Estacion Terrena

Capitulo 2 Estacin Terrena

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Capitulo 2 Estacin TerrenaUna estacin terrena satelital es un conjunto de equipos de comunicaciones y de cmputo que puede ser terrestre (fijo y mvil), martimo o aeronutico. Las estaciones terrenas pueden ser usadas en forma general para transmitir y recibir del satlite. Pero en aplicaciones especiales solo pueden recibir o solo pueden transmitir.

Figura 2.1 Elementos de una estacin terrena

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Fuente: Emiliano Santa Fe, Las comunicaciones por satlite, 2003, www.monografias.com/trabajos5/comusat/comusat.shtml El tamao y complejidad de una Estacin Terrestre depende del servicio que ser provisto y la potencia radiada por el satlite. Las estaciones ms simples permiten slo recepcin y estn equipadas con una antena parablica que puede tener un dimetro de menos de 1 metro. A ttulo ilustrado, las antenas ms grandes y de la serie de las primeras construidas por INTELSAT llegaron a tener 32 metros de dimetro.

Desde el inicio de la era de las comunicaciones satelitales, las Estaciones Terrenas se han desarrollado continuamente, aunque la arquitectura general ha permanecido inalterada. Este desarrollo ha sido evidenciado por una reduccin del tamao de las estaciones. Esta reduccin tambin es evidentemente en el tamao del equipamiento usado en las estaciones y ha sido posible por el uso de tcnicas digitales y la miniaturizacin de componentes electrnicos a gran escala. Una Estacin Terrena Satelital debe tener la capacidad de realizar todas las funciones que permitan al usuario u operador conocer en todo momento la posicin y el estado de funcionamiento de cada sistema a bordo del satlite, entre los cuales se pueden mencionar: Sistema de Potencia, de Radiofrecuencia, de Control de Actitud y de Computadores de a bordo. Tambin es necesario que esta Estacin Terrena sea capaz de comandar los sistemas y cargas tiles. Las funciones principales ejecutadas por una Estacin Terrena, en apoyo a un satlite operacional, involucran funciones de alta complejidad que usualmente abarcan las siguientes tareas: Seguimiento (tracking): para determinar la posicin del satlite en su rbita. Operaciones de Telemetra: para adquirir y registrar datos y status del satlite. Operaciones de Telecomando: para interrogar y controlar las diversas funciones

del satlite. Operaciones de Control: para determinar parmetros orbitales, para programar

todas las pasadas del satlite y para monitorear y cargar el computador de a bordo.

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Operaciones de Procesamiento de Datos: para presentar todos los datos

cientficos y de ingeniera en los formatos requeridos para el progreso exitoso de la misin. Enlaces de Voz y de Datos a otras estaciones terrenas y centros de

procesamiento. De la lista anterior, es claro que hay tres componentes principales de una Estacin Terrena: Equipos (HARDWARE). Programas Computacionales (SOFTWARE). Personal.

Figura 2.2. Etapas de una estacin terrena

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Fuente: Javier Garca Cabezas, Etapas De Rf Y Fi Del Subsistema De Comunicaciones Del Satlite De rbita Baja Nanosat, 2001, w3.iec.csic.es/ursi/articulos_villaviciosaodon_2001/articulos/119.pdf 2.2 EQUIPOS Los principales componentes del equipo de una Estacin Terrena son: o o o Antenas. Sistemas de Transmisin-Recepcin. Sistemas de seguimiento.

2.2.1

ANTENA

Es el componente principal de una Estacin Terrena, cuyas funciones de soporte pueden incluir: Seguimiento, Telemetra, Telecomando y capacidades de voz y televisin. Dentro de las redes de la NASA de seguimiento y data de vuelos espaciales, hay sistemas de antenas operando en diversas bandas de frecuencia, pero lo ms frecuentemente usado es el sistema de Banda S, el que emplea principios de auto seguimiento por monopulso para mantener la antena apuntando hacia la seal que transmite el satlite. Para lograr la adquisicin inicial del satlite, tambin se dispone usualmente de un programa controlado por computador, el que usa data de prediccin de rbita para generar los ngulos de apuntamiento requeridos.

