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Comunicaciones
Vía Satélite
“Introducción a los Sistemas Satelitales”
M.C. Enrique Stevens Navarro
Cuerpo Académico de Comunicaciones
Facultad de Ciencias
Comunicaciones Satelitales
„
Satélite: cuerpo celeste que gira en órbita en torno a un
planeta.
„
En terminos aeroespaciales, un satélite es un vehículo
espacial lanzado por humanos, que describe órbitas
alrededor de la Tierra o de otro cuerpo celeste.
„
Un satélite de comunicaciones es una repetidora de
microondas en el cielo que permite efectuar un gran
intercambio de información a través de enormes
distancias.
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Comunicaciones Satelitales
„
Un satélite de comunicaciones esta formado por la
convinación de uno o más de los siguientes dispositivos:
„
„
„
„
„
„
„
„
„
Receptor.
Transmisor.
Regenerador.
Filtros.
CPU de abordo.
Multiplexor/Demultiplexor.
Antenas.
Guía de Onda.
Circuitos de Comunicaciones.
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„
Transpondedor: es un repetidor de radio en el cielo.
(RX, TX, Amp.)
„
Sistema Satelital: consiste en uno vehículos
espaciales, una estación en la Tierra para control de su
funcionamiento y una red de estaciones usuarias en la
Tierra para recibir y transmitir trafico de
telecomunicaciones.
„
Tipos de transmisión de y hacia el satélite:
…
…
Bus: mecanismos de control (telemetría).
Carga Útil: información real de usuarios.
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„
Tipos de Satélites:
„
Satélites Pasivos: simplemente reflejan la señal, no
tienen dispositivos de ganancia o amplificación.
(+) No require equipo sofisticado. ($)
„ (--) Requiere transmisor de guía de onda.
„ (--) Uso ineficiente de la potencia trasmitida.
„
„
Satélites Activos: Contienen elementos electrónicos
para amplificar y retrasmitir la señal.
(--) Requiere equipo sofisticado. ($)
„ (+) Uso más eficiente de la potencia transmitida.
„ (+) Servicios más sofisticados de comunicación.
„
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„
Un satélite permanece en orbita porque las fuerzas
centrífugas causadas por su rotación en torno a la Tierra
se equilibran con la atracción gravitacional de está.
„
En el siglo XVII, J. Kepler descubrió las leyes que
gobiernan el movimiento de los satélites.
„
Las leyes del movimiento planetario describen la forma
de la órbita, las velocidades del planeta y la distancia de
un planeta con respecto al sol.
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„
Las Leyes de Kepler son:
1.- Los planetas describen elipses con el Sol en uno de sus
focos.
2.- La línea que une al Sol con un planeta barre áreas
iguales en tiempos iguales.
3.- El cuadrado del tiempo de revolución de un planeta,
dividido entre el cubo de su distancia al Sol es un
número igual para todos los planetas
„
Las Leyes de Kepler aplican a cualquier par de cuerpos
en el espacio. El mayor se llama primario y el menor de
los cuerpos secundario.
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„
Practica Leyes de Keppler
Revisar:
http://galia.fc.uaslp.mx/fisicavirtual/
En el link que dice Keppler.
Evidencia
Traer una impresión de cada una de las leyes (Total 3).
Fecha de entrega: 28 Ago (Anexo al Proy 1).
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Primera Ley de Keppler
Una elipse tiene dos
focos (F1 y F2).
Un eje mayor y un eje
menor.
„
„
Segunda Ley de Keppler
A1 = A2
D1 > D2
v1 > v2
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„
Orbitas de Satélites
„
Satélites Orbitales (asíncronos)
… Giran
en torno a la Tierra en órbitas elípticas o
circulares.
… En una órbita circular la velocidad de rotación es
constante; sin embargo, en una órbita elíptica la
velocidad depende de la altura del satélite.
… La velocidad de rotación es mayor cuando el satélite
está cerca de la Tierra que cuando está más lejos.
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„
Satélites Orbitales (asíncronos) cont.
… Sat.
con órbita prógrada o posígrada: su órbita es en
la misma dirección de la Tierra y su velocidad angular
es mayor que la de la Tierra. (ws > we).
