posicionamento antena
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Centro Universitrio Positivo UnicenPNcleo de Cincias Exatas e Tecnolgicas NCET
Curso de Engenharia da ComputaoMauricio Cnico
Posicionamento Automtico de Antenas Parablicas
Curitiba2006
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Centro Universitrio Positivo UnicenPNcleo de Cincias Exatas e Tecnolgicas NCET
Engenharia da ComputaoMauricio Cnico
Posicionamento Automtico de Antenas Parablicas
Monografia apresentada comisso doPrograma de Iniciao Cientfica doUnicenP, como requisito parcial concluso de um PIC do Curso deEngenharia da Computao.
Orientador: Prof. Edson Pedro Ferlin.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeo a Deus, por ter me concedido a vida e por todas as
oportunidades a mim oferecidas.
Ao meu orientador, Prof. Edson Pedro Ferlin, pela idia e por todo a apoio dadodurante o desenvolvimento desse projeto.
Ao Prof. Mauricio Perretto, por toda a ajuda prestada e por todos os conselhos
dados, desde a recomendao de livros at as aulas de OrCAD.
A minha esposa, Shirlei de Macedo Cnico, pela pacincia e pelo apoio.
E aos meus pais, Marilton Cnico e Zenita de Macedo, pelo esforo para me dar
as oportunidades que nunca tiveram.
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SUMRIO
Lista de Figuras .............................................................................................................. iv
Lista de Tabelas ..............................................................................................................v
Lista de Siglas ................................................................................................................viLista de Smbolos .......................................................................................................... vii
Resumo ........................................................................................................................ viii
Abstract........................................................................................................................... ix
1 Introduo.................................................................................................................... 1
1.1 Definio do Trabalho ........................................................................................... 11.2 Descrio das principais funcionalidades.............................................................. 3
2 Fundamentao Terica.............................................................................................. 4
2.1 Histria dos satlites ............................................................................................. 4
2.1.1 Cronologia do Emprego de Satlites em Comunicaes................................ 62.2 Estrutura de um satlite ........................................................................................ 9
2.2.1 Foguetes e combustvel................................................................................ 102.2.2 Fonte de Eletricidade.................................................................................... 102.2.3 Antenas......................................................................................................... 112.2.4 Transponders, o Subsistema de Comunicaes .......................................... 13
2.3 Faixas de Freqncias Empregadas e Servios Oferecidos............................... 142.4 O lanamento do satlite:.................................................................................... 15
3 Projeto de Hardware .................................................................................................. 17
3.1 Microcontrolador.................................................................................................. 173.2 Sensores............................................................................................................. 18
3.2.1 Fototransistor................................................................................................ 193.2.2 Potencimetro............................................................................................... 19
3.3 Atuadores............................................................................................................ 203.4 Conversores A/D................................................................................................. 213.5 Comunicao / interfaces.................................................................................... 21
4 Projeto de Software ................................................................................................... 22
4.1 Firmware ............................................................................................................. 224.2 Software de controle ........................................................................................... 25
5 Resultados................................................................................................................. 27
6 Concluso e Trabalhos Futuros................................................................................. 29
7 Referncias Bibliogrficas ......................................................................................... 30
8 Anexos...........................................................................Erro! Indicador no definido.
8.1 Anexo 1: Esquemtico ............................................Erro! Indicador no definido.8.2 Anexo 2: Layoutda placa........................................Erro! Indicador no definido.8.3 Anexo 3: Relao de componentes.........................Erro! Indicador no definido.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Viso geral do sistema .................................................................................... 3
Figura 2: Diagrama em blocos do sistema...................................................................... 3
Figura 3: Satlites como esferas refletoras passivas do sinal de rdio........................... 5
Figura 4: Formato dos Satlites A1 e A2, da Hughes. .................................................... 9
Figura 5: Tipos de antenas. .......................................................................................... 11
Figura 6: Diagrama em Blocos Bsico de um Transponder.......................................... 13
Figura 7: Diagrama em blocos simplificado do sistema de comunicaes dos satlites
A1 e A2......................................................................................................................... 14
Figura 8: Diagrama em blocos do hardware. ................................................................ 17
Figura 9: Estrutura interna de um 8051. ....................................................................... 18
Figura 10: Disposio dos fototransistores no prato da antena. ................................... 18
Figura 11: Fototransistor usado no projeto. .................................................................. 19
Figura 12: Potencimetro 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 prottipo.......................................................................................... 27
Figura 20: Tela do software do controle em um teste de posicionamento. ................... 28
Figura 21: Esquemtico da placa de controle (parte 1). ...Erro! Indicador no definido.
Figura 22: Esquemtico da placa de controle (parte 2). ...Erro! Indicador no definido.
Figura 23: Layoutbottom da placa de controle.................Erro! Indicador no definido.
Figura 24: Layout top da placa de controle.......................Erro! Indicador no definido.
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Erros no posicionamento (modo fixo). .......................................................... 28
Tabela 2: Relao de componentes. ................................Erro! Indicador no definido.
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RESUMO
O projeto consiste em um sistema automatizado para o posicionamento de
antenas parablicas. Foram desenvolvidos um prottipo em dimenses reduzidas e o
sistema computacional embarcado (hardware e software) que controla o azimute e ainclinao da antena.
