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Sistemas de Comunicação por Satélite Características dos Sistemas de Telecomunicações via Satélite e Parâmetros do Serviço Brasileiro de Telecomunicações por Satélite 2019 / 2 Manoel Gibson M. Diniz Navas Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 2 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Sumário 1. Sistemas de Telecomunicações por Satélite ........................................................................................................ 4 Introdução ...................................................................................................................................................................... 4 1.1 Porque precisamos de satélites? ......................................................................................................................... 4 1.2 Nem tudo são flores... .......................................................................................................................................... 6 1.3 O que é um satélite? ............................................................................................................................................ 7 1.4 Quais os serviços? ................................................................................................................................................ 8 1.4.1 DTH ................................................................................................................................................ 8 1.4.2 VSAT ............................................................................................................................................... 9 1.5 Os enlaces de subida e descida .......................................................................................................................... 12 1.6 Transponder ....................................................................................................................................................... 14 1.7 Porque os satélites não caem do céu? ............................................................................................................... 19 1.8 Quais as equações do movimento de satélites? ................................................................................................ 20 1.9 Qual a forma da órbita dos satélites? ................................................................................................................ 23 1.10 Quais os tipos de órbitas de um satélite? ....................................................................................................... 24 1.11 Como se classificam os satélites quanto à altitude? ....................................................................................... 26 1.12 Quais os tipos de satélite quanto à estabilização? ......................................................................................... 27 1.13 O que é a posição orbital de um satélite? ...................................................................................................... 28 1.14 Quem estabelece as posições de órbitas e frequências dos satélites? ........................................................... 30 1.15 Como se controlam os satélites? .................................................................................................................... 31 1.16 Retardo de propagação .................................................................................................................................. 34 1.17 Faixas de frequências ..................................................................................................................................... 36 1.18 Propagação em SHF ........................................................................................................................................ 39 1.19 EIRP ................................................................................................................................................................ 40 1.20 Foot – print ..................................................................................................................................................... 43 1.21 Perda por percurso ......................................................................................................................................... 44 1.22 Interferência solar .......................................................................................................................................... 46 1.23 Como calcular o ganho de uma antena parabólica com seção circular? ........................................................ 47 1.24 Ângulo de abertura ........................................................................................................................................ 51 1.25 Atenuação por chuva ..................................................................................................................................... 52 1.26 Densidade de potência ................................................................................................................................... 55 1.27 Equação do equilíbrio de potência ................................................................................................................. 59 1.28 Largura de banda de transmissão................................................................................................................... 62 1.29 Relação sinal ruído ......................................................................................................................................... 63 1.30 Intensidade e Qualidade................................................................................................................................. 65 Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 3 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.31 Figura de ruído e Fator de ruído ..................................................................................................................... 66 1.32 Potência de ruído térmico .............................................................................................................................. 67 1.33 Temperatura de ruído .................................................................................................................................... 68 1.34 Amplificadores em cascata ............................................................................................................................. 71 1.35 G/T ................................................................................................................................................................. 77 1.36 Equação do enlace de satélite ........................................................................................................................ 77 1.37 Sinal mínimo de operação .............................................................................................................................. 84 1.38 SFD e FCA ....................................................................................................................................................... 87 1.39 Back off de satélite ......................................................................................................................................... 89 1.40 Sinal recebido ................................................................................................................................................. 92 1.41 Receptor super heterodino ............................................................................................................................ 92 1.42 Para onde aponto esta antena? .....................................................................................................................95 1.42.1 Equações de apontamento .......................................................................................................... 95 1.42.2 Instalação e apontamento de antena parabólica......................................................................... 96 1.42.3 Azimute ........................................................................................................................................ 97 1.42.4 Elevação ....................................................................................................................................... 99 1.43 Técnicas de Múltiplo Acesso Em Comunicações via Satélite ........................................................................ 101 1.43.1 PDMA ......................................................................................................................................... 101 1.43.2 SDMA ......................................................................................................................................... 103 1.43.3 FDMA ......................................................................................................................................... 103 1.43.4 TDMA ......................................................................................................................................... 