ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΑΝΥΣΙΟΥ ΘΩΜΑ του ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΑΜ:4994 Θέμα «ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ- ΕΦΑΡΜΟΓΗ: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ» Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, 1 Μαρτίου

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ- ΕΦΑΡΜΟΓΗ: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΝΥΣΙΟΥ ΘΩΜΑ του ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΑΜ:4994 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../.../... Ο Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Φακωτάκης 2

3 Θα ήθελα να εκφράσω τις πιο θερμές μου ευχαριστίες στον επιβλέποντα Διδάκτορα καθηγητή κύριο Σ.Κωτσόπουλο για τις πολύτιμες υποδείξεις του και την άριστη συνεργασία μας και γιατί με βοήθησε να καταννοήσω μέσω της εργασίας μου αυτής το νόημα των Δορυφορικών Επικοινωνιών και τον ρόλο που διαδραματίζουν στη σύγχρονη εποχή που ζούμε. Την εργασία μου αυτή την αφιερώνω στην μητέρα μου Ελένη, 3

4 Copyright Πάτρα Θ. Ανύσιος, 2010 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All Rights Reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό θα πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. 4

5 Περίληψη Η Διπλωματική Εργασία μελετά τις έννοιες των Δορυφορικών συστημάτων καθώς και τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελούνται. Δίνει γενικές πληροφορίες για τη χρήση τους, τον τρόπο λειτουργίας τους και τις σύγχρονες εφαρμογές τους.ξεκινώντας απο τον σταθμό του δορυφόρου και αναλύοντας στην συνέχεια τους επίγειους σταθμους εκπομπής και λήψης του σήματος γίνεται αναλυτική περιγραφή της διαδρομής του σήματος.στα τελευταία κεφάλαια γίνεται περιγραφή και χρησης της μαθηματικής-φυσικής εξίσωση του Budget Link για συλλογή πληροφοριών και εξαγωγή βασικών συμπερασμάτων για τον τροπο που επιδρούν οι διάφοροι παράγοντες της εξίσωσης στο μεταδιδόμενο σήμα μέσω της προσομοίωσης του δορυφορικού καναλιού σε περιβάλλον πολυμέσων. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1:ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚ ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ-ΤΡΟΧΙΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΤΡΟΧΙΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΡΑΔΙΟΦΑΣΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ...37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΛΗΨΗΣ ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΖΕΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΟ Πολλαπλή πρόσβαση με τη μέθοδο επιμερισμού συχνότητας (FDΜΑ) Πολλαπλή πρόσβαση με τη μέθοδο επιμερισμού χρόνου(tdma) Πολλαπλή πρόσβαση με τη μέθοδο επιμερισμού κώδικα(cdma) Επιπλέον Πρωτόκολλα για δορυφορικές επικοινωνίες στο DLL(Data Link Layer)

7 2.3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ-ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΤΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ VSAT «ΤΕΧΝΗΤΟΣ» ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ...69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: TEXNIKH ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΛΗΨΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΡΑΔΙΟΖΕΥΞΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΣΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΔΕΚΤΗ ΤΟΥ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΟΜΠΟ ΤΟΥ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΕΚΤΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΠΟΜΠΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 :ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΩΝ ΣΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ EIRP - ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΟΥΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ

8 4.3 FSL ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ OTHER LOSSES ΤERMINAL G/T ΣΤΑΘΕΡΑ k ΓΡΑΦΙΚΗ ΑΠΟΤΥΠΩΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟY ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5:ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ FSL SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ (FSL+RA) SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ EIRP SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ Pin SIGNAL ΣΥΝΑΡΗΣΕΙ ΤΟΥ Tsys SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ TERMINAL G/T SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ ( r) SIGNAL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΟΥ (f) 150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΕΠΙΛΟΓΟΣ-ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κύριως στόχος της εργασίας είναι η παρουσίαση, μελέτη και επεξήγηση του τρόπου λειτουργίας των δουφορικών συστημάτων μέσω θεωρητικής περιγραφής της φυσικής και συνάμα σύγχρονης λειτουργίας αυτών μέσα στο φυσικό περιβάλλον καθώς και η πειραματική ανάλυση αυτών με τη χρήση «περιβάλλοντος» MATLAB για την αναλυτική επεξήγηση βασικών φυσικών παραγόντων και τον τρόπο με τον οποίο αυτοί επιδρούν πολυπλεύρως ή μονόπλευρα στη διάδοση της «πληροφορίας». Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο εισάγουμε στοιχεία των δορυφορικών επικοινωνιών όπως την έννοια και τα είδη των δορυφόρων, τη δομή ενός δορυφορικού συστήματος τις τροχιές που ακολουθούν και το ραδιοφάσμα που χρησιμοποιούν. Και στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου μελετάμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των δορυφορικών συστημάτων. Έπειτα έχοντας προηγηθεί η επεξήγηση μίας βασικής δορυφορικής ζεύξης στο δεύτερο κεφάλαιο δίνουμε έμφαση στις τεχνικές παραμέτρους ενός επίγειου δορυφορικού σταθμού κάνοντας ποιοτική ανάλυση όλων των βασικων εννοιών που εισάγουμε.γίνεται πλήρης περίγραφη όλων των παραγόντων (φυσικών και μαθηματικών) που εισάγουμε στο «σύστημα» μας. Το τρίτο κεφάλαιο με τη σειρά του αφιερώνεται αποκλειστικά σε ολες τις βασικές παραμέτρους που αποτελούν το υπέργειο σύστημα εκπομπής-λήψης του «κυκλώματος» του δορυφόρου (μέρη δορυφόρου, κεραίες κτλ.) και γίνεται ακριβής ανάλυση και περιγραφή αυτών και των ιδιοτήτων τους όπως κάναμε και στο δεύτερο κεφάλαιο μας. Στο τέταρτο κεφάλαιο κάνουμε πρακτικά και θεωρητικά τον ισολογισμό ισχύων ενός δορυφορικού καναλιού δουλεύοντας με τη βασική μαθηματική εξίσωση του Budget Link.Με τη χρήση της οποίας ακολούθωντας ενα μαθηματικό πρότυπο δίνουμε πληροφορίες για τον 9

10 κάθε παράγοντα αυτού ξεχωριστά και γίνεται μελέτη της επίδρασης αυτών στο μεταδιδόμενο σήμα της πληροφορίας μας τον βασικό παράγοντα δηλαδή επεξεργασίας της διπλωματικής μας. Στη συνέχεια στο πεμπτο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του δορυφορικού καναλιού και παρατίθενται οι ανάλογες γραφικές παραστάσεις για εξαγωγή βασικών εννοιών και συμπερασμάτων που περιγράφουμε εκτενέστερα στο τελευταίο κεφάλαιο του εγγράφου μας. Ο κωδικας που χρησιμοποιήσαμε για την εξαγωγή των γραφημάτων μας παρουσιάζεται λιγο πριν το τέλος σε ανάλογο παράρτημα. 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Τις τελευταίες δεκαετίες ο τομέας των τηλεπικοινωνιών βρίσκεται σε φάση εκρηκτικής ανάπτυξης. Ένας από τους σημαντικότερους κλάδους των τηλεπικοινωνιών, οι δορυφορικές επικοινωνίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε αυτήν την άνθηση. Οι αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών παγκοσμίως και ο αυξημένος ανταγωνισμός συνέβαλλαν σε αυτήν την πρόοδο. Ταυτόχρονα, η τεχνολογική έρευνα στον τομέα των τηλεπικοινωνιών, αλλά και σε συναφείς τομείς, οδήγησε στην εισαγωγή καινοτόμων και πρωτοποριακών υπηρεσιών, οι οποίες απέκτησαν σημαντικό κομμάτι της αγοράς καλύπτοντας ανάγκες της καθημερινής ζωής. Η επιστήμη των τηλεπικοινωνιών έχει να αντιμετωπίσει την πρόκληση της αύξησης της ταχύτητας των παρεχόμενων υπηρεσιών με την ανάπτυξη δικτύων που θα εκμεταλλεύονται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο, τις καινοτομίες που αναπτύσσονται συνεχώς. Η κάλυψη μεγάλων περιοχών από τους δορυφόρους τους καθιστά βασικό στοιχείο των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Ακόμη παρακάμπτουν περιπτώσεις που δεν είναι δυνατή η οπτική επαφή μεταξύ δύο σημείων, δημιουργώντας κανάλια μεγάλης χωρητικότητας με δυνατότητα πολλαπλής εκπομπής και προσπέλασης ενώ παρουσιάζονται ως οι οικονομικότερες λύσεις σε ορισμένες περιπτώσεις. Η προκύπτουσα, λοιπόν διασύνδεση μεταξύ των διαφόρων τηλεπικοινωνιακών δικτύων προσφέρει τη δυνατότητα παροχής μιας σειράς από εφαρμογές, όπως οι κινητές τηλεπικοινωνίες, η εκπομπή τηλεόρασης και ραδιοφώνου, η δημιουργία συνδέσεων από άκρο σε άκρο για τους τελικούς χρήστες. Ως τμήματων σύγχρονων τηλεπικοινωνιών, οι δορυφορικές επικοινωνίες έρχονται και αυτές αντιμέτωπες με την πρόκληση της νέας τάσης στο χώρο αυτό, την ενοποίηση δηλαδή όλων των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών σε ένα κοινό δίκτυο και τις αυξημένες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης που αυτή συνεπάγεται. Η ραγδαία ανάπτυξη και διάδοση της χρήσης του Διαδικτύου (Internet) είχε ως 11