… Sat.
con órbita retrógrada: su órbita tiene dirección
contraria que la Tierra (o la misma), pero con una
velocidad angular menor que la de la Tierra. (ws < we)
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„
Satélites Orbitales (asíncronos) cont.
„
Desventajas:
… Su
posición cambia en forma continua con respecto a
un punto fijo en la Tierra, por tanto, se deben usar
cuando están disponibles. (15 min. por órbita).
… Necesidad de equipo complicado y costoso de rastreo
en las estaciones terrestres para localizar al satélite.
„
Ventajas:
… No
requiere cohetes de propulsión para mantenerse
en su órbita.
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„
Categorías de elevación
de satélites
Órbita Terrestre Baja
(LEO, low Earth orbit)
Órbita Terrestre Intermedia
(MEO, medium Earth orbit)
Órbita Terrestre Geosíncrona
(GEO, geosynchronous
Earth orbit)
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„
„
La mayoría de los satélites LEO trabajan en las
frecuencias de 1.0 a 2.5 Ghz.
Ventajas:
… Perdidas
de trayectoria mucho menores entre
satélites y estaciones terrestres. (Menos potencia de
TX, menores antenas y menor peso).
Ejemplo:
Sistema Iridium (Motorola) de telefonía satelital.
Constelación de 66 satélites LEO.
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„
Los satélites MEO trabajan en las frecuencias
de 1.2 a 1.66 Ghz.
Ejemplo:
Sistema NAVSTAR del Depto. De Defensa USA
para servicios de GPS.
Constelación de 21 satélites MEO.
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„
„
„
Los satélites GEO trabajan en las frecuencias
de 2.0 a 18 Ghz.
La mayoría de los Satélites de Comunicaciones
están en órbita GEO.
Tienen un tiempo de órbita aproximado de 24
horas, igual que la Tierra, por lo que parecen
estacionarios, es decir, siempre en la misma
posición respecto a determinado punto en la
Tierra.
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„
Trayectorias orbitales de los satélites
„
Apogeo: es el punto de una órbita que está más
alejado de la Tierra.
Perigeo: es el punto de una órbita que está más
próximo a la Tierra.
Eje Mayor: es la línea que une al perigeo con el
apogeo y pasa por el centro de la Tierra. (Línea
de los áspides)
Eje Menor: perpendicular al Eje Mayor, a la
mitad entre perigeo y apogeo.
„
„
„
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Comunicaciones Satelitales
„
Aunque existe una cantidad infinita de trayectorias
orbitales, solo tres con útiles para seguir un satélite de
comunicaciones.
„
Las trayectorias pueden ser:
„ Inclinada.
„ Ecuatorial.
„ Polar.
Todos los satélites giran en torno a la Tierra describiendo
una órbita que define un plano que pasa por el centro de
gravedad de la Tierra, el llamado geocentro.
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„
Órbitas Inclinadas: todas, excepto las que van arriba del
Ecuador o de los polos Norte y Sur.
„
Angulo de Inclinación: es el angulo que forma el plano
ecuatorial terrestre con el plano orbital de un satélite.
„
„
„
Nodo Ascendente: punto de la órbita donde curza el
plano ecuatorial yendo de sur a norte. (giro CW)
Nodo Descendente: punto de la órbita donde curza el
plano ecuatorial yendo de norte a sur. (giro CW)
Línea de Nodos: línea que une el nodo ascendente con
el nodo descendente.
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„
„
Los angulos de inclinación varían de 0° a 180°.
„
Para proporcionar cobertura a regiones de grandes
latitudes, las órbitas inclinadas suelen ser elípticas.
Órbita Ecuatorial: el satélite gira exactamente sobre el
ecuador, generalmente, en trayectoria circular.
„
Su angulo de elevación es 0° y no hay nodos
ascendente ni descendente.
„
Todos los satélites geosíncronos están en órbitas
ecuatoriales.
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„
Órbita Polar: el satélite gira sobre los polos (Norte y Sur),
en una órbita perpendicular al plano ecuatorial.
„
„
„
„
Siguen una trayectoria de baja altura, muy cercana a
la Tierra.
