Satélites de Comunicación

POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL

MDULO 2 : SATLITES DE COMUNICACIONES OBJETIVO DEL MDULO

Conocer otras orbitas adems de la geoestacionaria.

Dar un vistazo general a las nuevas tcnicas de comunicacin por satlite.

SUMARIO

1. SATELITES DE COMUNICACIONES

1.1 CONCEPTO DE SATLITE

1.2 TERMINOLOGIA USADA EN LAS COMUNICACIONES SATELITALES

1.3 TIPOS DE RADIOCOMUNICACIONES ESPACIALES

1.4 SERVICIOS SATELITALES

2. CARACTERISTICAS DE LOS SATLITES

2.1 ESTABILIZACIN TRIAXIAL

2.2 USO MLTIPLE DE LAS BANDAS DE FRECUENCIAS

3. CONFIGURACIN DE UN SATELITE DE COMUNICACIONES

3.1 SUBSISTEMA DE COMUNICACIN

3.2 SUBSISTEMA COMN

TELEDUCACIN COMUNICACIONES SATELITALES 1

POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL DESARROLLO DEL MDULO 1. SATELITES DE COMUNICACIONES 1.1 CONCEPTO DE SATLITE Los satlites son repetidores localizados fuera de la atmsfera terrestre como un

medio para las comunicaciones a larga distancia.

Usualmente usados como repetidores entre dos ESTACIONES TERRENAS, o,

dependiendo de sus orbitas, se les usa tambin para comunicaciones mviles,

llegando, sus haces, a cubrir todo el globo terrqueo a modo de celdas clulas.

INTELSAT e INMARSAT son consorcios internacionales para la normatividad de la

calidad de los servicios, tanto para comunicaciones entre estaciones terrenas

(INTELSAT) como para comunicaciones mviles martimas (INMARSAT).

Existen pases o grupos de pases que poseen sus propias redes de comunicacin

satelital para su comunicacin domestica.

1.2 TERMINOLOGIA USADA EN LAS COMUNICACIONES SATELITALES La terminologa que se usa se basa en el satlite geoestacionario.

Figura 1. Comunicacin satelital

Los trminos tcnicos y sus definiciones se encuentran en la Radio regulaciones de la

CONFERENCIA RADIO ADMINISTRATIVA MUNDIAL (WARC) de la UNION

INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES (UIT).


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Generalmente se da el nombre de COMUNICACIONES ESPACIALES a diversas

formas de comunicacin con naves espaciales. Sin embargo, las Regulaciones de

Radio las designan oficialmente como RADIOCOMUNICACIONES ESPACIALES.

Cualquier grupo consistente en una Estacin Espacial y/o una Estacin Terrena para

Radiocomunicaciones Espaciales se denomina SISTEMA ESPACIAL.

El termino ESTACION ESPACIAL se refiere a una estacin que generalmente se

encuentra mas all de la atmsfera terrestre.

La ESTACION TERRENA se refiere a la estacin localizada o en la superficie de la

tierra o dentro de la atmsfera terrestre (un barco aeroplano).

1.3 TIPOS DE RADIOCOMUNICACIONES ESPACIALES Se categorizan en:

a) Comunicacin entre la estacin espacial y la estacin terrena.

b) Comunicacin entre estaciones espaciales.

c) Comunicacin entre estaciones terrenas a travs de una estacin espacial.

d) Enlace entre estaciones espaciales (INTERSATELLITE LINK, ISL)

e) Sistema Relevador de datos y seguimiento de satlite (TDRSS).

TierraTierra

Figura 2. Tipos de radiocomunicaciones espaciales

De todos, el caso c) relaciona a una ESTACION ESPACIAL GEOESTACIONARIA

SATELITE GEOESTACIONARIO, que es aquel cuyo cuerpo primario es la tierra y su


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL perodo de rotacin alrededor de ella es igual al perodo de rotacin de la tierra

alrededor de su eje.

