Satelity jsou nedílnou součástí našeho života, a to nejenom jako zdroj zábavy a poučení při sledování televizního vysílání, ale v poslední době i jako nezbytný komunikační prostředek pro připojení k internetu, se všemi důsledky z toho plynoucími. Přesvědčit se o tom mohli desetitisíce uživatelů satelitního internetu společnosti Viasat 24. února v ranních hodinách, hned v době zahájení ruské invaze na Ukrajinu. Do sítě KA-SAT Twoway připojené desetitisíce terminálů v Evropě po napadení hackery přestaly fungovat takovým způsobem, že je bylo nutno kompletně vyměnit. Pouze deset svazků (tzv. spotbeamů) z 82 na Eutelsatu Kasat 9°E zůstalo nepostiženo.

Podívejme se proto podrobněji na současné satelitní technologie a vývoj komunikačních družic, které za poslední roky doznaly značných změn, v serii článků věnované této oblasti. Nejenom kmitočtové spektrum, ale i oběžné dráhy (orbity) okolo naší planety jsou mezeným přírodním zdrojem a měly by být využívány racionálně, efektivně a hospodárně k mírovým účelům. Takovéto využívání oběžných drah zejména z pohledu mohutného a dynamického rozvoje komunikačních technologií se v současnosti stává velmi silným, nejenom bezpečnostním, tématem.

Oběžné dráhy

Z pohledu televizního vysílání z družic jsme si zvykli, že je možné je přijímat přes parabolické antény s výhledem přibližně na jih v naších zeměpisných šířkách. Je to ale jen velmi omezená část kosmických technologií, používající pouze jednu výjimečnou oběžnou dráhu, která právě pro svou výjimečnost se stává velmi hustě obsazenou.

Geostacionární dráha (GSO), z jejíchž satelitů dnes přijímáme všechny satelitní programy, je druh kruhové geosynchronní dráhy (GEO) s výškou přibližně 35.700 km a dobou oběhu přibližně 24 hodin a která leží v rovině rovníku Země (se sklonem 0°), což umožňuje družicím na této dráze vypadat při pohledu ze Země jako stojící – pevně zavěšené.

Z pohledu výšky oběžné dráhy nad zemí existují další dva typy drah:

  • nízká oběžná dráha (Low Earth Orbit – LEO) s nadmořskou výškou mezi 100 km a necelými 2 000 km, přičemž horní hranice odpovídá době oběhu přibližně 2 hodiny a
  • střední oběžná dráha (Medium Earth Orbit – MEO) s nadmořskou výškou větší než 2 000 km a menší než 35 700 km. Nejvýznamnější oblastí umístění satelitů je výška okolo 20 000 km, která odpovídá době oběhu 12 hodin.

Z nekruhových drah si pozornost zaslouží vysoce eliptická dráha (Highly Eliptical Orbit – HEO) umožňuje, aby satelitní pokrytí signálem směřovalo na konkrétní oblasti Země. Systém bývá navržen tak, aby každá družice trávila velkou většinu svého času v dalekých severních zeměpisných šířkách. Z doby oběhu 12 hodin je satelit k dispozici pro provoz nad cílovou oblastí po dobu osmi hodin každou druhou otáčku. Tímto způsobem může konstelace tří satelitů plus jednoho náhradního zajistit nepřetržité pokrytí.

Ne všechny nadmořské výšky mohou být použity pro oběžné dráhy, protože v kosmu se v některých výškách vyskytují ionizované částice ve Van-Allenových pásech.

Z historie telekomunikačních satelitů

Použití družice, jako telekomunikačního prostředku pro spojení 2 bodů na zemském povrchu se datuje od konce 50. let minulého století (Score z roku 1958, pasivní komunikační družice Echo I ve tvaru balónu o průměru 30,5 m a první vojenská aktivní družice tohoto typu Courier z roku 1960). První telekomunikační družice pracovaly na eliptických drahách s apogeem zhruba 6 500 km nad Zemí a byly v dohledu zemského vysílače a přijímače ovšem pouze několik minut. Představitelem je satelit Telstar, vyvinutý společností AT&T. Měl dostatečnou kapacitu k přenosu jednoho černobílého televizního signálu v blíže neurčené kvalitě. Byl v provozu od července 1962 do února 1963 a v listopadu 1962 byl přes něj uskutečněn první transatlantický přenos mezi Francií a USA.

Clarkova orbita – geostacionární dráha (GSO)

Současně se začala prosazovat koncepce satelitů zavěšených nad rovníkem, poprvé popsaná již v roce 1928 a zpopularizována A. C. Clarkem po publikování ve Wireless World v říjnu 1945. V uvedeném článku autor uzavírá, že toto je…

  1. jediná možnost, jak dosáhnout celosvětového pokrytí pro všechny druhy služeb a
  2. umožňuje neomezené použití pásma minimálně 100 GHz a nahrazení tisícovek pozemních sítí s nepoměrně nižšími náklady.