O sistema realiza o posicionamento da antena mediante o acionamento de dois
motores de passo (azimute e inclinao); e a posio da antena determinada por
meio de dois potencimetros, que esto acoplados antena. O sinal captado pela
antena simulado atravs de laser e a recepo atravs de fototransistores dispostos
geometricamente na superfcie da antena.
A interface com o usurio ocorre por meio de um software no computador,
atravs da qual se pode efetuar a leitura das coordenadas da antena e tambm se
pode alternar entre os modos de operao (automtico, onde o ajuste realizado pelo
sistema em busca do melhor sinal e fixo, onde a antena ser posicionada em funo
das coordenadas informadas).
A comunicao do sistema com o computador ocorre por meio da porta serial,
no modo assncrono. No hardware do sistema foram utilizados um kit de
microcontrolador e uma placa desenvolvida exclusivamente para o projeto. Esta placa
responsvel pelo acionamento dos motores, pelas leituras dos foto-transistores e
potencimetros.
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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 theazimuth 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 users 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.
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1 INTRODUO
Aps a Segunda Guerra Mundial, houve uma enorme demanda de
comunicaes, principalmente entre EUA e Europa. Nesta poca, a indstria de
Telecomunicaes crescia e investia pesadamente no desenvolvimento de novastcnicas e equipamentos. Nos pases europeus e nos EUA, as comunicaes eram
intensas (no caso europeu, j eram internacionais). Os pases da Europa se integravam
comercialmente, via telecomunicaes, enquanto os EUA estavam ficando isolados. Os
nicos meios de transmisso de longa distancia que existiam entre os continentes
eram: O rdio-HF, o rdio-enlace em visibilidade e os cabos metlicos (submarinos).
Assim, os satlites conseguiram cobrir uma lacuna existente, provendo, como
repetidor ativo no espao visvel em vasta extenso territorial, uma ampla gama de
servios. A primeira grande vantagem do satlite em comunicaes ponto a ponto (em
particular comunicaes intercontinentais), foi a conexo de duas estaes distantes,
sem repetidores em terra. Alm disto, os sistemas de comunicao por satlite se
mostraram bastante adequados s redes ponto-multiponto e a diversas outras
aplicaes, em funo da grande flexibilidade de cobertura, conectividade, canalizao
e reconfigurao de rotas oferecidas.
Principalmente nos EUA, a demanda pelas comunicaes internacionais
pressionava o Governo, empresas, cientistas e engenheiros a darem uma rpida
soluo ao problema. Grandes laboratrios privados e de grandes universidades se
empenhavam na busca de novos meios de transmisso. A instalao de muitos cabos
submarinos, para atender a crescente demanda, resultaria em investimentos que
encareceriam as comunicaes, face aos preos internacionais europeus. Novamente
o esforo de guerra veio em auxlio.
1.1 Definio do Trabalho
Os meios de comunicao desempenham um papel fundamental na sociedade
atual. Esta s pode chegar ao estado atual de rapidez na transmisso da informao
graas, em parte, ao desenvolvimento da comunicao via satlite.
Porm, assim como outras maneiras de comunicao sem fio, a comunicao
via satlite deveras crtica sendo que a qualidade da informao recebida
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influenciada por uma srie de fatores, entre eles podemos citar o meio em que a
transmisso se propaga e o correto posicionamento do transmissor e do receptor.
Atualmente no possvel controlar o meio ambiente para que este seja o mais
favorvel possvel a transmisso. J quanto ao posicionamento dos transmissores e
receptores tm-se duas tarefas distintas: o posicionamento do satlite que deve
permanecer em uma rbita fixa, devido a diversos fatores este posicionamento
necessariamente feito de forma automtica, isto , o prprio satlite detecta sua
posio e seu deslocamento em relao a rbita definida, colocando-se em posio
novamente.
A outra tarefa diz respeito ao posicionamento das antenas em terra, que se
comunicaro com os satlites. Essas antenas em tese devem estar apontadas de
forma que sempre recebam a maior parte do sinal transmitido pelo satlite, este
posicionamento feito de forma manual, sendo necessrio que um tcnico se
posicione na antena verificando a intensidade do sinal recebido enquanto esta se
movimenta de forma que o tcnico possa localizar o ponto de maior incidncia do sinal
transmitido.
Este processo como se pode perceber 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 relao ao sinal recebido, buscando sempre
a melhora dessa comunicao.
O projeto proposto busca simular um sistema de autoposicionamento de antenas
parablicas. Para que isso seja possvel necessrio que o sistema possa captar a
intensidade do sinal em uma vasta rea comparando cada posio e verificando em
qual ponto se encontra o maior, na seqncia o sistema deve realizar os movimentos
necessrios 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, alm do
mais, deve permitir a comunicao com um microcomputador para facilitar a
visualizao por um usurio. E, no caso deste necessitar posicionar a antena em
coordenadas diferentes. A figura 1 mostra uma viso geral do sistema e a figura 2 o
diagrama em blocos.
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Figura 1: Viso geral do sistema
Figura 2: Diagrama em blocos do sistema
1.2 Descrio das principais funcionalidades
O objetivo desse projeto desenvolver e implementar a automao de uma
antena parablica, sem se preocupar com o sinal em si. Para que fosse possvel
realizar o posicionamento, o sinal foi simulado atravs de raios laser.
