ÓRBITAS SATELITALES,HAY MUCHO DE DONDE ESCOGER.

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2015-03-01


 

 

Las órbitas satelitales son las trayectorias en las que se coloca un satélite para cumplir su misión. Estas trayectorias están definidas por leyes matemáticas precisas que dependen de las fuerzas que actúan sobre el satélite, entre las que predomina la gravedad de la tierra. Una vez que se establece, la órbita de un satélite no se puede cambiar con facilidad, a menos que disponga de una fuente de energía para hacerlo. Es por esto la órbita de un satélite se escoge con mucho cuidado y tiene una importancia fundamental para cumplir su misión. Existen varios tipos de órbitas dependiendo de la distancia a la tierra, su inclinación respecto al ecuador terrestre, y su excentricidad, entre otros parámetros, por lo que cada una de ellas tiene una aplicación específica.
 
En una primera aproximación, la órbita de un satélite se puede calcular considerando que sólo existen dos cuerpos en el universo -el satélite y la tierra- y que esta última tiene su masa concentrada en su centro de masa. Bajo estas condiciones, la órbita del satélite es muy simple y perfectamente predecible: consiste en una elipse con uno de sus focos en el centro de masa de la tierra, y sus dimensiones dependen de las condiciones iniciales del movimiento del satélite, es decir de su posición inicial y la velocidad con la que fue depositado en la órbita. Los cálculos para determinar esta órbita son bastante simples y dan como resultado que entre más cercano está el satélite a la tierra, se mueve con mayor velocidad respecto a ésta. En el caso particular de las órbitas circulares bajas -es decir que están a una altura entre unos 300 y 600 Km encima de la superficie terrestre- esta velocidad es de unos 8 Km/seg, es decir, el satélite le da una vuelta completa a la tierra aproximadamente cada 90 minutos. Éste es el caso de la Estación Espacial Internacional.
 
En la realidad, la órbita de un satélite es más compleja de lo calculado por métodos elementales debido a su interacción con otros astros como la Luna, el Sol y otros planetas, el efecto del viento solar, el arrastre de la atmósfera -si la órbita es muy baja-, y la no esfericidad de la Tierra, entre otras causas. Lo anterior hace que el movimiento del satélite se modifique de la órbita ideal y por lo tanto, podrá requerir el apoyo de un sistema de propulsión interno que corrija su trayectoria de vez en cuando.

ÓRBITAS SATELITALES,HAY MUCHO DE DONDE ESCOGER.


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Tipos de Órbitas
 
Hay muchos tipos de órbitas y la que recibe más atención es la órbita geoestacionaria o GEO, ya que tiene la cualidad de que hace que el satélite permanezca estático respecto a un observador terrestre. En esta órbita, el satélite se encuentra en un círculo sobre el plano del ecuador terrestre a 35,786 Km de altura sobre la tierra. En estas condiciones el periodo de la órbita es igual a una revolución de la tierra sobre su propio eje, es decir: 23 horas, 56 minutos, 4.0916 segundos. A este periodo se le conoce como día sideral y es un poco más corto que el día solar medio (duración: 24 horas), que es el que usamos para nuestras actividades en la tierra, por estar relacionado con la posición relativa de la tierra respecto al sol, y no con una revolución completa de la tierra respecto a las estrellas fijas. El día solar es un poco más largo que el día sideral, ya que la tierra, en su movimiento de traslación del sol, tiene que girar un poco más que una revolución completa para volver a estar alineada con el sol cada nuevo día.
 
