Satélite

Satélite

1) Introdução

Apresentar os conceitos básicos sobre a tecnologia

Os satélites de comunicação são na sua grande maioria do tipo Geoestacionários. São assim denominados por serem colocadas em uma órbita sobre o equador de tal forma que o satélite tenha um período de rotação igual ao do nosso planeta Terra, ou seja, 24 horas. Com isso a velocidade angular de rotação do satélite se iguala à da Terra e tudo se passa como se o satélite estivesse parado no espaço em relação a um observador na Terra. Para que um satélite entre em órbita é necessário que atinja uma velocidade de pelo menos 28.800 Km/h. Com essa velocidade, se posicionarmos o satélite a 36.000 Km de altitude, acima do equador, ele ficará numa órbita geoestacionária. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço geoestacionário em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra de um ângulo de 2°. O Brasil pleiteou 19 posições orbitais junto à UIT. Destas, atualmente sete se encontram designadas para uso dos operadores brasileiros (Star One, Loral e Hispasat). O satélite, do ponto de vista de transmissão é uma simples estação repetidora dos sinais recebidos da Terra que são detectados, deslocados em freqüência, amplificados e retransmitidos de volta à Terra. Um satélite típico é composto de uma parte comum (“bus”) onde se encontram as baterias, painéis solares, circuitos de telemetria e a parte de propulsão. Além do “bus” temos a carga útil (“payload”) composta essencialmente dos circuitos repetidores, denominados “transponders”.

Descrever os principais fornecedores/desenvolvedores

INTELSAT, Star One, PanAmSat, SES Americon, NEWSkies

Apontar cronologia de evolução

A idéia dos satélites para telecomunicações, apareceu depois da segunda guerra mundial através do oficial de radar Arthur C. Clarke, conhecido por seus livros de ficção científica. A idéia que propunha no seu artigo enviado à revista Wireless World era a colocação em órbita de três repetidores separados de 120o sob a linha do equador a 36000 km de altitude (satélite Geoestacionários). Estes repetidores tinham função de realizar a comunicação de rádio e televisão a toda parte do globo terrestre. Apesar de Clarke ter formalizado a idéia, Newton já havia propostos em seu livro ‘Philosophie naturalis principia de um canhão. [13] Devido à falta de tecnologia e materiais para o lançamento de tais equipamentos no espaço (através de foguetes espaciais), o exército americano fez os primeiros experimentos de propagação de radiocomunicações entre 1951 e 1955 utilizando a lua, um satélite natural, como refletor passivo. Os experimentos não obtiveram muito sucesso por causa da grande distância existente entre a terra e a lua e a falta de tecnologia e material para trabalhar com sinais de baixíssima amplitude e SNR. A reflexão lunar é ainda utilizada somente para serviços de radioamadorismo. O primeiro satélite lançado no espaço, o Sputnik 1 (lançado pelos Soviéticos), realizou a primeira experiência de transmissão e recepção de sinais no espaço. O Sputnik 1 simplesmente enviava para Terra sinais nas freqüências de 20 e 40 MHz, o que mostrava a possibilidade de uma comunicação a uma distância muito longa. Apesar dos soviéticos terem sido os primeiros lançadores do satélite espacial, a história destinou a voz do Presidente Eisenhower o lugar da primeira voz a ser retransmitida do espaço. A voz continha mensagens de feliz natal e foi transmitida de um gravador contido em um foguete. Dizem os historiadores que a opinião pessoal de Eisenhower era que o espaço teria pouca utilidade prática. Este gravador podia armazenar mensagens para retransmiti-las mais tarde, dando origem aos chamados satélites de retransmissão diferida.

- 1957- Lançamento do SPUTNIK 1 (1º satélite a ser lançado) - 1960- Lançamento do ECHO 1 - 1964- formou-se o INTELSAT - 1965-COMSAT's EARLY BIRD (1º satélite comercial em órbita) - 1976 MARISAT (Três satélites para comunicação marítima) - 1977 formaram-se o EUTELSAT - 1979 formaram-se Inmarsat - 1979 O primeiro lançamento de Ariane - 1996 Iridium começa lançamento dos seus 66 satélites. - 1999 Iridium terminou - Atualmente, os satélites são meios de comunicação extremamente importantes. Por eles passam cerca de 33% das chamadas telefônicas internacionais, bem como a maior parte das transmissões televisivas internacionais.

