Un satellite è un corpo che si muove intorno a un altro corpo in un percorso matematicamente prevedibile chiamato orbita. Un satellite di comunicazione non è altro che una stazione ripetitore a microonde nello spazio che è utile nelle telecomunicazioni, radio e televisione insieme alle applicazioni internet.
Un ripetitore è un circuito che aumenta la forza del segnale che riceve e lo ritrasmette. Ma qui questo ripetitore funziona come un transponder, che cambia la banda di frequenza del segnale trasmesso, da quello ricevuto.
La frequenza con cui il segnale viene inviato nello spazio è chiamata frequenza Uplink, mentre la frequenza con cui viene inviato dal transponder è la frequenza Downlink.
La figura seguente illustra chiaramente questo concetto.
Ora, diamo uno sguardo ai vantaggi, svantaggi e applicazioni delle comunicazioni satellitari.
Comunicazione satellitare – Vantaggi
Ci sono molti vantaggi delle comunicazioni satellitari come –
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Flessibilità
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Facilità nell’installazione di nuovi circuiti
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Distanze facilmente coperte e il costo non conta
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Possibilità di trasmissione possibilità
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Ogni angolo della terra è coperto
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L’utente può controllare la rete
Comunicazione via satellite – Svantaggi
La comunicazione via satellite ha i seguenti svantaggi –
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I costi iniziali come quelli di segmento e di lancio sono troppo alti.
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Congestione delle frequenze
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Interferenza e propagazione
Comunicazione satellitare – Applicazioni
La comunicazione satellitare trova le sue applicazioni nelle seguenti aree –
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Nella trasmissione radio.
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Nelle trasmissioni televisive come DTH.
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Nelle applicazioni Internet come la fornitura di connessione Internet per il trasferimento di dati, applicazioni GPS, navigazione Internet, ecc.
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Per le comunicazioni vocali.
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Per il settore ricerca e sviluppo, in molte aree.
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In applicazioni militari e navigazione.
L’orientamento del satellite nella sua orbita dipende dalle tre leggi chiamate leggi di Keplero.
Leggi di Keplero
Johannes Kepler (1571-1630) lo scienziato astronomo, ha dato 3 leggi rivoluzionarie, riguardanti il moto dei satelliti. Il percorso seguito da un satellite intorno al suo primario (la terra) è un’ellisse. L’ellisse ha due fuochi – F1 e F2, la terra è uno di loro.
Se si considera la distanza dal centro dell’oggetto a un punto sul suo percorso ellittico, allora il punto più lontano di un’ellisse dal centro è chiamato apogeo e il punto più corto di un’ellisse dal centro è chiamato perigeo.
La prima legge di Keplero
La prima legge di Keplero afferma che “ogni pianeta gira intorno al sole in un’orbita ellittica, con il sole come uno dei suoi fuochi”. Come tale, un satellite si muove in un percorso ellittico con la terra come uno dei suoi fuochi.
Il semiasse maggiore dell’ellisse è indicato come ‘a’ e il semiasse minore è indicato come b. Pertanto, l’eccentricità e di questo sistema può essere scritta come –
$e = \frac{sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$
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Eccentricità (e) – È il parametro che definisce la differenza nella forma dell’ellisse piuttosto che quella di un cerchio.
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Asse semimaggiore (a) – È il diametro più lungo tracciato congiungendo i due fuochi lungo il centro, che tocca entrambi gli apogei (punti più lontani di un’ellisse dal centro).
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Asse semiminore (b) – È il diametro più corto tracciato attraverso il centro che tocca entrambi i perigei (i punti più corti di un’ellisse dal centro).
Sono ben descritti nella figura seguente.
Per un percorso ellittico, è sempre auspicabile che l’eccentricità sia compresa tra 0 e 1, cioèe. 0 < e < 1 perché se e diventa zero, il percorso non sarà più in forma ellittica piuttosto sarà convertito in un percorso circolare.
La seconda legge di Keplero
La seconda legge di Keplero afferma che, “Per intervalli di tempo uguali, l’area coperta dal satellite è uguale rispetto al centro della terra.”
Lo si può capire dando un’occhiata alla figura seguente.
Supponiamo che il satellite copra le distanze p1 e p2, nello stesso intervallo di tempo, allora le aree B1 e B2 coperte rispettivamente nei due casi, sono uguali.
La terza legge di Keplero
La terza legge di Keplero afferma che “Il quadrato del tempo periodico dell’orbita è proporzionale al cubo della distanza media tra i due corpi.”
Questo può essere scritto matematicamente come
$$T^{2}:\alfa:\:a^{3}$
Che implica
$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$
dove $frac{4\pi ^{2}}{GM}$ è la costante di proporzionalità (secondo la Meccanica Newtoniana)
$$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3}$
dove μ = la costante gravitazionale geocentrica della terra, i.e. Μ = 3.986005 × 1014 m3/sec2
$$1 = \sinistra ( \frac{2\pi}{T} \destra )^{2}frac{a^{3}}{\mu}$$
$1 = n^{2}frac{a^{3}{\mu}}:\freccia destraa^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$
dove n = il moto medio del satellite in radianti al secondo
Il funzionamento orbitale dei satelliti è calcolato con l’aiuto di queste leggi di Keplero.