La transmisin de televisin a travs de un satlite de comunicaciones se denomina

RELEVADOR ESPACIAL o RELEVADOR SATELITAL.

Normalmente, la comunicacin satelital consiste de un enlace de un salto, como se ve

en ( c ), pero en algunos casos las seales se transportan a travs de saltos mltiples.

El caso e) se usa para el control de las comunicaciones del sistema de transporte

espacial de la NASA (STS) conocido como SPACE SHUTTLE.

El trayecto de transmisin entre la ESTACION ESPACIAL y la ESTACIN TERRENA

se denomina DOWNLINK (enlace de bajada) y entre la ESTACION TERRENA y la

ESTACION ESPACIAL se denomina UPLINK (enlace de subida).

Figura 3. Enlaces de subida y de bajada

Para los satlites geoestacionarios el enlace de subida (uplink) se hace en la banda de

6 Ghz, mientras que el enlace de bajada (downlink) se hace en la banda de 4 Ghz.

Otras ESTACIONES TERRENAS tambin utilizan las bandas de 11 y 14 Ghz, con las

de 4 y 6 Ghz.


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL 1.4 SERVICIOS SATELITALES

Fijo Mvil

- Aeronutico

- Martimo

- Terrestre

Radiodifusin Radionavegacin Exploracin Meteorolgico Amateur

2. CARACTERISTICAS DE LOS SATLITES Las caractersticas que tienen los satlites son :

Estabilizacin Triaxial. Uso mltiple de la bandas de frecuencia

2.1 ESTABILIZACIN TRIAXIAL En el ambiente espacial, donde se sitan los satlites, existen factores que influyen en

la posicin de los satlites, tales como:

- Presin de Radiacin solar, y

- Campos electromagnticos causados por el geomagnetismo.

Figura 4. Factores que influyen en la posicin de los satlites


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Los satlites anteriores al INTELSAT V adoptaron estabilizacin mediante el giro sobre

su eje (spin) en el cual el satlite rota para estabilizarse en su posicin en el espacio

bajo el principio del giro.

Figura 5. Estabilizacin de un satlite mediante giro sobre su eje

A partir de los satlites INTELSAT V se emplea el control de estabilizacin triaxial en el

cual la posicin del satlite se mantiene controlando cada uno de sus ejes ortogonales

Los satlites tienen una posicin en la orbita geoestacionaria con sus paneles solares

desplegados perpendicularmente al plano ecuatorial.

Los tres ejes (X, Y y Z) del control de estabilizacin triaxial son:

- el Eje de Desvo (Yaw) en la direccin al centro de la tierra,

- el Eje de Rodamiento (Roll) en la direccin del movimiento del satlite, y

- el Eje de Cada (Pitch) perpendicular al plano de la orbita.

Figura 6. Ejes de control de estabilizacin triaxial


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Cuando la rueda de momento gira a alta velocidad, la direccin del eje de la rueda se

mantiene constante. Esta propiedad se usa para determinar un eje, el de cada (pitch),

del satlite.

El control de posicin respecto al eje de cada se hace mediante el torque de reaccin

a travs del control de velocidad de la rotacin de la rueda y el control del eje de

rodamiento se hace mediante los inyectores.

Un satlite estabilizado triaxial provee la habilidad de generar energa elctrica por

medio de la orientacin de los arreglos a los rayos solares y en adicin, la libertad del

montaje de antenas y equipos.

Figura 7. Rueda de momento en un satlite

En el caso de un satlite estabilizado sobre su eje es extremadamente importante el

arreglo de las antenas y tomar en cuenta el balance del peso de los equipos de a

bordo alrededor del eje de giro.

Figura 8. Longitudes comunes de un satlite


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL En el caso del satlite triaxial, este es fijo, y da bastante facilidad en el montaje de los

equipos.

Aunque los satlites triaxiales tienen las ventajas de generar energa elctrica y la

libertad del montaje de antenas y equipos tambin tienen la desventaja de que los

subsistemas tales como el de control de posicin, trmico y de inyeccin son

complicados en su construccin.

