ÜLEVAADE SATELLIITSIDESÜSTEEMIDEST Käesolev kirjatükk annab ülevaate sellest, mida kujutavad endast satelliidid, millisel otstarbel neid kasutatakse ja millised on kasutamiseesmärkidest tulenevad piirangud ja nõuded süsteemile, või vastupidi. Praeguseks tiirleb ümber Maa erinevatel orbiitidel 2006a 27.nov seisuga UCS Satellite Database alusel vähemalt 828 aktiivset satelliiti. Definitsiooni järgi on satelliit kaaslane, mis tiirleb kindlal orbiidil ümber primaarse keha, kusjuures satelliidi mass on palju väiksem primaarse keha massist. Satelliidid, millest meie siin räägime, on tehiskaaslased, mis on saadetud Maa orbiidile kindla eesmärgiga. Vastavalt eesmärgile jagunevad satelliidid järgmiselt: Antisatelliit relvad e.tapjasatelliidid olid kasutuses teiste satelliitide hävitamiseks. Peamiselt kasutasid neid USA ja Venamaa. Astronoomilisi satelliite kasutatakse kaugete planeetide, galaktikate ja teiste kosmiliste objektide uurimiseks. Biosatelliidid on elavate organismide transportimiseks mõeldud satelliidid, mida kasutatakse teaduslike eksperimentide läbiviimiseks. Sidesateliitide ülesandeks on võimaldada telekommunikatsiooniteenuste pakkumist distantsilt. Navigatsioonisatelliidid edastavad ajas radiosignaale, et maapealsed vastuvõtjad saaksid määrata oma täpse asukoha. Luuresatelliidid on Maa jälgimis või telekommunikatsioonisatelliidid, mis on arendatud peamiselt militaarkasutuseks. Vaatlussatelliidid on mittemilitaarseks kasutuseks mõeldud Maa ilmastiku ja keskkonna jälgimiseks ning kaardistamiseks. Solar Power Satellites on High Earth Orbitil ringlevad satelliidid, mis koguvad seal päiksepatareide abil päikeseenergiat ning edatavad selle siis mikrolainete vahendusel maale, kus seda kasutatakse energiaallikana. Kosmosejaamad on satelliidid, mis on kohandatud inimeste eluks kosmoses. Kosmosejaamu ei saa kasutada korduvalt maalt lahkumiseks ja naasemiseks. Ilmasatelliidi peamiseks ülesandeks on maa ilmastiku ja kliima muutuste jälgimine. Referaat ei käsitle kõiki satelliite vaid püüab selgitada satelliitsidesüsteemide toimimisskeeme suuremate side-, navigatsiooni ja ilmasatelliitsüsteemide näitel.
Satelliitsideks kõlbulik on väga lai sagedusriba (Joonis 1). Allolev pilt on genereeritud USA 2006a sagedusplaani andmete põhjal. Selle põhjal jäävad USAs satelliitsideks kasutatavad sagedused 12MHz 276GHz vahele, kuigi enamlevinud sagedused satelliitsides on üldiselt 1GHz-40GHz, mis jäävad täies ulatuses spektri mikrolaine piirkonda. Spektri mikrolaine piirkond jaguneb omakorda Radio Society of Great Britain definitsiooni järgselt järgmiselt (Tabel 1): Nimetus Sagedusvahemik L band 1 to 2 GHz S band 2 to 4 GHz C band 4 to 8 GHz X band 8 to 12 GHz Ku band 12 to 18 GHz K band 18 to 26.5 GHz Ka band 26.5 to 40 GHz Q band 30 to 50 GHz U band 40 to 60 GHz V band 50 to 75 GHz E band 60 to 90 GHz W band 75 to 110 GHz F band 90 to 140 GHz D band 110 to 170 GHz Tabel 1 Joonis 1 Energiaga varustab satelliiti kas päikesepatarei, kus päikesega risti olev paneel saab Päikselt energiat 1kW/m 2, või Maalt kaasa võetud kütus. Kütuse lõppemisel ei suuda satelliit enam teostada orbiidil püsimiseks vajalike manöövreid ning muutub kasutuskõlbmatuks. Massi järgi jagatakse satelliite kas minisatelliitideks kaaluga 200-500kg, mikrosatelliitideks, mis kaaluvad alla 200kg või nanosatelliitideks (kaal alla 10kg). Satelliidi kaalust sõltub suuresti tema orbiidile viimise hind. Joonis 2 Väga oluliseks faktoriks satelliitide juures on müratemperatuur. Satelliit näeb kosmosest vaadates Maad 300 K temperatuuriga, mis tähendab, et satelliidi vv antenni juures ei mängi madal müratemperatuur suurt rolli. Küll aga peab maapealse vv müratemperatuur olema võimalikult madal, kuna kosmose müratemperatuur on vaid 5 K ning ainult vv antenni suure müratemperatuuri pärat suurendada saatevõimsust kosmoses oleks ebaotsarbekas. Vt. Joosis 2.
Joonis 3 Satelliitside kasutamiseks peab olema otsenähtavus satelliidiga. Saate- ja vastuvõtukiire suunddiagrammi on võimalik määrata valemi =/D, on nurk, kus satelliit oleks nähtav, lainepikkus ning D antenni diameeter. Vt. joonis 3. Sidesatelliitide puhul (va ringhäälingusatelliidid) on oluline ka võimalik suur viide, mis Geostatsionaarse orbiidi korral on 240ms! Osad satelliidid, mis kasutavad tavaliste baraboolantennide asemel võreantenne, saavad kiire suunda muuta, vastavalt sellele, kus piirkonnas võib olla suurem infovajadus (ööpäevane kõikumine, linnad, jne). See saavutatakse faasi pööramisega, hilistades signaali erinevatesse antennielementidesse laskmisel. Nii pöördub saatja suunddiagramm ruumis. Joonisel 4 on ära toodud ka lihtsaima satelliidi struktuurskeem: Joonis 4
ORBIIDID: Satelliitide poolt kasutatavate orbiitide paremaks mõistmiseks tuletame siinkohal meelde Maa atmosfäriga seotud tahke. Paremal on toodud illustratsioon Maa atmosfäri kihtide asukoha ja kasutuse kohta (Joonis 5). Allolev joonis kirjeldab orbiitide kalkuleerimisel välditavat Allieni kiirgusvöö tsooni (Joonis 6). Joonis 6 Sisemine Van Alleni vöö jääb keskmiselt 7 100 21 200 km kaugusele Maa keskpunktist, kus on kõrge energeetiliste prootonite (E 100 MeV) konsentratsioon. Suurem Väline kiirgusvöö ulatub 8400 65000 km kaugusele Maa keskmest ja selle suurima intensiivsusega osa jääb 14500 ja 19000 km vahele. Väine vöö koosneb peamiselt high energy elektronidest (E 0.1 10 MeV), mis tekivad atmosfäris Maa magnetvälja toimel. Selline kiirgus kahjustab tugevalt päikesepatareisid, transistore ja sensored. Low Earth orbit (LEO) on orbiit, mis jääb Maapinnast 200 kuni 2000km kõrgusele. Peamised sidet mõjutavad tegurid sellel orbiidil on gaasid Termosfääri ja Eksosfääri osas. Välditakse ka Alleni kiirgusvöö piirkonda. Enamasti on satelliit ekvaatoriga 0 nurga all ning satelliidi nägemise aeg Maalt üsna lühike (orbitaalperiood 60 90 min). Kui LEO orbiit on aga ekvaatoriga suure nurga all, nimetatakse seda Polaarseks orbiidiks. Joonis 5 Madalamal, kui 200km asuvad orbiidid, mida nimetatakse ka Equatorial Low Earth Orbits (ELEO), on LEO alamkiht. Satelliidi sellisele orbiidile saatmine vajab väikseimat I kosmilist kiirust. Sellist orbiiti kasutavad näiteks ENVISATi ilmasatelliidid. Enamik satelliite ongi paigutatud just LEO orbiitidele, kus satelliidi kiirus on keskmiselt 27,400 km/h (8 km/s) ja tekitades katvusalasid raadiusega 1000km. Kuna satelliidid liiguvad ka maapinna suhtes, on neid vaja juhtida maapealsetest baasjaamadest. LEO satelliitide orbiidile saatmine nõuab väikseimaid kulutusi ning ka transmissiooniks kasutatav signaalitugevus on väiksem (signaalitugevus kauguse suurenedes väheneb ruutsõltuvusega). Medium Earth Orbit (MEO), ka Intermediate Circular Orbit (ICO), on ruum, mis jääb LEO ja GEO vahele. Seal paiknevatele orbiitidele paigutatakse tavaliselt navigatsiooniotstarbel kasutatavad satelliidid (näiteks GPS ja Glonass). Tänu intensiivsele kiirgusele (Allieni vöö), mis kahjustab elektroonikakomponente ning akusid satelliidil, arvatakse, et jaamad sellisel orbiidil võivad rikneda kiiremini. Selle vältimiseks lülituvad satelliidid vööd läbides lihtsalt välja, kuid see pole reegel.
