Kommunikációs műholdak Készítették: Szilágyi Zoltán Vasvári Zoltán Kommunikációs műholdak
Az 1950-es években és az 1960-as évek elején olyan kommunikációs rendszereket próbáltak kialakítani; amelyekben a fémborítású meteorológiai léggömbök verték volna vissza a jeleket. Sajnos a vett jelek túl gyengék voltak ahhoz, hogy ezt a rendszer a gyakorlatban is használni tudta volna. Valamivel később az amerikai haditengerészet felfedezte, hogy az égen van egy állandó gömb - a Hold -, amit a léggömbök helyett használhatnak. A Holdról visszaverődő jelekre alapozva megépítettek egy ténylegesen is működőképes rendszert a hajók és a part közötti kommunikáció számára. Az égi kommunikáció fejlődésének következő lépésére az első kommunikációs műhold fellövéséig kellett várni. A kulcsfontosságú különbség egy mesterséges és egy igazi hold között, az hogy a mesterséges hold fel tudja erősíteni a jeleket, mielőtt visszaküldi azokat a földre. A kommunikációs műholdak rendelkeznek néhány olyan érdekes tulajdonsággal, amelyek több alkalmazás számára is vonzóvá teszi őket. A kommunikációs műholdat a legegyszerűbb úgy elképzelni, mint egy hatalmas mikrohullámú ismétlőt az űrben. A műholdakat jó néhány transzponderrel (transőonder) rendelkeznek, amelyek közzül mindegyik a spektrum egyrészét figyeli, felerősíti a bejövő jélet, és azután egy másik frekvencián küldi vissza, ezzel kerülve el a bejövő jellel való interferenciát. A lefelé menő nyalábok lehetnek szélesek és beteríthetik a földfelszín jelentős részét, vagy lehetnek keskenyek, így a beterített földfelszín átmérője csak néhány száz kilométer. Ezt az üzemmódot hajlított cső (bent pipe) módnak is hívják. Kepler törvényének értelmében egy műhold keringési ideje a pálya sugarának 3/2-edik hatványával arányos; vagyis minél magasabban van a műhold, annál hosszabb a keringési periódus. A Föld felszínéhez közel a periódusidő körülbelül 90 perc, igy az alacsonypályás műholdak elég gyorsan eltűnnek szem elől, és ezért sokra van belőlük szükség ahhoz, hogy állandó lefedettséget biztosíthasunk Körülbelül :35800 km-es magasságban a periódus éppen 24 óra. Körülbelül 384 000 km-es magasságban a periódus nagyjából egy hónap, amint azt a Hold bármely rendszeres megfigyelője is tanúsíthatja. A műholdak keringési ideje fontos, de nem az egyetlen tényező, ami meghatározza az elhelyezésük magasságát. Egy másik befolyásoló tényező a Van Allen-övek léte, amelyek a Föld mágneses mezejének fogságában rekedt erős töltéssel rendelkező részecskék rétegei. Egy itt keringő műholdat valószínűleg gyorsan elpusztítanának ezek a nagyenergiájú, töltéssel rendelkező részecskék, amelyeket a Föld mágneses mezeje tart fogva. Ezek a tényezők három olyan térséget különítenek el, ahová biztonságosan lehet műholdat telepíteni. Ezek a térségek és néhány tulajdonságuk látható a következő. A most következő részben röviden bemutatjuk az egyes térségekben elhelyezett műholdakat.
