medios de tx - satelital

Dr. M . S. Garache 1


Definicin de Medios de Transmisin Medios de Transmisin Guiados

Medios de Transmisin Inalmbricos (No Guiados) La Interfaz de Aire Modelo Energtico (Link Budget) Microondas Satlite Comunicaciones Mviles Ondas infrarrojas y milimtricas Transmisin por ondas de luz FOS (Free Space Optics)


Satlites & Satlites Artificiales Satlite: cuerpo celeste

opaco que solo brilla por la luz reflejada del sol y giraalrededor de un planeta primario [RAE].

Satelite Artificial: es una objeto o nave espacial fabricada por el hombre que orbita/gira en torno a la Tierra u otros cuerpos celestes.


Satlites en rbita Geoestacionaria (GEO)

En 1945 Arthur C. Clarke propuso colocar satlites en una rbita a en la cual se mueve a velocidad constante tal que, para un observador desde la tierra, parece no moverse.

La distancia desde el ecuador es 35,786km y la velocidad es 3,075m/s.

El periodo es T=24x3600s, consecuentemente v=2(35,786km+6,378km)

v = 3,075m/s

[R. N. Vela, Comunicaciones por Satlite, Thompson, 2003. ISBN 970-68-6282-X].


Satlites en rbita Geoestacionaria (GEO)

Para describir la rbita circular, la fuerza gravitacional es la que ejerce la fuerza centrpeta (Fcp). Para determinar la altura de la orbita (hs):

v = 3,075m/s

F =G mems(Re + hs)2= Fcp =

msv 2(Re + hs)

v = G me(Re + hs)=

2 (Re + hs)T

(Re + hs)3 =GmeT

2

2

hs = GmeT

2

23 Re

G = 6.67384 1011 Nm2

kg2

Re = 6378km, me = 5.9722 1024 kg


Comunicaciones por Satelite

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Las telecomunicaciones satelitales permiten brindar servicios globales y son apropiadas para zonas remotas con baja densidad de poblacin que no cuenten con infraestructura de telecomunicaciones terrestres.

Un satlite de comunicacin es una estacin repetidora de microondas. Este es usado para enlazar dos o ms transmisores/receptores de microondas en tierra, conocidos como estaciones terrenas.


Comunicaciones por Satelite

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El satlite recibe transmisiones en una banda de frecuencia (enlace ascendente), amplifica (transmisin analgica) o repite (transmisin digital) la seal, y transmite esta en otra frecuencia (enlace descendente).


Comunicaciones por Satelite Un sistema de comunicacin por Satlite est

compuesto normalmente por :

Satlite, el Canal y, la Estacin Terrena y el Usuario.


Principales subsistemas de un Satlite


Satlite Astrolink


Estacin Terrena


Satlite


Satlite

Diferentes tipos de Satlites

Satlite Regenerativo: Ofrece la posibilidad de procesar las seales en el espacio antes de retransmitirlas hacia la tierra Demodula las seales Conmuta en banda base, de ser necesario Modula las seales Ejecuta las otras funciones del Satlite convencional.


rbitas rbita: Trayectoria que, en el espacio, recorre un cuerpo sometido a la accin gravitatoria ejercida por los astros [RAE].

La rbita puede ser elptica o circular siendo esta ltima un caso particular de la elptica.

En orbitas elpticas el apogeo es el de menor velocidad del satlite, por tanto hay mayor tiempo de observacin desde un ngulo de observacin de la tierra (e.g. Satlite Ruso Molniya en la Figura).


Satellite Orbits Satlites de rbita geoestacionaria (GEO): Distancia: 35,786 Km Perodo de rotacin: 24 hrs (En sincrona con la tierra) Retardo: 370 ms Ejemplo: INTELSAT

INMARSAT ACeS (Asia Cellular Satellite)

rbita: Trayectoria que, en el espacio, recorre un cuerpo sometido a la accin gravitatoria ejercida por los astros [RAE].


