Wprowadzenie do Komunikacji Satelitarnej

Komunikacja satelitarna poza sieciami naziemnymi

Współczesna komunikacja opiera się na systemach naziemnych. Kable światłowodowe łączą kontynenty i oceany, a stacje bazowe zapewniają łączność bezprzewodową w miastach i miasteczkach. Budowa, zasilanie i utrzymanie takich sieci jest opłacalne tam, gdzie mieszka i pracuje wystarczająco dużo osób. Oceany, pustynie, słabo zaludnione obszary wiejskie oraz część krajów rozwijających się pozostają więc trudne lub kosztowne do obsłużenia szybkimi łączami.

Komunikacja satelitarna odpowiada na to ograniczenie geograficzne. Przekaźnik na orbicie może pokryć duży obszar kontynentu lub oceanu, łącząc bazę badawczą na Antarktydzie, samolot nad Pacyfikiem, odległe gospodarstwo lub wioskę w Afryce Subsaharyjskiej z siecią naziemną. Ta sama technologia obsługuje nadawanie, łączność alarmową, nawigację, misje naukowe i dostęp szerokopasmowy tam, gdzie infrastruktura naziemna nie istnieje albo jest kosztowna. Zasięg zależy od orbity, pasma częstotliwości, terminala i architektury bram naziemnych.

Łącze satelitarne nie eliminuje potrzeby istnienia infrastruktury naziemnej. Bramy, centra zarządzania siecią i łącza dosyłowe nadal łączą segment kosmiczny z publicznym internetem albo siecią prywatną. Warstwa orbitalna zmienia miejsce dostępności łącza dostępowego, a projekt usługi określa pojemność, opóźnienie, margines pogodowy i liczbę współdzielących ją terminali.

Mechanika orbitalna i ruch satelity

Satelita nie "unosi się" w przestrzeni kosmicznej. Porusza się po ciągłej trajektorii swobodnego spadania wokół Ziemi, a jego prędkość postępowa wraz z grawitacją Ziemi wyznacza orbitę. Wysokość i prędkość określają okres obiegu oraz obszar widoczny dla statku kosmicznego.

Szybszy rzut przenosi piłkę dalej, zanim ta dotknie ziemi. Z bardzo wysokiej wieży odpowiednio szybki rzut poziomy sprawiłby, że zakrzywiona powierzchnia Ziemi opadałaby pod piłką w zbliżonym tempie. Piłka spadałaby wokół Ziemi zamiast uderzyć w jej powierzchnię. Rakieta nadaje statkowi kosmicznemu wysokość i prędkość orbitalną potrzebną do takiego ruchu. Prawo powszechnego ciążenia Newtona opisuje tę siłę:

Dla orbity kołowej wymagane przyspieszenie dośrodkowe odpowiada przyspieszeniu grawitacyjnemu w położeniu statku. Na orbicie eliptycznej prędkość i odległość zmieniają się wzdłuż toru. Opór atmosferyczny, kształt Ziemi oraz grawitacja Słońca i Księżyca zaburzają idealną orbitę, dlatego satelity operacyjne wykorzystują pomiary nawigacyjne i niewielkie korekty, aby pozostać w wyznaczonych granicach.

Dla satelity Ziemi masa statku jest mała w porównaniu z masą planety, lecz nadal występuje w równaniu siły. W przybliżeniu dwóch ciał wynikające przyspieszenie wyznacza prędkość orbitalną. Analiza misji uwzględnia następnie opór, ciśnienie promieniowania i zaburzenia grawitacyjne przy prognozowaniu rzeczywistej trajektorii.

Prawa Keplera: zasady ruchu orbitalnego

Trzy prawa ruchu planetarnego Johannesa Keplera opisują geometrię, prędkość i okres orbit eliptycznych. Pierwsze dwa Kepler opublikował w 1609 roku, a trzecie w 1619 roku.

Prawa opisują idealną orbitę dwóch ciał i stanowią punkt wyjścia dla projektu systemu komunikacyjnego. Inżynierowie wykorzystują je do szacowania czasu widoczności, okresu powrotu nad obszar oraz prędkości orbitalnej, a dopiero później dodają korekty położenia, opór atmosferyczny i koordynację konstelacji.

