vod do satelitnej komunikcie Joe Montana IT 488

Úvod do satelitnej komunikácie Joe Montana IT 488 - Jeseň 2003 ------------------------- Univerzita Georga Masona 1

Introduction to Satellite Communications Joe Montana IT 488 - Fall 2003 2

Pre výukový kurz „Satelitné komunikácie“ sú použité poznámky vychádzajúce z dvoch rozdielnych druhov súborov poskytnuté z poznámok Dr. Jeremyho Allnutta a Dr. Jamesa W. La. Peana. Taktiež je použitý materiál Leila Ribeira. Všetok materiál je použitý so súhlasom autora. 3 2

Agenda ------------------------ - História - Prehľad a základné pojmy o Satelitnej komunikácii - Rozloženie spektra - Využitie satelitných systémov - Prvky systému - Zoznámenie sa s konštrukciou systému - Aktuálny vývoj a budúce trendy 4

Významné míľniky (pred rokom 1950) Uvedenie súvisiacich pojmov ------------------------------------1600 Tycho Brache - experimentálne pozorovania pohybu planét. 1609 -1619 Keplerove zákony o pohybe planét 1926 Vypustenie prvého raketového motoru na kvapalné palivo v USA. Vynálezca R. H. Goddard. 1927 prvá zaoceánske rádiové komunikačné spojenie 1942 Prvý úspešný štart rakety V-2 v Nemecku. 1945 Arthur Clarke publikuje svoje myšlienky o geostacionárnych družiciach pre celosvetovú komunikáciu (GEO koncept). 5 4

Raketové motory uskutočňujú pohon v procese, ktorý možno vysvetliť 3. Newtonovým zákonom (každej akcii odpovedá proti pôsobiaca reakcia). V prípade raketových motorov, reakčná sila sa vytvára spaľovaním paliva v spaľovacej komore. Táto sila potom pôsobí na raketové trysky a vyvoláva reakciu ktorou je pohyb rakety. Pretože sú raketové motory určené na prevádzku vo vesmíre, pre spaľovanie potrebujú okysličovadlo, a tým je v mnohých prípadoch kvapalný kyslík. Existujú tri rôzne druhy raketových motorov: 1. Rakety na tuhé palivo 2. Rakety na tekuté palivo 3. Nukleárne rakety Výhody a nevýhody jednotlivých typov sú uvedené nižšie. Rakety na tuhé palivo V raketách s pevným palivom je palivo a oxidačné činidlo v pevnej forme, a obe dôkladne zmiešané v priebehu výroby. Sekcia, kde je uložené palivo, je zároveň spaľovacia komora. Jeden koniec komory je uzavretý (užitočný náklad rakety je s týmto koncom spojený), a druhý koniec komory je raketová tryska. K výhodám rakiet na tuhé palivo patrí jednoduchosť a spoľahlivosť, pretože tam nie sú žiadne pohyblivé časti, a vysoká hustota paliva, čo má za následok menšie rozmery rakety. Medzi nevýhody patrí: po spustení pevného raketového motoru, už ho nemôžete vypnúť. Budete musieť počkať do vyčerpania paliva. Taktiež ťah rakety na tuhé palivo sa výrazne znižuje v závislosti na čase spaľovania. 6

Rakety na tekuté palivo V raketách na tekuté palivo je palivo a oxidačné činidlo uložené v tekutej forme, a sú čerpané do spaľovacej komory. Existujú dva typy kvapalných hnacích rakiet, bi - propellant rakety, ktoré majú oddelené palivo a oxidačné činidlo, a mono - propellant rakety, ktoré majú svoje palivo a oxidačné činidlo zlúčené do jednej kvapaliny. Rakety na tekuté palivo sú lepšie ako rakety na tuhé palivá v mnohých ohľadoch: je možné vypnúť a následne reštartovať pohon; majú zvyčajne vyššiu rýchlosť výfukových plynov, čo znamená potrebný nižší spaľovací čas, a možnosť škrtiť viac či menej vyvinutý ťah podľa potreby. Avšak, rakety na tekuté palivá sú veľmi zložité, a preto majú nižšiu mieru spoľahlivosti. Jadrové rakety Jadrové (nukleárne) rakety pracujú na princípe smerovania vodíku do jadrového reaktoru. Vysoká teplota v reaktore spôsobuje rozpínavosť vodíkového paliva, čo pri opúšťaní trysky vyprodukuje vysoký stupeň ťahu. Jadrové rakety nepotrebujú oxidačné činidlo, a vyžadujú oveľa menej paliva v pomere k užitočnému zaťaženiu , ako rakety na tekuté alebo tuhé palivo. To umožňuje využiť jadrovú raketu všestrannejšie než chemické rakety. K nevýhodám jadrových rakiet patrí žiarenie spôsobené jadrovým reaktorom a vysoká hmotnosť celého pohonného komplexu. Odyseus Nedávne štúdie pri misii na Mars ukázali niekoľko významných výhod jadrového pohonu oproti ostatným systémom na chemický pohon. Preto bol jadrový motor vybraný aj pre program Odyseus. Motor Odyseus II vyvinie ťah o sile 1 112 500 Newtonov pri hmotnosti 9100 kg. Motor bude mať približne 3 metre v priemere a 6 m dĺžku. 7

