Práctica 0. Introducción al programa Página 1 PRACTICA 0: INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA Existen en la actualidad numerosos programas comerciales dedicados a la propagación de efemérides y análisis orbital de los satélites artificiales. La prestación más destacada de estos programas es sin duda la representación gráfica que permite visualizar el movimiento de los satélites sobre la superficie de la Tierra (traza), ver las zonas de interés así como la cobertura y los accesos entre los distintos elementos del análisis e incluso la evaluación de los parámetros de estudio. Los objetivos de estas prácticas son, por un lado familiarizar al alumno con los programas de análisis de misión, cuyo manejo y filosofía es similar en todos ellos, independientemente del software utilizado y cuyo uso es requerido por la mayor parte de las personas implicadas en el sector espacial, aunque no se encuentren directamente relacionadas con el cálculo orbital, y por otro repasar y aclarar conceptos explicados en las clases teóricas mediante su visualización gráfica: elementos orbitales, sistemas de referencia y tiempos, perturbaciones, trazas, eclipses, zonas de cobertura y visibilidad, etc. En primer lugar se va a realizar una pequeña introducción de los elementos que conforman el programa y posteriormente se indicará como definirlos. Se describirá brevemente su modelización, para comprobar a continuación la influencia de los parámetros que los definen en sus prestaciones orbitales. En segundo lugar se estudiarán las interacciones entre los elementos definidos: accesos, visibilidades, y se describirán brevemente los parámetros y eventos orbitales que proporciona el programa como salida de las simulaciones. Finalmente, una vez conocidas las herramientas y elementos del programa, se llevarán a cabo varias simulaciones completas. Para ello, partiendo de una serie de requisitos dependientes del tipo de sistema orbital que se desea obtener, se construirán varios escenarios, se propagarán durante cortos intervalos de tiempo y se observarán las prestaciones obtenidas en cada uno de ellos. 1. Órbitas de satélites 1.1. Tamaño y forma de la órbita (2 elementos) Los dos elementos que determinan el tamaño y la forma de la órbita están unidos; el parámetro que se use para especificar el primer elemento determina el tipo de parámetro (pero no el valor) que se debe usar para especificar el segundo elemento. Las parejas de parámetros de las que se dispone son las siguientes: Primer elemento Semieje mayor Radio de apogeo Altitud de apogeo Periodo Movimiento medio Segundo elemento Excentricidad Radio de perigeo Altitud de perigeo Excentricidad Excentricidad La definición de cada uno de los parámetros es la siguiente (Figura 1):
Práctica 0. Introducción al programa Página 2 φ 0 ae a(1+e) a(1-e) Figura 1. Parámetros que determinan el tamaño y la forma de la órbita C es el centro de la elipse, O es el centro de la Tierra, y b es el semieje menor. Semieje mayor (a): mitad de la distancia entre los dos puntos de la órbita que se encuentran más alejados. R apogeo + R perigeo a = 2 Radio de apogeo/perigeo: distancia desde el centro de la Tierra hasta los puntos de radio máximo y mínimo de la órbita. Altitud de apogeo/perigeo: distancia desde la superficie de la Tierra (tomada teóricamente como una esfera de radio igual al radio ecuatorial de la Tierra) hasta el punto de radio máximo y mínimo de la órbita. Periodo (T): duración de la órbita, basado en un supuesto movimiento de dos cuerpos. T = 2π a G 3 M Tierra G: constante de gravitación universal = 6.67 x 10 11 km 2 /seg 3 Movimiento medio: número de órbitas por día solar (86.400 seg ó 24 horas), basado en un supuesto movimiento de dos cuerpos. Excentricidad: forma de la elipse que comprende la órbita, que varía desde un circulo perfecto (excentricidad = 0) hasta una parábola (excentricidad = 1). 