Principios de las comunicaciones por satélite

UN satellite es un cuerpo que se mueve alrededor de otro cuerpo en un camino matemáticamente predecible llamado Orbit. Un satélite de comunicaciones no es más que una estación repetidora de microondas en el espacio que es útil en telecomunicaciones, radio y televisión junto con aplicaciones de Internet.

UN repeateres un circuito que aumenta la fuerza de la señal que recibe y la retransmite. Pero aquí este repetidor funciona comotransponder, que cambia la banda de frecuencia de la señal transmitida, de la recibida.

La frecuencia con la que se envía la señal al espacio se llama Uplink frequency, mientras que la frecuencia con la que lo envía el transpondedor es Downlink frequency.

La siguiente figura ilustra este concepto claramente.

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, tales como:

  • Flexibility

  • Facilidad para instalar nuevos circuitos

  • Las distancias se cubren fácilmente y el costo no importa

  • Posibilidades de retransmisión

  • Todos y cada uno de los rincones de la tierra están cubiertos

  • El usuario puede controlar la red

Comunicación por satélite: desventajas

La comunicación por satélite tiene los siguientes inconvenientes:

  • Los costos iniciales, como los costos de segmento y lanzamiento, son demasiado altos.

  • Congestión de frecuencias

  • Interferencia y propagación

Comunicación por satélite: aplicaciones

La comunicación por satélite encuentra sus aplicaciones en las siguientes áreas:

  • En radiodifusión.

  • En retransmisiones televisivas como DTH.

  • En aplicaciones de Internet como proporcionar conexión a Internet para transferencia de datos, aplicaciones de GPS, navegación por Internet, etc.

  • Para comunicaciones de voz.

  • Para el sector de la investigación y el desarrollo, en muchas áreas.

  • En aplicaciones y navegaciones militares.

La orientación del satélite en su órbita depende de las tres leyes llamadas leyes de Kepler.

Leyes de Kepler

Johannes Kepler (1571-1630), el científico astronómico, dio 3 leyes revolucionarias con respecto al movimiento de los satélites. El camino seguido por un satélite alrededor de su primario (la tierra) es unellipse. La elipse tiene dos focos:F1 y F2, siendo la tierra uno de ellos.

Si se considera la distancia desde el centro del objeto hasta un punto en su trayectoria elíptica, entonces el punto más alejado de una elipse desde el centro se llama como apogee y el punto más corto de una elipse desde el centro se llama como perigee.

Primera ley de Kepler

La ley de Kepler establece que "todo 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 eje semi menor se denota como b. Por lo tanto, la excentricidad e de este sistema se puede escribir como:

$$ e = \ frac {\ sqrt {a ^ {2} -b ^ {2}}} {a} $$

  • Eccentricity (e) - Es el parámetro que define la diferencia en la forma de la elipse en lugar de la de un círculo.

  • Semi-major axis (a) - Es el diámetro más largo dibujado que une los dos focos a lo largo del centro, que toca ambos apogeos (puntos más alejados de una elipse del centro).

  • Semi-minor axis (b) - Es el diámetro más corto dibujado por el 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, 0 <e <1 porque si e se convierte en cero, la ruta ya no tendrá forma elíptica, sino que se convertirá en una ruta circular.

Segunda ley de Kepler

La segunda 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 cubre p1 y p2 distancias, en el mismo intervalo de tiempo, entonces las áreas B1 y B2 cubiertos en ambos casos respectivamente, son iguales.

Tercera ley de Kepler

De Kepler 3 rd ley establece que: “El cuadrado del tiempo periódico de la órbita es proporcional al cubo de la distancia media entre los dos cuerpos.”

Esto se puede escribir 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 = constante gravitacional geocéntrica de la Tierra, es decir, Μ = 3.986005 × 10 14 m 3 / seg 2

$$ 1 = \ left (\ frac {2 \ pi} {T} \ right) ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} $$

$$ 1 = n ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} \: \: \: \ Rightarrow \: \: \: a ^ {3} = \ frac {\ mu} {n ^ {2}} $$

Dónde 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.

