Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones Antonio …bibing.us.es/proyectos/abreproy/11603/fichero/Memoria%2F... · UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO FIN DE CARRERA

SIMULADOR 3D DE COMUNICACIONES VÍA

SATÉLITE

Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones

Autor: Antonio Bernier Moreno Tutora: Susana Hornillo Mellado

A mi familia

Índice

3

ÍNDICE CAPÍTULO I – COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE........................................... 6

I.1. Introducción ............................................................................................................. 7

I.2. Historia y desarrollo ................................................................................................ 7

I.2.1. Comienzo ............................................................................................................ 7 I.2.2. Satélites comerciales de comunicaciones............................................................ 9 I.2.3. Servicios ............................................................................................................ 10 I.2.4. Avances técnicos recientes................................................................................ 11

I.3. Elementos de un sistema de comunicaciones vía satélite.................................... 12

I.3.1. Satélite artificial ................................................................................................ 13 I.3.1.1. Tipos de satélites de comunicaciones......................................................... 14 I.3.1.2. Los satélites y sus órbitas ........................................................................... 14 I.3.1.3. Movimiento del satélite - Las leyes de Kepler........................................... 15

I.4. Localización del satélite (en su órbita)................................................................. 15 I.4.1. La órbita ........................................................................................................ 16 I.4.2. Posición del satélite en la órbita.................................................................... 18

I.4.3. Sistemas de coordenadas................................................................................... 19 I.4.3.1. Coordenadas orbitales ................................................................................ 19 I.4.3.1. Coordenadas inerciales............................................................................... 20 I.4.3.2. Coordenadas rotacionales........................................................................... 22

I.4.4. Ángulos de visión.............................................................................................. 24 I.4.4.1. Ángulo de elevación................................................................................... 26 I.4.4.2. Ángulo azimut ............................................................................................ 27

CAPÍTULO II – DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .............................................. 31

II.1. Descripción del proyecto...................................................................................... 32

II.2. Origen .................................................................................................................... 32

II.3. Características ...................................................................................................... 33

II.3.1. Modularidad..................................................................................................... 33 II.3.2. Funcionalidad................................................................................................... 34

II.4. Cambios ................................................................................................................. 35

II.5. Motor gráfico jMonkey Engine........................................................................... 37

II.5.1. Características .................................................................................................. 38 II.5.2. Estructura básica de una aplicación jME......................................................... 39 II.5.3. Elementos en la escena .................................................................................... 41

CAPÍTULO III – DESARROLLO DE LA APLICACIÓN ..................................... 46

III.1. Desarrollo de la aplicación ................................................................................. 47

III.2. Diagrama general................................................................................................ 47

4

III.3. Representación 3D .............................................................................................. 49

III.3.1. Escenario 3D................................................................................................... 50 III.3.1.1. En el interior de BasicSpace3D............................................................... 51 III.3.1.2. Sin clases no funciona ............................................................................. 53

III.3.2. Interfaz de usuario .......................................................................................... 60 III.3.2.1. En el interior de GestorGUI .................................................................... 61 III.3.2.2. Paneles ..................................................................................................... 62

III.4. Ayuda ................................................................................................................... 73 CAPÍTULO IV - MANUAL DEL SIMULADOR ..................................................... 74

IV.1. Instalación para Windows.................................................................................. 75

IV.2. Área de trabajo.................................................................................................... 75

IV.2.1. Ver el área de trabajo...................................................................................... 76 IV.2.2. Paneles de interacción con el usuario............................................................. 78

IV.2.2.1. Panel principal......................................................................................... 78 IV.2.2.2. Panel de escena........................................................................................ 79 IV.2.2.3. Panel de configuración ............................................................................ 80 IV.2.2.4. Panel análisis del radioenlace.................................................................. 80 IV.2.2.5. Panel de datos de órbitas ......................................................................... 84 IV.2.2.6. Panel de elementos .................................................................................. 86 IV.2.2.7. Panel de información............................................................................... 88

IV.3. Órbitas.................................................................................................................. 90

IV.3.1. Crear órbitas ................................................................................................... 90 IV.3.2. Representar órbitas ......................................................................................... 91

IV.3.2.1. Casos especiales ...................................................................................... 91 IV.3.3. Datos órbitas................................................................................................... 93 IV.3.4. Eliminar órbitas .............................................................................................. 93

IV.4. Satélites ................................................................................................................ 94

IV.4.1. Crear satélites ................................................................................................. 94 IV.4.2. Representar satélites ....................................................................................... 95 IV.4.3. Datos de satélites ............................................................................................ 96 IV.4.4. Localización de satélites desde la Tierra........................................................ 97

IV.4.4.1. Elevación................................................................................................. 97 IV.4.4.2. Azimut ..................................................................................................... 98

IV.4.5. Movimiento de satélites ................................................................................. 99 IV.4.6. Eliminar satélites ............................................................................................ 99

IV.5. Estudio del radioenlace....................................................................................... 99

IV.6. Solución de problemas ...................................................................................... 102

IV.6.1. No sucede nada al arrancar la aplicación. ................................................ 102 IV.6.2. Aparece mensaje de error al arrancar la aplicación.................................. 102 IV.6.3. Aparece una pantalla inicial de configuración pero al pulsar OK no ocurre nada....................................................................................................................... 102 IV.6.4. La aplicación arranca pero no se ve bien. ................................................ 103

5

CAPÍTULO V - PRUEBAS Y VALIDACIÓN DE RESULTADOS .................- 104 -

V.1. Introducción ........................................................................................................ 105

V.2. Pruebas ................................................................................................................ 105

V.2.1. Problema 1 ..................................................................................................... 105 V.2.2. Problema 2 ..................................................................................................... 108 V.2.3. Problema 3 ..................................................................................................... 109 V.2.4. Problema 4 ..................................................................................................... 110 V.2.5. Problema 5 ..................................................................................................... 115

CAPÍTULO VI - CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE DESARROLLO ...... 121

VI.1. Conclusiones ...................................................................................................... 122

VI.2. Líneas futuras de desarrollo............................................................................. 123

REFERENCIAS ......................................................................................................... 125

CAPÍTULO I – COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE

Comunicaciones vía satélite

7

I.1. Introducción

La mejor forma de comenzar este capítulo es definiendo lo que es una

comunicación vía satélite: Una comunicación vía satélite es cualquier tipo de

comunicación cuyo soporte es una nave espacial en órbita terrestre, capaz de cubrir

grandes distancias mediante la reflexión o repetición de señales de radiofrecuencia.

Expresado de otra manera en este tipo de comunicaciones, las ondas electromagnéticas

se transmiten gracias a la presencia en el espacio de satélites artificiales situados en

órbita alrededor de la Tierra.

I.2. Historia y desarrollo

I.2.1. Comienzo

Desde la aparición de las comunicaciones vía satélite el mundo de las

comunicaciones ha sufrido un importante cambio. Ofreciendo nuevas oportunidades y

servicios a una población con cada vez más necesidades de comunicación.

Si tenemos que poner una fecha y nombre para el comienzo de este sistema de

comunicación sería: 1929 con Hermann Noordung. Quien en su publicación “The

problem of Space Fligh” explicó a grandes rasgos el procedimiento para explorar el

espacio e introdujo el concepto de órbita geoestacionaria.

Establecidas las bases para las comunicaciones vía satélite la carrera por su

conquista estaba servida. De esta carrera cabe destacar el primer satélite artificial el

Sputnik I, lanzado por la URSS en 1957.

Los primeros satélites de comunicación estaban diseñados para funcionar en

modo pasivo. En vez de transmitir las señales de radio de una forma activa, se limitaban

a reflejar las emitidas desde las estaciones terrestres. Las señales se enviaban en todas

las direcciones para que pudieran captarse en cualquier punto del mundo. El Echo 1,

lanzado por los Estados Unidos en 1960, era un globo de plástico aluminizado de 30 m

de diámetro. El Echo 2, que se lanzó en 1964, tenía 41 m de diámetro. La capacidad de


8

estos sistemas se veía seriamente limitada por la necesidad de utilizar emisoras muy

potentes y enormes antenas.

Las comunicaciones actuales vía satélite únicamente utilizan sistemas activos, en

los que cada satélite artificial lleva su propio equipo de recepción y emisión. Score,

lanzado por Estados Unidos en 1958, fue el primer satélite activo de comunicaciones y

uno de los primeros adelantos significativos en la exploración del espacio. Iba equipado

con una grabadora de cinta que almacenaba los mensajes recibidos al pasar sobre una

estación emisora terrestre, para volverlos a retransmitir al sobrevolar una estación

receptora. El Telstar 1, lanzado por la American Telephone and Telegraph Company en

1962, hizo posible la transmisión directa de televisión entre Estados Unidos, Europa y

Japón y era capaz de repetir varios cientos de canales de voz. Lanzado con una órbita

elíptica de 45° respecto del plano ecuatorial, Telstar sólo podía repetir señales entre dos

estaciones terrestres durante el breve espacio de tiempo durante cada revolución en el

que ambas estaciones estuvieran visibles.

En 1963 la NASA lanzó el primer satélite en órbita geosíncrona, el Syncom II, el cual

fue utilizado para la retransmisión de los juegos olímpicos de Tokio de 1964.

Actualmente hay cientos de satélites activos de comunicaciones en órbita.

Reciben las señales de una estación terrestre, las amplifican y las retransmiten con una

frecuencia distinta a otra estación. Cada banda de frecuencias utilizada, de un cierto

ancho de banda, se divide en canales repetidores de diferentes anchos de banda. La

asignación de las frecuencias para los distintos enlaces no es arbitraria, la más baja es

asignada siempre al enlace descendente, más crítico por la limitación de potencia de los

satélites, para que sufrir menos atenuaciones por las precipitaciones. Usualmente en el

caso de estaciones fijas (no móviles) se emplea un ancho de banda 500MHz y las

bandas ubicadas inicialmente en 6GHz ó 14 GHz para las transmisiones ascendentes y

en 4GHz ó 11 u 12GHz para las descendentes (pares 6/4, 14/11 y 14/12), y actualmente

debido a su congestión se están empleando la banda 30/20 GHz, sobre todo para dar

servicio de Internet a través de satélites geoestacionarios. En el caso de las estaciones

pequeñas móviles (barcos, vehículos y aviones) se utiliza una banda de 80 MHz de

anchura en los 1,5 GHz (ascendente y descendente). Las baterías solares montadas en

los grandes paneles de los satélites proporcionan la energía necesaria para la recepción y

la transmisión.


9

I.2.2. Satélites comerciales de comunicaciones

El despliegue y la explotación comercial de los satélites de comunicaciones se

inició con la creación de la Communications Satellite Corporation (COMSAT) en 1963.

Al formarse la International Telecommunications Satellite Organization (INTELSAT)

en 1964, la COMSAT se convirtió en su miembro norteamericano. Con sede en

Washington, D.C., INTELSAT es propiedad de más de 120 países. El Intelsat 1,

también conocido como Early Bird, lanzado en 1965, proporcionaba 2.400 circuitos de

voz o un canal bidireccional de televisión entre Estados Unidos y Europa. Durante las

décadas de 1960 y 1970, la capacidad de mensajes y la potencia de transmisión de las

sucesivas generaciones del Intelsat 2, 3 y 4 fueron aumentando progresivamente al

limitar la emisión sólo hacia tierra y segmentar el espectro de emisión en unidades del

respondedor de una determinada anchura de banda. El primero de los Intelsat 4, puesto

en órbita en 1971, proporcionaba 4.000 circuitos de voz.

Con la serie Intelsat 5 (1980), se introdujo la tecnología de haces múltiples que

aportó un incremento adicional de la capacidad. Esto permitió concentrar la potencia del

satélite en pequeñas zonas de la Tierra, favoreciendo las estaciones de menor apertura y

coste económico. Un satélite Intelsat 5 puede soportar unos 12.000 circuitos de voz. Los

satélites Intelsat 6, que entraron en servicio 1989, pueden llevar 24.000 circuitos y

permiten la conmutación dinámica a bordo de la capacidad telefónica entre seis haces,

utilizando la técnica denominada SS-TDMA (Satellite-Switched Time Division

Multiple Access).

A principios de la década de 1990, INTELSAT tenía 15 satélites en órbita y

constituía el sistema de telecomunicaciones más extenso en el mundo. Hay otros

sistemas que ofrecen servicios internacionales en competencia con INTELSAT. El

crecimiento de los sistemas internacionales ha ido paralelo al de los sistemas nacionales

y regionales, como los programas Eutalsat y Telecom en Europa y Telstar, Galaxy y

Spacenet en Estados Unidos.

España se incorporó, al iniciarse la década de 1990, al club de los países con

sistemas propios, al lanzar al espacio los satélites Hispasat, que cuentan con 5 canales


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de TV y las señales de sonido asociadas, y una cobertura perfectamente adaptada al

territorio español. Ofrece el más amplio número de canales en español vía satélite y

contiene las últimas innovaciones tecnológicas, como la televisión digital y la televisión

de alta definición. Permite tanto la recepción individual como la colectiva y la recepción

mediante redes de cable (CATV).

En la actualidad, gracias a la posición de 30º Oeste en que está situado, cuenta

con la cobertura de dos grandes espacios, el servicio fijo Europa y el servicio América,

que cubre la totalidad del continente americano. Hispasat ofrece un cuadro de servicios

muy amplio, que incluye el alquiler de transponedores a largo plazo, servicios digitales

mediante sistemas de redes abiertas y cerradas, así como el alquiler de transponedores

completos a tiempo parcial.

En América Latina, algunos grupos empresariales con presencia internacional se

han asociado a compañías estadounidenses para la utilización de sistemas de satélites

propios. Tal es el caso del grupo Televisa (mexicano) que es propietario del 50% del

capital de Pan Am Sat, operadora de la serie PAS. El PAS 1 opera desde 1988 sobre el

océano Atlántico y el PAS 2 lo hace sobre el Pacífico a partir de 1994. En 1995 se

lanzaron otros dos satélites más sobre el Atlántico y el Índico, con lo que se ha logrado

alcanzar el 98% de la cobertura mundial, transmitiendo programas en español a través

del canal mexicano Galavisión.

I.2.3. Servicios

Los satélites comerciales ofrecen una amplia gama de servicios de

comunicaciones. Los programas de televisión se retransmiten internacionalmente, dando

lugar al fenómeno conocido como aldea global. Los satélites también envían programas

a sistemas de televisión por cable, así como a los hogares equipados con antenas

parabólicas. Además, los terminales de muy pequeña apertura (VSAT) retransmiten

señales digitales para un sinfín de servicios profesionales. Los satélites Intelsat llevan

ahora 100.000 circuitos de telefonía, y utilizan cada vez más la transmisión digital. Los

métodos de codificación digital han permitido reducir a una décima parte la frecuencia

de transmisión necesaria para soportar un canal de voz, aumentando en consecuencia la


11

capacidad de la tecnología existente y reduciendo el tamaño de las estaciones terrestres

que proporcionan los servicios de telefonía.

La International Maritime Satellite Organization (INMARSAT), fundada en

1979, es una red móvil de telecomunicaciones que ofrece servicios de enlaces digitales

de datos, telefonía y transmisión de telecopia (fax) entre barcos, instalaciones en alta

mar y estaciones costeras en todo el mundo. También está ampliando los enlaces por

satélite para transmisión de voz y de fax en los aviones en rutas internacionales.

I.2.4. Avances técnicos recientes

Las comunicaciones por satélite han entrado en una fase de transición desde las

comunicaciones por líneas masivas punto a punto entre enormes y costosos terminales

terrestres hacia las comunicaciones multipunto a multipunto entre estaciones pequeñas y

económicas. El desarrollo de los métodos de acceso múltiple ha servido para acelerar y

facilitar esta transición. Con el TDMA, a cada estación terrestre se le asigna un intervalo

de tiempo en un mismo canal para transmitir sus comunicaciones; todas las demás

estaciones controlan estos intervalos y seleccionan aquellas comunicaciones que van

dirigidas a ellas. Mediante la amplificación de una única frecuencia portadora en cada

repetidor del satélite, TDMA garantiza la mejor utilización del suministro de energía a

bordo del satélite.

La técnica, denominada reutilización de energía, permite a los satélites

comunicarse con varias estaciones terrestres mediante una misma frecuencia, al

transmitir en pequeños haces dirigidos a cada una de ellas. La anchura de estos haces se

puede ajustar para cubrir zonas tan extensas como los Estados Unidos o tan reducidas

como un país del tamaño de Bélgica. Dos estaciones lo suficientemente distantes

pueden recibir mensajes diferentes transmitidos con la misma frecuencia. Las antenas de

los satélites están diseñadas para transmitir varios haces en diferentes direcciones

utilizando el mismo reflector.

En 1993 se experimentó un nuevo método de interconexión de estaciones

terrestres al lanzar la NASA su ACTS (Advanced Communications Technology


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Satellite). Esta técnica combina las ventajas de la reutilización de energía, los haces

puntuales y la TDMA. Mediante la concentración de la energía de la señal transmitida

por el satélite, ACTS puede utilizar estaciones terrestres con antenas más pequeñas y

menores necesidades de potencia.

El concepto de las comunicaciones de haz puntual múltiple quedó probado

satisfactoriamente en 1991 con el lanzamiento del Italsat, construido por el Consejo de

Investigaciones de Italia. Con seis haces puntuales a 30 GHz (ascendente) y 20 GHz

(descendente), este satélite interconecta transmisiones TDMA entre estaciones terrestres

en todas las grandes áreas empresariales de Italia. Para ello desmodula las señales

ascendentes, las canaliza entre los haces ascendentes y descendentes y las combina y

remodula para su transmisión descendente.

La red europea de comunicaciones por satélite incluye la red European

Communications Satellite (ECS) de la European Space Agency (ESA). Cada satélite

maneja 12.600 circuitos telefónicos y múltiples transmisiones de telecopia. El satélite

Olympus es el mayor satélite de comunicaciones estabilizado tridimensionalmente en

Europa y fue desarrollado principalmente por las compañías aerospaciales británicas.

