Segmento Espacial

Francisco A. Sandoval

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Introducción

Tecnología de Satélites, desarrollo para:

Adaptar a condiciones ambientales en que operan.

Concentración de su capacidad de tráfico en un solo punto.

Amplia gama de posibilidad de cobertura.

Movilidad

Imposibilidad de reparación de fallas después del lanzamiento.

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Introducción: Partes de un Satélite

Carga útil o de

comunicación

Equipos y elementos

para el procesamiento de

las señales de las redes

de los usuarios

Plataforma

Soporte mecánico

Apoyo de funciones

imprescindibles de la

primera. fralbe

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1. Condiciones Ambientales

Diferentes a las encontradas en ETs

Riesgos: posibles deficiencias o falla total

Difieren, durante lanzamiento, fase de transición hacia

órbita final y en está.

Condiciones ambientales:

Virtual falta de gravedad

Atmósfera prácticamente nula

Presencia y ausencia de la energía solar

Diversas radiaciones

Posibles impactos de despojos espaciales. fralbe

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1. Condiciones Ambientales

Determinan características tecnológicas de satélites

Aprovechar aspectos favorables

Evitar o reducir efectos desfavorables

Radiación Solar casi sin obstrucción

Fuente segura de energía +

Cambio de orientación del S. -

Descargas electrostáticas –

Deterioro d paneles solares -

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1. Condiciones Ambientales

Casi vacío

Reducen la corrosión +

Dificultan lubricación. –

Provocan expulsión y migración perjudiciales de gas y

moléculas metálicas

Falta de gravedad y fricción atmosférica

Facilita despliegue de paneles solares

Permite que fuerzas muy pequeñas produzcan movimientos en

S.

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2. Carga de Comunicación

Antenas receptoras

Transpondedores

Antenas transmisoras

Conexiones entre

estos elementos

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Segmento Espacial

Plataforma fralbe

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Introducción

Subsistemas de la Plataforma:

Estructura

Sistemas de Propulsión

Control de orientación y de órbita

Control de energía, telemetría y telemando

Control térmico

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Estructura fralbe

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Funciones

Soportar mecánicamente la carga de comunicaciones +

subsistemas de plataforma.

Protección parcial a las partes más sensibles del satélite,

contra despojos espaciales o partículas cargadas

provenientes del espacio.

Reducir al mínimo, las deformaciones entre componentes

del S. que pudieran alterar la orientación de las antenas.

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Funciones

Contribuir al control térmico de la nave.

Aportar una referencia electromagnética común.

Proveer la interfaz mecánica con el vehículo de

lanzamiento y proteger a todos los sistemas de los

esfuerzos estáticos y dinámicos del lanzamiento.

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Diseño

Un objetivo fundamental: conservar peso mínimo,

respetando los márgenes de seguridad.

Del diseño preliminar se produce una estructura inicial, se

somete a numerosas pruebas y análisis para su

perfeccionamiento.

Materiales más utilizados en estructura: aleaciones

metálicas y los compuestos, consistentes en una mezcla

macroscópica de materiales, metálicos o no metálicos.

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Diseño

Estructura primaria, proporciona el soporte, la resistencia

y la estabilidad mecánicas del satélite.

Los mayores esfuerzos sobre la estructura ocurren

durante el lanzamiento, por vibraciones completas, ondas

acústicas y aceleraciones.

Un efecto a evitar, la resonancia aguda. Puede aumentar

los extremos de deformación en elemento de estructura

hasta que falle.

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Diseño

A partir de inicio de operación de carga útil:

Conservar con precisión la estabilidad dimensional entre sus

sensores de orientación y los reflectores de antena.

Sirve de apoyo al subsistema de energía eléctrica como

retorno de potencia. Contribuye a la disipación de calor y

protección contra descargas electrostáticas.

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Diseño

S. no expuesto directamente a fricción con la atmósfera

baja durante el lanzamiento, su forma no requiere ser

aerodinámica y tampoco el ambiente altamente

enrarecido de su operación en el espacio exige forma

alguna.

Generalmente, la estructura debe cumplir

simultáneamente con las dimensiones y demás

especificaciones de varios vehículos de lanzamiento en

cuanto a aceleración, vibración, ondas acústicas y otros

aspectos. fralbe

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Segmento Espacial

Sistema de Control de Orientación y de la Órbita fralbe

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Introducción

Objetivo del subsistema:

Fase de Operación:

Conservar la orientación de la nave respecto a la Tierra.