Raketa – V 2 8

Dôležité míľniky (1950 do súčasnosti) ----------------------------- 1956: Tranz - Atlantický kábel – otvorenie prevádzky (pre asi 12 telefónnych kanálov). 1957: Prvý umelý satelit - vypustený bývalým ZSSR (Sputnik, LEO). 1958: Vypustenie prvého amerického satelitu (SCORE). Prvá hlasová komunikácia nadviazaná cez satelit (LEO, zotrvala 35 dní na obežnej dráhe, potom zlyhali batérie). 9

Sputnik - 1 10

Explorer – 1 11

Dôležité míľniky (60 -te roky) Začiatky satelitnej komunikácie ------------------------------ 1960 : Vypustenie prvého pasívneho komunikačného satelitu do vesmíru (veľké balóny, Echo I a II). 1962: Vypustenie prvého mimovládneho aktívneho kom. satelitu Telstar I (MEO). 1963: Prvý satelit vypustený na geostacionárnu obežnú dráhu - Syncom 1 - komunikácia zlyhala 1964: Vytvorenie Medzinárodnej telekomunikačnej satelitnej organizácie (INTELSAT) 1965 : Early Bird (ranné vtáča), - prvý spojovací satelit na geostacionárnej obežnej dráhe - pre komerčné využitie (premenovaný na INTELSAT 1) 12

ECHO -1 13

Telstar – 1 14

Intelsat - 1 15

Dôležité míľniky (70 -te roky) Vývoj GEO-aplikácií -----------------------------1972: prvý funkčný národný satelitný systém (Kanada). Zakladateľom bola spoločnosť Intersputnik. 1975: prvý úspešný priamy experimentálny prenos (vysielanie), v prevádzke jeden rok, USA - India. 1977: rozdelenie územia podľa regiónov 1 a 3 v rámci plánu: „satelitný prenos priamo do domácnosti“, ITU (International Telecommunication Union) - medzinárodné telekomunikačné združenie zaoberajúce sa informačnými, komunikačnými technológiami a štandardizáciou (s výnimkou Severnej a Južnej Ameriky) 1979: Založenie medzinárodnej mobilnej družicovej organizácie (Inmarsat). 16

Dôležité míľniky (80 -te roky) rozširovanie GEO aplikácií -----------------------------1981: Prvé opakované vypustenie nosnej rakety. 1982: Sprevádzkovanie medzinárodnej námornej komunikácie. 1983: ITU - plán priameho prenosu rozšírený na región 2. 1984: Prvý funkčný systém: „prenos priamo do domácností“. (Japonsko). 1987: Úspešné testy pozemných mobilných komunikácií (Inmarsat). 1989 -90: globálne mobilné komunikačné služby rozšírené na pozemné - mobilné a letecké - navigačné služby (Inmarsat) 17

Dôležité míľniky (90 -te roky) 1990 -95: - Niekoľko organizácií plánuje využitie negeostacionárnych (NGSO) satelitných systémov pre mobilnú komunikáciu. - Pokračujúci vývoj VSAT po celom svete. - Prideľovanie kmitočtového spektra pre ne-GEO (non-GEO) systémy. - Pokračujúci vývoj priamych vysielacích systémov. Vznik Direct. TV. 1997: - Vypustenie prvej série LEO pre vreckové terminály (Iridium). - Hlasové služby s prístrojmi veľkosti stolných telefónov, a vyhľadávacie (paging) vreckové mobilné terminály (Inmarsat). 1998: Iridium - zahájenie prevádzky. 1999: Globalstar – zahájenie prevádzky. 2000: ICO - zahájenie prevádzky. Iridium zlyhal, systém je predaný spoločnosti Boeing. 18

Iridium Solárne panely Modul s bateriami batériami Zbernica Štruktura riadiaceho modulu Štruktúra riadiaceho modulu Spojovací úsek Hlavná spojovacia anténa Priečne spojovacie antény Bránové antény Bus - zbernica (ústredňa) Solar Panels - solárne panely Battery Module - modul pre batérie Command Module Structure - štruktúra riadiaceho modulu Communiation Section – spojovací úsek Main Mission Antenna – hlavná spojovacia anténa Crosslink Antennas – priečne spojovacie antény Gateway Antennas - prechodné antény Obrázok zo Sat. Spy 3. 0 (pre-release) – grafický program pre sledovanie dráh satelitov 19

