Comunicaciones Satelitales

Para esta tarea del laboratorio de Redes de Telecomunicaciones, se nos pidió realizar una investigación de las aplicaciones de las comunicaciones satelitales, los mecanismos para interceptar las comunicaciones y las formas en que son protegidas estas comunicaciones.

Algunas de las aplicaciones más importantes de los satélites son:

Navegación

El satélite de navegación es un satélite colocado en el espacio para propósitos de navegación. Es un sistema de posicionamiento por radio que comprende una o más constelaciones de satélites, aumentados lo que sea necesario para soportar la operación prevista, también proporciona posicionamiento, velocidad e información del tiempo las 24 horas a los usuarios equipados en cualquier zona que se encuentre en o cerca de la superficie de la tierra. El sistema GPS es el elemento principal del sistema de navegación por satélite. 

La constelación actual consta de 21 satélites operativos y 3 repuestos activos. Los satélites están en órbitas con períodos de operación de aproximadamente 12 horas a una altitud de 20,200 kilómetros. La constelación orbital está compuesta de 6 planos orbitales, cada uno inclinado con respecto al plano ecuatorial por cerca de 55 grados. 

Comunicaciones

Un satélite de comunicaciones es un satélite artificial colocado en el espacio con fines de de telecomunicaciones. Los satélites de comunicaciones modernos utilizan órbitas geoestacionarias, órbitas Molniya ú órbitas baja terrestre.

Órbita geoestacionaria

La órbita geoestacionaria es útil para aplicaciones de comunicaciones debido a su antena ubicada en el suelo, la cual debe estar dirigida hacia el satélite y puede funcionar eficazmente sin la necesidad de equipos costosos utilizado para rastrear el movimiento del satélite. Especialmente, para aplicaciones que requieren muchas antenas ubicadas en el suelo (como la distribución directa de señal de televisión) donde los ahorros en el equipo de suelo pueden más que justificar el costo adicional y la complejidad de enviar un satélite a la alta órbita geoestacionaria relativa. 

El primer satélite de comunicaciones geoestacionario era Anik 1, un satélite canadiense que se puso en marcha en 1972. Los Estados Unidos lanzaron después sus propios satélites de comunicaciones geoestacionarios con Western Union el lanzamiento del satélite Westar 1 en 1974, y RCA Americom (después GE Americom y ahora SES Americom) así como Satcom en 1975. En el 2000 Hughes Space and Communications (ahora Boeing Satellite Systems) habían construido cerca de un 40% de los satélites en servicio de todo el mundo.

Órbita Molniya

Estas órbitas pueden ser una alternativa atractiva en algunos casos. La órbita Molniya es altamente inclinada, por lo que garantiza una buena elevación sobre posiciones seleccionadas en la porción norte de la órbita. Está diseñada de manera que el satélite pase la mayoría del tiempo en las latitudes más al norte, en las que su huella en el suelo se mueve ligeramente. Su período es de medio día, de modo que el satélite está disponible para funcionar en una región específica por ocho horas cada segunda revolución. De esta forma, una constelación de tres satélites Molniya puede proporcionar una cobertura ininterrumpida. 

Estos satélites se utilizan mayormente en los servicios de telefonía y televisión. Otra de las aplicaciones es para sistemas de radio móviles. El primer satélite de la serie Molniya fue lanzado el 23 de abril de 1965 y se utiliza para la transmisión experimental de la señal de televisión de la estación de subida de Moscú a las estaciones de bajada que están en el extremo oriente de Rusia en Khabarovsk, Magadan y Vladivostok.

Órbitas baja terrestre (OTB)

Los satélites OTB son menos costosos a la posición en el espacio que los satélites geoestacionarios, debido a su mayor proximidad al suelo, requieren menor fuerza de señal. También es posible ofrecer cobertura discontinua utilizando un satélite de órbita baja terrestre capaz de almacenar los datos recibidos mientras pasa por una parte de la tierra y transmitirlos después mientras pasa por otra parte.

Las aplicaciones de los satélites de comunicación son:

Telefonía 

La primera y la aplicación más importante de estos satélites es la telefonía internacional. Los teléfonos de punto fijo retransmiten las llamadas a una estación en la tierra, donde se transmiten a un satélite geoestacionario. Una ruta análoga es seguida entonces por un enlace descendente. En contraste, los teléfonos móviles deben ser conectados directamente al equipo para la señal de enlace ascendente al satélite, así como asegurar la señalización de satélites en la presencia de perturbaciones.

La telefonía portátil (como los celulares)  que son utilizados en áreas urbanas, no utilizan las comunicaciones por satélite. En lugar de esto, tienen acceso a una constelación en la tierra de estaciones para recibir y transmitir datos. 

Televisión y radio

Existen dos satélites utilizados para el radio y la televisión.

