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Mário Jorge M Leitão
Sistemas de Telecomunicações II
Sistemas de Comunicação por Satélite
• Conceitos básicos
• Órbita dos satélites
• Ligações por satélite
• Acesso a satélites
• Segmento do satélite
• Segmento terrestre
• Séries de satélites
Neste capítulo faz-se o estudo de sistemas de comunicação por satélite, a maioria dos quais,
operando em frequências de microondas, assumem a configuração de um feixe hertziano com
um único repetidor a bordo de um satélite.
Tendo em conta esta semelhança com os feixes hertzianos, a abordagem destacará
essencialmente os aspectos marcantes dos sistemas de comunicação por satélite que os
distinguem dos feixes hertzianos terrestres.
Sistemas de Telecomunicações II Sistemas de Comunicação por Satélite
Aplicações Comunicações Fixas (FSS, Fixed Satellite Service ) Difusão (BSS, Broadcasting Satellite Service ) Comunicações Móveis (MSS, Mobile Satellite Service )
- Aeronáutico – Marítimo – Terrestre Radioamadorismo Navegação (localização) Observação da Terra e atmosfera
- Meteorológicos – Detecção remota
Utilização
Comerciais
Privados
Militares
Experimentais
Científicos
Conceitos básicos
Princípios do sistema
- ligações hertzianas com um repetidor (transpositor) a bordo de um satélite no espaço
- a órbita do satélite é uma elipse (caso geral) em que a Terra está num dos focos
- aplicação mais importante: órbita circular equatorial geoestacionária (altitude = 36 000 km)
Classificação dos satélites
- em função da aplicação
- em função da utilização
Telecomunicações
Nas aplicações de telecomunicações concorrentes com sistemas terrestres, os satélites ainda
encontram justificação pela sua capacidade ímpar de disponibilizar rapidamente imensas áreas
de cobertura, o que é particularmente interessante nos seguintes casos:
− acesso a zonas do globo com baixas densidades populacionais ou níveis baixos de desenvolvimento, que não justificam meios terrestres; − difusão de um elevado número de programas para um universo alargado de utilizadores individuais.
Sistemas de Telecomunicações II Sistemas de Comunicação por Satélite
Conceitos básicos
Evolução dos satélites de telecomunicações
Acontecimentos pioneiros
1945 A. C. Clarke Ideia original da órbita geoestacionária 1957 Sputnik 01 Satélite artificial (URSS) 1958 Score Satélite de telecomunicações (store-and-forward) 1959 Explorer 07 Satélite com sub-sistema meteorológico 1962 Echo 1 Satélite passivo de comunicações telefónicas e difusão de TV 1962 Telstar 1 Satélite activo (órbita baixa de 158 min.; banda 6/4 GHz) 1964 Syncom 3 Satélite geoestacionário de comunicações 1974 ATS 6 Recepção individual de TV 1980 Intelsat 5 Emissão de sinais de difusão de TV por estações móveis 1984 SMM Satélite reparado em órbita pelo Space Shuttle
Serviços comerciais
1965 Intelsat 1 Serviço fixo e de difusão de TV (satélite geoestacionário) 1972 Anik A1 Serviço de comunicações nacionais (Canadá) 1985 (diversos) Serviço móvel (diversos transpositores em satélites geoestacionários) 1989 Astra 1A Serviço de difusão de TV orientado à recepção individual 1998 Iridium Serviço móvel com terminais de bolso (satélites de baixa altitude)
O historial das comunicações por satélite é já longo, podendo destacar-se alguns saltos
qualitativos que conduziram aos sistemas mais modernos actualmente em operação.
Ao longo do estudo, serão abordados muitos outros aspectos, realçando-se a perspectiva
evolutiva.
