COMUNICACIONES POR SATÉLITES

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1 COMUNICACIONES POR SATÉLITES JOSÉ I. ESCUDERO COMUNICACIONES POR SATÉLITE Sistema de telecomunicaciones que utilizan uno o más satélites, para lograr la reflexión de señales de microondas, generadas por una estación transmisora con el objeto de hacerla llegar a otra estación receptora. Generalmente, ambas estaciones están situadas en puntos geográficos distantes, sin alcance visual

2 SATÉLITE UPLINK ESTACIÓN TERRESTRE DOWNLINK ESTACIÓN TERRESTRE Espectro electromagnético

3 Uso de frecuencias de microondas Segunda Guerra Mundial: radar 1 GHz GHz Características: Propagación en línea recta Bloqueo de la señal por medios densos: edificios, colinas, etc. Ancho de banda grande comparado con frecuencias menores Antenas direccionales Transmisión a través de guías de ondas Su comportamiento es mejor que cualquier otra transmisión por radio No es tan fiable como lo sería por un enlace por fibra óptica BANDAS DE MICROONDAS Banda L 1-2 GHz Antenas omnidireccionales Banda S 2 4 GHz NASA Banda C 4-8 GHz 4º Comercial, teléfono Banda X 8-12 GHz Militar, Gobierno Banda Ku GHz 2º Longitudes de onda milimétricas Banda K GHz Banda Ka GHz 1º Intersatélite Banda V GHz Banda Q > 50 GHz

4 Ventajas de las comunicaciones por satélite 1.- Comunicaciones sin cables, independientes de la localización 2.- Cobertura de zonas grandes: país, continente, etc. 3.- Disponibilidad de banda ancha 4.- Independencia de la estructura de comunicaciones en Tierra 5.- Instalación rápida de una red 6.- Costo bajo por añadir un nuevo receptor 7.- Características del servicio uniforme 8.- Servicio total proporcionado por un único proveedor

5 4 de Octubre de 1957 Sputnik I (U.R.S.S.): Órbita baja 58 cm de diámetro Señales de radio de 31,5 MHz Orbitaba la Tierra 16 veces cada 24 horas 31 de Enero de 1958 Explorer I (U.S.A.) 2m de largo y 14 Kg Telemetría 1960 Echo 1 (U.S.A.) Globo de plástico aluminizado (30 m de diámetro) 75,3 Kg Echo2 (U.S.A.) Globo de plástico aluminizado (41 m de diámetro) Actuaban como repetidores pasivos: Emisores muy potentes y antenas grandes

6 1962 Dos satélites Telstar (NASA) Permitieron retransmitir señales de televisión a través del Atlántico Telstar I (AT&T) 87 cm de diámetro y 80 Kg Recibía y transmitía simultáneamente. (Dos semanas) Telstar II (AT&T) Idéntico al Telstar I, reforzado electrónicamente. La primera transmisión de televisión el Podían transmitir varios cientos de canales de voz, enlazando dos estaciones terrestres durante un breve periodo de tiempo Primer satélite GEOESTACIONARIO ( ) Syncom I ( ) No llegó a colocarse en órbita Syncom II ( ) Syncom III ( ) JJ.OO. Tokio

7 Syncom Tom Hudspeth y Harold Rosen 1964 Molniya (URSS) Transmitía señales de televisión Órbita eliptica: apogeo ( Km) perigeo (1.000 Km)

8 Julio 1964 Resolución nº1721 Naciones Unidas Se funda el primer consorcio internacional para las comunicaciones satelitales denominado INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION by SATELLITE (INTELSAT) Tiene por finalidad la explotación comercial de los satélites para el establecimiento de comunicaciones transoceánicas internacionales Early Bird (Intelsat I) 1965 Proporcionaba servicios de voz y televisión Enlazaba Estados Unidos y Europa 1971 Segundo consorcio internacional INTERSPUTNIK 1979 Tercer consorcio internacional International Maritime Satellite Organization INMARSAT Pretendían proveer de comunicaciones móviles a escala mundial con fines comerciales, especialmente orientado a comunicaciones marítimas 1995 International Mobile Satellite Organization Añadiendo a sus finalidades las comunicaciones móviles por aire y tierra y otros aspectos relacionados con la seguridad