La utilización de la tecnología láser en las comunicaciones por satélite ha sido

objeto de estudio durante más de diez años. Los haces láser se pueden usar para

transmitir señales entre un satélite y la estación terrestre, pero el nivel de transmisión se

ve limitado a causa de la absorción y dispersión por la atmósfera. Se han utilizado

láseres en la longitud de onda azul-verde, capaz de traspasar el agua, para las

comunicaciones entre satélites y submarinos.

I.3. Elementos de un sistema de comunicaciones vía satélite

Un sistema de comunicaciones por satélite consta básicamente de los

siguientes elementos:

• Un satélite o conjunto de satélites que constituyen el elemento principal, pues

son los encargados de establecer la comunicación entre el emisor y receptor.


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• El centro de control, que vigila el funcionamiento correcto de los satélites.

• Estaciones terrestres (emisoras y receptoras), con antenas adecuadas para

emitir y recibir señales transmitidas.

I.3.1. Satélite artificial

Los satélites artificiales se utilizan para múltiples tareas:

• Satélites de telecomunicaciones: estos satélites se utilizan para transmitir

información de un punto a otro de la Tierra, en particular, comunicaciones

telefónicas, datos o programas televisados. Estos últimos se difunden

principalmente por la flota Eutelsat (Hot-Bird, Atlantic BIRD 3, W1,2,3...) y la

flota SUS -Sociedad Europea de Satélites- (Astra 1 y 2).

• Satélites de observación terrestre: estos satélites observan la Tierra, con un

objetivo científico o militar. El espectro de observación es extenso: óptico,

radar, infrarrojo, ultravioleta, escucha de señales radioeléctricas... Entre éstos se

encuentran los satélites Spot, LandSat, Feng Yun.

• Satélites de observación espacial: estos satélites observan el espacio con un

objetivo científico. Se trata en realidad de telescopios en órbita. En estos

satélites el espectro de observación también es amplio. El telescopio espacial

Hubble es un satélite de observación espacial.

• Satélites de localización: estos satélites permiten conocer la posición de objetos

a la superficie de la Tierra. Por ejemplo, el sistema americano GPS, el sistema

ruso GLONASS o el futuro sistema europeo Galileo.

• Estaciones espaciales: estos satélites están destinados a estar habitados por el

ser humano, con un objetivo científico. Entre estos se encuentra la Estación

Espacial Internacional, que está en órbita desde 1998 y habitada

permanentemente desde 2002. Otras estaciones espaciales desaparecidas son las

rusas Salyut y Mir y la estación estadounidense Skylab.

• Sondas espaciales: Una sonda espacial está destinada a observar otro cuerpo

celeste y por lo tanto debe estar en condiciones de desplazarse.

Los satélites que ahora nos interesan son los satélites de comunicaciones.


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I.3.1.1. Tipos de satélites de comunicaciones

Un satélite actúa básicamente como un repetidor situado en el espacio: recibe las

señales enviadas desde la estación terrestre y las reemite a otro satélite o de vuelta a los

receptores terrestres en la frecuencia adecuada. Es posible distinguir dos tipos de

satélites de comunicaciones:

• Satélites regenerativos. Procesan la señal en banda base, requiriendo un proceso

de demodulación y modulación. Ello permite la separación y adición de los

contenidos en baja frecuencia y la posibilidad de detección y corrección de

errores.

• Satélites transparentes. Carecen de ningún procesado de la señal, solo la

amplifican y retransmiten.

I.3.1.2. Los satélites y sus órbitas

Los satélites son puestos en órbita mediante cohetes espaciales que los sitúan

circundando la Tierra a distancias relativamente cercanas fuera de la atmósfera. Los

tipos de satélites según sus órbitas son:

• Satélites LEO (Low Earth Orbit, que significa órbitas bajas) Orbitan la Tierra a

una distancia de 1000 Km. y su velocidad les permite dar una vuelta al mundo

en dos horas. Se usan para proporcionar datos geológicos sobre movimiento de

placas terrestres y para la industria de la telefonía satélite.

• Satélites MEO (Medium Herat Orbit, órbitas medias). Son satélites que se

mueven en órbitas medianamente cercanas, de unos 10.000 Km. Su uso se

destina a comunicaciones de telefonía y televisión, y a las mediciones de

experimentos espaciales.

• Satélites HEO (Highly Elliptical Orbit, órbitas muy elípticas). Estos satélites no

siguen una órbita circular, sino que su órbita es elíptica. Esto supone que

alcanzan distancias mucho mayores en el punto de órbita más alejada. A menudo

se utilizan para cartografiar la superficie de la Tierra, ya que pueden detectar un

gran ángulo de superficie terrestre.


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• Satélites GEO. Tienen una velocidad de traslación igual a la velocidad de

rotación de la Tierra, lo que supone que se encuentren suspendidos sobre un

mismo punto del globo terrestre. Por eso se llaman satélites geoestacionarios.

Para que la Tierra y el satélite igualen sus velocidades es necesario que este

último se encuentre a una distancia fija de 35.800 Km. sobre el ecuador. Se

destinan a emisiones de televisión y de telefonía, a la transmisión de datos a

larga distancia, y a la detección y difusión de datos meteorológicos.

I.3.1.3. Movimiento del satélite - Las leyes de Kepler

Las características del movimiento de un satélite artificial esta fundamentadas por

las leyes de Kepler.

1. “La órbita del satélite es elíptica”. Cuando la excentricidad es cero, la órbita es

circular.

2. “Áreas iguales son barridas en tiempos iguales”.

3. “El tiempo que tarda un satélite en recorrer su órbita sólo depende del semieje

mayor de la órbita”.

Como consecuencia de la tercera ley se deduce que el tiempo T que tardar un satélite (u

otro objeto) en completar su órbita (período orbital) viene dada por la siguiente

ecuación: 3

2

1 2

2 aT πμ

= (I.3.1.3.1)

Donde µ es la constate de Kepler. ( 5 3 23.986 10 /km sμ = × )

I.4. Localización del satélite (en su órbita)

En general las órbitas de los satélites de comunicaciones son elipses definidas en

el plano orbital1 Dichas elipses cumple la ecuación:

1 Plano orbital es el plano sobre el que descansa la elipse de una órbita.


16

0

2

0 cos1)1(θe

ear+

−= (I.4.1)

Siendo e la excentricidad y a el semieje mayor.

El valor de ro es máximo para 0θ π= , este valor corresponde cuando el satélite está

situado en el apogeo de la órbita (el punto más alejado a la Tierra) y el mínimo para

0 0θ = correspondiente al perigeo (punto más cercano).

Veamos una representación de esta situación en la siguiente gráfica:

C: Centro de la elipse O: Tierra Figura I.4.1. Órbita situada sobre plano ecuatorial

I.4.1. La órbita A continuación se definen las cantidades que describen la órbita de un satélite en el

espacio:

• La inclinación orbital (i), es el ángulo que el plano de la órbita del satélite

forma con el plano ecuatorial.

• La ascensión recta del nodo ascendente (Ω ) es el ángulo medido en el centro

de la tierra desde el equinoccio vernal (punto de referencia) al nodo ascendente.

Siendo el nodo ascendente el punto donde la órbita atraviesa al plano ecuatorial

de Sur a Norte.

• El argumento del perigeo (ω ) es el ángulo medido con signo positivo desde el

nodo ascendente al perigeo.


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• El semieje mayor (a) de la elipse es la mitad del diámetro más largo. Al semieje

menor se le suele denotar por b.

• La excentricidad (e) es un parámetro que determina el grado de desviación de

una sección cónica con respecto a una circunferencia. Es un parámetro

importante en la definición de las elipses.

La excentricidad e de una elipse de semieje mayor a y semieje menor b es:

2

21 bea

= − (I.4.1.1)

La órbita de un satélite es una elipse y la excentricidad nos indica su "forma".

Cuando el valor de e = 0 la elipse es un círculo. Si ese valor se acerca a 1

tendremos una elipse más alargada y delgada.

• El tiempo de paso por el perigeo (tp).

Otro valor de interés es el período de la órbita.

γ : Punto vernal, une los centros de la Tierra y el Sol en el equinoccio de primavera (21 Marzo) θ : Anomalía verdadera (se verá en el siguiente apartado)

Figura 1.4.1.1. Parámetros orbitales


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I.4.2. Posición del satélite en la órbita

Conocida la órbita del satélite ahora debemos situarlo dentro de la misma, para

ello necesitamos las siguientes cantidades conocidas como anomalías:

Anomalía verdadera (θ ). Este ángulo se mide desde el perigeo y en el sentido de las

agujas del reloj. Por tanto toma valor 0 cuando el satélite está sobre el perigeo y π si

está en el apogeo.

Anomalía excéntrica (E). Este ángulo es el argumento de la imagen en el mapeado que

transforma la trayectoria elíptica en su círculo principal y se mide respecto al centro de

la orbita. Cuando la órbita es circular (e=0), dicho ángulo coincide con la anomalía

verdadera tal y como se puede comprobar en la ecuación siguiente:

( )( )Ee

eEcos1

coscos 0 −−

=θ (I.4.2.1)

Anomalía media (M). Este ángulo se define como la anomalía verdadera de un satélite

que describe una órbita circular con el mismo periodo T. Su ecuación es:

)( pttM −=η (I.4.2.2)

Siendo η la velocidad angular que se define como la velocidad que tendría el satélite

si se moviera siguiendo una trayectoria circular uniforme de periodo T y se expresa tal

como se indica en la siguiente ecuación:

aaTμπη 12

== (I.4.2.3)

M y E se relacionan a través de la siguiente ecuación:

senEeEM ⋅−= (I.4.2.4)

A modo de resumen recordar que a partir del conocimiento de los parámetros a,

e, i, Ω y ω es posible identificar la órbita del satélite en el espacio. Para definir el

movimiento del satélite dentro de su trayectoria necesitaremos además una de las

anomalías (θ , E ó M).


19

I.4.3. Sistemas de coordenadas

La posición del satélite puede ser expresada de diferente manera en función del

sistema de coordenadas empleado. Así si deseamos indicar la posición del satélite en un

punto de la órbita sobre el plano orbital emplearemos las coordenadas orbitales para

localizar al satélite desde un punto de la superficie de la Tierra emplearemos las

coordenadas rotacionales e inerciales.

A continuación se describen estos sistemas de coordenadas ya que son parte de

los resultados que podemos obtener con nuestra aplicación.

I.4.3.1. Coordenadas orbitales

Este tipo de coordenadas (denotadas con el subíndice o) indican la posición del

satélite en un punto de su órbita sobre el plano orbital. Su origen se sitúa en el centro de

la Tierra y el plano xy coincidiendo con el plano orbital. La importancia de este sistema

radica en que es el primer paso a seguir para el cálculo de coordenadas más útiles.

Figura. I.4.3.1. Coordenadas orbitales .

A partir del conocimiento de los parámetros orbitales es posible obtener las

coordenadas orbitales de un satélite. A continuación se describen los pasos a seguir (los

Órbita

Tierra

N yo

z0

x0

y0

z0

x0

r0

θ0

Figura. I.4.3.2. Coordenadas orbitales (polares), el papel coincide con el plano orbital.


20

mismos que realiza la aplicación de este proyecto) suponiendo conocidos los parámetros

a, e y tp :

1. Calcular de η a partir de la ecuación (I.4.2.3)

2. Obtener M empleando (I.4.2.2)

3. Despejar E de la ecuación (I.4.2.4) empleando método de prueba y error.

4. Calcular las coordenadas en polares ro empleando la siguiente ecuación:

0 (1 cos )r a e E= − (I.4.2.5)

Empleando 1.3.1 y despejando θ 2

10

0

(1 ) 1cosr

a ee e

θ − ⎛ ⎞−= −⎜ ⎟

⎝ ⎠ (I.4.2.6)

Así hemos obtenido las coordenadas orbitales en polares 0 0( , )r θ .

5. A partir de las coordenadas orbitales en polares 0 0( , )r θ , obtener las coordenadas

orbitales en cartesianas empleando:

0 0 0

0 0 0

0

cossin

0

x ry rz

θθ

===

(I.4.2.7)

I.4.3.1. Coordenadas inerciales

Estas coordenadas (denotadas con el subíndice i) se mueven con la Tierra pero

no rota con ella. De nuevo el origen de coordenadas es el centro de la Tierra y sus ejes

se definen como se indica a continuación:

xi : Apunta al punto vernal, es decir, une los centros de la Tierra y el Sol en el equinoccio de primavera (21 de marzo). Este eje por lo tanto no va a rotar con la Tierra, es fijo. yi: Perpendicular a xi , forma con éste el plano ecuatorial. zi: Coincide con el eje de rotación de la Tierra, es decir apunta al polo Norte.

Partiendo del sistema de coordenadas orbital es necesario hacer una serie de

transformaciones: tres giros, uno por cada eje.


21

Figura. I.4.3.1.1. Giros a realizar en los ejes.

Transformaciones

1. Girar sobre el eje z0 un ángulo ω (argumento perigeo), para situarlo sobre el

nodo ascendente.

01

1 0

1 0

cos sin 0sin cos 0

0 0 1

xxy yz z

ω ωω ω

− ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= ⋅ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(I.4.3.1.1)

2. Girar sobre el eje x0 un ángulo i (ángulo de inclinación), para hacer coincidir z0

y zi , esto se consigue al multiplicar el vector resultante anterior (v1) por la

siguiente matriz:

2 1

2 1

2 1

1 0 00 cos sin0 sin cos

x xy i i y

i iz z

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥= − ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(I.4.3.1.2)

3. Girar sobre z0 un ángulo Ω (ángulo de ascensión recta) para hacer coincidir x0 e

xi.

z0

xi

zi y0

yi

Ω

ω

Perigeo

i

Nodo ascendente

x0


22

2

2

2

cos sin 0sin cos 0

0 0 1

i

i

i

x xy y

zz

Ω − Ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥= Ω Ω ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

(I.4.3.1.3)

El resultado de estas transformaciones es el sistema de coordenadas inercial (xi,

yi, zi) buscado.

I.4.3.2. Coordenadas rotacionales

Estas coordenadas (denotadas con el subíndice r) se mueven y rotan con la

Tierra, por lo que para un observador situado en la Tierra es un sistema fijo. El origen

de coordenadas para este sistema es el centro de la Tierra, mientras que los distintos

ejes corresponden con:

xr: Apunta continuamente al meridiano de Greenwich, es decir, vamos a

encontrar este eje en la intersección del ecuador con este meridiano.

yr: Perpendicular a xr , forma con éste el plano ecuatorial.

zr: Coincide con el eje de rotación de la Tierra, es decir apunta al polo Norte y

coincide con el eje zi.

Partiendo del sistema de coordenadas inercial es necesario hacer una transformación: un

giro.

Figura 1.3.1.5 Giro para obtener las coordenadas rotacionales.

Ωe

Meridiano de Greenwich

xr

yr

zr

z

xi

yi


23

Transformación

Realizar un giro de e eTΩ .

cos( ) sin( ) 0sin( ) cos( ) 0

0 0 1

ir e e e e

r e e e e i

r i

xx T Ty T T yz z

Ω Ω ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= − Ω Ω ⋅ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(I.4.3.2.1)

eΩ es la velocidad de rotación de la Tierra en radianes/segundos.

eT es el tiempo en segundos desde que xi y xr coincidieron por última vez.

e eTΩ se halla empleando la siguiente expresión:

10 0.25068447e e gT tαΩ = + (I.4.3.2.2)

t es el tiempo en minutos desde las 00:00 horas medidas en tiempo

universal.

10gα es el ángulo de ascensión recta del meridiano de Greenwich, medido

en grados y se calcula: 2

10 99.6909833 36000.7689 0.00038708g c cT Tα = + + (I.4.3.2.3)

Tc es el número de siglos julianos y para calcularlos se utiliza la

siguiente expresión:

241502036525c

JDT −= (I.4.3.2.4)

JD es el número de días julianos que han pasado desde el día juliano cero

hasta que se tomaron los datos a los que nos referimos. Este día se

corresponde con el 1 de enero del año 4713 a.C. a las 12:00 horas.

Así pues calculando JD y conocido t se obtiene el giro necesario para pasar de

coordenadas inerciales a rotacionales.


24

I.4.4. Ángulos de visión

Con este nombre se conocen los ángulos necesarios para orientar la antena de

nuestra estación terrena en la dirección correcta hacia el satélite que deseamos. Los

ángulos especificados son dos: el ángulo de elevación (El) y el ángulo de azimut (Az).

Figura. I.4.4.1 Elevación y azimut.

Punto subsatelital Para el cálculo de estos ángulos se recurre a la longitud y latitud del punto

subsatelital (PS). Este es el punto que resulta de la intersección de la línea que une el

centro de la Tierra y el satélite con la superficie terrestre.


25

Longitud y latitud del PS

Figura I.4.4.2.

• La latitud del PS (Ls) se calcula empleando la siguiente expresión, empleando

coordenadas rotacionales:

2 2 290º arccos r

s

r r r

zLx y z

⎛ ⎞⎜ ⎟= −⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

(I.4.4.1)

• La longitud del PS (ls) se calcula empleando las siguientes expresiones que

tienen en cuenta el cuadrante en el que se encuentra el PS.

arctan 1

180 arctan 2º

90 arctan 3

arctan 4º

err

r

r

rs

err

r

r

r

y cuadrantex

y cuadrantex

lx cuadrantey

ycuadrante

x

⎧ ⎛ ⎞−⎪ ⎜ ⎟

⎝ ⎠⎪⎪ ⎛ ⎞⎪ + ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎪= ⎨

⎛ ⎞⎪ + ⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎪

⎪ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩

(I.4.4.2)


26

Figura. I.4.4.3. Cuadrantes para el cálculo del PS.

I.4.4.1. Ángulo de elevación

El ángulo de elevación (El) se define como el ángulo formado entre el plano

horizontal local de la estación terrena y la dirección del satélite como se puede observar

en las figuras I.4.4.1 e I.4.4.4.

Fig. I.4.4.4. Parámetros para el cálculo de El

Observando la figura anterior es posible identificar otros parámetros que se emplean

para el cálculo de El.

xr

yr

zr

1er cuadrante2º cuadrante

3er cuadrante 4º cuadrante


27

- El plano horizonte local es el plano tangente a la superficie terrestre y está

formado por los ejes que apuntan al Norte y al Este.

- Rt: Radio terrestre (Rt=6370 Km.).