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Sistema VSAT marca NEC: incluye plato reflector, HPA, LNB, cables y modem satelital

Vsat prodelin de 95 cm banda Ku Tx/Rx Figura 2.3 Antenas Satelitales Fuente: Eveliux, Comunicaciones va satlite, www.eveliux.com/fundatel /viasat01.html El dimetro de la antena requerido para cualquier misin particular est determinado primariamente en funcin de la distancia de la estacin terrena al satlite, de la frecuencia de la portadora, de la potencia de transmisin del satlite en Watts. De esta manera, para un caso tpico de un satlite en rbita polar, transmitiendo data a 1 Mbps en banda S con una potencia de transmisin de 1 Watt, requiere una antena de estacin terrena con un dimetro aproximado de 9 metros. La antena generalmente es comn para Transmisin y Recepcin, por razones de costo y tamao. La separacin de la direccin de transmisin es obtenida por medio de dispositivos electrnicos llamados Diplexores. 2.2.2 SISTEMA DE TRANSMISION Y RECEPCION DE RADIO

FRECUENCIA.

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Las caractersticas que determinan la operacin de Radio Frecuencia de una Estacin Terrena provienen de la expresin del Clculo de Enlace para las transmisiones desde y hacia el satlite. Este sistema tiene la funcin de transmitir va RF desde tierra al satlite en la banda de frecuencia asignada para todos los telecomandos que son necesarios para actuar sobre sistemas o partes componentes del satlite, como por ejemplo: activar un transmisor y apagar el otro, encender un computador de a bordo, actualizar un software especfico, etc. Por otra parte, el sistema RF debe tener tambin la capacidad de receptar toda comunicacin enviada por el satlite desde el punto de su rbita en que se encuentre. La informacin ms comn que enva el satlite hacia la Estacin Terrena es la que se conoce como Telemetra. Ello entrega la condicin actual de los parmetros previamente determinados, como por ejemplo: Voltaje de la batera, temperatura de las antenas, voltajes y corrientes de diversos componentes del satlite, computador en servicio, y muchos otros de esta misma especie. El equipamiento de Radio Frecuencia para Recepcin est, generalmente, en arreglos de gabinetes, colocados en forma tal de minimizar las prdidas en las lneas de transmisin a la antena. Este equipamiento acepta la frecuencia portadora proveniente del satlite y que pasa por el sistema de antena, la procesa a frecuencias ms bajas (intermedia) y la desmodula. Estos equipos estn alojados en racks cercanos al sistema de antena. El equipamiento de Radio Frecuencia de Transmisin acepta seales de seguimiento y comando provenientes de tierra de los componentes de Telemetra, Seguimiento y Comando (TT&C), las procesa (modula) y las enva al enlace de Radio Frecuencia hacia el satlite. 2.2.3 SISTEMA DE SEGUIMIENTO.

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El sistema de seguimiento mantiene la antena apuntando en la direccin correcta hacia donde se encuentra el satlite y compensa el movimiento relativo entre la Estacin Terrena y el Satlite. An en los casos de satlites geoestacionarios, existen perturbaciones orbitales que originan aparentes desplazamientos del satlite con respecto a la Estacin. Las caractersticas del Sistema de Seguimiento varan de acuerdo a las caractersticas del haz electromagntico de la antena y la rbita del satlite. El seguimiento consiste en mantener el eje central del haz electromagntico producido por la antena en la direccin del satlite, a pesar del movimiento del satlite o de la Estacin. Debe contener un Receptor, un sistema de control y un servomecanismo de antena. Este sistema es, principalmente, requerido por las estaciones terrenas que estn asociadas a satlites que no son geoestacionarios y que tienen un perodo orbital menor a 24 horas. En el caso de los satlites de rbita baja, inferiores a 1300 km., los perodos orbitales son de alrededor 1,5 hrs. No obstante, los satlites fijos con respecto a la Tierra, es decir, los geoestacionarios tambin requieren un sistema de seguimiento que permita detectar los pequeos cambios o desviaciones de la rbita definida en la misin.

2.3 PROGRAMAS COMPUTACIONALES.

Existen cuatro grandes reas de programas que pueden utilizarse en una Estacin Terrena o son controlados desde ella. Estos son: antes de cada pasada, durante cada pasada, despus de las pasadas y software a bordo. Exceptuando los casos de sistemas satelitales bsicos, la mayora o algunos de estos aspectos estarn presentes en la Estacin Terrena. Los Programas Computacionales, previo a las pasadas, son requeridos antes de que el satlite entre en rango con la Estacin Terrena. Normalmente, hay cuatro tipos de programas requeridos: Prediccin de rbita, Planificacin y Programacin de observacin, Generacin de Lista de Comandos y finalmente de Simulacin.

