Orbita geostacjonarna i przekaźniki satelitarne
Geostacjonarna orbita okołoziemska (GEO) umieszcza satelitę około kilometrów nad równikiem i sprawia, że dla obserwatora wydaje się on nieruchomy na niebie. Arthur C. Clarke opisał zastosowanie tej orbity w komunikacji w artykule Extra-Terrestrial Relays opublikowanym w październiku 1945 roku w czasopiśmie Wireless World. Orbitę określa się więc także jako orbitę Clarke'alub Pas Clarke'a.
Stałe położenie pozorne pozwala skierować antenę naziemną w jeden punkt zamiast śledzić szybko poruszający się statek kosmiczny. Satelita może wtedy przekazywać telewizję, głos lub dane na dużej części widocznej powierzchni Ziemi. Ta właściwość uczyniła GEO standardową architekturą dla nadawania i stałych łączy danych przez większą część drugiej połowy XX wieku, choć inne orbity odpowiadają dziś za odmienne wymagania.
GEO opisuje orbitę wykorzystywaną przez usługę, zamiast osobnego rodzaju statku kosmicznego. Transponder, charakterystyka anteny i architektura bram określają, jak dostępne pasmo zamienia się w praktyczny obszar usługi. Ta sama geometria orbitalna może więc obsługiwać szeroką wiązkę nadawczą, kilka regionalnych wiązek punktowych albo połączenie nadawania i kanału zwrotnego.
Warunki orbity geostacjonarnej
Orbita geostacjonarna jest konkretną kołową orbitą równikową. Aby satelita pozostawał nad jedną długością geograficzną, musi spełnić trzy warunki:
- Musi krążyć bezpośrednio nad równikiem Ziemi. Płaszczyzna jego orbity musi mieć nachylenie równe zero stopni.
- Musi poruszać się w tym samym kierunku co obrót Ziemi (z zachodu na wschód).
- Jego okres orbitalny musi wynosić dokładnie jedną dobę gwiazdową ( godziny, minut i sekundy), co jest czasem, w którym Ziemia wykonuje jeden pełny obrót względem gwiazd.
Trzecie prawo Keplera wskazuje jedną wysokość dla kołowej orbity równikowej o okresie gwiazdowym wynoszącym 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy. Jest to około kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Na tej wysokości satelita porusza się z zachodu na wschód wraz z obrotem Ziemi i pozostaje nad jedną długością geograficzną. Korekty station keeping kompensują małe odchylenia powodowane przez Słońce, Księżyc i niejednorodne pole grawitacyjne Ziemi.
Satelita geosynchroniczny ma wymagany okres gwiazdowy, lecz nie musi być geostacjonarny. Nachylenie orbity albo jej mimośród powoduje pozorny ruch na północ i południe lub na wschód i zachód w ciągu doby. To zerowe nachylenie i prawie kołowy kształt GEO pozwalają stałej antenie utrzymywać statek w jednym kierunku.
Właściwości usług GEO
Stałe położenie pozorne zapewnia szeroki footprint i pozwala stosować nieruchome anteny. Te właściwości odpowiadają za nadawanie i stałe łącza, w których zasięg jest ważniejszy od minimalnego opóźnienia.
1. Obszar pokrycia i footprint
Ze swojej wysokości satelita GEO może obserwować dużą część powierzchni Ziemi. Obszar pokrycia satelity, znany jako jego , może obejmować około jednej trzeciej planety dla typowej usługi komunikacyjnej. Trzy odpowiednio rozmieszczone satelity GEO mogą zapewnić zasięg prawie globalny poza obszarami polarnymi. Taka geometria odpowiada usługom wymagającym zasięgu kontynentalnego lub oceanicznego, takim jak nadawanie telewizyjne.
Footprint nie jest na mapie ostrym kołem. Zysk anteny, częstotliwość, wymagany margines łącza i terminal odbiorczy wyznaczają użyteczną granicę pokrycia. Duży kąt elewacji zwykle zapewnia odporniejszą ścieżkę, a mały kąt zwiększa podatność na zasłonięcie przez teren i tłumienie atmosferyczne.
2. Stały sprzęt naziemny
Ponieważ satelita wydaje się nieruchomy, antena naziemna lub terminal użytkownika może być skierowana w jego stronę bez ciągłego śledzenia. Antenę dla usługi takiej jak Polsat Box albo terminal VSAT można zainstalować i ustawić pod wymaganym azymutem oraz kątem elewacji. Upraszcza to mechanikę terminala w porównaniu z systemami śledzącymi satelity MEO lub LEO, co ułatwiło masowe wykorzystanie telewizji satelitarnej.
