Systemy satelitarne

Systemy stacjonarne

W stacjonarnych systemach satelitarnych komunikacja między abonentami dokonuje się za pomocą satelitów telekomunikacyjnych umieszczonych na orbitach geostacjonarnych. Każdy system obejmuje jeden lub kilka aktywnych satelitów i przynajmniej jednego rezerwowego, uaktywnianego w przypadku uszkodzenia lub utraty kontroli nad satelitą aktywnym. Satelity wykorzystywane do celów telekomunikacyjnych są zwykle wyposażone w kilka (do kilkudziesięciu) transponderów, pracujących w różnych pasmach o częstotliwości od kilku do kilkudziesięciu GHz, wykorzystywanych w zależności od: zastosowań, rodzaju transmisji, sposobu rezerwacji pasma i wielkości przepływności binarnej przez kanały satelitarne.

Typowymi zastosowaniami systemów satelitarnych są:

• naziemne satelitarne stacje odbiorcze TV, pracujące w zakresie 11/12 GHz;*
• systemy z terminalami VSAT (Very Small Aperture Terminal), pracujące w pasmie Ku 11/12/14 GHz lub w pasmie C 4/6 GHz;*
• naziemne satelitarne stacje ruchome umożliwiające transmisję danych z niewielkimi szybkościami, pracujące w zakresie 11/12/14 GHz.*

Niektóre pasma częstotliwości satelitarnych pokrywają się z naziemnymi liniami radiowymi do transmisji sygnałów cyfrowych działających w zakresach częstotliwości 11, 14, 23, 38, 50 GHz, które są przyznane wyłącznie dla specyficznych rodzajów służb lub wykorzystywane wspólnie przez wiele służb publicznych. Do największych światowych systemów satelitarnych należą: Intelsat, Inmarsat, Orion, Eutelsat i Panamsat. Optymalne położenie satelitów ze względu na dostęp do nich z terytorium naszego kraju mają systemy: Intelsat, Inmarsat i Eutelsat.

INTELSAT posiada satelity rozmieszczone nad oceanami Atlantyckim, Indyjskim i Spokojnym, jest przeznaczony głównie do zapewnienia połączeń międzykontynentalnych za pomocą kanałów telewizyjnych, telefonicznych i transmisji danych.

INMARSAT (Inmarsat 2, Inmarsat 3) jest systemem z satelitami nad oceanami Atlantyckim, Indyjskim i Spokojnym, służy głównie do realizacji połączeń telefonicznych i transmisji danych z ruchomymi terminalami satelitarnymi znajdującymi się na morzu (na okrętach, statkach i łodziach), na lądzie (na wszelkiego typu pojazdach) oraz z przenośnymi, np. typu walizkowego. W systemie wyróżnia się kilka standardów stacji:

• Inmarsat A – analogowa transmisja głosu, teleks, terminale stałe (ok. 100 kg);*
• Inmarsat B – cyfrowa transmisja sygnałów mowy, terminale przewoźne (18 kg);*
• Inmarsat C – transmisja danych (600 b/s), terminale przewoźne;*
• Inmarsat D – transmisja danych (20 kb/s), terminale przenośne (do 10 kg);*
• Inmarsat M – cyfrowy przekaz mowy i danych (2,4 kb/s), terminale przenośne;*
• Inmarsat P – pierwotna niskoorbitowa wersja systemu dla terminali kieszonkowych, zastąpiona obecnie systemem ICO (Intermediate Circular Orbit).*

ORION posiada satelity umieszczone nad Oceanem Atlantyckim i służy głównie do połączeń między Ameryką Północną a Europą. Realizuje również kanały transmisyjne w systemach VSAT oraz kanały przekazów telewizyjnych.

PANAMSAT posiada satelity znajdujące się nad Oceanem Indyjskim i zapewnia głównie komunikację w systemach VSAT, przekazy telewizyjne oraz łączność telefoniczną.

EUTELSAT wykorzystuje satelity obejmujące swym zasięgiem Europę. Służą one głównie do transmisji telewizyjnych, również transmisji danych w systemach VSAT. ze względu na wysoki stopień dostępności jest najbardziej odpowiednim systemem satelitarnym do wykorzystywania w Polsce. Satelity tego systemu mają wiązki promieniowania radiowego skierowane w różne części Europy, dwie z nich obejmują zasięgiem Europę Centralną.

