Práctica 1: Satélites y órbitas

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1 Departament de Telecomunicacions d Enginyeria de Sistemes Escola Tècnica Superior d Enginyeria COMUNICACIONES Y NAVEGACIÓN VÍA SATÉLITE Profesores: José A. López-Salcedo, M. Ángeles Vázquez Castro, Gonzalo Seco Granados, Víctor Delgado García : Satélites y órbitas En esta práctica, se pretende dar a conocer la teoría básica acerca de los satélites y sus órbitas. Para ello, usaremos el potente software de AGI ( el STK. El nombre de STK viene de Satellite Tool Kit. Este software, además de un entorno gráfico muy manejable, está respaldado por una precisa base matemática. Emplearemos el STK para ilustrar y comprender mejor los satélites de todo tipo, centrándonos, eso sí, en los de comunicaciones. Para ello, empezaremos con un breve tutorial del SW para después ir añadiendo elementos y verificando nuestros cálculos. A lo largo de la práctica, aparecen una serie de cuestiones que se deberán entregar debidamente comentadas. El índice de la práctica se puede ver a continuación: 1 Breve introducción al manejo del STK: Creación de un escenario: El tiempo del escenario: Añadir estaciones de tierra: Cobertura Satélites Tamaños y formas de órbitas: Sistemas de coordenadas: Parámetros orbitales: Perturbaciones Tipos de Órbitas Geoestacionaria Órbita baja LEO Órbita media MEO Órbitas de alta excentricidad HEO Análisis de coberturas Cobertura Geoestacionaria Cobertura órbita baja (LEO)... 9

2 1 Breve introducción al manejo del STK: Para empezar, el STK consta de dos ventanas de visualización principales, la de gráficos 2D y la de 3D. Además, es de gran utilidad el Object Browser que nos permitirá de un vistazo saber qué objetos tenemos en nuestro proyecto de STK. 1.1 Creación de un escenario: Justo después de arrancar el SW, iremos al menú File y haremos un New. Con ello, nos aparecen las dos ventanas principales 2D y 3D mencionadas anteriormente. Es decir, ahora hemos creado un escenario de STK sobre el que trabajar. 1.2 El tiempo del escenario: Cambiaremos ahora el tiempo del escenario. Vamos a poner una fecha del año 2007, el 1 de enero del 2007 y como fecha fin el 2 de enero del Esto nos servirá para simular este espacio de tiempo en pasos predefinidos que en el modo normal son de 1 minuto. Hay que hacer doble click en el Objeto Scenario en el Object Browser. 1.3 Añadir estaciones de tierra: Ahora, definiremos las estaciones terrenas llamadas Facilities desde las que observaremos los satélites que definiremos posteriormente. Haremos un Insert -> City from Database. Introduciremos el nombre de Barcelona y pulsaremos sobre Perform Search. Nos aparecerá una entrada con las coordenadas de Barcelona que seleccionaremos y ya podremos cerrar la ventana con un Close. Si nos fijamos en la ventana 2D, aparecerá Barcelona marcada sobre el mapamundi. Probablemente, no veremos la ciudad en la ventana 3D. Manteniendo el botón izquierdo del ratón sobre la imagen, podremos girarla, mientras que con el botón derecho podremos hacer o deshacer el zoom. Añadiremos también las ciudades de Tiksi en Rusia y Quito en Ecuador. 1.4 Cobertura El STK permite calcular la cobertura de los satélites del modelo. Para ello, emplearemos el objeto tipo sensor. Dicho objeto genera un volumen en el espacio dentro del cual tendremos cobertura. Se trata de una primera aproximación ya que, en la realidad, dicha simulación se debería realizar en base a un balance de potencias teniendo en cuenta las antenas y el resto de elementos. Así pues, el sensor, no es más que una primera aproximación a la visibilidad del satélite con un ángulo dado. Además, como veremos más adelante, el STK nos calculará para un sensor dado, la elevación y el azimut de un satélite dentro del rango del sensor, así como la distancia al mismo. Definiremos 3 entornos diferentes en los que podemos tener un emplazamiento: rural, urbano normal y urbano denso. Por defecto, el STK añade un sensor tipo cónico con un ángulo de 45º. Calcularemos para cada entorno y según sus parámetros el ángulo que le corresponde. Dichos ángulos nos servirán posteriormente para determinar la visibilidad en función del entorno. La siguiente figura ilustra el concepto descrito:

