Comunicaciones Vía Satélite

Transcripción

1 Comunicaciones Vía Satélite Introducción a los Sistemas Satelitales M.C. Enrique Stevens Navarro Facultad de Ciencias Satélite: cuerpo celeste que gira en órbita en torno a un planeta. En terminos aeroespaciales, un satélite es un vehículo espacial lanzado por humanos, que describe órbitas alrededor de la Tierra o de otro cuerpo celeste. Un satélite de comunicaciones es una repetidora de microondas en el cielo que permite efectuar un gran intercambio de información a través de enormes distancias. 1

2 Un satélite de comunicaciones esta formado por la convinación de uno o más de los siguientes dispositivos: Receptor. Transmisor. Regenerador. Filtros. CPU de abordo. Multiplexor/Demultiplexor. Antenas. Guía de Onda. Circuitos de Comunicaciones. Transpondedor: es un repetidor de radio en el cielo. (RX, TX, Amp.) Sistema Satelital: consiste en uno vehículos espaciales, una estación en la Tierra para control de su funcionamiento y una red de estaciones usuarias en la Tierra para recibir y transmitir trafico de telecomunicaciones. Tipos de transmisión de y hacia el satélite: Bus: mecanismos de control (telemetría). Carga Útil: información real de usuarios. 2

3 Tipos de Satélites: Satélites Pasivos: simplemente reflejan la señal, no tienen dispositivos de ganancia o amplificación. (+) No require equipo sofisticado. ($) (--) Requiere transmisor de guía de onda. (--) Uso ineficiente de la potencia trasmitida. Satélites Activos: Contienen elementos electrónicos para amplificar y retrasmitir la señal. (--) Requiere equipo sofisticado. ($) (+) Uso más eficiente de la potencia transmitida. (+) Servicios más sofisticados de comunicación. Un satélite permanece en orbita porque las fuerzas centrífugas causadas por su rotación en torno a la Tierra se equilibran con la atracción gravitacional de está. En el siglo XVII, J. Kepler descubrió las leyes que gobiernan el movimiento de los satélites. Las leyes del movimiento planetario describen la forma de la órbita, las velocidades del planeta y la distancia de un planeta con respecto al sol. 3

4 Las Leyes de Kepler son: 1.- Los planetas describen elipses con el Sol en uno de sus focos. 2.- La línea que une al Sol con un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. 3.- El cuadrado del tiempo de revolución de un planeta, dividido entre el cubo de su distancia al Sol es un número igual para todos los planetas Las Leyes de Kepler aplican a cualquier par de cuerpos en el espacio. El mayor se llama primario y el menor de los cuerpos secundario. Practica Leyes de Keppler Revisar: En el link que dice Keppler. Evidencia Traer una impresión de cada una de las leyes (Total 3). Fecha de entrega: 28 Ago (Anexo al Proy 1). 4

5 Primera Ley de Keppler Una elipse tiene dos focos (F1 y F2). Un eje mayor y un eje menor. Segunda Ley de Keppler A1 = A2 D1 > D2 v1 > v2 Orbitas de Satélites Satélites Orbitales (asíncronos) Giran en torno a la Tierra en órbitas elípticas o circulares. En una órbita circular la velocidad de rotación es constante; sin embargo, en una órbita elíptica la velocidad depende de la altura del satélite. La velocidad de rotación es mayor cuando el satélite está cerca de la Tierra que cuando está más lejos. 5

6 Satélites Orbitales (asíncronos) cont. Sat. con órbita prógrada o posígrada: su órbita es en la misma dirección de la Tierra y su velocidad angular es mayor que la de la Tierra. (ws > we). Sat. con órbita retrógrada: su órbita tiene dirección contraria que la Tierra (o la misma), pero con una velocidad angular menor que la de la Tierra. (ws < we) 6

7 Satélites Orbitales (asíncronos) cont. Desventajas: Su posición cambia en forma continua con respecto a un punto fijo en la Tierra, por tanto, se deben usar cuando están disponibles. (15 min. por órbita). Necesidad de equipo complicado y costoso de rastreo en las estaciones terrestres para localizar al satélite. Ventajas: No requiere cohetes de propulsión para mantenerse en su órbita. Categorías de elevación de satélites Órbita Terrestre Baja (LEO, low Earth orbit) Órbita Terrestre Intermedia (MEO, medium Earth orbit) Órbita Terrestre Geosíncrona (GEO, geosynchronous Earth orbit) 7

8 La mayoría de los satélites LEO trabajan en las frecuencias de 1.0 a 2.5 Ghz. Ventajas: Perdidas de trayectoria mucho menores entre satélites y estaciones terrestres. (Menos potencia de TX, menores antenas y menor peso). Ejemplo: Sistema Iridium (Motorola) de telefonía satelital. Constelación de 66 satélites LEO. Los satélites MEO trabajan en las frecuencias de 1.2 a 1.66 Ghz. Ejemplo: Sistema NAVSTAR del Depto. De Defensa USA para servicios de GPS. Constelación de 21 satélites MEO. 8

