COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE. Prof. MSc. Sandro M Malta

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1 COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE Prof. MSc. Sandro M Malta

2 Satélite Definição É chamado de satélite todo objeto que gira em torno de outro objeto. Ele é classificado em dois tipos: satélite natural satélite artificial. Em astronomia, um exemplo de satélite natural é a Lua, pois ela gira em torno da Terra. Já o satélite artificial, como o próprio nome diz, é um equipamento ou engenho construído pelo homem e, dependendo da finalidade, desloca-se em órbita da Terra ou de outro astro. A órbita é o caminho que o satélite percorre

3 Satélite Definição

4 Satélite Definição O satélite artificial permanece em órbita devido à aceleração da gravidade da Terra e à velocidade em que ele se desloca no espaço, a qual depende da altitude da sua órbita. Por exemplo, a velocidade de um satélite artificial em uma órbita a 800 quilômetros de altitude da Terra é de cerca de quilômetros por hora. Um satélite artificial é colocado em órbita por meio de um veículo lançador: o foguete.

5 Satélite Definição No Brasil, as atividades do setor espacial que envolvem a construção e a operação de veículos espaciais, satélites e foguetes são coordenadas pela Agência Espacial Brasileira (AEB). A AEB tem a atribuição de formular e de realizar o Programa Nacional de Atividades Espaciais (PNAE). Um dos objetivos desse programa é o de que o Brasil atinja a auto-suficiência na construção de satélites e de foguetes e também no lançamento deles

6 Satélite Definição O projeto, o desenvolvimento e a construção de foguetes são de responsabilidade do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), que faz parte do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), do Comando da Aeronáutica O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) é o responsável pelo desenvolvimento, controle e utilização dos satélites brasileiros.

7 Satélite Definição

8 Tipos de órbita O tipo de órbita na qual um satélite é colocado é definido principalmente em função da sua inclinação e do seu período de revolução (tempo de um giro completo em torno da Terra), o qual está diretamente relacionado com a sua altitude. As órbitas podem ser de dois tipos básicos: polar e equatorial

9 Tipos de órbita

10 Tipos de órbita A órbita equatorial, com uma inclinação de 0 (zero) grau, coincide com o plano do equador. Ela é chamada de geossíncrona quando a sua altitude é de cerca de quilômetros, o que permite ao satélite completar um giro em torno da Terra em 24 horas, aproximadamente o mesmo período de rotação do planeta Nesse caso, também recebe o nome de geoestacionária, porque nessa órbita o satélite está sempre na mesma posição em relação à Terra

11 Tipos de órbita É como se o satélite estivesse estacionado, o que possibilita observar sempre a mesma área da superfície terrestre Os satélites que se deslocam nesse tipo de órbita não cobrem as regiões polares

12 Composição de um satélite Um programa completo de desenvolvimento de um satélite envolve, além do próprio satélite, o foguete lançador e o segmento solo, que tem a função de supervisionar o funcionamento do satélite, controlar seu deslocamento na órbita predefinida e a recepção dos dados enviados por ele. Normalmente é composto de três grandes partes: 1) a plataforma, que contém todos os equipamentos para o funcionamento do satélite; 2) o painel solar, para o suprimento de sua energia; 3) a carga útil, os equipamentos (antenas, sensores, transmissores) necessários para o cumprimento da sua missão. As formas mais comuns de satélite (plataforma) são em cubo e em cilindro

13 Composição de um satélite

14 Composição de um satélite O tamanho varia de 1 metro a 5 metros de comprimento e o peso, de 500 quilos a quilos Se os satélites utilizassem apenas baterias para o suprimento de energia, quando essas se descarregassem eles parariam de funcionar. Para solucionar esse problema, grande parte dos satélites é equipada com painéis solares, os quais permitem converter a energia solar em energia elétrica

15 Sensores Os sensores remotos que fazem parte da carga útil do satélite são equipamentos que registram a energia refletida ou a energia emitida pelos objetos da superfície terrestre Essa energia é transformada em sinais elétricos, que são transmitidos para as estações de recepção que integram o segmento solo, na Terra. Os sinais, por sua vez, são processados e transformados em imagens. Para captar os dados da superfície terrestre, os sensores a bordo dos satélites ficam apontados sempre para a Terra.

16 Sensores Dependendo do tipo, o sensor pode captar imagens através da energia de uma ou mais regiões do espectro. Os sensores ópticos, por exemplo, captam imagens utilizando a energia da região do visível e do infravermelho Os radares são sensores que enviam e captam energia da região das microondas. Ao contrário dos sensores ópticos, os radares funcionam também de noite e com o tempo nublado e chuvoso.

17 Finalidade dos Satélites Os satélites artificiais são construídos para diferentes finalidades como: Telecomunicação espionagem experimento científico Nas áreas de astronomia e astrofísica; geofísica espacial; planetologia ciências da terra, atmosfera e clima meteorologia e sensoriamento remoto. Existem também os satélites de Posicionamento Global (GPS) que giram em órbitas altas ( quilômetros de altitude) e são importantes na navegação terrestre, aérea e marítima, além de ajudar na localização de pessoas, objetos e lugares.

