Los Satélites de Comunicaciones (página 2)

Muchos funcionan a partir de celdas solares, que alimentan sus
centros de energía al convertir los rayos solares en
energía eléctrica (las enormes aspas de molino que
los caracterizaron durante años). No obstante, dicha
tecnología va siendo sustituida por turbogeneradores que
producen energía a partir del calor solar y de las
reacciones nucleares, que son más pequeños y
livianos que las celdas. Actualmente se desarrolla el uso de
radioisótopos como fuentes de poder, pero todavía
están en periodo de prueba.

La velocidad con que un satélite gira alrededor de la
tierra está dada por la distancia entre ambos, ya que el
mismo se ubicará en aquellos puntos en los que la fuerza
de gravedad se equilibre con las de fuerza centrifuga; cuanto
mayor es esa distancia, menor es la velocidad que necesita el
mismo para mantenerse en órbita.

Es importante señalar que todo aparato debe quedar por
encima de las cien millas de altitud respecto a la superficie de
la Tierra, para que no sean derrumbados por la fuerza de gravedad
terrestre. Los satélites ubicados en promedio a 321.80
kilómetros de altitud se consideran de órbita baja;
y de órbita alta los que alcanzan distancias hasta de 35,
880 kilómetros sobre la superficie.

Los satélites son controlados desde estaciones
terrestres que reciben su información y la procesan, pero
que también monitorean el comportamiento y órbita
de los aparatos. Por lo general, los centros terrenos no son
aparatosas instalaciones, sino más bien pequeños
tableros con poco personal que sin embargo controlan funciones
geoespaciales especializadas.

Fundamentos físicos para su funcionamiento

Para entender el funcionamiento de un satélite de
comunicaciones y su mantenimiento en órbita, primero hay
que referirse a términos tales como:

Órbitas

Llamamos orbita al recorrido o trayectoria de un cuerpo a
través del espacio bajo la influencia de fuerzas de
atracción o repulsión de un segundo cuerpo. Tiene
la forma de una cónica —un círculo, elipse,
parábola o hipérbola— con el cuerpo central
en uno de los focos de la curva.

Aproximadamente tres cuartas partes del costo de un
satélite está asociado a su lanzamiento y a su
mantenimiento en órbita.

La Mecánica Orbital, es aplicada a los satélites
artificiales, la cual está basada en la Mecánica
Celeste, una rama de la física clásica, la cual
comenzó con dos gigantes de la física: Kepler y
Newton durante el siglo XVII.

Lagrange, Laplace, Gauss, Hamilton, y muchos otros,
también contribuyeron al refinamiento matemático de
la teoría, empezando con las nociones básicas de la
gravitación universal, las leyes de Newton del movimiento,
y los principios de conservación de la energía y el
momentum.

Las 3 leyes de Kepler y las leyes de gravitación
universal y del movimiento se describen brevemente a
continuación:

Leyes de Kepler

Las propiedades fundamentales de las órbitas son
resumidas por las tres leyes del movimiento planetario de Kepler.
Kepler descubrió esas tres leyes empíricamente,
basadas en conclusiones de notas de extensas observaciones de
Marte por Tycho Brahe. A través de estas leyes se
estableció el movimiento planetario con respecto al sol;
éstas son igualmente aplicables a los satélites con
respecto a la tierra y son un buen punto de partida.

• La órbita de cada planeta (satélite) es una
  elipse con el sol (tierra) en uno de sus focos. El punto de
  la órbita en el cual el planeta está más
  cerca del sol se denomina Perigeo, y el punto donde
  está más lejos del sol se le denomina
  Apogeo.

• La línea que une al sol (tierra) al planeta
  (satélite) barre áreas iguales en tiempos
  iguales. Se puede ver claramente los efectos de esta ley
  observando que el planeta Tierra circula por su órbita
  a diferentes velocidades. Así cuando es invierno en el
  hemisferio Norte (estamos más cerca del Sol) lleva una
  velocidad de traslación mayor que en verano. Esto es
  así porque al ser menor el radio vector debe recorrer
  mayor arco para igualar el área barrida en verano,
  cuando está más lejos. Para recorrer más
  arco en el mismo tiempo tiene que ir a mayor velocidad.

• El cuadrado del periodo de revolución es
  proporcional al cubo de su eje mayor.

Las primeras dos leyes fueron publicadas en 1609 y la tercera
en 1619.

Fig. 1 Apogeo y Perigeo de una trayectoria orbital
celeste.

