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Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN LOS NANOSATELITES Y SU TECNOLOGIA EN LAS COMUNICACIONES T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA PRESENTA: CARLOS ROJAS FLORES ASESOR: ING. GONZALEZ VEGA JUAN CUAUTITLAN IZCALLI, EDO. DE MEX. 2011 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 2 Índice Introducción ...............................................................................................................................................................5 Capítulo 1 Conceptos Básicos y Antecedentes ...................................................................................................8 1.1 Panorama Histórico ..........................................................................................................................................8 1.2 La Era de los Satélites .......................................................................................................................................9 Capítulo 2 Nanotecnología ............................................................................................................................... 12 2.1 ¿Qué es “Nanotecnología”? .......................................................................................................................... 12 2.2 Sistemas de Comunicación por Satélite ........................................................................................................ 15 2.3 Características del Medio Espacial ................................................................................................................ 16 Capítulo 3 Evolución ........................................................................................................................................ 17 3.1 El Futuro y las Tecnologías Emergentes. ....................................................................................................... 17 3.2 Clasificación de los Pequeños Satélites ......................................................................................................... 18 3.2.1 Minisatélite ............................................................................................................................................. 20 3.2.2 Microsatélites ......................................................................................................................................... 20 3.2.3 Nanosatélite ........................................................................................................................................... 20 3.2.4 Picosatélite ............................................................................................................................................. 21 Capítulo 4 Nanosatélites .................................................................................................................................. 22 4.1 ¿Qué es un Nanosatélite?.............................................................................................................................. 22 4.2 Constelaciones Satelitales ............................................................................................................................. 25 4.3 Orbitas ........................................................................................................................................................... 28 4.3.1 Órbitas Bajas LEO e Intermedias MEO ................................................................................................... 29 4.3.2 Orbita Polar ............................................................................................................................................ 30 4.3.3 Órbita Geoestacionaria GEO................................................................................................................... 31 4.3.4 Órbita Elíptica ......................................................................................................................................... 31 4.4 Bandas de Frecuencia .................................................................................................................................... 33 4.5 Tecnología ..................................................................................................................................................... 35 4.5.1 Desafíos Técnicos ................................................................................................................................... 35 4.5.2 Estructura ............................................................................................................................................... 40 4.5.3 Sistema de Poder ................................................................................................................................... 40 4.5.4 Potencia de Regulación y Distribución ................................................................................................... 42 Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 3 4.5.5 Subsistema de Comunicación, de RF y antenas. .................................................................................... 44 4.5.6 Computador de Abordo (OBDH- On Board Data Handing) .................................................................... 45 4.5.7 Control de Actitud (ACS- Attitude Control System) y determinación. ................................................... 45 4.5.8 Telemetría y Telecomando (TM/TC) ...................................................................................................... 46 4.5.9 Orientación ............................................................................................................................................. 47 Capítulo 5 Lanzamiento ................................................................................................................................... 48 5.1 Como son Lanzados los Nanosatélites .......................................................................................................... 48 5.2 Clasificación de Lanzamientos ....................................................................................................................... 49 5.2.1 Estadisticas de Lanzadores ..................................................................................................................... 51 5.2.2 Sitios de Lanzamiento ............................................................................................................................. 52 Capítulo 6 Servicios y Aplicaciones ................................................................................................................... 53 6.1 Aplicaciones ................................................................................................................................................... 53 6.1.1 Propósitos Científicos ............................................................................................................................. 53 6.1.2 Navegación............................................................................................................................................. 53 6.1.3 Teledetección u Observación ................................................................................................................. 54 6.1.4 Sistema de redes y telecomunicaciones de quinta generación para protocolos de Internet y servicios relacionados. ................................................................................................................................................... 54 6.1.5 Desastres Naturales ................................................................................................................................ 54 6.1.6 Experimentación ..................................................................................................................................... 55 6.2 Proyectos ....................................................................................................................................................... 57 6.2.1 Lanzara UNAM nanosatélite que predice terremotos ........................................................................... 57 6.2.2 Diseñarán mexicanos “nanosatélites” en el CICESE ............................................................................... 58 6.2.3 El Nanosatélite NANOSAT ....................................................................................................................... 59 6.2.4 CubeSat ................................................................................................................................................... 60 6.2.5 QuakeSat2 .............................................................................................................................................. 60 6.2.6 La NASA diseña un Nanosatélite para estudiar la vida en el espacio “O/OREOS” ................................. 61 Apéndice .................................................................................................................................................................. 62 Norte América ................................................................................................................................................. 62 Asia .................................................................................................................................................................. 63 Australia ........................................................................................................................................................... 