Satelliitti on kappale, joka liikkuu toisen kappaleen ympärillä matemaattisesti ennustettavalla radalla, jota kutsutaan kiertoradaksi. Viestintäsatelliitti ei ole mitään muuta kuin avaruudessa sijaitseva mikroaaltojen toistinasema, josta on apua tietoliikenteessä, radiossa ja televisiossa sekä internet-sovelluksissa.
Viestintäsatelliitti on virtapiiri, joka lisää vastaanottamansa signaalin voimakkuutta ja lähettää sen edelleen. Mutta tässä tämä toistin toimii transponderina, joka vaihtaa lähetetyn signaalin taajuuskaistan vastaanotetusta signaalista.
Taajuutta, jolla signaali lähetetään avaruuteen, kutsutaan Uplink-taajuudeksi, kun taas taajuutta, jolla transponderi lähettää sen, kutsutaan Downlink-taajuudeksi.
Oheinen kuva havainnollistaa tätä käsitettä selvästi.
Nyt katsotaanpa satelliittiviestinnän etuja, haittoja ja sovelluksia.
Satelliittiviestintä – edut
Satelliittiviestinnällä on monia etuja, kuten –
-
joustavuus
-
helppo asentaa uusia piirejä
-
Etäisyydet katetaan helposti eikä kustannuksilla ole väliä
-
Lähetystoiminnan mahdollisuudet
-
Maailman jokainen kolkka katetaan
-
Käyttäjä voi hallita verkkoa
Satelliittiviestintä – Haitat
Satelliittiviestinnällä on seuraavat haitat –
-
Aloituskustannukset, kuten segmentti- ja laukaisukustannukset, ovat liian suuret.
-
Taajuuksien ruuhkautuminen
-
Häiriöt ja leviäminen
Satelliittiviestintä – Sovellukset
Satelliittiviestinnällä on sovelluksia seuraavilla aloilla –
-
Radiolähetyksissä.
-
Televisiolähetyksissä, kuten DTH.
-
Internet-sovelluksissa, kuten Internet-yhteyden tarjoamisessa tiedonsiirtoa, GPS-sovelluksia, Internet-surffausta jne. varten.
-
Puheviestintään.
-
Tutkimus- ja kehityssektorilla monilla aloilla.
-
Sotilaallisissa sovelluksissa ja navigoinnissa.
Satelliitin suuntaus radallaan riippuu kolmesta laista, joita kutsutaan Keplerin laeiksi.
Keplerin lait
Tähtitieteilijä Johannes Kepler (1571-1630) antoi kolme vallankumouksellista lakia, jotka koskevat satelliittien liikettä. Satelliitin kulkema rata primaarinsa (maapallon) ympärillä on ellipsi. Ellipsillä on kaksi polttopistettä – F1 ja F2, joista maapallo on toinen.
Jos tarkastellaan etäisyyttä kohteen keskipisteestä sen elliptisen radan johonkin pisteeseen, ellipsin kaukaisinta pistettä keskipisteestä kutsutaan apogeumiksi ja ellipsin lyhintä pistettä keskipisteestä kutsutaan perigeumiksi.
Keplerin 1. laki
Keplerin 1. lain mukaan ”jokainen planeetta kiertää Auringon ympäri ellipsinmuotoisella radalla, jonka yhtenä polttopisteenä on Aurinko”. Näin ollen satelliitti liikkuu ellipsinmuotoisella radalla, jonka yhtenä polttopisteenä on Maa.
Ellipsin puoliksi suurta akselia merkitään a:lla ja puoliksi pientä akselia merkitään b:llä. Näin ollen tämän järjestelmän eksentrisyys e voidaan kirjoittaa muodossa –
$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$
-
Eksentrisyys (e) – Se on parametri, joka määrittää ellipsin muodon eron ympyrän muotoon verrattuna.
