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Qué son los satélites artificiales y cómo funcionan - Parte 2


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Artículo actualizado por última vez el 28 de junio de 2019


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QUÉ SON LOS SATÉLITES Y CÓMO FUNCIONAN - PRIMERA PARTE

 

Altura de satélites artificiales

 
Los satélites artificiales orbitan por encima de la Tierra a distintas alturas dependiendo del tipo de servicio que brindan. A continuación, se describirán las diferentes clases de satélites que orbitan al planeta según su altura comenzando de abajo hacia arriba.
 
 
ÓRBITAS ASÍNCRONAS: 160 - 2000 kilómetros de altura (segmento de órbitas terrestres bajas)
 
Se incluyen satélites de observación, que por lo general orbitan a alturas que se encuentran entre los 480 y 970 kilómetros. Entre sus principales tareas se cuenta la de tomar fotografías del planeta. Un ejemplo de satélite de observación es el Landsat 7 que realiza las siguientes funciones:

  • Mapeado del terreno
  • Análisis de movimientos de capas de hielo y témpanos, así como de retroceso de glaciares o playas costeras.
  • Localización de cambios medioambientales como la desaparición de bosques.
  • Registro de depósitos y yacimientos minerales.
  • Búsqueda de problemas en cultivos agrícolas.
     

Entre los satélites de esta clase también se incluyen los de rescate, que retransmiten las señales de radio enviadas por aviones o buques en peligro a una estación de rescates de emergencia cercana, para que acudan al punto del siniestro.

El transbordador espacial funcionaba como un satélite tripulado (con la diferencia que volvía a la Tierra y podía ser utilizado una y otra vez). El transbordador orbitaba a alturas de órbitas asíncronas. Entre sus principales tareas estaban las de reparación de satélites que ya se encontraban en órbita o la construcción de estaciones espaciales como la actual Estación Espacial Internacional.
 

ÓRBITAS ASÍNCRONAS: 2000 - 10.000 kilómetros de altura (segmento de órbitas terrestres medias-bajas)

Muchos satélites de investigación científica se encuentran a alturas de entre 2.000 y 10.000 kilómetros. Envían sus datos de investigación a la Tierra vía señales de radio. Algunas de las aplicaciones principales de los satélites científicos incluyen:

  • Investigación de flora y fauna regionales.
  • Investigaciones geológicas como el movimiento de continentes o monitoreo de volcanes.
  • Control y seguimiento de ecosistemas.
  • Investigación del cosmos a través de satélites astronómicos de señales infrarrojas.
  • Investigación física, como el estudio de microgravedad por parte de la NASA (o el funcionamiento de las cosas a gravedad muy cercana a cero), o misiones que estudian la física solar.

 

ÓRBITAS ASÍNCRONAS: 10.000 - 35.785 kilómetros de altura (segmento de órbitas terrestres medias)

Para navegación, el Departamento de Estado de Estados Unidos de América desarrolló el Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System - GPS). El GPS utiliza satélites ubicados a alturas de aproximadamente 22.200 kilómetros. Estos satélites sirven para determinar la ubicación exacta del dispositivo GPS que recibe señales del satélite. El receptor GPS puede estár ubicado en un buque en alta mar, en una nave espacial, en un avión, en un automóvil, o simplemente en el bolsillo de una persona.

Dado que esta tecnología ha sido puesta a disposición de los civiles y que los precios de los receptores GPS han caído estrepitosamente, hoy estos receptores que dependen completamente de una serie de satélites construidos y desplegados por el gobierno de Estados Unidos de América están al alcance de cualquier persona.
 

ÓRBITAS GEOESTACIONARIAS: 35.786 kilómetros de altura

Como ya se mencionó anteriormente, los satélites meteorológicos que envían imágenes de las condiciones climáticas de diversas regiones, por lo general se encuentran a 35.786 kilómetros por encima de la línea del Ecuador alrededor del planeta. Se pueden recibir directamente las imágenes de los satélites meteorológicos a través de receptores especiales que captan a las ondas de radio que fueron enviadas desde dichos satélites. Estas imágenes también pueden ser descargadas por medio de programas informáticos en la computadora o el celular (al final del artículo se brinda una lista con enlaces a descargas gratuitas de numerosos programas de recepción de datos en vivo de diversos satélites).

Además, varios tipos de transmisiones telefónicas (de larga distancia especialmente), transmisiones televisivas, así como transmisiones de imágenes y datos desde y hacia puntos distantes entre sí, se envían a través de satélites de comunicación.

Por lo general, las llamadas telefónicas que hacen uso de satélites de comunicación tienen un retraso (delay) de ida y vuelta de entre 260 milisegundos y 1 segundo, por lo que muchas veces, este tipo de comunicaciones se ganan el descontento de los interlocutores. El retraso ocurre porque eso es lo que tardan las señales (que viajan a la velocidad de la luz, a casi 300.000 kilómetros por segundo) en viajar desde un teléfono a la central telefónica que tiene una antena que retransmite a las señales hacia el satélite y éste último a su vez las retransmite a otro punto del planeta o a otro satélite si la ubicación del otro interlocutor se encuentra del lado opuesto de la Tierra (dado que las ondas electromagnéticas de las que están hechas estas señales, viajan en línea recta y no pueden dar la vuelta al mundo por sí solas, deben rebotar de un satélite a otro, hasta posicionarse del lado del planeta del otro interlocutor). Desde el satélite que cubre la zona del otro interlocutor, las señales son enviadas a la antena receptora de la central telefónica de la ciudad donde se encuentra el otro interlocutor y de ahí a su teléfono. Luego, las señales de su respuesta realizarán un viaje similar pero en sentido contrario, dando como resultado otro retraso de entre 260 milisegundos y 1 segundo, dependiendo de la ubicación de los interlocutores.

