Wstęp

Adam Felkner
Wykorzystanie niskoorbitalnych systemów satelitarnych
Wstęp
Praca jest monografią poświęconą wykorzystaniu niskoorbitalnych systemów
satelitarnych. Są to systemy zbudowane w oparciu o satelity krążące wokół Ziemi na
wysokościach od 500 do 2000 km i zwane w skrócie LEO. Stanowią nowy rodzaj
systemów radiokomunikacyjnych z kilku istotnych powodów. Przede wszystkim są
jedynymi systemami bezprzewodowymi, które mogą obsługiwać ruchomych abonentów
niezależnie od tego gdzie się znajdują na Ziemi. Jest to największa zaleta tych systemów i
zarazem ich unikalna cecha.
Abonenci ruchomi mają obecnie do dyspozycji wiele innych systemów radiokomunikacji
ruchomej, oferujących różnego typu usługi i stanowiących rozszerzenie stacjonarnych sieci
telekomunikacyjnych. Dlaczego abonenci mieliby być zainteresowani systemami
satelitarnymi? Ponieważ tylko one oferują swe usługi, gdzie inne systemy naziemne są
niedostępne. Podstawową wadą naziemnych systemów jest ich stosunkowo niewielki
zasięg i brak wzajemnej kompatybilności na poziomie terytorialnym (często kraje mają
odmienne systemy) i sprzętowym (każdy system wymaga innego terminala). Dopiero
wprowadzenie systemu GSM przełamuje te granice. Jednakże GSM nie jest systemem
ogólnoświatowym. Tylko około 5% powierzchni Ziemi pokrytej jest jego zasięgiem.
Dodatkowo trzeba mieć świadomość, że nigdy nie obejmie swym zasięgiem całej kuli
ziemskiej z powodów technicznych i ekonomicznych (pustynie, Antarktyda, oceany).
Z drugiej strony systemy satelitarne nie są niczym nowym. Pierwszy satelita został
wyniesiony już 1957 roku i był to satelita na niskiej orbicie. A już od 1962 roku zaczęto
wynosić satelity na orbitę geostacjonarną GEO, której wysokość wynosi 35786 km nad
równikiem. W ciągu kilkudziesięciu lat zyskały dużą popularność. Z tego względu w pracy
znalazło się wiele porównań niskoorbitalnych systemów LEO z GEO. Satelity na orbicie
GEO znajdują obecnie zastosowanie przede wszystkim do rozsiewczej retransmisji
programów telewizyjnych, międzykontynentalnych rozmów telefonicznych, regionalnych
systemów telekomunikacyjnych oraz transmisji danych VSAT. Jednak dlaczego ostatnio
równolegle powstaje sporo kosztownych projektów systemów LEO? W pracy starałem się
odpowiedzieć na to pytanie porównując zalety i wady systemów LEO i GEO, które
wynikają z rodzajów orbit. Podstawowe wady systemów GEO to tłumienie i opóźnienia
sygnałów oraz brak możliwości pokrycia całej Ziemi. Zaletami są stacjonarność satelitów i
niewielka ich liczba do pokrycia dużego obszaru globu. O tych aspektach systemów
satelitarnych poświęcony jest rozdział pierwszy pracy. Znalazły się w nim również opisy
wspólne dla wszystkich systemów satelitarnych, nie tylko niskoorbitalnych, takie jak:
historia pierwszych satelitów, prawa rządzące ruchem satelitów, ich wynoszenie i
stabilizacja, czy istniejące rodzaje orbit.
Systemy LEO przede wszystkim pozwalają na łączność ruchomą za pomocą
ręcznych terminali na całym świecie, a w przyszłości na szybką transmisję danych i rozwój
łączności na obszarach bez infrastruktury telekomunikacyjnej. Niskoorbitalne systemy
satelitarne są wiele bardziej skomplikowane niż systemy GEO. Wynika to z tego, że mamy
do czynienia z wieloma satelitami, które tworzą konstelacje i mogą mieć między sobą
połączenia ISL (zależnie od systemu). Na pokładzie takich satelitów musi zachodzić
komutacja połączeń i przetwarzanie sygnałów. Czas widoczności konkretnego satelity
przez terminal naziemny jest krótki, rzędu kilku do kilkunastu minut. Może to powodować
konieczność przekazania połączenia innemu satelicie. W systemach LEO stosuje się różne
metody wielodostępu, przeważnie jednak CDMA, która pozwala na płynne przekazywanie
połączeń. Technika CDMA i stosowany odbiornik RAKE pozwala też na eliminację
skutków propagacji wielodrogowej oraz na jednoczesną łączność z dwoma satelitami.
____________________________________________________________________________________
Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy
3
Adam Felkner
Wykorzystanie niskoorbitalnych systemów satelitarnych
Innym problemem pojawiającym się z powodu ciągłego ruchu satelitów jest efekt
Dopplera, tzn. zmiana częstotliwości sygnałów odbieranych. Stosowane na satelitach LEO
anteny są przeważnie wykonywane jako wielowiązkowe w celu zwiększenia pojemności
systemu oraz sterowalne by zmniejszyć liczbę procedur handover. Powyższa tematyka
ujęta jest w drugim rozdziale. W dalszej części pracy opisane są konkretne projekty
systemów LEO oraz porównawczo GEO i MEO.
Głównym celem pracy jest omówienie istniejących i projektowanych niskoorbitalnych
systemów satelitarnych, sposobu wyboru orbit, używanych zakresów częstotliwości i
protokołów. Najważniejszym powodem napisania tej pracy jest nowatorstwo i bardzo
szybki rozwój tej dyscypliny telekomunikacji przy jednoczesnym braku publikacji
monografii z tej dziedziny nauki. W polskiej literaturze obecnie pojawiają się najczęściej
tylko krótkie artykuły na temat konkretnych systemów bez szczegółów technicznych.
Również przyszli i obecni operatorzy nie ujawniają zbyt wielu szczegółowych rozwiązań.
Wiadomości czerpałem także z zaleceń ETSI i ITU (jednakże zawierają one tylko
podstawowe wymagania stawiane systemom niskoorbitalnym a dostęp do nich jest
ograniczony) oraz z internetu - publikowane artykuły naukowe i strony organizacji
niekomercyjnych. Część zależności i wzorów wyprowadzałem osobiście opierając się na
zależnościach geometrycznych orbit.
Na zakończenie tego wstępu chciałbym podziękować panu mgr inż. Janowi Kołodziejowi i
innym pracownikom naukowym ATR za cenne wskazówki, które miały wpływ na
ostateczny kształt pracy.
Adam Felkner
____________________________________________________________________________________
Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy
4