Kommunikációs műholdak

1. Kommunikációs műholdak Készítette: Vasvári Zoltán Szilágyi Zoltán

2. Kommunikációs műholdak A kezdet Az 1950-es években és az 1960-as évek elején olyan kommunikációs rendszereket próbáltak kialakítani, amelyekben a fémborítású meteorológiai léggömbök verték volna vissza a jeleket. Sajnos a vett jelek túl gyengék voltak ahhoz, hogy ezt a rendszer a gyakorlatban is használni tudta volna. Valamivel később az amerikai haditengerészet felfedezte, hogy az égen van egy állandó gömb - a Hold -, amit a léggömbök helyett használhatnak. A Holdról visszaverődő jelekre alapozva megépítettek egy ténylegesen is működőképes rendszert a hajók és a part közötti kommunikáció számára. A kulcsfontosságú különbség egy mesterséges és egy igazi hold között az, hogy a mesterséges hold fel tudja erősíteni a jeleket, mielőtt visszaküldi azokat a földre. A kommunikációs műholdak rendelkeznek néhány olyan érdekes tulajdonsággal, amelyek több alkalmazás számára is vonzóvá teszi őket. A kommunikációs műholdat a legegyszerűbb úgy elképzelni, mint egy hatalmas mikrohullámú ismétlőt az űrben. A műholdak jó néhány (transzponderrel) rendelkeznek. A műholdakon lévő transzponderek a felküldött mikrohullámú jeleket egy másik frekvencián felerősítve visszasugározzák. A lefelé menő nyalábok lehetnek szélesek és beteríthetik a földfelszín jelentős részét, vagy le­hetnek keskenyek, így a beterített földfelszín átmérője csak néhány száz kilométer. Ezt az üzemmódot hajlított cső (bent pipe) módnak is hívják. Kepler törvényének értelmében egy műhold keringési ideje a pálya sugarának 3/2-edik hatványával arányos, vagyis minél magasabban van a műhold, annál hosszabb a keringési periódus. A Föld felszínéhez közel a periódusidő körülbelül 90 perc, így az alacsonypályás műholdak elég gyorsan eltűnnek szem elől, és ezért sokra van belőlük szükség ahhoz, hogy állandó lefedettséget biztosíthassunk.

3. Kommunikációs műholdak A kezdet Körülbelül 35 800 km-es magasságban a periódus éppen 24 óra. Körülbelül 384 000 km-es magasságban a pe­riódus nagyjából egy hónap, amint azt a Hold bármely rendszeres megfigyelője is ta­núsíthatja. A műholdak keringési ideje fontos, de nem az egyetlen tényező, ami meghatározza az elhelyezésük magasságát. Egy másik befolyásoló tényező a Van Allen-övek léte, amelyek a Föld mágneses mezejének fogságában rekedt erős töltéssel rendelkező ré­szecskék rétegei. Egy itt keringő műholdat valószínűleg gyorsan elpusztítanának ezek a nagyenergiájú, töltéssel rendelkező részecskék, amelyeket a Föld mágneses mezeje tart fogva. Ezek a tényezők három olyan térséget különítenek el, ahová biztonságosan lehet műholdat telepíteni. Ezek a térségek és néhány tulajdonságuk látható a 2.15. áb­rán. A most következő részben röviden bemutatjuk az egyes térségekben elhelyezett műholdakat.