3 Ángulo cónico Antena Obstáculo Q 1 Rellenar la siguiente tabla con los datos anteriores Entorno rural Urbano normal Urbano denso Parámetros Montañas alejadas 2 Km y altura 500m Avenida ancha de 20m y pisos de 15m de altura Calle de 10m y pisos de 20m de altura Ángulo cónico Ahora vamos a incluir un sensor a cada una de las localizaciones. Para ello, seleccionaremos la primera en el Object Browser y haremos un Insert -> New -> Sensor. Haciendo doble click en el sensor nos aparece su definición de tipo cónico y su ángulo de 45º. Su proyección la podemos observar en la ventana 2D. Por defecto, la altura que toma el programa para la proyección es de Km (doble click sobre el sensor; propiedades de 2D Graphics ; sub-propiedad de Projection ; y Maximum altitude de Projection Altitude ) Cambiaremos esta propiedad para poder representar la cobertura para un satélite geoestacionario, es decir, la pondremos a 40000Km. Q 2 Qué forma tiene cada una de las proyecciones de los 3 sensores? Qué zona aproximada del planeta cubre cada una? 2 Satélites Para continuar, deberemos incluir en nuestro escenario los satélites que queramos estudiar. Sin embargo, antes de ello, haremos un repaso a la teoría de órbitas. 2.1 Tamaños y formas de órbitas: Antes de nada, definiremos los parámetros que nos dan el tamaño de una órbita. La siguiente figura lo ilustra claramente.

4 Ahora calcularemos manualmente la distancia a la tierra de un satélite geoestacionario a partir de su periodo de rotación (aproximadamente 24 horas) La fórmula es: G = Constante Universal gravitacional = 6.67 x (N-m2/kg2) M = masa de la Tierra = 5.98 x Kg. Q 3 Qué valor de a se ha obtenido? Cuadra con lo esperado? Además, está la excentricidad de la órbita. Este parámetro es el que nos da la forma de la órbita. La siguiente figura ilustra el concepto claramente: 2.2 Sistemas de coordenadas: El sistema de coordenadas más usado es el llamado clásico. La siguiente figura lo ilustra. El centro es el centro de la tierra y el plano horizontal coincide con el ecuador. El eje Î apunta a la constelación de Aries y se encuentra en la línea recta entre la tierra y el sol el primer día de la primavera. El problema es que se mueve y hay que definir

5 exactamente la manera de definirlo. En STK, por defecto, se usa el sistema J2000, definido a 1 de enero del Parámetros orbitales: A partir de estos ejes, la siguiente figura muestra los demás parámetros orbitales: Donde se define la ascensión recta (Ω - RAAN) como el ángulo entre el punto Aries y el nodo ascendente (punto de corte plano orbital con el ecuador) ϖ es el argumento del perigeo (ángulo entre el nodo ascendente y la dirección del perigeo). i es la inclinación del plano orbital con respecto al ecuador. Y v es la anomalía verdadera (posición angular del objeto con respecto al perigeo) Ahora veremos en STK cómo están implementados estos conceptos. Insertaremos un satélite haciendo Insert->New->Satellite y aceptaremos todas las opciones por defecto. Entraremos en las propiedades del satélite generado y veremos los parámetros de su órbita. Q 4 Cuántos parámetros son necesarios para determinar la posición orbital del satélite? Haz la lista de ellos y clasifícalos en 3 categorías según sean de tamaño/forma de la órbita, de orientación de la órbita y de localización del satélite en la misma. 2.4 Perturbaciones Para predecir el estado futuro de los elementos orbitales, STK usa los llamados propagators. Se trata de modelos matemáticos más o menos complejos dependiendo del grado de exactitud que se busque. Los 2 más importantes son el two-body y el SGP4. El primero es un modelo sencillo de dos cuerpos en el que se asume la tierra perfectamente redonda y al satélite sólo le afecta la gravedad de la misma y no se tiene en cuenta ninguna otra perturbación. El SGP4 es el que usa por defecto STK. Se trata del Simplified General Perturbations que es un estándar de la AFSPACECOM. Considera perturbaciones debidas al