Prehľad a základné pojmy satelitnej komunikácie 20

Základné typy obežných dráh: GEO 36, 000 km MEO 5, 000 – 15, 000 km LEO 500 -1000 km 21

Používané orbity 1: Geostacionárna orbita ------------------ - V rovníkovej rovine - Obežná doba = 23 h 56 min. 4, 091 s = jeden hviezdny deň (definovaný ako jedna úplná otočka vzhľadom k pevnej hviezde) - Satelit sa zdá byť v pokoji nad bodom rovníku vzhľadom k pozorovateľovi - Polomer obežnej dráhy r = 42 164, 57 km POZNÁMKA: Rádius = orbitálna výška + polomer Zeme Priemerný polomer Zeme = 6 378, 14 km 22

Používané orbity 2: - Nízka obežná dráha (orbita) Zeme (> 250 km); T 92 minút - Polárna orbita (nízka); okolo pólov Zeme; Zem sa pri každom obehu družice otočí asi o 23 °, využitie pre rôzne vedecké pozorovania - Slnečná synchrónna orbita (napríklad Tiros-N/NOAA satelity - použité pre pátracie a záchranné operácie) - 8 -hodinové a 12 -hodinové orbity - Molniya orbita (typ HEO); T = 11 h 38 min, vysoko excentrická obežná dráha; inklinácia(sklon)= 63, 4 ° 23

POHĽAD NA ZEM zo sat. MOLNIYA (Apogeum ostáva nad severnou pologuľou) 24

Molniya varianty (HEO) • Orbita nad tundrou - je úplne nad Van Allen pásmom. • Ruský Tundra-systém, ktorý využíva dva satelity na dvoch 24 -hodinových orbitách oddelených o 180 stupňov okolo Zeme, apogeum 53. 622 km a perigeum 17. 951 km. • Orbita Molniya prechádza Van Allen pásmom dvakrát pre každé obiehanie, čo vedie k zníženiu životnosti satelitu v dôsledku zlého vplyvu na elektroniku. • Ruský Molniya systém zamestnáva tri satelity v troch 12 - hodinových orbitách oddelených o 120 stupňov okolo Zeme, apogeum 39, 354 km a perigeum 1000 km. 25

Molniya Varianty (HEO) • LOOPUS orbita. LOOPUS systém zamestnáva tri satelity v troch osemhodinových orbitách oddelených o 120 stupňov okolo Zeme, apogeum 39, 117 km a perigeum 1238 km. • ELLIPSO orbita 26

Vysoko eliptická orbita (HEO) Satelit typu HEO má typicky perigeum cca 500 km nad povrchom Zeme a apogeum okolo 50. 000 km. Orbita je obvykle naklonená na 63, 4 ° pre poskytovanie komunikačných služieb hlavne na miestach v severných zemepisných šírkach. Tento sklon je vybraný, aby sa zabránilo rotácii (apses)apsidy, takže priamka od stredu Zeme v apogeu vždy pretína zemský povrch v bode 63, 4 stupňov severne. Čas na orbite sa pohybuje od 8 do 24 hodín. Kvôli vysokej excentricite orbity, satelit strávi asi dve tretiny doby blízko apogea, pričom to vyzerá tak, že je skoro nehybný vzhľadom k pozorovateľovi na Zemi ( jav známy ako' apogeum zotrváva'). Počas krátkeho času je satelit pod viditeľným obzorom, bolo by potrebné hand-off pripojenie k ďalšiemu satelitu na rovnakej orbite za účelom vyhnúť sa strate komunikácie. Útlm voľného priestoru a oneskorenie pre tieto typy orbitálnych dráh sú porovnateľné s geosynchronnými satelitmi. Avšak, vzhľadom k pomerne veľkému pohybu satelitu v HEO systéme vzhľadom k pozorovateľovi na Zemi, satelitné systémy, ktoré využívajú tento typ obežnej dráhy sa musia vyrovnať s väčším vplyvom Dopplerovho posunu. 27