Los satélites de comunicación son prácticamente estaciones retransmisoras de ondas o señales de radio. Los platos de antenas receptoras de señales satelitales cada vez son más pequeños gracias a que cada vez son más potentes los transmisores de los satélites. Otros servicios que utilizan satélites de comunicación son:

  • Transmisión de noticias de agencias de prensa internacionales.
  • Envío de información financiera en vivo de bolsas de valores a entidades financieras de todo el planeta.
  • Cadenas televisivas como CNN, ESPN, BBC, Fox, etc.
  • Distribuidoras de señales televisivas a suscriptores como DirectTV.

 

Cuánto dinero cuesta un satélite

Las misiones satelitales son muy costosas y los gastos dependen de la complejidad del satélite, que incluyen costos de fabricación, lanzamiento, operación y pólizas de seguros. Un satélite puede costar desde varios cientos de millones de dólares hasta algunos miles de millones, dependiendo de la complejidad y los servicios brindados por éste.

Por ejemplo, en el caso de Argentina, el desarrollo del satélite geoestacionario ARSAT-1 (lanzado el 16 de octubre de 2014 desde la base de lanzamiento ubicada en Kourou, Guayana Francesa) tuvo un costo de aproximadamente US$ 250 millones (dólares estadounidenses).

Otro ejemplo es el del Telescopio Espacial Hubble, lanzado el 24 de abril de 1990 desde el Cabo Kennedy en Estados Unidos. Tuvo un costo de US$ 4.700 millones (en valores ajustados al año 2010). Otros proyecto mayor como el de la nueva generación de satélites que dan vida a los GPS, se estimaba hacia diciembre de 2018 que llegue a costar hasta US$ 12.000 millones, según la Oficina de Responsabilidad Gubernamental de Estados Unidos de América. Un dato que vale señalar es que el servicio de GPS es solventado totalmente por los contribuyentes estadounidenses y puesto a disposición de manera gratuita a todo el mundo.
 
Otro tema muy importante a tener en cuenta es el costo de lanzamiento Dependiendo del tipo de cohete vector, o nave que transportará al satélite y que lo pondrá en órbita, puede tener costos que varían demasiado. Los costos también varían según el peso del satélite a transportar y la órbita en la que se lo colocará. Hay casos en los que un país sin plataforma de lanzamiento propia en su territorio, debe alquilar los servicios de alguna agencia de asuntos espaciales (como la NASA de Estados Unidos, ROSCOSMOS de Rusia, o la Agencia Espacial Europea) que cuente con su propia plataforma de lanzamiento de cohetes, lo cual incrementa los costos. En la actualidad, se suelen alquilar los servicios de la empresa privada estadounidense SpaceX para transportar y colocar en órbita a satélites de otros países. SpaceX opera sus lanzamientos desde las instalaciones de la NASA en Estados Unidos de América.

Por ejemplo, hacia 2018, el precio promedio por kilogramo transportado a órbitas bajas en el cohete Falcon 9 de la empresa SpaceX era de US$ 2.720. Por lo tanto, transportar un satélite de 3.000 kg podía costar más de US$ 8 millones, y eso sin incluir costos adicionales por el transporte de otros elementos necesarios para ponerlo en órbita. Vale aclarar que estos valores son aproximados y varían según el caso.

Los lanzamientos de satélites no siempre son exitosos y varios de ellos han fracasado. Según un reporte publicado por la NASA en marzo de 2019, entre los años 2000 y 2016 el 41,3% de las misiones de satélites pequeños han fallado total o parcialmente (los satélites pequeños son aquellos de menos de 500 kg). De estas misiones, el 24,2% fracasaron totalmente, el 11% fracasaron parcialmente, y el 6,1% fracasaron al momento del lanzamiento. Dichos eventos han propiciado la creación de pólizas de seguros para satélites por parte de las mayores empresas aseguradoras del mundo. Una misión satelital típica está compuesta por las etapas de planeamiento, desarrollo, lanzamiento y puesta en órbita. Toda la misión -desde planeamiento hasta puesta en órbita- puede llevar entre 3 y 5 años en promedio y varios cientos de millones de dólares, y en algunos casos miles de millones de dólares.

Hay cinco tipos de pólizas de seguros para satélites:

  • Seguro de etapa de pre-lanzamiento: provee protección económica en caso de pérdidas o daños surgidos durante el momento en que el satélite abandona las instalaciones de la fábrica y es transportado a la plataforma de lanzamiento. También provee protección durante los chequeos, abastecimiento de combustible para el cohete que llevará al satélite, y hasta el momento en que los motores de dicho cohete vector se enciendan.
     
  • Seguro durante lanzamiento: provee cobertura económica a partir del momento en que se encienden los motores del cohete y hasta que el satélite se separa de dicho cohete una vez que se encuentra en el espacio, y en algunos casos puede extenderse hasta finalizada la etapa de testeo en órbita, dependiendo de la empresa aseguradora y del tipo de misión. Este tipo de pólizas tienen por lo general una duración de 12 meses (aunque la cobertura de la etapa de testeo en órbita se encuentra limitada a períodos que van de entre uno y dos meses). La etapa de lanzamiento es la de mayores probabilidades de falla que tiene una misión satelital.
     
  • Seguro para satélites en órbita: este tipo de pólizas cubren pérdidas físicas, daños o incluso fallas de satélites asegurados durante su estadía en órbita o durante el momento de colocación en órbita del satélite. Algunos de los riesgos incluyen daños causados por objetos que abundan en el hostil espacio exterior (meteoritos, basura espacial, etc) y que pueden colisionar con el artefacto, también cubren los efectos de temperaturas extremas y radiación electromagnética de alta energía (por lo general proveniente del Sol durante períodos de tormentas solares). Dado que por lo general no es posible (o económicamente viable) la reparación de un satélite una vez que se ha puesto en órbita, este tipo de cobertura se considera una garantía de la póliza.
     
