Investigación: Comunicaciones satelitales

A continuación, se presenta una investigación realizada para el Laboratorio de Redes de Telecomunicaciones, acerca de las comunicaciones satelitales, sus aplicaciones, y algunos detalles de seguridad de las mismas como mecanismos para interceptar las comunicaciones y los métodos usados para protegerlas.

1. Aplicaciones

Las comunicaciones satelitales tienen una gran cantidad de aplicaciones en diferentes áreas. Algunas de las principales aplicaciones para las comunicaciones satelitales son:

1. Navegación
2. Telecomunicaciones
3. Clima
4. Observación de la Tierra

1.1 Navegación satelital

Un satélite de navegación, es un satélite artificial estacionado en el espacio para el propósito de la navegación. Consiste en un sistema de posicionamiento por radio que incluye una o más constelaciones de satélites, aumentadas como sea necesario para soportar la operación necesaria y que provee posicionamiento, velocidad e información del tiempo en tres dimensiones las 24 horas a usuarios equipados correctamente sobre, o cerca de la superficie de la tierra.

Un sistema de navegación satelital provee a los usuarios con suficiente precisión e integridad de información para ser usado en aplicaciones de navegación críticas. El sistema GPS es el primer elemento clave del sistema de navegación satelital ampliamente disponible para ciudadanos. 

1.2 Telecomunicaciones

Un satélite de telecomunicaciones es un tipo de satélite artificial estacionado en el espacio para el propósito de establecer comunicaciones de radio, televisión, telefonía, etc.

Los satélites de telecomunicación modernos usan órbitas geosíncronas, órbitas Molniya u órbitas de baja altitud.

• Órbitas geostacionarias. La órbita geoestacionaria es útil para las aplicaciones de telecomunicación debido a su antena localizada en el suelo, la cual debe estar dirigida hacia el satélite, y puede operar efectivamente sin la necesidad de equipo caro usado para rastrear el movimiento del satélite. Especialmente usada para aplicaciones que requieren una gran cantidad de antenas en el suelo (como distribución directa de señal TV), donde los ahorros en el equipo de suelo pueden hacer más que justificar el costo extra y complejidad de enviar un satélite a la relativamente alta órbita geoestacionaria.

• Órbita Molniya. Las órbitas Molniya pueden ser una solución atractiva en algunos casos. La órbita Molniya es altamente inclinada, garantizando una buena elevación sobre una posición selecta durante la posición norte de la órbita. Esta diseñada para que los satélites pasen la mayor cantidad de tiempo sobre las latitudes al norte, durante las cuales su huella en el suelo se mueve ligeramente. Su periodo es de medio día, así que el satélite esté disponible para operación sobre la región objetivo por ocho horas cada segunda revolución. En este sentido una constelación de tres satélites Molniya (más repuestos en órbita) pueden proporcionar cobertura ininterrumpida.Son satélites que siguen está órbita son típicamente usados para telefonía y servicios de televisión. Otra aplicación para ellos es para sistemas de radio móviles.

Las aplicaciones de los satélites de telecomunicaciones, incluyen lo siguiente.

Telefonía

La primera y probablemente más importante aplicación para los satélites de telecomunicaciónes la capacidad de telefonía internacional. Teléfonos de punto fijo relevan llamadas a una estación en la tierra, donde son transmitidas a un satélite geoestacionario. Un camino análogo es seguido entonces con el enlace descendente. 

Telefonía portátil (como celulares) usados en áreas urbanas no hacen uso de comunicaciones satelitales, sino tienen acceso a una constelación de estaciones receptoras y transmisoras en el suelo.

Televisión y radio

Existen dos tipos de satelites usados para televisión y radio:

• DBS (Direct Broadcast Satellite): DBS ser refiere a emisiones de televisión satelital para recepción en los hogares, llamada también señal directa a casa. Cubre tanto televisión análoga y digital, como recepción de radio, y es frecuentemente extendida a otros servicios proporcionados en los sistemas de televisión modernos como video en demanda. Un servicio DBS usualmente consiste en un servicio comercial o un grupo de canales gratuitos disponibles desde una posición orbital, apuntando a un país.
• FSS (Fixed Service Satellite): FSS es la clasificación oficial para satélites de comunicaciones geoestacionarios usados para emitir feeds de televisión, redes y estaciones de radio, además de telefonía y comunicaciones de datos. 

Tecnología de Satélites Móvil

Inicialmente disponible para emisión a receptores de televisión estacionarios, las aplicaciones de transmisión directa móviles hicieron su aparición con la llegada de dos sistemas de radio satelital: Sirius y XM Satellite Radio Holdings. Usando tecnología GPS como una referencia, las antenas son populares con los dueños de vehículos recreacionales.

Radio amateur

Los operadores amateur tienen acceso a los satélites OSCAR que están diseñados específicamente para cargar con tráfico de radio amateur. La mayoría de dichos satélites operan como repetidores en el espacio, y generalmente son accesados por amateurs equipados con equipo de radio UHF o VHF y antenas altamente direccionales. Debido a las limitaciones del equipo con que cuentan las personas dedicadas al radio amateur, la mayoría de los satélites son enviados a órbitas bajas.