Goestatsionaarne orbiit (GEO), ka Clarki orbiit on ideaalne, 35,786 km kõrgusel merepinnast asuv ekvaatoriga 0 nurga all olev orbiit, kus Maa nurkkiirusega tiirlevad satelliidid peaks liikuma mööda Ekvaatori kohal olevat kujuteldavat sirgjoont ning paistma Maalt vaadates punktina taevas. See on soositud orbiit sidesatelliite tööks, kuna satelliit on pidevalt nähtav ning vastuvõtuantenn Maal vaatab pidevalt ühes suunas. Matemaatiliste tuletuste kohaselt peakski satelliit end ilma täiendava kütuseta geostatsionaarsel orbiidil hoidma, ent tegelikkuses liigub satelliit tänu päikese tuultele, kiirgusele ning kuu ja päikese külgetõmbejõule siiski kiirusega 11m/s ideaalselt orbiidilt ära. Reaalsuses paistab satelliit Maalt vaadates liikuvat mööda 8-kujulist kontuuri, mille keskkoht jääb täpselt ekvaatori kohale. Sellise võnkumise vältimiseks kasutatakse Maalt kaasa võetud kütust (mis määrab satelliidi nö eluea ), et pidevalt teostada orbiidile tagasiliikumise manöövrit (selleks vajalik kiirus 1500m/s!). Eelkõige kehtib see satelliitide kohta, millel puuduvad päikesepatareid. Kui GEO orbiidil olevatel satelliitidel lõpeb põtkuriga kaasas olnud kütus (ning puuduvad päikesepatareid), eemaldatakse nad satelliitide kokkupõrgete vältimiseks GEO orbiidilt, tõstes nad 300km veelgi kõrgemal asuvale graveyard Prügiorbiidile (ametlikult supersynchronous orbiit). Orbiiti, kus sateliit Maalt vaadates võngub, nimetatakse geosünkroonseks orbiidiks (GSO), mis on GEO alamorbiit. Kõik GEO orbiidil tiirlevate satelliitide orbitaalpositsioon erineb vaid pikkuskraadi võrra. Geosynkroonse orbiidi idee käis 1928 aastal välja Herman Potonik. 1945 aastal käis Arthur C. Clarke välja idee kasutada orbiiti kommunikatsiooisatelliitide jaoks. Geostatsionaarsel orbiidil asub enamik meteoroloogilistest satelliitidest nagu US GOES, Meteosat (European Space Agency ja European Weather Satellite Organization, EUMETSAT omad), Jaapani GMS ja India INSAT jaamad, mis edastavad Maale tavalisi, infrapuna, ja water vapour pilte Maa pinnast ja atmosfäärist. Samuti kasutab orbiiti suurem osa kommertskasutuseks mõeldud televisiooni-satelliite (va Venemaad teenindavad Vene televisioonisatelliidid, mis kasutavad elliptilisi Molniya või Tundra orbiite tänu vaatajaskonna asukoha suurele laiuskraadidele). Vanasti edastati Geostatsionaarsetel orbiitidel ka kõnet, ent praegu seda tänu suurele viitele (240ms) enam ei tehta. Telefonisideks (peamiselt läbi Inmarsati) kasutavad satelliite vaid isoleeritud paikades, nagu Kanada arktiline saarestik, Antarktika, Alaska ja Gröönimaa elanikud ning meredel seilavad laevad. Samuti on rahvusvaheline Internetiühendus viidud satelliitidelt optilisse kiudu. Mitte-interaktiivse ühenduse korral, nagu televisioon või raadio, see viide aga rolli ei mängi. Tüüpilised Geostatsionaarsete satelliitidega suhtlevad vastuvõtuseadmed võib jagada kaheks liikuvad (laevad, autod, jne) ja liikumatud (antennid majade katusel). Kui liikumatud vvsüsteemid koosnevad vaid suunatud antennist (enamasti taldrik ), siis liikuv alus koosneb sisuliselt kahest osast suunatud taldrik ning antennikontroller, mis sisaldab asukoha määramiseks GPS moodulit. Asukoha järgi arvutatakse ka kaugus satelliidist, mis on oluline TDMA (time division multiple access) burst`ide edastamisvahemike arvutamiseks. See tähendab, et suhtlus toimub 2 erineval orbiidil asuva satelliidiga - GPS satelliidid asuvad MEO orbiidil, sidesatelliidid GEO orbiidil, mis nõuab kahte erinevat antenni. GPS antenn on tavaliselt 2cm pikkune kandiline patch antenn ja kogu moodustab kogu vv-süsteemi maksumusest vaid 1%. Sidesatelliidid Elliptilisel Geosünkroonsel orbiidil tunduvad Maalt vaadates jälgivat analemma kontuuri (vt. Joonis 7). Tugevalt elliptilistel orbiitidel (mini-maalse Joonis 7
perigee ja maksimaalse apogee punktiga orbiidid) asuvaid satelliite on vaja juhtida Maal asuvate baasjaamade kaudu. Elliptilistel orbiitidel asuvad satelliidid liiguvad suurema kiirusega maale lähemal olles, ning aeglasemalt kaugemal olles. See tagab nende parema nähtavuse. Siiski nõuavad elliptilisel orbiidil tiirlevad satelliidid tracking antenne, mis on palju kallimad, kui tavalised. Samas tagavad sellisel orbiidil olevad satelliidid katvuse ka üle 60kraadistel laiuskraadidel. Geostatsionaarse orbiidi puhul tuleks antennid suunata otse lõunasse, kus asub ka Galaktika kese, mille tugev kosmiline kiirgus ja raadiomüra ning paks läbitav atmosfärikiht mataksid satelliidi signaali. Spetsiaalsed, peamiselt põhjapooluse aladele arvutatud Tugevalt Elliptilised orbiidid on näiteks Molniya ja Tundra orbiit (venelased). Tugevalt Elliptilist orbiiti kasutab ka Sirius Satellite Radio Molniya orbiit: Molniya Orbiit (vt Joonis 8 ja 9) kuulub Tugevalt Elliptiliste orbiitide klassi, kus kalle ekvaatori suhtes on 63,4 ja orbitaalperiood 12h, mis annab 2 apogee ja 2 perigee punkti 24h perioodi jooksul. Joonis 8 Joonis 9 Molnia orbiidi töötasid välja Venelased oma Molniya kommunikatsioonisatelliitide jaoks juba 1960 aastal. Orbiidil töötab 3 Molniya satelliiti, mis tagavad põhjapoolkera katvuse 24h perioodi jooksul. Sama orbiiti kasutavad ka RADIOSAT satelliidid (Siriuse Radio) ning Satellite Data System, samuti intelligence satellites Jumpseat. Molniya orbiit ei ole sobilik mehitatud sõitudeks kosmoses, kuna läbib suure energiaga Van_Alleni vööd. Polaarorbiidil tiirlevad satelliidid läbivad planeedi pooluseid igal perioodil. Sellise orbiidi kalle ekvaatori suhtes on 90, ehk orbiit on risti Maa pöörlemissuunaga. Orbiidid erinevad teineteisest pikkuskraadide poolest. Neid orbiite kasutatakse tihti Maa kaardistamisel, vaatlusja luuresatelliitides, samuti mõnedes ilmasatelliitides. Sellise orbiidi veaks on aga asjaolu, et ühtegi Maal asuvat punkti ei saa jälgida pidevalt. Et jälgida ühte punkti pikemalt, tuleb kasutada edasiarendust polaarsest orbiidist näiteks Molniya orbiiti. Päikesesünkroonne orbiit on geotsentriline orbiit, kus orbiidi kõrguse ja kaldenurga õige valimise korral saavutatakse olukord, kus satelliit läbib erinevaid punkte Maal ühel ja samal päikese ajal (näiteks alati kell 15.00 kohaliku aja järgi mingil kindlal laiuskraadil). Selliseid orbiite kasutavad satelliidid, mis pildistavad maa pinda nähtava või infrapuna kaameraga (nx ilma, luure ja vaatlussatelliidid). Selleks et vältida orbiidi muutumist tingituna igaaastasest pöörlemisest ümber Päikese, tuleb satelliite pidevalt Maapealsetest kontrolljaamadest juhtida (u 1 kraad ida suunda), et nad säilitaksid oma nõutud orbiidi. Selleks manöövriks vajalik lisaenergia tuleb kas Maalt kaasa võtta või toota päikesepatareide abil. Sellise orbiidi erivariandid on veel Keskpäeva/kesköö orbiit, või Päikesetõusu või loojangut järgiv orbiit.
KOMMERTS JA TEENUSED: Võib väita, et kosmos meie kohal on peaaegu täielikult kommertsialiseerunud. Enam kasumlikeks teenusteks on GPS, Satelliittelevisioon ja Satelliitraadio. Jämedalt võib satelliitsidetöösuse jagada nelja sektorisse: - Satelliit-jaamade rent (ehk transponder leasing): äri, kus raha tuleb satelliitsidesüsteemi opereerimisest, müües firmadele ja telekommunikatsiooniettevõtetele juurdepääsu andmevahetuseks ja kommunikatsiooniteenuste pakkumiseks üle satelliitide. - Televisiooni, raadio, side, jm. teenused, mida pakutakese Low Earth Orbitil või Geostatsionaarsetel Orbiitidel paiknevate satelliit-süsteemide vahendusel - vastuvõtjaid tootev tööstus selle sektori moodustab siis kogu maapealse saate- ja vastuvõtuseadmestiku tootmine: satelliitterminalid(andmeside), satelliittelefonid, DTH TV vastuvõtjad, jne. - satelliite tootev tööstus, kuhu alla ei mahu militaarotstarbel ja inimeste kosmosesse lennutamise otstarbel valmistatavad satelliidid. Lisaks võiks eraldi nimetada veel: - Navigatsioonisüsteemid, millest tuleb juttu hiljem, - Transport kosmosesse: täpsemalt kommerts- ja valitsussatelliitide ning muu varustuse transport orbiidile (enamasti Low Earth Orbiidile). Kogu satelliidindusega seonduva majandusnäitajate kasvutempo on läbi aastate (aastatel 1996-2002) olnud keskmiselt 17% aastas (suur!). SIDESATELLIITIDE AJALUGU Sidesatelliit (i.k Communication Satellite e Comsat) on tehiskaaslane kosmoses, mille eesmärgiks on teha võimalikuks sidetenuste osutamine üle satelliitide (Vt. Joonis 10 - USA militaarne sidesatelliit MILSTAR). Tänapäeva sidesatelliidid kasutavad Geostatsionaarset, Molniya või Madalat Polaarset orbiiti. Sidesatelliitide peamiseks kasutusvaldkonnaks on näiteks lennukid ja laevad, kus kaabelside on võimatu, või valdkonnad, kus optiline või kaabelside ei ole lihtsalt praktiline. Esimene sidesatelliit oli NSVL Sputnik 1, pardal raadiosaat- Joonis 10 ja-vv, mis saadeti orbiidile 1957a. Esimene USA sidesatelliit oli Project SCORE (1958), mis lisaks pardal olevale raadiojaamale võimaldas ka lindistada ja edasi kerida kõnesõnumeid. 1960 aastatel saatis NASA orbiidile kajasatelliidid, mis töötasid passiivsete raadioside reflektoritena. 1960a läks orbiidile ka maailma esimene aktiivse repeater-ina töötav satelliit. Esimene üldkasutatavaks otstarbeks mõeldud kommertssektori poolt finantseeritud sidesatelliit Telstar saadeti orbiidile 1962 aastal. Telstar töötas elliptilisel orbiidil (orbitaalperiood 2h37min), 45 nurga all ekvaatori suhtes. Esimene Geostatsionaarsele orbiidile saadetud satelliit oli Hughes Syncom 2, Juulis 1963, mis küll võnkus edasitagasi põhja-lõuna suunal. Esimene õigel geostatsionaarsel orbiidil olev satelliit oli Kanada päritolu Anik 1, mis lendas orbiidile 1972 aastal. 1974 aastal järgnes sellele USA Westar 1 ning 1975
aastal Satcom 1, mis oli esimene TVringhäälinguks kasutatud satelliit geostatsionaarsel orbiidil. Esimene Molniya orbiiti kasutav satelliit oli televisioonisignaalide edastamiseks mõeldud Molniya 1965 aastal, mille uplink asus Moskvas ja downlink jaamad Siberis Norilskis, Khabarovskis, Magadanis ja Vladivostokis. 1967a lõid venelased Molniya orbiidile sateliittelevisiooni võrgu nimega Orbita. Sidesatelliitide peamised rakendused tänapäeval on raadio ja televisioon (DBS ja FSS). telefoonia teadustöö ja meteoroloogia GPS amatöörraadio lairiba internet e satellite internet NÄITED SUUREMATE SÜSTEEMIDE BAASIL TELEVISIOON Satelliittelevisioon on ringhääling, kus signaal tuuakse kasutajani läbi sidesatelliitide, mitte maapealse raadioside või sidekaabli kaudu. Paljudes paikades kasutatakse satelliitsidet lisaks tellitavatele maksustatud teenustele ka tasuta kohalike riiklike telekanalite edastamiseks. Joonis 11 kujutab SES Astra satelliiti Boeng 601. Esimene satelliittelevisiooni signaal edastati Euroopast üle Telstar satelliidi Põhja-Ameerikasse 1962 aastal. Esimene geostatsionaarne sidesatelliit Syncom 2 saadeti orbiidile 1963. Esimene kommertseesmärkidel orbiidile saadetud satelliit oli EarlyBird, 1965 aastal. Esimene satelliittelevisioonivõrk nimega Molniya ehitati 1967a Venemaal, kusjuures satelliidid võrgus asusid Molniya orbiidil. Esimene Põhja-Ameerika telesatelliit oli Anik 1, 1973. Esimene Direct Broadcast Satelliit oli 1974a Ameeriklaste orbiidile saadetud ATS-6, idapoolkeral Joonis 11 aga venelaste Ekran 1976a. Tehnoloogia Televisiooni ringhäälinguks kasutatavad satelliidid asuvad kas Tugevalt Elliptilisel (+/-63.4 Ekvaatori suhtes ja orbitaalperioodiga 12h) või Geostatsionaarsel orbiidil. Satelliittelevisiooni tööskeem on järgmine. Kõigepealt toimub signaali saatmine maapealsest jaamast satelliidile (uplink). Signaali täpsemaks suunamiseks satelliidile ning suurema võimsuse saavutamiseks satelliidi vastuvõtjas kasutataske saateantenne (taldrikuid) diameetriga 9 12m. Satelliit saadab signaali tagasi Maale (Downlink), kasutades selleks uplingi sagedusest teist sagedust (tüüpiliselt spektri C või K u -bandis), et vältida võimaliku interferentsi.