O prottipo opera em dois modos: automtico e fixo. No modo automtico o
ajuste realizado pelo sistema em busca do melhor sinal. No modo fixo a antena ser
posicionada em funo das coordenadas informadas pelo usurio atravs do software
do controle. Em ambos os modos, o posicionamento da antena (azimute e inclinao)
pode ser monitorado em tempo real atravs do software de controle.
MicrocontroladorComputador
Atuador de Azimute
Atuador de Inclinao
Sensores de Intensidade
do Sinal
Sensor de Posio -
Azimute
Sensor de Posio -
Inclinao
Conversor
A/D
Conversor
A/D
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2 FUNDAMENTAO TERICA
2.1 Histria dos satlites
Em 1926, um fsico americano, Robert Hutchings Goddard, lanou um pequeno
foguete de combustvel lquido. Segundo os americanos, Goddard, em 1926, abriu
caminho para a era espacial. Mas, durante a segunda Guerra Mundial, os alemes se
destacaram na inveno, construo e utilizao de foguetes (infelizmente para fins
blicos). Ernst Von Braun, cientista alemo, foi para os EUA no fim da guerra e
continuou com o desenvolvimento, agora de grandes foguetes, que podiam levar
cargas apreciveis a grandes alturas, no incio da dcada de 1950. A imaginao corria
solta nesses anos dourados. Escritores de fico cientfica se ligavam a laboratriosde pesquisa de ponta, na busca de inspirao para suas estrias. Um deles, Arthur C.
Clark, em uma de suas publicaes (1945), sugeriu e previu exatamente os modernos
satlites para telecomunicaes. Para Clark, para cobrir as grandes distancias,
bastariam 3 satlites para cobrir todo o globo terrestre, que descreveriam rbitas
equatoriais circulares em torno da Terra com perodo de 24 horas, de modo a
acompanhar o movimento de rotao da Terra sincronamente. Assim, para um
observador parado na superfcie da Terra, o satlite pareceria imvel. Ele detalhou em
quais pontos da Terra seria possvel o lanamento, detalhou o prprio lanamento e aque altitude deveria ficar o satlite, de modo a permanecer parado no cu. Descreveu
tambm as estaes de terra para a comunicao via satlite.
Os satlites comearam a ser lanados em 1957, sendo o Sputnik russo um
pioneiro. A reao americana foi imediata, lanando os primeiros satlites, como
esferas refletoras passivas do sinal de rdio, como mostra a figura 3.
Em seguida apareceram os satlites ativos destacando-se o Early Bird, como o
primeiro satlite geoestacionrio com sucesso comercial (1965). Logo aps foi lanado
o INTELSAT II em 1967 e uma srie deles nos anos seguintes. Com o lanamento do
Early Bird, as empresas de cabos submarinos tentaram bloquear os satlites, at junto
ao governo americano. Com a baixa dos custos astronmicos dos primeiros satlites,
eles puderam competir comercialmente com estes cabos. A transmisso de TV
intercontinental foi um golpe fatal nos cabos submarinos, que no podiam transmitir tal
faixa de freqncias.
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Figura 3: Satlites como esferas refletoras passivas do sinal de rdio.
Antes de 1963 os satlites eram de baixa altura e percorriam o cu, de horizonte
a horizonte em pouco tempo. Isto no era satisfatrio para as comunicaes, as quais
s seriam possveis enquanto o satlite fosse visvel. Seria necessrio parar o satlite
no cu. Para isso seriam necessrias duas condies, j conhecidas desde o tempo de
Newton:
1) A fora com que a Terra atrai o satlite deve ser equilibrada pela reao
fora centrfuga, provocada pelo movimento de translao do satlite ao redor da Terra;
2) O movimento de translao do satlite tem de acompanhar o movimento de
rotao da Terra, de tal forma que ele fique sempre sobre o mesmo ponto da superfcie
do planeta.
Estas duas condies so satisfeitas a uma altitude de 36.000 km onde se deve
estabelecer a rbita circular de um satlite estacionrio, tambm denominado de
geoestacionrio. Atualmente cerca de 7.500 satlites orbitam a Terra. Alguns
geoestacionrios para telecomunicaes (repetidores de sinal que fornecem servios
de: sinais de comunicao, difuso de TV, telefonia, telex, redes de dados, navegao,
etc.) e, outros (a maioria), so de baixa altitude (200km a 10.000km) que servem para
diversos propsitos, como por exemplo: Satlites de sensoriamento remoto: coletam dados da superfcie da Terra, onde
se incluem solo, gua, vegetao, rochas e combinaes destes;
Satlites de observao astronmica: utilizados na pesquisa do espao exterior;
Satlites militares: geralmente utilizados com objetivos secretos;
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Satlites espies: podem distinguir objetos na superfcie terrestre com 25cm de
comprimento, atravs de lentes especiais. Isto significa que podem ler as
manchetes de um jornal;
Satlites meteorolgicos: para monitoramento da atmosfera, que fotografam
nuvens, detectam a formao de furaces, chuvas, insolao, ventos, etc;
Satlites de observao: detectam, por sensores infravermelhos, o lanamento de
msseis, espaonaves, trfego areo, queimadas, etc;
Satlites de prospeco: atravs de sensores prprios detectam petrleo e
diversos tipos de minerais;
Satlite de posicionamento: como o GPS (Global Position Satellite), que fornece a
posio exata de um receptor, sendo sensvel a uns 2 metros de mudana dessa
posio.