- rs: La distancia entre el centro de la Tierra y el satélite. Se calcula empleando

coordenadas rotacionales con la siguiente expresión:

2 2 2s r r rr x y z= + + (I.4.4.3)

- γ: Ángulo central. Se obtiene a partir de la latitud y longitud de la estación

terrena y PS.

arccos(cos cos cos( ) sin sin )e s e s e sL L l l L Lγ = − + (I.4.4.4)

- d: La distancia entre la estación terrena y el satélite

2

1 2 cost ts

s s

R Rd rr r

γ⎛ ⎞ ⎛ ⎞

= + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(I.4.4.5)

Con esos datos es posible calcular el ángulo de elevación:

sincos srEl ardγ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (I.4.4.6)

Relacionado con El se define el ángulo de visión ( sα ), que indica la visibilidad

que hay desde el satélite. Para obtenerlo basta con aplicar la siguiente expresión:

arcsin costs

s

R Elr

α⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(I.4.4.7)

I.4.4.2. Ángulo azimut

El ángulo azimut (Az) es el ángulo medido, en dirección Este, entre la línea

que une la estación terrena con el norte geográfico y la línea que une la estación terrena

con el punto subsatelital. Ver figura I.4.4.1. Este ángulo se mide respecto a la estación

terrena desde la dirección Norte y en sentido Este hasta la línea que une la estación

terrena con el punto subsatelital.

El cálculo del azimut depende de la posición de la estación terrena y el punto

subsatelital. Para hacer referencia a estas posiciones se definen dos puntos A y B que


28

cumplen |LB| > |LA|. La estación terrena y el punto subsatelital se identifican con uno de

estos puntos de forma que cumplan la relación anterior.

Además de identificar los puntos A y B se emplean tres ángulos intermedios

para el cálculo del azimut. Estos ángulos denotados como X, Y y C se muestran en la

siguiente figura:

Figura I.4.4.2.1. Azimut y ángulos X, Y y C.

Para los siguientes cálculos se emplean la posición (latitud y longitud) de los

puntos A y B y se denotados como LA, LB, lA y lB.

Cálculo de C, X e Y

El ángulo C se halla con las siguientes ecuaciones:

A BC l l= − si 180ºA Bl l− ≤ (I.4.4.2.1)

360 A BC l l= − − si 180ºA Bl l− ≥ (I.4.4.2.2)

Para los ángulos X e Y hay que distinguir dos casos:


29

(1) Si al menos uno de los puntos A o B está en el hemisferio Norte:

( )( )

( )

1cot sin1 2 2tan

12 cos2

B A

B A

C L LY X

L L

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠− =⎜ ⎟ ⎛ ⎞⎝ ⎠ +⎜ ⎟⎝ ⎠

(I.4.4.2.3)

( )( )

( )

1cot cos1 2 2tan

12 sin2

B A

B A

C L LY X

L L

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠− =⎜ ⎟ ⎛ ⎞⎝ ⎠ +⎜ ⎟⎝ ⎠

(I.4.4.2.4)

(2) Si ambos puntos A y B están en el hemisferio Sur:

( )( )

( )

1cot sin1 2 2tan

12 cos2

B A

B A

C L LY X

L L

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠− =⎜ ⎟ ⎛ ⎞⎝ ⎠ +⎜ ⎟⎝ ⎠

(I.4.4.2.5)

( )( )

( )

1cot cos1 2 2tan

12 cos2

B A

B A

C L LY X

L L

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠− =⎜ ⎟ ⎛ ⎞⎝ ⎠ +⎜ ⎟⎝ ⎠

(I.4.4.2.6)

Los ángulos X e Y se obtienen aplicando las siguientes relaciones, tras la

obtención de los argumentos en las ecuaciones anteriores:

( ) ( )1 12 2

X Y X Y X= + − − (I.4.4.2.7)

( ) ( )1 12 2

Y Y X Y X= + + − (I.4.4.2.8)

Ahora sólo falta acudir a la siguiente tabla donde aparecen resumidas todas las

posibilidades de situación de estación terrena y punto subsatelital y elegir la opción

adecuada para calcular el Azimut.


30

Punto Subsatelital

PS

Estación terrena

ET Relación Azimut (º)

360º – Y (1) A B PS al Oeste de la ET

180º + Y (2)

360º – X (1) B A PS al Oeste de la ET

180º + X (2)

Y (1) A B ET al Oeste de PS

180º – Y (2)

X (1) B A ET al Oeste de PS

180º – X (2)

(1) Al menos un punto en el hemisferio Norte.

(2) Ambos en el hemisferio Sur.

CAPÍTULO II – DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Descripción del proyecto

32

II.1. Descripción del proyecto

Se trata de una aplicación interactiva que simula el movimiento de satélites

artificiales alrededor de la Tierra y calcula información relevante de los radioenlaces.

Este programa está escrito en Java y basado en el motor gráfico gratuito jMonkey

Engine (jME). Debido a la anterior elección presenta todas las propiedades inherentes al

software libre escrito en java, características que hacen que se trate entre otras cosas de

una aplicación multiplataforma y susceptible de ser modificada libremente por los

usuarios.

Esta aplicación proporciona un escenario en tres dimensiones donde poder

representar los elementos básicos de un sistema de comunicaciones vía satélite, ajustar

una serie de parámetros para definir nuestro sistema de comunicación, poder visualizar

la información de estos elementos y además proporciona herramientas para analizar los

enlaces de este tipo de comunicaciones.

II.2. Origen

Con el propósito de utilizarse como material de apoyo para una mejor

comprensión de los conceptos involucrados en las comunicaciones vía satélite surge la

idea original de este proyecto. Siguiendo con su propósito original y como resultado de

la evolución de dos proyectos anteriores:

- “Simulador básico de comunicaciones por satélite” de Santiago Mediana

Martínez

- “Simulador de comunicaciones por satélite” de Eva María Rodríguez Martín

Se llega al proyecto actual: “Simulador 3D de comunicaciones vía satélite” evolución

lógica de los anteriores.


33

II.3. Características

Como principal característica es el empleo de nuevas herramientas para su

desarrollo, en este caso el motor gráfico jMonkey Engine (jME). El empleo de dicho

motor es el responsable de toda la apariencia y potencia a la hora de la representación de

los escenarios en 3 dimensiones (3D).

Como novedades respecto a los proyectos anteriores además del paso a 3

dimensiones es el profundo cambio en cuanto a la filosofía de funcionamiento de la

aplicación. Su desarrollo se ha orientado hacia facilitar la interacción con el usuario,

minimizándose el número de elementos visibles en pantalla siempre buscando un

manejo intuitivo empleando pocos pasos.

II.3.1. Modularidad

Con el objetivo de separar las partes no relacionadas para un mejor

desarrollo de la aplicación y su posterior tratamiento ya sea para modificar o

añadir nuevas funcionalidades se ha dividido la aplicación en 3 módulos

claramente diferenciados.

1. Módulo de representación 3D

2. Módulo de estudio del radioenlace

3. Ayuda

Esta división obedece a características inherentes a cada parte: parte 3D,

parte 2D y ayuda en formato HTML.

En el primer módulo es donde se simula el espacio 3D donde añadir las

órbitas, satélites y estaciones terrenas que conforma el sistema de

comunicaciones que se desea estudiar.

En el segundo se realizan los cálculos y representaciones para la obtención

de los principales parámetros que caracterizan un radioenlace vía satélite.

El tercero es la ayuda de la aplicación.


34

II.3.2. Funcionalidad

De forma muy esquemática y manteniendo la separación en tres módulos

antes descrita se enumeran a continuación las funciones que realiza esta

aplicación:

Representación 3D

- Representación de elementos:

- Tierra

- Órbitas sin satélites

- Órbitas con varios satélites

- Estaciones terrenas asociadas a satélites

- Planos orbitales

- Elevación y azimut

- Movimiento de satélites

- Perigeo

- Proporciona información de los elementos del sistema de comunicaciones:

- Sobre orbitas:

Tipo de orbita, semieje mayor, excentricidad, inclinación,

argumento de perigeo, ascensión recta.

- Sobre satélites:

Coordenadas orbitales, inerciales y rotacionales, anomalía media.

- Sobre estaciones:

Latitud, longitud, elevación y azimut para una antena orientada

hacia un satélite dado.

- Sobre puntos subsatelitales:

Latitud, longitud.

Análisis radioenlace - Calculo de potencias transmitida y recibida

- Cálculo de pérdidas

- Representación gráficamente de:


35

- Potencia recibida en función de la frecuencia, directividad y

distancia.

- Relación portadora a ruido frente a frecuencia, ancho de banda y

temperatura.

Ayuda

Manual en formato HTML para el manejo de la aplicación.

II.4. Cambios

A continuación se enumeran las principales novedades y cambios respecto a las

versiones anteriores.

• Nuevo entorno de trabajo

Ahora la base de la aplicación es un escenario 3D por lo que ha sufrido

un rediseño total y profundo. Presenta una interfaz unificada para la

representación de órbitas, ángulos de visión y movimiento de satélites.

En la escena 3D se dispone de una serie de paneles empleados para

introducir, modificar, seleccionar y/o ver datos de los distintos elementos que se

desee. Estos paneles presentan un aspecto sencillo en pro de simplificar su uso.

Además se han dotado de la suficiente potencia para conseguir descargar al

usuario de tareas como comprobar si se han introducido todos los datos

necesarios y si son válidos.

Además del nuevo entorno 3D el apartado 2D de análisis del radioenlace

también ha sufrido un cambio tanto de aspecto como en la forma de interactuar.

Las múltiples ventanas que aparecían en versiones anteriores para configurar las

pérdidas de los radioenlaces y que obligaba al usuario a repetitivas pulsaciones

para la introducción de los datos, ha sido sustituida por un sencillo panel desde

el cual es posible acceder a toda esa información. Los resultados del cálculo de

balance y relación C/N se presentan de forma más útil y sobria, ahora en los

resultados se recortan las cifras decimales mostradas a un máximo de cuatro,

evitando mostrar largas cifras sin sentido. Aunque lo más destacado es la nueva


36

herramienta de representación gráfica. Ahora más dinámica y potente, con

errores de representación corregidos y con la que es posible interactuar

(seleccionar, realizar zoom, etc.).

• Recursos

Minimización del consumo de recursos de CPU. En contra de lo que se

podría imaginar esta aplicación apenas consume más recursos que sus versiones

predecesoras. Esto es debido a una optimización de sus algoritmos y al empleo

de OpenGL.

• Nuevas funcionalidades

Las más importantes son:

- Representación 3D de las orbitas y simulación del movimiento de los satélites.

- Representación de la Tierra con textura y simulación de su movimiento de

rotación.

- Sin limite en el número de orbitas y satélites a representar.

- Original sistema de identificación mediante colores de los distintos elementos

de una escena.

- Identificación de los cinturones de Van Allen.

- Visualización en cualquier momento de los datos referidos a órbita, satélite o

estación terrena deseada.

- Representación 3D de los ángulos de visión: elevación y azimut.

- Configuración del escenario 3D.

- Posibilidad de moverse por el escenario simplemente con el ratón.

- Interacción con las representaciones gráficas resultado de los análisis de los

radioenlaces. Posibilidad de moverse, seleccionar, aumentar o disminuir escala

y conocer valores de las curvas.

• Ayuda contextual

Inclusión de mensajes de ayuda para rellenar los campos.

• Manual de ayuda accesible desde la aplicación o un navegador Web.


37

II.5. Motor gráfico jMonkey Engine

El motor grafico empleado jMonkey Engine (jME) es la parte fundamental de

esta aplicación, pero ¿qué es jME?

Se trata de una API (Interfaz de programación de aplicaciones) de alto

rendimiento para objetos 3D, es decir, es un conjunto de librerías para programar juegos

3D en Java.

Usa una capa de abstracción para el renderizado 3D, lo que en teoría debería

permitir el uso de cualquier motor de render, pero por ahora sólo soporta LWJGL.

LWJGL

La Lightweight Java Game Library (LWJGL o Biblioteca Java Ligera para

Juegos) es una solución dirigida a programadores tanto amateurs como profesionales y

está destinada a la creación de juegos de calidad comercial escritos en el lenguaje Java.

LWJGL proporciona a los desarrolladores acceso a diversas bibliotecas

multiplataforma, como OpenGL (Open Graphics Library) y OpenAL (Open Audio

Library), permitiendo la creación de juegos de alta calidad con gráficos y sonido 3D.

Por otro lado, LWJGL permite además acceder a controladores de juegos como

gamepads, volantes y joysticks.

El auténtico objetivo de LWJGL no es crear un engine2 gráfico que permita

crear juegos espectaculares de forma casi inmediata, sino que lo que pretende es dar

acceso a los programadores Java a una tecnología y unos recursos que normalmente no

se implementan correctamente. Por tanto, LWJGL debe entenderse más bien como una

API base sobre la que en la actualidad ya se están apoyando algunas potentes

herramientas gráficas, como es el caso de la API de scene-graph3 jMonkey.

2 Motor 3 Basada en escenas con objetos 3D


38

II.5.1. Características

Tanto jME como LWJGL están disponibles bajo licencia BSD (Berkeley

Software Distribution) y por lo tanto son de libre distribución. A esta característica hay

que unirle su potencia y relativa facilidad de uso lo que convierte a jME en una muy

buena herramienta a tener en consideración. Lamentablemente como software libre en

fase de desarrollo presenta continuamente revisiones que añaden y corrigen fallos.

Aunque su filosofía no es muy compleja, es necesario conocimientos básicos de

entorno 3D, técnicas de representación y estar familiarizado con OpenGL para poder

sacarle el máximo partido a las posibilidades que nos ofrece. Y como cualquier motor

gráfico requiere un mínimo de tiempo para llegar a entenderlo y poder usarlo.

La arquitectura en la que está basada jME permite la organización de los datos

de la aplicación en forma de árbol, donde el nodo padre puede tener cualquier número

de nodos hijos (hojas), pero un hijo solo puede tener un padre. Esta organización está

pensada para una fácil gestión de los elementos en una escena y poder realizar

procesamientos rápidos de tareas. Por ejemplo mostrar sólo todo lo que depende del

nodo padre X y el resto de la escena ocultarlo.

Los nodos hojas se denominan geometrías (Geometry) las cuales pueden ser

renderizadas (mostradas) en pantalla. jME dispone de varias geometrías: curvas Bezier,

líneas (Line), puntos (Points), modelos (MD2, ASE, etc.), terrenos (Terrain) y algunas

más.

Además jME soporta efectos de alto nivel como: Sistemas de partículas (Particle

Systems) y destellos en la lente (Lens Flare).

Estas son solo algunas de sus características. Para profundizar más en ellas lo

más recomendable es consultar la documentación que nos proporciona desde su página

Web4.

4 www.jmonkeyengine.com


39

II.5.2. Estructura básica de una aplicación jME

Toda aplicación jME debe extender de una de las clases que proporciona jME en

su paquete com.jme.app. Todas proporcionan una simple implementación para el bucle

principal, definiendo los métodos comunes necesarios para nuestra aplicación. La

elección de dicha clase será la que determine el grado de implementación de los

métodos básicos (si debemos definir la cámara, el control del teclado,…) y el

comportamiento de nuestra aplicación (por ejemplo limitar el número de frames por

segundo) de nuestras escenas 3D.

Los métodos básicos de una aplicación jME son: Start(), initSystem(),

initGame(), Update(), Render(), Reinit() y Cleanup()

A continuación se muestra el esqueleto básico de una aplicación tipo, basada en

BaseGame (com.jme.app):

Clase juego extiende BaseGame

Main()

Constructor_BaseGame()

Start()

initSystem()

Crear la ventana

Crear la cámara

Añadir los comandos de teclado

initGame()

Cargar las mallas, texturas, terrenos, etc.

Establecer relaciones entre nodos, identificando el nodo raíz

Update()

Realizar la comprobación del teclado y ratón


40

Start

InitSystem

InitGame

While

Update

Render

Cleanup

Realizar operaciones del juego

Render()

Renderizar el nodo raíz o los nodos que deseemos y volcar en el

buffer frontal para representarlo.

Reinit()

Cleanup()

Llamado cuando termina el juego

Los distintos métodos son llamados automáticamente según el estado de nuestro

programa. Al comenzar se invoca al método Start() y a continuación el juego es

inicializado llamando primero a initSystem y después a initGame. Tras la

inicialización se entra en un constante bucle de actualización de elementos.

InitSystem() inicia la ventana, la

cámara y el teclado

InitGame() inicia gráficos

While()

Update()

Automáticamente actualiza

en cada ciclo los datos de teclado,

etc.

Render()

Automáticamente en cada

ciclo renderiza el escenario 3D.

Cleanup() Borrar al salir


41

Conocida como es la estructura y funcionamiento básico de jME lo que queda es

elaborar y representar nuestra escena. La idea del siguiente apartado no es la de explicar

que clases y métodos se deben utilizar para realizar dicha tarea, para este fin es mejor

recurrir a la ayuda que proporciona el propio jME, pero si la de explicar de forma

simple como hay que trabajar con esta herramienta. A pesar de ello en el último

apartado donde se expone un ejemplo se recurre a la presentación de clases concretas y

código de uso para una mejor comprensión de esta API.

II.5.3. Elementos en la escena

Una forma simple de ver como trabaja jME es pensar que todo escenario está

formado por un espacio, regido por unas “normas universales”, en el cual se insertan los

elementos que conformaran la escena final. Estos elementos siguen una jerarquía en

forma de árbol. Por tanto los nodos del árbol se verán afectados por lo que le ocurra al

padre del que descienden. Ese es el sistema empleado por jME para facilitar la creación

de escenas graficas para nuestra aplicación.

Toda escena está basada en una jerarquía nodal en forma de árbol. Este árbol

está formado por nodos que pertenece a ciertas ramas. Los nodos más bajos de la

jerarquía son las hojas. Todos los nodos pertenecientes a una rama presentarán

características comunes (cómo se verán afectados por la luz, si son o no representados,

niveles de transparencia, etc.).

Para construir este mundo empleamos el paquete scene donde encontramos las

clases relacionadas con “el mundo jME”. Entre ellas las más importantes son Spatial,

Node y Geometry.

o com.jme.scene.Spatial

o com.jme.scene.Geometry

o com.jme.scene.Node

Todos los elementos representables de nuestra escena pertenecen a la clase

Spatial, por tanto la clase básica para definir los nodos de nuestra escena gráfica es

Spatial. Posee las funciones de manejo de las características de representación

(renderState), control de posición en el mundo 3D, controladores de animación y

detección de colisiones, entre otras.