9 Redes regionales de telecomunicaciones por satélite ARABSAT: Organización árabe para las comunicaciones por satélite AUSSAT: Corporación australiana de satélites EUTELSAT: Organización europea de telecomunicaciones por satélite ASIASAT: Organización asiática de satélites PANAMSAT: Empresa privada para la transmisión de señales de televisión a Iberoamérica HISPASAT: Sociedad española de satélites GEOMETRÍA ORBITAL Las órbitas pueden ser: un círculo una elipse una parábola una hipérbola ecuatoriales polares inclinadas

10 ECUATORIAL POLAR INCLINADA Caracterización de la órbita de un satélite Órbitas ideales: Tierra esférica y homogénea Se rigen por las leyes de Kepler: - órbitas elipticas - velocidad aerolar constante - T 2 = K R 3 Una órbita queda perfectamente definida por seis parámetros: A: semieje mayor de la elipse e: excentricidad ω: argumento del perigeo i: inclinación Ω: ascensión recta del nodo ascendente t p : tiempo de paso por el perigeo Órbitas reales: Asimetría de la Tierra y mareas Interacción con la Luna y el Sol Viento solar Modelos complejos para el control orbital

11 Caracterización de la órbita de un satélite Órbitas ideales: Tierra esférica y homogénea Se rigen por las leyes de Kepler: - órbitas elipticas - velocidad aerolar constante - T 2 = K R 3 Una órbita queda perfectamente definida por seis parámetros: A: semieje mayor de la elipse e: excentricidad ω: argumento del perigeo i: inclinación Ω: ascensión recta del nodo ascendente t p : tiempo de paso por el perigeo Órbitas reales: Asimetría de la Tierra y mareas Interacción con la Luna y el Sol Viento solar Modelos complejos para el control orbital GEOMETRÍA ORBITAL Órbita geoestacionaria: Ts = 23h 56 4, Hermann Noordung Rs = Km Vs = 3,0747 Km/s e = 0 (excentricidad) i = 0 (inclinación) h = Km Ángulo de visibilidad (A) A h R R

12 GEOMETRÍA ORBITAL Órbita geoestacionaria: Ts = 23h 56 4, Hermann Noordung Rs = Km Vs = 3,0747 Km/s e = 0 (excentricidad) i = 0 (inclinación) h = Km Ángulo de visibilidad (A) A Sen A = R / (R + h) h R R h R A ,9 º 59,8 º 22,9 º 8,7 º TIPOS DE SATÉLITES Satélites de órbita baja (LEO) Satélites de órbita media (MEO) Satélites de órbita geoestacionaria (GEO) Satélites de órbita altamente elíptica (HEO) LEO MEO GEO

13 SATÉLITES DE ÓRBITA BAJA (LEO) Órbitas elipticas ( Km) Órbitas polares 90 en dar la vuelta a la Tierra Número elevado de satélites: Bajas potencias de transmisión Menor consumo Estaciones terrestres de menor costo Antenas omnidireccionales Puesta en órbita de bajo costo Bajo retardo en la señal (~ 10 ms) SISTEMA IRIDIUM: 66 satélites en 6 órbitas

14 SATÉLITES DE ÓRBITA MEDIA (MEO) Órbitas elipticas ( Km) Órbitas inclinadas (dos planos 45º) 6-8 horas en dar la vuelta a la Tierra Número de satélites: ~ 10 Potencias medias de transmisión Mayor consumo que LEO Antenas omnidireccionales Puesta en órbita de mayor coste que LEO Retardo en la señal (~ 70 ms) SATÉLITES DE ÓRBITA GEOESTACIONARIA (GEO) Órbitas circulares (35786 Km) 24 horas en dar la vuelta a la Tierra Órbitas ecuatoriales (Clarke) Número de satélites: 1-3 Altas potencias de transmisión Antenas parabólicas costosas y amplificadores de bajo ruido (LNA) Separación entre satélites 1º Retardo en la señal no menor a 240 ms Puestas en órbitas de costes muy elevados

15 SATÉLITES DE ÓRBITA GEOESTACIONARIA (GEO) 120º SATÉLITE 1 SATÉLITE 2 120º 120º SATÉLITE 3 Latitudes entre 70º-80º SATÉLITES DE ÓRBITA GEOESTACIONARIA (GEO)

16 COMPARATIVA DE LAS ÓRBITAS Inclinación Altura orbital(km) Retardo prop.(ms) Potencia trans. Periodo satélite LEO 90º Baja MEO 45º Media 6-8h GEO 0º >240 Alta 24 h COMPARATIVA DE LAS ÓRBITAS LEO MEO GEO Coste de los satélites Máximo Mínimo Medio Vida del satélite 3-7 años años años Terminales portátiles Posible Posible Imposible Retardo de propagación Pequeño Medio Grande Pérdidas de propagación Bajas Medias Altas Complejidad de la red Compleja Media Simple Hand-off Muy frecuentes Frecuencia media No hay Visibilidad de un satélite Corta Media Siempre