12 αποτέλεσμα την εμφάνιση ακόμα πολυπλοκότερων και πιο απαιτητικών εφαρμογών, γνωστών και ως εφαρμογών πολυμέσων (multimedia), δηλαδή υπηρεσιών που χειρίζονται πολλούς και διαφορετικούς τύπους μέσων και τους παρουσιάζουν στο χρήστη συγχρονισμένους. Τα δορυφορικά συστήματα έχουν υποστεί σημαντικές βελτιώσεις εξαιτίας της συνεχώς αναπτυσσόμενης τεχνολογίας. Ένας δορυφόρος διαδραματίζει επιπλέον ρόλους πέραν του επαναλήπτη και μπορεί να αποτελέσει μέρος ενός δικτύου υψηλής χωρητικότητας το οποίο θα έχει δυνατότητα πολλαπλής εκπομπής και προσπέλασης. Η ανάπτυξη της δορυφορικής τεχνολογίας συνεχίζεται με βασικό άξονα την παροχή ποικίλωνυπηρεσιών, πολλές από τις οποίες θα αναλυθούν στη συνέχεια. Ταυτόχρονα, τα δορυφορικά συστήματα χρησιμοποιούνται συχνά για να συμπληρώσουν και να ενισχύσουν την κάλυψη που παρέχουν τα υπόλοιπα επίγεια δίκτυα, κυρίως σε απομονωμένες περιοχές. Είναι λοιπόν σχεδόν σίγουρο ότι και στο προσεχές μέλλον οι δορυφόροι θα συνεχίσουν να κατέχουν εξέχοντα ρόλο στις τηλεπικοινωνίες. 1.2 ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Οι σύγχρονες δορυφορικές επικοινωνίες έχουν την αφετηρία τους στην ιδέα του ΒρετανούΑ.J.Clarke, ο οποίος το φθινόπωρο του 1945 δημοσίευσε ένα μικρό άρθρο με τον τίτλο Wireless World, στο οποίο πρότεινε την εγκατάσταση γεωστατικών δορυφόρων γύρω από τη Γη. Οι δορυφόροι αυτοί θα είχαν τη δυνατότητα να μεταδίδουν μικροκυματικά σήματα σε μεγάλες αποστάσεις επιτυγχάνοντας τηλεπικοινωνιακή σύνδεση μεταξύ απομακρυσμένων σημείων.χρειάστηκε να περάσουν αρκετά χρόνια για να υλοποιηθούν οι προφητικές ιδέες του Clarke.Το 1957 τέθηκε σε τροχιά ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος (Sputnik Ι). Το Νοέμβριο του ίδιου έτους η ΕΣΣΔ αποστέλλει και δεύτερο δορυφόρο, τον Sputnik II, που μεταφέρει το πρώτο ζωντανό πλάσμα στο διάστημα. Τον Φεβρουάριο του 1958 Οι ΗΠΑ μπαίνουν στην κούρσα εξερεύνησης και κατάκτησης του διαστήματος με το δορυφόρο Explorer I. Τα 12

13 δεδομένα τηλεμετρίας πού συνέλεξε και απέστειλε στη γη οδήγησαν στην ανακάλυψη των ζωνών Van Allen. Τον Δεκέμβριο του ίδιου έτους εκτοξεύεται ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος, ο S.C.O.R.E.Τον Απρίλιο του 1961 πραγματοποιείται η πρώτη πτήση ανθρώπου στο διάστημα. Ο σοβιετικός Yuri Gagarin κάνει μια πλήρη περιστροφή γύρω από τη Γη σε 108 λεπτά στο διαστημόπλοιο Vostok 1.Το 1962 γίνεται η αποστολή του πρώτου ενεργού δορυφόρου αναμετάδοσης TELSTAR 1 της AT&T (δορυφόρος σε τροχιά μέσου ύψους 7.200Km). Λάμβανε στα 6GHz, μετέτρεπε σε χαμηλότερη συχνότητα, ενίσχυε, μετέτρεπε σε συχνότητα 4GHz και εξέπεμπε. Ο δορυφόρος αυτός επιτρέπει στα αμερικανικά και στα ευρωπαϊκά δίκτυα τηλεόρασης να ανταλλάσσουν τα προγράμματά τους.το 1963 εκτοξεύτηκε ο πρώτος δορυφόρος σε σχεδόν γεωστατική τροχιά (SYNCOM II) και το 1964 πραγματοποιείται η εκτόξευση του πρώτου γεωστατικού δορυφόρου (SYNCOM III).Το 1965 αποτελεί ένα πολύ σημαντικό σταθμό στην ιστορία των δορυφορικών επικοινωνιών καθώς τότε τίθεται σε τροχιά ο πρώτος γεωστατικός εμπορικός δορυφόρος, Ιntelsat I (Early Bird), εγκαινιάζοντας τη μεγάλη ακολουθία των δορυφόρων Intelsat. Tην ίδια χρονιά ο πρώτος ρωσικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος της σειράς MOLNΙYA στέλνεται στο διάστημα. Ακολουθεί ο Intelsat II με δυνατότητα ταυτόχρονης εξυπηρέτησης 240 τηλεφωνικών συνδιαλέξεων ή ενός τηλεοπτικού καναλιού. Οι παραπάνω οικογένειες των δορυφόρων εξακολουθούν να παρέχουν τις υπηρεσίες τους μέχρι και σήμερα.το έτος 1967 εκτοξεύεται ο πρώτος γεωστατικός μετεωρολογικός δορυφόρος, ο ΑΤS 3.Είναι ο πρώτος δορυφόρος που στέλνει έγχρωμες φωτογραφίες της γης από τοδιάστημα.το 1977 ιδρύεται ο EUTELSAT και το 1983 γίνεται η εκτόξευση του πρώτου Ευρωπαϊκού Δορυφόρου ECS (EUTELSAT 1).Το 2001 η Ελλάδα γίνεται μέλος της ESA και το 2002 ο πρώτος Ελληνικός Δορυφόρος σε τροχιά (ενοικίαση δορυφόρου Kopernikous). Τέλος το 2003 ο πρώτος Ελληνικός Δορυφόρος (HELLAS-SAT) τίθεται σε τροχιά. 13

14 1.3 ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΤΡΟΧΙΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ 1)Μετεωρολογικός δορυφόρος Αμερικανικός μετεωρολογικός δορυφόρος GOES-8 Μετεωρολογικοί δορυφόροι ή δορυφόροι καιρού ονομάζονται ειδικές διαστημικές μηχανές, σύγχρονα επιτεύγματα της διαστημικής, που εκτοξεύονται με διαστημικά οχήματα και θέτονται στη συνέχεια σε τροχιά γύρω από τη Γη, για την παρακολούθηση και πρόβλεψη των γήινων καιρικών φαινομένων. Γενικά Στη σύγχρονη εποχή των διαστημικών ερευνών πράγματι λέξεις όπως "πύραυλος", "διαστημόπλοιο", "τεχνητός δορυφόρος" θεωρούνται πλέον συνήθεις και κοινότυπες αφού αποτελούν πλέον μέρος της καθημερινής ζωής. Η επιστήμη όμως που θεωρείται πως έχει ευεργετηθεί περισσότερο από κάθε άλλη από αυτή την δραστηριότητα είναι αναμφίβολα η ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ.Οι πληροφορίες που στέλνουν οι μετεωρολογικοί δορυφόροι ειδικά από το διάστημα είναι περισσότερο ικανές να προβλέψουν την εξέλιξη των καιρικών φαινομένων σε ένα τόπο για τις 14

