Posicionamento Automático de Antenas Parabólicas

Centro Universitário Positivo – UnicenP
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Curso de Engenharia da Computação
Mauricio Cúnico
Posicionamento Automático de Antenas Parabólicas
Curitiba
2006
Centro Universitário Positivo – UnicenP
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação
Mauricio Cúnico
Posicionamento Automático de Antenas Parabólicas
Monografia apresentada à comissão do
Programa de Iniciação Científica do
UnicenP, como requisito parcial à
conclusão de um PIC do Curso de
Engenharia da Computação.
Orientador: Prof. Edson Pedro Ferlin.
Curitiba
2006
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, por ter me concedido a vida e por todas as
oportunidades a mim oferecidas.
Ao meu orientador, Prof. Edson Pedro Ferlin, pela idéia e por todo a apoio dado
durante o desenvolvimento desse projeto.
Ao Prof. Mauricio Perretto, por toda a ajuda prestada e por todos os conselhos
dados, desde a recomendação de livros até as “aulas” de OrCAD.
A minha esposa, Shirlei de Macedo Cúnico, pela paciência e pelo apoio.
E aos meus pais, Marilton Cúnico e Zenita de Macedo, pelo esforço para me dar
as oportunidades que nunca tiveram.
SUMÁRIO
Lista de Figuras ..............................................................................................................iv
Lista de Tabelas ..............................................................................................................v
Lista de Siglas ................................................................................................................vi
Lista de Símbolos .......................................................................................................... vii
Resumo ........................................................................................................................ viii
Abstract...........................................................................................................................ix
1 Introdução.................................................................................................................... 1
1.1 Definição do Trabalho ........................................................................................... 1
1.2 Descrição das principais funcionalidades.............................................................. 3
2 Fundamentação Teórica .............................................................................................. 4
2.1 História dos satélites ............................................................................................. 4
2.1.1 Cronologia do Emprego de Satélites em Comunicações................................ 6
2.2 Estrutura de um satélite ........................................................................................ 9
2.2.1 Foguetes e combustível................................................................................ 10
2.2.2 Fonte de Eletricidade .................................................................................... 10
2.2.3 Antenas......................................................................................................... 11
2.2.4 Transponders, o Subsistema de Comunicações .......................................... 13
2.3 Faixas de Freqüências Empregadas e Serviços Oferecidos ............................... 14
2.4 O lançamento do satélite:.................................................................................... 15
3 Projeto de Hardware .................................................................................................. 17
3.1 Microcontrolador.................................................................................................. 17
3.2 Sensores ............................................................................................................. 18
3.2.1 Fototransistor................................................................................................ 19
3.2.2 Potenciômetro............................................................................................... 19
3.3 Atuadores ............................................................................................................ 20
3.4 Conversores A/D ................................................................................................. 21
3.5 Comunicação / interfaces .................................................................................... 21
4 Projeto de Software ................................................................................................... 22
4.1 Firmware ............................................................................................................. 22
4.2 Software de controle ........................................................................................... 25
5 Resultados................................................................................................................. 27
6 Conclusão e Trabalhos Futuros ................................................................................. 29
7 Referências Bibliográficas ......................................................................................... 30
8 Anexos...........................................................................Erro! Indicador não definido.
8.1 Anexo 1: Esquemático ............................................Erro! Indicador não definido.
8.2 Anexo 2: Layout da placa ........................................Erro! Indicador não definido.
8.3 Anexo 3: Relação de componentes.........................Erro! Indicador não definido.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Visão geral do sistema .................................................................................... 3
Figura 2: Diagrama em blocos do sistema...................................................................... 3
Figura 3: Satélites como esferas refletoras passivas do sinal de rádio........................... 5
Figura 4: Formato dos Satélites A1 e A2, da Hughes. .................................................... 9
Figura 5: Tipos de antenas. .......................................................................................... 11
Figura 6: Diagrama em Blocos Básico de um Transponder.......................................... 13
Figura 7: Diagrama em blocos simplificado do sistema de comunicações dos satélites
A1 e A2. ........................................................................................................................ 14
Figura 8: Diagrama em blocos do hardware. ................................................................ 17
Figura 9: Estrutura interna de um 8051. ....................................................................... 18
Figura 10: Disposição dos fototransistores no prato da antena. ................................... 18
Figura 11: Fototransistor usado no projeto. .................................................................. 19
Figura 12: Potenciômetro usado no projeto. ................................................................. 20
Figura 13: Motor de passo usado no projeto. ............................................................... 20
Figura 14: Diagrama interno do ADC0804.................................................................... 21
Figura 15: Diagrama em blocos do software. ............................................................... 22
Figura 16: Fluxograma do firmware. ............................................................................. 23
Figura 17: Tela do software de controle........................................................................ 25
Figura 18: Fluxograma do software de controle............................................................ 26
Figura 19: Foto do protótipo.......................................................................................... 27
Figura 20: Tela do software do controle em um teste de posicionamento. ................... 28
Figura 21: Esquemático da placa de controle (parte 1). ...Erro! Indicador não definido.
Figura 22: Esquemático da placa de controle (parte 2). ...Erro! Indicador não definido.
Figura 23: Layout bottom da placa de controle.................Erro! Indicador não definido.
Figura 24: Layout top da placa de controle.......................Erro! Indicador não definido.
iv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Erros no posicionamento (modo fixo). .......................................................... 28
Tabela 2: Relação de componentes. ................................Erro! Indicador não definido.
v
LISTA DE SIGLAS
A/D – Analógico / Digital.
bps – bits por segundo.
E/S – Entrada / Saída.
vi
LISTA DE SÍMBOLOS
B – Byte.
A – Ampère.
Ω – Ohm.
V – Volt.
k – Kilo.
µ – Micro.
n – Nano.
M – Mega.
m – metro.
kgf – quilograma força.
vii
RESUMO
O projeto consiste em um sistema automatizado para o posicionamento de
antenas parabólicas. Foram desenvolvidos um protótipo em dimensões reduzidas e o
sistema computacional embarcado (hardware e software) que controla o azimute e a
inclinação da antena.
O sistema realiza o posicionamento da antena mediante o acionamento de dois
motores de passo (azimute e inclinação); e a posição da antena é determinada por
meio de dois potenciômetros, que estão acoplados à antena. O sinal captado pela
antena é simulado através de laser e a recepção através de fototransistores dispostos
geometricamente na superfície da antena.
