Maestría en Ingeniería Electrónica REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Maestría en Ingeniería Electrónica Sistemas de Información Satelitales Marzo 2014

Bases Teóricas de Comunicaciones por Satélite TEMA I Bases Teóricas de Comunicaciones por Satélite Facilitador: MsC. Charlo González

Sumario Comunicaciones de grandes distancias. Comunicación vía satélite. Reseña de las comunicaciones por satélite. Tipos de satélites. Leyes de Kepler. Clasificación orbital de los satélites. Ventajas de algunas orbitas. Comparación de parámetros en tipos de orbitas.

Limitaciones de los Sistemas de Comunicaciones Tradicionales Sistema de Radios de Dos Vías Sistema de Transmisión Por Fibra Óptica Sistema Telefónicos Sistema de Grabación de Voz Sistema de Televisión de Señal libre Sistema de Comunicación Digitales Sistemas de Radar Comunicaciones en Banda Base Sistema Radio Difusión AM Y FM ¿Qué limitaciones cree que tienen los sistemas de comunicaciones que usted conoce?

Limitaciones de los Sistemas de Comunicaciones Tradicionales Las comunicaciones a grandes distancias vía cables (cobre o fibra óptica), sistemas de microondas, o Radio de HF, tienen fuertes limitantes técnicas y económicas para su implementación.

Limitaciones de los Sistemas de Comunicaciones Tradicionales Es innegable que existe la necesidad de comunicación a grandes distancias, entre países, continentes o áreas geográficas muy extensas. Surge una interrogante … ¿Que estrategia se puede emplear para resolver éste requerimiento? ?

Analizaremos esta alternativa durante el desarrollo del curso….. Una alternativa: Comunicación vía Satélite Analizaremos esta alternativa durante el desarrollo del curso…..

Una alternativa: Comunicación vía Satélite ESTRATEGIA: Las señales emitidas al espacio por una antena ascendente, son recibidas, procesadas electrónicamente, reemitidas a tierra por una antena descendente, y captadas por una estación terrestre ubicada dentro de la "pisada" del satélite. Los conceptos en los que se fundamenta la transmisión por satélite se enunciaron en Octubre de 1945 por Arthur C. Clarke, en un artículo de avanzada en la revista Wireless World.

Una alternativa: Comunicación vía Satélite Un satélite es un repetidor de radio en el cielo (transponder). Un sistema de satélite consiste de un transponder, una estación para su control en tierra y una red de usuarios de las estaciones terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y recepción de tráfico de comunicaciones a través del sistema de satélite.

Una alternativa: Comunicación vía Satélite La señal es enviada desde la estación terrena hasta el satélite. El Satélite procesa la señal recibida (filtrado, traslado en frecuencia, amplificación) y luego la envía hasta tierra nuevamente, hacia un área que puede ser muy distante del área geográfica origen o hasta zonas geográficas dentro del mismo país. Las comunicaciones vía satélite posibilitan la comunicación entre dos lugares remotos del planeta. Pueden o no tener línea de vista entre sí.