A pesar de sus ventajas, la órbita geoestacionaria tiene desventajas importantes debido a la enorme distancia a la que se encuentra respecto a la tierra. Esta distancia hace que se requieran potencias de transmisión muy grandes en los satélites de comunicaciones, dado que la energía que transportan las ondas electromagnéticas disminuye con el cuadrado de la distancia. Esto aumenta la masa del satélite y por supuesto su costo, y hace que los equipos de tierra sean pesados y voluminosos, en muchos casos no apropiados para un usuario móvil.  Además, el retraso de propagación de las señales electromagnéticas es del orden de 240 milisegundos en un viaje de ida y vuelta al satélite. Esto hace que los satélites geoestacionarios no sean muy adecuados para las conversaciones telefónicas. En lo que se refiere a otras aplicaciones como observación de la tierra, si bien los satélites geoestacionarios son útiles para ver a la tierra en su conjunto y observar patrones de movimiento de nubes, por ejemplo, la gran distancia a la que se encuentran se traduce en baja resolución espacial en las imágenes, lo que evita que se puedan apreciar detalles finos de la superficie terrestre.
 
Es por esto que además de las órbitas geoestacionarias, existen otro tipo de órbitas más cercanas a la tierra y éstas se denominan órbitas bajas (LEO o Low Earth Orbit) y órbitas medias (MEO o Medium Earth Orbit). Las órbitas LEO tienen alturas entre 200 y 2,000 Km sobre la superficie de la tierra. Las órbitas MEO se encuentran entre los 2,000 Km y la distancia geoestacionaria. Desde luego, puede haber órbitas más lejanas que las GEO. Estas órbitas se llaman HEO (High Earth Orbit) y en muchos casos son altamente elípticas, por lo que el término HEO también significa Highly Elliptical Orbit. Estas órbitas tienen aplicaciones sobre todo en comunicaciones para cubrir regiones de la tierra cercanas a los polos.
 
Cada una de estas órbitas tiene sus ventajas y desventajas. Es obvio que entre más cerca esté la órbita a la tierra, se necesitará menor potencia de transmisión en las comunicaciones, el retraso de las señales electromagnéticas será menor y se podrá tener mejor resolución en la captura de imágenes. Por el lado negativo, un satélite de órbita baja está sujeto al arrastre de la atmósfera, se mueve rápidamente respecto a un observador terrestre y no es visible todo el tiempo en una localidad dada. Además en un instante dado, cubre solo una porción muy pequeña del territorio, por lo que para cubrir toda la tierra se requerirá de varios satélites en operación simultánea. La siguiente figura nos muestra una comparación de las características de las diferentes órbitas.

 

 

 

Por ejemplo, en el caso de la observación de la tierra, las órbitas geoestacionarias se utilizan para satélites meteorológicos. Ejemplo de esto es el satélite GOES que ve a la tierra en su conjunto, pero que tiene una resolución espacial de 4 Km. Cuando se requiere ver detalles más finos, se tiene que recurrir a satélites de órbita baja y ejemplo de éstos es el sistema SPOT, con resolución espacial del orden de metros.
 
Órbitas circulares y elípticas
 
En una primera aproximación, los satélites tienen órbitas elípticas, en donde uno de los focos está en la tierra. Algunos parámetros importantes de estas órbitas son:
Apogeo: el punto de la órbita más alejado de la tierra
Perigeo: el punto de la órbita más aproximado a la tierra
Eje mayor= línea que une al apogeo y el perigeo
Eje menor=línea perpendicular al eje mayor que pasa por el centro de la elipse
Excentricidad=parámetro que define el grado de "achatamiento de la elipse", una excentricidad de 0 corresponde a una circunferencia; una excentricidad de 1 corresponde a una parábola.

 

 

 

La excentricidad de la órbita se escoge según la aplicación: las órbitas muy excéntricas pueden servir para que el satélite esté mucho tiempo sobre una región determinada.
En una órbita circular, la excentricidad es cero, por lo que la distancia del satélite a la tierra es la misma en todo momento. Esto puede ser importante para aplicaciones como la toma de fotografías en donde se requiere mantener la misma escala todo el tiempo.
 
Periodo y velocidad orbital en órbitas circulares
 
La siguiente figura muestra de manera gráfica los valores del periodo y velocidad orbital para órbitas circulares en la tierra y es útil para estimar estos valores para la órbitas LEO y MEO.