Satélites de banda ancha

En años recientes, la tecnología de satélites de telecomunicaciones ha sido usada como medio para conectarse a Internet mediante conexiones de datos vía banda ancha. Esto es muy útil para usuarios localizados en áreas muy remotas, donde no tienen acceso a cableado de banda ancha.

1.3 Clima

La predicción del clima utiliza una variedad de observaciones para analizar el estado actual de la atmósfera. Desde el lanzamiento del primer satélite de clima en 1960, ha sido posible realizar observaciones globales, hasta en las áreas más remotas.

Imágenes satelitales (visibles, infrarrojo y microondas)

La forma más básica de imágenes satelitales proporciona fotos de las condiciones actuales de las nubes. Esto es una vista familiar en los pronósticos del tiempo en TV. Sin embargo, las imágenes satelitales pueden atravesar varios tipos de procesamiento cuantitativo para obtener información sobre variables meteorológicas importantes como la velocidad del viento, dirección, altura de las nubes, temperatura de la superficie, cubierta de hielo marino, cubierta de vegetación, precipitación, etc.

Originalmente, las imágenes satelitales eran tratadas como fotos cualitativas, las cuales eran manualmente observadas e interpretadas por meteorólogos. Hoy en día, las imágenes satelitales tienen que pasar por manipulación matemática y pueden proporcionar un análisis cualitativo de la temperatura atmosférica, humedad, movimiento y otras variables meteorológicas. 

Dos tipos de satelite que vienen equipados con instrumentos para obtener imágenes sobre el clima en la tierra, son:

• Orbitadores polares posicionados a 900 Km sobre la superficie de la tierra, en una órbita síncrona con el Sol, lo que significa que ven el mismo lugar de la Tierra al mismo tiempo cada día. Hacen alrededor de 14 órbitas por día y pueden ver todas las partes de la atmósfera por lo menos 2 veces diarias. Aunque su resolución temporal es limitada, tienen una alta resolución espacial (típicamente alrededor de 1 Km entre pixeles) ya que están relativamente cerca a la superficie de la Tierra.
• Satélites geoestacionarios posicionados a 36, 000 Km sobre el ecuador en una órbita geoestacionaria, lo que significa que siempre están fijos sobre una parte de la Tierra. Escanean continuamente (con una resolución temporal de 15-30 minutos), pero tienen una resolución espacial limitada (típicamente de 3-10 Km entre pixeles).

Diferentes instrumentos escanean en diferentes bandas de longitud de onda, y proveen diferente información sobre la atmósfera:

• Radiación Infrarroja, particularmente alrededor de 12.5 µm, y proporciona información sobre la temperatura de los cuerpos emisores de calor, como nubes o la superficie en regiones libres de nubes. Las imágenes infrarrojas son particularmente buenas para observar nubes y estas imágenes pueden ser producidas de noche.
• Radiación de vapor de agua, centrada alrededor de 6.7 µm, mide la radiación en la banda de absorción de agua-vapor. Estas imágenes son buenas para observar las distribuciones de vapor en áreas libres de nubes, y para observar nubes. 
• Radiación visible, producida en una banda de longitud de onda alrededor de 0.5-0.9 µm, muestra nubes pero solo si están reflejadas por la luz del Sol, por lo que no se producen imágenes en la noche.

1.4 Observación de la Tierra

El entendimiento y análisis de las condiciones globales del ambiente es escencial para garantizar nuestra seguridad y calidad de vida. Sobre otras cosas es necesario poder localizar desastres ambientales de una forma rápida, además de monitorear los recursos de la Tierra. Para este propósito, diversos satélites de observación de la tierra están en órbita. 

Los datos recolectados por estos satélites nos permiten entender los procesos e interacciones entre las masas de tierra, océanos y la atmósfera

La utilidad de dichos datos tiene sus aplicaciones en campos como: agricultura, silvicultura, geología, manejo de riesgos, cartografía, cuidado del ambiente y defensa y seguridad nacional.

2. Mecanismos para interceptar comunicaciones satelitales

Una preocupación en las comunicaciones satelitales reside en la intercepción y mal uso de los enlaces en tierra de los sistemas satelitales. En las comunicaciones satelitales convencionales con enlaces ascendentes y descendentes, el satélite utiliza una antena conectada a un receptor y un transmisor, que típicamente son dispositivos separados. Estos dispositivos están además conectados al comando interno del satélite y al sistema de manejo de datos que opera todos los otros mecanismos del satélite para operar en el espacio.

En su típica operación en órbita, una señal es generada en el satélite cuando se encuentra en órbita. Esta señal es una función de su misión e intención; por ejemplo un típico satélite de comunicaciones donde una señal es recibida por el receptor desde una estación en el suelo transmitiendo, alimentando a la computadora del satélite, y relevando a la unidad transmisora. El transmisor aplica la señal a la antena, la cual proyecta la señal a otro receptor en la estación en el suelo. 

