Telekomunikacja Satelitarna.doc

TELEKOMUNIKACJA SATELITARNA
Wiadomości wstępne

Wykorzystywanie satelitów do telekomunikacji nie jest nowościom. Od 1965 roku, kiedy umieszczono na orbicie pierwszego satelitę telekomunikacyjnego, będącego własnościom firmy Intelsat, minęło dużo czasu. Obecnie spośród krążących nad ziemią 5000 stacji satelitarnych 180 jest przeznaczonych właśnie do celów telekomunikacyjnych. Satelity umieszczone pojedynczo lub grupami od dwóch do kilkunastu, na wysokości 35- 38 tyś nad równikiem, na orbitach geostacjonarnych (w stałych punktach nad ziemią). Są one wykorzystywane do dalekosiężnych usług telekomunikacyjnych, szczególnie połączeń pomiędzy ruchomymi obiektami na lądzie i na morzu. Służą także jako stacje przekaźnikowe prywatnych sieci telekomunikacyjnych oraz dystrybucji sygnałów telewizyjnych kierowanych do naziemnych stacji nadawczych, do telewizyjnych sieci kablowych oraz do anten odbiorczych pojedynczych odbiorników telewizyjnych. Nie nadają się one do realizacji połączeń pomiędzy telefonami kieszonkowymi, z co najmniej dwóch powodów: odległe położenie od powierzchni Ziemi sprawia, że opóźnienie propagacji sygnału jest rzędu 260 ms w obie stron, a ponadto sygnał nadawczy z małej anteny telefonu kieszonkowego jest zbyt słaby, aby był przechwytywany przez obecne anteny satelitów. Nowe systemy satelitarne będą wykorzystywały grupę satelitów krążących niżej - na orbitach niskich ( LEO - Low Earth Orbit ) i średnich ( MEO - Medium Earth Orbit ).
Satelity niskoorbitowe będą umieszczone w odległości 500 do 1500 km nad Ziemią, średnioorbitowe od 5000 do 12000 k. Satelity umieszczane niżej są mniejsze , lżejsze i tańsze, a opóźnienia transmisyjne mniejsze; jednakże im niższa orbita rym więcej satelitów trzeba umieścić na orbicie i tym krótszy jest czas życia grupy satelitów, hamowanych przez resztki atmosfery. W sumie koszty systemów niskoorbitowych i średnioorbitowych - przy podobnej technice realizacji, są zbliżone.
Systemy satelitarne będą cennym uzupełnieniem naziemnych systemów łączności. Gęstość telefonizacji na kuli ziemskiej jest bardzo nie równomierna, średnio kraje europejski i Stany Zjednoczone mają trzydziestokrotnie większą liczbę telefonów na 100 mieszkańców niż gęsto zaludnione kraje, takie jak Chiny, Indie, Pakistan , Filipiny.
Telefonia satelitarna pozwoli na szybkie zbudowanie sieci, w szczególnie w terenach gdzie występują trudności terenowe - pustynie, wysokie góry lub obszary położone na wyspach.     W niektórych krajach rozwiniętych, zajmujących duże obszary, gdzie ludność jest rozmieszczona nie równomiernie, np. w Australii, Brazylii, Rosji, zastosowanie satelitów może być tańsze niż prowadzenie długich linii naziemnych w trudnych. Oblicza się, że obecnie na instalacje stacji telefonicznej oczekuje około 30-45 milionów ludzi, a średni czas oczekiwania wynosi 18 miesięcy. Kolejka ta wydłuża się. Zastosowanie systemów satelitarnych powinno skrócić tą gigantyczną kolejkę. Ekspansja telefonii komórkowej jest widoczna: począwszy od 4 mln abonentów w roku 1988 do 125 mln w roku1995                        i przewidywanej liczby 350 mln w roku 2001. Jednakże nawet w roku 2001 40-60 mieszkańców naszego globu nie będzie znajdować się w jej zasięgu. Uruchomienie telefonii satelitarnej sprawi, że ponad 95 % ludzi będzie miało potencjale możliwości korzystania        z usług telekomunikacyjnych.
Telefonia ta obejmie prawie cały obszar kuli ziemskiej. Gdy abonent telefonii komórkowej podróżuje, to niekiedy, wychodząc poza obszar "swojej" sieci - traci możliwość porozumiewania się z powodu niekompatybilności drugiej sieci lub przerw w obszarach pokrycia polem radiowym. Telefonia satelitarnej może wyeliminować tę niedogodność, tworząc drogi alternatywnych połączeń. Jedynie ta telefonia umożliwi bezpośrednie połączenia za pomocą kieszonkowych telefonów abonentów znajdujących się w ( prawie ) dowolnych miejscach kuli ziemskiej, nawet, gdy niema naziemnych instalacji łączeniowych. Zamiast nich będzie można tworzyć współpracujące z systemem satelitarnym izolowane centra łączności nawet ruchome lub okresowo tworzone w miarę potrzeb, obsługujące obszary odległe od dużych centrów cywilizacyjnych. Stworzy to szansę włączenia do gospodarki tych obszarów, które do tej pory były z nich wyłączone z uwagi na utrudnienia telekomunikacyjne. Telefonia satelitarna ma jednak jedną istotną wadę : jest droga. Koszty utworzenia systemu globalnego szacowane są na około 2,5 do 5 mld $ , nie udźwigną ich nawet wielki korporacje telekomunikacyjne. Tworzone, więc są wielkie konsorcja różnych operatorów i firm działających w telekomunikacji i pracujących dla niej. Powodzenie tych przedsięwzięć będzie można osiągnąć tylko wtedy, gdy telefonia satelitarna będzie tak popularna jak telefonia komórkowa. Przeszkodom w rozbudowie i korzystaniu z telefonii satelitarnej będą obowiązujące w różnych krajach różne regulacje prawne. Lista krajów których operatorzy i przedsiębiorstwa partycypują w telefonii satelitarnej, jest bardzo długa       i obejmuje prawie wszystkie kraje członkowski ONZ. Wśród nich można znaleźć Polskę i TP S.A.