Sistemas de Telecomunicações II Sistemas de Comunicação por Satélite
Conceitos básicos
Evolução dos satélites de telecomunicações: exemplo da série INTELSAT
Período de lançamento
Dimensões Peso em órbita
Estabilização
Banda
Capacidade
Satélite
Potência DC (fim de vida)
Tempo de vida previsto
INTELSAT 1
INTELSAT 2
INTELSAT 3
INTELSAT 4
INTELSAT 5 1965 1966 - 1967 1968-1970 1971-1975 1980-
diam = 0,7 m alt = 0,6 m
diam = 1,4 m alt = 0,7 m
1,7×2,0×1,8 m painéis: 15,6 m 38 kg 86 kg 151 kg 700 kg 1 040 kg
rotação rotação 3 eixos
C 240 canais telef. ou 2 canais TV
33 W 75 W 125 W 400 W 1 300 W
1,5 anos 3 anos 5 anos 7 anos 7 anos
rotação diam = 1,4 m alt = 2,0 m
1 500 canais telef. e 2 canais TV
240 canais telef. ou 2 canais TV
diam =2,4 m alt = 5,3 m
rotação
4 000 canais telef. e 2 canais TV
12 000 canais telef. e 2 canais TV
C C C C / Pol. CircKu / Pol. Lin
Nº satélites
lançados 1 4 8 14 15 operacionais 0 0 0 0 3
Notas: características indicadas dizem respeito à versão base de cada tipo; para alguns tipos, foram construídos satélites com características ligeiramente diferentes da versão base.
O exemplo da série de satélites operados pela Intelsat é revelador dos enormes avanços nesta
área, que resultaram numa enorme capacidade das gerações mais recentes, com variadas
aplicações em termos de serviços.
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Conceitos básicos
Evolução dos satélites de telecomunicações
Satélites lançados e operacionais (Dezembro 2000)
- 2 490 satélites lançados com sucesso no período de 1980-
- 570 satélites operacionais (mínimo estimado)
Organizações responsáveis
- lançamento de satélites de órbita alta URSS / CEI Molniya (1960), Proton (1967) EUA Atlas (1962), Titan (1965), Delta (1972), STS-Shuttle (1981) China Longa Marcha (1975) Europa Ariane (1979) Japão NASDA (1981)
- operação de sistemas operadores específicos internacionais: Intelsat, Inmarsat, Eutelsat, Astra, Iridium operadores tradicionais de redes de telecomunicações
- regulamentação organismos internacionais UIT-R (Sector de Radiocomunicações) organismos nacionais Portugal - Anacom
tendências gerais: globalização privatização
primeiro lançamento do veículo
O modelo de exploração dos sistemas de comunicação por satélite assume duas formas:
− os serviços de satélite são disponibilizados aos utilizadores finais directamente pelos operadores dos próprios satélites, nomeadamente nos casos de redes privativas, difusão directa de TV por satélite e comunicações móveis; − os serviços de satélite são disponibilizados a operadores genéricos de serviços de telecomunicações, os quais alugam capacidade em satélites aos operadores dos satélites - é o caso da utilização de satélites no transporte da rede fixa ou em aplicações de difusão de televisão, a montante da rede terrestre de distribuição (recolha de notícias, intercâmbio de programas, etc.).
Sistemas de Telecomunicações II Sistemas de Comunicação por Satélite
Conceitos básicos
Aspectos críticos de engenharia
Lançamento dos satélites
- veículos de transporte para as órbitas altas
- posicionamento inicial do satélite na órbita correcta
Problemas da órbita do satélite
- controlo permanente de trajectória e atitude do satélite
- seguimento do satélite pelas antenas das estações terrestres
Condicionantes do sub-sistema do satélite
- dimensão física
- peso total em órbita
- alimentação primária apenas por painéis solares
- operação num meio ambiente agressivo ciclo térmico severo durante eclipses radiação solar elevada exposição a micro-partículas e meteoritos
- elevada fiabilidade ( sem manutenção) manutenção possível mascom custos exorbitantes
taxa de falhas elevada
A área das comunicações por satélite envolve um conjunto muito vasto de vertentes
tecnológicas de natureza muito diferente.
Nesta disciplina, limitar-nos-emos a identificar os principais desafios em termos de engenharia
e o impacto nos sistemas de comunicações de alguns compromissos que têm de ser assumidos.
Sistemas de Telecomunicações II Sistemas de Comunicação por Satélite
Órbita dos satélites
Tipos de órbitas
GEO ( Geosynchronous Earth Orbit ): órbita circular equatorial geosíncrona
- período de revolução: 23 h 56 m 4,091 s
- altitude média: 35 786 km
LEO ( Low Earth Orbit ): órbita circular de baixa altitude
- altitude típica: 500 - 1 500 km
- período de revolução 1h 30m - 2h
MEO ( Medium Earth Orbit ): órbita circular de altitude média
- altitude típica: 10 400 km
- período de revolução 6 horas
HEO ( Highly Elliptical Orbit ): órbita fortemente elíptica
- órbita elíptica inclinada
- perigeu de baixa altitude
caso notável: órbita Molniya perigeu: 1 000 km alt. apogeu: 39 000 km alt. período: 12 horas inclinação: 63,4 º
caso notável órbita polar
(m) 4
13 2
2
π
r GM^ T S
Órbitas circulares
rS - raio da órbita T - período da órbita GM = 3,9861352 × 10 14 m^3 /s
( r (^) S - r (^) T = 42 164 - 6 378)
rS = 2 , 161378 × 104 T^23 (m)
há outras órbitas utilizadas
Estas órbitas têm como principais vantagens:
− GEO: o satélite mantém-se fixo em relação à Terra; − LEO: o satélite está a uma distância relativamente curta; − MEO: o satélite está a uma distância intermédia entre GEO e LEO, permanecendo em visibilidade durante mais tempo do que em LEO; − HEO: em baixas latitudes, o satélite apresenta-se próximo do zénite durante um período de tempo apreciável.