Kommunikációs műholdak és néhány tulajdonságuk, köztük a földfelszín feletti magasság, az oda-vissza út késleltetése és az egész világ lefedéséhez szükséges műholdak száma
Geoszinkron műholdak Arthur C. Clarke tudományos-fantasztikus író 1945-ben kiszámolta, hogy egy egyenlítő körüli körpályán 35 800 km-es magasságban keringő műhold mozdulatlannak tűnne az égen, így szükségtelenné válna a követése (Clarke, 1945). Ezután leírt egy teljes kommunikációs rendszert, amely ezeket a (személyzettel ellátott) geoszinkron (geostationary - „földhöz képest mozdulatlan") múholdakat használta. A rendszer leírását Clarke a röppályákkal, a napelemekkel, a rádiófrekvenciákkal és a kilövési eljárással tette teljessé. Sajnálatos módon arra a következtetésre jutott, hogy a műholdak nem használhatók a gyakorlatban, mivel lehetetlen nagy energiaigényű és törékeny vákuumcsöves erősítőket Föld körüli pályára állítani. Így aztán nem is foglalkozott tovább ezzel az ötlettel, de még írt róla néhány tudományos-fantasztikus történetet. A tranzisztor feltalálása teljesen megváltoztatta ezt a helyzetet. Az első kommunikációs műholdat, a Telstart, 1962 júliusában bocsátották fel. Azóta a kommunikációs műholdak piaca többmilliárd dolláros üzletté vált, és a külső világűr vonatkozásában ez az egyetlen, amely óriási profitot hozóvá vált. Ezeket a magasan repülő múholdakat gyakran GEO- (Geostationary Earth Orbit - „Földhöz képest mozdulatlan pályájú") műholdaknak is hívják. Amennyiben az interferenciának elejét szeretnénk venni, napjaink műszaki lehetőségei mellett nem bölcs dolog 2 foknál kisebb távolságot tartani az olyan geoszinkron műholdak között, amelyek az egyenlítő síkjában vannak. 2 fokos térközzel csak 360°/2° = 180 ilyen műholdat tudunk egyszerre elhelyezni az egyenlítő körül. A rendelkezésre álló sávszélesség növelése érdekében azonban minden transzponder több frekvenciát és polarizációt is használhat. A teljes égi káosz eluralkodását az ITU akadályozza meg, a keringési pályák (orbit) egyes állásainak (slot) kiosztásával. Ez a folyamat nagymértékben politikai, olyan országok is követelik a „nekik járó" műholdhelyeket (hogy bérbe adhassák ő1ket a legjobb ajánlat megtevőjének), amelyek még csak mostanában nőttek ki a kőkorszakból. Más országok ezzel szemben azt az álláspontot támogatják, hogy a nemzeti tulajdoni jogok nem terjednek ki a Holdig, és így egyetlen ország sem rendelkezhet az országa feletti műholdpaztciók tulajdoni jogával: A csatorozásokat csak tovább erősiti, hogy a kereskedelmi célú kommunikáció nem az egyetlen alkalmazás. A tv-adók, a kormanyok és a hadsereg is akarnak egy-egy szeletet a földkörüli pályák tortájából.
A modern műholdak elég nagyok is lehetnek, a súlyuk 4000 kg-ig terjed, és több kilowatt elektromos teljesítményt is felvehetnek a napelemeikről. A Nap, a Hold és a Föld tömegvonzása hajlamos elmozdítani a műholdakat a kijelölt helyükről, de ezt a hatást kis fedélzeti rakétahajtóművekkel ellensúlyozzák. Ezt a finomhangolási tevékenységet pozicionálásnak (station keeping) hívják. Amikor azonban a hajtóművek üzemanyaga körülbelül tíz év elteltével kifogy, a műhold tehetetlenül sodródni és billegni kezd, és ezért ki kell kapcsolni. Egy idő után a pálya instabillá válik, majd a műhold belép a légkörbe, és ott elég, vagy esetleg a felszínre zuhan. Nem egyedül a keringési pályákon rendelkezésre álló helyekért folyik a verseny. A frekvenciák is gyakran vita tárgyát képezik, mivel a lefelé irányuló adások és a földi mikrohullámú adások között interferencia léphet fel. Az ITU ezért elkülönített bizonyos frekvenciasávokat a műholdas felhasználók számára. A legfőbbeket a 2.16. ábrán soroltuk fel: A C sáv volt az első, amelyet a kereskedelmi műholdas rendszer számára jelöltek ki. A sáv két frekvenciatartományt tartalmaz, a lefelé haladó (a műholdról érkező) forgalom használja a az alsó sávot, a felfelé haladó (a műholdra küldött) forgalom pedig a felső sávot. Annak érdekében, hogy a forgalom mindkét irányba egyszerre mehessen, két egyirányú csatornát kell használni. A C sávok már a műholdak nélkül is túlterheltek, mivel a földi továbbítású mikrohullámú kapcsolatok is ezeket használják. A következő két sávot (L és S) egy nemzetközi egyezmény alapján jelölték ki 2000-ben, azonban ezek keskenyek és túlterheltek. A kereskedelmi telekommunikációs