18 Estações Terrenas em Comunicação Via Satélite com Órbita Geoestacionária Um enlace de comunicação via satélite, operando em SHF e em posição orbital geoestacionária, conta com vários fatores de degradação que estão ligados ao meio de transmissão, aos equipamentos utilizados em suas estações terrenas e ao próprio satélite, que funciona como elemento de repetição nesta análise Para que o sistema consiga oferecer desempenhos satisfatórios nos mais diferentes tipos de aplicações e serviços, é de grande importância que as estações de transmissão e recepção sejam devidamente dimensionadas, para que possam atender, de forma mais apropriada, a todas as possíveis aplicações

19 Estações Terrenas em Comunicação Via Satélite com Órbita Geoestacionária Como qualquer outro tipo de comunicação via rádio, o sistema via satélite poderá oferecer tráfego de informação em um ou em ambos os sentidos, dependendo do tipo de aplicação oferecida A configuração apresentada em (b) é a mais empregada, pois seu uso é bastante comum para difusão de informações como é realizado em transmissão de sinais de televisão e rádio para todo território nacional

20 Estações Terrenas em Comunicação Via Satélite com Órbita Geoestacionária

21 Estações Terrenas em Comunicação Via Satélite com Órbita Geoestacionária Para transmissões bidirecionais as estruturas instaladas nos extremos do enlace são muito semelhantes no que diz respeito aos componentes envolvidos. As especificações destes componentes é que se alteram, para que o sistema atenda às necessidades técnicas e financeiras

22 Estações Terrenas em Comunicação Via Satélite com Órbita Geoestacionária

23 Antenas Empregadas nas estações terrenas Em enlaces de microondas via satélite as antenas mais comuns derivam de três principais classes de antenas Antenas cornetas (Horn Antenna) Rede de antenas em fase (Phased Array Antenna) Antenas parabólicas (Parabolic Antenna) As antenas do tipo corneta são muito utilizadas como elemento de referência em testes de componentes dos sistemas via satélite

24 Antenas Empregadas nas estações terrenas

25 Antenas Empregadas nas estações terrenas

26 Antenas Empregadas nas estações terrenas O uso de antenas cornetas em aplicações comerciais não foi difundido, pois, quando se necessita de ganhos elevados, o tamanho das estruturas cresce bastante, aumentando o custo As redes de antenas em fase são usadas quando o feixe ou a cobertura do satélite está em constante movimento, como no caso de satélites de órbita mediana e baixa, ou para enlace com satélite geoestacionário com um dos terminais, sendo móvel, em terra

27 Antenas Empregadas nas estações terrenas Quando se necessita de taxas mais altas de comunicação é imprescindível o uso de antenas de maior ganho Por este motivo, as antenas com uso de refletores parabólicos foram as que trouxeram mais vantagens para os enlaces com satélites geo-estacionários, aliando altos ganhos com pequenas dimensões, baixo custo e facilidade de instalação

28 Antenas Empregadas nas estações terrenas Antenas Prime-Focus A antena prime-focus é aquela em que o alimentador (feeder) é instalado no ponto focal do refletor parabólico (parabolóide). A maior limitação desta configuração é a redução da eficiência, devido ao fato de o iluminador bloquear parte da área iluminada do refletor Este tipo de antena não é o mais adequado para a instalação de circuitos e módulos eletrônicos atrás ou ao lado do iluminador. O volume destes módulos pode aumentar, consideravelmente, o efeito de obstrução. Este tipo de antena é largamente utilizado para estações onde só ocorre recepção, pois a dimensão dos módulos amplificadores de baixo ruído (LNA e LNB), em pouco, irão prejudicar o desempenho da antena

29 Antenas Empregadas nas estações terrenas

30 Antenas Empregadas nas estações terrenas Antena Prime-Focus com montagem Offset A antena prime-focus com montagem offset é aquela em que o alimentador se localiza no foco, mas com uma angulação em relação ao vértice do refletor parabólico Esta construção resulta numa iluminação de apenas um dos lados do parabolóide, o que permite a instalação de módulos eletrônicos, tanto para recepção como para transmissão, junto ao iluminador (feeder), sem que ocorra nenhum tipo de obstrução à área iluminada

31 Antenas Empregadas nas estações terrenas

32 Antenas Empregadas nas estações terrenas Antena Casegrain A antena do tipo casegrain é uma estrutura formada por dois refletores e um alimentador (feeder). o refletor de maior dimensão é parabólico e denominado de refletor principal. O refletor hiperbólico de dimensão menor é denominado refletor auxiliar Estes dois refletores são devidamente posicionados no intuito de estabelecer um conjunto que garanta a maior eficiência de irradiação, apresentando resultados que solucionem os problemas apontados pelas configurações já discutidas anteriormente.