Conservar el apuntamiento de las antenas del satélite hacia su zona

de cobertura.

Darle la rotación que sea necesaria, reducir o eliminarla en las

fases previas de su misión.

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Introducción

Control de la órbita:

En S. geoestacionarios evita que se desplacen lejos de su

posición orbital nominal, de ocurrir reduciría perceptiblemente

la señal recibida en la E.T. de alta directividad que no cuentan

con seguimiento.

En S. de órbita baja, evita que aumente o disminuya

sensiblemente la relación de distancias entre los de la misma

constelación, o que disminuya su altitud conjunta fuera de

tolerancia.

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Introducción

Control de orientación – Métodos

La estabilización de la plataforma

El control autónomo del propio satélite

Las operaciones correctivas, periódicas ejecutadas por medio

de mandos transmitidos desde el centro de control.

Control orbital:

Generalmente se limita a maniobras correctivas.

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Segmento Espacial

Plataforma

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Sistema de Energía Eléctrica

La energía primaria de los satélites comerciales se

obtiene por medio de células fotovoltaicas.

También se ha utilizado energía atómica, es muy peligrosa

y costosa.

Para evitar falta de energía durante los eclipses, se utiliza

baterías.

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Sistema de Energía Eléctrica

Diagrama por bloques del subsistema de energía

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Sistema de Energía Eléctrica

Los limitadores, absorben la potencia excedente por

sobretensión.

La línea general de tensión puede estar o no regulada.

Antes de cada carga principal hay un acondicionador de

potencia, además de aislamiento, disminuye o aumenta la

tensión de la mencionada línea a la requerida por cada

unidad. O convierte en múltiples tensiones.

La tensión primaria nominal comúnmente en el intervalo

de más de 30V hasta 150V, según el diseño del satélite. Y

hasta menos de 20V en satélites de órbita baja de muy

poca potencia.

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Requisitos de energía

La potencia eléctrica requerida por un S. depende bastante de la total consumida por los amplificadores de radiofrecuencia. Es difiere según el servicio al que está destinado.

La capacidad de suministro de energía eléctrica por las células solares varía por las variaciones estacionales en la radiación solar captada.

Recordar, no siempre todos los elementos que consumen energía eléctrica operan simultáneamente a plena potencia.

Se debe definir explícitamente su magnitud para la máxima demanda prevista, debe especificarse para el fin de vida de un satélite. fra

lbe.co

m

Requisitos de energía

CONCEPTO Solsticio

de junio

Equinoccio de

septiembre

Eclipse

Repetidores 2525 2525 2488

Control de actitud 55 55 55

Telemetría y telemando 58 58 58

Térmico 270 325 215

Electrónica del sistema de

energía

65 75 45

Cargas de baterías 35 340 -

Total de cargas en watts 3008 3378 2857

Ejemplo de requisitos de energía (watts) fralbe

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Radiación solar utilizable

Flujo de potencia de la radiación que recibe la Tierra del Sol

antes de atravesar la atmósfera tiene un valor medio de 1370

W/m^2.

La órbita de la Tierra alrededor del Sol tiene excentricidad, dicho

flujo varía en proporción al cuadrado de la distancia entre los

centros de los dos cuerpos celestes según la época del año.

La energía que pueden utilizar las células solares es proporcional al

coseno del ángulo de inclinación que forman los paneles con el plano

perpendicular a la radiación solar, el cual varía entre 23.4º 0º.

Considerando los dos efectos, se obtiene un factor combinado

Fi por el que se puede multiplicar el valor medio para conocer

la potencia utilizable de la radiación solar por unidad de área

Sr, en fechas características.

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Radiación solar utilizable

Fecha Distancia

Relativa

Declinación

del sol

(grados)

Fi Sr

(W/m^2)

Equinoccio de

marzo

0.996 0 1.008 1381.0

Solsticio de junio 1.016 23.4 0.889 1217.9

Equinoccio de

septiembre

1.0034 0 0.993 1360.4

Solsticio de

diciembre

0.984 -23.4 0.948 1298.8

Energía solar utilizable fralbe

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Paneles Solares

Los paneles solares proporcionan la energía a partir de

las células solares, con las que cuentan en gran número.

