Minule jsme se zaměřili na historii komunikačních satelitů, které jsou spojeny s geosynchronní drahou a šířením televizního vysílání z družic. Jak se většina komunikace přesunuje na internet, tak ten samý trend je i v satelitní komunikaci, projevující se přechodem na oběžné dráhy, které nejsou synchronní s pohybem Země.

Větší blízkost k zemskému povrchu umožňuje zkrátit dobu zpoždění, ale zmenšuje pokrytí, a tak vyvolává potřebu většího počtu satelitů. Premiantem se v tomto ohledu stává SpaceX Elona Muska, který plánuje 12 tisíc satelitů, přímo přes amerického regulátora FCC se snahou obcházet procedury ITU – Mezinárodní Telekomunikační Unie.

I v počátcích satelitní komunikace byly používány družice na ostatních drahách, ale sloužily převážně k vědeckým účelům výzkumu Země, radioastronomii, navigaci a dalším. Zatímco v roce 2010 na nízkých oběžných drahách Země (LEO, s výškami menšími než 2000 km) bylo více satelitů než na geosynchronních drahách (GEO, 36 000 km), v GEO bylo zhruba dvakrát více komerčních družic než v LEO. V LEO tehdy byly největším investorem vlády (zejména v USA) pro vědecké účely, ale komerční investoři vlastnili dvě třetiny GEO satelitů. Mezi satelity na střední oběžné dráze (MEO) patřily navigační satelity GPS, které obíhají ve výškách kolem 20 000 km. Satelity na eliptických drahách (minule zmíněná HEO) mají části své dráhy ve více než jedné z těchto oblastí.

Satelity pro komunikační účely tvořily již v té době výraznou nadpoloviční většinu z celkového počtu 900 obíhajících vesmírných těles. Na tomto počtu se podíleli: USA 434 satelitů, Rusko 93, Čína 56, Japonsko 44, Indie 22 a Evropa (Velká Británie a Německo dohromady) 39.

 Poměr satelitů v kosmu podle účelu a oběžných drah (Zdroj: https://allthingsnuclear.org/lgrego/ucs-satellite-database/)

Negeosynchronní satelity – NGSO

S rozvojem celosvětové sítě internetu a poskytování širokopásmového připojení s požadavky na malé zpoždění se začal projevovat nástup dalších oběžných drah, MEO a LEO pro komunikační účely. Nižší latence s úrovněmi srovnatelnými se zpožděním optického přenosu, se stává stále důležitější, protože umožňuje vysoce výkonné rozšíření pozemní sítě, 5G páteřní sítě a připojení ke cloudovým službám. Obecné srovnání základních parametrů negeosynchronních systémů s geostacionárními přináší následující tabulka:

Střední oběžná dráha (Medium Earth Orbit – MEO)

V minulém desetiletí se počet satelitů na této dráze zvýšil 2x. Teoreticky, v závislosti na výšce dráhy nad Zemí, mohou satelitní konstelace MEO pokrýt většinu Země 6 až 8 družicemi. Protože satelity MEO nejsou stacionární, pro zajištění nepřetržité služby je vyžadováno více satelitů. To znamená, že antény na Zemi musí sledovat satelit po obloze, což vyžaduje pozemní infrastrukturu, která je ve srovnání s GEO výrazně složitější.

Velká oblast pokrytí na jeden satelit vede na přímé jednosměrné spoje přes kontinenty bez nutnosti přenosu mezi satelity. Shodná rovina oběžné dráhy zajišťuje spolehlivý provoz celé konstelace družic, kontinuitu spojení a pozemní sledovací systém, který spolehlivě řídí vysoce výkonné služby. Zatímco satelity MEO již poskytují mnohem nižší latenci ve srovnání s GEO, jejich vyšší oběžná dráha znamená, že nemusí dosáhnout úplně stejné úrovně zpoždění plánované novými provozovateli LEO.