A Medium-Earth Orbit (MEO) Nastavením výšky na 10, 000 km, sa stretneme so strednou orbitou (MEO). Táto sa stáva strednou kruhovou orbitou (ICO), pretože apogeum a perigeum sú rovnaké. Jej perióda trvá asi sedem hodín. Maximálna doba, počas ktorej družice na obežnej dráhe MEO sú nad miestnym horizontom pre pozorovateľa na Zemi je niekoľko hodín. Globálny komunikačný systém využívajúci tento typ obežnej dráhy, vyžaduje pomerne málo satelitov na dvoch až troch obežných dráhach k dosiahnutiu globálneho pokrytia. MEO systémy fungujú podobne ako LEO systémy. V MEO systémoch je hand-off pripojenie menej časté, ale časové oneskorenie a útlm voľného priestoru sú väčšie. Príklady MEO (špecificky ICO) systémov sú Inmarsat - P (10 satelitov v 2 naklonených rovinách na 10, 355 km), a Odysea (12 satelitov v 3 naklonených rovinách, tiež na 10, 355 km). A Low-Earth Orbit (LEO) Výberom relatívne krátkej periódy (90 minút), sme vytvorili satelit v nízkej obežnej dráhe (LEO). Typický LEO je elipsovitého , alebo častejšie kruhového tvaru, s výškou menšou než 2000 km nad povrchom Zeme. Perióda obežnej dráhy v týchto výškach sa pohybuje od 90 minút až po dve hodiny. Polomer stopy komunikačného satelitu v LEO sa pohybuje medzi 3000 až 4000 km. Maximálny čas, počas ktorého je satelit v LEO nad miestnym horizontom vzhľadom k pozorovateľovi na Zemi je 20 minút. Globálny komunikačný systém využívajúci tento typ obežnej dráhy, vyžaduje veľký počet satelitov v niekoľkých rôznych obežných dráhach. Keď družica slúži konkrétnemu užívateľovi a pohybuje sa pod miestnym obzorom, musí odovzdať svoje povinnosti ďalšiemu satelitu z rovnakej obežnej dráhy, alebo zo susednej. Vzhľadom na pomerne veľký pohyb satelitu v LEO vzhľadom k pozorovateľovi na Zemi, satelitné systémy, ktoré využívajú tento typ obežnej dráhy, sa musia potýkať s veľkým Dopplerovým posunom. Satelity v LEO sú tiež zaťažované atmoferickými vplyvmi na obežnej dráhe, ktoré spôsobujú ich postupné znehodnocovanie. Príklady významných LEO systémov sú Globalstar. TM (48 +8 satelitov v 8 obežných dráhach na 1400 km) a Iridium ® (66 +6 satelitov na 6 obežných dráhach na 780 km). Existuje aj množstvo malých LEO systémov, ako sú Po. Sat, postavený SSTL v roku 1993 a 28 vypustený ako 822 na 800 km obežnú dráhu, so sklonom 98, 6 °.

Geosynchrónna a geostacionárna obežná dráha Geosynchrónna orbita je definovaná ako obežná dráha s periódou jeden hviezdny deň (+1436. 1 minút). Geostacionárna obežná dráhe je osobitný prípad geosynchrónnej obežnej dráhy s nulovým sklonom a nulovou excenticitou, tj rovníková, kruhová dráha. Satelit geostacionárnej obežnej dráhy sa javí nehybne nad miestom povrchu Zeme. V praxi geosynchrónna obežná dráha má zvyčajne malé nenulové hodnoty pre sklon a excentricitu, satelit pôsobí akoby vykresľoval na oblohe malé osmičky. Stopa alebo oblasť služieb geosynchrónneho satelitu pokrýva takmer jednu tretinu zemského povrchu (od asi 75 ° južne, do asi až 75 ° severnej šírky), takže takmer globálny rozsah možno dosiahnuť s niečo menej ako tromi satelitmi na obežnej dráhe. Nevýhodou geosynchrónneho satelitu v rámci systému hlasovej komunikácie je cyklus meškania približne 250 milisekúnd. Polárna obežná dráha Rovina polárnej obežnej dráhy je so sklonom asi 90 ° k rovníkovej rovine, prechádzajúca severným a južným pólom. Orbita je stanovená vo vesmíre a Zem rotuje pod ňou. Tak v zásade pokryje jediný satelit v polárnej obežnej dráhe celý svet, aj keď sú tu dlhé obdobia, kedy sa satelit dostane nad konkrétnu pozemnú stanicu. Táto medzera v pokrytí môže byť prijateľná prepínacie komunikačné systémy. Dostupnosť môže byť samozrejme zdokonalená vďaka nasadeniu dvoch alebo viacerých satelitov na rôznych polárnych obežných dráhach. Väčšina malých LEO systémov používa polárne alebo blízko-polárne obežné dráhy. Príkladom je COSPAS-SARSAT námorný vyhľadávací a záchranný systém, ktorý využíva osem satelitov v blízkosti polárnych dráh: štyri SARSAT družice sa pohybujú vo výške 860 km a obiehajú so sklonom 99 ° (čo z nich robí slnečno-synchrónne) a štyri COSPAS satelity pohybujúce sa v 1000 km výške a obiehajú so sklonom 82 °. Slnečno-synchrónna obežná dráha V slnečno –synchrónnej alebo Helio-synchrónnej obežnej dráhe, uhol medzi rovinou obežnej dráhy a slnka zostáva konštantný, čo zodpovedá stálym svetelným podmienkam pre satelit. To možno dosiahnuť dôkladným výberom orbitálnej výšky, excentricity a sklonu, producing a precession of the orbit (uzlová rotácia) približne 1 ° východne každý deň, to sa rovná zjavne pohybu slnka. Tento stav môže byť dosiahnutý len pre satelit v spätnej orbite. Satelit v slnečno-synchrónnej obežnej dráhe prechádza cez rovník a každú zemepisnú šírku každý deň v rovnakom čase. Tento typ obežnej dráhy, je teda výhodný pre satelitné pozorovanie Zeme, pretože poskytuje konštantné svetelné podmienky. 29

