Družicové telekomunikační spoje

Satellite-Communications Links. Článek je úvodem do série článků o družicové komunikaci, které vznikají v rámci přípravy projektu SPEROS. Jsou uvedeny základní principy, typy družic a družicových sítí.

---

Satellite-Communications Links - Abstract

The article describes the basic principles of satellite communications, used frequency bands and types of satellite links. This article is an introduction to the project SPEROS which origins at the Department of Telecommunications FEE CTU in Prague. The aim of the project is to design and develop a universal radio satellite station based on SW Defined Radio.

Keywords: Satellite communication; GSM, SW Defined Radio

---

Úvod

V posledním desetiletí prožily mobilní telekomunikace bouřlivý vývoj. Rozšíření mobilních telefonů dosáhlo takového rozmachu, že počet mobilních terminálů ve vyspělých zemích často překračuje počet jejich obyvatel. Masivní rozšíření mobilních sítí podle standardu GSM, postupně UMTS a do budoucna následováno nasazením LTE do značné míry zastínilo rozvoj satelitní komunikace. Narůstající poptávka po vysokorychlostních datových službách i v odlehlých a těžko dostupných oblastech (a to i v rámci Evropy) predikuje opětovný rozvoj a zájem o družicovou komunikaci. Tento článek je úvodem do série článků o družicové komunikaci, které vznikají v rámci přípravy projektu SPEROS na katedře telekomunikační techniky FEL ČVUT.

Historie

Družicová komunikace hraje v moderní rádiové komunikaci velice důležitou úlohu. První satelit vypuštěný na oběžnou dráhu byl v roce 1957 sovětský Sputnik. Po 21 dní přenášel ze své paluby k Zemi telemetrické informace. V roce 1958 americký satelit Score vysílal vánoční pozdrav prezidenta Eisenhowera celému světu. Roku 1965 byl vynesen na geostacionární oběžnou dráhu první telekomunikační satelit Intelsat 1. Myšlenku, že bude možné pokrýt Zemi rádiovým signálem z pouze tří geostacionárních satelitů, však předpověděl R. C. Clark ve svém díle Extra-terrestrial relays již v roce 1945. V současné době krouží na geostacionární dráze přes 300 satelitů, které vykonávají nejrůznější komunikační, telemetrické a navigační úlohy v řadě dnes již neodmyslitelných služeb.

Základní principy

Družice obíhá zeměkouli po stálé dráze bez jakéhokoli pohonu. Její pohyb se řídí Keplerovými zákony:

1. Planety obíhají okolo Slunce po elipsách v jejichž ohnisku je Slunce.

2. Průvodič, spojující planetu se Sluncem, opíše ve stejných dobách stejné plochy.

3. Druhé mocniny oběžných dob se mají k sobě jako třetí mocniny středních vzdáleností od Slunce (tj. velkých poloos elips):

(1)

a) Elipsy planet se liší od kružnic jen velmi málo.

b) Ze třetího Keplerova zákona plyne, že podíl T²/r³ je pro kteroukoliv planetu týž, čili nezávisí na ostatních vlastnostech planety.

Tyto zákony lze aplikovat na soustavu družice - planeta Země:

1. Družice obíhá po kruhových nebo eliptických drahách jejichž středem nebo ohniskem je Země.

2. Plocha opsaná spojnicí Země a družice za časovou jednotku je konstantní - viz obr. 1

3. Druhá mocnina doby oběhu družice je úměrná třetí mocnině délky hlavní poloosy (poloměru ) dráhy => určité době oběhu odpovídá určitá výška družice nad Zemí.

Obr. 1 Interpretace 1. a 2. Keplerova zákona

Na geostacionární dráhu se družice dostávají z nízké dráhy, na kterou jsou vyneseny nosnou raketou (jde o výšky běžných kosmických letů - do 300 km nad Zemí).

Obr. 2 Přechod družice z nízké na geostacionární dráhu

Vlastní přechod na kruhovou geostacionární dráhu se děje z nízké kruhové dráhy, přechodem přes eliptickou dráhu viz obr. 2. Jak je vidět z obrázku, je třeba dodat energii pouze dvakrát - poprvé při změně kruhové dráhy na eliptickou a podruhé při změně eliptické dráhy na kruhovou – např. geostacionární.

Používaná kmitočtová pásma

Pro družice v kosmu jsou nejběžnějším energetickým zdrojem solární panely. Z toho plynou i omezené energetické možnosti jejího vysílače. Proto musí být volena kmitočtová pásma, která mají minimální útlum v atmosféře Země a vzhledem k použitelné kapacitě přenosu jsou co nejvyšší.

Pro družicové spoje se používají různá frekvenční pásma.

Tab. 1 Komunikační pásma pro družicové spoje

Typy družicových datových sítí

V současné době se používají:

• Dvoubodové spoje - dovolují velkou přenosovou kapacitu. Jde o propojení velmi vzdálených nebo nepřístupných míst vlastním datovým okruhem

• Hvězdicovité sítě s centrální stanicí HUB - jedná se spojení na principu virtuálních paketů. Jedna ze stanic je řídící a přes tuto stanici jde všechen provoz: odesílatel -> družice -> řídící stanice -> družice -> příjemce. Tato varianta nedovoluje velkou přenosovou kapacitu, ale je cenově únosná. Používá přístupovou metodu ALOHA.

