Satélites geoestacionarios: Características, ubicación y mucho más

Los satélites geoestacionarios son satélite cuya altura y velocidad les permiten coincidir con la velocidad de rotación de la Tierra y parecer mantenerse estáticos desde la Tierra. Pueden cubrir grandes áreas y ofrecen muchos servicios,  tales como la televisión satelital, la radio, pronósticos meteorológicos, entre otros.

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¿Qué son los satélites geoestacionarios?

Pocos aspectos de la era espacial han tenido tanto impacto en nuestras vidas cotidianas como la invención del satélite de comunicaciones. En tan solo unas pocas décadas, han alcanzado incluso los lugares más remotos del mundo de formas que no hace mucho tiempo eran apenas imaginables.

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De hecho, hoy en día es posible hablar directamente con escaladores en la cima del Monte Everest o comunicarse a través de Internet con prácticamente cualquier sistema de computadora en la superficie del planeta, todo con la ayuda de satélites de comunicaciones.

Los satélites de comunicaciones realizan sus tareas en muchos tipos de órbitas, que van desde constelaciones cercanas a la Tierra como Globalstar hasta la excéntrica y altamente inclinada orbita Molniya utilizada por la Federación Rusa.

Sin embargo, una de las clases más importantes de órbitas para estos satélites es la órbita geoestacionaria, las cuales son adecuadas no solo para las comunicaciones por satélite, sino también para observaciones meteorológicas y muchos otros tipos de aplicaciones.

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Los satélites geoestacionarios orbitan el ecuador a la misma velocidad que la Tierra gira, una vez por día y en sintonía con la órbita geoestacionaria. Orbitan a una distancia de 35,900 kilómetros sobre un punto casi fijo sobre el Ecuador en la superficie de la Tierra. Este posicionamiento permite el monitoreo continuo de una región específica mientras campo de visión cubre aproximadamente un tercio de la superficie de la Tierra.

Están ubicados exactamente sobre el ecuador de la Tierra y giran alrededor de ésta en una órbita circular. Su velocidad y dirección giratorias (de oeste a este) son exactamente las mismas que las de la tierra, lo que los hace estacionarios desde la superficie de la Tierra. Un satélite geoestacionario debe estar a una distancia establecida sobre la Tierra o sufrirá una disminución de altitud, por lo tanto, si está demasiado lejos de la Tierra, escapará por completo de su campo de gravedad.

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Los satélites geoestacionarios han modernizado y transformado las comunicaciones en todo el mundo, desde la radiodifusión de televisión hasta los pronósticos meteorológicos. También tienen varias aplicaciones importantes en el campo de la inteligencia y estrategia militar.

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Características

El término geoestacionario se deriva del hecho de que este tipo de satélite se ve prácticamente estático en el cielo cuando alguien lo observa desde la superficie de la Tierra. La trayectoria orbital de un satélite geoestacionario se llama Clarke Belt, en honor al autor de ciencia ficción Arthur Clarke, a quien se le atribuye la idea.

Publicó un artículo en 1945 que sugería que los satélites artificiales podrían servir como relés de comunicaciones después de estudiar una investigación sobre cohetes alemanes realizada en la Segunda Guerra Mundial. La primera órbita geosincrónica exitosa fue en el año 1963 y la primera órbita geoestacionaria fue en 1964.

Cuando un satélite o nave espacial se encuentra en una órbita geosincrónica, se sincroniza con la rotación de la Tierra, pero la órbita se inclina hacia el plano ecuatorial. Los satélites en estas órbitas cambian de latitud pero permanecen en la misma línea de longitud. Esto difiere de una órbita geoestacionaria a medida que el satélite se mueve en su posición y no se fija en una sola ubicación en el cielo.

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Un satélite geoestacionario permanece en la misma posición mientras proporciona cobertura de la misma área en la superficie de la Tierra y puede prestar servicios a áreas o regiones específicas en la superficie de la Tierra tales como televisión, telecomunicaciones y representación de imágenes de una manera predecible y más eficiente que un satélite que tiene que ser constantemente conducido a una posición.

Ubicación

Estos satélites se colocan a gran altitud, lo que les permite inspeccionar toda el área de la superficie de la tierra, excepto las pequeñas regiones en los polos geográficos sur y norte, y ayudan significativamente en los estudios meteorológicos. Las antenas parabólicas altamente direccionales pueden reducir las intervenciones de señales desde fuentes terrestres y también de otros satélites.