2.1.1 Cronologia do Emprego de Satlites em Comunicaes
A seguir so apresentados os principais marcos na histria das comunicaes
por satlite:
1957: Lanamento do satlite artificial sovitico Sputnik 1 (no era na verdade um
satlite de comunicaes, na medida em que no retransmitia mensagens,
apenas transmitia mensagens pr-gravadas na direo Espao - Terra);
1960: Lanamento dos satlites-balo ECHO I e II (USA). Eram repetidores
passivos, que permitiam a comunicao entre estaes terrenas na faixa de 1 e
2,5 GHz, atravs da reflexo na superfcie metalizada (plstico mylar coberto com
fina camada de alumnio) de um balo de 30m de dimetro colocado em rbita
circular de 1.600km. Problema: alta potncia de transmisso necessria nas
estaes em terra;
1960: Primeiras experincias com satlites repetidores ativos: Courrier, em 2
GHz, rbita de 1.000km;
1962: Lanamento dos primeiros satlites operando na banda C (6/4GHz), ainda
em rbitas de baixa altitude (TELSTAR - I e RELAY - I). Obs.: A esta poca j
existia tecnologia para colocar artefatos em rbita sncrona, porm considerava
que o atraso envolvido (aproximadamente 0,25s por salto) seria inaceitvel;
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1963: Lanamento do primeiro satlite geoestacionrio (300 circuitos telefnicos
ou uma portadora de TV) SYNCOM II;
1964: Grande impulso em comunicaes via satlite: criado o INTELSAT;
1965: Lanamento do Early Bird (INTELSAT I), primeiro satlite geoestacionrio
comercial (240 circuitos telefnicos ou 1 canal de TV; antena com feixe toroidal;
1,5 anos de vida til);
1965: Lanamento do MOLNYA - I, sovitico, um satlite em rbita elptica, no
geoestacionrio;
1967: Lanamento do INTELSAT II (240 circuitos telefnicos + 1 canal de TV;
ainda antena com feixe toroidal; 3 anos de vida til);
1968-70: INTELSAT III Ianado (1.500 circuitos telefnicos; 4 canais de TV; 5
anos de vida til. Primeiro satlite com antenas despun, isto , estacionrias em
relao Terra enquanto o corpo do satlite permanecia em rotao;
1971: Lanamento do primeiro INTELSAT IV (7 anos de vida til; 1.400 circuitos
telefnico, 2 canais de TV);
1971: Estabelecimento da organizao INTERSPUTINIK (USSR + 9 naes do
bloco sovitico);
1972: Lanamento do ANIK l canadense, primeiro satlite domstico no mundo
ocidental;
1974: Com o WESTAR I, iniciou-se as comunicaes domsticas via satlite
tambm nos USA; 1974: Incio das operaes do Sistema Brasileiro de Comunicaes via satlite (4
estaes), utilizando o INTELSAT;
1974: Lanamento do SYNPHONIE-I: Francs, primeiro satlite geoestacionrio
estabilizado em 3 eixos;
1975: INTELSAT IV-A: Reutilizao de freqncia por separao de feixes de
cobertura (20 transponders mais de 6.000 circuitos telefnicos + 2 canais de TV);
1975: Lanamento do primeiro satlite geoestacionrio sovitico (STATSIONAR);
1976: Lanamento do MARISAT (USA), primeiro satlite dedicado a
comunicaes mveis martimas;
1977: Estabelecimento da Organizao EUTELSAT, por 17 administraes
europias, devotada a promover comunicaes regionais (Europa) via satlite;
1978: Lanamento do satlite europeu OTS, primeiro satlite de comunicaes na
banda Ku (14/11 GHz);
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1979: Estabelecimento do INMARSAT, organizao dedicada comunicao
mvel martima global via satlite;
1980: Lanamento do 1 INTELSAT V, com 10 anos de vida til, 12.000 circuitos
telefnicos com operao FDMA e TDMA + TV, operando tanto na banda C (6/4
GHz), como na banda Ku (14/11GHz), 4 vezes reutilizao de freqncias atravs
de discriminao espacial e de polarizao;
1982: aprovado pelo Ministrio das Comunicaes, a contratao, instalao e
operao de um enlace espacial prprio para o SBTS (Sistema Brasileiro de
Telecomunicaes por Satlite);
1983: Lanamento do satlite japons CS-II, primeiro satlite de comunicaes
domstico na banda Ka (30/20 GHz);
1983: Primeiro Ianamento do ECS (EUTELSAT), com capacidade para cerca de
12.000 circuitos telefnicos com operao TDMA + TV, operando em 6/4 e 14/11
GHz. Reutiliza freqncia por isolao espacial e polarizao dupla;
1985: Lanamento do BRASILSAT A1, primeiro satlite do SBTS (24
transponders, dupla polarizao, polarizao Iinear, cerca de 20.000 circuitos
telefnicos e TV, 10 anos de vida til);
1986: Lanamento do BRASILSAT A2;
1990: Lanamento do primeiro INTELSAT Vl, reutilizando 6 vezes (isolao
espacial + isolao de polarizao) uma mesma freqncia. (10 anos de vida til;
38 transponders na banda C e 10 na banda Ku. capacidade de 120.000 circuitosde voz + 3 TVs);
1994: Lanamento 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: Lanamento 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 lanamento de mais um satlite brasileiro, o
BRASILSAT B3.