Un panel solar está formado por el número que sea

necesario de células conectadas en serie-paralelo para

proporcionar al fin de vida del satélite la corriente y la

tensión requeridas para determinadas cargas especificadas

por el operador de un sistema.

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Paneles Solares

Las células están adheridas a una o más superficies muy

expuestas en el espacio a la radiación solar.

Las conexiones entre células se hacen comúnmente con

malla de plata, con los extremos de cada unión en la parte

superior de una célula y la inferior de la siguiente.

Cuando la demanda de corriente en el satélite es baja, la

tensión primaria por cada panel es mayor que lo

necesario.

Otros factores que hacen variar la tensión eléctrica

proporcionada por los paneles son: fralbe

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Paneles Solares

Bajas temperaturas al ser iluminados al momento de salir de

un eclipse.

Variaciones de la distancia al Sol durante cada año,

La variación de su ángulo respecto de la dirección del sol

Su propia degradación progresiva.

Los valores en exceso de lo necesario (de tensión) se

pueden corregir por medio de limitadores que deriven

corriente a tierra, los cuales no producen pérdidas de

tensión a máximo consumo.

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Paneles Solares

La superficie de los paneles solares necesaria para

producir la energía suficiente para satisfacer el consumo

en todas las cargas del satélite es:

𝐴𝑃 =𝑃𝐿

𝑆𝑟𝜂𝐹𝑑𝐹𝑙𝐹𝑠𝑀 m2

𝑃𝐿 - potencia máxima requerida para las cargas,

incluyendo los acondicionadores de potencia.

𝑆𝑟 - potencia solar utilizable por 𝑚2 utilizada como

referencia.

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Paneles Solares

η – eficiencia de conversión de energía a plena carga de las células sin cubiertas al inicio de vida y a la temperatura máxima de operación bajo iluminación, expresada como fracción de unidad.

𝐹𝑑 - factor de pérdidas en los cables de distribución de energía y en dispositivos en serie, antes de los acondicionadores de potencia.

𝐹𝑙 - factor por deterioro de las células solares al final de la vida útil del satélite

𝐹𝑠 - factor debido a pérdidas iniciales en las cubiertas protectoras y en las conexiones de las células, así como el aumento de superficie por sus soportes

M – factor de margen fralbe

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Baterías

Las baterías principales de un satélite son necesarias para

suministrar la energía eléctrica secundaria a la nave

durante los eclipses.

En S. geoestacionarios, este fenómeno ocurre 2 periodos al

año alrededor de los equinoccios. Debido a que el eje Tierra-

sol forma un ángulo menor que ± 8.7º con el plano de la órbita

del S.

Satélites de órbita baja, los eclipses pueden ocurrir varias veces

diariamente, hasta durante 40% de cada periodo orbital.

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Baterías

También se utilizan para suministrar energía en la órbita

de transferencia, para:

cargas transitorias

fallas del subsistema de orientación o actitud.

Baterías principales:

Inicialmente: níquel-cadmio (NiCd)

Posteriormente: níquel-hidrógeno (NiH2)

Futuro: iones de litio (Li Ion), por menor peso, menor

producción de calor, menor auto-descarga, etc.

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Baterías

Vida de la batería, depende en forma compleja:

control de la recarga

profundidad de sus descarga durante los eclipses

control de temperatura, óptima entre +5 y +15ºC

número de ciclos de carga y descarga por año.

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Baterías

Controlar carga de baterías se emplea el procesador del

satélite.

Las células de las baterías se construyen en recipientes

sellados.

Según la tensión requerida, se combinan e serie en el

número necesario de ellas.

Fiabilidad de la batería: puede ocurrir que fallen durante

su vida esperada.

Aumentar fiabilidad: agregar una o más células adicionales en

serie. fralbe

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Baterías

La capacidad de una batería al final de su vida útil:

𝐶𝐸𝑂𝐿 =𝑃𝑒∗𝑡𝑒

η𝑑 100 ∗ 𝐷𝐷𝑂𝐷 100 𝑀 watts-horas

𝑃𝑒 - potencia media consumida durante cada eclipse en watts.

𝑡𝑒 - duración máxima de un eclipse en horas.

η𝑑 - eficiencia de transmisión de la batería a la carga en porcentaje.