Parametre určovania veľkosti a tvaru obežnej dráhy Parameter Definícia Veľká polos Polovica vzdialenosti medzi dvoma bodmi na obežnej dráhe, ktoré sú od seba najďalej Apogeum/perigeu m polomer Merané od stredu Zeme k bodu maximálneho a minimálneho polomeru obežnej dráhy Apogeum/perigeu m výška Merané od "povrchu" Zeme (teoretická guľa s rovnakým polomerom ako rovníkový polomer Zeme) k bodu, maximálneho a minimálneho polomeru obežnej dráhy Perióda Doba trvania jednej obežnej dráhy na základe predpokladu two-body motion Priemerný pohyb Počet obehov za slnečného dňa (86400 sec/24 hod), na základe predpokladu two-body motion Excentricita Eliptický tvar obežnej dráhy, v rozmedzí medzi dokonalým kruhom (výstrednosť = 0) a parabolou (výstrednosť = 1) 30

31

Orientácia roviny obežnej dráhy v priestore Parameter Definicia Sklon Uhol medzi rovinou obežnej dráhy a rovinou rovníka Zeme (bežne používaná ako referenčná rovina pre družice Zeme) Rektascencia vzostupného uzla Uhol v rovine rovníka Země vymeraný od východu jarnej rovnodennosti k vzostupnému uzlu orbity Argument -perigeum Uhol, v rovine obežnej dráhy satelitu, medzi vzostupným uzlom a perigea obežnej dráhy, meraný v smere pohybu družice Dĺžka vzostupného uzla Stabilná vzdialenosť Zeme od vzostupného uzla Vzostupný uzol (zmienený v troch vyššie uvedených definiciách) je bod na obežnej dráhe satelirtu, kde pretína rovinu rovníka Zeme od juhu k severu. 32

Parametre určovania orientácie obežnej dráhy 33

Parametre polohy satelitu Určenie polohy satelitu počas jeho obdobia na obežnej dráhe Parameter Definicia Skutočná odchylka Uhol od vektora excentricity(bod perigea) k vektoru pozície satelitu, meraný v smere pohybu družice na obežnej dráhe Priemerná odchylka Uhol od vektora excentricity k vektoru pozície satelitu, za predpokladu že je schopný sa pohybovať svojou uhlovou rýchlosťou Excentrická odchylka Uhol od stredu roviny elipsy ku priamke, ktorá je orientovaná od tohto bodu v smere perigea k bodu na veľkej polosi, od ktorého kolmica pretína pozíciu satelitu na elipse Argument rozsahu Súčet skutočnej odchylky a argumentu perigea. Uplynulý čas vzostupného uzla Uplynulý čas od posledného kríženia vzostupného uzla Uplynulý čas perigea Uplynulý čas od posledného trvania perigea 34

Parametre určovania pozície satelitu 35

Kruhová rýchlosť a perióda 36

GSO A NGSO FAKTORY NGSO VARIANTY: LEO MEO HEO VYHNÚŤ SA OŽAROVANÉMU PÁSMU, AK JE TO MOŽNÉ 37

Pokrytie verzus výška Výška satelitu (km) 38

LEO, MEO a GEO perióda 39

Minimálne oneskorenie pre two hops 40

Prečo sú satelity na obežnej dráhe v pohybe? 41

Prideľovania frekvenčného spektra 42

Koncepcia frekvenčného spektra • Frekvencia: Rozsah, pri ktorom elektromagnetická vlna mení svoju polaritu (osciluje) v cykloch za sekundu alebo v Hertzoch (Hz). • Vlnová dĺžka: Vzdialenosť medzi vlnoplochami vo vesmíre. Uvedené v metroch : = c/f Kde : c je rýchlosť svetla (3 x 108 m/s vo vákuu) f je frekvencia v hertzoch • Frekvenčné pásmo: rozsah frekvencií. • Šírka pásma: veľkosť alebo šírka (v Hertzoch) alebo frekvenčné pásmo. • Elektromagnetické spektrum: plný rozsah frekvencií od nuly po nekonečno. 43

