Systemy LEO i MEO



Iridium
Globalstar Systemy satelitarne wg. Lloyda Wooda
Teledesic
Celestri Tabele porównawcze z danymi
Odyssey o Iridium, Globalstar, Odyssey, ICO
ICO i Teledesic (pierwotny projekt)
Skybridge
Inne systemy graficzna wizualizacja niektórych systemów






Idea sieci S-PCN (Satellite Personal Communication Network) polega na zapewnieniu globalnej łączności klientom indywidualnym. Zakłada się, że abonent takiej sieci może się poruszać. Podstawowymi usługami są telefonia, transmisja danych, faks i łączność z publiczną siecią telekomunikacyjną (telefoniczna, Internet). W porównaniu z innymi sieciami satelitarnymi bardziej istotne są : Poniżej opisanych jest kilka pomysłów systemów S-PCN. Jednak obecnie funkcjonują tylko Iridium i Globalstar, zresztą po wcześniejszej bankrucji. Generalnie, firmy planujące sieci S-PCN albo zbankrutowały, albo realizacja ich projektów została wstrzymana.
Jeden rozdział poświęcony jest też Skybridge - projektowi satelitarnej sieci szkieletowej o dużej przepustowości łączącej stacjonarne węzły naziemne.


Iridium

System ten to projekt Motoroli uruchomiony 1 listopada 1998 roku. Wstępnie miał bazować na 77 satelitach i dodatkowo 7 zapasowych - stąd nazwa pochodząca od pierwiastka o liczbie atomowej 77. Później liczbę satelitów zmniejszono do 66 i 6 zapasowych, stara nazwa jednak pozostała. Satelity krążyły po orbitach na wysokości 780 km i inklinacji równej 86.4°. Czas obiegu dookoła Ziemi to 100 minut i 28 sekund - prędkość względem powierzchni Ziemi: ok. 24 tys. km/h, satelita był widoczny z jednego punktu Ziemi przez 11.1 minuty. Każdy satelita wyposażony był w anteny do komunikacji z czterema sąsiednimi satelitami, oraz 48-wiązkową antenę do łączności z Ziemią. Przy 66 satelitach daje to 3168 wiązek, z których część była wyłączana gdy wiązki się nakładały - nad biegunami. Każda wiązka anteny mogła obsłużyć teren o promieniu około 300 km, pojedynczy satelita odpowiadał za obszar na Ziemi o promieniu około 1500 km.

Połączenia z publiczną siecią telekomunikacyjną odbywały się przez tzw. adaptery międzysieciowe (gateways). Adapterów tych było 12 plus jeden dodatkowy dla agencji rządowych i służb wojskowych USA.
System korzystał z kilku różnych pasm częstotliwości : Iridium zapewniał swoim użytkownikom : transmisję głosu i danych - 2.4 kbps, faksów i tzw. przywoływanie alfanumeryczne. Terminale były niewielkie - ich waga nie przekracza 0.5 kg - produkowane są przez dwie firmy: Motorolę i Kyocerę. Zazwyczaj były to terminale dwusystemowe, umożliwiające również połączenia z lokalną siecią komórkową GSM.

Przypuszczano, że systemem zainteresują się ludzie ze środowisk biznesu, będący w ruchu i chcący mieć cały czas dostęp do usług sieciowych, z których korzystają w biurach. Liczono również na administrację państw rozwijających się, których nie stać na położenie sieci naziemnej. System nie rozwijał się jednak tak jak życzyliby sobie tego jego właściciele, chętnych było mało. Z pewnością istotną rolę odegrały tutaj ceny (minuta rozmowy kosztowała średnio 5 $) oraz popularność naziemnych sieci komórkowych. Faktem jest, że komercyjna działalność systemu zakończyła się porażką. W sierpniu 1999 roku Iridium zbankrutowało.

    "Everyone in the industry has looked at Iridium as the pioneers of satellite phone service. And when they couldn't find anyone to pay $3,000 for a phone and $7 a minute for service, it was like -- duh! There aren't all that many people who track up to the North Pole."
Rikki Lee, editor of Wireless Week
Rok później pozostałość majątku wraz z krążącymi po orbitach satelitami przejęło stworzone w tym celu konsorcjum Iridium Satellite LLC. System, zbudowany przez Motorolę za 5 G$, sprzedano za 25 M$. Iridium Satellite LLC zredukowało koszty utrzymania systemu, z 12 adapterów międzysieciowych pozostał jeden. Firma ma stały kontrakt z Departamentem Obrony USA na 20 tys. użytkowników sieci. Poza tym, zamierza świadczyć usługi głównie firmom, dla których łączność satelitarna jest niezbędna (transport morski, lotnictwo), oraz organizacjom pozarządowym.