6 achatamiento de la tierra, efectos gravitatorios de la luna y el sol y pérdidas por rozamiento. Cambiaremos ahora el tiempo de simulación a 1 semana y simularemos uno de los satélites geoestacionarios, el Hispasat 1D por ejemplo. Observar su proyección en el mapa 2D haciendo un zoom hasta ver el trazo de la órbita. Q 5 Qué forma tiene su movimiento? Si se mueve de su órbita crees que hay un error en el modelo? Cómo se corrige este movimiento en la realidad? 2.5 Tipos de Órbitas Geoestacionaria La órbita geoestacionaria es una de la más empleada en telecomunicaciones. Su altura está en torno de los 35700Km y su posición aparente en el cielo es fija, es decir, su periodo es de 24h. Sus inconvenientes son el alto coste de poner en órbita y el retardo de las comunicaciones por la distancia. Ahora introduciremos un satélite geoestacionario en el escenario y le colocaremos un sensor apuntando a la tierra. Para ello haremos un Insert>New->Satellite y escogeremos el tipo geoestacionario. Aceptaremos el resto de opciones. Para situar un sensor en satélite, primero seleccionaremos el satélite en el Object Browser y luego haremos un Insert->New->Sensor. Luego podremos cambiar las propiedades del sensor doble click sobre él en el Object Browser. Aparecerá algo como lo siguiente: Dentro de Basic->Definition podemos cambiar el ancho de haz del cono. Y dentro de 2D Graphics->Attributes podemos pulsar sobre Fill para que nos sombree la proyección del sensor. Para que los cambios surtan efecto en el escenario, deberemos pulsar sobre el botón de reset. Q 6 Qué radio aproximado cubre un haz de 1º, 3º, 5º y 10º? Fijaremos el ancho de haz cónico a 3º. Iremos variando sus coordenadas y veremos como va cambiando su posición en el ecuador y, por tanto, la proyección de su sensor. Q 7 Si queremos cubrir la mayor zona posible de Brasil. Qué coordenadas son las más apropiadas?

7 En la siguiente práctica se usará el satélite Eutelsat-W3A. Introducir dicho satélite. Seleccionar la ciudad de Barcelona y en el menú de Facility seleccionar Access. Seleccionaremos el satélite en la ventana de Associated Objects y luego pulsaremos debajo sobre Compute. Ahora ya dispondremos de los datos de acceso, sólo queda pulsar sobre el AER (Azimuth, Elevation and Range) dentro de Reports tal y como indica la figura: En el texto generado aparecerán la elevación y el azimut necesarios. Q 8 Qué valores de apuntamiento son necesarios desde Barcelona para dicho satélite? Órbita baja LEO La altura de los satélites de estas órbitas oscila entre 500 y 2000 Km. Su periodo es unos 100 minutos. Sus principales ventajas son la cercanía a la Tierra, reduciendo los efectos de retraso de la señal y la potencia necesaria en el satélite y en la Tierra. Además, necesita una categoría de lanzadores más barata que en el caso de las órbitas geoestacionaria. Como inconvenientes está el elevado número de satélites para cobertura global, los efectos del doppler y la búsqueda del satélite. Como ejemplo individual de órbita baja emplearemos la estación espacial internacional (ISS) Introduciremos la ISS haciendo Insert Satellite from database -> Official Name -> ISS -> Perform Search. Seleccionar el primero de los objetos que aparece y pulsar OK. Q 9 Cuál es su periodo? (se puede deducir de sus parámetros orbitales) Seleccionaremos ahora Barcelona y luego iremos al menú de Facility->Access y seleccionaremos la ISS para después hacer Compute y AER. Q 10 Analizando el informe, cuál es el rango de elevaciones en la que aparece? A qué rangos de distancias equivale?

