Nástup nových technologií přináší nové výzvy. To se nevyhýbá ani komunikačním satelitům, jak jsme uvedli v předchozích dílech našeho seriálu. S tím souvisí i využívání přírodních zdrojů – frekvenčního spektra.

Nároky na nové kmitočty, ochrana stávajících služeb, včasná a efektivní regulace spojená s domluvou všech zúčastněných je požadavkem současnosti. Nový satelitní průmysl se všemi zázračnými novými službami by neměl přetížit naši schopnost je absorbovat a přinášet jen výhody všem stávajícím i budoucím uživatelům.

Členské státy OSN podle konvence z roku 1958 mají hlásit Úřadu OSN pro vesmírné záležitosti se sídlem ve Vídni objekty, které vypustily ze svého území, nebo jejichž jsou vlastníky nebo provozovateli. Mezinárodní Telekomunikační Unie (ITU), jako nejstarší specializovaná agentura OSN, určuje pravidla pro využití kmitočtů k zabránění škodlivým interferencím a rušení. Těmi závaznými pravidly je Radiokomunikační řád (RR – Radiocommunication Regulations). Dle článku 9 Řádu jsou všechny Správy členských států povinny oznamovat podrobné údaje Byru ITU pro kmitočtovou informaci (IFIC).

Mezinárodní kmitočtová koordinace

Článek 22 RR zabývající se možnými intervencemi družic NGSO s geostacionárními družicemi řeší ale jen ochranu signálů GSO a uvádí přípustné hodnoty ekvivalentní hustoty výkonových toků (Equivalent power-flux density – EPFD), která bere v úvahu součet všech vyzařování od NE- GSO družic ve směru pokrytí jakéhokoli satelitu GSO, které tak požívají, jako pevná družicová služba (FSS), ochranu. Pro představu vzájemných vazeb a limity EFPD pro případ sestupného paprsku (downlinku) uvádí následující obrázek 1.

OBRÁZEK 1: Vlivy na ekvivalentní hustotu výkonového toku (EFPD)

Jak je možno vidět z uvedeného znázornění, je zavedení parametru EPFD všech na pozemní stanici směřujících toků nezbytné. Při tom je nutno si uvědomit, že obdobné poměry platí pro vzestupný směr i mezidružicové spoje (ISL) ve volném prostoru, které v současnosti prozatím nejsou v praxi používány. Dochází i k zastínění (eklipse) stacionárních satelitů se stále se zvyšujícím počtem družic NGSO, jejich interference do základnových pozemních stanic, interference uplinku (vysílacího paprsku) NGSO na satelity na geostacionární dráze a obecně k zvyšující se úrovni šumu v důsledku zaplnění radiofrekvenčního spektra. To se projevuje zejména při použití nízkých oběžných drah LEO satelitů.

Pro výpočet uvedené hustoty toků byro ITU vypracovalo speciální software, který musí budoucímu provozovateli říci, zda uvažovaný kmitočet je použitelný a následně může být v byru zaregistrován. Kmitočtová koordinace mezi systémy NGSO se však ukazuje být náročnější, mezi satelity MEO a různými drahami LEO je ponechána na příslušných provozovatelích, kteří k Byru ITU podávají vyplněná podání (tzv. fillings) v zásadě „kdo dřív přijde, ten dřív mele“. To vytváří nerovnováhu mezi operátory různých systémů, neboť někteří operátoři, kteří mají starší podání, nebudou své systémy nasazovat několik let, případně v průběhu času měnit jejich architekturu, a tak v zásadě blokovat nově příchozí.

Perspektivy nových satelitních konstelací

Následující tabulka, zpracovaná podle dokumentace Ofcomu „Negeostacionární satelitní systémy-aktualizace licencí“, uvádí konstelace satelitních systémů, které se buď spouští nebo se plánuje jejich spuštění služeb v příštích 2–3 letech a mají poskytovat spotřebitelům různé typy služeb.

Tabulka některých projektů satelitních sytému na nízkooběžných drahách (Zdroj: Ofcom)

Britský Ofcom je znepokojen tím, že by satelitní služby NGSO mohly být nasazeny dříve, než bude možná vhodná úroveň koordinace s jinými operátory. To celé se komplikuje tím, že existuje nejistota, jak se návrhy jednotlivých satelitních systémů budou vyvíjet do budoucna. Uvedený problém vedl také ke stížnosti provozovatele SpaceX k regulátorovi Ofcom, který dočasně pozastavil vydávání licencí pro základnové stanice (GW – brány) Starlinku s odůvodněním, že mezinárodní koordinace neřeší rušení na národní úrovni a stanovil nové podmínky, kdy požaduje určitou minimální vzdálenost mezi jednotlivými základnami GW.

