Estacion Terrena

Capitulo 2 Estación Terrena

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Capitulo 2 Estación Terrena Una estación terrena satelital es un conjunto de equipos de comunicaciones y de cómputo que puede ser terrestre (fijo y móvil), marítimo o aeronáutico. Las estaciones terrenas pueden ser usadas en forma general para transmitir y recibir del satélite. Pero en aplicaciones especiales solo pueden recibir o solo pueden transmitir.

Figura 2.1 Elementos de una estación terrena

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Fuente: Emiliano Santa Fe, Las comunicaciones por satélite, 2003, www.monografias.com/trabajos5/comusat/comusat.shtml El tamaño y complejidad de una Estación Terrestre depende del servicio que será provisto y la potencia radiada por el satélite. Las estaciones más simples permiten sólo recepción y están equipadas con una antena parabólica que puede tener un diámetro de menos de 1 metro. A título ilustrado, las antenas más grandes y de la serie de las primeras construidas por INTELSAT llegaron a tener 32 metros de diámetro.

Desde el inicio de la era de las comunicaciones satelitales, las Estaciones Terrenas se han desarrollado continuamente, aunque la arquitectura general ha permanecido inalterada. Este desarrollo ha sido evidenciado por una reducción del tamaño de las estaciones. Esta reducción también es evidentemente en el tamaño del equipamiento usado en las estaciones y ha sido posible por el uso de técnicas digitales y la miniaturización de componentes electrónicos a gran escala. Una Estación Terrena Satelital debe tener la capacidad de realizar todas las funciones que permitan al usuario u operador conocer en todo momento la posición y el estado de funcionamiento de cada sistema a bordo del satélite, entre los cuales se pueden mencionar: Sistema de Potencia, de Radiofrecuencia, de Control de Actitud y de Computadores de a bordo. También es necesario que esta Estación Terrena sea capaz de comandar los sistemas y cargas útiles. Las funciones principales ejecutadas por una Estación Terrena, en apoyo a un satélite operacional, involucran funciones de alta complejidad que usualmente abarcan las siguientes tareas: 

Seguimiento (tracking): para determinar la posición del satélite en su órbita.



Operaciones de Telemetría: para adquirir y registrar datos y status del satélite.



Operaciones de Telecomando: para interrogar y controlar las diversas funciones

del satélite. 

Operaciones de Control: para determinar parámetros orbitales, para programar

todas las pasadas del satélite y para monitorear y cargar el computador de a bordo.

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


Operaciones de Procesamiento de Datos: para presentar todos los datos

científicos y de ingeniería en los formatos requeridos para el progreso exitoso de la misión. 

Enlaces de Voz y de Datos a otras estaciones terrenas y centros de

procesamiento. De la lista anterior, es claro que hay tres componentes principales de una Estación Terrena: 

Equipos (HARDWARE).



Programas Computacionales (SOFTWARE).



Personal.

Figura 2.2. Etapas de una estación terrena

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Fuente: Javier García Cabezas, Etapas De Rf Y Fi Del Subsistema De Comunicaciones Del Satélite De Órbita Baja Nanosat, 2001, w3.iec.csic.es/ursi/articulos_villaviciosaodon_2001/articulos/119.pdf 2.2 EQUIPOS Los principales componentes del equipo de una Estación Terrena son: o

Antenas.

o

Sistemas de Transmisión-Recepción.

o

Sistemas de seguimiento.

2.2.1

ANTENA

Es el componente principal de una Estación Terrena, cuyas funciones de soporte pueden incluir: Seguimiento, Telemetría, Telecomando y capacidades de voz y televisión. Dentro de las redes de la NASA de seguimiento y data de vuelos espaciales, hay sistemas de antenas operando en diversas bandas de frecuencia, pero lo más frecuentemente usado es el sistema de Banda S, el que emplea principios de auto seguimiento por monopulso para mantener la antena apuntando hacia la señal que transmite el satélite. Para lograr la adquisición inicial del satélite, también se dispone usualmente de un programa controlado por computador, el que usa data de predicción de órbita para generar los ángulos de apuntamiento requeridos.

