Constelaciones de satélites de comunicaciones: una opción para conectar al mundo

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2018-02-01


La mayoría de los satélites de comunicaciones que nos dan servicio son del tipo geoestacionario, es decir se alojan en una órbita ecuatorial circular en la que el satélite completa una revolución alrededor de la Tierra en sincronía con la velocidad de rotación de nuestro planeta, como se muestra en siguiente video:

 

 

Esto hace que el satélite siempre se localice en el mismo punto en el cielo con respecto a un observador fijo en la Tierra y tiene las ventajas de que las antenas receptoras terrestres no tienen que rastrear la señal, sino que están fijas, y que un solo satélite puede dar cobertura a casi un hemisferio completo del planeta.

 

Los servicios principales de los satélites geoestacionarios son transmisión de televisión o transmisión y recepción de voz y datos a terminales fijas. Sin embargo, en el caso de la prestación de servicios móviles, los satélites geoestacionarios tienen las siguientes desventajas:

 

  1. Debido a que los sistemas geoestacionarios orbitan la Tierra a una altura de 35,786 kilómetros, el retraso de propagación de las señales entre el satélite y la Tierra es de al menos 120 milisegundos, lo que es perceptible en las comunicaciones de voz bidireccionales.

 

  1. La atenuación a lo largo de la trayectoria que recorren las señales es muy alta, ya que la intensidad de la señal disminuye con el cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor. Esto hace que las terminales del usuario requieran de  transmisores de alta potencia y de antenas de muy alta ganancia. Esto puede hacer que las terminales personales puedan ser poco prácticas y reducir la movilidad del usuario.

 

Es fácil ver que estos dos inconvenientes no son independientes entre si. Los dos tienen su origen una misma causa: la distancia que recorren las señales electromagnéticas. Es por esto que una solución alterna a los satélites geoestacionarios de comunicaciones es utilizar satélites de órbita baja, es decir que orbiten la Tierra a distancias del orden de los cientos de kilómetros en vez de los casi 36,000 de la órbita geoestacionaria.

 

Un satélite no es suficiente

 

Si bien es cierto que un satélite de órbita baja requiere menos potencia de transmisión y el retraso de propagación de las señales es considerablemente menor que en el caso de un satélite geoestacionario, un solo satélite no podría emplearse en aplicaciones de comunicaciones. Esto se debe a que el periodo de la órbita de un satélite de órbita baja es bastante menor que el de un geoestacionario, y eso hace que el satélite se mueva muy rápido con respecto a usuarios fijos en la Tierra. La velocidad típica un satélite de órbita baja circular alrededor de la Tierra es del orden de 8 km/seg, lo que equivale a completar una vuelta alrededor de la Tierra en 90 minutos aproximadamente. En estas condiciones el satélite pasará por una localidad durante un corto tiempo -del orden de minutos- y dependiendo de la inclinación de la órbita no volverá a ser visible en el mismo punto tal vez en muchas horas o quizá días después. Además, dada la baja altura de la órbita, la cobertura regional a las frecuencias típicas de operación, será muy limitada. Todo esto indica que, a diferencia del caso geoestacionario, un solo satélite de órbita baja no es una solución práctica para dar servicio de comunicaciones a una región y mucho menos a todo el planeta, por lo que para emplear satélites de órbita baja en aplicaciones de comunicaciones tendremos que utilizar muchos satélites coordinados entre si. A este tipo de arreglo de satélites es a lo que se llama una constelación.

 

Como bono adicional, las constelaciones ofrecen otras ventajas sobre las plataformas de un solo satélite, entre las que se encuentra la confiabilidad como sistema, ya que la falla de uno o varios satélites no significa necesariamente la falla del servicio como un todo.

 

Son más complejas

 

Las constelaciones de satélites de órbita baja para aplicaciones de comunicaciones tienen la ventaja sobre los satélites geoestacionarios de requerir menos potencia de transmisión y recepción, así como causar menos retraso en la propagación de las señales, sin embargo tienen el inconveniente de ser mucho más complejas en su operación que un sólo satélite geoestacionario. En primer lugar, es necesario lanzar muchos satélites que deben ocupar órbitas precisas. Esto requiere de mejor coordinación de los servicios de lanzamiento y operación del segmento espacial que en el caso de un solo satélite geoestacionario.

 

Además, para prestar sus servicios, es preciso que los satélites se comuniquen constantemente entre si y se coordinen de manera compleja, ya que el paso de un satélite por una región dada dura unos cuantos minutos. Esto quiere decir que la comunicación con los usuarios en Tierra debe de pasar constantemente de un satélite a otro para que no se produzcan interrupciones. Una forma de conceptualizar a las constelaciones de satélites de comunicaciones de órbita baja es como si fueran torres de un sistema de telefonía celular, con la particularidad de que en vez de que estén fijas, se están moviendo en relación a la Tierra. Es así que al igual que los servicios de telefonía celular terrestre son más complejos que los servicios de telefonía fija, las constelaciones de satélites de comunicaciones de órbita baja son más complejas que un solo satélite geoestacionario, tanto en el segmento espacial como en el terrestre. Esta complejidad explica el porqué las constelaciones de satélites de comunicaciones aparecieron mucho después que los satélites geoestacionarios.

 

Es fácil darse cuenta que, a diferencia de los satélites geoestacionarios, no existe una sola solución en términos de una constelación para dar servicio de comunicaciones a una región dada. En el caso de los satélites geoestacionarios, de manera muy simplista solamente se requiere definir un solo parámetro: la longitud geográfica o posición orbital en donde se alojará el satélite.  Este único parámetro define la cobertura geográfica del sistema de comunicaciones. Para el caso de una constelación de satélites de órbita baja hay muchos más parámetros que escoger, tales como la altura e inclinación de las órbitas y el número de satélites en cada órbita, entre otros, para asegurar la cobertura y la calidad del servicio de las comunicaciones.