1.2. Orientación de la órbita (3 elementos) Después de especificar el tamaño y la forma de la órbita, se debe determinar la orientación de la órbita plana en el espacio. A tal efecto, se ven envueltos tres elementos keplerianos, representados por los siguientes parámetros: Inclinación Ascensión recta del nodo ascendente Argumento de perigeo
Práctica 0. Introducción al programa Página 3 La definición de cada uno de estos parámetros es la siguiente: Inclinación (i): ángulo formado por la órbita plana y el plano ecuatorial de la Tierra (comúnmente usado como plano de referencia para satélites de la Tierra). Una órbita con una inclinación de 0 grados, se encuentra en el plano ecuatorial y se conoce como órbita ecuatorial y una órbita con una inclinación de 90 grados, pasa justo por los polos y se conoce como órbita polar. Ascensión recta del nodo ascendente (Ω): ángulo formado en el plano ecuatorial medido hacia el este desde el equinoccio de primavera hasta el nodo ascendente de la órbita. Argumento de perigeo (ω): ángulo en el plano de la órbita del satélite desde el nodo ascendente hasta el perigeo de la órbita, medido en el sentido de movimiento del satélite. El nodo ascendente es el punto de la órbita del satélite donde se cruza con el plano ecuatorial de la Tierra yendo desde el sur hacia el norte. Éstas y otras definiciones se pueden encontrar en la figura 2. Figura 2. Parámetros que determinan la orientación de la órbita donde Ω es la ascensión recta del nodo ascendente, i es la inclinación y ω es el argumento de perigeo. 1.3. Localización del satélite (1 elemento) Para especificar la localización del satélite dentro de su órbita se debe utilizar uno de los siguientes parámetros:
Práctica 0. Introducción al programa Página 4 Anomalía verdadera (φ 0 ): ángulo desde el radio vector del perigeo hasta el vector de posición del satélite, medido en el sentido de movimiento del satélite y en el plano de la órbita. Anomalía media (M): ángulo desde el radio vector del perigeo hasta un vector de posición donde el satélite estaría si se estuviera moviendo siempre a una velocidad angular constante. Anomalía excéntrica (E): ángulo medido con origen en el centro de una elipse desde la dirección del perigeo hasta un punto en un circulo circunscrito desde el cual una línea perpendicular al semieje mayor tiene intersección con la posición del satélite en la elipse. Argumento de latitud: suma de la anomalía verdadera y del argumento de perigeo. Tiempo pasado del nodo ascendente: tiempo transcurrido desde que cruzó el último nodo ascendente. Tiempo pasado de perigeo: tiempo transcurrido desde el último paso de perigeo. En la figura 3 se muestran estos parámetros. Figura 3. Parámetros que determinan la posición del satélite 1.4. Configuración de los elementos keplerianos En el programa Satellite Tool Kit (STK) que se va a utilizar en este laboratorio para el análisis de las diferentes orbitas, los seis elementos keplerianos se encuentran en la tabla Orbit de la ventana de propiedades básicas del satélite. Cuatro de los elementos se representan con listas que permiten seleccionar entre dos o más parámetros. Cuando se selecciona un parámetro para el primer elemento, el parámetro apropiado para el segundo elemento aparece automáticamente en el segundo campo.