42

Geometry Node

Spatial

LensFlare Skybox …

Curve Line Point Text TriMesh

En Node se define un nodo interno para nuestra escena. Este nodo mantiene su

relación de hijos y manejadores asociados para permitir gestiones rápidas de múltiples

nodos. Cualquier número de hijos puede ser añadido a un nodo.

En Geometry se define una hoja del árbol. Una hoja destaca por contener los

datos geométricos para la renderización de los objetos. Gestiona toda la información de

renderizado como todos sus estados y datos para un modelo. Sus subclases define de

que modelo de datos se trata: Curve, Line, Point, Text o TriMesh (maya).

Spatial es superclase de cualquier tipo de nodo, cualquier geometría 2D ó 3D y

de los contenedores para crear componentes de ventanas. El esquema siguiente muestra

su estructura jerarquica:

Figura II.5.3.1. Jerarquía Spatial

Ejemplo iniciación a las apariencias: Una esfera y una caja.

Añadir elementos a nuestra escena sin más carece de encanto. El verdadero

poder de un motor gráfico es el de poder proporcionar una apariencia real a los

elementos de una escena. Veamos de forma fácil como hacer esto en jME.


43

Supongamos que tenemos en nuestra escena una esfera y un cubo ambos hijos

del nodo principal (rootNode) tenemos una representación como la mostrada en la

siguiente figura:

Figura II.5.3.2. Ejemplo de escena.

Con esta filosofía de estructura en árbol basta con ordenar el renderizado de

rootNode para poder ver a sus hijos. Así todas las geometrías hijas de este rootNode

serán renderizadas cuando lo sea el padre.

En este ejemplo para cambiar las apariencias se hará uso de una textura y un

material (con cierto color de emisión) que serán añadidos a los nodos. Para crear una

apariencia, es decir, un material, textura, representación alámbrica, etc, es necesario

crear un objeto conocido como renderer, necesario para crear los objetos que buscamos

para cambiar las apariencias y que forman parte del la clase RenderState.

Esto es tan simple como escribir las siguientes líneas: TextureState texturestate = display.getRenderer().createTextureState();

MaterialState materialstate = display.getRenderer().createMaterialState();

Una vez creados los objetos necesarios, se emplearan sus funciones para definir

sus propiedades.

Para el caso de la textura se crea un objeto Texture a partir de una imagen y se la

asignamos al TextureState creado empleando el método setTexture().


44

Texture texture = TextureManager.loadTexture("../images/Monkey.tga", 2, 1, true);

texturestate.setTexture(texture);

En caso del material usamos una función para definir el color emisivo del objeto:

materialstate.setEmissive(new ColorRGBA(0.0F, 0.2F, 0.0F, 1.0F));

Creadas estas nuevas apariencias o propiedades (State) hay que asignarlas al

nodo correspondiente para que los cambios queden reflejados en el árbol.

El código necesario para tal fin es el siguiente:

box.setRenderState(texturestate);

node.setRenderState(materialstate);

El material a sido asignado al nodo raíz al igual que la luz, pero la textura sola

ha sido asignado a la caja. La caja y la esfera son hijos de rootNode por lo que al aplicar

el material rojo a éste queda reflejado en sus dos hijos al igual que la luz. Sin embargo

la textura solo ha sido aplicada a la caja, de modo que solo afecta al nodo caja. Esto

muestra la potencia de este sistema de árbol, la herencia de sus propiedades. Así

considerando el aspecto, animación, movimientos o giros como propiedades del nodo y

que dada la relación existente, se transmiten de padres a hijos. Con ello hemos ahorrado

código al no tener que aplicar el material a cada geometría.

Imagine con este sistema lo que podemos conseguir, por ejemplo hemos creado

una niebla y ciertos objetos no son influenciados por ella. Podemos crear un nodo con la

niebla cuyos hijos serán los objetos afectados y otro nodo por separado para los no

afectados. Puesto que solo tenemos que aplicar la niebla al nodo que la usa, no tenemos

que particularizar para cada objeto por separado. Puede parecer obvio y por lo tanto no

imprescindible, pero si esto ocurriese para unos 500 objetos estaremos ahorrando

muchas líneas de código.

De igual modo, piense en el ahorro que supone tener objetos similares que

heredan las múltiples características de sus padres y que además pueden tener alguna


45

propia, en lugar de cientos de objetos con multitud de características repetidas y solo

alguna distinta. Si a esto le sumamos varias ramas de herencia, donde muchos objetos

por ejemplo comparten un mismo material y luces pero diferentes texturas, y algunos de

estos que tienen igual texturas poseen diferente sombreados, resulta que los grafos son

mucho más eficientes y rápidos de gestionar que cada objetos por separado.

Otra gran ventaja que podemos conseguir es obtener referencias a la hora de

hacer movimientos o giros respecto a de terminados puntos del espacio. Cada nodo

puede moverse y con ello moverá sus hijos también, así podemos crear jerarquías para

mover grupos de objetos, pivotes para las rotaciones, etc. Por ejemplo una grúa que

levanta varios objetos a la vez, si todos forman parte del mismo nodo solo tendremos

que mover con la grúa dicho nodo.

CAPÍTULO III – DESARROLLO DE LA APLICACIÓN

Desarrollo de la aplicación

47

III.1. Desarrollo de la aplicación

En el presente capítulo se expone la solución empleada para la realización del

simulador. Para la implementación de las distintas funciones de la aplicación se ha

optado por determinadas alternativas para su realización, estas alternativas se traducen

en el lenguaje de programación en una serie de clases y métodos. La relación clase –

funcionalidad suele ser una relación directa, aunque no tiene por que cumplirse. En los

siguientes apartados por tanto se explica esta relación para conocer en profundidad el

funcionamiento interno del simulador.

III.2. Diagrama general

A continuación se presenta un diagrama muy general, en el que se puede

apreciar las tres partes perfectamente diferenciadas de las que consta el simulador.

Figura III.2.1. Diagrama general del simulador


48

En los siguientes apartados se desarrollan cada una de las partes: Representación

3D, estudio radioenlace y ayuda. La primera y la última son totalmente nuevas con

respecto a las versiones anteriores. La parte de representación 3D aunque escrita desde

cero reutiliza algunas ideas de sus predecesores. La parte de estudio del radioenlace ha

sufrido un cambio más interno que de apariencia. Aunque es una parte perfectamente

diferenciada del resto de las partes de la aplicación debido a que su tratamiento interno

no presenta diferenciación con respecto al resto de elementos de interacción con el

usuario (paneles) se ha incluido su descripción en el apartado de paneles.

Al ser la más importante y con mayor número de novedades en los próximos

apartados se incide más en la primera parte. En la segunda se hace hincapié en los

cambios respecto a las versiones anteriores mientras que en la parte de la ayuda se

describe brevemente por ser un elemento al que ya se considera habituada cualquier

persona que haya empleado aplicaciones informáticas o navegadores Web.

Como convenio se establece la siguiente relación simbología-significado para

conseguir una clara representación en los sucesivos diagramas:

Clase

Método

Nodo

Otros

Figura III.2.2. Simbología diagramas


49

III.3. Representación 3D

Esta parte presenta la estructura típica de una aplicación jME. Su diagrama es el

mostrado en la siguiente figura:

Figura III.3.1. Diagrama general jOrbit

La clase principal de la aplicación se llama jOrbit. Se trata de una clase que

implementa los métodos básicos de la clase FixedFrameRate de la que desciende,

necesarios para ejecutar la aplicación. La elección de FixedFrameRate obedece a que

esta clase proporciona métodos para el control de frames por segundo de la aplicación.

Métodos muy útiles para controlar el consumo de la aplicación y el movimiento de los

elementos en los escenarios 3D. Además en jOrbit se ha implementado un método

adicional ActualizarInfo que es llamado desde el método update. Su función es la de

tener actualizada la información de los distintos elementos de la escena para que sea

accesible al usuario a través del panel de información.

ActionCamera es una clase que determina el movimiento de la cámara. Es

empleada en initSystem para determinar esta clase como manejadora del movimiento de

la cámara en la escena. Con esta clase se consigue los movimientos de giro alrededor de

la Tierra y de aproximación y alejamiento.

BasicSpace3D es la clase encargada de implementar el escenario 3D completo.


50

GestorGUI es la clase encargada de gestionar los paneles que aparecen en

nuestro escenario.

Tanto BasicSpace3D como GestorGUI son creadas en initGame y son realmente

las clases más importantes de la aplicación.

III.3.1. Escenario 3D

Se ha comentado que jME sigue una estructura jerárquica nodal en forma de

árbol. La clase BasicSpace3D lo que hace es construir y gestionar el árbol de elementos

3D de nuestra aplicación. La estructura que crea para ser mostrada en pantalla se

muestra en la siguiente figura:

Figura III.3.1.1. Diagrama BasicSpace


51

En BasicSpace3D se crea el nodo que será el nodo raíz de toda la escena 3D:

BasicSpace. A este nodo se asigna unas propiedades que simula la luz del sol en el

espacio y afectará a todos sus hijos. Como hijos se le añade un espacio con estrellas:

nodo Espacio y planetas: nodo Planetas. La aplicación está abierta a añadirle tantos

planetas como se desee. Para esta aplicación sólo se necesita uno: la Tierra.

El nodo Tierra se añade al genérico de tipo Planetas. Este nodo es representado como

una esfera de radio 6371km y una textura que simula el aspecto de la Tierra desde el

espacio.

A este nodo se le pueden añadir Constelaciones, formadas por órbitas y satélites,

estaciones terrenas, líneas que representarán los ángulos de visión de determinados

satélites, una representación del eje inercial del sistema y el plano ecuatorial.

Para esta aplicación las constelaciones están limitadas a tener una única órbita

pero varios satélites por órbita. Además de poder representarse sobre dichas órbitas su

plano orbital y el punto del perigeo.

III.3.1.1. En el interior de BasicSpace3D

Para conseguir gestionar el nodo BasicSpace, BasicSpace3D dispone de una

serie de variables y métodos que lo hacen posible.

Variables

Desde BasicSpace se controlan los nodos activos (representados), las

constelaciones y estaciones añadidas, mediante los métodos propios de los nodos (Node

de jME5) y conjuntos de ArrayList (Java).

5 Para mayor información véase documentación de jME


52

Métodos

BasicSpace3D(Renderer r) Constructor de la clase donde:

- inicializa variables

- Configura buffer de profundidad de

renderizado (que se verá y que no)

- Crea nodos: BasicSpace, espacio,

Planetas, Tierra, constelación,

estaciones, lineas, Eje_Inercial.

- Añade los nodos a sus padres

correspondientes

- Crea luz del espacio

Void BorrarLineas() Elimina todos los hijos del nodo líneas

Vector2f CalculaPS(Vector3f v) Dado un vector con tres dimensiones v, devuelve

su latitud y longitud en forma de vector de 2

dimensiones

Void CurvaAZ(Vector3f a, Vector3f

b,Vector3f estac)

Dibuja la curva que representa el azimut.

Vector3f Elegir(Vector3f ref, Vector3f

origen, Vector3f[] caso)

Selecciona un punto de la curva que une la

estación terrena con el punto subsatelital que

tenga la misma distancia que ref con origen

(estación terrena)

void MoverSatelites() Establece la siguiente posición de los satélites.

void MoverTierra() Establece el movimiento de rotación de la Tierra

void RepresentarAZ(int numconst, int

numsat)

Representa todas las líneas inherentes a la

representación del azimut para el satélite

seleccionado mediante numconst y numsat:

- Línea que une polo norte con estación

terrena

- Línea que une estación terrena con punto

subsatelital

- El ángulo azimut.

void RepresentarEL(int numconst, int

numsat)

Representa todos los elementos (líneas)

inherentes a la representación de la elevación

para el satélite seleccionado mediante numconst

y numsat:

- Línea que une centro de la Tierra con


53

satélite.

- Línea que une estación terrena con

satélite.

- Línea que representa el horizontal local.

Tangente a la superficie donde está la

estación terrena.

- Ángulo de elevación.

Node crearEspacio3D (Skybox universo3d) Crea el entorno estrellado del espacio.

Spatial crearPerigeo(int numconst,

ColorRGBA col)

Crea una pirámide de color col para representar

el punto del perigeo de la órbita seleccionada

numconst.

Spatial crearPlano(int numconst,

ColorRGBA col)

Crea plano de color col y le asigna como nombre

el número de la constelación al que corresponde.

void luzartificial(LightState lightStatea) Crea un estado adicional de luces, además del

creado en BasicSpace3D, se establece la

posibilidad de tener la Tierra sin zona de

oscuridad.

meterPerigeo(int numconst) Añade para su representación el perigeo a la

órbita correspondiente (numconst).

meterPlano(int numconst) Añade para su representación el plano de la

órbita correspondiente (numcontt).

III.3.1.2. Sin clases no funciona

En este apartado se presentarán las clases creadas que dan soporte a los

elementos más importantes que conforman el árbol: Las constelaciones, órbitas,

satélites, estaciones y planetas.


54

• Constelaciones

La clase Constelación es la encargada de crear constelaciones (conjunto

de órbita-satélites-estaciones) con un determinado nombre, color y órbita y

llevar la contabilidad de los satélites y estaciones asociados a ella.

Se trata de un Nodo que inicialmente se crea con un nombre, color y

órbita y al que posteriormente es posible añadirle satélites y estaciones terrenas.

Para la identificación de los distintos elementos de la escena se emplea

los colores. Todos los elementos que estén relacionados poseen el mismo color.

Así la órbita, los satélites asociados a ella y las estaciones asociados a estos

satélites poseen el mismo color, el cual es tomado del que la clase Constelación

asigna en su creación.

Tal tarea la realiza el método GenerarColor: ColorRGBA GenerarColor(float transp)

De forma aleatoria genera un trío de colores con cierta transparencia

(transp) y es asignada a la constelación.

• Órbitas

La clase Orbita crea las órbitas de la aplicación. Cada objeto de este tipo

creado tiene los siguientes datos:

Variables

Semieje mayor

Semieje menor

Excentricidad

Inclinación

Argumento Perigeo

Ascensión Recta

Altura Apogeo

Altura Perigeo

Periodo Orbital

Nombre


55

Tipo de órbita

Color

Matriz de Rotación para el cambio de coordenadas orbital-inercial.

Dicha matriz se calcula siguiendo los pasos determinados en el capítulo

uno.

Estado Orbita. Si la órbita es válida.

Objeto Line que es la geometría usada para la representación de la

órbita en 3D. Para su creación es necesaria una matriz de puntos que

determina su forma.

Métodos

Orbita(String sem, String exc,

String incl, String argperi,String

ascrect )

Constructor que inicializa el objeto Orbita creado

asignándole valor a todas las variables antes

mencionadas.

double calcper() Calcula la altura del perigeo

double calcapog() Calcula la altura del apogeo

Vector3f[] GenerarElipse(int

precision)

Crea una matriz de vectores de posición de los

distintos puntos de la trayectoria de la órbita. La

variable precisión sirve para determinar el número

de puntos de la trayectoria. Esta matriz es la

empleada para la construcción del objeto 3D

representable en la escena.

int OrbitaValida() Devuelve un código que identifica la validez de la

órbita:

- ORB_OK. Órbita válida

- ORB_CRASH. Órbita choca con Tierra

- ORB_ALLEN. Órbita coincide con el

cinturón de Van-Allen. Los cinturones de

radiación de Van Allen son áreas de la alta

atmósfera que rodean la Tierra donde hay

una alta concentración de partículas

atómicas (electrones y protones). Su

delimitación no está aún completamente


56

confirmada, ya que la actividad solar y el

magnetismo generan oscilaciones en sus

límites, que actualmente se denominan

zonas de radiación.

La intensidad de radiación presente en los

cinturones de Van Allen produce un

elevado deterioro de los circuitos

electrónicos y paneles solares de las naves

espaciales, mientras que el efecto de una

exposición sobre los seres vivos resulta

extremadamente dañino.

Se consideran 2 cinturones cuyas alturas

son:

1º: 1600-5000 Km.

2º: 15000-20000 Km.

- ORB_BAD. Órbita no válida por otras

razones. Valor por defecto hasta que es

comprobada.

String TipOrbita() Devuelve el tipo de órbita analizada.

Los tipos que se reconocen en función de los ejes

de la elipse que conforman la órbita son los

siguientes:

Tipo Alturas (A.) eje mayor-menor

(Km.)

Geoestacionaria 35795

LEO 1500-500

SSO 900-600

MEO 6000-11000

HEO A. al apogeo: 50000-40000

A. al perigeo: 1000-500

DESCONOCIDA Otras

ColorRGBA

GenerarColor(float transp)

Devuelve un color en formato RGBA (Red, Green,

Blue y Alpha). Este color es obtenido de forma

aleatoria.


57

String nombrar(String

sem,String exc, String

incl,String argp,String ascrec)

Devuelve el nombre que se le asigna a la órbita.

Este nombre es el resultado de concatenar a la

palabra Orb el valor del semieje mayor,

excentricidad, inclinación, argumento del perigeo y

ascensión recta.

• Satélites

La clase Satelite define los objetos satélites con sus datos y geometría

para su representación en la escena. Cada objeto de este tipo creado tiene los

siguientes datos:

Variables

Nombre. Es el resultado de concatenar a la palabra Sat el número de

satélite que se trata. Por ejemplo si es el segundo satélite de una

determinada constelación su nombre es: Sat2.

Código. Valor para identificar el satélite constituido por el valor de su

tiempo de paso por el perigeo y el valor del momento en el que se tomó

la medida.

Velocidad angular.

Color.

Tiempo de paso del perigeo.

Posición inicial del satélite.

Objeto Sphere. Los satélites son representados mediante esferas de

colores.

Órbita a la que pertenece el satélite.

Anomalía media.

Anomalía excéntrica.

Angulo respecto a su eje x en coordenadas orbitales.

Estación asociada al satélite.

Punto subsatelital asociado al satélite. Objeto aparte definido en la

clase PtoSubSat. Donde sólo se definen métodos para su localización.