A interface com o usuário ocorre por meio de um software no computador,
através da qual se pode efetuar a leitura das coordenadas da antena e também se
pode alternar entre os modos de operação (automático, onde o ajuste é realizado pelo
sistema em busca do melhor sinal e fixo, onde a antena será posicionada em função
das coordenadas informadas).
A comunicação do sistema com o computador ocorre por meio da porta serial,
no modo assíncrono. No hardware do sistema foram utilizados um kit de
microcontrolador e uma placa desenvolvida exclusivamente para o projeto. Esta placa é
responsável pelo acionamento dos motores, pelas leituras dos foto-transistores e
potenciômetros.
viii
ABSTRACT
The project consists of a system automatized for the parabolic antennas
positioning. They had been developed an archetype in reduced dimensions and the
computational embedded system (the hardware and software) that it controls the
azimuth and the inclination of the antenna.
The system carries through the antenna positioning by means of the drive of two
stepper motors (azimuth and inclination); e the position of the antenna is determined by
means of two potentiometers that are connected to the antenna. The signal caught for
the antenna is simulated through laser and the reception through phototransistors
disposed geometrically in the surface of the antenna.
The user’s interface occurs by means of a software in the computer, that can
effect the reading of the coordinates of the antenna and also it can alternate enters the
operation ways (automatic, where the adjustment is carried through by the system in
search of optimum signal and fixture, where the antenna will be located in function of
the informed coordinates).
The communication of the system with the computer occurs by means of the
serial port, in the asynchronous mode. In the hardware of the system, they were used a
kit of microcontroller and a board developed exclusively for the project. This board is
responsible for the drive of the stepper motors, for the readings of the phototransistors
and potentiometers.
ix
1
1 INTRODUÇÃO
Após
a Segunda Guerra
Mundial, houve uma enorme demanda de
comunicações, principalmente entre EUA e Europa. Nesta época, a indústria de
Telecomunicações crescia e investia pesadamente no desenvolvimento de novas
técnicas e equipamentos. Nos países europeus e nos EUA, as comunicações eram
intensas (no caso europeu, já eram internacionais). Os países da Europa se integravam
comercialmente, via telecomunicações, enquanto os EUA estavam ficando isolados. Os
únicos meios de transmissão de longa distancia que existiam entre os continentes
eram: O rádio-HF, o rádio-enlace em visibilidade e os cabos metálicos (submarinos).
Assim, os satélites conseguiram cobrir uma lacuna existente, provendo, como
repetidor ativo no espaço visível em vasta extensão territorial, uma ampla gama de
serviços. A primeira grande vantagem do satélite em comunicações ponto a ponto (em
particular comunicações intercontinentais), foi a conexão de duas estações distantes,
sem repetidores em terra. Além disto, os sistemas de comunicação por satélite se
mostraram bastante adequados às redes ponto-multiponto e a diversas outras
aplicações, em função da grande flexibilidade de cobertura, conectividade, canalização
e reconfiguração de rotas oferecidas.
Principalmente nos EUA, a demanda pelas comunicações internacionais
pressionava o Governo, empresas, cientistas e engenheiros a darem uma rápida
solução ao problema. Grandes laboratórios privados e de grandes universidades se
empenhavam na busca de novos meios de transmissão. A instalação de muitos cabos
submarinos, para atender a crescente demanda, resultaria em investimentos que
encareceriam as comunicações, face aos preços internacionais europeus. Novamente
o esforço de guerra veio em auxílio.
1.1 Definição do Trabalho
Os meios de comunicação desempenham um papel fundamental na sociedade
atual. Esta só pode chegar ao estado atual de rapidez na transmissão da informação
graças, em parte, ao desenvolvimento da comunicação via satélite.
Porém, assim como outras maneiras de comunicação sem fio, a comunicação
via satélite é deveras crítica sendo que a qualidade da informação recebida é
2
influenciada por uma série de fatores, entre eles podemos citar o meio em que a
transmissão se propaga e o correto posicionamento do transmissor e do receptor.
Atualmente não é possível controlar o meio ambiente para que este seja o mais
favorável possível a transmissão. Já quanto ao posicionamento dos transmissores e
receptores têm-se duas tarefas distintas: o posicionamento do satélite que deve
permanecer em uma órbita fixa, devido a diversos fatores este posicionamento
necessariamente é feito de forma automática, isto é, o próprio satélite detecta sua
posição e seu deslocamento em relação a órbita definida, colocando-se em posição
novamente.
A outra tarefa diz respeito ao posicionamento das antenas em terra, que se
comunicarão com os satélites. Essas antenas em tese devem estar apontadas de
forma que sempre recebam a maior parte do sinal transmitido pelo satélite, este
posicionamento é feito de forma manual, sendo necessário que um técnico se
posicione na antena verificando a intensidade do sinal recebido enquanto esta se
movimenta de forma que o técnico possa localizar o ponto de maior incidência do sinal
transmitido.
Este processo como se pode perceber é deveras custoso e tem um grau de risco
ao operador. Devido a estes fatores cada vez mais busca-se o desenvolvimento de
antenas que possam se autoposicionar em relação ao sinal recebido, buscando sempre
a melhora dessa comunicação.
O projeto proposto busca simular um sistema de autoposicionamento de antenas
parabólicas. Para que isso seja possível é necessário que o sistema possa captar a
intensidade do sinal em uma vasta área comparando cada posição e verificando em
qual ponto se encontra o maior, na seqüência o sistema deve realizar os movimentos
necessários para posicionar a antena de forma que a maior intensidade do sinal se
encontre no seu centro, tudo isto deve ser controlado por um dispositivo que, além do
mais, deve permitir a comunicação com um microcomputador para facilitar a
visualização por um usuário. E, no caso deste necessitar posicionar a antena em
coordenadas diferentes. A figura 1 mostra uma visão geral do sistema e a figura 2 o
diagrama em blocos.
