Un típico transponer satelital consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un translador de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida.
La Figura 2 muestra un diagrama a bloques simplificado de un transponder satelital. 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 utilizados en los repetidores de microondas.
En la Figura 2, el BPF de entrada limita el ruido total aplicado a la entrada del LNA (un dispositivo normalmente utilizado como LNA, es un diodo túnel).
La salida del LNA alimenta un translador de frecuencia (un oscilador de desplazamiento y un BPF), que se encarga de convertir la frecuencia de subida de banda alta a una frecuencia de bajada de banda baja.
El amplificador de potencia de bajo nivel, que es comúnmente un tubo de ondas progresivas (TWT), amplifica la señal de RF para su posterior transmisión por medio de la bajada a los receptores de la estación terrena.
También pueden utilizarse amplificadores de estado sólido (SSP), los cuales en la actualidad, permiten obtener un mejor nivel de linealidad que los TWT.
La potencia que pueden generar los SSP, tiene un máximo de alrededor de los 50 Watts, mientras que los TWT pueden alcanzar potencias del orden de los 200 Watts.
Figura 2. Transponder del satélite.
Modelo de bajada
Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. La Figura 3 muestra un diagrama a bloques de un receptor de estación terrena típico. 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 parametrico. El convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezcador/pasa-bandas que convierte la señal de RF a una frecuencia de IF.
Figura 3. Modelo de bajada del satélite.
Satélites orbitales
Los satélites no sincronos o también llamados orbitales, giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite esta girando en la misma dirección que la rotación de la Tierra y a una velocidad angula 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.
De esta manera, los satélites no sincronos esta alejándose continuamente o cayendo a tierra y no permanecen estacionarios en relación a ningún punto en particular de la Tierra. Por lo tanto los satélites no sincronos se tiene 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 equipo complicado y costoso para rastreo en las estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe localizar el satélite conforme esta disponible en cada órbita y después unir sus antenas 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.
Otros parámetros característicos de los satélites orbitales, son el apogeo y perigeo. El apogeo es la distancia más lejana, de la Tierra, que un satélite orbital alcanza, el perigeo es la distancia mínima; la línea colateral, es la línea que une al perigeo con el apogeo, en el centro de la Tierra.
En la Figura 4 se observa la órbita del satélite Soviético Molniya la cual es altamente elíptica, con un apogeo de aproximadamente 40000 km y un perigeo de aproximadamente 1000 km.
Figura 4. Orbita del satélite Soviético Molniya.
Satélites geoestacionarios
Los satélites geoestacionarios o geosincronos son satélites que giran en un patrón circular, con una velocidad angular igual a la de la Tierra. Por lo tanto permanecen en una posición fija con respecto a un punto especifico en la Tierra. Una ventaja obvia es que están disponibles para todas las estaciones de la Tierra, dentro de su sombra, el 100% de las veces. La sombra de un satélite incluye a todas las estaciones de la Tierra que tienen un camino visible a el y están dentro del patrón de radiación de las antenas del satélite. Una desventaja obvia es que a bordo, requieren de dispositivos de propulsión sofisticados y pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de órbita de un satélite geoesincrono es de 24 h, igual que la Tierra.
Parámetros típicos de la órbita geoestacionaria.
Es posible calcular algunos parámetros típicos de la órbita geoestacionaria, tales como la altura del satélite, o la velocidad del mismo, partiendo de las leyes básicas de la Física.
Como es sabido un satélite geoestacionario tiene un periodo de rotación igual al de la Tierra, por lo tanto deberemos saber con exactitud dicho periodo de rotación. Para ello se considera el dia sidereo, que es el tiempo de rotación de la Tierra medido con respecto a una estrella lejana y que difiere del dia solar o medido con respecto al sol.
La duración de este dia sidereo es de 23h 56 min. 4.1seg, y es el tiempo que usaremos en nuestros cálculos.