8 2.5.3 Órbita media MEO Las órbitas medias MEO (Medium-Earth Orbit) son también llamadas ICO (Intermediate Circular) Estas órbitas están ubicada a una distancia entre y Km de la superficie de la Tierra. Las características (ventajas e inconvenientes) de esas constelaciones de satélite se hallan entre aquellas de las órbitas geoestacionarias y aquellas de las órbitas LEO. Entre los sistemas que usan este tipo de órbitas están los sistemas Odissey y el ICO (nueva generación del Inmarsat) A modo de ejemplo, introduciremos un satélite de este tipo, el ICO_F2. Comprobad que el periodo de estos satélites es de alrededor de 6 horas Órbitas de alta excentricidad HEO Se trata de órbitas muy excéntricas que se empezaron a emplear por dos razones principales. La primera es la gran visibilidad que se tiene del satélite en largos periodos de hasta 12 horas. La segunda es el relativo bajo coste de lanzamiento en comparación con los geoestacionarios. Los inconvenientes son que si queremos cobertura continua, necesitaremos varios satélites y, además, en su zona de visibilidad están casi tan alejados como los geoestacionarios. Rusia, con sus Molniya, usa este tipo de satélites para sus localizaciones más polares dado que para un geoestacionario la elevación sería muy pequeña y, por tanto, las pérdidas en la atmósfera muy grandes. A continuación, y para ilustrar lo anteriormente citado, vamos a introducir un satélite de este tipo en el escenario. Seleccionaremos Insert->Satellite from Database y escribiremos sobre Common name la palabra Molniya. Seleccionaremos entonces el último de la lista, el MOLNIYA Q 11 Qué periodo tiene la órbita? Qué regiones cubre principalmente? Ahora estudiaremos su cobertura con la herramienta del STK. Añadiremos un sensor para la ciudad de Tiksi. Le ajustaremos el ángulo cónico como en un entorno rural. Luego iremos al menú de Facility->Access y seleccionaremos el satélite Molniya para después hacer Compute y AER. Q 12 Qué podemos decir ahora de la elevación de antena necesaria la mayor parte del tiempo? A qué distancia se encuentra el satélite entonces? Compara estos dos valores con los que obtendríamos para un satélite geoestacionario desde la misma ciudad. 3 Análisis de coberturas 3.1 Cobertura Geoestacionaria Para este caso, emplearemos como ejemplo un sistema actualmente en uso llamado Inmarsat. INMARSAT (International Maritime Satellite Organization) es una organización internacional fundada en 1979 con el fin de mejorar las comunicaciones marítimas e incrementar la seguridad gracias a satélites. Funciona a modo de