17 SATÉLITES DE ÓRBITA ALTAMENTE ELÍPTICA (HEO) Órbitas elipticas ( >36500 Km) 12 h en dar la vuelta a la Tierra Número de satélites: 3 (servicio continuo) Cubren las áreas polares Retardo variable Satélite MOLNYA

18 SISTEMAS POR SATÉLITE OBJETIVOS: Atender la demanda creciente de servicios Acceso al público en general Transporte de datos Difusión de TV Características: Generalmente satélites en órbitas no geoestacionarias Innovaciones técnicas Conmutación a bordo Enlace entre satélites Uso de antenas de satélite multihaz Nuevas bandas de frecuencia (Ka y V) Creación de redes globales SISTEMAS POR SATÉLITE Sistemas LEO/MEO de banda estrecha (Para comunicaciones móviles con cobertura global, principalmente de voz) IRIDIUM (Motorola), GlobalStar (Alcatel), ICO (Inmarsat) Sistemas LEO de banda ancha (Servicios de banda ancha: internet, redes corporativas, servicios interactivos, etc.) Teledesic (Bill Gates), Skybridge (Alcatel) Sistemas GEO de banda ancha (Servicios de difusión) Astrolink (Lockheed Martin), Spaceway (Hughes) Sistemas Little-LEO de mensajería (Recepción y transmisión de mensajes de datos, con cobertura global) Orbcomm, LEO One, Final Analysis, E-Sat

19 Ejemplo de una red de comunicaciones personales Selección de la órbita en sistemas de satélites

20 Número de satélites necesarios para una cobertura global Número de órbitas necesarias para una cobertura global

21 Coste del sistema según altitud de la órbita Constelación de satélites Conjunto de satélites coordinados para proporcionar una cobertura común Distribuidos en planos con varios satélites por plano, usando órbitas circulares Tipos: Constelaciones en fase Constelaciones aleatorias Parámetros generales: Nº de planos orbitales Inclinación de los planos Nº de satélites por plano Altura de la órbita Desfasaje entre satélites de planos adyacentes

22 Constelación de satélites del sistema IRIDIUM

23 LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA Leyes de Newton y Kepler Inyección directa en órbita geoestacionaria Muy cara Inyección inicial en órbita elíptica Alta excentricidad (200 Km Km) Cohete Ariane Órbita de Hohmann Inyección inicial en órbita circular baja Orbitador (transportador) NASA 300 Km Órbita de Hohmann Rescate de satélites LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA

24 LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA Inyección inicial en órbita elíptica Órbita geoestacionaria Órbita de Hohmann Perigeo Encendido motor de apogeo LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA Inyección inicial en órbita circular baja Órbita geoestacionaria Órbita de Hohmann Encendido motor de perigeo Encendido motor de apogeo 300 Km

25 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES POR SATÉLITE Segmento espacial: Segmento terrestre: Satélite Estaciones terrestres Usuarios y telepuertos Un SISTEMA SATELITAL se comporta como una estación repetidora situada en el espacio, al que se conectan estaciones terrestres por medio de enlaces de microondas SEGMENTO ESPACIAL: SATÉLITE Estación retransmisora de telecomunicaciones situada en el espacio por un tiempo limitado, que oscila normalmente entre los 8 y los 18 años aproximadamente y que recibe señales de telecomunicaciones de voz, datos y vídeo desde la Tierra, las amplifica, cambia de frecuencia de la portadora y las retransmite a otras estaciones terrestres -- Estructura del satélite -- Subsistema de comunicaciones -- Subsistema de generación y distribución de potencia -- Subsistema de estabilización -- Subsistema de control de temperatura

26 Estructura del satélite Es el armazón que sostiene a todos los equipos que forman al satélite, que le da la rigidez necesaria para soportar las fuerzas y aceleraciones a las que se ve sometido desde el momento en que abandona la superficie de la Tierra. Debe ser: Duradero Resistente Ligero Influencias sobre el satélite