1. Pierwsze Prawo Keplera (Prawo Orbit): Satelity nie poruszają się po idealnych okręgach. Ich orbity są elipsami, a Ziemia znajduje się w jednym z dwóch ognisk tej elipsy. Oznacza to, że podczas swojej orbity odległość satelity od Ziemi nieznacznie się zmienia. Punkt największego zbliżenia nazywany jest perygeum, a punkt najdalszy apogeum. W przypadku wielu satelitów komunikacyjnych te elipsy są projektowane tak, aby były jak najbardziej zbliżone do okręgu, co pozwala utrzymać stałą wysokość.
2. Drugie Prawo Keplera (Prawo Pól): Linia łącząca satelitę ze środkiem Ziemi zakreśla równe pola w równych odstępach czasu. W praktyce oznacza to, że satelita porusza się najszybciej, gdy jest w perygeum (najbliżej Ziemi), a najwolniej, gdy jest w apogeum (najdalej od Ziemi). Efekt ten jest bardziej wyraźny na orbitach silnie eliptycznych.
3. Trzecie Prawo Keplera (Prawo Okresów): Kwadrat okresu orbitalnego satelity, czyli czasu potrzebnego na jeden obieg, jest proporcjonalny do sześcianu jego wielkiej półosi. Dla prawie kołowej orbity wokół Ziemi większa wysokość oznacza mniejszą prędkość orbitalną i dłuższy okres. Każda wysokość ma więc odpowiadający jej okres orbitalny.

Elementy systemu komunikacji satelitarnej

System komunikacji satelitarnej łączy trzy części wymieniające sygnały radiowe lub optyczne. Są to segment kosmiczny, segment naziemny oraz łącza komunikacyjne.

1. Segment Kosmiczny

Segment kosmiczny obejmuje jednego satelitę lub, częściej, flotę działającą razem jako konstelacja. Każdy statek kosmiczny ma ładunki komunikacyjne oraz podsystemy pomocnicze:

Ładunek realizuje zadanie radiowe lub optyczne, a platforma zapewnia zasilanie, kontrolę temperatury, orientację, komendy i telemetrię. Ten podział jest przydatny podczas projektowania, ponieważ większa antena albo mocniejszy wzmacniacz zmieniają budżet łącza oraz wymagania dotyczące masy, energii i dokładności kierowania.

• Transponder:Transponder jest przekaźnikiem radiowym, który odbiera sygnał z Ziemi, wzmacnia go, zmienia jego częstotliwość i nadaje go do innego miejsca na Ziemi. Statek kosmiczny może mieć wiele transponderów, z których każdy obsługuje jeden lub więcej kanałów komunikacyjnych. Zmiana częstotliwości oddziela silniejszy downlink od słabszego uplinku przy satelicie. Funkcja "odbierz i retransmituj" jest często nazywana architekturą "bent pipe".
• Anteny: Satelity mają wiele anten do odbierania i nadawania sygnałów. Są one silnie kierunkowe, aby skupić energię w kierunku określonych regionów na Ziemi, tworząc obszary pokrycia zwane wiązkami (footprints).
• System Zasilania: Duże panele słoneczne przechwytują energię słoneczną do zasilania elektroniki satelity. W okresach, gdy satelita znajduje się w cieniu Ziemi (zaćmienie), korzysta on z akumulatorów.
• System Napędowy: Pędniki wykonują małe korekty orbity i orientacji. Na GEO kompensują zaburzenia powodowane przez Słońce, Księżyc i nierównomierne pole grawitacyjne Ziemi, aby statek pozostawał w pobliżu przypisanej pozycji.

2. Segment Naziemny

Obejmuje on wszystkie naziemne obiekty potrzebne do obsługi i komunikacji z segmentem kosmicznym.

Brama może obsługiwać jedną wiązkę lub kilka wiązek, a sieć może korzystać z wielu geograficznie rozdzielonych obiektów dla zwiększenia pojemności i dostępności. Centrum zarządzania śledzi stan statków, konfiguruje zasoby ładunku i koordynuje utrzymanie, natomiast terminal użytkownika wykonuje konwersję radiową oraz przekazuje ruch do lokalnej sieci.

• Bramy (Gateways lub Hubs): Są to duże stacje naziemne z bardzo dużymi antenami talerzowymi, które działają jako most między siecią satelitarną a naziemnym internetem. Kiedy korzystasz z internetu satelitarnego, twoje żądanie jest wysyłane do satelity, który następnie przekazuje je do bramy. Brama pobiera dane z internetu i wysyła je z powrotem do satelity, aby zostały dostarczone do Ciebie.
• Centrum Operacji Sieciowych (NOC): NOC monitoruje stan satelitów, zarządza ruchem sieciowym, koordynuje operacje i usuwa usterki. W usługach komercyjnych z tą platformą może być połączona obsługa rozliczeń.
• Terminale Użytkownika: Są to urządzenia używane przez klientów lub innych użytkowników końcowych. Należą do nich terminal internetu satelitarnego na dachu domu, telefon satelitarny oraz odbiornik nawigacyjny w pojeździe dla systemu GPS lub Galileo.

3. Łącza Komunikacyjne

Sygnały radiowe podróżujące między ziemią a kosmosem nazywane są łączami.