3
Figura 1: Visão geral do sistema
Computador
Conversor
Sensor de Posição -
A/D
Inclinação
Conversor
Sensor de Posição -
A/D
Azimute
Microcontrolador
Sensores de Intensidade
do Sinal
Atuador de Azimute
Atuador de Inclinação
Figura 2: Diagrama em blocos do sistema
1.2 Descrição das principais funcionalidades
O objetivo desse projeto é desenvolver e implementar a automação de uma
antena parabólica, sem se preocupar com o sinal em si. Para que fosse possível
realizar o posicionamento, o sinal foi simulado através de raios laser.
O protótipo opera em dois modos: automático e fixo. No modo automático o
ajuste é realizado pelo sistema em busca do melhor sinal. No modo fixo a antena será
posicionada em função das coordenadas informadas pelo usuário através do software
do controle. Em ambos os modos, o posicionamento da antena (azimute e inclinação)
pode ser monitorado em tempo real através do software de controle.
4
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 História dos satélites
Em 1926, um físico americano, Robert Hutchings Goddard, lançou um pequeno
foguete de combustível líquido. Segundo os americanos, Goddard, em 1926, abriu
caminho para a era espacial. Mas, durante a segunda Guerra Mundial, os alemães se
destacaram na invenção, construção e utilização de foguetes (infelizmente para fins
bélicos). Ernst Von Braun, cientista alemão, foi para os EUA no fim da guerra e
continuou com o desenvolvimento, agora de grandes foguetes, que podiam levar
cargas apreciáveis a grandes alturas, no início da década de 1950. A imaginação corria
solta nesses “anos dourados”. Escritores de ficção científica se ligavam a laboratórios
de pesquisa de ponta, na busca de inspiração para suas estórias. Um deles, Arthur C.
Clark, em uma de suas publicações (1945), sugeriu e previu exatamente os modernos
satélites para telecomunicações. Para Clark, para cobrir as grandes distancias,
bastariam 3 satélites para cobrir todo o globo terrestre, que descreveriam órbitas
equatoriais circulares em torno da Terra com período de 24 horas, de modo a
acompanhar o movimento de rotação da Terra sincronamente. Assim, para um
observador parado na superfície da Terra, o satélite pareceria imóvel. Ele detalhou em
quais pontos da Terra seria possível o lançamento, detalhou o próprio lançamento e a
que altitude deveria ficar o satélite, de modo a permanecer parado no céu. Descreveu
também as estações de terra para a comunicação via satélite.
Os satélites começaram a ser lançados em 1957, sendo o Sputnik russo um
pioneiro. A reação americana foi imediata, lançando os primeiros satélites, como
esferas refletoras passivas do sinal de rádio, como mostra a figura 3.
Em seguida apareceram os satélites ativos destacando-se o Early Bird, como o
primeiro satélite geoestacionário com sucesso comercial (1965). Logo após foi lançado
o INTELSAT II em 1967 e uma série deles nos anos seguintes. Com o lançamento do
Early Bird, as empresas de cabos submarinos tentaram bloquear os satélites, até junto
ao governo americano. Com a baixa dos custos astronômicos dos primeiros satélites,
eles puderam competir comercialmente com estes cabos. A transmissão de TV
intercontinental foi um golpe fatal nos cabos submarinos, que não podiam transmitir tal
faixa de freqüências.
5
Figura 3: Satélites como esferas refletoras passivas do sinal de rádio.
Antes de 1963 os satélites eram de baixa altura e percorriam o céu, de horizonte
a horizonte em pouco tempo. Isto não era satisfatório para as comunicações, as quais
só seriam possíveis enquanto o satélite fosse visível. Seria necessário “parar” o satélite
no céu. Para isso seriam necessárias duas condições, já conhecidas desde o tempo de
Newton:
1ª) A força com que a Terra atrai o satélite deve ser equilibrada pela reação à
força centrífuga, provocada pelo movimento de translação do satélite ao redor da Terra;
2ª) O movimento de translação do satélite tem de acompanhar o movimento de
rotação da Terra, de tal forma que ele fique sempre sobre o mesmo ponto da superfície
do planeta.
Estas duas condições são satisfeitas a uma altitude de 36.000 km onde se deve
estabelecer a órbita circular de um satélite estacionário, também denominado de
geoestacionário. Atualmente cerca de 7.500 satélites orbitam a Terra. Alguns
geoestacionários para telecomunicações (repetidores de sinal que fornecem serviços
de: sinais de comunicação, difusão de TV, telefonia, telex, redes de dados, navegação,
etc.) e, outros (a maioria), são de baixa altitude (200km a 10.000km) que servem para
diversos propósitos, como por exemplo:
•
Satélites de sensoriamento remoto: coletam dados da superfície da Terra, onde
se incluem solo, água, vegetação, rochas e combinações destes;
•
Satélites de observação astronômica: utilizados na pesquisa do espaço exterior;
•
Satélites militares: geralmente utilizados com objetivos secretos;
6
•
Satélites espiões: podem distinguir objetos na superfície terrestre com 25cm de
comprimento, através de lentes especiais. Isto significa que podem ler as
manchetes de um jornal;
•
Satélites meteorológicos: para monitoramento da atmosfera, que fotografam
nuvens, detectam a formação de furacões, chuvas, insolação, ventos, etc;
•
Satélites de observação: detectam, por sensores infravermelhos, o lançamento de
mísseis, espaçonaves, tráfego aéreo, queimadas, etc;
•
Satélites de prospecção: através de sensores próprios detectam petróleo e
diversos tipos de minerais;
•
Satélite de posicionamento: como o GPS (Global Position Satellite), que fornece a
posição exata de um receptor, sendo sensível a uns 2 metros de mudança dessa
posição.