Leyes de Newton

Las leyes fundamentales de la física de la
teoría de la mecánica orbital están basadas
en la Ley de la Gravitación Universal y la segunda ley del
movimiento de Newton. La ley de la gravitación universal
establece que la fuerza de atracción entre dos cuerpos
varía de acuerdo al producto de sus masas M y m e
inversamente al cuadrado de la distancia r entre ellas y es
dirigida a lo largo de una línea que conecta sus centros.
Así:

F = GMm/r2

Donde G es la constante de gravitación universal, y en
este caso, con m se refiere a la masa del satélite y M la
masa de la Tierra. La segunda ley de Newton nos dice que la
aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza que
actúa en ella e inversamente proporcional a sus masas,

• Donde a = dv/dt es la aceleración, v es la
  velocidad, y t es el tiempo.

• F = ma = m dv/dt

Dos satélites en la misma órbita no pueden tener
diferentes velocidades. Para las órbitas circulares, la
velocidad es inversamente proporcional a la raíz cuadrada
de su radio. Si un satélite, inicialmente en una
órbita circular sobre la tierra, se le es incrementada su
velocidad por un impulso, no podrá moverse más
rápido en esa órbita. En vez de eso, la
órbita se convertirá en elíptica, con el
perigeo en el punto donde ocurra el impulso.

Tipos de Orbitas Satelitales

Clasificación por centro

• Órbita galactocéntrica: órbita
  alrededor del centro de una galaxia. El Sol terrestre sigue
  éste tipo de órbita alrededor del centro
  galáctico de la Vía Láctea.

• Órbita heliocéntrica: una órbita
  alrededor del Sol. En el Sistema Solar, los planetas, cometas
  y asteroides siguen esa órbita, además de
  satélites artificiales y basura espacial.

• Órbita geocéntrica: una órbita
  alrededor de la Tierra. Existen aproximadamente 2.465
  satélites artificiales orbitando alrededor de la
  Tierra.

• Órbita areocéntrica: una órbita
  alrededor de Marte.

Clasificación por altitud.

• Órbita baja terrestre (LEO): una órbita
  geocéntrica a una altitud de 0 a 2.000 km.

• Órbita media terrestre (MEO): una órbita
  geocéntrica con una altitud entre 2.000 km y hasta el
  límite de la órbita geosíncrona de
  35.786 km. También se la conoce como órbita
  circular intermedia.

• Órbita alta terrestre (HEO): una órbita
  geocéntrica por encima de la órbita
  geosíncrona de 35.786 km; también conocida como
  órbita muy excéntrica u órbita muy
  elíptica.

Clasificación por inclinación

• Órbita inclinada: una órbita cuya
  inclinación orbital no es cero.

• Órbita polar: una órbita que pasa por encima
  de los polos del planeta. Por tanto, tiene una
  inclinación de 90º o aproximada.

• Órbita polar heliosíncrona: una
  órbita casi polar que pasa por el ecuador terrestre a
  la misma hora local en cada pasada.

Clasificación por excentricidad

• Órbita circular: una órbita cuya
  excentricidad es cero y su trayectoria es un
  círculo.

• Órbita de transferencia de Hohmann: una maniobra
  orbital que traslada a una nave desde una órbita
  circular a otra.

• Órbita elíptica: una órbita cuya
  excentricidad es mayor que cero pero menor que uno y su
  trayectoria tiene forma de elipse.

• Órbita de transferencia geosíncrona: una
  órbita elíptica cuyo perigeo es la altitud de
  una órbita baja terrestre y su apogeo es la de una
  órbita geosíncrona.

• Órbita de transferencia geoestacionaria: una
  órbita elíptica cuyo perigeo es la altitud de
  una órbita baja terrestre y su apogeo es la de una
  órbita geoestacionaria.

• Órbita de Molniya: una órbita muy
  excéntrica con una inclinación de 63,4º y
  un período orbital igual a la mitad de un día
  sideral (unas doce horas).

• Órbita tundra: una órbita muy
  excéntrica con una inclinación de 63,4º y
  un período orbital igual a un día sideral (unas
  24 horas).

• Órbita hiperbólica: una órbita cuya
  excentricidad es mayor que uno. En tales órbitas, la
  nave escapa de la atracción gravitacional y continua
  su vuelo indefinidamente.

• Órbita parabólica: una órbita cuya
  excentricidad es igual a uno. En estas órbitas, la
  velocidad es igual a la velocidad de escape.

• Órbita de escape: una órbita
  parabólica de velocidad alta donde el objeto se aleja
  del planeta.

• Órbita de captura: una órbita
  parabólica de velocidad alta donde el objeto se acerca
  del planeta.