Una alternativa: Comunicación vía Satélite CDMA Las potencialidades de las comunicaciones por satélite son muchas, y cada día se amplían más al tener sistemas más rápidos y posibilidad de alta capacidad de procesamiento digital.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE La primera idea de utilizar satélites artificiales ubicados en órbitas estacionarias se debe a Arthur Clarke, en el año 1945. Clarke planteaba la posibilidad de retransmitir información por dichos satélites hacia otros sitios de la tierra, a donde por otros medios sería imposible llegar, en forma permanente, confiable y claro. Posteriormente J. R. Pierce describió los satélites pasivos y activos para la transmisión de señales. Las comunicaciones por satélite dieron un gran paso el 4 de Octubre de 1957 con el lanzamiento del satélite SPUTNIK I por la URSS. Más tarde, el 1 de Enero de 1958, EEUU lanza el satélite EXPLORER I.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE En 1959 se lanzó el PIONER I, que permitió recibir datos de la luna. En ese mismo año, los norteamericanos colocaron en órbita el primer satélite de comunicaciones. Fue el SCORE. Se utilizó para la retransmisión de mensajes hasta 5.000 Km de distancia, y difundió al mundo un mensaje de navidad grabado en cinta magnética por el presidente Eisenhower de los Estados Unidos. El primero de abril de 1960, los Estados Unidos lanzaron el TIROS I, satélite meteorológico que transmitió gran cantidad de fotografías.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE El 12 de Agosto de 1960, el proyecto ECHO dió por resultado el lanzamiento de un globo metalizado de 30 metros de diámetro, con un período orbital de aproximadamente dos horas. Este reflector pasivo podía retransmitir señales desde un punto a otro, solamente cuando se encontraba en línea vista común. En 1961 el RANGER I hizo sondeos en el espacio lejano. El 10 de julio 1962 el satélite TELSTAR I repetidor activo, es puesto en órbita para realizar la primera transmisión de televisión internacional en vivo y directo, telefonía y telefotografías por microondas. El 18 de septiembre de 1962 fue lanzado el TIROS VI, satélite meteorológico que llevaba dos cámaras de televisión.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE El 1 de noviembre de 1962 la Unión Soviética lanzó la estación interplanetaria MARS I en dirección a Marte. El 13 de diciembre de 1962 se lanzó el satélite RELAY I, semejante en los principios fundamentales del Telstar. Se utilizó para transmisiones de televisión entre Europa, Sudamérica, Japón y EE.UU. El SYNCOM I fue lanzado a órbita el 14 de Febrero de 1963, pero por fallas técnicas no alcanzó la órbita. Sin embargo el 26 de Julio de 1963, cinco meses más tarde, fue lanzado y puesto en órbita casi sincrónica, el satélite SYNCOM II.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE El 7 de mayo de 1963 se lanzó el satélite TELSTAR II. Funcionó satisfactoriamente hasta el 16 de julio de 1963, en que una avería no identificada interrumpió su funcionamiento. Volvió a funcionar el 12 de agosto de ese mismo año. Realizó experimentos sobre radiaciones y daños producidos por partículas. El 21 de diciembre de 1963 se lanzó al espacio el TIROS VIII, que realizó diversas observaciones meteorológicas. El 25 de enero de 1964 se lanzó el ECHO II. Con él se realizaron experimentos científicos participando EE.UU., Gran Bretaña y la Unión Soviética.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE El 19 de Agosto de 1963 es lanzado el SYNCOM III, el cual ocupa una órbita geoestacionaria, lo cual permitió transmitir con éxito total las XVIII Olimpiadas de Tokio hacia Norteamérica. Ese mismo año se lanzó el RELAY II, que contribuyó a aumentar la capacidad de los canales de transmisión de datos. En 1965 la Unión Soviética lanzó los satélites de la serie MOLNYA para transmisión de señales telegráficas, telefónica y de televisión en color. También permitieron tomar datos meteorológicos. El INTELSAT I ( anteriormente EARLY BIRD), lanzado a órbita el 28 de junio de 1965, demostró la viabilidad de un sistema de satélites geo-estacionarios con fines comerciales.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE INTELSAT ( International Telecomunications Satellites). En octubre de 1966 se iniciaron los lanzamientos de los INTELSAT II. El primero no entró en órbita por un fallo en el motor de apogeo. El segundo entro en órbita sobre el océano pacífico, el tercero lo hizo sobre el Atlántico y el cuarto también sobre el Pacífico. Se proyectaron con una capacidad de 240 canales. En 1968 comenzaron los lanzamientos de los INTELSAT III. Tenían una capacidad cinco veces mayor que los anteriores. Se alimentaban con energía solar y tenían una potencia de 130 Watt cada uno, pudiendo cursar a la vez 1.200 conversaciones telefónicas bidireccionales o cuatro canales de televisión. Parte del ancho de banda de estos satélites fue asignado a televisión y el resto a telegrafía, telefonía, facsímil y datos.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE Para 1969 habían en órbita ocho satélites de la serie INTELSAT III. Durante 1971 se puso en órbita el satélite INTELSAT IV. Tuvo baterías solares que proporcionaban 500 Watt. Doce transceptores para abarcar la tierra que podian conmutar en órbita a fin de abarcar la zona geográfica deseada. En los años posteriores se han llevado a órbita un gran número de satélites con fines comerciales, con lo cual se abrió definitivamente las puertas a las comunicaciones de televisión por satélite para servicios domésticos, comunicación punto a punto, aplicaciones meteorológicas, internet, sistemas de telefonía celular satelital, sistemas de radio ayudas para la navegación marítima y aérea, sistemas de posicionamiento, entre otros.

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE En los últimos veinticinco años los satélites estacionarios han sufrido una rápida evolución en cuanto al tiempo de vida, que se ha duplicado por diez. Además, se ha avanzado considerablemente en los equipos conversores de energía. Pero delante de todos estos avances se podría mencionar el creciente aumento de la potencia de los cohetes lanzadores, que permiten la puesta en órbita de masas muy grandes. El 29 de Octubre de 2008 es puesto en orbita el primer satélite Venezolano con el apoyo de China. Se llamó “Simón Bolívar” en honor al libertador de 5 naciones americanas.