KLASYFIKACJA SYSTEMÓW TELEFONII SATELITARNEJ:

Rozwijane projekty systemów satelitarnych:

- systemy globalne, jak Inmarsat, Iridium , Globalstar, Ellipso, ORBCOMM
- systemy regionalne, jak ACeS, Thuraya

Oprócz nich powstają podniebne "infostrady" Teledesic, Skybridge, Celesta, przeznaczone do łączności internetowej.

Systemy globalne: Mają obejmować obszar prawie całej kuli ziemskiej oprócz pasa podbiegunowego. Przy orbitach niskich - na wysokości 800 km 0- do uzyskania takiego pokrycia potrzeba 66 satelitów oraz 6 satelitów rezerwowych ( Iridium ). Przy orbitach wyższych - 1400 km wystarcz tylko 48 satelitów i 4 rezerwowe ( Globalstar ). Natomiast dla orbit średnich MEO - 8000 km 14+2 rezerwowe ( Ellipso ), a dla wyższych 10000 km- 10+2  ( Inmarsat-P ). Na satelity LEO oddziałuje opór rzadkiej na tych wysokościach atmosfery oraz radiacja wewnętrznych pasów Van Allena. Wskutek tego przewiduje się 5 lat krążenia wystrzelonego satelity dla niższych orbit LEO zaś 8 na orbitach wyższych Dla orbit MEO czas ten wynosi 12 lat. Satelity LEO muszą być częściej wymieniane. Jednakże są one lżejsze od satelitów umieszczonych wyżej. Dzięki temu koszt wystrzelenia rakiety z satelitami, który gwałtownie rośnie z ich masą, jest mniejszy dla satelitów na niższych orbitach ( LEO ) niż     w porównaniu z orbitami ( MEO )i( GEO ). Opóźnienie propagacji sygnału do satelitów niskoorbitowych wynoszą 10 ms. Jednak to nie wszystko. Do opóźnienia należy dodać czas obróbki sygnału (kompresja mowy, przesuwanie w dziedzinę wysokiej częstotliwości , przetwarzanie )- w sumie dodatkowe 150 ms. Do tego w przypadku rozmowy telefonicznej     z osobą znajdującą się na drugiej półkuli należy dodać jeszcze 100 ms - jeżeli satelity mogą się komunikować ze sobą , jak w systemie Iridium. Razem opóźnienie to wynosi od 160 do 260 ms. Identyczne opóźnienia dla satelitów średnioorbitowych, które mają opóźnienia propagacji 100ms, wynoszą odpowiednio więcej. Jednakże są one na wyższej orbicie, większe jest prawdopodobieństwo rozmowy prowadzonej za pośrednictwem tylko jednego satelity.
Telefony przeznaczone do komunikacji satelitarnej będą miały wymiary nieco większe od obecnych kieszonkowych telefonów komórkowych. Mniej więcej takie jak, telefony sprzed kilku lat. Na przykład telefon satelitarny Globalstar waży - w obecnej wersji 340 gram             ( typowy telefon komórkowy waży 220 g ) i ma wysokość 5 cm. Przewiduje się że telefony satelitarne będą miały co najmniej dwa tryby pracy ze stacjami naziemnymi: tryb pracy            w sieci telefonii komórkowej i tryb współpracy z siecią satelitarną, powinny one być uniwersalne ( dwu systemowe ). Operatorzy z kręgu europejskiego stosują cyfrowy system GSM ( Global System for Mobile Communications )a z kręgu amerykańskiego analogowy system AMPS ( North American Advanced Mobile Phone Service .