El programa en tiempo real, es decir, durante la pasada del satlite, opera todo el perodo durante el cual el satlite est visible desde la Estacin Terrena. Incluye control computarizado del seguimiento de la antena, subida y verificacin del enlace de subida,

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recepcin de data y comprobacin de estatus de todos los parmetros crticos de los sistemas del satlite. Las tareas inmediatas posteriores a una pasada incluyen la extraccin de informacin de administracin de los sistemas propios del satlite para efectos de control de calidad, procesamiento de datos, determinacin de rbita y anlisis de datos.

2.4 PERSONAL. Una Estacin Terrena debe ser dotada de personal muy especializado y entrenado para la operacin y explotacin del sistema satelital. En general estos especialistas cubren las siguientes reas y funciones: o Administracin de sitio y de proyecto requerido para la supervisin diaria de las operaciones, tanto en tierra como en rbita; o Personal para componer turnos que necesita la Estacin para una operacin continua durante las 24 horas al da; o Especialistas en mantenimiento del equipamiento de la Estacin Terrena, como por ejemplo los sistemas elctricos y mecnicos de la antena, equipos de RF y computacional. o Especialistas en computacin para la mantencin, modificacin y posibles correcciones de los programas computacionales de la Estacin Terrena y tambin a bordo del satlite. o Expertos de apoyo de ingeniera y de datos, para la planificacin de operaciones, discusin de resultados y actuar en momentos de crisis. o Administrativos para labores de secretara. o Ingenieros especializados para monitoreo y anlisis detallado de la data proveniente del satlite. 2.5 Equipamiento para estaciones terrenas La figura 2.4 muestra el equipamiento bsico de una estacin terrena:

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Figura 2.4 Equipamiento de una estacin terrena Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm En una estacin terrena habr en general muchos transmisores y receptores multiplexados sobre una misma antena para proporcional una comunicacin canalizada a transpondedores separados. Los transmisores son mucho ms caros que los receptores, y su precio aumenta proporcionalmente a la potencia que se requiera transmitir. Ello se debe por una parte a que el nmero de receptores fabricados es mucho mayor, pero

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tambin porque sus requerimientos en cuanto a ancho de banda, estabilidad en frecuencia y control de potencia no son tan difciles de lograr. Los ms importantes componentes de RF de una estacin terrena son sin duda el Amplificador de bajo ruido del receptor (LNA o Low Noise Amplifier) y el amplificador de alta potencia del transmisor (HPA o High Power Amplifier). Tambin son importantes los convertidores de frecuencia para pasar de frecuencia intermedia FI a frecuencias de microondas. 2.5.1 AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO

Los amplificadores paramtricos refrigerados criognicamente son los LNA ms ampliamente utilizados en las grandes estaciones terrenas. Para las estaciones de mediano y pequeo tamao como las receptoras de TV en los que el coste es ms crtico se prefieren los amplificadores de GaAsFET con refrigeracin electrotrmica. Los LNA utilizados en las estaciones terrenas cubren usualmente un rango de frecuencias de unos 500 MHz de anchura a 4 GHz, o bien de 750 MHz a 11 GHz. Dichos dispositivos estn normalmente duplicados en las grandes estaciones (redundancia uno a uno), tal y como se ve en la anterior figura, de manera que un fallo en el LNA activo produce inmediatamente la activacin del LNA secundario. En las estaciones terrenas que utilizan tcnicas de duplicado de ancho de banda usando polarizacin dual la redundancia es del tipo uno a dos. 2.5.2 AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA Las grandes estaciones terrenas utilizan con frecuencia un gran nmero de amplificadores de potencia (HPA o High-Power Amplifiers) con niveles de potencia de salida superiores a los 8.5 kW. La configuracin empleada depende del nmero de portadoras a transmitir y de si se emplean seales FDM o TDM. La configuracin ms comn emplea un HPA para cada uno de los transpondedores instalados. A 6 GHz, suelen emplearse HPAs de anchos de banda de entre 40 y 80 MHz bien sean amplificadores de tubo de onda progresiva (TWTA) refrigerados por aire o klystrons