Si hiciésemos la consideración de que la Tierra fuese realmente esférica y con una densidad uniforme, su masa equivalente podría considerarse como puntual y su fuerza de atracción sobre un satélite de masa m, respondería a la ley de gravitación universal de Newton, esta fuerza puede expresarse como:
(1)
Donde:
M: Es la masa de la Tierra, 5.98×1024 kg.
G: Es la constante de gravitación universal, 6.67×10-11 N.m2/kg2.
r : Distancia desde el satélite al centro de la Tierra.
m: Masa del satélite.
Además dado que el satélite se encuentra en una órbita circular, existirá una fuerza centrifuga Fc debida a su movimiento alrededor de la Tierra, de igual magnitud pero opuesta a la fuerza Fg, en consecuencia el satélite se encuentra en una situación de equilibrio.
(2)
Figura 5. Fuerzas sobre el Satélite. De la ecuación (2) podemos despejar la velocidad del satélite
(3)
El periodo de rotación T, del satélite es:
(4)
Reemplazando (3) en (4) y despejando el radio r, nos queda:
(5)
Como un satélite geoestacionario tiene un periodo de rotación T igual al de la Tierra, dicho periodo será entonces, la duración de un dia sidereo (23h 56min 4.1seg).
Por lo tanto de la expresión (5) podemos obtener la distancia del satélite al centro de la Tierra, y si a este valor le restamos el radio terrestre R=6370 km, obtendremos la altura de la órbita geoestacionaria. Por ultimo de la expresión (3) se obtiene la velocidad del satélite.
Todos estos parámetros se han resumido en la siguiente tabla:
| Parámetros de la órbita geoestacionaria | |
Radio medio de la Tierra. | 6370 km. |
Periodo de rotación (Tierra y satélite). | 23h 56min 4.1seg |
Radio de la órbita geoestacionaria. | 42173 km |
Altura del satélite sobre la Tierra. | 35803 km |
Velocidad del satélite. | 3.075 km/seg. |
Patrones orbitales
Una vez lanzado, un satélite permanece en órbita debido a que la fuerza centrifuga, causada por su rotación alrededor de la Tierra, es contrabalanceada por la atracción gravitacional de la Tierra. Entre mas cerca gire de la Tierra el satélite, más grande es la atracción gravitacional y mayor será la velocidad requerida para mantenerlo alejado de la Tierra. Los satélites de baja altitud tienen órbitas cercanas a la Tierra (160 a 480 km de altura), viajan aproximadamente a 28160 km por hora. A esta velocidad, se requiere aproximadamente de 1 1/2 h para girar alrededor de toda la Tierra. Consecuentemente el tiempo que el satélite esta visible en una estación terrestre en particular, es solamente 1/4 h o menos por órbita. Los satélites de altitud media (9600 a 19300 km de altura), tienen un periodo de rotación de 5 a12 h y permanecen a la vista de una estación terrestre especifica de 2 a 4 h por órbita. Los satélites geosincronos de alta altitud (30570 a 40200 km. de altura), viajan aproximadamente a 11070 km por hora y tiene un periodo de rotación de 24 h, exactamente el mismo que la Tierra. De esta manera, permanecen en una posición fija, con respecto a una estación de la Tierra especifica y tienen un tiempo de disponibilidad de 24 h.
La Figura 6 muestra los tres trayectos que un satélite puede tomar, conforme gira alrededor de la Tierra. Cuando el satélite gira en una órbita arriba del ecuador, se llama órbita ecuatorial. Cuando el satélite gira en una órbita que lo lleva arriba de los polos norte y sur, se llama órbita polar. Cualquier otro trayecto orbital se llama órbita inclinada. Un nodo ascendente, es el punto en donde la órbita cruza el plano ecuatorial de sur a norte; un nodo descendente, es el punto donde la órbita cruza el plano ecuatorial de norte a sur. La línea que une a los nodos ascendentes y descendentes por el centro de la Tierra, se llama línea de nodos.
Figura 6. Orbitas del satélite.