Junto con estos, hay algo importante que debe tenerse en cuenta. Un satélite, cuando gira alrededor de la Tierra, sufre una fuerza de tracción de la Tierra que es la fuerza gravitacional. Además, experimenta cierta fuerza de tracción del sol y la luna. Por tanto, hay dos fuerzas que actúan sobre él. Ellos son -

  • Centripetal force - La fuerza que tiende a atraer un objeto que se mueve en una trayectoria, hacia sí mismo se llama centripetal force.

  • Centrifugal force - La fuerza que tiende a empujar un objeto que se mueve en una trayectoria, lejos de su posición se llama centrifugal force.

Por tanto, un satélite tiene que equilibrar estas dos fuerzas para mantenerse en su órbita.

Órbitas terrestres

Un satélite, cuando se lanza al espacio, debe colocarse en una determinada órbita para proporcionar una vía particular para su revolución, a fin de mantener la accesibilidad y cumplir su propósito, ya sea científico, militar o comercial. Las órbitas asignadas a satélites con respecto a la Tierra se denominanEarth Orbits. Los satélites en estas órbitas son la Tierra.Orbit Satellites.

Los tipos importantes de órbitas terrestres son:

  • Órbita terrestre geo síncrona

  • Órbita terrestre media

  • Orbita terrestre baja

Satélites geosincrónicos en órbita terrestre

UN Geo-Synchronous Earth Orbit (GEO)satélite es uno que se coloca a una altitud de 22,300 millas sobre la Tierra. Esta órbita está sincronizada con unaside real day(es decir, 23 horas 56 minutos). Esta órbita puedehave inclination and eccentricity. Puede que no sea circular. Esta órbita se puede inclinar en los polos de la tierra. Pero parece estacionario cuando se observa desde la Tierra.

La misma órbita geo-síncrona, si es circular y en el plano del ecuador, se llama como geo-stationary orbit. Estos satélites se sitúan a 35.900 km (igual que los geosincrónicos) sobre el ecuador terrestre y siguen girando con respecto a la dirección terrestre (de oeste a este). Estos satélites se consideran estacionarios con respecto a la tierra y, por lo tanto, el nombre lo indica.

Los satélites geoestacionarios de órbita terrestre se utilizan para pronósticos meteorológicos, televisión por satélite, radio por satélite y otros tipos de comunicaciones globales.

La siguiente figura muestra la diferencia entre las órbitas geosíncronas y geoestacionarias. El eje de rotación indica el movimiento de la Tierra.

Note- Cada órbita geoestacionaria es una órbita geo-sincrónica. Pero cada órbita geo-sincrónica NO es una órbita geo-estacionaria.

Satélites de órbita terrestre media

Medium Earth Orbit (MEO)Las redes de satélites orbitarán a distancias de aproximadamente 8000 millas de la superficie terrestre. Las señales transmitidas desde un satélite MEO viajan una distancia más corta. Esto se traduce en una potencia de señal mejorada en el extremo receptor. Esto muestra que se pueden utilizar terminales receptores más pequeños y ligeros en el extremo receptor.

Dado que la señal viaja una distancia más corta hacia y desde el satélite, hay menos demora en la transmisión. Transmission delay se puede definir como el tiempo que tarda una señal en viajar hasta un satélite y volver 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 requiere menos de 0,1 segundos para completar el mismo viaje. Los MEO funcionan en el rango de frecuencia de 2 GHz y superior.

Satélites de órbita terrestre baja

Los satélites de órbita terrestre baja (LEO) se clasifican principalmente en tres categorías, a saber, pequeños LEO, grandes LEO y Mega-LEO. Los LEO orbitarán a una distancia de 500 a 1000 millas sobre la superficie de la tierra.

Esta distancia relativamente corta reduce la demora de transmisión a solo 0.05 segundos. Esto reduce aún más la necesidad de equipos de recepción sensibles y voluminosos. Los pequeños LEO operarán en el rango de 800 MHz (0,8 GHz). Los grandes LEO operarán en el rango de 2 GHz o superior, y los Mega-LEO operan en el rango de 20-30 GHz.

Las frecuencias más altas asociadas con Mega-LEOs se traduce en una mayor capacidad de transporte de información y cede a la capacidad del esquema de transmisión de video en tiempo real y de bajo retardo.

La siguiente figura muestra las rutas de LEO, MEO y GEO.