szolgáltatók által .használható következő, frekvenciasáv a Ku (K under; „K alatt") sáv. Ez a sáv (még) nem zsúfolt, és az ezeken a frekvenciákon működő műholdakat akár egymástól 1 fok távolságra is lehet telepíteni. Azonban egy másik probléma is felmerül: az eső. A víz kiválóan el tudja nyelni ezeket a rövid mikrohullámokat. Szerencsére a nagy viharok általában helyhez kötöttek, ezért a probléma megkerülhető azzal, hogy több egymástól nagy távolságra levő földi állomást telepítünk egyetlen helyett. Ennek a megoldásnak azonban az az ára, hogy több antennára, kábelre és elektronikára van szükség ahhoz, hogy gyorsan lehessen állomást váltani. A kereskedelmi műholdas forgalom számára még egy frekvenciasávot kijelöltek, ez a Ka (K above; „K felett"). Az ebben a sávban használható eszközök azonban egyelőre drága Ezeken a kereskedelmi sávokon kívül sok kormányzati és hadi sáv is létezik.
Legfontosabb műholdas frekvenciasávok
Egy modern műholdon körülbelül 40 transzponder van, amelyek köziül mindegyik 80 MHz-es sávszélességgel rendelkezik. Általában minden transzponder hajlított csőként üzemel, de a legújabb műholdaknak már némi beépített feldolgozási képességük is van, ami az ennél összetettebb működést is lehetővé teszi. A legelső műholdakon a transzponderek és a csatornák egymáshoz rendelése statikus volt: a rendelkezésre álló sávszélességet egyszerűen rögzített frekvenciasávokra osztották. Manapság minden transzpondernyalábot időrésekre osztanak, amelyeket felváltva használhat több feIhasználó. Ezt a két módszert (frekvenciaosztásos és időosztásos multiplexelés) részletesen is tanulmányozni fogjuk a fejezet hátralevő részében. Az első geoszinkron műholdaknak egyetlen széles nyalábjuk volt, amely a Föld felszínének körülbelül 1/3-át fedte le. Az így lefedett területet a műhold lábnyomának (footprint) hívják. A mikroelektronika árának, méretének és teljesítményfelvételének hatalmas csökkenésével ennél sokkal kifinomultabb adási stratégiák is lehetővé váltak. Minden műhold több antennával és transzponderrel rendelkezik: Minden lefelé irányuló nyalábot egy-egy kis földrajzi területre lehet irányítani, így több felfelé és lefelé irányuló adás is haladhat egymással párhuzamosan. Ezek az úgynevezett pontnyalábok (spot beam) általában ellipszis alakúak, és az átmérőjük mindössze néhány száz kilométer is lehet. Egy, az Egyesült Államokat kiszolgáló műhold általában egy széles nyalábbál rendelkezik a 48 összefüggő állam lefedésére és egy-egy pontnyalábbal Alaszka és Hawaii részére. A kommunikációs műholdak világának egyik új fejleménye a VSAT-nak (Very Small Aperture Terminal - nagyon kis nyílásszögű terminál) is nevezett, alacsony költségű mikroállomások kifejlesztése (Abramson, 2000). Ezek az apró terminálok 1 méteres, vagy még kisebb antennával rendelkeznek (a GEO-antennáknál szokásos 10 m-rel szemben), és körülbelül 1 watt teljesítménnyel képesek adni. A felfelé irányuló csatorna általában 19,2 kbls-os sebességre képes, a lefelé irányuló csatorna azonban gyakran 512 kb/s-os vagy még nagyobb sebességű. A közvetlen sugárzású műholdas tv-adások gyakran alkalmazzák ezt a megoldást az egyirányú átvitel megvalósítására. Sok VSAT-rendszerben a mikroállomások nem rendelkeznek elegendő teljesítménnyel ahhoz, hogy közvetlenül (illetve természetesen a műholdon keresztül) komrnunikálhassanak egymással. A közvetlen kapcsolat helyett egy különleges földi állomást, egy hubot használnak a VSAT-ok közötti forgalom továbbítására, amely nagy méretű és nagy nyereségű antennával rendelkezik. Ezt az elrendezést a 2.17. ábra mutatja be. Ebben a működési módban vagy a vevőnek, vagy az adónak rendelkeznie kell egy nagy antennával és egy nagyteljesítményű erősítővel. Az olcsó végfelhasználói állomásokért hosszabb késleltetésekkel kell fizetnünk. A VSAT-ok rendkívül hasznosak lehetnek a ritkán lakott területeken. Nem sokan vannak tisztában azzal a ténnyel, hogy a Föld népességének több mint a fele több mint egy órányi járóföldre lakik a legközelebbi telefontól. Több ezer kis faluba telefonkábeleket kihúzni messze túlmutat a legtöbb harmadik világbeli kormányzat költségvetésén, de az 1 méteres, napenergiával működtetett VSAT-antennák telepítése gyakran megvalósítható. A VSAT-ok olyan megoldást nyújtanak, amellyel össze lehet kötni a világ minden részét.