58

Métodos

Satelite(Orbita orb,

JFormattedTextField tp, String

name,JFormattedTextField time)

Constructor de la clase. Crea un satélite

inicializando todas las variables antes descritas,

empleando los datos de órbita (orb), tiempo de

paso por el perigeo (tp), nombre del satélite

(name) y tiempo en el que se tomaron las

medidas (time).

Satelite(Orbita orb, String name,

JFormattedTextField lon,

JFormattedTextField time)

Constructor similar al anterior, empleado para

crear satélites en los que los parámetros

relacionados con perigeo carecen de sentido:

órbitas circulares. El parámetro lon es la longitud

del satélite.

codigo(JFormattedTextField tp,

JFormattedTextField time)

Crea el código que identifica a un satélite dentro

de una constelación.

double

CalcularM(JFormattedTextField

tp, JFormattedTextField time)

Calcula la anomalía media. Según pasos teóricos

descritos en el capítulo I.

double calculaE(double e, double

M)

Calcula la anomalía excéntrica. Parámetros:

excentricidad, e y anomalía media M.

double calcular0(double E, double

e, double a)

Devuelve el valor de r inicial en polares r0 del

satélite.

ouble calculaphi0(double erre0,

double e,double a,double E)

Devuelve el valor del ángulo inicial phi0 del

satélite.

Vector3f CoordSat(double r0,

double phi0)

Devuelve el vector posición inicial del satélite en

coordenadas orbitales a partir de sus

coordenadas polares calculadas con los métodos

anteriores.

• Estaciones

La clase Estacion define los objetos estaciones terrenas con sus datos y

geometría para su representación en la escena. Cada objeto de este tipo creado

tiene los siguientes datos:


59

Nombre que identifica la estación.

Longitud y latitud de la estación.

Objeto Box. Las estaciones son representadas mediante cubos de colores.

Referencia a los ángulos de elevación y azimut a su satélite asociado.

Métodos

Estacion(JFormattedTextField

t_longitud,

JFormattedTextField

t_latitud, String nombre)

Constructor de la clase. Crea una estación,

colocando una caja en las coordenadas

proporcionadas como parámetros: t_longitud,

t_latitud.

• Planeta – Tierra

La clase Planeta define los objetos estaciones terrenas con sus datos y

geometría para su representación en la escena. Cada objeto de este tipo creado

tiene los siguientes datos:

Variables

Vrotacion. Expresado en horas que tardar en dar una vuelta sobre sí mismo.

Textura: Imagen que representará el aspecto del planeta.

Radio: Radio del planeta.

Nombre. Identifica el astro.

Objeto Sphere. Los planetas son representados mediante esferas con radio y

textura definidos.

Métodos

Planeta (Renderer render,

String name, float radio, float

radioat, String tex, double vrot)

Constructor de la clase Planeta. Crea un planeta.

Crea una esfera con el nombre, radio y textura

proporcionada como argumentos del constructor.


60

III.3.2. Interfaz de usuario

La estructura jerárquica que sigue el árbol que constituye la interfaz de usuario

es la que se muestra en la siguiente:

Figura III.3.2.1. Diagrama interfaz usuario

La gestión de toda la interfaz de usuario se hace con la clase GestorGUI. En ella

se crea el nodo que será el nodo raíz de toda la interfaz: GUI. Todos sus hijos, excepto

el panel de análisis del radioenlace, son JMEDesktops, nodos especiales pensados para

emplear paneles swing tradicionales en las escenas de jME. El panel de análisis del

radioenlace difiere de sus “hermanos” debido a su funcionalidad totalmente diferente

del resto. Por lo que se ha implementado como una ventana swing tradicional,


61

resaltando el carácter modular de la aplicación ya que este módulo puede ser empleado

de manera separada al resto de la aplicación sin más que crear una clase con su método

main que instancia el panel creado.

III.3.2.1. En el interior de GestorGUI

Para conseguir gestionar el nodo GUI, del que descienden todos los paneles que

conforman la interfaz de usuario se implementa GestorGUI. Desde el nodo GUI se

controlan los paneles, para por ejemplo saber si se deben mostrar u ocultar. Esta clase

dispone de una serie de variables y métodos que hacen posible su tarea.

Variables

Nodo GUI. Nodo raíz.

Lista de JMEDesktops con todas sus referencias.

Lista de paneles swing con referencia a sus implementaciones.

Métodos

GestorGUI(InputHandler input, Renderer

render)

Constructor. Crea el nodo GUI y todos los

JMEDesktops, inicializando las principales

variables.

JMEDesktop crearJMEDesktop( String

name, int width, int height, InputHandler

input,JPanel panel)

Crea un objeto JMEDesktop con un cierto

nombre, dimensiones (width, height) y

aspecto (panel).

void quitarJMEDesktop(String name,

Node padre)

Elimina el JMEDesktop cuyo nombre es name

del nodo padre.

CrearPaneles() Crea todos los JMEDesktops con sus

dimensiones, ubicaciones y aspectos.

Node añadirJMEDesktop(JMEDesktop d,

String name, int x , int y, Node parent)

Añade el JMEDesktop d, asignándole el

nombre name y ubicación x,y al nodo parent.

propiedadesJMEDesktop(Spatial nodo,

Renderer re, int transparencia)

Asigna propiedades de transparencia al

elemento nodo.

setCoorDesktop (int x, int y, JMEDesktop

d)

Establece las coordenadas del JMEDesktop en

pantalla. X, Y representan el punto donde se


62

colocará el centro del JMEDesktop

Node getGUIScene() Devuelve una referencia al nodo principal

GUI

LinkedList getDesktop() Devuelve la lista de JMEDesktops

LinkedList getPanel() Devuelve la lista de paneles swing.

III.3.2.2. Paneles Como se ha comentado antes, la interacción del usuario en el entorno 3D se

realiza a través de los JMEDesktops cuya apariencia se define a partir de paneles swing.

Para la creación de esos paneles se ha implementado siete clases que definen el entorno

y los métodos que controlan las interacciones del usuario con sus elementos. Los

nombres de dichas clases y el panel que representan son:

Panel_ppal – Panel principal.

Panel_Orbitas – Panel para introducir los datos orbitales.

Panel_Escena – Panel para controlar el movimiento y elementos visibles de la escena

3D.

Panel_Elementos – Panel para seleccionar elementos a representar y/o ver su

información.

Panel_Info – Panel para mostrar información.

Panel_Conf – Panel para modificar parte del entorno 3D.

Panel_help – Panel para mostrar dibujo aclaratorio de los parámetros orbitales.

Panel_Analisis – Panel para realizar el estudio de un radioenlace vía satélite.

III.3.2.2.1. Panel principal

Esta formado por cinco botones para acceder a las partes principales de la

aplicación. La clase que define este panel es Panel_ppal. Se trata de un panel (JPanel6)

con los elementos mencionados y donde se controlan los eventos de pulsación del ratón

y paso del ratón por encima de los botones, para conseguir el efecto de movimiento de

los botones al pasar el ratón por los botones.

6 Véase ayuda de Java


63

Figura III.3.2.2.1. Esquema del panel principal

Al pulsar sobre los botones “Representación”, “Análisis radioenlace” y

“Configuración” muestran u ocultan el panel correspondiente en la escena.

Al pulsar sobre el botón “Ayuda” abre el navegador por defecto del equipo para

visualizar la ayuda. El botón “Salir” es empleado para cerrar la aplicación.

III.3.2.2.2. Panel órbitas La principal función de este panel es la de poder introducir los datos necesarios

para poder crear las órbitas, satélites y estaciones terrenas que se desean. Inicialmente

presenta un aspecto compacto ocultando los elementos no necesarios. El esquema que

presenta es el mostrado en la siguiente gráfica, donde a su derecha se enumeran las

funciones de los botones que constituyen el panel.


64

Figura III.3.2.2.2. Esquema del panel órbitas

Las zonas A y B son los espacios donde están las casillas donde introducir los

datos. Estas casillas no son JTextField convencionales sino JFormattedTextField los

cuales permiten definir máscaras, rangos y tipos de valores admisibles, mucho más

versátil y útil. De esta forma se controla la entrada de datos válidos en la aplicación.

III.3.2.2.3. Panel escena

Formado por seis botones, permiten controlar los paneles que se desean estén

visibles, el aspecto de la Tierra (textura que simule su aspecto natural o textura con los

meridianos y paralelos), mostrar el sistema de ejes inercial del sistema y activar o

desactivar el movimiento de los elementos del espacio 3D. El esquema de este panel y

la función de cada botón es el mostrado en la siguiente figura:


65

Figura III.3.2.2.3. Esquema del panel escena

III.3.2.2.4. Panel elementos Se trata de uno de los paneles más complejos de la aplicación. Permite

representar y borrar todos los elementos creados, mostrar una serie de ítems asociados a

esos elementos y mostrar información relativa a los elementos seleccionados.

En la siguiente figura se muestra un esquema de su composición. Este panel está

dividido en dos zonas, A y B. La zona A es donde se muestra en forma de árbol las

órbitas y satélites creados desde el panel de órbitas. Esta zona consta de una parte donde

se muestra el árbol (A1) con todos los elementos, una casilla (A2) donde se muestra el

color con el que se representa el elemento seleccionado y un botón (A3) que cambiará:

inicialmente y cada vez que se añada elementos aparecerá el botón con texto

“Actualizar” que revisará la estructura de elementos creada y actualizará el árbol de

representación. Tras esto cambiará aparecerá en su lugar el botón con texto “INFO”, al

pulsarse mostrará el panel de información con los datos del elemento seleccionado. La

zona B no es visible hasta que se haya actualizado el árbol con todos los elementos.

Consta de 6 botones, enumerados desde B1 hasta B6 con las siguientes funciones:


66

B1: Muestra todos los elementos (órbitas y satélites) que aparece en el árbol (A1). Su

selección es el paso previo necesario para acceder a otras funcionalidades de esta zona

como la selección del botón B5.

B2 y B3: Muestran u ocultan la representación de la elevación y azimut del satélite

seleccionado. La obtención de esta representación es en ambos casos muy similar. El

resultado de esta representación da además de los ángulos antes mencionados un

conjunto de líneas útiles para su representación y comprensión. La representación de

todas esas líneas (son objetos Line de jME) se basan en generar matrices con los

vectores de posición de los puntos que las forman. Así conociendo el punto inicial y

final y empleando coordenadas esféricas en este caso por ser más intuitivas y fáciles de

usar se obtiene las matrices buscadas. Tanto la obtención de esos puntos iniciales y

finales como de la elección de puntos a tomar son realizadas por métodos de

BasicSpace3D.

Estos botones tienen la particularidad que para mostrar los ángulos de elevación

o azimut de otros elementos se debe volver a pulsar para borrar la representación

anterior. Sólo es posible realizar la representación de estos ángulos de un elemento de la

escena.

B4: Muestra u oculta el plano orbital si se ha seleccionado una órbita o satélite o el

plano ecuatorial si es el nodo Tierra el seleccionado.

B5: Muestra u oculta el punto del perigeo de la órbita seleccionada. En caso de ser una

órbita sin excentricidad se muestra un mensaje de advertencia.

B6: Elimina todo el contenido de la escena 3D y borra las listas con los datos

anteriormente introducidos de órbitas, satélites y estaciones.


67

Figura III.3.2.2.4. Esquema panel de elementos

III.3.2.2.5. Panel de información

Formado por tres botones para seleccionar la información deseada de un tipo de

elemento particular y una zona común para mostrar dicha información. La función de

los botones colocados en su parte inferior es la de mostrar u ocultar la información

deseada. La información que aparece es tomada de las variables internas de los objetos

creados por las clases Orbita, Satelite y Estacion y actualizada continuamente por el

método ActualizarInfo.


68

Figura III.3.2.2.5. Esquema panel de información

III.3.2.2.6. Panel de configuración

Se trata de un panel muy simple para configurar dos aspectos de la escena 3D: la

luz y el fondo. Para esta tarea hay dos JToggleButton se tratan de botones que en

función de su estado pulsado si/no realizan una función u otra.

Para el cambio de luces del escenario lo que se hace es conmutar entre dos

estados de luces creados en BasicSpace3D: un estado formado por una luz direccional y

el otro por seis luces.

Figura III.3.2.2.6. Esquema panel de configuración


69

III.3.2.2.7. Panel ayuda rápida Implementado con la clase Panel_help, no se debe confundir con la ayuda

HTML accesible desde el panel principal, este panel es una ayuda para identificar

rápidamente los parámetros orbitales. Está compuesto por un dibujo que muestra los

parámetros gráficamente para una rápida interpretación de los mismos.

III.3.2.2.8. Panel de análisis del radioenlace

Este panel a simple vista proporciona la falsa impresión de no haber sufrido

cambios, debido a su similitud de aspecto con respecto a los proyectos anteriores, pero

bajo esa apariencia inalterada esconde importantes modificaciones.

En una sola ventana se ha incluido todo lo necesario para el análisis de un

radioenlace, prescindiendo de multitud de ventanas emergentes para introducir los datos

de las anteriores versiones.

El esquema del nuevo aspecto que presenta esta ventana es el mostrado en la

siguiente figura:

Figura III.3.2.2.8. Esquema panel análisis del radioenlace

En esta revisión se ha dotado de mayor precisión e interactividad con el usuario

al apartado de representación de gráficas. Se ha rediseñado internamente obteniendo una

herramienta de uso genérico, que se puede emplear tanto para el objetivo de esta


70

aplicación como, por ejemplo, para representar funciones trigonométricas como senos.

A continuación se describe la solución adoptada, basada en una idea encontrada en

www.chuidiang.com7 perfeccionada y preparada posteriormente para este proyecto.

La zona donde se representan las gráficas es el resultado de la implementación

de una clase que extiende de canvas8, que llamaremos lienzo. Este lienzo admite como

elementos especiales: una escala, objetos gráficos y observadores de ratón.

La escala

Un problema normal en los gráficos es que nosotros queremos dibujar un gráfico

con unas determinadas coordenadas (de usuario), por ejemplo, una función matemática

sin(x) va de 0.0 a 2*PI en el eje x y de -1 a 1 en el eje y, mientras que los ordenadores

nos ofrecen las coordenadas en píxel.

Para realizar esta función, está la interface EscalaGrafica con métodos de

pintado de Graphics. Una clase hija EscalaGraficaCartesiana implementa estos

métodos, pero haciendo la transformación de coordenadas. De esta forma, si en vez de

dibujar directamente con Graphics, dibujamos con EscalaGraficaCartesiana, no

debemos preocuparnos de transformar coordenadas de usuario en píxel.

EscalaGraficaCartesiana se inicializa pasándole cuales queremos que sean las

coordenadas límite de nuestro gráfico. De esta forma, puede hacer las cuentas para

transformar las coordenadas nuestras en píxel.

EscalaGrafica escala = new EscalaGraficaCartesiana();

escala.tomaExtremos (0.0, -1.0, 2*Math.PI, 1.0);

Los objetos gráficos

La interface ObjetoGrafico posee un único método dibujate(), que recibe una

EscalaGrafica. Cualquier cosa que queramos dibujar debería ser una clase que

7 En el mundo Java es posible encontrar multitud de recursos de personas que los facilitan de forma desinteresada, a todos ellos les doy mis más sinceros agradecimientos. 8 Véase ayuda de Java.

http://www.chuidiang.com/


71

implemente esta interface. En el método dibujate() debe dibujar lo que se quiera dibujar,

pero siempre en coordenadas de usuario. No debemos preocuparnos de transformar a

píxel.

En nuestra aplicación se emplean varios ObjetoGrafico, creados y listos para

utilizar:

• RejillaFija, dibuja una rejilla sobre nuestra área de dibujo, poniendo números en

las coordenadas.

• FuncionAbstracta, dibuja cualquier función matemática del estilo y=f(x). Hay

que heredar de ella y redefinir el método funcion(), que devuelve la y en función

de la x. Precisión de 500 puntos.

• CNvsBw, dibuja la gráfica relación CN frente ancho de banda, pasándole la

potencia transmitida, temperatura de ruido y el ancho de banda.

• CNvsFrec, dibuja la gráfica relación CN frente a la frecuencia, pasándole los

datos del enlace con pérdidas.

• CNvsTemp, dibuja la gráfica relación CN frente temperatura, pasándole la

potencia transmitida, el ancho de banda y la temperatura de ruido.

• PotvsDi, dibuja la gráfica potencia recibida frente directividad, pasándole los

datos del enlace incluidas las pérdidas.

• PotvsFrec, dibuja la gráfica potencia recibida frente frecuencia, pasándole los

datos del enlace con las pérdidas incluidas.

• PotvsR, dibuja la gráfica potencia recibida frente la distancia, pasándole los

datos del enlace incluidas las pérdidas.

Los observadores de ratón

La interfaz ObservadorRaton posee el método eventoRaton(), al que se le pasa

el evento de ratón y las coordenadas x, y de usuario en las que se ha producido el

evento. El método debe devolver true si el tratamiento del evento hace que se necesite

un repintado del gráfico y false en caso contrario.


72

Empleando esta interfaz se emplean varios ObservadorRaton:

• VisorRaton, que es un JTextField en el que se puede ver la coordenada x o y por

donde se mueve el ratón, en coordenadas de usuario.

• Clase Cursor, que sirve de padre para CursorHilo y CursorZoom. El primero es

una línea vertical, horizontal o ambas a la vez que se mueven con el ratón,

permitiendo marcar dos posiciones, usando botón izquierdo y derecho del ratón.

El segundo hace que se dibuje un rectángulo según arrastramos en el gráfico con

el ratón, y al terminar hace zoom de la zona en el rectángulo.

• Mano, que sirve para poder arrastrar un gráfico con el ratón.

El lienzo de dibujo

El Lienzo tiene dos capas de dibujo, para poder hacer un dibujo de fondo y otro

por encima que normalmente es algún tipo de cursor que se mueve con el ratón. Este

Lienzo se inicializa pasándole la EscalaGrafica que queramos (con sus límites de las

coordenadas de usuario). Admite que le añadamos todos los ObjetoGrafico que

queramos. El Lienzo, cuando necesite repintado, llamará a todos los dibujate() de los

ObjetoGrafico que tiene en su interior y presentará el dibujo en pantalla.