9 cooperativa. Hoy, consta de 79 países miembros, y es, actualmente, el único proveedor de comunicaciones globales por satélites para aplicaciones comerciales, de urgencia y de seguridad tanto para móviles terrestres como para la comunidad aeronáutica y marítima. La evolución de INMARSAT se ha efectuado a través de tres generaciones de satélites. Para este ejemplo, emplearemos los de tercera generación lanzados entre el 1996 y el 1998, los llamados INMARSAT 3-F. Introduciremos los cinco satélites haciendo un Insert->Satellite from Database y luego escribiremos Inmarsat en Official name. Seleccionaremos los 5 con nombre 3- F1/2/3/4/5. Q 13 Qué separación angular hay entre cada uno de los satélites? Ahora colocaremos un sensor de tipo estándar y con la propiedad de Fill activada en cada uno de los satélites. Q 14 Qué podemos decir de la cobertura en cuanto a área total cubierta? Crees que se podría prescindir de alguno de los cinco satélites? Qué regiones tienen diversidad de cobertura (más de un satélite cubriendo la misma área)? 3.2 Cobertura órbita baja (LEO) Por último, vamos a hacer una comparativa de dos sistemas de comunicaciones globales: IRIDIUM y GLOBALSTAR. Se trata de dos sistemas que emplean satélites de órbita baja, pero con distintas configuraciones. Añadiremos un satélite de cada sistema primero para analizar sus órbitas y luego añadiremos el resto para estudiar la cobertura. Primero iremos a Insert->Satellite from Database y escribiremos Iridium en nombre oficial y seleccionaremos uno cualquiera de los satélites. Ahora seguiremos los mismos pasos pero poniendo Globalstar como nombre y seleccionaremos otro de sus satélites. Observando sus datos orbitales: Q 15 Qué inclinación tiene cada uno de ellos? Uno de ellos tiene la llamada órbita casi polar, cuál de los dos sistemas es, por qué? Anotad también el periodo de cada uno de ellos. Ahora vamos a estudiar las coberturas de cada sistema. Crearemos un nuevo escenario (habrá que hacer un close del anterior) y definiremos el tiempo del mismo muy corto para evitar ver todas las trazas a la vez. Entraremos en las propiedades del escenario y en el Period->Stop pondremos un tiempo 5 minutos superior al Period->Start. De esta forma, tendremos una captura de 5 minutos de la visibilidad de la constelación. Ahora añadiremos toda la constelación Iridium haciendo un Insert->Satellite from Database y en el nombre oficial escribiremos Iridium. Seleccionaremos todos los satélites usando la tecla Shift. El programa nos preguntará si añadir también algunos de los que no contiene datos suficientes y le diremos que no. Habremos añadido 90 satélites. De todos ellos, algunos ya no están operativos. De hecho, según Iridium, el sistema consta de 66 satélites más 6 de backup (inicialmente iban a ser 77 que es el número atómico del Iridio) En 2006, el precio del único terminal Iridium en producción, el 9505A, es de aproximadamente USD por unidad y el coste por minuto de comunicación es de aproximadamente 1.69 USD por minuto. Ahora veremos la visibilidad del sistema en función del entorno. Usaremos el entorno rural y el urbano. Primero, añadiremos Barcelona con Insert->Facility. Luego, le pondremos un sensor y le ajustaremos el ángulo cónico según el entorno. Haremos un reset del escenario y seleccionaremos el sensor.

10 Ahora es el momento de hacer una gráfica de los satélites visibles. Iremos al menú de Sensor->Access y seleccionaremos todos los satélites y apretaremos el botón de Compute. Pintaremos ahora un diagrama polar en el que ver de forma visual los satélites con visibilidad. Para ello, haremos un Graph->Custom y seleccionaremos el tipo Az El Polar. Deberíamos obtener un diagrama como el de la siguiente figura: En él se pueden apreciar los satélites que entran en el cono de visión del sensor y con qué elevación y azimut. Apuntad los satélites visibles y con qué elevaciones. Cambiad el tipo de sensor para entorno urbano y volved a realizar el gráfico. Ahora haremos lo mismo con el sistema Globalstar. Haced un Delete de los satélites de Iridium y un Insert->Satellite from Database y Official name Globalstar. Habremos añadido los 52 satélites de Globalstar (48 operativos y 4 de reserva) Volvemos a seleccionar el sensor y a hacer el gráfico Custom->Az El Polar. Hay que tener en cuenta que Globalstar fue diseñado para cubrir de 70º a -70º de latitud (lo que supone un 75% del área mundial) De esta forma, puede dar mejor cobertura con un menor número de satélites. Globalstar hace uso de la diversidad y es capaz de conectarse hasta con 3 satélites al mismo tiempo. Q 16 Cuántos satélites son visibles en media para cada uno de los sistemas y de los entornos?