1998: Lanamento, em 04 de Fevereiro, do BRASILSAT B3.A figura 4 mostra o formato dos satlites A1 e A2.
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Figura 4: Formato dos Satlites A1 e A2, da Hughes.
2.2 Estrutura de um satlite
Existem vrios tipos e estruturas de satlites. Das muitas peas mecnicas e
eletrnicas que os compe, podemos classific-las em conjuntos simples, conforme o
que h de comum a todos eles: foguetes e combustvel, fonte de eletricidade, antenas
e transponders.
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2.2.1 Foguetes e combustvel
Quando o satlite vai para a sua posio final, ele o faz por meios prprios. Para
isso dispe de um motor de reao (motor de apogeu), comandado da Terra. Os
primeiros eram alimentados por combustvel lquido, armazenado em tanques internosespeciais, porm os modernos utilizam uma mistura de combustvel slido + nitrognio
+ hidrognio + cido nitroso.
Quando o satlite j est na sua posio orbital final, sofre, ao longo do tempo,
influncias gravitacionais do Sol, da Lua e da Terra e sofre tambm influncias de
ventos solares, que o tiram lentamente desta posio. Comandados da Terra,
pequenos foguetes laterais, corretores de altitude, corrigem no s sua posio na
rbita como tambm inclinaes ou outras variaes de altitude. Estes foguetes so
acionados por pouco tempo (fraes de segundo ou segundos) e seu combustvel armazenado naqueles tanques.
o gasto do combustvel que determina a vida til do satlite, a qual de 8 a 10
anos, atualmente. Quando o combustvel acaba, no h mais correo e o satlite
deriva lentamente no espao, sendo considerado perdido. Portanto, o controle do gasto
do combustvel no posicionamento final do satlite determinante para a durao de
sua vida til.
2.2.2 Fonte de Eletricidade
A energia eltrica que alimenta todos os equipamentos eletrnicos a bordo
gerada por clulas fotovolticas. Estas clulas transformam a energia luminosa,
captada do Sol em energia eltrica, que armazenada em baterias. As clulas so
montadas sobre painis que se abrem no espao, ou so montadas sobre o prprio
corpo do satlite, quando este apresenta rea externa suficiente.Quando a Terra atravessa os equincios (21 de maro e 23 de setembro),
projeta sua sombra sobre o satlite por um perodo de at 70 minutos, durante o qual
fica interrompida a gerao de energia eltrica. Nestes perodos somente as baterias
fornecem energia para os equipamentos. Portanto, elas devem ter capacidade
suficiente para suportar toda a descarga necessria, sem se esgotar inteiramente.
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2.2.3 Antenas
As antenas do satlite dependem das freqncias em que ele opera e do
formato do pas que ilumina. A figura 5 mostra alguns tipos de antenas
Figura 5: Tipos de antenas.
As transmisses mais comuns, em telecomunicaes, se do em faixas em
torno das freqncias de 4 GHz e 6 GHz, denominadas banda C. O sinal de subida
na faixa de 5,9 a 6,4 GHz (chamado sinal de 6 GHz). O sinal de descida na faixa de
3,7 a 4,2 GHz (chamado sinal de 4 GHz). H outras faixas como, por exemplo, a bandaKu, em 14 GHz para subida e 12 GHz para descida. Esta faixa muito utilizada para
TV e para comunicao de dados. Nela as transmisses j so em potncias maiores
para suplantar as atenuaes provocadas pelas chuvas e, como vantagem, as antenas
a bordo e em terra podem ser menores. Existem tambm as bandas L e S em 1 e 2
GHz para comunicaes mveis. Alm das antenas para os servios de
telecomunicaes existem antenas para telemetria e telecomando.
Nos satlites brasileiros: A1, A2, B1, B2 e B3, h antenas de comunicaes
formadas por 5 ou 7 cornetas (tipo de antena de microondas, que parece mesmo umapequena corneta) que focalizam o sinal de rdio num refletor parablico a bordo, o qual
produz um feixe que cobre todo o Brasil, diminuindo rapidamente sua intensidade na
direo dos pases Iimtrofes e do oceano Atlntico. Existe uma outra antena, que
transmite e recebe em todas as direes, para telemetria e telecomando. Esta antena
recebe e transmite em todas as direes para o caso de o satlite perder a sua posio
normal para outra qualquer. Desta maneira o satlite ainda receber sinais de
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integridade fsica do satlite. Folhas metlicas finssimas geralmente douradas, e
outros materiais, acondicionam os equipamentos internos, propiciando isolao
trmica, blindagem eletrosttica, proteo contra partculas de alta energia oriundas do
espao, etc.
Em geral, os satlites empregam a reutilizao de freqncia, isto , duas
portadoras empregam a mesma freqncia, mas com polarizaes ortogonais. Os
satlites Brasilsat A1 e A2 aplicam a reutilizao de freqncia, sendo a canalizao de
doze transponders transmitida em polarizao vertical e a dos outros doze em
polarizao horizontal. Para minimizar interferncias, as freqncias centrais dos
transponders, cuja transmisso se d em polarizao vertical esto desalinhadas das
freqncias centrais dos transponders cuja transmisso se d em polarizao
horizontal.