El sector orbital es un bucle muy delgado en el plano del ecuador; por lo tanto, se puede mantener un número muy pequeño de satélites dentro de este sector sin conflictos y colisiones mutuas. La ubicación precisa de un satélite geoestacionario fluctúa un poco durante cada ciclo de 24 horas. Esta fluctuación ocurre debido a la interferencia gravitacional entre el satélite, la Tierra, el Sol, la Luna y otros planetas.

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Las señales de radio toman aproximadamente 1/4 de segundo para un viaje bidireccional al satélite, lo que resulta en una espera de señal pequeña pero importante. Esta espera es un problema para la comunicación interactiva, como la conversación telefónica.

Órbita geoestacionaria

Una órbita geoestacionaria es una órbita especial donde cualquier satélite dentro de su rango parecerá estacionario sobre un punto en la superficie de la tierra. Sin embargo, a diferencia de las otras clases de órbitas, donde puede haber una familia de órbitas, solo hay una órbita geoestacionaria.

Para que cualquier órbita sea geoestacionaria, primero debe ser geosincrónica.Una órbita geosincrónica es cualquier órbita que tiene un período igual al período de rotación de la Tierra.

Sin embargo, este requisito no es suficiente para garantizar una posición fija en relación con la tierra. Si bien todas las órbitas geoestacionarias deben ser geosincrónicas, no todas las órbitas geosincrónicas son geoestacionarias. Desafortunadamente, estos términos a menudo se usan indistintamente.

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En la mayoría del tiempo, consideramos que la rotación de la tierra se mide en relación con la posición media del Sol. Sin embargo, dado que el Sol se mueve en relación con las estrellas (espacio inercial) como resultado de la órbita de la Tierra, un día solar medio no es el período de rotación decisivo. (Ver articulo: El Sol)

Un satélite geosincrónico completa una órbita alrededor de la Tierra en el mismo tiempo que le toma a la Tierra hacer una rotación en el espacio inercial (o fijo). Este período de tiempo se conoce como un día sidéreo y equivale a 23:56:04 horas de tiempo solar medio. Sin ninguna otra influencia, la Tierra se orientará de la misma manera en el espacio inercial cada vez que un satélite con este período regrese a un punto particular de su órbita.

Historia

Herman Potočnik, ingeniero esloveno especialista en cohetes, publicó en 1929 un libro que proponía que era posible vivir en el espacio. En él, hablaba de estaciones espaciales habitadas en órbita geoestacionaria.

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Sin embargo, la persona más ampliamente reconocida por el concepto de usar esta órbita para las comunicaciones es Arthur Clarke, escritor y científico británico, el cual amplió la idea de Herman proponiendo un trío de dispositivos posicionados sobre la tierra y capaces de comunicarse entre sí en línea directa de visión.

Clarke en su publicación “V2 for Ionospheric Research” en 1945, decía que un satélite artificial a la distancia correcta de la tierra haría una revolución cada 24 horas, es decir, permanecería estacionario sobre el mismo punto y estaría dentro del alcance óptico de casi la mitad de la superficie terrestre.

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Tres estaciones repetidoras, con 120 grados de separación en la órbita correcta, podrían brindar cobertura de televisión y microondas a todo el planeta.

En el mismo documento, Clarke explica tambien las capacidades de un satélite de telecomunicaciones, afirmando que un cohete que pudiera alcanzar una velocidad de 8 kilómetros por segundo “paralelo a la superficie de la Tierra” continuaría rodeándolo para siempre en una órbita cerrada; por lo que se convertiría en un “satélite artificial”.

V2 solo puede alcanzar un tercio de esta velocidad en las condiciones más favorables, pero si su carga consiste solo en un pequeño cohete de una tonelada, este componente superior podría alcanzar la velocidad requerida con una carga de alrededor de 100 libras.

Por lo tanto, sería posible tener un quintal de instrumentos que circulen alrededor de la tierra perpetuamente fuera de los límites de la atmósfera y transmitan información mientras duren las baterías. Dado que el cohete estaría bajo la luz del sol durante la mitad del tiempo, el período de funcionamiento podría prolongarse indefinidamente mediante el uso de termopares y elementos fotoeléctricos.

