Posicionamento Antena

7/31/2019 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.

Curitiba2006


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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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na Internet: http://www.eletricazine.hpg.ig.com.br/apo_telecom.htm. Abr. 2004.

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MESSIAS, Antonio Rogrio. Rogercom. Disponvel na Internet:

http://www.rogercom.com. Abr. 2004.

SILVA JR, Vidal Pereira da. Aplicaes Prticas do Microcontrolador 8051. 9

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TORRES, Gabriel. Hardware Curso Completo. 3 ed. Axcel Books, Rio de

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Paulo. So Paulo 2005.

Documents

Posicionamento Antena