/A (código que permite un posicionamiento rápido del receptor pero con precisión media SPS) del GPS (1575.42 MHz) con una secuencia directa pseudoaleatoria con modulación de espectro ensanchado de la misa familia de GPS que llevará la información de integridad además de la de navegación, se comportarán como repetidores con lo que se simplificarán los circuitos del satélite y la información de integridad podrá ser actualizada en tiempo real.

Las estaciones terrenas de enlace con el satélite serán las mismas que proporcionan los servicios de comunicaciones móviles y son operadas por asociaciones que integran INMARSAT (como Comsat) que será responsable de los satélites.

Requisitos del repetidor del satélite:

Los requisitos del repetidor del satélite son tres:

PIRE de 28 dBW en el haz de cobertura global para que la potencia de la señal recibida sea semejante a la señal de los satélites GPS.

Ancho de banda nominal del repetidor de 2 MHz para poder transmitir la señal de espectro ensanchado modulada con código C/A a la frecuencia de 1.023 MHz.

Estabilidad de las características de retardo de grupo del sistema de modo que pueda ser calibrado para su uso en navegación.

Los satélites INMARSAT III poseen un enlace de banda C a banda L y otro de banda C a banda C de baja potencia, la comparación de los retardos producidos en los dos enlaces se usa para compensar el retardo de propagación ionosférica en el enlace de subida.

Al usar INMARSAT III como repetidor se produce un desplazamiento Doppler adicional debido al enlace de la estación terrena con el satélite, para que la señal recibida sea compatible con la señal GPS se debe compensar en tiempo real el enlace de subida al satélite adelantando la señal de reloj una cantidad igual al retardo del enlace de subida y se desplaza ligeramente la frecuencia de la portadora, este método de generar una señal de reloj virtual en el satélite se denomina Generación de Señal en Bucle Cerrado.

Presentación

Los satélites de radioaficionado son una de las áreas de la radioafición que en México menos se practica. La creencia a que operar satélites es complejo y caro no es necesariamente cierta: hay satélites que podemos trabajar sin tener que estudiar el tema por meses ni contar con equipo sofisticado.

Aunque parezca difícil de creer en la mayoría de nuestros cuartos de radio existen los equipos necesarios para iniciarse en este campo de la radioexperimentación.

La presente es una lista de preguntas básicas sobre la operación satelital con sus correspondientes respuestas. Su nivel es elemental e introductorio y es muy probable que quién desee operar algún satélite deba de consultar otras fuentes, mismas que se citan al final del documento. 73s de XE1KK.

1. ¿Qué es un satélite?

En su concepción más sencilla, y quizá simplista, los satélites de radioaficionados son repetidoras voladoras. Su principal diferencia con sus equivalentes terrestres el que vuelan y el que al volar se mueven.

2. ¿Cómo funciona un satélite?

Un radioaficionado "A" emite una señal que es recibida por el satélite. El satélite la amplifica y la retransmite inmediatamente. El radioaficionado "B" la recibe y le contesta. Así inicia un comunicado por satélite.

3. ¿Como "se mueven" los satélites?

Los actuales satélites con los que podemos experimentar los radioaficionados tienen dos tipos de órbita: circular y elíptica

Los satélites con órbitas circulares se mantienen más o menos a la misma distancia de la tierra pero su posición respecto a la superficie varia cada momento. Es la más común y conocida de las órbitas. Por su parte los satélites de órbitas elípticas, tiene la característica que pueden permanecen más tiempo viendo un mismo lugar de la tierra y su órbitas son mucho más largas.

4. ¿Qué cobertura tiene un satélite de órbita baja?

Al igual que en la repetidoras tradicionales a mayor altitud mayor cobertura. Los satélites de órbita baja se encuentran entre 400 y 1400 Km. de altura así que el área que pueden cubrir equivale a toda la República en los más bajos o una área equivalente a México, sur de Estados Unidos, Centro América, parte del Caribe y norte de Colombia en los de mayor altura.

Esta área o sombra del satélite permite que cualquier estación que se encuentre dentro de ella pueda, en principio, contactar otras estaciones que estén dentro de esa sombra. La duración del satélite en esa posición en muy breve ya que se mueven a gran velocidad. La sombra mantiene su diámetro pero también se está moviendo.

5. ¿Cuantas veces pasa un satélite sobre nosotros?

Un satélite de órbita baja pasa por arriba de un determinado punto, entre 4 y 6 veces al día. La duración de cada pase varía dependiendo de la órbita pero en promedio podemos decir que entre 10 y 18 minutos están disponibles para que los operemos. Tenemos pues más de una hora diaria para usarlo.

Si consideramos que hay más de 15 satélites de órbita baja nos daremos cuenta que hay más tiempo de satélites que tiempo para hacer radio.

6. ¿Cómo funcionan los satélites de órbita elíptica?

Los satélites de órbita elíptica tienen otras características. Su órbita tiene dos puntos claves: el más cercano se le conoce como perigeo y el más lejano como apogeo. En su apogeo casi toda una cara de la tierra está disponible para comunicar ya que en el caso de algunos satélites como el OSCAR 13 llega a estar a 38,000 Km. de distancia.

Estos satélites equivalen en cierta manera a 20 metros en HF: hay buen DX y siempre hay estaciones llamando CQ. A diferencia de los satélites de órbita baja casi no se nota el efecto dopler, que es el movimiento de frecuencia que se origina por la velocidad a la que se mueve el satélite. Algo similar como cuando escuchamos una ambulancia o un auto a gran velocidad: el tono de la sirena o el motor es distinto antes y después de que pasan frente a nosotros.

7. ¿Cómo se dónde está el satélite?, ¿cuándo pasará?

La predicción de las órbitas satelitales se hace por lo general con ayuda de una computadora personal. No es la única opción pero hoy por hoy es la más fácil. Hay

diversos y entre ellos destacan el InstanTrack y el QuickTrack. El primero mi favorito y lo vende AMSAT (ver pregunta # 18).

Los programas no solo indican y grafican cuando el satélite pasará sino que dan otros datos importantes como la elevación o altitud sobre el horizonte y el azimut o posición respecto a los cuatro puntos cardinales.

8. ¿Cuál es la mejor elevación?

La elevación optima, que es de 90 grados, solo se da cuando el satélite pasa exactamente sobre nosotros. Pero esto no quiere decir que con otras elevaciones no se pueda trabajar, Prácticamente cualquier elevación superior a 2 o 3 grados es suficiente si nuestro horizonte lo forman montañas lejanas o montes cercanos pero no muy altos.

9. ¿Y en base a qué información el programa hace estos cálculos?.

Los programas de computadora para seguimiento de satélite se actualizan con una serie de datos sobre los satélites mejor conocidos como elementos Keplerianos que por lo general uno consigue fácilmente de los BBSes de packet o de alguna revista sobre el tema.

Existen dos tipos de formatos: NASA o de dos líneas y AMSAT que es más fácil de entender a los humanos y por lo mismo son más largos. Para efectos de una computadora da igual cual utilices.

10. ¿Cuantos satélites hay?

A la fecha hay más o menos 20 satélites de radioaficionados disponibles de una u otra forma. Digo más o menos ya que de vez en cuando alguno queda apagado por falla o mantenimiento.

11. ¿Qué tipo de actividad encuentro en los satélites?

Hay satélites para todos los gustos. Muchos de los modos de operación que encontramos en las bandas tradicionales también están disponibles en los satélites: banda lateral, telegrafía, teletipo, televisión de barrido lento, FM y packet de diversos tipos.

En los satélites se hace DX tan bueno como en 20 metros, hay plie-ups y DXpediciones que trabajan en split. Hay diplomas aunque no hay concursos.

Hay espacio para los que les gusta conversar y hacer nuevos amigos. Para el experimentador y en constructor de equipos y antenas, este es un mundo muy amplio. En pocas palabras: lo que hoy nos gusta del radio casi seguro lo encontramos también vía satélite.

12. ¿Cómo puedo trabajar un satélite?

Dependiendo de las características de los satélites será la manera de trabajarlos. Para efectos didácticos podemos dividirlos en cuatro:

A) Satélites de órbita baja para voz o analógicos.

Son los más fáciles de trabajar y casi todos nos iniciamos en ellos. El sistema por el que operan es el de retransmitir entre 50 y 100 kHz de una banda, en lugar de una sola frecuencia como lo hace un repetidora, a 50 o 100 kHz de otra banda con todo lo que se encuentre en ella, sea CW o banda lateral. Esto se conoce como "transponder".

Entre los satélites de este tipo destacan los rusos RS-10/11 y RS-12/13 y el satélite japonés FUJI OSCAR 20 No se requiere de equipo sofisticado para trabajarlos, quizá solo de un poco de paciencia

B) Satélites de órbita baja digitales.

Son satélites de órbita circular que operan principalmente packet en sus distintas modalidades. Son los equivalentes a BBSes de packet voladores. A la fecha hay más de 10 satélites digitales operando.

Los satélites tradicionales de este tipo, conocidos como pacsats, son el UO-14, AMSAT OSCAR 16, el DOVE OSCAR 17, el Webersat o WO-18 y el satélite argentino LUSAT o LO-19.

Los satélites UO-22 y KITSAT OSCAR 23 también son BBS voladores pero trabajan a 9600 bps y tienen entre sus curiosidades cámaras que toman fotos de la tierra y las retransmiten vía packet.