2.1.1 Cronologia do Emprego de Satélites em Comunicações
A seguir são apresentados os principais marcos na história das comunicações
por satélite:
•
1957: Lançamento do satélite artificial soviético Sputnik 1 (não era na verdade um
satélite de comunicações, na medida em que não retransmitia mensagens,
apenas transmitia mensagens pré-gravadas na direção Espaço - Terra);
•
1960: Lançamento dos satélites-balão ECHO I e II (USA). Eram repetidores
passivos, que permitiam a comunicação entre estações terrenas na faixa de 1 e
2,5 GHz, através da reflexão na superfície metalizada (plástico mylar coberto com
fina camada de alumínio) de um balão de 30m de diâmetro colocado em órbita
circular de 1.600km. Problema: alta potência de transmissão necessária nas
estações em terra;
•
1960: Primeiras experiências com satélites repetidores ativos: Courrier, em 2
GHz, órbita de 1.000km;
•
1962: Lançamento dos primeiros satélites operando na banda C (6/4GHz), ainda
em órbitas de baixa altitude (TELSTAR - I e RELAY - I). Obs.: A esta época já
existia tecnologia para colocar artefatos em órbita síncrona, porém considerava
que o atraso envolvido (aproximadamente 0,25s por salto) seria inaceitável;
7
•
1963: Lançamento do primeiro satélite geoestacionário (300 circuitos telefônicos
ou uma portadora de TV) SYNCOM II;
•
1964: Grande impulso em comunicações via satélite: criado o INTELSAT;
•
1965: Lançamento do Early Bird (INTELSAT I), primeiro satélite geoestacionário
comercial (240 circuitos telefônicos ou 1 canal de TV; antena com feixe toroidal;
1,5 anos de vida útil);
•
1965: Lançamento do MOLNYA - I, soviético, um satélite em órbita elíptica, não
geoestacionário;
•
1967: Lançamento do INTELSAT II (240 circuitos telefônicos + 1 canal de TV;
ainda antena com feixe toroidal; 3 anos de vida útil);
•
1968-70: INTELSAT III é Iançado (1.500 circuitos telefônicos; 4 canais de TV; 5
anos de vida útil. Primeiro satélite com antenas “despun”, isto é, estacionárias em
relação à Terra enquanto o corpo do satélite permanecia em rotação;
•
1971: Lançamento do primeiro INTELSAT IV (7 anos de vida útil; 1.400 circuitos
telefônico, 2 canais de TV);
•
1971: Estabelecimento da organização INTERSPUTINIK (USSR + 9 nações do
bloco soviético);
•
1972: Lançamento do ANIK l canadense, primeiro satélite doméstico no mundo
ocidental;
•
1974: Com o WESTAR I, iniciou-se as comunicações domésticas via satélite
também nos USA;
•
1974: Início das operações do Sistema Brasileiro de Comunicações via satélite (4
estações), utilizando o INTELSAT;
•
1974: Lançamento do SYNPHONIE-I: Francês, primeiro satélite geoestacionário
estabilizado em 3 eixos;
•
1975: INTELSAT IV-A: Reutilização de freqüência por separação de feixes de
cobertura (20 transponders mais de 6.000 circuitos telefônicos + 2 canais de TV);
•
1975: Lançamento do primeiro satélite geoestacionário soviético (STATSIONAR);
•
1976:
Lançamento
do
MARISAT
(USA),
primeiro
satélite
dedicado
a
comunicações móveis marítimas;
•
1977: Estabelecimento da Organização EUTELSAT, por 17 administrações
européias, devotada a promover comunicações regionais (Europa) via satélite;
•
1978: Lançamento do satélite europeu OTS, primeiro satélite de comunicações na
banda Ku (14/11 GHz);
8
•
1979: Estabelecimento do INMARSAT, organização dedicada à comunicação
móvel marítima global via satélite;
•
1980: Lançamento do 1° INTELSAT V, com 10 anos de vida útil, 12.000 circuitos
telefônicos com operação FDMA e TDMA + TV, operando tanto na banda C (6/4
GHz), como na banda Ku (14/11GHz), 4 vezes reutilização de freqüências através
de discriminação espacial e de polarização;
•
1982: É aprovado pelo Ministério das Comunicações, a contratação, instalação e
operação de um enlace espacial próprio para o SBTS (Sistema Brasileiro de
Telecomunicações por Satélite);
•
1983: Lançamento do satélite japonês CS-II, primeiro satélite de comunicações
doméstico na banda Ka (30/20 GHz);
•
1983: Primeiro Iançamento do ECS (EUTELSAT), com capacidade para cerca de
12.000 circuitos telefônicos com operação TDMA + TV, operando em 6/4 e 14/11
GHz. Reutiliza freqüência por isolação espacial e polarização dupla;
•
1985: Lançamento do BRASILSAT A1, primeiro satélite do SBTS (24
transponders, dupla polarização, polarização Iinear, cerca de 20.000 circuitos
telefônicos e TV, 10 anos de vida útil);
•
1986: Lançamento do BRASILSAT A2;
•
1990: Lançamento do primeiro INTELSAT Vl, reutilizando 6 vezes (isolação
espacial + isolação de polarização) uma mesma freqüência. (10 anos de vida útil;
38 transponders na banda C e 10 na banda Ku. capacidade de 120.000 circuitos
de voz + 3 TVs);
•
1994: Lançamento do BRASILSAT B1, com 27 transponders de 36MHz e 1
transponder de 33MHz na banda C e 1 transponder de 6MHz na banda X;
•
1995: Lançamento do BRASILSAT B2, com 27 transponders de 36MHz e 1
transponder de 33MHz na banda C e 1 transponder de 6MHz na banda X;
•
1995: Aprovado a compra e lançamento de mais um satélite brasileiro, o
BRASILSAT B3.
•
1998: Lançamento, em 04 de Fevereiro, do BRASILSAT B3.
A figura 4 mostra o formato dos satélites A1 e A2.
9
Figura 4: Formato dos Satélites A1 e A2, da Hughes.
2.2 Estrutura de um satélite
Existem vários tipos e estruturas de satélites. Das muitas peças mecânicas e
eletrônicas que os compõe, podemos classificá-las em conjuntos simples, conforme o
que há de comum a todos eles: foguetes e combustível, fonte de eletricidade, antenas
e transponders.
10
2.2.1 Foguetes e combustível
Quando o satélite vai para a sua posição final, ele o faz por meios próprios. Para
isso dispõe de um motor de reação (motor de apogeu), comandado da Terra. Os
primeiros eram alimentados por combustível líquido, armazenado em tanques internos
especiais, porém os modernos utilizam uma mistura de combustível sólido + nitrogênio
+ hidrogênio + ácido nitroso.
Quando o satélite já está na sua posição orbital final, sofre, ao longo do tempo,
influências gravitacionais do Sol, da Lua e da Terra e sofre também influências de
ventos solares, que o tiram lentamente desta posição. Comandados da Terra,
pequenos foguetes laterais, corretores de altitude, corrigem não só sua posição na
órbita como também inclinações ou outras variações de altitude. Estes foguetes são
acionados por pouco tempo (frações de segundo ou segundos) e seu combustível é
armazenado naqueles tanques.