Tavaliselt on Ku-bandi satelliitidel 32 transponderit, ainult C-bandi satelliitidel kuni 24 ning rohkem võib olla hybriidsatelliitides. Iga tüüpiline transponder on ribalaiusega 36 50Mbit/s. Geostatsionaarsel orbiidil suvad satelliitide orbitaalpositsioonid erinevad üksteisest C-bändi saatjatel 2 ja Ku bändi satelliitide korral 1 võrra, et vältida signaalide interferentsi. Seega saab kokku olla orbiidil kuni 180 C bändi satelliiti ja 360 Ku bändi satelliiti. C bändi satelliitide veaks on see, et neid võib mõjutada maapealse side tekitatav interferents, Ku bändi sidet võib aga mõjutada tugev vihm. Maapeal vastuvõetav signaal on peale pikka trassi läbimist üsna nõrk (ruutsõltuvus kaugusest!). Signaal kogutakse baraboolil (vt joonis 12), mis peegeldab nõrga signaali taldriku fookusesse, kus asub mitmesuunaline feedhorn nimeline lainejuht. Seal kogutakse taldriku fookuses olev signaal ning juhitakse madala müraga downkonverterisse (low-noise block downconverter e LNB). Edasi muundatakse elektromagneetilised või raadiosignaalid elektrilisteks ning tõstetakse C-band või K u -bandist L-bändi. Direct Broadband Satellite vastuvõtjad omavad LNB ase- Joonis 12 mel LNBFi, mis liidab lainejuhi LNB-ga. L bändi signaal läbib võimendi ja liigub edasi läbi koaksiaalkaabli satelliidi vastuvõtja kasti. Seejärel muudetakse signaal vajalikul viisil televisiooni, audio või andmete jaoks. Juhul, kui vastuvõtja sisaldab ka oskust signaali dekrüptida, siis nimetatakse teda Integrated reciever/decoder või IRD-ks. Standardid Satelliittelevisiooni analoogkanaleid edastatakse tavaliselt kas krüptitult või krüptimata kasutades NTSC, PAL või SECAM televisiooniringäälingu standardeid. Juhul, kui tegemist on digisignaaliga või selle signaalide kogumiga, edastatakse ta QPSK modulatsiooni kasutades MPEG või DVB-S standardite järgi. Krüptimisemeetoditest on enimkasutatavad BISS, Conax, Digicipher, Irdeto, Nagravision, PowerVu, Viaccess, Videocipher ja VideoGuard. Samas aga on suurem osa nendes ebaefektiivsed, kuna krüptokoodid on teada. Satelliidid Televisioonisignaalide edastamiseks kasutatakse peamiselt kahte tüüpi satelliite. Direct Broadcast Satellite (DBS), tuntud ka kui väikeste taldrikute süsteem, on kasutusel K u bandi ülemises spektriosas. Maapealsed vastuvõtjad on väikesed, 45-60cm läbimõõduga baraboolantennid. Tehnoloogiat kasutatkse peamiselt Direct to-home (DTH) satelliit TV teenuse osutamiseks. Termin Direct Broadcast Satellite (DBS) viitab satelliittelevisiooni ringhäälingule otse kodukasutajatele. Süsteem katab nii analoog kui digitaaltelevisiooni ning raadio vastuvõtu, sh. video-on-demand ja interaktiivsed teenused. DBS satelliidid võimaldavad kas maksustatud ligipääsu kõigile kanalitele või tasuta ligipääsu valitud kanalitele (free-to-air). Esimene DBS teenusepakkuja Sky Television plc alustas 1989 aastal 4 kanaliga tasuta analoogtelevisiooniteenuse pakkujana Suurbritannias ja Iirimaal. 1991 võeti kasutusele Conditional access tasustamismudel (kanalitele pääsevad ligi vaid spetsiaalse krüptokaardi ostnud kasutajad) ning 1998 mindi üle digiedastusele. Põhja-Ameerika esimene analoogjaam PrimeStar alustas 1991 aastal, ning ühines DirecTV Groupiga DirecTV 1994 aastal, tutvustades väiksemõõtmelisi, 44cm läbimõõduga vastuvõtuantenne. 1996 tekkis USAs DirecTV teenusepakkujale lisaks konkurent nimega Dish Network. 2003 aastal takistas USA Department of Justice DirecTV müügi DishNetworkile, et säiliks konkurents turul.
Tasuta DBS teenuse pakkumises on liider Saksamaa, kes pakub 40 analoog ja 100 digikanalit SES Astra 1 satelliitide vahendusel. Lisaks pakub suurt hulka tasuta kanaleid Suurbritannia Freesat ja India Doordarshan DD Direct Plus nime all. Põhjamaade tuntuim DBS teenuse pakkuja on Viasat, kes teenuse ringhäälinguks kasutab Sirius 2/3 satelliite positsioonil 5 E. Fixed Service Satellites (FSS) kasutab kandesagedusena C bändi või K u bandi alumist osa ja võimaldavad lisaks televisioonirighäälingule veel mitmeid lisateenuseid nagu kaugõppimine, videokonverents, business television (BTV), jne. Selliseid satelliite kasutatakse ka riiklike telekanalite, nagu CNN, The Weather Channel, HBO, Starz edastamiseks kohtadesse, kuhu kaabeltv ei ulatu. Kuna FSS satelliitide võimsus on palju väiksem DBS satelliitide võimsusest, vajavad nad vähemalt 90-240cm diameetriga vastuvõtuantenne K u band signaalide korral ning 360 ja enam cm vastuvõtuantenne C bandi signaalide korral. Algselt (1970-1990) kasutatigi FSS satelliite Direct-to-Home teenuse osutamiseks TVRO (TeleVision Receive Only) vastuvõtuseadmetega, kuniks 1994 a tuli turule esimene DBS teenuse pakkuja DirecTV. Sellest ajast alates on vaatajad FSS ja TVRO Television receive-only teenustest loobunud uue DTH teenuse kasuks. FSS klassi satelliidid Intelsat 1, Syncom 3, Anik 1, Westar 1, Satcom 1 ja Ekran olid üldse esimesed geostatsionaarsel orbiidil töötavad sidesatelliidid, mis lisaks televisiooni ja raadiosignaali edastamisele pakuvad ka telefoni ja andmeside teenuseid, kusjuures uusi FSS satelliite saadetakse orbiidile tänaseni. Suurimaks erinevuseks ja suuremate antennide põhjuseks on asjaolu, et FSS kasutab lineaarset polarisatsiooni, mitte ringpolarisatsiooni nagu uuemad DBS satelliidid. Kuigi 1977a ITU poolt väljastatud sagedusplaani kohaselt pidid ka Euroopa, Venemaa ja Põhja-Aafrika kasutusele võtma DBS sarnase suure võimsusega satelliitsüsteemi, siis millegipärast seda plaani suurt ei järgitud ning otseselt DBS satelliite suures mahus kasutusele ei võetud. Euroopa kasutab Direct-to-Home teenuse osutamiseks satelliite, mille saatevõimsus on sarnane DBS klassi satelliitidele, ent polarisatsioon sarnane FSS klassi satelliitidele. Näiteks Astra, Eutelsat, Hotbird, jne. Seega otsesed terminid DBS ja FSS on pigem Põhja- Ameerikakesksed. Satelliittelevisioon Euroopas: Euroopas pakub Direct Broadcast Satellite teenuseid näiteks Eutelsati poolt opereeritavad Astra satelliid ja Hotbird. Tuntud teenusepakkujad on veel Sky Digital, Canal Digital(Itaalia) ning Central Europe (Madalmaad). Kuna Euroopa paljudes riikides on hästi välja arendatud eksklusiivse sisuga kaabeltelevisioonivõrgud, siis keskeltläbi on satelliittv turg vaid 21%. Esimene spetsiaalselt Põhjamaade regioonile teenusepakkuja oli TV3, mis oma esimese satelliidi saatis orbiidile 1987 aastal. Järgnesid satelliidid Astra 1A ja Tele-X, mis tähendas, et Põhjamaadele suunatud teenused olid nüüd jagunenud mitme satelliidi vahel. 1993 aastal said varased BSB satelliidid uued omanikud ja nimetati ümber Thor 1 ja Sirius 1-ks. Satelliitide asukoht orbiidil muudeti Põhjamaadele sobilikuks ning Astra 1A ja teised kasutusel olnud satelliitid saadeti graveyard orbiidile. Kogu televisiooniringhääling jäi seega Thori ja Siriuse kanda. Algselt olid põhikanalid tasuta, mis põhjustas mõningasi probleeme sisu õiguste osas, sest kanalitele said ligi ka paljud inglisekeelsed vaatajad (leviala), kellele edastusõiguseid ei olnud ostetud. Selle lahendamiseks vahetati PAL standard välja peamiselt põhjamaades kasutatava D2MAC televisioonistandardi vastu ning samuti hakati kanaleid krüpteerima. Hetkel on Põhjamaades 2 peamist konkurerivat satelliitteenusepakkujat: Canal Digital (Norwegian Telenor) ja Viasat (Kinnevik). Digitaaledastust kasutav Canal Digital loodi 1997 aastal ning ringhäälinguks kasutab ta Thor satelliiti. Kinnevik opereeris analoogsignaalidega
1980 aastate lõpust ning võttis digitaaledastuse kasutusele 2000 aastal. Kõikide järelejäänud analoogkanalite sulgemine toimub 2006 aastal. Näide satelliidi orbitaalpositsiooni ning katvusala kohta Astra, Thor ja EarlyBird näitel Näitena Euroopas opereeritavatest satelliitidest võiks tuua Astra satelliidid. Astra satelliidid asuvad GEO orbiidil ning edastavad ligikaudu 1100 analoog- ja digitaaltelevisiooni ning raadiokanalit läbi 176 saatja 91-le miljonile majapidamisele üle Euroopa. 1985 aastal loodud Société Européenne des Satellites-Astra (SES) oli esimene erasatelliit-operaator. SES Astra opereerib 12 satelliiti kolmel GEO orbiidipositsioonil seitset laiuskraadil 19,2E (põhiline orbitaalpositsioon direct-to-home satellite TV teenuse ja raadio ringhäälingu osutamiseks Saksamaal, Lääne- ja Kesk-Euroopas), kolm laiuskraadil 28,2E (siin töötab Suurbritannia ja Iirimaa BSkyB teenus Sky Digital) ja 2 laiuskraadil 23,5E. Lisaks on ettevõttel 2 varusatelliiti, mida kasutada olukorras, kui mõni töötavatest satelliitidest peaks riknema. Astra "co-location" (mitu satelliiti ühel orbitaalpositsioonil) põhimõte tõstab nende painduvust ja liiasust. Astra satelliidid töötavad GEO orbiidil ligi 36000km merepinnast Erinevate satelliitide katvusala Euroopas: Joonis 13 Joonis 14 Joonis 15 Joonis 13 kirjeldab Astra 1G/1H satelliidi katvusalasid 45, 60 ja 82 cm diameetriga vastuvõtuantennide korral. Joonis 14 sama Thor II satelliidi ning Joonis 15 Earlybird satelliidi Widebeam korral.
