Un satelit este un corp care se deplasează în jurul altui corp pe o traiectorie previzibilă din punct de vedere matematic, numită Orbită. Un satelit de comunicații nu este altceva decât o stație repetoare de microunde în spațiu care este utilă în telecomunicații, radio și televiziune, împreună cu aplicații de internet.
Un repetor este un circuit care mărește puterea semnalului pe care îl primește și îl retransmite. Dar aici acest repetor funcționează ca un transponder, care schimbă banda de frecvență a semnalului transmis, față de cel primit.
Frecvența cu care semnalul este trimis în spațiu se numește frecvență Uplink, în timp ce frecvența cu care este trimis de către transponder este frecvența Downlink.
Figura următoare ilustrează clar acest concept.
Acum, să aruncăm o privire asupra avantajelor, dezavantajelor și aplicațiilor comunicațiilor prin satelit.
Comunicațiile prin satelit – Avantaje
Există multe avantaje ale comunicațiilor prin satelit, cum ar fi: –
-
Flexibilitate
-
Facilitate în instalarea de noi circuite
-
Distanțele sunt acoperite cu ușurință și costul nu contează
-
Transmisia prin radiodifuziune posibilități
-
Este acoperit fiecare colț de pământ
-
Utilizatorul poate controla rețeaua
Comunicațiile prin satelit – Dezavantaje
Comunicațiile prin satelit au următoarele dezavantaje –
-
Costurile inițiale, cum ar fi costurile de segment și de lansare, sunt prea mari.
-
Congestionarea frecvențelor
-
Interferențe și propagare
Comunicații prin satelit – Aplicații
Comunicațiile prin satelit își găsesc aplicații în următoarele domenii –
-
În radiodifuziune.
-
În radiodifuziunea TV, cum ar fi DTH.
-
În aplicațiile de internet, cum ar fi asigurarea conexiunii la internet pentru transferul de date, aplicații GPS, navigarea pe internet etc.
-
Pentru comunicații vocale.
-
Pentru sectorul de cercetare și dezvoltare, în multe domenii.
-
În aplicații militare și navigație.
Orientarea satelitului pe orbita sa depinde de cele trei legi numite legile lui Kepler.
Legile lui Kepler
Johannes Kepler (1571-1630) om de știință astronomic, a dat 3 legi revoluționare, cu privire la mișcarea sateliților. Traiectoria urmată de un satelit în jurul primarului său (Pământul) este o elipsă. Elipsa are două focare – F1 și F2, Pământul fiind unul dintre ele.
Dacă se ia în considerare distanța de la centrul obiectului la un punct de pe traiectoria sa eliptică, atunci cel mai îndepărtat punct al unei elipse de la centru se numește apogeu, iar cel mai scurt punct al unei elipse de la centru se numește perigeu.
Legea 1 a lui Kepler
Legea 1 a lui Kepler afirmă că, „fiecare planetă se învârte în jurul soarelui pe o orbită eliptică, având soarele ca unul dintre focarele sale”. Ca atare, un satelit se deplasează pe o traiectorie eliptică, cu Pământul ca unul dintre focarele sale.
Axa semigrea a elipsei este notată cu „a”, iar axa semimare este notată cu b. Prin urmare, excentricitatea e a acestui sistem poate fi scrisă sub forma –
$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$
-
Eccentricitatea (e) – Este parametrul care definește diferența dintre forma elipsei și cea a unui cerc.
-
Axa semimare (a) – Este cel mai lung diametru trasat unind cele două focare de-a lungul centrului, care atinge ambele apogee (cele mai îndepărtate puncte ale unei elipse de la centru).
-
Axa semiminoră (b) – Este cel mai scurt diametru trasat prin centru, care atinge ambele perigee (cele mai scurte puncte ale unei elipse de la centru).
Acestea sunt bine descrise în figura următoare.
Pentru o traiectorie eliptică, este întotdeauna de dorit ca excentricitatea să se situeze între 0 și 1, adică.adică 0 < e < 1, deoarece dacă e devine zero, traiectoria nu va mai fi de formă eliptică, ci mai degrabă se va transforma într-o traiectorie circulară.
Legea a 2-a a lui Kepler
Legea a 2-a a lui Kepler afirmă că: „Pentru intervale egale de timp, suprafața acoperită de satelit este egală în raport cu centrul Pământului.”
Se poate înțelege aruncând o privire la următoarea figură.
Să presupunem că satelitul parcurge distanțe p1 și p2, în același interval de timp, atunci suprafețele B1 și B2 parcurse în ambele cazuri, respectiv, sunt egale.
Legea a 3-a a lui Kepler
Legea a 3-a a lui Kepler afirmă că: „Pătratul timpului periodic al orbitei este proporțional cu cubul distanței medii dintre cele două corpuri.”
Acest lucru poate fi scris matematic sub forma
$$T^{2}\:\alpha\:\\:a^{3}$$
Ceea ce implică
$$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$
Unde $\frac{4\pi ^{2}}{GM}$ este constanta de proporționalitate (conform mecanicii newtoniene)
$$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$
Unde μ = constanta gravitațională geocentrică a Pământului, i.adică Μ = 3.986005 × 1014 m3/sec2
$$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$$
$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}}{\mu}\:\:\:\:\Rightarrow \:\:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}}$$
Unde n = mișcarea medie a satelitului în radiani pe secundă
Funcționarea orbitală a sateliților se calculează cu ajutorul acestor legi ale lui Kepler.
