Otázka č.15 Satelitní komunikace Satelity na geostacionárních a eliptických drahách Satelitní (družicové) spojení je jistým druhem dálkového spojení. Je to výhodný retranslační prostředek. Vzdálenost družice od místa vysílání respektive příjmu je asi 42 000 km. Je to podobná vzdálenost jako obvod zeměkoule na rovníku. Také cena vývoje a vypuštění družice, udržování spojení a služby na pozemních stanovištích jsou horentní. Přesto rozložením nákladů mezi milióny uživatelů produktů satelitního spojení si dnes může například příjem satelitní televize dovolit téměř každá rodina. Obecně platí, že čím více uživatelům jsou zařízení mikroelektroniky přístupnější, tím vycházejí zařízení pro uživatele levněji. I přes velkou vzdálenost spojení vychází například srovnání kvality různých způsobů televizního vysílání pro DVB-S. Přitom k příjmu je kromě televizoru zapotřebí jen parabolické zrcadlo, konvertor a satelitní přijímač. Původní význam slova satelit je člen družiny, průvodce, ale také měsíc. První umělý satelit bezpilotní družice Sputnik 1 byl vypuštěn v SSSR 4. října 1957, na oběžné dráze se udržel jen 92 dnů. Američané tak učinili v únoru 1958 (Explorer 1). První telekomunikační satelit Intelsat (1965) vážil 39 kg a současně mohl zpracovat 240 telefonních kanálů, dnes zvládají telekomunikační družice i více než 12000 kanálů. Ať už se jedná o satelit přirozený nebo umělý, musí k oběhu kolem Země splňovat podmínku: F o = F g kde F o je síla odstředivá, F g přitažlivá síla Země. Třením s horními vrstvami atmosféry se snižuje kinetická energie pohybující se družice, což se projeví snížením odstředivé síly a přibližováním k Zemi. V případě televizního satelitního vysílání se výkony vysílačů na družicích pohybují kolem 53 dbw ERP, což je 200 kw. Jedná se tedy o výkon srovnatelný s výkony pozemních vysílačů. Vzdálenost, na kterou dopraví signál, je ovšem nesrovnatelná, stejně tak i plocha pokrytí signálem. Z tohoto pohledu je DVB-S naprosto nepřekonatelná technologie. Umělé družice země se používají mimo jiné jako převáděče vkv signálu pro zvětšení dosahu radiového spoje. S umístěním družic ve velkých výškách souvisí i jedna z nevýhod spojení, a to velký útlum radiová vlna musí projít dvakrát ionosférou. Útlum se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Druhou nevýhodou družicového spojení pomocí nestacionárních družic je jejich pohyb. Jako u každého jiného spojení za použití převáděčů je nutné i u družic dodržet optickou viditelnost míst spojení s družicí, což na některých místech Země není možné. Maximální vzdálenost obou stanic je dána průměrem kruhové plochy Země, ozářené družicí. Příklad dráhy družice na obecné eliptické dráze je na obrázku 1, pro družice geostacionární na obr. 2. Pro obě stanice musí být družice nad obzorem. Spojení bychom jednou družicí vůbec nenavázali mezi stanicemi tzv. protinožců. ozářená dráha družice stínová dráha rovník plocha obr.1 1