104 1.43.5 CDMA ......................................................................................................................................... 106 1.43.6 Alocação sob demanda .............................................................................................................. 106 1.43.7 SCPC ........................................................................................................................................... 108 1.43.8 MCPC ......................................................................................................................................... 108 2. Serviço Brasileiro de Comunicações por Satélite ............................................................................................. 109 2.1 Star One C2 ...................................................................................................................................................... 109 2.2 Star One D1 ...................................................................................................................................................... 113 3. Glossário ................................................................................................................................................................. 117 4. Exercícios ................................................................................................................................................................ 120 Bibliografia .................................................................................................................................................................. 144 Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 4 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1. Sistemas de Telecomunicações por Satélite Introdução Seja bem-vindo ao estudo dos satélites de telecomunicações! Circulando ao redor da Terra e retransmitindo sinais de dados, voz, vídeo e televisão. Interligando cidades, países e continentes e levando as comunicações a todo o planeta, das maiores cidades aos mais remotos povoados. O primeiro satélite artificial lançado foi o Sputnik 1, em 1957, pela União Soviética. A função básica deste satélite era a transmissão de um sinal de rádio, nas frequências entre 20,005 MHz e 40,002 MHz. Seu tempo de vida foi de 22 dias, devido ao esgotamento de suas baterias. Orbitou a Terra por seis meses. Indicadores do ano de 2017 reportam que existiam na época mais de 4.600 satélites em órbita terrestre, dos quais mais de 740 para telecomunicações e uma centena para navegação e posicionamento global. Aplicações móveis de satélite parecem ser a nova mola propulsora desta tecnologia. Manter-se atualizado na profissão não é apenas uma necessidade, mas uma imposição do mercado. Bons estudos e vamos aos satélites! 1.1 Porque precisamos de satélites? Considere que você vai fazer a interligação entre dois pontos afastados de algumas dezenas de quilômetros. Se você der sorte pode ser que aconteça a situação mostrada a seguir. Figura 1: Enlace com visibilidade rádio Neste caso, o enlace é dito “com visibilidade” – LOS – Line Of Sight. O enlace é confiável e sem obstruções. Problema resolvido. Ou não? Na prática, geralmente elevações naturais ou edificações, árvores, ou mesmo a curvatura da terra interrompem a visibilidade, conforme mostrado na figura a seguir. Temos agora uma atenuação adicional, que poderá ser tão elevada que degradará o enlace a um ponto que torna inviável a comunicação entre as estações. Figura 2: Enlace obstruído Uma possível solução é a utilização de torres mais altas nas estações, de modo a liberar a visibilidade do enlace, como pode ser visto na próxima figura. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 5 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Figura 3: Torres elevadas Esta solução apresenta algumas desvantagens: • O custo de uma torre não é linear com a altura. • Antenas elevadas requerem alguma forma de estabilização da estrutura, o que requer grandes áreas reservadas ou serem auto suportadas, o que limita a altura da torre. • Dependendo da distância entre as estações ou da altura dos obstáculos essa não é uma solução viável. Uma alternativa é a instalação de uma estação repetidora ao longo do enlace, conforme mostrado na próxima figura. Figura 4: Repetidor de micro ondas Esta solução também apresenta algumas desvantagens. • O local designado pela área técnica pode apresentar dificuldades de acesso e instalação, o que vai dificultar a manutenção e a operação. • Requer o aluguel ou compra do terreno para instalação dos equipamentos. • Requer suprimento de energia. • Não é realizável quando a distância entre as estações é muito grande. Qual a solução? Exato, um satélite, agindo como um repetidor, como mostra a próxima figura. Figura 5: Enlace satélite Utilizando satélites podemos transpor rios, oceanos, desertos, florestas e levar serviços de telecomunicações de voz, dados e vídeos aos mais remotos locais do planeta. Na maior parte dos enlaces via satélite a atenuação do enlace é dada pela Equação da Atenuação por Espaço Livre, ou Perda Básica por Percurso acrescida das atenuações adicionais que incluem: perda ou atenuação por chuva, acima de cerca de 10 GHz e despolarização. Quais as vantagens e desvantagens na utilização de satélites para telecomunicações? É o que veremos em seguida. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 6 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.2 Nem tudo são flores... Já vimos que o satélite de telecomunicações age como um repetidor, recebendo sinais de terra e reenviando para a terra, para uma determinada área geográfica. As vantagens na utilização de satélites de telecomunicações são: • Adaptação à diferentes clientes e usuários; • Taxa de transmissão variáveis; • Mobilidade; • Custos vantajosos para o atendimento de pequenas populações distantes de centros e infraestruturas de telecomunicações; • Versatilidade para a utilização de voz, dados, vídeo, internet; • Sem restrições geográficas que impedem a instalação de linhas e cabos; • Rápida instalação,o que é adequado para situações de emergência ou de notícias; • Permite rotas alternativas e redundância caso requerido; • O custo independe da distância; • Adequado a eventos limitados no tempo, como, por exemplo, esportes. Bem, e quais são as desvantagens da utilização de satélites para telecomunicações? A primeira pergunta que podemos fazer é: Os satélites são um meio de baixo custo para telecomunicações? A resposta é um sonoro NÃO! A operação de um satélite envolve: • Custo do desenvolvimento e construção do satélite, que pode chegar a US$300 Milhões; • Lançamento do satélite, incluindo seguro, que alcança valores entre US$10 Milhões e US$400 Milhões; • Custo de operação e controle; • Vida útil limitada de 5 a 15 anos; • Obsolescência da tecnologia; • Número limitadíssimo de posições orbitais nas regiões mais populosas do planeta; • Espectro de frequências limitado e compartilhado com os enlaces de micro-ondas terrestres, ocasionando interferências. Lembre-se da vida útil, digamos 10 anos. Todos os custos devem ser pagos, mais o lucro, nesse período de tempo. Sim, cabos e linhas metálicos e cabos ópticos são muito mais baratos, muito mais confiáveis, fornecem maiores larguras de banda e taxas de dados e tecnologia de mais baixo custo e maior número de fornecedores. Ligação na floresta Amazônica? Regiões de emergência? Áreas não atendidas por circuitos convencionais? Nestes casos o satélite é a solução. Mas, o que é um satélite afinal? É o que veremos em seguida. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 7 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.3 O que é um satélite? Um satélite é um corpo celeste que gravita ou gira, em uma órbita, em torno de outro corpo celeste, denominado principal. A figura a seguir é um satélite geoestacionário de telecomunicações posicionado em órbita. Observe as antenas para recepção e retransmissão de sinais e os painéis de energia solar, como complemento ao conjunto de baterias. Figura 6: Satélite de telecomunicações Referência: https://www.universetoday.com/93077/how- satellites-stay-in-orbit/. Acessado em agosto, 2019. O satélite de telecomunicações é um repetidor ativo. Recebe sinais de radiofrequência, em torno de uma frequência portadora, de uma ou mais estações terrenas, e devolve esses sinais à terra, em radiofrequência, em torno de uma frequência portadora, a uma ou mais estações terrenas. Podem estar localizados em órbitas geoestacionárias ou não. O enlace ou ligação da terra para o satélite é denominado enlace de subida ou “uplink”. O enlace do satélite para a terra é denominado enlace de descida ou “downlink”. A frequência do uplink é sempre superior à frequência do downlink. A figura a seguir mostra o diagrama em blocos simplificado das principais operações de um satélite de telecomunicações. Figura 7: Diagrama em blocos - satélite A antena de recepção capta os sinais vindos de terra, entrega ao receptor que filtra e amplifica estes sinais. Em seguida ocorre um processo de conversão e a faixa recebida é deslocada para uma região mais baixa no espectro de frequências. Essa faixa, com a informação recebida é entregue ao transmissor que amplifica e entrega a antena de transmissão. A antena de transmissão direciona essa energia para a região de interesse, ou de cobertura, do satélite. Quais são os serviços oferecidos pelos sistemas de telecomunicações via satélite? É o que veremos em seguida. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 8 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.4 Quais os serviços? Os satélites comerciais de telecomunicações podem oferecer três tipos de serviços: Fixos, Móveis e Radiodifusão. • Serviços Fixos de Satélite (Fixed Satellite Services - FSS): utilizam equipamento terrestre nas localidades de cobertura para receber e transmitir sinais de satélite. Os satélites FSS fornecem a maioria dos serviços domésticos e internacionais, desde conectividade internacional de Internet até redes comerciais privadas. Exemplos: as redes e estações VSAT e grandes estações terrenas. • Serviços Móveis de Satélite (Mobile Satellite Services – MSS): utilizam um tipo de receptor – transmissor transportável a fim de fornecer serviços para clientes móveis, terrestres e marítimos. Uma aplicação é o serviço de voz, dados e sinais de TV em plataformas marítimas ou embarcações, desde pessoais até embarcações de grande porte. Podem ser fornecidos serviços de voz e VoIP. • Serviços de Satélite de Radiodifusão (Broadcast Satellite Services – BSS): oferecem alta potência de transmissão para a recepção utilizando equipamentos terrestres com antenas de reduzidas dimensões. O BSS é mais conhecido pelo acesso direto de televisão e aplicações de radiodifusão. Aquela pequena antena instaladas em nossas casas, em banda Ku, no serviço pago de TV, é um exemplo deste serviço. 1.4.1 DTH Um exemplo de serviço fixo de satélite é o DTH – Direct to Home, direto ao assinante para recepção de sinais de TV digital, mediante a assinatura do serviço. O equipamento utilizado é uma antena parabólica, geralmente off-set, de pequenas dimensões, em torno de 1,2 metros, cabo coaxial e uma caixa decodificadora que alimenta um aparelho de televisão convencional. Para regiões mais afastadas do feixe de cobertura principal do satélite (região com maior EIRP), as antenas (refletor) começam a aumentar de diâmetro. Esta forma de serviço é mais utilizada por pessoas físicas, em residências, mas encontra-se em declínio, particularmente nos grandes centros, onde o atendimento pela radiodifusão ou TV a cabo apresentam, geralmente, menor custo e maior confiabilidade. Um sistema de satélite descendente do DTH é o DBS – Direct Broadcast System, no qual os usuários recebem os sinais de TV diretamente de satélites geoestacionários. Uma aplicação é a recepção de sinais de TV em embarcações marítimas, desde recreação até grandes embarcações e graneleiros para recreação da tripulação. O DBS é uma alternativa aos usuários que desejam uma programação maior e mais variada do que a oferecida, por exemplo, pelo sistema de TV a Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 9 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas cabo. A figura a seguir apresenta um equipamento para serviços marítimos de TV via satélite. Figura 8: Serviço marítimo de TV via satélite Referência: www.mareste.com.br. Este equipamento permite a recepção de canais digitais de TV em embarcações marítimas ao redor do globo. A figura a seguir apresenta as ligações dos receptores. Figura 9: Interligação dos dispositivos A antena é controlada por servos que a mantém em posição de apontamento para o satélite mesmo em condições de movimento do navio ou embarcação, dentro de certos limites. 1.4.2 VSAT Um serviço muito utilizado por pessoas jurídicas é o VSAT – abreviatura de Very Small Aperture Terminal, ou terminal com abertura de pequenas dimensões. As VSAT’s são estações terrenas, bidirecionais, com antenas variando de cerca de 1,0 metro a pouco mais de 2,0 metros de diâmetro, cuja finalidade é a comunicação com locais remotos. Uma VSAT é composta por duas unidades: uma externa – ODU – Outdoor Unit, e uma interna – IDO – Indoor Unit. Na ODU temos a antena, o alimentador e o transceptor em alta frequência. Na IDU temos omodem (banda básica). A interligação da VSAT com o sistema de satélite é realizada por meio de contratos e formas de acesso específicas. A figura a seguir mostra uma instalação para o fornecimento de Internet via satélite. Figura 10: Internet via satélite Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 10 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Uma rede VSAT é constituída a partir de três dispositivos básicos: • Uma estação HUB (ou master) cuja finalidade é realizar o gerenciamento da rede e realizar o controle do acesso pelo provedor do serviço utilizado; • O satélite, que realiza a retransmissão dos dados e as estações remotas, as VSAT. • Os terminais ou clientes VSATs, que podem ser numerosos, variando de um a milhares os quais utilizam um único transponder, fazendo parte do mesmo sistema. A recepção dos sinais de um satélite é fraca e necessita ser amplificada sem a inserção de ruídos, para isso utiliza-se o módulo LNB (Low Noise Block). A amplificação e conversão para a frequência apropriada no uplink são realizadas pelo BUC (Block Up Converter), também denominado ODU (Outdoor Unit). A figura a seguir apresenta uma rede VSAT simplificada, mostrando os elementos básicos. Figura 11: rede VSAT O Hub difere dos dispositivos concentradores comuns, pois não é apenas um concentrador representado por um simples dispositivo, é uma estrutura de grande complexidade, localizada em dada parte do globo terrestre. É uma estação organizada, com equipamentos que gerenciam, controlam e tratam os sinais transmitidos. Ele necessita de um canal de comunicação de broadcasting (que é o tratamento da forma de transmissão de um dado sinal de comunicação de uma rede definida a todos os seus pontos sem a diferenciação dessa transmissão entre os pontos de recepção), com demasiada velocidade para várias estações a fim de realizar transmissões múltiplas e simultâneas de informações a todo conjunto estrutural e dispositivo da rede. O Hub possui, integrado ao seu sistema, uma cota de outbound (que é a taxa de dados transmitidos na direção de saída de um definido ponto localizado na estrutura da rede), de dados transmitidos na direção do Hub ao satélite, de 1 a 72Mbps. A figura a seguir apresenta o funcionamento de um Hub via satélite. O sentido do sinal vem do satélite para o Hub que é analógico, tem sua transmissão do satélite para a antena de comunicação do Hub, esse sinal é tratado e transformado tendo sua potência diminuída, mas continua sendo analógico. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 11 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Figura 12: O Hub O dispositivo Low Noise Block (LNB) tem a finalidade de receber o sinal do satélite e transmitir (com sua banda de frequência reduzida) para o Multiple Receiver Terminal (MRT) tem a função de realizar a conversão para digital, que é o sinal com o qual trabalha a rede de computadores. Após convertido, o sinal digital é emitido ao Switch que, por sua vez, tem a funcionalidade de realizar a distribuição deste sinal afim de que o mesmo receba o devido tratamento. Sobre o sinal digital existem três formas de que sua ação seja obtida: • Ação da Network Management System: concede as ações de gerenciamento de redes da associação do Hub à Estação Remota; • Utilização do Optional Multicast Server: é opcional e possui a finalidade de gerir a transmissão de um único sinal ou dados para um conjunto de estações concomitantes; • Encaminhamento para a Internet: percorre um roteador, direcionando o caminho desejado, o qual necessitará de um provedor de internet ao qual procederá como um backbone (mais conhecido com espinha dorsal da internet, podendo ser uma rede em fibra óptica que, em conjunção com equipamentos terminais adequados, permitem a disponibilização de canais de comunicação para serviços de transmissão de dados, voz e imagem). Contudo, nesse terceiro caminho tem-se a possibilidade de que o sinal digital poderá deslocar- se através de dispositivos opcionais de controle direcionados para a navegação na Web, nomeado por Optional QoS (que definirá a qualidade de serviço aos terminais que tiverem cadastro no sistema de banco de dados desse dispositivo) e o Optional TCP Optimizations, que tem a finalidade de aprimorar o uso dos protocolos compreendidos na internet. Depois de direcionado e de ter recebido o devido tratamento, o sinal digital volta ao switch que o enviou para que o mesmo tome os rumos de respostas à solicitação, isto é, volte ao satélite para que o mesmo o reenvie ao Terminal (estação remota), que é a outra extremidade da comunicação. Um ponto de operação é o Teleporto. Onde tem um? Bem em frente à sua sala, do outro lado da Avenida Presidente Vargas. Mas, afinal, como o sinal sobe para o satélite e volta? Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 12 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.5 Os enlaces de subida e descida A figura a seguir mostra o enlace de subida, uplink, a partir da estação terrena, do ponto de vista dos módulos de telecomunicações, direcionando o sinal para a antena do satélite. Figura 13: Enlace de subida Os sinais de entrada, em banda base, são oriundos das empresas geradoras de conteúdo, como radiodifusão (rádio e TV), telefonia, Internet, dados e outros serviços. Este sinal é aplicado ao modulador e passa por um filtro passa faixa para limitar a emissão de harmônicos e espúrios fora da faixa. Dois sinais são então aplicados ao misturador: a sequência modulada de símbolos, vindos do modulador e o sinal senoidal do oscilador local para criar a frequência de saída. A frequência da portadora resultante na saída do misturador é 6 GHz para a banda C (uplink), ou 14 GHz para a banda Ku (uplink). O sinal é amplificado em um TWTA – Traveling Wave Tube Amplifier, ou um SSPA – Solid State Power Amplifier, e daí aplicado à antena para a transmissão ao satélite. Na figura tem-se o HPA – High Power Amplifier. A antena transmissora da estação terrena aponta para o satélite de interesse do serviço. A estação terrena pode ser de uma grande operadora do serviço de satélite ou uma estação de pequeno porte (VSAT). A figura a seguir mostra o enlace de descida, o downlink, do satélite para a estação terrena. Figura 14: Enlace de descida, satélite – estação terrena O sinal é recebido pela estação terrena e percorre um caminho oposto ao da transmissão. O sinal de saída é então distribuído aos respectivos usuários do serviço: telefonia, dados, Internet, vídeo. Os sinais de rádio que o satélite recebe e retransmite são divididos em duas faixas de Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 13 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas frequência. Atualmente no Brasil, os sistemas de televisão domésticos via satélite operam na Banda C e na banda Ku. A ligação da estação terrena com o satélite é chamada de enlace de subida ou up-link. Nesta ligação são enviados da terra para o satélite os sinais que se deseja redistribuir. A figura a seguir mostra o enlace ou lance de subida, o up-link. Figura 15: Enlace de subida ou up-link A figura anterior pode sugerir que o sinal só atinge um satélite. Isto não é verdade. O sinal se espalha assim como a luz do farol do automóvel, podendo atingir satélites vizinhos,o que pode provocar problemas de coordenação de frequências. Daí a importância de um correto apontamento e do gerenciamento de frequências. As frequências do up-link em banda C estão ao redor de 6 GHz. O up-link da banda Ku é em torno de 14 GHz. A figura a seguir mostra o enlace de descida, o down-link. Figura 16: Enlace de descida ou down-link A estação terrena e os demais sistemas envolvidos formam o segmento terrestre, o satélite é o segmento espacial e as ligações são estabelecidas pelos enlaces de subida e de descida, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 17: Enlaces de ligação O down–link em banda C é em torno de 4 GHz. O down–link em banda Ku é em torno de 12 GHz. E o transponder? O que é um transponder? Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 14 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.6 Transponder O dispositivo do satélite responsável pela retransmissão dos sinais é o transponder. O termo transponder – transmitter responder, também é conhecido como TP. Cada TP opera em uma frequência específica, com uma determinada largura de banda. O transponder em um satélite de telecomunicações é constituído por uma série de dispositivos interconectados que formam um canal de comunicações entre as antenas receptora e transmissora. Um transponder é tipicamente constituído por: • Um dispositivo limitador de banda, um filtro passa faixa de entrada; • Um amplificador de baixo ruído, LNA – Low Noise Amplifier, projetado para receber os sinais da estação terrena, de baixa amplitude, devido às longas distâncias envolvidas; • Um conversor de frequência, geralmente composto por um misturador e um oscilador local, que por meio de uma heterodinagem convertem o sinal recebido na frequência de transmissão; • Um filtro passa faixa para limitar o espectro dentro da banda de operação especificada e limitar a interferência em canais adjacentes; • Um amplificador de potência, para amplificar os sinais para a transmissão para a estação terrena. A figura a seguir apresenta o diagrama em blocos de um transponder. Figura 18: Transponder Referência:https://www.tutorialspoint.com/satellit e_communication/satellite_communication_transp onders.htm. Acessado em agosto de 2019. Na figura anterior observa-se: • Duplexador (Duplexer): é um dispositivo de micro-ondas bidirecional. Recebe o sinal do uplink da antena de recepção do satélite e transmite para o downlink via antena do satélite. • Amplificador de Baixo Ruído (Low Noise Amplifier - LNA): amplifica os sinais recebidos de baixa amplitude, devido a atenuação por percurso e outras atenuações. • Processador da Portadora ou Conversor de Frequência: realiza a função de conversão da faixa de frequência recebida para uma faixa de frequência mais baixa no espectro de frequências, por meio da técnica de heterodinagem. Este bloco determina o tipo de transponder. • Amplificador de Potência (Power Amplifier): Amplifica o nível de potência do sinal para o Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 15 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas downlink no nível especificado para a operação do sistema. Os satélites podem operar como simples repetidores, com dezenas de transponders, cada um com alguns MHz de largura de banda. Mas também podem processar o sinal, quando então o sinal é demodulado, decodificado, re-codificado e modulado no satélite. Isto exige mais processamento e custo no satélite. Isto leva a dois tipos de transponders: “bent pipe” e “regenerative”. • transponders do tipo “bent pipe” recebem o sinal de micro-ondas, o converte para uma frequência mais baixa e em seguida amplifica esse sinal. Este tipo de transponder é também conhecido como “transponder convencional”, sendo adequado para o processamento tanto de sinais analógicos quanto digitais. • transponder do tipo “regenerative” realiza as mesmas funções do convencional e mais três funções adicionais. A demodulação do sinal de RF da portadora para banda base, a regeneração dos sinais e a modulação. Este transponder também é denominado “Processing transponder”. Como vantagens citam-se a melhoria da relação sinal ruído e a maior flexibilidade na implementação. No entanto, só pode ser utilizado com sinais digitais. O custo e a complexidade destes equipamentos são superiores aos do tipo bent pipe. Na figura a seguir são apresentados alguns valores típicos de transponders comerciais de um satélite de telecomunicações. Figura 19: Valores típicos - transponders • Parâmetros básicos em Banda C • O satélite dispõe de 24 transponders, cada um deles com uma largura de banda de 36 MHz. Qual a taxa de dados em uma largura de banda de 36 MHz? Mais à frente veremos essa resposta. • O satélite opera com polarização linear, horizontal e vertical. Uma parte da informação total é transmitida em polarização horizontal e outra parte em polarização vertical. É muito importante que na instalação da estação terrena seja respeitada essa polarização pela antena receptora. Não basta apenas o correto apontamento da antena. O ajuste correto da polarização é fundamental. Qualquer erro de polarização ou variação de polarização do sinal com o percurso resulta em interferência entre os Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 16 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas canais que ocupam a mesma faixa de frequência e são separados apenas pela polarização. • A banda de frequências de operação utilizada no enlace de descida (downlink) vai de 3,7 GHz até 4,2 GHz, o que caracteriza um enlace em banda C (“desce em 4”). Essa largura de banda é então de 500 MHz. Você deve estar pensando: “Deve haver algum erro. Se existem 24 transponders com 36 MHz de banda, a largura de banda mínima deveria ser de 24 36 MHz = 864 MHz e não 500 MHz!” Sim, isso estaria correto se não fosse a mágica da discriminação por polarização. Veja a figura a seguir. Figura 20: Polarização horizontal e vertical Pela faixa de operação, 4,2 GHz a 4,28 GHz, observa-se que este é um satélite operando em banda C, no downlink. A largura de operação deste exemplo é igual a 4.280 MHz – 4.200 MHz = 80 MHz. Caso simplesmente calculássemos o número de transponders de 36 MHz obteríamos 80 MHz / 36 MHz = 2 transponders de 36 MHz e uma banda sobrando de 8 MHz. Mas não é isso que ocorre. Graças à mágica da discriminação por polarização, temos dois transponders de 36 MHz em polarização horizontal (H) e um transponder operando em polarização vertical (V). Nos satélites temos duas antenas colocadas a 90º entre si, o que permite que sejam separados os sinais. A antena de polarização horizontal capta os sinais recebidos polarizados horizontalmente e a antena de polarização vertical capta os sinais recebidos com polarização vertical. Assim temos três canais de 36 MHz em uma banda de 80 MHz. Caso os canais fossem dispostos na mesma polarização necessitaríamos de uma largura de banda de 108 MHz! Veja a economia. Mais transponders, mais canais, mais serviços. Observe agora que em polarização horizontal temos duas bandas de 2 MHz, no início e no fim da faixa de 80 MHz. Essas bandas são denominadas “bandas de guarda”, e tem como finalidade proteger os canais dos transponders de interferências por canais adjacentes de outros serviços, abaixo e acima da faixa de operação.Outra banda de guarda, 4 MHz, é encontrada entre os dois canais de polarização horizontal. Esta banda de guarda reduz a interferência entre os dois canais. A interferência entre canais do mesmo serviço ou não provoca aumento na taxa de erros e pode mesmo inviabilizar a operação. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 17 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Observe que para a polarização vertical temos apenas um canal e a banda de guarda é de 22 MHz, significando 22 MHz acima e 22 MHz abaixo da faixa de operação do transponder de polarização vertical. Outro detalhe a observar é a sobreposição (“overlap”) do canal vertical com os dois canais de polarização horizontal. O recobrimento sobre cada canal é de 16 MHz. Ora, se os canais se sobrepõem, ou seja, ocupam a mesma faixa de frequência, porque não ocorre interferência? A resposta é: ocorre sim, mas a níveis muito pequenos, graças à discriminação de polarização das antenas receptoras. Isto ocorre no uplink e no downlink. Condições de propagação podem provocar a rotação do sinal e produzir componentes na polaridade incorreta e, portanto, interferência. Esta é mais uma razão para você, além do correto apontamento, preocupar-se com o correto ajuste da polarização da antena. Um parâmetro muito importante do transponder é a sua frequência portadora, localizada no meio da faixa de 36 MHz, no presente exemplo. Vamos agora calcular a frequência portadora a partir do diagrama de canalização. A frequência portadora de mais baixa frequência de polarização horizontal é obtida de: fc1,H = 4.200 MHz + 2 MHz + 18 MHz = 4.220 MHz ou 4,22 GHz, onde 4.200 MHz é o início da faixa, 2 MHz é a banda de guarda inferior e 18 MHz é metade da faixa de 36 MHz. A frequência portadora do transponder de polarização horizontal de frequência mais alta é obtida de: fc2,H = fc1,H + 18 MHz + 4 MHz + 18 MHz = 4.220 MHz + 40 MHz = 4.260 MHz. O limite superior da faixa de operação é dado por: fc2,H + 18 MHz + 2 MHz = 4.260 MHz + 20 MHz = 4.280 MHz, confirmando o valor dado na figura. O valor da frequência portadora do canal de polarização vertical é dado por: fc1,V = 4.200 MHz + 22 MHz + 18 MHz = 4.240 MHz. Exercício 1 Observe a próxima figura. Figura 21: Canalização Determine: a) A frequência limite inferior da banda de operação; Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 18 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas b) A frequência limite superior da banda de operação; c) O número de transponders de polarização horizontal; d) O número de transponders de polarização vertical; e) A banda de guarda do início da banda de operação; f) A banda de guarda do fim da banda de operação; g) A banda de guarda entre os transponders; h) A faixa de sobreposição (“overlap”), entre os transponders de polarização horizontal e vertical; i) As respectivas frequências portadoras dos transponders de polarização horizontal; j) As respectivas frequências portadoras dos transponders de polarização vertical; k) A frequência central da faixa de operação. Respostas a) 4,3 GHz ou 4.300 MHz. b) 4,46 GHz ou 4.460 MHz. c) Quatro. d) Três. e) 2,0 MHz. f) 2,0 MHz. g) 4,0 MHz. h) 16 MHz para o primeiro e último transponder de polarização horizontal e 16 MHz + 16 MHz = 32 MHz, para os transponders 2 e 3. E 16 MHz + 16 MHz = 32 MHz, para os transponders de polarização vertical. i) 4.320 MHz, 4.360 MHz, 4.400 MHz e 4.440 MHz. j) 4.340 MHz , 4.380 MHz e 4.420 MHz. k) A frequência central da faixa de operação é 4.300 MHz + 80 MHz = 4.30 MHz. Por coincidência apenas, a faixa da portadora do canal fc2,V. Como acontece a mágica da diversidade de operação? Veja a figura a seguir. Figura 22: Polarização horizontal Uma antena com polarização vertical irradia uma onda eletromagnética com polarização vertical. A máxima captação na recepção se dará, caso não haja ocorrido alteração na polarização da onda, por uma antena com, também, polarização vertical. Se a antena estiver instalada de modo a captar polarização horizontal, a energia captada oriunda de uma onda eletromagnética com polarização vertical será mínima, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 23: Discriminação de polarização Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 19 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas • EIRP: é a abreviação de Potência Efetivamente Irradiada em Relação a Isotrópica. Este parâmetro será comentado mais adiante neste trabalho. Uplink frequency: é a faixa de frequências de subida, da estação terrena para o satélite. No jargão diz-se: “sobe em 6 desce em 4”, banda C ou “sobe em 14 desce em 12”, banda Ku. • G/T: é um parâmetro que indica a relação entre o ganho da antena receptora e a temperatura de ruído. Será abordado mais adiante. • SFD: densidade de fluxo de saturação. Será abordado mais adiante. E quanto custa alugar um transponder? Os preços tem caído ao longo dos anos, devido aos avanços tecnológicos e a maior confiabilidade do sistema, lançamento, operação e tempo de vida do satélite. Na presente data, 2019, um transponder tem um custo médio de US$200,00 por Mbps por mês. Para encontrar o satélite você pode gastar entre US$75 em um medidor de nível de sinal genérico ou US$15.000, ou mais, em um analisador de espectro para identificar corretamente o satélite desejado. Mas como os satélites ficam no espaço? Afinal, os satélites estão em constante queda ou não? 1.7 Porque os satélites não caem do céu? Na verdade, caem sim. Estão sempre caindo... Se a queda, no entanto, ocorre na mesma taxa que a curvatura da Terra se afasta deles, e caso estejam na velocidade certa, ao invés de espiralarem em direção à Terra ou se projetarem para o espaço profundo eles se mantém em órbita. Devido à ação gravitacional de outros planetas, e até mesmo da Lua, e a não “esfericidade” da Terra correções são sempre necessárias para manter o satélite adequadamente posicionado. Esta é uma das principais razões para o limite da vida útil de um satélite. A figura a seguir mostra o equilíbrio de forças. Figura 24: Força centrípeta versus velocidade O que mantém o satélite no espaço é um delicado equilíbrio entre a velocidade do satélite e a atração gravitacional da Terra. Um satélite mais próximo da Terra requer mais velocidade para manter-se em órbita e resistir a maior força gravitacional da Terra. Como calcular tais parâmetros? É o que veremos em seguida. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 20 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.8 Quais as equações do movimento de satélites? A força centrípeta líquida sobre o satélite é dada por: 𝐹𝑐,𝑙 = 𝑀𝑠𝑎𝑡é𝑙𝑖𝑡𝑒×𝑣 2 𝑅 (1) Onde: Fc,l: força centrípeta líquida sobre o satélite, em N; Msatélite: massa do satélite, em kg; v: velocidade do satélite, em m.s–1; R: raio da trajetória, em metros. A força gravitacional exercida pela Terra sobre o satélite é dada por: 𝐹𝑔 = 𝑚 × 𝑎 = 𝐺×𝑀𝑠𝑎𝑡é𝑙𝑖𝑡𝑒×𝑀𝑇 𝑅2 (2) Onde: Fg: força de atração exercida pelo campo gravitacional da Terra, em N; G: constante de gravitação, 6,67 10–11 N.m2.kg–2; R: raio da órbita, em metros. Msatélite: massa do satélite, em kg; MT: massa da Terra, 5,98 1024 kg. Das equações anterioresobtemos a velocidade orbital do satélite na órbita considerada, dada por: 𝑣 = √ 𝐺 × 𝑀𝑇 𝑅 (3) Onde: G: constante de gravitação, 6,67 10–11 N.m2.kg–2; R: raio da órbita, em metros. MT: massa da Terra, 5,98 1024 kg. Observe que a velocidade orbital do satélite na órbita independe da massa do satélite. Sabe quando a massa do satélite importa, e muito? Para o cálculo da potência do foguete e do combustível consumido para o posicionamento do satélite. A aceleração do satélite é dada por: 𝑎 = 𝐺 × 𝑀𝑇 𝑅2 (4) Onde: G: constante de gravitação, 6,67 10–11 N.m2.kg–2; R: raio da órbita, em metros. MT: massa da Terra, 5,98 1024 kg. A equação que relaciona o período da órbita, T, com o raio da órbita do satélite, R, é: 𝑇2 𝑅3 = 4 × 𝜋2 𝐺 × 𝑀𝑇 (5) Onde: T: período da órbita, segundos; R: raio da órbita, metros; G: constante de gravitação, 6,673 10–11 N.m2.kg–2; MT: massa da Terra, 5,98 1024 kg. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 21 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Podemos reescrever a Equação (5) para satélites ao redor da Terra em unidades mais usuais: 𝑇ℎ 2 𝑅𝑘𝑚 3 = 7,637086635 × 10 −12 (6) Onde: Th: período da órbita, em hora; Rkm: raio da órbita, em km. Podemos colocar o período orbital em evidência e obter: 𝑇ℎ = √7,637086635 × 10−12 × 𝑅𝑘𝑚 32 (7) Podemos colocar o raio orbital em evidência e obter: 𝑅𝑘𝑚 = √ 𝑇ℎ 2 7,637086635 × 10−12 3 (8) A distância zenital é a menor distância de um satélite para a superfície da Terra, quando a linha que liga a superfície da Terra ao satélite é perpendicular à superfície da Terra. Os satélites que cobrem o território brasileiro estão localizados à oeste do território nacional, mais sobre a Colômbia, por razões que serão explicadas mais à frente. A distância zenital também é referida como “altitude do satélite”. Ao aplicar as equações de (1) a (7), devemos utilizar para R o valor do raio da órbita, que vai do centro geométrico da Terra até a posição do satélite. A altitude do satélite, ou distância zenital, é dada pela diferença entre o raio da órbita e o raio da Terra. A figura a seguir apresenta tais distâncias. Figura 25: Distâncias ao satélite Assim, temos que: Raio da órbita do satélite, km = raio da Terra, km + + Distância zenital do satélite, km (9) Onde o raio da Terra é considerado com o valor médio de 6.400 km. Para satélites geoestacionários, a distância do centro da Terra até a posição zenital do satélite é dada pela soma do raio da Terra, cerca de 6.400 km, com o valor da distância zenital Terra – satélite Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 22 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas geoestacionário, cerca de 36.000 km, totalizando 42.400 km, aproximadamente. Lembre-se, a Terra NÃO é perfeitamente esférica. Observe que, na prática, como os satélites estão “mais para o oeste”, a distância entre uma estação terrena localizada no Brasil e um satélite geoestacionário é geralmente maior do que o valor de 42.400 km. Exercício 2 Um satélite encontra-se localizado em uma órbita 100 km acima da superfície da Terra. Determine: a) Velocidade do satélite; b) Aceleração do satélite; c) Período orbital do satélite. Solução: a) Rsat = Rterra + Rórbita = 100 km + 6.370 km = 6,47106 metros. A velocidade orbital do satélite é dada pela Equação 3: v = (G Mterra / R)1/2 = (6,673 10–11 5,98 1024 / 6,47106)1/2 = 7,85 103 m.s–1. b) A aceleração do satélite é dada pela Equação (4): a = G MTerra / R2 = 6,673 10–11 5,98 1024 / (6,47106)2 = 9,53 m.s–2. c) O período orbital do satélite é dado pela Equação (5): T = [4 2 Rsat3 / (G Mterra)]1/2 = [4 2 (6,47 106)3 / (6,673 10–11 5,98 1024)]1/2 = 5176,37 segundos = 1 hora 26 minutos e 16,4 segundos. Ou seja, o satélite dá uma volta completa em torno da Terra em menos de uma hora e meia (90 minutos). Sugestão: refaça o item “c” anterior utilizando a Equação (7), e compare com o resultado obtido pela Equação (5). Resposta: 1,4382 horas ou 1h 26’ 17,52”. Uma diferença de pouco mais de UM segundo. Seja bem-vindo ao erro de arredondamento! Cuidado com ele! Exercício 3 O período da Lua é de 27,2 dias ou 2,35 106 segundos. Determine: a) O raio da órbita da Lua; b) A distância Terra – Lua; c) A velocidade orbital da Lua. Solução: a) O raio da órbita lunar é dado pela Equação (5): R = (T2 G Mterra / (4 2)1/3 = 3,82 108 metros, ou cerca de 382.178,4 km. b) DTerra-Lua = raio da órbita da Lua – raio da Terra = 3,82 108 m – 6,4 106 m = 3,756 108 m = 375.600 km. c) A velocidade orbital da Lua é dada pela Equação (3): v = (G Mterra / R)1/2 = (6,673 10–11 5,98 1024 / 3,82 108)1/2 = 1,022103 m.s–1 ou 3.679,2 km.h–1. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 23 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Sugestão: refaça o item “a” anterior utilizando a Equação (8), e compare com os resultados obtidos pela Equação (5). Resposta: O período em horas é dado por 27,2 24 = 652,8. Aplicando este valor na Equação (8), obtemos um raio orbital de 382.129,76 km. Cerca de 50 km de diferença. Exercício 4 Determine a distância zenital de um satélite geoestacionário. Solução: Inicialmente calcularemos o raio da órbita de um satélite geoestacionário, para o qual o período da órbita é 24 horas ou 86.400 segundos. O raio da órbita é dado pela Equação (5): R = [(T2 G Mterra) / (4 2)]1/3 = 42,257 106 metros ou 42.257 km. A distância ou altura zenital é dada por: hzenital = Rórbita – RTerra = 42,257 106 m – 6,4 106 m = 35,857 106 metros ou cerca de 35.857 km de distância. Sugestão: refaça o Exercício 3 anterior utilizando a Equação (6). Compare os resultados. Resposta: O raio da órbita obtido da Equação (8) é 42.250,47 km, resultando em uma altitude de 35.850,47 km. Menos de 7 km de diferença. Mas todas as órbitas são iguais? Afinal, quais os tipos de órbitas? É o que veremos em seguida. 1.9 Qual a forma da órbita dos satélites? As órbitas dos satélites apresentam uma forma elíptica. No caso específico dos satélites geoestacionários, SE a Terra fosse perfeitamente esférica e homogênea, o que NÃO é verdade, a órbita seria circular, na forma de um círculo. Assim, na prática, todos os satélites apresentam órbitas elípticas. O que varia é a excentricidade da elipse. Na figura a seguir, tem-se uma elipse, onde os pontos A e B são os focos da elipse. Uma das propriedades geométricas desta figura geométrica é que o comprimento ACB é igual ao comprimento ADB, para qualquer trecho que ligue os focos e tenha um ponto sobre a elipse. Figura 26: Elipse A figura a seguir, representa o formato da órbita de um satélite em torno da Terra. Um dos focos da elipse é exatamente a Terra. No entanto, a elipse apresenta uma excentricidade que é a “forma” da elipse. Esta figura apresenta uma elipse com baixa excentricidade. O observe que a forma começa a se assemelhar à um círculo. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 24 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Figura 27: Elipse com baixa excentricidade A figura a seguir,mostra a órbita de um satélite de telecomunicações, com a excentricidade exageradamente elevada. Figura 28: Afélio e periélio Dois pontos de destaque da órbita elíptica são o ponto no qual o satélite está mais perto da Terra, denominado periélio, e o ponto de maior afastamento do satélite em relação à Terra, o afélio. Você também vai ouvir os termos perigeu e apogeu no posicionamento de satélites geoestacionários. Satélites de telecomunicações seguem uma órbita elíptica de baixa excentricidade, por isso às vezes você vai ver o desenho da órbita como se fosse um círculo. Na prática não é um círculo, é uma elipse com baixa excentricidade. Que parece muito com um círculo. Mas não é um círculo... 1.10 Quais os tipos de órbitas de um satélite? Podemos classificar as órbitas em relação ao percurso do satélite em torno da Terra ou com a distância ou altitude do satélite. Com relação ao percurso do satélite em relação à Terra tem-se quatro tipos de órbitas: • Órbita Polar • Órbita Inclinada Elíptica • Órbita Equatorial Circular • Órbita Inclinada a) Órbita polar Permite a cobertura de TODO o planeta com apenas UM satélite, mas precisa de um grande número de órbitas para isso. É a solução para as comunicações com os polos, mas não é adequada para telecomunicações instantâneas. A figura a seguir mostra a órbita polar. Figura 29: Órbita Polar b) Órbita inclinada elíptica É típica dos satélites GPS – Sistema de Posicionamento Global, que fornecem dados de Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 25 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas posição tais como latitude e longitude, altura e velocidade. Um exemplo é a órbita com 63º de inclinação e período orbital de 12 horas. Período orbital é o tempo que o satélite leva para completar uma volta completa em torno da Terra. A figura a seguir mostra a órbita inclinada. Figura 30: Órbita inclinada elíptica c) Órbita equatorial circular É também denominada órbita geoestacionária ou geossíncrona. Neste tipo de órbita o satélite localiza- se a cerca de 35.800 km de distância da Terra na posição zenital, no plano do Equador terrestre e aparece imóvel a um observador na Terra. O satélite acompanha a rotação da Terra e na altura que se encontra possui uma velocidade de cerca de 11.000 km.h–1! Nesta velocidade o satélite completa uma volta a cada 24 horas, em sincronia com o planeta. Os satélites de telecomunicações estão situados nesta órbita e por isso as antenas deste serviço são instaladas em posição fixa. Assim, visto de um ponto na superfície da Terra, parece que o satélite está imóvel em um determinado ponto do espaço. É só apontar a antena nessa direção, e pronto: lá estará o nosso satélite! A figura a seguir mostra um satélite em uma órbita geoestacionária ou geossíncrona. Figura 31: Órbita geoestacionária ou geossíncrona Os satélites geoestacionários, utilizados nos sistemas de telecomunicações ocupam a posição orbital conhecida como cinturão de satélites. Imagine um gigantesco bambolê ao redor da terra. Aí está o problema. O comprimento do bambolê é finito. Mas queremos colocar o máximo possível de satélites. Esse valor máximo é limitado pela distância mínima que os satélites podem ser estacionados no bambolê. Caso estejam muito próximos ocorrerá interferência de um sinal do satélite para os seus vizinhos. d) Órbita inclinada É uma órbita aproximadamente circular, em torno da Terra, com uma pequena inclinação em relação à órbita circular geoestacionária. A inclinação de ±3º aumenta a vida útil do satélite. A tendência é o satélite ir para uma posição de 15º o que requer acompanhamento – tracking – e por isso, maior custo. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 26 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.11 Como se classificam os satélites quanto à altitude? Quanto à altitude, ou distância da superfície da Terra, os satélites podem estar posicionados em três tipos de órbitas: • LEO • MEO • GEO. a) Órbita LEO – Low Earth Orbit Também denominada órbita de baixa altitude. É caracterizada por uma altitude de cerca de 160 km, com período orbital de 88 minutos, até uma altitude de cerca de 2.000 km, com período orbital de aproximadamente 127 minutos. Os satélites de telecomunicações LEO são mais simples e de menor custo para posicionamento em órbita. Devido à relativa proximidade com a Terra fornecem elevada largura de banda e baixo atraso de comunicação, a latência, não sendo visíveis, porém, de um dado ponto da Terra de forma contínua e permanente. Requerem amplificadores de menor potência e uma constelação para cobertura contínua da área pretendida de cobertura. Um exemplo é a Estação Espacial Internacional, International Space Station – ISS, mostrada na figura a seguir, localizada em uma órbita entre 340 km e 353 km, orbitando a Terra à uma velocidade de 27.700 km.h–1, com 15,77 órbitas por dia. Um outro exemplo? O sistema Iridium. Outras aplicações além de comunicações incluem o sensoriamento remoto. Figura 32: Estação Espacial Internacional (Fonte: Wikipedia – acessado em 5 de julho de 2017) b) Órbita MEO – Medium Earth Orbit Também denominada órbita circular media ou intermediária. É a região do espaço ao redor da Terra entre os satélites LEO, aproximadamente 2.000 km, e abaixo da GEO, cerca de 36.000 km. O período orbital dos satélites nesta órbita varia de 2 horas a até cerca de 24 horas. O GPS – Global Positioning System – com órbita em 20.200 km e período orbital de 12 horas é um exemplo. Outro exemplo é o Glonass, a 19.100 km, e o Galileo, a 23.222 km. Outras aplicações incluem navegação, comunicações e geodesia. c) Órbita geoestacionária ou GEO Nesta órbita são comumente encontrados os satélites utilizados em sistemas de telecomunicações comerciais. Uma órbita geoestacionária ou terrestre geoestacionária, ou equatorial geossíncrona, é uma órbita circular com cerca de 42.000 km de raio em relação ao centro Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 27 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas geométrico da Terra, sobre o plano do Equador terrestre, seguindo a rotação da Terra. O período orbital do satélite em órbita geoestacionária é igual ao período de rotação da Terra, ou seja, 24 horas em torno do próprio eixo para uma volta completa. A comunicação com os satélites GEO não requer acompanhamento por parte das antenas terrestres já que estes satélites parecem imóveis no espaço. Na verdade, os satélites geoestacionários deslocam-se, no espaço, à uma velocidade de cerca de 11.000 km.h–1, mas em sincronia com a Terra, por isso parecem imóveis quando vistos da superfície da Terra. Uma das limitações da utilização de tais satélites é que em elevadas latitudes, o ângulo de elevação da antena para o satélite é extremamente reduzido, sendo obstruído até mesmo por baixas edificações ou relevo. Já para a região equatorial, o apontamento pode alcançar valores zenitais, de aproximadamente 90 graus, dificultando a instalação próxima a paredes. A vida útil do satélite, além da fonte de energia e outros circuitos, é também fortemente definida pela quantidade de combustível disponível para correção de posição ao longo da vida útil do satélite. Na prática, os satélites geoestacionários são posicionados um pouco fora da órbita do equador terrestre, devidoa não esfericidade da Terra e a consequente assimetria na distribuição das massas entre os hemisférios. 1.12 Quais os tipos de satélite quanto à estabilização? Quanto à forma de estabilização os satélites podem ser classificados em estabilizados por três eixos ou por rotação. Na estabilização por três eixos giroscópios mantém o satélite estabilizado em três eixos. Isso mantém o apontamento para a Terra correto e facilita para orientar os painéis solares. A figura a seguir mostra um satélite estabilizado por três eixos, a técnica adotada para a série Star One C. Figura 33: Estabilização tri-axial Outra forma de estabilização é por rotação – spin. Neste caso a inércia mantém o satélite na posição correta e um mecanismo de rotação em sentido oposto e sincronizado mantém a antena corretamente apontada. A figura a seguir mostra um satélite estabilizado por rotação. Figura 34: Estabilização por spin Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 28 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Satélites com estabilização tri-axial ou “body stabilized” apresentam as seguintes características: • Todas as células solares faceiam o sol, o que permite um maior nível de potência absorvida; • O controle térmico apresenta maiores dificuldades. A dissipação térmica no espaço é um grande limitador do desempenho de dispositivos eletrônicos; • Requer maior controle de estabilização; • Requer maior número de células solares comparativamente com os satélites de estabilização por spin; • Melhor projeto para satélites de maiores dimensões. Satélites estabilizados por rotação apresentam as seguintes características: • O corpo do satélite é estabilizado por rotação (60 a 100 rpm); • Estabilidade obtida por giroscópios; • A rotação minimiza os efeitos térmicos; • Metade dos painéis solares está direcionado ao sol a cada instante de tempo; • A antena precisa de um mecanismo de anti- rotação para permanecer apontada para a região estabelecida; • Mais eficiente para satélites menores. E a posição orbital de um satélite? O que é? 1.13 O que é a posição orbital de um satélite GEO? Imagine um bambolê ao redor da Terra, pelo plano do equador terrestre, com um raio de cerca de 42.000 km. É nesse círculo que os satélites GEO são posicionados. Mas agora pegue um globo do mundo. Observe que no Pacífico temos a maior parte do planeta coberto por água. Já entre as Américas e Europa temos praticamente quase todo o tráfego mundial de telecomunicações. Muitos países requerendo posições de satélites é o mesmo problema de vaga de garagem em um edifício. O número é limitado e ponto final. Não cabe mais um carro espremendo duas vagas. Na figura a seguir temos dois satélites GEO em suas respectivas posições orbitais. Figura 35: Abertura do feixe Observe na figura anterior que a energia que “sai” da antena é parecida com a luz que sai de uma lanterna. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 29 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas A energia se “abre” ou se espalha, conforme aumenta a distância. Na verdade, as antenas de satélites seriam melhor comparadas com aqueles apontadores laser, o feixe é bem mais concentrado e focado. Mas mesmo assim, na prática, sempre teremos um transbordamento da energia oriunda da estação terrena em satélites adjacentes. Os valores devem atender estritamente à normas e regulações em vigor. A separação mínima teórica de longitude entre satélites GEO é, na media, de 0.87° (ou 52'10") o que na distância de 42,164 km do centro da Terra equivale à uma distância media de 440 km. Para fins de regulamentação a separação é de 2 graus. Se ocorrer que uma estação terrena passe a operar com taxas elevadas de erros o simples aumento da potência de transmissão pode acarretar mais problemas, ao invés da solução pretendida. Interferir em satélites pode trazer consequências, inclusive legais, ao operador do sistema interferente. Ocasionalmente podem ocorrer falhas na transmissão de dados resultando em aumento da taxa de erros. Uma solução imediatista é aumentar- se o nível de potência de saída da estação. Afinal, quanto maior a potência de transmissão melhor a relação sinal ruído de recepção e, portanto, menor a taxa de erros certo? ERRADÍSSIMO!!!!!! O enlace foi projetado para uma determinada EIRP para não interferir acima de níveis aceitáveis satélites vizinhos de órbita. Para um observador na superfície da terra um satélite geoestacionário parece estar imóvel em uma determinada posição sobre um plano equatorial, distante cerca de 36.000 km da superfície da terra. A influência de outros campos gravitacionais, como a Lua, faz com que na verdade o satélite se desloque dentro de um volume, como um presente dentro de uma caixa um pouco maior do que o necessário. Devido à atração da Terra, é necessário reposicionar- se o satélite em determinados períodos. É este gasto de combustível uma das principais limitações da vida útil do satélite, além do posicionamento inicial. Observe na figura a seguir a caixa, ou “box” do satélite GEO. A variação angular do box é 0,1 graus de longitude, cerca de 70 km. Figura 36: "Box" do satélite Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 30 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas A posição orbital de um satélite requer a especificação de dois parâmetros: estabilização e posicionamento. A estabilização é necessária já que a Terra não é perfeitamente esférica. O movimento das marés, a Lua e o Sol exercem efeitos gravitacionais sobre o satélite, que o deslocam de sua posição correta. O posicionamento deve ser mantido durante a vida útil do satélite, cerca de 10 a 15 anos. O posicionamento é regularmente corrigido em ± 0, 1º. Caso deixado sem correção o satélite tende a deslocar-se de sua posição para uma posição natural (inclinação) de 15º de sua órbita geoestacionária. Algumas operadoras aceitam inclinações de até 3º, estendendo a vida útil do satélite no que é denominado de órbita “inclinada”. O apontamento correto da antena do satélite para a área de cobertura pretendida na superfície terrestre é denominado de “atitude” do satélite. O controle de atitude do satélite tem como finalidade manter o correto “apontamento” do satélite para a Terra. Quem estabelece as posições orbitais dos satélites comerciais? É o que veremos em seguida. 