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El período de revolución de un satélite alrededor de la Tierra está fijado por su distancia desde el centro de la tierra. Es un hecho de que si pones un satélite en órbita a 22.300 millas por encima de la superficie terrestre en la misma dirección que la rotación de la Tierra, parecerá que está parado sobre el mismo punto. Estas teorías e ideas fueron el punto de partida para el diseño y desarrollo de los satélites geoestacionarios.

El primer satélite geoestacionario de la NASA, Syncom I, fue lanzado el 14 de febrero de 1963, pero dejó de enviar señales debido a fallas técnicas encontradas segundos antes de alcanzar su órbita final. Cinco meses después se lanzó Syncom II, convirtiéndose en el primer satélite de comunicaciones geosincrónicas operativo y demostrando efectivamente la viabilidad del sistema.

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Syncom III, se convirtió en el primer satélite geoestacionario, cumpliendo finalmente la predicción hecha por Clarke casi veinte años antes y se utilizó para transmitir la cobertura en vivo de los Juegos Olímpicos de Tokio 1964 a estaciones en Europa y América del Norte.

Métodos de comunicación

Se puede contactar con un satélite geoestacionario a través de una antena direccional, comúnmente una pequeña antena parabólica dirigida a la ubicación en el cielo en donde el satélite parece flotar. Estas antenas parabólicas se pueden colocar permanentemente en un lugar y son de bajo precio en comparación con las antenas de rastreo. (Ver articulo: Antenas parabólicas o satelitales)

Un satélite geoestacionario puede cubrir aproximadamente el 40% de la superficie de la Tierra. Tres de estos satélites geoestacionarios, cada uno separado por 120 grados de longitud, ofrecen una cobertura total de la superficie de la tierra, con la omisión de pequeñas áreas circulares situadas en los polos geográficos norte y sur. El tiempo de vida útil promedio de un satélite geoestacionario es de diez a quince años.

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Localización satelital

La facilidad de rastreo, o más bien la falta de seguimiento, es una de las principales características de la órbita geoestacionaria que la hace tan valiosa. Un observador en el suelo simplemente puede apuntar una antena hacia un punto fijo en el espacio y luego olvidarse de ella; no se requiere seguimiento.

Sin embargo, antes de que se pueda apuntar la antena, el observador debe determinar primero dónde se encuentra el satélite. El primer paso para determinar la ubicación de un satélite en relación con un observador es determinar tanto la posición del satélite como la del observador en el mismo sistema de coordenadas. (ver articulo: Satélites del planeta Tierra)

Para ello se utiliza el Earth-Centered Fixed (ECF) (latitud, longitud y radio o altitud), como sistema de coordenadas común. Una de las formas más comunes de expresar la posición de un satélite geoestacionario es especificando su longitud, es decir, la longitud en el ecuador sobre la que parece flotar el satélite.

Para que el satélite sea geoestacionario, por supuesto, su latitud debe ser cero y su altitud debe ser de 36.000 kilómetros. Conociendo la longitud del satélite y la latitud y longitud del observador, es posible determinar en dónde observar.

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¿Por qué los satélites geoestacionarios se mantienen fijos en el cielo?

Para garantizar que un satélite permanezca sobre un punto particular en la superficie de la Tierra, la órbita también debe ser circular y tener inclinación cero. Tanto la órbita geoestacionaria como la geosincrónica son circulares.

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Mientras que cada satélite completará su órbita en el mismo tiempo que le toma a la Tierra rotar una vez, es evidente que el satélite geosincrónico se moverá al norte y al sur del ecuador durante su órbita, mientras que el satélite geoestacionario no lo hará.

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Las órbitas con excentricidad distinta de cero (es decir, órbitas elípticas en lugar de circulares) darán lugar a derivas hacia el este y el oeste a medida que el satélite vaya más rápido o más lento en varios puntos de su órbita. Las combinaciones de inclinación y excentricidad distintas de cero darán como resultado un movimiento relativo a un punto de tierra fijo.

Solo los satélites que orbitan con un período igual al período de rotación de la Tierra y con excentricidad e inclinación cero pueden ser satélites geoestacionarios. Esto es debido a que solo hay una órbita geoestacionaria y es un cinturón que rodea el ecuador terrestre a una altitud de aproximadamente 35.786 kilómetros.