Vzdálenost spojení tedy závisí na i na poloze i na výšce družice. Dráhy družic jsou zdánlivě eliptické, ve skutečnosti se výška družice nad povrchem země vlivem brzdných účinků prostředí zmenšuje a družice se pohybuje po eliptické spirále. V hustších vrstvách atmosféry pak po jisté době družice shoří. Doba existence družice od její vypuštění po zánik je tedy samozřejmě úměrná počáteční výšce dráhy. Podle výšky počáteční dráhy se tyto dělí na dráhu nízkou a dráhu vysokou. obr.2 Nízká dráha: Výhody: - levnější doprava na oběžnou dráhu (jako spoluzavazadlo s meteorologickou družicí) - menší útlum signálů a tedy menší náročnost na zařízení pozemní stanice (menší výkon) - poloha družice je lépe predikovatelná a nastavení pozemních je snazší Necvýhody: - menší dosah (asi 8000 km) na druhé straně pokrývá méně stanic, potřebuje menší výkon a stačí menší šířka kanálů - velký posun v kmitočtu vlivem Dopplerova 1 efektu - nutnost stálého směrování antény - krátká doba přeletu, které omezí dobu spojení nejvzdálenějších míst jen na několik desítek sekund Vysoká dráha: Výhody: - oběžná doba je srovnatelná s délkou dne a může pracovat nepřetržitě až deset hodin - lze snadno navazovat spojení na velké vzdálenosti - nižší nároky na směrovost antén vlivem pomalého pohybu družice vůči místu vysílání, respektive místu příjmu - menší změna kmitotu vlivem Dopplerova efektu Nevýhody: - větší útlum - větší cena vypuštění družice 1 Přibližuje-li se zdroj periodického vlnění, vnímá jej pozorovatel jako kmitočet vyšší než skutečně je a obráceně při pohybu zdroje kmitotu od pozorovatele se jeví frekvence nižší než skutečně je. Maximální odchylka při východu družice (+) a při západu družice (-) v pásmu 32 MHz je větší než 8 khz, tzn. 1,8.10-4 %. Jev se při cestě signály ze Země na družici a zpět na Zemi uplatní dvakrát. Je možno provádět transpozici, aby se vliv na obou trasách odečetl. Dopplerův jev je minimální v poloze družice nad stanovištěm zdroje či příjemce signálu. Obecně je možné naladění na protistanici jen při současném poslechu vlastního signálu z družic převáděče. 2
Nejdůležitější komponenty vybavení družice: - napájecí blok o panel slunečních baterií, o akumulátor, o stabilizátor napětí - majákový vysílač má výkon asi 100 mw, jeho poslech na Zemi je možný i s jednoduchou anténou; zprostředkovává potřebných elektrických a fyzikálních dat a údajů palubních zařízení (proudy, napětí, vf výkon, teplota apod.) - povelový přijímač s ovládací části, reagující na povely vysílané pozemní řídící stanicí - anténní systémy o u družic na nízké dráze dipóly nebo čtvrtvlnné pruty i složitější antény o u družic na vysoké dráze soustavy zářičů napájených s fázovým posuvem k dosažení polarizace a žádaného zisku - stabilizátor polohy k potlačení vlastní rotace družice s anténou pro kruhovou polarizaci a k potlačení úniku signálu přijímaných na Zemi - vlastní převáděč (transportér) sestává z o přijímače o vysílače Převáděče jsou širokopásmové, lineární, tzn. bez modulace. Frekvence kmitotu přijatého z pozemní stanice je jiný, než signál vyslaný z převáděče zpět k Zemi. Pro sestupnou (downlink) trasu jsou voleny nižší frekvence než vzestupnou (up-link), výkon vysílače na družici nemůže být tak velký jako na zemských stanicích a útlum na sestupné trase by měl být nižší, čemuž je u nižší frekvence skutečně tak. Pro eliminování nebo alespoň omezení Dopplerova jevu se na UHF provádí inverzní transpozice frekvence. Kmitočtové transpozice z jednoho pásma do druhého jsou dány tzv. módem. Příklad používaných módů: Označení módu up-link down-link A 145 MHz 24 MHz B 435 MHz 145 MHz J 145 MHz 435 MHz JL 145 MHz a 1296 MHz 435 MHz K 21 MHz 29 MHz KA 21 a 145 MHz 29 MHz KT 21 MHz 2 a 145 MHz L 1246 MHz 435 MHz S 435 MHz 2400 MHz T 21 MHz 145 MHz 3