64 Sudamérica ...................................................................................................................................................... 64 Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 4 África ................................................................................................................................................................ 64 Tabla de Conversiones y Constantes ................................................................................................................... 65 Tabla de Conversiones ..................................................................................................................................... 65 Tabla de Constantes ........................................................................................................................................ 65 Conclusiones ............................................................................................................................................................ 66 Bibliografía ............................................................................................................................................................... 68 Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 5 Introducción Mientras los pequeños satélites han estado literalmente a la sombra de la era espacial, grandes satélites y programas han dominado la industria. Sin embargo en la década de los 90’s se intento reducir el presupuesto para los proyectos espaciales basándose en cuatro conceptos principales: “Miniaturización, Rapidez, Mejora y Economía”, todo esto provoco un incremento en la atención sobre las capacidades y ventajas que los pequeños satélites pueden brindar, además de las nuevas aplicaciones que estos pequeños satélites pueden proporcionar a las nuevas tecnologías. El éxito en la rama de las comunicaciones vía satélite junto con la exploración tripulada del espacio ha llevado a que la industria espacial haga cada vez más grandes y más costosas las misiones espaciales, hasta hace apenas unos años, “pequeño” y “barato” eran palabras que dominaban pequeños grupos científicos y aficionados, ahora los avances en la microelectrónica y en particular en microprocesadores, han hecho de los satélites pequeños una alternativa viable, ya que proporcionan soluciones rentables a los problemas tradicionales al mismo tiempo que los presupuestos para las misiones espaciales se están reduciendo. El interés en los pequeños satélites está creciendo rápidamente en todo el mundo. Las empresas, gobiernos, universidades y otras organizaciones de todo el mundo están comenzando sus propios programas de satélites pequeños. Pero surgen las siguientes preguntas ¿En verdad pueden superar estos pequeños satélites a los tradicionales? y ¿Cuáles son los beneficios que pueden obtenerse con la utilización de satélites pequeños? A lo largo del tiempo los satélites se han construido cada vez más grandes y más potentes. Por ejemplo el INTELSAT-6, un satélite de comunicaciones, tiene una vida útil de 10-14 años, pesa 4600kg en el lanzamiento, y ha desplegado dimensiones de 6.4m x 3.6m x 11.8m. Genera 2600W, y puede soportar hasta 120.000 canales de forma telefónica, y tres canales de televisión. En consecuencia los tiempos de desarrollo y los costos de satélites han ido en aumento, y un solo fallo en órbita puede acarrear una perdida monetaria muy considerable. Un típico nanosatélite pesa menos de 10kg kg, tiene dimensiones menores a 0.6m x 0.4m x 0.3m, y genera 30W. Este tipo de tecnología y es especial el caso de los nanosatélites, ofrecen menores tiempos de desarrollo, sobre los pequeños presupuestos y puede cumplir muchas de las funciones de sus contrapartes más grandes. Los nanosatélites pueden beneficiarse de la tecnología de punta, su tiempo de vida para el cuales tan diseñados es a menudo más limitada por los rápidos avances en la tecnología que por el fracaso de los sistemas a bordo. Es decir, que en algunas ocasiones se reemplazaran por otro sistema de mayor avance tecnológico que por consecuencia de alguna falla que estando en órbita puedan presentar. Las reducciones significativas de los costos de su manufactura, hacen posibles muchas nuevas aplicaciones. Recientemente se ha reconocido que los satélites pequeños pueden complementar los servicios proporcionados por los satélites tradicionales, al proporcionar soluciones rentables para comunicaciones de especialistas, la teledetección, la ciencia y respuesta rápida a las misiones militares Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 6 y demostradores de tecnología. En la Figura 1 se puede apreciar la diferencia en tamaño y masa que se tiene entre un Satélite tradicional 1,a () y un Nanosatélite 1,b (imágenes disponibles en http://peru21.pe/ )estas diferencias son muy notorias y aunado a esto la capacidad de fabricación de ambos y el tiempo mismo de cada proyecto estas muy distantes uno del otro. (a) Satélite Tradicional (b) Nanosatélite Figura 1 Diferencia de Tamaño entre un Satélite Tradicional y un Nanosatélite Recientemente constelaciones de satélites se hanpropuesto para proveer comunicaciones de voz y datos a usuarios móviles en todo el mundo. Estos sistemas se dividen en "Little LEO’s", "Big LEO’s y "MEO’s”. La oferta de este último es de tiempo real para los sistemas móviles de comunicación de voz y requiere de la mitad de tamaño y de potencia de los satélites tradicionales, pero Little LEO’s proporcionará servicios de datos, y puede ser aplicado con éxito por los nanosatélites. Estos sistemas, sin duda establecerán el mercado de los satélites pequeños. En los comienzos de la era espacial, todos los satélites lanzados eran de pequeño tamaño. Entre otras razones, porque la capacidad de los lanzadores para ponerlos en órbita era muy limitada. La microelectrónica y las nuevas tecnologías emergentes como las micro-nanotecnologías y los microsistemas electromecánicos, hacen que hoy en día los mini y microsatélites tengan unas prestaciones comparables o incluso superiores a las grandes plataformas de hace una década y además posibilitan una nueva clase de pequeños satélites, por debajo de los 10 kilogramos de masa, que se http://peru21.pe/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 7 conocen como Nanosatélites. En los últimos años se ha producido un auge espectacular en la aplicación de los microsatélites, entre 10 y 50 kgs., y se espera que ocurra algo parecido en el rango de los Nanosatélites, que se beneficiarán de la producción en serie y de los lanzamientos múltiples. Debido a su reducido tamaño y potencia, las prestaciones de un Nanosatélite son modestas, siendo las más usuales las comunicaciones en diferido, la medida de parámetros ionosféricos o magnetoesféricos, la experimentación y demostración en órbita de nuevas tecnologías, componentes y dispositivos. Será en las constelaciones o enjambres con multitud de Nanosatélites donde desarrollarán todo su potencial en el futuro, dando lugar a los sistemas distribuidos con posibilidades superiores, en algunos casos, a las grandes plataformas aisladas. La denominación de los satélites se debe a un factor de escala en relación con la masa. Así, se tiene una subdivisión que recae sobre el parámetro del mismo; por debajo de una tonelada se les llama mini satélites, por debajo de 100 Kg microsatélites y por debajo de 10 nanosatélites. Pero estas fronteras no son rígidas y en muchas referencias encontraremos microsatélites hasta 150 Kg o nanosatélites hasta 20 Kg. Un nanosatélite es un sistema muy complejo y delicado el cual se integra a su vez por varios subsistemas, siendo cada uno de ellos igualmente importante, pues la falla en alguno de estos subsistemas afecta directamente todo el sistema, es decir, cualquier falla por pequeña que sea podría causar la inutilidad parcial o total del conjunto. En general todos los satélite necesitan energía eléctrica, disipar calor, corregir sus movimientos y mantenerse en equilibrio, ser capaz de regular su temperatura, ser resistente al medio en el que vive y comunicarse con la tierra que es el principal objetivo de un satélite. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 8 Capítulo 1 Conceptos Básicos y Antecedentes 1.1 Panorama Histórico Cada avance tecnológico que se presenta sobre los medios de información, genera un adelanto superior hacia la generación tecnológica anterior y con ello se establecen nuevos conceptos, se crea un conocimiento del creciente potencial y se estimula con ello una gran demanda y el área de la comunicación vía satélite no es la excepción, ya que con el paso de los años, esta área ha tenido un desarrollo importante y promete mucho en cuanto a los servicios que puede proveer. Los organismos de telecomunicaciones y las compañías de satélites de comunicaciones están gastando millones de dólares en nuevas tecnologías, habiéndose alcanzado en la última década un nivel de inversiones sin precedentes. A mediados de la década del 70’s comenzó un gran estudio en conceptos como la masa, la complejidad y el costo de los satélites científicos el cual ha aumentado en forma sostenida, es debido a esto que la frecuencia de las misiones científicas, en comparación a la de los años 60’s, ha disminuido, además de que el tiempo de desarrollo de estas misiones se encuentra dentro de los 5 y 10 años, también agravó las consecuencias de fallas en el satélite, más frecuentes por la complejidad de los sistemas, lo que lleva a atrasos de muchos años en los programas. Si bien los objetivos científicos en ocasiones requieren plataformas de observación muy complejas, también es cierto que es posible hacer ciencia con satélites pequeños. En consecuencia, desde hace algunos años, se trabaja en el desarrollo de pequeños satélites, de bajo costo y corto tiempo de ejecución. Una desventaja de los satélites tradicionales es que estos satélites se colocan en órbita con portadores de gran capacidad, en vuelos donde el objetivo principal es la puesta en órbita de grandes satélites de comunicaciones, teleobservación u otros, que son los que absorben los costos del lanzamiento. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 9 1.2 La Era de los Satélites Un satélite artificial a la distancia correcta de la tierra daría una vuelta cada 24 horas, es decir, permanecería fijo sobre el mismo lugar y estaría dentro del alcance óptico de casi la mitad de la superficie de la tierra. Tres estaciones repetidoras, a una distancia de 120° en la órbita correcta, podrían producir una cobertura televisiva y de microondas a todo el planeta. 1945 Arthur C. Clarke En teoría al aterrizar las ideas principales en papel todo es posible, es en el momento en que los ingenieros y científicos intentan llevar las ideas a la práctica cuando surgen las dificultades. Para lanzar un satélite al espacio se requiere de un vehículo de lanzamiento y también de una navegación exacta, ello sin incluir los restantes problemas, como el combustible y la energía eléctrica para el sistema de comunicación. En aquella época en 1945 la investigación no había abordado ninguno de estos problemas, ni existía la Administración Nacional Aeronáutica y Espacial (NASA). Sin embargo con el paso de unas décadas el sueño de Arthur C. Clarke se hizo realidad. El origen de los satélites artificiales se encuentra ligado íntimamente con el desarrollo de los cohetes que fueron creados en primer lugar, como armas de larga distancia; después, utilizados para explorar el espacio y luego, con su evolución, convertidos en instrumentos para colocar satélites en el espacio. Las actividades en el espacio, incluyendo la tecnología satelital, se remontan a tiempos muy remotos, cuando el hombre empezó a medir los movimientos de las estrellas, dando origen a una de las ramas más antiguas de la ciencia, la Mecánica Celeste. Mucho tiempo después, se empezaron a realizar los primeros cálculos científicos sobre la tasa de velocidad necesaria para superar el tirón gravitacional de la Tierra. Con esos elementos en mente, la Marina de los Estados Unidos de América (E.U.), unos años más tarde, utilizó con éxito el satélite natural de la Tierra “la Luna” para establecer comunicación entre dos puntos lejanos en el planeta, transmitiendo señales de radar que dicho cuerpo celeste reflejaba, logrando con ello comunicar a la ciudad de Washington con la Isla de Hawai. Esto comprobó que se podrían utilizar satélites artificiales con los mismos fines, pero salvando la desventaja de depender de la hora del día para obtener las señales reflejadas. Con todo esto se emprendió un ambicioso proyecto denominado “Echo”, el cual consistía en utilizar un enorme globo recubierto de aluminio para que sirviera como espejo y reflejara las señales emitidas desde la Tierra. El artefacto, visible a simple vista, fue el primer satélite artificial de tipo pasivo, por su característica de servir solamente como reflejoy no tener aparatos para retransmisión; los llamados satélites activos vendrían después, con los avances tecnológicos y las experiencias que poco a poco fueron enriqueciendo el conocimiento en este campo. En la siguiente década, el Año Geofísico Internacional (1957-1958), marcó el banderazo de salida de una carrera espacial que durante muchos años protagonizaron E.U. y la Unión Soviética, siendo esta última la que se llevó la primicia al lanzar al espacio, el 4 de octubre de 1957, el satélite Sputnik I, el cual era una esfera metálica de tan solo 58 cm de diámetro. En diciembre de ese mismo año, E.U. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 10 también lanzó su propio satélite, el Vanguard, aunque sin éxito, pues se incendió en el momento de su lanzamiento. La Unión Soviética siguió su camino e instaló en órbita la segunda versión del Sputnik, en noviembre de 1957, ahora con un ser vivo como pasajero: la perra Laika. Después, hubo una tercera versión del Sputnik que se lanzó en 1958. Unos meses antes, E.U. lanzo el Explorer l, y con ello se apuntó un tanto en el mundo de la ciencia al descubrir los cinturones de radiación que rodean a la Tierra, a los que llamaron Van Allen en honor al líder de los científicos responsables de esa misión. Posterior a ese satélite, siguieron sus versiones II, III y IV, de los cuales el Explorer II falló. El primer experimento en comunicaciones desde el espacio también fue en 1958, cuando un cohete Atlas-B, equipado con un transmisor y un reproductor, emitió hacia la Tierra un mensaje grabado con anterioridad por el presidente Eisenhower. El Atlas-Score permitió demostrar que la voz humana podía propagarse superando la considerable distancia existente entre el planeta y el satélite. El concepto fundamental era sencillo: un repetidor colocado en un lugar suficientemente elevado podría dominar mucha mayor superficie que sus homólogos terrestres. El repetidor, por supuesto, sería colocado en órbita, aunque su limitación principal sería la movilidad del objeto en el espacio. Todos esos satélites aportaron importantes conocimientos al mundo científico, pues al ser equipados cada vez con mejores y más sofisticados instrumentos de medición, permitieron conocer las condiciones del espacio que rodea a la Tierra y, con ello, promover nuevos experimentos. Fue así que el primer satélite activo que se puso en órbita fue el Courier, de propiedad estadounidense (lanzado en 1960), equipado con un paquete de comunicaciones o repetidor que recibía las señales de la Tierra, las traducía a frecuencias determinadas, las amplificaba y después las retransmitía al punto emisor. Así, se realizaron muchos otros lanzamientos de satélites con fines experimentales en el campo de las comunicaciones para transmisiones de radioaficionados y señales de televisión en diversas bandas de frecuencia o con propósitos militares, de tal forma que al terminar 1962, E.U. contaba ya con 120 satélites puestos en órbita, mientras que Rusia tenía 33. En 1963, en Estados Unidos de América se fundó la primera compañía dedicada a telecomunicaciones por satélite (COMSAT). También, en ese mismo año la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), durante una conferencia sobre radiocomunicaciones, expidió las primeras normas en materia de telecomunicaciones por satélite. Gracias a la construcción de cohetes más potentes que llevaron satélites a la altura adecuada y al desarrollo de la electrónica como un elemento importante relacionado con muchas funciones de un satélite, en 1964 se logró colocar en órbita geoestacionaria o Cinturón de Clarke el primer satélite de este tipo (geoestacionario): el Syncom 3, que permitió en Europa la transmisión de los juegos olímpicos de Tokio. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 11 En agosto de 1964 se formó el consorcio internacional Intelsat, encargado de administrar una nueva serie de satélites geoestacionarios disponibles para todo el mundo, el primero de sus satélites fue el Early Bird o Intelsat-1. En la actualidad, existen alrededor de 200 de esta clase, en su mayoría geoestacionarios, conectando lugares de todo el mundo y que, además de servir para la telecomunicación internacional, se emplean para servicios como televisión y observación meteorológica, entre otras aplicaciones. Estos acontecimientos marcaron el inicio de la era satelital, desarrollando con rapidez la capacidad de fabricar una gran variedad de naves que al principio parecían modestas, pues sólo lanzaban satélites experimentales de investigación relativamente sencillos, que después, en la década de los años 70, se convirtieron en sofisticados prototipos de vehículos espaciales para comunicaciones y meteorología y, más adelante, para sondeos lunares y planetarios. Gracias a la constante evolución que se ha tenido en el área espacial y al desarrollo tecnológico que día a día aumenta de una manera muy significativa, surgieron los primeros Satélites Miniaturizados o Satélites Pequeños con la característica principal de tener una masa inusualmente baja y por consecuencia, dimensiones pequeñas, estos sistemas cuentan con una masa que no sobrepasa los 500 kilogramos y para su estudio y desarrollo, a su vez de subdividen tomando como parámetro principal su masa. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 12 Capítulo 2 Nanotecnología 2.1 ¿Qué es “Nanotecnología”? Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la Nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. La nanotecnología, promete soluciones vanguardistas y más eficientes, así como solvencia a problemas de distintos tipos enfrentados por la humanidad que van desde nuevas aplicaciones médicas o más eficientes hasta soluciones a problemas ambientales y muchos otros como en el caso de la comunicación por medio de satélites donde la nanotecnología juega un papel muy importante . En un concepto más general: La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, la cual ha venido a revolucionar los nuevos productos. En la actualidad la nanotecnología ha sido empleada para mejorar la resistencia de automóviles, hacer más pequeños los procesadores, ha servido para crear telas impermeables, aerodinámicas y ajustables que las marcas deportivas emplean ya, y en este caso es importante conocer la aplicación de la nanotecnología para el desarrollo de satélites a escala que cumplen con las características básicas de un satélite normal. El impulso de la nanotecnología permitirá el uso eficiente de los recursos materiales y minerales, también tendrá impacto sobre las comunicaciones y en los procesos productivos en general, siendo el área de los satélites a escala mejor conocidos como “Nanosatélites” donde recae el contenido de este trabajo. En México la nanotecnología también se ha ganado un espacio, existen alrededor de 250 especialistas interesados en el desarrollo de la nanociencia y nanotecnología. Se han creado redes de investigación en las que participan instituciones nacionales e internacionales. Algunos de estos científicos han logrado desarrollar la nanotecnología, corroborando así la importancia de la ciencia en México, que aunque aun no logra el desarrollo óptimo, está avanzando poco a poco, tratando de salir del rezago tecnológico en el que México se encuentra situado. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 13 Investigadores mexicanos han decidido desarrollar pequeños satélites que habrán de pesar entre 3 y 5 kilogramos, a fin de encontrar la independencia tecnológica que requiereMéxico para la generación de sus propios servicios satelitales, investigadores mexicanos proponen diseñar nanosatélites que sirvan como maquetas para desarrollar en un futuro sus propias máquinas espaciales a escala. Lo anterior fue dado a conocer por el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) a través de Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT). Un modelo de Nanosatélite el cual puede servir como ejemplo para el desarrollo científico en México es el NANOSAT 01 el cual aparece en la figura 2.1 (Imagen disponible en: http://www.inta.es/ ), este es un Nanosatélite desarrollado por el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial INTA cuya función principal es la comunicación entre bases remotas, como la Antártica, el buque Hespérides y España. Figura 2.1 Nanosat 01 Tiene forma hexagonal. Sus caras externas están totalmente cubiertas de paneles solares fotovoltaicos, capaces de generar la electricidad necesaria para el funcionamiento de todos los elementos y sistemas del nanosatélite. El diminuto artefacto espacial, se ha convertido en la propuesta científica de último momento en el sector de telecomunicaciones satelitales en México, toda vez que su principal objetivo será demostrar que en este país se cuenta con las capacidades suficientes para desarrollar equipo espacial de telecomunicaciones. http://www.inta.es/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 14 1. Nanosatélite peruano CHASQUI I (b) Desarrollo Nanosatélital en México Figura 3.2 Desarrollo Satelital en México La figura 3.2 (a) muestra un satélite Peruano el cual bien pueden servir como un modelo a seguir para el desarrollo de la tecnología mexicana dentro de esta área. Imágenes disponibles en: http://www.tecnologiadiaria.com/ Una razón de miniaturizar los satélites es en gran parte reducir el coste. Satélites más pesados requieren cohetes más grandes de mayor coste a financiar y aunque gracias a los cohetes fue que en un principio se logro colocar satélites en órbita, los satélites más pequeños y más ligeros requieren vehículos más pequeños, y por ende, costos más bajos de lanzamiento teniendo una ventaja importante ya que algunas veces se pueden lanzar en múltiplos. Los satélites miniaturizados permiten diseños más baratos y aunque con este tipo de tecnología se facilita la producción en masa, pocos satélites con excepción de las “constelaciones de las comunicaciones” donde las docenas de satélites se utilizan para cubrir el globo, se han producido en masa en la práctica. Además de la edición del costo, el análisis razonado principal para el uso de satélites miniaturizados es la oportunidad de permitir las misiones que un satélite más grande no podría lograr, por ejemplo: Constelaciones para las comunicaciones para baja tarifa de datos. Usar formaciones para recopilar datos de puntos múltiples. Inspección de la En-órbita de satélites más grandes. Con lo dicho anteriormente podemos concluir con que la nanotecnología puede considerarse como aquellas tecnologías y procesos que permiten el desarrollo de productos, sistemas, componentes ó materiales queden estructurados de forma que sus propiedades funcionales y estructurales quedan mejoradas. http://www.tecnologiadiaria.com/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 15 La nanotecnología implica el control de procesos a escala nanométrica lo que significa a escala atómica o molecular. ¿Y los nanosatélites? Naturalmente el término obedece a un factor de escala en comparación con los satélites convencionales. Generalmente se aplica cuando la masa se encuentra por debajo de los 10 kg pero, más que una cuestión de masa y potencia, el término obedece también a una nueva filosofía de diseño que algunos autores no dudan en calificar de cambio cultural en los proyectos espaciales. La producción de nanosatélites se beneficiará del uso de circuitos de aplicación específica Microsistemas electro-mecánicos y materiales nano-estructurados. Se puede confundir la nanotecnología con la evolución de la microelectrónica pero el concepto va mucho más lejos. La microelectrónica y los microprocesadores han revolucionado el mundo de las tecnologías de la información y de las comunicaciones. En los últimos años estas tecnologías han sido confinadas en encapsulados cada vez más pequeños y con prestaciones más elevadas. La conocida ley de Moore, que establece que la evolución de los microchips dobla su capacidad de almacenamiento de información cada 18 ó 24 meses, se sigue cumpliendo pero tiene su límite, primero debido a las limitaciones de los procesos de fabricación como la litografía y segundo y más profundo, debido a razones de física fundamental. Cuando los dispositivos llegan al mundo nanométrico aparecen los fenómenos cuánticos y se termina el comportamiento debido sólo al factor de escala. Los conceptos de pozo cuántico, punto cuántico o transistor de un solo electrón son el verdadero dominio de la nanoelectrónica. Tampoco hay que asociar necesariamente los productos nanotecnológicos con lo diminuto. Los materiales o recubrimientos nano-estructurados pueden ser tan grandes como queramos, si bien es verdad que los nanorobots o los chips prodigiosos son los que nos vienen a la mente cuando hablamos de nanotecnología, seguramente influidos por las películas de ciencia ficción y por los autores que escriben al respecto. 2.2 Sistemas de Comunicación por Satélite Ha sido tan notable el índice de crecimiento de los sistemas por satélite que en las últimas décadas a partir del lanzamiento del primer Sputnik de construcción soviética, hemos presenciado el surgimiento de muchos y distintos sistemas de comunicación por satélite, que alcanzan y conectan continente con continente, región con región y país con país, a una escala que nadie habría soñado hace 20 años, prueba de ello son los nanosatélites los cuales son el mayor adelanto en esa área los cuales basan su tecnología en la miniaturización de sus elementos y subsistemas. Los sistemas de comunicación por satélite que han evolucionado pueden clasificarse en: a) Principales sistemas internacionales en propiedad de gobiernos o consorcios. b) Sistemas de propiedad nacional. c) Empresas de propiedad privada. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 16 Todas estas categorías fueron ideadas para prestar una variedad de servicios, incluidos telefonía, datos y transmisión televisiva punto a punto, además de otros servicios como radiolocalización y predicciones acerca del clima. 2.3 Características del Medio Espacial El medio en el que habitan los nanosatélites es un lugar muy complejo y poco amigable para ellos. En el espacio hay vació casi absoluto, temperaturas extremas, radiaciones intensas y partículas muy veloces que pueden dañar o hasta incluso destruir al nanosatélite. También hay fuerzas gravitatorias originadas en cuerpos celestes que tienden a sacar al nanosatélite de su órbita. Cuando un nanosatélite llega a su posición orbital definitiva, listo para dar servicio, nos encontramos con que no resulta fácil mantenerlo en una posición estable y con las antenas apuntando hacia la dirección donde debe prestar servicio. Esto se debe a fuerzas de atracción externas que, como se dijo, tienden a moverlo de su órbita, por lo cual se debe contar con un sistema de propulsión que permita hacer correcciones periódicas para evitar estos desacomodamientos lo que conlleva a que los proyectos en la actualidad permitan que un nanosatélite opere durante unos 10 años o más. Las tormentas geomagnéticas y el aumento en la emisión solar ultravioleta calientan la atmósfera alta de la Tierra provocando su expansión. El aire caliente sube y la densidad del aire en la órbita de satélites que se encuentran hasta unos 1000 Km se incrementa considerablemente. Esto provocaun incremento de la fricción de los satélites en el espacio, resultando en una reducción de su velocidad y en ligeros cambios de órbita. Si los satélites en órbitas bajas no son rutinariamente elevados, caerían y se quemarían en la atmósfera de la Tierra. El "Skylab" es un ejemplo de una nave que re-entró a la atmósfera de la Tierra antes de tiempo como resultado de una actividad solar mayor a lo esperado. Durante la gran tormenta geomagnética de Marzo de 1989, cuatro satélites de navegación de la Marina tuvieron que ser puestos fuera de servicio por casi una semana. A medida que la tecnología ha permitido que los componentes de las naves sean más pequeños, sus sistemas miniaturizados son más vulnerables a las partículas solares más energéticas. Estas partículas pueden provocar daños físicos a los microchips y pueden cambiar los comandos de los programas en las computadoras de los satélites. Eventualmente, las descargas eléctricas pueden saltar entre componentes de la nave dañándolos e incluso deshabilitándolos. La carga gruesa o profunda en los satélites ocurre cuando partículas energéticas, principalmente electrones, penetran la cubierta exterior del satélite y deposita su carga eléctrica en las partes internas. Si se acumula carga suficiente en cualquier componente, este tratará de neutralizarse a través de descarga a otros componentes. Esta descarga es potencialmente peligrosa para los sistemas eléctricos del satélite. Estos y muchos más problemas son a los que se deben enfrentar los nanosatélites, es por ello que no se permite tener el más mínimo error en el diseño de este tipo de tecnología ya que un error por más mínimo que sea puede ocasionar el fallo total de una misión. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 17 Capítulo 3 Evolución 3.1 El Futuro y las Tecnologías Emergentes. La reducción de tamaño, masa y potencia en los satélites es un hecho en todas las aplicaciones con la excepción de los satélites de comunicaciones geoestacionarios. La demanda de más canales y la prolongación de la vida útil de los satélites hasta los 15 años, hacen que se sigan requiriendo grandes plataformas, en la que buena parte de la masa es combustible, para el mantenimiento en órbita del satélite, dentro de la ventana geoestacionaria asignada. En las misiones de observación de la Tierra, la tendencia es al uso de satélites más pequeños como el caso de los nanosatélites o los microsatélites, como alternativa a los grandes satélites tipo SPOT, LANDSAT o HELIOS por citar algunos de ellos. Si bien es cierto que el tamaño de algunos instrumentos viene determinado por leyes de la Física, existen recursos de ingeniería que reducen su tamaño. Por ejemplo, una cámara óptica de observación de la Tierra, para conseguir una determinada resolución, tiene que tener necesariamente una apertura y distancia focal determinadas. Nuevos diseños como las cámaras TMA con espejos dobladores reducen la distancia física entre apertura y plano focal resultando mucho más compactas. Esto hace posible el uso de nanosatélites para observación de alta resolución, por debajo de los tres metros. Además, la miniaturización de la electrónica en un futuro inmediato de la aplicación de la nanotecnología, hace posible que aumenten las prestaciones con menor masa y consumo. La aplicaciones nanotecnológicas estarán presentes en todos los subsistemas de los satélites: en la estructura con el uso de materiales más ligeros y resistentes gracias a la incorporación de nanotubos de carbono; en mecanismos con aleaciones de memoria de forma; en control térmico con recubrimientos superficiales termocrómicos que varían sus propiedades termo-ópticas en función de la temperatura; en control de actitud con el uso de microsensores, micromotores y microruedas de inercia; en manejo de datos a bordo con dispositivos de almacenamiento masivo y microprocesadores más rápidos; en potencia con células de múltiple unión de mayor eficiencia, baterías de mejor relación capacidad/masa y ultracondensadores; en comunicaciones con el uso de microdispositivos electromecánicos de conmutación y otras aplicaciones. En definitiva el Espacio es uno de los grandes beneficiados de todas estas tecnologías emergentes pero también hay que tener en cuenta que el enorme coste de los desarrollos asociados implica aprovechar los recursos que se generan en los grandes mercados de consumo como la automoción, las comunicaciones o la microinformática. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 18 3.2 Clasificación de los Pequeños Satélites El sector de comercio espacial se caracteriza por los satélites geoestacionarios de comunicaciones, el cual tiene una masa en órbita que va desde los 1,000kg hasta más de 4,000, pero las tendencias actuales señalan la posibilidad de poder manejar una masa en órbita de 8,000kg hasta los 12,000kg. En el caso opuesto, se han tenido otras tendencias con campo de aplicación en naves espaciales más pequeñas, algunas de esas tendencias hacen particular énfasis en la reducción de costos y reducción de las escalas de tiempo para el desarrollo de estas naves. La clasificación de lo que conocemos como satélites pequeños se basa en particular en las dimensiones de su masa, es decir a una masa de por debajo de los 500kg es a lo que consideramos un pequeño satélite, sin embargo la filosofía del desarrollo de la misión también es relevante, ello para distinguir la nueva generación de pequeños satélites de los satélites más pequeños que caracterizaban la primera exploración del espacio. El espíritu del mundo de los satélites pequeños ha sido abarcado por el lema: “Más rápido, Mejor, Más pequeño y Mas Barato” Aunque varios fallos de alto perfil por parte de la NASA han hecho esta frase menos popular, sin embargo, los proyectos de satélites pequeños se han caracterizado por escalas de rápido desarrollo para misiones experimentales cuando son comparadas con la industria espacial convencional ya que dichos proyectos se completan desde apenas 6 a 36 meses. El desarrollo de toda esta tecnología es con el objetivo de proporcionar soluciones innovadoras y alternativas más baratas a los métodos ya establecidos y a los mismos sistemas. Con esto se permitirá que los sistemas satelitales sean más ligeros y que sea mucho más fácil aun el diseño interno. Con frecuencia los procedimientos tradicionales, con antecedentes en el ejército y los programas espaciales tripulados, no pueden ser justificados y soluciones de bajo costo son favorecidas para que coincida con la reducción de los presupuestos espaciales, así que en muchos aspectos, “Mas rápido, Mejor, Más Pequeño y Mas Barato”, es una filosofía y un objetivo en los programas de nanosatélites. Muchos términos son utilizados para describir esta clase de descubrimientos satelitales, incluyendo SmallSat, Cheapsat, MicroSat, MiniSat, NanoSat, PicoSat y FemtoSat. La U.S. Defence Advanced Research Projects Agency se refiere a estos como “LightSats” La U.S. Naval Space Command como “SPINSat’s, (Single Purpose Inexpensive Satellite Systems) La U.S. Air Force como “TACSat’s”, (Tactical Satellites). Sin embargo, en años recientes un método general para la clasificación de los satélites en términos de la masa desplegada, ha sido aprobado y generalizado. Los límites de esta clase son una indicación del Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 19 lugar de lanzamiento o de las compensaciones de costes que se hacen típicamente, que es también la razón por la cual la masa es definida incluyendo el combustible. De esta manera los satélites se clasifican tomando por parámetro principal su masa, como se muestra en la Tabla 3.1, esta clasificación fue obtenida de la página principal de SSHP. Nombre Masa Grandes satélites Mayor a 1000 kg Satélites medianos Entre 500 y 1000 kgMinisatélites Entre 100 y 500 kg Microsatélites Entre 10 y 100 kg Nanosatélites Entre 1 y 10 kg Picosatélite Entre 0,1 y 1 kg Tabla 3.1 Subdivisión de los Satélites tomando como parámetro principal su masa. Con esta clasificación, el termino de “Pequeños Satélites” se utiliza para cubrir todas las naves espaciales con una masa en órbita no mayor a 500kg y dentro de los cuales encontramos el término Nanosatélites que como se mostro en la tabla anterior abarca una masa de entre apenas 1 kilogramo y los 10 kilogramos. Algunas características que se consideran en el momento de diseñar un proyecto para un nanosatélite es: El programa debe tener un enfoque inusual o poco convencional. La misión debe llenar una diferencia. El programa debe tener un proceso de corto tiempo. La distribución de la masa de pequeños satélites ya puestos en marcha se representa a continuación, y pone de manifiesto que no hay límites de masa clara. En la grafica 3.1 se puede ver que existen períodos en los que la nave dentro de una determinada masa son raras o ausentes. Por ejemplo, hay una falta general de las naves espaciales entre los 100kg -200kg a finales de la década de 1990. Estas diferencias aparecen como el resultado de las oportunidades disponibles de lanzamiento de pequeños satélites. La base de datos de esta Grafica 3.1 fue obtenida de la página principal de SSHP. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 20 Grafica 3.1 Lanzamientos de Satélites Tradicionales De la misma categoría de los satélites pequeños de donde surgen los nanosatélites, se desprenden otras más de las cuales se mencionan algunas características básicas de estos sistemas. 3.2.1 Minisatélite El término “minisatélite” refiere generalmente a un satélite artificial con una “masa mojada” (incluyendo combustible) entre 100-500 kilogramos (220-1100 libras), aunque éstos por lo general simplemente se llaman los “satélites pequeños”. Los Minisatélite son generalmente más simples pero utiliza las mismas tecnologías que satélites más grandes. 