SATELITES DE COMUNICACIONES

La primer idea que sugirió el establecimiento de comunicaciones mediante un satélite puede situarse en 1945, cuando el escritor Arthur C. Clarke publicó un artículo que abordaba la posibilidad de enviar y recibir señales de un lugar a otro del planeta situando una estación en el espacio a nivel del Ecuador terrestre y a una distancia de aproximadamente 36.000 Km., de forma que esa estación apareciera como si estuviera fija respecto de la Tierra. A esta órbita se la llama órbita o cinturón de Clarke o, mas científicamente, órbita terrestre Geoestacionaria (GEO).

 En la década de 1950 y al inicio de la de 1960, se hicieron intentos por establecer sistemas de comunicaciones rebotando señales en globos meteorológicos metalizados pero, desafortunadamente, las señales recibidas fueron muy débiles para tener un uso práctico. Después, la Armada de Estados Unidos notó en el cielo una especie de globo meteorológico permanente –la Luna– y construyó un sistema funcional de comunicaciones entre los barcos y tierra firme rebotando señales en ella.

 El progreso en el campo de la comunicación satelital tuvo que esperar hasta el lanzamiento del primer satélite Telstar I en 1962, el cual se dañó al poco tiempo como consecuencia de las radiaciones del recién descubierto cinturón de van Allen y fue dos años después, en 1964, en que se lanzó un nuevo satélite, el Telstar II, a partir de donde se viene trabajando con transmisiones satelitales de telefonía, TV, fax y datos. La diferencia entre un satélite artificial y uno real es que el artificial puede ampliar las señales antes de devolverlas.

 Los satélites de comunicaciones tienen algunas propiedades interesantes que los hacen atractivos para muchas aplicaciones, ya que se los puede ver como una gran repetidora de microondas en el cielo. Un satélite contiene varios transponders, cada uno de los cuales capta alguna porción del espectro, amplifica la señal de entrada y después la redifunde a otra frecuencia para evitar la interferencia con la señal original. Los haces retransmitidos pueden ser amplios y cubrir una fracción sustancial de la superficie de la Tierra, o estrechos y cubrir un área de sólo cientos de kilómetros de diámetro.

Los sistemas tradicionales de comunicaciones vía satélite se basan en la idea de A. Clarke, las señales se transmiten entre las diferentes estaciones terrestres mediante un satélite situado en una determinada órbita de la Tierra. Estas señales viajan sobre una onda portadora en el margen de microondas y permiten transportar grandes cantidades de información al mismo tiempo que pueden focalizarse en haces extremadamente estrechos, lo que las hace especialmente apropiadas para las comunicaciones.

Esta focalización se realiza, mediante una antena, en un haz muy estrecho que se dirige al satélite. Cuando el satélite recibe el haz, las señales son extremadamente débiles debido al camino recorrido, por lo que debe amplificarlas para compensar la pérdida de potencia sufrida durante la transmisión por el espacio; tras amplificar el haz lo retransmite a la Tierra, en concreto, a las estaciones receptoras que deben recibir la señal. En este sentido, el satélite actúa como una estación repetidora en el espacio.

Cuando el satélite está diseñado únicamente para esta función de repetidor, es decir, para acoger la señal y retransmitirla otra vez a la tierra, se dice que el satélite es transparente. Los avances en la tecnología han permitido agregar a esta función básica inherente funciones de valor añadido en términos de control y comando de los circuitos de microondas del satélite, así como de procesamiento on-board, entre otros.

En el contexto de la transmisión se utilizan dos conceptos fundamentales: el enlace ascendente o uplink y el enlace descendente o downlink. El modo en que se utilizan estos enlaces es el siguiente. En la estación terrestre, la señal se superpone a la portadora a una determinada frecuencia y se envía al satélite (enlace ascendente); en el satélite, una vez que se ha amplificado la señal, se superpone a una portadora a una frecuencia diferente de la anterior y se envía a la Tierra (enlace descendente).

Bandas de frecuencia

El espectro electromagnético es un problema con el que todos nos enfrentamos. Los nombres más comunes para ciertas bandas frecuenciales datan de antes de la Segunda Guerra Mundial.

Aunque el IEEE intente imponer una convención de nombres estándares fáciles de usar, lo cierto es que la mayoría de las personas del sector se refieren a los segmentos del espectro de radio por una clasificación de bandas basadas en letras (que en general son imprecisas). En la Segunda Guerra Mundial, los desarrolladores de radares de los Estados Unidos y Gran Bretaña nombraron partes del espectro con letras, tales como la Banda L, Banda C, Banda Ku o Banda Ka. Las letras fueron escogidas de forma aleatoria, para que el enemigo no pudiera saber sobre lo que estaban hablando. Durante los siguientes años hubo discrepancias sobre los nombres y sus inconsistencias.