A antena um dos itens mais importantes do satlite, pois ela que determina
quais regies do globo sero mais favorecidas, recebendo nveis de sinal mais
intensos. A maior parte das antenas empregadas constituda por um refletor
parablico e alimentadores, que so dispostos de modo a se obter a cobertura
desejada. Em determinadas aplicaes tambm so empregadas antenas do tipo Horn
ou de outros tipos.
2.2.4 Transponders, o Subsistema de Comunicaes
O satlite de comunicaes nada mais do que um repetidor ativo que recebe,
converte a freqncia, amplifica e retransmite para a Terra os sinais recebidos. Para
tal, so utilizados circuitos denominados transponders, cujo diagrama em blocos est
apresentado na figura 6.
Figura 6: Diagrama em Blocos Bsico de um Transponder.
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Cada transponder responsvel pela recepo e retransmisso de uma
determinada banda de freqncias, como mostrado na figura 7 que representa de
forma simplificada o sistema de comunicaes de um satlite.
Figura 7: Diagrama em blocos simplificado do sistema de comunicaes dos satlites A1 e A2.
Os satlites podem ter de 12 a 50 transponders, dependendo do tamanho. Em
particular, os satlites Brasilsat A1 e A2, dispem de 24 transponders cada. Devido aos
altos custos envolvidos na colocao em operao de um satlite, este deve possuir a
maior confiabilidade possvel. Para isso so empregadas redundncias nas diversas
partes que compem o sistema de comunicaes de um satlite.
2.3 Faixas de Freqncias Empregadas e Servios Oferecidos
A UIT (Unio lnternacional de Telecomunicaes) define, para cada parte do
mundo, as faixas de freqncias a serem empregadas pelos diversos servios de
telecomunicaes, entre os quais se situam os servios de comunicao via satlite.Para tal, o mundo foi dividido em trs regies, sendo elas:
a) Regio I - Europa, frica, Oriente Mdio e Norte da sia;
b) Regio II - Amricas e Groenlndia;
c) Regio III - Centro, Sul e Leste da sia e Oceania.
Os servios bsicos oferecidos atualmente pelas comunicaes via satlite so:
servio fixo, servio mvel e radiodifuso. O servio fixo compreende transmisso de
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voz, telegrafia, dados ou vdeo entre duas estaes em posies geogrficas fixas. J
o servio mvel inclui a comunicao entre estaes mveis (navios, aeronaves ou
viaturas terrestres) com estaes fixas e a comunicao entre estaes mveis (neste
caso comum o emprego de dois enlaces com repetio numa estao terrena fixa).
O servio de radiodifuso est associado transmisso de qualquer tipo de
informao de uma estao fixa para inmeras estaes receptoras, que so, em geral,
do tipo ''receive only'' (isto , no possuem capacidade de transmisso). Entre os
principais servios de radiodifuso via satlite esto includos: transmisso de televiso
(TVRO), transmisso de udio de alta qualidade e difuso de dados.
Atualmente os satlites tambm so utilizados em aplicaes como
radionavegao (navegao com auxlio de satlites) e radiodeterminao
(determinao da posio geogrfica de uma microestao localizada em um veculo
terrestre, navio ou aeronaves com auxlio de satlites).
Por fim, deve-se Iembrar que os satlites artificiais encontram diversas
aplicaes fora do campo das comunicaes como previses meteorolgicas, estudos
astronmicos e muitas outras.
2.4 O lanamento do satlite:
O lanamento do satlite feito por foguetes lanadores ou por nibus espacial.
Os satlites brasileiros tm sido lanados pelo foguete Ariane, de fabricao francesa.
O lanamento por foguetes aproveita o impulso natural dado pelo movimento de
rotao da Terra. Esta rotao est no sentido de oeste para leste e a maior velocidade
tangencial ocorre no equador terrestre. Existe uma base de lanamento, na cidade de
Kourou, na Guiana Francesa, prxima ao equador. O foguete, de altura aproximada de
um prdio de 40 andares, carrega dois satlites na sua proa fechada. Ele lanado
verticalmente e logo toma a direo leste. Para se ter uma idia da sua velocidade, ele
atravessa o oceano Atlntico em aproximadamente 15 minutos. Durante sua trajetria,
vrias estaes de rastreamento espalhadas pelo globo terrestre monitoram o seu
movimento.
A cerca de 200km de altitude, o compartimento de proa se abre e o satlite
impulsionado pelo seu motor de apogeu e entra numa rbita elptica muito alongada.
Esta rbita tem perigeu (ponto mais prximo a Terra) de 200 km e apogeu (ponto mais
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afastado da Terra) de 36.000 km. O satlite fica nesta rbita por umas 4 ou 5 voltas,
para que se possam fazer todos os testes de funcionamento.
Aps esta etapa, quando o satlite passa por seu apogeu, o motor de apogeu
novamente acionado e ele ganha novo impulso, entrando agora em rbita circular, em
torno da Terra e sobre o equador. Quando o satlite chega ao ponto em que deve
''estacionar, foguetes so acionados de modo que ele entre na mesma velocidade
angular que a Terra, ficando assim sincronizado com ela. Por isto toma o nome de
satlite sncrono'' ou geoestacionrio e permanece na altitude de 36.000km.
Por curiosidade, o satlite 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 sinalizao
telefnica automtica e as interaes entre terminais em comunicao de dados. Este
atraso foi contornado pelo uso de dispositivos especiais, na transmisso desses sinais.