𝐷𝐷𝑂𝐷 - profundad de la descarga expresada en porcentaje

M – factor de margen

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Segmento Espacial

Sistema de Telemetría, telemando y distancia fralbe

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Introducción

Funciones del subsistema son esencialmente de

comunicaciones internas propias del segmento espacial (S.

y centro de control)

Recolección y Tx de la información relacionada con la

configuración y desempeño del S.

Rx y distribución de las señales de mando destinadas ya sea a

preservar el adecuado funcionamiento del S., a adaptar la carga

útil a las necesidades de los usuarios, etc.

Intercomunicación de señales destinadas a realizar una

determinación de alta precisión de la distancia del satélite a un

punto sobre la Tierra fralbe

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Introducción

Para los enlaces de comunicación de este subsistema con

el centro de control se han utilizado diversas bandas. En

la actualidad se emplea una fracción pequeña de una

banda destinada a la carga útil de la nave.

La sección de telemetría recibe las señales de los

sensores, las procesa en formato y secuencia

predeterminados, las modula y las tx al centro de control.

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Introducción

Las señales de mando se envían desde el centro de

control vía enlaces terrenales a través de la estación TT y

S cuando es necesario para controlar la actitud, posición,

la configuración de su carga de comunicaciones y el

estado de los equipos a bordo del satélite.

Cada señal de mando se recibe en el subsistema, se

demodula y almacena, y regresa por la sección de

telemetría al centro de control para después de su

verificación, confirmación y reexpedición para ser

encaminada al dispositivo que deba ejecutarla. fralbe

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Telemetría

La telemetría es una tecnología que permite la medición

remota de magnitudes físicas y el posterior envío de la

información hacia el operador del sistema.

Debe tener redundancia 2 para 1.

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Telemando

Señales de mando son muy pocas en comparación con las

de telemetría y no tienen la secuencia repetitiva de estas.

Puede tener consecuencias perjudiciales un error humano

o de tx desde el centro de control, por lo que se requiere

una mayor seguridad del enlace y se emplea verificación

del mando, sin lo cual no se ejecuta.

Como en telemetría se cuenta con redundancia total para

Rx de las señales de mando generadas en el centro de

control.

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Distancia

La medición de distancia de un satélite a una estación TT

y S, indispensable para el control de la órbita, se realiza

por varios métodos.

Uno común consiste en Tx desde la estación TT y S

señales que modulan una portadora en unja frecuencia de

telemando y regresarlas por la sección de telemetría,

determinándose la distancia por medio de la medición de

la deferencia de fase entre las señales Tx y Rx.

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Centro de control y Estación TTS

El centro de control de un sistema de satélites

geoestacionarios, conjuntamente con la estación de

telemando, telemetría y seguimiento (TT y S), forma parte

del segmento espacial.

Ambas instalaciones pueden estar localizadas en la misma

área o en distintos sitios separados una distancia

considerable.

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Centro de control y Estación TTS

El centro de control es el lugar donde se realiza la

supervisión del estado de los satélites y se expiden las

señales de mando para ejecutar en ellos las funciones que

no realizan en forma autónoma.

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Centro de control y Estación TTS

La parte más importante, el sistema de cómputo que desarrolla

funciones de conversión, cálculo, interpretación, grabación y

presentación de los datos de telemetría, generación de alarmas

y mandos, y otras formas de procesamiento, tanto con fines de

uso inmediato como de análisis posterior.

En un sistema típico debe ser posible registrar e imprimir

en forma automática todas las acciones realizadas por los

controladores y los datos de telemetría que muestren

desviaciones fuera de los límites de tolerancia.

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Centro de control y Estación TTS

Diagrama por bloques del centro y estación TTS para un sistema de dos satélites.

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Centro de control y Estación TTS

En la parte superior se muestra la estación de telemetría,

telemando y seguimiento (TT y S) que realiza el enlace

entre el centro de control y el satélite, y requiere de los

mismos elementos esenciales en banda de base,

frecuencia intermedia y radiofrecuencia que las estaciones

terrenas de los usuarios con capacidad para rx y tx.

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Centro de control y Estación TTS

Otra función consiste en apoyar a los usuarios cuando es

necesario cambiar sus redes a otro transpondedor o a

otro satélite; y cuando se requiere cambiar un satélite a

otra posición en la órbita, o pasar todas sus redes a otro,

debe programar todo el proceso de cambio.

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