Práctica 0. Introducción al programa Página 5 1.5. Tipos de órbitas 1.5.1. Órbita baja (Low Earth Orbit - LEO) Un órbita de baja altura (LEO) tiene una forma circular normalmente, con una altura máxima de 1000 km y mínima de 200 km, sobre la superficie de la Tierra. El periodo orbital para estas alturas varía aproximadamente entre 90 minutos y 2 horas. El tiempo máximo durante el cual el satélite LEO está sobre el horizonte local para un observador en la Tierra es de unos 20 minutos. Un sistema global de comunicaciones que usa este tipo de órbita requiere un elevado número de satélites en diferentes planos orbitales para obtener cobertura global. Cuando un satélite que atiende a un determinado usuario se mueve debajo del horizonte local, se produce un hand-over y este satélite tiene que pasar sus funciones a otro satélite en la misma órbita o en una órbita adyacente. Debido a la alta velocidad de un satélite en órbita LEO en relación con un observador en la Tierra, los sistemas de satélites que utilizan este tipo de órbita sufren mayores cambios en la frecuencia Doppler. Los satélites LEO también se ven afectados por pérdidas atmosféricas que deterioran gradualmente la órbita. 1.5.2. Órbita media (Médium Earth Orbit - MEO) Este tipo de satélite se caracteriza porque la forma de su órbita es usualmente la de una Orbita Circular Intermedia (ICO), debido a que el apogeo y el perigeo son iguales. El periodo orbital es de unas 7 horas y las alturas de estas órbitas están aproximadamente entre los 13000 y los 23000 km. El tiempo máximo durante el cual un satélite MEO está sobre el horizonte local para un observador en la Tierra es de unas pocas horas. Un sistema global de comunicaciones que use este tipo de órbita requiere relativamente pocos satélites (en comparación con un sistema que utilice órbita LEO) en dos o tres planos orbitales para obtener cobertura global. En los sistemas MEO, sin embargo, el handover es menos frecuente, y el retardo de propagación y las pérdidas en espacio libre son mayores. 1.5.3. Órbita de alta excentricidad (Highly Elliptical Orbit - HEO) Un satélite en una órbita de alta excentricidad (HEO) tiene un perigeo de unos 200 km sobre la superficie de la Tierra y un apogeo que puede llegar hasta los 50000 km de altitud. La órbita tiene normalmente una inclinación de 63.4 grados para proporcionar servicios de comunicación en localizaciones con latitud muy al norte. Este valor de inclinación se selecciona para evitar que el satélite caiga en alguno de los puntos inestables de la órbita (debido a la forma de la Tierra achatada por los polos, existen dos puntos de estabilidad de la órbita en los que tiende a estar el satélite y dos puntos de inestabilidad de los que se aleja el satélite). Una línea desde el centro de la Tierra hacia el apogeo siempre tiene intersección con la superficie de la Tierra en una latitud de 63.4 grados norte. El periodo orbital varía aproximadamente desde 8 a 24 horas. Debido a la alta excentricidad de la órbita, un satélite pasa dos tercios del periodo orbital cerca del apogeo, tiempo durante el cual el satélite parece ser prácticamente estacionario para un observador en la Tierra. Durante el escaso tiempo que el satélite está por debajo del horizonte local, se requiere un handover a otro satélite en la misma órbita para evitar la pérdida de la comunicación. Las pérdidas en espacio libre y el retardo de propagación para este tipo de órbita son comparables a los obtenidos para los satélites geosíncronos. Sin embargo, debido al, comparativamente, gran movimiento de un satélite en órbita
Práctica 0. Introducción al programa Página 6 HEO relativo a un observador en la Tierra, los sistemas de satélites que utilizan este tipo de órbita sufren mayores cambios en la frecuencia Doppler. 1.5.4. Órbita geoestacionaria (GEostationary Orbit - GEO) Una órbita geosíncrona se define como una órbita con un periodo de un día sideral (8600 segundos). Una órbita geoestacionaria es un caso especial de una órbita geosíncrona con inclinación cero y excentricidad cero, es decir, una órbita ecuatorial circular. Un satélite en una órbita geoestacionaria aparece fijo sobre una localización en la superficie de la Tierra. En la práctica, una órbita geoestacionaria tiene típicamente valores distintos de cero para inclinación y excentricidad, debido a fuerzas perturbadoras lo que provoca que el satélite tenga un movimiento en forma de 8 (órbita geosíncrona). El área de servicio de un satélite geosíncrono cubre casi un tercio de la superficie de la Tierra (desde aprox. 