4. Technológia A műholdas kommunikációs hálózatban a műhold, illetve a hozzá tartozó földi állomások hálózatot alkotnak. A központi állomások, melyekhez számítógépes hálózatok, telefon, távíró és egyéb kommunikációs vonalak kapcsolhatók, eljuttatják az átalakított jeleket a műholdra, amely megváltoztatva a frekvenciát, felerősíti a jeleket és visszajuttatja a földi állomásokra, a felhasználói állomásokra. A távközlési műhold, mint a hálózat legnagyobb egysége a jelek vételére, valamint azok meghatározott területek felé való sugárzására egyaránt alkalmas. Ilyen műholdak keringenek a Föld körül az Intelsat, Eutelsat, Inmarsat stb. rendszerben. Egy adott szolgáltatás működtetője a műhold kapacitásából transzponder(rész)t - csatornát, vonalakat - bérelhet.A felhasználó a felhasználói állomáson, terminálon keresztül veszi igénybe a rendszer szolgáltatásait. A felhasználói állomások (terminálok) funkciójukat tekintve lehetnek, a) csak vételre szolgáló, illetve b) adó-vevő földi terminálok. A csak vételre szolgáló terminálokkal felépített rendszerek műsor- vagy adatszórásra, tehát egyirányú összeköttetésre alkalmas rendszerek. Egy központi állomásból és csillag alakzatban elhelyezkedő vevőterminálokból állnak. A központ és a terminálok között műholdon keresztül létesül az egyirányú kapcsolat. A központi állomásból kisugárzott jeleket a műhold közvetítésével minden, a rendszerbe tartozó (zárt hálózat), vagy az ellátási körzeten belüli (nyílt hálózat) terminál egyidőben veszi. Erre példa: a francia POLYCOM rendszer. Az adó-vevő terminálokkal kétirányú, interaktív összeköttetés hozható létre, elsősorban adatátvitel céljából. Tehát a műholdon keresztüli kapcsolat típusa kétféle lehet:a) egy pont-több pont összeköttetés, amikor a kapcsolat a műholdon keresztül a központi állomás és az egyes felhasználói állomások (terminálok) között létesül.b) pont-pont összeköttetés, amikor a kapcsolat két felhasználói állomás (terminál) között létesül.

5. GEOSZINKRON MŰHOLDAK Arthur C. Clarke tudományos-fantasztikus író 1945-ben kiszámolta, hogy egy egyen­lítő körüli körpályán 35 800 km-es magasságban keringő műhold mozdulatlannak tűnne az égen, így szükségtelenné válna a követése. Ezután leírt egy teljes kommunikációs rendszert, amely ezeket geoszinkron („földhöz képest mozdulatlan”) műholdakat használta. A rendszer leírását Clarke a röppályákkal, a napelemekkel, a rádiófrekvenciákkal és a kilövési eljárással tette teljessé. Sajnálatos módon arra a következtetésre jutott, hogy a műholdak nem használhatók a gyakorlatban, mivel lehetetlen nagy energiaigényű és törékeny vákuumcsöves erősítőket Föld körüli pályára állítani. így aztán nem is foglalkozott tovább ezzel az ötlettel, de még írt róla néhány tudományos-fantasztikus történetet. A tranzisztor feltalálása teljesen megváltoztatta ezt a helyzetet. Az első kommunikációs műholdat, a Telstart, 1962 júliusában bocsátották fel. Azóta a kommunikációs műholdak piaca többmilliárd dolláros üzletté vált, és a külső világűr vonatkozásában ez az egyetlen, amely óriási profitot hozóvá vált. Ezeket a magasan repülő műholdakat gyakran GEO- (Geostationary Earth Orbit - „Földhöz képest mozdulatlan pályá­jú") műholdaknak is hívják. Amennyiben az interferenciának elejét szeretnénk venni, napjaink műszaki lehetőségei mellett nem bölcs dolog 2 foknál kisebb távolságot tartani az olyan geoszinkron műholdak között, amelyek az egyenlítő síkjában vannak. A rendelkezésre álló sávszélesség növelése érdekében azonban minden transzponder több frekvenciát és polarizációt is használhat. A teljes égi káosz eluralkodását az ITU akadályozza meg, a keringési pályák (orbit) egyes állásainak (slot) kiosztásával. Ez a folyamat nagymértékben politikai, olyan országok is követelik a „nekik járó" műholdhelyeket (hogy bérbe adhassák őket a leg­jobb ajánlat megtevőjének), amelyek még csak mostanában nőttek ki a kőkorszakból. Más országok ezzel szemben azt az álláspontot támogatják, hogy a nemzeti tulajdoni jogok nem terjednek ki a Holdig, és így egyetlen ország sem rendelkezhet az országa feletti műholdpozíciók tulajdoni jogával. A csatározásokat csak tovább erősíti, hogy a kereskedelmi célú kommunikáció nem az egyetlen alkalmazás. A tv-adók, a kormányok és a hadsereg is akarnak egy-egy szeletet a földkörüli pályák tortájából.

