Sesión n° 11 com sat

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo – Ingeniería Electrónica
Introducción al
sistema satelital

Comunicaciones Satelitales
En términos astronómicos, un satélite es un cuerpo celeste que gira en órbita en
torno a un planeta (por ejemplo, la Luna es un satélite de la Tierra). Sin embargo,
en términos aeroespaciales un satélite es un vehículo espacial lanzado por
humanos, que describe órbitas alrededor de la Tierra o de otro cuerpo celeste. Los
satélites de comunicaciones son fabricados por el hombre y giran en órbita en torno
a la Tierra, permitiendo efectuar una multitud de comunicaciones hacia una gran
variedad de consumidores, incluyendo suscriptores militares, gubernamentales,
privados y comerciales.

En esencia, un satélite de comunicaciones es una repetidora de microondas en el cielo, formada por una diversa combinación de
uno o más de los siguientes dispositivos: receptor, transmisor, regenerador, filtro, computadora de a bordo, multiplexor,
demultiplexor, antena, guía de onda y casi cualquier otro circuito de comunicaciones electrónicas que se haya desarrollado. Una
radiorrepetidora satelital se llama transpondedor, y un satélite puede tener muchos de ellos. Un sistema satelital consiste en uno o
más vehículos espaciales, una estación en la Tierra para controlar el funcionamiento del sistema y una red de estaciones usuarias
en la Tierra que proporcionan las instalaciones de interfaz para transmitir y recibir el tráfico de comunicaciones terrestres a través
del sistema satelital

El tipo más sencillo de satélite es un reflector pasivo, que sólo “rebota” las señales de un lugar a otro. Un satélite pasivo refleja las
señales de regreso a la Tierra, porque no hay a bordo dispositivos de ganancia que amplifiquen o modifiquen las señales. La
Luna es un satélite natural de la Tierra, visible por reflexión de la luz solar, y que tiene una órbita ligeramente elíptica. En
consecuencia, la Luna fue el primer satélite pasivo en 1954, cuando la Marina de E. U. A., transmitió bien el primer mensaje por
este sistema de comunicaciones de la Tierra a la Luna y a la Tierra. En 1956 se estableció un sistema de repetidoras entre
Washington, D. C., y Hawaii, y hasta 1962 ofreció un servicio confiable de radiocomunicaciones de larga distancia, limitado sólo
por la disponibilidad de la Luna. Sin embargo, al paso del tiempo, se vio que la Luna es un satélite de comunicaciones incómodo y
no confiable, porque sólo está sobre el horizonte la mitad del tiempo, y su posición respecto a la Tierra cambia en forma constante

Una ventaja obvia de los satélites pasivos es que no requieren equipos electrónicos complicados a bordo, aunque no
necesariamente carezcan de energía. Algunos satélites pasivos requieren transmisores por radiofaro, para fines de rastreo y
telemetría. Un radiofaro es una portadora no modulada, transmitida en forma continua, a la que se puede fijar una estación
terrestre para usarla en la determinación del lugar exacto de un satélite, para que la estación terrestre pueda alinear sus antenas.
Otra desventaja de los satélites pasivos es su uso ineficiente de la potencia transmitida. Por ejemplo, una cantidad tan pequeña
como 1 parte de cada 1018 de la potencia transmitida por la estación terrestre regresa en realidad a las antenas receptoras de
otras estaciones terrestres. En 1957, Rusia lanzó el Sputnik I, el primer satélite terrestre activo. Un satélite activo es capaz de
recibir, amplificar, reconformar, regenerar y retransmitir información. El Sputnik I transmitió información de telemetría durante 21
días. Después, el mismo año, Estados Unidos lanzó el Explorer I, que transmitió información de telemetría durante casi cinco
meses.

Los satélites de comunicación pueden recibir y enviar desde el espacio ondas de radio en cualquier dirección que se tenga previsto en
su diseño. Normalmente lo hacen desde y hacia grandes áreas de la Tierra, y en algunos casos también de y hacia otros satélites.
El hecho de poder emitir desde un satélite de comunicación una señal que pueda recibirse con intensidad similar y simultáneamente en
cualquier punto de una gran superficie geográfica es su característica más notable, y es la causa principal de su utilización, debido a sus
implicaciones.
La posibilidad de recibir señales emitidas por estaciones ubicadas en cualquier punto de una gran superficie de la Tierra es casi tan
importante como la característica anterior, siendo indispensable para aprovechar los satélites para servicios de comunicación
bidireccional en toda su área de cobertura, es decir, para los que implican el diálogo entre los puntos extremos de la comunicación,
como el servicio telefónico o un servicio interactivo de comunicación de datos.