RAADIO Satelliitraadio osas on teistest sammu jagu ees USA, kellel on 2 konkureerivat täisfunktsionaalset satelliitraadiojaama. Suurem osa muust maailmast tundub hetkel rahulduvat maapealsete raadiojaamade poolt pakutavaga. Satelliitraadio SIRIUS (varasemalt tuntud kui CD Radio) loodi 1990-ndal aastal ja on 1 kahest USAt ja Kanadat teenindavast raadiojaamast/operaatorist (teine on XM Radio). Siriusel on 69 muusikakanalit ja 65 sporti-, uudiseid- ja meelelahutust broadcastivat kanalit. Muusikakanalid on ilma kommerts-reklaamita eetris 24/7. Siriuse toega vastuvõtjad näevad vastuvõtja ekraanil striimi kuulamise ajal artisti ja loo nime. Siriuse raadiot teenindavad 3 satelliiti Põhja-ameerika kohal Elliptilisel Geosünkroonsel Orbiidil. Kasumiskeem Siriuse raadiol on vv aparaadi põhine, alates $12,5/kuus kuni $499.99 vv eluea lõpuni. 4. Oktoobri 2006a seisuga on Siriusel vähem kasutajaid, kui konkurent-raadiol XM Radio, kus 6. Juuli 2006 seisuga oli 6,89 miljonit kuulajat. 16. Oktoobrist 2006 on Sirius radio saadaval kõigile kasutajaparoolide omanikele ülemaailmselt ka internetist, samade kuutasude eest. Joonisel 16 on näha kolme Sirius satelliidi Tugevalt Elliptiline Geosünkroone Orbiit (orbiitaal-periood 24h) ja kahe XM Raadio Geostatsionaarne orbiit. Joonis 16 Katvusalad vastavalt on järgmised: Joonis 17, Siriuse, Joonis 18, XM Radio katvusala (kumbki ei sisalda maapealsete repeaterite mõju). Joonis 17 Joonis 18 Praegu orbiidil olevad 3 Siriuse satelliiti (ja 1 tagavarasatelliit, tegelikult kõik nimedega RadioSat) kasutavad baraboolset antenni (reflektorit). Viies satelliit ehitatakse 9m diameetriga vihmavarjulaadse võreantenniga (unfurlable reflector vaata LISA 1 pilt 1 ja 2) ning paigaldatakse geostatsionaarsele orbiidile. Signaaliedastus toimub sagedusel 2,320 kuni 2,3325GHz 12,5MHz kanalisammuga. Hetkel kasutatakse audiokanalite kompressiooniks Lucent's Perceptual audio coderit, ent peatselt võetakse kasutusele hierarhilise modulatsiooni tehnoloogia, mis vähendab vajaliku ribalaiust praegusest veel 25%!
Signaali vastuvõtuks on vaja Line-of-Sight otsenähtavus kas satelliidiga või mõne maapealse tugijaamaga. Parema signaali järgi valib selle vastuvõtja (vt joonis 19). Vastuvõtja ise koosneb kahest osast väline antennimoodul võimendusega 36 või 42dB, kus toimub signaali vastuvõtt, signaali võimendamine ja filtreerimine ja vastuvõtumoodul, kus toimub signaali konvertimine madalamale heterodüünsagedusele (intermediate frequency). Erinevaid mudeleid on üsna palju. Joonis 19 Worldspace Satellite Radio on suurim Euroopas ja Aafrikas leviv sateliitraadiojaam. Ta kasutab kahte geostatsionaarset satelliiti AfriStar (orbiidil alates 1998) ja AsiaStar (orbiidil alates 2000 aastast). Mõlemal satelliidil on 3 kiirt, mis suudavad edastada 80 raadiokanali signaalile lisaks ka multimeedia sisu. Vastuvõtja saab juhtmeta modemi abil edastada satelliidilt tuleva 128kbit/s striimi vajadusel oma arvutisse. Satelliite toetab korralik maapealne struktuur - Regional Operations Center (ROC); Telemetry, Command and Ranging (TCR) Stations ja Communications System Monitoring (CSM) Stations. Häireteta signaali tagamiseks toimub 24h/7 monitooring. Sisupakkujad kasutavad uplingiks traditsionaalset hubi meetodit, edastades signaalid maapealsesse keskjaama, mis edastab signaali satelliitidele. Uplingiks on kasutusel ka teine, mobiilsem võimalus nimega Feeder Link Stations (FLS). Satelliit paneb need signaalid kokku, ning edastab ühtse voona downlink kanalis. Kasutajatele lubab Worldspace satelliitraadio feedingute, müra ja interferentsivaba kõrge kvaliteediga digitaalset audiosignaali 14miljonil ruutkilomeetril. WorldSpace programm sisaldab ka palju jutu-, spordi-, riiklike-, jt kanaleid peale muusikakanalit. Joonisel 20 on toodud WorldSpace raadiojaama katvusala. Joonis 20
SATELLIITTELEFONID Satelliittelefon on mobiilne terminal, mille tugijaamadeks on orbiitidel tiirlevad sidesatelliidid. Sõltuvalt süsteemi ülesehitusest võib katvusala olla kas kogu Maa piires või ka mõne spetsiifilise regiooni piires, mis teeb keerukaks satelliittelefonide trackingu. Praeguste satelliittelefonide suurus ja kaal on võrreldavad mobiiltelefonide kaaluga hilistel 80-ndatel. Satelliittelefoniside on populaarne ekspeditsioonidel asustamata aladele, kus maapealseid teenusepakkujaid ei ole. Laevades kasutatavad fiks-satelliittelefonid on tihti suuremad, kusjuures GPS anduriga mikrolaineantenn laeva mastis vaatab alati otse sateliidile. Satelliittelefonisüsteemidele on omistatud ka eraldi maakoodid. Näiteks Inmarsat kasutab koode +870 +874, Iridium koode +8816 ja +7717. Mõned süsteemid, nagu Globalstar kasutavad tavalisi Ameerika numbreid. Helistamine mobiilvõrgust satelliittelefonivõrku on Eestis hinnaga 100-280 krooni minut. Lisaks on satelliittelefonidel eripäraks nn "clipping" effect, mis tekib tänu datakompressioonile ja suurele viitele. Geostatsionaarsel orbiidil pakub sateliittelefoniteenust näites Inmarsat. Sellise süsteemi põhiliseks miinuseks on suur viide ja suhteliselt suur antennisüsteem signaalide vastuvõtuks ja saatmiseks. Lisaks vajab selline süsteem otsenähtavust satelliidiga (vt Joonis 21, mees Inmarsati satelliittelefoniga). Ka Low Earth Orbiidil töötavad süsteemid pakuvad ülemaailmset katvust. LEO orbiidil töötavad satelliidid teevad täistiiru ümber maa 60-90 minutiga ja asuvad kõrgusel 640 kuni 1120 km, tekitades levikärgi. Levipiirkonna täielikuks tagamiseks kasutavad mõned satelliitoperaatorid täiendavalt maapealseid hõljukeid. Enamik uuemaid satelliitsüsteeme kasutabki seda orbiiti, näiteks Iridium ja Globalstar. Samas kumbki neist süsteemidest ei saavutanud piisavat Joonis 21 kliendibaasi süsteemi arenduskulude katmiseks ja pankrotistusid. INMARSAT (International Mobile Satellite Organization) on 1979 aastal loodud, algselt valitsustevaheline telekommunikatsiooniettevõte, mis opereerib 11 geosünkroonset sidesatelliiti. Inmarsat pakub usaldusväärset sideteenust paljudele valitsusasutustele, esmaabi asutustele ning asustamata piirkondades tegutsevatele meedia- ja äriettevõtetele. Inmarsati vastuvõtusüsteem on installeeritud ka enamikesse veesõidukitesse ja lennukitesse. Inmarsat pakub kõne, andmeside-, ning hädaabi teenuseid, kusjuures andmeside kiirus uutel terminalidel on läbi uute BGAN IP-satelliitide kuni 144kbit/s (maksustamine andmemahu põhiselt). Vanemad satelliidid pakuvad mobiilset ISDN teenust, millel meediaettevõtted kasutavad ka videokõne võimalust. Inmarsati katvusala on ülemaailmne. Joonisel 22 Inmarsat-3 sidesatelliit. Joonis 22 Inmarsati sattelliid võtavad vastu ja edastavad digitaalsed signaale maapealsetelt/-ele jaamadele. Kontrolljaamades, mis käituvad kui gatewayd maapealsetesse telefoni- ja andmesidevõrkudesse, teostatakse ka maksustamisoperatsoioonid. Inmarsat saatis viimati uusi satelliite orbiidile Novembris 2005. Need 2 Inmarsati IV generatsiooni satelliiti on suurimad seni Maailmas kasutuselolevates satelliitidest, kuna neil on 1 globaalne kiir (katab 1/3 Maa pinnast (va poolused) pikkuskraadidel 78 to +78 kraadi vaatamata laiuskraadile), 19 regionaalset (optimeeritud suurema kasutajaskonna järgi) ja 228 kitsast kiirt (mõeldud arendatavale lairibateenustele, sealhulgas Broadband Global Area Network (BGAN) tarbeks), mis tagavad kolme tüüpi katvuse kõigi Inmarsati satelliitide puhul.
Inmarsat on pakutavate teenuste järgi jagatud alamvõrkudeks, mis võimaldavad: Inmarsat-A: kõneteenus, telex teenus, andmeside/faxiteenus 56 või 64 kbit/s. See on ainus analoogvõrk ja selle opereerimine lõpetatakse 31.dets 2007. Inmarsat-Aero: pakub voice/fax/data teenust lennukitele. Kolme erineva võimendusega terminalide puhul on andmeedastuskiirused 2400 bit/s, 9600 bit/s ja 64 kbit/s. Inmarsat-B: pakub kõne, telex ja andmesideteenuseid kiirusega 9.6 kbit/s ning high speed data services kiirusega 56, 64 või128 kbit/s. Inmarsat-C: on võrk "satellite telex" terminalidele store-and-forward, polling etc oskustega. Inmarsat-M: kõne 4.8 kbit/s ja andmeside 2.4 kbit/s. Inmarsat-Mini-M: Inmarsat-M edasiarendus. Kõne 4.8 kbit/s, andmeside 2.4 kbit/s. Inmarsat-M4 ehk GAN (Global Area Network): Kõne 4.8 kbit/s, andmeside 2.4 kbit/s. ISDN sarnased teenused kiirusega 64 kbit/s (e. Mobile ISDN) and shared-channel IP packetswitched data services at 64 kbit/s (called Mobile Packet Data Service MPDS, formerly Inmarsat Packet Data Service IPDS). Inmarsat-Fleet: sarnane Inmarsat-M4. kõne 4,8 kbit/s, fax/data 2.4 kbit/s, medium speed services like fax/data at 9.6 kbit/s, Mobile ISDN max 128 kbit/s (saavutatav Inmarsat-Fleet77 terminalidega) ja MPDS kiirusega 64 kbit/s. Inmarsat-D/D+: Kasutatakse peamiselt sõidukite jälgimiseks, ning SCADA rakendusteks. Inmarsat D+ on ainus GPS tracking service üle Inmarsati. Inmarsat-E: Mere päästekoordinaatide keskuse rakendus, mis suletakse 2006 aastal. Inmarsat-RBGAN: RBGAN (Regional BGAN) pakub shared-channel IP packet-switched service kiirusega 144 kbit/s, baseerub MPDS technologial. Katvusala on limiteeritud osa Euroopast, aasiast, aafrikast ja autraaliast ainultteenuse pakkumine lõpetatakkse 31.dets 2008. Inmarsat-BGAN: Broadband Global Area Network (BGAN) pakub shared-channel IP packet-switched teeust kuni 492 kbit/s ja streaming-ip service kiirusega 32 256 kbit/s. Osade terminalidega saab kasutada ka circuit-switched Mobile ISDN services kiirusega 64 kbit/s and even low speed (4.8 kbit/s) voice etc services. BGAN service is available on the IOR satellite and AOR-West satellite, with POR service planned for 2007. IRIDIUM Iridiumi satelliitsüsteem koosneb 66 aktiivsest sidesatelliidist, mis omavahelist sidet peavad üle 10 Mbit/s kiirusega satelliitidevaheliste linkide (mitte maapealsete baasjaamade), kusjuures igal satelliidil on 4 satelliitidevahelist linki, mis on võimalik samas suunas liikuvate satelliitide vahel. Võimalik, et need raadiolingid vahetatakse kunagi välja optiliste linkide vastu, nagu oli planeeritud algses Iridiumi projektis. Igal satelliidil on 7 Motorola/FreeScale PowerPC 603E processorit, millest üks on ühendatud backplane võrku, 4 satelliitidevaheliste linkidega ja 2 hoiavad satelliiti orbiidil. Satelliidi downlink antenn omab 48 kiirt, mis on jagatud kolme 16-kiirega sektorisse. Korraga on iga satelliit võimeline töötlema 1100 samaaegset telefonikõnet. Kõne või andmeside edastust juhitakse satelliitides asuvate routing tabelitega. Maale toob kõne ainult 4 linki. Iriidiumi võrk võimaldab ülemaailmset sideteenust mobiilsete terminalide vahendusel, kuna satelliidid liiguvad orbiidil poolustelt-poolustele. Satelliite on tihti näha öies taevas, kus nad paistavad nagu langevad tähed. Iridiumi võrk avati 1998 a novembris ning ettevõte pankrotistus juba 1999a augustis. Seda just tänu vahepeal kasvanud maistele mobiilsidevõrkudele ning vähesele satelliittelefoniside nõudlusele. Iridiumi teenused avati taas 2001 aastal, kui süsteemi ostsid erainvestorid. Uusi satelliite plaanitakse orbiidile saata taas alates 2010 aastast.