Clasificación por sincronía

• Órbita síncrona: una órbita donde el
  satélite tiene un periodo orbital igual al periodo de
  rotación del objeto principal y en la misma
  dirección. Desde el suelo, un satélite
  trazaría una analema en el cielo.

• Órbita semisíncrona: una órbita a una
  altitud de 12.544 km aproximadamente y un periodo orbital de
  unas 12 horas.

• Órbita geosíncrona: una órbita a una
  altitud de 35.768 km. Estos satélites trazarían
  una analema en el cielo.

• Órbita geoestacionaria: una órbita
  geosíncrona con inclinación cero. Para un
  observador en el suelo, el satélite parecería
  un punto fijo en el cielo.

• Órbita cementerio: una órbita a unos cientos
  de kilómetros por encima de la geosíncrona
  donde se trasladan los satélites cuando acaba su vida
  útil.

• Órbita areosíncrona: una órbita
  síncrona alrededor del planeta Marte con un periodo
  orbital igual al día sideral de Marte, 24,6229
  horas.

• Órbita areoestacionaria: una órbita
  areosíncrona circular sobre el plano ecuatorial a unos
  17.000 km de altitud. Similar a la órbita
  geoestacionaria pero en Marte.

• Órbita heliosíncrona: una órbita
  heliocéntrica sobre el Sol donde el periodo orbital
  del satélite es igual al periodo de rotación
  del Sol. Se sitúa a aproximadamente 0,1628 UA.

Otras órbitas

• Órbita de herradura: una órbita en la que un
  observador parecer ver que órbita sobre un planeta
  pero en realidad coorbita con el planeta. Un ejemplo es el
  asteroide (3753) Cruithne.

• Punto de Lagrange: los satélites también
  pueden orbitar sobre estas posiciones.

Puesta en órbita

Para orbitar un satélite debemos elevarlo mediante
poderosos cohetes hasta una altura determinada la cual (aunque
varia de un satélite a otro notablemente), no debe ser
menor a 150 Km para que en la región donde el
satélite se moverá la atmósfera este
enrarecida y así la fuerza resultante del aire no perturbe
la órbita del satélite.

Cuando alcanza la altura deseada el satélite
también por medio de cohetes es lanzado horizontalmente a
una velocidad conocida, en cuestión de la órbita
necesitada para el satélite. Por ejemplo, está en
relación directa con el período de
revolución requerido para el satélite

La Tierra ejercerá sobre dicho satélite una
fuerza de atracción, propiciada por la ley de
Gravitación Universal, que alterará la
dirección de la velocidad provocando que describa una
trayectoria curvilínea.

Una vez puesto en órbita, y si no existe
perturbación alguna, este continuará girando
indefinidamente entorno a la Tierra.

Suponiendo todas las trayectorias elípticas, y que la
trayectoria circular es una elipse especial, se probará
como la fuerza gravitatoria proporciona la fuerza
centrípeta (fuerza dirigida hacia un centro, que hace
que un objeto se desplace en una trayectoria circular, Por
ejemplo, supongamos que atamos una pelota a una cuerda y la
hacemos girar en círculo a velocidad constante. La pelota
se mueve en una trayectoria circular porque la cuerda ejerce
sobre ella una fuerza centrípeta) necesaria para el
movimiento elíptico:

Dado F=GMm/a2,

GMm/a2 = m?2a , reemplazando ? por 2p/T, obtiene

T2 = (4 p2/GM) a2

Téngase en cuenta que para órbitas circulares,
el semieje mayor a se reemplaza por el radio de la órbita
r.

Se pensará que si la Ley de Gravitación es
universal, entonces todo cuerpo con masa considerable en el
espacio realizará una fuerza en torno a un satélite
artificial puesto en órbita por el hombre. En
teoría resulta verdadera tal afirmación, de hecho
Newton utilizando una vez demostró que las variaciones en
la órbita de un planeta determinado se deben a las
atracciones que los demás planetas ejercen sobre
él. En la puesta en órbita de un satélite,
se calcula la posición lo suficientemente cerca como para
que la única fuerza de atracción gravitacional
considerable sea la provocada por la atracción
terrestre.

Ejemplo de una órbita ideal para un satélite
Geoestacionario:

Tabla 1 Parámetros de una órbita
Geoestacionaria Ideal

Tabla 2 Principales perturbaciones de una órbita
Geoestacionaria.

Los satélites según sus
órbitas

• Satélites LEO (Low Earth Orbit, que significa
  órbitas bajas) Orbitan la Tierra a una distancia
  de 160-2000 km y su velocidad les permite dar una vuelta al
  mundo en 90 minutos. Se usan para proporcionar datos
  geológicos sobre movimiento de placas terrestres y
  para la industria de la telefonía satélite.