Un solo satélite puede emplearse para cubrir una gran superficie un poco
mayor que un tercio de la superficie de la Tierra, o para cubrir básicamente un
solo país, y al mismo tiempo contar con haces adicionales de emisión que
cubran con mayor densidad de potencia una porción de un país, llamados
puntuales. La figura representa un satélite de gran cobertura o huella,
mediante el cual pueden comunicarse entre sí estaciones ubicadas en
cualquier lugar de ella llamadas comúnmente estaciones terrenas, mientras
que, la ultima figura representa a un satélite de cobertura nacional

La órbita ecuatorial llamada geoestacionaria representa un círculo
virtual acerca de 36 000 kilómetros sobre la superficie terrestre, en el
cual es posible ubicar satélites que giren en sincronía con la rotación
de la Tierra. Debido a que existen perturbaciones que tienden a
desplazar lentamente a los satélites de sus posiciones fijas en dicha
órbita, para lograr que permanezcan en ellas se emplean fuerzas de
corrección de pequeña magnitud, aplicadas en determinados
intervalos de tiempo.

Los servicios móviles comerciales por satélite se han prestado durante muchos años empleando la órbita
geoestacionaria, pero debido a dos ventajas operativas particulares de los satélites de órbitas más bajas,
junto con razones económicas y de diseño, los nuevos sistemas de satélites de cobertura global para
servicio móvil se están concibiendo para órbitas bajas. El período de circunvolución de un satélite no
geoestacionario es típicamente desde menos de 2 hasta 12 horas, según la altitud de la órbita, teniendo
una cobertura geográfica en constante movimiento, como se muestra en la figura, por lo que desde
cualquier punto sobre la Tierra solo se puede establecer comunicación con cada uno de los más bajos
durante pocos minutos en cada ocasión. Para poder establecer comunicaciones sin interrupción entre
dos estaciones terminales móviles que no estén al mismo tiempo al alcance de uno de ellos, deben
constituir un sistema con numerosas naves de cobertura traslapada que se enlacen en el espacio, o que
para ese propósito se apoyen en una red terrenal.

Un satélite permanece en órbita porque las fuerzas centrífugas causadas por su rotación en torno a la Tierra se equilibran con la
atracción gravitacional de ésta. A principios del siglo XVII, al investigar las leyes del movimiento planetario (es decir, el movimiento de los
planetas y sus cuerpos asociados llamados lunas), Johannes Kepler (1571-1630), astrónomo alemán, 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. Las leyes de Kepler se pueden enunciar en forma sencilla como sigue: 1) los planetas
describen elipses con el Sol en uno de los focos, 2) la línea que une al Sol con un planeta barre áreas iguales en intervalos iguales de
tiempo, y 3) el cuadrado del tiempo de revolución de un planeta, dividido entre el cubo de su distancia promedio al Sol es un número igual
para todos los planetas. Las leyes de Kepler se pueden aplicar a dos cuerpos cualesquiera en el espacio que interaccionen por
gravitación. El mayor de los dos cuerpos se llama primario, y el menor es el secundario, o satélite.

La primera ley de Kepler establece que un satélite describe una órbita alrededor de un cuerpo primario (como la Tierra) siguiendo una
trayectoria elíptica. Una elipse tiene dos focos, como se ve en la figura: F1 y F2, y el centro de masa, llamado baricentro, de un
sistema de dos cuerpos que siempre está en uno de los focos. Como la masa de la Tierra es mucho mayor que la del satélite, el
centro de masa siempre coincide con el centro de la Tierra. Las propiedades geométricas de la elipse se suelen referir a uno de los
focos, que lógicamente se selecciona como el que está en el centro de la Tierra
Focos F1 y F2; semieje mayor a y semieje menor b de una elipse

Para el semieje mayor (𝛼) y el semieje menor (β) de la figura anterior, la excentricidad de la elipse se define como sigue
Siendo ∈ la excentricidad
……………………………………….(1
)

La segunda ley de Kepler, enunciada en 1609 con la primera, se conoce como la ley de las áreas, y establece que para intervalos
iguales de tiempo, un satélite barre áreas iguales en el plano de su órbita, con foco en el baricentro. Como se ve en la figura, para
un satélite que recorre las distancias D1 y D2 metros en 1 segundo, las áreas A1 y A2 son iguales. Debido a la ley de áreas iguales,
la distancia D1 debe ser mayor que D2 y, en consecuencia, la velocidad V1 debe ser mayor que la velocidad V2. La velocidad es
máxima en el punto de máxima aproximación a la Tierra (llamado perigeo), y la velocidad es mínima en el punto más alejado de la
Tierra (llamado apogeo).

