Subsistemas de un satélite 1. Subsistema de Control Orbital y Posición: a) Conserva apuntadas a las antenas hacia la tierra y los paneles solares al sol b) Mantiene la posición orbital mediante correcciones periódicas 2. Subsistema de Energía: brinda electricidad al satélite 3. Control Térmico: retiene los márgenes de temperatura. 4. Telemando Subsistema de Telemando, Telemetría y Seguimiento (TT&C): Mide los parámetros orbitales. Controla el estado y el funcionamiento del satélite. 5. Subsistema de Comunicaciones (transponders): Recibe, amplifica, procesa y retransmite las señales 6. Antenas: recepcionan y radían las señales desde/hacia la tierra.

Subsistema de TT&C (Telemetry, Tracking, Command) Telemedida: • Aproximadamente 100 sensores: energía, combustible, voltajes críticos, temperatura, apuntamiento antena, etc. • Transmisión a baja velocidad (150 - 1000 bps)

Seguimiento: • Determinación de posición del satélite • Sensores de velocidad y aceleración • Distancia (Doppler de la portadora de telemedida) • Precisión menor de 100 metros.

Telemando • Número reducido de acciones: en la fase de lanzamiento (AKM – Apogee Kick Motor, despliegue de antenas, paneles solares), corrección de órbita, conmutación a equipo de respaldo (switch a backup). Alta fiabilidad: • Reconocimiento antes de ejecución • Transmisión protegida frente a interferencias (banda estrecha o espectro ensanchado)

Subsistema de Comunicaciones Transponder • El amplificador se debe mantener en zona lineal para minimizar los productos de intermodulación. • El grado en que se reduce la potencia de salida respecto a la zona de saturación se conoce como Output Back Off (OBO). • El Input Back Off, o IBO, a la reducción de la potencia de entrada para mantener al amplificador en la zona lineal. • Para un determinado OBO, le corresponde un IBO. • Mientras más portadoras se tenga, mayor debe ser el BO.•La intermodulación es el resultado de dos o más señales en diferentes frecuencias que son mezcladas formando señales adicionales interferentes: • Ruido por intermodulación. – Se genera por la no linealidad de los amplificadores. • Productos de tercer orden son los más problemáticos.

Subsistema de Comunicaciones - Armónicas Debido al ancho de banda y la gran ganancia del TWT y al hecho que el tubo trabaja como un dispositivo no lineal en saturación, las armónicas se presentarán en el espectro de salida de RF. Típicamente, una saturación para aplicaciones de banda estrecha, la segunda armónica debe estar 8 a 10 dB debajo de la fundamental, pero esto no es importante pues esta fuera de banda.Subsistema de Comunicaciones - Output Backoff [OBO] Si dos ó mas portadoras se transmiten simultáneamente en un amplificador, el punto de operación debe ser retornado (backoff) a una región lineal de la curva de característica de transferencia para reducir los efectos de

distorsión de intermodulación. El Output backoff (OBO) de salida es la relación en dB, entre la potencia de salida de saturación y cualquier potencia de salida menor que la de saturación. Este valor es determinado por los requerimientos de intermodulación (IM). Si los niveles máximos de IM, permitidos son de -26 dBc, el valor resultante de Output backoff típico es de 7 dB. Subsistema de Comunicaciones- Input Back-Off Es el nivel de una señal a la entrada de un amplificador relativa al nivel que dicha entrada debería tener para causar el máximo nivel de salidaSubsistema de Comunicaciones - OPBO y IPBO • Los valores de OPBO y IPBO se emplean para determinar los niveles de operación del TWTA de un transpondedor satelital. • El valor de OPBO también se usa al calcular los niveles de distorsión de intermodulación a la salida de los SSPA ó TWTA. • Para los SSPA, el punto de referencia 0BP es el punto de 1 dB de ganancia con compresión de potencia, mientras que para los TWTA es la potencia de salida de saturación. • Las figuras de intermodulación a menudo se plotean en niveles de intermodulación vs OPBO.