3.2.2 Microsatélites Microsatélites o el “Microsat” se aplica generalmente al nombre de un satélite artificial con una masa mojada entre 10 y 100 kilogramos (22-220 libras). Sin embargo, esto no es una convención oficial y los microsats pueden referir a veces a los satélites más grandes que ése. Diseña o propuso a veces diseños de estos tipos tienen microsatélites el trabajar junto o en una formación. El término genérico “satélite pequeño” también se utiliza a veces. 3.2.3 Nanosatélite El término “Nanosatélite” o “Nanosat” se aplica generalmente al nombre de un satélite artificial con una masa mojada entre 1 y 10 kilogramos (2.2-22 libras). Diseños de este tipo, tienen generalmente nanosatélites múltiples al trabajar una serie de naves juntas o en formación (el término “enjambre” se 0 100 200 300 400 500 600 Oct-80 Dic-82 Feb-85 May-87 Jul-89 Sep-91 Nov-93 Feb-96 Abr-98 Jun-00 Sep-02 Masa (kg) Lanzamiento "Satelites Tradicionales" Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 21 aplica a veces). Algunos diseños requieren un satélite más grande la cual denominan “madre” para la comunicación con los reguladores de tierra o para lanzar y comunicarse con los nanosatélites. 3.2.4 Picosatélite Picosatélite o el “Picosat” se aplica generalmente al nombre de un satélite artificial con una masa mojada entre 0.1 y 1 kilogramo (0.22-2.2 libras). Diseños de estos tipos tienen generalmente Picosatélite múltiples al trabajar juntos o en formación (el término “enjambre” se aplica a veces). Al igual que en otras categorías, algunos diseños requieren un satélite más grande, para la comunicación con los reguladores de tierra o para lanzar o intercomunicarse con los demás Picosatélite. El CubeSat es un ejemplo de un Picosatélite. En la figura 3.1 se observa la diferencia entre un Nanosatélite, un Microsatélites y un Minisatélite, donde se puede observar que su estructura física es muy parecida pero la diferencia de tamaño y masa es los que los diferencia uno del otro. Las imágenes fueron obtenidas del artículo Nuestro Espacio en el Espacio: los Minisatélites, Microsatélites y Nanosatélites, una opción de futuro (INTA), publicado por Torres Riera, José. NanoSat IntaSat MiniSat Nanosatélite Microsatélites Minisatélite 1 10 100 500 Masa en Kilogramos Figura 3.1 Satélites Pequeños Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 22 Capítulo 4 Nanosatélites 4.1 ¿Qué es un Nanosatélite? Se define como satélite a cualquier objeto que orbita alrededor de otro, que se denomina principal. Los satélites artificiales son naves espaciales fabricadas en la Tierra y enviadas en un vehículo de lanzamiento, un tipo de cohete que envía una carga útil al espacio exterior. Los satélites artificiales pueden orbitar alrededor de lunas, cometas, asteroides, planetas, estrellas o incluso galaxias. Tras su vida útil, los satélites artificiales pueden quedar orbitando como basura espacial. Los Nanosatélites, Figura 4.1, comparten este mismo concepto pero se derivan de sus congéneres que actualmente están orbita con una característica en particular gracias a la cual se deriva su nombre, siendo dicha característica la masa de la nave. Figura disponible en: http://peruanisto- masperu.blogspot.com/ Figura 4.1 Nanosatélite Actualmente algunos proyectos de Nanosatélites, ya se han puesto en marcha y aunque existe un incremento en este ámbito con respecto a la tecnología de miniaturización, se está llevando a cabo un estudio más a fondo. Los Nanosatélites en especial, son muy atractivos para muchas instituciones educativas que desean involucrase en el ámbito espacial, y ello es posible ya que la tecnología permite que este tipo de proyectos sean dirigidos y costeables por estas instituciones, si se razona acerca de ello, la electrónica en un teléfono móvil incluye la mayoría de los componentes electrónicos que son necesarios para una estabilidad pasiva en un satélite, es por ello que de esta manera se pueden correr riesgos y desarrollar proyectos para este tipo de satélites. http://peruanisto-masperu.blogspot.com/ http://peruanisto-masperu.blogspot.com/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 23 Para la operación autónoma, los nanosatélites utilizan únicamente un ordenador a bordo además de hacer uso de tecnología desarrollada para laptop y palmtop. Para reducir la masa, la actitud activa y el control de orbita son a menudo ignorados y se emplean las antenas omnidireccionales. Los principales límites son fijados por el enlace descendente y los sistemas de generación de energía. La tasa de bajada de datos está limitada por la generación de potencia y tiene que operar a velocidades de transmisión bajas o en modo de ráfaga. Cada vez más, la micro y la nanotecnología permite fabricar todo el sub-sistemas de un satélite y satélites, posiblemente, todo en un chip. Como se ha dicho en las últimas décadas se ha logrado un avance en la tecnología el cual permite la reducción de los sistemas satelitales. Hace algunos años habría sido imposible guardar un teléfono en el bolsillo y además poder usarlo de igual manera que un teléfono común ya sea desde un automóvil en movimiento, en un túnel o casi cualquier lugar que deseemos. Actualmente la NASA aplica este mismo concepto de miniaturización para construir vehículos espaciales muy pequeños con el mismo desempeño de los grandes y además que puedan proveer ventajas sobre ellos. A lo largo del siglo pasado nos dimos cuenta de que mientras más pequeñas sean las cosas será más fácil su manipulación, sin dejar a un lado el concepto de que no tenemos que sacrificarla funcionalidad del sistema por el tamaño, sino todo lo contario. Si se considera nuevamente el ejemplo del teléfono celular, tomaremos como parámetro el tamaño, siendo que con un tamaño pequeño se facilita el transporte, permite usarlo cuando se lo necesita y simplemente reemplazarlo cuando se rompe, de este modo ocurre una analogía con los nanosatélites ya que son más fáciles de construir gracias a su tamaño pequeño lo cual se debe a que para fabricar y probar estos satélites miniaturizados, no se requieren equipos y componentes especiales, tales como grandes cámaras de vacío térmicas, baterías voluminosas, etc. además de que son más fáciles de manejar y de trasladar de un sitio a otro. En cuanto a su masa cuando están completamente armados y cargados con combustible, estos nanosatélites no pesan más de 10 kg., lo que por obvias razones facilita su manipulación, contrario a lo que ocurre con un satélite grande el cual completamente armado y cargado de combustible, puede llegar a pesar hasta unos 1500 kg, lo que es aproximadamente la masa de un automóvil pequeño, esto conlleva a una desventaja de estos últimos con respecto a los nanosatélites ya que los vehículos espaciales más grandes debido a su volumen y masa, son más difíciles de lanzar al espacio. La construcción de los llamados nanosatélites ofrece a la NASA una mayor flexibilidad para explorar los tipos de cohetes y diferentes métodos de lanzamiento ya que gracias a su pequeño tamaño, los nanosatélites caben fácilmente dentro de un vehículo más grande y pueden ser lanzados desde el mismo cohete hacia la misma órbita. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 24 Algo demasiado interesante e importante es que los nanosatélites a pesar de su tamaño, ofrecen funciones completas, tales como: Sistemas de guiado. Navegación y control. Control de orientación y propulsión Ofrecen un alto ancho de banda Complejas funciones de comunicaciones Algunos proyectos de organizaciones privadas en cuanto a nanosatélites oscilan entre dos y tres millones de dólares, esto sin incluir el costo de lanzamiento el cual por lo general está a cargo de la NASA. En la Grafica 4.1, se muestran algunos proyectos de Nanosatélites que se realizaron en la década de los 90´s, obteniendo como parámetro principal la masa de los pequeños satélites. Recordemos que los Nanosatélites tienen una masa menor a los 10kg y están por arriba de 1kg. La base de datos de la Grafica 4.1 fue obtenida de la pagina principal de SSHP. Grafica 4.1 Proyectos de Satélites Pequeños 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Dic-91 Ene-93 Mar-94 Abr-95 May-96 Jun-97 Jul-98 Ago-99 Oct-00 Nov-01 Masa (kg) Lanzamiento "Satelites Pequeños" Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 25 4.2 Constelaciones Satelitales En la actualidad se comienza a tener un gran auge dentro de los sistemas de comunicaciones móviles vía satélite, ello sin dejar a un lado el hecho de que los nanosatélites se usaran para telemedicina, la vigilancia del cambio climático, la educación, entre otras aplicaciones y todo ello gracias al gran desarrollo de la tecnología y al gran mercado potencial que estos sistemas parecen tener. Una manera muy sencilla de clasificar los diversos sistemas de satélites es por la altura a la que se encuentran. Este aspecto es un factor clave para determinar cuántos satélites necesita un sistema para conseguir una cobertura mundial y la potencia que debe tener (la potencia necesaria para emitir desde un órbita baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la órbita y dado cierto ancho de haz de la antena del satélite, el área de cobertura del mismo será mucho menor estando en una órbita de poca altura que en otra de mayor altura). El número exacto de los satélites necesarios para una constelación efectiva, todavía sigue abierto al debate. Pero muchos estudios sugieren al menos ocho, con sensores de capacidad dual que puedan recoger datos espaciales de alta y baja resolución, y con una división equitativa entre instrumentos ópticos (incluidos los térmicos) y de microondas. En un concepto real, llamamos “Constelación Satelital”, Figura 4.2 