Telekomunikace z oběžné dráhy

Kosmická raketa vynesla na oběžnou dráhu telekomunikační družici, která bude sloužit k šíření televizního signá...


Kosmická raketa vynesla na oběžnou dráhu telekomunikační družici, která bude
sloužit k šíření televizního signálu. Dnes již zcela standardní věta z běžného
zpravodajství, která nikoho neudiví. Využití komunikačních satelitů se stalo
docela normální součástí života i v našich zeměpisných šířkách.
V současné době na oběžných drahách pracuje ke třem stovkám telekomunikačních
družic. Nepatří mezi ně jen ty přenášející televizní signál, ale také družice
poskytující internetové či telefonní spojení, satelitní rozhlas, multimediální
a datové služby atd. Není divu, že každoročně připadne zhruba polovina startů
do vesmíru právě na komerční lety s družicemi tohoto typu. Nelze také vynechat
družice vojenské, které často rovněž plní komunikační úkoly.

Clarkův nápad
Zvláštní postavení mají družice nacházející se na geostacionární dráze, tedy ve
výšce kolem 36 tisíc kilometrů nad zemským povrchem. Zde je oběžná doba rovna
právě jednomu dni, což znamená, že družice ve skutečnosti zůstává "zavěšena"
nad daným místem na zemském povrchu. Stálá přímá viditelnost mezi vysílající
družicí a přijímači je nepřetržitě zaručena.
Duchovním otcem této myšlenky je spisovatel sci-fi a vědec Arthur C. Clarke,
který využití umělých družic popsal už v roce 1945. Clarke se nemýlil ani v
další předpovědi. Dnešní telekomunikační družice využívají sluneční energii
přesně tak, jak před více než půl stoletím navrhl.

Satelitní telefony
Zatímco pro přenos satelitní televize je poloha družice na geostacionární dráze
výhodná, pro mobilní satelitní telefonní sítě se tato dráha nachází příliš
daleko. První satelitní telefony (např. sítě Inmarsat), které komunikovaly s
družicí na geostacionární dráze, byly přístroje velikosti kufříku. Před
použitím je bylo třeba speciálně rozložit, což omezovalo míru jejich využití
(především letecká a námořní doprava).
Družice dvou v současné době existujících sítí Iridium a Globalstar jsou již
umístěny na nízkých či středních oběžných drahách. Relativně malá vzdálenost
umožnila výrazné zmenšení telefonních přístrojů, zlepšení kvality přenášeného
zvuku a rovněž integraci s existujícími pozemskými mobilními sítěmi. Nevýhodou
nízkých oběžných drah je pokrytí malé části zemského povrchu jednou družicí.
Aby byla pokryta většina zemského povrchu, je nutno vybudovat síť mnoha
satelitů na různých drahách.

Výběr frekvence
Satelitní telekomunikační služby jsou poskytovány na mikrovlnných frekvencích v
pásmu mezi 3 a 30 GHz, které jsou též označovány jako super-vysoké frekvence
(SHF). Těmto frekvencím odpovídají vlnové délky od 10 do 1 cm.
V uvažovaném rozsahu vlnových délek je nutné, aby se vysílač i přijímač
nacházely v přímé viditelnosti, což je na povrchu (vzhledem k zakřivení Země)
možné na vzdálenosti maximálně do 100 km. Navíc je signál ovlivněn lomem v
hustých vrstvách zemské atmosféry. Obecně platí, že index lomu klesá s rostoucí
výškou, ale časově i prostorově lokální atmosférické poruchy mohou výrazně
změnit profil indexu lomu a v krajním případě způsobit, že vyslaný paprsek
zcela mine přijímací anténu. Je zřejmé, že při použití vysílače umístněného
"nad hlavou" je dráha paprsku v nejhustších částech atmosféry nejkratší, a
tudíž bude paprsek nejméně ovlivněn lomem.
Pro přijímací anténu namířenou k obloze je nejpříhodnější rozsah frekvencí mezi
1 a 15 GHz. U frekvencí pod 1 GHz je signál rušen kosmických zářením, nad 15
GHz se zase začíná projevovat pohlcování vodní parou a kyslíkem. U mnohem
vyšších frekvencí je situace opět lepší, ale zde už významně rostou náklady.