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3 PROJETO DE HARDWARE
Como a principal funo do presente projeto o ajuste automtico do
posicionamento de uma antena parablica, sem a necessidade da presena de um
microcomputador, optou-se pelo desenvolvimento de um sistema microcontrolado.O hardware do sistema responsvel pela aquisio dos sinais provenientes
dos sensores e tambm pelo acionamento dos atuadores. Para isto, o hardware
composto por quatro blocos principais (microcontrolador, sensores, atuadores e
conversores A/D), como ilustra a figura 8. O esquemtico e o layout da placa de
controle esto no Anexo 1 e 2. A relao de componentes utilizados est no Anexo 3.
Figura 8: Diagrama em blocos do hardware.
3.1 Microcontrolador
O microcontrolador o elemento responsvel pelo tratamento dos dadosprovenientes dos conversores A/D e dos sensores de intensidade de sinal, pelo
acionamento dos atuadores e tambm por transmitir dados para o computador, via
interface serial.
O microcontrolador escolhido para este projeto foi o 80C31, da famlia de
microcontroladores MCS-51, fabricado pela Intel. A estrutura interna de um MCS-51
mostrada na figura 9.
Microcontrolador
Atuador de Azimute
Atuador de Inclinao
Sensores de Intensidade
do Sinal
Sensor de Posio -
Azimute
Sensor de Posio -Inclinao
Conversor
A/D
ConversorA/D
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Figura 9: Estrutura interna de um 8051.
3.2 Sensores
Os sensores do projeto so quinze ao todo. Treze fototransistores dispostos na
superfcie do prato da antena para a deteco dos raios laser, como mostra a figura 10,
e dois potencimetros para se monitorar a posio da antena.
Figura 10: Disposio dos fototransistores no prato da antena.
Esta disposio foi escolhida para se cobrir a maior rea possvel da antena,
usando o mnimo de fototransistores, pois o nmero de pinos de E/S do
microcontrolador limitado. Assim foi possvel detectar os raios laser no prato da
antena e simular o ajuste do posicionamento.
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Para os sensores dos raios laser, foi escolhido usar fototransistores pois era a
soluo mais vivel, embora os sistema sofra interferncias em ambientes muito claros
ou se ficar exposto a luz solar.
Para os sensores de posio, inicialmente cogitou-se usarencoders, mas o fato
de ter que calibrar o sistema cada vez que este fosse iniciado inviabilizou esta idia.
Ento optou-se pelos potencimetros que fornecem medies absolutas.
3.2.1 Fototransistor
Um fototransistor um transistor bipolar encapado em uma capa transparente
que permite que a luz possa atingir a base coletora da juno. O fototransistor funciona
de maneira similar a um fotodiodo, apresentando uma sensitividade muito maior luz,pois os eltrons gerados pelos ftons na juno da base-coletora so aplicados na
base do transistor, e sua corrente ento amplificada pela operao 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 so usados apenas com dois nveis de tenso. Nvel lgico
0 quando esto sensibilizados e nvel lgico 1 caso contrrio.
3.2.2 Potencimetro
O potencimetro um componente eletrnico que possui uma resistncia
eltrica varivel. A figura 12 mostra o potencimetro usado no projeto. Este possui uma
resistncia mxima de 10k.
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3.4 Conversores A/D
Os conversores A/D so responsveis por converter os sinais analgicos
provenientes dos potencimetros, para a forma digital. O conversor A/D usado no
projeto o ADC0804. Sua estrutura interna mostrada na figura 14.
Figura 14: Diagrama interno do ADC0804
3.5 Comunicao / interfaces
A interface entre o hardware e o microcomputador feita pela da comunicao
serial, atravs do canal serial do prprio microcontrolador, a uma velocidade de
19200bps. Foi escolhida a comunicao serial para que fosse possvel que o prottipo
ficasse a distncias maiores que 2 metros do microcomputador. Caso contrrio optar-
se-ia pela comunicao paralela que mais rpida.
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4 PROJETO DE SOFTWARE
O software foi dividido em duas partes: firmware e software de controle. O
firmware responsvel pela operao do microcontrolador, ou seja, pela leitura dos
sensores e pelo acionamento dos atuadores, e o software de controle por definir omodo de operao da antena, fixar as coordenadas (quando no modo fixo) e exibir a
posio da antena em tempo real. A figura 15 mostra o diagrama em blocos do
software.
Figura 15: Diagrama em blocos do software.
4.1 Firmware
Quando a antena ligada, o firmware realiza a configurao do canal serial para
que este opere a uma velocidade de 19200bps.
Aps a rotina de configurao, o firmware (caso no receba nenhum comandopela serial) inicia a antena no modo automtico. 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 feito
verificando-se constantemente o estado dos fototransistores da antena. Quando o laser
detectado em um dos fototransistores (da extremidade), uma rotina de acionamento
dos motores iniciada e s finalizada quando o fototransistor (central) for
sensibilizado ou quando um comando for enviado pelo usurio.No modo fixo, a mesma rotina de posicionamento executada, porm o critrio
de parada neste caso o valor da posio da antena (azimute e inclinao) e no mais
em funo da qualidade do sinal.
A figura 16 mostra o fluxograma do firmware.
Software decontrole
Comunicaoserial
Firmware
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Figura 16: Fluxograma do firmware.
incio
Operar em
modo manual?