Satellite Orbits Satlites de rbita intermedia (MEO): Distancia: 10,000 - 12,000 km Perodo de rotacin: 6 hrs Retardo: 220 ms Ejemplos: Odyssey, 36 Satlites a 10,356 km. ICO-Global, 10 Satlites a 10,355 km.



Satellite Orbits Satlites de rbita intermedia (MEO): Distancia: 10,000 - 12,000 km Perodo de rotacin: 6 hrs Retardo: 220 ms Ejemplos: Odyssey, 36 Satlites a 10,356 km. ICO-Global, 10 Satlites a 10,355 km.

ICO utiliza dos rbitas MEO sobre un plano de 45 grados de inclinacin respecto al ecuador.


Satellite Orbits Satlites de baja rbita (LEO): Distancia:800Km Perodo de rotacin: 90 min- 2 hrs. Retardo: 140-220 ms Ejemplos: Globalstar (48 Satlites a 1400 Km), Iridium (66 Satlites a 780 Km).



Satellite Orbits Satlites de baja rbita (LEO): Distancia:800Km Perodo de rotacin: 90 min- 2 hrs. Retardo: 140-220 ms Ejemplos: Globalstar (48 Satlites a 1400 Km), Iridium (66 Satlites a 780 Km).

Iridum utilza rbitas polares las cuales son rbitas circulares que pasan por los polos (plano de 90 grados de inclinacin con respecto al ecuador).

Note que todos los satelites pasan por los polos.


Comparacin de las Orbitas


Colocacin de Satelistes en Orbitas

Para la puesta en orbita Geoestacionaria se coloca el satlite en orbita circular LEO, luego se transfiere a una orbita elptica cuyo apogeo sea tangente a la orbita definitiva GEO.


Sitios de lanzamiento

1 - Vandenberg 2 - Edwards 3 - Wallops Island 4 - Cape Canaveral 5 - Kourou 6 - Alcantara

7 - Hammaguir 8 - Torrejon 9 - Andoya 10 - Plesetsk 11 - Kapustin Yar

12 - Palmachim 13 - San Marco 14 - Baikonur 15 - Sriharikota 16 - Jiuquan

17 - Xichang 18 - Taiyuan 19 - Svobodny 20 - Kagoshima 21 - Tanegashima 22 - Woomera

Lanzamientos cercanos al ecuador son ms apro-piados para GEO por ahorro de combustible.


Sitios de lanzamiento


Plataformas de Lanzamiento Mviles



Vida Util de un Satelite y Chatarra espacial

El combustible necesario para correcciones de orientacin y posicin en la orbita, luego de varios aos de operacin (e.g. >10 aos) se agota y se debe desactivar/reemplazar.

Con las ltimas reservas de combustible se mueve hacia otra rbita superior y pasa a ser parte de la Chatarra espacial.

GEO


Chatarra en GEO y Polar

Polar

Chatarra espacial: es cualquier forma de objeto creado por el hombre lanzado al espacio que no siga teniendo propsitos tiles: Partes descartables (ej: etapas superiores de cohetes) satlites abandonados partes de naves espaciales (ej. tornilos, juntas) materiales varios (ej, pinturas, aislacin) naves siniestradas (mas de 124 han sido identificadas)


Satellite Band Utilization

L-Band (1-2GHz)

Global Positioning System (GPS) carriers and also satellite mobile phones, such as Iridium; Inmarsat providing communications at sea, land and air; WorldSpace satellite radio.

S-Band (2-4GHz)

Weather radar, surface ship radar, and some communications satellites, especially those of NASA for communication with ISS and Space Shuttle. In May 2009, Inmarsat and Solaris mobile (a joint venture between Eutelsat and Astra) were awarded each a 215 MHz portion of the S-band by the European Commission.

C-Band (4-8GHz)

Primarily used for satellite communications, for full-time satellite TV networks or raw satellite feeds. Commonly used in areas that are subject to tropical rainfall, since it is less susceptible to rainfade than Ku band (the original Telstar satellite had a transponder operating in this band, used to relay the first live transatlantic TV signal in 1962).