Jak je to tedy s rušením kmitočtů vnitrostátně?

Zatím co geostacionární satelity a jejich pozemské stanice se nepohybují, satelity NGSO se pohybují okolo Země po předem definovaných „orbitálních rovinách“. Mohou existovat stovky nebo tisíce satelitů rozmístěných tak, že z jakéhokoli bodu na povrchu je vždy v přímém zorném poli viditelný alespoň jeden satelit. Aby bylo dosaženo nepřetržitého spojení sledují brány (GW) a uživatelské terminály (UT), tyto satelity při jejich pohybu po obloze musí bez rušení vysílat a přijímat.

Co se ale stane, když jeden satelit bude v zákrytu druhého? I když mohou být in-line události zákrytu jednotlivě pouze krátké, možná několik sekund a způsobí rušení, může připojení terminálu k síti trvat déle. Interference se může v průběhu času stále opakovat i v pravidelných intervalech, které budou záviset na oběžných drahách příslušných systémů.

OBRÁZEK 2: Interference mezi dvěma NGSO systémy v případě in-line události.

Jaký dopad má zákryt dvou satelitů na uživatele? Odlišíme případy vysílání na satelit a příjem ze satelitu. Pokud uživatel odesílá data (např. uploaduje soubor), nemusí se dostat do svého konečného cíle, jak zamýšlel, nebo může být zpožděn kvůli škodlivému rušení, které ovlivňuje downlink spojení ze satelitu na bránu a/nebo uplink uživatele na satelit. Naopak, pokud chce uživatel stahovat data (např. sledovat videostream), může to být narušeno interferencí na satelit na downlinku uživatele a/nebo brány na satelitní uplink.

Vzhledem k tomu, že poskytování širokopásmového internetového připojení uživatelům závisí na uživatelském spoji i na spoji brány, rušení způsobené kterýmkoli z těchto spojů může narušit nebo zhoršit internetové připojení uživatele. Dopad rušení na spoje brány by však byl mnohem větší než na spoje jednotlivých uživatelů, protože každá brána poskytuje konektivitu mnoha uživatelům (možná stovkám nebo tisícům uživatelů v závislosti na konstrukci systému), takže ztráta připojení v důsledku rušení na bráně se bude šířeji prožívat napříč sítí.

K vyloučení rizika interferencí mezi různými systémy v budoucnosti mění britský Ofcom pravidla udělování licencí pro NGSO brány takovým způsobem, že každý žadatel musí zaručit dostatečnou vzdálenost od místa, pro které byla licence udělena, nebo je v procesu udělení. Pro uživatelské terminály sítí pak platí podmínka, že žadatel musí věrohodně prokázat technickou spolehlivost svého i budoucích systémů, že mohou spolu bezproblémově koexistovat. Před finálním udělením licence je žádost publikována k veřejné diskusi. Tím by také měla být zajištěna kvalita dostupnost služeb uživatelů budoucích družicových systémů.

V současné době je u nás provozován jediný satelitní NGSO systém s uživatelskými terminály sítě Starlink, které zjevně jako své brány do sítě internetu používají instalace v Německu a Polsku. I když se jedná o vysílací terminály v pásmu geostacionárních družic Ku, tak vlastní licenci nepotřebují. Jejich provoz je umožněn Všeobecným oprávněním VO-R/1/12.2020-12 s dostatečnou výkonovou rezervou stanovenou v čl. 5 tohoto oprávnění.

Nezaostává mezinárodní frekvenční koordinace za technickým rozvojem?

Z mezinárodního pohledu za kmitočtové koordinace je jediným pověřeným orgánem Mezinárodní Telekomunikační Unie ITU a její Statut a Radiokomunikačního řád, který historicky vychází zejména z existence geostacionárních satelitů z hlediska ochrany před rušivými interferencemi.