Posio atual !=nova posio
N
S
Configurar canal serial.
Ler porta serial.
Ler porta serial.
Acionar um passo dosmotores.
Ler potencimetros.
S
Transmitir posio atual.
N
Fototransistor centralsensibilizado?
Ler fototransistors.
Acionar um passo dosmotores.
Ler potencimetros.
S
Transmitir posio atual.
N
S
Algum fototransistorsensibilizado?
N
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Abaixo est uma funo do cdigo do firmware que responsvel pelo
acionamento do motor de passo da inclinao.
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
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4.2 Software de controle
O software de controle da antena responsvel por fazer a interface com o
usurio. Este mostra em tempo real a posio da antena e tambm permite que o
usurio defina o modo de operao (automtico ou fixo). No modo fixo o usurio podedefinir duas coordenadas: azimute (0 a 360) e inclinao (0 a 90). A figura 17
mostra a tela do software de controle e a figura 18 mostra o fluxograma do software de
controle.
Como a principal funo do sistema o ajuste automtico da posio da antena,
o sistema, quando inicia, entra automaticamente no modo automtico, ou seja, no
necessrio a conexo com um microcomputador, e por sua vez o software de controle,
para que este modo funcione.
Figura 17: Tela do software de controle.
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Figura 18: Fluxograma do software de controle.
incio
8031 estpresente?
N
S
Ler porta serial.
Transmitir modo.Transmitir modo.
S
Transmitir posies.
N
Ler modo de operao
Modoautomtico?
Existe dados nobuffer da serial?
Ler porta serial.
Imprimir posio.
S
N
Ler posies
Imprima Erro.
fim
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5 RESULTADOS
O prottipo foi implementado com peas de ao carbono e como base foi usada
uma caixa de acrlico (para que os circuitos ficassem visveis). Para facilitar o
desenvolvimento, foi utilizado uma fonte de microcomputador, para fornecer as tensesde 5Vdc para os circuitos e 12Vdc para os motores. A figura 19 mostra uma foto do
prottipo.
Figura 19: Foto do prottipo.
Para a simulao foi usado um laserpointpara 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 comeava o ajuste, at que o
fototransistor central fosse sensibilizado, o que simboliza a melhor captao de sinal.
Os resultados foram satisfatrios tanto no modo automtico, pois o prottipo
funcionou como o esperado, realizando o ajuste do posicionamento conforme a
incidncia do raio laser, quanto no modo fixo, pois o erro do ajuste ficou, no mximo em
3 graus tanto para a inclinao quanto para o azimute, como mostra a tabela 1. Esse
erro provavelmente ocorreu devido falta de filtros na sada dos potencimetros. A
figura 20 mostra a tela do software de controle em um dos testes.
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Figura 20: Tela do software do controle em um teste de posicionamento.
Tabela 1: Erros no posicionamento (modo fixo).
Azimute
Desejado
Inclinao
Desejada
Azimute
Medido
Inclinao
Medida
Erro
Azimute
Erro
Inclinao0 0 0 0 0 00 45
0 46 0 10 60 0 58 0 20 90 0 90 0 090 0 91 0 1 090 45 90 43 0 290 60 88 58 2 290 90 88 90 2 0180 0 177 1 3 1180 45 177 45 3 0180 60 177 57 3 3
180 90 178 90 2 0270 0 271 2 1 2270 45 268 45 2 0270 60 270 61 0 1270 90 267 88 3 2
Mdia 1,4 1,0
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6 CONCLUSO E TRABALHOS FUTUROS
O presente trabalho mostra o desenvolvimento de uma soluo para o
posicionamento de antenas parablicas: o posicionamento automtico com base no
sinal recebido (simulado atravs de raios laser), dispensando o uso de equipamentosde calibrao e ajustes manuais no posicionamento.
Para isso foi desenvolvido um prottipo com dois motores de passo (um para o
ajuste da inclinao e outro para o azimute) e fototransistores na superfcie do prato da
antena. Quando o raio laser atingia os fototransistores da extremidade, o prato da
antena se movia at que o laser atingisse o fototransistor central, que simboliza a
melhor captao de sinal.
O sistema mostrou-se eficiente no que foi proposto, pois, no modo automtico, o
sistema conseguiu realizar o ajuste do posicionamento da antena conforme a
incidncia do raio lasere, no modo fixo, realizar o ajuste com preciso de at 3 graus
tanto para a inclinao quanto para o azimute. A interface com o usurio tambm ficou
simples de usar e permite ao usurio o monitoramento em tempo real da posio da
antena.
Quando o sistema inicia, o modo de funcionamento o automtico. Isto permite
que o sistema execute as rotinas de ajuste automtico do posicionamento sem que
seja necessrio um microcomputador e um operador.
Como trabalho futuro, poderia ser adicionado a este prottipo mais sensores no
prato da antena, para que o ajuste automtico fosse mais preciso ou ento um mdulo
de rdio frequncia para que o sistema possa realizar o posicionamento procurando o
melhor sinal de rdio ao invs do raio laser.
Pensando em uma antena de propores reais, para que o operador no
precisasse ficar prximo desta, a comunicao entre o sistema e o microcontrolador
poderia ser feita atravs de mdulos de transmisso RF.
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7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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Janeiro 1999.
USP. 13 Simpsio Internacional de Iniciao Cientfica da Universidade de So
Paulo. So Paulo 2005.