2.2 USO MLTIPLE DE LAS BANDAS DE FRECUENCIAS La cobertura de un satlite es por medio de los haces:

- Global

- Hemisfrico.

- Zonal

- Puntual.

Los satlites INTELSAT emplean el reuso de frecuencia por medio del aislamiento

espacial entre los haces hemisfricos, zonales y puntuales Este y Oeste. Esta tcnica

se llama TECNICA DE AISLAMIENTO ESPACIAL DE HACES.

Figura 9. Tipos de haces Adems, los satlites INTELSAT emplean el reuso de frecuencias por medio del

aislamiento de polarizacin entre los haces hemisfricos y zonales. Esta tcnica se

llama TECNICA DE DOBLE POLARIZACION.



Figura 10. Tcnica de doble polarizacin

Otra caracterstica de los satlites INTELSAT es el uso de las bandas de 14 / 11 Ghz,

las cuales se introdujeron debido a que la demanda por las comunicaciones satelitales

crecieron tanto que las bandas convencionales de 4 / 6 Ghz ya no fueron suficientes.

3. CONFIGURACIN DE UN SATELITE DE COMUNICACIONES El satlite de comunicaciones consiste de:

a) El subsistema de Comunicaciones

b) El subsistema Comn

Para la comunicacin con el satlite se usan las bandas de 4 y 6 Ghz, as como

tambin las bandas de 11/14 Ghz, con la tcnica de reuso de frecuencias por medio

del aislamiento espacial, pero tambin se usa la polarizacin ortogonal.

Adicionalmente se usan las bandas de 11/14 Ghz que proveen un ancho de banda

total de comunicaciones de 2,137 Mhz.

Figura 11. Partes de un satlite de comunicaciones


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL 3.1 SUBSISTEMA DE COMUNICACIN El Subsistema de Comunicacin tiene como funcin, la recepcin de las seales

provenientes de la tierra, amplificndolas, convirtindolas en frecuencias y

reenvindolas nuevamente a la tierra. El subsistema de comunicacin consta de las

ANTENAS y el TRANSPONDER.

Figura 12. Partes del subsistema de comunicacin

3.1.1 ANTENAS Para propsitos de radiocomunicaciones, los satlites geoestacionarios poseen 7

antenas:

una antena para los HACES HEMISFERICOS y ZONALES en la banda de 4 Ghz.,

una antena para los HACES HEMISFERICOS y ZONALES en la banda de 6 Ghz.,

una antena de HAZ GLOBAL para la banda de 4 Ghz, una antena de HAZ GLOBAL para la banda de 6 Ghz., dos antenas para los HACES PUNTUALES ESTE y OESTE en las bandas de

11/14 Ghz y;

una antena BEACON en 11 Ghz.

La antena BEACON se usan como los faros y por medio de estas la ESTACION

TERRENA le hace el seguimiento al SATELITE.

Con estas antenas es que se provee la cobertura sobre el globo terrqueo.



Figura 13. Diferentes clases de antenas en un satlite

Antena Tipo Ganancia Relacin AxialAntena Hemi/Zonal 6 Ghz (Diametro: 1.56 m)

Hemi: 21.7 dB Zone: 25.2 dB 1.09

Antena Hemi/Zonal 4 Ghz (Diametro: 2.44 m)

Hemi: 21.7 dB Zone: 25.2 dB 1.09

Antena de haz puntual Este 14 / 11 Ghz (Diametro. 0.96 m)

Transmite: 32.8 dB Recibe: 33.2 dB -

Antena de haz puntual Este 14 / 11 Ghz (Diametro. 1.12 m)

Transmite: 36.2 dB Recibe: 36.7 dB -

Antena global 6 Ghz (Ancho de haz: 22) 15.2 dB 1.05Antena global 4 Ghz (Ancho de haz: 18) 16.7 dB 1.05Antena Beacon 11Ghz (Ancho de haz: 22) 14.8 dB 1.12

Parabolica desenfocada (offset parabola)

Corneta conica (Conical horn)

Tabla 1. Parmetros de las antenas de un satlite

ANTENAS HEMISFERICO / ZONAL Consiste de un reflector parablico descentrado, iluminado por un arreglo de 88

cornetas de gua de onda cuadrada para producir los haces conformados hemisfrico

y zonal con las polarizaciones circulares derecha e izquierda.