Ponadto było by pożądane, aby telefony mogły komunikować się z kilkoma systemami satelitarnymi. Wymaga to dalszych wysiłków w kierunku opracowania i wdrożenia kart inteligentnych przeznaczonych do telefonów satelitarnych potrafiących dostosować się do np. do sieci satelitarnej o najsilniejszym sygnale. Antena telefonu będzie dwukierunkowa. Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna ( ITU ) przydzieliła częstotliwości dla poszczególnych sieci. Częstotliwości sygnałów "w górę" - od telefonów do satelity niegeostacjonarnego - znajdują się w paśmie 1,610- 1,6265 GHz, a sygnałów "w dół"              - w paśmie 2,4835 GHz - 2,500 GHz.
Jeżeli odbiorcom jest abonent z telefonem stacjonarnym lub komórkowym współpracującym z systemami naziemnymi , to za pośrednictwem satelitarnym stacji bazowej, sygnał jest przenoszony na wyższą częstotliwość i nawiązanie łączności jest uzyskiwane w pasmach pomocniczych: 5,091 - 5,250 GHz w górę do satelity i 6,875 - 7,055 GHz w dół do stacji naziemnej. W stacji naziemnej następuje ponowna konwersja i przekazanie sygnału do stacjonarnej sieci publicznej lub do lokalnej sieci komórkowej - radiowej . Oprócz tego przewidziano częstotliwości 23,18 - 23,38 GHz dla bezpośredniej komunikacji pomiędzy satelitami ( Iridium ). Antena telefonu wytwarza moc sygnału mniejszą od 0,5 W. Sygnał ten jest wychwytywany przez antenę odbiorczą satelity o dużym zysku.
Na satelicie następuje wzmocnienie sygnału i konwersja częstotliwości, a następnie antena nadawcza wysyła sygnał na ziemie. Na ogół nie jest to jedyna wiązka homogeniczna, lecz kilkanaście rozdzielonych. Dzięki temu pasmo częstotliwości może być wykorzystane wielokrotnie w nie interferujących ze sobą wiązkach i wzrasta także wzmocnienie anteny nadawczej. Stacje satelitarne są zasilane bateriami słonecznymi, więc moc nadawcza jest ograniczona. Z tego względu nie będzie można posługiwać się telefonami satelitarnymi wewnątrz budynków. Trzeba będzie wychodzić na tarasy lub zbliżać się do okien - tak, jak to było kilka lat temu z telefonami komórkowymi. Telefony satelitarne umożliwią przesyłanie nie tylko sygnałów głosowych. Ale też przesyłanie faksów i transmisje danych cyfrowych.

