Una de las mayores aportaciones de la tecnología espacial para nuestro bienestar en la tierra, son los satélites de comunicaciones, ya que permiten comunicar grandes extensiones con muy poca infraestructura terrestre, a diferencia de otros sistemas como las microondas y la fibra óptica. En esta ocasión describiremos los satélites de comunicaciones, en especial los llamados geoestacionarios, para entender su funcionamiento y operación.
Un satélite de comunicaciones es básicamente un repetidor de señales de radiofrecuencia que orbita la Tierra y aprovecha con esto la capacidad para cubrir grandes regiones. Consiste en un receptor de señales de "subida" que recibe de una estación en tierra. Una vez que las recibe, amplifica estas señales y las retransmite por un transmisor de "bajada" en diferente frecuencia. Esta combinación de receptor/transmisor en diferentes portadoras se le conoce como transpondedor.
Para efectos de simplicidad en el diseño y operación de la transmisión satelital, es deseable que el satélite siempre se encuentre fijo con respecto a un observador terrestre, a fin de que las antenas de tierra no tengan que moverse. Afortunadamente esto se logra si el satélite se mueve a la misma velocidad de rotación de Tierra en las llamadas órbitas geoestacionarias.
Una órbita geoestacionaria (GEO), es un órbita circular localizada a 35,786 kilometros por encima del ecuador y en la dirección de rotación de la Tierra. Un objeto en una órbita GEO tiene un período orbital de 1,436 minutos, es decir igual al periodo de rotación de la Tierra (un día sideral), y por lo tanto aparece inmóvil en el cielo a los observadores terrestres. La velocidad orbital de una órbita GEO es de 3.07 km /s. Una vez que el satélite es puesto en una órbita GEO, permanecerá ahí por efecto de la gravedad de la Tierra.
Debido a la conveniencia de las órbitas estacionarias, la mayoría de las comunicaciones satelitales utilizan órbitas GEO, aunque puede haber sistemas de comunicaciones que utilicen satélites en otro tipo de órbitas. Las órbitas GEO son entonces muy importantes, aunque tienen una desventaja. Al estar localizadas a 35,786 Km de distancia de la Tierra, generan un retraso en las comunicaciones de alrededor de 240 milisegundos, (el tiempo que tardan las señales en el viaje de ida y vuelta al satélites) y esto puede ser un problema en algunas situaciones.
Por lo visto anteriormente, todos los satélites en órbita geoestacionaria residen en un anillo a 35,786 Km de altura en el plano de ecuador. La ubicación un satélite GEO, entonces se da simplemente por su localización orbital, es decir su longitud y se mide en grados hacia el Este o el Oeste, a partir del meridiano de Greenwich.
Al tener el anillo geoestacionario una longitud finita, es evidente que sólo un número limitado de satélites pueden operar en la órbita geoestacionaria. Esto ha dado lugar a un conflicto entre diferentes países que desean acceder a los mismos segmentos orbitales (países en la misma longitud, pero diferentes latitudes).
La entidad internacional que asigna las posiciones orbitales es la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, por sus siglas en inglés). Esta entidad también asigna las frecuencias de operación de los satélites, a fin de que varios satélites puedan coexistir en una misma posición orbital sin interferirse. Las posiciones orbitales están definidas por cubos de 70 Km de lado localizados en el anillo geoestacionario. En ellas pueden residir uno o más satélites geoestacionarios.
Arquitectura de un satélite de comunicaciones
En la siguiente figura se puede ver la arquitectura típica de un satélite de comunicaciones. Como todo satélite, consta de una plataforma y una carga útil. La carga útil de comunicaciones consiste básicamente de varios transpondedores. Típicamente los satélites tienen entre 24 y 72 transpondedores que pueden ser compartidos entre muchos clientes. Un transpondedor puede manejar hasta 155 millones de bits por segundo. Con esta capacidad, los satélites de comunicaciones son un medio ideal para recibir y transmitir cualquier tipo de contenido, desde voz o datos hasta video y contenidos de internet.