75 grados Sur hasta aprox. 75 grados Norte de latitud), para una supuesta elevación de las antenas de 10 grados, por lo que se puede obtener cobertura casi global con tan sólo tres satélites en órbita. Una desventaja de un satélite geosíncrono en un sistema de comunicación de voz es el retardo de ida y vuelta que es de aproximadamente 250 milisegundos. 1.5.5. Órbita polar El plano de una órbita polar presenta una inclinación de unos 90 grados sobre el plano ecuatorial, teniendo intersección con los polos Norte y Sur. La órbita está fija en el espacio, y la Tierra rota por debajo de ella. Por tanto, en principio, la cobertura de un satélite en órbita polar cubre todo el globo, aunque hay largos periodos durante los cuales el satélite puede estar fuera de visión para una estación terrestre en particular. Esta interrupción en la cobertura puede ser aceptable para un repetidor. La accesibilidad se puede mejorar desde luego, empleando dos o más satélites en diferentes órbitas polares. La mayoría de los sistemas LEO emplean órbitas polares o casi polares. 2. Gestor de escenarios: Startup Wizard Los objetos en STK están organizados jerárquicamente, de forma que escenario está en el nivel más alto, seguida de los objetos contenidos en él. Se denomina escenario al objeto de más alto nivel, incluye un mapa y contiene todos los otros objetos del STK (por ejemplo, satélites, estaciones terrenas, etc). Con las herramientas que proporciona el programa, en el escenario se pueden analizar una gran cantidad de parámetros, los cuales los iremos introduciendo sucesivamente. El gestor de escenarios del STK (figura 4) está diseñado para poder empezar a manejar el software STK de forma rápida y sencilla y permite al usuario el acceso a un número variado de escenarios de demostración y a sus ficheros asociados HTML. También permite abrir un escenario ya existente, crear uno nuevo o conocer más sobre STK a través de la opción Explore STK. El gestor de escenarios aparece siempre que se abre el programa, a no ser que se deshabilite esta opción, la cual se puede volver a habilitar posteriormente. Para crear un nuevo escenario, se debe pulsar el icono Create a New Scenario. A continuación aparecerán en la pantalla la ventana principal de STK (figura 5), un mapa 2D similar al mostrado en la figura 6 y un mapa 3D como el de la figura 7. Si al arrancar el programa no aparece el mapa 3D se puede insertar un mapa 3D nuevo eligiendo la opción New VO Window del menú Tools. La ventana principal muestra todos los objetos que pueden introducirse dentro de un escenario.
Práctica 0. Introducción al programa Página 7 Cada tipo de objeto se muestra con un icono para fácil identificación y cuando se introduce un nuevo objeto en un escenario, dicho objeto aparece en la ventana principal (Figura 8). Figura 4. Gestor de escenarios Figura 5. Ventana principal Los mapas (figuras 6 y 7) muestran gráficamente información sobre el escenario. Se pueden modificar las características del mapa y obtener información actuando sobre los distintos botones situados en la parte superior de los mapas. Figura 6. Mapa 2D
Práctica 0. Introducción al programa Página 8 Figura 7. Mapa 3D Figura 8. Ventana principal con objeto 3. Propiedades de un objeto Seleccionando la opción adecuada en el menú de propiedades se pueden definir las propiedades básicas y gráficas de un objeto, además de una serie de restricciones para dicho objeto. Basic: esta opción se usa para mostrar y especificar las características generales de un objeto. Las propiedades básicas se usan para definir todos los objetos, incluyendo la aplicación; sin embargo las tablas incluidas en la ventana de propiedades básicas varían en función del tipo de objeto seleccionado. Graphics: se usa esta opción para mostrar y especificar las características gráficas de un objeto. Las propiedades gráficas se usan para definir todos los objetos; sin embargo las tablas incluidas en la ventana de propiedades gráficas varían en función del tipo de objeto seleccionado.