É o gasto do combustível que determina a vida útil do satélite, a qual é de 8 a 10
anos, atualmente. Quando o combustível acaba, não há mais correção e o satélite
deriva lentamente no espaço, sendo considerado perdido. Portanto, o controle do gasto
do combustível no posicionamento final do satélite é determinante para a duração de
sua vida útil.
2.2.2 Fonte de Eletricidade
A energia elétrica que alimenta todos os equipamentos eletrônicos a bordo é
gerada por células fotovoltáicas. Estas células transformam a energia luminosa,
captada do Sol em energia elétrica, que é armazenada em baterias. As células são
montadas sobre painéis que se abrem no espaço, ou são montadas sobre o próprio
corpo do satélite, quando este apresenta área externa suficiente.
Quando a Terra atravessa os equinócios (21 de março e 23 de setembro),
projeta sua sombra sobre o satélite por um período de até 70 minutos, durante o qual
fica interrompida a geração de energia elétrica. Nestes períodos somente as baterias
fornecem energia para os equipamentos. Portanto, elas devem ter capacidade
suficiente para suportar toda a descarga necessária, sem se esgotar inteiramente.
11
2.2.3 Antenas
As antenas do satélite dependem das freqüências em que ele opera e do
formato do país que ilumina. A figura 5 mostra alguns tipos de antenas
Figura 5: Tipos de antenas.
As transmissões mais comuns, em telecomunicações, se dão em faixas em
torno das freqüências de 4 GHz e 6 GHz, denominadas “banda C”. O sinal de subida é
na faixa de 5,9 a 6,4 GHz (chamado sinal de 6 GHz). O sinal de descida é na faixa de
3,7 a 4,2 GHz (chamado sinal de 4 GHz). Há outras faixas como, por exemplo, a banda
Ku, em 14 GHz para subida e 12 GHz para descida. Esta faixa é muito utilizada para
TV e para comunicação de dados. Nela as transmissões já são em potências maiores
para suplantar as atenuações provocadas pelas chuvas e, como vantagem, as antenas
a bordo e em terra podem ser menores. Existem também as bandas L e S em 1 e 2
GHz para comunicações móveis. Além das antenas para os serviços
de
telecomunicações existem antenas para telemetria e telecomando.
Nos satélites brasileiros: A1, A2, B1, B2 e B3, há antenas de comunicações
formadas por 5 ou 7 cornetas (tipo de antena de microondas, que parece mesmo uma
pequena corneta) que focalizam o sinal de rádio num refletor parabólico a bordo, o qual
produz um feixe que cobre todo o Brasil, diminuindo rapidamente sua intensidade na
direção dos países Iimítrofes e do oceano Atlântico. Existe uma outra antena, que
transmite e recebe em todas as direções, para telemetria e telecomando. Esta antena
recebe e transmite em todas as direções para o caso de o satélite perder a sua posição
normal para outra qualquer. Desta maneira o satélite ainda receberá sinais de
12
correção. O Brasilsat iniciou com dois satélites, A1 e A2, substituídos por outra
geração, os B1 e B2. Para cada satélite existe uma antena terrena de controle
construída
com
precisão,
sobre
latitude
e
longitude
também
precisamente
determinadas.
Esta antena envia um fino feixe de rádio, que é captado pelo satélite e que o
mantém em posição e atitude corretas. Se houver um pequeno desvio de atitude, o
satélite percebe a modificação na recepção desse feixe e informa a necessidade de se
acionarem os foguetes de atitude, de modo a voltar à posição normal. Estes foguetes
são comandados da Terra, depois de complicada rotina para determinar o tempo e o
instante de acionamento.
Este fino feixe de rádio funciona como um cabresto, mantendo firme o satélite na
sua posição. Se houver interrupção deste feixe, o satélite poderia ficar à deriva por
algum tempo. Para evitar este problema, existem dois sensores de infravermelho que
“sentem” a Terra, a qual se mostra mais quente que o fundo gelado do universo. Se
houver uma variação de atitude estes sensores a indicam, o que determina o
acionamento dos pequenos foguetes para a correção. Desta forma, o satélite é mantido
em posição e “olhando” para a Terra. Para auxiliar estes dois sensores, há ainda um a
mais, que “sente” o Sol, compondo assim, três sensores de atitude. Há tanta
preocupação com a atitude porque, se o satélite se inclinar ou assumir outra posição no
espaço, suas irradiações vão cobrir outras áreas e não só o Brasil. Este fato além de
perturbar as comunicações desejadas pode, também, invadir o espaço de outros
países, o que não é conveniente.
Outro aspecto é o da estabilização do satélite. Nos casos do Brasilsat, eles são
cilindros com 2,8m de diâmetro, com 8,5m de altura e peso, na Terra, de 1750 kgf.
Para a estabilização, quanto a inclinações, ele é posto a girar a 60 rpm. Portanto, a
parte superior interna do satélite, onde estão os transponders e as antenas, bem como
o refletor parabólico, deve girar em sentido contrário, com a mesma rotação, de modo a
sempre focalizar o Brasil. Este giro contrário é produzido por um motor elétrico
denominado “motor de desrotacionamento”.
É interessante notar que a parte do satélite que faceia o Sol, é submetida a
temperaturas da ordem de 250°C e a face oposta, à temperatura de -200°C. Com o
giro do satélite, apesar da inércia térmica, suas partes são submetidas ciclicamente a
grandes variações de temperatura.
As peças estruturais são construídas com ligas metálicas leves, de grande
resistência mecânica e com pouquíssima dilatação térmica, de modo a manter a
13
integridade física do satélite. Folhas metálicas finíssimas geralmente douradas, e
outros materiais, acondicionam os equipamentos internos, propiciando isolação
térmica, blindagem eletrostática, proteção contra partículas de alta energia oriundas do
espaço, etc.