15 επόμενες 4, 5 ή και 10 ημέρες αυξάνοντας έτσι το εύρος της πρόγνωσης. Τέτοιου είδους δυνατότητες θεωρούνται ιδιαίτερα σημαντικές στην ανθρώπινη διαβίωση. Δεν θα πρέπει να λησμονείται ότι κύματα ψύχους, ή πλημμυρών, τυφώνες και άλλα φαινόμενα που κυριολεκτικά παραλύουν συχνά ολόκληρες ηπείρους θα μπορούν να είναι λιγότερο καταστροφικά αν υπάρχει έγκαιρη πρόβλεψη. Έτσι η περαιτέρω ανάπτυξη των μετεωρολογικών παρατηρήσεων, μέσω των δορυφόρων αυτών, καθιστούν συνέχεια περισσότερο μακροπρόθεσμη την πρόγνωση του καιρού. Η Αρχή Πρώτος τεχνητός δορυφόρος που εκτοξεύθηκε ειδικά για ανάγκες μετεωρολογίας ήταν το 1960 που έφερε το όνομα TIROS-1 o οποίος και έστειλε στη Γη περίπου φωτογραφίες. Από τότε εκατομμύρια άλλες φωτογραφίες έχουν σταλεί στη Γη από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους που εκτοξεύθηκαν στη συνέχεια και τοποθετήθηκαν σε τροχιές γύρω από τη Γη. Οι δορυφόροι αυτοί θέτονται σε τροχιές περιστροφής με την ίδια ταχύτητα περιστροφής της Γης ουτως ώστε να βρίσκονται συνέχεια πάνω από το ίδιο σημείο του γήινου ισημερινού. Οι δορυφόροι αυτοί είναι διαφόρων εθνικοτήτων που σχηματίζουν μεταξύ τους ένα δίκτυο μετεωρολογικής παρατήρησης και πληροφόρησης για τη σφαιρική κατανομή των καιρικών φαινομένων του πλανήτη Γη. Το σύστημα αυτό βρίσκεται σε συνεχή λειτουργία όλο το 24ωρο, σε διάφορα μήκη κύματος, παρέχοντας έτσι πληροφορίες μέρα και νύκτα.νεότερες σειρές μετεωρολογικών δορυφόρων περισσότερο εξελιγμένοι άνοιξαν πραγματικά νέους ορίζοντες στους μετεωρολόγους. Όπως σημειώνει χαρακτηριστικά σε διαλέξεις του ο διακεκριμένος επιστήμονας και διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου, ΔΙΟΝΥΣΙΟΣ ΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ "οι σύγχρονοι μετεωρολογικοί δορυφόροι ξεπερνούν κάθε προηγούμενο αφού οι δυνατότητές τους σε σχέση μ εκείνον του 1960 είναι όσο το ακόντιο με το πολυβολο. Σύγχρονο δίκτυο Σήμερα ένας ολόκληρος στόλος από σύγρονους μετωρολογικούς δορυφόρους λειτουργεί κάτω από την επίβλεψη της ΕΥΡΏΠΗΣ των ΗΠΑ, της ΡΩΣΙΑΣ της, ΚΙΝΑΣ, της ΙΑΠΩΝΙΑΣ αλλά και της ΙΝΔΙΑΣ. Συγκεκριμένα με ευθύνη Χωρών: 1. Ευρώπης, κινούνται ήδη τρεις παλαιότεροι δορυφόροι οι Μετεοστάτ 5, 6 και 7, ένας νεότερος ο MSG-1 και ο ακόμα ποιο εξελιγμένος, ο "Μέτοπ 1" (Metop-1) που παρέχουν πολύ ανώτερης ποιότητας παρατηρήσεις. Σύνολο5. 15

16 2. ΗΠΑ, λειτουργού σήμερα οι GOES-8, 10, 11 και 12, και οι NOAA-12, 15 και 16. Σύνολο Ρωσίας, λειτουργούν οι περιορισμένοι δυνατοτήτων (λόγω τροχιάς) Meteor-2 και 3, ο νεότερος Meteor-3M-N1 και ο τελευταίος, πλέον σύγχρονος, GOMS-N2. Σύνολο Κίνας, υπεύθυνη για την παρακολούθηση των FY-2A, FY-2B, FY-1C, του νεότερου FY-1D και του σύγχρονου FY3A. Σύνολο Ινδίας, λειτουργούν οι InSat-1D, InSat-2B ο νεότερος InSat-3A και οι τελευταίοι νεας γενιάς MetSat-1R και InSat-3D. Σύνολο 5, και τέλος η 6. Ιαπωνία, που έχει την ευθύνη του GMS-5 και των δύο τελευταίας γενιάς δορυφόρων MTSAT-1R και MTSAT-2. Σύνολο 3. Εξοπλισμός δορυφόρων Οι τελευταίας γενιάς μετεωρολογικοί δορυφόροι είναι εφοδιασμένοι με πλείστα ηλεκτρονικά όργανα όχι μόνο αυτόματης ανάλυσης και καταγραφής φωτογραφιών αλλά και λήψης συγκέντρωσης και ανάλυσης εκπομπών γήινων αυτόματων μετεωρολογικών σταθμών που βρίσκονται σε απρόσιτες περιοχές (π.χ. ερήμους, θάλασσες, πολικές ζώνες, απρόσιτες κορφές οροσειρών κ.λπ) που περιέχουν αναγκαία φυσικά τοπικά μεγέθη όπως η θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση, υγρασία ατμόσφαιρας, ταχύτητα και φορά ανέμων κ.λπ. Έτσι επιτυγχάνεται συλλογή πλούσιου υλικού που μετά από ηλεκτρονική επεξεργασία, σε πολλές των περιπτώσεων οι δορυφόροι αυτοί να παραδίδουν (συντάσσουν) ακόμη και τον μετεωρολογικού χάρτη πρόβλεψης καιρού συγκεκριμένου τόπου και χρόνου. Οι ευρωπαϊκοί μετεωρολογικοί δορυφόροι ως γνωστόν τοποθετούνται σε τροχιά με την προωθητική ισχύ (εκτόξευση) του γνωστού διαστημικού πυραύλου (πυραυλικού τύπου) ARIAN Με τις δορυφορικές παρατηρήσεις των παραπάνω μετεωρολογικών δορυφόρων διαμορφώνονται οι σύγχρονοι καθημερινοί μετεωρολογικοί χάρτες ταχύτερα και σε συντομότερα αναδιαστήματα. 16

17 2)Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος Ο αμερικανικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος MILSTAR Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος ονομάζεται ο μη επανδρωμένος τεχνητός δορυφόρος (unmanned artificial satellite), μέσω του οποίου παρέχονται υπηρεσίες μεγάλων αποστάσεων, όπως τηλεοπτικής και ραδιοφωνικής μετάδοσης, τηλεφωνικών επικοινωνιών και συνδέσεων ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι δορυφόροι έχουν τη μοναδική δυνατότητα να παρέχουν κάλυψη μεγάλων γεωγραφικών περιοχών και να διασυνδέουν μακρινούς και δυσπρόσιτους τηλεπικοινωνιακούς κόμβους και γι' αυτό τα δορυφορικά δίκτυα αποτελούν σήμερα αναπόσπαστο τμήμα των περισσότερων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Τις τελευταίες δεκαετίες η τεχνολογία των δορυφορικών συστημάτων συνεχώς προοδεύει και η χρήση γεωσύγχρονων δορυφόρων για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων αναπτύσσεται ταχύτατα. Σήμερα, η εξοικείωση των ηλεκτρονικών μηχανικών με τη δορυφορική τεχνολογία, τις δορυφορικές επικοινωνίες και τις δορυφορικές ζεύξεις καθίσταται αναγκαία, καθώς οι δορυφορικές τηλεπικοινωνίες αναμένεται να παίζουν συνεχώς μεγαλύτερο ρόλο στα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Οι δορυφόροι έχουν προωθήσει σημαντικά την επικοινωνία με την δημιουργία παγκόσμιων τηλεφωνικών συνδέσεων, ενώ χάρη σε αυτούς γίνονται εφικτές ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές μεταδόσεις σε πραγματικό χρόνο. Ένας δορυφόρος λαμβάνει σήμα μικροκυμάτων από έναν επίγειο σταθμό (uplink), κατόπιν ενισχύει και αναμεταδίδει το σήμα σε έναν σταθμό λήψης στη γη σε διαφορετική συχνότητα (η κατιούσα σύνδεση). Ένας δορυφόρος επικοινωνίας τοποθετείται σε γεωσύγχρονη τροχιά, πράγμα που σημαίνει σημαίνει ότι τίθεται σε τροχιά με την ίδια ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται η Γη. Ο δορυφόρος μένει στην ίδια θέση σχετικά με την επιφάνεια της Γης, έτσι ώστε ο σταθμός αναμετάδοσης δεν θα χάσει ποτέ την επαφή με τον δέκτη. 17

18 Η ιστορία των τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων Μερικοί από τους πρώτους δορυφόρους επικοινωνιών σχεδιάστηκαν για να λειτουργήσουν με παθητικό τρόπο. Αντί να μεταδώσουν ενεργά τα ραδιοσήματα, χρησίμευσαν μόνο για να απεικονίσουν τα σήματα που εκπέμφθηκαν σε αυτούς με τη μετάδοση των σταθμών στο έδαφος. Τα σήματα απεικονίστηκαν σε όλες τις κατευθύνσεις, έτσι θα μπορούσαν να ληφθούν από τους σταθμούς λήψης σε όλο τον κόσμο. Ο «Echo 1», που εκτοξεύθηκε από τις ΗΠΑ το 1960, κατασκευάστηκε από επαργυρωμένο πλαστικό μπαλόνι διαμέτρου 30 μ. Το 1964 ακολούθησε ο «Echo 2» με 41 μ. διάμετρο. Η ικανότητα τέτοιων συστημάτων περιορίστηκε σοβαρά από την ανάγκη για τις ισχυρές συσκευές αποστολής σημάτων και τις απαιτούμενες μεγάλες επίγειες κεραίες. Δορυφόροι Echo 1 και 2 Οι Echo 1 και 2 ήταν πρώιμοι δορυφόροι επικοινωνιών που εκτοξεύτηκαν από τις Ηνωμένες Πολιτείες στις αρχές της δεκαετίας του '60. Τα μεγάλα αυτά μπαλόνια μετέδιδαν τα ραδιοσήματα πίσω στη γη. Οι δορυφόροι Echo προετοίμασαν το έδαφος για τους πιο πρόσφατους και πιο περίπλοκους δορυφόρους επικοινωνιών. Ο δορυφόρος Telstar Δορυφόρος Telstar Ο Telstar ήταν ένας από τους πρώτους ενεργούς δορυφόρους επικοινωνιών. Εκτοξεύτηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες το Μετέδωσε τις πρώτες ζωντανές τηλεοπτικές εικόνες μεταξύ των Ηνωμένων Πολιτειών και της Ευρώπης, και θα μπορούσε επίσης να μεταδώσει τηλεφωνικές κλήσεις. 18