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Sistema VSAT marca NEC: incluye plato reflector, HPA, LNB, cables y modem satelital

Vsat prodelin de 95 cm banda Ku Tx/Rx Figura 2.3 Antenas Satelitales Fuente: Eveliux, Comunicaciones vía satélite, www.eveliux.com/fundatel /viasat01.html El diámetro de la antena requerido para cualquier misión particular está determinado primariamente en función de la distancia de la estación terrena al satélite, de la frecuencia de la portadora, de la potencia de transmisión del satélite en Watts. De esta manera, para un caso típico de un satélite en órbita polar, transmitiendo data a 1 Mbps en banda S con una potencia de transmisión de 1 Watt, requiere una antena de estación terrena con un diámetro aproximado de 9 metros. La antena generalmente es común para Transmisión y Recepción, por razones de costo y tamaño. La separación de la dirección de transmisión es obtenida por medio de dispositivos electrónicos llamados Diplexores. 2.2.2

SISTEMA DE TRANSMISION Y RECEPCION DE RADIO

FRECUENCIA.

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Las características que determinan la operación de Radio Frecuencia de una Estación Terrena provienen de la expresión del Cálculo de Enlace para las transmisiones desde y hacia el satélite. Este sistema tiene la función de transmitir vía RF desde tierra al satélite en la banda de frecuencia asignada para todos los telecomandos que son necesarios para actuar sobre sistemas o partes componentes del satélite, como por ejemplo: activar un transmisor y apagar el otro, encender un computador de a bordo, actualizar un software específico, etc. Por otra parte, el sistema RF debe tener también la capacidad de receptar toda comunicación enviada por el satélite desde el punto de su órbita en que se encuentre. La información más común que envía el satélite hacia la Estación Terrena es la que se conoce como Telemetría. Ello entrega la condición actual de los parámetros previamente determinados, como por ejemplo: Voltaje de la batería, temperatura de las antenas, voltajes y corrientes de diversos componentes del satélite, computador en servicio, y muchos otros de esta misma especie. El equipamiento de Radio Frecuencia para Recepción está, generalmente, en arreglos de gabinetes, colocados en forma tal de minimizar las pérdidas en las líneas de transmisión a la antena. Este equipamiento acepta la frecuencia portadora proveniente del satélite y que pasa por el sistema de antena, la procesa a frecuencias más bajas (intermedia) y la desmodula. Estos equipos están alojados en racks cercanos al sistema de antena. El equipamiento de Radio Frecuencia de Transmisión acepta señales de seguimiento y comando provenientes de tierra de los componentes de Telemetría, Seguimiento y Comando (TT&C), las procesa (modula) y las envía al enlace de Radio Frecuencia hacia el satélite. 2.2.3

SISTEMA DE SEGUIMIENTO.

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El sistema de seguimiento mantiene la antena apuntando en la dirección correcta hacia donde se encuentra el satélite y compensa el movimiento relativo entre la Estación Terrena y el Satélite. Aún en los casos de satélites geoestacionarios, existen perturbaciones orbitales que originan aparentes desplazamientos del satélite con respecto a la Estación. Las características del Sistema de Seguimiento varían de acuerdo a las características del haz electromagnético de la antena y la órbita del satélite. El seguimiento consiste en mantener el eje central del haz electromagnético producido por la antena en la dirección del satélite, a pesar del movimiento del satélite o de la Estación. Debe contener un Receptor, un sistema de control y un servomecanismo de antena. Este sistema es, principalmente, requerido por las estaciones terrenas que están asociadas a satélites que no son geoestacionarios y que tienen un período orbital menor a 24 horas. En el caso de los satélites de órbita baja, inferiores a 1300 km., los períodos orbitales son de alrededor 1,5 hrs. No obstante, los satélites fijos con respecto a la Tierra, es decir, los geoestacionarios también requieren un sistema de seguimiento que permita detectar los pequeños cambios o desviaciones de la órbita definida en la misión.

2.3 PROGRAMAS COMPUTACIONALES.

Existen cuatro grandes áreas de programas que pueden utilizarse en una Estación Terrena o son controlados desde ella. Estos son: antes de cada pasada, durante cada pasada, después de las pasadas y software a bordo. Exceptuando los casos de sistemas satelitales básicos, la mayoría o algunos de estos aspectos estarán presentes en la Estación Terrena. Los Programas Computacionales, previo a las pasadas, son requeridos antes de que el satélite entre en rango con la Estación Terrena. Normalmente, hay cuatro tipos de programas requeridos: Predicción de órbita, Planificación y Programación de observación, Generación de Lista de Comandos y finalmente de Simulación.