  • Seguro contra terceros: independientemente del país de origen del satélite, algunos gobiernos (como el de Estados Unidos de América) donde se encuentran las plataformas de lanzamiento (ya que no todos los países que fabrican satélites cuentan con dichas plataformas en su propio territorio), exigen una póliza de seguro contra terceros a favor del propio estado que presta los servicios de la base, en caso de daños causados durante la etapa de transporte hasta la plataforma, testeos, lanzamiento y usualmente hasta 90 días después del lanzamiento.
     
  • Seguro contra pérdida de ganancias económicas: A pesar de existir este tipo de póliza, en general no son comprados por las empresas o estados responsables de las misiones satelitales.

 

Qué es AMSAT

AMSAT (Radio Amateur Satellite Corporation) es una organización sin fines de lucro de radioaficionados a nivel mundial que fabrica sus propios satélites. Los radioaficionados miembros de AMSAT han participado -y aún participan- en el desarrollo y ensamblaje de más de 100 satélites (101 satélites hacia mayo de 2019), control desde tierra de los satélites en órbita, conversaciones, así como escuchas mediante el uso de receptores y transmisores de radio.

Las señales de satélites AMSAT pueden ser captadas, por lo general, por receptores de onda corta. Por ejemplo, los radioaficionados utilizan estos satélites para intercomunicarse en casos de desastres naturales cuando las líneas telefónicas y teléfonos celulares dejan de funcionar o las redes se encuentran saturadas.

Los satélites construidos por AMSAT suelen colocarse en órbita casi como un favor o aventón en espacios libres del compartimento de cargas en cohetes de misiones oficiales. El primer satélite AMSAT puesto en órbita en 1961 se llamó OSCAR (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio - Satélite Orbitante Portador de Ondas de Radio). Muchos de los satélites AMSAT cuentan con capacidades de transmisión de datos, voces e imágenes.

El sitio Web de AMSAT ofrece la descarga gratuita de programas para el monitoreo y seguimiento de satélites, así como la recepción de datos enviados por los satélites.

AMSAT fue creada como organización educativa en Washington, DC, Estados Unidos de América en 1969. Su objetivo inicial era fomentar la participación de radioaficionados en investigación y comunicación espacial. AMSAT fue creada para continuar las actividades comenzadas en 1961 por el Proyecto OSCAR, un grupo de radioaficionados de California que apenas cuatro años después del lanzamiento del primer satélite de la historia, el Sputnik, construyeron y lanzaron al primer satélite de radioaficionados, el OSCAR 1, puesto en órbita el 12 de diciembre de 1961.

A lo largo de las siguientes cinco décadas se fueron sumando al proyecto AMSAT radioaficionados de muchos países. Son tres los países latinoamericanos con radioaficionados que cuentan con satélites AMSAT: Argentina, México y Brasil.

A continuación se muestra una lista con los satélites AMSAT de países latinoamericanos:

  • LUSAT-OSCAR 19 (Argentina): primer satélite de Argentina. Construido en los laboratorios de AMSAT en Boulder, Colorado, Estados Unidos de América (aunque contiene algunas partes construidas en Argentina). Lanzado el 22 de enero de 1990 en un cohete Ariane 4 desde la Base Espacial de Kourou en Guayana Francesa.
     
  • Dove-OSCAR 17 (Brasil): construido en los laboratorios de AMSAT en Boulder, Colorado, Estados Unidos de América por encargo de radioaficionados de AMSAT Brasil. Lanzado el 22 de enero de 1990 en un cohete Ariane 4 desde la Base Espacial de Kourou en Guayana Francesa.
     
  • UNAMSat-Mexico-OSCAR 30 (México): primer satélite manufacturado en México. Fue construido por la Universidad Nacional Autónoma de México. Lanzado el 5 de septiembre de 1996 en un cohete KOSMOS-3M desde el cosmódromo de Plesetsk en Rusia.
     
  • PehuenSat-OSCAR 63 (Argentina): construido en Argentina por la Asociación Argentina de Tecnología Espacial (AATE), Universidad Nacional del Comahue, y AMSAT Argentina. Lanzado el 1 de octubre de 2006 desde la base espacial Satish Dhawan en la India.
     
  • LUSat-OSCAR 74 (Argentina): construido en Argentina por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva y la empresa local Satellogic S.A. Lanzado el 21 de noviembre de 2013 desde Rusia.
     
  • LUSEX-OSCAR 87 (Argentina): construido en Argentina y Uruguay por la empresa local Satellogic S.A. y AMSAT Argentina. Lanzado el 30 de mayo de 2016 desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Taiyuan en China.

Que es AMSAT
Satélite del Sistema de Radioaficionados AMSAT

 
Qué es la basura espacial

La basura espacial en órbita proviene de distintas fuentes:

  • Cohetes que han explotado, siendo estos los mayores causantes de desechos espaciales que orbitan alrededor del planeta Tierra.
     
  • Herramientas u objetos que se escapan de las manos de astronautas mientras trabajan en la reparación de artefactos (como satélites), o la construcción o ensamblaje de naves (como la Estación Espacial Internacional). Por ejemplo, mientras un astronauta está trabajando fuera de la nave que lo transporta, y se le escapa una herramienta de la mano, ésta se pierde para siempre, ya que comienza a orbitar a una velocidad aproximada de entre 7 y 10 kilómetros por segundo (aproximadamente entre 25.000 y 36.000 km/h). A tal velocidad, una herramienta perdida (como una llave inglesa) puede llegar a ser desastrosa para una nave tripulada si llegara a colisionar con ésta. Y cuanto mayor sea la nave, mayor es el blanco de colisión para un objeto "basura" orbitando, por lo que las naves grandes tienen mayor riesgo de ser golpeadas.
     