6. VSAT A kommunikációs műholdak világának egyik új fejleménye a VSAT-nak (Very Small Aperture Terminal - nagyon kis nyílásszögű terminál) is nevezett, alacsony költségű mikroállomások kifejlesztése. Ezek az apró terminálok 1 méteres, vagy még kisebb antennával rendelkeznek (a GEO-antennáknál szokásos 10 m-rel szem­ben), és körülbelül 1 watt teljesítménnyel képesek adni. A felfelé irányuló csatorna általában 19,2 kb/s-os sebességre képes, a lefelé irányuló csatorna azonban gyakran 512 kb/s-os vagy még nagyobb sebességű. A közvetlen sugárzású műholdas tv-adások gyakran alkalmazzák ezt a megoldást az egyirányú átvitel megvalósítására. Sok VSAT-rendszerben a mikroállomások nem rendelkeznek elegendő teljesít­ménnyel ahhoz, hogy közvetlenül (illetve természetesen a műholdon keresztül) kom­munikálhassanak egymással. A közvetlen kapcsolat helyett egy különleges földi állo­mást, egy hubot használnak a VSAT-ok közötti forgalom továbbítására, amely nagy méretű és nagy nyereségű antennával rendelkezik. Ezt az elrendezést a 2.17. ábra mutatja be. Ebben a működési módban vagy a vevőnek, vagy az adónak rendelkeznie kell egy nagy antennával és egy nagyteljesítményű erősítővel. Az olcsó végfelhasz­nálói állomásokért hosszabb késleltetésekkel kell fizetnünk. A VSAT-ok rendkívül hasznosak lehetnek a ritkán lakott területeken. Nem sokan vannak tisztában azzal a ténnyel, hogy a Föld népességének több mint a fele több mint egy órányi járóföldre lakik a legközelebbi telefontól. Több ezer kis faluba telefonká­beleket kihúzni messze túlmutat a legtöbb harmadik világbeli kormányzat költségve­tésén, de az 1 méteres, napenergiával működtetett VSAT-antennák telepítése gyakran megvalósítható. A VSAT-ok olyan megoldást nyújtanak, amellyel össze lehet kötni a világ minden részét.

7. VSAT A műholdak egy másik fontos tulajdonsága az, hogy természetüknél fogva adatszó­ró közegként viselkednek. A transzponder lábnyomán belül nem kerül többe néhány ezer állomásnak küldeni egy adást, mint egyetlen egynek. Ez a tulajdonság néhány alkalmazásban nagyon hasznos. Például elképzelhető az, hogy egy műhold népszerű weblapokat juttat el nagy területen szétszórt nagyszámú számítógépnek. Bár az adat­szórást lehet kétpontos vonalakkal is szimulálni, a műholdas adatszórás mégis sokkal olcsóbb lehet. A biztonság és a bizalmasság szemszögéből nézve viszont a műholdas rendszerek katasztrofálisak: mindenki minden adást hallhat. A titkosítás létfontosságú, amennyiben biztonságos átvitelt kell megvalósítanunk. A műholdaknak egy további tulajdonsága, hogy egy üzenet átvitelének költsége nem függ az üzenet által megtett út hosszától. Egy tengeren túli hívás ugyanannyiba kerül, mint egy hívás az utca túloldalára. A műholdak további előnye a kiváló hiba­arány, valamint a szinte azonnali telepíthetőség, ami a katonai hírközlésben fontos szempont.