X-Band (8-12GHz)

Primarily used by the military. Used in radar applications including continuous-wave, pulsed, single-polarisation, dual- polarisation, synthetic aperture radar and phased arrays. X-band radar frequency sub-bands are used in civil, military and government institutions for weather monitoring, air traffic control, maritime vessel traffic control, defence tracking and vehicle speed detection for law enforcement.

Ku-Band (12-18GHz)

Used for satellite communications. In Europe, Ku-band downlink is used from 10.7 GHz to 12.75 GHz for direct broadcast satellite services, such as Astra.

Ka-Band (26-40GHz)

Communications satellites, uplink in either the 27.5 GHz and 31 GHz bands, and high-resolution, close-range targeting radars on military aircraft.

Satellite Bands


Very Small Aperture Terminals (VSAT )

VSATs VSATs HUB Station

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Principales fuerzas Los satlites se disean para operar bajo los

efectos de diversas fuerzas perturbadoras:



Principales fuerzas Durante los equinoccios se produce altos niveles de

interferencia solar y eclipses. Los eclipses tienen duracin del orden de hasta 70 minutos.



Fuentes de Ruido Estacin Terrena


Interferencia Solar La interferencia solar de RF ocurre cuando estan

alineados el lbulo principal de la estacin terrena, el satlite y el sol.

El ruido es tan alto que no es posible la comunicacin.



Antenas Normalmente la estacin terrena utiliza antenas parablicas y la

estacin satelital utiliza diferentes tipos (e.g. Parablicas, helicoidales, parablicas con superficies perfiladas etc.) y arreglos diseados para una huella geogrfica dada.

Por tanto, el proveedor proporciona las huellas de cobertura de EIRP y G/T.



Orientacin de Estacin Terrena para GEO

Para satlites GEO, al estar sobre el ecuador (latitud 0o), para su posicin basta conocer la Longitud.

Por ejemplo, en la figura Satmex 5 esta en la longitud 116.8 Oeste.


Orientacin de Antena Estacin Terrena

E

N

S O

(Lat=0,Lon_sat)

(Lat_ET, Lon_ET)

donde :C = cos Lat _ ET( )cosLL = Lon _ Sat Lon _ ET = cos1(C)Re = 6,378km (Radio de la tierra)Rorb = Re + hGeo = 42,164 km

= tan1c ReRorbsen

Elevacin


Orientacin de Antena Estacin Terrena

E

N

S O

(Lat=0,Lon_sat)

(Lat_ET, Lon_ET)

= tan1 tan L( )sen Lat _ ET( )

dondeL = Lon _ Sat Lon _ ET( )

El Azimuth depende de la localizacin de la Estacin Terrena : ET en emisferio norte y al oeste del satlite : =180o ET en emisferio Norte y al este del satlite : =180o + ET en emisferio Sur y al Oeste del satlite : = ET en emisferio Sur y al Este del satlite : = 360

Azimuth Primero se calcula:


Link Budget

PRX > PRX,min (Sensitividad)

El clculo esta regido por el clculo de enlaces de microondas, con las prdidas de propagacin de espacio libre, atenuacin por absorcin atmosfrica, atenuacin por lluvia prdidas por apuntalamiento de la antena de la estacin terrena hacia el satlite.

LNA LNA (PRX/N)s (P/N)i

Atenuacin Ruido

dTS

Atenuacin Ruido

dTS


Link Budget

Lp = Lfs + La.a + Llluvia + Lapuntalamient0dondeLfs = 92.44 + 20log dTS (km)( ) + 20log( f (GHz))La.a. = Atenuacin por absorcin atmosfricaLlluvia = Atenuacin por lluviaLapuntalamiento = perdidas por apuntalamiento de antena

PRX > PRX,min (Sensitividad)

En el enlace descendente, la EIRP es proporcionada por el proveedor satelital mediante mapas de contornos.