DBS (Direct Broadcast Satellite),  es un término que se utiliza para hacer referencia a las emisiones de televisión por satélite destinadas a la recepción en el hogar, llamada también señal directa al hogar. Abarca la televisión analógica y digital, así como la recepción de radio, también se extiende a otros servicios relacionados a los sistemas de televisión digital modernos. Un servicio DBS se refiere a un servicio comercial, así como a un grupo de canales libres disponibles desde una posición orbital a algún país. 

Servicio Fijo por Satélite (SFS) es la clasificación oficial de los satélites geoestacionarios de comunicaciones utilizados principalmente para alimentar la transmisión de televisión, redes y estaciones de radio. También para la telefonía y comunicaciones de datos. Antes de la llegada del satélite de transmisión directa (DBS), los satélites SFS se utilizaban para el satélite DTH (Direct to home) televisión por satélite desde 1970 hasta el primer sistema de televisión DBS en 1989. 

Tecnología de Satélites Móvil 

Inicialmente disponible para su transmisión a receptores de televisión estacionarios, las aplicaciones de transmisión directa aparecieron con la llegada de dos sistemas de radio satelital: SIRIUS y XM Satellite Radio Holdings. Algunos fabricantes han introducido antenas espaciales para la recepción móvil de televisión DBS.

Radio Amateur

Los operadores amateur tienen acceso a los satélites OSCAR que son diseñados específicamente para llevar el tráfico de radio amateur. La mayoría de estos satélites funcionan como repetidores en el espacio, y son accesados generalmente amateurs equipados con equipo de radio UHF o VHF. Debido a las limitaciones del equipo amateur, los satélites más amateur se lanzan en órbitas baja terrestre.

Satélites de banda ancha

En los últimos años, la tecnología de comunicación por satélite se ha utilizado como un medio para conectarse a Internet a través de conexiones de datos de banda ancha. Esto es muy útil para los usuarios probar que se encuentran en zonas muy remotas, y no puede acceder a una línea fija de banda ancha o conexión telefónica.

Clima

El pronóstico del tiempo utiliza una gran variedad de observaciones desde las cuales se analiza el estado actual de la atmósfera. Desde el lanzamiento del primer satélite meteorológico en 1960 las observaciones globales han sido posibles, incluso en las zonas más remotas. 

Durante los años 1970s y 1980s una amplia gama de misiones satelitales se han lanzado. Algunos instrumentos de los satélites permiten una mejor estimación de la humedad, las nubes y las precipitaciones. Otros permiten la estimación de la velocidad del viento.

Imágenes de satélite

La forma básica de las imágenes de satélite proveen imágenes de las actuales condiciones de nubosidad. Sin embargo estas imágenes también pueden someterse a diferentes procesamientos que permitan obtener información sobre importantes variables climatológicas como la velocidad y dirección del viento, la altura de las nubes, la temperatura superficial, la capa de hielo del mar, cubierta vegetal, precipitación, entre otras cosas.

La principal ventaja de los satélites es su capacidad para producir una cobertura casi global, que se vuelve muy importante sobre los océanos y regiones despobladas, donde otros métodos de observación son impracticables. 

En grandes zonas del hemisferio sur, los satélites son el único miedo de observación de la Tierra. Además de la observación de los cambios en las características superficiales como la vegetación y la temperatura superficial del mar, también las imágenes de satélite pueden capturar el desarrollo de características transitorias como nubes de agua o de hielo.

Existen dos tipos de satélites equipados con instrumentos utilizados para obtener imágenes meteorológicas.

• Órbitas polares, que se colocan cerca de 900 km sobre la superficie de la Tierra en una órbita heliosincrónica, lo que significa que ven la misma parte de la Tierra a la misma hora cada día. Estas órbitas hacen cerca de 14 órbitas por día y pueden ver todas las partes de la atmósfera, al menos dos veces al día. A pesar de que su resolución temporal es limitada, tienen una alta resolución espacial ya que están relativamente cerca de la superficie de la Tierra.
• Los satélites geoestacionarios están situados cerca de 36,000 km sobre el ecuador en una órbita geoestacionaria, lo que quiere decir que siempre se fijan en posición sobre una parte de la Tierra. Estos satélites exploran continuamente (tienen una alta resolución temporal de 15 a 30 minutos), pero tienen una resolución espacial limitada (entre 3-10 km entre los pixeles).

Existen diferentes instrumentos que escanean diferentes longitudes de ondas y proporcionan diferente información acerca de la atmósfera:

• Radiación infrarroja - visualización de las nubes e imágenes producidas de noche.
• Radiación de vapor de agua - visualización de distribuciones de vapor de agua en zonas libres de nubes y visualización de nubes.
• Radiación visible - visualización de nubes que están reflejadas por la luz del sol, no producen imágenes de noche.