Rádiové frekvencie (RF) RF frekvencie: časť elektromagnetického spektra v rozmedzí od 300 MHz do 300 GHz. Zaujímavé vlastnosti: - efektívna výroba signálu - voľné vyžarovanie do vesmíru - efektívny príjem signálu v inom mieste Rozdiely v závislosti na použitej frekvencii RF : - šírka pásma signálu - vlastnosti šírenia (difrakcia, šum, strata, oslabenie) - veľkosti antény 44

Mikrovlnové frekvencie Rozsah RF frekvencií približne od 1 GHz do 30 GHz. Hlavné charakteristiky: - priamočiare šírenie- nutnosť priamej viditeľnosti (Line of sight), vo vesmíre a atmosfére - Prekážajúce husté predmety (kopce, budovy, dážď). - Veľké šírky pásma v porovnaní s nižšími frekvečnými pásmami. - Kompaktné antény, možnosť lepšej smerovosti - Zníženie výkonnosti zosilňovača s nárastom frekvencie: Pomer „výstupný výkon RF/jednosmerný vstupný prúd“ 45

Regulácia spektra Medzinárodná telekomunikačná únia (ITU): Členovia prakticky zo všetkých krajín celého sveta. • Prideľuje frekvenčné pásma pre rôzne účely a distribuuje ich okolo planéty. • Vytvára pravidlá pre obmedzenie RF rušení (RFI) medzi krajinami, ktoré majú rovnaké FR pásma. • Sprostredkovateľ v sporoch, vytvára pravidlá pre riešenie problému škodlivého rušenia, ak k nemu dôjde. • Zasadá raz za 2 roky sa svojimi členmi, aby preskúmali pravidlá a rozdelenie: Svetová rádiokomunikačná konferencia (WRC). • Existujú aj regionálne rádiokomunikačné konferencie (RCC), ktoré sa konajú menej často. 46

Rádio-frekvenčné spektrum Bežne používané pásma pozemné vesmírne zdieľané (pozemné a vesmírne) pásma 47

Využiteľnosť frekvencíí pri komunikácii vesmír-Zem Rezonančná frekvencia pod 100 GHz: • 22. 2 GHz (H 20) • 53. 5 -65. 2 GHz (kyslík) Atmosferický útlm od vesmíru po zem je funkciou frekvencie (podmienky pri čistom vzduchu). (a) kyslík; (b) vodná para. [Source: ITU © 1988] 48

Podrobné informácie o frekvencii: (Časť prvá: Nižšie frekvencie, silnejšie väzby) LEO družice potrebujú nižšie RF frekvencie: - Všesmerové antény pre mobilné zariadenia majú nízky zisk: typický zisk G = 0 db = 1 - Hustota vyžiareného výkonu F vo W/m 2 je v každom zväzku zemského povrchu nezávislá od frekvencie. - Prijatý výkon je F x A wattov, kde efektívna plocha A antény je vyjadrená v štvorcových metroch. - Pre všesmerovú anténu A = G 2/ 4 = 2/ 4 - Pri 450 MHz, A = 353 cm 2, pri 20 GHz, A = 0. 18 cm 2 - Rozdiel je 33 d. B – teda nepoužívajte 20 GHz so všesmerovou anténou! 49

Podrobné informácie o frekvencii: (Časť druhá: Vyššie frekvencie, vyššia kapacita) Geo satelity potrebujú viac RF frekvencií - Vysokorýchlostné dátové prepojenie na GEO družice potrebuje približne cca 0. 8 Hz šírky pásma na 1 bit za sekundu. - 155 Mbps dátový spoj vyžaduje 125 MHz-vú šírku pásma - Dostupné RF širky pásma: pásma C obsadené) 500 MHz (všetky GEO sloty pásma Ku 750 MHz (väčšina GEO slotov obsadená) pásma Ka 2000 MHz (množiace sa sloty) Q/V pásma ? 50

Aplikácie satelitných systémov 51

Počiatočné použitie GEO satelitov: Telefénia 1965 Early Bird 34 kg 240 telefónnych 1500 okruhov 1968 Intelsat II 152 kg 1986 Intelsat VI 1, 800 kg 2000 Large GEO 3000 kg 33, 000 okruhov 8 - 15 k. W výkon 1 200 kg technického vybavenia 52