• Satélites MEO (Medium Earth Orbit,
  órbitas medias). Son satélites con
  órbitas medianamente cercanas, de unos 10.000 km. Su
  uso se destina a comunicaciones de telefonía y
  televisión, y a las mediciones de experimentos
  espaciales.

• Satélites HEO (Highly Elliptical Orbit,
  órbitas muy elípticas). Estos
  satélites no siguen una órbita circular, sino
  que su órbita es elíptica. Esto supone que
  alcanzan distancias mucho mayores en el punto de
  órbita más alejada. A menudo se utilizan para
  cartografiar la superficie de la Tierra, ya que pueden
  detectar un gran ángulo de superficie terrestre.

• Satélites GEO. Tienen una velocidad de
  traslación igual a la velocidad de rotación de
  la Tierra, lo que supone que se encuentren suspendidos sobre
  un mismo punto del globo terrestre. Por eso se llaman
  satélites geoestacionarios. Para que la Tierra y el
  satélite igualen sus velocidades es necesario que este
  último se encuentre a una distancia fija de 35.800 km
  sobre el ecuador. Se destinan a emisiones de
  televisión y de telefonía, a la
  transmisión de datos a larga distancia, y a la
  detección y difusión de datos
  meteorológicos.

Emisión y recepción, funcionamiento y
usos

En la actualidad, este tipo de comunicación puede
imaginarse como si tuviésemos un enorme repetidor de
microondas en el cielo. Está constituido por uno o
más dispositivos receptor-transmisores, cada uno de los
cuales escucha una parte del espectro, amplificando la
señal de entrada y retransmitiendo a otra frecuencia para
evitar los efectos de interferencia.

Cada una de las bandas utilizadas en los satélites se
divide en canales. Para cada canal suele haber en el
satélite un repetidor, llamado transponder o
transpondedor, que se ocupa de capturar la señal
ascendente y retransmitirla de nuevo hacia la tierra en la
frecuencia que le corresponde.

Cada canal puede tener un ancho de banda de 27 a 72 MHz y
puede utilizarse para enviar señales analógicas de
vídeo y/o audio, o señales digitales que puedan
corresponder a televisión (normal o en alta
definición), radio digital (calidad CD), conversaciones
telefónicas digitalizadas, datos, etc. La eficiencia que
se obtiene suele ser de 1 bit/s por Hz; así, por ejemplo,
un canal de 50 MHz permitiría transmitir un total de 50
Mbit/s de información.

Un satélite típico divide su ancho de banda de
500 MHz en unos doce receptores- transmisores de un ancho de
banda de 36 MHz cada uno. Cada par puede emplearse para codificar
un flujo de información de 500 Mbit/s, 800 canales de voz
digitalizada de 64 kbit/s, o bien, otras combinaciones
diferentes.

Para la transmisión de datos vía satélite
se han creado estaciones de emisión-recepción de
bajo coste llamadas VSAT (Very Small Aperture Terminal). Una
estación VSAT típica tiene una antena de un metro
de diámetro y un vatio de potencia. Normalmente las
estaciones VSAT no tienen potencia suficiente para comunicarse
entre sí a través del satélite (VSAT –
satélite – VSAT), por lo que se suele utilizar una
estación en tierra llamada hub que actúa como
repetidor. De esta forma, la comunicación ocurre con dos
saltos tierra-aire (VSAT- satélite – hub – satélite
– VSAT). Un solo hub puede dar servicio a múltiples
comunicaciones VSAT.

En los primeros satélites, la división en
canales era estática, separando el ancho de banda en
bandas de frecuencias fijas. En la actualidad el canal se separa
en el tiempo, primero en una estación, luego otra, y
así sucesivamente. El sistema se denomina
multiplexión por división en el tiempo.
También tenían un solo haz espacial que
cubría todas las estaciones terrestres. Con los
desarrollos experimentados en microelectrónica, un
satélite moderno posee múltiples antenas y pares
receptor-transmisor. Cada haz de información proveniente
del satélite puede enfocarse sobre un área muy
pequeña de forma que pueden hacerse simultáneamente
varias transmisiones hacia o desde el satélite. A estas
transmisiones se les llama 'traza de ondas dirigidas'.