Împreună cu acestea, există un lucru important care trebuie remarcat. Un satelit, atunci când se rotește în jurul Pământului, este supus unei forțe de atracție din partea Pământului, care este forța gravitațională. De asemenea, el suferă o anumită forță de atracție din partea soarelui și a lunii. Prin urmare, există două forțe care acționează asupra sa. Acestea sunt: –
-
Forța centripetă – Forța care tinde să atragă un obiect care se deplasează pe o traiectorie spre el însuși se numește forță centripetă.
-
Forța centrifugă – Forța care tinde să împingă un obiect care se deplasează pe o traiectorie departe de poziția sa se numește forță centrifugă.
Atunci, un satelit trebuie să echilibreze aceste două forțe pentru a se menține pe orbita sa.
Orbite terestre
Un satelit, atunci când este lansat în spațiu, trebuie să fie plasat pe o anumită orbită pentru a asigura o anumită cale de revoluție, astfel încât să mențină accesibilitatea și să servească scopului său, fie el științific, militar sau comercial. Astfel de orbite care sunt atribuite sateliților, în raport cu Pământul, se numesc orbite terestre. Sateliții aflați pe aceste orbite sunt sateliți cu orbită terestră.
Cele mai importante tipuri de orbite terestre sunt: –
-
Orbita terestră geosincronă
-
Orbita terestră medie
-
Orbita terestră joasă
Sateliți cu orbită terestră geosincronă
Un satelit cu orbită terestră geosincronă.orbită terestră sincronă (GEO) este un satelit care este plasat la o altitudine de 22,300 mile deasupra Pământului. Această orbită este sincronizată cu o zi reală laterală (de exemplu, 23ore 56minute). Această orbită poate avea înclinație și excentricitate. Ea poate să nu fie circulară. Această orbită poate fi înclinată la polii Pământului. Dar ea pare staționară atunci când este observată de pe Pământ.
Aceeași orbită geosincronă, dacă este circulară și în planul ecuatorului, se numește orbită geostaționară. Acești sateliți sunt plasați la 35.900kms (la fel ca și geosincronii) deasupra Ecuatorului Pământului și continuă să se rotească în raport cu direcția Pământului (de la vest la est). Acești sateliți sunt considerați staționari în raport cu Pământul și de aici și numele pe care îl implică.
Sateliții cu orbită terestră geostaționară sunt folosiți pentru prognoza meteo, televiziune prin satelit, radio prin satelit și alte tipuri de comunicații globale.
Figura următoare arată diferența dintre orbitele geosincronă și geostaționară. Axa de rotație indică mișcarea Pământului.
Nota – Fiecare orbită geostaționară este o orbită geosincronă. Dar fiecare orbită geosincronă NU este o orbită geostaționară.
Sateliți pe orbită medie terestră
Rețelele de sateliți pe orbită medie terestră (MEO) vor orbita la distanțe de aproximativ 8000 de mile de la suprafața Pământului. Semnalele transmise de la un satelit MEO parcurg o distanță mai scurtă. Acest lucru se traduce printr-o putere îmbunătățită a semnalului la capătul de recepție. Acest lucru arată că la capătul de recepție pot fi utilizate terminale de recepție mai mici și mai ușoare.
Din moment ce semnalul parcurge o distanță mai scurtă către și de la satelit, există o întârziere de transmisie mai mică. Întârzierea de transmisie poate fi definită ca fiind timpul necesar pentru ca un semnal să călătorească până la un satelit și înapoi până la o stație de recepție.
Pentru comunicațiile în timp real, cu cât întârzierea de transmisie este mai mică, cu atât mai bun va fi sistemul de comunicații. Ca exemplu, dacă un satelit GEO are nevoie de 0,25 secunde pentru o călătorie dus-întors, atunci satelitul MEO are nevoie de mai puțin de 0,1 secunde pentru a efectua aceeași călătorie. MEO operează în gama de frecvențe de 2 GHz și mai sus.
Sateliți pe orbită joasă a Pământului
Sateliții pe orbită joasă a Pământului (LEO) sunt clasificați în principal în trei categorii, și anume: LEO mici, LEO mari și Mega-LEO. LEO-urile vor orbita la o distanță de 500 până la 1000 de mile deasupra suprafeței Pământului.
Această distanță relativ scurtă reduce întârzierea de transmisie la numai 0,05 secunde. Acest lucru reduce și mai mult nevoia de echipamente de recepție sensibile și voluminoase. Micile LEO-uri vor funcționa în gama de 800 MHz (0,8 GHz). LEO-urile mari vor funcționa în gama de 2 GHz sau mai sus, iar Mega-LEO-urile funcționează în gama de 20-30 GHz.
Frecvențele mai mari asociate cu Mega-LEO-urile se traduc printr-o capacitate mai mare de transport al informațiilor și cedează capacitatea de a realiza o schemă de transmisie video în timp real, cu întârziere redusă.
Figura următoare descrie căile LEO, MEO și GEO.
.