Praegu kasutab Iridiumi süsteemi laialdaselt USA Department of Defense sideks Hawaiiga. Pakutakse ka kõne, andmeside ja paging teenuseid rahvusvahelisele klientuurile merendus, lennundus, valitsus, naftatööstus ja teadus sektoris ning sagedastele reisijatele. Hetkel on Iridiumil 169tuhat klienti. Iridium opereerib andmetega kiirusel 2400 sümbolit/sek, mis nõuab agressiivset kõnekompressiooni ja lahtipakkimise algoritmi. Kasutatav kõnekoodek on Advanced Multi- Band Excitation. Iridium pakub andmeside teenust nimega 'direct internet'kiirusega kuni 10 kbits/s. Samuti pakub Iridium uudset teenust Tsunami warning system, kus vv seade helistab teatud aja tagant baasjaama ning kontrollib tsunami infot. Iridiumi vv seadmeid toodab peaegu näiteks Motorola. GLOBALSTAR Globalstar on LEO sateliitsüsteem telefoni- ja aeglase andmeside jaoks, mis sarnaneb mõneti Iridiumiga. 40 orbiidil olevat Globalstar satelliiti on oma olemuselt bent pipe repiiterid, mis võtavad signaali terminalilt ja püüavad selle edstada mõnda maal asuvale Maajaamale (groundstation). Satelliitidevahelisi linke ei kasutata. Maajaamad on Gatewayd, kust ühendus juhitakse maapealsesse sidevõrku. Globalstar numbrid on tavalised USA numeratsiooniplaani, või mõne muu maa numrid, kus gatewayd paiknevad. Seega, kui baasjaama näha ei ole, siis sidet üles võtta ei saa, isegi kui satelliit su pea kohalt üle lendab. Seetõttu ei saa Globalstar satelliittelefone kasutada kaugel merel. Globalstar orbiidid on 52 nurga all Ekvaatori suhtes võrreldes peaaegu polaarsel orbiidil (86.4-degree) olevate Iridium satelliitidega. Seetõttu ei kata Globalstar ka polaaralasi. Globalstar kasutab Qualcomm CDMA air interface`i, kuigi käsiterminalid kasutavad tavalisi GSMi sim kaarte. Tänu sellistele kitsendustele opereerib Globalstar väiksemate kulutustega, kui Iridium ja sai seetõttu toetada suuremaid andmeedastuskiiruseid. Sellegipoolest lõpetas ka Globalstar pankrotiga. Uuesti alustas Globalstar tegevust 2004a aprillis. Esimene satelliit saadeti orbiidile 1998a veebruaris. Õnnetuseks venis nende süsteemi täielik töökorda saamine üsna pikalt, kuna 1998a septembrisse plaaneeritud 12 satelliidi orbiidile viimine Russian Space Agency poolt ebaõnnestus täielikult (satelliidid ei jäänud orbiidile). Kuigi teenuseid sai kasutada juba varem, läks süsteem täielikku komertskasutusse alles 2000a veebruaris, kui orbiidile said kõik 52 satelliiti. Ent juba 2005 aastal lõppes osade satelliitide 7,5a eluiga, ning operaator pidi nad saatma graveyard orbiidile.
ILMASATELLIIDID Joonis 22, Ilmasatelliidid maa Geostatsionaarsel orbiidil METEOSAT on meteoroloogiliste satelliitide süsteem geostatsionaarsel orbiidil, mida opereerib EUMETSAT (mille koostööriigiks saab 2007a jaanuarist ka Eesti) läbi Meteosat Transition Programmi (MTP). Esimese generatsiooni satelliidid saadeti orbiidile Meteosat Operational Programmi raames 1995 aastal. Meteosat Second Generation (MSG) aga 2004 aastal MTP programmi raames. I generatsiooni satelliidid (Joonis 23) Meteosat-1 kuni Meteosat-7 tagavad usaldusväärset meteoroogilise vaatluse teenust suurele kasutajaskonnale, saates Maale iga pooltunni tagant pilte Maapinnast ja atmosfäärist kolmes spektaalvaates (Visible, Infrared ja Water Vapour), samuti levitades meteoroloogilist informatsiooni graafilises ja tekstiformaadis. Joonis 23 II generatsiooni satelliidid (Joonis 24) on samuti kindlustatud pöörlemise vastu, kuid edastavad laiahaardelisemat infot ajaliselt tihedamalt. Lisaks genereerib pardal olev GERB instrument olulist informatsiooni klimaatilisteks uuringuteks. Metsati satelliitide poolt edastatav informatsioon on aluseks numbrilisele ilmaennustussüsteemidele (numerical weather prediction systems) ning samuti inimestele, kelle tööks on ette ennustada suuremaid ilmamuutusi ning võimalikke orkaane, trombe, torme, jne. Joonis 24 Joonistel 25-27 Meteosati pildid 24.11, 06.00 GMT järgi Joonis 25: Nähtav Joonis 26:Infrapuna Joonis 27: WaterVapour
Meteosati satelliite juhitakse maapealsetest MSG kontrollkeskustest. Hetkel töötavad satelliidid Meteosat 5, 6 ja 8. EUMETSAT vastutab satelliitidelt saadud andmete edastamise eest lõpptarbijale ning ka klimaatiliste muutuste avastamise eest. EUMETSAT Polar System (EPS) loodi eesmärgiga saada veelgi täpsemat informatsiooni Maa atmosfääri temperatuuri ja õhuniiskuse kohta. MetOp satelliidid ringlevad orbiidil 850km Maapinnast ja on seetõttu tunduvalt väiksema globaalse katvusega, kui Metsat satelliidid Geostatsionaarsel orbiidil. Praegu kasutab sellist orbiiti üksainuke satelliit, mille andmed ühendatakse Meteosat-8 andmetega. II ja III MetOp satelliit saadetakse orbiidile vastavalt 2010 ja 2014 aastal. Metop satelliitidel võrreldes MeteoSatiga on tunduvalt suuremad oskused, kuna neile on peale ehitatud näiteks Advanced Data Collection System (A/DCS), ASCAT Advanced Scatterometer, Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Global Ozone Monitoring Experiment (GOME-2) osooni uurimiseks, Global navigation satellite systems radio occulation GNSS Receiver for Atmospheric Sounding (GRAS), High Resolution Infrared Sounder (HIRS), Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), Search And Rescue Processor for Search And Rescue Repeater (SARP-3 and SARR), AMSU-A1 and AMSU-A2, Microwave Humidity Sounder (MHS) ja Space Environment Monitor (SEM). Jasoni missiooni raames plaanitakse lisada veel 2 satelliiti 1300km kõrgusele merepinnast, et mõnesentimeetrise täpsusega uurida ookeanide pinda. Satelliidid võimaldavad avastada veetaseme kõikumist, ookeanide tsirkulatsiooni (Ocean circulation) ja kliimamuutusi. Selleks on Jasoni satelliitidele paigaldatud radar altimeter, microwave radiometer ja orbit determination systeemid. INSAT (Indian National Satellite System) on paljueesmärgiline 9 satelliidist koosnev süsteem Geostatsionaarsel orbiidil rahuldamaks India telekommunikatsiooni, ringhäälingu (broadcasting), meteoroloogilisi ja "search and rescue" vajadusi. Multifunktsionaalsed satelliidid käituvad saate-vastuvõtujaamana C, S, laiendatud C ja Ku sagedusbandis, tagades televisiooni ja kommunikatsiooniteenustega katvuse Indias. Osad satelliidid omavad ka Very High Resolution Radiometer (VHRR) ja CCD kaameraid meteoroloogiliste piltide tegemiseks. Samuti töötlevad satelliidid hädaabi signaale search and rescue missiooide tarbeks Lõuna Aasia ja India Ookeani Regioonis. TEADUSSATELLIIDID: CASSIOPE on Kanada kosmoseagentuuri projekt, mis ühendab endas kommertsotstarbelised sidesatelliidid nimega Cascade ja teadusliku paketi nimega epop (enhanced Polar Outflow Probe). Projekti juhib University of Calgary Kosmoseuuringute Instituut ja satelliitide orbiidile saatmine on plaanitud 2007 aastaks. Satelliitidel olevad seadmed koguvad andmeid päikesetormide kohta (mis on virmaliste tekkepõhjuseks) ülemistes atmosfärikihtides, mis võivad tekitada häireid raadiosides, GPS kasutamisel ning segada kosmosejaamade tööd. Jaamade abil püütakse paremini mõista päikese ilma ning õppida vältima selle ebasoovitavaid effekte sidele. Kommertspooles pakub Cassiope turvatud digitaalset store-and-forward failiedastusteenust. 1 2m antennidega on võimalikud üles- ja allalaadimiskiirused kuni 1,2Gbit/s ning salvestusmaht kasutaja kohta 50 või 500 Gbit. Olenevalt faili üles ja allalaadimiskohtade erinevusest on failide edastusaeg kuni 90 min. Cassiope satelliidid on plaanitud väikesemõõtmelistena, kaaludes umbes 375kg, on 8-nurkse kujuga ning 1,6 1,8m lai. Orbiidiaeg on kalkuleeritud nii, et satelliit teeks ringi ümber maailma 15 korda ööpäevas. Süsteemis on kokku 8 satelliiti.