  • Elementos u objetos desvinculados o desenganchados de vehículos o satélites, como antenas desprendidas, lentes de cámara, celdas solares, y otras partes de artefactos orbitando.
     
  • Satélites no operativos, propulsores de cohetes extintos que se separan en la etapa de lanzamiento de naves espaciales. 

Según un reporte realizado por la NASA, hacia el año 2013 había orbitando más de 21.000 objetos del tamaño de por lo menos una bola de softball, aproximadamente 500.000 objetos de un tamaño mayor a una canica y alrededor de 100 millones de pequeños fragmentos con un tamaño menor a 1 milímetro. Hacia el año 2013, solamente alrededor del 6% de los objetos orbitando la Tierra eran satélites activos, el resto era basura espacial.

Según la Agencia Espacial Europea (ESA), hacia enero del año 2019 había alrededor de 34.000 objetos artificiales registrados con un tamaño mayor a los 10 centímetros orbitando al planeta Tierra, considerados basura espacial, y que son lo suficientemente grandes como para ser detectados. Se detectaron alrededor de 900.000 objetos de entre 1 cm y 10 cm, así como aproximadamente 128 millones de objetos de entre 1 mm y 1 cm.
 
La basura espacial puede llegar a ser realmente peligrosa tanto para la naves espaciales y satélites como para los astronautas que realizan caminatas extravehiculares. Para entender el potencial daño que podría generar un impacto, por ejemplo, si se considera una esfera de aluminio con un diámetro de 1,3 mm puede infringir un daño similar a una bala de rifle calibre 22. Un objeto de forma esférica con un diámetro de 1 cm impacta con la misma energía que una caja fuerte de 181 kg viajando aproximadamente a 95 km/h. Un objeto de 10 cm de longitud impacta con la misma energía que 25 cartuchos de dinamita.

Otro problema es que al viajar tan rápidamente estos fragmentos de basura espacial (aproximadamente 10 veces más rápido que una bala), no se los ve venir. Aunque por lo general, los objetos menores a 1 mm no representan un peligro directo para las naves espaciales, tras un impacto pueden dañar severamente a los paneles solares, por lo que haría que la misión fracasara. Objetos de mayor tamaño pueden generar mayores catástrofes. Un ejemplo de esto último es lo que ocurrió en el año 2009 cuando el satélite ruso extinto, Kosmos 2251 (un satélite que había dejado de funcionar y que había sido dejado en una órbita cerca de satélites funcionales), colisionó contra el satélite activo estadounidense, Iridium 33, destruyéndolo y generando alrededor de 2.000 fragmentos de basura espacial.
 
La NASA puso en órbita en 1984 a un satélite especial llamado Long Duration Exposure Facility (Instalación Expuesta de Larga Duración) o LDEF, para estudiar los efectos a largo plazo de estar expuesto a colisiones de basura espacial. Luego de un período de tiempo, en 1990, el LDEF fue traído de vuelta a Tierra con un transbordador espacial para ser investigado, luego de pasar 2076 días en órbita.

Existen varios proyectos para comenzar a limpiar al espacio circundante del planeta, ya que mucha de esta basura, aunque eventualmente terminará reingresando a la atmósfera, se incinerará y desintegrará, esto sucederá dentro de mucho tiempo. Por otra parte, los cohetes propulsores desprendidos durante lanzamientos, los viejos satélites que se apagan cada año, y colisiones entre los mismos objetos basura (que provocan su fragmentación en pedazos menores), incrementan a este campo de basura.

Una de las propuestas es la creación de misiones especiales que quiten de órbita cada año cinco satélites no operativos. Otra es la de la regla de los 25 años, que recomienda a las agencias espaciales de varios países, la puesta en órbita de satélites que no superarán los 25 años de en órbita luego del cese de sus operaciones, reingresando solos y desintegrándose una vez que hayan entrado a la atmósfera. Según un estudio de la NASA, estas medidas pueden llegar a mitigar bastante al problema de contaminación del medio ambiente espacial circundante.

Otras medidas más radicales hablan de reutilizar a muchos de estos objetos orbitantes, y reciclarlos para la fabricación de nuevos satélites, dispositivos y vehículos espaciales. También se habla de satélites recolectores de basura espacial que luego reingresarían a la Tierra y terminarían desintegrados una vez dentro de la atmósfera, como sucede con la mayoría de los meteoritos y objetos que ingresan a la atmósfera.

Sea como fuere, el tema de la contaminación o basura espacial generada por el ser humano no es menor y antes de que cause problemas de mayor gravedad, es necesario solucionarlo comenzando a poner en práctica algunas de las propuestas mencionadas.
 

Cómo funciona el sistema GPS

El Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System - GPS) es un sistema de navegación que provee información acerca de la ubicación geográfica en la que se encuentra un receptor de señales recibidas desde un satélite GPS. Para que eso ocurra, debe encontrarse en alguna parte del planeta con acceso libre (sin obstrucciones intermedias) en línea recta a cuatro satélites GPS o más.

El sistema GPS funciona de la siguiente manera: un receptor recibe señales de onda de radio provenientes de cuatro o más satélites. Cada señal contiene información acerca del momento en que fue transmitida desde el satélite y la posición en que se encontraba dicho satélite al momento de ser enviada la señal.

Como toda onda electromagnética, dichas señales viajan a la velocidad de la luz (casi 300.000 kilómetros por segundo). Lo que hace el receptor, por lo tanto, es calcular su posición comparando las distancias en línea recta hasta cada uno de los satélites. Esto lo hace restando al momento de recepción de la señal el momento de envío de la señal desde el satélite, lo cual le permite saber al dispositivo el tiempo en milisegundos que tardó en llegar la señal desde el satélite. Si se le multiplica a la velocidad de la luz -que es siempre la misma- la cantidad de tiempo que tardó en llegar la señal, el resultado es la distancia en línea recta que hay desde el receptor hasta el satélite.