Princip pokrytí zeměkoule dle původního článku uvádí následující obrázek.

Clarkův model 3 geostacionárních satelitů (Zdroj: Extra-Terrestrial Relays. Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage? Publikováno ve Wireless World, říjen 1945. Obrázek převzat z: https://history.nasa.gov/SP-4407/vol3/cover.pdf)

Jako doporučené pozice článek uváděl 30°E pro Evropu a Afriku, 90°W pro Ameriku a 150°E pro Asii a Pacifik, kde budou orbitální stanice vzájemně propojeny radiovými nebo optickými paprsky (to však do dnešních dnů není realizováno). A.C. Clarke popsal aktivní kosmickou stanici a zabýval se též problémem elektrického napájení na stanici umístěných přijímačů a vysílačů. Dospěl k závěru, že je možné využívat energii slunce přeměnou na solárních panelech. Jediným problémem je doba, kdy bude objekt ve stínu Země, ale vhodnými akumulátory je možno úplné zastínění v délce několika hodin ročně eliminovat a zajistit nepřerušený provoz. Výjimkou do dnešních dnů zůstávají několikaminutová přerušení služby v době jarní a podzimní rovnodennosti, kdy dojde k zákrytu slunce-satelit-Země a přijímací zemské antény nejsou schopny odlišit vysílané sluneční záření od užitečných signálů z kosmického prostoru.

Geostacionární satelity

A tak nastal čas geosynchronních satelitů vyvinutých společností Hughes Aircrft ve spolupráci s NASA. První komunikační družicí tohoto typu byl testovací satelit Syncom 1, následně funkční Syncom 2 se sklonem k rovníku 33° (proto geosynchronní) a v roce 1964 první geostacionární Syncom 3, které byl umístěn nad rovníkem ve výši necelých 36 tis. km s dobou oběhu 24 hodin. Ze Země se jeví, jako by geostacionární satelity byly pevně zavěšeny nad daným bodem nad rovníkem (pozice udávaná ve stupních východní nebo západní šířky-064W). K dosažení této polohy provedl Syncom 3 na orbitě řadu manévrů, aby se vyrovnal s rovníkem ve sklonu 0,1° a upravil svou rychlost tak, že se posunul na západ k plánovanému místu v 180°E, kde byla jeho rychlost ve výšce synchronizována se Zemí. Tyto manévry byly dokončeny do 23. září a Syncom 3 byl použit v různých testech komunikace, včetně přenosu olympijských her z Tokia v roce 1964.

První geosynchronní satelit Syncom 1 se solárními panely po obvodu tělesa (zdroj: Wikimedia commons).

Vývoj těchto raných komunikačních satelitů představoval první kroky k praktickému využití vesmíru a začala o něm debata, zda by takový podnik měl mít veřejný nebo soukromý charakter. Paralelně k tomu probíhal v USA již v té době vývoj vojenských satelitů (experimentální LES) pro strategickou komunikaci v gesci ministerstva obrany Spojených států. Vývoj satelitní technologie se tak stal v důsledku studené války součástí národní bezpečnosti USA, které tak cílily veškeré další kroky k vybudování globálního systému pod jejich správou ve spřátelených zemích.

Přehled prvních geosynchronních satelitů zmíněných v textu s daty provozu a poloze

Systém Intelsat

Comsat (Sdružení amerických telekomunikačních společností a vlády) byl určen jako oficiální zástupce Spojených států pro globální satelitní komunikaci. V srpnu 1964 se společnost stala manažerem vznikajícího globálního systému známého jako Mezinárodní Konsorcium telekomunikačních satelitů (Intelsat).

Satelitní civilní komunikační program v USA se brzy vyvinul ke globální síti „stabilizovaných“ satelitů na geosynchronních/geostacionárních drahách. Celý systém začal počátečním satelitem (Intelsat I – Early Bird) nad Atlantským oceánem (1965), poté Tichý oceán získal službu (1967) se satelity Intelsat II F-2 a 4  a nakonec bylo dokončeno globální pokrytí pomocí Intelsat III F-3 službou v Indickém oceánu (1969), přesně tak, jak si to Arthur C. Clarke představoval o dvacet čtyři let dříve.

Od samého počátku byly satelity Intelsat, první z nich známý jako Early Bird („časný pták“) vizuálně velmi podobný zobrazenému Syncom 1, určeny k přenosu televizního signálu přes pozemní stanice signatářů. Jeho kapacita byla 1 televizní program, který bylo možno rekonfigurovat na 240 telefonních hovorů. Nebylo to ovšem šíření pro veřejnost, ale právě pro spojové organizace, které předávaly signál do distribučních sítí ve své zemi. Celosvětově pro 600 milionů diváků tak byly již barevně živě vysílány první kroky astronauta Armstronga po přistání na měsíci 20. června 1969.