 

 

Sentido de rotación alrededor de la tierra
 
La órbita de un satélite puede tener el mismo sentido que el de la rotación de la tierra o girar en sentido opuesto. En el primer caso la órbita se denomina posígrada, mientras que en el segundo se llama retrógrada.
 
Inclinación del plano orbital
 
No todas las órbitas de los satélites están en el ecuador - de hecho, la mayoría de las órbitas bajas son polares, es decir pasan por los polos, a fin de cubrir a toda la tierra. Por lo tanto, un parámetro importante de una órbita es su inclinación respecto al plano del ecuador. La siguiente figura ilustra este concepto. Las órbitas polares tienen una inclinación de 90 grados y son útiles para observar la superficie de la tierra en su totalidad, ya que conforme se mueve el satélite de norte a sur, la tierra gira de este a oeste. El resultado es que el satélite puede barrer toda la superficie de la tierra.

 

 

Nodos ascendente y descendente
 
Otros parámetros importantes en la descripción de la órbita de un satélite son los nodos ascendente y descendente. Estos nodos son los puntos en los que el satélite cruza el ecuador. El nodo ascendente corresponde a cuando el satélite va del hemisferio sur al hemisferio norte, mientras que el nodo descendente corresponde al cruce con el ecuador cuando el satélite transita del hemisferio norte al hemiferio sur.
 
Ahora bien, puesto que la tierra está girando, es necesario especificar un objeto fijo en el espacio como referencia para definir los nodos anteriores. Para esto se utiliza el primer punto de la constelación Aries (el cual está en la misma ubicación que el equinoccio de primavera). El ángulo desde el centro de la tierra entre Aries y el nodo ascendente se llama la ascensión recta del nodo ascendente y se representa con la letra Omega.
 
Argumento del perigeo
 
Otro parámetro importante para describir una órbita es el argumento del perigeo. El argumento del perigeo, simbolizado como w, es el ángulo entre el perigeo de la órbita y el nodo ascendente de la órbita medido en el plano de la órbita y en la dirección del movimiento.

 

 

Parámetros orbitales
 
La descripción completa de una órbita elíptica en el espacio la componen 6 parámetros. Nosotros ya conocemos 5, los cuales describen el tamaño, la forma y la orientación de la elipse y son:
 
Longitud del eje mayor
Excentricidad
Inclinación del plano orbital
Ascención recta del nodo ascendente
Argumento del perigeo
Nos falta un parámetro para localizar al satélite en la órbita. El recorrido de un satélite sobre su órbita elíptica ideal es totalmente predecible, por lo el conocer el tiempo en el que satélite pasa por un punto dado nos permite conocer la ubicación del satélite en cualquier otro tiempo posterior. El punto de referencia utilizado es el perigeo, por lo que el tiempo de paso por el perigeo el sexto de los parámetros orbitales que nos permite definir sin ambigüedad una órbita satelital.
 
Traza sobre la tierra
 
En muchas ocasiones es muy útil representar la trayectoria de un satélite como su proyección vertical sobre la superficie de la tierra, como el diagrama de la figura siguiente. La figura presenta el caso de un satélite polar de órbita baja. Nótese que en cada subsecuente vuelta a la tierra, el satélite pasa a unos 22.5 grados al oeste de la primera trayectoria, dado que el tiempo transcurrido entre la primera y la segunda órbita es de aproximadamente 90 minutos.

 

 

Hay una órbita para cada aplicación
 
La elección de la órbita de un satélite depende de su aplicación. Mientras que las órbitas geoestacionarias se utilizan en aplicaciones tales como la radiodifusión directa, la meteorología y las comunicaciones fijas, otras aplicaciones como la observación de la tierra en detalle, la navegación o las comunicaciones móviles requieren de órbitas mucho más bajas. La selección de los parámetros de la órbita, tales como su altura, angulo de inclinación y excentricidad dependerá la misión en particular, por lo que el diseñador tiene muchas opciones de donde escoger y tendrá que tomar muchas decisiones y antes de definirlos.



Etiquetas: Satélites,órbitas,trayectorias

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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