MILITAARSIDE SATELLITE DATA SYSTEM Satellite Data System on USA militaarne sidesatelliit, mille esimese põlvkonna satelliidid SDS-1 olid kasutusel 1976-1995 ja teise generatsiooni satelliidid SDS-2 alates 1989aastast. SDS satelliidid kasutavad Tugevalt Elliptilist orbiiti, läbides 300km perigee ja ligi 39000km apogee punkti, et võimaldada side polaarsete jaamadega, mis geostatsionaarsete satelliitidega ühendust ei saa. Selline orbiit võimaldas tagada katvuse ainult 2 satelliidiga. SDSi peamiseks ülesandeks oli jälgida USAt jälgivaid madalamal lendavaid luuresatelliite. SDS-1 satelliidil oli 12 UHF bändi kanalit. Satelliidi kuju oli silindriline ning ta oli 750m pikk ja kaalus 630kg. 980 wattine energiatarve sai rahuldatud päikesepaneelide abil. SDS-2 satelliidid on massilt tunduvalt suuremad, kaaludes 2335kg, ning kandes endaga kolme erinevat sideantenni, ka. K band downlink. 2 taldrikutest olid 4,5m diameetriga ja kolmas 2m diameetriga. Päikesepaneelid genereerivad 1238W võimsust.
NAVIGATSIOONISÜSTEEMID GLOBAL POSISSIONING SYSTEM, ka GPS on täisfunktsionaalne satelliitnavigatsiooni süsteem. Enam, kui 24 töösatelliididga (Joonis 27 ja 28) süsteem edastab raadio teel täpset strktureeritud signaali, lubades GPS vastuvõtjatel määrata oma täpsed koordinaadid (pikkus- ja laiuskraad + kõrgus) kõikjal üle maakera. GPSi kasutatakse maa kaardistamisel, matkamisel, samuti ülitäpse aja saamiseks (vajalik telekommunikatsiooniteenustes) ning ka maavärinate ja muude teadusuuringute otstarbel. Uuemad GPS vastuvõtjad oskavad täpselt määrata ka vastuvõtja liikumiskiirust maapinna suhtes. Süsteemi arendas välja USA Department of Defence, originaalnimega NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) 1978 aastal ning seda haldab USA Air Forci 50th Space Wing. Vaatamata iga-aastastele kuludele $400M, on süsteem siiski tasuta kasutamiseks ühiskondliku varana. 2005 aastast hakati uutele satlelliitidele lisama uudset L2C signaali, mis tõstab saadavate koordinaatide täpsust veelgi. Lähiaastatel Joonis 27 ja 28 lisatakse uusi signaale veelgi ning täieneb ka militaarotstarbeline kasutus. Alates 2000 aastast on süsteemi maksimaalne täpsus 2m, ent uute signaalide ja Diferentsiaalse GPSi kasutuselevõtmisega saab viga vähendada kuni 1cm! Süsteemi tööks vajalikud 24 satelliiti tiirlevad orbiidil 20200km merepinnast paigutatuna nii, et igast punktist Maapinnal oleks otsenähtavus vähemalt 4 satelliidiga. Iga satelliit koosneb lihtsast arvutist, aatomkelladest ning erinevatest raadiosaatjatest ning saadab pidevalt eetrisse oma muutuvat asukohta ja kellaaega. 2 korda päevas saadetakse igale satelliidile infot tema asukoha, ilmaolude, jms kohta. Maapealsed vastuvõtjad koosnevad arvutist, mis kalkuleerivad oma asukoha neljalt satelliidilt saadava informatsiooni põhjal. Tavavastuvõtjad võimaldavad täpsust kuni 100m. Juhul, kui vastuvõtjal on ka ekraan, saab asukoha kuvada sellel koos aluskaardiga, võimsama kompuutriga vastuvõtjad võimaldavad arvutada kiirust ning reisimise suunda, edastades ekraanil juhiseid sihtkohta jõudmiseks. Spetsiaalseid GPS vastuvõtjaid kasutatakse maakaartide tegemisel Geograafilise informatsiooni säilitamiseks. GPSi militaarpool võimaldab rakettide ja lõhkeseadete täpset juhtimist, samuti jõudude juhtimist tulenevalt asukoha pinnastiku/keskkonna eripäradest ning avastada aatompommide lõhkamisi. Militaarotstarbelisel kasutajal ei ole piiranguid kiiruste ja kõrguste arvutamisel. GPSi kasutatakse Navigatsioonieesmärgil peamiselt autodes. Nii sisseehitatud, kui ka juurde ostetav varustuskomplekt näitab liikuval ekraanil sõiduki koordinaate, kiirust, sõidusuunda ja ka lähimaid tänavaid ja maamärke. Meresõidukitel kasutatavad seadmed sisaldavad näiteks lisafunktsiooni nimega man overboard, mis võimaldab koheselt määrata asukoha, kui miski/keegi üle parda kukb. Samuti kasutavad GPS seadmeid lennujuhtimiskeskused lennuteede järgimiseks. Hetkel ei kasutata GPSi maandumise ja õhku tõusmise faasis. Lennunduses kasutatavad seadmed on tihti ühendatud autopiloodi süsteemiga ning kasutavad täpsuse tõstmiseks erinevaid tehnoloogiaid nagu WAAS ja LAAS (siiski, kõrguse mõõtmiseks kasutatakse alati paralleelselt ka baromeetrilist traditsioonilist meetodit). Enamik
lennunduses kasutatavatest seadmetest on sisse ehitatud, ent müügil on ka kaasas kantavad seadmed. Populaarne on GPS vv kasutamine ka matkajate ja mägironijate seas. Selliseks kasutamiseks mõeldud seadmetel on võimalik kasutada ka rescue funktsiooni. Odavad ja mitte väga täpsed GPS vastuvõtjad on paigaldatud näiteks telefonidesse, autode pardaarvutitesse, jne. Pardaarvutid võimaldavad näiteks metsatöömasinate automatiseerimist, kaevandusmasinate tööd jne. Kasutusvaldkonnad Asukohapõhised teenused: GPS funktsionaalsust kasutatakse hädaabiteenuste ja asukohapõhiste teenuste juures mobiiltelefonide asukoha kindlaksmääramiseks. Vastuvõtjate lai valik ning osati ka soodne hind (90 dollarit tk) on viinud mitmete GPS põhiste orienteerumismängutaoliste ajaviidete tekkimiseni nagu Geocaching, mille sisuks on GPSi abil rännata mingisse kindlase maailma punkti ja otsida seal teiste mängijate peidetud objekte. Tavakasutajate seas on populaarsust võitnud ka GPS Tracking, mis kasutab GPSi, et avastada sõiduki, inimese või looma asukoht ning salvestada seda regulaarsete intervallide, tagant tekitades track faili. Faili saab salvestada kas seadmesse või edastada modemit, raadisidet või satelliitsidet kasutades arvutisse reaalajas või hiljem. Lennundus: Enamik lennufirmasid lubab oma klientidel GPS terminalide kasutamise lennu ajal (va õhku tõusmine ja maandumine, kuna isegi odavate kasutajaseadmete juures (1 sagedus) on siiski oht interferentsi tekkimiseks). Osad lennufirmad on integreerinud GPS seadmed lennuki istmetesse, niiet istuja näeb oma ees toolil lennuki asukohta isegi õhku tõusmise või maandumise ajal. Ohutus, Hädaabi, Ellujäämine Kallimaid ja täpsemaid vastuvõtjaid kasutavad näiteks maamõõtjad piiride, struktuuride, ja vaatlusmärkide kaardistamiseks ning teedeehituses. Automatiseerimine Kasvanud on nõudlus GPS masinajuhtimis seadmete järele nagu Automaatne kaldekontroll (Automatic Grade Control), mis võimaldab GPS koordinaatide alusel näidata 3D plaaniga ühilduvat konstruktsiooniaruannet. Samu seadmeid kasutatakse ka lennukite või laevade autopiloodi seadmetes. GPS masinajuhtimisseadmeid kasutatakse ka põllumajanduses ning metsanduses, kus seadmete abil saab koostada kaarte põldudest ja raidepiirkondadest. Geofüüsika ja geoloogia Diferentsiaalset GPSi kasutatakse Maakoore liikumise mõõtmiseks, kasutades suhtelist nihkumist GPS süsteemi maapealsete statsionaarsete jaamade suhtes. Mitu maajaama seismiliselt aktiivses piirkonnas (nagu vulkaanid) võimaldavad mõõta ka maakoore nihkumise kiirust seisvate baasjaamade suhtes. Need mõõtmised annavad selgust deformatsioonide tekkepõhjuste kohta. Aeg Paljud süsteemid, mis vajavad sünkronisatsiooni, kasutavad GPSi signaali täpse kellaaja allikana. Lisaks erinevatele kelladele, raadiosignaali allikatele, võrguelementidele ja multipelseritele ka seismoloogiliste uurimisrakenduste juures, kus GPS aega kasutatakse erinevate ülesvõtete ajaliseks järjestamiseks või sünkroniseerimiseks. GPS aeg ei ole päris tavaline aeg - aatomikellad satelliitides loevad päevi, tunde, minuteid ja sekundeid (uuemad satelliidid edastavad ka kalendriaasta numbrit), nagu tavalistki aega, ent ei arvesta Maa pöörlemist, lisasekundeid ega muid korrektsioone. GPS aeg võeti kasutusele January 6 1980 00:00:00 UTC (Coordinated Universal Time) aja järgi. Praeguseks need 2 enam päris samad ei ole, kuna UTC võttis kasutusele lisasekundid. GPS ajasignaal sisaldab ka erinevust UTC ajast, mis 2006 aastal on 14 sek. Vastuvõtjad liidavad selle sekundite arvu GPS ajale ning saavad UTC aja, millele võivad omakorda liita ajavahe UTC ja kohaliku piirkonna vahel.