Como la fórmula de velocidad es:

distancia / tiempo = velocidad

Se puede despejar la distancia de la siguiente forma:

distancia = velocidad x tiempo

Entonces:

Tiempo de partida desde el satélite - Tiempo de llegada al receptor en tierra = Tiempo que tarda en recorrer la distancia

Tiempo que tarda en recorrer la distancia entre el satélite y el receptor x velocidad de la luz = distancia del receptor al satélite

Como cada señal incluye también información acerca de la posición de cada satélite al momento de enviarse las señales, se compara cada posición de los satélites y las distancias a cada uno, formando lo que serían unas esferas imaginarias sobre cuya superficie se encuentra el receptor. La intersección de estas esferas imaginarias es exactamente la localización del dispositivo GPS. Para realizar estos cálculos, el receptor cuenta con un pequeño chip (circuito integrado o procesador), que hace unas operaciones matemáticas llamadas trilateracion. Con la trilateración, aprovechando la geometría de círculos y triángulos, se puede determinar la posición relativa de cualquier cosa.

Para graficarlo mejor, se puede realizar el siguiente ejemplo:

Una persona se encuentra en alguna zona rural del planeta, pero no sabe dónde. Entonces, le pregunta a otra persona que pasa por allí acerca de su ubicación y esta última le responde: "a 40 kilómetros de la Ciudad A". Esto no ayuda demasiado, ya que con eso no le alcanza para conocer su ubicación, y podría encontrarse en cualquier punto de un círculo imaginario alrededor de la Ciudad A (como se muestra en la imagen de abajo, se forma un círculo imaginario con un radio de 40 kilómetros).

Luego, le pregunta a una segunda persona, que también pasa por ahí, acerca de su ubicación y ésta le responde que se encuentra a 35 kilómetros de la Ciudad B. Por lo que podría encontrarse en cualquier punto de un círculo imaginario alrededor de la Ciudad B. Pero si combina a este dato con el dato anterior sobre la distancia a la Ciudad A, obtendrá dos círculos imaginarios que se intersectan en dos puntos. Así podrá saber que se encuentra en uno de esos dos puntos, ¿pero en cuál de los dos?

Entonces, le pregunta a una tercera persona que pasa por allí acerca de su ubicación, y le responde que se encuentra a 48 kilómetros de la Ciudad C. Por ende, podría encontrarse en cualquier punto de un círculo imaginario alrededor de la Ciudad C. Pero si lo combina con los dos datos anteriores (las distancias a la Ciudad A y Ciudad B) notará que ese tercer círculo se intersecta con uno de los dos puntos en los que se intersectan los otros dos círculos. De esta manera, podrá conocer su posición exacta.

Sin embargo, esto ocurre en un mundo 2D en el que la persona se encuentra sobre un plano. Pero la Tierra es una esfera algo ovalada, y los satélites de GPS que orbitan alrededor del planeta se encuentran en un instante específico en distintos puntos del espacio 3D. La idea es la misma, sólo que en este caso en lugar de tratarse de tres círculos que se intersectan en un punto del plano, son cuatro esferas (con sus respectivos centros coincidiendo con la posición de cada uno de los cuatro satélites) cuyas superficies se intersectan entre sí, dando como resultado un punto en común en el espacio para las cuatro esferas.

Que es la trilateracion
Qué es la trilateración - Cliquear para ver en grande

A continuación, se ofrece un ejemplo de la vida real:

Un receptor GPS que se encuentra en un determinado punto de la Tierra, a una distancia de 25.000 kilómetros de un satélite A, forma una esfera imaginaria en cuyo centro se encuentra el satélite A y en cuya superficie se encuentra el receptor GPS, pero todavía no se conoce en qué punto de dicha esfera se encuentra el receptor GPS.

Si se toma la distancia a un segundo satélite B ubicado a 30.000 kilómetros de distancia, se obtendrá una segunda esfera con radio de 30.000 kilómetros, que se intersecta con la primera esfera formando un círculo perfecto. Entonces, la posición del receptor GPS estará en un punto cualquiera de la circunferencia que se forma en la intersección de dichas esferas.

Tomando un tercer satélite C ubicado a 32.000 kilómetros, se obtendrá una tercera esfera imaginaria de radio de 32.000 kilómetros en cuya superficie se encuentra -al igual que en los casos anteriores- el receptor GPS y en el centro el satélite. Esta tercera esfera se intersecta con las otras dos esferas anteriores en dos puntos del círculo que se forma en la intersección de las otras dos esferas.

Si se tiene en cuenta un cuarto satélite, se puede encontrar en cuál de esos dos puntos está posicionado el receptor GPS. El satélite D estará a una distancia de 30.000 kilómetros, por lo que se forma una esfera imaginaria con un radio de 30.000 kilómetros, en cuya superficie está el receptor. Dicha esfera se intersecta en uno de los dos puntos que quedaron en el paso anterior. De esta manera, se logra conseguir la posición exacta del receptor GPS.

Los satélites de GPS orbitan a una altura de aproximadamente 20.200 kilómetros (en órbita terrestre media), provocando que completen un giro completo alrededor del planeta en 11 horas y 58 minutos. Realizan por lo tanto dos vueltas completas en 23 horas y 56 minutos (a eso se le denomina un día sidéreo, o sea el lapso transcurrido entre dos pasos sucesivos del Primer punto de Aries por el mismo punto del cielo. El día sidéreo es casi 4 minutos más corto que el día solar medio que equivale a 24 horas).

Los satélites GPS forman una constelación (conjunto) de 31 satélites (hacia junio de 2019), que están colocados en órbitas que logran que desde cualquier punto del planeta siempre se puedan "ver" en línea recta por lo menos seis satélites en un momento determinado. De los 31 satélites, 24 son necesarios para el funcionamiento del sistema, colocando 6 órbitas de 4 satélites en cada una. Los siete satélites adicionales sirven para datos complementarios que entregan mayor precisión a los cálculos de posicionamiento realizados por el receptor GPS.