El programa en tiempo real, es decir, durante la pasada del satélite, opera todo el período durante el cual el satélite está visible desde la Estación Terrena. Incluye control computarizado del seguimiento de la antena, subida y verificación del enlace de subida,

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recepción de data y comprobación de estatus de todos los parámetros críticos de los sistemas del satélite. Las tareas inmediatas posteriores a una pasada incluyen la extracción de información de administración de los sistemas propios del satélite para efectos de control de calidad, procesamiento de datos, determinación de órbita y análisis de datos.

2.4 PERSONAL. Una Estación Terrena debe ser dotada de personal muy especializado y entrenado para la operación y explotación del sistema satelital. En general estos especialistas cubren las siguientes áreas y funciones: o Administración de sitio y de proyecto requerido para la supervisión diaria de las operaciones, tanto en tierra como en órbita; o Personal para componer turnos que necesita la Estación para una operación continua durante las 24 horas al día; o Especialistas en mantenimiento del equipamiento de la Estación Terrena, como por ejemplo los sistemas eléctricos y mecánicos de la antena, equipos de RF y computacional. o Especialistas en computación para la mantención, modificación y posibles correcciones de los programas computacionales de la Estación Terrena y también a bordo del satélite. o Expertos de apoyo de ingeniería y de datos, para la planificación de operaciones, discusión de resultados y actuar en momentos de crisis. o Administrativos para labores de secretaría. o Ingenieros especializados para monitoreo y análisis detallado de la data proveniente del satélite. 2.5 Equipamiento para estaciones terrenas La figura 2.4 muestra el equipamiento básico de una estación terrena:

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Figura 2.4 Equipamiento de una estación terrena Fuente: Universidad Politécnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm En una estación terrena habrá en general muchos transmisores y receptores multiplexados sobre una misma antena para proporcional una comunicación canalizada a transpondedores separados. Los transmisores son mucho más caros que los receptores, y su precio aumenta proporcionalmente a la potencia que se requiera transmitir. Ello se debe por una parte a que el número de receptores fabricados es mucho mayor, pero

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también porque sus requerimientos en cuanto a ancho de banda, estabilidad en frecuencia y control de potencia no son tan difíciles de lograr. Los más importantes componentes de RF de una estación terrena son sin duda el Amplificador de bajo ruido del receptor (LNA o Low Noise Amplifier) y el amplificador de alta potencia del transmisor (HPA o High Power Amplifier). También son importantes los convertidores de frecuencia para pasar de frecuencia intermedia FI a frecuencias de microondas. 2.5.1

AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO

Los amplificadores paramétricos refrigerados criogénicamente son los LNA más ampliamente utilizados en las grandes estaciones terrenas. Para las estaciones de mediano y pequeño tamaño como las receptoras de TV en los que el coste es más crítico se prefieren los amplificadores de GaAsFET con refrigeración electrotérmica. Los LNA utilizados en las estaciones terrenas cubren usualmente un rango de frecuencias de unos 500 MHz de anchura a 4 GHz, o bien de 750 MHz a 11 GHz. Dichos dispositivos están normalmente duplicados en las grandes estaciones (redundancia uno a uno), tal y como se ve en la anterior figura, de manera que un fallo en el LNA activo produce inmediatamente la activación del LNA secundario. En las estaciones terrenas que utilizan técnicas de duplicado de ancho de banda usando polarización dual la redundancia es del tipo uno a dos. 2.5.2 AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA Las grandes estaciones terrenas utilizan con frecuencia un gran número de amplificadores de potencia (HPA o High-Power Amplifiers) con niveles de potencia de salida superiores a los 8.5 kW. La configuración empleada depende del número de portadoras a transmitir y de si se emplean señales FDM o TDM. La configuración más común emplea un HPA para cada uno de los transpondedores instalados. A 6 GHz, suelen emplearse HPAs de anchos de banda de entre 40 y 80 MHz bien sean amplificadores de tubo de onda progresiva (TWTA) refrigerados por aire o klystrons