 

En la actualidad, existen varias constelaciones de satélites de órbita baja en operación que ofrecen servicios de comunicaciones. Entre las más conocidas están la de Iridium y la de GlobalStar, por lo que daremos una breve reseña de cada una de ellas.

 

Constelación Iridium

 

La constelación de Iridium fue el primer proyecto diseñando para dar servicio de comunicaciones inalámbricas globales por satélite utilizando satélites órbita baja. Se empezó a desarrollar en la década de los 90 del siglo pasado bajo la dirección de la empresa Motorola y se convirtió en el proyecto espacial civil más ambiciosos de su tiempo. La constelación se concibió originalmente con 77 satélites y de ahí tomó el nombre de Iridium, en referencia al elemento Iridio que tiene el número atómico 77 y los satélites que evocan la imagen del modelo atómico de Bohr, en donde los satélites son análogos a electrones que orbitan alrededor de la Tierra como su núcleo.  Con el tiempo, el número de satélites se limitó a 66 satélites activos más algunos de repuesto.

 

La constelación de satélites Iridium proporciona servicios de voz y datos a terminales satelitales en todas las regiones de la Tierra. La constelación consta de 66 satélites activos en órbita y satélites de repuesto adicionales para servir en caso de falla. Los satélites se encuentran en órbita terrestre baja a una altura de aproximadamente 780 km y a una inclinación de 86.4°. Los satélites se comunican entre si a través de enlaces en banda K por medio de cuatro enlaces inter-satelitales: dos con sus vecinos de adelante y atrás en el mismo plano orbital y dos con satélites en planos contiguos a ambos lados. Los satélites orbitan en órbitas polares que tienen un periodo de aproximadamente 100 minutos. Los 66 satélites activos están distribuidos en 6 planos orbitales espaciados 30°, con 11 satélites en cada plano (sin contar los repuestos). En su conjunto, los 66 satélites son suficientes para cubrir toda la superficie de la Tierra en todo momento. El siguiente video muestra cómo están conformados los satélites en la constelación Iridium.

 

 

 

Constelación GlobalStar

 

La constelación GlobalStar consta de 48 satélites de órbita baja con cuatro satélites adicionales de repuesto.

 

Cada satélite de GlobalStar consta de una antena, un cuerpo trapezoidal y dos paneles solares. En la Figura 1 se muestra la conformación de un satélite típico de GlobalStar. Los satélites operan a una altura de 1,414 kilómetros y están colocados en 8 planos orbitales de seis satélites cada uno, inclinados a 52° con respecto al ecuador. En estas condiciones la constelación es capaz de proporcionar servicios de comunicaciones en la Tierra desde los 70° de latitud norte hasta 70° de latitud sur. En la Tabla 1 se muestra un resumen de las características de la constelación GlobalStar.

 

Fig 1. Satélite de la constelación GlobalStar


 

 

 

Tabla 1. Características de la constelación GlobalStar

Satélites en la constelación

48

Número de órbitas

8

Altura

1,410 kilómetros

Inclinación

52° sobre el plano del ecuador

Satélites por plano orbital

6

Peso de cada satélite

< 450 kilogramos

Vida útil de cada satélite

10 años

 

La constelación GlobalStar mantiene siempre 4 satélites a la vista de cualquier punto de la Tierra, a excepción de latitudes mayores de 70°. A través de la técnica de acceso CDMA, las terminales en Tierra pueden seleccionar dinámicamente la señal con mayor intensidad, lo que permite una buena calidad de servicio, independientemente del movimiento de los satélites. El siguiente video presenta una simulación de las órbitas de la constelación GlobalStar.

 

 

El futuro

 

La gran demanda de comunicaciones globales aunada a los recientes desarrollos en miniaturización, producción masiva, y desarrollo de satélites de bajo costo, está impulsando el desarrollo de constelaciones satélites de órbita baja y actualmente hay muchos proyectos que pretenden operar constelaciones de cientos de satélites para proporcionar servicios de comunicaciones a todas las regiones del mundo. Entre los proyectos más destacados está el de OneWeb, una iniciativa para implementar una constelación de aproximadamente 882 satélites para proporcionar servicios de banda ancha a usuarios en todo el mundo a partir de 2019, que ya lleva un gran grado de avance. El siguiente muestra una animación del concepto de OneWeb.

 

 

 

Así, es muy probable que en futuro veamos cada vez más constelaciones de satélites de órbita baja en operación que presten servicios de comunicaciones para diversas aplicaciones, entre las que destacan el Internet de la Cosas. Todas estas constelaciones requerirán de asignaciones de un espectro de frecuencias cada vez más escaso, por lo que para que sean viables se tendrán que desarrollar nuevas tecnologías de acceso que eviten las interferencias. Asimismo, la gran cantidad de satélites en órbita baja representa un riesgo de acumulación de basura espacial que puede hacer inviable el acceso al espacio, por lo que tendrán que desarrollarse tecnologías y regulaciones para enfrentar este reto.

 

Finalmente, la emergencia de  las constelaciones de satélites de comunicaciones no significa la desaparición de los satélites geoestacionarios, ya que éstos tienen un lugar importante en la diseminación de señales de televisión y otros servicios, por lo que podemos asegurar los satélites geoestacionarios seguirán evolucionando.

 



Etiquetas: Constelación,Satélites,Comunicaciones

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnologia espacial de la Agencia espacial Méxicana.