TIPOS DE SATÉLITES SATÉLITES PASIVOS: Son satélites que no agregan potencia a la señal, ni la modifican sustancialmente en sus características y solo son utilizados para que la señal “rebote en ellos”. SATÉLITES ACTIVOS: Son aquellos satélites que pueden agregar potencia a las señales recibidas, filtrarlas, amplificarlas, trasladarlas en frecuencia y luego reenviarlas hasta un área geográfica en la tierra que esté en su línea de vista.

LEYES DE KEPLER Las leyes de Kepler fueron enunciadas por Johannes Kepler para explicar el movimiento de los planetas en sus órbitas alrededor del Sol.. Primera Ley (1609): Todos los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas, estando el Sol situado en uno de los focos.

LEYES DE KEPLER Segunda Ley (1609): El radio vector que une el planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. La ley de las áreas es equivalente a la constancia del momento angular, es decir, cuando el planeta está más alejado del Sol (afelio) su velocidad es menor que cuando está más cercano al Sol (perihelio). En el afelio y en el perihelio, el momento angular L es el producto de la masa del planeta, su velocidad y su distancia al centro del Sol.

LEYES DE KEPLER Segunda Ley (1609): El radio vector que une el planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.

LEYES DE KEPLER Tercera Ley (1618): Para cualquier planeta, el cuadrado de su período orbital (tiempo que tarda en dar una vuelta alrededor del Sol) es directamente proporcional al cubo de la distancia media con el Sol. donde, P  es el período orbital, r  la distancia media del planeta al Sol y K  la constante de proporcionalidad.

CLASIFICACION ORBITAL DE LOS SATÉLITES Los satélites se pueden clasificar según: Su Distancia de la Tierra (Geoestacionaria, Geosíncrona, de Baja Altura, de Media Altura y Excéntricas). Su Plano Orbital con respecto al Ecuador (Ecuatorial, Inclinada y Polar). La Trayectoria Orbital que describen (Circular y Elíptica).

CLASIFICACION ORBITAL DE LOS SATÉLITES Y SUS USOS

¿La LUNA eclipsa los satélites? La distancia media entre la Tierra y la Luna es 384.400 kilómetros

CLASIFICACION ORBITAL DE LOS SATÉLITES Y SUS USOS Los cinturones de radiación de Van Allen son áreas de la alta atmósfera que rodean la Tierra por encima de la ionosfera, a una altura de 3.000 y de 22.000 km. respectivamente. Se sitúan sobre la zona ecuatorial, y la más externa, se prolongan prácticamente hasta la magnetopausa, límite entre el espacio terrestre y el espacio interplanetario.

Ventajas de las Orbitas Geosíncronas El satélite permanece casi estacionario, con respecto a una estación terrestre específica. Consecuentemente, no se requiere equipo costoso de rastreo en las estaciones terrestres. Las antenas se enfocan al satélite al instalarlas y se fijan para largos períodos de funcionamiento. No hay necesidad de cambiar de un satélite a otro, cuando giran por encima. Consecuentemente, no hay rupturas en la transmisión por los tiempos de conmutación.

Ventajas de las Orbitas Geosíncronas Los satélites geosíncronos de alta altitud pueden cubrir un área de la Tierra mucho más grande, que sus contrapartes orbítales de baja altitud. Los efectos del cambio de posición Doppler son insignificantes. Con tres satélites se tiene un enlace de cobertura total del planeta (excepto los polos).

Desventajas de las Orbitas Geosíncronas Las altitudes superiores de los satélites geosíncronos introducen tiempos de propagación más largos. El retardo de propagación del viaje redondo entre dos estaciones terrenas, por medio de un satélite geosíncrono, es de 500 a 600 ms. Estación “A” Estación “B”

Desventajas de las Orbitas Geosíncronas Los satélites geosíncronos requieren de alta potencia de transmisión y receptores más sensibles debido a las distancias más grandes y mayores pérdidas de trayectoria. Se requieren maniobras espaciales de alta precisión para colocar un satélite geosíncrono en órbita y mantenerlo en ella. Se requieren los motores de propulsión, a bordo de los satélites, para mantenerlos en sus órbitas respectivas.