Destacar pontos relevantes

- Permite comunicação entre dois pontos quaisquer no planeta. - Permite alts taxas de transferência, com grande alocação de canais nos transponders - Introduz um atraso significativo na comunicação (delay). Se analisarmos a distancia de satélites geoestacionários e a velocidade da luz, perceberemos que podem existir atrasos na comunicação de até 2 segundos (do downlink até o uplink) - O ar é um meio que introduz grandes atenuações no sinal, por diversos motivos. Chuvas, ventos, cintilações causadas pelo sol, ruído intergalático, entre outros, podem introduzir perdas significativas na potência do sinal. Físico: - A atmosfera provoca reflexões de onda, provocando atrasos e erros - Variação da intensidade do sinal devido a propagação multipath - Interrupções no sinal devido a shadowing - É necessário ter em conta que quanto maior a distância, maior o dispêndio de energia dos equipamentos (tanto em terra como no satélite) - É necessário bom equipamento para que exista uma maior eficiência na comunicação.

Monetário: - Altos custos envolvidos em todas as etapas de uma transmissão

Software: - Problemas na camada de transporte, como por exemplo, erro na transmissão de bits.

2) Funcionamento

Explicar os princípios básicos de funcionamento

Existem três tipos de satélites que se encontram em três órbitas distintas:

LEO (LowEarthOrbit): Aproximadamente 500-1500 km

MEO (MediumEarthOrbit) : ): Aproximadamente 6000-15000 km

HEO (HighEarthOrbit): a partir de 20000 km (onde se inclui GEO: (Geostationaryorbit) Aproximadamente 36000 km)

4.1. Satélites de baixa órbita (LEO) e de média órbita (MEO)

Órbitas LEO são aquelas em que os satélites viajam a uma altitude entre 500 e 3000 km, aproximadamente. Nas órbitas MEO os satélites estão viajando entre 13000 e 20000 km de altitude. Como estas órbitas estão próximas à Terra, o satélite tem de viajar a uma velocidade angular maior que a do planeta, pois caso contrário, a força de gravidade o puxará para o solo, destruindo-o. Os satélites LEO´S são normalmente divididos em duas categorias: “BIG LEO´S” e “SMALL LEO´S”. A diferença entre eles é que os BIG LEO´S utilizam a faixa de freqüência acima de 1GHz e os SMALL LEO´S abaixo de 1GHz. A velocidade média de um satélite LEO está em torno de 25000km/h, fazendo uma volta completa em torno da Terra em cerca de 90 a 100 minutos. As órbitas podem ser tanto circulares como elípticas, dependendo da necessidade do projeto a ser executado, pois as órbitas elípticas fazem com que o satélite passe mais tempo sobre uma determinada região, facilitando e ampliando o tempo de comunicação entre o satélite e a estação terrestre. Os satélites de comunicação utilizam estas órbitas, pois elas estão mais próximas à Terra, fazendo com que os equipamentos utilizados possam ser menores, até portáteis, já que necessitam de pouca potência para transmissão.

4.2 Geo-estacionários.

São assim denominados por serem colocadas em uma órbita sobre o equador de tal forma que o satélite tenha um período de rotação igual ao do nosso planeta Terra, ou seja, 24 horas. Com isso a velocidade angular de rotação do satélite se iguala à da Terra e tudo se passa como se o satélite estivesse parado no espaço em relação a um observador na Terra.

Para que um satélite entre em órbita é necessário que atinja uma velocidade de pelo menos 28.800 Km/h. Com essa velocidade, se posicionarmos o satélite a 36.000 km de altitude, acima do equador, ele ficará numa órbita geoestacionária.

A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço Geoestacionários em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra de um ângulo de 2°. O Brasil pleiteou 19 posições orbitais junto à UIT. Destas, atualmente sete se encontram designadas para uso dos operadores brasileiros (Star One, Loral e Hispasat).