Satelity Iridium są czasem widoczne z powierzchni Ziemi. Na niebie można zaobserwować rozbłyski (po prawej zdjęcie wykonane przez Steinara Midtskogena) - odbicia promieni słonecznych od aluminiowych anten satelitów.

Zdjęcia satelity Iridium wykonane w National Air & Space Museum w Waszyngtonie.
Zdjęcia Daniela Deaka, również z NASM.


Globalstar

Jest to system konkurencyjny wobec Iridium. Za początek jego działalności należy uważać rok 1999, sam projekt powstał w 1994 roku. Obszar jego funkcjonalności to głównie niskie i umiarkowane szerokości geograficzne na całej powierzchni kuli ziemskiej.

Segment kosmiczny to 48 satelitów aktywnych i 8 zapasowych. Ich orbity mają wysokość 1414 km i inklinację 52°. Satelity posiadają 16-wiązkowe anteny nadawczą i odbiorczą. Retransmitują tylko sygnał od terminali abonenckich do naziemnych stacji bazowych lub odwrotnie. Nie istnieją tutaj żadne łącza międzysatelitarne, nie ma też możliwości przetwarzania sygnału w satelicie. Satelita jedynie zmienia częstotliwość sygnału.
Taka koncepcja sieci oznacza konieczność istnienia bardziej rozbudowanego segmentu naziemnego niż było to w przypadku systemu Iridium. Można wymienić :


Satelita Globalstar - ze strony College of Engineering, University of Massachusetts Amherst


System Globalstar wykorzystuje następujące częstotliwości : System Globalstar miał stanowić dopełnienie dla lokalnej sieci komórkowej. Terminale abonenckie były dwusystemowe (np. Globalstar/GSM) i pierwsza próba połączenia następowała przez sieć komórkową. Gdy to było niemożliwe zestawiane było łącze przez satelitę. Dla operatora komórkowego, który miał korzystać z sieci Globalstar, stacje bazowe systemu satelitarnego były po prostu dodatkowymi stacjami bazowymi uzupełniającymi jego sieć. W związku z tym usługi w systemie Globalstar były analogiczne do tych oferowanych przez operatorów sieci komórkowych.

Firma zaczęła mieć jednak kłopoty finansowe. Dla utrzymania systemu powinno z niego korzystać 500 tys. klientów, a w sierpniu 2000 roku zarejestrowanych było tylko 13 tysięcy. Na początku roku 2001 długi Globalstar wynosiły 3 G$ przy całkowitej wartości systemu równej 4 G$. Rok później ogłoszono bankructwo. W kwietniu 2003, wiekszość udziałów w zreorganizowanym Globalstar sprzedano firmie ICO. W kwietniu 2004 sieć satelitów przejęło Thermo Capital Partners LLC. Globalstar nadal oferuje swoje usługi.


Teledesic

Opisany poniżej projekt sieci nie jest już aktualny, firma dwukrotnie zmieniła plany, a w końcu z nich zrezygnowała. Jednak pomysł ten jest jednym z najciekawszych projektów sieci satelitów LEO i wart jest poświęcenia mu kilku akapitów.

Pomysł Teledesic powstał w 1990 roku. W porównaniu z systemami Iridium i Globalstar wyróżnia się wyraźnie dzięki: W roku 1990 myślano o 840 satelitach aktywnych i 84 zapasowych. 8 lat później zmieniono plany na 288 satelitów krążących po 12 różnych orbitach na wysokości 1350 km. System miał działać w paśmie Ka.