Una nueva generación de satélites digitales fue lanzada recientemente: el ITAMSAT-A, KITSAT-B, EYESAT-A y POSAT-1. Algunos ya están disponibles para todos, otros siguen en pruebas. El UNAMSAT. primer satélite mexinaco de este tipo muy pronto estará en órbita.

C) Satélites de órbita elíptica.

Son como ya dijimos en donde se llevan a cabo las comunicaciones intercontinentales y algunos modos como SSTV y RTTY, así como otro tipo de experimentos propios del mundo de los satélites.

Entre ellos destacan el OSCAR 10, OSCAR 13 y el ARSENE. El primero ya está cumpliendo su ciclo de vida y el último no funciono. Muy pronto habrá nuevos satélites de este tipo: la llamada FASE 3-D.

D) Satélites tripulados.

Por último las naves espaciales: el MIR ruso y el Space Shuttle norteamericano que como ustedes bien saben traen equipos de dos metros y hacen contacto con radioaficionados en la tierra tanto en voz como en packet. El MIR es relativamente fácil de trabajar en packet dado que los cosmonautas permanecen en el espacio por mucho tiempo.

13 ¿Qué equipo necesito para trabajar un satélite?

Cuál es el equipo necesario para trabajar satélites es siempre una difícil pregunta. A continuación se presenta una tabla con los equipos MINIMOS necesarios para que con un poco de paciencia y tenacidad se pueda trabajar algún satélite.

EQUIPO MINIMO NECESARIO PARA TRABAJAR SATELITES

EQUIPO PARA EL

SATELITE MODO UPLINK DOWNLINK ANTENAS AMP/PREAMP TNC TIPO

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RS-10/11 A 2m/SSB 10m/SBB omni no/no no Analógico

DO-17 2m/FM omni no/no 1200 AFSK Digital

AO-16 JD 2m/FM 70cms/SSB omni no/no 1200 PSK Digital

KO-23 JD 2m/FM 70cms/SSB omni no/no 9600 FSK Digital

AO-13 B 70cms/SSB 2m/SSB yagis si/si no Elíptico

MIR/STS 2m/FM 2m/FM omni no/no 1200 AFSK Tripul

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14. ¿Qué es el "modo" en los satélites?

El término modo de los satélites es uno de los que hacen parecer complicada esta área de la radioexperimentación. En HF el modo es el tipo de emisión en el que trabajamos: SSB, FM, CW, etc. En satélite el modo significa las bandas que estoy utilizando para trabajar al satélite: que banda uso en el uplink, esto es para transmitir o subir al satélite y el downlink o la banda en la que el satélite transmite de regreso o baja y en la que nosotros recibimos.

Modo Uplink Downlink

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A 2 metros (145 MHz) 10 metros (29 MHz)

B 70 cm. (435 MHz) 2 metros (145 MHz)

J 2 metros (145 MHz) 70 cm. (435 MHz)

K 15 metros (21.2 MHz) 10 metros (29 MHz)

L 23 cm. (1.2 GHz) 70 cm. (435 MHz)

S 70 cm. (435 MHz) 13 cm. (2.4 GHz)

T 15 metros (21.2 MHz) 2 metros (145 MHz)

----------------------------------------------------

15. ¿Cuándo hay modos de dos letras?

En algunas ocasiones vemos modos de dos letras como JA y JD en este caso se refiere a modo J Analógico o modo J Digital. En otras vemos que el satélite trabaja

en modo compuesto, por ejemplo KA esto significa que se puede subir en 15 metros o en 2 metros y ambos bajan en 10 metros. En los futuros satélites se prevén nuevos modos.

16. ¿Cuál es la potencia que requiero para trabajar satélites?

Los satélites no requieren de grandes potencias, por el contrario mucho de ellos se bloquean o bajan su potencia de downlink como aviso de que se están protegiendo. Si se tiene antenas direccionales un amplificador de 100 watts está en el límite máximo de lo decente.

17. ¿Cuáles son los más fáciles de escuchar/trabajar y sus frecuencias?

Satélite Descripción Uplink MHz Downlink MHz

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MIR FM y packet 145.550 145.550

----------------------------------------------------------------------------

STS FM 144.910 145.550

144.930

144.950*

144.970

144.990

Packet 144.490 145.550

----------------------------------------------------------------------------

RS-10/11 DX 145.890 USB 29.390 USB

Modo A 145.860 a 145.900 29.360 a 29.400

Robot 145.820 29.403

Beacon 29.357 y 29.403

----------------------------------------------------------------------------

RS-12/13 DX 21.240 USB 29.440 USB

Modo K 21.210 a 21.250 29.410 a 29.450

Robot 21.129 CW 29.454 CW

Beacon 29.408 y 29.454

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UO-11 FM y packet 145.825

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DO-17 FM y packet 145.825

----------------------------------------------------------------------------

AO-27 Modo J - FM 145.850 +/- .010 436.800 +/- .010

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La relación entre uplink y downlink puede variar por el efecto dopler.

Algunos de estos satélites trabajan otros modos y tienen otros beacons, aquí solo se mencionan los principales.

El UO-11 y el DO-17 eventualmente emiten mensajes en voz digitalizada.

Dispositivos de microondas

 La ingeniería de microondas/milimétricas tiene que ver con todos aquellos dispositivos, componentes y sistemas que trabajen en el rango frecuencial de 300 MHz a 300 GHz. Debido a tan amplio margen de frecuencias, tales componentes encuentran aplicación en diversos sistemas de comunicación. Ejemplo típico es un enlace de Radiocomunicaciones terrestre a 6 GHz en el cual detrás de las antenas emisora y receptora, hay toda una circuitería capaz de generar, distribuir, modular, amplificar, mezclar, filtrar y detectar la señal. Otros ejemplos lo constituyen los sistemas de comunicación por satélite, los sistemas radar y los sistemas de comunicación móviles, muy en boga en nuestros días.

La tecnología de semiconductores, que proporciona dispositivos activos que operan en el rango de las microondas, junto con la invención de líneas de transmisión planares; ha permitido la realización de tales funciones por circuitos híbridos de microondas.

En estos circuitos, sobre un determinado sustrato se definen las líneas de transmisión necesarias. Elementos pasivos (condensadores, resistencias) y activos (transistores, diodos) son posteriormente incorporados al circuito mediante el uso de pastas adhesivas y técnicas de soldadura. De ahí el nombre de tecnología híbrida de circuitos integrados (HMIC: "Hibrid Microwave Integrated Circuit"). Recientemente, la tecnología monolítica de circuitos de microondas (MMIC), permite el diseño de circuitos/subsistemas capaces de realizar, muchas de las funciones mencionadas anteriormente, en un sólo "chip". Por las ventajas que ofrece ésta tecnología, su aplicación en el diseño de amplificadores para receptores ópticos, constituye un campo activo de investigación y desarrollo.

El diseño de circuitos de microondas en ambas tecnologías, ha exigido un modelado preciso de los diferentes elementos que forman el circuito. De especial importancia son los dispositivos activos (MESFET, HEMT, HBT); pues conocer su

comportamiento tanto en pequeña señal como en gran señal (régimen no lineal), es imprescindible para poder predecir la respuesta de un determinado circuito que haga uso de él. El análisis, modelado y simulación de éstos dispositivos, constituye otra de las áreas de trabajo

Materiales en comunicaciones

La utilización de nuevos materiales con altas prestaciones es uno de los pilares del avance espectacular de las tecnologías de la información y comunicaciones. El desarrollo de aplicaciones basadas en sus propiedades requiere un profundo conocimiento previo de éstas. En particular, el descubrimiento de superconductividad en óxidos cerámicos multimetálicos a temperaturas superiores a 77 K (superconductores de alta temperatura, SAT) puede permitir del desarrollo práctico de algunas aplicaciones de la superconductividad económicamente inviables con los superconductores clásicos. Sin embargo, la gran complejidad de los SAT y su naturaleza granular dificultan la puesta en marcha de aplicaciones de los mismos de forma inmediata, a pesar del gran esfuerzo investigador que en este campo se está realizando en los países avanzados. En concreto, en nuestro grupo se ha trabajado en la caracterización experimental y modelado fenomenológico de las propiedades electromagnéticas de superconductores de alta temperatura crítica, incidiendo especialmente en las implicaciones de la granularidad, y en el desarrollo de aplicaciones de los mismos en magnetometría y en cintas

para el transporte de corriente sin pérdidas. Por otra parte, en relación con las aplicaciones de la superconductividad clásica, se ha trabajado en la implementación en España de los patrones primarios de tensión (efecto Josephson) y resistencia (efecto Hall cuántico), en colaboración con grupos nacionales y extranjeros especializados en metrología eléctrica básica. Por último, también se ha colaborado con otros grupos de investigación en la caracterización electromagnética de materiales de interés tecnológico, como imanes permanentes o aceros estructurales

TRANSMISIÓN SIN CABLES

  INTRODUCCIÓN

Cuando se piensa en comunicación de datos generalmente se piensa en comunicación a través de cable, debido a que la mayoría de nosotros tratamos con este tipo de tecnología en nuestro día a día. Haciendo a un lado las complicadas redes cableadas también tenemos la llamada COMUNICACIÓN INALÁMBRICA muy comúnmente a nuestro alrededor.