HUB-ot használó VSAT
A kommunikációs műholdak sok tulajdonságukban radikálisan különböznek a felszíni kétpontos kapcsolatoktól. Először is, a GEO-műholdaknál a hosszú oda-vissza út annak ellenére jelentős késleltetést jelent, hogy a jelek fénysebességgel (majdnem 300 000 km/s) terjednek. A küldőtől a végcélig az átviteli; idiő 250 és 300 ms között mozog, a felhasználó és a földi állomás távolságától, valamint á műhold horizont feletti magasságától függően. A késleltetés általában 270 ms körül van (egy hubos VSAT-rendszerben 540 ms körül). Az összehasonlítás kedvéért: a földi mikrohullámú kapcsolatok terjedési késleltetése nagyjából 3 .s/km, a koaxiális kábelek és a fényvezető szálak késleltetése körülbelül 5 mikros/km. Az utóbbi-azért lassabb, mint az előző, mert az elektromágneses jelek gyorsabban terjednek a levegőben, mint a szilárd anyagokban. A műholdak egy másik fontos tulajdonsága az, hogy természetüknél fogva adatszóró közegként viselkednek. A transzponder lábnyomán belül nem kerül többe néhány ezer állomásnak küldeni egy adást, mint egyetlen egynek. Ez a tulajdonság néhány alkalmazásban nagyon hasznos. Például elképzelhető az, hogy egy mú~old népszerű weblapokat juttat el nagy területen szétszórt nagyszámú számítógépnek. Bár az adatszórást lehet kétpontos vonalakkal is szimulálni, a műholdas adatszórás mégis sokkal olcsóbb lehet. A biztonság és a bizalmasság szemszögéból nézve viszont a műholdas rendszerek katasztrofálisak: mindenki minden adást hallhat. A titkosítás létfontosságú, amennyiben biztonságos átvitelt kell megvalósítanunk. A műholdaknak egy további tulajdonsága, hogy egy üzenet átvitelének költsége nem függ az üzenet által megtett út hosszától. Egy tengeren túli hívás ugyanannyiba kerül, mint egy hívás az utca túloldalára. A műholdak további előnye a kiváló hibaarány, valamint a szinte azonnali telepíthetőség, ami a katonai hírközlésben fontos szempont.
Közepes röppályás műholdak A GEO-műholdaknál sokkal alacsonyabban, a két Van A11en-öv között találjuk a MEO (Medium-Earth Orbit - közepes röppályás) műholdakat. A Földről nézve ezek a műholdak lassan sodródnak a földrajzi hosszúsági vonalak mentén, és mintegy 6 óránként megkerülik a Földet. Ennek megfelelően ezeket a műholdakat követni kell, amíg végighaladnak az égen. Mivel a GEO-knál alacsonyabban vannak, kisebb a lábnyomuk a felszínen, és kisebb teljesítményű adókra van szükség a távolság áthidalására. Manapság ezeket a műholdakat nem használják telekommunikációs célokra, így nem fogjuk őket részletesebben megvizsgálni. A GPS (Global Positioning System globális helymeghatározó rendszer) 24 darab, körülbelül 18 000 km magasan keringő műholdja például MEO-műhold.