Práctica 0. Introducción al programa Página 9 Constraints: se usa esta opción para mostrar y especificar las restricciones disponibles para un objeto. La opción constraints no está disponible para la aplicación. 4. Guardar un objeto Para guardar un objeto, hay que sombrear el objeto en la ventana principal y seleccionar Save en el menú File. El objeto se guarda usando su nombre actual y una única extensión que identifica el tipo de objeto. Extensiones de objetos para ficheros guardados en STK Objeto scenary (escenario) Extensión del fichero objeto.sc aircraft (aeronave).ac area target (área del objetivo).at facility (estación terrestre).f ground vehicle (vehículo terrestre) launch vehicle (vehículo de lanzamiento) missile (misil) planet (planeta) satellite (satélite) sensor (sensor) ship (barco).gv.lv.mi.pl.sa.sn.sh star (estrella).st target (objetivo).t transmitter (transmisor).x receiver (receptor).r chain (cadena).c constellation (constelación).cn Icono Siempre que se modifica y se guarda un objeto en STK las propiedades de ese objeto incluyendo su estado y atributos gráficos se almacenan en un fichero para un objeto específico. Cuando se crea otro escenario y se inserta el objeto en el nuevo escenario, todas las características y atributos del objeto están presentes y todos los subjetos (como por ejemplo sensores) también son insertados, a no ser que el objeto fuera guardado usando la opción Save. 5. Propiedades del escenario y de los mapas Es importante establecer las unidades de medida a ser usadas en el escenario completo y por tanto también en el mapa gráfico. Para que los objetos visualizados sean visibles deben corresponder con las utilizadas en los objetos.
Práctica 0. Introducción al programa Página 10 En el menú Basic del escenario, el cuál se obtiene pulsando el botón derecho del ratón sobre el nombre del escenario, se pueden observar los diferentes parámetros que deben ser establecidos. Un parámetro muy importante es el periodo de tiempo y de animación. Ambos deben comenzar en el mismo momento. El tipo de mapa que se desea visualizar se puede seleccionar en el mapa con el menú Map Graphics Properties en el sección de projection. Se aconseja observar los diferentes tipos de gráficos disponibles. 6. Estaciones Terrenas La estación terrena se introduce pulsando el botón de la ventana principal cuando el escenario está seleccionado. El nombre de la estación puede ser cambiado con solo pulsar una vez con el botón izquierdo sobre la palabra facility ya seleccionada. Las características de la estación terrena se seleccionan con el botón derecho del botón sobre la estación y el menú Basic. El programa dispone de una base de datos de diferentes estaciones terrenas seleccionable desde Facility Database en Tools menú. 7. Informes El generador de informes en STK resume datos estáticos. Se pueden generar informes para la mayoría de los objetos y éstos son muy útiles a la hora de presentar relaciones entre datos de elementos. En un informe se pueden incluir los datos de uno o más objetos. Para generar un informe, se debe seleccionar el objeto o los objetos de interés en la ventana principal y seleccionar Report en el menú Tools (o bien seleccionar Report en la barra de herramientas que se despliega al pulsar con el botón derecho del ratón sobre el objeto seleccionado). Cuando aparece el generador de informes se pueden realizar las siguientes acciones: 1. Crear un informe. 2. Cambiar el periodo de tiempo para un informe. 3. Definir las propiedades para un informe. 7.1. Crear un informe Se puede elegir uno de los estilos de informe que incluye STK para el objeto seleccionado o se pueden crear informes personalizados. Para generar un informe, se debe elegir un estilo de la lista de estilos incluida en la ventana del generador de informes y luego pulsar Create para mostrar un informe usando el estilo seleccionado. 7.2. Cambiar el periodo de tiempo para un informe Muchos de los informes y gráficas estándar incluyen datos dependientes del tiempo. Con STK se pueden limitar los intervalos de tiempo para los que se obtienen informes y controlar el paso de tiempo cambiando los parámetros de tiempo del escenario o del objeto.
Práctica 0. Introducción al programa Página 11 7.3. Definir las propiedades para un informe Usando las herramientas de generación de informes de STK, se pueden definir los contenidos y el formato de un informe nuevo o modificado, de una gráfica, de un informe de display dinámico, etc. Se debe seleccionar el estilo en la lista y usar el botón Properties. NOTA: los mismos datos que se obtienen con los informes se pueden representar de formas diferentes empleando gráficas, informes de display dinámico(similares a los informes pero con datos en tiempo de ejecución) y gráficas tipo Strip Chart (gráficas en tiempo de ejecución).