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refrigerados por agua. Los TWTA tienen anchos de banda mayores que los klystrons llegando hasta los 500 MHz a 6GHz y permitiendo que se les sintonice a la banda de cualquiera de los transpondedores. La transmisin FDM de varias portadoras a uno o ms transpondedores requiere un amplificador de potencia lineal si se quiere evitar la intermodulacin. En una estacin terrena ni la potencia de entrada ni la eficiencia son problema, y por tanto pueden permitirse considerables back-off a la entrada de los amplificadores para asegurar el funcionamiento lineal y baja intermodulacin. Tpicamente, un HPA de 3kW operar con 12 o 14 dB de back-off de entrada, proporcionando un rango de salida de 300 a 500 W. Cuando se utilizan varios HPAs con una antena, se requiere una red adicional para sumar sus salidas en una gua de ondas simple. Las redes selectivas en frecuencia y las uniones hbridas de guaondas se utilizan para acoplar los HPAs, con unas prdidas tpicas de 4 dB por HPA. Como resultado, un HPA de 3kW de funcionamiento con back-off de 10 dB podra proporcionar nicamente 120 W a la antena de la estacin terrena. Los sistemas de canal nico por portadora (SCPC o Single channel per carrier) utilizan una frecuencia de transmisin separada para cada canal. Dichas frecuencias son generadas por un sintetizador de frecuencias programable y modulan la seal a la frecuencia de transmisin. En una estacin terrena de grandes dimensiones, las salidas de los convertidores de frecuencia se suman con acopladores hbridos, y la seal FDM resultante se aplica al HPA. Sin embargo, en las estaciones de pequeo tamao slo son necesarios unos pocos canales, por lo que es posible utilizar amplificadores de estado slido para los HPA, tomando uno de estos amplificadores para cada canal. Los HPAs de estado slido tienen la ventaja aadida de que no requieren altos voltajes. El equipamiento de alto voltaje tiende a sufrir muchos ms fallos que el de bajo voltaje, y es mucho ms grande y pesado. En estaciones terrenas transportables los amplificadores HPA de estado slido son muy atractivos. Sin embargo, la reduccin del

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tamao de la antena requiere una potencia de transmisin mayor, por lo que las estaciones terrenas transportables tambin requieren grandes potencias de transmisin.

2.5.3 SISTEMAS FDM Los sistemas FDM transmiten y reciben gran cantidad de seales de voz o datos mediante la asignacin de diferentes frecuencias a cada canal, bien sea en radiofrecuencia, banda base o ambas. Los canales de voz son recopilados de una extensa rea geogrfica y enviados va gateway. En los sistemas internacionales, la gateway est localizada en una gran ciudad, y el trfico internacional de varios pases puede ser enrutado a travs de ella. Los canales vocales de cada pas o estacin terrena que son enrutados, se combinan en grupos en una estacin internacional de conmutacin y enviadas entonces a la estacin terrena apropiada. No es esencial que ambos caminos de ida y vuelta sean va satlite. Ello reduce el retardo de ida y vuelta en un enlace telefnico de larga distancia, por ejemplo. La siguiente figura muestra un diseo tpico para un equipo de control de una estacin terrena FDM/FDMA correspondiente al equipamiento de Fi y banda base de la figura genrica anterior.

Figura 2.5 Equipo de subida para el transmisor FDM

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Figura 2.6 Equipo de bajada para el transmisor FDM Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm La seccin de transmisin, mostrada en la parte a) de la figura, acepta seales en banda base del interfaz terrestre y los reparte en grupos FDM para diferentes destinos. En un sistema FDM/FDMA cada ruta de una estacin terrestre a otra tiene una frecuencia propia. As, los canales en banda base deben ser trasladados a la frecuencia RF apropiada segn su estacin de destino. El sistema de la figura utiliza una doble conversin de frecuencia con dos frecuencias intermedias, 70MHz y 770MHz. Cada canal es llevado a una portadora de radiofrecuencia en el espectro de transmisin. La seal FDM consistente en al menos 12 canales telefnicos o incluso hasta 1872, es modulada en una portadora de FI de 70MHz. Los filtros FI de 70 MHz definen el ancho de banda de la seal FM resultante. Su ancho de banda ronda entre los 1.25 y 36 MHz dependiendo del tamao de la portadora, y se ha de aadir un ecualizador para compensar el retardo de grupo del enlace ascendente. La portadora de RF de 70MHz es entonces reconvertida a 770MHz donde se recombina con otra portadora para dar lugar a una seal compuesta FM/FDMA. Dicha seal es finalmente trasladada a 6GHz para su amplificacin por el Amplificador de Alta Potencia.