Lienzo lienzo = new Lienzo();

lienzo.tomaEscala (escala);

PotvsFrec potfre = new PotvsFrec(nlace.valorfrec, nlace.valorptx, nlace.valordtx,

nlace.valordrx, nlace.valorr, nlace.ltx, nlace.lrx, nlace.lpolariz, nlace.lapunta,

nlace.lgases, nlace.llluvia, nlace.lnubnieb, Color.GREEN);

lienzo.tomaObjetoGrafico(potfre);


73

III.4. Ayuda

Totalmente independiente a la aplicación que está escrita en Java se ha

implementado un manual para el manejo del simulador en formato HTML. Presenta una

sencilla e intuitiva estructura buscando un fácil manejo. Su esquema es el mostrado en

la siguiente figura:

Figura III.4.1. Esquema de la ayuda

Se trata de una página Web optimizada para ser visualizada a una resolución de

pantalla de 1024x768. Su diseño ha sido dividido en tres partes diferenciadas: el menú,

los enlaces rápidos y la información.

El menú.

Escrito en javascript, proporciona acceso a través de menús y submenús a los

distintos apartados y sub-apartados de la ayuda. Es de manejo intuitivo: basta

con pulsar en el menú sobre el apartado deseado para que muestre, si tiene, sub-

apartados asociados para poder seleccionarlos.

Enlaces rápidos.

Conjunto de iconos que representan el apartado al que dan acceso.

La información.

El contenido de la ayuda, dividida en apartados y escrita en archivos HTML.

CAPÍTULO IV - MANUAL DEL SIMULADOR

Manual del simulador

75

IV.1. Instalación para Windows

1. Descargar Java jre 1.5 o superior en caso de no tenerlo instalado en su equipo.

2. Instalar Java jre 1.5 o superior.

3. Copiar los archivos: jinput-dx8.dll, jinput-raw.dll,

lwjgl.dll y OpenAL32.dll de la carpeta:

Simulador\instalación\Libs en la capeta \bin dentro de la

carpeta de instalación del jre:

4. Copiar el directorio de la aplicación “Simulador” con todos sus directorios en la

zona del disco duro que se desee.

5. Doble clic sobre SOS3D.exe para ejecutar la aplicación.

IV.2. Área de trabajo

Es muy importante que se familiarice con el entorno de trabajo del simulador 3D

Órbitas-Satélites. Cuanto más sepa acerca de su potencial, más provecho podrá sacar de

sus funciones, herramientas y opciones.

La aplicación ofrece mucho más de lo que podría parecer a simple vista. Incluye

opciones que permiten mejorar la experiencia y proporcionan un mayor control sobre la

visualización del área de trabajo.

El área de trabajo del simulador incluye un panel del escenario que muestra la

simulación y una serie de paneles de interacción con el usuario que permiten

seleccionar opciones, introducir datos o mostrar información.


76

La forma de pasar a interactuar con un elemento u otro del área de trabajo, es

decir de interactuar con los elementos representados en la escena, como son las órbitas,

Tierra y satélites o con los paneles para introducir los datos es seleccionando el entorno

con el que deseas trabajar pulsando el botón derecho del ratón. Al pulsar este botón en

cualquier punto de la aplicación es posible pasar de un entorno a otro. La única señal

visual para distinguir en que entorno se encuentra es observando como la flecha que

representa el ratón sólo aparece cuando es posible acceder a los paneles de interacción

con el usuario y desaparece en caso contrario.

IV.2.1. Ver el área de trabajo

El aspecto básico del área de trabajo una vez arrancada la aplicación es la

mostrada en la siguiente figura:

Figura IV.2.1.1. Área de trabajo


77

Se distingue el panel del escenario con el espacio y la Tierra y dos paneles de

interacción: el panel principal, parte superior, que nos permitirá seleccionar entre las

opciones más importantes del simulador; y el panel de escena, parte inferior izquierda,

el cual proporciona acceso rápido para configurar los elementos visibles de nuestro

entorno de trabajo y proporcionar movimiento a las simulaciones.

A continuación se muestra una imagen del área de trabajo con todos los paneles

accesibles para trabajar en la representación 3D.

Figura IV.2.2.2. Área de trabajo desplegada


78

IV.2.2. Paneles de interacción con el usuario

IV.2.2.1. Panel principal

El panel principal, perfectamente integrado con el fondo del escenario, consta de

5 botones. A través de sus botones es posible acceder a las principales características de

la aplicación.

Figura IV.2.2.2.1.1. Vista panel principal

Presenta una intuitiva interfaz, con la que al pasar el cursor del ratón por encima

de los botones, estos se agrandan y muestran la información de su funcionalidad.

Figura IV.2.2.2.1.1. Detalle panel principal

A continuación aparece una tabla con la función de cada botón:

Representación

Despliega el panel para introducir los datos del sistema.

Análisis radioenlace

Muestra nueva ventana para acceder al estudio de un radioenlace.

Configuración

Despliega el panel para configurar elementos de la escena.


79

Ayuda

Accede a la ayuda de la aplicación en formato HTML, abriendo el

navegador configurado por defecto en su sistema.

Salir

Sale de la aplicación.

IV.2.2.2. Panel de escena

En la esquina inferior izquierda podemos encontrar el panel de escena.

Presenta el siguiente aspecto:

Figura IV.2.2.2.1. Vista panel de escena

Con un aspecto compacto sus principales funciones son la de mostrar/ocultar el

panel principal, el panel de elementos de escena y el panel de información además de

habilitar/deshabilitar el movimiento de las simulaciones. Las distintas funciones que le

permite realizar son representadas mediante intuitivos dibujos. Para más facilidad de

uso algunos de los botones cambian sus dibujos al ser pulsados.

Oculta o muestra el panel principal respectivamente. También oculta si

en ese momento están visibles, los paneles de orbita y de elementos.

Muestra / oculta el panel de elementos.

Muestra / oculta el panel de información de elementos de escena.

Cambia aspecto de la tierra. Muestra aspecto real o división en

meridianos y paralelos.

Muestra / oculta ejes inerciales.

Habilita / deshabilita movimiento de la simulación


80

IV.2.2.3. Panel de configuración

En esta primera versión es posible cambiar desde este panel dos parámetros del

escenario 3D: la luz y el fondo del escenario.

Figura IV.2.2.3.1. Vista panel de configuración.

Luces

Iluminación total de la Tierra (incluida la cara de noche).

Simulación de luz del Sol.

Fondo

Ocultar / mostrar estrellas en el fondo del escenario.

IV.2.2.4. Panel análisis del radioenlace

Este panel proporciona la interfaz para realizar los cálculos de balance y

representación de gráficas de interés para el radioenlace que deseemos estudiar.

En este apartado sólo se hablará de las diferencias y mejoras respecto de las

versiones anteriores ya que su funcionalidad ha sufrido livianas modificaciones.

La ventana se divide en 4 secciones (identificadas por números de distinto

color):


81

1 - Introducir datos del enlace

2 - Introducir pérdidas

3 - Cálculo de balance

4 - Representación.

Figura IV.2.2.4.1. Vista ventana análisis radioenlace

1.- Datos del radioenlace

En esta sección se deben introducir los datos mínimos necesarios para poder

realizar el cálculo de la potencia recibida y la relación portadora a ruido. Estos datos se

deben introducir en las casillas habilitadas para tal efecto. Al lado de cada casilla

aparece una etiqueta que identifica el valor que se debe introducir.

Figura IV.2.2.4.2.Detalle de la sección datos del enlace


82

Los datos a introducir son:

- Potencia transmitida. Expresada en decibelios es la potencia de la señal que se

desea enviar.

- Directividad de la antena transmisora (Tx) y receptora (Rx). Expresada en

decibelios es la máxima ganancia de la antena.

- Distancia del enlace. Expresada en kilómetros es la distancia entre el satélite y

la estación terrena.

- Frecuencia. Expresada en Gigahercios.

- Temperatura de ruido. Expresada en grados esta referida a al entrada del

receptor.

- Ancho de banda equivalente de ruido de recepción (Rx). Expresado en MHz.

2. Perdidas adicionales

Al cómputo para el cálculo de la potencia recibida se le puede añadir una serie

de valores que modificarán su resultado, son las pérdidas que aparecen en condiciones

no ideales en los radioenlaces.

Como novedad, en esta versión para introducir los datos de las pérdidas no

aparecen nuevas ventanas sino que para tal fin se habilitan nuevos campos a la derecha

de los botones en los que se accede a la configuración de dichas perdidas:

Figura IV.2.2.4.3. Detalle de la sección pérdidas adicionales.


83

Pulsando sobre los botones para seleccionar las pérdidas (con texto de color

rojo) es posible acceder a nuevos elementos relacionados con las perdidas

seleccionadas. Estos nuevos campos son los utilizados para configurar las pérdidas de

nuestro enlace.

Para el cálculo de las pérdidas adicionales sólo se tiene en cuenta las pérdidas

cuyas casillas han sido marcadas:

Figura IV.2.2.4.4. Detalle de pérdida no marcada – pérdida si marcada.

3- Cálculo de balances

En esta sección es donde se hace uso de los datos introducidos en las secciones 1

y 2 para el cálculo de la potencia recibida en el receptor y la relación portadora a ruido

del enlace. Estos resultados se obtienen pulsando el botón CALCULAR.

4 – Representación

La principal novedad está en el área de representación de las gráficas. Ahora se

trata de un área dinámica, en la que podemos seleccionar trozos de nuestras gráficas,

movernos por los ejes mediante los botones de zoom o con el ratón y visualizar la

posición del ratón sobre la zona de representación. Se trata de una potente herramienta

ahora más precisa y fácil de usar.

Elementos de la sección representación

Figura IV.2.2.4.5. Detalle de los botones de la sección representación


84

De izquierda a derecha veamos las funcionalidades de los distintos elementos:

El primer elemento es una lista desplegable que permite

seleccionar entre las distintas gráficas posibles a mostrar:

- Potencia recibida frente a la frecuencia.

- Potencia recibida frente a la directividad.

- Potencia recibida frente a la distancia.

- C/N frente al ancho de banda.

- C/N frente a la temperatura de ruido.

- C/N frente a la frecuencia.

Zona donde aparece la coordenada X del cursor al colocarse

sobre la zona de dibujo. En la casilla de su derecha se

muestra la coordenada Y.

Botón representar: Muestra la gráfica seleccionada de la

lista desplegable.

Botón borrar: Elimina todas las gráficas dibujadas.

Botones de zoom: Disminuyen o aumentan la escala de

representación.

IV.2.2.5. Panel de datos de órbitas

El aspecto inicial que presenta este panel con sus cuatro secciones con

funcionalidades diferenciadas marcadas es el mostrado en la siguiente figura:

Figura IV.2.2.5.1. Vista inicial panel de datos de órbitas y detalle de secciones

1.- Sección para introducir los datos

orbitales. Se deben de rellenar todos los

campos para órbitas genéricas con

excentricidad distinta de cero, en caso

contrarío muestra mensaje de error

advirtiendo de los campos que faltan.

Para órbitas circulares la aplicación


acepta los datos con el campo “Argumento Perigeo (w)” vacío. Asignándole

automáticamente el valor de 0.

2.- Botón para añadir satélites y estaciones terrenas. Muestra nuevos campos necesarios

para configurar la posición de los satélites y estaciones terrenas. Estos nuevos campos

aparecen en la parte inferior del botón (véase siguiente grafica).

3.- Botón para añadir los datos los nuevos elementos creados para representarlos. Puede

ser sólo una órbita (caso de esta gráfica) o un sistema completo formado por órbita,

satélites y estaciones terrenas. Al pulsarse aparece en caso de que no esté ya presente el

panel de elementos.

4.- Muestra ayuda rápida sobre los datos a introducir en el panel. Muestra un gráfico

donde se representan los parámetros para una fácil interpretación de los mismos.

Con los campos mostrados inicialmente en el panel de órbitas es suficiente para

crear órbitas. Si deseamos además representar satélites y estaciones terrenas como ya se

ha anticipado en el anterior punto 2, basta con pulsar el botón POSICIÓN SATÉLITES-

ESTACIÓN TERRENA tras haber introducido los datos orbitales correctos. Esto hace

que aparezcan los siguientes elementos (véase figura IV.2.2.5.2):.

Figura IV.2.2.5.2. Detalle para introducir datos satélites y estaciones terrenas

Figura IV.2.2.5.3. Detalle en caso de órbita sin excentricidad

1.- Determinar posición del satélite:

Se pide: Tiempo de paso por el perigeo

(T), fecha y hora en la que se toma la

medida (referencia: 12 horas del 1 de

enero del año 4713 a.C.). Pero en el

caso de órbita sin excentricidad no se

pide T sino la longitud del satélite.

2.- Determinar posición de la estación

terrena:

Longitud. Positiva es medida desde el

meridiano de Greenwich hacia el este

negativa hacia el oeste.


Latitud. Positiva medida hacia el norte, negativa medida hacia el sur desde el ecuador.

3.- Añade el satélite y estación configurada a la órbita previamente creada y permite

continuar añadiendo nuevos satélites y estaciones.

IV.2.2.6. Panel de elementos

IV.2.2.6.1. Aspecto inicial

El aspecto inicial que presenta este panel es el siguiente:

Inicialmente aparece de forma compacta esperando que el

usuario pulse el botón actualizar una vez haya terminado de

añadir elementos a escena desde el panel de datos orbitales.

El botón Actualizar despliega a la derecha de este panel una

botonera con las opciones de representación y rellena el

panel actual con los elementos añadidos. Los elementos los

muestra de forma ordenada, manteniendo las relaciones de

órbitas con satélites.

Figura IV.2.2.6.1.1. Panel elementos compacto

IV.2.2.6.2. Navegando por los elementos de la escena

Figura IV.2.2.6.2.1. Panel elementos desplegado

Este panel presenta tres

secciones diferenciadas:

- Elementos

- Representar

- Información


La sección Elementos donde se muestra en forma de árbol los elementos que se

han introducido para poder seleccionarlos.

La sección Representar desde la cual se puede seleccionar los ítems que se

desean mostrar de los elementos seleccionados de la sección Elementos.

La sección Información, colocada bajo la sección Elementos, desde la cual es

posible acceder a los datos de los elementos seleccionados.

La forma de seleccionar que es lo que se quiere representar, es empleando los

botones con el nombre del ítem que se desea. No todos los botones están habilitados

para todos los elementos seleccionados. Por ejemplo si seleccionamos un satélite, no

podremos acceder al botón perigeo o si seleccionamos una órbita a la elevación y

azimut.

A continuación se enumeran las funciones de los botones de este panel:

Representa todos los elementos del árbol elementos

Representa el ángulo de elevación para el satélite seleccionado

Representa el ángulo azimut para el satélite seleccionado

Muestra / oculta el plano orbital del elemento seleccionado, en el

caso de la Tierra su ecuador.

Muestra / oculta el punto del perigeo de la órbita seleccionada

La parte inferior en la que se muestra información rápida del elemento

seleccionado en forma de color para distinguirlo en la escena, tenemos el botón INFO y

el botón BORRAR.

Muestra / oculta panel de información del elemento seleccionado

Borra toda la escena


88

IV.2.2.7. Panel de información

Accesible desde el panel de escena o desde el panel de elementos este panel

muestra datos relativos a una órbita, satélite o estación.

Situado en la esquina inferior derecha este panel consta de 3 secciones, a identificar

como Órbita, Satélite y Estación. Estas secciones son accesibles a través de 3 botones

colocados en la parte inferior del panel.

2.2.7.1. Secciones

Órbita

Información mostrada:

Tipo de órbita: GEO, LEO, SSO, MEO, HEO, DESCONOCIDA.

Semieje mayor: distancia desde el centro de la tierra al apogeo.

Excentricidad

Inclinación

Argumento del perigeo

Ascensión recta del nodo ascendente

Figura IV.2.2.7.1.1 Detalle información órbita

Satélite


Anomalía media

Coordenadas orbitales

Coordenadas inerciales

Coordenadas Rotacionales

Posición del punto subsatelital: latitud, longitud.


89

Figura IV.2.2.7.1.2. Detalle información satélite:

Estación


Posición de la estación terrena: latitud, longitud.

Ángulo de elevación

Ángulo de azimut

Ángulo de visión: mostrando mensajes de no visibilidad cuando el satélite

sobrepasa el horizonte local.

Figura IV.2.2.7.1.3. Detalle información estación

Cuando se representa los ángulos de elevación y azimut, las líneas que

representan dichos ángulos tienen el mimo color que las letras que aparecen en este

panel, para una mejor identificación de dichos ángulos en la representación.


90

IV.3. Órbitas En este apartado se describe en 7 fáciles pasos el acceso a todas las

funcionalidades referidas a las órbitas. Este pequeño número de pasos a controlar, hace

que sea atractivo su manejo y rápido su aprendizaje.

IV.3.1. Crear órbitas

Los pasos a seguir son

muy lineales, buscando la

facilidad del usuario.

1.- Seleccionar el modo

representación: pulsar botón de

la barra principal

REPRESENTACIÓN

2.- Rellenar los campos para

definir la órbita. Pulsar con el

ratón sobre las casillas

habilitadas para tal fin.

3.- Completados todos los

campos, pulsar el botón

Figura IV.3.1.1. Pasos crear órbitas AÑADIR a ESCENA

Con estos 3 simples pasos hemos creado nuestra primera órbita.


91

IV.3.2. Representar órbitas

El siguiente paso es visualizar nuestra órbita en el escenario. Al realizar la

última operación en el paso anterior de creación de órbitas, aparece el panel de

elementos, tal y como se muestra en la siguiente figura:

4.- Para rellenar el panel con los elementos creados se debe

pulsar sobre el botón Actualizar.

Figura IV.3.2.1. Representar órbitas 1

Tras pulsar Actualizar se obtiene algo similar a la siguiente figura donde aparece

la órbita creada y una serie de botones con las nuevas funcionalidades accesibles.

5.- Basta con pulsar el botón Elementos

para representar nuestra órbita en el

escenario 3D.

A continuación es posible

seleccionar los botones Plano

seleccionado o Perigeo para visualizar el

plano orbital o el punto del perigeo de la

Figura IV.3.2.2. Representar órbitas 2. órbita seleccionada.