Łącze zwrotne zwykle obejmuje uplink z terminala do statku oraz downlink w kierunku bramy albo innego terminala. W konstelacji łącze międzysatelitarne może dodać trasę w przestrzeni między tymi łączami naziemnymi, ale wymaga też dokładnego kierowania, nawiązania połączenia i kontroli routingu.

• Uplink: Łącze ze stacji naziemnej nadającej sygnał do satelity.
• Downlink: Łącze z satelity nadającego sygnał do stacji naziemnej.

Klasy orbit GEO, MEO i LEO

Trzecie prawo Keplera łączy wysokość orbity z okresem obiegu. W komunikacji i nawigacji często stosuje się geostacjonarną orbitę okołoziemską (GEO), średnią orbitę okołoziemską (MEO) oraz niską orbitę okołoziemską (LEO). Każda z nich ma inne wymagania dotyczące zasięgu, opóźnienia i śledzenia.

Nazwy opisują zakres wysokości i geometrię działania, nie zamknięte kategorie usług. Ta sama klasa orbity może służyć łączności, obserwacji albo nawigacji, gdy ładunek, przydział częstotliwości i segment naziemny są dostosowane do misji. Wybór orbity jest więc decyzją systemową, obejmującą zasięg, budżet łącza, start, czas życia i regulacje.

1. Orbita Geostacjonarna (GEO)

Satelita GEO jest umieszczony na bardzo specyficznej, wysokiej orbicie kołowej nad równikiem na wysokości około $35,786$ kilometrów. Na tej wysokości jego okres orbitalny wynosi jedną dobę gwiazdową, czyli $23$ godziny, $56$ minut i $4$ sekundy, zgodnie z obrotem Ziemi względem gwiazd.

• Zalety: Satelita GEO wydaje się nieruchomy dla obserwatora na Ziemi, więc stała antena może być skierowana w jego stronę bez ciągłego śledzenia. Ta właściwość wspiera telewizję satelitarną, w tym platformy Polsat Box i Canal+ korzystające z satelitów Eutelsat Hot Bird, oraz szerokopasmowe łącza dla stałych lokalizacji. Jeden satelita może pokryć około jednej trzeciej powierzchni Ziemi, a trzy odpowiednio rozmieszczone satelity zapewniają zasięg prawie globalny poza obszarami polarnymi.
• Wady: Ogromna odległość do satelity GEO jest jego największą wadą. Skutkuje to bardzo długim czasem podróży sygnału, powodując zauważalne opóźnienie lub opóźnienie wynoszące około pół sekundy na podróż w obie strony. To sprawia, że GEO jest mniej odpowiednia dla interaktywnych aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak gry online czy rozmowy głosowe. Duża odległość powoduje również znaczne tłumienie na ścieżce, co oznacza, że sygnał jest bardzo słaby, gdy dociera do Ziemi, wymagając większych anten naziemnych i większej mocy. Ponadto satelity GEO nie mogą skutecznie pokryć obszarów polarnych.

2. Niska Orbita Okołoziemska (LEO)

Satelity LEO krążą znacznie bliżej Ziemi, zazwyczaj na wysokościach od $160$ do $2,000$ kilometrów. Na dolnej granicy tego zakresu orbita kołowa trwa około 90 minut, a na większych wysokościach okres jest dłuższy.

• Zalety: Krótsza ścieżka zmniejsza opóźnienie propagacji i tłumienie w wolnej przestrzeni. Działające usługi szerokopasmowe raportują na wielu trasach naziemnych opóźnienia często poniżej $50$ milisekund, a silniejszy sygnał może obsłużyć mniejsze terminale i wyższe przepływności.
• Wady: Pojedynczy satelita LEO porusza się szybko i pokrywa mały obszar. Ponieważ pozostaje widoczny tylko przez część obiegu, ciągła usługa wymaga setek lub tysięcy satelitów rozmieszczonych w płaszczyznach orbitalnych oraz przełączania między nimi. Budowa, wynoszenie i obsługa takiej konstelacji wymagają dużej zdolności produkcyjnej i operacyjnej. Przykłady obejmują Starlink i OneWeb.

3. Średnia Orbita Okołoziemska (MEO)

MEO zajmuje pozycję pośrednią, z satelitami krążącymi na wysokościach między LEO a GEO, zazwyczaj od $2,000$ do $35,786$ kilometrów.

• Zalety: MEO łączy mniejsze opóźnienie niż GEO z większym footprintem niż LEO. System MEO może więc zapewnić szeroki zasięg przy mniejszej liczbie satelitów niż porównywalny system LEO.
• Wady: Systemy MEO nadal wymagają anten śledzących lub sterowanych elektronicznie, a ich obsługa jest bardziej złożona niż w stałym łączu GEO. Satelity GPS działają na wysokości około $20,200$ kilometrów z okresem 12 godzin, natomiast Galileo wykorzystuje orbity MEO na wysokości $23,222$ kilometrów z okresem około 14 godzin.