Guía de orientación regulatoria

Satélites pequeños

De GOR
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La definición clásica de un satélite natural es la de un cuerpo celeste de menor tamaño que gira alrededor de otro cuerpo celeste de mayor tamaño a una determinada distancia entre los dos, ayudado solamente por la fuerza gravitacional que existe entre los dos cuerpos. Un ejemplo típico es la Luna, que gira alrededor de la Tierra desde hace miles de millones de años.

Un satélite artificial de comunicaciones es un aparato repetidor de comunicaciones de uso espacial elaborado mediante un proceso de diseño, construcción, y transporte a su órbita final de operación. El lanzamiento del satélite se lleva a cabo mediante el uso de un cohete de combustión química, cuya trayectoria de lanzamiento y puesta en órbita final está determinada por una parte de la física denominada mecánica orbital.

Para que el cohete o lanzador pueda llegar a la altura orbital deseada con la velocidad y dirección correcta, colocar su carga útil (satélite) y mantenerse adecuadamente en la órbita exacta, es necesario conocer y manejar las ecuaciones de Kepler (altura, período y geometría de la órbita) y las ecuaciones de Newton (fuerza, masa y velocidad de los satélites) para cada satélite y órbita en particular.

Por lo general, los satélites pequeños que se describen en esta guía, tienen dimensiones y peso determinados por su aplicación, y las órbitas a las que se encuentran siguen las indicaciones y tienen las características que se mencionan en este capítulo de la Guía Regulatoria para satélites pequeños.

Los satélites de comunicaciones se clasifican por su peso, generalmente, aunque también se les puede clasificar por su tamaño, por su uso y aplicación, o por su área de cobertura.

Clasificación por peso

Uno de los factores más comunes utilizados para clasificar los satélites es su peso. Sin embargo, no existe un consenso sobre si se debe considerar solamente el peso del hardware (estructura, carga útil, paneles solares, batería, etc.) o también se debe tomar en cuenta el propulsor. Una de las clasificaciones más aceptadas, y la cual incluye el propulsor, es la hecha por el Centro Espacial de Surrey de la Universidad de Surrey [1] (revisar Tabla 1). De acuerdo a esta clasificación, es posible considerar a los satélites pequeños como aquellos que tienen una masa menor a los 500 kg

Tabla 1. Clasificación de satélites pequeños según su peso.
Tipo Masa (kg)
Grandes > 1000
Medianos 500 a 1000
Mini 100 a 500
Micro 10 - 100
Nano 1 a 10
Pico 0.1 a 1.0
Femto < 0.1

Otro de los factores con los cuales se clasifican los satélites pequeños es su órbita. En el caso de los satélites pequeños, y debido a sus limitaciones en potencia dado su tamaño, la gran mayoría se encuentra en alguna de las órbitas bajas.

Una vez que un satélite ha sido construido y probado, se encapsula y se integra mecánicamente al lanzador para llevarlo a su órbita final de liberación. Dado que un satélite en órbita terrestre requiere del balance entre la fuerza gravitacional (o centrípeta, hacia el centro de la Tierra) y la fuerza tangencial (o centrífuga, hacia afuera de la Tierra) entre el mismo satélite y la Tierra, es muy importante definir este balance en términos de la velocidad del satélite en relación con su altura orbital.

Este balance mantiene al satélite girando de manera permanente alrededor de la Tierra, evitando que el satélite caiga a la misma por la atracción de la gravedad, pero también evita que salga disparado fuera de la Tierra por la fuerza centrífuga. Para realizar sus funciones de manera correcta según su plan de vuelo, cada satélite debe estar posicionado exactamente en su lugar, dirección, velocidad y órbita adecuada.

La altura orbital se define como la distancia medida desde la superficie media de la Tierra (nivel del mar) hasta la altura del satélite. Los satélites artificiales tienen sistemas electrónicos que actúan como repetidores de comunicaciones a distancia, y con sus antenas pueden transmitir y recibir información desde cualquier lugar sobre la Tierra que esté dentro de su área de cobertura. El área cubierta por un satélite depende de su altura orbital, por lo que hay diferentes órbitas para diferentes aplicaciones. Mientras más alto se encuentre el satélite, mayor será su órbita y mayor será su área de cobertura.

Clasificación por su posición orbital

Los satélites pueden ser geoestacionarios (GEOS, por sus siglas en inglés) y no geoestacionarios (NGEOS, por sus siglas en inglés), dependiendo de la relación entre su período orbital y el periodo de rotación de la Tierra. Las órbitas geoestacionarias (GEO) se llaman así dado que su distancia de la Tierra (35,758 km de altura desde el nivel del mar sobre el ecuador) les permite girar alrededor de la Tierra a la misma velocidad angular que su periodo de rotación, esto es, una vuelta cada 24 horas.

Las órbitas no geoestacionarias (NGEO) pueden estar a distintas alturas de la Tierra, donde las más comunes son las órbitas bajas (LEO, por sus siglas en inglés), y las órbitas medias (MEO, por sus siglas en inglés). Por lo general, los satélites pequeños se encuentran en órbitas NGEO y, dentro de éstas, la gran mayoría están en órbitas LEO, muy abajo de la órbita GEO, y sólo unos cuanto en órbitas medias MEO.