Cada una de estas 6 órbitas se encuentran separadas por 60° (dando entre las seis 360°), y los cuatro satélites de cada una no se encuentran separados entre sí por ángulos iguales de 90° sino que por ángulos de 30°, 105°, 120°, y 105° (si se suman los cuatro ángulos da un total de 360°, o sea una circunferencia u órbita completa). Mediante esta configuración se ha logrado que en un punto cualquiera del planeta siempre se puedan recibir las señales de por lo menos seis satélites.

Pero con los 7 satélites adicionales que aumentan al número de unidades satelitales de 24 a 31, se puede lograr que en un determinado momento desde cualquier punto del planeta se puedan recibir señales de 7, 8, 9 ó incluso 10 satélites simultáneamente, garantizando así que se cubra el mínimo de 4 satélites necesarios para ubicar la posición de un receptor GPS y que nunca un punto cualquiera de la Tierra se encuentre cubierto por menos de 4 satélites. Los satélites adicionales a los 4 necesarios, sirven para confirmar de forma redundante la precisión de los cálculos de posicionamiento.

Constelación de satélites GPS
Constelación de satélites GPS donde se muestra cuántos satélites visibles en línea recta hay en un mismo punto a lo largo del día

El proyecto del sistema GPS fue desarrollado en 1973 por el Departamento de Defensa de Estados Unidos de América para superar las limitaciones de los sistemas de navegación utilizados hasta ese entonces. Sus inventores son Bradford Parkinson, Roger L. Easton e Ivan A. Getting. Los satélites llevan el nombre de NAVSTAR (Navigation System Using Timing and Ranging - Sistema de Navegación que Utiliza Tiempo y Distancia).

Rockwell International fue la empresa estadounidense concesionaria encargada de la fabricación del primer bloque de satélites (Bloque I). El primero (NAVSTAR 1) fue lanzado en 1978 desde la Base Aérea Vandemberg en California. En esta primera etapa se desarrollaron 11 satélites, de los que 10 se lanzaron exitosamente y uno falló (el NAVSTAR 7). El último satélite de este primer bloque se lanzó el 9 de octubre de 1985. Este último satélite del Bloque I fue retirado de servicio el 18 de noviembre de 1995, superando por mucho sus cinco años de vida útil pronosticada.

En 1983, un avión interceptor militar soviético derribó a un avión de pasajeros de Korean Airlines que entró en espacio aéreo prohibido por errores del sistema de navegación, dejando un saldo de 269 personas muertas que iban a bordo. Esta fatalidad propició que el entonces Presidente de Estados Unidos de América, Ronald Reagan, anunciara que el sistema GPS sería puesto a disposición de la población civil del mundo una vez que se haya completado la colocación de los 24 satélites necesarios para su total funcionamiento en todas partes del planeta.

Entre el 14 de febrero de 1989 y el 1 de octubre de 1990 se lanzaron los nueve satélites del Bloque II, que formaban un conjunto más moderno y de mayor potencia. Fueron construidos también por Rockwell International y el último de ellos dejó de operar el 15 de marzo de 2007, superando por muchos años a su expectativa de vida útil pronosticada en 7 años y medio.

Durante todo ese tiempo, el sistema GPS solamente estaba disponible en determinadas zonas y no durante todo el día, ya que el mínimo necesario de cuatro satélites "visibles" desde un punto cualquiera en todo momento no se cubría por el hecho de haber menos de 24 satélites de GPS orbitando. Recién en diciembre de 1993 obtuvo total capacidad operacional, cuando se logró completar la constelación de 24 satélites necesarios orbitando con la configuración o formación que se describió anteriormente.

En 1996, reconociendo la importancia que tendría el uso del sistema GPS para actividades civiles, el Presidente de Estados Unidos de América, Bill Clinton, puso al sistema completamente a disposición del público, obteniendo así un doble uso, tanto militar como civil.

Entre 1990 y 1997 se lanzaron 19 satélites NAVSTAR del bloque IIA (de los que hacia abril de 2019 solamente quedaba 1 operando). Estos satélites del bloque IIA fueron construidos por la empresa estadounidense Lockheed Martin.

Entre 1997 y 2004 se lanzaron 12 satélites NAVSTAR (Bloque IIR), también construidos por Lockheed Martin, para mantener vivo al sistema GPS y cubrir a los satélites más viejos que quedaron inoperativos, de ahí el nombre del Bloque IIR, siendo la R por "replenishment" (reabastecimiento). Por abril de 2019 quedaban 11 satélites operativos del Bloque IIR.

Entre 2005 y 2009 se lanzaron 8 satélites nuevos de mayor potencia. A este conjunto se le dio el nombre de Bloque IIR-M. Los satélites del Bloque IIR-M también fueron construidos por Lockheed Martin y hacia abril de 2019 quedaban operativos 7 satélites de esta tanda.

A partir de 2010 comenzó una nueva etapa de construcción y lanzamiento de satélites, llamada Bloque IIF, cuya construcción quedó a cargo de la empresa estadounidense de tecnología aeroespacial Boeing. Hasta el año 2016 se lanzaron 12 satélites del Bloque IIF. Por abril de 2019, los 12 satélites de esta serie estaban operativos.

En la actualidad se encuentran en desarrollo el bloque de satélites IIIA diseñados por Lockheed Martin. El primer satélite de este nuevo bloque se lanzó en 2018. Dicha camada cuenta con satélites de mayor potencia y vida útil de más de 10 años asegurada.

Hacia abril de 2019 había 31 satélites NAVSTAR operativos orbitando.