Los dimetros de los reflectores en las bandas de 4 Ghz y 6 Ghz son 2.44 m y 1.54 m

respectivamente.


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Los haces hemisfricos se forman de manera similar para los satlites en los Ocanos

Pacifico, Atlntico e Indico.

La forma de los haces zonales se selecciona desde la tierra para los Ocanos

Pacifico, Atlntico e Indico.

Figura 14. Antenas hemisfrico/zonal ANTENAS PUNTUALES EN 14 / 11 GHZ Son manejables entre varios grados y se les usa en reas de alta densidad de trafico.

Usan polarizacin lineal tanto para transmisin como para recepcin.

El reflector de haz puntual Oeste es un disco parablico de 1 m de dimetro y la

antena de haz puntual Este es un reflector conformado que produce haces de

transmisin y recepcin elpticos.

Figura 15. Antenas puntuales


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL ANTENAS DE HAZ GLOBAL Son cornetas cnicas en las bandas de 4 / 6 Ghz pero con Irises y pestaas para

mantener la pureza de polarizacin.

La antena de transmisin en 4 Ghz, permite que el haz sea manejado en los

alrededores de los 2 del eje de cada (perpendicular al plano de la orbita) para

reponer el haz hacia el centro de la tierra.

Figura 16. Antenas de haz global ANTENA BEACON El principio de diseo de este tipo de antena es muy similar al de las antenas globales,

sin embargo su composicin es simple debido a su estrecho ancho de banda de

operacin y su baja relacin axial.

Figura 17. Antena Beacon


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL 3.1.2 TRANSPONDERS (Repetidores) Los transponders son del tipo de conversin directa, es decir, la seal entrante

recibida por la antena (6Ghz y 14 Ghz) es amplificada por el amplificador de bajo

ruido, luego se convierte en frecuencia, a travs del oscilador, y nuevamente se

amplifica a travs del amplificador de alta potencia y finalmente se reenva a travs de

la antena transmisora (4 Ghz y 11 Ghz).

Figura 18. Partes de un transponder Los amplificadores a TWT y los multiplexores de salida estn situados en los paneles

norte y sur para un control trmico adecuado.

Figura 19. Sistema de transponders


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Los receptores, matriz de conmutacin y multiplexor de entrada se ubican en el panel

que encara a la tierra para minimizar el largo de la gua de onda a la antena.

Los receptores emplean amplificadores a transistores bipolares (6 Ghz) y

amplificadores a diodos tnel (14 Ghz) creando redundancia de 2 / 4.

Para los receptores de haz global la redundancia prevista es de 1 / 3.

Las salidas de los receptores se dividen en 31 canales en los multiplexores de entrada

y alimentan a la matriz de conmutacin donde se interconectan con 29 canales de

salida en diversas combinaciones. Esto permite una operacin flexible del satlite en

respuesta a la cantidad de trafico.

La salida de 11 Ghz se convierte directamente desde la banda de 4 Ghz y se le usa

para excitar a los amplificadores TWT. En 4 ghz, los amplificadores a TWT son de 8.5

w para los haces hemisfricos / globales y 4.5 w para los haces zonales.

En la banda de 11 Ghz se usan TWT de 10 w para los haces puntuales.

Los componentes TWT son los componentes mas crticos para la vida del satlite, esa

es la razn para la redundancia utilizada.

Los canales de salida, desde los TWT, se combinan en el multiplexor de salida para

alimentar a las antenas.

Con respecto al Beacon, los transmisores en 11 Ghz generan dos seales a diferentes

frecuencias, luego pasan al diplexor y se radian a travs de la antena de haz global.