Como primera medida para describir el paso de un satélite en órbita, deberemos designar un punto de observación o un punto de referencia. Este punto podrá tratarse de un lugar distante, tal como una estrella, o un punto en la superficie de la tierra, o también el centro de la Tierra, que a su vez el centro de gravedad del cuerpo principal.
En caso de tomar como lugar de observación un punto en la superficie de la Tierra, deberemos estar en condiciones de localizar dicho punto mediante algún método.
Este método de localización es a través de un grillado imaginario denominado meridianos. Estas líneas conforman un cuadriculado sobre la superficie de la Tierra. Las líneas verticales se denominan Longitud y las líneas horizontales se denominan Latitud.
Las líneas de Longitud se extienden desde el Polo Norte al Polo Sur, es decir que son círculos iguales al contorno de la Tierra que se interceptan en los polos. Se ha definido por convención, como primer meridiano o Longitud cero grados, al meridiano que pasa por la ciudad de Greenwich, tomando el nombre de dicha ciudad.
En total son 360 líneas, lo que equivale a 18 círculos completos. De esta manera se componen los 360 grados de Longitud, partiendo desde la línea de Longitud 00 hacia el Este.
Las líneas de Latitud están conformadas por 180 círculos paralelos y horizontales, siendo el circulo mayor el ubicado en la línea del Ecuador denominada Latitud cero grados.
De esta forman existen 900 hacia el hemisferio Norte, denominados Latitud Positiva y 900 hacia el hemisferio Sur, denominados Latitud Negativa.
Por lo tanto mediante la intersección de las coordenadas de Latitud y Longitud podremos localizar un punto que este sobre la superficie de la Tierra.
En cuanto a un satélite, este se encuentra en el espacio, y su posición puede ser estimada con una Latitud, una Longitud y una altura. Dicha altura estará referida a un punto sobre la Tierra que es la intersección de la recta que une al satélite con el centro de la Tierra y la superficie terrestre.
Figura 7. Líneas de Latitud y Longitud
Para orientar una antena desde una estación terrena hacia un satélite, es necesario conocer el ángulo de elevación y azimut (ver Figura 8). Estos se llaman ángulos de vista.
Angulo de elevación
El ángulo de elevación es el ángulo formado entre la dirección de viaje de una onda radiada desde una antena de estación terrena y la horizontal, o el ángulo de la antena de la estación terrena entre el satélite y la horizontal. Entre más pequeño sea el ángulo de elevación, mayor será la distancia que una onda propagada debe pasar por la atmósfera de la Tierra. Como cualquier onda propagada a través de la atmósfera de la Tierra, sufre absorción y, también, puede contaminarse severamente por el ruido. De esta forma, si el ángulo de elevación es demasiado pequeño y la distancia de la onda que esta dentro de la atmósfera de la Tierra es demasiado larga, la onda puede deteriorarse hasta el grado que proporcione una transmisión inadecuada. Generalmente, 5º es considerado como el mínimo ángulo de elevación aceptable.
La Figura 9 muestra como el ángulo de elevación afecta la intensidad de la señal de una onda propagada debido a la absorción atmosférica normal, absorción debida a neblina pesada, y absorción debida a fuerte lluvia. Puede observarse que la banda de 14/12 GHz (Figura 9b) es, severamente mas afectada que la banda de 6/4 GHz (Figura 9a). Esto se debe a las longitudes de onda más pequeñas asociadas con las frecuencias más altas. Además, en ángulos de elevación menores que 5º, la atenuación se incrementa rápidamente.
Figura 8. Angulos de vista (Azimut y ángulo de elevación).
Figura 9. Atenuación debida a la absorción atmosférica: (a) banda de 6/4 GHz; (b) banda 14/12 GHz.
Azimut
Azimut se define como el ángulo de apuntamiento horizontal de una antena. Se toma como referencia el Norte como cero grados, y si continuamos
girando en el sentido de las agujas del reloj, hacia el Este, llegaremos a los 900 de Azimut.