Em geral, os satélites empregam a reutilização de freqüência, isto é, duas
portadoras empregam a mesma freqüência, mas com polarizações ortogonais. Os
satélites Brasilsat A1 e A2 aplicam a reutilização de freqüência, sendo a canalização de
doze transponders transmitida em polarização vertical e a dos outros doze em
polarização horizontal. Para minimizar interferências, as freqüências centrais dos
transponders, cuja transmissão se dá em polarização vertical estão desalinhadas das
freqüências centrais dos transponders cuja transmissão se dá em polarização
horizontal.
A antena é um dos itens mais importantes do satélite, pois é ela que determina
quais regiões do globo serão mais favorecidas, recebendo níveis de sinal mais
intensos. A maior parte das antenas empregadas é constituída por um refletor
parabólico e alimentadores, que são dispostos de modo a se obter a cobertura
desejada. Em determinadas aplicações também são empregadas antenas do tipo Horn
ou de outros tipos.
2.2.4 Transponders, o Subsistema de Comunicações
O satélite de comunicações nada mais é do que um repetidor ativo que recebe,
converte a freqüência, amplifica e retransmite para a Terra os sinais recebidos. Para
tal, são utilizados circuitos denominados transponders, cujo diagrama em blocos está
apresentado na figura 6.
Figura 6: Diagrama em Blocos Básico de um Transponder.
14
Cada transponder é responsável pela recepção e retransmissão de uma
determinada banda de freqüências, como mostrado na figura 7 que representa de
forma simplificada o sistema de comunicações de um satélite.
Figura 7: Diagrama em blocos simplificado do sistema de comunicações dos satélites A1 e A2.
Os satélites podem ter de 12 a 50 transponders, dependendo do tamanho. Em
particular, os satélites Brasilsat A1 e A2, dispõem de 24 transponders cada. Devido aos
altos custos envolvidos na colocação em operação de um satélite, este deve possuir a
maior confiabilidade possível. Para isso são empregadas redundâncias nas diversas
partes que compõem o sistema de comunicações de um satélite.
2.3 Faixas de Freqüências Empregadas e Serviços Oferecidos
A UIT (União lnternacional de Telecomunicações) define, para cada parte do
mundo, as faixas de freqüências a serem empregadas pelos diversos serviços de
telecomunicações, entre os quais se situam os serviços de comunicação via satélite.
Para tal, o mundo foi dividido em três regiões, sendo elas:
a) Região I - Europa, África, Oriente Médio e Norte da Ásia;
b) Região II - Américas e Groenlândia;
c) Região III - Centro, Sul e Leste da Ásia e Oceania.
Os serviços básicos oferecidos atualmente pelas comunicações via satélite são:
serviço fixo, serviço móvel e radiodifusão. O serviço fixo compreende transmissão de
15
voz, telegrafia, dados ou vídeo entre duas estações em posições geográficas fixas. Já
o serviço móvel inclui a comunicação entre estações móveis (navios, aeronaves ou
viaturas terrestres) com estações fixas e a comunicação entre estações móveis (neste
caso é comum o emprego de dois enlaces com repetição numa estação terrena fixa).
O serviço de radiodifusão está associado à transmissão de qualquer tipo de
informação de uma estação fixa para inúmeras estações receptoras, que são, em geral,
do tipo ''receive only'' (isto é, não possuem capacidade de transmissão). Entre os
principais serviços de radiodifusão via satélite estão incluídos: transmissão de televisão
(TVRO), transmissão de áudio de alta qualidade e difusão de dados.
Atualmente
radionavegação
os
satélites
(navegação
também
com
são
auxílio
de
utilizados
satélites)
em
e
aplicações
como
radiodeterminação
(determinação da posição geográfica de uma microestação localizada em um veículo
terrestre, navio ou aeronaves com auxílio de satélites).
Por fim, deve-se Iembrar que os satélites artificiais encontram diversas
aplicações fora do campo das comunicações como previsões meteorológicas, estudos
astronômicos e muitas outras.
2.4 O lançamento do satélite:
O lançamento do satélite é feito por foguetes lançadores ou por ônibus espacial.
Os satélites brasileiros têm sido lançados pelo foguete Ariane, de fabricação francesa.
O lançamento por foguetes aproveita o impulso natural dado pelo movimento de
rotação da Terra. Esta rotação está no sentido de oeste para leste e a maior velocidade
tangencial ocorre no equador terrestre. Existe uma base de lançamento, na cidade de
Kourou, na Guiana Francesa, próxima ao equador. O foguete, de altura aproximada de
um prédio de 40 andares, carrega dois satélites na sua proa fechada. Ele é lançado
verticalmente e logo toma a direção leste. Para se ter uma idéia da sua velocidade, ele
atravessa o oceano Atlântico em aproximadamente 15 minutos. Durante sua trajetória,
várias estações de rastreamento espalhadas pelo globo terrestre monitoram o seu
movimento.
A cerca de 200km de altitude, o compartimento de proa se abre e o satélite é
impulsionado pelo seu motor de apogeu e entra numa órbita elíptica muito alongada.
Esta órbita tem perigeu (ponto mais próximo a Terra) de 200 km e apogeu (ponto mais
16
afastado da Terra) de 36.000 km. O satélite fica nesta órbita por umas 4 ou 5 voltas,
para que se possam fazer todos os testes de funcionamento.
Após esta etapa, quando o satélite passa por seu apogeu, o motor de apogeu é
novamente acionado e ele ganha novo impulso, entrando agora em órbita circular, em
torno da Terra e sobre o equador. Quando o satélite chega ao ponto em que deve
''estacionar”, foguetes são acionados de modo que ele entre na mesma velocidade
angular que a Terra, ficando assim sincronizado com ela. Por isto toma o nome de
“satélite síncrono'' ou “geoestacionário” e permanece na altitude de 36.000km.
Por curiosidade, o satélite que em terra pesa 1750 kgf, a 36.000km de altura
pesa cerca de 40 kgf. Um sinal de RF, viajando a 300.000 km/s, na sua viagem de ida
e volta leva 0,24 segundos. Este tempo causa eco na telefonia, prejudica a sinalização
telefônica automática e as interações entre terminais em comunicação de dados. Este
atraso foi contornado pelo uso de dispositivos especiais, na transmissão desses sinais.
17
3 PROJETO DE HARDWARE
Como a principal função do presente projeto é o ajuste automático do
posicionamento de uma antena parabólica, sem a necessidade da presença de um
microcomputador, optou-se pelo desenvolvimento de um sistema microcontrolado.