La banda C fue la primera en destinarse al tráfico comercial por satélite; en ella se asignan dos intervalos de frecuencia, el más bajo para tráfico de enlaces descendentes (desde el satélite) y el superior para tráfico de enlaces ascendentes (hacia el satélite). Para una conexión dúplex se requiere un canal en cada sentido. Estas bandas ya están sobre pobladas porque también las usan las portadoras comunes para enlaces terrestres de microondas.

La banda Ku es la banda más alta disponible para las portadoras de telecomunicaciones comerciales. Esta banda no está congestionada aún y a estas frecuencias los satélites pueden estar espaciados tan cerca como 1 grado. Esta banda proporciona más potencia que la C y, en consecuencia, el plato de la antena receptora puede ser más pequeño, del orden de 1.22 metros de diámetro, aunque la cobertura es mayor. A la banda Ku, no le afectan las interferencias terrestres, pero sí las turbaciones meteorológicas, por ejemplo, la lluvia, que produce distorsiones y ruido en la transmisión. Las tormentas fuertes casi nunca abarcan áreas extensas, de modo que con usar varias estaciones terrestres ampliamente separadas en lugar de una sola se puede resolver el problema, a expensas de gastar más en antenas, cables y circuitos electrónicos para conmutar con rapidez entre estaciones.

Con la banda Ka se espera paliar la creciente saturación de las bandas C y Ku.

Orbitas

Las distintas órbitas a las que se pueden situar los satélites, y de las que depende, en cierta manera, el tipo de servicio prestado y el tamaño necesario de la antena del equipo receptor son:

LEO (Low Earth Orbit), ICO (Intermediate Circular Orbit). También denominado MEO (Medium Earth Orbit), HEO (Highly Elliptical Orbit)., GEO (Geosynchronous Earth Orbit).

Componentes y aplicaciones VSAT

Una vez fijado el satélite en su órbita, se envían las señales desde la estación terrena al satélite que actúa como retransmisor, de tal manera que pueda ser captada por los equipos de recepción (VSAT) situados en tierra o en aeronaves.

Los componentes de un sistema VSAT (Very Small Aperture Terminal) son la antena parabólica (reflector más iluminador) y el amplificador de bajo ruido (LNA) que constituyen la unidad exterior, y el receptor de señal o unidad interior que consta de los moduladores/demoduladores, codificador y puerto de conexión.

La antena parabólica suele tener un diámetro comprendido entre 0,5 y 3 metros, dependiendo del nivel de señal recibido en el lugar, que está directamente ligado a la potencia de emisión del satélite, la banda de frecuencia a la que trabaje y a la órbita en la que se encuentre.

Los sistemas VSAT se han ido extendiendo conforme su precio ha disminuido, popularizándose de tal manera que son ya numerosos los hogares que disponen de uno de ellos para recibir señales de televisión, con los que se pueden captar más de 100 emisiones distintas, abiertas o codificadas, correspondientes a varios países, del mismo o distinto continente.

Los sistemas VSAT son un complemento de los sistemas terrenos, vía cable o radio, permitiendo una cobertura amplia y un despliegue inmediato, con lo que se presentan como muy adecuados para zonas con una pobre infraestructura y con un costo del servicio independiente de la distancia a la que se encuentren los usuarios. Un sistema de este tipo se puede emplear para múltiples aplicaciones, como puede ser el servicio telefónico, la radiodifusión de TV, transmisión de datos, servicios de emergencia y de localización GPS, meteorología, etc., aunque las más comunes suelen ser las unidireccionales (difusión punto-multipunto), ya que en este caso los terminales son más simples y económicos.

Algunos ejemplos típicos del uso de los sistemas VSAT, además de los de difusión de televisión y telefonía, son:

- Para grandes compañías multinacionales

Intercambio de datos entre todas sus oficinas;

Correo electrónico instantáneo para todos sus empleados;

Nivel de seguridad mayor que la que ofrecen los sistemas terrenos;

Videoconferencia de alta calidad para tele reuniones.

- Para los Proveedores de Servicio Internet (ISP)

Acceso a alta velocidad a los grandes nodos de Internet;

Difusión con una cobertura instantánea para grandes áreas.

En definitiva, con el uso masivo de satélites para el establecimiento de servicios de telecomunicaciones, es previsible que se abaraten sus costos, se pueda dar una cobertura universal y los usuarios se beneficien con una serie de ventajas que sin ellos no serían posibles, aunque hay que tener en cuenta que el espacio no es infinito y ya es mucho lo que está flotando por él, lo que en un futuro cercano puede limitar seriamente el lanzamiento de nuevos satélites de comunicaciones.