disponible en http://www.biolaster.com/, a un grupo de satélites artificiales los cuales trabajan en conjunto. Dicha constelación puede ser considerada como una serie de satélites con una cobertura baja conjuntamente coordinados, en al cual los satélites funcionan juntos bajo control compartido y a su vez sincronizados de manera que se solapen en la cobertura y así complementar y no interferir con la cobertura de otros satélites. Figura 4.2 Constelación de Satelital http://www.biolaster.com/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 26 Por lo general este concepto aplica para los Satélites de Órbita Baja (LEO), en la cual entran en acción los nanosatélites ya que para esta orbita los sistemas suelen ser desplegados en constelaciones ya que el área de cobertura proporcionada por un satélite solo cubre pequeña zona la cual varia a la par del satélite que viaja a la velocidad angular necesaria para mantener su órbita. Muchos satélites en esta orbita son necesarios para mantener una cobertura continua sobre un área. Esto contrasta con los satélites geoestacionarios, donde un solo satélite, que se mueve a la misma velocidad angular que la rotación de la superficie de la Tierra, proporciona una cobertura permanente sobre un área grande. Y para el caso de los nanosatélites este concepto aplica de igual manera ya que por la distancia de la órbita en que se desenvolverán obliga de manera inmediata a que este tipo de tecnología necesite de una constelación para la transmisión. Algunos ejemplos de constelaciones de satélites tradicionales que son un el ejemplo a seguir para esta nueva tecnología se mencionan a continuación. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS). GPS son las siglas de “Global Positioning System” o Sistema de Posicionamiento Global, basado en la triangulación de la posición relativa de un punto sobre la superficie terrestre, respecto de una constelación de 27 satélites que circundan la Tierra en órbita geoestacionaria (están virtualmente inmóviles en el cielo, pues giran a la misma velocidad de rotación que ésta). Los equipos provistos de GPS, al recibir las señales de un mínimo de 2 satélites, hasta un máximo de 12, calculan las coordenadas de la posición sobre la superficie terrestre, en las tres dimensiones del espacio. El único requisito para tener cobertura es "ver" una cierta porción de cielo. Los satélites son propiedad del gobierno de los Estados Unidos de América, que los emplea con fines militares, aunque permite su utilización para usos civiles, sin cargo alguno. La reciente anulación de los errores inducidos en la exactitud del Sistema, hace que éste tenga una precisión constante (limitada a ocasionales perturbaciones naturales) de aproximadamente 5 metros. Globalstar servicios de telefonía por satélite. El sistema de Satélites GLOBALSTAR es una red de comunicaciones personal. Globalstar es un consorcio dinámico internacional de compañías de telecomunicación. Esta innovadora empresa se formó en 1991. Su objetivo es dar servicio de voz (desde 2400 hasta 9600 bps), datos (9600 bps), mensajería, paging, correo electrónico, fax y localización de usuario (300 m de resolución) mediante teléfonos de bolsillo o portátiles instalados en vehículos, a usuarios que se encuentren en zonas de baja densidad de tráfico o necesiten estar en permanente contacto con oficinas en distintos puntos del planeta. La constelación consta de 48 satélites y 8 de reserva. Los 48 satélites estarán distribuidos en 8 planos orbitales de 52º de inclinación separados entre sí 45º. En cada uno de los planos habrá 6 satélites equiespaciados (60º). Los Nanosatélitesy su Tecnología en las Comunicaciones 27 Los enlaces de subida se realizarán en banda L (1,61 Ghz) y los de bajada en banda S (2,48 Ghz). Los satélites actuarán como meros repetidores que amplificarán y retransmitirán las señales recibidas. Como ya hemos afirmado todo el procesamiento se realizará en el segmento terrestre. Un satélite Globalstar pesa 420kg estará situado a una altura de 1452km y tendrá un periodo de rotación de 113 minutos. Su tiempo medio de vida útil se estima en 7,5 años. Cada satélite proyectará un juego de 16 haces para conformar las celdas de cobertura terrestres. Como para Iridium proporcionamos la constelación de satélites donde cada círculo representa el conjunto de 16 haces de cada satélite y la proyección del satélite en la tierra es el cuadrado Las aplicaciones de banda ancha benefician las comunicaciones de baja latencia, por lo que las constelaciones de nanosatélites en LEO proporcionar una ventaja sobre un satélite geoestacionario, donde la latencia teórica mínima es de alrededor de 125 milisegundos, en comparación con 1 a 4 milisegundos para un nanosatélite de órbita terrestre baja. Una constelación de nanosatélites LEO también puede proporcionar más capacidad del sistema de reutilización de frecuencias a través de su cobertura, con haz puntual (Spot Beam) de uso de frecuencias análogo a la reutilización de la frecuencia de las torres de radio celular. Spot Beam en español, “haz de luz” significa en lenguaje de las telecomunicaciones que un satélite de acuerdo a la señal está especialmente concentrada en el poder (es decir, la información a transmitir se envía por una ganancia alta de la antena), de modo que cubra sólo un área geográfica limitada en la Tierra. Haces puntuales se utilizan de modo que sólo las estaciones de tierra en un área de recepción destinados particulares en forma apropiada puede recibir la señal del satélite. Un ejemplo notable de la utilización de haces puntuales es el de difusión directa por satélite sistemas como DirecTV y Dish Network que ofrecen servicios locales de difusión de televisión vía satélite sólo a los espectadores en la parte de América del Norte. Spot Beam, permite que los satélites puedan transmitir diferentes señales de datos utilizando la misma frecuencia. Los satélites tienen un número limitado de frecuencias de uso y la habilidad de reutilizar una frecuencia para diferentes localidades geográficas permite simplificar los diseños de receptores. Por supuesto, lo más importante es que los datos del satélite lleguen de vuelta a las estaciones terrenas en un formato fácil de usar. Por lo tanto, en una constelación, los satélites deben proporcionar cierta cantidad de procesamientos a bordo y análisis automáticos Una adecuada infraestructura de comunicación que provea los datos del nanosatélite a los usuarios finales también es fundamental. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 28 4.3 Orbitas Hace poco más de medio siglo hacia el año 1945, el científico Arthur C. Clarke sugirió en una de sus publicaciones la posibilidad de colocar en órbita satélites artificiales de una forma tal que al observarlos desde un punto de la tierra pareciera que no cambiaran de posición, con ello se operación se simplificaría y el costo de los equipos terrestres necesarios para utilizarlos se reduciría en relación con el uso de otras orbitas, ello sin mencionar que casi todo el mundo habitado se podría intercomunicar por radio con solo tres satélites colocados en esa orbita tan especial. Como sabemos la tierra gira alrededor de su propio eje y completa una vuelta cada 24 horas así que si se coloca un satélite de tal manera que gire circularmente alrededor de la tierra en un plano imaginario que lo atraviese por el círculo ecuatorial y si el satélite también completa una vuelta cada 24 horas, entonces para un observador que se encuentra sobre la tierra en un punto fijo se produce un efecto en el cual el satélite esta estático. En general existen dos subdivisiones de los satélites con respecto al tipo de orbita que utilizan, existiendo así las dos siguientes: Satélites geoestacionarios (GEO). Son los que se ubican en la órbita del mismo nombre, sobre la línea del Ecuador y a una altitud de 36 mil km. Son utilizados para la transmisión de datos, voz y video. Satélites no geoestacionarios. Que a su vez se dividen en dos: o Los Mediun Earth Orbit (MEO), ubicados en una órbita terrestre media a 10 mil km de altitud. o Los Low Earth Orbit (LEO), localizados en órbita más baja, entre 250 y 1500 km de altitud. Tanto los satélites MEO como los LEO, por su menor altitud, tienen una velocidad de rotación distinta a la terrestre y, por lo tanto, más rápida; se emplean para servicios de percepción remota, telefonía etc., por mencionar algunos de sus usos y es aquí entonces donde entra el campo de acción de los nanosatélites los cuales trabajan en este tipo de órbitas. Figura 4.3 Orbitas Satelitales, disponiblen en: http://www.kalipedia.com http://www.kalipedia.com/ Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 29 4.3.1 Órbitas Bajas LEO e Intermedias MEO Hace ya dos décadas se comenzaron a desarrollar ambiciosos proyectos para colocar satélites menos pesados y costosos a altitudes mucho más cercanas a la superficie terrestre algo a lo que se conoce como “satélites pequeños”, en trayectorias generalmente circulares llamadas orbitas bajas e intermedias. Es por ello que los nanosatélites son colocados en este tipo de orbitas en especial en la órbita baja ya que por su tamaño y su masa, son más fáciles de colocar y manipular a una distancia que va desde los 250km de altura hasta los 1500km. Los satélites que se encuentran en este tipo de orbita, tiene escasa aplicación en las comunicaciones sin embargo hay algunas otras para las cuales el satélite de esta orbita es particularmente adecuado, una de estas es la prevención meteorológica. Los nanosatélites colocados en estas