Su angulo de inclinación es 90°.
Se puede cubrir el 100% de la superficie terrestre con
un solo satélite en órbita polar.
Debido a la órbita del satélite y a la rotación de la
Tierra, todo lugar sobre la Tierra queda dentro de su
alcance de radiación dos veces al día.
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Nota Importante:
La Tierra no es una esfera perfecta, ya que se ensancha en
el ecuador.
Un efecto importante de lo anterior es que causa que las
órbitas elípticas giren de tal manera que el apogeo y el
perigeo giren en torno a la Tierra.
A este fenómeno se le llama rotación de la línea de
áspides; sin embargo, si el ángulo de inclinación es de
63.4°, la rotación es cero.
Si un satélite debe tener un apogeo sobre determinada
región se lanza con orbita en inclinación de 63.4° y a eso
se le llama la ranura de 63°.
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Caso Particular:
Los satélites rusos “Molniya” (orbital).
Tienen órbitas elípticas muy inclinadas para dar servicio a
todo el norte de Rusia.
El tamaño de la elipse se escogió para que el periodo fuera
la mitad de un día sideral,
1 día sideral = 23 horas y 56 min (es el tiempo que tarda en
dar la Tierra la cara a una misma constalación)
1 día terrestre = 24 horas (tiempo de una rotación de la
Tierra sobre su eje)
Debido a su forma orbital unica, los Molniya son síncronos
con la rotación de la Tierra. De las 12 horas de su órbita
pasan 11 sobre el hemisferio norte.
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Los satélites como el sistema Molniya se clasifican a veces
como de órbita muy elíptica (HEO, High Elliptical Orbit)
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Describen órbitas sobre el ecuador, con la misma
velocidad angular que la Tierra.
Parecen estar en un lugar fijo sobre un punto en la
superficie terrestre.
„
„
Un solo satélite GEO de gran altitud puede proporcionar
comunicaciones confiables aprox. a un 40% de la
superficie terrestre.
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Los satélites permanecen en órbita como resultado del
“equilibrio” de fuerzas. (centrifuga vs gravitacional).
„
A muy alta velocidad:
(F. Centrifuga > F. Gravedad) => al espacio
„
A muy baja velocidad:
(F. Centrifuga < F. Gravedad) => a Tierra.
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Ya que su órbita es circular, la velocidad angular del
satélite es constante.
„
Los satélites GEO se encuentran a una altitud sobre el
nivel medio del mar de 35,768 Km.
¿Cúal será la velocidad angular de un satélite GEO?
Datos:
h=35,768 Km
Rt=6,378 Km (radio de la Tierra)
„
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
¿Cúal sera el tiempo de retardo de propagación por
viaje redondo de una señal a un satélite GEO?
„
Idealmente, los satélites GEO deberían permanecer
estacionarios sobre el lugar elegido sobre le ecuador,
sin embargo, el Sol, la Luna, los vientos solares y el
hecho de que la Tierra no es perfectamente esférica
hacen que los satélites GEO se aparten en forma
gradual de sus lugares asignados. Creando órbitas
llamadas inclinadas estacionarias.
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Para corregir el problema, los operadores en tierra
deben ajustar en forma periódica las posiciones del
satélite.
„
Si no lo hacen, la desviación respecto al plano ecuatorial
de los satélites GEO puede ser de 0.6° a 0.9° por año.
„
Al proceso de maniobrar para mantener un satélite
dentro de su órbita preasignada se llama mantenimiento
de estación.
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„
Órbita de Clarke
„
A una órbita geosíncrona se le llama tambien órbita de
Clarke, o cinturón de Clarke, en honor de Artrhur C.
Clarke, ya que postulo su existencia en 1945 y la
propuso para uso de satélites de comunicaciones.
„
La Órbita de Clarke cumple con las siguiente
especificaciones:
1.- Directamente arriba del ecuador.
2.- Misma dirección y velocidad que la Tierra.
3.- Altitud de 35,768 Km.
4.- Una revolución cada 24 horas.
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Tres satélites en órbita de Clarke, a 120° de longitud uno
de otro, proporcionan comunicaciones en todo el globo
terrestre, excepto los polos.