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Órbita dos satélites
N
S
HEO órbita Molniya
altitude no apogeu 39 000 km
altitude 35 768 km
período 23h:56m:4,09s velocidade 3 075 m/s
altitude no perigeu 1 000 km
período 12 h
inclinação 0º
inclinação 63,4º
GEO
LEO órbita polar
Principais órbitas de satélites
equador
Uma visualização dinâmica destas órbitas pode ser obtida através de programas de
computador, como por exemplo Nova e Logsat.
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Órbita dos satélites
Trajectória terrestre de um satélite com órbita fortemente elíptica (HEO) Molniya
tempo de passagem 8 horas
tempo de passagem 8 horas
A trajectória terrestre de um satélite define-se pelo lugar geométrico dos pontos sub-satélite, ao
longo do tempo.
No caso da órbita Molniya, a trajectória permanece cerca de 8 horas numa área relativamente
reduzida na maior parte do período de 12 horas da órbita. Contudo, a mesma área do globo só
tem a referida cobertura de 8 horas em cada 24 horas.
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Órbita dos satélites
Comparação entre os tipos de órbita mais importantes
Características GEO LEO (polar) cobertura terrestre assegurada por cada satélite
Tipo de órbita HEO (Molniya) 1/2 - 1/3 da Terra pólos não cobertos global
necessidade de constelação paracobertura local permanente não (^) (ex: 6 sat≥ 48 satélites × 8 planos) 3 satélites
MEO
≥ 10 satélites (ex: 5 sat × 2 planos)
global 1/2 - 1/3 da Terra
atraso propagação (ida e retorno) 250 ms^
5 - 7 ms (750 km) 10-25 ms (1 500 km) 70 - 100 ms^ 150-300 ms
perdas em espaço livre (distância terra-satélite) elevadas^ reduzidas^ médias^ elevadas
seguimento do satélite geralmente nãonecessário
indispensável, excepto com antenas de feixe largo
necessário, mas pouco complexo
elevação do satélite no ponto de recepção
grande junto do equador
variável com passagem do satélite
grande em latitudes intermédias
variável com passagem do satélite
efeito Doppler (velocidade radial) muito reduzido^ médio^ médio^ elevado
tempo útil de passagem de cada satélite ilimitado^ 10 - 15 min^ 2 horas^ 8 horas
indispensável, excepto com antenas de feixe largo
↑↑↑↑
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↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑ ↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
A tabela caracteriza os principais parâmetros que permitem comparar as diversas órbitas de
satélite, justificando as suas principais aplicações:
− GEO: comunicações fixas, difusão, meteorologia; − LEO: comunicações móveis, radioamadorismo, observação da Terra e atmosfera; − MEO: comunicações móveis, navegação; − GEO: comunicações fixas.
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Órbita dos satélites
Localização do satélite
Parâmetros de visibilidade
- definem a posição do satélite num certo instante, em relação a uma dada estação terrestre
- são necessários três parâmetros referidos a um sistema de eixos xyz no ponto de recepção
α elevação ângulo entre o plano horizontal e a recta terra-satélite
β azimute ângulo entre o norte e a projecção horizontal da recta terra-satélite no plano horizontal (medido para leste) d distância estação terrestre-satélite
β
z
x
y
estação^ satélite terrestre
Parâmetros de visibilidade do satélite a partir de uma estação terrestre
vertical local
α
d
Leste
referencial fixo em relação àTerra na estação terrestre Norte
Numa estação terrestre, a elevação e o azimute são os parâmetros necessários para definir a
pontaria das respectivas antenas de emissão ou recepção.