Orbity satelitarne

Spośród orbit okołoziemskich, po których krążą satelity komunikacyjne, ze względu na ich kształt oraz oddalenie od Ziemi wyróżnia się:

• HEO (Highly Elliptical Orbit) – orbita eliptyczna używana głównie dla satelitów badawczych, mająca typowo: apogeum w odległości 25–45 tys. km oraz perygeum w odległości 3–5 tys. km od powierzchni Ziemi, czas obiegu satelitów ok. 3 godz., wiele płaszczyzn orbitowania;*
• LEO (Low Earth Orbit) – orbita kołowa dla satelitów niskoorbitowych, odległość 200–1200 km od powierzchni Ziemi, czas obiegu satelitów ok. 100 minut (Iridium, Globalstar, Orbcomm);*
• MEO (Medium Earth Orbit), ICO (Intermediate Circular Orbit) – orbity kołowe, wysokość ok. 10 tys. km, czas obiegu od 6 do kilkunastu godzin (Concordia, ICO Communication);*
• GEO (Geostationary Earth Orbit) – orbita geostacjonarna w odległości 36 tys. km od powierzchni Ziemi, z przeznaczeniem dla stacjonarnych systemów satelitarnych (Inmarsat, Intelsat, Eutelsat, Panamsat, Orion).*

Zależnie od położenia orbity względem Ziemi rozróżnia się satelity:

• synchroniczne – o okresie obrotu równym okresowi obrotu Ziemi względem osi,*
• podsynchroniczne – o okresie obrotu mniejszym od obrotu Ziemi,*
• stacjonarne (synchroniczne) – krążące po orbicie kołowej leżącej w płaszczyźnie równika ziemskiego i ruchem zgodnym z kierunkiem obrotu Ziemi i okresie równym okresowi obrotu ziemi.*

Umieszczony na orbicie okołoziemskiej satelita telekomunikacyjny stanowi bezobsługowy przekaźnik satelitarny (transponder) umożliwiający nawiązanie i utrzymanie łączności satelitarnej (telegraficznej, telefonicznej, radiofonicznej, telewizyjnej, przesyłania danych itp.) pomiędzy odległymi punktami na powierzchni Ziemi. Pod względem działania rozróżnia się satelity: –bez przetwarzania sygnału na pokładzie satelity (transmisje przezroczyste) oraz z przetwarzaniem sygnału na satelicie, pracujące w czasie rzeczywistym lub w trybie zapamiętaj i prześlij – przeznaczone do odbierania, wzmacniania i zapisywania sygnałów oraz ich retransmisji w odpowiednim czasie, zwykle w perygeum orbity, lub przy przelatywaniu nad określonym obszarem.

Przekaźnik satelity

Przekaźnik satelitarny stanowi wielokanałowe urządzenie komunikacyjne umieszczone na satelicie telekomunikacyjnym przeznaczone do retransmisji sygnałów nadawanych z Ziemi. Pasmo komunikacyjne każdego szerokopasmowego kanału transpondera jest rozdzielone częstotliwościowo na dwie części: łącze w górę (uplink) do przesyłania sygnałów z Ziemi do przekaźnika i łącze w dół (downlink) do przesyłania sygnałów z przekaźnika do stacji naziemnych. Nominalna szerokość pasma przenoszonego przez przekaźnik wynosi nie mniej niż 500 MHz i jest podzielona na kanały szerokopasmowe (10–24 kanałów), które są konfigurowane zdalnie w zależności od zapotrzebowania na moc sygnałów radiowych RF (Radio Frequency) nadawanych w kierunku Ziemi w pasmie dolnym. Liczba i moc poszczególnych kanałów wyjściowych są ograniczone maksymalną wydajnością zasilania; w zależności od typu przekaźnika zmienia się ona od 10 W do 100 W w całym pasmie łącza dolnego. Przemiennik pasmowy satelity dokonuje przesunięcia grupowego częstotliwości nośnych we wszystkich retransmitowanych kanałach przez kwarcowy, wysokostabilny generator podnośnej znajdujący się w transponderze. Rozdzielenie częstotliwości nośnych do odbioru i nadawania sygnałów, a także odpowiednia zmiana polaryzacji sygnałów umożliwiają wykorzystanie jednej kierunkowej anteny nadawczo-odbiorczej, dla łącza zarówno dolnego, jak i górnego.