La Comunicación de data inalámbrica en la forma de microondas y enlaces de satélites son usados para transferir voz y data a larga distancia. Los canales inalámbricos son utilizados para la comunicación digital cuando no es económicamente conveniente la conexión de dos puntos vía cable; además son ampliamente utilizados para interconectar redes locales (LANS) con sus

homologas redes de área amplia (WANS) sobre distancias moderadas y obstáculos como autopistas, lagos, edificios y ríos. Los enlaces vía satélite permiten no solo rebasar obstáculos físicos sino que son capaces de comunicar continentes enteros, barcos, rebasando distancia sumamente grande.

Los sistemas de satélites y de microondas utilizan frecuencias que están en el rango de los MHz y GHz, usualmente utilizan diferentes frecuencias para evitar interferencias pero comparten algunas bandas de frecuencias.

  COMUNICACIÓN VÍA MICROONDAS

Básicamente un enlace vía microondas consiste en tres componentes fundamentales: El Transmisor, El receptor y El Canal Aéreo. El Transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, El Canal Aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y como es de esperarse el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital.

El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces microondas es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además esta distancia debe ser libre de obstáculos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en la vía, para compensar este efecto se utilizan torres para ajustar dichas alturas.

  ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS

La distancia cubierta por enlaces microondas puede ser incrementada por el uso de repetidoras, las cuales amplifican y redireccionan la señal, es importante destacar que los obstáculos de la señal pueden ser salvados a través de reflectores pasivos. Las siguientes figuras muestran cómo trabaja un repetidor y como se ven los reflectores pasivos.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

La señal de microondas transmitidas es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor, estas atenuaciones y distorsiones son causadas por una pérdida de poder dependiente a la distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, y a pérdidas atmosféricas.

La siguiente es una lista de frecuencias utilizadas por los sistemas de microondas:

Common Carrier Operational Fixed

2.110 2.130 GHz

1.850  1.990 GHz

2.160  2.180 GHz

2.130 2.150 GHz

3.700 4.200 GHz

2.180  2.200 GHz

5.925  6.425 GHz

2.500  2.690 GHz

10.7  11.700 GHz

6.575  6.875 GHz

12.2  12.700 GHz

Debido al uso de las frecuencias antes mencionadas algunas de las ventajas son:

         Antenas relativamente pequeñas son efectivas.

         A estas frecuencias las ondas de radio se comportan como ondas de luz, por ello la señal puede ser enfocada utilizando antenas parabólicas y antenas de embudo, además pueden ser reflejadas con reflectores pasivos.

         Ora ventaja es el ancho de banda, que va de 2 a 24 GHz.

Como todo en la vida, el uso de estas frecuencias también posee desventajas:

Las frecuencias son susceptibles a un fenómeno llamado Disminución de Multicamino (Multipath Fafing), lo que causa profundas disminuciones en el poder de las señales recibidas.

A estas frecuencias las pérdidas ambientales se transforman en un factor importante, la absorción de poder causada por la lluvia puede afectar dramáticamente el Performance del canal.

  COMUNICACIÓN POR SATÉLITE

Básicamente, los enlaces satelitales son iguales a los de microondas excepto que uno de los extremos de la conexión se encuentra en el espacio, como se había mencionado un factor

limitante para la comunicación microondas es que tiene que existir una línea recta entre los dos puntos pero como la tierra es esférica esta línea se ve limitada en tamaño entonces, colocando sea el receptor o el transmisor en el espacio se cubre un área más grande de superficie.

El siguiente gráfico muestra un diagrama sencillo de un enlace vía satélite, nótese que los términos UPLINK y DOWNLINK aparecen en la figura, el primero se refiere al enlace de la tierra al satélite y la segunda del satélite a la tierra.

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Las comunicaciones vía satélite poseen numerosas ventajas sobre las comunicaciones terrestres, la siguiente es una lista de algunas de estas ventajas:

         El costo de un satélite es independiente a la distancia que valla a cubrir.

         La comunicación entre dos estaciones terrestres no necesita de un gran número de repetidoras puesto que solo se utiliza un satélite.

         Las poblaciones pueden ser cubiertas con una sola señal de satélite, sin tener que preocuparse en gran medida del problema de los obstáculos.

         Grandes cantidades de ancho de bandas están disponibles en los circuitos satelitales generando mayores velocidades en la transmisión de voz, data y vídeo sin hacer uso de un costoso enlace telefónico.

Estas ventajas poseen sus contrapartes, alguna de ellas son:

         El retardo entre el UPLINK y el DOWNLINK esta alrededor de un cuarto de segundo, o de medio segundo para una señal de eco.

         La absorción por la lluvia es proporcional a la frecuencia de la onda.

         Conexiones satelitales multiplexadas imponen un retardo que afectan las comunicaciones de voz, por lo cual son generalmente evitadas.

Los satélites de comunicación están frecuentemente ubicados en lo que llamamos Orbitas Geosincronizadas, lo que significa que el satélite circulará la tierra a la misma velocidad en que está rota lo que lo hace parecer inmóvil desde la tierra. Una ventaja de esto es que el satélite siempre está a la disposición para su uso. Un satélite para estar en este tipo de órbitas debe ser posicionado a 13.937,5 Kms. de altura, con lo que es posible cubrir a toda la tierra utilizando solo tres satélites como lo muestra la figura.

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Un satélite no puede retransmitir una señal a la misma frecuencia a la que es recibida, si esto ocurriese el satélite interferiría con la señal de la estación terrestre, por esto el satélite tiene que convertir la señal recibida de una frecuencia a otra antes de retransmitirla, para hacer esto lo hacemos con algo llamado "Transponders". La siguiente imagen muestra como es el proceso.

Al igual que los enlaces de microondas las señales transmitidas vía satélites son también degradadas por la distancia y las condiciones atmosféricas.

Otro punto que cabe destacar es que existen satélites que se encargan de regenerar la señal recibida antes de retransmitirla, pero estos solo pueden ser utilizados para señales digitales, mientras que los satélites que no lo hacen pueden trabajar con ambos tipos de señales (Análogas y Digitales).

1. MICROONDAS

Se denomina así la porción del espectro electromagnético que cubre las frecuencias entre aproximadamente 3 Ghz y 300 Ghz (1 Ghz = 10^9 Hz), que corresponde a la longitud de onda en vacío entre 10 cm. y 1mm.

La propiedad fundamental que caracteriza a este rango de frecuencia es que el rango de ondas correspondientes es comparable con la dimensión físicas de los sistemas de laboratorio; debido a esta peculiaridad, las m. Exigen un tratamiento particular que no es extrapolable de ninguno de los métodos de trabajo utilizados en los márgenes de frecuencias con que limita. Estos dos límites lo constituyen la

radiofrecuencia y el infrarrojo lejano. En radiofrecuencia son útiles los conceptos de circuitos con parámetros localizados, debido a que, en general, las longitudes de onda son mucho mayores que las longitudes de los dispositivos, pudiendo así, hablarse de autoinducciones, capacidades, resistencias, etc., debido que no es preciso tener en cuenta la propagación efectiva de la onda en dicho elemento; por el contrario, en las frecuencias superiores a las de m. son aplicables los métodos de tipo ÓPTICO, debido a que las longitudes de onda comienzan a ser despreciables frente a las dimensiones de los dispositivos.

El método de análisis más general y ampliamente utilizado en m. consiste en la utilización del campo electromagnético caracterizado por los vectores (E, B, D y H en presencia de medios materiales), teniendo en cuenta las ecuaciones de MAXWELL (v), que rigen su comportamiento y las condiciones de contorno metálicos son muy frecuentes a estas frecuencias, cabe destacar que, p.ej, el campo E es normal y el campo H es tangencial en las proximidades externas de un conductor. No obstante, en las márgenes externas de las m. se utilizan frecuentemente los métodos de análisis correspondientes al rango contiguo del espectro; así, a frecuencias elevadas m. son útiles los conceptos de RAYO, LENTE, etc., ampliamente utilizados en óptica, sobre todo cuando la propagación es transversal electromagnética, (TEM, E y B perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación) en el espacio libre. Por otro lado, a frecuencias bajas de m, colindantes con las radiofrecuencias, es útil la teoría de circuitos con parámetros distribuidos, en la que toma en cuenta la propagación efectiva que va a tener la onda en un elemento cualquiera. Así, un trozo de cable metálico, que en baja frecuencia representa simplemente un corto circuito que sirve para efectuar una conexión entre elementos, dejando equipotenciales los puntos que une, a alta frecuencia un sistema cuya frecuencia, por efecto peculiar, puede no ser despreciable y cuya autoinducción puede causar una impedancia que sea preciso tomar en cuenta. Entonces es preciso representar este cable a través de su impedancia (resistencia y autoinducción) por unidad de longitud.

También en la parte de instrumentación experimental, generación y transmisión de m, estas tienen peculiaridades propias que obligan a utilizar con características diferentes a los de los rangos de frecuencias vecinos. Respecto a limitaciones que impiden su funcionamiento a frecuencias de m., como a continuación esquematizamos.