LNA LNA

Atenuacin Ruido

Atenuacin Ruido

(PRX/N)s (P/N)i

dTS dTS


Free Space Loss

Lfs = 92.44 + 20log dTS (km)( ) + 20log( f (GHz))

La distancia entre el satelite y la estacin terrena se denomina Rango, dTS , y se determina basados en las coordenadas geogrficas para determinar las prdidas de espacio libre.

LNA LNA

Atenuacin Ruido

Atenuacin Ruido

(PRX/N)s (P/N)i

dTS dTS

dTS = 35,786 1.4199 0.4199cosdonde = cos1 cos Lat _ ET( )cos L( )[ ] & L = Lon _ Sat Lon _ ET


Atenuacin por Absorcin Atmosfrica(1/2)

Es la atenuacin causada por los gases de la atmsfera y se intensifican en las frecuencias de resonancia del vapor de agua (H2O) y el oxigeno (O2).

En las bandas satelitales, la banda Ka es la de mayor afectacin (


Atenuacin por Absorcin Atmosfrfica(2/2)

Para ngulos de elevacin de 10o a 90:

Ate

nuac

in

tota

l cen

ital,

L cen

it (dB

)

[ITU P.676, Atenuation by Atmosferic Gases, Sept., 2013].

La.a[ ]dB =Lcenit[ ]dBsen

Lcenit Atenuacion cenital total Angulo de elevacin


Atenuacin por Lluvia(1/4)

La lluvia atenua la OEM en la regin del aire donde esta lloviendo.

La atenuacin de la seal es una funcin de la frecuencia y de la intensidad de la lluvia medida en mm/h, Rx%.

Conforme la longitud de onda se aproxima al tamao de las gotas la atenuacin aumenta.

Asi mismo, una parte de la energa se dispersa al chocar con las gotas de agua.



Atenuacin por Lluvia(2/4) La atenuacin por lluvia esta dada por


= aR0.01b [dB/km]dondeR0.01% es la intensidad de la lluvia excedida 0.01% de tiempo en un ao

Para polarizacion cruzada :ac =

ah + av2 , bc =

ahbh + avbv2ac

a = 4.21105 f 2.42 2.9GHz f 54GHb =1.41 f 0.0779 8.5GHz f 25GHz

Una aproximacin para a y b es:



La distancia total de lluvia, d, para ngulos de elevacin >=10


Llluvia0.01 = d r0.01donde

d = hr hosen

hr =3+ 0.028 lat [km], 0o lat < 36o4 0.075(lat 36o) [km], lat 36

latLatitud de estacin terrena en grados decimales.r0.01 =

11+ d35e0.015R0.01

cos



Llluvia0.01 = d r0.01 = aR0.01b [dB/km]


Atenuacin por Lluvia Porcentaje del tiempo excedido en un ao (%) y equivalencia en minutos acumulados

Intensidad de Lluvia que es excedida (mm/h)

A B C D E F G H J K L M N P 0.1 526 2 3 5 8 6 8 12 10 20 12 15 22 35 65

0.01 53 8 12 15 19 22 28 30 32 35 42 60 63 95 145

0.001 5.3 22 32 42 42 70 78 65 83 55 100 150 120 180 250

Anteriormente se utilizaba esta curva sobre 14 zonas. Nicaragua corresponde a la P con una intensidad de lluvia excedida 0.01%de 145 mm/h al ao.


High Altitude PlatForm (HAP)

Sanswire Stratellite

Artefactos areos cuasi-estacionarios colocados a altitudes entre 17km y 22 km sobre el nivel del mar (estratsfera), la cual es mucho menor que los satlites. Operan varias horas o das y en el futuro podrian dar servicio por aos.

Han sido desarrollados para cubrir regiones de menor rea que un satlite de comunicaciones.

Aplicaciones: High speed wireless communications Environment/weather monitoring Surveillance and intelligence gathering

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