O3b systém společnosti SES

Nejvýznamnějšími jsou satelity SES systému O3b mPOWER. Původně se jedná o 12 satelitů pracujících ve výšce 7,8 – 8 km, s průměrnou dobou oběhu 283 min., na rovníkových téměř kruhových geosynchronních drahách. Dnes celá flotila činí 20 satelitů, které pracují na rovníkové dráze s kmitočty v Ka-pásmu a jejich pokrytí zajišťuje dostupnost +/- 45–50° na sever a jih od rovníku což znamená, že pro nás by bylo signálem dostupné nejbližší město Záhřeb. Na obrázku jsou znázorněny též vstupní/výstupní brány (gateways), přes které jsou pak obsluhováni koneční zákazníci.

Na obrázku je oblast pokrytí MEO satelitů O3b a projektované brány pro pozemní připojení.

Satelity jsou typu HTS (High Troughput Satelites – co to je se dozvíte příště) s vysokou propustností, gateway (brány) mají k dispozici 6 transpondérů o bitové rychlosti 10 Gb/s a celkový počet satelitů dosahuje kapacity 140 Gb/s. Kmitočtová účinnost je posílena duální ortogonální polarizací jak pro svazky určené pro brány, tak i pro uživatele a opětovně jsou použity prostorově oddělené kmitočty (spatial frequency re-use). Oblast pokrytí je v podobě elipsy znázorněného na obrázku, nazývané „kočičí oko“.

Nová generace mPower plánuje propustnost v řádu Tb/s pomocí 5000 řiditelných vyzařovacích svazků. Další jejich plánované MEO satelity mají používat i mezisatelitní přímé spojení (ISL).

Nízká oběžná dráha (Low Earth Orbit – LEO)

Nízkou oběžnou LEO dráhu využívaly, jak bylo řečeno v úvodu tohoto článku, satelity pro buď vědecké nebo výzkumné účely, včetně vojenských. Z běžných komerčních komunikačních užití to byly družice od společností jako Iridium, Globalstar a Orbcomm, sloužící především pro hlasové a datové aplikace s nízkou propustností. Prudký nárůst LEO satelitů začíná v roce 2019 a dnes prakticky dominuje. Pro srovnání s úvodním rozdělením přinášíme následující graf zpracovaný podle USC Satellite Database:

Růst počtu satelitů za poslední desetiletí byl způsoben především vývojem menších CubeSat, který umožňuje vypustit velké množství malých satelitů současně, když dřívější rakety byly používány pouze k vypouštění jednoho nebo dvou satelitů najednou. I když se nejedná o komunikační, ale technologické satelity, stojí za zmínku, že se mezi nimi nachází i česká družice Lucky-7 a VZLUSat-1.

Dalšími vývojovými faktory, které způsobily nárůst počtu startů satelitů, je závod o satelitní širokopásmové služby, zejména se satelitní konstelaci SpaceX Starlink. V květnu 2021 SpaceX vypustilo 172 satelitů Starlink během pouhých tří startů, a jejich konstelace přesáhla 2000, zatímco OneWeb částečně vlastněný britskou vládou má zatím na orbitě přes 420 satelitů. Vedle snížených nákladů na vypuštění a zvýšených technických možností poskytla hlavní pobídky pro rozvoj těchto systémů rostoucí poptávka po širokopásmových datech a projekce růstu trhů mobility (vzdušné, námořní).

Protože satelity LEO fungují blíže k Zemi (ve výškách 400 až 1000 km) než dříve zmíněná MEO oběžná dráha, je jejich oblast pokrytí menší, pro pokrytí zemského povrchu tak jejich počet musí být větší.

Výhody – satelity LEO se zaměřují na poskytování internetového pokrytí, které může pokrýt celou planetu, a vzhledem k jejich těsné blízkosti Země operátoři očekávají, že nabídnou nejnižší úroveň latence ze všech satelitních oběžných drah. Tato blízkost také znamená, že je levnější a vyžaduje mnohem méně paliva pro vypuštění jednoho satelitu na dráhu LEO, než vypuštění do oběžných drah MEO nebo GEO.