Systém Molnija (HEO satelity) a Intersputnik

Zatímco Spojené státy budovaly komunikační satelity na geostacionární dráze, Sovětský svaz, který byl se svým Sputnikem v předstihu ve vývoji družicové technologie, vypustil řadu družic pojmenovaných Molnija na vysoce eliptické dráze (HEO) s periodou přibližně 12 hodin a se sklonem okolo 63°. První družice Molnija-1 byla vypuštěna 23. dubna 1965. V roce 1967 bylo vypuštěno dalších šest družic Molnija, které zajišťovaly pokrytí po celém území Sovětského svazu včetně polárních oblastí. V apogeu ve výšce zhruba 40 000 km se družice pohybovala velmi pomalu a mohla být využívána pro spojení až 6 hodin. Anténa pozemní stanice ovšem musela průběžně sledovat pohyb družice a před ztrátou spojení při sestupu družice za horizont musela být přesměrována na další družici. To trvalo vždy více minut.

Pohled z kosmu na Zemi se zaplněným prostorem satelity, nosnými raketami a nefunkčním smetím s eliptickou oběžnou dráhou jedné ze současných Molnija družic s apogeem 38 105 km a sklonem k rovníku 62,85°. Na obrázku je zřetelně vidět rovníková zaplněná geostacionární dráha.

V roce 1971 vytvořilo několik zemí východního bloku, včetně Československa, Mezinárodní organizaci vesmírných komunikací Intersputnik. Pro tento systém byla u nás v Sedleci vybudována pozemní stanice, která sloužila v době, kdy na družici nebyl vysílán program sovětské televize, pro výměnu televizních programů v rámci Intervize. Následně pak v roce 1988 byl tento systém nahrazen geosynchronními družicemi Stacionar a pozemní stanice v Sedleci po roce 1989 byla vybavena i anténami systému Intelsat, které byly provozovány zejména pro mezikontinentální telefonní spojení.

Použití kmitočtů

Za účelem koordinace pozic na orbitě a frekvencí je specializovanou agenturou Organizace spojených národů Mezinárodní telekomunikační unie (ITU), která  přijímá a schvaluje žádosti o využití orbitálních slotů pro satelity. Celosvětově je zodpovědná za specifikaci frekvencí a přidělování pásem pro různé aplikace a služby. Každé 2-4 roky ITU pořádá Světovou radiokomunikační konferenci WRC, o níž jsme psali v souvislosti s kmitočty pro zemské televizní vysílání. I na nadcházející WRC se bude kromě UHF pásma jednat i o určení satelitního pásma C pro potřeby broadbandu.

Názorný přehled rozdělení kmitočtových pásem od 3 kHz do 300 GHz s výběrem satelitních pásem (zdroj: European Space Agency  https://www.esa.int/Applications/Telecommunications_Integrated_Applications/Satellite_frequency_bands)

Mezinárodní administrativní radiokomunikační konference ARC, která se konala v Ženevě v roce 1959 v rámci ITU přijala mezinárodní tabulku kmitočtových přídělů, která poprvé poskytla frekvenční pásma pro vesmírné a pozemské vesmírné služby. Tato pásma však byla pouze pro výzkumné účely a užitečná hlavně pro sledování, ovládací a telemetrické funkce. Žádná pásma však nebyla mezinárodně přidělena pro kosmické radioreléové komunikace, speciální administrativní rádiová konference ITU byla naplánována na konec roku 1963, aby se konkrétně vypořádala s vesmírnými problémy překotného vývoje té doby. Iniciativy se proto chopila americká FCC a stanovila, že kmitočty pro satelitní komunikace budou v rozmezí mezi 1 GHz – 10 GHz alespoň pro počáteční fázi. Stav rozdělení pásem v USA pro satelitní služby je na následující tabulce (stav k roku 2007) a zahrnuje i další využití satelitů nad rámec rozhlasového a televizního vysílání.