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refrigerados por agua. Los TWTA tienen anchos de banda mayores que los klystrons llegando hasta los 500 MHz a 6GHz y permitiendo que se les sintonice a la banda de cualquiera de los transpondedores. La transmisión FDM de varias portadoras a uno o más transpondedores requiere un amplificador de potencia lineal si se quiere evitar la intermodulación. En una estación terrena ni la potencia de entrada ni la eficiencia son problema, y por tanto pueden permitirse considerables back-off a la entrada de los amplificadores para asegurar el funcionamiento lineal y baja intermodulación. Típicamente, un HPA de 3kW operará con 12 o 14 dB de back-off de entrada, proporcionando un rango de salida de 300 a 500 W. Cuando se utilizan varios HPAs con una antena, se requiere una red adicional para sumar sus salidas en una guía de ondas simple. Las redes selectivas en frecuencia y las uniones híbridas de guíaondas se utilizan para acoplar los HPAs, con unas pérdidas típicas de 4 dB por HPA. Como resultado, un HPA de 3kW de funcionamiento con back-off de 10 dB podría proporcionar únicamente 120 W a la antena de la estación terrena. Los sistemas de canal único por portadora (SCPC o Single channel per carrier) utilizan una frecuencia de transmisión separada para cada canal. Dichas frecuencias son generadas por un sintetizador de frecuencias programable y modulan la señal a la frecuencia de transmisión. En una estación terrena de grandes dimensiones, las salidas de los convertidores de frecuencia se suman con acopladores híbridos, y la señal FDM resultante se aplica al HPA. Sin embargo, en las estaciones de pequeño tamaño sólo son necesarios unos pocos canales, por lo que es posible utilizar amplificadores de estado sólido para los HPA, tomando uno de estos amplificadores para cada canal. Los HPAs de estado sólido tienen la ventaja añadida de que no requieren altos voltajes. El equipamiento de alto voltaje tiende a sufrir muchos más fallos que el de bajo voltaje, y es mucho más grande y pesado. En estaciones terrenas transportables los amplificadores HPA de estado sólido son muy atractivos. Sin embargo, la reducción del

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tamaño de la antena requiere una potencia de transmisión mayor, por lo que las estaciones terrenas transportables también requieren grandes potencias de transmisión.

2.5.3 SISTEMAS FDM Los sistemas FDM transmiten y reciben gran cantidad de señales de voz o datos mediante la asignación de diferentes frecuencias a cada canal, bien sea en radiofrecuencia, banda base o ambas. Los canales de voz son recopilados de una extensa área geográfica y enviados vía gateway. En los sistemas internacionales, la gateway está localizada en una gran ciudad, y el tráfico internacional de varios países puede ser enrutado a través de ella. Los canales vocales de cada país o estación terrena que son enrutados, se combinan en grupos en una estación internacional de conmutación y enviadas entonces a la estación terrena apropiada. No es esencial que ambos caminos de ida y vuelta sean vía satélite. Ello reduce el retardo de ida y vuelta en un enlace telefónico de larga distancia, por ejemplo. La siguiente figura muestra un diseño típico para un equipo de control de una estación terrena FDM/FDMA correspondiente al equipamiento de Fi y banda base de la figura genérica anterior.

Figura 2.5 Equipo de subida para el transmisor FDM

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Figura 2.6 Equipo de bajada para el transmisor FDM Fuente: Universidad Politécnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm La sección de transmisión, mostrada en la parte a) de la figura, acepta señales en banda base del interfaz terrestre y los reparte en grupos FDM para diferentes destinos. En un sistema FDM/FDMA cada ruta de una estación terrestre a otra tiene una frecuencia propia. Así, los canales en banda base deben ser trasladados a la frecuencia RF apropiada según su estación de destino. El sistema de la figura utiliza una doble conversión de frecuencia con dos frecuencias intermedias, 70MHz y 770MHz. Cada canal es llevado a una portadora de radiofrecuencia en el espectro de transmisión. La señal FDM consistente en al menos 12 canales telefónicos o incluso hasta 1872, es modulada en una portadora de FI de 70MHz. Los filtros FI de 70 MHz definen el ancho de banda de la señal FM resultante. Su ancho de banda ronda entre los 1.25 y 36 MHz dependiendo del tamaño de la portadora, y se ha de añadir un ecualizador para compensar el retardo de grupo del enlace ascendente. La portadora de RF de 70MHz es entonces reconvertida a 770MHz donde se recombina con otra portadora para dar lugar a una señal compuesta FM/FDMA. Dicha señal es finalmente trasladada a 6GHz para su amplificación por el Amplificador de Alta Potencia.

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Los sistemas FDM requieren un gran control de potencia cuando más de una portadora se accede a un transpondedor único para evitar excesiva intermodulación en el enlace descendente. 2.5.4 SISTEMAS TDM Los sistemas TDM utilizan división en el tiempo para entrelazar señales digitales en tramas que son secuencialmente transmitidas a través de transpondedores separados. El equipamiento requerido por estos sistemas es muy diferente del que necesitan los FDM/FDMA. La figura siguiente muestra los aspectos más relevantes de los elementos de banda base y frecuencia intermedia de dichos sistemas, que son utilizados principalmente en sistemas de alta velocidad:

Figura 2.7 Sistema TDM Fuente: Universidad Politécnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm La frecuencia intermedia FI de 70 MHz utilizada para sistemas FDM debe remplazarse por un FI de 140 MHz cuando se envían datos a 120 Mbps mediante QPSK de ancho de banda de 80MHz. Por su parte la FI de 770MHz se sustituye por otra de 1.2GHz en estaciones que utilizan la banda Ku donde el ancho de banda es de 750Mhz.