LEO

Órbita de una satélite LEO

Los satélites de órbitas bajas (LEOS, por sus siglas en inglés) son aquellos satélites que se encuentran entre los 200 y los 2,000 km de altura sobre la superficie de la Tierra. Al orbitar, los satélites pierden velocidad debido a los efectos de fricción con las capas superiores de la atmósfera, por lo que suelen tener una vida útil corta, como los nanosatélites tipo Cubesats, Cuando se requiere una vida útil más larga, se les equipa con sistemas de corrección orbital para mantenerse a la altura correcta, como los satélites Iridium o Globalsat. Debido a la gran cercanía de los LEOS a la Tierra, ésta ejerce una gran atracción gravitacional sobre el satélite, por lo que debe llevar una gran velocidad instantánea que le proporcione una fuerza tangencial igual a la fuerza gravitacional de la Tierra y pueda mantenerse en órbita. Por eso, los periodos orbitales típicos de los cubesat suelen ser de una revolución cada 90 o 100 minutos alrededor de la Tierra. Esto implica que el satélite se debe mover a velocidades entre los 10 y 12 km/s, por lo que el satélite sólo estará a la vista de la estación terrena entre 3 y 8 minutos, dependiendo del ángulo de elevación de la antena en la estación terrena, con respecto a la trayectoria del plano orbital del satélite LEO. Si la trayectoria pasa por encima de la estación terrena, y no hay obstáculos elevados alrededor de ésta, el satélite LEO puede estar a la vista entre 6 y 8 minutos, dependiendo de su altura orbital. Sin embargo, si existen obstáculos (montes, árboles, edificios, etc.) alrededor de la estación terrena, o la trayectoria del satélite lo hace pasar a lo lejos de la estación terrena, el tiempo de avistamiento puede ser de sólo uno o dos minutos. El poco tiempo de avistamiento no permitiría bajar mucha información del satélite en este último caso, por lo que es muy importante conocer la trayectoria orbital del satélite en todo momento, y en especial, las fechas, horarios, dirección y duración de cada avistamiento cuando el satélite LEO pase cerca de la estación terrena.

MEO

Órbita de una satélite MEO

Los satélites de órbitas bajas (MEOS, por sus siglas en inglés), son aquellos satélites que se encuentran entre las órbitas bajas (LEO) y la órbita geoestacionaria (GEO). Estas órbitas se localizan entre los límites de las órbitas bajas (4,000 km) y el límite inferior de la órbita geoestacionario (35,000 km). Las alturas orbitales comunes que usan los MEOS están entre los 18,000 y los 24,000 km de altura sobre la superficie de la Tierra, como se muestra en la Tabla 2.

Debido a su altura orbital, los MEOS tienen periodos orbitales que están entre las 6 y las 12 horas por cada circunferencia alrededor de la Tierra, por lo que en casos de sistemas espaciales en órbitas MEO se utilizan varios satélites consecutivos en cada órbita, y sincronizados con otras órbitas, para dar cobertura global. El arreglo de múltiples satélites que trabajan en varios planos orbitales de manera coordinada se conoce como Constelación de satélites.

El uso más común de estas órbitas en los sistemas satelitales de navegación global, como el Sistema de Posicionamiento Global por satélite (GPS, por sus siglas en inglés) de los Estados Unidos de América, o el Sistema de Navegación Global por Satélite de la Federación Rusa (GLONASS, por sus siglas en inglés). En la actualidad, aparte de los sistemas de satélites aquí mencionados, hay pocos satélites operando en la órbita MEO.


Tabla 2. Alturas y órbitas típicas desde la superficie de la Tierra
Objeto desde Superficie la Tierra Altura orbital
Nivel del mar 0 km
Cima del Monte Everest 8.8 km
Avión comercial (jet) 10 - 12 km
Ionósfera 50 – 250 km
Satélites LEO 300 – 1,700 km
Estación Espacial Internacional 340 km
Telescopio Espacial Hubble 600 km
1er. cinturón de radiación Van Allen 1,000 – 6,000 km
Satélites MEO 18,000 – 24,000 km
2do. cinturón de radiación Van Allen 14,000 – 40,000 km
Satélites GPS 20,350 km
Satélites GEO 36,000 km
Luna 384,000 km
Marte 56,000,000 km
Sol 149,700,000 km

Planos orbitales

Una constelación de satélites trabaja en forma coordinada tanto en tiempo como en espacio formando un sistema de satélites, que puede ofrecer cobertura global las 24 horas del día mediante satélites en órbitas LEO (Sistemas Iridium, Globalstar) o en órbitas MEO (Sistemas GPS, GLONASS), proporcionando cobertura global en cualquier momento (24 horas del día), y en cualquier lugar del mundo incluyendo los polos. Bajo ciertas condiciones, se puede incluso considerar cobertura cuasi-global mediante sistemas satélites en un sólo plano ecuatorial en órbita GEO (Intelsat, Inmarsat), aunque sin cobertura en los polos. Cuando se usan satélites en distintos planos orbitales, se deben evitar huecos de servicio a los usuarios causados por un mal diseño de los planos orbitales, por la mala ubicación consecutiva de los satélites en un mismo plano, o por el mal funcionamiento de alguno de los satélites en un plano dado.