Subsistema de antenas Contorno de cobertura (configuración de haz): Tipos de antenas: • Omnidireccional: Usada para TT&C (durante fase de lanzamiento único medio disponible). Generalmente UHF- 2 GHz • Global ó de bocina: Angulo de apertura típico de 17.4 grados. – Hemisférica/Regional – Uso de reflectores/antenas • Spot beam Uso de reflectores de mayor diámetro: el ángulo de apertura es inversamente proporcional al diámetro de la antena.Tipos de antenas • Conformación de haz (Beam shaping): – Múltiples alimentadores a un solo reflector

Parámetros característicos de las antenas parabólicas El subsistema de antena debe tener: 1. Alta ganancia 2. Alta eficiencia en el uplink y en el downlink 3. Alto aislamiento entre las polarizaciones ortogonales 4. Baja temperatura de ruido 5. Alta directividad en el dirección al satélite y baja directividad respecto a otras direcciones (buena característica de bandas laterales) 6. Excelente funcionamiento de autoseguimiento 7. Limitación del efecto de los condiciones meteorológicas locales tales como viento, hielo, etc. sobre su performance.Tipos de antenas Las antenas satelitales más comunes son las antenas de reflector. Estas antenas se clasifican por su configuración: – Por la simetría con el eje: • Con simetría al eje • Offset – Por el número de reflectores: • Un solo reflector • Dos reflectores

SUBSISTEMA DE SEGUIMIENTO, TELECOMUNICACIONES Y COMANDO Este subsistema provee de un enlace de telemetría con velocidades de hasta 8 kbits por segundo, además del seguimiento y telecomando. Opera en banda X (enlace descendente) y en banda S (enlace ascendente y descendente). El subsistema incluye dos transpondedores redundantes (cada uno consistente en un excitador de banda X, un modulador, un receptor en banda S y un amplificador de potencia en banda S), dos amplificadores de 20 W de tubo de onda progresiva (TWTA) en banda X redundantes, una intefaz TWTA y una unidad de distribución de radio-frecuencia en banda S.     La antena parabólica de alta ganancia (HGA), con capacidad para transmitir tanto en banda X (8.4 GHz), como en banda S (2.3 GHZ), es el elemento principal del enlace de

comunicaciones. La telemetría se transmite en banda X, con una ancho de haz a -3 dB de 2º; la banda S se usa para seguimiento e investigaciones de radio. Las operaciones de seguimiento pueden ejecutarse con o sin la transmisión de telematría. Ambos transpondedores pueden operar simultaneamente, uno en banda X y otro en banda S.

SUBSISTEMA DE COMUNICACIONES DE UN SATÉLITE. Como todo el mundo puede pensar, un satélite no sólo contiene sistemas dedicados a las comunicaciones, sino todo un conjunto de tecnologías que hacen posible el tener como una torre de 36.000 km. de altura, y que además el esfuerzo económico se vea compensado.

GENERALIDADES. Un satélite de comunicaciones proporciona una plataforma en la órbita geostacionaria para la retransmisión de comunicaciones de voz, vídeo y datos. En el diseño del sistema total el enlace de bajada, satélite a tierra, es normalmente la parte más crítica. Para obtener un buen rendimmiento la relación potencia de señal a potencia de ruido debe ser de unos 5 dB a 25 dB dependiendo de:

Ancho de Banda de la señal transmitida. Tipo de modulación empleada.

CONSIDERACIONES SOBRE EL ANCHO DE BANDA. Generalidades.

El ancho de banda es un bien preciado que hay que administrar. Conforme aumentan las necesidades de comunicación y los servicios se hacen más completos, aumenta la complejidad, surgiendo una mayor necesidad de este bien.

En general, transmisiones de baja potencia obligan a usar anchos de banda menores, para mantener la relación señal a ruido. Por contra, a mayor potencia transmitida y antenas más directivas es posible aumentar el ancho de banda, con el subsiguiente incremento de la capacidad del enlace.

Frecuencias y Bandas. En comunicaciones por satélite se utilizan principalmente dos bandas: Banda C: frecuencias entre 6/4 GHz. Banda Ku:

frecuencias entre 14/11 GHz. En ambas se utilizan unos 500 MHz, y la elección entre una y otra viene dada por sus diferentes características, las cuales

afectarán a la decisión respecto el tipo de antena y, una vez conocido el tipo adecuado, a su diseño. Por ejemplo: la Banda C es más popular debido a que presenta menos problemas de propagación que la Ku ante lluvia densa, aunque las antenas de ésta última pueden poseer haces más estrechos y mayor control sobre el patrón de cobertura.

Ese ancho de 500 MHz satisface unas necesidades de capacidad que, como se ha comentado, son crecientes. Por ello, para poder satisfacerlas, la tendencia es aumentar ese ancho de bada de alguna forma o reutilizar frecuencias. En este segundo aspecto existen dos técnicas que son la Reutilización Espacial de Frecuencias o la reutilización basada en Polarizaciones Ortogonales a las misma frecuencia.