Mecanismos para Interceptar Satélites

Los enlaces por satélite son vulnerables a las condiciones inhóspitas, como la actividad solar y las perturbaciones atmosféricas. El número cada vez mayor de los satélites está poniendo una gran demanda en ciertas frecuencias y órbitas que causan la congestión orbital / espectral. Esta congestión puede provocar interferencia no intencional de servicios por satélite.

Los satélites también son vulnerables a los ataques intencionales de humanos dirigidos a estaciones de tierra, satélites en el espacio, o interferir en los enlaces de control y seguimiento. 

Algunas de las amenazas que se deben de tomar en cuenta son las siguientes:

Satélites terrestres 

• Destrucción física, este ataque es vulnerable para las estaciones de tierra y para las redes de comunicación.
• Sabotaje, afecta a los enlaces.

Satélite del espacio (Antisatelite)

• Interceptores, los satélites son vulnerables a estos ataques.
• Armas de energía directa como lásers o pulsos electromagnéticos, los satélites, el centro de control y los enlaces de datos son vulnerables a estos ataques.

Interferencia

• Ataques cibernéticos (Software malicioso, denegación de servicio, spoofing, interceptación de datos), todos los sistemas satelitales y las redes de comunicación están expuestos a estos ataques.
• Jamming, todos los sistemas satelitales son vulnerables.
• Actividad solar; perturbaciones atmosféricas y solares, todos los sistemas satelitales son vulnerables.

En vista de la importancia de los sistemas espaciales en las economías nacionales e internacionales, la creciente dependencia de los mismos, y las amenazas a que se enfrentan, se pide a los gobiernos de todo el mundo explorar las diversas técnicas de seguridad disponibles para proteger los sistemas de satélites de uso no autorizado, la interrupción o daños. El presidente de la India hizo un llamado a una fuerza espacial internacional para proteger a los satélites de cualquier guerra que puede extenderse al espacio. El nuevo plan maestro de la Fuerza Aérea Comando Espacial de EE.UU. prevé nuevos sistemas espaciales para proteger los activos estadounidenses en el espacio.

Los ingenieros de sistemas por satélite tendrán que pensar en nuevos materiales de protección que puedan proteger mejor a los satélites de los ataques atmosféricos y ambientales. Algunos satélites militares actualmente son "endurecidos" para protegerlos contra la radiación de pulso electromagnético y en contra de la colisión con micro desechos. 

El crecimiento de la basura espacial y de las actividades en los satélites espaciales comerciales y militares en todo el mundo requieren de algún tipo de sistema de tráfico espacial. Se necesita un sistema que controle el tráfico en los alrededores de la nave espacial de gran valor, como la Estación Espacial, así como el control de tráfico en órbitas muy transitadas. Para las órbitas fuera de servicio, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos está trabajando en normas para la migración de escombros por los usuarios comerciales del mismo país. 

Las compañías de satélites comerciales también deberían tener en cuenta la ubicación y el diseño de sus estaciones terrenas de satélite con el fin de minimizar los posibles daños ocasionados por desastres naturales, como terremotos, tormentas e inundaciones. Por otra parte, se necesita seguridad física de estas estaciones para proteger contra las actividades terroristas y otros ataques intencionales.

Se necesitan mejores técnicas de cifrado y algoritmos para evitar la piratería y la suplantación de señal. Con el aumento de la popularidad de procesamiento de señales digitales, tales algoritmos son cada vez más potentes en la obtención de enlaces ascendentes y descendentes por igual.

La protección del ambiente espacial beneficiará a toda la humanidad. A pesar de que algunas naciones sólo buscan dominar el espacio con el fin de servir a sus intereses nacionales y la ganancia política, es deber de todas las naciones unirse en un esfuerzo pacífico y ver el espacio como nuestro escenario futuro para la exploración científica y tecnológica para beneficiar a toda la humanidad.

Conclusiones:

La seguridad en los satélites es muy importante ya que algunos de los satélites son de ayuda no sólo para algunos si no para muchos de nosotros. Aunque algunas personas hagan ataques para perjudicar a personas en realidad perjudican a mucha gente. Por eso hay que prevenir todo tipo de ataques, aunque por ejemplo los ataques que son causados por el medio ambiente son a veces impredecibles pero en otras ocasiones se puede hacer algo para prevenir.

En cuanto a los ataques de telefonía o televisión reciben ataques o las señales son interceptadas es algo grave que debe ser monitoreado, por lo que se utilizan algunos métodos ya sea de encriptación o algunos otros que son de gran importancia en las comunicaciones satelitales.

Referencias

Akir, Zaid. (2004). Space security: Possible issues & potential solutions. Retrieved from http://spacejournal.ohio.edu/issue6/overview2.html

Pakistan Space and Upper Atmosphere Research Comission. (n.d.). Applications of satellites. Retrieved from http://www.suparco.gov.pk/pages/space-awareness.asp