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Órbita dos satélites
Localização do satélite
Relação entre os elementos orbitais e os parâmetros de visibilidade
- cálculo dos parâmetros de visibilidade num lugar
- determinação dos elementos orbitais
Ponto sub-satélite
- intersecção da recta centro da Terra-satélite com a superfície da Terra
- define a posição angular do satélite em relação à Terra
6 elementos orbitais do satélite (^) em qualquer lugar e instanteelevação, azimute, distância
elevação e azimute 3 instantes distintos no mesmo lugar 6 elementos orbitais do satélite
elevação, azimute, distância, velocidade radial 2 instantes distintos no mesmo lugar 6 elementos orbitais do satélite
elevação, azimute, distância, velocidade radial 2 lugares distintos no mesmo instante 6 elementos orbitais do satélite
Os elementos orbitais, em conjunto com a latitude e longitude de um lugar, são correntemente
utilizados para calcular os parâmetros de visibilidade nesse lugar. Contudo, estes cálculos são
relativamente complexos, recorrendo-se normalmente a programas de computador, como os já
referidos Nova e Lyngsat, utilizando valores actualizados dos elementos orbitais
disponibilizados pelos operadores dos satélites, ou por organizações que têm a missão genérica
de seguir satélites (operacionais ou não, destroços de lançadores e outro "lixo" espacial).
A operação inversa que permite determinar os elementos orbitais a partir de duas ou três
medidas de parâmetros de visibilidade é normalmente efectuada pelas organizações que
efectuam o seguimento de satélites, exigindo equipamentos mais ou menos sofisticados para
medir os parâmetros de visibilidade com a precisão necessária.
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Perturbações da órbita
Desvios da órbita em relação à elipse “kepleriana”
- a Terra não é uma esfera uniforme
- existem outras forças que actuam sobre o satélite atracção da Lua, do Sol e de outros planetas campo magnético terrestre pressão da radiação solar atrito na atmosfera (satélites de órbita baixa)
Previsão precisa da órbita
- elementos orbitais iniciais → válidos por poucos dias instante t 0 :
- elementos orbitais calculados com correcções de 1ª ordem
instante t 1 :
- elementos orbitais calculados com inclusão das forças perturbadoras mais importantes previsão com 15 dias de avanço requer a consideração de cerca de 20 forças!
desvios de ciclo diário desvios de ciclo longo desvios aperiódicos
( ) ( ) (^)
(^0 100) dt t 1 t 0 t t d dt
i di
( i 0 , Ω 0 , ω 0 , a 0 , e 0 , tp 0 )
actualizados periodicamente através de medidas
Órbita dos satélites
calculadas teoricamente ou medidas empiricamente
Na maioria das aplicações, nomeadamente na área das comunicações por satélite, os elementos
orbitais, regularmente actualizados, permitem determinar a órbita de um satélite no presente e
no futuro próximo.
Contudo, em aplicações que exijam grande precisão, poderá recorrer-se a cálculos em que os
elementos orbitais são extrapolados para o futuro com correcções de 1ª ordem.
Em casos ainda mais excepcionais, haverá que efectuar um cálculo teórico muito complexo,
envolvendo múltiplos efeitos sobre a órbita.
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N
Inclinação da órbita de um satélite geoestacionário por efeito do Sol e da Lua
órbita real
órbita ideal (plano equatorial)
satélite ponto sub-satélite oscila para cima e para baixo do equador
Órbita dos satélites
Perturbações da órbita
Efeitos do Sol e da Lua sobre um satélite geoestacionário
- órbita inclina-se com o decorrer do tempo
- desvios da ordem de 1º por ano são possíveis
- medidas de correcção satélite executa manobras de correcção Norte-Sul, com motores de gás satélite lançado numa órbita ligeiramente inclinada, de sentido contrário ao futuro desvio
- proximidade do fim de vida útil do satélite → combustível tende a esgotar-se
combustível do satélite esgotado inclinação não controlada
A inclinação do plano da órbita de um satélite geoestacionário provoca nas estações terrestres
uma variação de ciclo diário da direcção de visibilidade do satélite, essencialmente em termos
de variação da elevação (no caso de uma estação terrestre com a mesma longitude do ponto
sub-satélite, apenas variará a elevação; noutros casos, o azimute também irá variar, mas muito
menos do que a elevação).
As manobras de correcção da órbita só podem ser executadas por motores que expelem gás
numa direcção, de modo a criar um impulso no satélite de sentido contrário (princípio da
conservação da quantidade de movimento).