Las líneas de baja frecuencia son usualmente ABIERTAS, con lo cual, si se intenta utilizar a frecuencias elevadas, automáticamente surgen problemas de radiación de la energía electromagnética; para superar este inconveniente es necesario confirmar los campos electromagnéticos, lo que normalmente se efectúa por medio de contornos metálicos; así, los sistemas de transmisión usuales a m. son, o bien líneas coaxiales, o bien, en general, guías de onda continuadas por conductores abiertos o tuberías. En este sentido es ilustrativo ver la evolución de un circuito resonante LC paralelo de baja frecuencia hacia una cavidad resonante, que es circuito equivalente en m. Como a alta frecuencia las inductancias y capacidades (ELECTROSTÁTICA; INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA), cobran gran importancia, por pequeñas que sean, un circuito resonante para frecuencias RELATIVAS ALTAS puede ser sencillamente dos placas paralelas y una espira

uniendo ambas placas; es para reducir aún más la inductancia se ponen varias espiras en paralelo, se llega a obtener una región completamente cerrada por paredes conductoras.

La energía electromagnética solo puede almacenarse en una cavidad a frecuencias próximas a las denominadas de resonancia de la misma, las cuales dependen fundamentalmente de su geometría; los campos anteriores penetran solo en una capa delgada de las paredes metálicas siendo el espesor ô, de esta capa, denominada profundidad de penetración, dependiente de la frecuencia y de la conductividad del material que constituya a la cavidad a través de la expresión ô= 2/WUO, donde W,U y son respectivamente la frecuencia de la onda, la permeabilidad magnética y conductividad del material (ELÉCTRICA, CONDUCCIÓN, ELECTROMAGNETISMO) así, para los siguientes metales: aluminio, oro, cobre y plata, los valores de ô a 3Ghz son respectivamente de 1,6, 1,4, 1,2 y 1,4 u. De esta forma es fácil comprender que la energía disipada en las cavidades, si éstas están hechas por buenos conductores, es pequeña, con lo cual las Q, o factores de mérito de las cavidades resonantes Q =2 ƒƒ (energía almacenada)/(energía disipada por ciclo), suelen estar en orden de 10 ^4, pudiendo alcanzar valores más elevados. Por otra parte el pequeño valor de ô permite fabricar guías de excelente calidad con un simple recubrimiento interior de buen material conductor, (plateado o dorado).

La utilización en m, de las válvulas de vacío convencionales, como amplificadores osciladores, está limitada, por una parte, por el tiempo de tránsito de los electrones en el interior de la válvula y, por otra, por las inductancias y por las capacidades asociadas al cableado y los electrodos de la misma.

El tiempo de tránsito al hacerse comparable con el período de las oscilaciones, da lugar a que haya un de fase entre el campo y las oscilaciones de los electrones; esto implica un consumo de

energía que disminuye la impedancia de entrada de la válvula, aunque su rejilla, polarizada negativamente, no capte electrones. Las inductancias y capacidades parásitas causan efectos de resonancia y acople interelectrónico que también conducen a una limitación obvia.

Son muchas las modificaciones sugeridas y utilizadas para superar estos inconvenientes, basándose en los mismos principios de funcionamiento, pero, a frecuencias ya de lleno en el rango de las m., tanto los circuitos de válvulas como los semiconductores trabajan según una concepción completamente diferente a los correspondientes de la baja frecuencia.  

MODULACION EN MICROONDAS

Los generadores de microondas son generadores críticos en cuanto a la tensión y la corriente de funcionamiento.

Uno de los medios es no actuar sobre el generador o amplificador pero si utilizar un dispositivo diodo pin en la guía de salida, modulada directamente la amplitud de la onda.

Otro medio es utilizar un desfasador de ferrita y modular la onda en fase. En este caso es fácil obtener modulación en frecuencia a través del siguiente proceso:

En una primera etapa, se modula en FM una portadora de baja frecuencia, por ejemplo 70 Mhz.

En una segunda etapa, esta portadora modulada es mezclada con la portadora principal en frecuencia de Ghz, por ejemplo 10 Ghz.

Un filtro de frecuencias deja pasar la frecuencia suma, 10070 Mhz con sus bandas laterales de 3 Mhz y por lo tanto la banda pasante será de 10067 a 10073 Mhz que es la señal final de microondas.

En el receptor se hace la mezcla de esta señal con el oscilador local de 10 Ghz seguido de un filtro que aprovecha la frecuencia de diferencia 70 Mhz la cual es amplificada y después detectada por las técnicas usuales en FM.  

VENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA

         Volumen de inversión generalmente más reducido.

         Instalación más rápida y sencilla.

         Conservación generalmente más económica y de actuación rápida.

         Puede superarse las irregularidades del terreno.

         La regulación solo debe aplicarse al equipo, puesto que las características del medio de transmisión son esencialmente constantes en el ancho de banda de trabajo.

         Puede aumentarse la separación entre repetidores, incrementando la altura de las torres.

  DESVENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA

         Explotación restringida a tramos con visibilidad directa para los enlaces.

         Necesidad de acceso adecuado a las estaciones repetidoras en las que hay que disponer de energía y acondicionamiento para los equipos y servicios de conservación. Se han hecho ensayos para utilizar generadores autónomos y baterías de células solares.

         La segregación, aunque es posible y se realiza, no es tan flexible como en los sistemas por cable

         Las condiciones atmosféricas pueden ocasionar desvanecimientos intensos y desviaciones del haz, lo que implica utilizar sistemas de diversidad y equipo auxiliar requerida, supone un importante problema en diseño.  

ESTRUCTURA GENERAL DE UN RADIOENLACE POR MOCROONDAS

  EQUIPOS

Un radioenlace está constituido por equipos terminales y repetidores intermedios. La función de los repetidores es salvar la falta de visibilidad impuesta por la curvatura terrestre y conseguir así enlaces superiores al horizonte óptico. La distancia entre repetidores se llama vano.

Los repetidores pueden ser:

         Activos

         Pasivos

En los repetidores pasivos o reflectores.

         No hay ganancia

         Se limitan a cambiar la dirección del haz radioelectrónico.  

PLANES DE FRECUENCIA - ANCHO DE BANDA EN UN RADIOENLACE POR MICROONDAS

En una estación terminal se requieran dos frecuencias por radiocanal.

         Frecuencia de emisión

         Frecuencia de recepción

Es una estación repetidora que tiene como mínimo una antena por cada dirección, es absolutamente necesario que las frecuencias de emisión y recepción estén suficientemente separadas, debido a:

1.       La gran diferencia entre los niveles de las señales emitida y recibida, que puede ser de 60 a 90 dB.

2.       La necesidad de evitar los acoples entre ambos sentidos de transmisión.

3.       La directividad insuficiente de las antenas sobre todas las ondas métricas.

Por consiguiente en ondas métricas (30-300 Mhz) y decimétricas (300 Mhz - 3 Ghz), conviene utilizar cuatro frecuencias (plan de 4 frecuencias).

En ondas centimétricas, la directividad es mayor y puede emplearse un plan de 2 frecuencias.  

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Plan de 4 Frecuencias

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Plan de 2 Frecuencias

  2. GENERACIÓN DE MICROONDAS

Quizás fue el MAGNETRON, como generador de m. De alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las m., al abrir paso a la utilización de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial; sin embargo, fueron KLYSTRONS, los que dieron una mayor versatilidad de utilización de las m., sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo además una mayor comprensión de los fenómenos que tiene en lugar los tubos de m. El principio básico de funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de m, deseada. El estudio de los KLYSTRONS obligó a un amplio desarrollo desde los fenómenos de carga espacial, la interpretación de la operación de los tubos

Sin embargo, fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de ONDA PROGRESIVA (TWT, Travelling-Wave Tube); siglas de ésta clase de tubos, las que dieron lugar a una mejor compresión de los fenómenos que tienen lugar en los haces electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas electromecánicas, daban lugar a amplificación o generación de m. Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la velocidad de fase de la onda electromagnética lo cual se hace mediante estructuras periódicas de entre las cuales la más utilizada es la hélice; de esta forma es posible mantener una iteración continuada entre la onda electromagnética y el haz electrónico, modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que va cediendo su energía, digamos cinética, a la onda electromagnética. Posteriormente también se desarrolló el tubo de onda regresiva (BWO< Backward- wave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecí a, además, una mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico.

Los dispositivos anteriores se basan en la conversión de energía de continuidad en la energía de m, mientras que los amplificadores paramétricos (AMPLIFICADOR, 8) utilizan como fuente de energía una de alterna que convierten, por un procedimiento de mezcla, en la de alta frecuencia deseada. En lugar de utilizar como elemento resistivo, utilizan un elemento reactivo, como puede ser un diodo de capacidad variable, y de aquí el bajo nivel de ruido que se puede lograr. Un fundamento análogo tienen los amplificadores cuánticos MASER. Son estos amplificadores de bajo nivel de ruido los que han abierto un gran campo de operación en radioastronomía, así como las intercontinentales vía satélite etc.

Un problema concerniente al desarrollo de las m, lo ha constituido hasta ahora el precio elevado de los generadores; ha sido el descubrimiento de los osciladores a semiconductores el que a abaratado, va camino de hacerlo aún más, dichos generadores, con el cual el campo de aplicaciones de las m.

Está creciendo a un nivel tal que impide predecir las repercusiones futuras, que incluso pueden ser negativas. Estos dispositivos también tienen una concepción diferente a los usuarios de baja frecuencia esencial en que en los de baja frecuencia los electrones del semiconductor son TIBIOS en el sentido que sus energías no difieren grandemente de la red del material, mientras que en los de m. Los electrones son CALIENTES, con energías eléctricas adquiridas de campos eléctricos elevados, que pueden ser muy superiormente a energía de m.