Nevýhody – Vzhledem k vysokému počtu satelitů požadovaných v konstelaci LEO se však očekávají vysoké prvotní náklady na vývoj a výrobu a dražší pozemní hardware ve srovnání s GEO. Životnost těchto malých asi 200 kg těžkých  satelitů je také plánována na mnohem kratší dobu než satelitů určených pro vyšší oběžné dráhy. Oblíbenost nízkooběžných drah LEO od roku 2019 dokumentuje následující graf.

Konstelace OneWeb

První satelity tohoto indicko-britského systému byly ve výšce 1200 km, část je ve výšce okolo 500 km nad Zemí na polární dráze se sklonem 87° a s dobou oběhu 94/109 minut. Celkem k únoru tohoto roku bylo na uvedené polární dráze k dispozici 428 satelitů o váze přibližně 150 kg převážně ve výšce 580 km. Satelity budou poskytovat služby uživatelům (downlink) v kmitočtovém pásmu Ku s plánovanou kapacitou 50 Mb/s. Pro omezení interferencí s GSO satelity, dochází v době zákrytu k přepnutí na jiný viditelný satelit. Kmitočty uplinku jsou v pásmu Ka (21–31 GHz). Celá konstelace plánuje využívání 648 satelitů ve 12 rovinách ve výšce 1200 km.

Video: viditelnost satelitů nad Prahou v roce 2021.

Loňského roku byla viditelnost satelitu OneWeb-0296 (588 km) z Prahy okolo 1 minuty při elevaci 40°až 25° se současnou změnou azimutu mezi 310°- 335°. Vzhledem k menšímu počtu satelitů na orbitě následně došlo k přerušení spojení asi na 10 s a přetočení antény na azimut 50° na satelit ve výšce 1223 km. Podívejte se na krátkou animaci viditelnosti satelitů loňského roku z Prahy.

Následující animace je z července tohoto roku, kdy OneWeb vypustil další satelity s výhledem, že pravidelnou službu začne poskytovat koncem tohoto roku.

Video: Videlnost  OneWeb nad Prahou z 14.7. před 18. hodinou. Vlevo dole je zaznamenán pohyb ISS (zeleně). (Zdroj: https://satellitemap.space/?constellation=oneweb ).

Satelity na nízkooběžných drahách LEO jsou napojeny na celosvětovou internetovou síť přes vstupní/výstupní brány (Gateways) obvykle v uzlových pozemních stanicích, v případě OneWeb to je britská „brána do kosmu“ – stanice Goonhilly v anglickém Cornwallu. Její historie sahá do roku 1962, kdy v červenci přijímala první živý transatlantický televizní přenos přes družici Telstar. Přijímací terminál je vybaven citlivým systémem sledování obíhajících satelitů a je chráněn polokulovitým radomem. Ploché uživatelské terminály pro komerční zákazníky jsou vybaveny elektronicky řízenými anténami.

Terminály OneWeb: profesionální se sledováním a přepínáním satelitů a nový OW1 s nízkou spotřebou a elektronicky řiditelnými anténami.

Konstelace Starlink společnosti SpaceX

Společnost SpaceX zahájila vypouštění satelitů na oběžnou dráhu 13.6.2020 v dávkovém způsobu po 60 až 80 družicích. Celkově bylo již vypuštěno 2753 satelitů, z toho 212 bylo po neúspěšném startu navedeno na pozici určenou k jejich shoření. K 17. červenci 2022 je v provozu 2118 satelitů o váze 227 kg na nepolárních drahách se sklonem 53°, 70°a 97° na polárních drahách ve výšce mezi 540 a 570 kilometry s dobou oběhu 96 minut. Obíhají v 72 orbitálních rovinách a v každé z nich je plánováno 22 družic podle schválené konstelace z roku 2018 a změnou z roku 2021.

Pohled na konstelaci satelitů Starlink ze 7.7.2022. Zachycen je i „satelitní vláček“ ve výšce 200 km, jehož jednotlivé „vagónky“ budou následně přesunuty na konečné pozice. Provozované oblasti jsou znázorněny zelenými buňkami v Evropě, USA, Kanadě a Chile. (Zdroj: screenshot z https://satellitemap.space/).