8. Közepes röppályás műholdak A GEO-műholdaknál sokkal alacsonyabban, a két Van Allen-öv között találjuk a MEO (Medium-Earth Orbit - közepes röppályás) műholdakat. A Földről nézve ezek a műholdak lassan sodródnak a földrajzi hosszúsági vonalak mentén, és mintegy 6 óránként megkerülik a Földet. Ennek megfelelően ezeket a műholdakat követni kell, amíg végighaladnak az égen. Mivel a GEO-knál alacsonyabban vannak, kisebb a lábnyomuk a felszínen, és kisebb teljesítményű adókra van szükség a távolság áthidalására. Manapság ezeket a műholdakat nem használják telekommunikációs célokra,. Alacsony röppályás műholdak Ahogy egyre lejjebb haladunk, elérünk a LEO- (Low-Earth Orbit - alacsony röp­pályás) műholdakhoz. Ezekből a műholdakból a gyors mozgás miatt sok kell egy teljes rendszerhez. Másrészt, mivel a műholdak közel vannak a Föld felszínéhez, a földi állomásoknak nem kell nagyteljesítményűnek lenniük, és az oda-vissza út késleltetése is csak néhány milliszekundum. Ebben a szakaszban három példát fogunk megvizs­gálni, ezek közül kettő a beszédátvitelre összpontosít, egy pedig az internetszolgáltatásra. -Irídium

9. Iridium Az Iridium feladata az, hogy az egész világot lefedő kommunikációs szolgáltatást nyújtson olyan kézben hordozható eszközök segítségével, amelyek közvetlenül az Iridium műholdakkal kommunikálnak. Az Iridium hang- és adatszolgáltatást, valamint személyhívó, fax és navigációs szolgáltatást nyújt, bárhol: földön, vízen vagy levegő­ben. A vásárlók között megtaláljuk a hajózással, repüléssel és olajkitermeléssel foglalkozó cégeket, valamint az olyan embereket, akik telekommunikációs infrastruktúrával nem rendelkező helyekre utaznak (pl. sivatagok, hegyek, dzsungelek és néhány harmadik világbeli ország). Az Iridium műholdakat 750 km-es magasságban helyezték el, kör alakú sarki röppályákon. Észak-déli láncokba rendeződnek, amelyekben 32 szélességi fokonként kö­vetik egymást a műholdak. Hat ilyen műholdlánc fedi le az egész Földet. Azok, akik nem tudnak sokat a kémiáról, úgyis tekinthetnek erre az elrendezésre, mint egy nagyon-nagyon nagy diszprózium-atomra, amelynek a Föld a magja és a műholdak az elektronjai. Az egyes műholdakon legfeljebb 48 cella (pontnyaláb) lehet, és a felszínt összesen 1628 cella fedi le. Minden műholdnak 3840 csator­nája van, ami összesen 253 440 csatornát jelent. Ezek közül néhányat a személyhívó és a navigációs szolgáltatás használ, a többi pedig az adat- és beszédátvitelt szolgálja. Az Iridium egyik érdekes tulajdonsága az, hogy a távoli felhasználók kommuniká­ciója az űrben történik, vagyis egyik műholdról a másikra halad. Itt az látható, hogy a küldő az Északi-sarkon kapcsolódik egy, éppen a feje fölött álló műholdhoz. A hívás a többi műholdon keresztül átjátszódik a Déli-sark feletti műholdhoz, amelyik leküldi a hívott félhez.