Hacia el Sur tendremos los 1800 de Azimut, hacia el Oeste los 2700 y por ultimo llegaremos al punto inicial donde los 3600 coinciden con los 00 del Norte.
El ángulo de elevación y el azimut, dependen ambos, de la latitud de la
estación terrena, así como el satélite en órbita.
Para un satélite geosincrono, en una órbita ecuatorial, el procedimiento es el siguiente: de un buen mapa se determina la latitud y longitud de la estación terrestre, luego conociendo la longitud del satélite en interés, se calcula la diferencia ((L), entre la longitud del satélite y la longitud de la estación terrena. Entonces, de la Figura 10 determinamos el azimut y ángulo de elevación para la antena (ingresando al gráfico con la diferencia (L, y con la latitud de la estación terrena).
Figura 10. Azimut y ángulo de elevación para las estaciones terrenas situadas en el hemisferio norte (referidas a 180º).
CLASIFICACIONES DE LOS SATELITES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIONES DE FRECUENCIA
Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites spinners, 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. La Figura 11 muestra las dos clasificaciones principales de los satélites de comunicación.
Figura 11. Clases de satélites: (a) hilador; (b) tres ejes estabilizado.
Los satélites geosincronos deben compartir un espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un arco especifico en una órbita geoestacionaria. A cada satélite de comunicación se asigna una longitud en el arco geoestacionario, aproximadamente a 36000 km, arriba del ecuador. La posición en la ranura depende de la banda de frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites trabajando, en o casi la misma frecuencia, deben estar lo suficientemente separados en el espacio para evitar interferir uno con otro (Figura 12). Hay un limite realista del numero de estructuras satelitales que pueden estar estacionadas, en un área especifica del espacio. La separación espacial requerida depende de las siguientes variables:
1) Ancho de haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas del satélite.
2) Frecuencia de la portadora de RF.
3) Técnica de codificación o de modulación usada.
4) Limites aceptables de interferencia.
5) Potencia de la portadora de transmisión.
Generalmente se requieren 3 a 6º de separación espacial dependiendo de las variables establecidas anteriormente.
Figura 12. Separación espacial de satélites en una órbita geosincrona.
Las frecuencias de portadora, más comunes, usadas para las comunicaciones por satélite, son las bandas 6/4 y 14/12 GHz. El primer numero es la frecuencia de subida (ascendente, estación terrena a transponder) y el segundo numero es la frecuencia de bajada(descendente, transponder a estación terrena). Entre mas alta sea la frecuencia de la portadora, más pequeño es el diámetro requerido de la antena para una ganancia especifica. La mayoría de los satélites domésticos utilizan la banda de 6/4 GHZ, esta banda también se usa extensamente para los sistemas de microondas terrestres, por lo que se debe tener cuidado cuando se diseña una red satelital para evitar interferencias con los enlaces de microondas establecidas.
Ciertas posiciones en la órbita geosincrona tienen mas demanda que otras. Por ejemplo, la posición Atlantico-medio que es usada para interconectar Estados Unidos y Europa es de alta demanda. La posición de Pacifico-medio es otra.
Las frecuencias distribuidas por WARC (Conferencia de Radio Administrativa Mundial), se resumen en la Figura 13
Figura 13. Asignaciones de frecuencia satelitales dadas por la WARC.
El primer tema desarrollado en este trabajo son los Modelos de enlace del Sistema Satelital; en cuanto a esto podemos decir que tanto en el Enlace ascendente como en el Enlace descendente las perdidas que sufren las ondas radiadas, que son proporcionales a la inversa del cuadrado de la distancia, son muy grandes (alrededor de 200 dB en cada trayecto), además en las frecuencias que están por encima de los 10 GHz se añaden las perdidas provocadas por la lluvia. En el enlace ascendente, es posible colocar en las estaciones terrenas transmisores con mucha potencia, y antenas de gran tamaño para tener una mayor ganancia, todo esto, aunque es posible resulta en un incremento de los costos. Pero la situación se complica mucho mas en el Enlace descendente, ya que la potencia del transmisor esta limitada por la energía que pueda generar el satélite, la cual no es mucha, también, el tamaño de la antena esta limitado por la zona de servicio que deba cubrirse y además por el costo que implicaría transportarla. Esto hace que las señales recibidas de los satélites, en la Tierra, sean extremadamente débiles, es por ello que se le debe dar fundamental importancia a la ganancia de la antena, la eficiencia del transmisor, la figura de ruido del receptor y el tipo de modulación y técnica de acceso.