33 Antenas Empregadas nas estações terrenas

34 Antenas Empregadas nas estações terrenas Antena Gregoriana A construção da antena gregoriana é baseada na configuração do telescópio gregoriano, que possui um refletor principal com aspecto parabólico e um refletor auxiliar elíptico. A forma de operação é idêntica à da antena casegrain Nas antenas de grande porte para aplicações comerciais, a escolha da configuração casegrain ou gregoriana ocorre muito em função do fabricante escolhido, pois são os mesmos que optam por uma ou outra configuração nos seus processos de fabricação, dado que estas antenas apresentam desempenhos equivalentes.

35 Antenas Empregadas nas estações terrenas Tanto para as antenas casegrain como para as antenas gregorianas, pode-se utilizar a técnica de construção offset, no intuito de eliminar os problemas causados pelo refletor auxiliar.

36 Parâmetros de desempenho para atendimento dos enlaces Qualquer enlace de rádio analógico ou digital é calculado em função dos parâmetros de qualidade criados para o bom atendimento. No caso dos enlaces analógicos, a qualidade do sinal, no ponto final, é medida através da relação sinal/ruído S/N (Signal/Noise) Para enlaces digitais é considerado a taxa de erro de bit BER (Bit Error Rate)

37 Parâmetros de desempenho para atendimento dos enlaces tanto na condição analógica como na digital, o enlace estará atrelado à relação portadora/ruído (C/N). Por este motivo, o dimensionamento do enlace estará baseado nesta relação.

38 Enlace de subida

39 Enlace de subida

40 Enlace de subida Fator de Mérito

41 Enlace de subida

42 Enlace de subida

43 Enlace de subida

44 Exercícios 1) Calcule a relação Portadora ruído em um enlace de subida onde a potência transmitida é de 10w, ganho da antena transmissora igual a 30dB e perdas totais igual a 10dB. Considere o satélite geoestacionário a 800Km da Terra, fator de mérito de Belo Horizonte e operando na faixa de 100MHz a 1GHz. 2) Considere um enlace de subida cuja relação portadora ruído é de 50dB, potência transmitida igual a 30w, ganho da antena transmissora igual a 40dB, perdas totais igual a 10dB, e fator de mérito igual a 2. Calcule a faixa de frequências que o satélite opera.

45 Exercícios 3) Quais devem ser as perdas máximas em um enlace de subida cuja relação portadora ruído é de 60dB, potência transmitida igual a 50w, ganho da antena transmissora igual a 40dB, fator de mérito igual a 2,5 e faixa de operação de 20 a 30GHz. 4) Repetir número 1 considerando uma banda de 30MHz. 5) Repetir número 1 considerando as perdas totais igual a 15dB.

46 Enlace de descida

47 Enlace de descida

48 Atenuações Espaço Livre

49 Atenuações Atenuação por desapontamento de antenas

50 Atenuações Atenuação por desapontamento de antenas

51 Atenuações Outras Chuvas Polarização componentes passivos da estação terrena de transmissão

52 Exercícios 1) Calcule a relação portadora ruído em um enlace de descida onde a potência transmitida é de 20w, ganho da antena transmissora igual a 30dB, BOout=30dB e perdas totais igual a 10dB. Considere o satélite geoestacionário a 800Km da Terra, fator de mérito de Belo Horizonte e operando na faixa 1 a 2GHz. 2) Repetir o numero 1 considerando a faixa de operação de 4 a 8 GHz. 3) Quais devem ser as perdas máximas em um enlace de subida cuja relação portadora ruído é de 100dB, potência transmitida igual a 70w, ganho da antena transmissora igual a 40dB, fator de mérito igual a 2,5, faixa de operação de 20 a 30GHz e Boout=40dB?

53 Exercícios 4) Calcule a relação portadora ruído para um enlace de subida e descida onde a potência transmitida é de 40w, ganho da antena transmissora igual a 30dB, BOout=30dB e perdas totais igual a 10dB. Considere o satélite geoestacionário a 800Km da Terra, fator de mérito de Belo Horizonte e operando na faixa 8 a 12,5 GHz. 5) Repetir 4 considerando BOout=50dB. 6) Calcule a atenuação devido ao desapontamento das antenas transmissora e receptora considerando o ângulo de meia potência de ambas igual a 4 e desalinhamento da transmissora igual a 0,2 e da receptora igual a 0,1.

54 Exercícios 7) Calcule a relação portadora ruído para um enlace de descida onde a potência transmitida é de 40w, ganho da antena transmissora igual a 20dB, BOout=30dB,desapontamento da receptora igual a 0,2, ângulo de meia potência igual a 5. Considere o satélite geoestacionário a 800Km da Terra, fator de mérito de Belo Horizonte e operando na faixa 8 a 12,5 GHz. Considere atenuação devido à chuva, polarização e equipamentos igual a 12dB. Acrescentar às perdas totais a atenuação do espaço livre e a atenuação devido ao desapontamento das antenas.

55 Referências Florenzando, Tereza Galloti. Os Satélites e suas aplicações. São José dos Campos SP, 2008 Marins, Carlos Nazareth Motta. Estudo Analítico e Numérico de um Enlace Digital de Comunicação via Satélite em condição orbital Geoestacionária. Dissertação de Mestrado INATEL. Santa Rita do Sapucaí MG, acessado em 14/06/2012

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