10. Iridium Az Irídium projekt műholdjai hat láncot alkotnak a Föld körül, 1628 mozgó cella borítja a Földet

11. Globalstar Az Iridium-rendszer alternatív megoldása a Globalstar. Ez a rendszer 48 LEO-műholdra épít, de az Irídiumétól eltérő kapcsolási módszert alkalmaz. Az Irídium a hívá­sokat egyik műholdról a másikra továbbítja, amely kifinomult kapcsoló berendezéseket igényel a műholdak fedélzetén. A Globalstar ezzel szemben a hagyományos hajlítottcső-kialakítást használja. Az Északi-sarkról indított hívást visszaküldik a földre, ahol egy nagy földi állomás veszi azt. A hívást ezután földi hálózaton keresztül irányítják a hívott félhez legközelebbi földi állomáshoz, és onnan egy műholdra, amelyik egy hajlítottcső-kapcsolaton keresztül továbbítja a hívott félhez, amint azt az ábra is mutatja. Ez a megoldás azért előnyös, mert a bonyolultabb dolgok nagy részét a földön tartja, ahol könnyebb azzal boldogulni. A nagy földi antennák használata azt is lehetővé teszi, hogy nagyteljesítményű jeleket küldhessünk a műholdnak, és gyenge jeleket is venni tudjunk, így a telefonok teljesítményfelvételét is csökkenteni lehet. Végül is a telefon csak néhány milliwattnyi teljesítményt ad le, így a földi állomásra visszatérő jel még azzal együtt is elég gyenge, hogy a műhold is felerősíti útközben. Továbbítás az űrben, Felszíni továbbítás

12. Teledesic A Teledesic, a világ minden táján megtalálható, sávszélességre kiéhezett internethasználókat célozza meg. Az ötlet 1990-ben született meg a mobiltelefonok úttörője, Craig McCaw és a Microsoftot alapító Bili Gates fejében. A Teledesic rendszer célja az, hogy egyszerre többmillió internethasználónak biztosítson 100 Mb/s-os feltöltési csatornát és 720 Mb/s-os letöltési'csatomat. A rendszer egy rögzített, VSAT-szerű antenna segítségével teljesen megkerüli a telefonhálózatot. A telefontársaságok tortája ezzel hirtelen az égbe emelkedett, s eltűnt. Az eredetileg tervezett rendszerben 288 kis lábnyomú műhold szerepelt, amelyeket 12 síkban helyeztek volna el 1350 km-es magasságban, egy kicsivel az alsó Van Allen-öv alatt. Ezt később 30, nagyobb lábnyommal rendelkező műholdra változtat­ták. Az átvitel a viszonylag kevéssé zsúfolt és nagy sávszélességű Ka sávban történik. A rendszer csomagkapcsolt, és a kapcsolás az űrben valósul meg: minden műhold a szomszédjai felé tudja továbbirányítani a csomagokat. A felhasználók a csomagjaik elküldéséhez szükséges sávszélességet dinamikusan igénylik és kapják meg, körülbelül 50 ms alatt. A rendszer éles üzembe állítása 2005-ben volt.

13. Szolgáltatások • A műholdas információs kommunikációs szolgáltatásokat szokásosan ( hálózatok szerint) az alábbiakra osztják: • műsorszóró hálózatok(tévé- és rádióprogramok terjesztése, járulékos szolgáltatásként teletext); • adatszóró hálózatok (pénzügyi, banki, tőzsdei adatok, piaci, marketing, kereskedelmi, vállalati információk továbbítása, a szoftverfejlesztők munkájának segítése); • adatgyűjtő hálózatok (meteorológiai, környezetvédelmi, vízügyi, technológiai adatoknak a feldolgozó központba történő gyors, hatékony továbbítása); • interaktív hálózat (helyfoglalási rendszerek (repülő, szálloda); bankok, biztosító társaságok központ-fiók közötti kapcsolattartása, tranzakciók lebonyolítása; távvásárlási, eladási információk biztosítása; • online információszolgáltatás, adatbázisok lekérdezése; elektronikus levelezés; elektronikus publikálás; • online dokumentumátvitel; elektronikus konferenciák szervezése, lebonyolítása); • mobil rendszerek (földi, vízi, légi szolgálatban való alkalmazásra).