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Los sistemas FDM requieren un gran control de potencia cuando ms de una portadora se accede a un transpondedor nico para evitar excesiva intermodulacin en el enlace descendente. 2.5.4 SISTEMAS TDM Los sistemas TDM utilizan divisin en el tiempo para entrelazar seales digitales en tramas que son secuencialmente transmitidas a travs de transpondedores separados. El equipamiento requerido por estos sistemas es muy diferente del que necesitan los FDM/FDMA. La figura siguiente muestra los aspectos ms relevantes de los elementos de banda base y frecuencia intermedia de dichos sistemas, que son utilizados principalmente en sistemas de alta velocidad:

Figura 2.7 Sistema TDM Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm La frecuencia intermedia FI de 70 MHz utilizada para sistemas FDM debe remplazarse por un FI de 140 MHz cuando se envan datos a 120 Mbps mediante QPSK de ancho de banda de 80MHz. Por su parte la FI de 770MHz se sustituye por otra de 1.2GHz en estaciones que utilizan la banda Ku donde el ancho de banda es de 750Mhz.

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Las seales son transferidas por el interfaz terrestre a moduladores PSK conducidos por portadoras de 140MHz. Las seales de voz y datos proporcionadas por dicho interfaz son simples rfagas de bits en formato TDM. Estos datos deben ser transformados en tramas de acuerdo con los requerimientos del sistema, con una trama por transmisin. Normalmente una estacin terrena no rellena completamente una trama en un sistema TDMA. Lo que se hace es transmitir una rfaga de seales QPSK en el instante apropiado para llenar parcialmente una trama en el satlite. Se requiere un sistema de sincronizacin muy precisa en la estacin terrena para asegurar que cuando la energa de la rfaga llega al satlite, ste se encuentra en la posicin exacta (temporalmente hablando) para distinguir dicha rfaga de las emitidas por otras estaciones terrenas. Por tanto se requiere una considerable cantidad de equipamiento de sincronizacin en la transmisin de una porcin de GCE de una estacin terrena. La eficiencia en transmisin digital de seales de voz puede incrementarse mediante la utilizacin de tcnicas de interpolacin digitales como la DSI (Digital Speech Interpolation). Con DSI, cualquier canal (es decir, cualquier slot temporal) que no est siendo utilizado puede ser invadido por otro canal activo para la transmisin de sus datos. Dado que los circuitos telefnicos tienen un tiempo de actividad de tan slo el 40%, por lo menos una media de la mitad de los circuitos estn inactivos en cada instante de tiempo. En sistemas que soportan una gran cantidad de circuitos telefnicos simultneamente este promediado funciona bien y la tcnica DSI puede utilizarse para doblar el nmero de canales efectivos manejables. El equipamiento DSI se necesita tanto en transmisin como en recepcin para insertar y separar los diferentes canales. Normalmente se transmite un mapa de canales junto a stos para informar al receptor de la posicin exacta de cada canal. El equipamiento de recepcin y transmisin que se requiere en una estacin terrena TDM/TDMA se muestra en la siguiente figura:

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Figura 2.8 Recepcin TDMA

Figura 2.9 Transmisin TDMA Fuente: Universidad Politcnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm El elemento ms crtico de los receptores digitales es el demodulador, normalmente en enlaces QPSK. En stos, la tasa de error de bit (Bit Error Rate o BER) es dependiente de la estabilidad de la portadora en cuanto a su fase, pues influir en el instante de muestreo en recepcin. La mayora de los satlites proporcionan una relacin portadora ruido (C/N) de entre 10 y 25 dB a la entrada del demodulador. Como ejemplo, para una (C/N) de 10.6 dB puede obtenerse una BER de 10-6 , al menos tericamente, ya que la mayora de los demoduladores requieren una (C/N) de 1.5 a 3 dB superior para obtener dicha BER.

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Para mejorar la BER de estos sistemas pueden utilizarse tcnicas de correccin (Forward Error Correction o FEC). Cuando la correccin es aplicada en un enlace va satlite nicamente por la estacin terrena, el equipo de codificacin FEC puede situarse a la entrada del modulador y el correspondiente decodificador a la salida del demodulador. Aunque el usuario puede obtener beneficios adicionales por el uso de las tcnicas FEC en la parte terrestre del enlace, las seales de datos pueden ser codificadas individualmente en algn punto entre el usuario y la estacin terrena, siendo la decisin de usar codificacin FEC del usuario. Las seales de voz enviadas va satlite sufren un retardo de transmisin del orden de 240 mseg. Cualquier fallo en el diseo del receptor puede producir un eco que ser escuchado en transmisin con un retardo de 450 a 500 mseg. Esto es tan molesto que obliga a utilizar canceladores o supresores de eco en cada enlace del satlite, as como en la estacin terrena. Un cancelador de eco detecta la presencia de una versin retrasada de la seal en el camino de vuelta y la cancela utilizando un filtro transversal. El supresor detecta el sentido de la conversacin y bloquea toda seal que se desplace en sentido contrario.

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