Lokalizacja GPS

Światowy system radionawigacji satelitarnej GPS (Global Positioning System), wprowadzony (1978 r.) na potrzeby wojskowe przez amerykański Departament Obrony, został udostępniony w ograniczonym zakresie do publicznego użytkowania w 1994 r. System precyzyjnej lokalizacji GPS jest oparty na 24 satelitach NAVSTAR (w tym 3 rezerwowych) krążących wokół Ziemi po 6 równomiernie oddalonych od siebie orbitach, po 4 satelity na każdej orbicie. Zastosowana wysokosprawna modulacja kodowa zezwala na transmisję informacji nawigacyjnych na dwóch poziomach:

• z większą dokładnością – do zastosowań militarnych (niedostępnych publicznie) o największej precyzji pozycjonowania PPS (Precision Positioning Service), w zakresie od m do 10 m.;
• ze zredukowaną dokładnością – dostępną standardowo w zastosowaniach cywilnych SPS (Standard Positioning Service), w zakresie do 100 m, a dla uprzywilejowanych użytkowników nawet do 10 m.

W systemie GPS dwie częstotliwości nośne, Li L2, są modulowane kodowo sygnałem z rozproszonym widmem SS (Spread Spectrum): kodem C/A (Coarse Acquisition Code) z szybkością MHz, dostępnym do zastosowań cywilnych, oraz kodem precyzyjnym P (Precision Code) z szybkością do 10 MHz w zastosowaniach militarnych.

Największą precyzję lokalizacji, dostępną dla uprzywilejowanych użytkowników systemu, uzyskuje się przez stosowanie dodatkowej stacji referencyjnej o znanej, bardzo dokładnie ustalonej pozycji. Stacja referencyjna za pomocą systemu różnicowego DGPS (Differential GPS) oblicza i emituje dodatkowe parametry korekcyjne, niwelujące znaczną część błędów spowodowanych celowym przekłamywaniem informacji nawigacyjnych S/A (Selective Availability) oraz wynikających z różnic w propagacji sygnałów przez przyległe ścieżki jonosfery.

Wprowadzenie na rynek przenośnych i poręcznych odbiorników sygnałów GPS o różnej dokładności wywołało olbrzymie zainteresowanie tym systemem nawigacji i lokalizacji (również do precyzyjnego pomiaru czasu bezwzględnego GMT) w dziedzinach: nawigacji, geodezji, kartografii, lokalizacji pojazdów znajdujących się w ruchu oraz synchronizacji transmisyjnych systemów telekomunikacyjnych.

GEO czy LEO?

Klasyczny satelita GEO (Geostationary Earth Orbit), zawieszony 36 tys. km nad równikiem, krąży synchronicznie z obrotem Ziemi, z zachowaniem stałej względem niej pozycji. Rozwiązanie to jest wygodne z logistycznego punktu widzenia – sygnał bowiem jest wysyłany przez satelitę zawsze w tym samym kierunku i trafia zawsze w to samo miejsce na Ziemi.

Mimo że prędkość wiązki wynosi około 300 tys. km/s, sygnał radiowy przekazany za pomocą satelity GEO, choćby był wysłany przez komputer z sąsiedniego biurka, dotrze z powrotem do odbiorcy z opóźnieniem około pół sekundy (4x36 tys. km) lub ćwierć sekundy (2x36 tys. km). Opóźnienia sygnałów są problemem dla aplikacji czasu rzeczywistego (real time), wideokonferencji, zwykłych rozmów telefonicznych, a nawet protokołów transmisji danych. Zastosowanie nisko orbitujących satelitów typu LEO (Low Earth Orbit) i umieszczonych na wysokości kilkuset kilometrów sprawia, że opóźnienie zmniejsza się do poziomu jednej setnej sekundy. Mniejsze odległości od Ziemi to również mniejsze rozproszenie emitowanego sygnału – niepotrzebne są zatem 60-centymetrowe i większe talerze anten satelitarnych. W systemie Teledesic, przewiduje się, że minimalna średnica anteny satelitarnej będzie miała zaledwie 16 cm. Rozmiar ten może być jednak i 10 razy większy, w zależności od warunków lokalnych.

Satelitarne systemy komunikacji osobistej S-PCN

Systemy przeznaczone do komunikacji osobistej S-PCN opierają się na satelitach krążących po orbitach niestacjonarnych, a więc znajdujących się znacznie niżej niż 36 000 km. W systemach do komunikacji z abonentami ruchomymi jest wykorzystywane zwykle pasmo L, natomiast sterowanie i łączność z siecią stacjonarną dokonują się w pasmach L i Ka.