O hardware do sistema é responsável pela aquisição dos sinais provenientes
dos sensores e também pelo acionamento dos atuadores. Para isto, o hardware é
composto por quatro blocos principais (microcontrolador, sensores, atuadores e
conversores A/D), como ilustra a figura 8. O esquemático e o layout da placa de
controle estão no Anexo 1 e 2. A relação de componentes utilizados está no Anexo 3.
Conversor
Sensor de Posição -
A/D
Inclinação
Conversor
Sensor de Posição -
A/D
Azimute
Microcontrolador
Sensores de Intensidade
do Sinal
Atuador de Azimute
Atuador de Inclinação
Figura 8: Diagrama em blocos do hardware.
3.1 Microcontrolador
O microcontrolador é o elemento responsável pelo tratamento dos dados
provenientes dos conversores A/D e dos sensores de intensidade de sinal, pelo
acionamento dos atuadores e também por transmitir dados para o computador, via
interface serial.
O microcontrolador escolhido para este projeto foi o 80C31, da família de
microcontroladores MCS-51, fabricado pela Intel. A estrutura interna de um MCS-51 é
mostrada na figura 9.
18
Figura 9: Estrutura interna de um 8051.
3.2 Sensores
Os sensores do projeto são quinze ao todo. Treze fototransistores dispostos na
superfície do prato da antena para a detecção dos raios laser, como mostra a figura 10,
e dois potenciômetros para se monitorar a posição da antena.
Figura 10: Disposição dos fototransistores no prato da antena.
Esta disposição foi escolhida para se cobrir a maior área possível da antena,
usando o mínimo de fototransistores, pois o número de pinos de E/S do
microcontrolador é limitado. Assim foi possível detectar os raios laser no prato da
antena e simular o ajuste do posicionamento.
19
Para os sensores dos raios laser, foi escolhido usar fototransistores pois era a
solução mais viável, embora os sistema sofra interferências em ambientes muito claros
ou se ficar exposto a luz solar.
Para os sensores de posição, inicialmente cogitou-se usar encoders, mas o fato
de ter que calibrar o sistema cada vez que este fosse iniciado inviabilizou esta idéia.
Então optou-se pelos potenciômetros que fornecem medições absolutas.
3.2.1 Fototransistor
Um fototransistor é um transistor bipolar encapado em uma capa transparente
que permite que a luz possa atingir a base coletora da junção. O fototransistor funciona
de maneira similar a um fotodiodo, apresentando uma sensitividade muito maior à luz,
pois os elétrons gerados pelos fótons na junção da base-coletora são aplicados na
base do transistor, e sua corrente é então amplificada pela operação do transistor. O
fototransistor apresenta um tempo de resposta menor do que o fotodiodo. A figura 11
mostra o fototransistor usado no projeto.
Figura 11: Fototransistor usado no projeto.
Os fototransistores são usados apenas com dois níveis de tensão. Nível lógico
‘0’ quando estão sensibilizados e nível lógico ‘1’ caso contrário.
3.2.2 Potenciômetro
O potenciômetro é um componente eletrônico que possui uma resistência
elétrica variável. A figura 12 mostra o potenciômetro usado no projeto. Este possui uma
resistência máxima de 10kΩ.
20
Figura 12: Potenciômetro usado no projeto.
No projeto os potenciômetros foram usados como divisores de tensão, ou seja,
nos pinos laterais foi aplicado uma tensão de 5V e no pino do meio temos um valor de
tensão correspondente a variação da resistência.
3.3 Atuadores
Os atuadores são compostos de dois motores de passo com redutores, o que
garante precisão no controle da posição da antena. Um motor é responsável pela
inclinação da antena e o outro pelo azimute. A figura 13 mostra o tipo de motor usado
no projeto.
Figura 13: Motor de passo usado no projeto.
Como a corrente necessária para acionar as bobinas deste motor é de 600mA a
12V, foi necessário desenvolver uma interface de potência, constituída de um ligação
Darlington com um transistor BC548 e um TIP31C.
21
3.4 Conversores A/D
Os conversores A/D são responsáveis por converter os sinais analógicos
provenientes dos potenciômetros, para a forma digital. O conversor A/D usado no
projeto é o ADC0804. Sua estrutura interna é mostrada na figura 14.
Figura 14: Diagrama interno do ADC0804
3.5 Comunicação / interfaces
A interface entre o hardware e o microcomputador é feita pela da comunicação
serial, através do canal serial do próprio microcontrolador, a uma velocidade de
19200bps. Foi escolhida a comunicação serial para que fosse possível que o protótipo
ficasse a distâncias maiores que 2 metros do microcomputador. Caso contrário optarse-ia pela comunicação paralela que é mais rápida.
22
4 PROJETO DE SOFTWARE
O software foi dividido em duas partes: firmware e software de controle. O
firmware é responsável pela operação do microcontrolador, ou seja, pela leitura dos
sensores e pelo acionamento dos atuadores, e o software de controle por definir o
modo de operação da antena, fixar as coordenadas (quando no modo fixo) e exibir a
posição da antena em tempo real. A figura 15 mostra o diagrama em blocos do
software.
Software de
controle
Comunicação
serial
Firmware
Figura 15: Diagrama em blocos do software.
4.1 Firmware
Quando a antena é ligada, o firmware realiza a configuração do canal serial para
que este opere a uma velocidade de 19200bps.
Após a rotina de configuração, o firmware (caso não receba nenhum comando
pela serial) inicia a antena no modo automático. Este modo consiste em, ao se atingir a
extremidade da antena com o laser, que o sistema execute uma rotina de
posicionamento fazendo com que o sinal, no caso o raio laser, fique concentrado no
centro da antena, o que resultaria em uma melhor qualidade do sinal. Isto é feito
verificando-se constantemente o estado dos fototransistores da antena. Quando o laser
é detectado em um dos fototransistores (da extremidade), uma rotina de acionamento
dos motores é iniciada e só é finalizada quando o fototransistor (central) for
sensibilizado ou quando um comando for enviado pelo usuário.
No modo fixo, a mesma rotina de posicionamento é executada, porém o critério
de parada neste caso é o valor da posição da antena (azimute e inclinação) e não mais
em função da qualidade do sinal.