Alacsony röppályás műholdak Ahogy egyre lejjebb haladunk, elérünk a LEO- (Low-Earth Orbit - alacsony röppályás) műholdakhoz. Ezekből a műholdakból a gyors mozgás miatt sok kell egy teljes rendszerhez. Másrészt, mivel a műholdak közel vannak a Föld felszínéhez, a földi állomásoknak nem kell nagyteljesítményűnek lenniük, és az oda-vissza út késleltetése is csak néhány milliszekundum. Ebben a szakaszban három példát fogunk mégvizsgálni, ezek közül kettő a beszédátvitelre összpontosít, egy pedig az internetszolgáltatásra.
Iridium Amint azt már említettük, a műholdak alkalmazásának első 30 évében csak ritkán használtak alacsony röppályás műholdakat, mivel nagyon gyorsan jönnek-mennek az égen. 1990-ben a Motorola szűz területre lépett azzal, hogy 77 alacsony röppályás műhold fellövésének engedélyezésére adott be kérvényt az FCC-hez. A tervnek Irídium lett a neve, mivel az iridium a 77-es számú elem. A tervet később felülvizsgálták, és az új tervben már csak 66 műhold szerepelt, így át kellett volna keresztelni Diszpróziumra (ez a 66-os számú elem), de ez valószínűleg sokkal inkább úgy hangozhatott, mint valamilyen betegség neve. A rendszer lényege az volt, hogy amint egy műhold eltűnik a felhasználó látóteréből, egy másik lép a helyére. Ez a javaslat nagy befektetési lázat eredményezett a többi kommunikációs vállalat körében. Hirtelen mindenki alacsony röppályás műholdláncot akart fellőni. Miután hét év alatt sikerült összeszedni a partnereket és a pénzt, a szövetség 1997ben fellőtte az Iridium műholdakat. A kommunikációs szolgáltatás 1998 novemberében indult el. Sajnos a nagy és nehéz műholdas telefonok iránti piaci kereslet elhanyagolható volt, mivel a mobiltelefon-hálózatok látványosan nagyot fejlődtek 1990 és 1997 között. Mindezek következtében az Iridium nem volt kifizetődő, és tönkretette a céget 1999 augusztusában. Ez volt a történelem egyik leglátványosabb vállalati fiaskója. A műholdakat és más vagyontárgyakat (5 milliárd dollár értékben) ezután egy befektető 2.5 millió dollárért vette meg egy árverésen. Az Iridium szolgáltatása 2001 márciusában újraindult. Az Iridium feladata az, hogy az egész világot lefedő kommunikációs szolgáltatást nyújtson olyan kézben hordozható eszközök segítségével, amelyek közvetlenül az Irídium műholdakkal kommunikálnak. Az Iridium hang- és adatszolgáltatást, valamint személyhívó, fax és navigációs szolgáltatást nyújt, bárhol: földön, vízen vagy levegőben. A vásárlók között megtaláljuk a hajózással, repüléssel és olajkitermeléssel foglalkozó cégeket, valamint az olyan embereket, akik telekommunikációs infrastruktúrával nem rendelkező helyekre utaznak (pl. sivatagok, hegyek, dzsungelek és néhány harmadik világbeli ország). Az Iridium műholdakat 750 km-es magasságban helyezték el, kör alakú sarki röppályákon. Észak-déli láncokba rendeződnek, amelyekben 32 szélességi fokonként követik egymást a műholdak. Hat ilyen műholdlánc fedi le az egész Földet, ahogyan azt a 2.18.(a) ábra is mutatja. Azok, akik nem tudnak sokat a kémiáról, úgyis tekinthetnek erre az elrendezésre, mint egy nagyon-nagyon nagy diszprózium-atomra, amelynek a Föld a magja és a műholdak az elektronjai. Az egyes műholdakon legfelébb 4$ cella (pontnyaláb) lehet, és a felszínt összesen 1628 cella fedi le, amint a 2.18.(b) ábrán is látszik. Minden műholdnak 3840 csatornája van, ami összesen 253 440 csatornát jelent. Ezek közül néhányat a személyhivő és a navigációs szolgáltatás használ, a többi pedig az adat- és beszédátvitelt szolgálj a. Az Iridium egyik érdekes tulajdonsága az, hogy a távoli felhasználók kommunikációja az űrben történik; vagyis egyik műholdról a másikra halad, a 2.19.(a) ábrán is látható módon. Itt az látható, hogy a küldő az Északi-sarkon kapcsolódik egy, éppen a feje fölött álló műholdhoz. A hívás a többi műholdon keresztül átjátszódik a Déli-sark feletti műholdhoz, amelyik leküldi a hívott félhez.