Cuando se analizo el transponder del satélite vimos que este consistía básicamente de un amplificador de bajo ruido (LNA), un convertidor o traslator de frecuencia y por ultimo un amplificador de potencia. El inconveniente con el transponder surge cuando se utiliza la técnica de Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA), donde es usual que existan numerosas portadoras por transponder, lo cual si bien mejora la conectividad y el acceso múltiple, por otro lado tiene el inconveniente de que genera ruido de intermodulacion en el amplificador del transponder, lo que obliga a que este trabaje en condiciones de bajo rendimiento de potencia (debe trabajar en una zona lineal). Con el Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), en cada instante solo esta presente una portadora, por lo que no existen problemas de intermodulacion y se puede hacer trabajar al amplificador del transponder en saturación, obteniéndose un máximo de rendimiento. El inconveniente de esta técnica de acceso es que requiere una temporizacion estricta y una gran capacidad de almacenamiento y procesamiento de la señal.
Otro elemento critico son los amplificadores de bajo ruido (LNA) presentes tanto en el satélite (para el enlace ascendente) como en las estaciones terrenas (para el enlace descendente). La importancia de los mismos, radica en el hecho de que debido a las grandes distancias, las señales recibidas son muy débiles, por lo tanto es necesario que el primer elemento que entra en contacto con dichas señales posea un ruido interno mucho menor que la señal recibida para que no se degrade la calidad. En consecuencia, debido a las potencias extremadamente pequeñas de las señales recibidas, normalmente un LNA esta físicamente situado en el punto de alimentación de la antena.
Otro de los temas desarrollados son las Orbitas de los Satélites, de acuerdo a ellas, teníamos los satélites orbitales o no sincronos que giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud, y los satélites geoestacionarios o geosincronos que giran alrededor de la Tierra con un patrón circular, y una velocidad angular igual a la de la Tierra.
Los satélites geoestacionarios tienen la ventaja de permanecen fijos con respecto a un punto especifico de la Tierra, por lo tanto para comunicarse con ellos las antenas de las estaciones terrestres estarán estáticas, porque no necesitan seguir al satélite, en consecuencia podrán ser sencillas y económicas.
Otras de las ventajas en el caso de los satélites geoestacionarios de alta altitud es que pueden cubrir un área de la Tierra mucho mayor que sus contrapartes orbitales de baja altitud, sin embargo estas altitudes superiores introducen tiempos de retardo de propagacion más largos y además se requieren mayores potencias de transmisión como así también receptores más sensibles.
Cabe destacar que la tendencia en la evolución de los satélites de telecomunicaciones es hacia el uso de terminales de recepción pequeños y de bajo costo para poder permitir el acceso al sistema de una mayor cantidad de usuarios. Estos requerimientos se pueden llevar adelante mediante el uso de Técnicas de Procesamiento de Señales que permitan la codificación y control de errores de los datos enviados por los usuarios, también mediante el empleo de antenas multihaz, con haces spot de gran ganancia.
Estas técnicas son usadas en los sistemas globales de comunicaciones por satélite, tales como el Iridium o el Globalstar, donde se ha preferido la utilización de conjuntos de satélites en órbitas bajas, en lugar de emplear satélites en órbitas geoestacionarias.
Sistemas de Comunicaciones Electrónicas.
Wayme Tomasi.
Segunda Edición.
Paginas de Internet.
Apuntes de clase.
Autor:
Luis Antonio Virues
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