En las siguientes tablas se observan las frecuencias asignadas a Servicios Fijos de Satélite y a Satélites de Broadcast, y las asignadas a para Servicios Móviles por Satélite.

TRANSPONDEDORES. Descripción, configuraciones e intermodulación. El anteriormente mencionado ancho de banda de 500 MHz se suele dividir en canales de unos 36 a 40 MHz, cada uno de los

cuales es manejado por un transpondedor. Un transpondedor está formado por un filtro paso banda para la selección del canal en particular, un convertidor de frecuencias, para cambiar de la del enlace ascendente a la del descendente, y un amplificador.

En los primeros satélites se solía usar uno o dos transpondedores de unos 250 MHz, pero esto no resultaba bien debido a la no linealidad del tubo de onda progresiva, usado como amplificador en su zona de saturación, que resultaba en la aparición de productos de intermodulación de las diferentes portadoras. Por ello, es mejor usar transpondedores con poco ancho de banda, aunque se necesiten más, se reducen los efectos de la distorsión por intermodulación.

Una configuración típica es la que consiste en tomar canales de unos 36 MHz, para lo cual, en el ancho de banda de 500 MHz, se necesitan 12 transpondedores. Sin embargo, se puede aumentar la capacidad al doble si se utilizan polarizaciones ortogonales, siendo entonces 24 los transpondedores embarcados en el satélite para los mismos 500 MHz.

Ancho de Banda. La elección del ancho banda, como ya se comentó, tiene mucho que ver con la técnica de modulación que se emplee, además

de con la naturaleza de la señal transportada. Esto influirá en las antenas también, dado que deberán mantener sus características en dicho ancho de banda.

Para modulaciones digitales TDMA en cada instante de tiempo hay sólo una portadora en el transpondedor, por lo que el amplificador puede trabajar en zona no lineal y obtenerse mayor eficiencia en la transformación de potencia DC a potencia RF.

Cuando la modulación es analógica, FM por ejemplo, o incluso FDMA, el amplificador se debe mantener en zona lineal para minimizar los productos de intermodulación. El grado en que se reduce la potencia de salida respecto a la zona de saturación se conoce como output backoff. Esto repercute en la relación portadora a ruido, que se ve disminuida, por lo que se puede transmitir menos información con FDMA que con TDMA, es decir, señales con menor ancho de banda.

Transpondedores de 6/4 GHz. Para enlaces descendentes de 4 GHz hay disponibles amplificadores basados en transistores, con potencias de salida de más

de 20 W, por lo tanto, se pueden reemplazar los tubos de onda progresiva en estos transpondedores. En figura se muestra un transpondedor para esta banda, la C.

Destacar que se puede controlar la ganancia a través del sistema de comandos y que se provee de otro amplificador como redundancia al de alta ganancia (HPA).

Transpondedores de 14/11 GHz. En cuanto a los enlaces de 11 GHz existen amplificadores de estado sólido, cuyas potencias de salida pueden exceder los 45

W, que solucionan el problema de los tubos de onda progresiva. El siguiente esquema es el de un transpondedor de la banda Ku.

Tecnología de Haz Conmutado (Switched-Beam Technology) Combinando esta técnica con procesado de la señal a bordo se puede aumentar considerablemente la capacidad del satélite. Consiste en que el satélite genere un haz estrecho para cada una de las estaciones terrestres con las que se comunica, y a las cuales transmite secuencialmente usando división por multiplexación en el tiempo de las señales. El haz debe cubrir solamente una estación terrena, lo cual permite tener a la antena una gran ganancia comparado con las antenas de cobertura zonal. En los satélites que emplean esta técnica se requiere almacenamiento de datos ya que la comunicación es con una estación terrestre cada vez. El uso de antenas de alta ganancia permite incrementar la PIRE del transmisor del satélite, con lo que se aumenta la capacidad del enlace descendente.

SUBSISTEMAS DE UN SATÉLITEUn satélite de comunicaciones comprende un conjunto de tecnologías que se agrupan para un fin: proporcionar una plataforma de retransmisión, normalmente en la órbita geostacionaria. Cada tecnología, o varias de ellas, constituye un subsistema, y la conjunción de subsistemas formará el satélite. En la siguiente tabla se presentan los subsistemas de un satélite típico de comunicaciones, con su función y principales características cuantitativas.

Subsistemas de Satélite

Subsistema FunciónPrincipales

CaracterísticasCuantitativas

Comunicaciones Transpondedores

Antenas

Recibir, amplificar, procesar,y retransmitir señales;capturar y radiar señales.