9 Los satélites GEO trabajan en las frecuencias de 2.0 a 18 Ghz. La mayoría de los Satélites de Comunicaciones están en órbita GEO. Tienen un tiempo de órbita aproximado de 24 horas, igual que la Tierra, por lo que parecen estacionarios, es decir, siempre en la misma posición respecto a determinado punto en la Tierra. Trayectorias orbitales de los satélites Apogeo: es el punto de una órbita que está más alejado de la Tierra. Perigeo: es el punto de una órbita que está más próximo a la Tierra. Eje Mayor: es la línea que une al perigeo con el apogeo y pasa por el centro de la Tierra. (Línea de los áspides) Eje Menor: perpendicular al Eje Mayor, a la mitad entre perigeo y apogeo. 9

10 Aunque existe una cantidad infinita de trayectorias orbitales, solo tres con útiles para seguir un satélite de comunicaciones. Las trayectorias pueden ser: Inclinada. Ecuatorial. Polar. Todos los satélites giran en torno a la Tierra describiendo una órbita que define un plano que pasa por el centro de gravedad de la Tierra, el llamado geocentro. 10

11 Órbitas Inclinadas: todas, excepto las que van arriba del Ecuador o de los polos Norte y Sur. Angulo de Inclinación: es el angulo que forma el plano ecuatorial terrestre con el plano orbital de un satélite. Nodo Ascendente: punto de la órbita donde curza el plano ecuatorial yendo de sur a norte. (giro CW) Nodo Descendente: punto de la órbita donde curza el plano ecuatorial yendo de norte a sur. (giro CW) Línea de Nodos: línea que une el nodo ascendente con el nodo descendente. 11

12 Los angulos de inclinación varían de 0 a 180. Para proporcionar cobertura a regiones de grandes latitudes, las órbitas inclinadas suelen ser elípticas. Órbita Ecuatorial: el satélite gira exactamente sobre el ecuador, generalmente, en trayectoria circular. Su angulo de elevación es 0 y no hay nodos ascendente ni descendente. Todos los satélites geosíncronos están en órbitas ecuatoriales. 12

13 Órbita Polar: el satélite gira sobre los polos (Norte y Sur), en una órbita perpendicular al plano ecuatorial. Siguen una trayectoria de baja altura, muy cercana a la Tierra. Su angulo de inclinación es 90. Se puede cubrir el 100% de la superficie terrestre con un solo satélite en órbita polar. Debido a la órbita del satélite y a la rotación de la Tierra, todo lugar sobre la Tierra queda dentro de su alcance de radiación dos veces al día. Nota Importante: La Tierra no es una esfera perfecta, ya que se ensancha en el ecuador. Un efecto importante de lo anterior es que causa que las órbitas elípticas giren de tal manera que el apogeo y el perigeo giren en torno a la Tierra. A este fenómeno se le llama rotación de la línea de áspides; sin embargo, si el ángulo de inclinación es de 63.4, la rotación es cero. Si un satélite debe tener un apogeo sobre determinada región se lanza con orbita en inclinación de 63.4 y a eso se le llama la ranura de

14 Caso Particular: Los satélites rusos Molniya (orbital). Tienen órbitas elípticas muy inclinadas para dar servicio a todo el norte de Rusia. El tamaño de la elipse se escogió para que el periodo fuera la mitad de un día sideral, 1 día sideral = 23 horas y 56 min (es el tiempo que tarda en dar la Tierra la cara a una misma constalación) 1 día terrestre = 24 horas (tiempo de una rotación de la Tierra sobre su eje) Debido a su forma orbital unica, los Molniya son síncronos con la rotación de la Tierra. De las 12 horas de su órbita pasan 11 sobre el hemisferio norte. Los satélites como el sistema Molniya se clasifican a veces como de órbita muy elíptica (HEO, High Elliptical Orbit) 14

15 Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Describen órbitas sobre el ecuador, con la misma velocidad angular que la Tierra. Parecen estar en un lugar fijo sobre un punto en la superficie terrestre. Un solo satélite GEO de gran altitud puede proporcionar comunicaciones confiables aprox. a un 40% de la superficie terrestre. Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Los satélites permanecen en órbita como resultado del equilibrio de fuerzas. (centrifuga vs gravitacional). A muy alta velocidad: (F. Centrifuga > F. Gravedad) => al espacio A muy baja velocidad: (F. Centrifuga < F. Gravedad) => a Tierra. 15

16 Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Ya que su órbita es circular, la velocidad angular del satélite es constante. Los satélites GEO se encuentran a una altitud sobre el nivel medio del mar de 35,768 Km. Cúal será la velocidad angular de un satélite GEO? Datos: h=35,768 Km Rt=6,378 Km (radio de la Tierra) Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Cúal sera el tiempo de retardo de propagación por viaje redondo de una señal a un satélite GEO? Idealmente, los satélites GEO deberían permanecer estacionarios sobre el lugar elegido sobre le ecuador, sin embargo, el Sol, la Luna, los vientos solares y el hecho de que la Tierra no es perfectamente esférica hacen que los satélites GEO se aparten en forma gradual de sus lugares asignados. Creando órbitas llamadas inclinadas estacionarias. 16