19 Ο δορυφόρος Syncom 4 Δορυφόρος Syncom 4 Ο δορυφόρος επικοινωνιών Syncom 4 εκτοξεύτηκε από διαστημικό λεωφορείο. Οι σύγχρονοι δορυφόροι επικοινωνιών λαμβάνουν, ενισχύουν και αναμεταδίδουν τις πληροφορίες πίσω στη Γη, που παρέχει την τηλεόραση, το φαξ, το τηλέφωνο, το ραδιόφωνο, και τις συνδέσεις ψηφιακών στοιχείων σε όλο τον κόσμο. Ο Syncom 4 ακολουθεί μια γεωσύγχρονη τροχιά που έχει την ίδια ταχύτητα με της γήινης περιστροφής, ώστε να παραμένει ο δορυφόρο σε μια σταθερή θέση σε σχέση με τη Γη. Αυτός ο τύπος τροχιάς επιτρέπει τις συνεχείς συνδέσεις επικοινωνίας μεταξύ των επίγειων σταθμών. Εμπορικοί τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι Οι εμπορικοί δορυφόροι παρέχουν ένα ευρύ φάσμα των υπηρεσιών επικοινωνιών. Τα τηλεοπτικά προγράμματα αναμεταδίδονται διεθνώς, προκαλώντας το φαινόμενο γνωστό ως «παγκόσμιο χωριό». Οι δορυφόροι αναμεταδίδουν, επίσης, προγράμματα στα συστήματα καλωδιακών τηλεοράσεων καθώς επίσης και στα σπίτια που εξοπλίζονται με δορυφορικές κεραίες (πιάτα). Επιπλέον, τα πολύ μικρά τερματικά (VSATs) αναμεταδίδουν τα ψηφιακά στοιχεία για ένα πλήθος επιχειρησιακών υπηρεσιών. Οι δορυφόροι INTELSAT διαθέτουν τηλεφωνικά κυκλώματα, με την αυξανόμενη χρήση της ψηφιακής μετάδοσης. Οι ψηφιακές μέθοδοι κωδικοποίησης πηγής έχουν οδηγήσει σε δεκαπλάσια μείωση του ποσοστού μετάδοσης που απαιτείται για να μεταφερθεί ένα κανάλι φωνής, ενισχύοντας, κατά συνέπεια, την ικανότητα των υπαρχουσών εγκαταστάσεων και μειώνοντας το μέγεθος των επίγειων σταθμών που παρέχουν την τηλεφωνική υπηρεσία. 19

20 Ο διεθνής κινητός δορυφορικός οργανισμός (INMARSAT), που ιδρύεται το 1979 ως διεθνής θαλάσσιος δορυφορικός οργανισμός, είναι ένα κινητό δίκτυο τηλεπικοινωνιών, που παρέχει τις συνδέσεις ψηφιακών στοιχείων, το τηλέφωνο, και τη μετάδοση αντιγράφων, ή με φαξ, την υπηρεσία μεταξύ των σκαφών, τις παράκτιες εγκαταστάσεις, και τους με βάση την παράκτια περιοχή σταθμούς σε όλο τον κόσμο. Επίσης τώρα επεκτείνει τις δορυφορικές συνδέσεις για τη φωνή και τη μετάδοση φαξ στα αεροσκάφη στις διεθνείς διαδρομές. Πρόσφατες τεχνικές πρόοδοι Τα συστήματα δορυφόρων επικοινωνιών έχουν εισαγάγει μια περίοδο μετάβασης από τις από σημείο σε σημείο μεγάλης χωρητικότητας επικοινωνίες κορμών μεταξύ των μεγάλων, δαπανηρών επίγειων τερματικών στις πολυσημειακές επικοινωνίες μεταξύ των μικρών, χαμηλού κόστους σταθμών. Η ανάπτυξη των πολλαπλάσιων μεθόδων προσπέλασης έχει επιταχύνει και έχει διευκολύνει αυτήν την μετάβαση. Με TDMA, σε κάθε επίγειο σταθμό ορίζεται μια χρονική αυλάκωση στο ίδιο κανάλι για τη χρήση στη διαβίβαση των επικοινωνιών του όλοι οι άλλοι σταθμοί ελέγχουν αυτές τις αυλακώσεις και επιλέγουν τις επικοινωνίες που κατευθύνονται σε αυτές. Με την ενίσχυση μιας ενιαίας συχνότητας μεταφορέων σε κάθε δορυφορικό επαναλήπτη, TDMA εξασφαλίζει την αποδοτικότερη χρήση της εν πλω παροχής ηλεκτρικού ρεύματος του δορυφόρου. Μια τεχνική αποκαλούμενη επαναχρησιμοποίηση συχνότητας επιτρέπει στους δορυφόρους για να επικοινωνήσουν με διάφορους επίγειους σταθμούς χρησιμοποιώντας την ίδια συχνότητα με τη διαβίβαση στις στενές ακτίνες που μεταφέρονται προς κάθε ενός από τους σταθμούς. Τα πλάτη ακτίνων μπορούν να προσαρμοστούν στις περιοχές κάλυψης τόσο μεγάλες όσο οι ολόκληρες Ηνωμένες Πολιτείες ή τόσο μικρές όσο μια πολιτεία, όπως το Μέριλαντ. Δύο σταθμοί αρκετά μακριά μπορούν να λάβουν τα διαφορετικά μηνύματα που διαβιβάζονται στην ίδια συχνότητα. Οι δορυφορικές κεραίες έχουν σχεδιαστεί για να διαβιβάσουν διάφορες ακτίνες στις διαφορετικές κατευθύνσεις, χρησιμοποιώντας τον ίδιο ανακλαστήρα. Οι ακτίνες λέιζερ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να διαβιβάσουν τα σήματα μεταξύ ενός δορυφόρου και της γης, αλλά το ποσοστό μετάδοσης είναι περιορισμένο λόγω της απορρόφησης και διασπορά από την ατμόσφαιρα. Τα λέιζερ που λειτουργούν στο γαλαζοπράσινο μήκος κύματος, που διαπερνά το ύδωρ, έχουν 20

21 χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία μεταξύ των δορυφόρων και των υποβρυχίων. Η πιο πρόσφατη ανάπτυξη στους δορυφόρους είναι η χρήση των δικτύων των μικρών δορυφόρων στη χαμηλή γήινη τροχιά (2.000 χλμ. ή λιγότεροι) για να παρέχει την παγκόσμια τηλεφωνική επικοινωνία. Το σύστημα ιριδίου χρησιμοποιεί 66 δορυφόρους στη χαμηλή γήινη τροχιά, ενώ άλλες ομάδες έχουν ή αναπτύσσουν παρόμοια συστήματα. Τα ειδικά τηλέφωνα που επικοινωνούν με αυτούς τους δορυφόρους επιτρέπουν στους χρήστες για να έχουν πρόσβαση στο κανονικό τηλεφωνικό δίκτυο και να πραγματοποιήσουν κλήσεις από οποιοδήποτε σημείο στη Γη. Οι προσδοκώμενοι πελάτες αυτών των συστημάτων περιλαμβάνουν τους διεθνείς επιχειρησιακούς ταξιδιώτες και τους ανθρώπους που ζουν ή που εργάζονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Επικοινωνιες μεσω δορυφορων Επικοινωνίες που ξεκίνησαν με τον πρώτο δορυφόρο που εκτοξεύθηκε από τις ΗΠΑ το 1958 ενώ η πρώτη μορφή εμπορικής εκμετάλλευσης εμφανίζεται με τον Early Bird δορυφόρο που ετέθη σε τροχιά στις 6 Απριλίου Τα πρώτα δορυφορικά συστήματα δεν ήταν και τόσο βιώσιμα καθώς η σχετικά μικρή ισχύς των πυραύλων που εκτόξευαν τους δορυφόρους τους έθεταν σε τροχιά όχι μακρύτερη των 10χλμ από την γη. Η χαμηλή τροχιά είχε σαν αποτέλεσμα ο δορυφόρος να κινείται ταχύτερα από την περιστροφή της γης πράγμα που επηρέαζε την κατασκευή την γήινων σταθμών καθώς έπρεπε να περιστρέφονται συνεχώς για να παρακολουθούν τους δορυφόρους. Στην εξέλιξη των συστημάτων αυτών κατασκευάστηκαν οι γεωστατικοί δορυφόροι που τίθενται σε τροχιά χλμ με ταχύτητα χλμ/ώρα, ώστε να μένουν σταθεροί πάνω από το ίδιο σημείο της γης. Η ταχύτητα αυτή είναι ίση με την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της γης και έτσι οι επίγειοι σταθμοί δεν περιστρέφονται, καθώς βλέπουν μόνιμα στο ίδιο σημείο.ο επικοινωνιακός δορυφόρος λειτουργεί απλά σαν καθρέφτης που επανεκπέμπει προς τη γη το λαμβανόμενο μικροκυματικό σήμα. Κάθε γεωστατικός δορυφόρος καλύπτει έναν ορίζοντα 120 μοιρών έτσι που με τρεις τέτοιους δορυφόρους καλύπτεται όλη η γη. Από πλευράς συχνοτήτων οι σημερινοί δορυφόροι χρησιμοποιούν τις μπάντες των 4 και 6 GHZ για τα κατερχόμενα και ανερχόμενα σήματα 21