La tercera ley de Kepler, publicada en 1619, se llama a veces la ley armónica. Establece que el cuadrado del periodo (el tiempo en
recorrer la órbita) es proporcional al cubo de la distancia promedio entre el primario y el satélite. Esta distancia promedio es igual al
semieje mayor; por lo anterior, se puede enunciar matemáticamente la tercera ley de Kepler como sigue
Donde
A = constante (kilómetros)
𝛼 = semieje mayor (kilómetros)
P = días solares medios en la Tierra
……………………………………….(2
)

y P es la relación del tiempo de un día sideral (ts = 23 horas y 56 minutos) entre el tiempo de una revolución de la Tierra en torno a su
eje (te = 24 horas)
Por lo anterior
Al arreglar la ecuación (2) y despejar la constante A en el caso de la Tierra, se obtiene A = 42241.0979
……………………………………….(3
)

Las ecuaciones (1) y (2) se aplican al caso ideal, cuando un satélite gira en torno a un cuerpo perfectamente esférico, sin fuerzas
exteriores. En realidad, el agrandamiento ecuatorial de la Tierra y las fuerzas perturbadoras externas producen desviaciones del
movimiento ideal del satélite. Sin embargo, y por fortuna, se pueden calcular y compensar las desviaciones principales. Los satélites
con órbita cercana a la Tierra quedan afectados por la resistencia atmosférica y por el campo magnético terrestre. Sin embargo, para
los satélites más alejados, las principales fuerzas perturbadoras son los campos gravitacionales del Sol y de la Luna.

 Satélites de Telecomunicaciones
 Satélites de Navegación
 Satélites Meteorológicos
 Satélites Científicos y de propósitos experimentales
 Satélites Militares y espías
 Satélites de Observación de la tierra

Los satélites de Telecomunicaciones son un medio para emitir
señales de radio y televisión desde unas zonas de la Tierra hasta
otras, ya que se utilizan como enormes antenas suspendidas del
cielo. Las frecuencias que manejan son elevadas, en el rango de
los GHz. La elevada direccionalidad de las antenas utilizadas permite
"alumbrar" zonas concretas de la Tierra. El primer satélite de
comunicaciones, el Telstar 1, se puso en órbita el 10 de julio en 1962,
teniendo lugar la primera transmisión de televisión vía satélite ese
mismo año.

Un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es
una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el
posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o
aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado
como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites
artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos,
agrícolas, y otras actividades afines.
Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los usuarios
información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en
cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas

Un satélite meteorológico es un tipo de satélite artificial que se utiliza principalmente
para supervisar el tiempo atmosférico y el clima de la Tierra. Los satélites pueden
seguir una órbita polar, cubriendo la Tierra entera asincrónicamente, o
geoestacionaria, permaneciendo sobre un mismo punto en el ecuador del planeta.
Los satélites meteorológicos pueden captar más fenómenos que tan solo las nubes;
pueden recoger información sobre el medio ambiente como las luces de las ciudades,
incendios, la contaminación, auroras, tormentas de arena y polvo, corrientes del
océano, etcétera.
GOES-8

Tienen como principal objetivo estudiar la Tierra: superficie, atmósfera
y entorno y los demás cuerpos celestes. Estos aparatos permitieron
que el conocimiento del Universo sea mucho más preciso en la
actualidad.

Un satélite espía (denominado oficialmente como un satélite de reconocimiento) es
un satélite artificial de observación terrestre o de comunicaciones destinado a uso
militar o para inteligencia.
En Estados Unidos, la mayoría de la información de las misiones de satélites espías
que se desarrollaron hasta 1972 está disponible para su consulta. Cierta información
de misiones anteriores a dicha fecha está todavía clasificada como secreta y algo de
la información posterior es de carácter público. La mayoría de estos son utilizados
para interceptar señales o para identificar y señalar un punto de ataque. Son
utilizados satélites electro-ópticos, de radar y de vigilancia electrónica
https://danielmarin.naukas.com/2014/05/21/la-historia-de-los-satelites-espias-norteamericanos-en-imagenes/

Los satélites de observación terrestre son satélites artificiales diseñados para
observar la Tierra desde una órbita. Son similares a los satélites espías pero
diseñados específicamente para aplicaciones no militares como control del
medio ambiente, meteorología, cartografía, etc

Comunicaciones Satelitales Mg. Ing. Danny Alonzo Santa Cruz Cueva

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