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Las señales son transferidas por el interfaz terrestre a moduladores PSK conducidos por portadoras de 140MHz. Las señales de voz y datos proporcionadas por dicho interfaz son simples ráfagas de bits en formato TDM. Estos datos deben ser transformados en tramas de acuerdo con los requerimientos del sistema, con una trama por transmisión. Normalmente una estación terrena no rellena completamente una trama en un sistema TDMA. Lo que se hace es transmitir una ráfaga de señales QPSK en el instante apropiado para llenar parcialmente una trama en el satélite. Se requiere un sistema de sincronización muy precisa en la estación terrena para asegurar que cuando la energía de la ráfaga llega al satélite, éste se encuentra en la posición exacta (temporalmente hablando) para distinguir dicha ráfaga de las emitidas por otras estaciones terrenas. Por tanto se requiere una considerable cantidad de equipamiento de sincronización en la transmisión de una porción de GCE de una estación terrena. La eficiencia en transmisión digital de señales de voz puede incrementarse mediante la utilización de técnicas de interpolación digitales como la DSI (Digital Speech Interpolation). Con DSI, cualquier canal (es decir, cualquier slot temporal) que no está siendo utilizado puede ser invadido por otro canal activo para la transmisión de sus datos. Dado que los circuitos telefónicos tienen un tiempo de actividad de tan sólo el 40%, por lo menos una media de la mitad de los circuitos están inactivos en cada instante de tiempo. En sistemas que soportan una gran cantidad de circuitos telefónicos simultáneamente este promediado funciona bien y la técnica DSI puede utilizarse para doblar el número de canales efectivos manejables. El equipamiento DSI se necesita tanto en transmisión como en recepción para insertar y separar los diferentes canales. Normalmente se transmite un mapa de canales junto a éstos para informar al receptor de la posición exacta de cada canal. El equipamiento de recepción y transmisión que se requiere en una estación terrena TDM/TDMA se muestra en la siguiente figura:

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Figura 2.8 Recepción TDMA

Figura 2.9 Transmisión TDMA Fuente: Universidad Politécnica de Valencia, Equipamiento para estaciones terrenas, 2001, www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo5_b99.00/ESTACIONES.htm El elemento más crítico de los receptores digitales es el demodulador, normalmente en enlaces QPSK. En éstos, la tasa de error de bit (Bit Error Rate o BER) es dependiente de la estabilidad de la portadora en cuanto a su fase, pues influirá en el instante de muestreo en recepción. La mayoría de los satélites proporcionan una relación portadora ruido (C/N) de entre 10 y 25 dB a la entrada del demodulador. Como ejemplo, para una (C/N) de 10.6 dB puede obtenerse una BER de 10-6 , al menos teóricamente, ya que la mayoría de los demoduladores requieren una (C/N) de 1.5 a 3 dB superior para obtener dicha BER.

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Para mejorar la BER de estos sistemas pueden utilizarse técnicas de corrección (Forward Error Correction o FEC). Cuando la corrección es aplicada en un enlace vía satélite únicamente por la estación terrena, el equipo de codificación FEC puede situarse a la entrada del modulador y el correspondiente decodificador a la salida del demodulador. Aunque el usuario puede obtener beneficios adicionales por el uso de las técnicas FEC en la parte terrestre del enlace, las señales de datos pueden ser codificadas individualmente en algún punto entre el usuario y la estación terrena, siendo la decisión de usar codificación FEC del usuario. Las señales de voz enviadas vía satélite sufren un retardo de transmisión del orden de 240 mseg. Cualquier fallo en el diseño del receptor puede producir un eco que será escuchado en transmisión con un retardo de 450 a 500 mseg. Esto es tan molesto que obliga a utilizar canceladores o supresores de eco en cada enlace del satélite, así como en la estación terrena. Un cancelador de eco detecta la presencia de una versión retrasada de la señal en el camino de vuelta y la cancela utilizando un filtro transversal. El supresor detecta el sentido de la conversación y bloquea toda señal que se desplace en sentido contrario.

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