22 αντίστοιχα. Χρησιμοποιούν επίσης συχνότητες της Ku-band αλλά και της Ka-bandΣυγκρίνοντας τα δορυφορικά συστήματα με τα άλλα μέσα παρατηρούμε τα εξής: - Οι δορυφόροι καλύπτουν με άνεση απαιτήσεις εκπομπής σημάτων ευρείας ζώνης συχνοτήτων - Εχουν μεγάλη καθυστέρηση σήματος της τάξης των 250 msec που οφειλεται στην μεγάλη απόσταση. Η καθυστέρηση αυτή είναι ενοχλητική τόσο στην τηλεφωνία όσο και στην μετάδοση δεδομένων. - Δεν παρέχει καμία ασφαλεια στην μεταδιδόμενη πληροφορία καθώς όλος ο κόσμος μπορεί να λάβει την πληροφορία που εκπέμπει ο δορυφόρος. Αυτός είναι και ο λόγος που χρησιμοποιούνται εξειδικευμένα συστήματα κρυπτογράφησης - Δεν παίζει κανένα ρόλο η μεταξύ των επικοινωνούντων ανταποκριτών απόσταση - Το κόστος χρήσης είναι ανεξάρτητο της απόστασης επικοινωνίας. Οι επικοινωνιακοί δορυφόροι χρησιμοποιούνται κυρίως για τηλεφωνία τηλεόραση και μετάδοση δεδομένων. 22

23 1.3.2 ΤΡΟΧΙΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ Τροχιές LEO MEO δορυφόροι συστήματος GPS GEO Ανάλογα με το είδος τροχιάς και του ύψους, όπου θα τοποθετηθεί ένας δορυφόρος, μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τους δορυφόρους ως εξής: α. LEO: χαμηλής περί τη γη τροχιάς β. MEO: μεσαίας περί τη γη τροχιάς γ. GEO: γεωσύγχρονης τροχιάς Γενικά Στοιχεία των Τροχιών LEO Οι LEO είναι είτε ελλειπτικές είτε (συνήθως) κυκλικές τροχιές σε ύψος μικρότερο από χιλιόμετρα από την επιφάνεια της γης. Η περίοδος της τροχιάς σε αυτά τα ύψη ποικίλλει από ενενήντα λεπτά μέχρι και δύο ώρες (χρόνος που απαιτείται ώστε ένας δορυφόρος να κάνει μια πλήρη περιστροφή γύρω από τη γη.[geo-orbits.org] Επειδή κινούνται σε μικρές 23

24 αποστάσεις από την επιφάνεια της γης, οι δορυφόροι σε τροχιές LEO, πρέπει να αναπτύσσουν πολύ μεγάλες ταχύτητες έτσι ώστε να μη μπορεί η βαρύτητα να τους έλκει πίσω στην ατμόσφαιρα. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι ένας δορυφόρος LEO σε απόσταση km από τη γη κινείται με ταχύτητα 7,1 km/sec. Διάκριση Δορυφορικών Συστημάτων LEO Τα δορυφορικά συστήματα LEO μπορούν να διακριθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, στα Big LEO και Little LEO συστήματα, ανάλογα με το φόρτο επικοινωνιών σε αυτά, τα κανάλια συχνοτήτων που χρησιμοποιούν και την ποικιλία υπηρεσιών που μπορούν να προσφέρουν. Γενικότερα, τα Big διαθέτουν μεγαλύτερη χωρητικότητα και δυνατότητα φωνητικής μετάδοσης σε σχέση με τα Little. Τα συστήματα Little LEO χρησιμοποιούν δορυφόρους μικρού μεγέθους για εφαρμογές χαμηλού ρυθμού μετάδοσης (low-bit-rate) κάτω από 1 kbps. Χρησιμοποιούν κανάλια συχνοτήτων των MHz για downlinking και MHz για uplinking. Οι περισσότεροι δορυφόροι αυτής της υποκατηγορίας ζυγίζουν από 40 έως 150 κιλά και κύρια χαρακτηριστικά τους είναι η παροχή μη φωνητικών υπηρεσιών δύο δρόμων (nonvoice two-way messaging), η τεχνική της αποθήκευσης και προώθησης (store-and-forward), και η εγκατάσταση τους με χαμηλού κόστους αναμεταδότες. Χρησιμοποιούν, για λόγους μικρότερου κόστους,φάσμα συχνοτήτων κάτω του 1 GHz, το οποίο όμως χρησιμοποιείται ευρέως και από πολλές επίγειες ασύρματες επικοινωνίες. Παραδείγματα αυτής της υποκατηγορίας αποτελούν το VitaSat της VITA (Volunteers for Technical Assistance) που χρησιμοποιεί μόνο δύο δορυφόρους LEO, για την κάλυψη επικοινωνιακών αναγκών σε σχολεία και κινητά νοσοκομεία της Αφρικής, όπως επίσης και τα συστήματα Argos και Safir. Τα συστήματα Big LEO αποτελούνται από ισχυρότερους και μεγαλύτερους δορυφόρους, χρησιμοποιούν μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων και προσφέρουν ποικιλία υπηρεσιών στους συνδρομητές τους. Τέτοιες υπηρεσίες είναι φωνητικές, δεδομένων, τηλεομοιοτυπίας (φαξ), καθώς και RDSS (Radio Determination Satellite Services). Χρησιμοποιούν το κανάλι L (L-band) δηλαδή συχνότητες πάνω από 1 GHz, που συνήθως χρησιμοποιούνται από δορυφορικά συστήματα GEO και MEO.Το μέγεθος τους επιτρέπει να εκτελούν περισσότερο σύνθετες διαδικασίες επεξεργασίας δεδομένων σε σχέση με τα Little- LEO συστήματα. Διαθέτουν δυνατότητες διασύνδεσης δικτύων (internetworking) με επίγεια τηλεπικοινωνιακά συστήματα (π.χ με dual mode τερματικά). Στην υποκατηγορία αυτή ανήκουν συστήματα όπως το Iridium και το Globalstar. 24

25 Χαρακτηριστικά Συστημάτων LEO Η ακτίνα του πέλματος (footprint) ενός τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου σε τροχιά LEO κυμαίνεται από έως χλμ. Ο μέγιστος χρόνος κατά τον οποίο ο δορυφόρος LEO βρίσκεται πάνω από τον τοπικό ορίζοντα για ένα παρατηρητή στη γη, φθάνει τα είκοσι λεπτά. Ωστόσο υπάρχουν μεγάλες περίοδοι, κατά τις οποίες, ο δορυφόρος δεν είναι ορατός από ένα συγκεκριμένο σταθμό εδάφους.αυτό μπορεί να είναι αποδεκτό για ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα αποθήκευσης και προώθησης (store-and-forward). Πολλά μικρά συστήματα LEO χρησιμοποιούν πολικές (polar) ή σχεδόν πολικές (near-polar) τροχιές. Η ευκολία πρόσβασης μπορεί να βελτιωθεί με την ανάπτυξη περισσοτέρων του ενός δορυφόρων και με τη χρήση πολλαπλών τροχιακών επιπέδων.ένα ολοκληρωμένο, παγκόσμιας κάλυψης σύστημα LEO, απαιτεί έναν μεγάλο αριθμό δορυφόρων, σε πολλαπλά τροχιακά επίπεδα, σε ποικίλες κεκλιμένες τροχιές. Η τοπολογία ενός πλήρους συστήματος τηλεπικοινωνιακού δικτύου LEO είναι δυναμική. Το δίκτυο πρέπει να προσαρμόζεται συνεχώς σε εναλλασσόμενες συνθήκες προκειμένου να επιτευχθούν οι βέλτιστες (με την ελάχιστη καθυστέρηση) συνδέσεις μεταξύ τερματικών. Όταν ένας δορυφόρος που εξυπηρετεί ένα συγκεκριμένο χρήστη κινηθεί πίσω από τον τοπικό ορίζοντα, πρέπει να είναι σε θέση να αναθέσει την υπηρεσία σε έναν κοντινό ή επερχόμενο δορυφόρο που βρίσκεται στην ίδια ή σε γειτονική τροχιά. Ανάλογα με τη σχεδίαση του συστήματος, μεμονωμένοι δορυφόροι μπορούν να διασυνδεθούν μεταξύ τους για να αναμεταδώσουν ένα σήμα μέσω μιας τεχνικής ταχείας εναλλαγής πακέτων (rapid packet switching technique) όπως συμβαίνει στο σύστημα Iridium, ή μπορούν να επιστρέψουν το σήμα σε κάποιο τερματικό στη γη, για την επαναδρομολόγησή του. 25