Es importante aclarar que no es posible orbitar un satélite que está estacionario sobre un punto que no está en el ecuador. Sin embargo, esta limitación no es seria, ya que la mayor parte de la superficie de la Tierra es visible desde la órbita geoestacionaria.

De hecho, un solo satélite geoestacionario puede ver el 40 por ciento de la superficie de la Tierra y una constelación de satélites geoestacionarios, como el sugerido por Clarke, puede ver casi toda la superficie de la Tierra.

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Actitud u orientación de los satélites geoestacionarios

Todas las naves espaciales geoestacionarias modernas utilizan una de las dos formas de estabilización para mantener su actitud: la estabilización de doble giro o la de tres ejes. Con la estabilización de doble giro, el satélite toma la forma de un cilindro que gira alrededor de su eje largo.

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Este tipo de satélite tiene dos secciones: una sección de giro sobre la que se montan los paneles solares y una sección posterior donde se montan las antenas de comunicaciones. La sección de centrifugado proporciona estabilización básica y puede rotar tan rápido como 100 revoluciones por minuto o RPM.

La sección de despunte también gira, aunque a un ritmo mucho más lento, de una rotación por órbita (día), manteniendo las antenas apuntando a la tierra e impidiendo que el satélite entre en un giro plano (que es la tendencia natural).

Con la estabilización de tres ejes, la actitud de la nave espacial se mantiene mediante el uso de ruedas de impulso o giroscopios de control de momento. El cuerpo de la nave espacial gira una vez por órbita (día) para mantener las antenas apuntando a la Tierra. Los paneles solares están montados sobre paletas que también giran una vez al día para mantenerlos apuntando hacia el sol.

En ambos casos, se debe tener en cuenta que el eje de rotación del satélite es perpendicular al plano orbital del satélite, que para las órbitas geoestacionarias es el plano ecuatorial.
Ventajas y desventajas de los satélites geoestacionarios.

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La ventaja de un satélite en una órbita geoestacionaria es que permanece estacionario con respecto a la superficie de la tierra. Esto la convierte en una órbita ideal para las comunicaciones, ya que no será necesario rastrear el satélite para determinar en dónde apuntar una antena.

Sin embargo, hay algunas desventajas. La primera es la gran distancia entre el satélite y el suelo, pero con suficiente potencia o una antena lo suficientemente grande, esta limitación se puede superar.

El hecho de que haya una sola órbita geoestacionaria presenta una limitación más seria, debido a los espacios en los que se pueden colocar los satélites geoestacionarios.

La principal limitación aquí es el espaciamiento de los satélites a lo largo de la banda geoestacionaria, de modo que las frecuencias limitadas asignadas a este fin no produzcan interferencia entre los satélites en el enlace ascendente o descendente. También es necesario asegurarse de que los satélites no estén lo suficientemente cerca como para toparse entre sí.

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Si bien los nuevos satélites de comunicaciones pueden ubicarse inicialmente en una verdadera órbita geoestacionaria, existen varias fuerzas que actúan para alterar sus órbitas a lo largo del tiempo.

Como el plano orbital geoestacionario no coincide con el plano de la órbita terrestre (la eclíptica) o el de la órbita lunar, la atracción gravitatoria del Sol y la Luna actúa para sacar a los satélites geoestacionarios de su órbita ecuatorial, aumentando gradualmente cada inclinación orbital del satélite.

Además, la forma no circular del ecuador de la tierra hace que estos satélites sean atraídos lentamente a uno de los dos puntos de equilibrio estables a lo largo del ecuador, lo que resulta en una libración este-oeste alrededor de estos puntos.

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Mantenimiento

Para contrarrestar estas perturbaciones, se carga suficiente combustible en todos los satélites geoestacionarios para corregir periódicamente cualquier cambio a lo largo de la vida planificada del satélite. Estas correcciones periódicas se conocen como “mantenimiento de la estación”.

El mantenimiento de la estación norte-sur corrige lentamente la inclinación que aumenta de nuevo a cero y el mantenimiento de la estación este-oeste mantiene al satélite en su posición asignada dentro del cinturón geoestacionario.

Estas maniobras están planificadas para mantener el satélite geoestacionario a una distancia pequeña de su ubicación ideal (norte-sur y este-oeste). Esta tolerancia normalmente está diseñada para garantizar que el satélite permanezca dentro del rango de las antenas de Tierra sin necesidad seguimiento.