Por su parte, otros gobiernos están desarrollando sistemas de navegación satelitales similares, como por ejemplo el GLONASS de Rusia, que comenzó a funcionar en 1982 y completó la constelación de 24 satélites en 1995, aunque a diferencia del sistema GPS, tuvo pocas reposiciones y quedó durante un largo período con menos de los 24 satélites necesarios para cubrir todo el planeta en todo momento. Durante los primeros años del siglo XXI, bajo la presidencia de Vladimir Putin, recuperar la constelación completa se volvió una prioridad, convirtiéndose en el programa más costoso de la Agencia Espacial Federal Rusa y consumiendo un tercio del total de su presupuesto. Así, en 2010 el sistema de navegación GLONASS logró cubrir totalmente el territorio ruso y para octubre del 2011 se recuperó el total de 24 satélites de la constelación necesarios, permitiendo nuevamente una total cobertura global. Hacia mayo de 2019 había 24 satélites GLONASS operativos orbitando la Tierra, es decir, los 24 requeridos para brindar servicios a todo el globo terráqueo en todo momento.

Mientras tanto, la Unión Europea está desarrollando su propia constelación de satélites de navegación, llamada Galileo. Dicho sistema sería útil en caso de conflictos bélicos durante los que los sistemas GPS de Estados Unidos y GLONASS de Rusia podrían estar deshabilitados y solamente disponibles para el uso civil por motivos de seguridad, quedando así Europa sin un sistema propio e independiente de navegación. Dicho proyecto ha costado alrededor de 10.000 millones de Euros. Los dos primeros satélites operacionales de la constelación Galileo fueron lanzados en 2011. Hacia mayo de 2019 había 26 satélites en órbita, de los que 22 estaban operativos, 2 en prueba, 1 no disponible y 1 no era utilizable. Para cuando esté completa la constelación Galileo, se espera que incluya 30 satélites. El Sistema Galileo está diseñado para ser compatible e interoperable con los sistemas GPS y GLONASS. Un detalle que vale señalar es que las órbitas del sistema Galileo se encuentran a una altura de 23.222 kilómetros y tardan alrededor de 14 horas en completar una vuelta alrededor de la Tierra.

Por su parte, la República Popular China también cuenta con su propia constelación de satélites de navegación llamada Beidou. Hacia mayo de 2019 habían en órbita 39 satélites Beidou, de los que 33 estaban operativos. El sistema de navegación satelital chino Beidou hacia 2019 tenía cobertura global.

Es de notar que las grandes potencias, quieren desarrollar sus propios sistemas de navegación para ser totalmente independientes de Estados Unidos, que en caso de problemas diplomáticos podría bloquearles el acceso a su sistema GPS. Muchos gobiernos se han dado cuenta de que aquellos países que tengan mayor dominio del espacio, con su propia tecnología, marcarán la diferencia y de alguna manera contarán con grandes ventajas sobre aquellos que no cuenten con dicho acceso.

 
Qué son los satelites Iridium

La constelación satelital Iridium fue diseñada y apoyada financieramente por la empresa Motorola. Está compuesta por 66 satélites, ubicados en 6 órbitas bajas a una altura aproximada de 780 kilómetros. Cada órbita cuenta con 11 satélites equidistantes entre sí, y dichas órbitas de tipo polar (o sea que van de polo a polo, en dirección norte-sur-norte) a su vez se encuentran separadas por ángulos de 30° entre sí. Cada satélite completa una vuelta alrededor de la Tierra en aproximadamente 100 minutos. Las órbitas de satélites Iridium son casi circulares con una pequeña excentricidad de 0,0002939 (la excentricidad indica si una figura es más circular o elíptica, su valor se encuentra entre 0 y 1. El 0 indica un círculo perfecto y 1 indica una parábola, por ende cuanto más grande es el valor, más ovalada es la figura).
 
Dada esta configuración descrita en el párrafo anterior, el sistema Iridium tiene cobertura global en todo momento.

En la actualidad, la construcción de la nueva generación de satélites Iridium ya no está a cargo de la empresa Motorola, sino de la franco-italiana Thales Alenia Space.

El objetivo de la constelación de satélites Iridium es brindar servicios de telecomunicaciones a todas partes del planeta en todo momento (Servicios Satelitales Móviles o SSM). De esta forma, si un usuario cuenta con los servicios de la empresa administradora del sistema de satélites Iridium, puede comunicarse desde cualquier parte del planeta -ya sea zona urbana, rural o totalmente inhabitada- a cualquier otra parte.

A través de este sistema de satélites se pueden establecer comunicaciones de voz y datos con dispositivos portátiles especiales que se entregan a cada cliente. Su mayor utilidad se presenta en zonas donde no hay cobertura de telefonía fija o telefonía celular.

Los primeros satélites del sistema comenzaron a lanzarse a principios de los años '90 y recién en 1998 se completó la colocación del satélite número 66 logrando así el alcance global esperado.

Sin embargo, para solventar los grandes costos de inversión necesarios para concretar este proyecto, los precios del servicio fueron muy elevados en un principio, con 3.500 dólares por cada dispositivo móvil y 7 dólares por cada minuto de comunicación. Además, durante la década que llevó la construcción del sistema Iridium y la puesta en órbita de sus satélites, se desarrolló otro sistema de comunicaciones con alcance global en zonas urbanas, el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile communications o GSM), o sea el sistema de telefonía móvil digital libre de regalías que ayudó a propagar el uso de teléfonos celulares en todo el planeta. Gracias al GSM, los clientes podían conectarse con sus teléfonos móviles -mucho más baratos que los del sistema Iridium- y enviar o recibir e-mails, fax, navegar por Internet, enviar y recibir mensajes de texto, SMS, entre otros servicios de comunicación.