26 (Χάρτης Κάλυψης του GLOBALSTAR) Βλέποντας έναν χάρτη κάλυψης, μπορούμε να διαπιστώσουμε το τεράστιο μέγεθος και την πολυπλοκότητα ενός παγκοσμίου συστήματος LEO. Είτε χρησιμοποιείται διάταξη δρομολόγησης δορυφόρος προς δορυφόρο (satellite-to satellite),είτε δορυφόρος-επίγειο τερματικόδορυφόρος (satellite-earth terminal satellite), ο χειρισμός των μηνυμάτων γίνεται μέσω διπλής (duplex) κατεύθυνσης δικτύου LEO, τα οποία διαδίδονται με τη μορφή μικρών και σταθερού μήκους (fixed length) πακέτων. Κάθε πακέτο περιέχει μια επικεφαλίδα η οποία περιλαμβάνει τη διεύθυνση προορισμού και πληροφορίες ακολουθίας, ένα τμήμα ελέγχου λαθών που χρησιμοποιείται για την εξακρίβωση της ορθότητας της επικεφαλίδας και ένα τμήμα που φέρει τα ψηφιακώς κωδικοποιημένα δεδομένα του χρήστη (π.χ. φωνή, εικόνα, κείμενο κλπ) καθώς και έναν αλγόριθμο προσαρμοστικής δρομολόγησης. Κάθε κόμβος (δορυφόρος ή επίγειο τερματικό) αυτόματα και ανεξάρτητα επιλέγει την διαδρομή με την ελάχιστη καθυστέρηση προς τον σταθμό προορισμού.πακέτα που προέρχονται από τον ίδιο χρήστη είναι δυνατό να ακολουθούν διαφορετικές διαδρομές μέσα από το δίκτυο. Το τερματικό στη θέση προορισμού συγκεντρώνει, και αν απαιτείται, θέτει στη σωστή σειρά τα ληφθέντα πακέτα ώστε να περιοριστούν χρονικές καθυστερήσεις. Πλεονεκτήματα και Περιορισμοί Συστημάτων LEO Εξαιτίας της σχετικά γρήγορης κίνησης ενός δορυφόρου σε τροχιά LEO σε σχέση με έναν παρατηρητή στη γη, δορυφόροι που κινούνται σε τέτοιες τροχιές πρέπει να είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν μεγάλες εναλλαγές Doppler. (Το φαινόμενο Doppler ακούγεται συχνά από 26

27 κάποιον που βρίσκεται κοντά σε σιδηροδρομική διάβαση, όταν περνάει τραίνο). Δορυφόροι σε τροχιές LEO επηρεάζονται επίσης από την έλξη της ατμόσφαιρας, που αναγκάζει τις τροχιές να εκφυλίζονται σταδιακά. Έτσι ένας τυπικός χρόνος ζωής ενός δορυφόρου LEO στο διάστημα, είναι 5-8 έτη. Ωστόσο, οι εκτοξεύσεις δορυφόρων σε τροχιές LEO είναι αρκετά φθηνότερες από αυτές σε τροχιές GEO και εξαιτίας του μικρότερου βάρους τους, πολλοί δορυφόροι LEO μπορούν να εκτοξευθούν ταυτόχρονα, ενώ μόνο δύο GEO δορυφόροι μπορούν να εκτοξευθούν ταυτόχρονα με τις σημερινή τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων. Το μεγάλο πλεονέκτημα των προσωπικών επικοινωνιακών συστημάτων LEO είναι ότι παρέχουν άμεση δορυφορική σύνδεση τόσο για εισερχόμενες όσο και για εξερχόμενες επικοινωνίες, σε απομακρυσμένες περιοχές, με ελλιπή επικοινωνιακή κάλυψη και σε περιοχές εκτός επίγειων δικτύων, είτε η επικοινωνία γίνεται με κάποια φορητή συσκευή, από οποιοδήποτε δημόσιο τηλέφωνο στον κόσμο, είτε απλά μέσω ενός ομοκατευθυντικού αλφαριθμητικού βομβητή (unidirectional alpha numeric pager). Η καθυστέρηση διάδοσης (propagation delay) των LEO συστημάτων κυμαίνεται από 20 έως 25 msec, που είναι συγκρίσιμη με αυτή των επίγειων συνδέσεων και πολύ χαμηλότερη αυτής των συστημάτων GEO ( msec). Δίνεται επίσης τη δυνατότητα στον χρήστη να υπερκεράσει (π.χ. roaming) πολλά ασύρματα και εθνικά τηλεφωνικά συστήματα, χρησιμοποιώντας έναν απλό τηλεφωνικό αριθμό και λαμβάνοντας μόνο ένα τηλεφωνικό λογαριασμό για κλήσεις που πραγματοποίησε από οπουδήποτε στον κόσμο. Ωστόσο όλα τα προσωπικά επικοινωνιακά συστήματα LEO δεν αποσκοπούν σε παγκόσμια κάλυψη. Μερικές πρόσφατες προτάσεις συστημάτων LEΟ στοχεύουν μόνο σε συγκεκριμένα παγκόσμια γεωγραφικά πλάτη όπου είναι εγκατεστημένα μεγάλης κίνησης εμπορικά κέντρα. Κάποιες άλλες προτάσεις αφορούν παροχή υπηρεσιών σε περιορισμένους γεωγραφικούς και εμπορικούς τομείς.τα όχι παγκοσμίου εύρους (not global) συστήματα LEO σχεδιάστηκαν για να προσφέρουν παρακολούθηση από απόσταση και μεταφορά πληροφοριών για εθνικές μεταφορικές εταιρείες και κινητές μονάδες. Χρησιμοποιώντας κάποιο αναμεταδότη σε όχημα ή και επιτραπέζιο, με μικρή, εύκαμπτη κεραία, το σύστημα έχει την δυνατότητα να στέλνει και να λαμβάνει αλφαριθμητικά πακέτα πληροφοριών δύο δρόμων, όπως στην περίπτωση του paging ή του . Τα συστήματα αυτά επεκτάθηκαν για να συμπεριλάβουν φορητές συσκευές για προσωπική χρήση. Το μήνυμα του αποστολέα οδηγείται στον κοντινότερο εντός θέας (in-view) δορυφόρο, όπου συνδέεται με την τοπική επίγεια επικοινωνιακή πύλη (station gateway), για επικύρωση και 27

28 βέλτιστη δρομολόγηση προς τον πομποδέκτη του παραλήπτη (satelliteearth terminal-satellite transfer method). Αν είναι απαραίτητο, οι επίγειες επικοινωνιακές πύλες παραδίδουν τα μηνύματα μεταξύ δορυφόρων για γρηγορότερη μετάδοση. Τα μεταδιδόμενα πακέτα πληροφοριών μπορούν επίσης να κωδικοποιηθούν στην αντίστοιχη συχνότητα, για ασφάλεια στη μετάδοση και για να υπάρχει η δυνατότητα της αποκλειστικής αναγνώρισης του μηνύματος από τον νόμιμο παραλήπτη. Δορυφορικά Συστήματα σε GEO Τροχιές και Χαρακτηριστικά των GEO Δορυφόρων Η τροχιά αυτή είναι γνωστή ως γεωσύγχρονη ή γεωστατική (geosynchronous ή geostationary). Ο δορυφόρος που κινείται σε μια τέτοια τροχιά εμφανίζεται ως εγκατεστημένος, δηλαδή σε μια σταθερή θέση ως προς κάποιο επίγειο παρατηρητή. Η τροχιακή περίοδος είναι ίση με αυτή της γης και επιτυγχάνεται σε τροχιακό ύψος χιλιομέτρων (όπως αποδεικνύεται από τους νόμους του Kepler). Με την τοποθέτηση ενός δορυφόρου σε αυτό το ύψος, η τροχιακή του περίοδος συμπίπτει με αυτή της γης, ο δορυφόρος μοιάζει να αιωρείται σε κάποιο σημείο πάνω από τον Ισημερινό, και έτσι φαίνεται ακίνητος πάνω στην ίδια θέση. Ενώ ένας δορυφόρος σε τροχιά GEO εμφανίζεται ως σταθερός πάνω από την επιφάνεια της γης (π.χ. σε σταθερό γεωγραφικό μήκος και πλάτος), στην πράξη, η τροχιά έχει μικρές, μη μηδενικές, τιμές κλίσης και εκκεντρότητας, αναγκάζοντας τον δορυφόρο να διαγράφει ένα μικρό οκτάρι στον ουρανό. Για να έχει ένας δορυφόρος σταθερή γωνιακή ταχύτητα, ίδια με αυτή της γης, η τροχιά του θα πρέπει να είναι κυκλική (σύμφωνα με το δεύτερο νόμο του Kepler). Η γεωστατική λοιπόν είναι κυκλική τροχιά προσανατολισμένη στο επίπεδο του ισημερινού (με μηδενικη κλίση), και έχει την ίδια τροχιακή περίοδο με αυτή της γης. O δορυφόρος GEO κάνει μια πλήρη τροχιακή περιστροφή, σε κυκλική τροχιά γύρω από τη γη, σε 24 ώρες (για την ακρίβεια σε 23 ώρες, 56 λεπτά, 4.09 δευτερόλεπτα). Αν η τροχιά βρίσκεται στο επίπεδο του ισημερινού και αν η περιστροφή γίνεται προς την ίδια διεύθυνση με αυτή της γης (περιστρέφεται δηλαδή με την ίδια γωνιακή ταχύτητα με αυτή της γης) και υπερίπταται διαρκώς πάνω από το ίδιο σημείο πάνω από τη γη, τότε ο δορυφόρος χαρακτηρίζεται γεωστατικός (geostationary). 28