Pozemní vysílač pro družicové spojení Stačí i vysílače s výkonem 100W s dipólem nebo GP anténou. Je nutné regulovat vyzářený výkon. Převáděč totiž lineárně zpracovává vstupní signály jen do určité úrovně, při přebuzení nastává automatické řízení zisku a převáděč sníží citlivost pro všechny účastníky provozu. Požadavky na přijímač pozemní stanice neliší se příliš od ostatních typů přijímačů Citlivý selektivní přijímač vyžaduje jemné ladění a přesné čtení kmitočtu. Geostacionární dráha V úvodu kapitoly byl uveden vztah pro rovnost síly odstředivé a gravitační. Pro pohyb kosmických těles platí Keplerovy zákony, popisující dráhy planet ve sluneční soustavě. Pro charakterizací drah jsou rozhodující parametry: - vzdálenost dráhy od povrchu Země - čas obletu kolem Země (perioda) - úhlová rychlost pohybu těles Pokud by dráha byla ideálně kruhová, platil by vztah pro úhlovou rychlost družice: 631,35 w = a [ km/ s] přičemž a = R + h, kde R = 6371 km je střední poloměr Země, h výška dráhy od zemského povrchu v km. Doba oběhu družice kolem Země T = 84,491 æ ç è a R ö ø 3 [ min ] 631,35 Například pro h = 525 km je w = = 7, 6 km/s 6371+ 525 F o družice Fg R obr.3 a h oběžná dráha Výška dráhy [km] Úhlová rychlost [m/s] Doba oběhu 439 7,66 93,01min 829 7,44 101,3 min 1629 7,06 118,69 min 3629 6,31 165,64 min 13 629 4,47 7 hod 49 min 43 sec 35887 3,07 24 hod Při výšce dráhy nad Zemí (rovníkem) asi 36 000 km je úhlová rychlost družice shodná s úhlovou rychlostí Země. Takovou dráhu můžeme nazvat jako synchronní 4
nebo geostacionární. Družice se na ni jeví pozorovateli jako stálice a odpadá tedy neustálé přesměrovávání antén. Převáděče na takové družici lze použít pro přenos zpráv, telefonu, televizních programů. Nasměrování geostacionárních družic je možné vypočíst např. na adrese http://www.qsl.net/ok1cfp/satcalc.htm. Úhel, který svírá rovina v níž probíhá dráha družice a rovina proložena rovníkem se nazývá inklinace (i). Rovníková dráha i = 0 Polární dráha i = 90 i Směrování při startu je výhodnější od východního směru, při němž využijeme i rychlost otáčení Země kolem své osy. Tato rychlost je největší na rovníku (0,304 km/s) a směrem k pólům se snižuje. Směrování družice při startu západním směrem spotřebuje pro uvedení rakety na potřebnou rychlost více energie. Například, chceme-li vynést raketu s družicí na výšku h = 829 km na konečnou rychlost 7,44 km/s potřebujeme uvést raketu na počáteční rychlost při startu (na rovníku) - východním směrem 7,44 0304 = 7,136 km/s - západním směrem 7,44 + 0,304 = 7,714 km/s Mimo rovník jsou samozřejmě tyto rozdíly menší. Přehled satelitů na geostacionární dráze včetně přímých linků na přehledy digit. TV stanic v Ku pásmu a info o satelitech ke dni 20.10.2008, podle http://www.parabola.cz/satelit/ pozice satelity pásmo C Ku datum 90,0 E Jamal-201 26.08.08 83,0 E Insat 2E - 83,0 E Insat 4A - 80,0 E Express AM-2 03.10.08 78,5 E Thaicom 2 Thaicom 5-76,5 E Telstar 10 - pozice satelity pásmo C Ku datum 16,0 E Eutelsat W2 18.10.08 13,0 E Hot Bird 2 Hot Bird 6 Hot Bird 7A Hot Bird 8 18.10.08 10,0 E Eutelsat W1 16.10.08 09,0 E Eurobird 9 18.10.08 5