COMPARACION ENTRE SATELITES DE VARIAS ORBITAS Elemento a Comparar Orbita Geo Orbita Meo Orbita Leo Altura (km) 36.000 6.000-12.000 200-3000 Período Orbital (Hr) 24 5-12 1.5 Velocidad (Km/hr) 11.000 19.000 27.000 Retraso (ida y vuelta) (ms) 250 80 10 Período de Visibilidad Siempre 2-4 Hr <15 min Satélites necesarios para cobertura global 3 10-12 50-70

La nueva estrella en el cielo venezolano…. El Satélite Simón Bolívar Venesat 1 Gracias

SATELITE SPUTNIK

SATELITE EXPLORER I

SATELITE SCORE I

SATELITE ECHO

SATELITE TELSTAR I

SATELITE INTELSAT I

TIPOS DE ÓRBITAS SATELITALES SEGUN SU DISTANCA A LA TIERRA Órbita Geoestacionaria (GEO) Este tipo de órbita posee las mismas propiedades que la geosíncrona, pero debe tener una inclinación de cero grados respecto al ecuador y viajar en la misma dirección en la cual rota la tierra. Un satélite geoestacionario aparenta estar en la misma posición relativa a algún punto sobre la superficie de la Tierra, lo que lo hace muy atractivo para las comunicaciones a gran distancia. Órbita de Baja Altura (LEO) Estas órbitas se encuentran en el rango de 640 km a 1,600 km entre las llamadas región de densidad atmosférica constante y la región de los cinturones de Van Allen. Los satélites de órbita baja circular son muy usados en sistemas de comunicaciones móviles. Órbitas de Media Altura (MEO) Son las que van desde 9,600 km hasta la altura de los satélites geosíncronos. Los satélites de órbita media son muy usados también en las comunicaciones móviles. Órbita Geosíncrona Es una órbita circular con un período de un día sideral. Para tener este período la órbita debe tener un radio de 42,164.2 km. (desde el centro de la tierra).

TIPOS DE ÓRBITAS SATELITALES SEGUN EL PLANO CON EL ECUADOR Órbita Ecuatorial: En esta órbita la trayectoria del satélite sigue un plano paralelo al ecuador, es decir tiene una inclinación de 0º. Órbitas Inclinada: La trayectoria del satélite sigue un plano con un cierto ángulo de inclinación respecto al ecuador. Órbitas Polar: El satélite sigue un plano paralelo al eje de rotación de la tierra pasando sobre los polos y perpendicular al ecuador.

PATRONES ORBITALES Orbita Inclinada Orbita Ecuatorial Orbita Polar Eje Polar Eje Polar Satélite Orbita Satélite Satélite Orbita Satélite Eje Polar Orbita Inclinada Orbita Ecuatorial Orbita Orbita Polar

TIPOS DE ÓRBITAS SATELITALES SEGUN LA TRAYECTORIA ORBITAL QUE DESCRIBE Para mantener un satélite en orbita es necesario que la fuerza centrifuga, causada por su rotación alrededor de la tierra, sea contrabalanceada por la atracción gravitacional de la tierra. Fuerza Centrifuga Atracción Gravitacional

TIPOS DE ÓRBITAS SATELITALES SEGUN LA TRAYECTORIA ORBITAL QUE DESCRIBE Órbitas circulares Se dice que un satélite posee una órbita circular si su movimiento alrededor de la tierra es precisamente una trayectoria circular. Este tipo de órbita es la que usan los satélites geosíncronos. Órbitas elípticas (Monlniya) Se dice que un satélite posee una órbita elíptica si su movimiento alrededor de la tierra es precisamente una trayectoria elíptica. Este tipo de órbita poseen un perigeo y un apogeo.

TIPOS DE ÓRBITAS SATELITALES SEGUN LA TRAYECTORIA ORBITAL QUE DESCRIBE Si el satélite está girando en la misma dirección que la rotación de la Tierra y a una velocidad angular superior que la de la Tierra, la órbita se llama órbita prógrado. Si el satélite está 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 retrógrada.

SATÉLITES ORBÍTALES Características Los satélites no síncronos están alejándose continuamente o cayendo a tierra y no permanecen estacionarios en relación a ningún punto en particular de la Tierra. Se tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto período de tiempo, como 15 minutos por órbita. Tienen la necesidad de equipo complicado y costoso para rastreo en las estaciones terrestres.

SATÉLITES ORBÍTALES Características Cada estación terrestre debe localizar el satélite conforme está disponible en cada órbita y después unir su antena al satélite y localizarlo cuando pasa por arriba. Una gran ventaja de los satélites orbítales es que los motores de propulsión no se requieren a bordo de los satélites para mantenerlos en sus órbitas respectivas.

RECURSOS ESTRATEGICOS