3.2 SUBSISTEMA COMUN Est compuesto de los siguientes subsistemas:

.1 Telemetra / Comando

.2 Control de posicin

.3 Propulsin

.4 Energa



Figura 20. Partes de un subsistema comn

3.2.1 SUBSISTEMA DE TELEMETRIA/COMANDO Usualmente llamado Subsistema TC&R (Telemetry, Command and Ranging). Usa las

bandas de 6 / 4 Ghz.

Es totalmente redundante y es capaz de hacer conmutacin, excepto para la antena

de corneta biconica que se usa en la orbita de transferencia.

Este subsistema cosiste de la seccin de Telemetra y la seccin de Comando.

TELEMETRA Grupo de palabras especificas remitidas repetidamente en PCM y FM y son

seleccionadas por comandos desde la tierra. La trama principal consta de 64 palabras

(8 bits/palabra).

El nmero de palabras de telemetra es de 237 en total, a una velocidad de 1000 bps

modulados en BPSK con una portadora de 32 Khz. para que finalmente sea modulada

en fase y se transmita a la tierra.

La salida del transmisor de telemetra se amplifica en el Subsistema de Comunicacin

y se transmite desde la antena biconica en la orbita de transferencia. La portadora de

la seal de telemetra se usa como seal de Beacon.

La seccin de Telemetra enva a la tierra la informacin acerca de los estados de

operacin de los diversos equipos y la posicin del satlite. La posicin, el sol y la

tierra se detectan mediante sensores.


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL El sensor de sol se usa hasta que el satlite se inyecta a la orbita de rumbo una ves

que el satlite ya se coloc en esta orbita comienza a operar el sensor de tierra.

La informacin enviada desde los sensores y los datos que indican la situacin de los

equipos se codifican en el Codificador de Telemetra de donde pasa al modulador de

la seal de Beacon del satlite y de aqu pasa a la antena de corneta que transmite a

la estacin TT&C. Con la recepcin de la seal de Beacon, cada estacin terrena

orienta su antena correctamente hacia el satlite.

COMANDO Seal digital modulada en PSK que emplea tres diferentes tonos de audio

correspondientes a los bits 0, 1 y el comando ejecucin. El nmero de comandos

es de 560 en total y cada comando consiste de 58 bits a una velocidad de 100 bps.

Se usan dos formas de comandos uno discreto y otro proporcional. El primero es para

encender o apagar y el segundo es para el control analgico. El motor de perigeo,

despliegue de antenas y despliegue de los arreglos solares estn protegidos contra

errores en los comandos por una secuencia. El contenido de cada uno de los

comandos se retransmite a la tierra para verificacin antes de mandar la ejecucin.

La seccin de comando recibe las seales desde la tierra para el control de los

equipos en el satlite y enva su contenido a cada unidad de control. Estas seales,

llamadas seales de comando, las reciben la antena de Telemetra y Comando que

luego se decodifican en el Decodificador de Comando y su contenido se reenva de

nuevo a la tierra, va la seccin de Telemetra para su verificacin. Seguidamente, la

estacin terrena nuevamente transmite la seal de comando para la ejecucin del

control.

ANTENA DE TELEMETRIA Y COMANDO En la orbita de transferencia se usa las antenas de corneta biconica para telemetra.

Esta antena posee un ancho de haz troidal de 40 en el plano perpendicular al eje de

desvo (yaw).

La antena usada en la orbita geoestacionaria es una corneta cnica con redundancia,

de haz circular de 40 en la direccin del eje de desvo (yaw).

Para la recepcin de las seales de comando se usan antenas de abertura con capa

cnica de configuracin redundante en todas las fases de operacin.


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Las formas de los haces son similares a las de las antenas de telemetra pero con

haces mas anchos, 70 de haz troidal y 60 para el haz circular.

Figura 21. Antenas de telemetra y comando

3.2.2 SUBSISTEMA DE CONTROL El subsistema de control esta compuesto de:

- La unidad de control de impelente, y

- La unidad de control elctrica.