Potencia del Transmisor,ancho de banda, G/T,ancho de haz, orientación,ganancia, saturación de densidadde flujo de portadora

EstructuraSostiene al satélitedurante el lanzamientoy el entorno orbital

Frecuencias de resonancia,fuerzas estructurales

Control de AtitudMantiene las antenas apuntadasa las estaciones terrestres y lascélulas solares al sol

Tolerancias de role, pitch y yaw

Control TérmicoMantiene los rangos detemperatura adecuados durantela vida del satélite, con y sin eclipses

Rango de temperatura mediadel satélite y rangos paracomponentes críticos

Propulsión

Mantiene la posición orbital,controla las correcciones de atitud,cambios orbitales y despliegue enla órbita inicial

Impulso específico, masa depropelente y aceleración

TT&CMonitoriza el estado del satélitesus parámetros orbitales, ycontrola sus operaciones

Precisión de medidas de velocidady posición, número de puntosde telemetría y número decomandos

Satélite CompletoProporcionar operaciones decomunicaciones satisfactoriasen la órbita deseada

Masa, potencia primaria, tiempo de vida,fiabilidad, número de canalesy tipos de señales

Al diseñar un satélite es primordial conocer exactamente su peso, pues esto es de gran importancia al ponerlo en órbita. Cada uno de los subsistemas del satélite supone un porcentaje de masa respecto al total. La masa total de transpondedores y antenas se denomina carga útil. Se define el factor u como la relación entre el peso de la carga de comunicaciones y la masa en seco del satélite en órbita. Sus valores varían de 0.25 a0.30, obteniendo mayores valores en satélites estabilizados en Tres Ejes. El porcentaje de masa de cada uno de los subsistemas, y por ello también del de comunicaciones, depende del tipo de estabilización que emplee el satélite, como se puede apreciar en la siguiente tabla.

Masas Relativas de los Subsistemas del Satélite

Estabilización Tres Ejes Estabilización Spin

% Total Masa en Seco % Subsistemas % Total Masa en Seco % Subsistemas

Cables-Arneses 4 8.2 4 8.2

TT&C 4 8.2 4 8.2

Estructura 18 36.7 21 41.2

Control de Atitud (ACS) 7 14.3 5 9.8

Propulsión (RCS) 5 10.2 3 5.9

Receptáculo AKM 7 14.3 8 15.7

Térmico 4 8.2 5 9.8

Subsistemas Apoyo 49% 100% 51% 100%

Comunicaciones 28% - 25% -

Energía Primaria 23% - 24% -

TOTAL 100% 100% 100% 100%

En ella se observa que los satélites con estabalización en Spin llevan un tres por ciento menos de carga útil que los estabilizados en Tres Ejes, cosa que en algunos casos se verá compensada por algunas de las características de dicho tipo de estabilización.

LA ANTENA.Sin sus antenas, cualquier satélite se ve privado de funcionalidad, pues es el instrumento que le permite llevar a cabo su función de radiar información a cualquier punto de la tierra. En las antenas son muchos los factores que influyen en la comunciación en los que hay que poner antención para obtener buenas prestaciones, desde el material de que está fabricada, que influye en su peso, eficiencia de transmisión, y rango de frecuencias en el que puede ser usada, hasta en su forma, que proporciona unos niveles de potencia y unos patrones de cobertura determinados.

TIPOS DE ANTENAS. De hilo. Este tipo de antenas se usa principalmente en las bandas VHF y UHF en los sistemas de Telemetría, Seguimiento y Control, TT&C (Telemetry Tracking and Control). Se sitúan cuidadosamente con el objetivo de proporcionar una cobertura omnidireccional, de forma que la comunicación TT&C no se vea interrumpida sea cual se la posición del satélite, por ejemplo si este gira sobre su eje cuando se encuentra en la órbita de transferencia. Bocinas. Las bocinas se utilizan a frecuencias de micro ondas donde se requieren haces anchos para cobertura global o como alimentadores de reflectores, ya sea una o varias. Son aperturas de varias longitudes de onda de tamaño que presentan un buen acoplo de impedancias entre la guía y el espacio libre. En estas antenas es difícil conseguir ganancias superiores a 23 dB o anchos de haz inferiores a 10º. Desde la órbita geostacionaria son 18º los que se necesitan para una cobertura global, algo que se puede conseguir perfectamente con este tipo de antena. Reflectores. Las antenas de este tipo suelen tener como alimentadores bocinas y proporcionan una mayor apertura que la que puede ser conseguida con una bocina. De estas antenas tenemos muchos tipos que se detallan en la sección segunda de este servidor, Teoría de Antenas.