O satélite, do ponto de vista de transmissão é uma simples estação repetidora dos sinais recebidos da Terra que são detectados, deslocados em freqüência, amplificados e retransmitidos de volta a Terra. Um satélite típico é composto de uma parte comum (“bus”) onde se encontram as baterias, painéis solares, circuitos de telemetria e a parte de propulsão. Além do “bus” temos a carga útil (“payload”) composta essencialmente dos circuitos repetidores, denominados “transponders”.

4.3. Uma visão comparativa entre satélites de órbitas LEO, MEO e GEO Os satélites que operam em uma órbita Geo-estacionária necessitam de foguetes lançadores mais complexos, devido a sua altitude elevada, o que provoca um custo de lançamento mais elevado do que os lançamentos dos satélites de tecnologia (MEO e LEO). Este custo chega a ser 4 vezes mais caro que o próprio satélite. Esta operação de lançamento, a cerca de 10 anos atrás, era uma operação arriscada, pois havia uma quantidade razoável explosões e insucessos. Hoje, a cada ano que passa a confiabilidade nos veículos lançadores vem aumentando muito. Os Satélites GEO possuem uma vantagem de abranger uma área de cobertura muito maior do que as dos satélites LEO e MEO. Em contra partida, a elevada altitude provoca um retardo de aproximadamente 0,5 s no sinal. Este retardo provoca problemas mais complexos em protocolos de verificação e correção de erro de dados, onde a todo instante uma sistema de transmissor interrompe a comunicação de dados para aguardar a resposta do sistema receptor de que há erro do dado enviado. Só então o dado é retransmitindo. Esta interação entre os dois sistemas (Tx e Rx) seria normalmente instantânea se eles não tivessem que aguardar 0,5 s por uma confirmação de erro. Por este motivo os protocolos de comunicação de sistemas via satélites GEO, são diferentes dos outros sistemas de telecomunicações, tornando viável a tecnologia.

Mostrar o fluxo de uma transmissão/recepção

Desenhar topologia/arquitetura

Detalhar elementos que fazem parte de todo o processo

Os elementos que fazem parte de uma comunicação via satélite podem variar muito, dependendo da finalidade da comunicação Contudo, é possível criar alguns grupos para o entendimento da comunicação:

1- Base estacionária 2- Satélite transceptor 3- Equipamentos conectados às bases estacionárias, ou seja, os elementos finais da comunicação 4- GOCC (Ground Operations Control Center): Planeam e controlam o uso de satélites pelos terminais gateway e pela coordenação deste uso com o SOCC 5- SOCC (Satellite Operations Control Center): Rastreia satélites, controla suas órbitas e fornece serviços de Telemetria e Comando (T&C) para a constelação de satélites. Também supervisionam o lançamento de satélites.

Apontar os protocolos e tipos de acesso envolvidos

- TDMA (Time Division Multiple Acess) - As ligações são sequenciais - O espectro é dividido em intervalos de tempo

- FDMA (Frequency Division Multiple Acess) - A largura de banda total disponível é dividida - Permite vários usuários ao mesmo tempo

- CDMA (Code Division Multiple Acess) - Cada estação transmite com um código próprio - As ligações são feitas ao mesmo tempo, em banda espalhada

- Na camada de aplicação: CFDP (CCSDS), SCPS-FP/, FPT. - Na camada de transporte: SCPS-TP, TCP, UDP, SCPS-SP - na camada de rede: Space Packet Protocol, SCPS-NP, IPv4 e IPv6 - Na camada de enlace: TM Space Datalink Protocol, TC Space Datalink Protocol, AOS Space Datalink Protocol, TM Sync and channel coding, TC Sync and channel coding - Na camada física: RF and Modulation Systems.

3) Estágio atual

Atualizar quanto ao momento que vive a tecnologia

• Á nível mundial: indústria de satélites movimenta da ordem de US$ 50 bilhões por ano • No Brasil: algo em torno de US$ 550 milhões por an

• Liderança mundial: empresa “Novo” INTELSAT • Liderança no Brasil: STAR ONE detém mais de 50 % de “market share

Atualmente, 37 satélites com total cobertura do Brasil, e 4 com cobertura parcial, comercializam suas capacidades espaciais no território brasileiro. Destes, 6 ocupam posições orbitais brasileiras e 35 possuem “direitos de aterrissagem” (landing rights). Estão sendo fabricados 8 satélites adicionais com cobertura total ou parcial sobre o Brasil.

