Radioenlaces Sistemas satelitales Universidad Industrial de Santander Escuela de ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones Especialización en Telecomunicaciones Daniel Alexander Velazco Capacho. PhD davcing@gmail.com 2016

Sistemas satelitales Introducción Satélites orbitales Satélites Geoestacionarios Patrones orbitales Ángulos de vista Estructura, espaciamiento y asignación de frecuencias Huellas Modelos del enlace Ecuación del enlace

Introducción Un satélite es un repetidor de radio puesto en el espacio (transponder). Un sistema de satélite consta de un transponder, una estación base en la tierra, para controlar su funcionamiento y una red de usuario de estaciones terrestres, para la transmisión y recepción de tráfico. Algunas aplicaciones de las radiocomunicaciones espaciales son: Servicios fijos satelitales Servicios móviles satelitales (marítimos, aeronáuticos y terrestres) Servicios satelitales de radiodifusión. Servicios satelitales de exploración de la tierra Servicio de investigación espacial Servicios de operación espacial Servicio de radio determinación satelital Servicios inter-satélites Servicios de aficionados satelitales

Satélites orbitales También llamados no síncronos, giran alrededor de la tierra en un patrón elíptico o circular a baja altitud. Las orbitas son clasificadas como progrados y retrogradas. Progrado significa que esta girando en la misma dirección que la rotación de la tierra y a una velocidad angular superior que la de la tierra. Retrogrado indica que esta girando en la dirección opuesta a la de la tierra o en la misma pero con una velocidad angular menor que la de la tierra. NO requieren motores de propulsión para mantenerlos en su orbita. Algunas características son: El apogeo es alcanzado cuando esta en el hemisferio norte y el perigeo cuando esta en el sur. El tamaño de la elipse es exactamente la mitad de un día sideral

Satélites Geoestacionarios Llamados también geo síncronos giran en un patrón circular con una velocidad angular igual a la de la tierra, permaneciendo en una posición fija respecto a un punto especifico de la tierra. Por lo tanto están disponibles para todas las estaciones dentro de una sombra. El tiempo de orbita es de 24 horas.

Patrones orbitales Un satélite en órbita gracias a que la fuerza centrífuga producida por su rotación alrededor de la tierra es contrarrestada por la atracción gravitacional de la tierra. Entre más cerca gire de la tierra, mayor será la atracción gravitacional y mayor será la velocidad requerida para mantenerlo alejado de la tierra. Órbita Terrestre Baja (LEO: Low Earth Orbit), con alturas constantes e iguales a unos cuantos cientos de kilómetros, orbitas circulares, viajan aproximadamente a 28.200 Km/h, a esta velocidad se requiere aproximadamente de una hora o hora y media para girar alrededor de la tierra, inclinaciones de aproximadamente 90°, funcionando en bandas de frecuencia entre los 1 y 2.5 GHz. Órbita Terrestre Media (MEO: Medium Earth Orbit), con alturas que se encuentran alrededor de los 10.000 Km e inclinaciones de aproximadamente 50° (en orbitas circulares). También son llamadas Orbitas Circulares Intermedias y cuyos periodos se encuentran en alrededor de 6 horas, por tanto, permanecen a la vista de una estación terrestre específica aproximadamente 2 hora. Una de las características que hace a esta orbita particularmente atractiva es que con sólo 15 satélites se puede tener una cobertura global y ofrecer servicios de tiempo real. Sus bandas de frecuencia se encuentran entre los 1.2 y 1.66GHz.

Patrones orbitales Órbita Terrestre Geosíncrona (GEO: Geosynchronous Earth Orbit), es la órbita circular con cero grados de inclinación más popular, cuyas bandas de frecuencia pueden oscilar entre los 2 y 18GHz, siendo las bandas C y Ku del espectro electromagnético las mas popularmente utilizadas. Su altura se encuentra alrededor de los 35.768 Km (unas 22.300 millas sobre el plano ecuatorial) en cuya posición los satélites alcanzan una velocidad angular igual a la de la tierra y en la misma dirección, permaneciendo relativamente estacionarios con respecto a un punto sobre el globo (en un periodo orbital de 24 horas que garantiza el geosincronismo) permitiéndoles cubrir alrededor del 43% de la superficie de la tierra. Órbita Inclinada y Altamente Elíptica (HEO: Highly Inclined Orbit), que a diferencia de las anteriores presentan alturas diferentes alrededor de su trayectoria, permitiendo cubrir regiones de gran latitud (Como Canadá y Rusia) durante largos periodos de tiempo al aprovechar su paso por el apogeo. Estas órbitas tienen la ventaja de ser estables con respecto a las irregularidades de campo gravitacional terrestre gracias a su inclinación (de alrededor de 64°).