Pozemní stanice (brány) Starlinku a uživatelské terminály komunikují pouze s těmi satelity SpaceX, které jsou viditelné nad obzorem s minimálním elevačním úhlem, původně definovaným jako 25 stupňů v pásu zeměpisných šířek +/- 61°s./j. š. Jednotlivé satelity se pohybují rychlostí 7,5 km/hod a oblast viditelnosti přeletí za 4,1 minutu. Jak síť pokračuje v rozšiřování, více satelitů se stává viditelnými, takže taková minimální elevace by se mohla zvýšit na 40 stupňů pro scénář plného nasazení. Starlink může stále těžit z nižších úhlů v rovníkových oblastech tak, aby se zvýšil počet viditelných satelitů a aby se zabránilo interferenci s GEO satelity v pásmu Ku a s OneWeb, který také používá pásmo Ku pro uživatelský downlink. I když v plánu a testování přímé spojení mezi jednotlivými satelity (ISL – InterSatellite Link) dosud není zavedeno, a tak zpoždění mezi dvěma body je významně ovlivněno pozemní infrastrukturou.

Záznam videa ze 14. července t.r. 17. hodiny ukazuje viditelnost jednotlivých satelitů s údaji o jejich elevaci a azimutu pro Prahu. K animaci byla použita webová stránka https://satellitemap.space/), která je k dispozici v reálném čase.

Spojení se sítí internetu se udržuje se dvěma branami v Německu a jednou v Polsku. V dané časové výseči je z Prahy možno vidět 5 až 10 satelitů s proměnnou elevací v rozsahu od 31° až po 90° a směrováním převážně severním směrem. Z toho také vyplývá, že se u nás obvyklé nastavení antény na jih – na pozice GEO satelitů – v tomto případě neuplatní. Výchozí anténní poloha se nastaví automaticky. Kromě možnosti mechanického natáčení se přepínání mezi jednotlivými aktivními družicemi provádí elektronicky řízenou fázovou anténou, která je společně s down/up – konvertorem integrována do jedné venkovní jednotky. Mžikové přepínání mezi viditelnými satelity údajně narušuje synchronizaci při sledování televize přes internet.

Příklad typického směrování kruhové antény Starlink pro příjem a vysílání dat s orientací na sever a vysokou elevací.

Satelity Starlink jsou naplánovány tak, aby posílaly internet všem uživatelům v určené oblasti na Zemi. Tato označená oblast se označuje jako buňka. Každý uživatelský terminál Starlink (v zásadě pozemní vysílací/přijímací stanice) je přiřazen k jedné buňce. Jedná se tudíž o stanice pevné družicové služby (FSS). Pokud je přesunut mimo svou přiřazenou buňku, nebude umožňovat připojení k internetu, neboť satelit je naprogramován tak, aby sloužil pro danou stanici v dané buňce. Toto omezení je způsobené menší oblastí pokrytí LEO satelitů a nejedná se o internetový geofencing, neboť technicky stanovené buňky nerespektují umělé státní hranice. V našem případě by terminál fungoval pouze v Čechách a s malým přesahem na Moravu, severní části Rakouska a části Bavorska. Podle uvedené animace není buňka na Moravě ani na Slovensku dosud zprovozněna. V poslední době však SpaceX začíná umožňovat příjem i z jedoucích vozidel a lodí, pro které pak musí existovat provozní povolení pro sousední buňky.

V příštím pokračování si probereme různé satelitní technologie poslední doby a podíváme se na vnitřní konstrukci antény Starlinku. Podrobněji se zaměříme také na problémy s kmitočtovou koordinací zejména LEO satelitů v případě zákrytu s družicemi na GEO drahách, které požívají všeobecnou ochranu.

Čtěte také předchozí díl našeho seriálu:

Seriál: Satelitní komunikace a vysílání První družice pro TV, oběžné dráhy a kmitočty

Štítky