Družice pod lupou
Družice určené pro geostacionární dráhu jsou obrovskými a složitými přístroji,
často řízenými těmi nejvýkonnějšími dostupnými procesory. Pětitunové družice v
cenách stovek milionů dolarů nejsou dnes vůbec výjimkou. Jejich umístění na
geostacionární dráze umožní každé družici pokrýt více než 1/3 zemského povrchu.
Dnešní moderní satelity jsou vybaveny několika přijímacími a vysílacími
anténami, jejichž kombinace umožní jednomu satelitu vytvoření paprsků
pokrývajících velké oblasti pro televizní vysílání a paprsků pokrývajících malé
oblasti ("bodových paprsků") sloužících např. pro telefonní spojení. Přepínáním
mezi těmito paprsky podle potřeby je satelit schopen spojit mobilní i pevné
uživatele na zemském povrchu.
Telekomunikační družice obsahuje řadu rádiových zesilovačů zvaných
transpondéry. Každý takový zesilovač zvládne pokrýt řadu jednotlivých uživatelů
na základě protokolu zvaného TDMA (Time Division Multiple Access). Typický
transpondér je sestaven z přijímače vyladěného na specifický kanál v pásu
přijímacích frekvencí (uplink), frekvenčního měniče sloužícího pro snížení
frekvence signálu do určeného kanálu v pásu vysílacích frekvencí (downlink) a
zesilovače pro získání požadovaného vysílacího výkonu. Transpodéry plní řadu
funkcí, jako je např. hlasová telefonie (400 obousměrných kanálů na jeden
transpondér), přenos dat (120 Mb/s i více), televize či FM rádio (data pro
družici Intelsat VII).

Záhadné zkratky C, Kua Ka
Geostacionární telekomunikační družice v naprosté většině operují ve
frekvenčních pásmech označovaných C a Ku. Tato pásma byla vybrána jako
spektrální okna, ve kterých je nízký atmosférický útlum a nízký vnější šum. Pro
uplink a downlink jsou užívány jiné frekvence z toho důvodu, aby se
minimalizovalo "prosakování" energie mezi palubními vysílači a přijímači. Navíc
pro downlink, který je náročnější, se používá vždy nižší frekvence, protože je
zde menší atmosférický útlum.
Pásmo C využívá pro uplink/ /downlink frekvence kolem 6/4 GHz, pásmo Ku
frekvence 14/11 GHz. Protože se satelitní telekomunikace od 70. let, kdy byly
tyto frekvence vybrány, rychle rozvíjí, je na geostacionární dráze dnes už
hodně málo místo pro další satelity pracujících na frekvencích pod 17 GHz.
Proto se v posledních letech vyvíjí i družice operující v pásmu Ka (30/20 GHz),
a to navzdory vyššímu atmosférickému pohlcování mikrovlnného záření.

Jednoúčelové družice
Družice mobilních telefonních sítí patří na rozdíl od svých geostacionárních
sourozenců k zařízením jednodušším. Geostacionární družice jsou jednoúčelové,
není vyžadováno plnění řady různých funkcí.
Každá z družic sítě Iridium váží necelých 700 kg, družice Globalstar dokonce
pouhých 222 kg. Pro účely komunikace jsou družice Iridium vybaveny třemi typy
antén. Ke spojení s mobilními telefony v pásu L (1,616-1,6265 GHz) slouží dvě
antény typu MMA (Main Mission Antena), ke spojení mezi jednotlivými družicemi v
pásu Ka (23,18-29,38 GHz) antény označované jako Crosslink a s řídícím
střediskem či pozemskými branami komunikují družice pomocí antény nazývané
Gateway ("nahoru" 19,4 až 19,6 GHz, "dolů" 29,7-29,3 GHz). V případě sítě
Globalstar neexistuje možnost komunikace přímo mezi jednotlivými družicemi, ale
pouze prostřednictvím některé z pozemských stanic.
Družice sítě Iridium létají ve výškách kolem 780 km nad zemským povrchem, na
drahách se sklonem 88 stupňů k rovníku. Těchto drah je 6, na každé z nich je
umístěno 11 družic. Družice konkurenční sítě Globalstar se pohybují po dráze
1250 km nad Zemí. Těchto drah se sklonem 55 stupňů je celkem osm, na každé z
nich operuje šest družic.

Solární články
Telekomunikační ani jinou družici na libovolné oběžné dráze není možno
zásobovat energií, proto si ji musí vyrábět sama. Univerzální zdroj elektrické
energie pro telekomunikační družice představují solární články. Dříve se
používaly i jiné zdroje energie, např. baterie či malé atomové reaktory.
Solární články jsou umístěny na dlouhých plochých panelech, případně je jimi i
pokryto přímo tělo samotné družice. Energie je skladována v akumulátorech.
Nejčastěji se používají pro vysokou spolehlivost a velký počet nabíjecích cyklů
články NiCd.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.