Las comunicaciones vía satélite tienen algunas
características singulares. En primer lugar está el
retardo que introduce la transmisión de la señal a
tan grandes distancias. Con 36.000 km de altura orbital, la
señal ha de viajar como mínimo 72.000 km, lo cual
supone un retardo de 240 milisegundos, sólo en la
transmisión; en la práctica el retardo es de 250 a
300 milisegundos según la posición relativa del
emisor, el receptor y el satélite. En una
comunicación VSAT-VSAT los tiempos se duplican debido a la
necesidad de pasar por el hub. A título comparativo en una
comunicación terrestre por fibra óptica, a 10.000
km de distancia, el retardo puede suponer 50 milisegundos (la
velocidad de las ondas electromagnéticas en el aire o en
el vacío es de unos 300.000 km/s, mientras que en el
vidrio o en el cobre es de unos 200.000). En algunos casos estos
retardos pueden suponer un serio inconveniente o degradar de
forma apreciable el rendimiento si el protocolo no está
preparado para este tipo de redes.

Otra característica singular de los satélites es
que sus emisiones son broadcast de manera natural. Tiene el mismo
coste enviar una señal a una estación que enviarla
a todas las estaciones que se encuentren dentro de la huella del
satélite. Para algunas aplicaciones esto puede resultar
muy interesante, mientras que para otras, donde la seguridad es
importante, es un inconveniente, ya que todas las transmisiones
han de ser cifradas. Cuando varios ordenadores se comunican a
través de un satélite (como en el caso de

estaciones VSAT) los problemas de utilización del canal
común de comunicación que se presentan son
similares a los de una red local.

El coste de una transmisión vía satélite
es independiente de la distancia, siempre que las dos estaciones
se encuentren dentro de la zona de cobertura del mismo
satélite. Además, no hay necesidad de hacer
infraestructuras terrestres, y el equipamiento necesario es
relativamente reducido, por lo que son especialmente adecuados
para enlazar instalaciones provisionales que tengan una movilidad
relativa, o que se encuentren en zonas donde la infraestructura
de comunicaciones está poco desarrollada.

Recientemente se han puesto en marcha servicios de
transmisión de datos vía satélite basados en
el sistema de transmisión de la televisión digital,
lo cual permite hacer uso de componentes estándar de bajo
coste. Además de poder utilizarse de forma full-duplex
como cualquier comunicación convencional vía
satélite, es posible realizar una comunicación
simple en la que los datos sólo se transmiten de la red al
usuario, y para el camino de vuelta, éste utiliza la red
telefónica (vía módem o RDSI). De esta forma
la comunicación red->usuario se realiza a alta
velocidad (típicamente 400-500 kbit/s), con lo que se
obtiene una comunicación asimétrica. El usuario
evita así instalar el costoso equipo transmisor de datos
hacia el satélite. Este servicio está operativo en
Europa desde 1997 a través de los satélites Astra y
Eutelsat, y es ofrecido por algunos proveedores de servicios de
Internet. La instalación receptora es de bajo coste,
existen tarjetas para PC que permiten enchufar directamente el
cable de la antena, que puede ser la misma antena utilizada para
ver la televisión vía satélite.

Conclusiones

El horizonte de las nuevas tecnologías presenta
día a día en día numerosas interrogantes que
ciertamente nos mueven a la reflexión y al discernimiento.
Estamos recorriendo hacia un nuevo milenio y esta realidad nos
lleva a una natural expectativa. En esta situación el
universo de las nuevas tecnologías, nos presenta un
despliegue potentoso y asombrosamente acelerado de novedosos
métodos, procesos, máquinas e instrumentos.

Como a los inicios de la civilización, el hombre
siempre encontró solución, mediante leyes,
teoremas, repeticiones de sucesos que conllevaron a ciertas
definiciones. Mediante el presente trabajo se puede demostrar la
casi total importancia de las Leyes de la Mecánica
Celeste, para su aplicación en el desarrollo de las
comunicaciones entre lugares distantes del planeta, de forma muy
rápida, y con gran calidad. El surgimiento de los
satélites, marcó un hito en la historia de las
telecomunicaciones, y de la humanidad.

Bibliografía

[1]
http://www.eveliux.com/mx/via-satelite-historia-frecuencias-orbitas-estaciones-terrenas.php.
Junio 2009

[2]
http://www.sociedadelainformacion.com/departfqtobarra/gravitacion/
Junio 2009

[3] http://www.monografias.com/Tecnologia/ Junio
2009

[4] Resnick Robert, Hallyday David, Krane Kenneth
S., Física Vol. 1, 4ta edición, Editorial
Continental, 2001.

[5] Microsoft Student con Encarta Premium
2008.

Autor:

Orlando José Gaetano Hadad

Alejandro Blanco Arias.

Curso 2008-2009

Santiago de Cuba

"Año del 50 Aniversario del Triunfo de la
Revolución"

Universidad de Oriente

Facultad de Ingeniería
Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y
Electrónica