1.14 Quem estabelece as posições de órbitas e frequências dos satélites? A ITU – União Internacional de Telecomunicações, é uma agência especializada da ONU, responsável por assuntos relacionados a tecnologias de informação e comunicação. Tem como finalidade coordenar a utilização global do espectro rádio, promover a cooperação internacional na designação de órbitas de satélites, melhorar a infraestrutura de comunicações nos países em desenvolvimento e fornecer assistência no desenvolvimento e coordenação de padrões técnicos em nível mundial. Devido às características de área de cobertura, foot – print e diagrama de irradiação, os satélites domésticos tendem a estar localizados mais a oeste, em relação ao território brasileiro. Imagine que você está com uma lanterna acesa apontada para o chão, bem na vertical. A área iluminada não é muito grande, certo? Agora incline a lanterna e aponte o feixe afastado de você. A área iluminada aumentou muito. Sim, o preço a pagaré que agora a iluminação distante não é tão intensa quando bem na vertical. Essa é a técnica utilizada com satélites para maiores áreas de cobertura. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 31 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.15 Como se controlam os satélites? Os satélites de telecomunicações são constituídos, basicamente, por dois sistemas: Comunicações e Navegação. O Sistema de Comunicações estabelece os enlaces do satélite, por meio dos transponders, recebendo os sinais de radio uplink das estações terrenas e retransmitindo pelo downlink para estações terrenas. O Sistema de Navegação é responsável pelos controles de posição orbital e atitude do satélite. Também é responsável pelo controle e fornecimento de energia, além das funções de comando, controle e telemetria. Os Sub sistemas de um satélite de comunicações são: • Atitude e Controle de Órbita; • Telemetria, Acompanhamento (Tracking), Comando e Monitoramento (TTCM); • Alimentação; • Comunicações. A função do Subsistema de Atitude e Controle de Órbita é manter o correto apontamento da antena do satélite para a terra, segundo as especificações de projeto do sistema. As funções do Subsistema de Controle são: • Controlar a órbita e atitude do satélite; • Monitorar o estado dos sensores do satélite; • Ligar e desligar seções do sistema de comunicações; • Re apontamento individual da antena do satélite. Os sensores do Subsistema de Telemetria e Monitoração são utilizados para monitorar: • Pressão dos tanques de combustível; • Tensão e corrente da unidade de potência (alimentação); • Tensão e correntes críticas; • Subsistemas de temperatura; • Situação dos subsistemas; • Posição dos comutadores; • Dispositivos de visualização para controle de altitude. Na estação terrena, o Sistema de Comando atua no período de lançamento e operação. Durante o lançamento controla o motor de apogeu e a extensão dos painéis solares. Durante a operação do satélite o Sistema de Tracking controla: • Posição e altitude do satélite; • Posicionamento da antena; • Configuração dos sistemas de comunicações; • Estado dos comutadores. Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 32 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas Na estação terrena, o Subsistema de Acompanhamento (Tracking) envia informações sobre: • Distância e ângulos de elevação e azimute; • Mudança na órbita; • O desvio Doppler observado na estação terrena fornece informações sobre a taxa de variação da distância; • Pulsos são transmitidos para o satélite pela estação terrena a fim de medir-se o tempo de ida e volta, o “round-trip delay”. Os enlaces de comando e controle são independentes dos enlaces de comunicações. As técnicas de modulação para estes sinais incluem PSK ou FSK, baixa potência com técnicas de TDM. Na figura a seguir o diagrama em blocos do Subsistema de Comando e Controle. Figura 37: Comando e Controle Observe na figura anterior que o sistema de comando e controle é separado do sistema de telecomunicações. Comandos de terra em função de parâmetros do satélite mantém o satélite operando dentro das condições especificadas. O sistema de Comando e Controle para satélites com spin é constituído por oito subsistemas, a seguir apresentados: • Estrutura • Atitude • Telemetria • Comando e rastreio • Propulsão • Motor de Apogeu • Energia • Controle Térmico Os subsistemas apresentam as seguintes funções: a) Estrutura: é constituído basicamente pela seção giratória e a plataforma estacionária. b) Subsistemas de Atitude: controla a compensação do eixo de rotação do satélite, ou seja, o controle de estabilidade, controla o apontamento da antena e o posicionamento do painel solar. Uma das formas de manter o satélite numa dada orientação consiste em fazê-lo girar ao redor de um eixo. Assim como um pião permanece de pé quando posto para girar, um satélite tende a manter-se Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 33 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas apontado para uma mesma direção quando estiver em rotação. Este procedimento é denominado de estabilização por rotação ou estabilização giroscópica. A orientação de um satélite, isto é, a direção para a qual o satélite aponta é denominada de “atitude”. c) Subsistema de Comando e Rastreio: o satélite é controlado por estações terrenas, denominadas Centro de Controle do Segmento Espacial ou MCS – Master Control Station. Os comandos utilizados são para ligar ou desligar as unidades de correção de órbita do satélite, por meio de jatos. d) Subsistema de propulsão: tem como objetivo a correção da órbita do satélite, realizando alterações na altitude e) Subsistema de Motor de Apogeu: após o lançamento o satélite é colocado em órbita de transferência, cujo apogeu ocorre próximo à órbita geoestacionária. O subsistema de motor de apogeu é então utilizado para deslocar o satélite da órbita de transferência para a órbita de operação, geoestacionária. f) Subsistema de Energia: tem como objetivo fornecer aos demais subsistemas a energia elétrica para a devida operação. É constituído pelos painéis solares e pelos circuitos reguladores de energia. g) Subsistema de Controle Térmico: tem como objetivo manter a temperatura dos componentes do satélite dentro dos limites especificados. A figura a seguir apresenta a composição dos subsistemas de Telecomunicações e TTCM do satélite. Figura 38: Sistemas do satélite Observe na figura anterior a distinção entre a carga de comunicações (telecomunicações) e os demais subsistemas do satélite. Todas as funções do satélite são controladas de terra pela(s) estação(ões) controladora(s). E o retardo de propagação? O que é o “round-trip delay”? Sistemas de Comunicações por Satélite – 2019/2 34 / 144 Manoel Gibson Maria Diniz Navas 1.16 Retardo de propagação A diferença básica entre um enlace terrestre e um enlace via satélite é o retardo de transmissão. A figura a seguir apresenta o problema do retardo de percurso. Figura 39: Retardo de propagação Considerando-se a distância entre o satélite e a velocidade de propagação dos sinais de radio, cerca de 3 × 108 m.s-1, temos então um retardo entre o instante de transmissão e o instante que a informação chega na outra ponta do enlace. Esse retardo total (round-trip-delay) é dado pela soma do tempo de propagação da estação terrena transmissora até o satélite e do satélite até a estação terrena de recepção. Este retardo é dado por: Retardo total, ms = Distância, km / 150 (10) Exercício 5 Determine o retardo de propagação de ida e volta para um enlace satélite cuja distância entre a estação terrena e o satélite é de 36.300 km. O problema pode ser visualizado na Figura 29. Estamos interessados em determinar o tempo de propagação da estação VSAT1 para o satélite e daí de volta para a estação VSAT1. Solução: Da Equação (10) o retardo de ida e volta é igual a 36.300 / 150 = 242 ms. Exercício 6 Determine o retardo de propagação de ida e volta para um enlace satélite, entre duas estações, cujas distâncias entre a estação terrena e o satélite são de, respectivamente 36.300 km e 37.100 km. O problema pode ser visualizado na Figura 22. Estamos
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