Tabulka využití satelitních pásem a kmitočtů platná pro americký kontinent na počátku tohoto tisíciletí

Televizní družicové vysílání

V Evropě se základem pro rozvoj současného televizního vysílání pomocí družic stala ženevská konference ITU až v roce 1977. Pro plánování rozhlasové a televizní družicové služby vymezila frekvenční pásma pro sestupnou vlnu (downlink) 11,7-12,5 GHz. Navíc přepokládala 2 kategorie služeb, vysokovýkonnou pro přímý příjem TV programů (definovaná jako BSS a také nazývané DBS – Direct Broadcast Satellites) a nízkovýkonnou pevnou službu (FSS) pro distribuci a kontribuci programů, tj. pro přenos příspěvkových signálů mezi televizními studii a televizními společnostmi, jakož i pro přenos signálů k pozemním vysílačům a do hlavních stanic kabelových rozvodů. Vzhledem k technologickému vývoji však toto rozdělení vzalo za své a již koncem 80. let minulého století bylo nad Evropou k dispozici 70 televizních programů DBS vysílaných z 10 družic, původně určených pro pevnou službu mezi studii. Tento rozvoj způsobil vývoj nízkošumových zesilovačů se šumovými čísly okolo 1 dB, což umožnilo významné snížení rozměrů přijímacích antén s průměrem pod 1m. Tímto způsobem došlo a dodnes existuje využití transpondérů jedné družice jak pro přímé vysílání DTH jako vysílací družicová služba (BSS), tak pevná družicová služba (FSS) pro přenos kontribučních signálů při spojení bod-bod.

Satelitní transpondér je vlastně elektronika na družici, která zajišťuje, jako retranslační stanice, převod kmitočtů přijatého signálu (uplink) na kmitočet vysílaného signálu (downlink) k zemskému povrchu. Zdrojem pro transpondér družice je zemský sektor, vysílač s vysílací anténou o větších rozměrech, původně o průměru až desítek metrů, dnes je možno docílit přesného zaměření s průměry okolo 5 m. Vysílací anténa je zaměřena na příslušný satelit a vysílá v určeném frekvenčním rozsahu na přijímací anténu satelitního transpondéru, což je automatické elektronické zařízení, které přijímá, zesiluje, převádí na jiný kmitočet a předává signál na vysílací anténu satelitu. Původní analogové videosignály používaly jeden televizní kanál/program na každý transpondér. Pomocí digitální komprese a multiplexování je možno dnes na jeden transpondér (obvykle o šířce pásma 72/36 nebo 54/27 MHz) umístit více video a audio signálů na jednom nosném kmitočtu. Tím se též rozlišuje dvojí druh provozu jednotlivých transpondérů na SCPC (single channel per carrier – jeden kanál na nosnou) a MCPC (multichannel per carrier – více kanálů na jednu nosnou). Systémy SCPC jsou používány právě pro příspěvkové spojení mezi studii televizních společností, zatímco MCPC jsou ty známější systémy z přímého šíření televizních programů do domácností (DTH).

Tabulka používaných kmitočtů vysílací družicové služby v Evropě

Přeměna na jiný kmitočet a dále rozdílná polarizace přijímacího a vysílacího kmitočtu eliminuje interference mezi přijatou vzestupnou a vysílanou sestupnou vlnou (downlink). Kmitočty používané pro „televizní“ družice leží buď v historicky původním „americkém“ C-pásmu (4-8 GHZ) nebo rozšířeném Ku-pásmu (12-18 GHz), případně v obou pásmech. Evropské telekomunikační družice používají prakticky jen Ku-pásmo, jehož kmitočty jsou méně rušeny než kmitočty C-pásma, ale za to jsou náchylnější na útlum vlivem povětrnostních vlivů (déšť a sníh).

V naších zeměpisných šířkách je cesta signálu ze satelitu vlastní zemskou atmosférou v délce téměř 19 000 km, což jej silně oslabuje. Pro úplnost se zmíníme ještě o přijímací straně, která je tvořena parabolickou anténou, která signál směruje do jejího ohniska. Čím větší je průměr antény, tím se získá více užitečného signálu, ale o to musí být anténa přesněji nasměrována. Přijímací prvek Ku-pásma LNB (low-noise block downconvertor) tento signál zesílí, vyfiltruje užitečné frekvence a převede je na satelitní mezifrekvenci pomocí vlastního místního oscilátoru. C-pásmové systémy používali nízkošumové zesilovače (LNA) a jiný způsob naladění příslušného kmitočtu na přijímači.

Počty družic nad Zemí rostou

Satelity na geostacionární dráze nad rovníkem prokázaly v průběhu let svou užitečnost, a tak sloty na vysoce hodnotných geostacionárních drahách jsou již léta více než zaplněny. Blízký vesmír je stále více přetížený: v roce 2010 databáze provozovaných satelitů ukazuje 389 aktivních satelitů na geosynchronní dráze. Počet aktivně pracujících družic rostl od roku 1990 během každé z posledních dekád do roku 2020 zhruba o 50 procent.

Počty satelitů na MEO oběžné dráze za stejné období vzrostl o 100 %, na LEO dráze ke konci loňského roku však o 870 %, tj téměř devíti násobně. V dalším pokračování se podíváme po možných příčinách tohoto nárůstu a přednostech / nedostatcích jednotlivých oběžných drah.

Úvodní foto: Autor