El primero de estos dispositivos se basó en el denominado efecto GUNN que se presenta en semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio, material en el fue inicialmente detectado, y desde entonces se han descrito muchos dispositivos, algunos basados en fenómenos bulímicos en el semiconductor, como los gunn, y otros fenómenos que tienen lugar en uniones de semiconductores.

  TRANSMISIÓN DE MICROONDAS

Un sistema en el que se utilizan localmente las m. Constará fundamentalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga; en caso contrario, tendremos necesidad de un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor compuesto por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será otra antena, medio de transmisión y detector adecuado.

Además de estos elementos existirán otras componentes como pueden ser atenuadores, desfasadores, frecuencimetros, medidores de onda estacionaria, etc.; nosotros nos vamos a circunscribir fundamentalmente a la guía de onda, como elemento fundamental de transmisión a éstas frecuencias.

Como ya se ha citado, la guía de onda es esencia una tubería metálica, a través de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente atenuación, dependiendo esta del material de que la misma esté fabricada; así, a una frecuencia determinada, y para una geometría concreta, la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material. A diferencia de lo que ocurre en el medio libre, en el que el haz de ondas electromagnéticas es mas o menos divergente y sus campos transversales electromagnéticos (ondas TEM, ya citadas), en una guía el campo está confinado en su interior, evitándose la radiación hacia el exterior, y sus campos ya no pueden ser TEM sino que han de hacer necesariamente del tipo TE (campo electrónico transversal a la dirección de propagación), o bien TM (campo magnético transversal) o bien híbridos, es decir, mezcla de TE y TM.

La configuración de la geometría, tipo de excitación de la guía y frecuencia, ocurriendo además que ciertas configuraciones de campo, denominadas modos, solo son posibles a frecuencias superiores a una determinada, denominada frecuencia de corte, existiendo un modo de propagación de dichos campos, el modo fundamental, que posee la frecuencia de corte mínima. Por debajo de esta frecuencia la guía no propaga la energía electromagnética.

  APLICACIONES DE LAS MICROONDAS

Sin duda podemos decir que el campo más valioso de aplicación de las m. es el ya mencionado de las comunicaciones, desde las que pudiéramos denominar privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta llegar a las extraterrestres.

En este terreno, las m. actúan generalmente como portadoras de información, mediante una modulación o codificación apropiada. En los sistemas de radar, cabe citar desde los empleados en armamento y navegación, hasta los utilizados en sistemas de alarma; estos últimos sistemas suelen también basarse en efecto DOPPLER o en cambios que sufre la razón de onda estacionaria (SWR) de una antena, pudiendo incluso reconocerse la naturaleza del elemento de alarma. Sistema automático de puertas, medida de velocidad de vehículos, etc.

Otro gran campo de aplicación es el que se pudiera denominar científico. En radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia comprendidas entre 10 Mhz y 10Ghz pueden atravesar el filtro impuesto por la atmósfera y llegar hasta nosotros.

Entre estas radiaciones están algunas de tipo espectral, como la línea de 1420 OH, y otras de tipo continuo debidas a radiación térmica, emisión giromagnética, sincrotónica, etc. La detección de estas radiaciones permite obtener información de la dinámica y constitución del universo. En el estudio de los materiales (eléctricos, magnéticos, palmas) las m. se pueden utilizar bien para la determinación de parámetros macroscópicos, como son la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética, bien para el estudio directo de la estructura molecular de la materia mediante técnicas espectroscópicas y de resonancia.

En el campo médico y biológicos utilizan las m. Para la observación de cambios fisiológicos significativos de parámetros del sistema circulatorio y respiratorio.

Es imposible hacer una enumeración exhaustiva de aplicaciones que, aparte de las ya citadas, pueden ir desde la mera confección de juguetes hasta el controlar de procesos o funcionamiento de computadores ultra rápidos. Quizá el progreso futuro de las microondas. Está en el desarrollo cada día mayor, de los dispositivos a estado sólido, en los cuáles se consigue una disminución de precio y tamaño que puede llegar a niveles insospechados; estos sistemas son la combinación de los generadores a semiconductores con las técnicas de circuitería integrada, fácilmente adaptables a la producción en masa.

Sin embargo no todo son beneficios; un crecimiento incontrolado de la utilización de las m, puede dar lugar a problemas no solo de congestión del espectro, interferencias, etc., sino también de salud humana; este último aspecto no está lo suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de que los índices de peligrosidad sean marcadamente diferentes de unos países a otros.

  3. PROPAGACION DE MICROONDAS

Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 Ghz que corresponde a 10 cm y mm respectivamente, en longitudes de onda. En la práctica son ondas del orden de 1 Ghz a 12 Ghz.

La banda espectral de las microondas de divide en sub-bandas tal como se muestra en la tabla.

FRECUENCIA (GHz) LONGITUD DE ONDA APROXIMADA (Cm)

S 1.5 A 8 10

X 8 A 12.5 3

K 12.5 A 40 1.1

Q 40 A 50 0.8

Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas.

Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en multienlaces telefónicos y general en redes con alta capacidad de canales de información.

Las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también en comunicaciones por satélites.

La longitud de onda muy pequeña permite antenas de alta ganancias.

Como el radio de fresnel es relativamente pequeño, la propagación se efectúa como en el espacio libre.

Si hay obstáculos que obstruyan el radio de fresnel, la atenuación es proporcional al obstáculo.

De la ecuación se obtiene la atenuación Pr/Pt en enlaces espaciales

  Pr/Pt (dB) = Gt (dB) + Gr (dB) +20 log h (m) - 22 - 20 log r (Km)

  donde r es la distancia del enlace, h es la longitud de onda Gt Y Gr son las ganancias del transmisor y del receptor receptivamente.

A la atenuación en espacio libre se le agregan algunos valores de atenuación debido a obstáculos:

         6 dB: Incidencia restante.

         40 dB: Bloqueo total del haz.

La atenuación puede variar de 6 a 20 dB dependiendo del tipo de superficie que provoca la difracción. Así:

         6 dB: Para una difracción en filo de cuchilla, con incidencia resante.

         20 dB: Difracción con incidencia resante en obstáculo mas redondeado como terreno ligeramente ondulado o agua que sigue la curvatura de la tierra.

En condiciones desfavorables las perdidas por reflexión pueden ser de hasta 50 db (propagación sobre mar).

Si la superficie es rugosa se consideran despreciables las perdidas por reflexión.

La temperatura efectiva de ruido Te del circuito receptor, referida a los terminales de entrada y la cifra de ruido o (factor de ruido) F de un circuito están relacionados de la siguiente forma:

F = 1 + Te/To

  F es la razón de la potencia de ruido real de salida (al conectar en un generador de temperatura normalizado de To=290^oK) y la potencia de ruido de salida que existiría para la misma entrada, si el circuito no tuviera ruidos propios.

Por tanto, se nota que

  F = 1 o 0 dB corresponde a Te = 0^K

  F = 2 o 3 dB corresponde a Te = 290^oK, etc.

UTILIZACIÓN DE MICROONDAS EN COMUNICACIONES ESPACIALES

Los satélites artificiales han extendido el alcance de la línea de propagación y han hecho posible la transmisión transoceánica de microondas por su capacidad de admitir anchas bandas de frecuencias. La línea de transmisión puede extenderse por uno de los distintos medios existentes.

El satélite en forma de globo de plástico metalizado exteriormente puede ser empleado como reflector pasivo, en cuyo caso no se necesita equipo alguno en el satélite. Se ha estimado que veinticuatro de tales reflectores pasivos en órbitas polares establecidas al azar alrededor de unos 5000 kilómetros permitirían una transmisión transatlántica que solo se interrumpiría menos de 1% del tiempo.

Como segunda posibilidad, el satélite puede emplearse como un receptor activo en microondas, retransmitiendo la señal que recibe, bien instantáneamente o tras un almacenaje hasta que el este próximo a la estación receptora. En este último caso la capacidad del canal queda limitada.

Con el satélite en una órbita próxima es decir, inferior a 8000 kilómetros, la pérdida de transmisión es moderada, pero las estaciones terrestres deben tener antenas capaces de explotar casi de horizonte a horizonte. Si el satélite se sitúa en una órbita ecuatorial de veinticuatro horas parecerá como si tuviera fijo sobre algún punto del ecuador, darían una cobertura mundial. Con el satélite fijo en su posición respecto a la tierra y estabilizado en su orientación pueden emplearse

antenas grandes y relativamente económicas para las estaciones terrestres, pudiéndose emplear en el satélite una antena con una directividad modesta.

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Satélite artificial en órbita circular. r =42000 Km

  Desconectado el radio terrestre Rt= 6370 Km se ve que la altura sobre el suelo del satélite será aproximadamente igual a 36000 Km que es la órbita de clark.

Los piases de la zona tropical y templada usan los satélites estacionarios.

Los países en zonas más alejadas del ecuador son forzados a incluir la órbita en relación con el ecuador y prescindir así del sincronismo perfecto, porque el desplazamiento del satélite es lento con relación a la tierra.

Como el satélite no debe cargar grandes masas, la potencia de su transmisor es reducida y su antena es relativamente pequeña. Sus ondas deben atravesar la ionosfera terrestre, de ahí el uso de microondas para conseguir altísimas ganancias en las antenas terrestres son parabólicas de grandes dimensiones, aproximadamente igual a 30 m de diámetro con ganancia de 60 dB en 2 Ghz.

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  Los enlaces se hacen básicamente entre puntos visibles es decir, puntos altos de la topografía.