Esto provocó que el 13 de agosto de 1999 la empresa Iridium SSC, quebrara financieramente, aunque luego fue comprada por otros inversores privados (a pesar de que todos los activos de la compañía tenían un valor de US$ 6000 millones, compraron la empresa por unos US$ 25 millones) lo que la mantuvo con vida, y utilizada principalmente por empresas o instituciones que realizan tareas en zonas de baja o nula densidad poblacional donde la señal de télefonos celulares es más tenue. Por ejemplo, empresas petroleras o mineras en yacimientos, militares o equipos de rescate para emergencias, organismos de seguridad, entre otros.

A partir de los sucesos del 11 de septiembre de 2001, las fuerzas de seguridad de Estados Unidos de América comenzaron a utilizar al sistema Iridium preferentemente para sus comunicaciones satelitales móviles de voz.

Otra carencia del sistema Iridium es su incapacidad de transmitir datos de alta velocidad. Su tasa de transferencia de datos es de 2.4 kilobits por segundo y su sistema de conexión a Internet de 10 kilobits por segundo (100 veces menor que un servicio de conexión a Internet de 1 Megabit por segundo -que en la actualidad es considerado muy lento- ó 1000 veces menor que un servicio de 10 Megabits por segundo). Uno de los motivos de estas bajas velocidades es que el sistema de comunicaciones Iridium fue diseñado principalmente para comunicaciones por voz, mientras que la conexión a Internet es solamente útil para envío y recepción de e-mails en formato texto.

La nueva generación de satélites Iridium Next ha sido diseñada para brindar velocidades de transferencia de datos de hasta 512 kilobits por segundo en el caso de terminales móviles marinas. En el caso de frecuencias de radio correspondientes a la banda L (1 GHz a 2 GHz), Iridium Next puede brindar velocidades de bajada de datos de hasta 1.5 Megabits por segundo, y velocidades de subida de hasta 512 kilobits por segundo.

Por el año 2019, el precio del teléfono satelital Iridium 9555 rondaba entre US$ 1050 y US$ 1300, y el minuto de la llamada oscilaba entre US$ 1,10 y US$ 1,60. Aunque existen tarjetas prepagas de 600 minutos con validez de 1 año, que cuestan entre US$ 800 y US$ 900, y permiten hacer llamadas a cualquier parte del planeta, otras tarjetas de 75 minutos (con validez de 1 mes) pueden costar alrededor de US$ 159, mientras que para los que lo necesiten, existen tarjetas de 5000 minutos de llamadas por un precio de aproximadamente US$ 4.800 a US$ 4.900. Estos valores corresponden a los precios de mayo de 2019.

En mayo de 2019, el costo para llamar desde un teléfono Iridium a cualquier teléfono fijo del planeta rondaba US$ 1,29 el minuto, mientras que para llamar a otros clientes con teléfonos satelitales del servicio Iridium el valor del minuto de llamada era de aproximadamente US$ 0,89 (89 centavos). El envío de SMS costaba aproximadamente US$ 0,25 (25 centavos).

En el año 2009, Iridium lanzó un servicio de comunicaciones de voz y datos llamado OpenPort, especial para buques marítimos. Se utilizaba principalmente para llamadas y envío de e-mails desde, hacia y entre barcos de flotas mercantes, del ejército, pesqueros y yates privados. Este servicio permitía el envío de datos hasta 128 kilobits por segundo con cobertura global. Este servicio fue reemplazado por la solución para comunicaciones marítimas de segunda generación Iridium Pilot. Este servicio permite el envío de datos a velocidades de hasta 134 kbps.

Según reportes, hacia el año 2018 la empresa tenía aproximadamente 969.000 usuarios en todo el planeta.

El 10 de febrero de 2009, el satélite Iridium 33 colisionó con el satélite ruso retirado de servicio, Kosmos 2251, a unos 780 kilómetros por encima de Siberia, Rusia, dando como resultado la destrucción de ambos artefactos y la generación de dos grandes nubes de basura espacial. Se calcula que esta colisión generó aproximadamente 2.000 fragmentos de basura espacial.

El nombre Iridium proviene del elemento químico Iridio cuyo número atómico en la tabla periódica de elementos químicos es 77. Es por eso que originalmente se planeaba que el proyecto tuviera una constelación de 77 satélites. Luego se llegó a la conclusión que con 66 satélites era suficiente para lograr la cobertura global requerida. Sin embargo, el elemento de número atómico 66 se llama disprosio y al parecer el nombre Dysprosium para estos satélites no se consideraba comercialmente apropiado.

A partir de 2017 comenzó el reemplazo de la constelación original de satélites Iridium por los de la nueva generación Iridium Next. El costo de Iridium Next rondó los US$ 3000 millones. Estos nuevos satélites fueron construidos por la empresa franco-italiana Thales Alenia. La empresa aeroespacial estadounidense Northrop Grumman se encargó de completar el ensamblaje, integración y testeo de los satélites. Por su parte, la encargada de lanzarlos y ponerlos en órbita fue la estadounidense SpaceX. Hacia abril de 2019 se lanzaron 75 satélites de la nueva generación Iridium Next y todas la órbitas de la nueva constelación estaban completas (la última tanda de 10 satélites fue lanzada el 11 de enero de 2019 en un cohete Falcon 9 de la empresa SpaceX). Otros 6 satélites Iridium Next permanecían en tierra como repuesto.

En total, en toda su historia (anterior a la nueva generación) se lanzaron 95 satélites de la línea original Iridium. De estos, 63 fueron retirados de servicio hacia abril de 2019 (para dicha fecha 56 de estos 63 reingresaron a la atmósfera y quedaron destruidos). Por su parte, 25 satélites de la vieja constelación Iridium no pueden ser controlados y pasarán varios años hasta que reingresen a la atmósfera y queden destruidos. Otros 3 reingresaron a la atmósfera entre los años 2000 y 2002. Otros 2 reingresaron entre los años 2002 y 2003.


 
 
CONTINÚA EN QUÉ SON LOS SATÉLITES Y CÓMO FUNCIONAN - PARTE 3 >>
                  
                   
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