Oltre a queste, c’è una cosa importante da notare. Un satellite, quando gira intorno alla terra, subisce una forza di attrazione dalla terra che è la forza gravitazionale. Inoltre, sperimenta una certa forza di attrazione dal sole e dalla luna. Quindi, ci sono due forze che agiscono su di essa. Esse sono –
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Forza centripeta – La forza che tende ad attirare un oggetto che si muove in una traiettoria, verso se stesso è chiamata forza centripeta.
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Forza centrifuga – La forza che tende a spingere un oggetto che si muove in una traiettoria, lontano dalla sua posizione è chiamata forza centrifuga.
Così, un satellite deve bilanciare queste due forze per mantenersi nella sua orbita.
Orbite terrestri
Un satellite quando viene lanciato nello spazio, ha bisogno di essere collocato in una certa orbita per fornire un modo particolare per la sua rivoluzione, in modo da mantenere l’accessibilità e servire il suo scopo sia scientifico, militare o commerciale. Tali orbite che vengono assegnate ai satelliti, rispetto alla terra, sono chiamate orbite terrestri. I satelliti in queste orbite sono satelliti ad orbita terrestre.
I tipi importanti di orbite terrestri sono –
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Orbita terrestre geosincrona
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Orbita terrestre media
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Orbita terrestre bassa
Satelliti con orbita terrestre geosincrona
A Geo-Orbita terrestre sincrona (GEO) è un satellite che si trova ad un’altitudine di 22,300 miglia sopra la Terra. Questa orbita è sincronizzata con un giorno reale laterale (cioè 23 ore e 56 minuti). Questa orbita può avere inclinazione ed eccentricità. Può non essere circolare. Questa orbita può essere inclinata ai poli della terra. Ma appare stazionaria quando viene osservata dalla Terra.
La stessa orbita geosincrona, se è circolare e nel piano dell’equatore, è chiamata orbita geostazionaria. Questi satelliti sono posti a 35.900 km (come i geosincroni) sopra l’equatore terrestre e continuano a ruotare rispetto alla direzione della terra (da ovest a est). Questi satelliti sono considerati stazionari rispetto alla terra e quindi il nome implica.
I satelliti ad orbita geostazionaria sono utilizzati per le previsioni del tempo, la TV satellitare, la radio satellitare e altri tipi di comunicazioni globali.
La figura seguente mostra la differenza tra le orbite geosincrone e geostazionarie. L’asse di rotazione indica il movimento della Terra.
Nota – Ogni orbita geostazionaria è un’orbita geosincrona. Ma ogni orbita geosincrona NON è un’orbita geostazionaria.
Satelliti ad orbita terrestre media
Le reti di satelliti ad orbita terrestre media (MEO) orbitano a distanze di circa 8000 miglia dalla superficie terrestre. I segnali trasmessi da un satellite MEO viaggiano su una distanza più breve. Questo si traduce in una migliore potenza del segnale all’estremità ricevente. Questo dimostra che si possono usare terminali di ricezione più piccoli e leggeri all’estremità ricevente.
Siccome il segnale viaggia su una distanza più breve da e verso il satellite, c’è meno ritardo di trasmissione. Il ritardo di trasmissione può essere definito come il tempo necessario a un segnale per viaggiare fino a un satellite e ridiscendere a una stazione ricevente.
Per le comunicazioni in tempo reale, minore è il ritardo di trasmissione, migliore sarà il sistema di comunicazione. Per esempio, se un satellite GEO richiede 0,25 secondi per un viaggio di andata e ritorno, il satellite MEO richiede meno di 0,1 secondi per completare lo stesso viaggio. I MEO operano nella gamma di frequenza di 2 GHz e oltre.
Satelliti ad orbita terrestre bassa
I satelliti ad orbita terrestre bassa (LEO) sono principalmente classificati in tre categorie, cioè piccoli LEO, grandi LEO e Mega-LEO. I LEO orbitano a una distanza da 500 a 1000 miglia sopra la superficie terrestre.
Questa distanza relativamente breve riduce il ritardo di trasmissione a soli 0,05 secondi. Questo riduce ulteriormente la necessità di apparecchiature di ricezione sensibili e ingombranti. I piccoli LEO opereranno nella gamma degli 800 MHz (0,8 GHz). I grandi LEO opereranno nella gamma di 2 GHz o superiore, e i Mega-LEO operano nella gamma di 20-30 GHz.
Le frequenze più alte associate ai Mega-LEO si traducono in una maggiore capacità di trasporto delle informazioni e rendono possibile uno schema di trasmissione video in tempo reale e a basso ritardo.
La figura seguente mostra i percorsi di LEO, MEO e GEO.