 CRONOLOGIA DE LOS PRINCIPALES SATELITES DE COMUNICACIONES
(Fuente: NASA)

1945 Arthur C. Clarke Article: "Extra-Terrestrial Relays"

1955 John R. Pierce Article: "Orbital Radio Relays"

1956 First Trans-Atlantic Telephone Cable: TAT-1

1957 Sputnik: Russia launches the first earth satellite.

1960 1st Successful DELTA Launch Vehicle

1960 AT&T applies to FCC for experimental satellite communications license

1961 Formal start of TELSTAR, RELAY, and SYNCOM Programs

1962 TELSTAR and RELAY launched

1962 Communications Satellite Act (U.S.)

1963 SYNCOM launched

1964 INTELSAT formed

1965 COMSAT's EARLY BIRD: 1st commercial communications satellite

1969 INTELSAT-III series provides global coverage

1972 ANIK: 1st Domestic Communications Satellite (Canada)

1974 WESTAR: 1st U.S. Domestic Communications Satellite

1975 INTELSAT-IVA: 1st use of dual-polarization

1975 RCA SATCOM: 1st operational body-stabilized comm. satellite

1976 MARISAT: 1st mobile communications satellite

1976 PALAPA: 3rd country (Indonesia) to launch domestic comm. satellite

1979 INMARSAT formed.

1988 TAT-8: 1st Fiber-Optic Trans-Atlantic telephone cable

Historia del GPS

SISTEMA TRANSIT

Primer sistema de navegación basado en satélites. Entrada en servicio en 1965. Al principio de los 60 los departamentos de defensa, transporte y la agencia espacial norteamericanas (DoD, DoT y NASA respectivamente) tomaron interés en desarrollar un sistema para determinar la posición basado en satélites.

 El sistema debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del globo; continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para posibilitar su uso en aviación y precisión. Esto llevó a producir diferentes experimentos como el Timation y el sistema 621B en desiertos simulando diferentes comportamientos. El sistema TRANSIT estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja, a una altura de 1074 Km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiéndose acceder a los satélites cada 1.5 h. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente.

CONSTELACIÓN TRANSIT

TRANSIT trabajaba con dos señales en dos frecuencias, para evitar los errores debidos a la perturbación ionosférica. El cálculo de la posición se basaba en la medida continua de la desviación de frecuencia Doppler de la señal recibida y su posterior comparación con tablas y gráficos. El error de TRANSIT estaba en torno a los 250 m. Su gran aplicación fue la navegación de submarinos y de barcos.

NAVSTAR. Sistema de posicionamiento global (GPS)

TRANSIT tenía muchos problemas. La entonces URSS tenía un sistema igual que el TRANSIT, de nombre TSICADA. Había que dar un gran salto. La guerra fría fomentaba invertir unos cuantos billones de pesetas en un revolucionario sistema de navegación, que dejara a la URSS definitivamente atrás.

 Se concibió un sistema formado por 24 satélites en órbita media, que diera cobertura global y continua. ROCKWELL  (California) se llevó uno de los contratos más importantes de su época, con el encargo de 28 satélites. El primer satélite se lanzó en 1978, y se planificó tener la constelación completa ocho años después. Unido a varios retrasos, el desastre de la lanzadera Challenger paró el proyecto durante tres años. Por fin, en diciembre de 1983 de declaró la fase operativa inicial del sistema GPS. El objetivo del sistema GPS era ofrecer a las fuerzas de los EE.UU. la posibilidad de posicionarse (disponer de la posición geográfica) de forma autónoma o individual, de vehículos o de armamento, con un coste relativamente bajo, con disponibilidad global y sin restricciones temporales. La iniciativa, financiación y explotación corrieron a cargo del Departamento de Defensa de los EE.UU. (DoD), el GPS se concibió como un sistema militar estratégico.
En 1984 un vuelo civil de Korean Airlines fue derribado por la Unión Soviética al invadir por error su espacio aéreo. Ello llevó a la administración Reagan a ofrecer a los usuarios civiles cierto nivel de uso de GPS, llegando finalmente a ceder el uso global y sin restricciones temporales, de esta forma se conseguía un retorno a la economía de los EE.UU. inimaginables unos años atrás.

Además suponía un gran liderazgo tecnológico originando un vertiginoso mercado de aplicaciones.
 Desde 1984, con muy pocos satélites en órbita, aparecieron tímidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundo civil (Texas Instruments y Trimble Navigation).

Funcionamiento del GPS

La posición del receptor GPS es determinada por triangulación. El dispositivo receptor mide el tiempo que toma una señal en viajar por el espacio - aproximadamente 20,200 Km. - y tomando como referencia la velocidad de la luz se determina la distancia entre el satélite y el receptor. Como la posición de cada satélite es conocida y se tienen al menos 3 satélites a la vista, se determina la posición exacta del receptor GPS (latitud, longitud y elevación).

Las aplicaciones civiles que demanden una mayor precisión pueden ser determinadas por GPS diferencial (DGPS), una técnica de refinamiento que se auxilia de estaciones terrestres de referencia, incrementando en gran medida la precisión de los receptores GPS.

  El GPS hoy