-
Semi-suurakseli (a) – Se on pisin halkaisija, joka on piirretty yhdistämällä kaksi polttopistettä keskipistettä pitkin ja joka koskettaa molempia apogeeneja (ellipsin kauimmaisia pisteitä keskipisteestä).
-
Semi-molliakseli (b) – Se on lyhin keskipisteen kautta piirretty halkaisija, joka koskettaa kumpaakin perigeeniä (ellipsin lyhimpiä pisteitä keskipisteestä).
Näitä kuvataan hyvin seuraavassa kuvassa.
Elliptisen liikeradan kannalta on aina toivottavaa, että eksentrisyyden olisi oltava 0:n ja 1:n välissä, i.eli 0 < e < 1, koska jos e:stä tulee nolla, rata ei ole enää elliptinen, vaan se muuttuu ympyränmuotoiseksi.
Keplerin 2. laki
Keplerin 2. laki sanoo, että: ”Yhtä suurina aikaväleinä satelliitin peittämä pinta-ala on yhtä suuri maapallon keskipisteeseen nähden.”
Se voidaan ymmärtää tarkastelemalla seuraavaa kuviota.
Esitettäköön, että satelliitti kulkee samassa aikaväliajassa etäisyydet p1 ja p2, jolloin molemmissa tapauksissa katetut pinta-alat B1 ja B2 ovat yhtä suuret.
Keplerin 3. laki
Keplerin 3. lain mukaan: ”Radan jaksollisen ajan neliö on verrannollinen kahden kappaleen välisen keskimääräisen etäisyyden kuutioon.”
Tämä voidaan kirjoittaa matemaattisesti muodossa
$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$
Josta seuraa
$$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$$
Jossa $\frac{4\pi ^{2}}{GM}$ on suhteellisuusvakio. (Newtonin mekaniikan mukaan)
$$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$
Jossa μ = maan geosentrinen gravitaatiovakio, i.eli Μ = 3.986005 × 1014 m3/sek2
$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$
$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\:\Oikea nuolinäppäin \:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$
Jossa n = satelliitin keskimääräinen liike radiaaneina sekunnissa
Satelliittien radan toiminta lasketaan näiden Keplerin lakien avulla.
Tämän ohella on huomattava eräs tärkeä asia. Kun satelliitti kiertää maapalloa, siihen kohdistuu maan vetovoima, joka on gravitaatiovoima. Lisäksi se kokee jonkin verran vetovoimaa auringosta ja kuusta. Siihen vaikuttaa siis kaksi voimaa. Ne ovat –
-
Keskipakovoima – Voimaa, joka pyrkii vetämään liikeradalla liikkuvaa kappaletta itseään kohti, kutsutaan keskipakovoimaksi.
-
Keskipakovoima – Voimaa, joka pyrkii työntämään liikeradalla liikkuvaa kappaletta poispäin, kutsutaan keskipakovoimaksi.
Satelliitin on siis tasapainotettava nämä kaksi voimaa pysyäkseen kiertoradallaan.
Maa-avaruuden kiertoradat
Avaruuteen laukaistuna satelliitti on sijoitettava tietylle kiertoradalle, jotta sen kiertoradalle saadaan aikaan tietty kiertorata, jotta se pysyy saavutettavana ja palvelee tarkoitustaan, olipa se sitten tieteellinen, sotilaallinen tai kaupallinen. Tällaisia satelliiteille osoitettuja kiertoratoja maan suhteen kutsutaan Maan kiertoradoiksi. Näillä kiertoradoilla olevat satelliitit ovat Maan kiertoratasatelliitteja.
Tärkeitä Maan kiertoratoja ovat –
-
Geosynkroninen Maan kiertorata
-
Keskipitkän Maan kiertorata
-
Matalan Maan kiertorata
Geosynkroniset Maan kiertoradalla liikkuvat satelliitit
Geo-GEO-satelliitti (Geosynkroninen Maan kiertorata) on satelliitti, joka on sijoitettu 22 asteen korkeuteen,300 mailin korkeudella Maan yläpuolella. Tämä kiertorata on synkronoitu oikean vuorokauden puolelle (eli 23 tuntia 56 minuuttia). Tällä radalla voi olla kaltevuus ja eksentrisyys. Se ei välttämättä ole ympyränmuotoinen. Tämä rata voi olla kallistunut maapallon napojen kohdalla. Maasta katsottuna se näyttää kuitenkin paikallaan pysyvältä.