La preocupación en este proceso se encuentra en la prevención potencial o mal uso de la comunicación.  Mensajes enviados por estos enlaces son cruciales o urgentes, especialmente para comunicaciones enviadas por un enlace dedicado para empleados de corporaciones o gobierno en el mundo. Fuerzas que oponen a estos usuarios tienen maneras de interrumpir la comunicación y ganar ventaja en competición con aquellos a los que el mensaje era destinado. Las dos formas principales para la interrupción o intercepción son:  Acción preventiva, malversacion e intercepción de señal.

2.1 Acción Preventiva

Involucra la introducción de obstáculos deliberados o acciones tomadas para prevenir que el mensaje continué a su destino. Típicamente, estas medidas son solo empleadas en tiempos con hostilidades abiertas y con el objetivo de eliminar los recursos de los enemigos. Aunque esto puede ser combatido usando modulaciones secuenciadas en una tasa de transmisión de datos, es una forma efectiva de prevenir que cualquier señal sea recibida en un host determinado. 

2.2 Malversación

Este concepto típicamente plantea una alta preocupación en comparación con el anterior debido a su naturaleza. Debido a que los métodos de ejecución son pasivos e indetectables, pueden ser empleados como formas efectivas de recolectar inteligencia. Estos métodos son considerables al "wire-tapping", permitiendo al agresor obtener información sobre su blanco y usarlo a su ventaja.

Este concepto es aplicado a la tecnología satelital en el sentido que los códigos de encriptación empleados para una comunicación dada pueden ser violados, ya sea por un informante en cubierto o por esfuerzos para romper el código. El resultado de estos esfuerzos es que la fuerza hostil gana control del satélite, su información y capacidades.

2.3 Intercepción de la Señal

Otro método mucho menos caro y demandante es la intercepción de señal a nivel de tierra. Este método depende mucho de una transmisión de señal ampliamente desde el satélite objetivo en órbita. Después de la transmisión de la señal (usualmente predictible como una función de su posición y tiempo) una fuerza hostil puede emplear una estación en la tierra o puesto de escucha dentro del rango de la comunicación.

Aunque depende totalmente en el uso que da el usuario a la comunicación, es una forma efectiva e indetectable para recolectar inteligencia y ganar ventaja en contra del blanco.

3. Protección de comunicaciones satelitales

Los métodos principales para combatir las amenazas mencionadas previamente caen en tres categorías: capacidad de evasión, alteración del haz de comunicación.

3. 1 Capacidad de Evasión

Es la capacidad de cambiar el curso del satélite para evitar cualquier interrupción en su operación. Este método puede parecer simple y altamente inefectivo, pero requiere una mayor coordinación comparado con los otros dos. En general, los satélites siguen su órbita en un patrón predecible definido por su misión. Esta predictibilidad causa el más alto grado de vulnerabilidad. La habilidad para alterar su curso de una situación hostil frecuentemente desviaría fallas en seguridad. 

3. 2 Alteración del haz de comunicaciones

Es la más simple y mas fácilmente empleada solución para evadir intercepciones, además de prevenir la detección del satélite mismo. Este concepto requiere de un transmisor adaptable capaz de transmitir señales de alta resistencia con un ancho del haz mínimo para no dar oportunidad a tanto sistemas de intercepción pasivos como activos. 

Una transmisión con un ancho del haz minimizado sería apuntado a una estación receptora específica, y evitaría cualquier comunicación adicional. La desventaja principal de este sistema es que requiere coordinar una sincronización con la órbita del satélite asumiendo una órbita regular del mismo con respecto al receptor en la Tierra. Esta operación, aunque convencionalmente empleada en satélites con una misión específica, utiliza mucho poder de cómputo en el satélite.

La encriptación de los datos durante la transferencia es otro método para alterar las características del haz. Mientras esto no tiene efecto en la dimensión física del área de transmisión, provee un impedimiento en contra de usuarios no deseados utilizando equipo de intercepción de señal. Este es además el método más barato y más comúnmente usado. La ventaja inherente es que, la encriptación puede ser rota de alguna manera, y el usuario puede no darse cuenta que la comunicación ha sido interceptada.

4. Conclusión

La seguridad en las comunicaciones satelitales es de gran importancia por las aplicaciones que éstos tienen en algunas áreas importantes de telecomunicaciones. Es posible imaginar que no hay daño real hecho cuando una comunicación con un satélite que monitorea el clima, o un satélite que toma fotografías del planeta es interceptado, debido a que la información no puede realmente comprometer a nadie de ninguna manera.

Pero cuando pensamos en telefonía, servicios de Internet, televisión y radio, la intercepción de este tipo de señales es un asunto grave que debe ser vigilado, por lo cual la seguridad de la encriptación u otros métodos es altamente importante en las comunicaciones satelitales

Referencias:

• Pakistan Space and Upper Atmosphere Research Comission, "Applications of Satellites",
  http://www.suparco.gov.pk/pages/applications-satellite.asp
• Sean Patrick Bain, "The Increasing Threat to Satellite Communications", Invierno del 2004, http://spacejournal.ohio.edu/issue6/threats1.html