Společnost OneWeb, jako zatím jedna ze dvou společností provozující LEO satelity, již v srpnu 2019 splnila požadavky Mezinárodní telekomunikační unie (ITU) podle článku 25 Radiokomunikačního řádu a uspěla při využívání svých globálních prioritních práv na spektrum v pásmu Ku a Ka. To zřejmě přispělo i k dojednané fúzi s celoevropským systémem na geostacionární dráze Eutelsat. Avšak podle posledních informací do tohoto spojení dvou komerčních subjektů zasahuje Evropská komise se svým nesouhlasným stanoviskem.

Podobně jako v šedesátých letech při prudkém rozvoji komunikačních satelitů (GSO) základní satelitní pásma ze své iniciativy určila americká FCC, tak i dnes při plánování orbitálních drah a frekvencí LEO satelitů hraje Federální Komunikační Komise (FCC) hlavní roli v licencování stále se zvyšujícího počtu LEO satelitů. Je logické, že společnosti s nejvyspělejšími technologiemi mohou rozjet své projekty především a nejprve v USA. Schválení vysílacích a přijímacích kmitočtů v USA probíhá formou konzultací a jednáním mezi americkými operátory pro obvyklá satelitní pásma Ku/Ka a nově E-pásmo (60-90 GHz).

Vzhledem k tomu, že se v případě NGSO satelitů a zejména velkého množství u SpaceX, jedná o celosvětovou síť, procedura ITU je nezbytná. Společnost SpaceX potvrdila FCC, že její konstelace Starlinků bude splňovat příslušné limity EPFD podle Radiokomunikačního řádu ITU a výpočetního softwaru (dle doporučení ITU-R S.1503-2) pro Ku resp. ITU-R SF.1483 pro Ka. Příslušné výpočty podle doporučené metodiky byly společností dodány až poté, když vznikly u první generace Starlinku pochybnosti o 20 sporných případech a mohlo zde být potenciálně více jak 20 rušených frekvencí v rozsazích Ku-pásma i pro DBS, tedy DTH. To bylo zřejmě také důvodem, proč se britský Ofcom nechce spoléhat pouze na rámec procedur ITU.

SpaceX v technickém dodatku k žádosti o nové kmitočtové příděly u FCC uvedl přehled kmitočtů, které chce používat ve své 2. generaci pro 30 000 satelitů kroužících ve výškách od 328 do 614 km. Návrh SpaceX byl předmětem intenzivní debaty na FCC, kde bylo předloženo více nesouhlasných podání. Mnoho dalších satelitních provozovatelů se postavilo proti požadované úpravě z důvodů od zvýšeného elektromagnetického rušení až po větší riziko kolizí satelitů a vytváření orbitálních trosek.

Pro informaci uvádíme z uvedeného podání přehled kmitočtů, o které Space X navrhuje a chce využívat v USA.

OBRÁZEK 3: Kmitočtové požadavky SpaceX u budoucí megakonstelace Starlink o 30 000 družicích (zdroj: Technical Attachment podání žádosti SpaceX na FCC)

Za pozornost stojí možnost masivního nasazení frekvencí v pásmu E, tj. v mm vlnách s kmitočty 71–76 GHz na sestupné dráze (DL) a 81–86 GHz na UL (vzestupné dráze), pro něž nemá dnes ani FCC stanovené provozní podmínky. Jak z obrázku plyne, použití se týká různých licencovaných pásem pevné satelitní služby (FSS), vysílací satelitní služby (BSS – DTH), sítě pozemského vysílání (zde jako FS), nebo mobilních služeb (MS) a dalších amerických služeb (MVDS, UMFUS). K pásmu 10,75 – 12,75, což je používáno pro DTH uvádějí, že určitě bude domluva s provozovateli velkých antén (pro kabelové rozvody), ale zapomíná se tu na tisíce majitelů přijímacích domácích antén, které ani u nás nepožívají jakoukoli ochranu, neboť není vyžadována.

Space X si nebude nárokovat ochranu před licencovanými sítěmi GSO FSS, když budou fungovat na primární bázi a zajistí kompatibilitu s licencovaným uživatelem FS a kromě toho „věří“, že jeho systém může technicky fungovat bez škodlivého rušení jiných služeb, které jsou licencovány s vyšší prioritou. Doposud příslušná podání na ITU této poslední žádosti o kmitočty SpaceX neuskutečnil, a tak je otázka, jak se k této problematice Evropa postaví, neboť se dá očekávat, že tak velký počet plánovaných satelitů budou chtít nabízet po celém světě.

Je satelitní příjem v Evropě ohrožen? Dočkáme se překvapení na WRC-23?