27 Estructura cilíndrica Estructura cúbica

28 Subsistema de comunicaciones ANTENAS Permiten captar señales provenientes de la Tierra, a través de los enlaces ascendentes (uplink) y retransmitir hacia ella a través de los enlaces descendentes (downlink) Telemetría y telemando TRANSPONDEDOR Cambian la frecuencia de la señal recibida y la retransmiten a la Tierra AMPLIFICADOR DE POTENCIA Amplifican las señales del enlace ascendente TIPOS DE ANTENAS Emisoras Cobertura global Cobertura hemisférica Direccionales Receptoras Reflectora Bocina Phased Array

29 TIPOS DE ANTENAS Antenas reflectoras Antenas de bocina TIPOS DE ANTENAS Antenas phased array

30 TRANSPONDEDOR Conmutadores, filtros Circuito convertidor de frecuencia Amplificador de bajo ruido (LNA) Amplificador de potencia Oscilador local Polarización E B B E B E E max Inclinación τ E E E min

31 Frecuencias de emisión y polarizaciones de los 64 canales de los satélites ASTRA Subsistema de generación y distribución de potencia PANELES SOLARES Formados por células solares de alto rendimiento (20%) Satélites GEO: 200 W/m 2 Potencia generada: 2200 W (INTELSAT VI) Problema: eclipses BATERIAS Del tipo níquel/cadmio

32 Subsistema de estabilización Durante su vida útil los satélites deben ser estabilizados en sus órbitas Para los GEO un desplazamiento de 1º en la dirección de una de sus antenas transmisoras supone que la huella se desplaza 700 Km sobre la Tierra La norma exige un error ± 0,1º longitud (74 Km en órbita) El control de la posición se realiza cada segundo de la vida del satélite: telemetría Subsistema de estabilización Métodos de control de la posición: Por rotación Por estabilización del eje

33 TTC SCC

34 Subsistema de control de temperatura Las distintas partes del satélite necesitan temperaturas de funcionamiento diferentes. Este subsistema se encarga de mantener un equilibrio térmico entre los diferentes componentes del satélite y el exterior (sol, Tierra, etc.) Células solares: -100 ºC, + 50 ºC Baterías: 0 ºC, +20 ºC Tanques de combustibles: + 10 ºC, + 50 ºC Equipos electrónicos y sensores Especial interés tiene su comportamiento durante los eclipses eclipses INVIERNO (Hemisferio Norte) VERANO (Hemisferio Norte)

35 SOL SOL eclipses SOL

36 Diagrama de bloques de un satélite genérico PANEL SOLAR PANEL SOLAR UNIDAD POTENCIA UNIDAD BATERIAS UNIDAD CONTROL UNIDAD ESTABILIZACIÓN UNIDAD COMUNICACIÓN UNIDAD ANTENAS Enlace descendente Enlace ascendente SEGMENTO TERRESTRE: ESTACIONES TERRESTRES -- Estaciones de capacidad alta Antenas grandes: hasta 30 m Tráfico internacional entre redes públicas Conecta con el exterior la red pública de teléfono de un pais -- Estaciones de capacidad media Antenas medias: 2-10 m Tráfico de una región o empresa -- Estaciones de capacidad pequeña (VSAT, USAT) Antenas pequeñas Único usuario -- Estaciones terrestres móviles

37 ESTACIONES TERRESTRES ESTACIONES TERRESTRES

38 Antenas parabólicas Antenas parabólicas 2,3 < D/f < 2,7

39 Antenas parabólicas RUIDO EN LA ANTENA TIERRA como cuerpo caliente

40 Antenas parabólicas Antena off-set Antena de foco centrado

41 Antenas parabólicas θ = latitud ; φ = longitud Elevación: φ = φ( antena) φ( satélite) cos θ cos φ - 0,15127 e = arc tg sen arc cos (cosθ cos φ) Azimut: a = arc tg tg φ sen θ (referido al sur)

42 CAPITAL LONGITUD LATITUD DEC. MAG EJEMPLO PRÁCTICO SATÉLITE LONGITUD HISPASAT 1C, 1D 30º W SEVILLA 5,95º W 37,38º N 4,5º φ = -5,95º - (-30º) = 24,05º e = 39,85º (desde la horizontal) a = 36,32º (al oeste) Antenas parabólicas Orientación por mapa

43 Huella del satélite sobre la Tierra HUELLAS DE COBERTURA SATÉLITES ASTRA ASTRA 1A (11,20-11,45 GHz) ASTRA 1D (10,70-10,95)

44 UNIDAD EXTERNA

45 ANTENA MULTISATÉLITE

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