75,0 E ABS 1 (LMI 1) 15.10.08 74,0 E Insat 3C - 72,0 E Intelsat 4 25.03.08 70,5 E Eutelsat W5 20.07.08 68,5 E Intelsat 7 Intelsat 10 09.10.08 66,0 E Intelsat 704 27.02.08 64,0 E Intelsat 906 27.02.08 62,0 E Intelsat 902 03.07.08 60,0 E Intelsat 904 18.09.08 57,0 E NSS 703 02.05.07 56,0 E Bonum-1 17.09.08 55,1 E Intelsat 702 Insat 3E - 53,0 E Express AM-22 12.09.08 49,0 E Jamal 202-46,0 E Afrisat 1 (inkl. 0,8 ) - 45,0 E Intelsat 12 12.09.08 42,0 E Türksat 2A Türksat 3A 17.10.08 40,0 E Express AM-1 03.10.08 39,0 E Hellas SAT 2 09.10.08 36,0 E Eutelsat Sesat Eutelsat W4 09.10.08 33,0 E Eurobird-3 11.10.08 31,5 E Optus A3 (inkl. 9,2 ) 13.10.08 31,5 E Astra 1D Astra 5A Türksat 1C 13.10.08 30,5 E Arabsat 2B - Eurobird 1 Astra 2A 28,2 E Astra 2B 18.10.08 Astra 2C Astra 2D 26,0 E Badr 3 19.10.08 07,0 E Eutelsat W3A 09.10.08 05,0 E Sirius 3 Sirius 4 Thor 2 17.10.08 04,0 E Eurobird 4 14.05.08 01,0 W 04,0 W Thor 3 Thor 5 Intelsat 10-02 Amos-1 Amos-2 17.10.08 15.10.08 05,0 W Atlantic Bird 3 17.10.08 07,0 W 08,0 W NileSat 101 NileSat 102 NileSat 103 (Atlantic Bird 4) Atlantic Bird 2 Telecom 2D (inkl. 2,1 ) 19.10.08 19.10.08 11,0 W Express A3 25.09.08 12,5 W Atlantic Bird 1 16.10.08 14,0 W Express A4 08.08.08 15,0 W Telstar 12 24.09.08 18,0 W Intelsat 901 10.11.07 20,0 W Intelsat 603-22,0 W NSS 7 30.06.08 24,5 W Intelsat 905 17.10.08 27,5 W Intelsat 907 15.06.08 30,0 W Hispasat 1C Hispasat 1D 17.10.08 31,5 W Intelsat 801 01.07.08 34,5 W Intelsat 903-37,5 W Astra 4A 08.07.07 40,5 W NSS 806-43,0 W Intelsat 3 08.09.08 45,0 W Intelsat 1R 12.02.07 50,0 W Intelsat 705-53,0 W Intelsat 707-55,5 W Intelsat 805-6
Badr C 58,0 W Intelsat 9 12.02.07 23,5 E Badr 2 (Eurobird 2) Badr 4 Badr 6 Astra 3A Astra 1E 19.10.08 21,5 E Eutelsat W6 22.09.08 21,0 E AfriStar - Astra 1F Astra 1G 19,2 E Astra 1H Astra 1KR Astra 1L 18.10.08 AKTUALIZACE: dnes, včera před 2 až 4 dny před 5 až 7 dny starší pozice satelit C-pásmo Ku-pásmo datum VYSVĚTLIVKY K PŘEHLEDU: aktivní linky - přehled digitálně vysílaných programů v KU-pásmu aktivní linky - technická data o satelitu 3,5 až 8 GHz 10 až 18 GHz Uvedený satelit má vysílací transpondéry v uvedeném pásmu Uvedený satelit NEmá či NEpoužívá vysílací transpondéry v uvedeném pásmu datum představuje poslední aktualizaci na dané sat.pozici V přehledu jsou pouze družice, které lze přijímat v ČR a na Slovensku Polohy družice se tedy uvádějí ve stupních východně nebo západně od nulové polohy, tj. od poledníku, procházejícího městem Greenwich ve Velké Británii. Z každého místa na Zemi je vidět jen část orbity. U nás je to od 66 východně do 53 západně. Nás zajímají především pásma: 10,97 11,7 GHz 12,5 12,75 GHz 11,7 12,5 GHz u družicového DBS pásma (Direct Broadcasting Satellites), které jsou z ČR vidět. C pásmo nás zajímá méně než Ku. Družice jsou rozmístěny na dráze s určitou separací uváděnou ve stupních. Přísně je předepsána separace u družic DBS. U družic pásma 11 GHz 12,5 GHz není předpis tak rigorózní. Při separaci < 3 moho vzájemné interference rušit příjem, proto se volí větší. V jedné poloze může být umístěno několik družic. Podívejte se např. v tabulce výše na rozmístění několika družic ASTRA v jedné poloze 19,2 7
