Comunicaciones por satélite
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
donde:
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 mas 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 mas accesibles cada año. En la mayoría de los casos, los sistemas de satélites ofrecen mas 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 mas 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 esta 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 esta 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 esta 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 numero 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 mas 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 interferncia 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 LUTs (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:
En los satélites Inmarsat-3 se incluye un transpondedor separado que gestiona las señales GPS, aumentando la integrabilidad de este sistema. Lo complementa.
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.
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.
Un satélite de comunicaciones es, en esencia, un repetidor colocado en órbita: su comportamiento es similar al de un espejo que reflejase los datos que se le envían desde una estación terrestre hacia unos terminales instalados en el territorio al que el satélite da cobertura. Un sistema de comunicaciones por satélite consta, por tanto, de dos tramos:
El segmento terrestre, que comprende la estación central (que cumple funciones de control, envío de datos y conexión con el resto de redes) más los terminales de usuario (básicamente antenas de mucha directividad).
El segmento espacial, el satélite propiamente dicho, a bordo del cual se encuentran los repetidores (conocidos como transpondedores).
Las ventajas indiscutibles del satélite son la inalterabilidad ante fronteras o barreras físicas y un alcance de prácticamente el 100% de la población del área cubierta por su haz, que puede dar sombra a continentes enteros.
Tipos de satélites de comunicaciones
El ACRIMSAT.
Un satélite actúa básicamente como un repetidor situado en el espacio: recibe las señales enviadas desde la estación terrestre y las reemite a otro satélite o de vuelta a los receptores terrestres. En realidad hay dos tipos de satélites de comunicaciones:
Satélites pasivos. Se limitan a reflejar la señal recibida sin llevar a cabo ninguna otra tarea.
Satélites activos Amplifican las señales que reciben antes de reemitirlas hacia la Tierra. Son las más habituales.
Antenas parabólicas
Las antenas utilizadas preferentemente en las comunicaciones vía satélites son las antenas parabólicas, cada vez más frecuentes en las terrazas y tejados de nuestras ciudades. Tienen forma de parábola y la particularidad de que las señales que inciden sobre su superficie se reflejan e inciden sobre el foco de la parábola, donde se encuentra el elemento receptor.
Son antenas parabólicas de foco primario. Es importante que la antena esté correctamente orientada hacia el satélite, de forma que las señales lleguen paralelas al eje de la antena. Son muy utilizadas como antenas de instalaciones colectivas.
Una variante de este tipo de antena parabólica es la antena offset; este tipo de antena tiene un tamaño más reducido, y obtiene muy buen rendimiento. La forma parabólica de la superficie reflectante hace que las señales, al reflejarse, se concentren en un punto situado por debajo del foco de parábola. Por sus reducidas dimensiones se suelen utilizar en instalaciones individuales de recepción de señales de TV y datos vía satélite.
Otro tipo particular es la antena Cassegrain, que aumenta la eficacia y el rendimiento respecto a las anteriores y disponer de dos reflectores: el primario o parábola más grande, donde inciden los haces de señales es un primer contacto, y un reflector secundario (subreflector).
Christian Argenis Umaña Zambrano
CI 17678077
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