Globalstar

Projekt Globalstar został powołany do życia przez dwóch partnerów – firmy Loral i Qualcomm; w 1994 r. dołączyli następni partnerzy. Obecnie w skład konsorcjum wchodzą: Qualcomm Incorporated (USA), Vodaphone, France Telecom, DaCom (Korea Płd.), Airtouch Communications (USA), Daimler-Benz Aerospace (Niemcy), Finmeccanica (Włochy), Alcatel (Francja), Loral Space and Communications Ltd. (USA) oraz Hyundai (Korea Płd.).

System Globalstar składa się z 56 satelitów rozlokowanych na ośmiu orbitach przebiegających na wysokości 1414 km, o inklinacji 520, przy czym 8 satelitów pełni funkcje rezerwowych. W systemie wykorzystano technikę dostępu kodowego CDMA. Sygnały pochodzące z terminali abonentów będą przekazywane przez satelitę do pracujących w granicach wiązki satelitarnej stacji naziemnych, eksploatowanych przez licencjonowanych operatorów. Do połączeń między poszczególnymi stacjami naziemnymi będzie wykorzystywana sieć naziemnych łączy międzynarodowych. Uruchomienie systemu jest przewidywane w 1999 r.

ICO (Inmarsat-P)

System ICO jest systemem globalnej łączności ruchomej z wykorzystaniem terminali o rozmiarach współczesnego telefonu komórkowego. System ten jest oparty na niestacjonarnych satelitach krążących po kołowych orbitach pośrednich ICO (Intermediate Circular Orbit), rozmieszczonych na dwóch orbitach o inklinacji 450. Zakłada się wykorzystanie 10 lub 12 satelitów krążących w odległości 10 355 km od powierzchni Ziemi. Współpracę systemu ICO z systemami radiokomunikacji ruchomej lądowej i z publiczną siecią telefoniczna uzyskuje się za pomocą 12 węzłów dostępu do platformy kosmicznej SAN (Satellite Access Node). Węzły SAN mają obsługiwać obszary odpowiadające geograficznie poszczególnym kontynentom, co odpowiada pokryciu całej powierzchni Ziemi przez 6–7 współpracujących ze sobą węzłów. W celu zapewnienia wysokiej niezawodności systemu postanowiono zwiększyć liczbę stacji SAN do 12. Podręczne telefony systemu ICO będą miały dwa tryby pracy typu DM (Dual Mode). Jeżeli abonent znajdzie się w zasięgu działania naziemnego systemu komórkowego (np. GSM), to telefon automatycznie będzie się kontaktował z tym systemem. Gdy abonent znajduje się na obszarze, którego żaden system komórkowy naziemny nie obejmuje, wówczas aparat łączy się bezpośrednio z członem satelitarnym systemu ICO.

Teledesic

Satelitarny system Teledesic jest autorstwa korporacji o tej samej nazwie. W marcu 1997 r. amerykańska agencja FCC (Federal Communications Commission) wydała firmie licencję na uruchomienie kosmicznej sieci, składającej się z 840 satelitów łączności podstawowej oraz 84 rezerwowych. Termin realizacji projektu – lata 2001–2002. Korzystanie z sieci będzie możliwe na 95% powierzchni naszego globu, co oznacza objęcie systemem niemal całej ludzkości.

W systemie Teledesic powierzchnię Ziemi podzielono na 20 tys. superkomórek (supercells) o rozmiarach 160 x 160 [km]. Każda z nich zawiera 9 mniejszych komórek (cells) o wymiarach 53,3 x 53,3 [km]. Zasięg pojedynczego satelity to 64 superkomórki (lub 576 komórek). W rzeczywistości model jest bardziej złożony, chociażby z tego powodu, że równik (42 tys. km) można pokryć 250 superkomórkami, a w miarę wzrostu szerokości geograficznej liczba ta będzie sukcesywnie maleć. Z komórkami zostaną skojarzone określone usługi teleinformatyczne (kanały) i to one właśnie będą wynajmowane klientom – w szczególności operatorom lub dużym organizacjom. Ostatnio ogłoszono, że system będzie miał zredukowaną liczbę satelitów. Do opracowania nowej konstelacji włączyła się Motorola, która zrezygnowała z realizacji swojego projektu CyberStar.