Ajalugu GPS struktuur on sarnane II maailmasõja ajal kasutataud maismaa-navigatsioonisüsteemi LORAN struktuurile (arendati välja 1940ndatel). Peale Venelaste Sputniku raadiosignaalide uurimist avastasid ameeriklased, et teades oma asukohta Maal on Dopleri effekti arvestades võimalik välja arvutada Satelliidi asukoht orbiidil. Esimene satelliitsüsteem Transit valmis 1960 USA Mereväe tarbeks, koosnedes viiest satelliidist, mis võimaldasid positsioneerida 1 kord tunnis. 1967a valmis Timation satelliit, kuhu paigaldati täpsed, kosmosesse sobilikud kellad neil satelliitidel baseerub ka GPS areng. Esimene GPS satelliit Block-I saadeti orbiidile veebruaris 1978. Tsiviilkasutusse lubati GPS 1983 aastal peale seda, kui Venemaa tulistas oma õhuruumis alla USA tsiviillennuki 269 inimesega pardal. 1985 aastaks oli orbiidil 10 Block-I satelliiti, esimene Block-II moderne satelliit võeti kasutusele 1989 aastal. Täisoperatiivsuse saavutas süsteem 1993a ja planeeritud 24 satelliiti said orbiidile 1994a jaauaris. 1996 aastal loodi Interagency GPS Executive Board, et juhtida GPSi kasutust tavakasutajate ja militaarsektori poolt (selective avalability), mis lõpetati ametlikult 2000a. Hetkel vanim kasutusel olev GPS satelliit pärineb aastast 1990. Süsteemi tehniline kirjeldus Signaalid GPS satelliidid edastavad 3 tüüpi signaali ühes primaarses navigatsioonisignaalis (vt. Joonis 29). Almanac, mis saadab sekundi täpsusega ajasignaali koos satelliidi staatuse informatsiooniga, teine signaal, ephemeris kannab orbitaalinformatsiooni, mis lubab vastuvõtjal arvutada satelliidi asukoha ükskõik millisel ajahetkel. Need signaalid pakitakse 37500bitisesse Navigation Message (NM) sõnumisse, mille edastamiseks 50bps juures kulub 12,5min. Samuti edastab satelliit kahte tüüpi täpset kellaaja Joonis 29 signaali. Coarse Acquisition code ehk C/A ning Precise code ehk P-code, millest esimene on peamiselt tsiviilkasutuseks. Signaal koosneb 1023 bit pikkusest Pseudojuhuslikust koodist sagedusel 1023MHz, mis kordub iga millisekundi järel. Iga satelliit saadab enda identifitseerimiseks unikaalset C/A koodi. P-kood edastatakse samuti 1023MHz sagedusel, aga seda korratakse ainult 1 kord sekundis normaaloludes nn "anti-spoofing modeis", krüptitakse P-kood kõigepealt Y-koodiks, ehk P(Y), mida suudavad dekrüptida ainult vajaliku võtmega vastuvõtjad. Seejärel liidetakse kõik kolm signaali NM, C/A ja P(Y) kokku, ning saadetakse raadiokanalisse L1, mille edastamine toimub sagedusel 1575,42MHz. P(Y) signaali edastatakse ka üksikuna L2 raadiokanalis, mille sagedus on 1227,60MHz. Lisaks kasutatakse mitmeid valikulisi sagedusi erinevatel eesmärkidel. Koordinaatide arvutamise algoritm GPS võimaldab kasutajatel täpselt arvutada välja oma kauguse satelliidist. Selleks vajab vv täpset aega, mida genereerivat kvartsossilaatorit uuendatakse satelliitide poolt iga L1 signaalga. Seejärel identifitseerib vv C/A koodide alusel otsenähtavuses olevad satelliidid ja arvutab mälus oleva ephemeris signaali andmete põhjal välja info iga satelliidi asukoha kohta orbiidil signaali saatmise hetkel. Seejärel arvutatakse välja viide, mis kulus sigaalil satelliidist vastuvõtjasse jõudmiseks. Viite leidmiseks genereerib vv identse C/A jada ning nihutab seda vastuvõetud signaali suhtes, kuni jadad muutuvad identseks. Tavaliselt jääb viide 65 ja 85 ms vahele. Viite korrutamisel valguse kiirusega saamegi kaguse satelliidist. Sellise info põhjal ühelt satelliidilt saab vv hinnata oma asukohaks ükskõik millise punkti sfääri pinnal, mille raadius on kaugus satelliidist. 2 satelliidilt saadav signaal annab juba joonel paiknemise hinnangu, kolmelt saadav signaal punkti.
Kõikide eesnimetatud tegevuste tulemuse täpsus sõltub kohaliku ossilaatori täpsusest. Sisemise kella täpsustamiseks kasutatakse satelliitidelt vastuvõetud signaalidele lisaks ka sisemist täpsustamist, mis tähendab näiteks kahe erineva võimaliku asukoha kalkuleerimisel hindamist, milline kella offset seda viga võis põhjustada. Tavavastuvõtjatele on enamasti 10 12 paralleelset vastuvõtukanalit, mis peaksid tagama kella ning õigsuse tulemuse koordinaatides sisuliselt igal ajahetkel. P(Y) põhjal koordinaatide kalkuleerimine käib sisuliselt samamoodi, ainult et krüptitud signaali lahtikrüptimine vvseadmes oleva võtmega annab kinnituse sellest, et tegu on kindlasti GPS signaaliga, mitte kellegi pahatahtliku poest ostetud riiuligeneraatori signaal. Täpsus ja Parim juhus (best case) Arvutatud koordinaatide täpsus sõltub kolmest faktorist tegelik aeg, satelliidi asukoht ja signaali hilistumine. Kellast tingitud vigu annab ülevaltoodud meetoditega küll vältida, aga eksisteerib siiski ka minimaalne viga. Tänapäeva elektroonika suudab 2 ühesugust signaali parallelselt asetada 1% bitiaja jooksul, mis C/A koodi puhul on 0,01ms. Arvestades valguse kiirust 299,792,458 m/s tähendab see viga u 3m. Vea vähendamiseks kasutataksegi ligi 10 korda suurema kiirusega P(Y) signaali, mis vähendab viga 30cm. Samas on sellise täpsuse saavutamiseks vaja umbkaudseltki teada oma asukohta, mille annab näiteks C/A koodi põhjal arvutada. Allpool toodud tabelis on näha elektroonilisest maailmast väljaspool tekitatud vead, mis muuhulgas vähendavad ka P(Y) koodist tingitud täpsuse suurenemist. Juhul, kui need kõik summeeruvad, on GPSi täpsuseks umbes 15m. Vea päritolu Ionosfäärilised mõjud Ephemeri koodi vead Satelliidi kella vead Multipath distortion Troposfäärilised mõjud Numbrilised vead Mõju täpsusele ± 5 meter ± 2.5 meter ± 2 meter ± 1 meter ± 0.5 meter ± 1 meter or less Atmosfäärilised mõjud Muutuvatest atmosfääritingimuste tekitatud vead tekivad GPS signaali kiiruse ettearvamatusest kui signaal liigub läbi ionosfääri. Atmosfäärilised mõjud on väikseimad, kui satelliit asub otse vv pea kohal, ent mida suurem on nurk satelliidi ja vv vahel, seda suurm on läbitav ionosfäärikiht ning seda suuremad ka vead. VV ligikaudne asukoha teadmine annab võimaluse matemaatiliste mudelite teel tulemust parandada. Enamik seadmeid mõõdab L1 ja L2 poolt edastatava P(Y) koodi ajalist viidet atmosfääri läbimisel ning võtavad siis kasutusele vastavad kkorrektsioonid, mida saab rakendada ka P(Y) krüpteerimisvõtit teadmata. Alates 2005 aastast on kasutusel ka uus, spetsiaalselt tsiviilkasutuseks mõeldud signaal L2C, mida edastavad Block IIR-M satelliidid, mis võimaldab ka tsiviilkasutajatel paremini hinnata L1 ja L2 erinevust. Üldjuhul on atmosfäri mõjud aeglased ja neid on võimalik jälgida. Teatud asukohale hetkel omaseid olusid analüüsides saadavad osad satelliidid välja informatsiooni 10 meetrit itta vms, mis võimaldab teha veelgi paremaid korrektsioone koordinaatide arvutamisel kui ainult L1 ja L2 võrdlemine. Samuti mängib oma osa niiskustase, mis vigu hakkab genereerima peamiselt troposfääri osas. Sellised piirkonnad on väiksemad ning liiguvad kiiremini, kui õhuvood ionosfääris, tehes nende effektide korrektsiooni keerulisemaks. Mitmekiirelisuse mõjud Raadiolainete peegeldumine ümbritsevalt maapinnalt, hoonetelt, maekülgedelt, jne vastuvõtja sisendisse ilma otsekiireta on samuti vigade allikaks. Selle vältimiseks kasutatakse smart antenna vastuvõtuantenne, mis suudavad hilistumise põhjal välja arvutada peamise kiire suuna ning ennast siis sellele sättida. Sellised antennid aitavad hästi suure hilistumise korral. Väikese hilistumise korral aga ei pruugi vastuvõtja peakiirel ja hilistunud kiirel vahet teha,
ning see tekitab vigu samas suurusjärgus atmosfäärilistest fluktuatsioonidest tinguitud vigadega. Väiksemat effekti mängib mitmekiireline levi liikuvates vastuvõtjates nagu autod, lennukid, jne. Siis koonduvad kõrvalkiired kiiresti ning vastuvõtjasse jõuab suurema energiaga peakiir. Emphemeris signaali ja satelliidi kella vead Navigation Message NM saadetakse välja ainult 1 kord 12,5minuti jooksul. Selles andmesõnumis olevad andmed on aga enamasti out of date isegi pikema perioodi võtta. See juhtub näiteks olukorras, kus GPS satelliit sooritab orbiidile naasemise manöövri (satelliidid vajuvad oma orbiidilt välja). Emphemeris signaalis olevast orbiidi valet informatsiooni teiselt poolt piirab ribalaius. Kuna satelliitides kasutatavad aatomkellad on ülimalt täpsed, esineb ka neil, nagu tavalistelgi kelladel kella nn triivimist ( clock drift ), mis väljendub kellaaja sujuvas ettejõudmises või maha jäämisdes tegelikust ajast. Sellised vead võivad lisada veel 2m ebatäpsust koordinaatide mõõtmisel. Kuna need vead on aga enamasti perioodilised ning korduvad teatud aja tagant kasutatakse nende elimineerimiseks lihtsalt täpsema almanac signaali edastamist eraldi kanalil. Relatiivsusest tingitud vead Tänu sellelem et satelliidid omavad mingit kiirust ja gravitatsiooni-potensiaali (gravitational potential), siis nende kellad peavad töötama pisut kiiremini (38 microsekundit päevas), kui maapealsed kellad. Seega peab nende edastatav sagedus olema 10,23MHz asemel hoopis 10,22999999543MHz. Relatiivsusest tulenevate erinevuste arvestamata jätmisel tekivad koordinaatide arvutamisel vead suurusjärgus 15m. Täpsuse tõstmiseks kasutatakse mitmeid meetodeid. Lühidalt nende põhimõttest. Differential GPS (DGPS) tõstab tavalisegpsi täpsust 4 20meetrilt 1-3meetrini. DGPS kasutab lisaks satelliitidele veel maapealsete, teadaolevate asukohtadega vastuvõtjate signaali. Need vastuvõtjad arvutavad vea satelliidi ja enda teadaoleva asukoha vahel ning edastavad selle siis kohaliku FM raadiosignaalina, mida piirkonnas viibivad tsiviilkasutajad saavad vastu võtta ning kasutada täpsuse tõstmiseks. Wide Area Augmentation System (WAAS) kasutab samuti maapealsete baasjaamade abil, mis ilmastiku-, ioonosfääriolude ning konkreetse satelliidi kella triivimise kohta correction messageid koostavad ning geostatsionaarsel orbiidil olevatele WAAS satelliitidele saadavad. Hetkel on orbiidil ainult mõned WAAS satelliidid, mis pakuvad teenust kriitilistes aplikatsioonides nagu lennundus, jne, töötades hetkel ainult Põhja-Ameerikas. Lisaks põhjaameerikale arendab WAASiga sarnaseid teenuseid Euroopa EGNOSe näol (European Geostationary Navigation Overlay Service) ja Jaapan MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) näol. Local Area Augmentation System (LAAS) on sarnane süsteem WAASile, ent erinevus seisneb selles, et correktion messaget rdastavad kohalikud maapealsed baasjaamad (nn pseudolites (pseudo-satellites)), mille leviulatus on maksimaalselt 30 35km. Sellised jaamad maksavad umbes 50000 USA dollarit ning neid kasutatakse enamasti näiteks lennujaamades. Jaamad muudavad GPSi vea kõigest 1-2cm-ni. Kandja faasi täpsustamisel põhinev meetod Carrier-Phase Enhancement (CPGPS) kasutab 1,575GHz sageduselga L1 signaali nagu kella, kasutades just loogilise 0 ja 1 vaheldumist (biti fronte) C/A PRN signaalis. Faaside mittetäpse kokkulangevuse tõttu signaalide kokkusobitamisel tavalise GPSi korral tekitab vea 2 3 m. CPGPS mis töötab 1% täpsusega saavutab aga ideaaljuhul veaks vaid 2 3mm, sest front
