Un satélite es un cuerpo que se mueve alrededor de otro cuerpo en una trayectoria matemáticamente predecible llamada Órbita. Un satélite de comunicaciones no es más que una estación repetidora de microondas en el espacio que es útil en las telecomunicaciones, la radio y la televisión junto con las aplicaciones de Internet.
Un repetidor es un circuito que aumenta la fuerza de la señal que recibe y la retransmite. Pero aquí este repetidor funciona como un transpondedor, que cambia la banda de frecuencia de la señal transmitida, a partir de la recibida.
La frecuencia con la que se envía la señal al espacio se denomina frecuencia de enlace ascendente, mientras que la frecuencia con la que la envía el transpondedor es la frecuencia de enlace descendente.
La siguiente figura ilustra claramente este concepto.
Ahora, echemos un vistazo a las ventajas, desventajas y aplicaciones de las comunicaciones por satélite.
Comunicación por satélite – Ventajas
Hay muchas ventajas de las comunicaciones por satélite como –
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Flexibilidad
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Facilidad para instalar nuevos circuitos
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Las distancias se cubren fácilmente y el coste no importa
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Posibilidades de difusión posibilidades
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Se cubren todos y cada uno de los rincones de la tierra
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El usuario puede controlar la red
Comunicación por satélite – Desventajas
La comunicación por satélite tiene los siguientes inconvenientes –
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Los costes iniciales, como los de segmento y lanzamiento, son demasiado altos.
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Congestión de frecuencias
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Interferencias y propagación
Comunicación por satélite – Aplicaciones
La comunicación por satélite encuentra sus aplicaciones en las siguientes áreas –
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En la radiodifusión.
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En la radiodifusión de televisión, como el DTH.
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En aplicaciones de Internet, como el suministro de conexión a Internet para la transferencia de datos, aplicaciones GPS, navegación por Internet, etc.
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Para las comunicaciones de voz.
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Para el sector de la investigación y el desarrollo, en muchas áreas.
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En aplicaciones militares y navegaciones.
La orientación del satélite en su órbita depende de las tres leyes denominadas leyes de Kepler.
Leyes de Kepler
Johannes Kepler (1571-1630) el científico astronómico, dio 3 leyes revolucionarias, respecto al movimiento de los satélites. La trayectoria que sigue un satélite alrededor de su primario (la Tierra) es una elipse. La elipse tiene dos focos – F1 y F2, siendo la tierra uno de ellos.
Si se considera la distancia desde el centro del objeto a un punto de su trayectoria elíptica, entonces el punto más alejado de una elipse desde el centro se llama apogeo y el punto más corto de una elipse desde el centro se llama perigeo.
La primera ley de Kepler
La primera ley de Kepler establece que, «cada planeta gira alrededor del sol en una órbita elíptica, con el sol como uno de sus focos». Como tal, un satélite se mueve en una trayectoria elíptica con la tierra como uno de sus focos.
El semieje mayor de la elipse se denota como ‘a’ y el semieje menor se denota como b. Por lo tanto, la excentricidad e de este sistema puede escribirse como –
$e = \frac{{sqrt{a^{2}-b^{2}}{a}$
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Ecentricidad (e) – Es el parámetro que define la diferencia de la forma de la elipse respecto a la de un círculo.
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Eje semimayor (a) – Es el diámetro más largo trazado uniendo los dos focos a lo largo del centro, que toca los dos apogeos (puntos más alejados de una elipse desde el centro).
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Eje semimenor (b) – Es el diámetro más corto trazado a través del centro que toca ambos perigeos (puntos más cortos de una elipse desde el centro).
Estos están bien descritos en la siguiente figura.
Para una trayectoria elíptica, siempre es deseable que la excentricidad esté entre 0 y 1, es decir.e. 0 < e < 1 porque si e se hace cero, la trayectoria ya no tendrá forma elíptica sino que se convertirá en una trayectoria circular.
La 2ª ley de Kepler
La 2ª ley de Kepler establece que, «Para intervalos de tiempo iguales, el área cubierta por el satélite es igual con respecto al centro de la tierra.»
Se puede entender echando un vistazo a la siguiente figura.
Supongamos que el satélite recorre las distancias p1 y p2, en el mismo intervalo de tiempo, entonces las áreas B1 y B2 cubiertas en ambos casos respectivamente, son iguales.
La tercera ley de Kepler
La tercera ley de Kepler establece que, «El cuadrado del tiempo periódico de la órbita es proporcional al cubo de la distancia media entre los dos cuerpos.»
Esto puede escribirse matemáticamente como
$T^{2}\:\alpha\:\_:a^{3}$
Lo que implica
$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$
Donde $\frac{4\pi ^{2}}{GM}$ es la constante de proporcionalidad (según la Mecánica Newtoniana)
$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3}$
Donde μ = la constante gravitatoria geocéntrica de la Tierra, i.e. Μ = 3.986005 × 1014 m3/seg2
$1 = ^{2}frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}{mu}$
$1 = n^{2}\frac{a^{3}{mu}:\:\ rightarrowa^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$
Donde n = el movimiento medio del satélite en radianes por segundo
El funcionamiento orbital de los satélites se calcula con la ayuda de estas leyes de Kepler.