• Hvězdicovité sítě bez centrální stanice HUB - jde o síť s virtuálními okruhy, navazovanými dle potřeby mezi koncovými stanicemi. Tato varianta dovoluje velkou přenosovou kapacitu.

Oběžné dráhy družic

Kosmické komunikace používají čtyři základní druhy telekomunikačních družic:

• GEO (Geostationary Earth Orbit) - geostacionární družice, jejichž oběžná dráha je ve výšce cca 36000 km, doba oběhu je shodná s rychlostí otáčení Země, pro pozemského pozorovatele jsou tedy nehybné.

• HEO (High Elliptical Orbit) - družice pro vysoké eliptické oběžné dráhy, jejichž oběžná dráha se pohybuje v rozmezí 18000 – 35000 km. HEO jsou navrženy tak, aby bylo dosaženo lepšího pokrytí v zemích s vyšší severní nebo jižní zeměpisnou šířkou.

• MEO (Medium Earth Orbit) - družice se střední kruhovou drahou, výška 8000 - 18000 km, doba oběhu okolo 5 - 10 hodin.

• LEO (Low Earth Orbit) - družice s nízkou kruhovou drahou,oběžná dráha těchto družic se nachází ve výšce zhruba 160 - 1600 km, doba oběhu je 80-120 minut.

Obr. 3 Geostacionární družice

Umístění družic na oběžných drahách nemůže být libovolné, neboť magnetické pole Země zachycuje elektrony a ionizované částice vyzařované Sluncem a vytváří pásma s vysokou energií (tzv. Van Allenovy pásy VAP).

Telekomunikační družice umožňují vytvářet buňkové sítě. Jedna buňka (satelit) má poloměr řádově několik stovek kilometrů (LEO, MEO), resp. několik tisíc km (GEO). Velikost satelitních buněk je kromě orbity závislá také na typu a směrovosti použitých antén.

Doba oběhu družice kolem země a její rychlost na orbitě, za předpokladu kruhové oběžné dráhy lze stanovit podle vztahů ( 2) a ( 3). [2]

(2)

(3)

kde,

ω ... úhlová rychlost družice v rad/sec

g ... gravitační zrychlení 9,8087 m/sec ²

R_e ... poloměr Země v m (např. na rovníku 6378 km, na pólu 6357 km)

r ... poloměr oběžné dráhy v m, r = R_e + h

h ... vzdálenost družice od zemského povrchu v m

Obr. 4 Doba oběhu a rychlost družice v závislosti na nadzemské výšce

Přehled projektů pro kosmické telekomunikace

Nejvýznamnější projekty pro kosmické telekomunikace jsou shrnuty v následující tabulce. [4]

Tab. 2 Vybrané projekty satelitních komunikačních systémů

Projekt SPEROS (spero = nadějě, z lat.)

Nosnou myšlenkou projektu SPEROS (SPace European Research Orbital Station), který vzniká na Katedře telekomunikační techniky FEL ČVUT, je vytvořit universální rádiovou stanici pohybující se na nízké oběžné dráze LEO.

Obr. 5 Družice projektu SPEROS bude obíhat na nízké oběžné dráze s nejnižším místem oběhu nad ČR

Primárním požadavkem na rádiovou stanici je schopnost vzdáleně vytvořit na palubě družice široké spektrum telekomunikačních technologií současných i budoucích. Projekt tak bude schopen flexibilně reagovat na rychlý vývoj v mobilních komunikacích a dalších bezdrátových technologiích.

Využití projektu je velmi široké, od výzkumných záměrů po praktické nasazení v rozlehlých řídce osídlených oblastech nebo v případě živelných pohrom a paralyzaci pozemní mobilní sítě. Jednou z priorit projektu je proto vytvoření universální satelitní GSM buňky.

Obr. 6 Architektura projektu SPEROS

Projekt představuje naprosto inovativní přístup k vývoji a testování bezdrátových telekomunikací. Universálnost rádiové stanice bude zajištěna technologií softwarového rádia, pomocí kterého bude možné vytvářet na palubě družice telekomunikační technologie podle stávajících i budoucích standardů vzdáleně nahráním příslušného programu.

Literatura

[1] Sheriff, R., E., – Hu, Fun, Y.: Mobile Satellite Communication Networks. John Wiley & Sons Ltd, 2001
[2] Kolawole, M., O.: Satellite Communication Engineering. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002
[3] Žalud, Václav: Moderní radioelektronika. 1. vyd. Praha: BEN – Technická literatura, 2000
[4] Svoboda, J. a kol.: Telekomunikační technika – díl 3. 1. vyd. Praha: Huthig&Beneš, 1999
[5] Internet: http://www.orbcomm.com [on-line]
[6] Internet: http://globalstar.com [on-line]
[7] Internet: http://www.ico.com [on-line]