EL MUNDO DE LOS SATELITES DE COMUNICACIONES

¿QUE ES UN SATELITE DE COMUNICACIONES?
Para saber lo que es un satélite de comunicación primero debemos saber simplemente que es satélite. Los satélites son equipos espaciales que contienen en su interior equipo de recepción y transmisión de señales. Están ubicados a 36,000 kilómetros de distancia de la Tierra, alineados en el Ecuador. Reciben y emiten señales de telecomunicaciones en una zona definida del planeta por medio de sus antenas. Una vez que el satélite recibe la señal, la amplifica y la cambia a una frecuencia diferente a la que fue recibida, y después la re-transmite a la Tierra.
Un satélite también puede definirse como un repetidor de radio en el cielo (transponder), un sistema satelital consiste de un transponder, una estación basada en tierra, para controlar su funcionamiento, y una red de usuario, de las estaciones terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y recepción del trafico de comunicaciones, a través del sistema de satélite.
Las transmisiones de satélite se catalogan como bus o carga útil. La de bus incluye mecanismos de control que apoyan la operación de carga útil. La de carga útil es la información del usuario que será transportada a través del sistema.
En el caso de radiodifusión directa de televisión vía satélite el servicio que se da es de tipo unidireccional por lo que normalmente se requiere una estación transmisora única, que emite los programas hacia el satélite, y varias estaciones terrenas de recepción solamente, que toman las señales provenientes del satélite. Existen otros tipos de servicios que son bidireccionales donde las estaciones terrenas son de transmisión y de recepción.
Uno de los requisitos más importantes del sistema es conseguir que las estaciones sean lo más económicas posibles para que puedan ser accesibles a un gran número de usuarios, lo que se consigue utilizando antenas de diámetro chico y transmisores de baja potencia. Sin embargo hay que destacar que es la economía de escala (en aquellas aplicaciones que lo permiten) el factor determinante para la reducción de los costos.
Un satélite de comunicación es un satélite artificial estacionado en el espacio con el propósito de servir a telecomunicaciones usando frecuencias de radio y microondas. Muchos de ellos están en órbitas geosincronizadas o geoestacionarias, aunque algunos sistemas recientes usan orbitas más bajas. Un satélite de baja órbita (LEO en inglés) es un  satélite en el que el semieje mayor de su órbita es menor que el de una órbita geoestacionaria.
¿CUÁNTOS SATÉLITES HAY EN ÓRBITA?
Si contamos únicamente los satélites de comunicación comercial ubicados en el plano del Ecuador, hay alrededor de 220 satélites.
¿QUÉ MATERIALES SE EMPLEAN EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS SATÉLITES Y QUÉ CARACTERÍSTICAS TIENEN?
Se emplean materiales ligeros como el grafito, el kevlar, paneles de aluminio y el titanio. Estos materiales permiten una estructura ligera y muy resistente, lo que reduce su peso total y facilita su lanzamiento al espacio. No se deforman con grandes cambios de temperatura, lo que permite al satélite soportar el estrés del lanzamiento: tanto la presión ejercida por el empuje del lanzador como las ondas acústicas de gran intensidad que generan los motores del cohete.

¿POR QUÉ TIENEN ESA FORMA LOS SATÉLITES?
 Su forma define el método de estabilidad que utiliza el satélite. La estabilidad se logra por giro en los satélites cilíndricos, o por el control de sus tres ejes en los satélites triaxiales. Los cilíndricos son muy estables y fáciles de controlar, pero su capacidad de comunicación es menor que la de los triaxiales. Un triaxial genera más energía eléctrica ya que contiene más celdas solares instaladas en paneles solares extensibles.

¿CUÁNTO DURA UN SATÉLITE?
Un satélite se diseña para tener una vida operacional de entre 10 y 15 años y depende del combustible que lleva a bordo. El combustible se utiliza para realizar maniobras de corrección de posición orbital y la optimización de su uso permitirá al satélite tener una vida útil más larga.

¿CUÁNTO MIDE UN SATÉLITE?
Los satélites cilíndricos pueden llegar a medir 5 metros de largo por 3 metros de diámetro. Los satélites triaxiales o de cubo miden entre 26 y 36 metros de largo cuando tienen sus paneles solares extendidos, y aproximadamente 7 metros de antena a antena. El cubo o rectángulo que contiene el equipo mide aproximadamente 3 por 3.5 metros. Cada fabricante ofrece diferentes modelos con dimensiones distintas. El tamaño depende básicamente de su capacidad de comunicación.