Stałe ustawienie ułatwia także ponowne uzyskanie łącza po zaniku zasilania albo przerwie pogodowej. Terminal nadal wymaga poprawnej polaryzacji, częstotliwości i ustawień modemu, a operator musi wybrać miejsce z niezasłoniętym widokiem na przypisaną długość orbitalną. Budynki, drzewa i teren mogą zasłonić ten kierunek, nawet gdy satelita znajduje się nad równikiem.
3. Historia operacyjna i technologia
Łączność GEO została sprawdzona operacyjnie, gdy Syncom 3 przekazał na żywo obraz z Igrzysk Olimpijskich w Tokio w 1964 roku. Od tego czasu satelity GEO obsługują łączność, obserwacje pogody i systemy wspomagania nawigacji. Współczesne statki kosmiczne łączą dużą moc, kierunkowe anteny, długi okres projektowy oraz naziemne sterowanie i station keeping.
Syncom II wcześniej pokazał działanie przekaźnika geosynchronicznego, natomiast Syncom III osiągnął prawie zerowe nachylenie wymagane dla usługi geostacjonarnej. Różnica ma znaczenie, ponieważ małe nachylenie orbitalne powoduje codzienny ruch z północy na południe, który stała antena musi tolerować albo kompensować.
Ograniczenia GEO
Ta sama odległość, która zapewnia GEO szeroki footprint, powoduje opóźnienie propagacji, tłumienie ścieżki oraz niski kąt obserwacji na dużych szerokościach geograficznych.
Ograniczenia dotyczą różnych warstw systemu. Opóźnienie propagacji wynika głównie z geometrii, tłumienie ścieżki określa budżet łącza radiowego, a kąt elewacji wpływa na ryzyko zasłonięcia i straty atmosferyczne. Projekt sieci musi więc uwzględniać terminal, trasę przez bramę i warunki pogodowe razem.
1. Opóźnienie propagacji
Sygnały radiowe poruszają się w próżni z prędkością około kilometrów na sekundę. Trasa od terminala użytkownika przez GEO do bramy naziemnej obejmuje ponad w jednym kierunku, zanim zostanie dodane przetwarzanie w sieci naziemnej. Żądanie i odpowiedź pokonują tę trasę kosmiczną dwukrotnie, więc sama odległość wyznacza dolną granicę czasu odpowiedzi.
Materiały ITU podają około milisekund dla jednej drogi propagacji i około milisekund dla podróży w obie strony. Komercyjne łącze może osiągać od do milisekund po dodaniu przetwarzania w bramie i sieci naziemnej, więc rozmowy, gry oraz inne aplikacje interaktywne muszą uwzględniać to opóźnienie.
To wartość minimalna, nie gwarancja usługi. Brama może znajdować się daleko od użytkownika lub serwera aplikacji, a kolejkowanie, szyfrowanie i protokoły transportowe dodają czas przetwarzania. Duże pliki można częściowo ukryć za buforowaniem, natomiast krótkie wymiany żądanie i odpowiedź ujawniają opóźnienie natychmiast.
- Voice over IP (VoIP) i Wideokonferencje: Opóźnienie tworzy niezręczne, nienaturalne przerwy w rozmowie, utrudniając skuteczną komunikację.
- Gry Online: Podróż w obie strony trwająca 500 ms zajmuje dużą część budżetu odpowiedzi w dynamicznej grze i utrudnia rywalizację.
- Chmura Obliczeniowa i VPN: Aplikacje wymieniające wiele krótkich komunikatów między klientem a serwerem działają wolniej przez długą podróż w obie strony.
2. Wysokie Tłumienie i Tłumienie Deszczowe
Duża odległość do GEO zmniejsza moc odbieranego sygnału z powodu . Wymaga to większych i droższych anten użytkownika oraz mocniejszych nadajników satelitarnych w porównaniu z systemami LEO.
Tłumienie deszczowe dodatkowo osłabia sygnał w atmosferze. Woda pochłania i rozprasza fale w pasmach Ku i Ka, dlatego ulewny deszcz lub mokry śnieg może zmniejszyć margines łącza na tyle, aby przerwać usługę. Systemy LEO również podlegają temu zjawisku, lecz krótsza ścieżka atmosferyczna często zmniejsza straty.