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Ventajas
(+) Los satélites GEO permanecen casi estacionarios
con respecto a una estación terrestre, por lo tanto, no
se necesita costoso equipo de rastreo.
(+) Los satélites GEO están disponibles para todas las
estaciones dentro de su sombra el 100% del tiempo.
(+) No hay necesidad de conmutar de un satélite GEO
a otro porque pasen por su respectiva órbita.
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„
Satélites Geoestacionarios (geosíncronos)
„
Desventajas
(+) Los satélites GEO requieren a bordo dispositivos
complicados y pesados de propulsión para mantener
su órbita.
(+) Los satélites GEO están a gran altura e introducen
retardos de propagación mayores. (400 a 500ms)
(+) Los satélites GEO requieren mayor potencia de tx y
receptores más sensibles, por la distancia mayor.
(+) Se requieren artificios espaciales de gran precisión
para poner en órbita un satélite GEO, y para
mantenerlo en ella.
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„
Angulos Visuales de una Antena
„
Para optimizar el funcionamiento de un sistemas de
comunicación satelital, la dirección de una antena de
estación terrestre (la mira) se debe apuntar directamente
al satélite.
„
Para lo anterior se deben determinar dos ángulos:
Ángulo de Elevación.
„ Ángulo de Azimut.
(Angulos Visuales de la antena)
„
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„
NOTA: En el caso de los satélites GEO, los ángulos
visuales de las antenas terrestres solo se deben ajustar
una vez.
„
La ubicación de un satélite se suele especificar en
terminos de latitud y longitud, en forma similar a como
se ubica un punto sobre la Tierra.
„
Ya que un satelite debido a su altitud no cuenta con
latitud ni longitud, por tanto, su lugar se identifica con un
punto sobre la superficie de la Tierra directamente bajo
el satélite. Dicho punto es llamado: Punto Subsatelital
(SSP, subsatellite point)
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„
Coordenadas Terrestres
„
Coordenadas Normales de latitud y longitud:
„
La convención normal de ángulos de longitud
especifica entre 0° y 180° al este o al oeste del
meridiano de Greenwich.
„
Las latitudes del Hemisferio Norte son ángulos de 0° a
90° N, y las del Hemisferio Sur son de 0° a 90° S.
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„
Ángulo de Elevación
„
Es el ángulo vertical que se forma entre la dirección de
movimiento de una onda electromagnética irradiada por
una antena de estación terrestre que apunta
directamente hacia un satélite, y el plano horizontal.
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„
Ángulo de Elevación
„
Mientra menor es el ángulo de elvación, la distancia que
debe recorrer una onda propagada a travéz de la
atmósfera terrestre es mayor.
„
Como en el caso de cualquier onda propagada por la
atmósfera, sufre absorción, y también se puede
contaminar mucho con ruido.
„
Se considera que 5° es el angulo de elevación mínimo
aceptable.
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Atenuación por absorción atmosférica en la banda de 6/4 Ghz.
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„
Ángulo de Azimut
„
Es la distancia angular horizontal a una dirección de
referencia, que puede ser el punto sur o norte del
horizonte.
Es el ángulo horizontal de apuntamiento de una antena
de estación terrestre.
„
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„
Ángulo de Azimut
„
En navegación, el azimut se suele medir en referencia al
norte (0°). Sin embargo, para las estaciones terrestres
del Hemisferio Norte con satélites GEO la referencia es
el sur (180°).
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„
Determinar Ángulos Visuales para un satélite GEO
„
Los ángulos de elevación y azimut dependen de la
latitud y longitud de la estación terrestre, y del satélite.
1.- Determinar la localización exacta de la estación
terrestre.
2.- Determinar la longitud del satélite de interés.
3.- Calcular la diferencia, en grados (∆L), entre la longitud
del satélite y la de la estación terrestre.
4.- Determinar ángulo de azimut y elevación por medio de
las figuras 18-12 y 18-13.
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Satélites en órbitas geosíncronas GEO. (°O)
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„
Determinar Ángulos Visuales para un satélite GEO
Ejemplo:
Estación: Houston, TX. (95° O, 29°N)
Satélite: Satcom I (135°O)
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