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COMUNICACIONES PORSATÉLITES
JOSÉ I. ESCUDERO
Sistema de telecomunicaciones que utilizan uno o mássatélites, para lograr la reflexión de señales demicroondas, generadas por una estación transmisora conel objeto de hacerla llegar a otra estación receptora.Generalmente, ambas estaciones están situadas en puntosgeográficos distantes, sin alcance visual
COMUNICACIONES POR SATÉLITE
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Uso de frecuencias de microondas
Segunda Guerra Mundial: radar 1 GHz -- 30 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 12 - 18 GHz 2º
Longitudes de onda milimétricas
Banda K 18 – 27 GHz
Banda Ka 27 - 40 GHz 1º Intersatélite
Banda V 40 - 50 GHz
Banda Q > 50 GHz
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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
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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 através 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 10 - 6 - 62
Podían transmitir varios cientos de canales de voz, enlazando dosestaciones terrestres durante un breve periodo de tiempo
Primer satélite GEOESTACIONARIO (26-7-64)
Syncom I (14-2-63) No llegó a colocarse en órbita
Syncom II (26-7-64)
Syncom III (19-8-64) JJ.OO. Tokio
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Syncom
Tom Hudspeth y Harold Rosen
1964 Molniya (URSS)
Transmitía señales de televisión
Órbita eliptica: apogeo (40.000 Km)
perigeo (1.000 Km)
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Julio 1964 Resolución nº1721 Naciones Unidas
Se funda el primer consorcio internacional para lascomunicaciones satelitales denominado
INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION by SATELLITE
(INTELSAT)Tiene por finalidad la explotación comercial de los satélites para elestablecimiento 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
INMARSATPretendían proveer de comunicaciones móviles a escala
mundial con fines comerciales, especialmente orientado acomunicaciones marítimas
1995 International Mobile Satellite OrganizationAñadiendo a sus finalidades las comunicaciones móviles
por aire y tierra y otros aspectos relacionados con laseguridad
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Redes regionales de telecomunicaciones por satélite
ARABSAT: Organización árabe para las comunicacionespor satélite
AUSSAT: Corporación australiana de satélites
EUTELSAT: Organización europea de telecomunicacionespor satélite
ASIASAT: Organización asiática de satélites
PANAMSAT: Empresa privada para la transmisión deseñales 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
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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
- T2 = K R3
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
tp : 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
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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
- T2 = K R3
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
tp : 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 ORBITALÓrbita geoestacionaria: Ts = 23h 56’ 4,00954’’
1929 Hermann Noordung Rs = 42165 Km
Vs = 3,0747 Km/s
e = 0 (excentricidad)
i = 0 (inclinación)
h = 35787 Km
R R
hA
Ángulo de visibilidad (A)
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GEOMETRÍA ORBITAL
Órbita geoestacionaria: Ts = 23h 56’ 4,00954’’
1929 Hermann Noordung Rs = 42165 Km
Vs = 3,0747 Km/s
e = 0 (excentricidad)
i = 0 (inclinación)
h = 35787 Km
R R
hA Sen A = R / (R + h)
h R A
Ángulo de visibilidad (A)
100
1000
10000
35786
6378
79,9 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
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SATÉLITES DE ÓRBITA BAJA (LEO)
Órbitas elipticas (400 - 2500 Km)
Órbitas polares
90’ en dar la vuelta a la Tierra
Número elevado de satélites: 50-100
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
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SATÉLITES DE ÓRBITA MEDIA (MEO)
Órbitas elipticas (4000 - 15000 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 debajo ruido (LNA)
Separación entre satélites 1º
Retardo en la señal no menor a 240 ms
Puestas en órbitas de costes muy elevados
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SATÉLITES DE ÓRBITA GEOESTACIONARIA (GEO)
SATÉLITE 1SATÉLITE 2
SATÉLITE 3
120º
120º
120º
Latitudes entre 70º-80º
SATÉLITES DE ÓRBITA GEOESTACIONARIA (GEO)
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24 hAlta>240360000ºGEO
6-8hMedia50-150400015000
45ºMEO
90’Baja10-402003000
90ºLEO
Periodosatélite
Potenciatrans.