Zmienność kompensuje się przez margines łącza, adaptacyjne kodowanie i modulację, różnorodność lokalizacji albo niższe pasmo częstotliwości. Środki te poprawiają dostępność kosztem rozmiaru anteny, efektywności widmowej, złożoności urządzeń lub dodatkowych bram naziemnych.
3. Ograniczony Zasób Orbitalny
Pierścień geostacjonarny jest skończonym zasobem orbitalnym. Operatorzy koordynują pozycje orbitalne i częstotliwości na podstawie Regulaminu Radiokomunikacyjnego, aby ograniczyć szkodliwe zakłócenia. rejestruje sieci satelitarne i koordynuje wykorzystanie orbity geostacjonarnej. Liczba użytecznych pozycji zależy od pasma, charakterystyki anten, mocy i limitów zakłóceń, więc nie istnieje jedna uniwersalna reguła odstępu.
Koordynacja jest procesem technicznym i regulacyjnym. Zgłoszenie opisuje sieć, częstotliwości, obszar usługi i cechy orbity, a administracje sprawdzają, czy planowana praca może współdzielić widmo z sieciami już zarejestrowanymi. Wynikające ograniczenia wpływają na projekt ładunku satelity i długość geograficzną wybraną dla usługi.
4. Pokrycie na dużych szerokościach geograficznych
Ponieważ satelity GEO krążą nad równikiem, ich kąt elewacji maleje na dużych szerokościach geograficznych. Teren, budynki i lokalny horyzont mogą zasłonić trasę, a usługa staje się niepraktyczna w pobliżu biegunów. Systemy LEO lub polarne lepiej nadają się więc do obsługi szlaków arktycznych i antarktycznych, stacji badawczych oraz innych użytkowników położonych daleko na północ lub południe.
Ścieżka o małej elewacji przechodzi także przez większą część atmosfery niż ścieżka wysoko nad horyzontem. Przed wyborem miejsca anteny wykonuje się więc analizę lokalnego horyzontu, opadów i wymaganej dostępności. Jest to praktyczne ograniczenie pokrycia, nie brak oświetlenia regionu przez satelitę.
GEO w sieciach wieloorbitalnych
Konstelacje LEO zmieniły kompromisy w sieciach satelitarnych, ale GEO pozostaje użyteczna tam, gdzie stała antena i szeroki zasięg są ważniejsze od minimalnego opóźnienia. Operatorzy coraz częściej łączą zasoby GEO, MEO i LEO w sieciach wieloorbitalnych.
GEO pozostaje dobrze dostosowana do nadawania. Jeden strumień może trafić do wielu stałych anten na dużym obszarze, co odpowiada telewizji na żywo, radiu i dystrybucji multicast. Usługi takie jak Polsat Box i Canal+ wykorzystują pojemność GEO dla tego modelu jeden do wielu na pozycji Hot Bird.
GEO zapewnia również szerokopasmowy dostęp do stałych lokalizacji, w których usługa naziemna jest niedostępna, a opóźnienie pozostaje akceptowalne. Dostawcy tacy jak Eutelsat z usługą Konnect i Viasat wykorzystują pojemność geostacjonarną dla klientów wiejskich oraz odległych. Satelity o wysokiej przepustowości (HTS) stosują wiązki punktowe i ponowne wykorzystanie częstotliwości, aby zwiększać pojemność stałych usług szerokopasmowych.
Sieć wieloorbitalna przypisuje zadania orbicie odpowiedniej dla wymaganego zasięgu, opóźnienia i pojemności. LEO może zapewniać warstwę dostępu o małym opóźnieniu, MEO może wspierać nawigację i zasięg regionalny, a GEO może dostarczać pojemność nadawczą i dosyłową. GEO pozostaje więc określonym elementem łączności satelitarnej, gdy operator akceptuje jego opóźnienie propagacji.
Współpraca orbit wymaga wspólnego sterowania siecią, zgodnych terminali użytkownika i reguły wyboru obsługującej orbity. Decyzja o przełączeniu może uwzględniać elewację, przeciążenie, pogodę, dostępność widma i wymagania aplikacji. W takim projekcie GEO jest jedną z warstw zarządzanego systemu, zamiast zamiennika każdej sieci naziemnej lub niegeostacjonarnej.