Samaa geosynkronista kiertorataa kutsutaan geostationaariseksi kiertoradaksi, jos se on ympyränmuotoinen ja päiväntasaajan tasossa. Nämä satelliitit sijaitsevat 35 900 km (sama kuin geosynkroninen) Maan päiväntasaajan yläpuolella ja ne pyörivät jatkuvasti maapallon suunnan suhteen (lännestä itään). Näitä satelliitteja pidetään Maahan nähden paikallaan olevina, mihin nimi viittaa.
Geostationäärisiä maan kiertoratoja käytetään sääennusteisiin, satelliittitelevisioon, satelliittiradioihin ja muunlaiseen maailmanlaajuiseen viestintään.
Seuraavassa kuvassa on esitetty geosynkronisten ja geostationääristen kiertoratojen välinen ero. Kiertoakseli osoittaa Maan liikkeen.
Huomautus – Jokainen geostationaarinen rata on geosynkroninen rata. Mutta jokainen geosynkroninen rata EI ole geostationaarinen rata.
Keskikokoiset Maan kiertoradalla olevat satelliitit
Keskikokoiset Maan kiertoradalla olevat satelliittiverkot (MEO, Medium Earth Orbit) kiertävät kiertoradalla noin 8 000 kilometrin etäisyydellä Maan pinnasta. MEO-satelliitista lähetettävät signaalit kulkevat lyhyemmän matkan. Tämä merkitsee parempaa signaalin voimakkuutta vastaanottopäässä. Tämä tarkoittaa, että vastaanottopäässä voidaan käyttää pienempiä ja kevyempiä vastaanottopäätteitä.
Koska signaali kulkee lyhyemmän matkan satelliittiin ja satelliitista, siirtoviive on pienempi. Siirtoviive voidaan määritellä ajaksi, joka kuluu signaalin kulkemiseen satelliittiin ja takaisin vastaanottoasemalle.
Tosiaikaisessa viestinnässä viestintäjärjestelmä on sitä parempi, mitä lyhyempi siirtoviive on. Jos esimerkiksi GEO-satelliitti tarvitsee 0,25 sekuntia edestakaiseen matkaan, MEO-satelliitti tarvitsee alle 0,1 sekuntia saman matkan suorittamiseen. MEO-satelliitit toimivat vähintään 2 GHz:n taajuusalueella.
Matalan maan kiertoradan satelliitit
Matalan maan kiertoradan (LEO) satelliitit luokitellaan pääasiassa kolmeen luokkaan eli pieniin LEO-satelliitteihin, suuriin LEO-satelliitteihin ja Mega-LEO-satelliitteihin. LEO-satelliitit kiertävät 500-1000 mailin etäisyydellä maanpinnan yläpuolella.
Tämä suhteellisen lyhyt etäisyys vähentää lähetysviiveen vain 0,05 sekuntiin. Tämä vähentää entisestään herkkien ja tilaa vievien vastaanottolaitteiden tarvetta. Pienet LEO-laitteet toimivat 800 MHz:n (0,8 GHz) alueella. Isot LEO:t toimivat vähintään 2 GHz:n alueella, ja Mega-LEO:t toimivat 20-30 GHz:n alueella.
Mega-LEO:iin liittyvät korkeammat taajuudet lisäävät tiedonsiirtokapasiteettia ja mahdollistavat reaaliaikaisen, pienellä viiveellä toimivan videolähetysjärjestelmän.
Seuraavassa kuvassa on esitetty LEO:n, MEO:n ja GEO:n reitit.