¿CUÁNTO PESA UN SATÉLITE?
Hay dos formas de pesar al satélite: como masa seca cuando se integran los dispositivos y unidades de los diferentes subsistemas del satélite; y como masa total, que es cuando se agrega combustible a los tanques, ya en el sitio de lanzamiento. La masa total de un satélite varía entre 1.3 y 6 toneladas y es la que realmente se lanza al espacio.

¿CUÁNTO CUESTA UN SATÉLITE?
El precio de un satélite depende de muchas variables. La más importante es su capacidad de comunicación y cobertura, ya que ésta determina la potencia eléctrica que debe generar. El precio varía en un rango de entre 70 y 200 millones de dólares, sin incluir el costo del lanzamiento ni del seguro. Si se incluyen estos costos, el precio puede llegar a ser de hasta 350 millones de dólares.

¿CÓMO FUNCIONA UN SATÉLITE?
Un satélite tiene 2 secciones: el Sistema de Comunicaciones o payload, y el Sistema de Plataforma o BUS. El BUS proporciona potencia eléctrica, orientación, estabilidad, capacidad de control y de configuración al payload. El payload es el subsistema que se utilizan para los diferentes servicios y aplicaciones, como voz y datos, radiodifusión sonora y de televisión, internet, telefonía rural y otros servicios.

MODELOS DE ENLACE DEL SISTEMA SATELITAL.-

Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una subida, un transponder satelital y una bajada.

• Modelo de subida
El principal componente dentro de la sección de subida, de un sistema satelital, es el transmisor de la estación terrena. Un típico transmisor de la estación terrena consiste de un modulador de IF, un convertidor de microondas de IF a RF, un amplificador de alta potencia (HPA) y algún medio para limitar la banda del espectro de salida (por ejemplo un filtro pasa-banda de salida).
La Figura 1 muestra el diagrama a bloques de un transmisor de estación terrena satelital. El modulador de IF convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia intermedia modulada e FM, en PSK o en QAM. El convertidor (mezclador y filtro pasa-banda) convierte la IF a una frecuencia de portadora de RF apropiada. El HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia de salida para propagar la señal al transponder del satélite. Los HPA comúnmente usados son klystons y tubos de onda progresiva.

Figura 1. Modelo de subida del satélite.

• Transponder
Un típico transponer satelital consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un translator de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida.
La Figura 2 muestra un diagrama a bloques simplificado de un transponder satelital. Este transponder es un repetidor de RF a RF.
Otras configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de banda base, semejantes a los utilizados en los repetidores de microondas.
La salida del LNA alimenta un translador de frecuencia (un oscilador de desplazamiento y un BPF), que se encarga de convertir la frecuencia de subida de banda alta a una frecuencia de bajada de banda baja.
El amplificador de potencia de bajo nivel, que es comúnmente un tubo de ondas progresivas (TWT), amplifica la señal de RF para su posterior transmisión por medio de la bajada a los receptores de la estación terrena.

• Modelo de bajada
Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. La Figura 3 muestra un diagrama a bloques de un receptor de estación terrena típico. Nuevamente el BPF limita la potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de diodo túnel o un amplificador paramétrico. El convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezclador/pasa-bandas que convierte la señal de RF a una frecuencia de IF.

Satélites orbítales

Los satélites asíncronos, también llamados orbítales, giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite esta 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 progrado. Si el satélite esta 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 retrogrado.
De esta manera, los satélites asíncronos esta alejándose continuamente o cayendo a tierra y no permanecen estacionarios en relación a ningún punto en particular de la Tierra. Por lo tanto los satélites asíncronos se tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo, como 15 minutos por órbita.

Otra desventaja de los satélites orbítales es la necesidad de equipo complicado y costoso para rastreo en las estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe localizar el satélite conforme está disponible en cada órbita y después unir sus antenas 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 para mantenerlos en sus órbitas respectivas.
Otros parámetros característicos de los satélites orbítales, son el apogeo y perigeo. El apogeo es la distancia más lejana, de la Tierra, que un satélite orbital alcanza, el perigeo es la distancia mínima; la línea colateral, es la línea que une al perigeo con el apogeo, en el centro de la Tierra.
En la Figura 4 se observa la órbita del satélite Soviético Molniya la cual es altamente elíptica, con un apogeo de aproximadamente 40000 km y un perigeo de aproximadamente 1000 km.