IV.3.2.1. Casos especiales

Ya sea por su utilidad o curiosidad hay dos casos a los que se le va a prestar

especial atención en este apartado: las órbitas geoestacionarias y la ubicación de los

cinturones de Van Allen.


92

IV.3.2.1.1. Geoestacionaria

Las órbitas geoestacionarias son de las más importantes en las comunicaciones

vía satélite.

Para crear este tipo de órbitas hay que seguir los pasos antes descritos sabiendo

que como dato en la casilla para introducir el semieje mayor hay que escribir la cifra:

42166.

IV.3.2.1.2. Cinturones de Van Allen

Los cinturones de radiación de Van Allen son áreas de la alta atmósfera que

rodean la Tierra por encima de la ionosfera. Aunque su delimitación no está aún

completamente confirmada, ya que la actividad solar y el magnetismo generan

oscilaciones en sus límites (zonas de radiación). Se considera 2 cinturones, con las

siguientes alturas:

1º: 1600-5000 Km.

2º: 15000-20000 Km.

La intensidad de radiación presente en los cinturones de Van Allen produce un

elevado deterioro de los circuitos electrónicos y paneles solares de las naves espaciales,

mientras que el efecto de una exposición sobre los seres vivos resulta extremadamente

dañino. Por esta, razón las misiones espaciales requieren tanto de una protección eficaz

ante el poder penetrativo que representa el bombardeo de partículas subatómicas, como

de una perfecta planificación en la que se reduce al mínimo la exposición de los

astronautas frente a dichas radiaciones.

Es por ello por lo que hay que tenerlos en cuenta y eso es lo que hace este

simulador. Mostrando el siguiente mensaje de advertencia cuando detecta este posible

caso:

Figura IV.3.2.1.2.1. Mensaje advertencia Van Allen


93

IV.3.3. Datos órbitas

Para obtener los datos de una órbita hay que recurrir al panel de información.

6.- Pulsar sobre el botón INFO para

mostrar el panel con los datos de la

órbita seleccionada.

Figura IV.3.3.1. Acceder al panel información

Se obtiene un panel en la parte inferior derecha de la pantalla, similar al

siguiente:

Figura IV.3.3.2. Detalle información órbita

IV.3.4. Eliminar órbitas

7.- En el mismo panel de elementos

pulsar el botón BORRAR.

Figura IV.3.4.1. Borrar elementos


94

IV.4. Satélites

Trabajar con satélites es similar a como se ha descrito con órbitas, como se verá

en los siguientes apartados.

IV.4.1. Crear satélites

Sólo 6 pasos son los necesarios para crear y añadir nuestro satélite al árbol de

elementos a representar.

Los pasos 1 y 2 son los mismos que

para la creación de órbitas.

3.- Pulsar el botón: POSICIÓN

SATÉLITES - ESTACIÓN

TERRENA.

Se despliega nuevos campos para

añadir los datos de nuestros

satélites y estaciones terrenas.

4.- Rellenar las casillas, prestando

atención al formato admitido por

las mismas:

Para Tiempo de paso perigeo y

hora el formato con el que se debe

introducir los datos es:

Hora:minutos:segundos

Para el campo fecha: Día-mes-año

Este detalle es facilitado por la

Figura IV.4.1.1. Crear satélites aplicación en modo de mensajito

que aparece al colocar el ratón sobre la casilla a rellenar.

Figura IV.4.1.2. Detalle mensaje de ayuda.


95

5.- Pulsar AÑADIR para confirmar los datos introducidos. Si se de desea añadir otro

satélite – estación a la órbita actual, basta con volver al punto 4.

6.- Para finalizar la introducción de satélites y estaciones pulsar AÑADIR a ESCENA.

IV.4.2. Representar satélites

Los pasos para representar un satélite son análogos a los

de órbita. Al realizar la última operación en el paso anterior,

aparece el panel de elementos, tal y como se muestra en la

siguiente figura de la izquierda.

7.- Para rellenar el panel con los elementos creados se debe

pulsar sobre el botón Actualizar.

Figura IV.4.2.1. Representar satélites 1

Tras el paso 7 se despliegan el resto de opciones del panel. Se obtiene una

situación similar a la que aparece en la siguiente figura aparece la órbita creada y una

serie de botones con las operaciones que se pueden acceder.

8.- Basta con pulsar el botón Elementos

para representar nuestra órbita en el

escenario 3D.

Figura IV.4.2.2. Representar satélites 2

A continuación es posible seleccionar los botones Elevación, Azimut para

visualizar dichos ángulos, Plano seleccionado o Perigeo para visualizar el plano orbital

o el perigeo de la órbita al que pertenece el satélite seleccionado.


96

IV.4.3. Datos de satélites

Para obtener los datos de un satélite y estación terrena asociada hay que recurrir

al panel de información.

9.- Pulsar sobre el botón INFO para

mostrar el panel con los datos de la

órbita seleccionada.

Figura IV.4.3.1. Acceder a datos del satélite

Se obtiene un panel en la parte inferior derecha de la pantalla, similar al

siguiente:

Seleccionando la opción satélite:

Figura IV.4.3.2. Detalle datos satélites

Seleccionando la opción estación:

Figura IV.4.3.3. Detalle datos estaciones


97

IV.4.4. Localización de satélites desde la Tierra

Con la idea de orientar las antenas en las estaciones terrenas en la dirección

correcta hacia los satélites se definen un par de ángulos para tal fin: ángulo de elevación

y ángulo de azimut. Esta aplicación permite representar dichos ángulos. A continuación

veamos cómo:

IV.4.4.1. Elevación

En el panel de elementos seleccionar el satélite deseado que previamente se ha

representado en la escena y pulsar sobre Elevación, en nuestra escena aparecerá un

resultado similar al de la siguiente figura, donde aparecen las elementos que se

representan junto con el ángulo de elevación: horizonte local, recta que une centro de la

tierra con satélite, recta que une estación terrena con satélite:

Figura IV.4.4.1.1. Representación Elevación


98

Sólo es posible realizar esta representación para un satélite al mismo tiempo,

para volver a tener accesible esta opción para el resto de satélites hay que pulsar

nuevamente el botón Elevación.

IV.4.4.2. Azimut

En el panel de elementos seleccionar el satélite deseado que previamente se ha

representado en la escena y pulsar sobre Azimut, en nuestra escena aparecerá un

resultado similar al de la siguiente figura, donde aparecen las elementos empleados de

referencia que se representan junto con el ángulo de azimut: las líneas que unen el Polo

Norte con el punto subsatelital (PS) y con la estación terrena (ET) y la línea que une ET

con PS.

Figura IV.4.4.2.1. Representación Azimut.

Al igual que con la elevación, sólo es posible realizar esta representación para un

satélite al mismo tiempo, para volver a tener accesible esta opción para el resto de

satélites hay que pulsar nuevamente el botón Azimut.


99

IV.4.5. Movimiento de satélites

Para ver en movimiento la escena 3D basta con pulsar el botón con el siguiente

icono situado en el panel de escena (esquina inferior izquierda de la pantalla).

IV.4.6. Eliminar satélites

Pulsar el botón BORRAR del

panel de elementos para eliminar toda

la escena representada y elementos

almacenados.

IV.5. Estudio del radioenlace

Para acceder a la ventana para realizar el análisis del

radioenlace pulsar sobre el botón de la barra principal

ESTUDIO RADIOENLACE, mostrado a la izquierda.

Figura IV.5.1. Detalle icono radioenlace

Conociendo las distintas partes de la que consta la ventana para el estudio del

radioenlace, el aprendizaje de su manejo es muy rápido y los pasos a seguir son los

siguientes:


100

1.- Introducir datos del radioenlace

Figura IV.5.1.1. Detalle datos del enlace

2.- Opcionalmente se puede configurar y seleccionar pérdidas:

Figura IV.5.1.2. Detalle pérdidas adicionales

3.- Cálculo del balance de potencia recibida y relación C/N: Pulsar botón CALCULAR

Figura IV.5.1.3. Detalle cálculos del radioenlace


101

4.- Representación:

Figura IV.5.1.4. Representación gráfica.

Representar gráficas: Seleccionar la gráfica deseada y pulsar REPRESENTAR.

Borrar gráficas. Pulsar BORRAR.

5.- Salir de la ventana: Pulsar botón Salir

Figura IV.5.1.5. Botón Salir


102

IV.6. Solución de problemas

El siguiente apartado pretende dar solución a algunas situaciones detectadas con

las que el usuario se puede encontrar.

IV.6.1. No sucede nada al arrancar la aplicación. Comprobar que está instalada Java jre 1.5 o superior y las librerías necesarias

LWJGL están instaladas correctamente.

IV.6.2. Aparece mensaje de error al arrancar la aplicación. Si al arrancar la aplicación aparece la siguiente ventana de error:

Figura IV.6.2.1. Mensaje de error de LWJGL.

Instale las librerías necesarias de LWJGL en la carpeta bin de jre.

IV.6.3. Aparece una pantalla inicial de configuración pero al pulsar OK no ocurre nada.

Si en el apartado de refresco de la pantalla no es posible cambiar dicho valor y

aparece 1Hz esto puede ser debido a no tener los drivers apropiados para la tarjeta

gráfica, proporcionados por el fabricante y que dan soporte para aceleración OpenGL.


103

La instalación de los drivers que proporciona Windows por defecto no garantiza

el soporte para OpenGL por lo que es necesaria una actualización de los mismos.

Identifique la marca y modelo de su tarjeta y descárguese los drivers más adecuados

desde la página Web del fabricante.

Figura IV.6.3.1. Pantalla inicial de configuración.

IV.6.4. La aplicación arranca pero no se ve bien.

Asegúrese que la resolución escogida para la ejecución de la aplicación es

superior a 800x600. Se recomienda al menos una resolución de 1024x768.

CAPÍTULO V - PRUEBAS Y VALIDACIÓN DE RESULTADOS

Pruebas y validación de resultados

105

V.1. Introducción

En el presente capítulo se desarrollan y resuelven una serie de problemas típicos

y se comprueban los resultados con los que se obtiene con el simulador. La intención es

verificar que se trata de una herramienta útil y fiable para la validación de resultados

teóricos.

V.2. Pruebas En este apartado se enuncian una serie de problemas de análisis de radioenlaces

en los que hay que realizar diferentes operaciones para obtener los resultados pedidos.

Las soluciones son completadas con presentaciones resumidas de los resultados teóricos

empleados. En algunos problemas se puede identificar directamente los datos necesarios

para introducir en nuestra aplicación mientras que en otros se debe realizar algunas

operaciones intermedias para obtenerlos. Con estos ejemplos prácticos se aprende como

identificar los distintos datos obtenidos manualmente con las distintas casillas de la

aplicación. En los distintos desarrollos de dichas soluciones se marca ( ) los datos que

emplearemos para la verificación de los resultados con la aplicación.

V.2.1. Problema 1

Considere una estación terrena equipada con una antena de diámetro d = 4 m. La

antena es alimentada con una potencia de 100W a 14 GHz (frecuencia del enlace

ascendente) y su eficiencia es del 60%. El satélite (geoestacionario) se encuentra a una

distancia aproximada de 40000Km de la antena. La antena del satélite tiene un ancho de

haz a 3 dB de 2º y una eficiencia del 55%. La estación terrena en cuestión está en el

centro de la zona de cobertura.

Determine:

1. La potencia total recibida por la antena del satélite.

2. El flujo de potencia que incide en el satélite.


106

— Solución —

Se emplea la fórmula de Friis para el balance de potencia en dB:

Prx = Ptx + Dtx + Drx – Lbf - Lad

Donde:

Prx es la potencia recibida

Ptx es la potencia transmitida

Dtx es la directividad de la antera transmisora

Drx es la directividad de la antera receptora

Lbf son las pérdidas básicas en espacio libre

Lad son las pérdidas adicionales, debidas a: equipos, polarización, apuntamiento,

lluvia, gases.

El panel de análisis del radioenlace necesita de los datos que aparecen en el

segundo miembro de la fórmula para el cálculo de la potencia recibida. A continuación

se realizan los cálculos necesarios para obtener esos datos y comprobar los resultados:

Para obtener esos datos se recurre a las siguientes ecuaciones:

- Área efectiva para antenas de apertura: 2

2efdA η ⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠

η: Eficiencia de la antena. d: Diámetro de la antena.

- Relación ancho de haz 3dB con diámetro de una antena de apertura:

9

3

70

dB

d λθ⋅

= 3dBθ : Ancho de haz 3dB (º). λ: longitud de onda.

- Directividad (Di) de las antenas:

2

4i efD A π

λ⋅

= ⋅ efA : Área efectiva. λ: longitud de onda.

9 También es muy empleada esta otra expresión: 75

3d

dB

λθ

⋅=


107

- Pérdidas básicas :

( ) 92.45 20log ( ) 20log ( )bfL dB f GHz d Km= + +

Enlace ascendente: 0.021428571 ac mf

λ = =

- Directividad de la antena transmisora de la estación terrena: 2

,40.6 206340.5293 53.15tx ET

a

D dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ = →⎜ ⎟

⎝ ⎠

- Directividad de la antena receptora del satélite:

70 0.752

aSATd mλ⋅

=

2

, 0.55 6649.645965 38.23SATrx SAT

a

dD dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ = →⎜ ⎟

⎝ ⎠

- Pérdidas básicas:

92.45 22.9226 92.0412 207.4138bfL dB= + + =

1. La potencia total recibida por la antena del satélite:

P 20 53.15 38.23 207.41 0 96.03 249.46rx dB pW= + + − − = − →

2. El flujo de potencia que incide en el satélite. 2

2, 0.243

4a

ef rx SATA D mλπ

= ⋅

2246.46 1026.58 0.243

rx

ef

P pW mA

ϕ = =

Resultado de la aplicación:

Introduciendo los siguientes datos:

Ptx: 20 dB

,tx ETD : 53.15 dB

,rx SATD : 38.23 dB

Distancia del enlace (r): 40000 Km

Frecuencia (f): 14 GHz

El resultado obtenido de la potencia total recibida por la antena del satélite es:

-96.0255 dB.


108

V.2.2. Problema 2

Considere el enlace descendente (12 GHz) para el mismo satélite y estación

terrena del problema 1. La potencia entregada a la antena de satélite es 10 W.

Determine:

1. La potencia recibida por la estación terrena.

2. El flujo de potencia que incide en la antena de la Tierra.

— Solución —

Enlace descendente: 0.025 dc mf

λ = =

Como indica el enunciado, emplearemos los datos (directividad) obtenidos en el

problema anterior.

- Pérdidas básicas:

92.45 21.5836 92.0412 206.0748bfL dB= + + =

1. La potencia total recibida por la estación terrena:

P 10 38.23 53.15 206.0748 0 104.6948 33.93rx dB pW= + + − − = − →

2. El flujo de potencia que incide en la antena de la Tierra. 2

27.544efdA mπη ⋅

= ⋅

233.93 4.5 7.54

rx

ef

P pW mA

ϕ = = =



Ptx: 10 dB

,tx SATD : 38.23 dB

,rx ETD : 53.15 dB



109


El resultado obtenido de la potencia total recibida por la antena de la estación

terrena es: -104.6947 dB.

V.2.3. Problema 3

Considere el enlace descendente, a 4 GHz, de un radioenlace de TV vía satélite. La antena del satélite de una ganancia de 25dB transmite 10dBW.El satélite se encuentra a una distancia aproximada de 37622 Km de la antena de la estación terrena. La estación terrena se caracteriza por una antena de ganancia 46.51dB y una temperatura del sistema receptor de 270ºK. Considere el ancho de banda de ruido de la portadora de TV = 36MHz. Calcule la relación (C/N) — Solución —

En este problema se va a ver cómo obtener la relación portadora a ruido del

enlace. La relación a resolver es:

enlaceC GPIRE L K BN T

⎛ ⎞ = − + − −⎜ ⎟⎝ ⎠

Suponiendo que no existen perdidas por apuntamiento ni otras adicionales, Lenlace

será las pérdidas básicas de propagación en medio libre.

46.51 24.31 22.2 /G dB KT= − =

14 C dBN

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠


Para el cálculo de CN

la aplicación emplea la misma relación que se ha

enunciado al principio de la solución.

, ( ) ( ) 10 25 35tx SAT txPIRE P dBW G dB dBW= + = + =

228.6 ºK dBW K Hz= − −

610log36 10 75.6 /B dBW Hz= ⋅ =


110


Ptx: 10 dBW

,tx SATD : 25 dB

,rx ETD : 46.51 dB



TET: 270ºK

B: 36 MHz

El resultado obtenido de la relación potencia de la portadora – potencia de ruido es: 14.24 dB.

V.2.4. Problema 4 Considere el enlace ascendente, a 14 GHz, de un radioenlace vía satélite. La estación terrena está equipada con una antena de 3.5m de diámetro. Dicha antena es alimentada por una potencia de 110 W y su eficiencia es del 60%. El satélite (geoestacionario) se encuentra a una distancia aproximada de 40000 Km de la antena. La antena del satélite tiene un ancho de haz 3 dB de 2º y una eficiencia del 65%. Considere que las pérdidas de la línea que alimenta la antena transmisora son 0.5 dB y su error de apuntamiento es 0.1. La pérdida de la línea entre la antena receptora a bordo y el transpondedor es 1 dB, siendo su temperatura 290º K. La figura de ruido del receptor a bordo es 3 dB. Considere que la estación terrena está en el borde de la zona de cobertura a -3 dB de la antena receptora del satélite. Calcule la figura de mérito del receptor a bordo y la relación (C/N0) para los siguientes casos: 1. Atenuación atmosférica 0.4 dB. 2. Atenuación atmosférica 0.4 dB y atenuación por lluvia 11 dB.

— Solución —

En este problema se va a ver cómo obtener la relación portadora a ruido del

enlace ascendente (a): (C/N0)a. Para ello además de las expresiones enunciadas en el

problema anterior se utilizan algunas nuevas.

La relación a resolver es:

, ,0

10log ( )raa bf a ad a

SATa

GC PIRE IB L L K dBN T

⎛ ⎞= + − − + −⎜ ⎟

⎝ ⎠


111

Donde PIREa10 de la estación terrena transmisora es:

PIRE radiada por la estación en el eje de

puntería de la antena de transmisión.