Jak je zmíněno výše, tlak na kmitočty i v satelitní oblasti bude narůstat. Požadavky jednotlivých členských států nebo regionálních uskupení se řeší obvykle jednou za čtyři roky na Světové Radiokomunikační Konferenci (WRC), která se sejde napřesrok. O významu této konference pro kmitočtové plánování jsme psali již vícekrát, zejména v souvislosti s požadavky mobilního broadbandu na kmitočty pro šíření terestrické televize v UHF pásmu.

2030: Přejde televize v Česku na internet? Zabojuje ČR o frekvence pro TV vysílání?

To samozřejmě není jediný bod měsíčního jednání delegátů. Program v celé šíři již loni popsal na podzimní Konferenci Radiokomunikace Karel Antoušek z ČTÚ a nevynechal ani satelitní problematiku, která také významně zasahuje do televizního vysílání a zejména distribuce programů. I když to není příliš známo, tak v satelitním pásmu C probíhá spousta televizních mezistudiových přenosů a výměn pořadů mezi kontinenty jako jsou olympijské hry nebo letošní fotbalové mistrovství světa z Kataru. I tady je tlak ze strany Evropské Komise na sdílení jeho části (3800–4200 MHz) pro IMT (International Mobile Telekomunication). Sdílení spektra s mobilními službami IMT (např. 4G/5G) vyžaduje počítat s velkými vzdálenostmi (až stovky km mezi pozemní stanicí a mobilní BTS), aby nedocházelo k rušení satelitních služeb, což je ve většině případů obtížné.

V předchozí části zmíněný Ku-Band je klíčový pro satelitní příjem Direct-To-Home (DTH), zpravodajské příspěvky a distribuci do hlavních stanic kabelových sítí pro většinu televizních společností v Evropě, jakož i pro služby Eurovize, jako jsou pohárové soutěže UEFA. Podobně jako u C-pásma nemusí být satelitní paraboly v Ku-pásmu pro individuální příjem registrované, a tak si nemohou nárokovat ochranu proti interferencím a jejich náchylnost k rušení je značná. Přestože bod programu WRC-23 neuvádí žádné konkrétní frekvenční pásmo, mohlo by jednání konference ohrozit stávající bezproblémové využívání pásma Ku. I když se zdá, že technologická řešení na americkém kontinentě prozatím u Starlinku s jejich elektronicky řízenými sfázovanými anténami a vybavenými řídícím softwarem fungují, přesto není možno se na software spoléhat a v případě jakékoli závady by mohlo dojít k rušení uplinku na distribuční satelit pro miliony diváků.  Přijmou princip technologických záruk jednoho provozovatele, jak to navrhuje v USA SpaceX? Na podzim se koná v Praze v rámci předsednictví EU celoevropská telekomunikační konference, kde by uvedené problémy mohly být prezentovány.

Náš komunikační prostor

Satelity jsou nezbytné pro lepší komunikaci, záchranu životů, organizaci společnosti, zlepšení odpovědnosti, podporu rozvoje infrastruktury a v poslední době na gigabity náročné mediální zábavy. Satelity byly a jsou ve skutečnosti jen součástí lidského příběhu. Již čtyři dny po hackerském útoku na terminály Viasatu komunikující přes Eutelsat 9°E základní funkčnost informací na Ukrajině potvrdila zcela výjimečná dodávka sestav Starlinku.

Avšak megakonstelace LEO satelitů, jako všechny technologické novinky, přinášejí nevyřešené otázky a problémy. Není to jen kmitočtová kompatibilita se stávajícími stacionárními systémy, ale i otázky zvýšeného rizika kolizí na nízkých oběžných drahách, nebo možnosti srážek s vesmírných odpadem, kdy je prostor kolem Země zaneřáděn vysloužilými raketovými stupni, starými neaktivními satelity, ztracenými nástroji a součástkami, úlomky z rozpadu jiných vesmírných struktur, erozí a s tím související spolehlivostí a dostupností poskytovaných služeb.  A tento obecný pohled na stav vypuštěných a vypouštěných objektů do našeho nejbližšího zemského prostoru bude součástí dalšího pokračování našeho seriálu. Předchozí díly si přečtěte zde:

Další podrobnosti si čtenář může najít v přednášce autora na XXX. Konferenci Radiokomunikace 2021 „Satelity na negeosynchronních drahách – NGSO“

Úvodní foto autora: Je satelitní komunikace v harmonii s přírodou?