Cualquiera que sea la magnitud del sistema de microondas, para funcionamiento correcto es necesario que los recorridos entre enlaces tengan una altura libre adecuada para la propagación en toda época del año, tomando en cuenta las variaciones de las condiciones atmosféricas de la región.

Para poder calcular las alturas libres debe conocerse la topografía del terreno, así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedan existir en el trayecto.

Antes de hacer mediciones en el terreno puede ser necesario estudiar los planos topográficos de la zona. Por lo general el estudio minucioso de los mapas y de los planos facilita las labores, sobre todo en sistema extenso con gran número de repetidoras y donde existe una gran variedad de rutas posibles. Por proceso de eliminación y de selección ha de llegarse a la escogencia de la ruta más favorable.

Sobre un mapa de la región en escalas del orden de 1:10000, 1: 100000 o 1: 200000, se escogen estaciones separadas de 10 a 50 Km

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  Una vez escogidos los sitios de ubicación propuestos para las torres de las antenas, y habiéndose determinado la elevación del terreno comprendido entre dichos sitios, se prepara un diagrama de perfiles.

En la mayoría de los casos solo es necesario los perfiles de los obstáculos y de sus alrededores, donde pueda obstruirse la línea visual.

Las señales de radiotransmisión en las frecuencias de microondas generalmente se propagan en línea recta en la forma de un haz dirigido de un punto a otro. Sin embargo, el haz puede desviarse o curvarse hacia la tierra por efecto de la refracción de las ondas en la atmósfera. La magnitud de la curvatura se ha tenido en cuenta al calcular el factor K.

Puede emplearse un perfil de trayecto dibujado sin mostrar la curvatura de la tierra, y con el haz de microondas en línea recta entre las dos antenas. Dicho perfil representa el caso en el cual la curvatura del haz es igual a la del terreno y el radio de la tierra es infinito. Esta es una de las condiciones extremas que deben investigarse al estudiar el efecto de las condiciones atmosféricas anormales sobre la propagación de las microondas. Sobre el mismo gráfico se dibujan los recorridos del haz para otros posibles valores de K entre ellos el normal que es 4/3. El trazado de las curvas con diversos valores de K se hace con plantillas normalizadas. Traza el elipsoide de fresnel para verificar si ocurre obturación.

Determinando el perfil del terreno sobre el que se propaga el haz, se estudiará el margen de este con relación al obstáculo más prominente. Dicho margen hay que compararlo con el radio de la n-esima zona abscisa o, está dado por la ecuación

Rfn = Ö nhd1d2/d1+d2,m

  dónde :

Rfn = Radio de la n-esima zona de fresnel en metros.

h = Longitud de onda en metros.

d1 = Distancia del transmisor al punto considerado en metros.

d2 = Distancia del punto considerado al receptor en metros.

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  A partir del mapa de la región se traza en un papel 4/3 el perfil del terreno a lo largo de la trayectoria de estación a estación.

Ordinariamente, el margen sobre obstáculos se refiere al radio d la primera zona de fresnel; si el cociente correspondiente se lleva en abscisas en le gráfico, en coordenadas se obtendrá la influencia sobre la intensidad de campo. Se tiene las condiciones correspondientes a propagación en el espacio libre cuando al margen sobre obstáculos es 0.6 veces el radio de la primera zona de fresnel. Este es el criterio que se sigue en presencia de obstáculos para determinar la viabilidad de un enlace.

intervalo -3 <p/ Rf <1

  Abscisa: margen sobre obstáculos/radio primera zona de fresnel. B. interpretaciones del margen sobre obstáculos

p >0 y p < o

  La Figura muestra dos interpretaciones existentes para el margen sobre obstáculos p.

  La siguiente es una formula empírica para pérdidas por obstáculo.

Po(dB) = 12 P/ Rf - 10

  la ecuación anterior es válida en el intervalo - 3 < P/Rf < 1

  Hay momentos en que la distribución de la densidad de la atmósfera cambia y la trayectoria se hace más restante y pasa a sufrir obstrucción, se debe incluir en los cálculos una pérdida adicional de 3 dB.

Poniendo en funcionamiento tal enlace, la transmisión con atmósfera normal no tendrá la pérdida de 3 dB, solo surge en momentos desfavorables y ya está incluida en el diseño.

 Luego se calcula la atenuación con la ecuación ( )

Pr / Pt = Gt Ar / 4 TT r²

de la ecuación ( ) se tiene

Ar = Gr h² / 4 TT

Sustituyendo la ecuación ( ) en la ( ) se obtiene la ecuación ( )

Pr / Pt = Gt Gr h² / (4 TT r )²

  donde los parámetros son los mismos que se dieron anteriormente.

  Expresado en dB la ecuación ( ) se tiene la ecuación ( )

  Pr / Pt (dB) = 10 log Pr / Pt = Gt (dB) + Gr (dB) + 20 log h - 20 log r - 22

  Sobre un terreno liso el alcance D de la radiación depende de la altura de la antena h. Entonces:

D (km) = 4 Ö h (m)

El problema de las reflexiones interferentes es prácticamente inexistente ya que, para las ondas centimétricas todo terreno es áspero y no da buena reflexión según el criterio de Rayleigh.

El único caso peligroso es cuando existe un espejo de aguas mansas como un lago, bahía orio.

  4. ANOMALÍAS DE PROPAGACION EN MICROONDAS

El gradiente del índice de refracción o factor K que corresponde al radio eficaz de la tierra se define como el grado y la dirección de la curvatura que describe el haz de microondas durante su propagación

K = R’ / Rt

  Donde Rt es el radio real terrestre y R"es el radio de la curvatura ficticia de la tierra.

  Cualquier variación del índice de refracción provocada por la alteración de las condiciones atmosféricas, se expresa como un cambio del factor K.

En condiciones atmosféricas normales, el valor de K varía desde 1.2 para regiones elevadas y secas (o 4/3 en onzas mediterráneas), hasta 2 o 3 para zonas costeras húmedas.

Cuando K se hace infinito, la tierra aparece ante el haz como perfectamente plana, ya que su curvatura tiene exactamente el mismo valor que la terrestre.

Si el valor de K disminuye a menos de 1, el haz se curva en forma opuesta a la curvatura terrestre. Este efecto puede obstruir parcialmente al trayecto de transmisión, produciéndose así una difracción.

El valor de la curvatura terrestre para los distintos valores de K se calcula mediante la siguiente fórmula

h = d1 d2 / 1.5 K

donde

h = Cambio de la distancia vertical desde una línea horizontal de referencia, en pies,

d1 = Distancia desde un punto hasta uno de los extremos del trayecto, en millas.

d2 = Distancia desde el mismo punto anterior hasta el otro extremo del trayecto, en

millas.

K = Factor del radio eficaz de la tierra.

1ml = 1.61Km.

1 pie = 0.3 m.

  Con excepción del desvanecimiento por efecto de trayectos múltiples, los desvanecimientos son fácilmente superables mediante:

  - Diversidad de espacio.

- Diversidad de frecuencia.

- Diversidad de polarización.

La alteraciones del valor de K desde 1 hasta infinito ( Rango normal de K), tiene escasa influencia en el nivel de intensidad con que se reciben las señales, cuando el trayecto se ha proyectado en forma adecuada.

Las anomalías de propagación ocurren cuando K es inferior a 1, el trayecto podría quedar obstruido y por lo tanto seria vulnerable a los fuertes desvanecimientos provocados por el efecto de trayectos múltiples.

Cuando K forma un valor negativo, el trayecto podría resultar atrapado entre capas atmosféricas y en consecuencia seria susceptible a sufrir desvanecimiento total.

  DESVANECIMIENTO

El desvanecimiento se debe normalmente a los cambios atmosféricos y a las reflexiones del trayecto de propagación al encontrar superficies terrestres o acuáticas.

La intensidad del desvanecimiento aumenta en general con la frecuencia y la longitud de trayecto.

En caso de transmisión sobre terreno accidentado, el desvanecimiento debido a propagación multrayecto es relativamente independiente del citado margen sobre obstáculo y en casos extremos tiende a aproximarse a la distribución de Rayleigh, es decir, la probabilidad de que el valor instantáneo del campo supere el valor R es : 

-R/R0

P (R) = e

 En donde: Ro es el valor eficaz.

  En la figura se presentan valores típicos de desvanecimiento para trayectos con suficiente margen sobre obstáculos.

Los tipos de desvanecimiento que influye sobre la contabilidad de la propagación en los sistemas de microondas son selectivos y no selectivos.

 Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar"

Desvanecimiento en el peor mes para trayectos de 40 a 60 Kms con visibilidad y margen sobre obstáculos de 15 a 30 m.

 5. CONFIABILIDAD DE SISTEMAS DE RADIOTRANSMISION POR MICROONDAS

Las normas de seguridad de funcionamiento de los sistemas de microondas han alcanzado gran rigidez. Por ejemplo, se utiliza un 99.98% de confiabilidad general en un sistema patrón de 6000 Km. de longitud, lo que equivale a permitir solo un máximo de 25 segundos de interrupción del año por cada enlace.

Por enlace o radioenlace se entiende el tramo de transmisión directa entre dos estaciones adyacentes, ya sean terminales o repetidoras, de un sistema de microondas. El enlace comprende

los equipos correspondientes de las dos estaciones, como así mismo las antenas y el trayecto de propagación entre ambas. De acuerdo con las recomendaciones del CCIR, los enlaces, deben tener una longitud media de 50 Km.