Apontar eventuais problemas (tráfego, frequência, limitações, capacidade)

Não há duvidas que, poder transmitir informações para vários usuários separados a quilômetros de distância de uma forma tão rápida é, e continuará sendo uma vantagem sobre qualquer outro meio de comunicação. Aplicações militares para esta tecnologia não faltam, já que guerras sempre ocorreram e, pelos recentes fatos, continuaram ocorrendo espalhadas por todo o globo. Porém o uso de ondas eletromagnéticas em uma transmissão, ainda mais em uma transmissão envolvendo áreas enormes traz um ponto à discussão: a segurança. Mesmo em sistemas que possuem os focos das antenas dos satélites pontuais, não raro são as transmissões que usam da encriptação para garantir que somente pessoas autorizadas tenham acesso as informações transmitidas. Além do problema da chuva que afeta de forma diferente as diferentes bandas de transmissão, existe ainda o problema pouco comentado de quando o satélite eclipsa o sol. Este efeito interfere na comunicação interrompendo (uma vez por ano no período por poucos minutos com previsão adiantada) por ser uma fonte de ondas eletromagnética bastante poderosa. Assim, sistemas críticos que não podem ficar minutos sem comunicação não devem usar VSAT. Um fator que se deve ressaltar é que seu BER é variável, visto que as condições climáticas (chuvas) interferem de forma direta, já que as ondas eletromagnéticas passam os primeiros quilômetros do seu percurso na atmosfera

Exemplificar com matérias de revistas, livros e internet

4) Características técnicas

Mostrar o espectro de frequência utilizado

As freqüências mais utilizadas para comunicação via satélite são as da banda C e banda Ku, conforme a tabela abaixo.

- Banda C Banda Ku Freqüência de uplink (estação terrena para satélite) 5,850 a 6,425 GHz 14,0 a 14,5 GHz

Freqüência de downlink (satélite para estação terrena) 3,625 a 4,200 GHz 11,7 a 12,2 GHz

Um transponder em banda C tem, tipicamente, 36MHz de largura de banda, enquanto que os de banda Ku têm tipicamente 27MHz.

Internacionalmente, a banda mais popular é a banda Ku, pois permite cursar tráfego com antenas menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências serem mais altas. Entretanto, devido ao mesmo fato, a transmissão em banda Ku é mais suscetível a interrupções causadas pela chuva. Dessa forma a banda C é mais popular em países tropicais. No Brasil durante muito tempo só se utilizou à banda C. Mais recentemente, a banda Ku vem recebendo maior aceitação.

Explicar sobre o tipo de modulação

Os sistemas de modulação digital mais convencionais são o BPSK (binary phase shift keying) e o QPSK (quaternary phase shift keying), que são variantes da modulação PSK (phase shift keying).

Apresentar os tipos de acesso. Ex: TDMA, FDMA , CDMA , etc

- TDMA (Time Division Multiple Acess) - As ligações são sequenciais - O espectro é dividido em intervalos de tempo

- FDMA (Frequency Division Multiple Acess) - A largura de banda total disponível é dividida - Permite vários usuários ao mesmo tempo

- CDMA (Code Division Multiple Acess) - Cada estação transmite com um código próprio - As ligações são feitas ao mesmo tempo, em banda espalhada

Potência

Alcance

Teoricamente, um satélite geoestacionário consegue cobrir 1/3 da face da terra. Logo, com apenas 3 satélites, consegue-se ter uma cobertura total da superfície terrestre.

Consumo

5) Protocolos

Apresentar os protocolos usados na comunicação entre os elementos

Detalhar o formato dos protocolos

Apontar as normas que regem este protocolo (RFC, por exemplo)

Definir o órgão que coordena esta normatização

Identificar endereço de consulta à norma

6) Serviços

Descrever serviços básicos disponíveis. Ex: mensagem, dados, mobilidade IP

Apresentar interação com Internet

Apontar serviços avançados disponíveis: Ex: LBS, segurança,

Citar outros serviços ou possíveis aplicações futuras.