Súčasné využitie GEO satelitov: Broadcasting (vysielanie) - v súčasnosti hlavne TV vysielanie - Direc. TV, Prime. Star, atď. Point to Multi-point (komunikácie bod - viac bodov) - VSAT, video distribúcia v káblovej televízii Mobilné služby - Motient (bývalá spoločnosť American Mobile Satellite), INMARSAT, atď. 53

Satelitná navigácia: GPS a GLONASS GPS je satelitný systém na strednej obežnej dráhe Zeme (MEO). - GPS družice vysielajú impulzy s veľmi presným časovým signálom. - Pre prijímač schopný ´vidieť´ štyri GPS družice, je možné vypočítať polohu kdekoľvek vo svete v rámci 30 -tich metrov. - 24 satelitov v skupinách po štyroch; 12 -hodinová dráha orbitálu. “Už nikdy sa nestratíš ” - Každý automobil a mobilný telefón bude mať nakoniec možnosť určiť svoju lokáciu pomocou GPS. 54

Leo satelity v roku 2000 Niekoľko nových systémov ešte len začína so službami. - Kruhová alebo šikmá obežná dráha v nadmorskej výške < 1400 km. - Satelit sa pohybuje naprieč oblohou od obzoru k obzoru od 5 -tich do 15 - tich minút. - Zemské stanice musia sledovať satelit alebo musia mať všesmerové antény. - Pre kontinuálnu komunikáciu je potrebná skupina satelitov. - Nutná funkcia Handoff. 55

Prvky systému 56

Prvky satelitného systému Vesmírny segment Space Segment Satellite satelit Earth zemné Stations stanic e región pokrytia Coverage Region SCC TT&C Ground Station TT&C pozemné stanice Ground Segment Pozemná časť 57

Vesmírny segment - fáza vypustenia satelitu - fáza prevodu obežnej dráhy - Rozmiestnenie – Prevádzka - TT&C – stanica pre telemetriu sledovania a riadenie: Zavádza riadiacu a monitorovaciu linku so satelitom. Zisťuje narušenia obežnej dráhy a umožňuje plánovanie korekcie. Deformácie sú spôsobené nepravidelnými gravitačnými silami z dôvodu nesférického tvaru Zeme a vplyvom Slnka a Mesiaca. - SSC – Satelitné kontrolné centrum: – OCC - centrum riadenia operácií – SCF - funkcie riadenia satelitu Poskytuje monitorovanie linkového signálu, obsluhu linky a monitorovanie interferencií. – Fáza vyradenia z činnosti. 58

Druhy satelitnej stabilizácie Stabilizácia rotácie - Satelit je točený okolo osi, na ktorej je moment zotrvačnosti maximálny (ex. , HS 376, najviac nakupované komerčné spojové satelity; prvý satelit umiestnený v obežnej dráhe raketoplánom. ) Troj-osová stabilizácia - moment odklonu (ex. , INTELSAT V) - moment nuly (ex. , Yuri) 59

Satelitné subsystémy Komunikácie - Antény - Transpondéry Všeobecný subsystém (subsystém spojovacieho vedenia) - Meranie na diaľku/ovládanie (TT&C) - Riadenie satelitu (zameranie antény) - Hnací systém - Elektrické napájanie - Štruktúra - Regulácia teploty 60

Pozemný systém Súbor schopností, používateľov a aplikácií FSS – Pevná družicová služba MSS – Mobilná satelitná služba Zemská stanica = Satelitná komunikačná stanica (vzduch, zemský povrch alebo more, pevná alebo mobilná). 61

Návrh systému 62

Základné princípy Satelitná družica Vysielanie - Uplink Príjem - Downlink Pozemná Stanica Tx Zdrojové Informácie Výstupné Informácie Rx 63

Signály: Prenášané pomocou drôtov ako napätie alebo prúd Vysielané do priestoru ako elektromagnetické vlnenie Analóg: • Napätie alebo prúd sú úmerné signálu, napr. telefóny. Digital: Vygenerované počítačom. Ex. Binárne = 1 alebo 0 zodpovedajú hodnotám +1 V alebo – 1 V. 64

Delenie Signálov Vysielanie a príjem: FDD: Frekvenčne delený duplex (Frequency Division Duplex). f 1 = Vysielanie (Uplink) f 2 = Prijímanie (Downlink) TDD: Časovo delený duplex (Time Division Duplex). t 1=Up, t 2=Down, t 3=Up, t 4=Down, …. Polarizácia lineárna polarizácia typu V alebo H (vertikálna, horizontálna) kruhová polarizácia RH alebo LH (pravo-, ľavotočivá) 65