(a) Az Iridium műholdjai hat láncot alkotnak a Föld körül (b) 1628 mozgó cella borítja a Földet
Globalstar Az Iridium-rendszer alternatív megoldása a Globalstar. Ez a rendszer 48 LEO-műholdra épít, de az Iridiumétól eltérő kapcsolási módszert alkalmaz. Az Iridium a hívásokat egyik műholdról a másikra továbbítja, amely kifinomult kapcsoló berendezéseket igényel a, műholdak fedélzetén. A Globalstar ezzel szemben a hagyományos hajlítottcső-kialakítást használja. A (b) ábrán az Északi-sarkról indított hívást visszaküldik a földre, ahol egy nagy földi állomás veszi azt. A hívást ezután földi hálózaton keresztül irányítják a hívott félhez legközelebbi földi állomáshoz, és onnan egy műholdra, amelyik egy hajlítottcső-kapcsolaton keresztül továbbítja a hívott félhez, amint azt az ábra is mutatj a. Ez a megoldás azért előnyös, mert a bonyolultabb dolgok nagy részét a földön tartja, ahol könnyebb azzal boldogulni. A nagy földi antennák használata azt is lehetővé teszi, hogy nagyteljesítményű jeleket küldhessünk a műholdnak, és gyenge jeleket is venni tudjunk, így a telefonok teljesítményfelvételét is csökkenteni lehet. végül is a telefon csak néhány milliwattnyi teljesítményt ad le, így a földi állomásra visszatérő jel még azzal együtt is elég gyenge, hogy a műhold is felerősíti útközben.
(a) Tobábbítás az űrben (b) Felszíni továbbítás
Teledesic Az Iridium a furcsa helyeken tartózkodó telefonhasználókat célozta meg. Következő példánk, a Teledesic, a világ minden táján megtalálható, sávszélességre kiéhezett internethasználókat célozza meg. Az ötlet 1990-ben született meg a mobiltelefonok úttörője, Craig McCaw és a Microsoftot alapító Bill Gates fejében. Mindketten elégedetlenek voltak a telefontársaságoknak azzal a csigalassúságú tempójával, amelyet a számítógép-felhasználók számára kidolgozott, szélessávú átviteli szolgáltatások elterjesztése területén tanúsítottak. A Teledesic rendszer célja az, hogy egyszerre több millió internethasználónak biztosítson 100Mb/s feltöltési csatornát és 720Mb/s-os letöltési csatornát. A rendszer egy rögzített, VSAT-szerű antenna segítségével teljesen megkerüli a telefonháldzatot. A telefontársaságok tortája ezzel hirtelen az égbe emelkedett, s eltűnt. Az eredetileg tervezett rendszerben 288 kis lábnyomú műhold szerepelt, amelyeket 12 síkban helyeztek volna el 1350 km-es magasságban, egy kicsivel az alsó Van A11en-öv alatt. Ezt később 30, nagyobb lábnyommal rendelkező műholdra változtatták. Az átvitel a viszonylag kevéssé zsúfolt és nagy sávszélességű Ka sávban történik. A rendszer csomagkapcsolt, és a kapcsolás az űrben valósul meg: minden műhold a szomszédjai felé tudj a továbbirányítani a csomagokat. A felhasználók a csomagjaik elküldéséhez szükséges sávszélességet dinamikusan igénylik és kapják meg, körülbe1ül 50 ms alatt. A rendszer éles üzembe állítása 2005-ben lesz, amennyiben minden a tervek szerint halad.