29 (ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΣΤΑΤΙΚΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ) Οι γεωστατικοί δορυφόροι πάντως, δεν βλέπουν τους πόλους όπως οι γεωσύγχρονοι (geosynchronous). Γενικά, όλες οι γεωστατικές τροχιές είναι γεωσύγχρονες, ενώ όλες οι γεωσύγχρονες δεν είναι και γεωστατικές. Γεωσύγχρονος σημαίνει ότι ο δορυφόρος κάνει μια πλήρη τροχιά κάθε 24 ώρες έτσι ώστε να συγχρονίζεται με την περίοδο περιστροφής της γης. Όπως αναφέρθηκε αρχικά, κάτι τέτοιο θα επιτευχθεί όταν ο δορυφόρος βρίσκεται σε κυκλική τροχιά σε απόσταση περίπου χιλιομέτρων από την επιφάνεια της γης, ή περίπου χιλιομέτρων από το κέντρο της γης. Ωστόσο, για να είναι γεωστατικός, ο γεωσύγχρονος δορυφόρος πρέπει να βρίσκεται σε τροχιά στο επίπεδο του ισημερινού της γης (οι γεωστατικές τροχιές είναι ένα μικρό υποσύνολο των γεωσύγχρονων τροχιών). 29

30 Η τροχιακή θέση των γεωστατικών δορυφόρων ονομάζεται ζώνη Clarke (Clarke Belt) προς τιμή του Arthur Clarke που πρώτος δημοσίευσε τη θεωρία της τοποθέτησης γεωσύγχρονων δορυφόρων στο επίπεδο του ισημερινού της γης, για χρησιμοποίηση τους για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς. Για συντομία, συχνά οι γεωστατικοί δορυφόροι καλούνται GEO δορυφόροι. Το πέλμα(footprint), της εξυπηρετούμενης περιοχής ενός τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου σε τροχιά GEO, καλύπτει το 1/3 σχεδόν της επιφάνειας της γης (από 75 μοίρες νότιο έως περίπου 75 μοίρες βόρειο γεωγραφικό πλάτος). Η κίνηση των δορυφόρων στο επίπεδο του ισημερινού της γης, συντελεί στο να αποφεύγεται η δύση και ανατολή τους στον ορίζοντα, όπως συμβαίνει με τη σελήνη. Αν τα πέλματα των δορυφόρων αλληλεπικαλύπτονται τότε είναι δυνατή θεωρητικά η συνεχής επικοινωνία με όλο τον κόσμο, εκτός από τις περιοχές που βρίσκονται κοντά στους δύο πόλους. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα με τη χρήση τριών δορυφόρων GEO, σε απόσταση 120 (μοιρών) μεταξύ τους, καλύπτεται όλη η επιφάνεια της γης. «Τέλειες τροχιές GEO για τη διατήρηση επαφής» Πλεονεκτήματα των GEO δορυφόρων Ένας δορυφόρος σε γεωστατική τροχιά έχει αρκετά πλεονεκτήματα όπως: 1. Ευρεία κάλυψη της γήινης επιφάνειας (περίπου 40%). 30

31 2. Επικοινωνία μεγάλου εύρους ζώνης. 3. Επικοινωνία υψηλής ποιότητας. 4. Κάλυψη (με το πέλμα) πάντα της ίδιας περιοχής. 5. Καταλληλότητα για κινητές τηλεπικοινωνίες. 6. Σχετικά μικρό κόστος επικοινωνιών. 7. Όχι προβλήματα που οφείλονται στο φαινόμενο Doppler. Εξάλλου, λόγω της γεωγραφικής εγκατάστασης των GEO δορυφόρων, οι κεραίες των επίγειων σταθμών μπορούν να παραμείνουν εστιασμένες σε αυτούς αυτόματα, αφού γη και δορυφόροι περιστρέφονται με την ίδια περίοδο και γωνιακή ταχύτητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να γίνεται απλή η διαδικασία του συντονισμού(tracking process) των κεραιών. Μειονεκτήματα και Περιορισμοί των GEO δορυφόρων Το γεγονός της ύπαρξης μιας μόνο γεωστατικής τροχιάς, οδηγεί στην ανάγκη αποτελεσματικής της εκμετάλλευσης. Δύο τυχαίοι διαδοχικοί δορυφόροι σε τέτοια τροχιά πρέπει να έχουν μεταξύ τους αρκετή απόσταση, για να αποφευχθούν συγκρούσεις (collisions) ανάμεσα τους. Έτσι δημιουργείται κάποιος περιορισμός στον αριθμό των γεωστατικών δορυφόρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Εξάλλου το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων που έχει εκχωρηθεί στα GEO δορυφορικά συστήματα, είναι ένας πολύ σημαντικός περιορισμός για αυτά. Οι δύο αυτοί περιορισμοί της χρησιμοποίησης του φάσματος συχνοτήτων και εκμετάλλευσης του διαθέσιμου χώρου στο διάστημα, μπορούν θα θεωρηθούν ως πολύ σημαντικοί λόγοι για την εκτόξευση δορυφόρων σε άλλες τροχιές, πλην των γεωστατικών. Οι δορυφόροι GEO είναι επιρρεπής σε καθυστερήσεις διάδοσης (propagation delay) λόγω της μεγάλης τους απόστασης από τη γη και εξαιτίας της πεπερασμένης ταχύτητας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Δεδομένης λοιπόν της απόστασης τους από τη γη που ανέρχεται στα χιλιόμετρα, καθώς και της ταχύτητας του φωτός στα km/sec, μιας διπλής κατεύθυνσης καθυστέρηση διάδοσης, ανέρχεται στα 240 με 280 msec, ανάλογα με τη γωνία ανύψωσης (elevation angle) της θέσης του χρήστη ως προς τον δορυφόρο. Αυτή η καθυστέρηση προκαλεί λάθη μετάδοσης δεδομένων και απαιτούνται τεχνικές διόρθωσης. Αποτελεί δε σημαντικό πρόβλημα κυρίως για τις real-time εφαρμογές. Ένα εξίσου σημαντικό πρόβλημα των GEO δορυφόρων είναι η μεγάλη απώλεια διάδοσης (propagation loss). Σε ένα δορυφορικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα,η ισχύς των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων εξασθενεί ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης στην οποία μεταδίδεται το σήμα.έτσι για παράδειγμα, αν η απόσταση διάδοσης 31

32 ανάμεσα σε πομπό και δέκτη ενός σήματος διπλασιαστεί, τότε χρειαζόμαστε τέσσερις φορές το επίπεδο ισχύος στον πομπό, προκειμένου να πετύχουμε το ίδιο επίπεδο ισχύος στον δέκτη. Μια επιπλέον ένσταση στους γεωστατικούς δορυφόρους προκαλεί το γεγονός της έλλειψης ικανοποιητικής κάλυψης σε μεγάλα βόρεια ή νότια γεωγραφικά πλάτη (κοντά στους δύο πόλους), όπου απαιτούνται χαμηλές γωνίες ανύψωσης (elevation angles). Η κάλυψη σε αυτές τις περιοχές αναγκαστικά επιτυγχάνεται μέσω άλλων δορυφορικών τροχιών όπως οι LEO ή οι polar και near-polar τροχιές. Τέλος κάνουμε μια μικρή αναφορά στον μικρότερης σημασίας τύπο των ΜΕΟ δορυφόρων Δορυφόροι μεσαίας περί τη γη τροχιάς (MEO) Ένας MEO δορυφόρος έχει περίοδο περιστροφής μερικές ώρες και ύψος μεταξύ 5000 και km και κλίση τροχιακού επιπέδου 50 o. Ονομάζονται και ICO (Intermediate Circular Orbits). Με 2 τροχιακά επίπεδα και 6 δορυφόρους ανά επίπεδο επιτυγχάνεται παγκόσμια κάλυψη. Τα πλεονεκτήματα αυτού του είδους τροχιάς είναι τα εξής : Ένας αριθμός από τέτοιου είδους δορυφόρους, σωστά ρυθμισμένους, μπορεί να επιτύχει παγκόσμια τηλεπικοινωνιακή κάλυψη. Λόγω της κοντινής τους απόστασης από τη Γή οι MEO δορυφόροι απαιτούν λίγη ενέργεια για την λειτουργία τους και περιέχουν μικρότερες κεραίες από τους GEO δορυφόρους. Το συνολικό εμβαδόν στην επιφάνεια της Γής που καλύπτει ένας τέτοιος δορυφόρος είναι αρκετά μεγαλύτερο από το αντίστοιχο που καλύπτει ένας LEO. Γι αυτό και για την παγκόσμια κάλυψη απαιτούνται λιγότεροι δορυφόροι με τεχνολογία MEO σε σχέση με τους LEO. Μειονεκτήματα α.τακτά σφάλματα (path loss errors) 32