Las empresas industriales que emplean sistemas de telecomunicaciones también hablan de una confiabilidad media del orden de 99.9999%, o sea un máximo de 30 segundos de interrupciones por año, en los sistemas de microondas de largo alcance.

Los cálculos estimados y cómputos de interrupciones del servicio por fallas de propagación, emplean procedimientos parcial o totalmente empíricos. Los resultados de dichos cálculos generalmente se dan como tiempo fuera de servicio (TFS) anual por enlace o porcentaje de confiabilidad por enlace.

 

Sistema de posicionamiento global (GPS)GPS, sistema global de navegación por satélite Traducción automáticaEl GPS es un sistema de posicionamiento por satélite, a disposición del público, que se localiza un punto en cualquier momento y en cualquier lugar de la Tierra y esto con una precisión que van desde cien metros a milímetros, dependiendo del tipo de equipo y la técnica utilizada. La Tierra se mueve en la eclíptica alrededor del Sol a una velocidad media de 107 218,8 km/h (entre 29.291 kilómetros/s, 30,287 kilómetros/s). Al mismo tiempo la Tierra gira sobre ella mismo alrededor de un eje a la velocidad (en el ecuador) de 1674,364 km/h (465 m/s). Nuestros satélites natural (luna) y artificiales a su vez a diferentes velocidades, 1,17 km/s por la Luna, 3,88 km/s para los satélites GPS o de 7,68 kilómetros/s para ISS. En un vals orbital los satélites GPS medían con una gran precisión la geolocalización de un punto en la Tierra. Una persona con un receptor GPS puede localizar y orientarse en tierra, mar, aire o el espacio cerca de la Tierra. Para ello se utiliza el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) o Global Positioning System en Inglés. Los 31 satélites GPS orbitan en 6 órbitas casi circulares, a una altitud media de 20 200 kilómetros a una velocidad de 14 000 km/h (3,88 km/s). En cada órbita, hay 5 o 6 satélites que giran alrededor de la Tierra en 11 horas 58 min 2 s, o la mitad del día sideral, cada satélite lleva a la misma posición cada dos torres, visto desde la superficie de la Tierra. La distribución de los 31 satélites NAVSTAR ha sido optimizado para obtener un número suficiente (cuatro) de satélites visibles en cada punto del globo.

Tres estaciones terrestre controlan los relojes atómicos de los satélites. Einstein predijo que más la gravedad es fuerte, más el tiempo se desarrolla lentamente y más la gravedad es bajo, más tiempo pasa rápidamente. Más estamos lejos de la Tierra, más la gravedad es baja, la gravedad en 20 000 km de altitud es diferente que en la Tierra. Al igual que la gravedad distorsiona el tiempo, en el espacio tiempo va un poco más rápido que en la Tierra. Esto tiene un impacto en los satélites GPS. El funcionamiento del GPS describe con precisión la curvatura del espacio-tiempo. Para que el GPS funcione correctamente, los relojes de los satélites GPS, debe estar perfectamente sincronizado con el tiempo en la Tierra. De una altitud de 20 200 km, si los relojes de los satélites no están sincronizados, los valores proporcionados por el GPS derivados 10 a 12 km por día. Los relojes de los satélites hacia adelante por 38 microsegundos al día con respecto a un reloj colocado en la Tierra. Una vez que se realiza la corrección para encajar el GPS a los efectos de la gravedad. Los satélites GPS transmiten los señales a la Tierra interpuesto en dos frecuencias (227,6 y un 1 575,42 MHz) que son modulados por uno o más códigos pseudoaleatorios. El GPS utiliza el sistema WGS 84 (World Geodetic System 1984), un punto de referencia para la cartografía. Cuando cuatro satélites están a la vista, el usuario tiene la información suficiente para encontrar su posición en la Tierra.

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Reloj atómico

Reloj atómico de cesio.

Un reloj atómico es un tipo de reloj que para alimentar su contador utiliza una frecuencia de resonanciaatómica normal. Los primeros relojes atómicos tomaban su referencia de un máser.1 Las mejores referencias atómicas de frecuencia (o relojes) modernas se basan en físicas más avanzadas, que involucran átomos fríos y fuentes atómicas. Las agencias de normas nacionales mantienen una exactitud de 10 -9 segundos por día2 y una precisión igual a la frecuencia del transmisor de la radio que bombea el máser.

Los relojes atómicos mantienen una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional(TAI). Para uso cotidiano se difunde otra escala cronológica: el Tiempo Universal Coordinado (UTC). El UTCderiva del TAI, pero se sincroniza usando segundos de intercalación con el Tiempo Universal (UT1), el cual se basa en la transición día–noche según las observaciones astronómicas.

El primero se construyó en el Willard Frank Libby, de los EE. UU., en 1949, basándose en ideas acerca de un fenómeno extremadamente regular: la resonancia magnética molecular y atómica, de Isidor Isaac Rabi, Premio Nobel de Física,3 aunque la precisión conseguida mediante amonio —molécula utilizada por el prototipo delNational Institute of Standards and Technology (NIST)— no era muy superior a los estándares de la época, basados en osciladores de cuarzo.

Hoy los mejores patrones de frecuencia atómicos se basan en las propiedades físicas de las fuentes de emisión de cesio. El primer reloj atómico de cesio se construyó en 1955, en el Laboratorio Nacional de Física (NLP), en Inglaterra. Sus creadores fueron Louis Essen y John V.L Parry.4

En el año 1967 los relojes atómicos basados en cesio habían conseguido fiabilidad suficiente como para que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas eligiera la frecuencia de vibración atómica de los dispositivos creados y perfeccionados por Essen como nuevo patrón base para la definición de la unidad de tiempo físico. Según este patrón, un segundo se corresponde con 9.192.731.770 ciclos de la radiación asociada a la transición hiperfina desde el estado de reposo del isótopode cesio 133: (133Cs).

La precisión alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30 000 años. El reloj más preciso del mundo se diseña en el Observatorio de París, donde los actuales relojes atómicos tardarían 52 millones de años para desfasarse un segundo. El nuevo objetivo de la investigación francesa es aumentar ese plazo a 32 mil millones de años. El estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3 700 millones de años (NIST).

HistoriaLord Kelvin, en 1879, sugirió por primera vez la idea de utilizar la vibración atómica para medir el tiempo. El método práctico para su realización se convirtió en la resonancia magnética, desarrollada en el decenio de 1930 por Isidor Isaac Rabi.3 El primer reloj atómico fue un dispositivo de máser de amoníaco construido en 1949 en la Oficina Nacional de Normas de EE. UU. NBS, ahora NIST). Era menos exacto que los relojes de cuarzo existentes, pero sirvió para demostrar el concepto [2]. El primer reloj atómico exacto fue un estándar de cesio sobre la base de una cierta transición del átomo de 133Cs, construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido) [3]. La calibración del reloj atómico estándar de cesio se efectuó mediante uso de la escala cronológica astronómica tiempo efemérides (ET) [4].

Esto condujo a la más reciente definición de segundo acordada internacionalmente, por el Sistema Internacional de Unidades (SI), basada en tiempo atómico. Se ha verificado que la igualdad del segundo ET con la del segundo SI (reloj atómico) es de una precisión de 1 parte en 1010 [5]. El segundo SI hereda así el efecto de las decisiones de los diseñadores originales de la escala cronológica ET: tiempo de efemérides, la determinación de la duración del segundo ET.

Mayo de 2009. El reloj atómico óptico de estroncio JILA (siglas de Joint Institute for Laboratory Astrophysics) es ahora el reloj más exacto del mundo sobre la base de átomos neutros. Un luminoso láser azul en los átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica que prueba sobre la eficacia de una explosión previa de luz de un láser de color rojo ha impulsado los átomos a un estado excitado. Sólo los átomos que permanecen en el estado de menor energía responden al láser azul, y provocan la fluorescencia que se expresa aquí. Fotografía: Sebastián Blatt, JILA, Universidad de Colorado [6].

Desde el comienzo del desarrollo en el decenio de 1950, los relojes atómicos se han hecho sobre la base hiperfina (microondas) de las transiciones en 1H (hidrógeno 1), 133Cs y 87Rb (rubidio 87). El primer reloj atómico comercial fue el Atomichron, fabricado por la National Company. Se vendieron más de 50, entre 1956 y 1960. A esta máquina, voluminosa y cara, posteriormente la substituyeron dispositivos mucho más pequeños, de montaje en rack, como el modelo 5060 deHewlett-Packard estándar, de frecuencia de cesio, lanzado en 1964 [1].

A finales del decenio de 1990, cuatro factores han contribuido a importantes avances en este tipo de relojes: [7]

• Enfriamiento láser y atrapado de átomos.

• Cavidades de alta finura de Fabry-Pérot para líneas láser angostas.

• Espectroscopia láser de precisión.

• Un conveniente recuento de frecuencias ópticas utilizando peines ópticos.

En agosto de 2004, científicos del NIST demostraron un reloj atómico de chips [8]. Según los investigadores, el tamaño del reloj sería de la centésima parte de cualquiera otro. También se proclamó que requería sólo 75 milivatios (mW), lo que es idóneo para aplicaciones sustentadas en energía a base de pilas. Esta tecnología está disponible comercialmente desde 2011 (SA.45s CSAC Chip Scale Atomic Clock. 2011. 24 de mayo de 2012).