Przy tak dużej ilości satelitów, wiązki ich anten (przy efektywnym wykorzystaniu sieci) obejmują stosunkowo małe obszary na powierzchni Ziemi. Ten fakt, przy prędkości przesuwania się tych wiązek równej 25 tys. km/h sprawia, że terminal abonencki przebywałby w obrębie jednej wiązki zaledwie parę sekund. Oznaczałoby to bardzo często przełączenia, zupełnie dezorganizujące działanie sieci. Dlatego też, anteny satelitów są nakierowywane na ten sam obszar na powierzchni Ziemi przez pewien czas, po czym przeskakują do następnego obszaru i znów "trzymają się go" przez pewien okres czasu. Obszary takie zwane są komórkami stacjonarnymi. Należy tu zwrócić uwagę na fakt, że zastosowanie takiego rozwiązania technicznego wymaga bardzo dokładnego określania pozycji satelity na orbicie i jednocześnie niezwykle precyzyjnego sterowania wiązkami antenowymi.

Kolejną innowacją jest zastosowanie komutacji pakietów. Transmitowana informacja dzielona jest na równe fragmenty i przesyłana przez sieć satelitów, niekoniecznie tą samą trasą. Nie mamy już tutaj do czynienia z retransmisją sygnału przez satelitę od razu na powierzchnię Ziemi. Sygnał przetwarzany jest w satelicie i do celu podąża właśnie przez inne satelity - to one stanowią sieć szkieletową. Podstawą są więc tutaj łącza międzysatelitarne - każdy satelita może przesyłać sygnały do 8 innych satelitów - 2 poprzednich i 2 następnych na tej samej orbicie oraz po jednym równoległym na sąsiednich orbitach (2 sąsiednie z każdej strony). Dzięki temu sieć jest odporna na awarie i przeciążenia poszczególnych węzłów. Wybór trasy poprzez sieć dokonywana jest poprzez odpowiedni algorytm routingowy uwzględniający ciągłe zmiany obciążeń poszczególnych łączy. Skutkiem tego pakiety jednej wiadomości mogą wędrować przez sieć różnymi drogami. Jeżeli to konieczne, przed punktem docelowym ustawiane są we właściwej kolejności.

W systemie Teledesic można wykorzystywać zarówno terminale stacjonarne jak i ruchome. Terminale stacjonarne zapewniają łączność w kanale 16 kbit/s + 2 kbit/s na sygnalizację i sterowanie. Taki kanał może być multipleksowany i dzięki temu na pojedynczym terminalu można uzyskać przepustowość do 2 Mbit/s. Proponowane usługi to transmisja mowy, danych, faksów, łączność modemowa - 4.8 kbit/s. Możliwa jest też realizacja usług ISDN. Do terminala stacjonarnego można podłączyć całą sieć lokalną. Antena jest niewielka - średnica to 25 cm.
Terminale ruchome mają rozmiar telefonów komórkowych i stosują anteny niskoprofilowe, np. mikropaskowe. Tutaj dostępny jest tylko jeden kanał 16+2 kbit/s. Dostępne usługi są analogiczne jak w przypadku terminali stacjonarnych, nie są jednak możliwe usługi ISDN, z powodu zbyt małej przepustowości (konieczne minimum 64 kbit/s).

W maju 1998 roku ogłoszono połączenie projektów Teledesic i opisanego poniżej Celestri. Dwa lata później Teledesic nawiązał współpracę z New ICO, który przejął majątek po bankrutującym systemie ICO, opartym na 12 satelitach MEO. W lutym 2002 roku Teledesic obwieścił kolejną zmianę planów, tym razem na 30 satelitów MEO. W lipcu 2003 roku ostatecznie zrezygnowano z budowy systemu.


Celestri

Celestri to kolejny projekt Motoroli. Firma zamierzała wykorzystać całe doświadczenie po porażce Iridium.
Celestri miał opierać się zarówno na satelitach LEO jak i na geostacjonarnych. Te pierwsze miały zapewnić równomierny zasięg na całej kuli ziemskiej, podczas gdy te drugie miały stanowić dodatkowe wsparcie w obszarach o największym zapotrzebowaniu na pasmo, a więc w niskich i umiarkowanych szerokościach geograficznych. Jednocześnie zakładano, że satelity niskoorbitalne będą realizować przede wszystkim szerokopasmową transmisję danych (połączenia stałe lub okresowe do konkretnych klientów), natomiast satelity GEO skupią na radiodyfuzji i transmisji wąskopasmowej na dużym obszarze. Generalnie, system miał być multimedialny - w szerokim tego słowa znaczeniu i zdolny do przenoszenia wszelkiego rodzaju usług telekomunikacyjnych. Trzeba tutaj jednak zaznaczyć, że w przeciwieństwie do Iridium Celestri miał świadczyć usługi klientom z terminalami stacjonarnymi, trudno więc stosować tu miano systemu komunikacji osobistej.
Koszt całej sieci oceniano na 12.9 mld $.