Retardoprop.(ms)
Alturaorbital(Km)
Inclinación
COMPARATIVA DE LAS ÓRBITAS
LEO MEO GEOCoste de los satélites Máximo Mínimo MedioVida del satélite 3-7 años 10-15 años 10-15 añosTerminales portátiles Posible Posible ImposibleRetardo de propagación Pequeño Medio GrandePérdidas de propagación Bajas Medias AltasComplejidad de la red Compleja Media SimpleHand-off Muy frecuentes Frecuencia media No hayVisibilidad de un satélite Corta Media Siempre
COMPARATIVA DE LAS ÓRBITAS
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SATÉLITES DE ÓRBITA ALTAMENTE ELÍPTICA (HEO)
Órbitas elipticas (1000 - >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
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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, concobertura global)
• Orbcomm, LEO One, Final Analysis, E-Sat
SISTEMAS POR SATÉLITE
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Número de satélites necesarios para una cobertura global
Número de órbitas necesarias para una cobertura global
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Coste del sistema según altitud de la órbita
Constelación de satélitesConjunto de satélites coordinados para proporcionar unacobertura común
• Distribuidos en planos con varios satélites por plano, usandoórbitas 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
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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 - 35788 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
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LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA
Inyección inicial en órbita elíptica
Órbita de Hohmann
Encendidomotor deapogeo
Órbita geoestacionaria
Perigeo
LANZAMIENTO Y COLOCACIÓN EN ÓRBITA
Inyección inicial en órbita circular baja
Órbita de Hohmann
Encendidomotor deapogeo
Órbita geoestacionaria
Encendidomotor deperigeo
300 Km
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COMPONENTES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONESPOR SATÉLITE
Segmento espacial: Satélite
Segmento terrestre: Estaciones terrestres
Usuarios y telepuertos
Un SISTEMA SATELITAL se comporta como unaestación repetidora situada en el espacio, al quese conectan estaciones terrestres por medio deenlaces de microondas
SEGMENTO ESPACIAL: SATÉLITE
Estación retransmisora de telecomunicaciones situada en el espaciopor un tiempo limitado, que oscila normalmente entre los 8 y los
18 años aproximadamente y que recibe señales detelecomunicaciones de voz, datos y vídeo desde la Tierra, las
amplifica, cambia de frecuencia de la portadora y las retransmite aotras estaciones terrestres
-- Estructura del satélite
-- Subsistema de comunicaciones
-- Subsistema de generación y distribución de potencia
-- Subsistema de estabilización
-- Subsistema de control de temperatura
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Estructura del satélite
Es el armazón que sostiene a todos los equipos que forman alsatélite, que le da la rigidez necesaria para soportar las fuerzasy aceleraciones a las que se ve sometido desde el momento enque abandona la superficie de la Tierra.
Debe ser:
Duradero
Resistente
Ligero
Influencias sobre el satélite
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Subsistema de comunicaciones
ANTENAS
Permiten captar señales provenientes de la Tierra, através de los enlaces ascendentes (uplink) y retransmitirhacia ella a través de los enlaces descendentes (downlink)
Telemetría y telemando
TRANSPONDEDOR
Cambian la frecuencia de la señal recibida y laretransmiten a la Tierra
AMPLIFICADOR DE POTENCIAAmplifican las señales del enlace ascendente
TIPOS DE ANTENAS
Emisoras
Cobertura global
Cobertura hemisférica
Direccionales
Receptoras
Reflectora
Bocina
Phased Array
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TRANSPONDEDOR
Amplificador depotencia
Oscilador local
Conmutadores, filtros
Amplificador debajo ruido (LNA)
Circuito convertidor defrecuencia
Polarización
E
E
EB
BB
E
E
E
E
E
max
min
Inclinación τ
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Frecuencias deemisión ypolarizacionesde los 64canales de lossatélites ASTRA
Subsistema de generación y distribución depotencia
PANELES SOLARESFormados por células solares de alto rendimiento (20%)
Satélites GEO: 200 W/m2
Potencia generada: 2200 W (INTELSAT VI)
Problema: eclipses
BATERIASDel tipo níquel/cadmio
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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 susantenas transmisoras supone que la “huella” se desplaza 700 Km sobrela 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
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Subsistema de control de temperatura
Las distintas partes del satélite necesitan temperaturas defuncionamiento diferentes. Este subsistema se encarga demantener un equilibrio térmico entre los diferentes componentesdel 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
VERANO
(Hemisferio Norte)
INVIERNO
(Hemisferio Norte)
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Diagrama de bloques de un satélite genérico
PANEL SOLAR PANEL SOLAR
UNIDAD BATERIAS
UNIDADESTABILIZACIÓN
UNIDAD POTENCIA
UNIDAD CONTROL
UNIDAD ANTENASEnlace descendente
Enlace ascendenteUNIDAD COMUNICACIÓN
SEGMENTO TERRESTRE: ESTACIONES TERRESTRES
-- Estaciones de capacidad altaAntenas grandes: hasta 30 m
Tráfico internacional entre redes públicas
Conecta con el exterior la red pública de teléfono de un pais
-- Estaciones de capacidad mediaAntenas medias: 2 - 10 m
Tráfico de una región o empresa
-- Estaciones de capacidad pequeña (VSAT, USAT)Antenas pequeñas
Único usuario
-- Estaciones terrestres móviles
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Antenas parabólicas
∆φ = φ( antena) − φ( satélite)
Elevación:
e = arc tgcos θ cos ∆φ - 0,15127
sen arc cos (cosθ cos ∆φ)
Azimut:
a = arc tgtg ∆φ
sen θ
(referido al sur)
θ = latitud ; φ = longitud
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CAPITAL LONGITUD LATITUD DEC. MAG
SEVILLA 5,95º W 37,38º N 4,5º
HISPASAT 1C , 1D 30º W
SATÉLITE LONGITUD
∆φ = -5,95º - (-30º) = 24,05º
e = 39,85º (desde la horizontal)
a = 36,32º (al oeste)
EJEMPLO PRÁCTICO
Antenas parabólicasOrientación por mapa
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Huella del satélite sobre la Tierra
ASTRA 1A (11,20 - 11,45 GHz) ASTRA 1D (10,70 - 10,95)
HUELLAS DECOBERTURASATÉLITESASTRA