33 1.4 ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΡΑΔΙΟΦΑΣΜΑ Το Δορυφορικό Ραδιοφάσμα Το φάσμα των ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequencies, RF) αποτελεί έναν κρίσιμο πόρο για τις τηλεπικοινωνίες, αφού αποτελεί αγαθό σε ανεπάρκεια που πρέπει να μοιράζεται αποδοτικά μεταξύ όλων των τύπων ασύρματων υπηρεσιών τόσο επίγειων, όσο και δορυφορικών. Προκειμένου να γίνεται βέλτιστη εκμετάλλευση του ραδιοφάσματος, η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union, ITU) έχει εκχωρήσει συχνότητες για όλες τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες. Οι ζώνες συχνοτήτων τις οποίες καταλαμβάνουν σήμερα οι δορυφορικές επικοινωνίες τόσο για τη ζεύξη επίγειου σταθμούδορυφόρου (προς τα άνω ζεύξη, up link), όσο και για τη ζεύξη δορυφόρου-επίγειου σταθμού (προς τα κάτω ζεύξη, down link), παρουσιάζονται στον αποπάνω πίνακα [Elbert, 1997]. Στον ίδιο πίνακα βρίσκει κανείς και τις βασικές κατηγορίες τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών μέσω δορυφόρου ανά ζώνη συχνοτήτων, όπως αυτές ορίζονται από το Διεθνή Κανονισμό Ραδιοεπικοινωνιών (World Radio Regulations). Μερικές παρατηρήσεις επί του Πίνακα 1.4.1: Εκτός από τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που εμφανίζονται στον πίνακα, ο Διεθνής Κανονισμός Ραδιοεπικοινωνιών έχει θεσπίσει και άλλες (περισσότερο εξειδικευμένες) κατηγορίες υπηρεσιών (συνολικά 18). Τέτοιες είναι η διαδορυφορική υπηρεσία, η κινητή ναυτική υπηρεσία μέσω δορυφόρου, η υπηρεσία ραδιοεντοπισμού μέσω δορυφόρου, η υπηρεσία 33

34 εξερεύνησης της γης μέσω δορυφόρου, η υπηρεσία μετεωρολογίας κ.α.. Αξίζει να επισημανθεί το γεγονός της χρήσης σε όλες τις ζώνες διαφορετικών συχνοτήτων μεταξύ της ζεύξης γης-δορυφόρου και της ζεύξης δορυφόρου-γης, με τη χαμηλότερη συχνότητα να αποδίδεται τις περισσότερες φορές στη δεύτερη. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται οι παρεμβολές ανάμεσα στους δύο δυνατούς τρόπους λειτουργίας του δορυφόρου (ως πομπού και ως δέκτη), ενώ προφυλάσσεται η προς τα κάτω ζεύξη από τις μεγαλύτερες αποσβέσεις που συνεπάγεται η διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε υψηλότερες συχνότητες. Αν και οι πρώτοι δορυφόροι που τέθηκαν σε τροχιά έκαναν στην πλειοψηφία τους χρήση της φασματικής ζώνης C, αρχικά η ζώνη Ku και, στη συνέχεια, η Ka έγιναν περισσότερο ελκυστικές για τα σύγχρονα εμπορικά δορυφορικά συστήματα ενώ μελετάται μακροπρόθεσμα να χρησιμοποιηθεί και η ζώνη συχνοτήτων V (40/50GHz) που δεν αναγράφεται στον Πίνακα Εκτός από τους λόγους αυτούς, η ενεργοποίηση φερουσών συχνοτήτων άνω των 10GHz προσέφερε προσωρινά ανακούφιση στο πρόβλημα των διαθέσιμων θέσεων στη γεωστατική τροχιά, που είναι η τροχιά επί της οποίας έχουν τεθεί οι γεωστατικοί δορυφόροι. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στη Βόρεια Αμερική κατά μήκος ενός τόξου 70 ο της γεωστατικής τροχιάς υπάρχουν περίπου 35 δορυφόροι που λειτουργούν στη ζώνη C [Elbert, 1997]. Όταν δύο δορυφορικά συστήματα λειτουργούν σε κοινή περιοχή του φάσματος, το πρόβλημα της μεταξύ τους παρεμβολής λαμβάνει σοβαρές διαστάσεις 34

35 όταν η γωνιακή απόσταση που χωρίζει τους αντίστοιχους δορυφόρους είναι μικρή. Με την τοποθέτηση στους δορυφορικούς επαναλήπτες πομποδεκτών στις ζώνες Κu και Ka, το πρόβλημα μετριάζεται και οι δορυφόροι τίθενται σε γωνιακές αποστάσεις μέχρι 2 ο. Το όριο των 2 ο δεν μπορεί να μειωθεί περαιτέρω, λόγω της μειωμένης ικανότητας σκόπευσης ενός μόνο δορυφόρου (με επαρκή απομόνωση από τους γειτονικούς του) από τις μικρές σε μέγεθος κεραίες που χρησιμοποιούν οι μικροί χρήστες δορυφορικών υπηρεσιών, όπως οικιακοί χρήστες, δίκτυα επιχειρήσεων κ.λ.π.. 35

36 Πίνακας Δορυφορικές ζώνες συχνοτήτων και αντίστοιχες υπηρεσίες 36

37 1.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Το βασικό στοιχείο που εγγυάται όχι απλώς τη βιωσιμότητα, αλλά και τη συνεχή επέκταση των συστημάτων δορυφορικών επικοινωνιών στο νέο περιβάλλον οξυμένου ανταγωνισμού που συνιστά σήμερα ο χώρος των τηλεπικοινωνιών, είναι το εύρος των εφαρμογών που μπορούν να υποστηρίξουν. Τα τελευταία χρόνια, οι εφαρμογές που υποστηρίζουν οι δορυφόροι έχουν πολλαπλασιασθεί. Οι επικοινωνιακοί δορυφόροι μετάγουν με αποδοτικό τρόπο ραδιοσήματα ανάμεσα σε σημεία του εδάφους και οι χρήστες τους διαθέτουν μία ευρεία ποικιλία τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών, ανεξάρτητα με το αν βρίσκονται στο έδαφος, στη θάλασσα ή στον αέρα. Τα συστήματα αυτά έχουν γίνει τόσο οικεία με το πέρασμα των ετών, σε σημείο όπου ένα τυπικό νοικοκυριό μπορεί να διαθέτει το δικό του δορυφορικό πιάτο, δείγμα της διεισδυτικότητας των δορυφορικών επικοινωνιών στο επίπεδο της καθημερινότητας. Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος της εμπορικής δραστηριότητας των επικοινωνιακών δορυφόρων, πραγματοποιείται μέσω σταθμών τοποθετημένων στη γεωστατική τροχιά. Οι δορυφόροι αυτοί φαίνονται σταθεροί από ένα παρατηρητή στην επιφάνεια της γης (αφού περιφέρονται γύρω από τη γη με περίοδο 24 ωρών), σαν να είναι «κρεμασμένοι» από ένα σταθερό σημείο στον ουρανό. Η ιδιότητα αυτή των γεωστατικών συστημάτων (Geostationary Orbit, GEO) είναι ιδιαιτέρως επιθυμητή, διότι διαφορετικά απαιτούνται δαπανηρά υποσυστήματα παρακολούθησης της τροχιάς των δορυφόρων. Ο κορεσμός, ωστόσο, της τροχιάς αυτής από πλήθος δορυφόρων που 37

38 λειτουργούν υπό την αιγίδα είτε κρατών είτε τηλεπικοινωνιακών φορέων, αλλά και η καθυστέρηση διάδοσης που εισάγεται από τη μεγάλη απόσταση γης-γεωστατικού αναμεταδότη (36,000km από τον ισημερινό) οδήγησε από την προηγούμενη δεκαετία στην εμφάνιση (σε μικρή κλίμακα) δορυφορικών συστημάτων χαμηλής τροχιάς (Low Earth Orbit, LEO) και μεσαίας τροχιάς (Medium Earth Orbit, MEO). Τα ύψη από το έδαφος των τροχιών αυτών είναι από 500 έως 900km (LEO) και 5,000 έως 12,000km (MEO) αντίστοιχα. Βέβαια, σε αυτά τα ύψη η ιδιότητα της σταθερής θέσης του δορυφόρου ως προς ένα γεωκεντρικό σύστημα συντεταγμένων παύει να ισχύει και οι δορυφόροι που τοποθετούνται σε τροχιές χαμηλότερες της γεωστατικής βρίσκονται στο οπτικό πεδίο του επίγειου σταθμού μόνο για μικρά χρονικά διαστήματα. Η ιδέα λοιπόν πίσω από τα δορυφορικά συστήματα του τύπου αυτού είναι να περιάγεται η ζεύξη από το δορυφόρο που εγκαταλείπει το οπτικό πεδίο, σε κάποιον άλλο, υποθέτοντας έτσι ένα πλήρη σχηματισμό δορυφόρων για την παροχή συνεχούς και αδιάλειπτης επικοινωνίας. Προς τούτο, προϋποτίθενται αλγόριθμοι διαπομπής (handover) μεταξύ των δορυφόρων, όμοιοι με αυτούς που βρίσκει κανείς στα κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών και επομένως η πολυπλοκότητα της απαιτούμενης αρχιτεκτονικής δικτύου είναι ιδιαιτέρως αυξημένη. Μία ακόμη νέα εξέλιξη στον κόσμο των επικοινωνιακών δορυφόρων, είναι η ανάπτυξη μικροσταθμών χαμηλού κόστους που αποκαλούνται Τερματικά Πολύ Μικρής Επιφάνειας (Very Small Aperture Terminals, VSAT). Στα τερματικά αυτά, όχι μόνο οι κεραίες αλλά και τα υπόλοιπα τμήματα του υλικού έχουν μειωμένες διαστάσεις και, ως εκ τούτου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποκλειστικά από έναν χρήστη. Σε ορισμένα συστήματα VSAT, οι μικροσταθμοί δεν διαθέτουν την 38