,( )ta txmáx ap txG dB D L= −

IB: Input Back off11. Se considera igual a 0dB (no se produce intermodulación

entre portadoras)

ra

SAT

GT

es la figura de mérito del satélite. Relación entre la ganancia de la antena

del satélite raG y la temperatura de ruido del receptor, referida a la entrada del

primer amplificador del satélite, SATT .

10 log K =-228.6 dBW/ ºK-Hz K: Constante de Boltzmann

Veamos como se resuelve cada dato paso a paso:

- Longitud de onda del enlace ascendente: 0.021428571 ac mf

λ = =

- Potencia transmitida por la estación terrena: Ptx,ET= 20,41 dBW.

- Directividad de la antena transmisora de la estación terrena: 2

,3.50.6 157979.4741 51.99tx ETa

D dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ = →⎜ ⎟

⎝ ⎠

- Directividad de la antena receptora del satélite:

70 0.75 2

aSATd mλ⋅

=

2

, 0.65 7858.673 38.95SATrx SAT

a

dD dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ →⎜ ⎟

⎝ ⎠

10 PIRE: Potencia isótropa radiada equivalente. 11 Parámetro de explotación del transpondedor. Reducción de la potencia de trabajo de los amplificadores de los transpondedores para evitar el ruido de intermodulación entre las portadoras moduladas con las que trabaja.

, ( ) ( )a tx ET taPIRE P dBW G dB= +


112

- Pérdidas por apuntamiento de la estación terrena en transmisión:

370 0.42857º3.5dBλθ ⋅

= =

2 2

,3 ,

0.112 12 0.6530.42857

Tap tx

dB tx

L dBθθ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ = ⋅ =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

- Pérdidas por apuntamiento del satélite en recepción:

Pérdida por recepción fuera del haz (borde de la zona de cobertura): 3dB12

- PIRE de la estación terrena:

Potencia entregada a la antena:

( ) 20.41 0.5 19.91ent ant alP dB P L dB− = − = − =

Ganancia en el eje de puntería:

,( ) 51.99 0.653 51.337ta txmáx ap txG dB D L dB= − = − =

19.91 51.337 71.25aPIRE dBW= +

- Pérdidas del enlace ascendente sin y con lluvia:

Pérdidas totales: pérdidas básicas en el medio libre más pérdidas adicionales

(atmosféricas y lluvia).

, , ,Total a bf a ad aL L L= +

, 92.45 22.9226 92.0412 207.4138bf aL dB= + + =

12 1ºRθ = Borde de la zona de cobertura de -3dB.

2 2112 12 3, 23 ,RL dBap rx

dB rx

θ

θ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟= ⋅ = ⋅ =⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠


113

Sin lluvia:

, , , 0.4 0 0.4ad a at a llu aL L L dB= + = + =

, 207.4138 0.4 207.81Total aL dB= +

Con lluvia:

, , , 0.4 11 11.4ad a at a llu aL L L dB= + = + =

, 207.4138 11.4 218.81Total aL dB= +

- Temperatura de ruido del satélite (a la entrada del receptor R):

No cambia con la lluvia, al encontrarse muy distante de la fuente de la misma.


( )00

( 1) 1aSAT eq r

T T lT T T fl l

−= = + + −

La temperatura de la antena en un enlace descendente verifica:

a Tierra EspacioT T T= +

TierraT .Temperatura de la Tierra. Se suele tomar igual a 290ºK si no se tienen

datos más precisos.

EspacioT . Temperatura del espacio. Se suele considerar despreciable.

0T . Temperatura de referencia (290ºK).

rf . Factor de ruido del receptor: /1010 1.995RFrf =

1/1010 1.2589l =

Sustituyendo los datos:

578.63º 27.62 ºSATT K dB K→


114

1. Figura de mérito del satélite (G/T):

,( )

38.95 3 35.95ra rxmáx ap rxG dB D L

dB

= − =

= − =

10 log

35.95 1 27.62 7.33 /

ra SATG G L TT

dB K

= − − =

= − − =

Con lluvia no cambia.

2. Relación portadora - densidad espectral de ruido del enlace ascendente sin y

con lluvia:

0

71.25 207.81 7.33 228.6 99.37C dBHzN

= − + + =

0

71.25 207.81 11 7.33 228.6 88.37ll

C dBHzN

= − − + + =


Para el cálculo de CN

la aplicación emplea la siguiente relación:

a aa

C GPIRE L K BN T

⎛ ⎞ = − + − −⎜ ⎟⎝ ⎠

A partir de 0

CN

se determina CN

dividiendo por la anchura de la banda de

transmisión bt (o restando 10log (Hz)tB b= ).

Igualando con los resultados anteriores, obtenemos B, el ancho de banda de

ruido.

99.37 71.25 207.81 228.6C BN= = − + −

B=0 b=1Hz


115


Ptx: 20.41 dBW

,tx ETD : 51.99 dB

,rx SATD : 38.95 dB



TSAT: 578.63ºK

B: 1 Hz

Lequipotx: 0.5 dB

Lequiporx: 1 dB

Lgases: 0.4 dB

Lapuntamiento,tx: 0.65 dB

Lapuntamiento,rx: 3 dB

Lluvia: 0dB – 11dB

El resultado obtenido de la relación portadora - densidad espectral de ruido del

enlace ascendente es:

- Sin lluvia: 99.3666 dB

- Con lluvia: 88.3666 dB

V.2.5. Problema 5

Considere ahora el enlace descendente del radioenlace anterior. La estación

terrena receptora está situada en el borde de la zona de cobertura de −3 dB de la antena

del satélite. El satélite está equipado con una antena cuyo ancho de haz a 3 dB es de 2º y

su eficiencia es del 55%. La potencia que alimenta la antena del satélite es de 10 W a 12

GHz. La atenuación de la línea que alimenta a antena transmisora es 1 dB. La figura de

ruido del receptor en tierra es 1.5 dB. La atenuación de la línea que une la antena al

receptor es 1 dB y su temperatura es 290 K. La antena receptora tiene 4 m. de diámetro,

una eficiencia del 60% y un error de apuntamiento de 0.05º. La temperatura equivalente

de ruido de antena debida al terreno es de 45 K, y la del firmamento, para la solución

considerada, es 20 K. La distancia entre antenas es de, aproximadamente, 40000 Km


116

Calcule la figura de mérito del receptor en tierra y la relación (C/N0) para los siguientes

casos:

1. Atenuación atmosférica 0.3 dB.

2. Atenuación atmosférica 0.3 dB y atenuación por lluvia 10 dB. Tome la temperatura

ambiente de la atmósfera lluviosa igual a 280 K.

— Solución —

En este problema se pondrá de manifiesto las diferencias entre los enlaces

ascendentes y descendentes (d) en el cálculo de la relación portadora a ruido. Los pasos

a seguir para su resolución son similares al problema anterior.


, ,0

10 log ( )rdd bf d ad d

ETd

GC PIRE OB L L K dBN T

⎛ ⎞= + − − + −⎜ ⎟

⎝ ⎠

PIREd es la del satélite transmisor.

OB: Output Back off. Se considera igual a 0dB (no se produce intermodulación

entre portadoras)

rd

ET

GT

es la figura de mérito de la estación terrena. Relación entre la ganancia de

la antena de la estación rdG y la temperatura de ruido del receptor, referida a la

entrada del primer amplificador de la estación ETT .

10 log K =-228.6 dBW/ ºK-Hz K: Constante de Boltzmann

Veamos como se resuelve cada dato paso a paso:

- Longitud de onda del enlace descendente: 0.025 dc mf

λ = =

- Potencia transmitida por el satélite: Ptx,SAT= 10 dBW.

- Directividad de la antena transmisora del satélite:

70 0.875 2

dSATd mλ⋅

= =

2

, 0.55 6649.646 38.23SATtx SAT

a

dD dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ →⎜ ⎟

⎝ ⎠


117

- Directividad de la antena receptora de la estación terrena: 2

,40.6 151597.124 51.81rx ET

d

D dBπλ

⎛ ⎞⋅= ⋅ = →⎜ ⎟

⎝ ⎠

- Pérdidas por apuntamiento del satélite en transmisión:

Pérdida por recepción fuera del haz (borde de la zona de cobertura): 3dB13

- Pérdidas por apuntamiento de la estación terrena en recepción:

370 0.4375º

4dBλθ ⋅

= =

2 2

,3 ,

0.0512 12 0.160.4375

Tap tx

dB tx

L dBθθ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ = ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

- PIRE del satélite:

Potencia entregada a la antena:

( ) 10 1 9ent ant alP dB P L dB− = − = − =

Ganancia en el eje de puntería:

,( ) 38.23 3 35.23td txmáx ap txG dB D L dB= − = − =

9 35.23 44.23aPIRE dBW= + =

- Pérdidas del enlace ascendente sin y con lluvia:

Pérdidas totales: pérdidas básicas en el medio libre más pérdidas adicionales

(atmosféricas y lluvia).

, , ,Total d bf d ad dL L L= +

, 92.45 21.5836 92.0412 206.0748bf dL dB= + + =

Sin lluvia:

, , , 0.3 0 0.3ad d at d llu dL L L dB= + = + =

, 207.4138 0.3 206.37Total dL dB= +

13 1ºRθ = Borde de la zona de cobertura de -3dB.

2 2112 12 3, 23 ,RL dBap rx

dB rx

θ

θ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟= ⋅ = ⋅ =⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠


118

Con lluvia:

, , , 0.3 10 10.3ad d at d llu dL L L dB= + = + =

, 206.0748 10.3 216.37Total dL dB= +

- Temperatura de ruido de la estación terrena (a la entrada del receptor R):

Al igual que en el problema anterior, la

ecuación a resolver es:

( )00

( 1) 1aET eq r

T T lT T T fl l

−= = + + −

Donde la temperatura de antena Ta, ahora se ve afectada por la lluvia, el cielo y

el suelo. Las expresiones generales para calcular Ta son:

- Con cielo claro: a Cielo Suelo aT T T T= + + Δ

CieloT . Temperatura del cielo (firmamento). Se suele calcular a partir

de curvas en función de la frecuencia y elevación de la antena.

SueloT . Temperatura del suelo. Se calcula como la suma de las

temperaturas de ruido captadas por cada uno de los lóbulos

secundarios (o laterales) de la antena.

aTΔ . Incremento de la temperatura de antena debido a la contribución

de fuentes puntuales, como pueden ser el Sol o la Luna. Existen

fórmulas para estimar este incremento de temperatura, pero si

consideramos que ni el Sol ni la Luna están en la dirección de

máxima radiación/recepción de la antena, puede despreciarse su

contribución.

- Con lluvia: 11Cielo aa m Suelo

Lluvia Lluvia Lluvia

T TT T TL L L

⎛ ⎞ Δ= + − + +⎜ ⎟

⎝ ⎠

mT . Temperatura media de la masa acuosa. [260,280]ºmT K∈

LluviaL . Atenuación debida a la lluvia.


119

Temperaturas de antena del problema:

- Sin lluvia: 20 45 65ºaT K= + =

- Con lluvia: 20 1280 1 45 299º10 10a ll

T K⎛ ⎞= + − + =⎜ ⎟⎝ ⎠

Factor de ruido del receptor: /1010 1.41254RFrf =

1/1010 1.2589l =

Sustituyendo los datos:

- Sin lluvia: 230.91º 23.63 ºETT K dB K→

- Con lluvia: 416.78º 26.20 ºET llT K dB K→

1. Figura de mérito de la estación terrena (G/T):

,( )

51.81 0.16 51.65rd rxmáx ap rxG dB D L

dB

= − =

= − =

- Sin lluvia: ,10 log 51.65 1 23.63 27.02 /rd e ETG G L T dB KT= − − = − − =

- Con lluvia: 10 log 51.65 1 26.20 24.45 /rd ET llll

G G L T dB KT

= − − = − − =

2. Relación portadora - densidad espectral de ruido del enlace ascendente sin y

con lluvia:

0

44.23 206.37 27.02 228.6 93.48C dBHzN

= − + + =

0

44.23 216.37 27.02 228.6 83.48ll

C dBHzN

= − + + =


120



Ptx: 10 dBW

,tx SATD : 38.23 dB

,rx ETD : 51.81 dB



TET: 230.91ºK

ET llT : 416.78ºK

B: 1 Hz

Lequipotx: 1 dB

Lequiporx: 1 dB

Lgases: 0.3 dB

Lapuntamiento,tx: 3 dB

Lapuntamiento,rx: 0.16 dB

Lluvia: 0dB – 10dB

El resultado obtenido de la relación portadora - densidad espectral de ruido del

enlace descendente es:

- Sin lluvia: 93.4781dB

- Con lluvia: 83.4781dB

CAPÍTULO VI - CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE DESARROLLO

Conclusiones y líneas futuras de desarrollo

122

VI.1. Conclusiones

La inclusión de la informática en la vida cotidiana es cada vez más evidente. Las

innumerables posibilidades que ofrece a sus usuarios y su evolución tecnológica

experimentada hacen de las aplicaciones informáticas una herramienta muy útil en

muchos campos. El campo que posiblemente más se ha beneficiado, progresado e

incluso redefinido ha sido el de las simulaciones. Esa búsqueda por emular

perfectamente nuestro mundo. La idea de tener todo un entorno (configurable según

preferencias) donde poder realizar pruebas de nuestros productos/sistemas, antes incluso

de tenerlos físicamente en nuestras manos, someterlos a cualquier situación imaginable

y todo ello sentados cómodamente en nuestro despacho es sin duda una idea muy

atractiva.

Este proyecto se enmarca dentro de los simuladores informáticos. Se trata de un

simulador en tres dimensiones de órbitas y movimiento de satélites del que cabe

destacar los siguientes puntos:

• Se trata de un complemento formativo útil para toda persona interesada en las

comunicaciones vía satélite. Permite comprobar visualmente resultados teóricos

de forma rápida y atractiva.

• Realización de complejos cálculos de forma automática, liberando al usuario de

la tediosa resolución de los mismos de forma manual.

• Presentación de resultados tanto numéricamente como gráficamente para una

mejor comprensión de los mismos.

• Intuitivo y fácil de usar. Con áreas de trabajo despejadas de elementos

innecesarios y una completa ayuda en formato HTML y ayuda contextual

accesible en cualquier momento.

• Desarrollada en Java, empleando el motor gráfico jME, se trata de una

aplicación multiplataforma. Basta con emplear las librerías adecuadas para cada

plataforma.


123

• El empleo de jME ha condicionado el desarrollo de la aplicación. En el capítulo

II y en la ayuda de jME se establece como trabaja. El empleo de dicho motor

gráfico ha condicionado la programación del entorno de representación 3D de la

aplicación.

• A la hora de programar en jME hay que tener muy presente que como API en

desarrollo que es no está exenta de fallos que pueden hacer desesperar al

programador más paciente, sin embargo su continua actualización y sus

prestaciones lo hacen ideal para esta aplicación.

• En la programación se ha considerado la posibilidad de ampliaciones futuras,

facilitando la posible inclusión de funcionalidades adicionales con un menor

esfuerzo.

VI.2. Líneas futuras de desarrollo Como aplicación libre de ordenador que es este simulador está condenado a

experimentar modificaciones y mejoras. Cualquier persona con conocimientos en Java y

jME está invitada a perfeccionar este simulador. Algunas de las ampliaciones que se

podrían realizar son:

• Construir constelaciones con más de una órbita diferente. Teniendo una

constelación formada por varias órbitas (que tendrían alguna relación) y varios

satélites.

• Abrir archivos TLE “Two Line Elements”. Formato de archivo para distribuir

los datos orbitales de elementos. Formato usado por la NASA para distribuir la

posición de los satélites en su NASA Prediction Bulletin.

• Permitir editar la clasificación de órbitas, desde un panel de configuración.


124

• Abrir y editar las escenas previamente guardadas en archivos.

• Añadir animaciones en las que se muestre la puesta en órbita de los satélites.

• Añadir más opciones al estudio del radioenlace:

Cálculo y representación de la PIRE, temperatura de ruido, figura

de ruido, Input BackOff (IBO) y Output BackOff (OBO).

Considerar modulación: calcular y representar las probabilidades

de error de bit en transmisiones digitales en función de la

modulación.

Considerar sentido del enlace: ascendente o descendente. En caso

de ser descendente, elegir si existe o no lluvia ya que

dependiendo de ello los parámetros a introducir y los resultados

obtenidos variarán.

• Predecir comportamiento de los satélites ante la energía recibida del Sol en

situaciones como eclipses de Sol o vientos solares.

• Mostrar zonas de cobertura de los satélites sobre la superficie terrestre.

• Permitir elegir idioma de la aplicación.

Referencias

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REFERENCIAS

[01] CARLOS ROSADO RODRÍGUEZ. Comunicaciones por satélite, Ed. Limusa Noriega Editores.

[02] RODOLFO NERI VELA. Comunicaciones por satélite, Ed. Thomson.

[03] UIT. Manual de comunicaciones por satélite, Ed. Wiley.

[04] T. PRATT, C.W.BOSTIAN. Satellite communications, Ed. John Wiley & Sons.

[05] JOSÉ MARÍA HERNANDO RÁBANOS. Transmisión por radio, Ed. Centro de estudios Ramón Areces.

[06] PATRIC NAUGHTON, HERBERT SCHILDT. Java, Manual de referencia, Ed.

Osborne/Mc Graw-Hill.

[07] STEVEN HOLZNER. La biblia de Java 2, Ed. Anaya Multimedia.

[08] CAY S. HORSTMANN, GARY CORNELL. Java 2, Características avanzadas Volumen II, Ed. Prentice Hall.

[09] FERMÍN PÉREZ PRIETO. Guía de Monkey engine.

[10] JACK LINDAMOOD. Learning jME.

[11] Enciclopedia Microsoft® Encarta® Online 2007. Comunicaciones vía satélite. http://es.encarta.msn.com © 1997-2007 Microsoft Corporation.

[12] http://www.java.sun.com/ Página Web official de Java Sun Microsystems.

[13] http://www.jmonkeyengine.com Página Web de jME.

[14] http://www.chuindiang.com Página Web con ayuda y ejemplos.

[15] http://www.shatters.net/celestia/ Página Web de Celestia: programa de simulación espacial de referencia en su género.

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