Simulación de cobertura de vuelo entre los aeropuertos de Sevilla y Estocolmo utilizando la constelación Iridium NEXT

Abstract

Si hubiese una palabra que pudiese describir a la sociedad de hoy día, esta sería “interconectada”. Poder comunicarse con alguien situado en las antípodas del planeta, el control automático de innumerables máquinas y dispositivos, o la mera existencia de Internet son avances que hasta hace unas décadas parecían inalcanzables. Todo esto ha sido posible gracias al enorme desarrollo que ha habido en el mundo de las telecomunicaciones, dentro del cual la tecnología satelital se postula como una de las principales candidatas para continuar permitiendo a la humanidad lograr lo que hasta hace poco no eran más que sueños. La aparición de los primeros satélites de comunicación se remonta a finales de los años 50, con la puesta en órbita del Sputnik I. Aunque en un inicio las prestaciones y costes de estos dispositivos los hacían inviables para su uso comercial a escala global, el desarrollo de las primeras constelaciones en órbitas LEO (Low Earth Orbit) en los años 90 hicieron mucho más accesible esta tecnología para las empresas y el público general. En este contexto, destacan la constelación Iridium, compuesta por 66 satélites equidistribuidos en 6 órbitas a 780 km de altitud; su actualización Iridium NEXT, capaz de alcanzar capacidades de hasta 704 kbps; y otras más recientes como Starlink, de la estadounidense SpaceX; u O3b, del fabricante europeo Thales Alenia. Son muchas las aplicaciones que tienen esta nueva generación de constelaciones satelitales, desde proveer de conexión a áreas remotas del planeta, hasta ayudar a la monitorización de la superficie terrestre. No obstante, si hubiera que elegir un sector en el que esta tecnología ha venido adquiriendo un rol fundamental, ese sería el de la aviación, en el que ha permitido reducir considerablemente la latencia de las comunicaciones tanto entre aviones como con los centros de control, especialmente cuando se está en situación de vuelo, lejos de las zonas de cobertura que proveen los aeropuertos. En este contexto, una de las mayores innovaciones tecnológicas introducidas por la tecnología satelital en el panorama aeronáutico han sido los sistemas ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast). Esta nueva generación de sistemas de posicionamiento se basa en la transmisión automática de datos por parte de la aeronave, de manera que tanto los equipos de control terrestres como otros aviones que estén en las proximidades puedan tomar las medidas de guiado y precaución adecuadas. Asimismo, los requerimientos técnicos de esta nueva tecnología son mucho menores que los de los sistemas de radar tradicionales, lo que facilita enormemente su implementación en constelaciones satelitales, donde las limitaciones en cuanto al peso y a la potencia son mucho más notables que en tierra. Así, el objetivo de este Trabajo Fin de Grado es el análisis en profundidad de este tipo de comunicaciones avión-satélite. Para ello se estudiará el caso de un vuelo de unas 4 horas entre los aeropuertos de Sevilla y el de Estocolmo-Arlanda, utilizando como soporte para las comunicaciones la constelación Iridium NEXT. Asimismo, para las simulaciones se empleará MATLAB, valiéndose principalmente de los toolboxes de comunicaciones vía satélite (Satellite Communications Toolbox), y del de análisis de la capa física de los sistemas de telecomunicación (Communication Toolbox).

If there was a word that could describe nowadays’ society, that would be “interconnected”. Being able to communicate with someone located on the planet’s antipodes, the automatic control of countless machines and devices, or the mere existence of the Internet are breakthroughs that just some decades ago seemed unattainable. All this has been made possible thanks to the breathtaking development that has occurred in the world of telecommunications, in which satellite technology postulates itself as one of the main candidates to let humanity attain what not so long ago was nothing more than dreams. The first communications satellites trace back to the late50’s, when the Sputnik I was put into orbit. Even if in the beginning the performance and cost of this devices made them unviable for their commercial use at a global scale, the development of the first LEO (Low Earth Orbit) constellations in the 90’s made this technology much more accessible for companies and the general public. In this context, some standouts are the Iridium constellation, made of 66 satellites equally distributed in 6 orbits at an altitude of 780 km; its actualization Iridium NEXT, able to reach up to 704 kbps of capacity; and other more recent ones such as Starlink, from the American SpaceX, or O3b, from the European manufacturer Thales Alenia. Many are the applications of this new generation of satellite constellations, ranging from providing with connectivity remote areas of the planet, to helping monitor the Earth’s surface. However, if we had to choose a field in which this technology has been acquiring a fundamental role, that would be the aviation sector, in which it has helped to reduce considerably the latency of both, the communications between aircrafts and the communications with the control towers, especially when in flight, far from the coverage zones provided by the airports. In this context, one of the main technological innovations introduced by the satellite technology in the aeronautical landscape has been the ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) systems. This new generation of positioning systems is based on automatic data transmission by the aircraft, so then both, the ground control team and other planes on its vicinity, are able to take whichever guiding and security measures are needed. Furthermore, the technical requirements of this new technology are much lower than those of traditional radars, which greatly eases its implementation in satellite constellations, where the limitations regarding weight and power are much steeper than on Earth. Therefore, the objective of this Final Degree Project is the profound analysis of this type of plane-satellite communications. For it, the case in study will that of a 4-hour flight between the airports of Seville and of Stockholm-Arlanda, using the Iridium NEXT constellation as the backbone for the communications. Apart from that, the simulations will be run on MATLAB, utilising mainly the toolboxes of satellite communications (Satellite Communications Toolbox), and of analysis of the physical layer of telecommunications systems (Communication Toolbox).