La unidad de control de impelente principalmente corrige la posicin y la orbita del

satlite como sea instruido desde la tierra con las seales de comando. La posicin y

orbita del satlite se corrigen operando el inyector de impelente a travs de la unidad

de control de impelente.

La unidad de control elctrica principalmente controla la conmutacin entre los

sistemas de trabajo y los de reserva, operacin paralela del sistema de suministro de

potencia y el cambio de direccin de radiacin de la antena de haz puntual.

Provee:

- Determinacin y control de posicin.

- Direccionamiento del arreglo solar

- Apuntamiento de la antena

- Activacin de estabilidad


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Determinacin y control de posicin. Detecta la posicin del satlite en las orbitas de transferencia y geoestacionaria,

consigue a la tierra o al sol en el caso de perder el rumbo en la orbita y la estabiliza. El

control de posicin se hace por medio de impelentes y en el caso de

malfuncionamiento, se corta la alimentacin de combustible automticamente

Direccionamiento del arreglo solar. Controla los dos paneles que apuntan al sol y transfieren la energa generada en las

celdas solares al alimentador central del satlite.

Equipo de Apuntamiento de la antena. Las antenas de haz puntual Este y Oeste as como las de haz global en las

frecuencias de 14 / 11 Ghz se controlan dentro de un rango de entre 3.25 y 2.2

respectivamente. Para este control de apuntamiento se requieren cinco motores y

cinco transductores de posicin

Activacin de la estabilidad. Controla la estabilidad del satlite durante la fase de giro sobre su eje mediante el uso

de seales sensoras de estabilidad, condicionadores de seal e inyectores. Tiene dos

modos de control, fino ( dentro de los 0.1) y grueso (dentro de los 3).

3.2.3 SUBSISTEMA DE PROPULSION Consiste en dos tanques de combustible y dos grupos de inyectores redundantes.

Dentro del satlite hay tres tipos de inyectores catalticos y electrotrmicos de

hidracina.

Los inyectores convencionales se usan para la estabilizacin y manejo del giro sobre

el eje del satlite.

Los inyectores electrotrmicos se usan para el aparcamiento norte/sur.

Estos inyectores operan con un impulso de 304 sg. con bajo consumo de potencia. El

motor de apogeo es un cohete de propelente slido

3.2.4 SUBSISTEMA DE ENERGIA La energa la suministran dos arreglos separados de celdas solares dispuestas en las

dos alas del satlite.


POSTGRADO A DISTANCIA COMUNICACIONES INALMBRICAS INICTEL Incluye adems a dos bateras para la operacin durante los perodos de eclipse. El

voltaje lo regula el control electrnico de energa.

Los arreglos solares consisten de una gran cantidad de celdas solares conectadas

todas en serie-paralelo. Como se sabe los arreglos solares convierten la energa

fotonica radiada desde el sol directamente a energa elctrica. Las bateras son de

Nquel-Cadmio que tienen alta eficiencia de carga y son resistentes a las sobrecargas

y sobre descargas. Los electrolitos de las bateras son alcalinos y libres de corrosin.

Normalmente el arreglo solar suministra energa a cada unidad en el satlite. En el

caso de un eclipse solar, sin embargo, la energa la suministran las bateras. Despus

del eclipse, las bateras las cargan el arreglo solar.

Figura 22. Partes del subsistema de energa


SUMARIODESARROLLO DEL MDULO1. SATELITES DE COMUNICACIONES1.3 TIPOS DE RADIOCOMUNICACIONES ESPACIALES

1.4 SERVICIOS SATELITALES2. CARACTERISTICAS DE LOS SATLITES2.2 USO MLTIPLE DE LAS BANDAS DE FRECUENCIAS3. CONFIGURACIN DE UN SATELITE DE COMUNICACIONE

ANTENAS PUNTUALES EN 14 / 11 GHZTELEMETRA

COMANDO

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