Jak zostało to napisane powyżej w skład systemu miały wchodzić zarówno satelity geostacjonarne jak i niskoorbitalne. Satelitów geostacjonarnych planowano - według różnych danych - 3 lub 9, ostatnie informacje mówiły raczej o dziewięciu. Pasmo o szerokości 750 MHz miało pozwolić na przenoszenie sygnałów o łącznej przepustowości 2.8 Gbps do każdego z tych satelitów.
Przewidywano 63 satelity LEO - po 9 na każdej z 7 orbit o inklinacji 48 stopni. Te satelity miały pracować na częstotliwościach : Przewidywano, że każdy satelita będzie w stanie generować 260 antenowych wiązek punktowych łącznie pokrywających na Ziemi obszar o promieniu około 2500 km (każda wiązka miała odpowiadać za obszar o promieniu 150 km). Zastosowanie wiązek punktowych i odpowiednich technik zwielokrotnienia miało umożliwić transmisję z przepustowością do 8.75 Gbps w obu kierunkach. Jednocześnie możliwa miała być transmisja między satelitami LEO - planowano, że każdy z nich będzie się komunikował z sześcioma sąsiednimi w kanale radiowym o częstotliwościach świetlnych i przepustowości 4 Gbps.

W skład segmentu naziemnego systemu wchodzić miały : Przewidywano, że będzie 5 typów stacji użytkowników, różniących się w zależności od rodzaju, częstości i długości przesyłanych informacji. Przepustowości łącz tych stacji wahać się miały między 64 kbps a 155 Mbps.

W maju 1998 roku połączono projekty sieci Teledesic i Celestri. W praktyce oznaczało to rezygnację z dalszej realizacji sieci Celestri i ewentualne wykorzystanie pewnych elementów w projekcie Teledesic. Z Teledesic zrezygnowano 5 lat później.


Odyssey

Był to pomysł amerykańskiej firmy TRW, mający zapewnić ogólnoświatową łączność telefoniczną. Zgodnie z projektem, system miał się opierać na 12 satelitach MEO, krążących po trzech orbitach na wysokości 10 354 km i inklinacji 55°. Wybór tak wysokich orbit oznacza, że dany satelita jest dłużej widziany z Ziemi i przełączenia są zdecydowanie rzadsze niż w przypadku Iridium czy Globalstar. W tym przypadku satelita widziany jest również na większym obszarze, co sprawia, że wystarczy ich mniejsza ilość do utrzymywania komunikacji globalnej. Jednocześnie twórcy projektu zakładali, że system ma zapewniać łączność przede wszystkim nad lądami i w związku z tym satelity wyposażone są w anteny sterowane, śledzące dany obszar na powierzchni Ziemi. Orbity MEO wiążą się jednak z większymi opóźnieniami transmisji - 35-45 ms.
Zakładano ciągłą widoczność przez abonenta jednego, a zazwyczaj dwóch satelitów. Połączenia miały być realizowane przy kącie elewacji wynoszącym co najmniej 20°.
Odyssey nie przewidywał przetwarzania sygnału na pokładach satelitów. Satelity miały jedynie zmieniać częstotliwość sygnału i przesyłać go do stacji naziemnych. Stacje naziemne miały się łączyć z naziemnymi sieciami telefonicznymi lub ponownie przez satelitę przesyłać sygnał do abonenta z terminalem ruchomym.
System miał działać w technice CDMA i wykorzystywać pasma : Przewidywano, że Odyssey będzie współpracować z lokalnymi naziemnymi operatorami telefonii komórkowej. Planowano terminale dwusystemowe, podobnie jak w przypadku Globalstar, Iridium czy ICO. W pierwszej kolejności następować miała próba połączenia przez sieć komórkową, a gdy to niemożliwe, połączenie miało być realizowane przez satelitę.

Historia systemu Odyssey kończy się jednak w grudniu 1997 roku. 17-tego dnia tego miesiąca ogłoszono zaprzestanie dalszych prac nad systemem z powodu braku funduszy.