Satélites geoestacionarios
Los satélites geoestacionarios o geosincronos son satélites que giran en un patrón circular, con una velocidad angular igual a la de la Tierra. Por lo tanto permanecen en una posición fija con respecto a un punto específico en la Tierra. Una ventaja obvia es que están disponibles para todas las estaciones de la Tierra, dentro de su sombra, el 100% de las veces. La sombra de un satélite incluye a todas las estaciones de la Tierra que tienen un camino visible a el y están dentro del patrón de radiación de las antenas del satélite. Una desventaja obvia es que a bordo, requieren de dispositivos de propulsión sofisticados y pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de órbita de un satélite geoesincrono es de 24 h, igual que la Tierra.

• Parámetros típicos de la órbita geoestacionaria.
Es posible calcular algunos parámetros típicos de la órbita geoestacionaria, tales como la altura del satélite, o la velocidad del mismo, partiendo de las leyes básicas de la Física.
Un satélite geoestacionario tiene un periodo de rotación igual al de la Tierra, por lo tanto deberemos saber con exactitud dicho periodo de rotación. Para ello se considera el día sidéreo, que es el tiempo de rotación de la Tierra medido con respecto a una estrella lejana y que difiere del día solar o medido con respecto al sol.
La duración de este día sidéreo es de 23h 56 min. 4.1seg.

Parámetros de la órbita geoestacionaria
Radio medio de la Tierra.	6370 Km.
Periodo de rotación (Tierra y satélite).	23h 56min 4.1seg
Radio de la órbita geoestacionaria.	42173 Km.
Altura del satélite sobre la Tierra.	35803 Km.
Velocidad del satélite.	3.075 Km./seg.

Patrones orbítales
Una vez lanzado, un satélite permanece en órbita debido a que la fuerza centrifuga, causada por su rotación alrededor de la Tierra, es contrabalanceada por la atracción gravitacional de la Tierra. Cuanto mas cerca gire de la Tierra, más grande es la atracción gravitacional y mayor será la velocidad requerida para mantenerlo alejado de la Tierra. Los satélites de baja altitud tienen órbitas cercanas a la Tierra (160 a 480 Km. de altura), viajan aproximadamente a 28160 Km. por hora. A esta velocidad, se requiere aproximadamente de 1 hora y media para girar alrededor de toda la Tierra. Consecuentemente el tiempo que el satélite esta visible en una estación terrestre en particular, es solamente un cuarto de hora o menos por órbita. Los satélites de altitud media (9600 a 19300 Km. de altura), tienen un periodo de rotación de 5 a12 h y permanecen a la vista de una estación terrestre específica de 2 a 4 horas por órbita. Los satélites geosincronos de alta altitud (30570 a 40200 Km. de altura), viajan aproximadamente a 11070 Km. por hora y tiene un periodo de rotación de 24 h, exactamente el mismo que la Tierra. De esta manera, permanecen en una posición fija, con respecto a una estación de la Tierra especifica y tienen un tiempo de disponibilidad de 24 horas.

La Figura 5 muestra los tres trayectos que un satélite puede tomar, conforme gira alrededor de la Tierra. Cuando el satélite gira en una órbita arriba del ecuador, se llama órbita ecuatorial. Cuando el satélite gira en una órbita que lo lleva arriba de los polos norte y sur, se llama órbita polar. Cualquier otro trayecto orbital se llama órbita inclinada. Un nodo ascendente, es el punto en donde la órbita cruza el plano ecuatorial de sur a norte; un nodo descendente, es el punto donde la órbita cruza el plano ecuatorial de norte a sur. La línea que une a los nodos ascendentes y descendentes por el centro de la Tierra, se llama línea de nodos.

CLASIFICACIONES DE LOS SATELITES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIONES DE FRECUENCIAHay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites spinners, utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para proporcionar una estabilidad de giro. Con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo permanece fijo en relación a la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema interno proporciona una estabilización de giro. La Figura 6 muestra las dos clasificaciones principales de los satélites de comunicación.

Los satélites geosincronos deben compartir un espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un arco especifico en una órbita geoestacionaria. A cada satélite de comunicación se asigna una longitud en el arco geoestacionario, aproximadamente a 36.000 Km., arriba del ecuador. La posición en la ranura depende de la banda de frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites trabajando, en o casi la misma frecuencia, deben estar lo suficientemente separados en el espacio para evitar interferir uno con otro (Figura 7). Hay un limite realista del numero de estructuras satelitales que pueden estar estacionadas, en un área especifica del espacio.

La separación espacial requerida depende de las siguientes variables:

1) Ancho de haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas del satélite.
2) Frecuencia de la portadora de RF.
3) Técnica de codificación o de modulación usada.
4) Limites aceptables de interferencia.
5) Potencia de la portadora de transmisión.