moodustab vaid 1/1000 bitist. Tegelikkuses on CPGPSi ja DGPSi kombineerimisel võimalik positsioneerimistäpsus 23 30cm. Lisaks kasutatakse veel mitmeid täpsustamiseks mõeldud meetodeid, mis baseeruvad näiteks satelliidi kella ja empheris signaali täpsustamine (Wide Area GPS Enhancement (WAGE)), Relative Kinematic Positioning (RKP), mis kasutab signaali ja kellatsüklite võrdlust lisaks data correction messagetele ning mitmeid ilma nimeta meetodeid, näiteks autodes olevasolevate kiirusemõõtjate ja muu infoallikate kombineerimine GPS seadmetega. Satellidid 2006 a augusti seisuga kasutas GPS 29 aktiivset (ülemaailmseks katvuseks on tarvis 24) Block II/IIA/IIR/IIR-M satelliiti Medium Earth Orbitil (MEO), mida vahel nimetatakse ka Intermediate Circular Orbitiks, 20200km kõrgusel merepinnast. Iga satelliit teeb ringi ümber Maa 2 korda päevas. Orbiidid on planeeritud nii, et vähemalt 4 satelliiti on alati otsenähtavuses peaaegu igast maailma punktist. Igal kuuest orbitaaltasandist on 4 aktiivset satelliiti. Iga orbiit on 55kraadise kaldenurgaga ekvatoriaaltasandi suhtes ning ühel tasandil tiirlevqad satellidiid omavahel 60kraadise vahega. Satelliitide lennuteid jälgivad 5 maapealset baasjaama, mis asuvad Hawaiil, Kwajaleinis, Ascension Islandil, Diego Garcial ja Colorado Springsis. Peamine kontrollkeskus asub Schriever Air Force Baseis ja edastab teiste viie jaama vaatlusandmed tagasi (correction message) satelliitidele läbi Island, Diego Garcia, and Kwajalein uplink jaamade. Saadetud info sisaldab ka aatomkellade sünkroniseerimiseks vajalike mikrosekundeid iga satelliidi kohta ning korrektsioone ephemeris singaali kohta, et saatelliitide maapealsete vaatluste põhjal koostatud tegelik orbiit ühtiks ideaalse orbiidiga. Sagedused GPSi kasutatavad sagedused elektromagnetilises spektris on L1 (1575.42 MHz), mis kannab üldkasutatavat coarse-acquisition (C/A) koodi ning ka krüpteeritud täpset P(Y) koodi. L2 (1227.60 MHz), mis kannab enamasti ainult p(y) koodi, kuid vahest ka teist C/A koodi uuendatud Block II-R seeria satelliitidelt. L3 (1381.05 MHz), mis kannab infot GPSi militaarse funktsiooni tarbeks, milleks on avastada rakettide/sõidukite saatmist kosmosesse (Defense Support Program satellites), tuumaplahvatusi ning muid energeetiliselt suuri infrapuna -sündmuseid. Arendustööd tehakse kahe uue signaali kasutuselevõtmiseks: L4 (1841.40 MHz), mida arendatakse tavaliste ionosfääriliste mõjude kõrvaldamiseks L5 (1176.45 MHz), mis võetakse kasutusele tsiviilkasutajatele safety-of-life (SoL) signaalina. Signaali sagedus langeb rahvusvaheliselt kaitstud lennundusnavigatsiooni sagedusalasse, mis tähendab üliväikest või absoluutselt olematut interferentsiohtu. Esimesed Block IIF satelliiidid, mis seda signaali edastama hakkavad on plaanitud orbiidile saata 2008 aastal. Vastuvõtjad GPS vastuvõtjate täpsus on väga kõikuv, seda eelkõige tänu võimalikult paljude raadiovastuvõtjatele. Varajastel GPS vastuvõtjatel oli üldjuhul 6 8 paralleelset kanalit L1 C/A signaali vastuvõtmiseks, tänapäeval juba vähemalt 12. Kahesageduslikes vastuvõtjates on eraldi vastuvõtjad ka L2 signaali jaoks. Protsessorite kiire areng on muutnud võimalikuks ka andmete töötlemise vastuvõtjas, mis taaskord muudab tulemused täpsemaks. Lisaks on paljudel vastuvõtjatel võimalused kas USB kaabli või Bluetoothi kaudu arvutiga ühendamiseks, mis lisab andmetöötlusesse veelgi täiendavaid võimalusi.
GPS jamming Nagu iga teist raadionavigatsioonisüsteemi, nii on ka GPSi võimalik häiretega segada. On kirjutatud mitmeid detailseid kirjeldusi jammerite ehitamiseks, sh ajakirjas Phrack, ent samas on teateid ka tahtmatutest häiretest, mida on põhjustanud valesti funktsioneeriva võimendusega televisiooniantennid. Interferentsi võivad tekitada tegelikult ükskõik millised suurema võimsusega signaalid, niiet turva-kriitilistel aladel peab olema alati ka varuplaan juhuks, kui GPS ei tööta või annab valeandmeid. Samuti võivad GPS signaale segada looduslikud magnettormid, eriti kõrgematel laiuskraadidel. GPS jammingu vastu kasutatakse Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) rakendust, mis hoiatab kasutajat võimaliku jammingu või muu probleemi avastamisel. Umbes sigaretipaki suuruseid GPS segajaid müüakse Venemaal, kuid nende efektiivsus on Iraagi sõja kogemuste põhjal küsitav. Selge on see, et madala võimsustasemega jammirid on militaarseisukohalt väheohtlikud, suure võimsusega jammereid on aga lihtne leida ja hävitada. GALILEO POSITSIONEERIMISSÜSTEEM Galileo on Euroopa Liidu poolt rahastatav peamiselt tsiviilkasutuseks mõeldud satelliitnavigatsioonisüsteem, mis saab olema alternatiiviks USA kontrollitavale GPSile ning venelaste GLONASS süsteemidele, et tagada sõltumatus neist riikidest. Galileo eesmärgiks on pakkuda parimat täpsust kõigile kasutajatele parem katvus suurtel laiuskraadidel põhjas ja lõunas süsteemi, mis teenindaks Euroopat ka sõjalistes olukordades või poliitiliste lahkarvamuste korral. Galileo sateliitsüsteemi struktuuri ja teenused panid kokku Saksamaa, Prantsusmaa, Itaalia ja SuurBritannia insenerid. Kuigi projekti esimene faas kinnitati Euroopa liidu poolt juba 1999 aastal, tänu majanduslikele raskustele Euroopa liidus ning USA pidevale survele oli 2002 a alguses Galileo projekt peaaegu surnud, ent just poliitiline surve oligi see, et Galileo projekt siiski uuesti ette võeti. Liikmesriigid ise asusid projekti rahastama ning koostöös European Space Agency (ESA) kinnitati plaan, et kõik 30 satelliiti viiakse orbiidile ajavahemikus 2006-2010. Galileo projekti lõplikuks hinnaks pakutakse hetkel 3 miljonit eurot, mis sisaldab ka maapealset infrastruktuuri, mille ehitamine on plaanitud aastatesse 2006-2006. 1% projekti maksumusest on erainvesteerijate kätes, ülejääud 2/3 katavad Euroopa Liit ja European Space Agency. Teenus on saadaval tasuta, ent suuremat täpsust tagav teenuse eest tuleb siiski maksta. 2004 a sõlmiti USAga ka leping, mille järgi Galileo hakkab kasutama Binary Offset Carrier 1.1 sagedust, mis lubab juurdepääsu süsteemile nii GPSi kui Galileo vastuvõtjatega, kuid võimaldab mõlemal valitsusel ka oma pool süsteemist sulgeda ilma kogu süsteemi kahjustamata. Aastatel 2003-2006 on projektiga ühinenud ning rahalised investeeringud teinud ka Hiina (kuigi kuulujuttude põhjal või Hiina lahkuda Galileo projektis ning asuda oma isikliku positsioneerimissüsteemi Beidou arendamisele), Iisrael, Ukraina, India, Marokko, Saudi Araabia ja Lõuna-Korea. Hetkel on veel rida riike, mis tahavad projektiga ühineda, sh Venemaa, Jaapan, jt. Vaatamata silmapaistvatele tehnoloogilistele saavutustele ning praktilisele tööriistale on Galileo tugevalt ka poliitiline otsus, muutaks Euroopa ja muu maailma sõltumatuks USA GPS süsteemist. Peamiseks põjuseks on asjaolu, et kuigi mitte kunagi ei ole USA GPS süsteemi kasutamist tavakasutajatele päris keelanud, oli see kuni 2000 aastani siiski limiteeritud. Kuna satelliitnavigatsioonist sõltub hetkel suurem osa lennukite ja laevade juhtimisest, siis sellist
sõltumist endale lubada ei saa. Ka Euroopa Liit on kinnitanud, et Galileole võidakse piirata tavakasutajate juurdepääs, aga seda vaid ekstreemsetes oludes. Galileo konfiguratsioonist (Joonis 30) 30 satelliiti MEO orbiidil 23222km merepinnast 3 orbiiti kaldenurgaga 56 (9 töötavat +1 varusatelliit ühe orbiidi kohta) satelliidi eluiga: >12 aastat satelliidi kaal: 675 kg satelliidi mõõtmed: 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m päikesepaneelide pindala: 18.7 m päikesepaneelide võimsus: 1500 W Joonis 30 TEENUSED Galileo hakkab pakkuma teesueid neljas teenuserühmas. Avatud teenus e Open Service (OS) on kasutamiseks kõigile. Teenuse signaali edastatakse kahes sagedusbändis 1164 1214 MHz ja 1563 1591 MHz. Vastuvõtjad saavutavad positsioneerimisel täpsuse kuni 4m horisontaalsihis, ja kuni 8m vertikaalsihis. Ainult ühte sagedust kasutavad vastuvõtjad positsioneerivad täpsusega kuni 15 m horisontaalsihis ja kuni 35m vertikaalsihis. Tõenäoliselt saavad massturu seadmed (nagu automotive navigation systems) mõistma parema katvuse huvides nii GPSi kui Galileo signaali. Tasuli krüpteeritud Kommertsteenus e Commercial Service (CS) pakub täpsust kuni 1m. Maapealsete baasjaamade abiga annab täpsuse tuua aga kuni 10 cm. CS teenuse signaali edastatakse kolmes sagedusbändis kaks neist samad, mis OS teenuse juures, kolmas sagedusalas 1260 1300 MHz. Krüpteeritud Public Regulated Service (PRS) ja Safety of Life Service (SoL) pakuvad mõlemad Avatud teenusega sarnast täpsust. Peamiseks erinevuseks on sõltumatus häiretest ning signaali saatnud terminali asukoha avastamine baasjaamast 10 sek jooksul. Teenust saavad kasutada politsei, sõjavägi ning transpordirakendused nagu lennukid, lennuliikluse kontrollteenistus, automatiseeritud lennumaandamine, jne. Samuti on Galileo satelliidid võimelised edastama avastatud hädaabisignaali COSPAS- SARSAT search-and-rescue majakatele 406.0 406.1 MHz bandis, mis muudab nad osaks Global Maritime Distress Safety Systemist. Praeguseks on Galieo projekti raames kosmosesse saadetud 2 testsatelliiti GIOVE-A (GSTB/V2A) ja GIOVE-B. Mõlemad satelliidid omavad pardal kosmose jaoks sobilikke vesinikaatomkellasid. Esimene satelliit kasutas krüpteerimiseks PRN koodi, mis aga lahti murti ning avaldati 2006a juunis ajakirjas GPS World. Satelliidi pardal on veel Allieni kiirgusvöö mõõtmiseks ja uurimiseks vajalikud seadmed. Teise satelliidi signaal on juba paremini krüpteeritud. Tema pardal on MEO keskkonna mõõtmiseks vajalikud seadmed ning varustus signaalide testimiseks kosmoses. Järgmiseks sammuks projektis on nelja in-orbit validation (IOV) sateliidi saatmine kosmosesse, mis oma varustuselt on juba lähedasemad lõplike Galileo satelliitidega. GLONASS