17 Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Para corregir el problema, los operadores en tierra deben ajustar en forma periódica las posiciones del satélite. Si no lo hacen, la desviación respecto al plano ecuatorial de los satélites GEO puede ser de 0.6 a 0.9 por año. Al proceso de maniobrar para mantener un satélite dentro de su órbita preasignada se llama mantenimiento de estación. Órbita de Clarke A una órbita geosíncrona se le llama tambien órbita de Clarke, o cinturón de Clarke, en honor de Artrhur C. Clarke, ya que postulo su existencia en 1945 y la propuso para uso de satélites de comunicaciones. La Órbita de Clarke cumple con las siguiente especificaciones: 1.- Directamente arriba del ecuador. 2.- Misma dirección y velocidad que la Tierra. 3.- Altitud de 35,768 Km. 4.- Una revolución cada 24 horas. 17

18 Tres satélites en órbita de Clarke, a 120 de longitud uno de otro, proporcionan comunicaciones en todo el globo terrestre, excepto los polos. Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Ventajas (+) Los satélites GEO permanecen casi estacionarios con respecto a una estación terrestre, por lo tanto, no se necesita costoso equipo de rastreo. (+) Los satélites GEO están disponibles para todas las estaciones dentro de su sombra el 100% del tiempo. (+) No hay necesidad de conmutar de un satélite GEO a otro porque pasen por su respectiva órbita. 18

19 Satélites Geoestacionarios (geosíncronos) Desventajas (+) Los satélites GEO requieren a bordo dispositivos complicados y pesados de propulsión para mantener su órbita. (+) Los satélites GEO están a gran altura e introducen retardos de propagación mayores. (400 a 500ms) (+) Los satélites GEO requieren mayor potencia de tx y receptores más sensibles, por la distancia mayor. (+) Se requieren artificios espaciales de gran precisión para poner en órbita un satélite GEO, y para mantenerlo en ella. Angulos Visuales de una Antena Para optimizar el funcionamiento de un sistemas de comunicación satelital, la dirección de una antena de estación terrestre (la mira) se debe apuntar directamente al satélite. Para lo anterior se deben determinar dos ángulos: Ángulo de Elevación. Ángulo de Azimut. (Angulos Visuales de la antena) 19

20 NOTA: En el caso de los satélites GEO, los ángulos visuales de las antenas terrestres solo se deben ajustar una vez. La ubicación de un satélite se suele especificar en terminos de latitud y longitud, en forma similar a como se ubica un punto sobre la Tierra. Ya que un satelite debido a su altitud no cuenta con latitud ni longitud, por tanto, su lugar se identifica con un punto sobre la superficie de la Tierra directamente bajo el satélite. Dicho punto es llamado: Punto Subsatelital (SSP, subsatellite point) Coordenadas Terrestres Coordenadas Normales de latitud y longitud: La convención normal de ángulos de longitud especifica entre 0 y 180 al este o al oeste del meridiano de Greenwich. Las latitudes del Hemisferio Norte son ángulos de 0 a 90 N, y las del Hemisferio Sur son de 0 a 90 S. 20

21 Ángulo de Elevación Es el ángulo vertical que se forma entre la dirección de movimiento de una onda electromagnética irradiada por una antena de estación terrestre que apunta directamente hacia un satélite, y el plano horizontal. Ángulo de Elevación Mientra menor es el ángulo de elvación, la distancia que debe recorrer una onda propagada a travéz de la atmósfera terrestre es mayor. Como en el caso de cualquier onda propagada por la atmósfera, sufre absorción, y también se puede contaminar mucho con ruido. Se considera que 5 es el angulo de elevación mínimo aceptable. 21

22 Atenuación por absorción atmosférica en la banda de 6/4 Ghz. Ángulo de Azimut Es la distancia angular horizontal a una dirección de referencia, que puede ser el punto sur o norte del horizonte. Es el ángulo horizontal de apuntamiento de una antena de estación terrestre. 22

23 Ángulo de Azimut En navegación, el azimut se suele medir en referencia al norte (0 ). Sin embargo, para las estaciones terrestres del Hemisferio Norte con satélites GEO la referencia es el sur (180 ). 23

24 Determinar Ángulos Visuales para un satélite GEO Los ángulos de elevación y azimut dependen de la latitud y longitud de la estación terrestre, y del satélite. 1.- Determinar la localización exacta de la estación terrestre. 2.- Determinar la longitud del satélite de interés. 3.- Calcular la diferencia, en grados ( L), entre la longitud del satélite y la de la estación terrestre. 4.- Determinar ángulo de azimut y elevación por medio de las figuras y

25 Satélites en órbitas geosíncronas GEO. ( O) 25

26 Determinar Ángulos Visuales para un satélite GEO Ejemplo: Estación: Houston, TX. (95 O, 29 N) Satélite: Satcom I (135 O) 26