ICO (Intermediate Circular Orbit)

Inne nazwy tego systemu to Inmarsat P, Project 21 lub Inmarsat P-21. Początkowo projekt planowany był przez konsorcjum Inmarsat, potem przejęty przez niezależną firmę, stąd zmiana nazwy. Plan systemu jest dość podobny do planu Odyssey, z którym zresztą toczono spór prawny o wysokość orbity. Bazuje na 10 i 2 zapasowych satelitach MEO. Wysokość orbity to 10355 km, potem zmienione na 10 390 km, inklinacja wynosi 45°. Satelity odbierają sygnał od terminali ruchomych, zmieniają jego częstotliwość i transmitują do stacji naziemnych, bez przetwarzania informacji na orbicie (przekaźniki bierne). Techniką wielodostępu jest TDMA.
Wykorzystane są częstotliwości : Terminale abonenckie mają rozmiary telefonów komórkowych. Umożliwiają łączność telefoniczną, przesyłanie faksów, transmisję danych i paging. ICO, jako członek grupy GSM Memorandum of Understanding, wykorzystał wiele z techniki GSM przy projektowaniu systemu. Zakładano zresztą, że terminale ICO będą działać jako dwusystemowe w połączeniu z siecią komórkową - najpierw podejmowana będzie próba połączenia przez sieć komórkową, a gdy to nie będzie możliwe - przez sieć satelitarną.

Pieniądze na budowę systemu skończyły się 27 sierpnia 1999 roku i firma ICO Global Communications ogłosiła upadłość. W maju 2000, pozostałości majątku i krążące po orbitach satelity zostały przejęte nowo powstałą firmę New ICO, ściśle współpracującą z Teledesic.

Zdjęcia anten satelitów ICO ze strony Bussiness Wire.


Skybridge

System ten projektowany był przez konsorcjum, na czele którego stał francuski Alcatel. W przedsięwzięciu swój udział miało wiele znanych i dużych firm : amerykańska Loral Space & Communications, japońskie Mitsubishi Electric, Sharp i Toshiba, SPAR Aerospace z Kanady, Aerospatiale z Francji i inne. Skybridge miał stanowić sieć szerokopasmową będącą dostępem do sieci stacjonarnych. Nie był to bynajmniej system komunikacji osobistej.

Segment kosmiczny Skybridge miało stanowić początkowo 64 satelitów, później zwiększono tą liczbę do 80. Wysokość orbity to według różnych danych 1457 lub 1469 km. Satelity miały krążyć w dwóch konstelacjach, tak aby zawsze dwa satelity poruszały się współbieżnie dla większej przepustowości systemu. W każdej konstelacji planowano 8 orbit - po 5 satelitów na każdej. Przewidywano inklinację 55°, co miało umożliwić działanie systemu do 68 stopnia szerokości geograficznej na obu półkulach. Anteny satelitów miały wytwarzać do 45 wiązek, tak aby każdy satelita obsługiwał obszar o promieniu około 2500 km. System miał pracować w paśmie Ku (11-16 GHz).

Planowano trzy typy terminali Skybridge: dla klientów indywidualnych, dla firm lub instytucji lub mogące pracować jako węzły sieci teletransmisyjnych. W związku z tym, kanały radiowe dla nich przeznaczone miały mieć różne przepustowości. Najmniejsze przewidywane były dla pojedynczych użytkowników: 2 Mbit/s w kierunku użytkownik-sieć i 20.5 Mbit/s w kierunku sieć-użytkownik. Większe przepustowości miały być możliwe jako krotności tych powyższych.
Zakładano, że system będzie oferował przede wszystkim szybki dostęp do Internetu, z wszystkimi związanymi z tym usługami. Bezpośrednio, była to oferta głównie dla operatorów telekomunikacyjnych, którzy z kolei mieli oferować usługi klientom indywidualnym lub firmom. Przewidywano, że Skybridge może też łączyć w jedną całość sieci lokalne lub tworzyć połączenia między stacjami bazowymi sieci komórkowej.

Skybridge nadal pozostaje tylko projektem. W styczniu 2002 roku ogłoszono wstrzymanie jego dalszego rozwoju.


Inne systemy

Powyżej opisane zostały największe, ale oczywiście nie wszystkie pomysły satelitarnych systemów telekomunikacyjnych. Warto też wymienić: Constellation, Final Analysis, Orbcomm, Starsys, Ellipso, ECO-8, Courier, Orblink.





Strona główna