Patrones orbitales

Ángulos de vista Para orientar una antena desde una estación terrestre hacia un satélite, es necesario conocer el ángulo de elevación y el azimut (ambos se conocen como ángulos de vista). Dependen de la latitud y longitud de la estación terrena y la latitud y longitud del satélite en órbita. El ángulo de elevación es el ángulo de inclinación de la antena terrestre con respecto a la tierra (la horizontal). A: Latitud de la estación terrena (positiva para el hemisferio norte y negativo para el hemisferio sur) B: Longitud oeste del satélite menos longitud oeste de la estación terrestre m=6.61 (relación entre el radio desde el centro de la tierra hasta la orbita geoestacionaria y el radio terrestre ecuatorial.

Ángulos de vista El azimut se define como el ángulo de apuntamiento horizontal de una antena. Normalmente, se mide según las manecillas del reloj en grados (0º…360º) desde el norte verdadero. Para un satélite geosíncrono, en una órbita ecuatorial (latitud = 0º), el azimut puede ser calculado mediante la siguiente ecuación: Az = azimut (grados) A = latitud de la estación terrena (positiva para hemisferio norte y negativa para hemisferio sur) B = longitud oeste del satélite menos longitud oeste de la estación terrena “El término 180º se borra para estaciones terrenas ubicadas en el hemisferio sur”.

Estructura del satélite, espaciamiento y frecuencias Cada satélite esta compuesto por un subsistema de antenas, encargadas de direccionar el haz de radiación de manera puntual, zonal, o en un hemisferio. Los transponder reciben señales, las amplifican, traslada su frecuencia y las retransmite a la tierra. La longitud del en el arco geoestacionario a unos 35900Km arriba del ecuador. La posición depende de la banda de frecuencia utilizada. Se requiere de 3 a 6 grados de separación espacial dependiendo de la frecuencia de la portadora, el ancho del haz, la técnica de codificación o de modulación, los limites aceptables de interferencia y la potencia de la portadora. Las frecuencias más comunes usadas son las bandas 6/4 y 14/12 GHz. El primer número es la frecuencia de subida (uplink) de la estación terrestre al satélite y el segundo es la frecuencia de bajada (downlink) del satélite a la estación terrestre.

Huellas (patrones de radiación) El área de la tierra cubierta por un satélite depende de la ubicación del satélite en su orbita geo síncrona, su frecuencia de portadora y la ganancia de sus antenas. Cada satélite radia de forma particular su PIRE sobre la superficie terrestre. La forma de estas radiaciones y su nivel según los contornos se conoce comúnmente como huellas. Las variaciones a las que están sujetas las formas de estas son: Localización del satélite Frecuencia de la portadora Ganancia de la antena Trayectoria Altura Tipo de antena

Modelos de enlace Un sistema satelital consiste de tres secciones: una subida (uplink), un transponder satelital y una bajada (downlink) Modelo de subida: Consta de los siguiente elementos: Modulador Filtro de pasa banda Mezclador Segundo filtro pasa banda Amplificador de alta potencia Antena

Modelos de enlace Transponder: Encargado de realizar el cambio de señal del canal de subida al de bajada. Se utiliza para amplificar y trasladar la frecuencia de la señal de información que funciona en frecuencias diferentes.

Modelos de enlace Modelo de bajada: Dependiendo del sistema que se este utilizando se requiere que la señal recibida del transponder se decodifique y demodule. Un ejemplo del modelo es el siguiente:

Modelos de enlace El rendimiento de un sistema satelital es predecible. Se deben tener en cuenta las ganancias y pérdidas que pueden afectar el rendimiento del sistema. • HPA: amplificador de alta potencia. • Pt: potencia de salida del HPA. • Lbo: pérdida por respaldo. • Lf: pérdida del alimentador. • Lb: pérdida de ramificación. • At: ganancia de la antena transmisora. • Pr: potencia total radiada = Pt-Lbo-Lb-Lf. • EIRP: potencia radiada isotrópica efectiva = PrAt. • Lu: pérdidas de subida adicionales debido a la atmósfera. • Lp: pérdidas de trayectoria. • Ar: ganancia de la antena receptora. • G/Te: relación de ganancia a ruido equivalente. • Ld: pérdidas de bajada adicionales debido a la atmósfera. • LNA: amplificador de bajo ruido. • C/Te: relación de portadora a ruido equivalente. • C/No: relación de la densidad de portadora a ruido. • Eb/No: relación de la energía de bit a ruido. • C/N: relación de portadora a ruido