orbitas no operan individualmente como los satélites geoestacionarios, si no que este tipo de satélites a escala, trabajan en “equipo” ya que se necesitan muchos a la vez, girando alrededor de la tierra para formar lo que se denomina como una constelación. Los servicios para los que las primeras constelaciones fueron diseñadas están fundamentalmente orientados a terminales personales portátiles de telefonía, transmisión de datos a tasas bajas y radiolocalización. Una ventaja de transmitir en una órbita baja es que para una órbita geoestacionaria el trayecto de ida y vuelta de las señales desde que se envían de la tierra al satélite y del satélite a la tierra es de unos 72,000km aproximadamente, lo que conlleva a que la señal sea atenuada de manera drástica y además el hecho de que solo es posible detectarlas y utilizarlas con unidades de transmisión muy potentes, antenas de alta ganancia y dispositivos de recepción muy sensibles, detalles que no son muy significativos para la transmisión por medio de nanosatélites ya que la solución para estos problemas es acercar los satélites a los usuarios de los servicios que se ofrecen y así reducir la atenuación al disminuir la longitud total del trayecto, aunque esto conlleva a que ya no se permite que funcionen como si estuvieran estacionarios con relación a la tierra, ya que solo son visibles por las terminales terrestres durante un corto tiempo y deben actuar en forma de relevos para que así la comunicación no se vea interrumpida. Los planos en los que giran los nanosatélites sobre esta orbita ya no tienen que coincidir necesariamente con el plano ecuatorial si no que pueden tener cualquier inclinación con relaciona este. un ejemplo de esto es una constelación de satélites llamada ICO de orbita intermedia la cual utiliza dos planos con 45° de inclinación, mientras que la constelación Globalstar de órbita bajaemplea 48 satélites distribuidos en seis planos con diversas inclinaciones. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 30 4.3.2 Orbita Polar Una orbita polar, Figura 4.4 disponible en: , es una órbita que pasa por encima de los polos de un planeta o muy cerca de ellos, es decir la inclinación de la órbita es cercana a los 90 grados. Un satélite en órbita polar pasa sobre cada punto del planeta cuando éste gira sobre su eje. Los satélites que giran en orbitas polares varían su posición en un rango de altura que va desde los 500km de altura a los 850km, y en cada vuelta pasan sobre los mismos puntos del ecuador. El período de revolución es de 102 minutos. Constantemente cada satélite "ve" de manera simultánea todos los PTT's (plataformas censoras que almacenan los datos que luego se transmitirán al satélite) que haya en una huella de 5000 Km de diámetro. Debido a que son órbitas polares, cada satélite pasa por los polos 14 veces al día, mientras que por el ecuador sólo pasa 6 ó 7 veces. La ventana durante la cual el satélite puede recibir datos de una estación dada es de 10 minutos de media. Existen tres estaciones terrestres principales en: - Wallops Island (Virginia, USA) - Fairbanks (Alaska, USA) - Lannion (Francia) Figura 4.4 Orbita Polar Estas tres estaciones reciben todos los mensajes recogidos por los satélites durante una vuelta a la órbita, proporcionando cobertura global. Las estaciones regionales reciben los datos procedentes de los transmisores PTT's casi en tiempo real, siempre que el satélite esté en su zona de visibilidad por todo ello es común que esta orbita sea contemplada para misiones que incluyen nanosatélites debido a que los beneficios de esta orbita pueden ser aprovechados fácilmente por este tipo de tecnología satelital. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 31 4.3.3 Órbita Geoestacionaria GEO Para que un satélite pueda desplazarse en el mismo sentido de rotación que la tierra, además de no perder altura poco a poco y que complete una vuelta cada veinticuatro horas, debe estar aproximadamente a 35,786 km de altura sobre el nivel del mar, para lograrlo el satélite deberá tener una velocidad constante de 3,075 m/s siguiendo una órbita circular alrededor de planeta. Sin duda muchos fueron los científicos e ingenieros que se interesaron en las ideas de Arthur C. Clarke y de otros autores contemporáneos, sin embargo en aquel entonces ni siquiera se había lanzado el primer satélite artificial de la tierra aunque fuese a unos cuantos cientos de kilómetros de distancia de la tierra y mucho menos en órbita geoestacionaria a 36,000 km de altura sobre el nivel del mar y no fue sino hasta 1957 cuando se lanzo el primer satélite geoestacionario del mundo llamado SYNCOM. Cabe destacar que debido a que su latitud siempre es igual a 0º, las locaciones de los satélites sólo varían en su longitud. La órbita en cuestión recibe en nombre de Órbita Geoestacionaria, pero con frecuencia muchos autores e investigadores se refieren a ella como el Cinturón de Clarke en justo reconocimiento a su promotor. En la actualidad, esta es la órbita mas congestionada alrededor de la Tierra pero aunque muchos propietarios de satélites quieren estar ahí por obvias razones de sencillez y bajo costo de operación, no es un problema para los nanosatélites ya que estos no están diseñados para este tipo de orbita. En esta orbita se encuentra una gran diversidad de satélites que van desde su apariencia física hasta las aplicaciones, existen en esta órbita satélites meteorológicos, militares, experimentales y de comunicaciones, todos de un gran tamaño y con subsistemas ostentosos y de gran tamaño en comparación con los subsistemas de un nanosatélite. 4.3.4 Órbita Elíptica Se denomina órbita elíptica a la de un astro que gira alrededor de otro describiendo una elipse. El astro central se sitúa en uno de los focos de la elipse. A este tipo pertenecen las órbitas de los planetas del Sistema Solar. En astrodinámica o mecánica celeste y geometría una órbita elíptica tiene una excentricidad mayor que cero y menor que uno (si posee excentricidad 0 es una órbita circular y con excentricidad 1 es una órbita parabólica). La energía específica de una órbita elíptica es negativa. Ejemplos de órbitas elípticas incluyen: Órbita de transferencia Hohmann (ejecutada cuando un satélite cambia la cota de giro orbital), órbita Molniya y la órbita tundra. Los puntos notables en una trayectoria elíptica son aquellos que se describen como únicos y característicos de la trayectoria, de esta forma se tiene: Perihelio, o lugar más cercano de la trayectoria al cuerpo central (en el caso de la Tierra, al Sol). Se denomina también perigeo. Afelio, o al contrario que el perihelio es el lugar más alejado de la trayectoria. Se denomina también apogeo. Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 32 A continuación en la tabla 4.1 se muestran algunas características principales de las orbitas anteriormente descritas. Los datos de esta tabla fueron obtenidos de diferentes fuentes las cuales se encuentran en la bibliografía al final del documento. Tipo de órbita Altura sobre el nivel del mar Velocidad del satélite Función del satélite Ventajas Órbita Baja “LEO” Low Earth Orbiting Órbita Intermedia “MEO” Medium Earth Orbiting 250 - 1 500 km 25 000-28 000 km/hr. Comunicaciones y observación de la Tierra. Poco retraso en las comunicaciones. Se requiere menor potencia. Órbita polar 500-800 km Sobre el eje polar 26 600-27 300 km/hr. Clima Navegación. Están perpendiculares sobre la línea del Ecuador, por lo que pueden observar distintas regiones de la Tierra. Órbita Geoestacionaria “GEO” Geostationary Earth Orbit 35 786 km Sobre el Ecuador 11 000 km/hr. Comunicaciones Clima Navegación GPS Al dar la vuelta a la Tierra a su misma velocidad, siempre observa el mismo territorio Órbita elíptica “HEO” Highly Elliptical Orbit Perigeo (cuando está más cerca de la Tierra) 200- 1 000 km Apogeo (cuando está más lejos) ~ 39 000 km ~34 200 km/hr. ~5 400 km/hr. Comunicaciones Servicios a grandes latitudes. Tabla 4.1 Características Principales de Orbitas Satelitales Los Nanosatélites y su Tecnología en las Comunicaciones 33 4.4 Bandas de Frecuencia Los nanosatélites son un medio muy apto para emitir señales de radio en zonas amplias o poco desarrolladas, ya que pueden utilizarse como antenas suspendidas en el espacio. Dado que no hay problema de visión directa se suelen utilizar frecuencias elevadas en el rango de los GHz que son más inmunes a las interferencias; además, la elevada direccionalidad de las ondas a estas frecuencias permite la cobertura de zonas concretas de la Tierra. El periodo orbital de los todas las naves espaciales depende de su distancia a la Tierra. Cuanto más cerca esté, más corto es el periodo. Los primeros satélites de comunicaciones tenían un periodo orbital que no coincidía con el de rotación de la Tierra sobre su eje, por lo que tenían un movimiento aparente en el cielo; esto hacía difícil la orientación de las antenas, y cuando el satélite desaparecía en el horizonte la comunicación se interrumpía pero este problema se pretende eliminar con las llamadas constelación de nanosatélites las cuales permiten que un nanosatélite releve a su compañero de constelación cuando este se pierda en el horizonte. Los satélites comerciales funcionan en tres bandas de frecuencias, llamadas C, Ku y Ka. La gran mayoría de emisiones de televisión por satélite se realizan en la banda Ku, pero en el caso de los nanosatélites que como se dijo anteriormente trabajaran en constelación ocurre lo siguiente; cada uno de los nanosatélite
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