Oddelenie signálov (tak, že viacero vysielačov môže používať ten istý transpondér súčasne) Medzi užívateľmi alebo “Kanálmi” (viacnásobný prístup Multiple Access): FDMA: (Frequency Division Multiple Access) Frekvenčne delený multiplexný prístup; priradí každému vyslanému signálu vlastnú nosnú frekvenciu: f 1 = Užívateľ 1; f 2 = Užívateľ 2; f 3 = Užívateľ 3, … TDMA: (Time Division Multiple Access) Časovo delený multiplexný prístup; každý vysielač je daný jeho vlastným časovým úsekom t 1=Užívateľ 1, t 2=Užívateľ 2, t 3=Užívateľ 3, t 4 = Užívateľ 1, . . . CDMA: (Code Division Multiple Access) Kódovo delený multiplexný prístup; každý vysielač vysiela súčasne a na rovnakej frekvencii a každý prenos je modulovaný vlastným pseudonáhodným bitovým tokom (kódom). Kód 1 = Užívateľ 1; Kód 2 = Užívateľ 2; Kód 3 = Užívateľ 3 66

Digitálny komunikačný systém VYSIELAČ Zdrojové dáta Zdrojové kódovani e Kanálové kódovanie Modulátor RF kanál Výstupn é dáta Zdrojové dekódova -nie Kanálové dekódova- nie Demoduláto r PRIJÍMAČ 67

Aktuálny vývoj a budúce trendy 68

Aktuálne trendy v satelitných komunikáciách Väčšie, ťahšie, GEO satelity s viacerými úlohami Satelity pre adresnejšie vysielania TV a rozhlasu Expanzia do Ka, Q, V pásiem (20/30, 40/50 GHz) Masívny rast dátových služieb poskytovaných Internetom Mobilné služby: Môžu byť vysielané plošne namiesto systému bod-bod (P 2 P) Vytvárajú mobilné služby úspešné podnikanie ? 69

Budúcnosť satelitných komunikácií - 1 Rast vyžaduje nové frekvenčné pásma Šírenie cez dážď a mraky sa stáva problémom, so zvyšovaním frekvencie C-pásmo(6/4 GHz) Dážď má len malý vplyv, je možná až 99, 99% dostupnosť Ku-pásmo(10 -12 GHz) Linková marža 3 d. B potrebná pre 99, 8% dostupnosť Ka-pásmo(20 - 30 GHz) Linková marža 6 d. B potrebná pre 99, 6% dostupnosť 70

Budúcnosť satelitných komunikácií - 2 Lacné antény (s fázovým poľom) potrebné pre mobily Mobilné systémy sú limitované použitím všesmerových antén Zavádzaním antén so samostatne riadeným poľom so 6 d. B možno získať štvornásobok kapacity systému Smerové antény umožnia frekvenčné znovu použitie 71

Domáca úloha #1 Odpovedzte na nižšie uvedené otázky, týkajúce sa satelitných sietí poskytujúcich digitálne rozhlasové a televízne vysielanie priamo do domu. Referencie v textoch na stranách 7, 443, 445 a WEB stránkach, a v sekcii 11. 2 na strane 441. 1) Koľko satelitov má sieť na oblohe ? Pomenujete ich ? 2) Koľko transpondérov je na každom z týchto satelitov ? Aké frekvenčné pásma sú používané ? 3) Ktorej obežnej dráhy sú tieto satelity (LEO, MEO, GEO)? 4) Prečo sú v sieťach použité dve hlavné antény (text page 445)? (2 „hlavy“ na parabolách) 5) Ku ktorému dátumu bola vypustená Echostar I ? Echostar V? 6) Sú tieto satelity stabilizované rotačne alebo v troch osiach ? Pozrite stranu 443 7) Choďte na WEB stránku a stiahnite aplikácie týkajúce sa azimutu a elevácie (inštalačný manuál produktu) a postupujte podľa návodu na zameranie parabolickej antény na príjem signálu v oblasti v ktorej žijete. Azimut podľa štátu, elevačný uhol a uhol skosenia a dĺžku pre každý satelit. 8) Pozri stranu 443. Ak by bolo frekvenčné pásmo C a nie Ku, aký by to malo vplyv na veľkosť prijímacej antény potrebnej na umiestnenie na vašu strechu ? 9) Čo je transpondér? Prečo je potrebné mať viac transpondérov na satelite a nie len jeden ? 10) Extra otázka – Choď do Air & Space Museum a pozri si Explorer I, Sputnik I, the V 2 rocket, TIROS II, TIROS-N a ITOS. Stručne popíšte účel každého. 72