System Inmarsat

Międzynarodowe konsorcjum International Maritime Satellite Organization powstało w celu stworzenia ogólnie dostępnego, satelitarnego systemu radiowej łączności o zasięgu ogólnoświatowym. W założeniu miała to być sieć łączności, spinająca w jedną całość elementy morskiego systemu łączności w niebezpieczeństwie (GMDSS - Global Maritime Distress and Safety System), takie jak sieć radiowa SafetyNET i transmisja komunikatów tekstowych dla żeglugi przybrzeżnej NAVTEX.
Takie postawienie sprawy dało projektowi mocne podstawy finansowe. Zastosowanie technik i technologii, wypróbowanych wcześniej w wojskowych systemach łączności oraz ciągła modernizacja satelitów i zestawów łączności pozwoliły na rozpowszechnienie systemu Inmarsat poza zakres zastosowań morskich.
Z drugiej strony, konieczność zachowania wzajemnej kompatybilności starych i nowych komponentów powoduje, że satelity i stacje naziemne są niezwykle skomplikowane                  i kosztowne, szczególnie w porównaniu do nowo powstających sieci satelitarnych, takich jak Iridium czy Teldesic. Pewnym rozwiązaniem jest wyodrębnienie z sieci Inmarsat podsystemów, przeznaczonych dla określonych zastosowań. Najnowszy z podsystemów, Inmarsat P, jest całkowicie niezależny od sieci macierzystej.

Satelity Inmarsat są umieszczone na orbicie geostacjonarnej (wysokość 35 700 km). Łączność utrzymują w paśmie częstotliwości D - 1,5 i 1,6 GHz. Umożliwiają dwustronną łączność telefoniczną i dalekopisową oraz transmisję danych (obie z prędkością 1200 bodów).
Zasadniczo system wykorzystuje 4 satelity, obsługujące główne obszary oceaniczne:
- POR (Pacific Ocean Region) - Pacyfik -178° E
- IOR (Indian Ocean Region) - Indyjski - 64,5° E
- AOR-E (Atlantic Ocean Region East) - Atlantycki wschodni - 15,5° W
- AOR-W (Atlantic Ocean Region West) - Atlantycki zachodni - 54° W
Zasięg satelitów pokrywa pas od 70o szerokości geograficznej południowej do 70o szerokości północnej.
Obecnie na orbicie pracują satelity Hughes INMARSAT III. Ich "czas życia" ocenia się na około 12 lat.

Pracą systemu Inmarsat zarządza centrum kontroli (OCC - Operations Control Centre)             w Wielkiej Brytanii. OCC jest połączone z siecią lokalnych stacji kontrolnych, utrzymujących łączność z poszczególnymi satelitami. Służą one do odbioru danych telemetrycznych, transmisji sygnałów sterujących, oraz pośredniczą w wymianie danych z naziemnymi sieciami łączności przewodowej i radiowej (tzw. roaming).

Najstarszym komercyjnym podsystemem jest Inmarsat A, wprowadzony do użytku w roku 1982. Umożliwia on łączność radiotelefoniczną, dalekopisową (Telex), faksową, oraz pakietową transmisję danych (sieci informacyjne i poczta elektroniczna). Przy zastosowaniu zewnętrznej kompresji danych można także utrzymywać połączenie wideotelefoniczne.
Inmarsat A jest systemem analogowym, przez co jest dość podatnym na zakłócenia elektromagnetyczne, pochodzenia atmosferycznego i technicznego (przemysłowego), dlatego też zaszła potrzeba modyfikacji.
Terminal składa się z trzech zasadniczych części: zespołów antenowgo i podpokładowgo, oraz interfejsu użytkownika.
Zespół antenowy obejmuje antenę wyposażoną w mechaniczny układ stabilizacji położenia, układ sterowania kierunkiem wiązki, jeden lub dwa wzmacniacze niskoszumowe odbiorcze oraz takąż ilość wzmacniaczy nadawczych. Cały zespół antenowy jest montowany                 w hermetycznej obudowie, na zewnątrz nadbudówek statku.
Część podpokładowa zawiera układy elektroniczne, w tym modulator, demodulator, bloki sterowania anteną i zasilacze. Interfejs użytkownika jest to po prostu telefon, telefaks                 i dalekopis. Oczywiście prawdziwego dalekopisu z wyjącymi silniczkami, czcionkami                z maszyny do pisania i dziurkarką taśmy nikt już nie używa (no, może jeszcze jakieś pływające muzeum). Obecnie jest to terminal ekra...