Además de éstas, hay una cosa importante que hay que tener en cuenta. Un satélite, cuando gira alrededor de la tierra, sufre una fuerza de atracción de la tierra que es la fuerza gravitacional. Además, experimenta una fuerza de atracción del sol y de la luna. Por lo tanto, hay dos fuerzas que actúan sobre él. Son –
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Fuerza centrípeta – La fuerza que tiende a atraer un objeto que se mueve en una trayectoria, hacia sí mismo se llama fuerza centrípeta.
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Fuerza centrífuga – La fuerza que tiende a empujar un objeto que se mueve en una trayectoria, lejos de su posición se llama fuerza centrífuga.
Por lo tanto, un satélite tiene que equilibrar estas dos fuerzas para mantenerse en su órbita.
Orbitas terrestres
Un satélite cuando es lanzado al espacio, necesita ser colocado en una órbita determinada para proporcionar un camino particular para su revolución, a fin de mantener la accesibilidad y servir a su propósito ya sea científico, militar o comercial. Estas órbitas asignadas a los satélites con respecto a la Tierra se denominan Órbitas Terrestres. Los satélites en estas órbitas son Satélites de Órbita Terrestre.
Los tipos importantes de órbitas terrestres son –
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Órbita terrestre geosincrónica
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Órbita terrestre media
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Órbita terrestre baja
Satélites de órbita terrestre geosincrónica
Una órbita terrestre geosincrónica (GE).Órbita Terrestre Sincronizada (GEO) es un satélite que se coloca a una altitud de 22,300 millas sobre la Tierra. Esta órbita está sincronizada con un día real lateral (es decir, 23 horas 56 minutos). Esta órbita puede tener inclinación y excentricidad. Puede no ser circular. Esta órbita puede estar inclinada en los polos de la tierra. Pero parece estacionaria cuando se observa desde la Tierra.
La misma órbita geosincrónica, si es circular y en el plano del ecuador, se denomina órbita geoestacionaria. Estos satélites se sitúan a 35.900kms (igual que los geosíncronos) sobre el Ecuador de la Tierra y se mantienen en rotación con respecto a la dirección de la Tierra (de oeste a este). Estos satélites se consideran estacionarios con respecto a la tierra y de ahí su nombre.
Los satélites de órbita terrestre geoestacionaria se utilizan para la predicción del tiempo, la televisión por satélite, la radio por satélite y otros tipos de comunicaciones globales.
La siguiente figura muestra la diferencia entre las órbitas geosincrónica y geoestacionaria. El eje de rotación indica el movimiento de la Tierra.
Nota – Toda órbita geoestacionaria es una órbita geosincrónica. Pero toda órbita geosincrónica NO es una órbita geoestacionaria.
Satélites de órbita terrestre media
Las redes de satélites de órbita terrestre media (MEO) orbitan a distancias de unas 8000 millas de la superficie terrestre. Las señales transmitidas desde un satélite MEO recorren una distancia más corta. Esto se traduce en una mayor intensidad de la señal en el extremo receptor. Esto demuestra que se pueden utilizar terminales de recepción más pequeños y ligeros en el extremo de recepción.
Como la señal viaja una distancia más corta hacia y desde el satélite, hay menos retardo en la transmisión. El retardo de transmisión puede definirse como el tiempo que tarda una señal en subir a un satélite y bajar a una estación receptora.
Para las comunicaciones en tiempo real, cuanto menor sea el retardo de transmisión, mejor será el sistema de comunicación. Por ejemplo, si un satélite GEO requiere 0,25 segundos para un viaje de ida y vuelta, el satélite MEO necesita menos de 0,1 segundos para completar el mismo viaje. Los MEOs operan en el rango de frecuencias de 2 GHz y superiores.
Satélites de órbita terrestre baja
Los satélites de órbita terrestre baja (LEO) se clasifican principalmente en tres categorías: LEOs pequeños, LEOs grandes y Mega-LEOs. Los LEO orbitan a una distancia de 500 a 1000 millas por encima de la superficie terrestre.
Esta distancia relativamente corta reduce el retraso de la transmisión a sólo 0,05 segundos. Esto reduce aún más la necesidad de equipos de recepción sensibles y voluminosos. Los pequeños LEOs operarán en el rango de 800 MHz (0,8 GHz). Los Big LEOs operarán en el rango de 2 GHz o superior, y los Mega-LEOs operan en el rango de 20-30 GHz.
Las frecuencias más altas asociadas a los Mega-LEOs se traducen en una mayor capacidad de transporte de información y dan lugar a la capacidad de un esquema de transmisión de vídeo en tiempo real y con bajo retardo.
La siguiente figura representa las trayectorias de LEO, MEO y GEO.