A figura 16 mostra o fluxograma do firmware.
23
início
Configurar canal serial.
Ler porta serial.
Operar em
modo manual?
N
S
Ler porta serial.
Posição atual !=
nova posição
Ler fototransistors.
N
Algum fototransistor
sensibilizado?
S
N
S
Acionar um passo dos
motores.
Fototransistor central
sensibilizado?
N
Ler potenciômetros.
Transmitir posição atual.
Acionar um passo dos
motores.
Ler potenciômetros.
Transmitir posição atual.
Figura 16: Fluxograma do firmware.
S
24
Abaixo está uma função do código do firmware que é responsável pelo
acionamento do motor de passo da inclinação.
int MotIncH(int tempo)
{
unsigned char pos, aux;
if((pot2 >= 215)||(fimIncH))
{
fimIncH = 1;
return 1;
}
fimIncAH = 0;
pos = posatual & 0xf0;
aux = posatual & 0x0f;
pos = pos >> 4;
pos = giroHorario(pos);
pos = pos << 4;
P1 = posatual = aux | pos;
delay(tempo);
enviarPosicao();
return 0;
}
25
4.2 Software de controle
O software de controle da antena é responsável por fazer a interface com o
usuário. Este mostra em tempo real a posição da antena e também permite que o
usuário defina o modo de operação (automático ou fixo). No modo fixo o usuário pode
definir duas coordenadas: azimute (0º a 360º) e inclinação (0º a 90º). A figura 17
mostra a tela do software de controle e a figura 18 mostra o fluxograma do software de
controle.
Como a principal função do sistema é o ajuste automático da posição da antena,
o sistema, quando inicia, entra automaticamente no modo automático, ou seja, não é
necessário a conexão com um microcomputador, e por sua vez o software de controle,
para que este modo funcione.
Figura 17: Tela do software de controle.
26
início
Ler porta serial.
8031 está
presente?
N
S
Imprima Erro.
Ler modo de operação
fim
Modo
automático?
N
Ler posições
S
Transmitir modo.
Existe dados no
buffer da serial?
Transmitir modo.
N
Transmitir posições.
S
Ler porta serial.
Imprimir posição.
Figura 18: Fluxograma do software de controle.
27
5 RESULTADOS
O protótipo foi implementado com peças de aço carbono e como base foi usada
uma caixa de acrílico (para que os circuitos ficassem visíveis). Para facilitar o
desenvolvimento, foi utilizado uma fonte de microcomputador, para fornecer as tensões
de 5Vdc para os circuitos e 12Vdc para os motores. A figura 19 mostra uma foto do
protótipo.
Figura 19: Foto do protótipo.
Para a simulação foi usado um laserpoint para projetar o raio laser sobre o prato
da antena. Quando o laser sensibilizava algum fototransistor da extremidade, o sistema
iniciava a rotina de posicionamento e a antena começava o ajuste, até que o
fototransistor central fosse sensibilizado, o que simboliza a melhor captação de sinal.
Os resultados foram satisfatórios tanto no modo automático, pois o protótipo
funcionou como o esperado, realizando o ajuste do posicionamento conforme a
incidência do raio laser, quanto no modo fixo, pois o erro do ajuste ficou, no máximo em
3 graus tanto para a inclinação quanto para o azimute, como mostra a tabela 1. Esse
erro provavelmente ocorreu devido à falta de filtros na saída dos potenciômetros. A
figura 20 mostra a tela do software de controle em um dos testes.
28
Figura 20: Tela do software do controle em um teste de posicionamento.
Tabela 1: Erros no posicionamento (modo fixo).
Azimute
Inclinação
Azimute
Inclinação
Erro
Erro
Desejado
0º
0º
0º
0º
90º
90º
90º
90º
180º
180º
180º
180º
270º
270º
270º
270º
Desejada
0º
45º
60º
90º
0º
45º
60º
90º
0º
45º
60º
90º
0º
45º
60º
90º
Medido
0º
0º
0º
0º
91º
90º
88º
88º
177º
177º
177º
178º
271º
268º
270º
267º
Medida
0º
46º
58º
90º
0º
43º
58º
90º
1º
45º
57º
90º
2º
45º
61º
88º
Média
Azimute
0º
0º
0º
0º
1º
0º
2º
2º
3º
3º
3º
2º
1º
2º
0º
3º
1,4º
Inclinação
0º
1º
2º
0º
0º
2º
2º
0º
1º
0º
3º
0º
2º
0º
1º
2º
1,0º
29
6 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
O presente trabalho mostra o desenvolvimento de uma solução para o
posicionamento de antenas parabólicas: o posicionamento automático com base no
sinal recebido (simulado através de raios laser), dispensando o uso de equipamentos
de calibração e ajustes manuais no posicionamento.
Para isso foi desenvolvido um protótipo com dois motores de passo (um para o
ajuste da inclinação e outro para o azimute) e fototransistores na superfície do prato da
antena. Quando o raio laser atingia os fototransistores da extremidade, o prato da
antena se movia até que o laser atingisse o fototransistor central, que simboliza a
melhor captação de sinal.
O sistema mostrou-se eficiente no que foi proposto, pois, no modo automático, o
sistema conseguiu realizar o ajuste do posicionamento da antena conforme a
incidência do raio laser e, no modo fixo, realizar o ajuste com precisão de até 3 graus
tanto para a inclinação quanto para o azimute. A interface com o usuário também ficou
simples de usar e permite ao usuário o monitoramento em tempo real da posição da
antena.
Quando o sistema inicia, o modo de funcionamento é o automático. Isto permite
que o sistema execute as rotinas de ajuste automático do posicionamento sem que
seja necessário um microcomputador e um operador.
Como trabalho futuro, poderia ser adicionado a este protótipo mais sensores no
prato da antena, para que o ajuste automático fosse mais preciso ou então um módulo
de rádio frequência para que o sistema possa realizar o posicionamento procurando o
melhor sinal de rádio ao invés do raio laser.
Pensando em uma antena de proporções reais, para que o operador não
precisasse ficar próximo desta, a comunicação entre o sistema e o microcontrolador
poderia ser feita através de módulos de transmissão RF.
30
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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USP. 13º Simpósio Internacional de Iniciação Científica da Universidade de São
Paulo. São Paulo 2005.