Popis satelitu lze nalézt třeba na internetu, příklad družice Intelsat 10-02 je na adrese http://www.parabola.cz/satelit/intelsat-10-02/ Intelsat 10-02 (1 W) Datum vynesení satelitu: 17.června 2004, 27 minut po půlnoci Nosná raketa: Proton-M Umístění satelit: 1 W Počet transpondérů v C-pásmu: 70 Počet transpondérů v Ku-pásmu: 24 EIRP transpondérů v C pásmu: global beam (EIRP od 32 do 35 dbw), hemi beam (EIRP od 37 do 42 dbw) a zone beam (EIRP od 37 do 46,9 dbw). EIRP transpondérů v Ku pásmu: Spot1 (až 54 dbw), Spot2 (až 54 dbw) a Spot3 (až 55,3 dbw) Mapky pokrytí signálem družicí Intelsat 10-02 v Ku pásmu. SPOT1 SPOT2 SPOT3 Tento svazek (Spot3) používá i platforma Digi TV). Na adrese http://www.parabola.cz/satelit/ lze nalézt tyto podrobné informace i o dalších satelitech. Aktualizovaný seznam satelitů naleznete především v databázi Řídícího střediska satelitního vysílání SatcoDX na adrese http://www.satcodx.com/ces/. Velký katalog družic a kosmických sond naleznete na webové adrese knihovny Akademie věd ČR http://www.lib.cas.cz/space.40/. Tato databáze obsahuje přehled všech úspěšných kosmických startů od roku 1957 do současnosti a stručný popis jednotlivých funkčních objektů (družic a 8
kosmických sond) vypuštěných do vesmíru, stručný přehled astronautů, kosmodromů a nosných raket. Také doporučuji navštívit přehled družic http://www.satcentrum.com/druzice/ Eliptické dráhy Obecně mohou nastat dva případy 1 ) v < v požadovaná 2) v > v požadovaná Pro udržení družice na oběžné dráze je potřebná určitá rychlost v požadovaná. Oba případy platí pro eliptickou oběžnou dráhu. Bod na kterém družice začne svou dráhu v případě 1) se nazývá apogeum, v případě 2) perigeum. perigeum družice apogeum apogeum družice Eliptická dráha může být pro družici dráhou oběžnou, na níž se neustále pohybuje (eliptická spirála) nebo může sloužit, po dodatečném zapálení motoru rakety k dosažení vyšší oběžné dráhy rakety. Družice pak může pomocí přídavných motorů obíhat i po dráze kruhové. Proces má tyto fáze: - družice je vypuštěná na eliptickou dráhu; předpokládejme, že je družice vybavená přídavnými raketami (na obr. modrá dráha) - družice dosáhne apogea, přídavná raketa se zapálí tak, aby v apogeu v > v požadovaná pro původní dráhu - družice zane opět opisovat eliptickou dráhu, ale její původní apogeum se stane novým perigeem (na obr. červená dráha) - nové apogeum leží ve věší výšce, posunuté o 180 proti původnímu - takto se můžeme dostávat stále na vyšší dráhy - postupným regulováním rychlosti rakety lze přeměnit eliptickou dráhu na kruhovou. Při uvádění spojových a televizních satelitů na oběžné dráhy se používá výhradně princip podle obr. Obr. 4 perigeum 9
10