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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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UPLINK

DOWNLINK

SATÉLITE

ESTACIÓNTERRESTRE

ESTACIÓN TERRESTRE

Espectro electromagnético

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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

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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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Ejemplo de una red de comunicaciones personales

Selección de la órbita en sistemas de satélites

20

Número de satélites necesarios para una cobertura global

Número de órbitas necesarias para una cobertura global

21

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

22

Constelación de satélites del sistema IRIDIUM

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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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Estructura cilíndrica

Estructura cúbica

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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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TIPOS DE ANTENASAntenas reflectoras

Antenas de bocina

TIPOS DE ANTENAS Antenas 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

31

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

33

TTC

SCC

34

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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eclipses

SOL

SOL

SOL

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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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ESTACIONES

TERRESTRES

ESTACIONES TERRESTRES

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Antenas parabólicas

Antenas parabólicas

2,3 < D/f < 2,7

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Antenas parabólicas

RUIDO EN LA ANTENA

TIERRA como “cuerpo caliente”

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Antenas parabólicas

Antena de foco centrado

Antena off-set

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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

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UNIDAD EXTERNA

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ANTENA MULTISATÉLITE