En marzo de 2008, físicos del NIST demostraron un reloj basado en lógica cuántica sobre mercurio y sobre iones individuales de aluminio. Estos dos relojes son las más

exactos que se han construido hasta la fecha. No se atrasan, ni se adelantan, a una velocidad que exceda en más de un segundo en mil millones de años [9].

Desarrollos recientes

Un reloj atómico implementado en un circuito integrado desarrollado por el NIST.

A pesar de ello, físicos continúan experimentando nuevas variaciones, con másers, de: a) hidrógeno (Townes); b) bombeo óptico de rubidio (Kasler); c) los recientemente propuestos de mercurio, que permitirían alcanzar mayor precisión. También se mejora constantemente la precisión en los de cesio con lásers para enfriar los átomos, y la obtenida en el último reloj del NIST, el NIST-F1, puesto en marcha en 1999, que es del orden de un segundo en veinte millones de años.

En agosto de 2004, del NIST hicieron la primera demostración de un reloj atómico del tamaño de un circuito integrado. Esto representa un reloj cien veces menor que cualquier otro construido hasta la fecha, cuyo consumo es de sólo 0,079 vatios.

FuncionamientoEl reloj mecánico depende de un péndulo para funcionar. El atómico trabaja mediante la frecuencia de las transiciones energéticas hiperfinas (en los rangos de microondas) en los átomos.

En un extremo del reloj de cesio hay un horno con una placa de cesio, del cual se evaporan iones de este metal. Los iones se presentan en dos estados dependientes del espín o giro (spin) del último electrón del cesio. La diferencia de energía entre estos dos estados corresponde a una frecuencia de 9 192 631 770 hercios (Hz). En cada estado las propiedades magnéticas de los iones son diferentes. Tras la evaporación se utiliza un imán para separar los iones y descartar los de mayor energía. Los iones de menor energía se reubican en una cámara.

El verdadero reloj es un oscilador electrónico que genera pulsos de una frecuencia ajustable. Se ajusta a la correspondiente a la transición hiperfina del cesio por el proceso de realimentación siguiente. Un radioemisor de microondas llena de manera uniforme la cavidad de la cámara con ondas radioeléctricas de la frecuencia del oscilador electrónico. Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla con la frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los iones de cesio absorben la radiación y emiten luz. Una celda fotoeléctrica es sensible a la luz emitida y está conectada al oscilador electrónico con instrumentación electrónica.

Para realizar la medición mediante estas partículas es necesario crear un campo electromagnético que no existe naturalmente en el Universo. El proceso se realiza dentro de una «trampa magneto-óptica»: esfera del tamaño de un melón, en la cual se inyectan átomos de cesio que, confinados en un campo magnético, propagan seis rayos de luz láser. De igual modo que una persona disminuye su paso ante una ráfaga de viento, los átomos reducen su

velocidad al ser bombardeados por los láseres emitidos en todas direcciones. Mediante este método los átomos pueden reducir su velocidad hasta hacerla 10 mil veces más lenta de lo normal. Cuando los átomos y los láseres chocan, se forma una nube de átomos muy lentos o ultrafríos.

Los usos más frecuentes de los relojes atómicos son:

Redes de telefonía.

Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).

Medición del tiempo.

Calibración de equipos.

InvestigaciónLa mayoría de las investigaciones se centran en los objetivos, a menudo contradictorios, de que los relojes sean más pequeños, más baratos, más precisos y más confiables.

Las nuevas tecnologías, tales como peines de frecuencia de femtosegundo, redes ópticas e información cuántica, han permitido crear prototipos de la próxima generación de relojes atómicos. Éstos se basan en la óptica, en vez de en transiciones de microondas. Un obstáculo importante para el desarrollo de un reloj óptico es la dificultad de medir directamente las frecuencias ópticas. Este problema se ha resuelto mediante el desarrollo de la autorreferencia en modo bloqueado de láseres, comúnmente conocida como peines de frecuencia de femtosegundo.

Antes de la demostración del peine de frecuencias en el año 2000, eran necesarias técnicas de terahercio para salvar la distancia entre frecuencias de radio y ópticas. Los sistemas respectivos eran engorrosos y complicados. En virtud del perfeccionamiento del peine de frecuencias, estas mediciones se han vuelto mucho más accesibles, y en todo el mundo se están desarrollando numerosos sistemas de relojes ópticos.

Tal como en el rango de la radio, la espectroscopia de absorción se utiliza para estabilizar un oscilador (en este caso un láser). Cuando la frecuencia óptica se divide hacia abajo en una frecuencia de radio contable usando un peine de femtosegundos, la anchura de banda de la fase de ruido se divide también entre ese factor. Aunque generalmente tal anchura de banda de la fase de ruido del láser es mayor que las fuentes de microondas estables, después de la división es menor.

Los dos sistemas primarios en estudio para uso en los patrones de frecuencia óptica son iones aislados en una trampa de iones y átomos neutros atrapados en una red óptica [12]. Estas dos técnicas permiten que en gran medida los átomos o iones se aíslen de perturbaciones externas, lo cual genera una referencia de frecuencia extremadamente estable.

Relojes ópticos. Ya han logrado mayor estabilidad y menor incertidumbre sistemática que los mejores relojes de microondas [12]. Esto los coloca en una posición para reemplazar el estándar del tiempo: el reloj de fuente de cesio.

Sistemas atómicos en consideración incluyen Al1+, Hg+ / 2+ [12], Hg, Sr, Sr+ / 2+, In+ / 3+, Mg, Ca, Ca+, Yb+ / 2+ / 3+ e Y.

Radiorrelojes

Un radiorreloj es un reloj que automáticamente se ajusta a la hora atómica por medio de señales de radio oficiales recibidas por un receptor de radio. Muchos minoristas venden radiorrelojes erróneamente como «relojes atómicos». Aunque las señales de radio que reciben provienen de relojes atómicos, éstos no son relojes atómicos propiamente dichos. Proporcionan un medio de obtener la hora de alta precisión procedente de un reloj atómico, en una amplia zona, con un equipo barato.

Si bien las emisiones oficiales de la hora son en sí mismas extremadamente precisas, muchos radiorrelojes de consumo se sincronizan sólo una vez al día, por lo cual sólo consiguen una precisión de aproximadamente un segundo. Para obtener ventajas de la exactitud total de las señales horarias recibidas, deben utilizarse instrumentos receptores con capacidad de graduación de la hora. Por cada 300 kilómetros (186 millas) de distancia entre el transmisor y el receptor hay un retraso en la señal de aproximadamente 1 ms (un milisegundo).

Las señales horarias generadas en los relojes atómicos se difunden por transmisores de onda larga de radio gestionados por los gobiernos de muchos países, alrededor del mundo, como DCF77 (Alemania), HBG (Suiza), JJY (Japón), MSF (Reino Unido), TDF (Francia) y WWVB (Estados Unidos). Estas señales se pueden recibir desde muy lejos fuera de su país de origen. A veces, por la noche, la señal JJY se puede captar incluso en Australia Occidental y Tasmania. Así, hay muy pocas regiones del mundo donde la hora precisa procedente de relojes atómicos no esté disponible.

AplicacionesLos relojes atómicos se utilizan para generar las frecuencias estándar. Se instalan en los sitios de señales de tiempo, LORAN-C, y transmisores de navegaciónAlfa. [cita requerida] También se han instalado en algunas estaciones de radiodifusión de ondas larga y media, para entregar frecuencias de transmisión muy precisas, que también pueden funcionar como frecuencias estándar. [cita requerida]

Además los relojes atómicos se utilizan en interferometría de línea de base larga en radioastronomía. [11]

Los relojes atómicos constituyen la base del sistema de navegación GPS. La hora del reloj maestro GPS es una media ponderada de los relojes atómicos ubicados en las estaciones terrestres y de los colocados en los satélites GPS. Cada uno de ellos está dotado de varios relojes atómicos.

Reloj atómico de aluminioArtículo principal: Reloj de lógica cuántica

Físicos del National Institute of Standards and Technology (NIST) han construido una versión mejorada de reloj atómico experimental basado en un único átomo de aluminio. A febrero de 2009 es el reloj más preciso, ya que en 3,7 mil millones de años no gana, ni pierde, siquiera un segundo.

Como la definición internacional de segundo (Sistema Internacional de Unidades) está basada en el átomo de cesio, este elemento permanece como regulador del transcurso del tiempo oficial. Por lo tanto ningún otro reloj puede ser más preciso que el de cesio. [1]

Sistema de posicionamiento global

El sistema GPS proporciona señales muy exactas de hora y frecuencia. Un receptor GPS funciona midiendo el tiempo de retraso relativo de las señales de cuatro o más satélites GPS, cada uno con tres o cuatro relojes atómicos de cesio o de rubidio a bordo. Los cuatro tiempos relativos se transforman matemáticamente en tres coordenadas de distancia absoluta y en una coordenada de tiempo absoluto.

La precisión de la hora es de alrededor de 50 nanosegundos (ns). Sin embargo, receptores GPS poco costosos probablemente no asignen alta prioridad a la actualización de la pantalla. Por ello la hora mostrada puede diferir notablemente de la hora interna. Las referencias a la precisión de la hora que utilizan los GPS se comercializan para uso en redes informáticas, laboratorios y redes de comunicaciones celulares. Mantienen la exactitud dentro del margen de alrededor de 50 ns.