Tiempo de vida de un satélite de comunicaciones
Los satélites geoestacionarios tienen una vida útil de unos 15 años. Este periodo está limitado por la cantidad de combustible que pueden llevar para corregir su órbita. La órbita GEO tiene que corregirse periódicamente desde Tierra para evitar que el satélite "derive" y se salga de curso y entonces lo dejemos de ver en el mismo lugar en el cielo. La deriva de un satélite se debe a las fuerzas gravitatorias que ejercen el Sol y la Luna sobre el satélite así como al hecho que la Tierra no es una esfera perfecta. Todo esto causa perturbaciones en lo que sería una órbita perfectamente circular en el plano del ecuador si la Tierra fuera esférica y su densidad estuviera distribuida uniformemente en el sentido radial y no hubiera más cuerpos en el universo. Como esto no ocurre en la realidad, hay necesidad de estar corrigiendo la órbita constantemente.
Una vez que concluye la vida útil de un satélite geoestacionario, éste se traslada a un órbita cementerio localizada a varios cientos de kilómetros más arriba que la órbita GEO. Ahí el satélite se apaga para evitar que su funcionamiento interfiera con satélites de comunicaciones activos.
Frecuencias de operación
Los satélites geoestacionarios de comunicaciones operan en diferentes bandas de frecuencia. En la siguiente tabla se muestran las bandas utilizadas en la comunicación satelital y sus aplicaciones más comunes. Una banda que promete mucho para permitir el acceso a la banda ancha en comunidades remotas y marginadas es la banda Ka.
Capacidad compartida
Típicamente, la capacidad de un transpondedor satelital se puede compartir entre varios usuarios. Existen varias técnicas de lograr esto, entre las que se encuentran las llamadas, TDMA, FDMA y DAMA, las cuales se explican a continuación.
TDMA, Time Division Multiple Access, o Acceso Múltiple por División en el Tiempo, asigna a cada usuario un intervalo de tiempo específico para efectuar la comunicación. Durante el intervalo de tiempo asignado, el usuario es el dueño del canal y puede enviar o recibir señales a través del transpondedor. Una vez que se acaba su tiempo, el usuario libera el canal para que sea utilizado por el siguiente usuario en turno.
FDMA, Frecuency Division Multiple Access, o Acceso Múltiple por División en Frecuencia, divide el espectro disponible en canales que son utilizados por los usuarios individuales, de la misma manera en que se comparte el espacio para recibir diferentes estaciones de radio.
DAMA, Demand Assigned Multiple Access, o Acceso Múltiple por Demanda Asignada. El usuario solicita el canal, y en caso de que esté libre lo utiliza hasta que termina su sesión. En caso de que el canal esté ocupado, el usuario espera hasta que éste se desocupe.
Ejemplo de un satélite de comunicaciones
Un satélite de comunicaciones típico es del Bicentenario, del sistema de satélites mexicanos MexSat. El satélite opera en las bandas C extendida y Ku extendida y ofrece servicios de comunicaciones fijas en todo el territorio nacional. El satélite tuvo una masa en el lanzamiento de 2,900 Kg y está actualmente en la posición orbital 116.68 grados Oeste.
Los satélites de comunicaciones son una solución para conectar a regiones con acceso complicado, en donde el cobre o la fibra óptica podrían tener un costo excesivo. A través de los satélites de comunicaciones se puede llevar la banda ancha a la "última milla" de los hogares y las empresas.
Los satélites geoestacionarios son una opción sencilla para implementar sistemas de comunicaciones ya que las antenas en Tierra apuntan siempre a una dirección fija. Existen, desde luego, otros tipos de sistemas de comunicaciones que utilizan satélites en órbitas que no son geoestacionarias. Estos sistemas serán tema de un próximo artículo.