 

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Final de su vida útil

Una vez que el satélite haya agotado su combustible, su inclinación comenzará a crecer y comenzará a desplazarse en longitud y puede representar una amenaza para otros satélites geoestacionarios.

A menudo, los satélites geoestacionarios se impulsan a una órbita un poco más alta al final de su vida útil planificada para evitar que causen estragos con otros satélites geoestacionarios. Esta maniobra final asume que no se ha producido ninguna falla no planificada que pueda evitarla (como una falla de energía o comunicaciones).

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Interferencia solar

Además de planificar las variaciones en el poder de las naves espaciales, los operadores de satélites y los usuarios también deben planificar las interrupciones (o degradación) de las comunicaciones en torno a las temporadas de eclipse. (Ver articulo: Eclipse Solar y sus consecuencias)

A medida que el Sol recorre el cielo cada día y se mueve gradualmente hacia el norte o hacia el sur con las estaciones, llegará un momento (dos veces al año) cuando el Sol esté directamente detrás de un satélite geoestacionario visto desde una antena terrestre.

Cuando esto sucede, la corriente de radio energía solar en el lóbulo principal de la antena puede interrumpir seriamente las comunicaciones. Afortunadamente, tales interrupciones solo duran un par de minutos.

Es posible mira uno de estos cortes o interrupciones mientras se observa un canal de cable (la mayoría de los cuales se transmiten a través de satélites geoestacionarios). Para los observadores en el hemisferio norte, esto ocurre antes del equinoccio de primavera y después del equinoccio de otoño.

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Problemas de administración de energía

Como ocurre con todos los satélites, los paneles solares en los satélites geoestacionarios están sujetos a un número de factores que pueden provocar fluctuaciones significativas en la cantidad de energía disponible para sus sistemas.

Para empezar, la posición del satélite en relación con el sol varía a lo largo del año. El movimiento aparente del sol sobre y debajo del plano ecuatorial tiene dos efectos. En primer lugar, cambia el ángulo de incidencia de la energía solar recibida en los paneles solares, ya que deben girar alrededor de un eje perpendicular al plano ecuatorial.

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Como resultado, la cantidad de energía solar absorbida por los paneles solares se reduce. Si consideramos que la cantidad de energía recibida cuando los rayos del sol son perpendiculares a los paneles solares es del 100%, la energía recibida cae a menos del 92% en los solsticios.

Si también tomamos en cuenta los efectos de la degradación en las células solares y sus cubiertas ópticas debido al entorno espacial, tenemos como resultado que la cubierta óptica se degrada alrededor de 7 % el primer año antes de la estabilización, mientras que las células solares se degradan alrededor del 3% en su primer año y 2% cada año subsiguiente.

Los satélites geoestacionarios y el sistema GPS

El Sistema de Posicionamiento Global o GPS fue desarrollado por los militares de los Estados Unidos y luego se lanzó para el uso civil. Hoy en día se para rastrear aviones, barcos, trenes, autos o literalmente cualquier cosa que se mueva. Cualquiera puede comprar un receptor y rastrear su ubicación exacta usando un receptor GPS.

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Es importante destacar que los satélites GPS no se encuentran en la órbita geoestacionaria, ya a que deben ser posicionados a una altura de aproximadamente 19.300 kilómetros y orbitar la Tierra una vez cada 12 horas. Estos satélites viajan alrededor de la Tierra a velocidades de aproximadamente 11.200 kph y funcionan con energía solar.

Tienen baterías de respaldo a bordo para mantenerlas en funcionamiento en caso de un eclipse o cuando no hay energía solar. Los pequeños cohetes propulsores en cada satélite los mantienen volando en la ruta correcta y tiene una vida útil de aproximadamente 10 años hasta que se acaba todo el combustible. Alrededor de 24 satélites GPS orbitan la tierra cada 12 horas.

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En cambios, Los satélites geoestacionarios o de comunicaciones están estacionarios en el espacio a 35,900 kilómetros sobre el ecuador de la tierra y se utilizan generalmente para el pronóstico del tiempo, la televisión satelital, la radio satelital y la mayoría de otros tipos de comunicaciones globales.

Se requiere una antena parabólica o receptor instalado para recibir la señal y posicionarla para que apunte directamente al satélite.

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